برق , علوم پایه , فیزیک 386 بازدید

آیا تاکنون به چگونگی عملکرد شیر‌های دستشویی اتوماتیک فکر کرده‌اید؟ به باز شدن خودکار درهای برقی کشویی چطور؟ به چگونگی انرژی تامین شده ماشین حساب‌هایی که نمونه‌ای از آن در تصویر زیر آورده شده است، چطور؟ اساس کار همه موارد فوق، وسیله‌ای موسوم به سلول فوتوالکتریک یا فوتوسل است.

فوتوسل
تصویر (۱): فوتوسل به کار گرفته شده در یک ماشین حساب جهت تامین انرژی الکتریکی

«سلول‌های فوتوالکتریک» (Photoelectric Cells) یا همان «فوتوسل» (Photocells)، هنگامی که نور به آن‌ها برخورد کند، تولید برق یا جریان الکتریکی می‌کنند. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا با زبانی ساده به بررسی فوتوسل و چگونگی عملکرد آن بپردازیم.

فوتوالکتریک چیست؟

می‌دانیم که کلمه «Photo» به معنی نور است. پس به طور ساده، فوتوالکتریسیته را می‌توانیم تولید برق (جریان الکتریکی) به وسیله نور معنی کنیم. پدیده فوتوالکتریک امروزه به واسطه پنل‌های خورشیدی (Solar Cells) برای همگان آشنا است. اثر فوتوالکتریک اولین بار در سال 1887 توسط دانشمند آلمانی مشهور، «هاینریش هرتز» (Heinrich Hertz) کشف شد. اما تا سال‌های زیادی چرایی و سازوکار این اثر ناشناخته باقی ماند تا در سال 1905 میلادی توسط «آلبرت اینشتین» (Albert Einstein) به طور کامل تشریح شد.

البته در نظر داشته باشید که منظورمان از نور تنها طیف مرئی نیست. فوتوسل یا سلول‌ فوتوالکتریک بسته به ماده‌ای که از آن ساخته می‌شود، توانایی کار در تمامی فرکانس‌های اپتیکی را می‌تواند داشته باشد. فرکانس‌های اپتیکی در شکل زیر نشان داده شده است.

طیف مرئی فرکانس های اپتیکی
شکل (۲): ناحیه اپتیکی شامل مادون قرمز (IR)، مرئی (Visible) و فرابنفش (UV) می‌شود.

در مقاله «اثر فوتوالکتریک (Photoelectric Effect) — به زبان ساده» اثر فوتوالکتریک به طور کامل بررسی شد. آلبرت اینشتین با در نظر گفتن جنبه ذره‌ای نور، یعنی فوتون‌ها اثر فوتوالکتریک را به خوبی تشریح کرد. می‌دانیم که انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی برابر با $$E=hf$$ است که در آن $$f$$ فرکانس موج و $$h$$ ثابت پلانک با مقدار $$h=6.626\ 070\ 15\times 10^{-34}\ {\rm {J.s}}$$ است. با برخورد فوتونی با انرژی $$hf$$ به یک سطح، قسمتی از این انرژی صرف آزاد کردن الکترون‌ها از قید هسته شده و انرژی باقی‌مانده نیز صرف انرژی جبنشی الکترون جهت حرکت آن‌ها می‌شود. الکترون‌های آزاد شده به این روش به فوتوالکترون‌ها موسوم هستند. این مطلب را اینشتین به به صورت زیر فرمول بندی کرد:

$$\large K_{e}=hf-hf_{0}$$

در رابطه فوق، $$hf_{0}=\phi$$ تابع کار ماده بوده و بیانگر حداقل انرژی لازم جهت آزادسازی الکترون‌ها است. دلیل رخ ندادن اثر فوتوالکتریک برای تمامی طول موج‌ها در رابطه فوق کاملاً مشخص است. همان‌طور که ملاحظه می‌کنید، تابع کار ماده وابسته به فرکانس موج تابشی است. به طور مثال اگر برای آزاد کردن الکترون از سطحی خاص، نوری با فرکانس آبی لازم باشد، نمی‌توان با نور قرمز که فرکانسی پایین‌تر (انرژی کمتر) دارد، این کار را انجام داد. حتی اگر شدت نور قرمز را بسیار زیاد کنیم، این امر حاصل نمی‌شود. چرا که انرژی لازم جهت کندن الکترون در فرکانس‌های آبی به بالا، فراهم می‌شود.

