Foton - co to takiego?

Czym jest foton i jaki ma związek z OZE – odnawialnymi źródłami energii? Jak powstaje światło? Co to jest cząstka światła? Szczególnie dwa ostatnie pytania zadawali sobie wybitni uczeni na przestrzeni wieków, ale długo nie znajdowali prawidłowej odpowiedzi. Dziś stan wiedzy na temat promieniowania słonecznego jest na dużo wyższym poziomie, co przekłada się też na rozwój technologii. Świadomość, choćby w elementarnym zakresie, czym jest energia fotonu, pozwala zrozumieć, jak działa fotowoltaika i dlaczego zaliczamy ją do OZE.

Foton – co to jest

Na pytanie, czym jest foton, w zasadzie nie ma łatwych, uniwersalnie zrozumiałych odpowiedzi. Nawet te najprostsze wymagają minimalnej wiedzy z zakresu fizyki oraz znajomości podstawowych pojęć. Zanim jednak wyjaśnimy, czym jest energia fotonu, jakie są jego właściwości oraz, czym jest foton dla OZE – zacznijmy od podstaw. Najlepsze pytanie na początek każdej definicji brzmi po prostu „co to?”. Pojęciem fotonu najczęściej określa się cząstkę elementarną, która należy do grupy bozonów i jest „nośnikiem oddziaływań elektromagnetycznych”.

Wytłumaczenia, co to jest foton, podjął się Gilbert Newton Lewis – amerykański profesor, fizyk i chemik, który żył w latach 1875-1946. To jemu zawdzięczamy wyjaśnienie wiązań kowalencyjnych czy teorię kwasów i zasad. Definicja fotonu jako „przewoźnika energii promienistej” pochodzi z 1926 roku – badacz odnosił się do wcześniejszych prac i badań Maxa Plancka i Alberta Einsteina. I choć intencje oraz tropy Lewisa biegły nieco innymi torami, to właśnie zaproponowane przez niego określenie środowisko naukowe przyjęło entuzjastycznie i zaczęło je stosować do określania kwantu światła, a więc najmniejszej ilości energii promienistej.

W dalszej części artykułu omówimy właściwości fotonu oraz jego związki z fotowoltaiką. Wciąż jednak nie wyjaśniliśmy do końca, co to jest foton. Jak powstaje i skąd pochodzi? Foton powstaje w Słońcu – proces ten trwa miliony lat – gdy w strukturze gwiazdy centralnej Układu Słonecznego zderzają się pierwiastki wodoru i helu. Następnie wydostają się i zmierzają w stronę Ziemi. A że transportują światło oraz energię, dają nam – ludzkości – życie, przy tym tworząc nowe, atrakcyjne możliwości energetyczne, o czym za moment. Fotowoltaika dla domu jest tak rozwiniętą, nowoczesną i korzystną technologią właśnie dzięki wiedzy, czym jest foton, czyli najmniejsza cząstka światła.

Foton – charakterystyka

Właściwości fotonu pozwalają lepiej zrozumieć, dlaczego naukowcom tak długo zajęły badania i odkrycia w tej dziedzinie.

1. Fotonu nie zobaczysz

Podstawową właściwością fotonu jest to, że pozostaje niewidoczny gołym okiem. Bez specjalistycznej technologii nie da się go zobaczyć w naturalnej formie.

2. Fotonu nie wyczujesz

Choć fotony różnią się pod względem energetycznym, niezależnie od tego i tak ich nie wyczujesz. Nie poczujesz. Nie zauważysz. Nie tylko nie widać ich gołym okiem – są także niewyczuwalne z uwagi na brak zapachu czy smaku. Nie usłyszysz ich – są po prostu nieuchwytne dla ludzkich zmysłów.

3. Fotonu nie dogonisz

Kolejną cechą fotonu jest przemieszczanie się z prędkością światła. Z taką prędkością poruszają się wyłącznie fotony – inne cząstki przemieszczają się z prędkością mniejszą od prędkości światła. Czasami ta wartość może być bliska prędkości światła, ale nie jest w stanie jej osiągnąć.

4. Fotonu nie uchwycisz

Dla fotonu nie istnieją przeszkody, które byłyby w stanie zatrzymać jego podróż przez wszechświat i zniszczyć go. Taką moc mają jedynie czarne dziury.

