21-13 Solárne panely a rádioaktívne zdroje prúdu

21-1 Kladné a záporné ióny; 21-2 Faradayove zákony; 21-3 Vedenie elektrického prúdu v plynoch; 21-4 Vzťah medzi hmotnosťou a nábojom elektrónu; 21-5 Elektrický náboj a hmotnosť elektrónu; 21-6 Thomsonov model atómu ; 21-7 Rutherfordov model atómu; 21-8 Elektrická vodivosť v pevných látkach; 21-9 Polovodiče; 21-10 Termická emisia; 21-11 Kryštalické usmerňovače prúdu; 21-12 Tranzistory; 21-1 Solárne panely a rádioaktívne zdroje prúdu;

Úlohy

21-12 Tranzistory

21-13 Solárne panely a rádioaktívne zdroje prúdu

Vlastnosti $n - p$ prechodu kryštálov sa dajú využiť na bezprostrednú premenu slnečného žiarenia, či rádioaktívneho žiarenia na elektrickú energiu. Podstatou princípu je, že keď žiarenie sa pohltí v kryštáli polovodiča, uboľní z mriežky kryštálu niekoľko elektrónov z atómov, čím počet voľných elektrónov a dier vzrastie v kryštáli. Vzrast počtu nosičov náboja na $n - p$ prechode naruší elektrostatickú rovnováhu, a zo smeru kryštálu s akceptormi vznikne prúd smerom ku kryštálu s donormi. V Bellovich laboratóriách¹⁹ predstavili prvé komerčne využiteľné solárne články: kremíkový kryštál s malým arzénovým znečistením (donor), na ktorom bola tisícinu milimetra hrubá vrstva $p$ -vrstvy, v ktorej úlohu akceptoru hral bór. Ak na článok dopadne svetlo, hmota článku svetlo pohltí, pričom vytvorí voľné elektróny a diery, v dôsledku čoho vznikne elektrické napätie približne $0, 5 V.$ Účinnosť solárneho článku bol okolo $20 %$ a dodával výkon približne $100 W/m^{2}$ (počítajúc na plochu článku). Dnešné solárne panely sú schopné pokryť veľkú časť spotreby elektrickej energie domácnosti, a pracuje sa na tom, aby domácnosti boli schopné (v prípade, keď nepotrebuje získanú energiu) dodávať elektrickú energiu do rozvodovej siete. Tento model rieši aj zraniteľnosť veľkých distribučných sieti proti preťaženiu a výpadku – proti tzv. blackout-u²⁰.

V dobe predstavenia prvého solárneho článku (1954) výroba bola príliš drahá, a ako zdroj elektrickej energie nemohol vážne konkurovať bežným zdrojom energie. Dnes však dostáva väčší a väčší priestor. Vyvinuli sa mnohé technologické formy, ktoré sú lacnejšie na výrobu (napr. tie, ktoré využívajú nie kryštalický kremík, ale amorfný kremík), ich účinnosť je ale skôr okolo $10 % .$ Zložitejšie technológie (s viac $n - p$ prechodmi) majú dnes (2020) efektivitu až $47, 1 %$ , pre masovú výrobu sú však zatiaľ príliš drahé. Sú však situácie, keď na cene v podstate nezáleží, napríklad na umelých družiciach, kde elektrické zariadenia sú napájané solárnymi článkami.

Na podobnom princípe, ako pracujú solárne články, aj energia rádioaktívneho žiarenia, akými sú žiarenia $α, β$ a $γ,$ sa dajú priamo pretransformovať na elektrickú energiu. Tieto žiarenia sú totiž ionizujúce žiarenia. V šesťdesiatych rokoch si inžinieri predstavovali, že ak sa podarí vytvoriť obdobne účinné články pre ionizujúce žiarenia (ako pre slnečné svetlo), domácnosti budú zásobované zariadeniami, v ktorých budú elektrickú energiu vyrábať odpadové produkty z jadrových elektrární, ako napríklad plutónium. Riziká niečoho takého sú však príliš vysoké, než by sa bol vývoj vydal týmto smerom. S niečím podobným sa môžeme stretnúť pri napájaní vesmírnych sond, ktoré majú zamierené na hranicu Slnečnej sústavy, kde slnečný svit je už málo intenzívny.

¹⁹Pôvodne Bell Telephone Laboratories, dnes Nokia Bell Labs. Jeho zakladateľom bol Alexander Graham Bell (03.03.1847-02.08.1922), vynálezca telefónu. V Bellovich laboratóriách vynašli tranzistor, laser, fotovoltaické články, CCD prvky (detektory), ktoré tvoria fotocitlivé čipy dnešných digitálnych fotoaparátov, rozvinuli informačné technológie, vyvinuli Unix, programovacie jazyky C, C++, a vzniklo tu celkom 9 objavov ocenených Nobelovými cenami.

²⁰Výpadok siete (tzv. blackout) môže vzniknúť miestnym preťažením distribučnej siete elektrickej energie. Potrebná energia je presmerovaná, čo spôsobí preťaženie ďalších uzlov siete, a výpadky sa šíria lavínovito, pričom sa ničia zariadenia (transformátory) distribučných uzlov. Jedným najväčším výpadkom bol výpadok v Kanade a USA na severovýchode (od 14-ho do 28-ho augusta 2003), ktorá sa dotkla približne 55 miliónov ľudí a trvala 2 týždne. Je treba si uvedomiť, že napriek modernizačným snahám, mnohé časti elektrickej distribučnej siete v Európe sú staré okolo pol storočia, a často operuje na pokraji svojich možnosti (napr. koncom roka, počas sviatkov). Výpadky zasahujúce desiatky až stovky miliónov ľudí (ale kratšieho trvania) sú na celom svete skoro každý rok.

Úlohy 21