UPPSC 2022 प्रारंभिक प्रश्नपत्र-I · प्रश्न 67 / 150

सही उत्तर — (b) फोटो वोलटाइक कोशिकाओं के द्वारा। फोटोवोल्टाइक कोशिका एक अर्धचालक युक्ति है, लगभग हमेशा सिलिकॉन पर बनी होती है, जिसमें भिन्न-भिन्न रूप से डोप की गई सामग्री की दो परतें एक p-n जंक्शन पर मिलती हैं। कोशिका तक पहुँचने वाला सूर्य-प्रकाश फोटॉनों की एक धारा है; जिस फोटॉन की ऊर्जा अर्धचालक के बैंड-गैप से अधिक होती है, वह अवशोषित हो जाता है और एक इलेक्ट्रॉन को मुक्त कर देता है, पीछे एक धनावेशित होल छोड़ते हुए। जंक्शन के आर-पार अंतर्निहित विद्युत क्षेत्र इलेक्ट्रॉनों को एक दिशा और होलों को दूसरी दिशा में बहा देता है, अतः कोशिका के दो पृष्ठों पर आवेश जमा होता है और जब कोई बाहरी परिपथ जोड़ा जाता है, तो धारा प्रवाहित होती है। यह प्रकाश का विद्युत में सीधा रूपांतरण है — फोटोवोल्टाइक प्रभाव, जिसे पहली बार 1839 में एडमंड बेकरेल ने देखा था — बिना किसी दहन, बिना किसी कार्यकारी तरल, बिना किसी ऊष्मा-इंजन और बिना किसी गतिशील पुर्जे के। उत्पन्न धारा दिष्ट धारा (direct current) होती है, इसीलिए छत पर लगे किसी संयंत्र को घरेलू उपकरणों या ग्रिड को आपूर्ति करने से पहले एक इन्वर्टर की आवश्यकता होती है। शब्द ही उत्तर को खोल देता है: 'फोटो' प्रकाश के लिए और 'वोलटाइक' विद्युत के लिए।

• (a)लेकलेंच कोशिकाओं के द्वारा — एक विद्युत-रासायनिक कोशिका है, प्रकाश-चालित नहीं। लेकलेंच कोशिका, जिसे जॉर्ज लेकलेंच ने 1860 के दशक में बनाया था, एक जस्ता ऐनोड, एक मैंगनीज डाइऑक्साइड कैथोड और एक अमोनियम क्लोराइड विद्युत-अपघट्य का प्रयोग करती है, और रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलती है। यह आधुनिक ज़िंक-कार्बन टॉर्च बैटरी की सीधी पूर्वज है। इसके संचालन में सूर्य-प्रकाश की कोई भूमिका नहीं है।
• (c)शुष्क कोशिकाओं के द्वारा — लेकलेंच कोशिका की मुहरबंद, लेप-विद्युत-अपघट्य वाली उत्तराधिकारी — टॉर्च, घड़ी या रिमोट कंट्रोल में प्रयुक्त होने वाली साधारण बैटरी। इसकी ऊर्जा इलेक्ट्रोड व विद्युत-अपघट्य के बीच एक रासायनिक अभिक्रिया से आती है, और अभिकारकों के उपभोग होते ही यह समाप्त हो जाती है, चाहे वह धूप में रखी हो या दराज़ में।
• (d)वोलटाइक कोशिकाओं के द्वारा — गैल्वेनिक कोशिका के लिए सामान्य नाम, वह वर्ग जो 1800 में वोल्टा के ढेर (pile) से आरंभ हुआ: विद्युत-अपघट्य में दो असमान धातुएँ, जो एक स्वतःस्फूर्त रेडॉक्स अभिक्रिया से धारा उत्पन्न करती हैं। यहाँ भी रूपांतरण रासायनिक से विद्युत है। इस विकल्प-समुच्चय की संरचना देखें — चार में से तीन विकल्प एक ही विद्युत-रासायनिक परिवार के रूप-भेद हैं, और केवल एक प्रकाश-चालित युक्ति है, अतः यह मद उस अलग-थलग विकल्प को पहचानकर उत्तरित होता है।

