Foton – czym jest i dlaczego bez niego nie byłoby prądu?

Fotony to cząstki promieniowania elektromagnetycznego, które powstają w całej objętości Słońca. Te, które docierają na ziemię jako fale światła nie powstają w środku Słońca, a na zewnątrz gwiazdy. Bez nich nie byłoby życia na ziemi, a tym bardziej energii elektrycznej  produkowanej przez panele fotowoltaiczne. Jaka jest rola fotonu?

Foton – co to jest?

Foton to jedna z cząsteczek promieniowania elektromagnetycznego, która powstaje w słońcu. Fotony zostają wytwarzane wskutek zderzania ze sobą dwóch pierwiastków wodoru, a także helu. Po wytworzeniu, cząsteczki te przedostają się na zewnątrz słońca i pod wpływem wiatru słonecznego przemieszczają się w kierunku Ziemi oraz pozostałych planet znajdujących się w układzie słonecznym. Proces powstawania fotonów w słońcu jest długotrwały i trwa wiele milionów lat. Fotony nie są jednolitymi cząsteczkami i zawsze takimi samymi, ponieważ można je podzielić, aż na 7 rodzajów ze względu na kolejność promieniowania: fal radiowych, mikrofalowych, podczerwieni, światła widzialnego, ultrafioletu, rentgenowskiego, a także promieniowania gamma.

Dlaczego foton pełni istotną rolę? Fotony wędrują na Ziemię ze Słońca. Z ocierania o siebie atomów wodoru i helu zostaje wytworzona ogromna ilość energii, która zamienia się w fotony. Następnie w wyniku adsorpcji fotonów przez atomy, które z nimi sąsiadują dochodzi do uwolnienia energii skumulowanej w jądrze Słońca, która wydostaje się na zewnątrz. Taki proces powstawania fotonów trwa kilka milionów lat, pomimo że wydaje się dynamiczny. Natomiast promienie światła, które codziennie docierają do Ziemi i oświetlają są właśnie strumieniem skumulowanych fotonów. Światło jest niezbędne do funkcjonowania żywych organizmów, ponieważ bez niego życie nie mogłoby istnieć lub zakończyłoby się w szybkim tempie. Nawet najmniejsze organizmy żyjące na lądzie czy w wodzie potrzebują pokarmu, do powstawania którego potrzebne jest słońce.

Foton – główne cechy

Foton posiada wiele cech i do podstawowych cech należą: 

• niewidzialny gołym okiem – wynika to z faktu, że fotony poruszają się z prędkością światła, przez co oko ludzkie nie jest w stanie ich zauważyć
• pokonywanie olbrzymich odległości w krótkim czasie – fotony poruszające się po lekko zakrzywionych drogach w próżni, mogą pokonać wiele miliardów lat świetlnych
• niewyczuwalne dla wszystkich zmysłów – żaden foton nie posiada zapachu, kształtu, ani smaku, przez co nie można go zidentyfikować w tradycyjny sposób
• nie można ich zatrzymać – fotony mogą zostać zatrzymane jedynie przez zjawisko nazywane ,,czarną dziurą”, w której zostają uwięzione

Do podstawowych funkcji fotonów należy transport światła i energii. Przemieszczające się fotony tworzą fale promieniowania elektromagnetycznego, czyli światło. Wbrew pozorom fotony odgrywają w życiu człowieka ważną rolę, ponieważ słoneczne światło stanowi doskonałe i niewyczerpalne źródło energii, która nie powoduje zanieczyszczenia środowiska i co ważne, nie przyczynia się do degradacji Ziemi w przeciwieństwie np. do energii cieplnej pozyskiwanej podczas spalania węgla brunatnego. Dlatego jednym z coraz bardziej popularnych form wykorzystania energii świetlnej jest fotowoltaika, dzięki której można w ekologiczny sposób pozyskiwać prąd dla gospodarstw domowych, a nawet firm. 

