Από τον πρωινό ήλιο στο εσωτερικό φως LED: Αποκαλύπτοντας πώς η ένταση του φωτός εμπνέει την πράσινη ενέργεια από τα φωτοβολταϊκά κύτταρα

Με τη διάδοση των ανανεώσιμων πηγών ενέργειας, τα ηλιακά κύτταρα έχουν σταδιακά γίνει μια από τις σημαντικότερες πηγές πράσινης ενέργειας. Ωστόσο, πολλοί άνθρωποι μπορεί να μην γνωρίζουν ότι η απόδοση παραγωγής ενέργειας και η παραγωγή ενέργειας από τα ηλιακά κύτταρα επηρεάζονται από μια ποικιλία παραγόντων, ο σημαντικότερος από τους οποίους είναι οι συνθήκες φωτισμού. Πώς, λοιπόν, επηρεάζουν οι συνθήκες φωτισμού την ενέργεια που παράγεται από τα ηλιακά κύτταρα; Σήμερα, θα κάνουμε αυτό το θέμα δημοφιλές.

1. ένταση φωτός και παραγωγή ενέργειας
Η ένταση του φωτός, με απλά λόγια, είναι η ακτινοβολούμενη ισχύς του ηλιακού φωτός ανά μονάδα επιφάνειας. Για τα ηλιακά κύτταρα, όσο υψηλότερη είναι η ένταση του φωτός, τόσο περισσότερη ενέργεια λαμβάνει το ηλιακό στοιχείο, τόσο υψηλότερη είναι η ισχύς εξόδου του. Επομένως, τις ηλιόλουστες ημέρες με έντονο ηλιακό φως, η ισχύς που παράγεται από τα ηλιακά στοιχεία είναι συνήθως υψηλότερη.
Η ικανότητα παραγωγής ενέργειας ενός φωτοβολταϊκού στοιχείου μετριέται συνήθως υπό τυπικές συνθήκες δοκιμής σε ένταση φωτός 1000 W/m², η οποία είναι η τυπική τιμή που χρησιμοποιείται στα εργαστήρια για την προσομοίωση του ηλιόλουστου φωτός της ημέρας. Όταν η ένταση του φωτός αυξάνεται, το φωτοβολταϊκό ρεύμα στο ηλιακό στοιχείο αυξάνεται, γεγονός που με τη σειρά του αυξάνει την ισχύ εξόδου. Αντίθετα, εάν η ένταση του φωτός μειωθεί, για παράδειγμα σε συννεφιασμένες ημέρες ή κατά τις ώρες δύσης του ηλίου, η ισχύς που παράγεται από το στοιχείο μειώνεται σημαντικά.
Η ένταση του φωτός ποικίλλει κατά τη διάρκεια της ημέρας. Ξεκινώντας νωρίς το πρωί, ο ήλιος ανατέλλει σταδιακά, η ένταση του φωτός αυξάνεται επίσης σταδιακά. Το μεσημέρι, η ένταση του φωτός φτάνει στην υψηλότερη τιμή της. Το απόγευμα, καθώς ο ήλιος βυθίζεται σταδιακά στη δύση, η ένταση του φωτός εξασθενεί σταδιακά μέχρι να εξαφανιστεί εντελώς το ηλιοβασίλεμα. Αυτή η αλλαγή στην ένταση του ηλιακού φωτός επηρεάζει άμεσα την παραγωγή ενέργειας από τα ηλιακά κύτταρα σε μια ημέρα.

2. Γωνία φωτός και απόδοση παραγωγής ενέργειας
Η γωνία του φωτός θα έχει επίσης μεγάλο αντίκτυπο στην παραγωγή ενέργειας των ηλιακών κυψελών. Όταν το ηλιακό φως προσπίπτει κάθετα στην επιφάνεια του ηλιακού κυττάρου, το φωτοβολταϊκό κύτταρο μπορεί να απορροφήσει την περισσότερη φωτεινή ενέργεια και, επομένως, την υψηλότερη παραγωγή ενέργειας. Και όταν το ηλιακό φως είναι πλάγιο, μέρος του φωτός θα ανακλαστεί, η φωτεινή ενέργεια που απορροφάται από την μπαταρία μειώνεται και η παραγωγή ενέργειας μειώνεται αντίστοιχα.
Προκειμένου να μεγιστοποιηθεί η απόδοση παραγωγής ενέργειας των φωτοβολταϊκών στοιχείων, πολλά ηλιακά συστήματα είναι εξοπλισμένα με συσκευές παρακολούθησης του ήλιου που προσαρμόζουν αυτόματα τη γωνία των φωτοβολταϊκών στοιχείων ανάλογα με τη θέση του ήλιου, ώστε να διατηρείται η βέλτιστη γωνία πρόσπτωσης. Αυτή η τεχνολογία έχει αποδειχθεί αποτελεσματική στην αύξηση της συνολικής παραγωγής ενέργειας των φωτοβολταϊκών στοιχείων.

