সৌর বিদ্যুৎ

স্কুল থেকে ফিরেই মালিহার উৎসুক কন্ঠে মাকে প্রশ্ন মা, সূর্য আমার কেমন মামা। মা বুঝতে না পেরে স্বাভাবিক প্রশ্ন কোন সূর্য? আরে সূর্য মামাকে চিনলেনা ঐ যে আকাশের সূর্য। মা এবার হেসে সূর্য কে মামা বলার নানা কারণ ব্যাখ্যা করতে থাকে। মালিহা সন্তোষজনক উত্তর না পেয়ে স্বভাবজাত নানা প্রশ্ন করে শেষমেশ মায়ের বকুনি খেয়েই তার পেটভরে। মালিহার হয়তো তার পাঠ্য বইয়ের কাজী নজরুল ইসলামের কবিতা পড়েই এই প্রশ্নের উদগ্রীব হয়েছে। 

বন্ধুরা তোমরা কি জানো সূর্য্ কে কেন মামার মর্যাদা দেওয়া হয়? পছন্দের উপহার পাওয়া, নানা বায়না আর বিভিন্ন প্রয়োজন (যদিও আমাদের কাছে যা প্রয়োজনীয়, মা-বাবার চোখে তা বরারই অপ্রয়োজনীয় ছিল) মেটাতে মামাদের জুড়ি নেই। হয়তো মামার সাথে সূর্যের নানা চরিত্রগত মিলের কারণেই এই মামা-ভাগ্নে সম্পর্ক।

সূর্য, পৃথিবী হতে ৯২.৯৫,০০০,০০০ (বিরানব্বই দশমিক নয় পাঁচ মিলিয়ন) মাইল দূরে অবস্থিত। পৃথিবীর চেয়ে ১,৩০০,০০০ (তের লক্ষ) গুণ বৃহদাকৃতির ৩৫,০০০,০০০ (পয়ত্ৰিশ মিলিয়ন) সেলসিয়াস তাপমাত্ৰাধারী, শক্তির একটি অফুরন্ত ও নবায়নযোগ্য উৎস। সৌরকোষ আধুনিক পদার্থবিজ্ঞানের গবেষণার অন্যতম বিষয়, কিন্তু এর ইতিহাস বেশ পুরনো। সৌরশক্তির ব্যবহারের প্রচেষ্টার সেই আর্কিমিডিসের (২৮২-২০৭ খ্ৰীঃপূর্ব) সময় কালেও পাওয়া যায়।

১৮৩৯ সালে ফরাসী পদার্থবিজ্ঞানী বেকরেল সর্বপ্রথম আলোক-বিভব ক্রিয়া পর্যবেক্ষণ করেন। একে ব্যবহার করে ১৮৮৩ সালে সোনার প্রলেপ দেওয়া অর্ধপরিবাহি সেলেনিয়াম থেকে প্রথম সৌরকোষ তৈরি করেন চার্লস ফ্রিটস। এর কর্মক্ষমতা (Efficiency) ছিল মাত্র ১%।

১৮৮৮ সালে রাশিয়ান পদার্থ বিজ্ঞানী আলেক্সান্ডার স্টলতভ প্রথম ফটোইলেকট্রিক কোষ তৈরি করেন। মূল ভিত্তি ছিল বহিঃস্থ ফটো ইলেকট্রিক ইফেক্ট, যা ১৮৮৭ সালের প্রথম দিকে হেইনরিচ হার্জ আবিষ্কার করেছিলেন।

প্রথম সেমিকন্ডাকটর-জাংশন সৌরকোষ তৈরি হয় ১৯৪৬ সালে, যার উদ্ভাবক ছিলেন রাসেল ওল । তবে আধুনিক সৌরকোষ প্রযুক্তির জন্ম ১৯৫৬ সালে, আমেরিকার বেল ল্যাবরেটরিতে। ড্যারিল চ্যাপলিন, কেল্ভিন ফুলার ও জেরাল্ড পিইয়ারসন উদ্ভাবিত এই কোষের কর্মক্ষমতা ছিল ৬% এর কাছাকাছি ।
১৯৫৮ সালে উৎক্ষেপিত ভ্যানগার্ড-১ উপগ্রহ যাতে সৌরকোষ প্রথম ব্যবহার করা হয়।

