כיצד מייצרים וממחזרים פאנלים סולאריים

תאים פוטו-וולטאיים ממירים את אור השמש לחשמל

התא הפוטו-וולטאי הוא מרכיב מרכזי של פאנלים סולאריים, הממיר את אור השמש ישירות לחשמל. תאים מסוימים יכולים גם להמיר אור מלאכותי לחשמל. פוטונים, המרכיבים את אנרגיית השמש, מגיעים באורכי גל רבים. לכל אורך גל יש רמות אנרגיה שונות, והתאים הסולאריים משתמשים בהם כדי ליצור חשמל.

תפוקת הכוח של התא הפוטו-וולטאי נקבעת לפי כמות קרינת השמש שפוגעת בצומת PN ואחוז קרינת השמש המומרת לחשמל. בדרך כלל, תא PV אחד מייצר מתח מעגל פתוח (OCV) של 0.5 עד 0.6 וולט ב-25 מעלות צלזיוס. מתח זה נשאר קבוע גם כאשר תא ה-PV אינו מחובר לעומס חיצוני.

תאים סולאריים פוטו-וולטאיים מורכבים משכבות דקות של סיליקון. שכבות אלו מטופלות במיוחד כדי ליצור שדה חשמלי. בצד אחד של הסיליקון יש מטען חיובי, ולצד השני מטען שלילי. כאשר האור פוגע בסיליקון, אלקטרונים מתרופפים וזורמים דרך המוליכים החשמליים. התוצאה היא זרם חשמלי קטן, שיכול להפעיל אור או כלי עבודה.

על מנת להמיר את אור השמש לחשמל, תאים סולאריים משתמשים בשילוב של סיליקון מסוג p וסוג n. הפוטונים מאור השמש מעוררים אלקטרונים וחורים בסיליקון. צמד האלקטרונים-חורים נוצר ליד המפגש של שני סוגי השכבות, והשדה החשמלי מפרק אותם. זה גורם לאלקטרונים לזרום לצד מסוג p ולחורים לעבור לשכבה מסוג n.

סיליקון הוא החומר הנפוץ ביותר בשימוש בתאים סולאריים. הוא סופג את מירב האנרגיה באורך גל של כ-800 ננומטר, הקרוב לשיא קרינת השמש. לתא סולארי סיליקון חד גבישי יש יעילות מקסימלית של 18% עד 20 אחוזים. תאים רב גבישיים זולים יותר ומשתמשים במספר גבישים. לתאי סיליקון אמורפיים יש יעילות נמוכה יותר, בין שמונה לתשעה אחוזים.

הם עשויים משני סוגים של מוליכים למחצה

ישנם שני סוגים עיקריים של מוליכים למחצה המרכיבים תאים סולאריים. אלו הם מוליכים למחצה מסוג n וסוג p. סוג ה-p נוצר על ידי הוספת אטומים שיש להם פחות אלקטרונים מסיליקון. דוגמאות למוליכים למחצה מסוג p כוללות גליום ובור. אלמנטים אלו יוצרים חלל אלקטרוני בתא הסולארי, המאפשר להמיר את אנרגיית האור הנספגת לזרם חשמלי.

סיליקון הוא הסוג הנפוץ ביותר של חומר מוליכים למחצה בשימוש בתאים סולאריים. כ-95% מהמודולים הסולאריים הקיימים כיום בשוק עשויים מחומר זה. הסיליקון הוא אחד החומרים הנפוצים ביותר על פני כדור הארץ, שני רק לחמצן. זהו גם החומר המוליך למחצה הנפוץ ביותר בשבבי מחשב. האטומים בסיליקון גבישי יוצרים סריג גבישי, המספק מבנה מאורגן המקל על הפיכת האור לחשמל.

תאים סולאריים חד-גבישיים עשויים מגבישים בודדים של סיליקון, בעוד שתאים רב גבישיים עשויים מגבישים מרובים של סיליקון. תאים חד-גבישיים הם בדרך כלל יעילים יותר מתאי שמש רב-גבישיים מכיוון שהאלקטרונים יכולים לנוע בחופשיות רבה יותר דרך החומר המוליך למחצה. לתאים חד-גבישיים יש גם מראה מובהק המקנה להם תבנית מובהקת של יהלומים לבנים קטנים.

באופן כללי, תאים סולאריים מסיליקון עשויים מסיליקון, המספק יעילות גבוהה, עלות נמוכה וחיים ארוכים. מודול סולארי סיליקון טיפוסי יכול להמשיך לייצר 80% מההספק המקורי שלו לאחר 25 שנים. סוג אחר של תא סולארי, המכונה תא סרט דק, עשוי משכבות דקות של חומרים מוליכים למחצה אחרים. שתי דוגמאות לתאים סולאריים בעלי סרט דק הם קדמיום טלוריד ואינדיום גופרתי נחושת.

שני הסוגים העיקריים של מוליכים למחצה בפאנלים סולאריים הם מסוג n וסוג p. התא הסולארי מסוג p עשוי מסיליקון מסוג p. בניגוד לסוג n, סיליקון מסוג p מכיל חורים בעלי מטען שלילי במקום אלקטרונים. במהלך תהליך המרת האנרגיה, שני סוגי מוליכים למחצה אלה מופרדים. ברוב המקרים, הפרדה זו מתרחשת בצומת הנקרא צומת pn. המאפיינים הבסיסיים של מוליכים למחצה אלו חיוניים להבנת האופן שבו סוגים קונבנציונליים וחדשים של תאים סולאריים עובדים.