اثر فوتوالکتریک
شکل (۳): اثر فوتوالکتریک؛ تنها فوتون‌هایی با انرژی بیشتر از تابع کار فلز توانایی کندن الکترون‌ها را دارند.

فوتوسل و فوتوالکتریسیته

همان‌طور که بیان کردیم، «فوتوالکتریسیته» (Photoelectricity) به معنی تبدیل انرژی نوری (انرژی فوتون وابسته به امواج الکترومغناطیسی) به انرژی الکتریکی است. این امر به سه طریق مختلف که در زیر به معرفی آن‌ها می‌پردازیم، رخ می‌دهد.

رسانای حساس به نور (Photoconductive)

آشناترین مثالی که برای معرفی یک فوتوسل می‌توان از آن استفاده کرد، مقاومت‌های حساس به نور (Light Dependent Resistor – LDR) هستند. این دست از مقاومت‌ها بر اساس رسانایی نوری یا (Photoconductive) کار می‌کنند. در تصویر زیر نمونه‌ای از یک LDR نمایش داده شده است.

light dependent resistor
تصویر (4): نمایی از مقاومت حساس به نور (LDR)

همان‌طور که در تصویر مشخص است، بالای LDR یک لنز جهت متمرکز کردن نور به سلول وجود دارد. در صورت اتصال LDR در مدار الکتریکی، متناسب با جنس ماده سلول، هنگام قرار گرفتن مدار در تاریکی یا نور معمولی (مرئی)، LDR مقاومت الکتریکی بالایی از خود نشان می‌دهد. اما هنگامی که نوری با فرکانس مناسب به سلول (به طور مثال از جنس کلسیم سولفید) آن برخورد کند، از خود مقاومت کمی نشان می‌دهد.

در واقع با برخورد نور به سلول، مطابق با اثر فوتوالکتریک، نور تابشی به جریانی الکتریکی تبدیل شده و به جریان عبوری از LDR اضافه می‌شود. در اینجا نور تابش شده با تولید فوتوالکترون‌هایی در داخل ماده (افزایش الکترون‌های آزاد) باعث کاهش مقاومت الکتریکی آن می‌شود.

از کاربرد‌های مهم مقاومت‌های حساس به نور (LDR)، استفاده در شیرآلات اتوماتیک یا در‌های کشویی اتوماتیک است. به طور ساده ساختار ماده مورد استفاده در آن‌ها به گونه‌ای است که توسط نور (موج) مادون قرمز محیط به طور پیوسته جریان ثابتی را تولید می‌کند. هنگامی که دست یا بدن شما جلوی این مقاومت قرار بگیرد، میزان نور ورودی به مقاومت LDR تغییر می‌کند. در نتیجه مقاومت تغییر پیدا کرده به منزله تغییر جریان بوده که مدار الکترونیکی تعبیه شده در آن تغییرات جریان را تشخیص می‌دهد. آنگاه دستور مربوطه (باز شدن مسیر آب یا باز شدن در یا …) صادر می‌شود.

شیر اتوماتیک فوتوسل
تصویر (5): نمایی از یک شیر اتوماتیک. تغییرات نور توسط فوتوسل LDR ثبت شده و در نتیجه آب جاری می‌شود.

