Amb la popularització de les energies renovables, les cèl·lules solars s'han convertit gradualment en una de les fonts d'energia verda més importants. Tanmateix, molta gent potser no sap que l'eficiència de la generació d'energia i la generació d'energia de les cèl·lules solars es veuen afectades per diversos factors, el més important dels quals són les condicions de llum. Aleshores, com afecten les condicions de llum a l'energia generada per les cèl·lules solars? Avui, popularitzarem aquest tema.
1. intensitat lumínica i generació d'energia
La intensitat lumínica, en poques paraules, és la potència radiant de la llum solar per unitat de superfície. En el cas de les cèl·lules solars, com més alta sigui la intensitat lumínica, més energia rebi la cèl·lula solar i més alta serà la seva potència de sortida. Per tant, en dies assolellats amb molta llum solar, la potència generada per les cèl·lules solars sol ser més alta.
La capacitat de generació d'energia d'una cèl·lula fotovoltaica se sol mesurar en condicions de prova estàndard a una intensitat lumínica de 1000 W/m², que és el valor estàndard utilitzat als laboratoris per simular la llum d'un dia assolellat. Quan la intensitat lumínica augmenta, el corrent fotovoltaic de la cèl·lula solar augmenta, cosa que al seu torn augmenta la potència de sortida; per contra, si la intensitat lumínica disminueix, per exemple en dies ennuvolats o durant les hores de posta de sol, la potència generada per la cèl·lula disminueix significativament.
La intensitat de la llum varia al llarg del dia. A partir de la matinada, el sol surt gradualment i la intensitat de la llum també augmenta gradualment; al migdia, la intensitat de la llum arriba al seu valor més alt; a la tarda, a mesura que el sol es pon gradualment per l'oest, la intensitat de la llum es va debilitant gradualment fins que la posta de sol desapareix completament. Aquest canvi en la intensitat de la llum solar afecta directament la generació d'energia de les cèl·lules solars en un dia.
2. Angle de llum i eficiència de generació d'energia
L'angle de la llum també tindrà un gran impacte en la generació d'energia de les cèl·lules solars. Quan la llum solar incideix verticalment sobre la superfície de la cèl·lula solar, la cèl·lula fotovoltaica pot absorbir la major quantitat d'energia lumínica i, per tant, la generació d'energia més alta; i quan la llum solar és obliqua, part de la llum es reflectirà, l'energia lumínica absorbida per la bateria es reduirà i la generació d'energia es reduirà en conseqüència.
Per tal de maximitzar l'eficiència de generació d'energia de les cèl·lules, molts sistemes solars estan equipats amb dispositius de seguiment solar que ajusten automàticament l'angle de les cèl·lules fotovoltaiques segons la posició del sol per mantenir l'angle d'incidència òptim. Aquesta tecnologia ha estat eficaç per augmentar la generació d'energia global de les cèl·lules fotovoltaiques.
3. L'impacte de la durada de la llum en la generació d'energia
La durada de la llum també és un factor important que afecta la generació d'energia de les cèl·lules solars. Com més llargues siguin les hores de llum d'un dia, més electricitat total pot generar una cèl·lula solar. És per això que a latituds altes, les cèl·lules solars generen relativament menys electricitat a causa de les curtes hores de llum a l'hivern, mentre que a les zones amb llargues hores de llum, la quantitat d'electricitat generada al llarg de l'any és més alta.
A més d'això, els canvis estacionals també afecten les hores de llum. Per exemple, a l'estiu, quan els dies són més llargs, les cèl·lules solars poden generar electricitat durant un període de temps més llarg; mentre que a l'hivern, quan els dies són més curts, el temps i la quantitat total d'electricitat generada disminuiran naturalment.
4. Condicions climàtiques i rendiment fotovoltaic
Les condicions climàtiques també poden tenir un impacte significatiu en l'energia generada per les cèl·lules solars. En condicions de núvols i boira, els raigs del sol són bloquejats pels núvols o les partícules en suspensió, cosa que provoca una reducció de la quantitat d'energia lumínica rebuda per la cèl·lula fotovoltaica, i l'energia generada es reduirà significativament. A més, la pluja i la neu també poden afectar l'absorció de la llum pels panells fotovoltaics, reduint el rendiment de generació d'energia de les cèl·lules.
Curiosament, el rendiment de les cèl·lules fotovoltaiques no només depèn de la intensitat de la llum solar, de vegades una llum solar massa forta pot no ser una bona cosa. Per exemple, l'eficiència de generació d'energia de les cèl·lules solars tendeix a disminuir en condicions d'altes temperatures perquè l'augment de la temperatura augmenta la resistència dins de la cèl·lula, cosa que comporta una menor generació d'energia. És per això que, en algunes zones, la gent manté els seus mòduls fotovoltaics més frescos mitjançant sistemes de refrigeració per augmentar la seva eficiència de generació d'energia.
