A megújuló energia elterjedésével a napelemek fokozatosan az egyik legfontosabb zöldenergia-forrássá váltak. Sokan azonban talán nincsenek tisztában azzal, hogy a napelemek energiatermelési hatékonyságát és energiatermelését számos tényező befolyásolja, amelyek közül a legfontosabb a fényviszonyok. Tehát hogyan befolyásolják a fényviszonyok a napelemek által termelt energiát? Ma ezt a témát fogjuk népszerűsíteni.
1. fényintenzitás és energiatermelés
A fényintenzitás, egyszerűen fogalmazva, a napfény sugárzó teljesítménye egységnyi felületre vetítve. Napelemek esetében minél nagyobb a fényintenzitás, annál több energiát vesz fel a napelem, annál nagyobb a kimeneti teljesítménye. Ezért napos, erős napsütéses napokon a napelemek által termelt energia általában nagyobb.
Egy fotovoltaikus cella energiatermelő kapacitását általában standard vizsgálati körülmények között, 1000 W/m² fényintenzitás mellett mérik, amely a laboratóriumokban a napsütéses nappali fény szimulálására használt standard érték. Amikor a fényintenzitás növekszik, a napelemben lévő fotovoltaikus áram is megnő, ami viszont növeli a kimenő teljesítményt; fordítva, ha a fényintenzitás csökken, például felhős napokon vagy naplementekor, a cella által termelt energia jelentősen csökken.
A fényintenzitás a nap folyamán változik. Kora reggeltől kezdve a nap fokozatosan emelkedik, a fényintenzitás is fokozatosan növekszik; délben a fényintenzitás eléri a legmagasabb értékét; délután, ahogy a nap fokozatosan lenyugszik nyugaton, a fényintenzitás fokozatosan csökken, amíg a naplemente teljesen eltűnik. A napfény intenzitásának ez a változása közvetlenül befolyásolja a napelemek napi energiatermelését.
2. Fényszög és energiatermelési hatékonyság
A fény szöge is nagy hatással lesz a napelemek energiatermelésére. Amikor a napfény függőlegesen esik a napelem felületére, a fotovoltaikus cella képes a legtöbb fényenergiát elnyelni, és így a legnagyobb energiatermelést is; és amikor a napfény ferdén esik, a fény egy része visszaverődik, az akkumulátor által elnyelt fényenergia csökken, és az energiatermelés ennek megfelelően csökken.
A cellák energiatermelési hatékonyságának maximalizálása érdekében számos napelemes rendszert napkövető eszközökkel szerelnek fel, amelyek automatikusan a nap helyzetének megfelelően állítják be a fotovoltaikus cellák szögét, hogy fenntartsák az optimális beesési szöget. Ez a technológia hatékonyan növelte a fotovoltaikus cellák teljes energiatermelését.
3. A világítás időtartamának hatása az energiatermelésre
A fény időtartama szintén fontos tényező, amely befolyásolja a napelemek energiatermelését. Minél hosszabb a napi fényórák száma, annál több villamos energiát képes termelni egy napelem. Ez az oka annak, hogy a magas szélességi körökön a napelemek viszonylag kevesebb villamos energiát termelnek a rövid téli fényórák miatt, míg a hosszú fényórákkal rendelkező területeken az éves szinten termelt villamos energia mennyisége magasabb.
Ezen felül az évszakos változások is befolyásolják a fényórák számát. Például nyáron, amikor a nappalok hosszabbak, a napelemek hosszabb ideig képesek áramot termelni; míg télen, amikor a nappalok rövidebbek, a termelt áram ideje és teljes mennyisége természetes módon csökken.
4. Éghajlati viszonyok és fotovoltaikus teljesítmény
Az éghajlati viszonyok szintén jelentős hatással lehetnek a napelemek által termelt energiára. Felhős és párás időben a napsugarakat a felhők vagy a lebegő részecskék blokkolják, ami a napelem által befogadott fényenergia mennyiségének csökkenéséhez vezet, és a termelt energia jelentősen csökken. Ezenkívül az eső és a hó is befolyásolhatja a napelemek fényelnyelését, csökkentve a cellák energiatermelési teljesítményét.
Érdekes módon a napelemek teljesítménye nem csak a napfény erősségétől függ, néha a túl erős napfény sem tesz jót. Például a napelemek energiatermelési hatékonysága magas hőmérsékleti körülmények között általában csökken, mivel a megnövekedett hőmérséklet növeli a cella belsejében lévő ellenállást, ami alacsonyabb energiatermeléshez vezet. Ezért egyes területeken az emberek hűtőrendszerek használatával tartják hűvösebben a napelem moduljaikat az energiatermelési hatékonyság növelése érdekében.
