Med populariseringen af vedvarende energi er solceller gradvist blevet en af de vigtigste kilder til grøn energi. Mange mennesker er dog måske ikke klar over, at solcellers energieffektivitet og energiproduktion påvirkes af en række faktorer, hvoraf den vigtigste er lysforholdene. Så hvordan påvirker lysforholdene den strøm, der genereres af solceller? I dag vil vi popularisere dette emne.
1. lysintensitet og strømproduktion
Lysintensitet er, kort sagt, sollysets strålingseffekt pr. arealenhed. For solceller gælder det, at jo højere lysintensiteten er, desto mere energi modtager solcellen, desto højere er dens udgangseffekt. Derfor er den effekt, der genereres af solceller, normalt højere på solrige dage med stærkt sollys.
En solcelles elproduktionskapacitet måles normalt under standard testforhold ved en lysintensitet på 1000 W/m², hvilket er den standardværdi, der anvendes i laboratorier til at simulere solskin. Når lysintensiteten stiger, øges den solcellemæssige strøm i solcellen, hvilket igen øger udgangseffekten; omvendt, hvis lysintensiteten falder, for eksempel på overskyede dage eller i solnedgangstimer, falder den strøm, der genereres af cellen, betydeligt.
Lysintensiteten varierer i løbet af dagen. Fra tidlig morgen står solen gradvist op, og lysintensiteten stiger også gradvist; ved middagstid når lysintensiteten sin højeste værdi; om eftermiddagen, når solen gradvist synker ned i vest, svækkes lysintensiteten gradvist, indtil solnedgangen forsvinder helt. Denne ændring i sollysintensitet påvirker direkte solcellernes energiproduktion på en dag.
2. Lysvinkel og effektivitet i strømproduktion
Lysvinklen vil også have stor indflydelse på solcellernes strømproduktion. Når sollyset falder lodret på solcellens overflade, kan den fotovoltaiske celle absorbere mest lysenergi og dermed den højeste strømproduktion; og når sollyset er skråt, vil en del af lyset blive reflekteret, hvorved den lysenergi, der absorberes af batteriet, reduceres, og strømproduktionen reduceres tilsvarende.
For at maksimere cellernes effektivitet i elproduktionen er mange solcelleanlæg udstyret med solsporingsenheder, der automatisk justerer PV-cellernes vinkel i henhold til solens position for at opretholde den optimale indfaldsvinkel. Denne teknologi har været effektiv til at øge den samlede elproduktion fra PV-celler.
3. Lysets varigheds indflydelse på strømproduktion
Lysvarighed er også en vigtig faktor, der påvirker solcellers energiproduktion. Jo længere lystimerne er på en dag, desto mere elektricitet kan en solcelle generere i alt. Derfor genererer solceller relativt mindre elektricitet på høje breddegrader på grund af korte lystimer om vinteren, mens mængden af elektricitet, der genereres i løbet af året, er højere i områder med lange lystimer.
Derudover påvirker sæsonbestemte ændringer også lystimerne. For eksempel om sommeren, når dagene er længere, kan solceller generere elektricitet i en længere periode; hvorimod om vinteren, når dagene er kortere, vil tiden og den samlede mængde produceret elektricitet naturligt falde.
4. Klimaforhold og solcelleanlægs ydeevne
Klimaforhold kan ligeledes have en betydelig indflydelse på den strøm, der genereres af solceller. Under overskyede og disede forhold blokeres solens stråler af skyer eller svævende partikler, hvilket fører til en reduktion i mængden af lysenergi, der modtages af PV-cellen, og den genererede strøm vil blive betydeligt reduceret. Derudover kan regn og sne også påvirke absorptionen af lys fra PV-paneler, hvilket reducerer cellernes strømproduktionsydelse.
Interessant nok afhænger PV-cellers ydeevne ikke kun af sollysets styrke; nogle gange er for stærkt sollys ikke en god ting. For eksempel har solcellers energieffektivitet en tendens til at falde under høje temperaturer, fordi den øgede temperatur øger modstanden inde i cellen, hvilket fører til lavere energiproduktion. Derfor holder folk i nogle områder deres PV-moduler køligere ved at bruge kølesystemer for at øge deres energieffektivitet.