3. Η επίδραση της διάρκειας του φωτός στην παραγωγή ενέργειας
Η διάρκεια του φωτός είναι επίσης ένας σημαντικός παράγοντας που επηρεάζει την παραγωγή ενέργειας από τα ηλιακά κύτταρα. Όσο περισσότερες είναι οι ώρες φωτός σε μια ημέρα, τόσο περισσότερη συνολική ηλεκτρική ενέργεια μπορεί να παράγει ένα ηλιακό στοιχείο. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο σε μεγάλα γεωγραφικά πλάτη, τα ηλιακά στοιχεία παράγουν σχετικά λιγότερη ηλεκτρική ενέργεια λόγω των σύντομων χειμερινών ωρών φωτός, ενώ σε περιοχές με μεγάλες ώρες φωτός, η ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται καθ' όλη τη διάρκεια του έτους είναι υψηλότερη.
Επιπλέον, οι εποχιακές αλλαγές επηρεάζουν επίσης τις ώρες φωτισμού. Για παράδειγμα, το καλοκαίρι, όταν οι ημέρες είναι μεγαλύτερες, τα ηλιακά κύτταρα είναι σε θέση να παράγουν ηλεκτρική ενέργεια για μεγαλύτερο χρονικό διάστημα, ενώ το χειμώνα, όταν οι ημέρες είναι μικρότερες, ο χρόνος και η συνολική ποσότητα ηλεκτρικής ενέργειας που παράγεται θα μειωθούν φυσικά.

4. Κλιματικές συνθήκες και απόδοση φωτοβολταϊκών
Οι κλιματικές συνθήκες μπορούν επίσης να έχουν σημαντικό αντίκτυπο στην ενέργεια που παράγεται από τα ηλιακά κύτταρα. Υπό συννεφιασμένες και ομιχλώδεις συνθήκες, οι ακτίνες του ήλιου εμποδίζονται από σύννεφα ή αιωρούμενα σωματίδια, με αποτέλεσμα τη μείωση της ποσότητας φωτεινής ενέργειας που λαμβάνει το φωτοβολταϊκό κύτταρο και η παραγόμενη ενέργεια θα μειωθεί σημαντικά. Επιπλέον, η βροχή και το χιόνι μπορούν επίσης να επηρεάσουν την απορρόφηση του φωτός από τα φωτοβολταϊκά πάνελ, μειώνοντας την απόδοση παραγωγής ενέργειας των κυψελών.
Είναι ενδιαφέρον ότι η απόδοση των φωτοβολταϊκών στοιχείων δεν εξαρτάται μόνο από την ένταση του ηλιακού φωτός, μερικές φορές το πολύ δυνατό ηλιακό φως μπορεί να μην είναι καλό. Για παράδειγμα, η απόδοση παραγωγής ενέργειας των ηλιακών στοιχείων τείνει να μειώνεται υπό συνθήκες υψηλής θερμοκρασίας, επειδή η αυξημένη θερμοκρασία αυξάνει την αντίσταση στο εσωτερικό του στοιχείου, γεγονός που οδηγεί σε χαμηλότερη παραγωγή ενέργειας. Αυτός είναι ο λόγος για τον οποίο, σε ορισμένες περιοχές, οι άνθρωποι διατηρούν τις φωτοβολταϊκές τους μονάδες πιο δροσερές χρησιμοποιώντας συστήματα ψύξης για να αυξήσουν την απόδοση παραγωγής ενέργειας.

5. Επίδραση της φασματικής σύνθεσης
Το ηλιακό φως αποτελείται από φωτόνια διαφορετικών μηκών κύματος, γνωστά ως φάσμα. Τα ηλιακά κύτταρα απορροφούν διαφορετικά μήκη κύματος φωτός με διαφορετικό τρόπο και οι διακυμάνσεις στη φασματική σύνθεση μπορούν επίσης να επηρεάσουν την ενέργεια που παράγεται από τα ηλιακά κύτταρα. Γενικά, τα φωτοβολταϊκά κύτταρα έχουν την υψηλότερη απόδοση απορρόφησης για το ορατό φως και σχετικά χαμηλή απορρόφηση για το υπεριώδες και το υπέρυθρο φως. Επομένως, η απόδοση παραγωγής ενέργειας των φωτοβολταϊκών κυττάρων είναι καλύτερη όταν υπάρχει περισσότερο ορατό φως στο φάσμα.
Όταν ο ουρανός είναι συννεφιασμένος ή νωρίς το πρωί και το βράδυ, το φάσμα του ηλιακού φωτός αλλάζει, με μείωση του ορατού στοιχείου και αύξηση του υπέρυθρου στοιχείου, και η απόδοση παραγωγής ενέργειας του φωτοβολταϊκού στοιχείου μειώνεται και σε αυτή την περίπτωση. Προκειμένου να βελτιωθεί η φασματική απόκριση των φωτοβολταϊκών στοιχείων, έχει γίνει κάποια έρευνα για την ανάπτυξη υλικών ικανών να απορροφήσουν ένα ευρύτερο φάσμα του φάσματος του ήλιου, όπως τα χαλκογενίδια, τα οποία έχουν δείξει καλύτερες ιδιότητες απορρόφησης φωτός υπό εργαστηριακές συνθήκες.

