S popularizací obnovitelných zdrojů energie se solární články postupně staly jedním z nejdůležitějších zdrojů zelené energie. Mnoho lidí si však možná neuvědomuje, že účinnost výroby energie a samotná výroba energie solárních článků jsou ovlivněny řadou faktorů, z nichž nejdůležitější jsou světelné podmínky. Jak tedy světelné podmínky ovlivňují energii generovanou solárními články? Dnes se budeme tímto tématem zabývat.
1. intenzita světla a výroba energie
Intenzita světla je zjednodušeně řečeno zářivý výkon slunečního záření na jednotku plochy. U solárních článků platí, že čím vyšší je intenzita světla, tím více energie solární článek přijímá, tím vyšší je jeho výstupní výkon. Proto je za slunečných dnů se silným slunečním zářením výkon generovaný solárními články obvykle vyšší.
Výkon fotovoltaického článku se obvykle měří za standardních testovacích podmínek při intenzitě světla 1000 W/m², což je standardní hodnota používaná v laboratořích k simulaci slunečného dne. Se zvyšující se intenzitou světla se zvyšuje fotovoltaický proud v solárním článku, což následně zvyšuje výstupní výkon; naopak, pokud se intenzita světla snižuje, například v zamračených dnech nebo při západu slunce, výkon generovaný článkem se výrazně snižuje.
Intenzita světla se v průběhu dne mění. Od časného rána, kdy slunce postupně vychází, intenzita světla se také postupně zvyšuje; v poledne dosahuje intenzita světla nejvyšší hodnoty; odpoledne, jak slunce postupně zapadá na západ, intenzita světla postupně slábne, až západ slunce úplně zmizí. Tato změna intenzity slunečního záření přímo ovlivňuje výrobu energie solárními články za den.
2. Úhel světla a účinnost výroby energie
Úhel světla bude mít také velký vliv na výrobu energie solárních článků. Když sluneční světlo dopadá svisle na povrch solárního článku, fotovoltaický článek dokáže absorbovat nejvíce světelné energie, a tím i nejvyšší generovanou energii; a když je sluneční světlo šikmo, část světla se odrazí, světelná energie absorbovaná baterií se sníží a generovaná energie se odpovídajícím způsobem sníží.
Aby se maximalizovala účinnost výroby energie z článků, mnoho solárních systémů je vybaveno zařízeními pro sledování slunce, která automaticky upravují úhel fotovoltaických článků podle polohy slunce, aby se udržel optimální úhel dopadu. Tato technologie se ukázala jako účinná při zvyšování celkové výroby energie z fotovoltaických článků.
3. Vliv délky svícení na výrobu energie
Délka svícení je také důležitým faktorem, který ovlivňuje výrobu energie solárních článků. Čím delší jsou světelné hodiny během dne, tím více celkové elektřiny dokáže solární článek vygenerovat. Proto ve vysokých zeměpisných šířkách solární články generují relativně méně elektřiny kvůli krátkým zimním světelným hodinám, zatímco v oblastech s dlouhými světelnými hodinami je množství elektřiny vyrobené během roku vyšší.
Kromě toho ovlivňují světelné hodiny i sezónní změny. Například v létě, kdy jsou dny delší, jsou solární články schopny vyrábět elektřinu po delší dobu; zatímco v zimě, kdy jsou dny kratší, se doba a celkové množství vyrobené elektřiny přirozeně sníží.
4. Klimatické podmínky a fotovoltaický výkon
Klimatické podmínky mohou mít rovněž významný vliv na energii generovanou solárními články. Za oblačného a mlhavého počasí jsou sluneční paprsky blokovány mraky nebo suspendovanými částicemi, což vede ke snížení množství světelné energie přijímané fotovoltaickým článkem a generovaný výkon se výrazně sníží. Kromě toho může déšť a sníh ovlivnit absorpci světla fotovoltaickými panely a snížit tak výkon článků při výrobě energie.
Je zajímavé, že výkon fotovoltaických článků nezávisí pouze na síle slunečního záření, někdy nemusí být příliš silné sluneční světlo dobré. Například účinnost výroby energie solárních článků má tendenci klesat za podmínek vysokých teplot, protože zvýšená teplota zvyšuje odpor uvnitř článku, což vede k nižší výrobě energie. Proto v některých oblastech lidé udržují své fotovoltaické moduly chladnější pomocí chladicích systémů, aby zvýšili účinnost výroby energie.