सूर्य-प्रकाश से विद्युत बनाने के दो काफी भिन्न तरीके हैं, और परीक्षक इस भेद को लगातार परखते हैं। फोटोवोल्टाइक्स प्रकाश को सीधे एक अर्धचालक जंक्शन में विद्युत में बदलता है: सूर्य-प्रकाश अंदर, दिष्ट धारा बाहर, दक्षता कोशिका के गर्म होने पर घटती है और बादल के गुज़रते ही उत्पादन लुप्त हो जाता है। सौर तापीय, अथवा संकेंद्रित सौर ऊर्जा (concentrating solar power), इसे परोक्ष रूप से करती है: दर्पण या द्रोणिकाएँ सूर्य-प्रकाश को केंद्रित कर किसी तरल को गर्म करती हैं, ऊष्मा भाप बनाती है, और भाप एक साधारण टर्बाइन व जनरेटर को चलाती है — अतः विद्युत ठीक उसी प्रकार एक ऊष्मा-इंजन से उत्पन्न होती है जैसे किसी कोयला संयंत्र में, और सूर्यास्त के बाद भी उत्पादन जारी रखने के लिए ऊष्मा को पिघले नमक में संग्रहीत किया जा सकता है। व्यवहार में फोटोवोल्टाइक्स प्रभावी रहता है क्योंकि मॉड्यूल मॉड्यूलर होते हैं, उन्हें पानी की आवश्यकता नहीं होती और उन्हें छत, नहर या खेत पर लगाया जा सकता है। वही फोटोवोल्टाइक व फोटोइलेक्ट्रिक भौतिकी उन प्रकाश-संवेदी युक्तियों के मूल में भी है जैसे धुआँ-संसूचक में फोटो कोशिका या स्वचालित सड़क-दीप, जहाँ बिंदु शक्ति नहीं बल्कि वह विद्युत संकेत है जो प्रकाश उत्पन्न करता है।

इस प्रश्न का उत्तर बिना किसी भौतिकी के केवल विकल्पों को पढ़कर दिया जा सकता है: लेकलेंच कोशिका, शुष्क कोशिका और वोलटाइक कोशिका रासायनिक बैटरियों के एक ही परिवार के सदस्यों के तीन नाम हैं, और फोटोवोल्टाइक कोशिका ही अकेला विकल्प है जिसके नाम में प्रकाश का संदर्भ है। जब किसी विकल्प-सूची में तीन लगभग-पर्यायवाची और एक भिन्न विकल्प हों, तो वह भिन्न विकल्प लगभग हमेशा उत्तर होता है। पुनरावृत्ति के लिए, केवल लेबल की बजाय ऊर्जा-रूपांतरणों की शृंखला को स्थिर करें — फोटोवोल्टाइक कोशिका में प्रकाश ऊर्जा से विद्युत ऊर्जा, बैटरी में रासायनिक से विद्युत, जनरेटर में यांत्रिक से विद्युत, और सौर तापीय संयंत्र में सौर से ऊष्मा से यांत्रिक से विद्युत। UPPSC वर्ष-दर-वर्ष किसी न किसी रूप में इस शृंखला पर लौटता है।

• फोटोवोल्टाइक कोशिका प्रकाश को सीधे एक अर्धचालक p-n जंक्शन पर विद्युत में बदलती है, सामान्यतः सिलिकॉन से बनी; यह परिघटना फोटोवोल्टाइक प्रभाव है, जिसे पहली बार 1839 में एडमंड बेकरेल ने देखा।
• अर्धचालक के बैंड-गैप से अधिक ऊर्जा वाले फोटॉन इलेक्ट्रॉन-होल युग्म मुक्त करते हैं, और जंक्शन का अंतर्निहित क्षेत्र उन्हें अलग कर धारा चलाता है।
• फोटोवोल्टाइक कोशिकाएँ दिष्ट धारा उत्पन्न करती हैं, अतः AC उपकरणों की आपूर्ति या ग्रिड में भेजने के लिए एक इन्वर्टर आवश्यक होता है।
• सौर तापीय अथवा संकेंद्रित सौर ऊर्जा भिन्न ढंग से कार्य करती है — दर्पण सूर्य-प्रकाश को केंद्रित कर भाप उत्पन्न करते हैं, जो टर्बाइन चलाती है, अतः रूपांतरण ऊष्मा से होकर गुज़रता है।
• लेकलेंच कोशिकाएँ, शुष्क कोशिकाएँ और वोलटाइक कोशिकाएँ सभी विद्युत-रासायनिक युक्तियाँ हैं जो रासायनिक ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में बदलती हैं और सूर्य-प्रकाश से उनका कोई संबंध नहीं है।
• सौर उत्पादन पर भारत का प्रयास जवाहरलाल नेहरू राष्ट्रीय सौर मिशन, जो 2010 में शुरू हुआ, तथा गुरुग्राम में मुख्यालय वाले अंतरराष्ट्रीय सौर गठबंधन से होकर चलता है।