6. Πρότυπο δοκιμής AM 1,5 G
Στις δοκιμές φωτοβολταϊκών κυψελών, είναι σύνηθες να χρησιμοποιείται το AM 1,5 G ως η τυπική φασματική συνθήκη. Το AM σημαίνει Air Mass (Μάζα Αέρα) και το AM 1,5 σημαίνει ότι η διαδρομή των ακτίνων του ήλιου μέσα από την ατμόσφαιρα είναι μιάμιση φορά μεγαλύτερη από την άμεση κατακόρυφη διαδρομή του ήλιου μέσα από την ατμόσφαιρα. Το AM 1,5 G είναι ένα πρότυπο που χρησιμοποιείται ευρέως παγκοσμίως και αντιπροσωπεύει τη φασματική κατάσταση των ακτίνων του ήλιου που διέρχονται από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια της γης σε μια καθαρή ημέρα, η οποία αντιστοιχεί σε ένταση φωτός περίπου 1000 W/m². Το AM 1,5 G είναι ένα παγκοσμίως χρησιμοποιούμενο πρότυπο που αντιπροσωπεύει τις φασματικές συνθήκες που παράγονται από το φως που διέρχεται από την ατμόσφαιρα και στην επιφάνεια της Γης σε μια καθαρή ημέρα και αντιστοιχεί σε ένταση φωτός περίπου 1000 W/m² και φωτεινή ένταση περίπου 100.000 Lux.
Η χρήση του AM 1.5 G διασφαλίζει ότι οι συνθήκες δοκιμής στο εργαστήριο είναι όσο το δυνατόν πιο κοντά στις πραγματικές συνθήκες, προκειμένου να αξιολογηθεί με ακρίβεια η απόδοση των ηλιακών κυψελών σε καθημερινά περιβάλλοντα.

7. Πρότυπα και ένταση εσωτερικού φωτισμού
Υπάρχουν επίσης εθνικά πρότυπα για την ένταση του εσωτερικού φωτός. Για παράδειγμα, σύμφωνα με τα σχετικά εθνικά πρότυπα της Κίνας (π.χ., Πρότυπο Σχεδιασμού Φωτισμού Κτιρίων GB 50033-2013), οι εσωτερικοί χώροι για διαφορετικούς σκοπούς έχουν διαφορετικές απαιτήσεις φωτισμού. Γενικά, το επίπεδο φωτισμού για ένα συνηθισμένο περιβάλλον γραφείου θα πρέπει να είναι περίπου 300-500 Lux, ενώ το πρότυπο φωτισμού για μια σχολική τάξη είναι υψηλότερο, συνήθως πάνω από 500 Lux.
Για την ένταση του εσωτερικού φωτός ανά τετραγωνικό μέτρο, όταν μετατρέπεται σε ισχύ, είναι συνήθως μεταξύ 5-15 W/m², ανάλογα με τον πραγματικό τύπο της πηγής φωτός και την απόδοση του φωτός. Αυτή η ένταση φωτός είναι πολύ κάτω από το πρότυπο για το εξωτερικό ηλιακό φως, αλλά επαρκεί για καθημερινές δραστηριότητες και φωτισμό σε εσωτερικούς χώρους.

8. Περιβαλλοντικοί παράγοντες που επηρεάζουν τις συνθήκες φωτισμού
Εκτός από τους παράγοντες που αναφέρθηκαν παραπάνω, η σκίαση από ρύπους όπως σκόνη, περιττώματα πουλιών, φύλλα κ.λπ. μπορεί επίσης να επηρεάσει τις συνθήκες φωτισμού των φωτοβολταϊκών κυψελών, μειώνοντας έτσι την παραγόμενη ενέργεια. Αυτά τα εμπόδια θα εμποδίσουν μέρος του ηλιακού φωτός να φτάσει στην επιφάνεια του φωτοβολταϊκού κυττάρου, σχηματίζοντας το λεγόμενο «φαινόμενο θερμού σημείου», δηλαδή η θερμοκρασία του μπλοκαρισμένου κυττάρου αυξάνεται, όχι μόνο μειώνοντας την απόδοση, αλλά μπορεί επίσης να προκαλέσει ζημιά στο κύτταρο.
Για να αποφευχθεί αυτό, τα φωτοβολταϊκά στοιχεία πρέπει να καθαρίζονται τακτικά, ώστε να διασφαλίζεται ότι η επιφάνεια παραμένει καθαρή και να μεγιστοποιείται η απορρόφηση του φωτός. Για ορισμένες περιοχές που βρίσκονται σε περιοχές με πολλή άμμο και σκόνη ή συχνή δραστηριότητα πτηνών, η εγκατάσταση μιας αυτοκαθαριζόμενης επίστρωσης ή η δημιουργία ενός συστήματος καθαρισμού είναι και οι δύο πιο αποτελεσματικές λύσεις.