5. Vliv spektrálního složení
Sluneční světlo se skládá z fotonů různých vlnových délek, známých jako spektrum. Solární články absorbují různé vlnové délky světla odlišně a změny ve spektrálním složení mohou mít také vliv na energii generovanou solárními články. Obecně mají fotovoltaické články nejvyšší absorpční účinnost pro viditelné světlo a relativně nízkou absorpci pro ultrafialové a infračervené světlo. Výkon fotovoltaických článků je proto lepší, když je ve spektru více složky viditelné světelné složky.
Když je obloha zatažená nebo brzy ráno a večer, spektrum slunečního záření se mění, s poklesem viditelné složky a nárůstem infračervené složky, a v tomto případě se také snižuje účinnost výroby energie fotovoltaického článku. Za účelem zlepšení spektrální odezvy fotovoltaických článků se část výzkumu věnovala vývoji materiálů schopných absorbovat širší rozsah slunečního spektra, jako jsou chalkogenidy, které vykazují lepší vlastnosti pohlcující světlo v laboratorních podmínkách.
6. Zkušební standard AM 1,5 G
Při testování fotovoltaických článků se běžně používá jako standardní spektrální podmínka AM 1,5 G. AM je zkratka pro Air Mass (vzdušná hmota) a AM 1,5 znamená, že dráha slunečních paprsků atmosférou je jedenapůlkrát delší než přímá vertikální dráha Slunce atmosférou. AM 1,5 G je celosvětově široce používaný standard, který představuje spektrální podmínku slunečních paprsků procházejících atmosférou a na zemském povrchu za jasného dne, což odpovídá intenzitě světla přibližně 1000 W/m². AM 1,5 G je celosvětově používaný standard, který představuje spektrální podmínky produkované světlem procházejícím atmosférou a na zemský povrch za jasného dne a odpovídá intenzitě světla přibližně 1000 W/m² a svítivosti přibližně 100 000 luxů.
Použití AM 1,5 G zajišťuje, že zkušební podmínky v laboratoři se co nejvíce blíží skutečným podmínkám, aby bylo možné přesně posoudit výkon solárních článků v každodenním prostředí.
7. Normy a intenzita vnitřního osvětlení
Existují také národní normy pro intenzitu vnitřního osvětlení. Například podle příslušných čínských národních norem (např. norma pro návrh osvětlení budov GB 50033-2013) mají vnitřní prostory pro různé účely různé požadavky na osvětlení. Obecně řečeno, úroveň osvětlení pro běžné kancelářské prostředí by měla být kolem 300–500 luxů, zatímco norma osvětlení pro školní učebnu je vyšší, obvykle nad 500 luxů.
Intenzita vnitřního osvětlení na metr čtvereční, po přepočtu na výkon, se obvykle pohybuje mezi 5–15 W/m², v závislosti na typu světelného zdroje a světelné účinnosti. Tato intenzita světla je hluboko pod standardem pro venkovní sluneční světlo, ale je dostatečná pro každodenní činnosti a osvětlení interiéru.
8. Faktory prostředí ovlivňující světelné podmínky
Kromě výše uvedených faktorů může světelné podmínky fotovoltaických článků ovlivnit i zastínění znečišťujícími látkami, jako je prach, ptačí trus, listí atd., a tím snížit generovaný výkon. Tyto překážky brání části slunečního záření dosáhnout povrchu fotovoltaického článku, což vede k tzv. „efektu horkého místa“, což znamená, že se teplota zablokovaného článku zvyšuje, což nejen snižuje účinnost, ale může také způsobit poškození článku.
Aby se tomu zabránilo, je třeba fotovoltaické články pravidelně čistit, aby se zajistila čistota povrchu a maximalizovala absorpce světla. Pro některé oblasti nacházející se v oblastech s velkým množstvím písku a prachu nebo s častou aktivitou ptáků je účinnějším řešením instalace samočisticího nátěru nebo nastavení čisticího systému.
9. Shrnutí
Světelné podmínky jsou jedním z klíčových faktorů určujících výkon generovaný solárními články. Intenzita světla, úhel dopadu, délka světla, klimatické podmínky a spektrální složení mají významný vliv na výkon fotovoltaických článků. Abychom maximalizovali množství energie generované solárními články, musíme tyto světelné podmínky zohlednit a vhodně navrhnout a udržovat fotovoltaický systém, například instalací sledovače slunce, pravidelným čištěním panelů a udržováním správné provozní teploty.
Neustálou optimalizací návrhu a aplikace fotovoltaických článků můžeme efektivněji využívat solární energii a pozitivně přispět k dosažení univerzálního přístupu k čisté energii a ke snížení emisí uhlíku.