ফটোইলেকট্রিক ইফেক্টকে ব্যাখ্যা করেন ১৯০৫ সালে। অ্যালবার্ট আইনস্টাইন বিশ্ববাসীর কাছে আপেক্ষিক ত্বত্তের জন্য বেশি পরিচিত। মজার ব্যাপার হল অনেকের ধারণা তিনি নোবেল পুরস্কার পান আপেক্ষিক ত্বত্তের জন্য। আসলে তিনি ১৯২১ সালে নোবেল পুরস্কার পান ফটোইলেকট্রিক ইফেক্ট ব্যাখ্যার জন্য। রাসেল ওহল ১৯৪৬ সালে আধুনিক সংযোগ অর্ধপরিবাহী সৌরকোষের প্যাটেন্ট করেন ১৯৪৬ সালে। ১৯৭০ সালে সোভিয়েত ইউনিয়নের জরেস আলফারভ ও তার সহকর্মীরা তৈরি করেন উচ্চ কার্যক্ষম হেটেরো-স্ট্রাকচার সৌরকোষ। ১৯৮৮ সালে আমেরিকার এপ্লাইড সোলার এনার্জি করপোরেশন (ASEC) তৈরি করে গ্যালিয়াম-আর্সেনাইডের কোষ যার কার্যক্ষমতা ছিল প্রায় ১৭%। পরবর্তী এক দশকে ASEC তাদের কোষের কার্যক্ষমতা উন্নীত করে ২০%-এ। এই কোষগুলো আমেরিকান মহাকাশযানগুলোতে ব্যপকভাবে ব্যবহৃত হয়। ২০০৭ সাল নাগাদ এই প্রযুক্তি ত্রি-জাংশন পর্যায়ে উন্নীত হয় ও প্রায় ৩০% কার্যক্ষমতা লাভ করে।

২০০০ দশকে সৌরকোষ প্রযুক্তির ব্যাপক উন্নয়ন ঘটে এবং কোষের মৌলিক গঠনে বৈপ্লবিক পরিবর্তন সূচিত হয়। তবে প্রকৃত অর্থে সোলার শক্তি নিয়ে বিশ্বব্যাপী গবেষণা বৈজ্ঞানিক গুরুত্বলাভ করে সত্ত্বর এর দশকে।

সৌর বিদ্যুৎ মুলত ফটোভোল্টেইক বা (আলোক তড়িৎ) ক্রিয়ার মাধ্যেমে কাজ করে থাকে। মূলকথা আলোকে কাজে লাগিয়ে তৈরি হয় তড়িৎ।

ফটোভোল্টেইক শব্দটির ফটো এসেছে গ্রীক শব্দ ফস থেকে, যার অর্থ আলো। আর ভোল্টেইকের অর্থ বিদ্যুত যা নামকরণ করা হয়েছে ইতালিয়ান পদার্থবিজ্ঞানী অ্যালেসান্ড্রো ভোল্টা নাম থেকে। যার থেকে তড়িতচ্চালক শক্তির একক ভোল্টের নামকরণও। 

সূর্য সার্বজনীন হলেও বিশ্বের প্রতিটি স্থানই সূর্যকে সমানভাবে পায় না, ০° থেকে ৪৫° অক্ষাংশে অবস্থিত দেশগুলোই সৃর্যের বিকিরণ সর্বোচ্চ হারে পেয়ে থাকে। এদিক দিয়ে আমরা অনেক সৌভাগ্যবান।

আমাদের দেশে প্রতি দিন, এক বর্গ মিটারে যে সূর্যের আলো পতিত হয় তা প্রায় ৩.৫ থেকে ৫.২ কিলোওয়াট বিদ্যুৎ শক্তির সমান।

