با رواج انرژیهای تجدیدپذیر، سلولهای خورشیدی به تدریج به یکی از مهمترین منابع انرژی سبز تبدیل شدهاند. با این حال، بسیاری از مردم ممکن است از این موضوع آگاه نباشند که راندمان تولید برق و تولید برق سلولهای خورشیدی تحت تأثیر عوامل مختلفی قرار دارد که مهمترین آنها شرایط نوری است. بنابراین، شرایط نوری چگونه بر توان تولید شده توسط سلولهای خورشیدی تأثیر میگذارد؟ امروز، ما این موضوع را عمومی خواهیم کرد.
۱. شدت نور و تولید برق
شدت نور، به زبان ساده، توان تابشی نور خورشید در واحد سطح است. برای سلولهای خورشیدی، هرچه شدت نور بیشتر باشد، انرژی دریافتی توسط سلول خورشیدی بیشتر است و توان خروجی آن نیز بیشتر است. بنابراین، در روزهای آفتابی با تابش شدید نور خورشید، توان تولید شده توسط سلولهای خورشیدی معمولاً بیشتر است.
ظرفیت تولید برق یک سلول فتوولتائیک معمولاً تحت شرایط آزمایش استاندارد با شدت نور ۱۰۰۰ وات بر متر مربع اندازهگیری میشود، که مقدار استانداردی است که در آزمایشگاهها برای شبیهسازی نور روز آفتابی استفاده میشود. هنگامی که شدت نور افزایش مییابد، جریان فتوولتائیک در سلول خورشیدی افزایش مییابد که به نوبه خود توان خروجی را افزایش میدهد. برعکس، اگر شدت نور کاهش یابد، به عنوان مثال در روزهای ابری یا در ساعات غروب آفتاب، توان تولید شده توسط سلول به طور قابل توجهی کاهش مییابد.
شدت نور در طول روز تغییر میکند. از اوایل صبح، با طلوع تدریجی خورشید، شدت نور نیز به تدریج افزایش مییابد؛ در ظهر، شدت نور به بالاترین مقدار خود میرسد؛ در بعد از ظهر، با غروب تدریجی خورشید در غرب، شدت نور به تدریج کاهش مییابد تا اینکه غروب خورشید به طور کامل ناپدید میشود. این تغییر در شدت نور خورشید مستقیماً بر تولید برق سلول خورشیدی در یک روز تأثیر میگذارد.
۲. زاویه نور و راندمان تولید برق
زاویه نور نیز تأثیر زیادی بر تولید برق سلولهای خورشیدی خواهد داشت. هنگامی که نور خورشید به صورت عمودی بر سطح سلول خورشیدی میتابد، سلول فتوولتائیک میتواند بیشترین انرژی نوری را جذب کند و در نتیجه بالاترین تولید برق را داشته باشد. و هنگامی که نور خورشید مایل باشد، بخشی از نور منعکس میشود، انرژی نوری جذب شده توسط باتری کاهش مییابد و به تبع آن تولید برق نیز کاهش مییابد.
به منظور به حداکثر رساندن راندمان تولید برق سلولها، بسیاری از سیستمهای خورشیدی به دستگاههای ردیابی خورشید مجهز شدهاند که به طور خودکار زاویه سلولهای PV را با توجه به موقعیت خورشید تنظیم میکنند تا زاویه بهینه تابش حفظ شود. این فناوری در افزایش کلی تولید برق سلولهای PV مؤثر بوده است.
۳. تأثیر مدت زمان روشنایی بر تولید برق
مدت زمان روشنایی نیز عامل مهمی است که بر تولید برق سلولهای خورشیدی تأثیر میگذارد. هرچه ساعات روشنایی در روز طولانیتر باشد، یک سلول خورشیدی میتواند در کل برق بیشتری تولید کند. به همین دلیل است که در عرضهای جغرافیایی بالا، سلولهای خورشیدی به دلیل ساعات کوتاه روشنایی در زمستان، برق نسبتاً کمتری تولید میکنند، در حالی که در مناطقی با ساعات روشنایی طولانی، میزان برق تولید شده در طول سال بیشتر است.