5. A spektrális összetétel hatása
A napfény különböző hullámhosszú fotonokból áll, amelyeket spektrumnak nevezünk. A napelemek eltérően nyelik el a különböző hullámhosszú fényt, és a spektrális összetétel változásai is befolyásolhatják a napelemek által termelt energiát. Általánosságban elmondható, hogy a fotovoltaikus cellák a látható fény elnyelési hatékonyságával rendelkeznek a legnagyobb, az ultraibolya és infravörös fény elnyelésével pedig viszonylag alacsony szinten. Ezért a fotovoltaikus cellák energiatermelési teljesítménye jobb, ha több a látható fénykomponens a spektrumban.
Amikor felhős az ég, vagy kora reggel és este, a napfény spektruma megváltozik, a látható komponens csökken, az infravörös komponens pedig növekszik, és ebben az esetben a fotovoltaikus cella energiatermelési hatásfoka is csökken. A fotovoltaikus cellák spektrális válaszának javítása érdekében kutatásokat végeztek olyan anyagok fejlesztésére, amelyek képesek a nap spektrumának szélesebb tartományát elnyelni, például kalkogenidek, amelyek laboratóriumi körülmények között jobb fényelnyelő tulajdonságokat mutattak.
6. AM 1,5 G tesztszabvány
A fotovoltaikus cellák tesztelése során általában az AM 1,5 G-t használják standard spektrális feltételként. Az AM a légtömeget (Air Mass) jelenti, az AM 1,5 pedig azt jelenti, hogy a napsugarak légkörön keresztüli útja másfélszer hosszabb, mint a nap közvetlen függőleges pályája a légkörön keresztül. Az AM 1,5 G egy világszerte széles körben használt szabvány, amely a légkörön és a Föld felszínén áthaladó napsugarak spektrális állapotát jelenti tiszta időben, ami körülbelül 1000 W/m² fényintenzitásnak felel meg. Az AM 1,5 G egy globálisan használt szabvány, amely a légkörön és a Föld felszínén áthaladó fény által létrehozott spektrális viszonyokat jelenti tiszta időben, és körülbelül 1000 W/m² fényintenzitásnak és körülbelül 100 000 Lux fényintenzitásnak felel meg.
Az AM 1.5 G használata biztosítja, hogy a laboratóriumi vizsgálati körülmények a lehető legközelebb álljanak a tényleges körülményekhez, így pontosan felmérhető a napelemek teljesítménye a mindennapi környezetben.
7. Beltéri fényszabványok és intenzitás
Léteznek nemzeti szabványok a beltéri fényerősségre vonatkozóan is. Például Kína vonatkozó nemzeti szabványai (pl. Épületvilágítási Tervezési Szabvány GB 50033-2013) szerint a különböző célú beltéri tereknek eltérő fényigényük van. Általánosságban elmondható, hogy egy átlagos irodai környezetben a megvilágítási szintnek 300-500 lux körül kell lennie, míg egy iskolai tanterem megvilágítási szabványa magasabb, általában 500 lux felett van.
A beltéri fényerősség négyzetméterenként, teljesítményre átszámítva, általában 5-15 W/m² között van, a fényforrás típusától és a fényhatásfoktól függően. Ez a fényerősség messze elmarad a kültéri napfény szabványától, de elegendő a mindennapi tevékenységekhez és a beltéri világításhoz.
8. A fényviszonyokat befolyásoló környezeti tényezők
A fent említett tényezőkön kívül a szennyező anyagok, például por, madárürülék, levelek stb. által okozott árnyékolás is befolyásolhatja a fotovoltaikus cellák fényviszonyait, ezáltal csökkentve a termelt energiát. Ezek az akadályok megakadályozzák, hogy a napfény egy része elérje a fotovoltaikus cella felületét, kialakul az úgynevezett „hot spot effektus”, azaz az elzárt cella hőmérséklete megemelkedik, ami nemcsak a hatásfokot csökkenti, hanem a cellát is károsíthatja.
Ennek elkerülése érdekében a napelemeket rendszeresen tisztítani kell, hogy a felület tiszta maradjon, és maximalizálják a fényelnyelést. Egyes területeken, ahol sok homok és por, vagy gyakori a madáraktivitás, hatékonyabb megoldás lehet egy öntisztító bevonat felhelyezése vagy egy tisztítórendszer beállítása.
9. Összefoglalás
A fényviszonyok az egyik kulcsfontosságú tényező a napelemek által termelt energia meghatározásában. A fény intenzitása, a beesési szög, a fény időtartama, az éghajlati viszonyok és a spektrális összetétel mind jelentős hatással vannak a fotovoltaikus cellák energiatermelési teljesítményére. A napelemek által termelt energia mennyiségének maximalizálása érdekében figyelembe kell vennünk ezeket a fényviszonyokat, és megfelelően kell megterveznünk és karbantartanunk a fotovoltaikus rendszert, például napkövető telepítésével, a panelek rendszeres tisztításával és a megfelelő üzemi hőmérséklet fenntartásával.
A fotovoltaikus cellák tervezésének és alkalmazásának folyamatos optimalizálásával hatékonyabban tudjuk felhasználni a napenergiát, és pozitívan járulhatunk hozzá a tiszta energiához való egyetemes hozzáférés eléréséhez és a szén-dioxid-kibocsátás csökkentéséhez.
