Popularizacijom obnovljivih izvora energije, solarne ćelije postupno su postale jedan od najvažnijih izvora zelene energije. Međutim, mnogi ljudi možda nisu svjesni da na učinkovitost proizvodnje energije i proizvodnju energije solarnih ćelija utječu razni čimbenici, od kojih je najvažniji svjetlosni uvjeti. Dakle, kako svjetlosni uvjeti utječu na energiju koju generiraju solarne ćelije? Danas ćemo popularizirati ovu temu.
1. intenzitet svjetlosti i proizvodnja energije
Intenzitet svjetlosti, jednostavno rečeno, je snaga zračenja sunčeve svjetlosti po jedinici površine. Za solarne ćelije, što je veći intenzitet svjetlosti, to više energije prima solarna ćelija, to je veća njezina izlazna snaga. Stoga je za sunčanih dana s jakom sunčevom svjetlošću snaga koju generiraju solarne ćelije obično veća.
Kapacitet proizvodnje energije fotonaponske ćelije obično se mjeri pod standardnim uvjetima ispitivanja pri intenzitetu svjetlosti od 1000 W/m², što je standardna vrijednost koja se koristi u laboratorijima za simuliranje sunčanog dnevnog svjetla. Kada se intenzitet svjetlosti poveća, fotonaponska struja u solarnoj ćeliji se povećava, što zauzvrat povećava izlaznu snagu; obrnuto, ako se intenzitet svjetlosti smanji, na primjer u oblačnim danima ili tijekom zalaska sunca, snaga koju generira ćelija značajno se smanjuje.
Intenzitet svjetlosti varira tijekom dana. Počevši od ranog jutra, sunce postupno izlazi, intenzitet svjetlosti također se postupno povećava; u podne intenzitet svjetlosti doseže svoju najveću vrijednost; poslijepodne, kako sunce postupno zalazi na zapadu, intenzitet svjetlosti postupno slabi sve dok zalazak sunca potpuno ne nestane. Ova promjena intenziteta sunčeve svjetlosti izravno utječe na proizvodnju energije solarnih ćelija tijekom dana.
2. Kut svjetlosti i učinkovitost proizvodnje energije
Kut svjetlosti također će imati veliki utjecaj na proizvodnju energije solarnih ćelija. Kada sunčeva svjetlost pada vertikalno na površinu solarne ćelije, fotonaponska ćelija može apsorbirati najviše svjetlosne energije i time proizvesti najveću energiju; a kada je sunčeva svjetlost kosa, dio svjetlosti će se reflektirati, svjetlosna energija koju apsorbira baterija se smanjuje, a time se smanjuje i proizvodnja energije.
Kako bi se maksimizirala učinkovitost proizvodnje energije iz ćelija, mnogi solarni sustavi opremljeni su uređajima za praćenje sunca koji automatski podešavaju kut fotonaponskih ćelija prema položaju sunca kako bi se održao optimalni kut upada. Ova se tehnologija pokazala učinkovitom u povećanju ukupne proizvodnje energije fotonaponskih ćelija.
3. Utjecaj trajanja svjetla na proizvodnju energije
Trajanje svjetla također je važan faktor koji utječe na proizvodnju energije solarnih ćelija. Što su svjetlosni sati dulji u danu, to solarna ćelija može generirati više ukupne električne energije. Zbog toga na visokim geografskim širinama solarne ćelije generiraju relativno manje električne energije zbog kratkih zimskih svjetlosnih sati, dok je u područjima s dugim svjetlosnim satima količina električne energije generirane tijekom cijele godine veća.
Osim toga, sezonske promjene utječu i na svjetlosne sate. Na primjer, ljeti, kada su dani duži, solarne ćelije mogu proizvoditi električnu energiju dulje vrijeme; dok će se zimi, kada su dani kraći, vrijeme i ukupna količina proizvedene električne energije prirodno smanjiti.
4. Klimatski uvjeti i fotonaponske performanse
Klimatski uvjeti također mogu imati značajan utjecaj na energiju koju generiraju solarne ćelije. U oblačnim i maglovitim uvjetima, sunčeve zrake blokiraju oblaci ili suspendirane čestice, što dovodi do smanjenja količine svjetlosne energije koju prima fotonaponska ćelija, a generirana energija bit će značajno smanjena. Osim toga, kiša i snijeg također mogu utjecati na apsorpciju svjetlosti fotonaponskih panela, smanjujući performanse proizvodnje energije ćelija.
Zanimljivo je da performanse fotonaponskih ćelija ne ovise samo o jačini sunčeve svjetlosti, ponekad prejako sunčevo svjetlo možda nije dobro. Na primjer, učinkovitost proizvodnje energije solarnih ćelija obično se smanjuje u uvjetima visoke temperature jer povećana temperatura povećava otpor unutar ćelije, što dovodi do niže proizvodnje energije. Zbog toga u nekim područjima ljudi hlade svoje fotonaponske module korištenjem sustava hlađenja kako bi povećali učinkovitost proizvodnje energije.