সোলার প্যানেল সম্পর্কে জানার আগে চল সেমিকন্ডাক্টর আর জাংশন সম্পর্কে একটু ধারণা নেয়া যাক। তোমরা হয়তো অনেকেই জানো, যে সকল পদার্থের বৈশিষ্ট্য পরিবাহী এবং অপরিবাহী পদার্থের মাঝামাঝি তাদেরকে সেমিকন্ডাক্টর বা অর্ধপরিবাহী বলে। যেমনঃ সিলিকন (Si), জার্মেনিয়াম (Ge), কার্বন (C), টিন (Sn), গ্যালিয়াম আর্সেনাইড (GaAs), গ্যালিয়াম ফসফাইড (GaP), গ্যালিয়াম আর্সেনাইড ফসফাইড (GaAsP), লিড টেলুরাইড, ক্যাডমিয়াম সালফাইড (CdS)

পদার্থের পরমাণুর সর্বশেষ কক্ষপথে চারটি ইলেকট্রন থাকে। এর পরিবাহীতা 10-3 – 106 /Ohm/cm । এর ভ্যালেন্স ব্যান্ড (সর্বোচ্চ শক্তি স্তর) ইলেকট্রন দিয়ে আংশিক পূর্ণ থাকে এবং কন্ডাকশন ব্যান্ড (সর্বোনিম্ন শক্তি স্তর) প্রায় খালি থাকে। ভ্যালেন্স ব্যান্ড এবং কন্ডাকশন ব্যান্ডের মধ্যে এনার্জি গ্যাপ অনেক কম। তাপমাত্রা এবং বৈদ্যুতিক চাপ বৃদ্ধি পেলে এর পরিবাহীতা বৃদ্ধি পায়। ঠিক এই বৈশিষ্ট্যকেই কাজে লাগিয়ে তৈরি হয় সৌর বিদ্যুৎ।

একটি পি-টাইপ সেমিকন্ডাকটরকে বিশেষ উপায়ে একটি এন-টাইপ সেমিকন্ডাকটরের সাথে সংযোগ সৃষ্টি করলে সংযোগ তলটিকে পিএন জাংশন বলা হয়। 

স্বাভাবিক ভাবে পিএন জাংশন তৈরি করলেই পিএন জাংশনের প্রকৃত গুণাবলী পাওয়া সম্ভব নয়। এজন্য বিশেষ কৌশল অবলম্বনে পিএন জাংশন তৈরি করা হয়। অধিকাংশ সেমিকন্ডাকটর ডিভাইসে এক বা একাধিক পিএন জাংশন থাকে। এই বিষয়টি খুবই গুরুত্বপূর্ণ, কারণ এই জাংশন প্রকৃতির মাধ্যমে সেমিকন্ডাকটর ডিভাইসের বিভিন্ন বৈদ্যূতিক বৈশিষ্ট্য নির্ধারিত হয়।

অধিকাংশ প্যানেলই সিলিকনের তৈরি কোষের (সেল) সমাহার। এই কোষ থেকে বিদ্যুৎ উৎপন্ন হয়। বেশির ভাগ প্যানেলেই ৩০ থেকে ৩৬টি সিলিকন কোষ সিরিজ সংযোগ যুক্ত থাকে। এই সিলিকন কোষ গোলাকৃতির বা বর্গাকৃতির হয়ে থাকে। বিদ্যুৎ উৎপন্ন করার ক্ষেত্রে আকৃতির কোন প্রভাব নেই। কিন্তু একই ক্ষেত্রফলে বর্গাকৃতির চেয়ে বেশি সংখ্যক গোলাকৃতির কোষ বসানো সম্ভব বলে গোলাকৃতির কোষ সম্বলিত প্যানেলে বেশি বিদ্যুৎ উৎপন্ন করা সম্ভব।

এই কোষগুলোকে তাদের গাঢ় রং এবং আকৃতির জন্যে অতি সহজেই চিনতে পারা যায়। কোষগুলোর ভেতরে অনেক হালকা তার এদিক ওদিক বসানো থাকে। প্রতিটি গোলাকৃতি বা বর্গাকৃতির বস্তু এক একটি স্বতন্ত্র কোষ। এই কোষগুলো পাতলা চ্যাপ্টা ধাতুর পাত দিয়ে একে অপরের সঙ্গে সংযুক্ত থাকে।