Foton w fotowoltaice, czyli ekologicznej elektrowni

Fotowoltaika jest doskonałym sposobem, który pozwala wykorzystać potencjał docierających do Ziemi promieni słonecznych. Słońce jest ekologicznym i jednocześnie niewyczerpalnym źródłem energii, w przeciwieństwie do zasobów ziemskich, np. węgla brunatnego, gazu ziemnego, itd. Natomiast foton jest cząsteczką, która może istnieć do czasu, aż zostanie pochłonięta. Jeśli tak się nie stanie, to fotony mogą wędrować w nieskończoność. Natomiast w wyniku absorpcji dochodzi do zjawiska nazywanego fluorescencją, czyli powstawaniem światła, opuszczeniem atomu przez aktywowany elektron i jego przemieszczeniem na inną cząsteczkę. Absorpcja może też wywoływać jądrowy fotoefekt lub zjawisko fotoelektryczne, który z kolei łączy się ze zjawiskiem fotowoltaicznym, które zachodzi w panelach instalacji prądotwórczej. 

Fotony a wytwarzanie prądu elektrycznego w panelach fotowoltaicznych

Nazwa ,,fotowoltaika” powstałą z połączenia dwóch słów: foto, które oznacza światło oraz wolt będący napięciem prądu elektrycznego. Prąd uzyskiwany z energii słonecznej jest o wiele bardziej uniwersalną postacią energii niż samo ciepło powstające w kolektorach słonecznych. Świadczy o tym fakt, że energia elektryczna jest potrzebna do działania urządzeń elektrycznych, w tym również grzewczych, np. grzejniki, podgrzewacze centralnego ogrzewania, do wody (bojlery, podgrzewacze przepływowe, itd).

Kluczową rolę w wytwarzaniu prądu odgrywają panele fotowoltaiczne, które są montowane na dachach. Ogniwa są połączone ze sobą równolegle lub szeregowo i tworzą moduły, w których produkowany jest prąd podczas konwersji fotowoltaicznej. Budowa każdego ogniwa fotowoltaicznego znajdującego się w modułach opiera się na dwóch płytkach krzemowych. W przestrzeni między nimi istnieje pole elektryczne reprezentowane przez barierę potencjałów.

Promienie słoneczne wraz z fotonami zostają pochłonięte przez ogniwa, co w efekcie wprawia w ruch elektrony, opuszczające swoje miejsca – dziury elektronowe. W wyniku ruchu elektronów między warstwami krzemowego półprzewodnika dochodzi do różnicy napięcia elektrycznego. W ten sposób powstaje jednak prąd stały, natomiast do funkcjonowania urządzeń elektrycznych potrzebny jest prąd zmienny. Aby rozwiązać ten problem, w instalacjach fotowoltaicznych został zastosowany inwerter zmieniający prąd stały w zmienny o częstotliwości i napięciu zgodnym z wymogami sieci elektrycznej, m.in. w gospodarstwach domowych. 

Wytwarzanie prądu przez ogniwa jest również możliwe w pochmurny dzień. Ogniwa fotowoltaiczne posiadają zmienną moc, która zależy od poziomu zachmurzenia. W dni, w których słońce nie świeci, instalacja fotowoltaiczna produkuje mniej prądu, natomiast w słoneczne dni, natężenie produkowanej energii elektrycznej dochodzi aż do 1000W/m². Moc nominalna ogniw w pochmurne dni znaczenie spada, ale nigdy nie osiąga wartości 0. To oznacza, że instalacja fotowoltaiczna produkuje energię elektryczną także w pochmurną pogodę, pomimo że w mniejszym stopniu. Każde gospodarstwo domowe i przemysłowe posiada określone zapotrzebowanie na prąd. Dlatego przed zamontowaniem fotowoltaiki wykonywany jest plan oraz analizy mające na celu określenie zapotrzebowania danego gospodarstwa na energię i tym samym dobór odpowiedniej wielkości instalacji. Ważną kwestią jest również położenie działki i budynku, na którym zostaną zamontowane panele. Najlepszym miejscem są dachy niezacienione oraz ze spadem w kierunku południa. W innych przypadkach panele mogą zostać zamontowane na ruchomej głowicy, która zmienia położenie względem ich osi, adekwatnie do przemieszczania się słońca w ciągu dnia. Dzięki temu uzyskuje się optymalne nasłonecznienie i wydajność instalacji.

Fotony to cząsteczki, z istnienia których niewiele osób zdaje sobie sprawę. Jednak dzięki nowym technologiom możliwe jest ich wykorzystanie do wytarzania prądu w ekologiczny sposób. Energia słoneczna jest niewyczerpalna, dlatego warto korzystać z niej w jak największym stopniu.