علاوه بر این، تغییرات فصلی نیز بر ساعات روشنایی تأثیر میگذارد. به عنوان مثال، در تابستان، وقتی روزها طولانیتر هستند، سلولهای خورشیدی قادر به تولید برق برای مدت زمان طولانیتری هستند؛ در حالی که در زمستان، وقتی روزها کوتاهتر هستند، زمان و کل مقدار برق تولید شده به طور طبیعی کاهش مییابد.
۴. شرایط آب و هوایی و عملکرد فتوولتائیک
شرایط آب و هوایی نیز میتواند تأثیر قابل توجهی بر توان تولید شده توسط سلولهای خورشیدی داشته باشد. در شرایط ابری و مه آلود، پرتوهای خورشید توسط ابرها یا ذرات معلق مسدود میشوند و منجر به کاهش میزان انرژی نوری دریافتی توسط سلول PV میشوند و توان تولید شده به طور قابل توجهی کاهش مییابد. علاوه بر این، باران و برف نیز میتوانند بر جذب نور توسط پنلهای PV تأثیر بگذارند و عملکرد تولید برق سلولها را کاهش دهند.
جالب اینجاست که عملکرد سلولهای PV فقط به شدت نور خورشید بستگی ندارد، گاهی اوقات نور خورشید خیلی شدید ممکن است چیز خوبی نباشد. به عنوان مثال، راندمان تولید برق سلولهای خورشیدی در شرایط دمای بالا تمایل به کاهش دارد زیرا افزایش دما مقاومت داخل سلول را افزایش میدهد که منجر به تولید برق کمتر میشود. به همین دلیل است که در برخی مناطق، مردم با استفاده از سیستمهای خنککننده، ماژولهای PV خود را خنکتر نگه میدارند تا راندمان تولید برق خود را افزایش دهند.
۵. اثر ترکیب طیفی
نور خورشید از فوتونهایی با طول موجهای مختلف تشکیل شده است که به عنوان طیف شناخته میشوند. سلولهای خورشیدی طول موجهای مختلف نور را به طور متفاوتی جذب میکنند و تغییرات در ترکیب طیفی نیز میتواند بر توان تولید شده توسط سلولهای خورشیدی تأثیر بگذارد. به طور کلی، سلولهای PV بالاترین راندمان جذب را برای نور مرئی و جذب نسبتاً کمی را برای نور فرابنفش و مادون قرمز دارند. بنابراین، عملکرد تولید برق سلولهای PV زمانی بهتر است که مؤلفه نور مرئی بیشتری در طیف وجود داشته باشد.
وقتی آسمان ابری است، یا در اوایل صبح و عصر، طیف نور خورشید تغییر میکند، با کاهش جزء مرئی و افزایش جزء مادون قرمز، و راندمان تولید برق سلول PV نیز در این حالت کاهش مییابد. به منظور بهبود پاسخ طیفی سلولهای فتوولتائیک، برخی تحقیقات به توسعه موادی اختصاص داده شده است که قادر به جذب طیف وسیعتری از طیف خورشید هستند، مانند کالکوژنیدها، که خواص جذب نور بهتری را در شرایط آزمایشگاهی نشان دادهاند.
۶. استاندارد تست AM 1.5 G
در آزمایش سلولهای فتوولتائیک، استفاده از AM 1.5 G به عنوان شرایط طیفی استاندارد رایج است. AM مخفف Air Mass است و AM 1.5 به این معنی است که مسیر پرتوهای خورشید از طریق جو، یک و نیم برابر طولانیتر از مسیر عمودی مستقیم خورشید از طریق جو است. AM 1.5 G استانداردی است که به طور گسترده در سراسر جهان مورد استفاده قرار میگیرد و نشان دهنده شرایط طیفی پرتوهای خورشید است که در یک روز صاف از جو و سطح زمین عبور میکنند، که مربوط به شدت نوری حدود 1000 وات بر متر مربع است. AM 1.5 G یک استاندارد جهانی است که شرایط طیفی تولید شده توسط نوری را که از جو عبور میکند و به سطح زمین در یک روز صاف میرسد، نشان میدهد و مربوط به شدت نوری تقریباً 1000 وات بر متر مربع و شدت نوری تقریباً 100000 لوکس است.
