Taastuvenergia populaarsuse kasvades on päikesepatareidest järk-järgult saanud üks olulisemaid rohelise energia allikaid. Paljud inimesed ei pruugi aga olla teadlikud, et päikesepatareide energiatootmise efektiivsust ja energiatootmist mõjutavad mitmed tegurid, millest kõige olulisem on valgustingimused. Kuidas siis valgustingimused mõjutavad päikesepatareide toodetud energiat? Täna populariseerime seda teemat.
1. valguse intensiivsus ja energia genereerimine
Valgusintensiivsus on lihtsustatult öeldes päikesevalguse kiirgusvõimsus pinnaühiku kohta. Päikesepatareide puhul kehtib reegel, et mida suurem on valguse intensiivsus, seda rohkem energiat päikesepatarei vastu võtab ja seda suurem on selle väljundvõimsus. Seetõttu on päikesepaistelistel päevadel tugeva päikesevalguse käes päikesepatareide tekitatud energia tavaliselt suurem.
Fotogalvaanilise elemendi energiatootmisvõimsust mõõdetakse tavaliselt standardsetes katsetingimustes valgustugevuse juures 1000 W/m², mis on laborites päikesepaistelise päevavalguse simuleerimiseks kasutatav standardväärtus. Kui valgustugevus suureneb, suureneb päikesepatareis olev fotogalvaaniline vool, mis omakorda suurendab väljundvõimsust; vastupidi, kui valgustugevus väheneb, näiteks pilvisel päeval või päikeseloojangu ajal, väheneb elemendi toodetud energia märkimisväärselt.
Valguse intensiivsus muutub päeva jooksul. Varahommikul tõuseb päike järk-järgult ja ka valguse intensiivsus suureneb järk-järgult; keskpäeval saavutab valguse intensiivsus oma kõrgeima väärtuse; pärastlõunal, kui päike järk-järgult läände vajub, väheneb valguse intensiivsus järk-järgult, kuni päikeseloojang kaob täielikult. See päikesevalguse intensiivsuse muutus mõjutab otseselt päikesepatareide energiatootmist päevas.
2. Valgusnurk ja energia tootmise efektiivsus
Valguse langemisnurk mõjutab oluliselt ka päikesepatareide energiatootmist. Kui päikesevalgus langeb vertikaalselt päikesepatarei pinnale, neelab fotogalvaaniline element kõige rohkem valgusenergiat ja seega ka suurimat energiatootmist; kaldus päikesevalguse korral peegeldub osa valgusest tagasi, aku neelduv valgusenergia väheneb ja vastavalt väheneb ka energiatootmine.
Päikesepaneelide energiatootmise efektiivsuse maksimeerimiseks on paljud päikesesüsteemid varustatud päikese jälgimisseadmetega, mis reguleerivad automaatselt päikesepaneelide nurka vastavalt päikese asukohale, et säilitada optimaalne langemisnurk. See tehnoloogia on osutunud tõhusaks päikesepaneelide üldise energiatootmise suurendamisel.
3. Valguskestuse mõju energiatootmisele
Valguse kestus on samuti oluline tegur, mis mõjutab päikesepatareide energiatootmist. Mida pikem on päevas valgusaeg, seda rohkem elektrit päikesepatarei suudab toota. Seetõttu toodavad päikesepatareid kõrgetel laiuskraadidel lühikeste talviste valgusaegade tõttu suhteliselt vähem elektrit, samas kui pikkade valgusaegadega piirkondades on aastaringselt toodetud elektri hulk suurem.
Lisaks sellele mõjutavad valgusaega ka hooajalised muutused. Näiteks suvel, kui päevad on pikemad, suudavad päikesepatareid toota elektrit pikema aja jooksul; talvel, kui päevad on lühemad, väheneb loomulikult nii toodetud elektri aeg kui ka kogus.
4. Kliimatingimused ja fotogalvaaniline jõudlus
Samuti võivad kliimatingimused oluliselt mõjutada päikesepatareide toodetud energiat. Pilvise ja uduse ilmaga blokeerivad pilved või hõljuvad osakesed päikesekiiri, mis vähendab PV-patarei poolt vastuvõetava valgusenergia hulka ja seega ka toodetud energia hulka. Lisaks võivad vihm ja lumi mõjutada ka PV-paneelide valguse neeldumist, vähendades patareide energiatootmise jõudlust.
Huvitaval kombel ei sõltu päikesepaneelide jõudlus ainult päikesevalguse tugevusest – mõnikord ei pruugi liiga tugev päikesevalgus olla hea asi. Näiteks kipub päikesepaneelide energiatootmise efektiivsus kõrge temperatuuri korral vähenema, kuna temperatuuri tõus suurendab elemendi sees olevat takistust, mis omakorda vähendab energiatootmist. Seetõttu hoiavad inimesed mõnes piirkonnas oma päikesepaneelide mooduleid jahedamana, kasutades jahutussüsteeme energiatootmise efektiivsuse suurendamiseks.