• सौर फोटोवोल्टाइक कोशिका को सौर तापीय संयंत्र से भ्रमित करना — केवल पहली प्रकाश को सीधे विद्युत में बदलती है।
• यह मान लेना कि सौर पैनल प्रत्यावर्ती धारा देते हैं; कोशिकाएँ DC उत्पन्न करती हैं, और रूपांतरण इन्वर्टर करता है।
• 'सौर कोशिका' और 'सौर जल-तापक' को एक ही तकनीक मान लेना — तापक कोई विद्युत उत्पन्न ही नहीं करता।

UPPSC इसे शुद्ध रूपांतरण-कथन के रूप में पूछता है — 'सौर ऊर्जा को विद्युत ऊर्जा में किसके द्वारा परिवर्तित किया जाता है' — या किसी युक्ति के माध्यम से जैसे अग्नि-चेतावनी में फोटो कोशिका; UPSC फोटोवोल्टाइक को सौर तापीय तकनीक से तुलना करने वाले बहु-कथन मद, या नेट मीटरिंग व घरेलू सामग्री आवश्यकताओं जैसी सौर नीति पर प्रश्न पसंद करता है।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  छत पर लगे सौर फोटोवोल्टाइक मॉड्यूल से उत्पन्न विद्युत को घरेलू उपकरणों तक पहुँचाने से पहले एक इन्वर्टर से गुज़ारा जाता है क्योंकि

  • (a)मॉड्यूल प्रत्यावर्ती धारा उत्पन्न करता है जिसे सुचारू करना पड़ता है
  • (b)मॉड्यूल दिष्ट धारा उत्पन्न करता है, जबकि उपकरण व ग्रिड प्रत्यावर्ती धारा पर चलते हैं
  • (c)इन्वर्टर अर्धचालक जंक्शन की दक्षता बढ़ाता है
  • (d)इन्वर्टर अतिरिक्त ऊर्जा को ऊष्मा के रूप में संग्रहीत करता है

  उत्तर(b) मॉड्यूल दिष्ट धारा उत्पन्न करता है, जबकि उपकरण व ग्रिड प्रत्यावर्ती धारा पर चलते हैं — फोटोवोल्टाइक प्रभाव अपनी प्रकृति से ही DC देता है।

• अभ्यास — वास्तविक PYQ नहीं

  निम्नलिखित में से कौन-सा सौर फोटोवोल्टाइक संयंत्र की बजाय एक संकेंद्रित सौर ऊर्जा (सौर तापीय) संयंत्र का वर्णन करता है?

  • (a)सूर्य-प्रकाश सीधे एक अर्धचालक जंक्शन पर विद्युत में बदल जाता है
  • (b)दर्पण सूर्य-प्रकाश को केंद्रित कर किसी तरल को गर्म करते हैं, जो भाप बनाकर टर्बाइन चलाती है
  • (c)दो इलेक्ट्रोडों के बीच एक रासायनिक अभिक्रिया से विद्युत उत्पन्न होती है
  • (d)सूर्य-प्रकाश पानी को विघटित कर हाइड्रोजन मुक्त करता है, जिसे बाद में जलाया जाता है

  उत्तर(b) दर्पण सूर्य-प्रकाश को केंद्रित कर किसी तरल को गर्म करते हैं, जो भाप बनाकर टर्बाइन चलाती है — सौर तापीय एक ऊष्मा-इंजन से उत्पादन करता है, जबकि फोटोवोल्टाइक्स प्रकाश को सीधे बदलता है।