استفاده از AM 1.5 G تضمین میکند که شرایط آزمایش در آزمایشگاه تا حد امکان به شرایط واقعی نزدیک باشد تا بتوان عملکرد سلولهای خورشیدی را در محیطهای روزمره به طور دقیق ارزیابی کرد.
۷. استانداردها و شدت نور در فضای داخلی
همچنین استانداردهای ملی برای شدت نور در فضای داخلی وجود دارد. به عنوان مثال، طبق استانداردهای ملی مربوطه چین (به عنوان مثال، استاندارد طراحی روشنایی ساختمان GB 50033-2013)، فضاهای داخلی برای اهداف مختلف، الزامات نوری متفاوتی دارند. به طور کلی، سطح روشنایی برای یک محیط اداری معمولی باید حدود 300 تا 500 لوکس باشد، در حالی که استاندارد روشنایی برای یک کلاس درس مدرسه بالاتر است، معمولاً بالای 500 لوکس.
برای شدت نور داخلی در هر متر مربع، وقتی به توان تبدیل میشود، معمولاً بین ۵ تا ۱۵ وات بر متر مربع است که به نوع واقعی منبع نور و راندمان نور بستگی دارد. این شدت نور بسیار پایینتر از استاندارد نور خورشید در فضای باز است، اما برای فعالیتهای روزانه و روشنایی در داخل خانه کافی است.
۸. عوامل محیطی مؤثر بر شرایط نوری
علاوه بر عواملی که در بالا ذکر شد، سایه ناشی از آلایندههایی مانند گرد و غبار، فضولات پرندگان، برگها و غیره نیز میتواند بر شرایط نوری سلولهای فتوولتائیک تأثیر بگذارد و در نتیجه توان تولیدی را کاهش دهد. این موانع مانع از رسیدن بخشی از نور خورشید به سطح سلول فتوولتائیک میشوند و پدیدهای به نام «اثر نقطه داغ» را ایجاد میکنند، یعنی دمای سلول مسدود شده افزایش مییابد که نه تنها راندمان را کاهش میدهد، بلکه ممکن است به سلول آسیب برساند.
برای جلوگیری از این امر، سلولهای PV باید مرتباً تمیز شوند تا از تمیز ماندن سطح و به حداکثر رساندن جذب نور اطمینان حاصل شود. برای برخی از مناطق واقع در مناطقی با شن و گرد و غبار زیاد یا فعالیت مکرر پرندگان، نصب یک پوشش خود تمیز شونده یا راهاندازی یک سیستم تمیزکننده، هر دو راهحلهای مؤثرتری هستند.
۹. خلاصه
شرایط نوری یکی از عوامل کلیدی در تعیین توان تولید شده توسط سلولهای خورشیدی است. شدت نور، زاویه تابش، مدت زمان تابش، شرایط آب و هوایی و ترکیب طیفی، همگی تأثیر قابل توجهی بر عملکرد تولید توان سلولهای PV دارند. برای به حداکثر رساندن میزان توان تولید شده توسط سلولهای خورشیدی، باید این شرایط نوری را در نظر بگیریم و سیستم PV را به طور مناسب طراحی و نگهداری کنیم، مانند نصب ردیاب خورشید، تمیز کردن منظم پنلها و حفظ دمای عملیاتی مناسب.
با بهینهسازی مداوم طراحی و کاربرد سلولهای فتوولتائیک، میتوانیم از انرژی خورشیدی به طور کارآمدتری استفاده کنیم و به طور مثبت در دستیابی جهانی به انرژی پاک و کاهش انتشار کربن نقش داشته باشیم.