সোলার কোষ কিভাবে কাজ করে

সূর্যের আলো যখন কোষ গুলোর উপর পতিত হয়, তখন ফোটন ইলিউমিনেশন ঘটে। অর্থাৎ সোলার সেলের ম্যাটেরিয়ালের ভ্যালেন্স ব্যান্ড থেকে একটা ইলেকট্রন কন্ডাকশন ব্যান্ডে চলে আসে। এর ফলে একটা অতিরিক্ত ইলেকট্রন-হোল জোড়া তৈরী হয়। পিএন জাংশনের মুক্ত ইলেকট্রনের প্রবাহ ঘটে। এটাই আউটার সার্কিটে সোলার কারেন্ট হিসেবে প্রবাহিত হয়। কিন্তু এ ঘটনা ঘটাতে আপতিত ফোটন কনিকার শক্তি সোলার সেলের ব্যান্ড-গ্যাপ শক্তির চেয়ে বেশি হতে হয়। তা না হলে আলো পড়লেও লাভ হয় না। এ কারণেই দুপুর বেলা সূর্য যখন ঠিক মাথার উপর থাকে তখন সবচেয়ে বেশি সৌর বিদ্যুৎ পাওয়া যায়। উৎপাদিত বিদ্যুৎ কে পরিবাহী দ্বারা ব্যাটারির মাধ্যমে সংরক্ষণ করে ব্যবহার করা হয়।

সূর্যের আলোতে একটি সিলিকন কোষ, ০.৫ ভোল্ট উৎপন্ন করে। প্যানেলে সাধারণত ৩০ থেকে ৩৬টি কোষ থাকে। ৩০ কোষের প্যানেল থেকে ১৫ ভোল্ট এবং ৩৬ কোষের প্যানেল থেকে ১৮ ভোল্ট পাওয়া সম্ভব। 

বর্তমান সময়ের প্রস্তুতকারকরা যে সমস্ত কোষ তৈরি করে থাকেন সেটির প্রতিটি সাধারণত ২ থেকে ৩ এমপিয়ার বিদ্যুৎ উৎপন্ন করে থাকে। প্রতিটি কোষ থেকে কি পরিমাণে বিদ্যুৎ প্রবাহ বা উৎপন্ন হবে তা নির্ভর করে কোষের মাপ এবং সূর্যের আলোর প্রাবল্যের উপর।

সৌরকোষের গঠনগত কাঠামোই যে বিদ্যুতের নিশ্চয়তা দিবে ঠিক তা নয়। রৌদ্রের প্রভাব এখানে জ্বালানীর মত। মেঘমুক্ত আকাশের সবদিক থেকে প্যানেল বিকিরণ পায়। কিন্তু শৈতপ্রবাহ, বর্ষাকালে অথবা আকাশে মেঘ থাকলে বিদ্যুৎ উৎপাদন ব্যহত হয়। প্রতিকূল অবহাওয়াতে যে একে বারেই বিদ্যুৎ উৎপন্ন হয়না, এই কথা ঠিক নয়। সূর্য মেঘের আড়ালে থাকলেও প্যানেল অল্প পরিমাণে বিকিরণ পেতেই থাকে। মেঘ যুক্ত আকাশের বিকিরণকে বিক্ষিপ্ত বিকিরণ বলা হয়। আর মেঘমূক্ত আকাশ থেকে প্রাপ্ত বিকিরণকে প্ৰত্যক্ষ বিকিরণ বলা হয়। আর রাত্রে যেহেতু সূর্যের আলো থাকে না সেহেতু সোলার প্যানেল থেকে কোন বিদ্যুৎও উৎপন্ন হয় না। 

সাধারণত এই কোষগুলো সুরক্ষা করার জন্য একটি কাঁচ বা প্লাষ্টিকের উপর বসানো থাকে এবং এর উপরে একটি কাঁচের ঢাকনা দেয়া হয়। ঢাকনার এই কাঁচ বিশেষ ধরণের শক্ত কাঁচ যেটি ঝড়, শিলাবৃষ্টি বা কম্পনে ক্ষতিগ্রস্ত হয় না, সহজে ভাঙে না। কাঁচের উপরিভাগ এমনভাবে প্রস্তুত যাতে সূর্যের আলো অতি সহজেই কাঁচ ভেদ করে কোষে পড়তে পারে।