Po analizie zawartości energii fotonów promieniowanie określa się inaczej, tzn. jako:

• radiowe,
• mikrofale,
• podczerwień,
• światło widzialne,
• nadfiolet,
• rentgenowskie (X),
• gamma.

Znasz już najważniejsze właściwości fotonu. Jak wykorzystuje tę wiedzę fotowoltaika?

Foton w fotowoltaice

Samodzielna produkcja energii ze Słońca w ramach instalacji solarnej jest możliwa dzięki wykorzystaniu efektu fotowoltaicznego. Zjawisko to po raz pierwszy zaobserwował Aleksander E. Becquerel w 1839 roku. Rzecz jasna potrzeba było całych dekad kolejnych badań – m.in. takich genialnych umysłów jak Albert Einstein – żeby odkryć dostatecznie dużo przydatnej wiedzy, która wpłynęła na dynamiczny rozwój fotowoltaiki.

Pierwsze panele fotowoltaiczne powstały kilkadziesiąt lat temu i choć ich sprawność była wtedy dużo niższa niż obecnie, to już wówczas było jasne, że ich działanie zależy od obecności w promieniowaniu słonecznym tak małych części, jakimi są fotony. W dużym uproszczeniu efekt fotowoltaiczny polega na tym, że strumień promieni słonecznych pada na powierzchnię z półprzewodnikami, a fotony pobudzają elektrony, które przejmują ich energię. Najpopularniejszym półprzewodnikiem na rynku od dawna jest krzem, dlatego to właśnie z niego produkuje się wiele paneli słonecznych.

Zatrzymaliśmy się na etapie pochłaniania energii fotonów przez elektrony. Aby stało się to możliwe, w atomie półprzewodnika powstaje dziura elektronowa, a przeciwnie do jej kierunku poruszają się elektrony i wtedy powstaje prąd elektryczny. Przypomnijmy, że panele fotowoltaiczne nadają się do produkcji prądu stałego. Do przekształcenia go w prąd zmienny, o charakterystyce sieciowej właściwej dla standardowego budynku i sieci, służy falownik (inwerter). Montaż tego urządzenia jest niezbędny, aby móc korzystać z samodzielnie wyprodukowanego prądu.

Jakie znaczenie ma foton dla fotowoltaiki? Można śmiało stwierdzić, że fundamentalne – strumień światła słonecznego jest niezbędny, aby w ogniwach paneli fotowoltaicznych zaszło zjawisko fizyczne, które pozwala wyprodukować energię. Wydajność tego procesu z jednej strony zależy od warunków nasłonecznienia i ekspozycji panelu względem Słońca, a z drugiej od jakości wykonania samego modułu. Dlatego tak ważny jest dobór odpowiednich urządzeń i ich przemyślany montaż we właściwym miejscu, pod odpowiednim kątem.

Mówiąc obrazowo, „trzeba stworzyć fotonom odpowiednie warunki do pracy”. Serwis fotowoltaiki może być niezbędny np. z powodu zniszczeń fizycznych struktury półprzewodnika w panelu, ale nie dlatego, że fotonów zabraknie. Póki Słońce świeci nad naszymi głowami, póty możemy produkować darmowy i ekologiczny prąd. A bez fotonów i Słońca nasz świat musiałby przestać istnieć, przynajmniej w takiej formie, w jakiej go znamy.

Podsumowanie

Dzięki wiedzy, czym jest foton oraz jakie są jego właściwości, szczególnie w zakresie produkowania zielonej energii, możemy dzisiaj proponować takie rozwiązania jak fotowoltaika dla firm czy fotowoltaika dla rolnika. Mamy nadzieję, że przystępny język artykułu, ułatwił Ci zrozumienie związku fotonu z OZE.

Pamiętaj, że zawsze możesz liczyć na konsultantów i fachowców Polenergia Fotowoltaika. Nasi specjaliści chętnie dzielą się wiedzą, które zdobywali latami. Pomożemy Ci też ubiegać się o dofinansowanie do fotowoltaiki w ramach programu Mój Prąd, a nasz kalkulator fotowoltaiczny pomoże Ci oszacować oszczędności z inwestycji.