5. Efecte de la composició espectral
La llum solar consisteix en fotons de diferents longituds d'ona, conegudes com a espectre. Les cèl·lules solars absorbeixen diferents longituds d'ona de llum de manera diferent, i les variacions en la composició espectral també poden tenir un impacte en l'energia generada per les cèl·lules solars. En general, les cèl·lules fotovoltaiques tenen la màxima eficiència d'absorció per a la llum visible i una absorció relativament baixa per a la llum ultraviolada i infraroja. Per tant, el rendiment de generació d'energia de les cèl·lules fotovoltaiques és millor quan hi ha més component de llum visible a l'espectre.
Quan el cel està ennuvolat, o a primera hora del matí i al vespre, l'espectre de la llum solar canvia, amb una disminució del component visible i un augment del component infraroig, i l'eficiència de generació d'energia de la cèl·lula fotovoltaica també disminueix en aquest cas. Per tal de millorar la resposta espectral de les cèl·lules fotovoltaiques, s'han dedicat algunes investigacions al desenvolupament de materials capaços d'absorbir una gamma més àmplia de l'espectre solar, com ara els calcogenurs, que han demostrat millors propietats d'absorció de la llum en condicions de laboratori.
6. Estàndard de prova AM 1.5 G
En les proves de cèl·lules fotovoltaiques, és habitual utilitzar AM 1.5 G com a condició espectral estàndard. AM significa Massa d'Aire, i AM 1.5 significa que el camí dels raigs solars a través de l'atmosfera és una vegada i mitja més llarg que el camí vertical directe del sol a través de l'atmosfera. AM 1.5 G és un estàndard àmpliament utilitzat a tot el món i representa la condició espectral dels raigs solars que passen a través de l'atmosfera i a la superfície terrestre en un dia clar, que correspon a una intensitat lumínica d'uns 1000 W/m². AM 1.5 G és un estàndard utilitzat globalment que representa les condicions espectrals produïdes per la llum que passa a través de l'atmosfera i a la superfície terrestre en un dia clar, i correspon a una intensitat lumínica d'aproximadament 1000 W/m² i una intensitat lumínica d'aproximadament 100.000 Lux.
L'ús d'AM 1.5 G garanteix que les condicions de prova al laboratori siguin el més properes possible a les condicions reals per tal d'avaluar amb precisió el rendiment de les cèl·lules solars en entorns quotidians.
7. Estàndards i intensitat de la llum interior
També hi ha estàndards nacionals per a la intensitat de la llum interior. Per exemple, segons els estàndards nacionals pertinents de la Xina (per exemple, l'estàndard de disseny d'il·luminació d'edificis GB 50033-2013), els espais interiors per a diferents finalitats tenen requisits de lluminositat diferents. En general, el nivell d'il·luminació per a un entorn d'oficina ordinari hauria de ser d'uns 300-500 lux, mentre que l'estàndard d'il·luminació per a una aula escolar és més alt, normalment per sobre dels 500 lux.
Pel que fa a la intensitat de la llum interior per metre quadrat, quan es converteix en potència, sol estar entre 5 i 15 W/m², depenent del tipus de font de llum real i de l'eficiència lumínica. Aquesta intensitat lumínica està molt per sota de l'estàndard per a la llum solar exterior, però és suficient per a les activitats diàries i la il·luminació interior.
8. Factors ambientals que afecten les condicions de llum
A més dels factors esmentats anteriorment, l'ombra causada per contaminants com la pols, els excrements d'ocells, les fulles, etc. també pot afectar les condicions de lluminositat de les cèl·lules fotovoltaiques, reduint així l'energia generada. Aquestes obstruccions impediran que part de la llum solar arribi a la superfície de la cèl·lula fotovoltaica, formant l'anomenat "efecte de punt calent", és a dir, l'augment de la temperatura de la cèl·lula bloquejada no només redueix l'eficiència, sinó que també pot causar danys a la cèl·lula.
Per evitar-ho, cal netejar les cèl·lules fotovoltaiques regularment per garantir que la superfície es mantingui neta i maximitzar l'absorció de la llum. Per a algunes zones situades en zones amb molta sorra i pols o activitat freqüent d'aus, la instal·lació d'un recobriment autolimpiant o la configuració d'un sistema de neteja són solucions més efectives.
9. Resum
Les condicions de llum són un dels factors clau per determinar l'energia generada per les cèl·lules solars. La intensitat de la llum, l'angle d'incidència, la durada de la llum, les condicions climàtiques i la composició espectral tenen un impacte significatiu en el rendiment de generació d'energia de les cèl·lules fotovoltaiques. Per tal de maximitzar la quantitat d'energia generada per les cèl·lules solars, cal tenir en compte aquestes condicions d'il·luminació i dissenyar i mantenir el sistema fotovoltaic adequadament, com ara instal·lar un seguidor solar, netejar els panells regularment i mantenir la temperatura de funcionament adequada.
Optimitzant contínuament el disseny i l'aplicació de les cèl·lules fotovoltaiques, podem fer un ús més eficient de l'energia solar i contribuir positivament a aconseguir l'accés universal a l'energia neta i a reduir les emissions de carboni.