5. Spektraalse koostise mõju
Päikesevalgus koosneb erineva lainepikkusega footonitest, mida nimetatakse spektriks. Päikesepatareid neelavad erineva lainepikkusega valgust erinevalt ja spektraalse koostise variatsioonid võivad samuti mõjutada päikesepatareide toodetud energiat. Üldiselt on päikesepatareidel nähtava valguse neeldumise efektiivsus kõrgeim ja ultraviolett- ja infrapunavalguse neeldumise efektiivsus suhteliselt madal. Seetõttu on päikesepatareide energiatootmise jõudlus parem, kui spektris on rohkem nähtava valguse komponenti.
Pilvise ilmaga või varahommikul ja õhtul päikesevalguse spekter muutub, nähtava komponendi vähenedes ja infrapunase komponendi suurenedes, ning sel juhul väheneb ka PV-elemendi energiatootmise efektiivsus. Fotogalvaaniliste elementide spektraalse karakteristiku parandamiseks on osa uuringutest pühendatud materjalide väljatöötamisele, mis on võimelised neelama laiemat päikesespektri vahemikku, näiteks kalkogeniidid, mis on laboritingimustes näidanud paremaid valguse neelamise omadusi.
6. AM 1,5 G katsestandard
Fotogalvaaniliste elementide testimisel on tavaline kasutada standardse spektraalse tingimusena AM 1,5 G. AM tähistab õhumassi ja AM 1,5 tähendab, et päikesekiirte tee läbi atmosfääri on poolteist korda pikem kui päikese otsene vertikaalne tee läbi atmosfääri. AM 1,5 G on kogu maailmas laialdaselt kasutatav standard, mis esindab selgel päeval atmosfäärist Maa pinnale läbivate päikesekiirte spektraalset tingimust, mis vastab valgustugevusele umbes 1000 W/m². AM 1,5 G on ülemaailmselt kasutatav standard, mis esindab selgel päeval atmosfäärist Maa pinnale läbiva valguse tekitatud spektraalset tingimust ning vastab valgustugevusele umbes 1000 W/m² ja valgustugevusele umbes 100 000 luksi.
AM 1.5 G kasutamine tagab, et laboris valitsevad katsetingimused on võimalikult lähedased tegelikele tingimustele, et päikesepatareide toimivust igapäevastes keskkondades täpselt hinnata.
7. Siseruumide valgustuse standardid ja intensiivsus
Samuti on olemas riiklikud standardid siseruumide valgustugevuse kohta. Näiteks Hiina asjakohaste riiklike standardite (nt hoonete valgustusdisaini standard GB 50033-2013) kohaselt on erinevat tüüpi siseruumidel erinevad valgusnõuded. Üldiselt peaks tavalise kontorikeskkonna valgustustase olema umbes 300–500 luksi, samas kui kooliklassi valgustustase on kõrgem, tavaliselt üle 500 luksi.
Siseruumide valgustugevus ruutmeetri kohta, võimsuseks ümberarvestatuna, on tavaliselt 5–15 W/m², olenevalt valgusallika tüübist ja valgustugevusest. See valgustugevus on küll õues päikesevalguse standardist oluliselt madalam, kuid on igapäevaste tegevuste ja siseruumide valgustamiseks piisav.
8. Valgustingimusi mõjutavad keskkonnategurid
Lisaks eespool nimetatud teguritele võivad päikesepaneelide valgustingimusi mõjutada ka saasteainete, näiteks tolmu, lindude väljaheidete, lehtede jms tekitatud varjud, vähendades seeläbi toodetud energiat. Need takistused takistavad osa päikesevalguse jõudmist päikesepaneeli pinnale, mille tulemuseks on nn kuuma punkti efekt, st blokeeritud elemendi temperatuur tõuseb, mis mitte ainult ei vähenda efektiivsust, vaid võib ka elementi kahjustada.
Selle vältimiseks tuleb päikesepaneele regulaarselt puhastada, et pind püsiks puhas ja valguse neeldumine oleks maksimaalne. Mõnedes piirkondades, kus on palju liiva ja tolmu või sageli linde, on isepuhastuva katte paigaldamine või puhastussüsteemi loomine mõlemad tõhusamad lahendused.
9. Kokkuvõte
Valgustingimused on päikesepatareide toodetud energia määramisel üks peamisi tegureid. Valguse intensiivsus, langemisnurk, valguse kestus, kliimatingimused ja spektraalne koostis mõjutavad oluliselt päikesepatareide energiatootmise jõudlust. Päikesepatareide toodetud energia maksimeerimiseks peame neid valgustingimusi arvesse võtma ning päikesepaneelide süsteemi asjakohaselt projekteerima ja hooldama, näiteks paigaldama päikesejälgija, puhastama paneele regulaarselt ja hoidma õiget töötemperatuuri.
Päikesepaneelide disaini ja rakendamise pideva optimeerimise abil saame päikeseenergiat tõhusamalt kasutada ning panustada positiivselt puhta energia kättesaadavuse saavutamisse ja süsinikdioksiidi heitkoguste vähendamisse.