উপরিভাগের কাঁচ এবং কোষের তলদেশ- এ দুয়ের মধ্যবর্তী জায়গাগুলো বিশেষ ধরণের প্লাষ্টিক দিয়ে পূরণ করা থাকে। এ কারণে কোষগুলো জলীয় বাষ্পের সংস্পর্শে আসতে পারে না এবং সহজেই ক্ষয় হয় না। একটি সুন্দর স্থাপনযোগ্য ও পরিবহনযোগ্য অবস্থাতে আনার জন্যে পুরো জিনিসটাকে একটি অ্যালুমিনিয়াম বা প্লাষ্টিকের ফ্রেমে স্থাপন করা হয়।

দীর্ঘদিন ব্যবহারের ফলে কোষের ক্ষমতা হ্রাস পেতে থাকে। কোষ সাধারণত কালো রং এর হয়ে থাকে এবং আলোর জন্যে সূর্যের মুখোমুখি হতে হয়, সে কারণে দ্রুত এর তাপমাত্রা বৃদ্ধি পায়। সেজন্যে প্যানেলের চতুর্দিকে পর্যাপ্ত বায়ু চলাচলের ব্যবস্থা রাখা প্রয়োজন, বিশেষ করে প্যানেলের তলদেশ থেকে কমপক্ষে চার ইঞ্চি জায়গা বায়ুচলাচলের জন্যে ফাঁকা রাখা উচিত। অন্যথায় কোষ অতি উত্তপ্ত হয়ে ক্ষমতা হারাতে পারে। একটি প্যানেলকে সরাসরি কোনো টিনের চালে বা ছাদের উপর সেটে বসানো হলে কোষগুলো অতি উচ্চ তাপমাত্রা ধারণ করে এবং প্যানেসোয় সেলসিয়াস হতে প্রতি ১ ডিগ্ৰী বৃদ্ধির জন্য ক্ষমতা ০.৫° হারে হ্রাস পায়।

১২ ভোল্টের একটি ব্যাটারী চার্জ করার জন্যে ৩৬ কোষের প্যানেলই যথেষ্ট, কিন্তু সতর্কতার সঙ্গে মনে রাখা উচিত যে, ব্যাটারী অতিরিক্ত চার্জে ক্ষতিগ্রস্ত হতে পারে যদি চার্জ নিয়ন্ত্রক ব্যবহার না করা হয়। অতএব চার্জ নিয়ন্ত্রক না থাকলে ৩০ কোষের প্যানেল ব্যবহার করাই উত্তম। আবার ৩০ কোষের প্যানেল ব্যবহার করলে ব্যাটারী সম্পূর্ণভাবে চার্জ নাও হতে পারে।

নানা বাস্তবতায় দিনদিন সৌর শক্তি জনপ্রিয় হচ্ছে। প্রকৃতিক সম্পদের স্বল্পতা, পরিবেশ দূষণ, উৎপাদন খরচ ইত্যাদি বিষয় বিবেচনায় সৌর শক্তি অনেক কার্যকর।

এখন পর্যন্ত আবিষ্কৃত ও ব্যবহৃত সোলার প্যানেলের দক্ষতা ৫০ শতাংশের বেশি নয়। আবার রাতের বেলায় বিদ্যুৎ উৎপাদনের জন্য ডার্ক এনার্জি কে কাজে লাগানোর গবেষণা চলছে। আর বর্তমানের আমাদের সোলার প্যনেল গুলোতে তাপ যুক্ত আলো ছাড়া বিদ্যুৎ উৎপাদনে সক্ষম নয় । যে কোন আলোতে বিদ্যুৎ উৎপাদন, দক্ষতা বৃদ্ধি আর ডার্ক এনার্জি কে কাজে লাগাতে পারলে সৌর বিদ্যুৎকে বাণিজ্যিক ভাবে ব্যবহার সম্ভব। 

বন্ধুরা আজ এ পর্যন্তই, ভাল থেকো আবার দেখা হবে। 

লেখাটি কিশোর বিজ্ঞান ম্যাগাজিন ব্যাপনে প্রকাশিত হয়েছে