فوتوولتائیک (Photovoltaic)

یکی از مهم‌ترین کاربردهای فوتوسل یا سلول‌های فوتوالکتریک، استفاده از آن‌ها برای تولید برق (جریان ثابت) است که امروزه در بحث منابع انرژی تجدید‌پذیر و حفظ محیط زیست از اهمیت بالایی برخوردار است. پنل‌های خورشیدی (Solar Cell) که در ماشین‌حساب‌ها، ساعت‌های دیجیتالی یا نوع بزرگ آن برای تولید برق استفاده می‌شود، قالباً به سلول‌های فوتوولتائیک موسوم هستند.

سلول خورشیدی پنل خورشیدی
تصویر (6): یک پنل خورشیدی کوچک که می‌تواند ولتاژ ۱ ولت و جریان 0.5 آمپر را تولید کند.

اساس کار این مدل سلول‌ها همانند دیود بوده که از دو لایه نیمه‌هادی تشکیل شده‌اند. لایه بالایی غنی از الکترون بوده و لایه پایینی الکترون‌های کمتری دارد. با تابش نور، الکترون‌های آزاد شده از لایه پایینی به لایه بالایی آمده و در نتیجه اختلاف پتانسیل (ولتاژ) ایجاد می‌کنند (شکل ۶). این اختلاف پتانسیل باعث ایجاد جریان الکتریکی شده که توسط مدار خارجی منتقل می‌شود. دقت شود که ساختار لایه n به گونه‌ای است که نور را عبور داده و اثر فوتوالکتریک در لایه p رخ می‌دهد. جهت آشنایی بیشتر به مقاله «دیود در صفحات خورشیدی» مراجعه کنید.

سلول خورشیدی
شگل (7): تولید جریان الکتریکی ثابت توسط سلول‌های خورشیدی (فوتوولتائیک)

فوتوتیوب (phototube) یا Photoemissive

فوتوتیوب‌ها را می‌توان یکی از قدیمی‌ترین نمونه‌های فوتوسل دانست که به طرز ماهرانه‌ای طراحی شده‌اند. ساختار کلی یک فوتوتوب در شکل زیر آمده است:

 

همان‌طور که از  تصویر فوق مشخص است، فوتوتیوب لوله‌ای شیشه‌ای است که درون آن خلأ شده است. صفحه‌ بزرگ موسوم به کاتد که به ترمینال منفی (الکترود منفی) متصل است، از جنس ماده‌ای است که می‌تواند مطابق با اثر فوتوالتریک در فرکانس نور تابشی، فوتوالکترون تولید کند. میله نازک نیز آند بوده که به ترمینال مثبت متصل است.

با تابش نور به کاتد، الکترون‌های آزاد شده به سمت آند آمده و از طریق آن به مدار هدایت می‌شوند.

یکی از کاربرد‌های این نوع ساختار، تقویت کننده‌هایی هستند که از چندین لایه کاتد تشکیل شده‌اند. در واقع در این حالت نور یا فوتون‌های تابشی توانایی آزاد کردن تعداد بیشتری الکترون را داش

Photoemissive - phototube
شکل (8): شماتیکی از اجزای یک فوتوتیوب

ته که در نتیجه، یک سیگنال نوری به کیفیت بهتری تبدیل به سیگنال الکتریکی می‌شود (گیرنده‌های نوری را در نظر بگیرید). این مدل طراحی به Photomultiplier معروف است.

phototube
تصویر (9): نمایی از دو فوتوتیوب متفاوت

همان‌طور که ملاحظه کردید، هر ۳ نوع فوتوسل معرفی شده در فوق، توانایی تشخیص نور یا تبدیل آن به جریان (سیگنال) الکتریکی را دارند. اما بکارگیری هر کدام از آن‌ها متفاوت است. پس به داریم:

  • در سلول‌های رسانای نوری یا همان مقاومت‌های حساس به نور، با تابش نور و رخ دادن اثر فوتوالکتریک، جریان الکترون‌ها افزایش پیدا کرده و در نتیجه مقاومت کاهش می‌یابد.
  • در سلول‌های فوتوولتایی، الکترون‌های آزاد شده در پدیده فوتوالکتریک،َ بین لایه‌هایی از جنس نیمه هادی حرکت کرده و در نتیجه اختلاف پتانسیل و جریان الکتریکی ایجاد می‌کنند.
  • در سلول‌های PhotoEmissive یا همان فوتوتیوب‌ها، الکترون‌های آزاد شده از کاتد به آند رفته و از طریق یک مدار خارجی ایجاد جریان می‌کنند.
فوتوسل
شکل (۱۰): شماتیکی از ۳ نوع فوتوسل یا سلول‌ فوتوالکتریک

دوره ویدئویی آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL

همان‌طور که در متن مقاله اشاره کردیم، بیشترین کاربرد سلول‌های فوتوالکتریک یا فوتوسل در سیستم‌های فوتوولتاییک (Photovoltaic) است. با توجه به سیاست‌گذاری‌های جامعه جهانی، در آینده‌ای نزدیک شاهد به کارگیری و جایگزینی منابع انرژی تجدید‌پذیر (پاک) نظیر انرژی بادی، انرژی گرما هسته‌ای زمین، انرژی خورشیدی و … با سوخت‌های فسیلی هستیم.

خوشبختانه در کشور عزیزمان ایران، همگام با جامعه جهانی، شاهد پیشرفت‌های قابل ملاحظه‌ای در این امر به خصوص پیشرفت و توسعه نیروگاه‌های فوتوولتایی (خورشیدی) هستیم.

یکی از بهترین و جامع‌ترین نرم‌افزارهای موجود جهت طراحی یک نیروگاه خورشیدی نرم افزار Valentin PVSOL است که استفاده زیادی در صنعت و پروژه‌های بزرگ دارد. در صورتی که علاقه‌مند به یادگیری مباحث انرژی خورشیدی هستید و می‌خواهید در سطحی تخصصی به طراحی یک نیروگاه خورشیدی بپردازید، دوره آموزشی آموزش طراحی و شبیه سازی نیروگاه خورشیدی با نرم افزار PVSOL [لینک آموزشبه شما پیشنهاد می‌شود. دوره آموزشی مذکور در 8 درس و به مدت زمان 4 ساعت و 20 دقیقه تهیه و تدوین شده است.

در درس اول از این دوره پس از معرفی نرم‌افزار PVSOL، روند طراحی یک نیروگاه خورشیدی مرور می‌شود. در فصل دوم نیز با نحوه تعیین بهترین مختصات جغرافیایی جهت بهبود راندمان سایت (نیروگاه) خورشیدی آشنا می‌شویم. در فصل سوم، با چگونگی طراحی یک نیروگاه در ۳ بعد در نرم افزار PVSOL آشنا شده و در درس چهارم به تحلیل آن می‌پردازیم. همچنین در این فصل، پنل‌های خورشیدی به صورت اجمالی بررسی می‌شوند. یکی از مباحث مهم در طراحی یک نیروگاه خورشیدی، مقوله سایه‌اندازی است. چرا که نیاز داریم نور خورشید بیشترین زمان ممکن به پنل‌های خورشیدی بتابد. در فصل پنجم و ششم به بحث سایه اندازی و تحلیل آن و همچنین آرایش پنل‌ها می‌پردازیم. در درس هفتم، تهیه نقشه تک خطی و آنالیز اقتصادی سایت آموزش داده می‌شوند. درس هشتم نیز به نحوه گزارش‌گیری و مقایسه نتایج به دست آمده از طراحی‌های مختلف در نرم‌افزار PVSOL اختصاص دارد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

^^

telegram
twitter

اشکان ابوالحسنی

«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه‌ مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.

بر اساس رای 1 نفر

آیا این مطلب برای شما مفید بود؟

نظر شما چیست؟

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *

برچسب‌ها