הם מגושמים

פאנלים סולאריים הם מגושמים, אבל יש דרכים למזער את נפחם. פאנלים סולאריים חד-גבישיים יעילים יותר מאשר פאנלים רב-גבישיים. הם מייצרים יותר חשמל ומורידים את חשבון החשמל שלך. לוחות מונו-גבישים גם משתלבים טוב יותר ברקע. לפנלים חד-גבישיים יש סובלנות תרמית גבוהה יותר מאשר ליחידות רב-גבישיות. אם אתה מודאג בעיקר מהשורה התחתונה שלך, לוחות פוליבריסטליים הם הטובים ביותר.

פאנלים סולאריים משתנים במשקל ובמידות, אך בממוצע פאנל סולארי בן 60 תאים שוקל בסביבות 40 פאונד. המשקל תלוי גם במספר התאים הסולאריים בשימוש וב-KWV הנדרש למגורים שלך. מערכות סולאריות מחוברות לעתים קרובות יחד כדי לייצר תפוקה גבוהה יותר. הם יכולים להיות מחוברים במקביל או בסדרה.

פאנלים סולאריים עשויים מתאי סיליקון גבישיים, המצורפים בין זכוכית לפולימרים. הם מוחזקים יחד על ידי מסגרת אלומיניום. חיווט נחושת עובר מהתאים אל תיבת צומת. קופסה זו מכילה חיווט נחושת, אשר מעביר את החשמל תוך כדי יצירתו. מסגרת האלומיניום גם מגנה על התאים הסולאריים מפני פגיעה או שבירה.

הם עדינים

פאנלים סולאריים עדינים מאוד, ויש לנקות אותם רק עם סבון עדין ומתכלה. ניקוים באמצעות כימיקלים קשים וממיסים עלול למעשה לפגוע ביעילותם. שימוש בתמיסת סבון עם מברשת רכה ומגב יסייע במניעת פסים וכתמים.

הזכוכית המגנה על פאנלים סולאריים למעשה חזקה יותר מזכוכית רגילה, והזכוכית מחוסמת כדי לעמוד בתנאי מזג אוויר משתנים. למרות זאת, ברד גדול או פגיעת כדור על פאנל סולארי עלולים לנפץ את הזכוכית, לשבור את החיווט והתאים. ייתכן גם שגשם יחלחל מבעד לזכוכית, ויקצר את החיווט שמתחתיה.

פאנלים סולאריים יכולים גם להישבר עקב שינויי טמפרטורה פתאומיים. תופעה זו נקראת הלם תרמי, ועלולה להוביל לשבירת שכבות הזכוכית. למרבה המזל, פאנלים סולאריים עוברים בדיקות חובה לפני שהם נמכרים לצרכנים. בנוסף, הם נבדקים בתנאים סוערים, מה שעלול לפגוע בשלמות המבנית של פאנל סולארי.

פאנלים סולאריים עשויים ממספר תאים שונים, שהם שכבות מרובות של חומר מוליך למחצה. המוליכים למחצה הנפוצים ביותר עשויים מסיליקון, אשר קיים באופן טבעי בחול. עם זאת, המרת חול לסיליקון איכותי היא יקרה ודורשת אנרגיה. כתוצאה מכך, מחיר הפוליסיליקון זינק בשנים האחרונות. ביולי 2022, מחירו זינק לרמתו הגבוהה ביותר מאז 2011.

הם ממוחזרים

פאנלים סולאריים ממוחזרים במגוון דרכים. השלב הראשון בתהליך המיחזור הוא פירוק הפאנלים לחתיכות קטנות יותר. לאחר מכן הם מועברים דרך מספר מכונות עד שהחתיכות מקבלות עקביות עדינה, בדומה לחול. לאחר מכן, הלוחות נשלחים בתהליך הפרדה מגנטי להפרדת המתכות מהזכוכית. לאחר שחרור החמצון של הלוחות, הם הופכים למוצרים אחרים, כגון בקבוקי זכוכית או חרוזים מחזירי אור לכבישים מהירים.

בעוד ששימוש חוזר בפאנלים סולאריים יכול להועיל לאיכות הסביבה, תהליך המיחזור שלהם עשוי להיות יקר. לדוגמה, מיחזור לוחות זכוכית יכול להרוויח מתקני מיחזור של 3 דולר לפאנל, בעוד לוחות אלומיניום עשויים לעלות למתקני מחזור עשרים עד שלושים דולר. בנוסף, הזמן שלוקח לעבד כל פאנל הופך את התהליך ליקר ולאורך זמן. יתר על כן, לא משתלם למחזר לוחות אלומיניום, שכן הם מתפרקים לאט ועלולים להכיל רעלים מזיקים.

מיחזור פאנלים סולאריים הוא תעשייה צומחת. שווי החומרים הממוחזרים לפאנלים סולאריים צפוי להיות 2.7 מיליארד דולר עד 2030, לעומת 170 מיליון דולר בלבד השנה. המגמה צפויה להימשך, ועד שנת 2050, שווי החומרים הממוחזרים יהיה למעלה מ-80 מיליארד דולר. זוהי דרך מצוינת לתרום לתנועה הסביבתית.

בנוסף לזכוכית ואלומיניום, פאנלים סולאריים מכילים גם מספר אלמנטים יקרי ערך. תאים פוטו-וולטאיים מורכבים מיסודות אדמה נדירים, והחיווט שלהם עשוי מסיליקון ונחושת בדרגת שמש. למרות שישנן כמויות עקבות של יסודות אלה, ניתן לשחזר אותם מפאנלים סולאריים על ידי עיבודם עם מתכות בעלות ערך גבוה.