5. Utjecaj spektralnog sastava
Sunčeva svjetlost sastoji se od fotona različitih valnih duljina, poznatih kao spektar. Solarne ćelije različito apsorbiraju različite valne duljine svjetlosti, a varijacije u spektralnom sastavu također mogu utjecati na snagu koju generiraju solarne ćelije. Općenito, fotonaponske ćelije imaju najveću učinkovitost apsorpcije vidljive svjetlosti i relativno nisku apsorpciju ultraljubičaste i infracrvene svjetlosti. Stoga su performanse proizvodnje energije fotonaponskih ćelija bolje kada u spektru ima više komponente vidljive svjetlosti.
Kada je nebo oblačno, ili rano ujutro i navečer, spektar sunčeve svjetlosti se mijenja, sa smanjenjem vidljive komponente i povećanjem infracrvene komponente, te se u tom slučaju smanjuje i učinkovitost proizvodnje energije fotonaponske ćelije. Kako bi se poboljšao spektralni odziv fotonaponskih ćelija, neka istraživanja su posvećena razvoju materijala sposobnih apsorbirati širi raspon sunčevog spektra, poput halkogenida, koji su pokazali bolja svojstva apsorpcije svjetlosti u laboratorijskim uvjetima.
6. AM 1,5 G ispitni standard
Pri ispitivanju fotonaponskih ćelija uobičajeno je koristiti AM 1,5 G kao standardni spektralni uvjet. AM je kratica za Air Mass (zračna masa), a AM 1,5 znači da je put sunčevih zraka kroz atmosferu jedan i pol puta dulji od izravnog vertikalnog puta sunca kroz atmosferu. AM 1,5 G je standard koji se široko koristi u cijelom svijetu i predstavlja spektralni uvjet sunčevih zraka koje prolaze kroz atmosferu i na Zemljinu površinu tijekom vedrog dana, što odgovara intenzitetu svjetlosti od oko 1000 W/m². AM 1,5 G je globalno korišteni standard koji predstavlja spektralne uvjete nastale prolaskom svjetlosti kroz atmosferu i na Zemljinu površinu tijekom vedrog dana, što odgovara intenzitetu svjetlosti od približno 1000 W/m² i intenzitetu svjetlosti od približno 100 000 luksa.
Korištenje AM 1.5 G osigurava da su uvjeti ispitivanja u laboratoriju što bliži stvarnim uvjetima kako bi se točno procijenile performanse solarnih ćelija u svakodnevnim okruženjima.
7. Standardi i intenzitet unutarnje rasvjete
Postoje i nacionalni standardi za intenzitet unutarnje rasvjete. Na primjer, prema relevantnim kineskim nacionalnim standardima (npr. Standard za dizajn rasvjete zgrada GB 50033-2013), unutarnji prostori za različite namjene imaju različite zahtjeve za svjetlom. Općenito govoreći, razina osvijetljenosti za uobičajeno uredsko okruženje trebala bi biti oko 300-500 luksa, dok je standard osvijetljenosti za školsku učionicu viši, obično iznad 500 luksa.
Za intenzitet svjetlosti u zatvorenom prostoru po kvadratnom metru, kada se pretvori u snagu, obično je između 5-15 W/m², ovisno o stvarnoj vrsti izvora svjetlosti i svjetlosnoj učinkovitosti. Ovaj intenzitet svjetlosti je daleko ispod standarda za vanjsku sunčevu svjetlost, ali je dovoljan za svakodnevne aktivnosti i osvjetljenje u zatvorenom prostoru.
8. Čimbenici okoline koji utječu na svjetlosne uvjete
Uz gore navedene čimbenike, zasjenjenje zagađivačima poput prašine, ptičjeg izmeta, lišća itd. također može utjecati na svjetlosne uvjete fotonaponskih ćelija, smanjujući time generiranu energiju. Ove prepreke sprječavaju dio sunčeve svjetlosti da dopre do površine fotonaponske ćelije, stvarajući takozvani "efekt vruće točke", odnosno povećavajući temperaturu blokirane ćelije, što ne samo da smanjuje učinkovitost, već može uzrokovati i oštećenje ćelije.
Kako bi se to spriječilo, fotonaponske ćelije potrebno je redovito čistiti kako bi se osigurala čista površina i maksimizirala apsorpcija svjetlosti. Za neka područja koja se nalaze u područjima s puno pijeska i prašine ili čestom aktivnošću ptica, ugradnja samočistećeg premaza ili postavljanje sustava za čišćenje učinkovitija su rješenja.
9. Sažetak
Svjetlosni uvjeti jedan su od ključnih čimbenika u određivanju snage koju generiraju solarne ćelije. Intenzitet svjetlosti, kut upada, trajanje svjetlosti, klimatski uvjeti i spektralni sastav imaju značajan utjecaj na performanse proizvodnje energije fotonaponskih ćelija. Kako bismo maksimizirali količinu energije koju generiraju solarne ćelije, moramo uzeti u obzir te svjetlosne uvjete te odgovarajuće dizajnirati i održavati fotonaponski sustav, kao što je ugradnja praćenja sunca, redovito čišćenje panela i održavanje odgovarajuće radne temperature.
Kontinuiranim optimiziranjem dizajna i primjene fotonaponskih ćelija možemo učinkovitije koristiti solarnu energiju i pozitivno doprinijeti postizanju univerzalnog pristupa čistoj energiji i smanjenju emisija ugljika.