5. Effekt af spektral sammensætning
Sollys består af fotoner med forskellige bølgelængder, kendt som spektret. Solceller absorberer forskellige bølgelængder af lys forskelligt, og variationer i den spektrale sammensætning kan også have en indflydelse på den strøm, der genereres af solceller. Generelt har PV-celler den højeste absorptionseffektivitet for synligt lys og relativt lav absorption for ultraviolet og infrarødt lys. Derfor er PV-cellers strømproduktionsevne bedre, når der er mere synlig lyskomponent i spektret.
Når himlen er overskyet, eller tidligt om morgenen og aftenen, ændrer sollysets spektrum sig med et fald i den synlige komponent og en stigning i den infrarøde komponent, og PV-cellens energiproduktionseffektivitet falder også i dette tilfælde. For at forbedre den spektrale respons af solceller er der blevet forsket i udviklingen af materialer, der er i stand til at absorbere et bredere område af solens spektrum, såsom chalcogenider, som har vist bedre lysabsorberende egenskaber under laboratorieforhold.
6. AM 1,5 G teststandard
I test af solceller er det almindeligt at bruge AM 1.5 G som standard spektraltilstand. AM står for luftmasse, og AM 1.5 betyder, at solstrålernes bane gennem atmosfæren er halvanden gange længere end solens direkte lodrette bane gennem atmosfæren. AM 1.5 G er en standard, der er meget udbredt verden over, og som repræsenterer den spektrale tilstand af solstråler, der passerer gennem atmosfæren og på jordens overflade på en klar dag, hvilket svarer til en lysintensitet på omkring 1000 W/m². AM 1.5 G er en globalt anvendt standard, der repræsenterer de spektrale forhold, der produceres af lys, der passerer gennem atmosfæren og ned på jordens overflade på en klar dag, og svarer til en lysintensitet på cirka 1000 W/m² og en lysintensitet på cirka 100.000 Lux.
Brugen af AM 1.5 G sikrer, at testforholdene i laboratoriet er så tæt som muligt på de faktiske forhold for præcist at kunne vurdere solcellernes ydeevne i hverdagsmiljøer.
7. Standarder og intensitet for indendørs lys
Der findes også nationale standarder for indendørs lysintensitet. For eksempel har indendørs rum til forskellige formål forskellige lyskrav ifølge Kinas relevante nationale standarder (f.eks. Building Lighting Design Standard GB 50033-2013). Generelt bør belysningsniveauet for et almindeligt kontormiljø være omkring 300-500 Lux, mens belysningsstandarden for et skoleklasseværelse er højere, normalt over 500 Lux.
For indendørs lysintensitet pr. kvadratmeter, når den omregnes til effekt, er den normalt mellem 5-15 W/m², afhængigt af den faktiske type lyskilde og lyseffektivitet. Denne lysintensitet er langt under standarden for udendørs sollys, men er tilstrækkelig til daglige aktiviteter og belysning indendørs.
8. Miljøfaktorer, der påvirker lysforholdene
Ud over de ovennævnte faktorer kan skygge fra forurenende stoffer som støv, fugleklatter, blade osv. også påvirke lysforholdene i PV-cellerne og dermed reducere den genererede effekt. Disse forhindringer vil forhindre en del af sollyset i at nå overfladen af cellen, hvilket skaber den såkaldte "hotspot-effekt", dvs. at temperaturen i den blokerede celle stiger, hvilket ikke kun reducerer effektiviteten, men også kan forårsage skade på cellen.
For at forhindre dette skal PV-celler rengøres regelmæssigt for at sikre, at overfladen forbliver ren, og for at maksimere lysabsorptionen. For nogle områder med meget sand og støv eller hyppig fugleaktivitet er det mere effektive løsninger at installere en selvrensende belægning eller at etablere et rengøringssystem.
9. Resumé
Lysforhold er en af nøglefaktorerne for at bestemme den strøm, der genereres af solceller. Lysintensitet, indfaldsvinkel, lysets varighed, klimatiske forhold og spektral sammensætning har alle en betydelig indflydelse på PV-cellers elproduktionsevne. For at maksimere mængden af strøm, der genereres af solceller, skal vi tage højde for disse lysforhold og designe og vedligeholde PV-systemet korrekt, f.eks. ved at installere en soltracker, rengøre panelerne regelmæssigt og opretholde den korrekte driftstemperatur.
Ved løbende at optimere design og anvendelse af PV-celler kan vi udnytte solenergi mere effektivt og bidrage positivt til at opnå universel adgang til ren energi og reducere CO2-udledning.
