עם הפופולריות של אנרגיה מתחדשת, תאים סולאריים הפכו בהדרגה לאחד המקורות החשובים ביותר לאנרגיה ירוקה. עם זאת, אנשים רבים עשויים שלא להיות מודעים לכך שיעילות ייצור החשמל וייצור החשמל של תאים סולאריים מושפעים ממגוון גורמים, שהחשוב שבהם הוא תנאי האור. אז כיצד משפיעים תנאי האור על החשמל המופק על ידי תאים סולאריים? היום נדון בנושא זה.
1. עוצמת אור וייצור חשמל
עוצמת האור, במילים פשוטות, היא עוצמת הקרינה של אור השמש ליחידת שטח. עבור תאים סולאריים, ככל שעוצמת האור גבוהה יותר, כך תא הסולארי מקבל יותר אנרגיה, כך עוצמת המוצא שלו גבוהה יותר. לכן, בימים שטופי שמש עם אור שמש חזק, ההספק המופק על ידי תאים סולאריים בדרך כלל גבוה יותר.
כושר ייצור החשמל של תא פוטו-וולטאי נמדד בדרך כלל בתנאי בדיקה סטנדרטיים בעוצמת אור של 1000 וואט/מ"ר, שהוא הערך הסטנדרטי המשמש במעבדות לסימולציה של אור יום שטוף שמש. כאשר עוצמת האור עולה, הזרם הפוטו-וולטאי בתא הסולארי עולה, מה שמגדיל בתורו את הספק המוצא; לעומת זאת, אם עוצמת האור יורדת, למשל בימים מעוננים או בשעות שקיעה, ההספק המופק על ידי התא יורד משמעותית.
עוצמת האור משתנה במהלך היום. החל משעות הבוקר המוקדמות, השמש זורחת בהדרגה, וגם עוצמת האור עולה בהדרגה; בצהריים, עוצמת האור מגיעה לערכה הגבוה ביותר; אחר הצהריים, כאשר השמש שוקעת בהדרגה במערב, עוצמת האור נחלשת בהדרגה עד שהשקיעה נעלמת לחלוטין. שינוי זה בעוצמת אור השמש משפיע ישירות על ייצור החשמל של תאי השמש ביום.
2. זווית אור ויעילות ייצור חשמל
לזווית האור תהיה גם השפעה רבה על ייצור החשמל של תאים סולאריים. כאשר אור השמש פוגע אנכית על פני התא הסולארי, התא הפוטו-וולטאי יכול לספוג את אנרגיית האור הרבה ביותר, וכך לייצר את החשמל הגבוה ביותר; וכאשר אור השמש הוא אלכסוני, חלק מהאור יוחזר, אנרגיית האור הנספגת על ידי הסוללה מצטמצמת, וייצור החשמל מצטמצם בהתאם.
על מנת למקסם את יעילות ייצור החשמל של התאים, מערכות סולאריות רבות מצוידות במכשירי מעקב אחר השמש המתאימים אוטומטית את זווית התאים הפוטו-וולטאיים בהתאם למיקום השמש כדי לשמור על זווית הפגיעה האופטימלית. טכנולוגיה זו הוכחה יעילה בהגדלת ייצור החשמל הכולל של תאים פוטו-וולטאיים.
3. השפעת משך האור על ייצור חשמל
משך האור הוא גם גורם חשוב המשפיע על ייצור החשמל של תאים סולאריים. ככל ששעות האור ביום ארוכות יותר, כך סך החשמל התא הסולארי יכול לייצר יותר. זו הסיבה שבקווי רוחב גבוהים, תאים סולאריים מייצרים יחסית פחות חשמל עקב שעות אור קצרות בחורף, בעוד שבאזורים עם שעות אור ארוכות, כמות החשמל המופקת לאורך כל השנה גבוהה יותר.
בנוסף לכך, שינויים עונתיים משפיעים גם על שעות האור. לדוגמה, בקיץ, כאשר הימים ארוכים יותר, תאים סולאריים מסוגלים לייצר חשמל למשך זמן ארוך יותר; ואילו בחורף, כאשר הימים קצרים יותר, הזמן וכמות החשמל הכוללת המופקת יקטן באופן טבעי.
4. תנאי אקלים וביצועים פוטו-וולטאיים
תנאי אקלים יכולים גם הם להשפיע באופן משמעותי על החשמל המופק על ידי תאים סולאריים. בתנאים מעוננים וערפליים, קרני השמש חסומות על ידי עננים או חלקיקים תלויים, מה שמוביל לירידה בכמות אנרגיית האור המתקבלת על ידי תא ה-PV, והחשמל המופק יופחת משמעותית. בנוסף, גשם ושלג יכולים גם הם להשפיע על ספיגת האור על ידי פאנלים PV, ולהפחית את ביצועי ייצור החשמל של התאים.
מעניין לציין, שביצועי תאי PV אינם תלויים רק בעוצמת אור השמש, לפעמים אור שמש חזק מדי לא בהכרח דבר טוב. לדוגמה, יעילות ייצור החשמל של תאים סולאריים נוטה לרדת בתנאי טמפרטורה גבוהה מכיוון שהטמפרטורה המוגברת מגבירה את ההתנגדות בתוך התא, מה שמוביל לייצור חשמל נמוך יותר. זו הסיבה שבאזורים מסוימים אנשים שומרים על מודולי ה-PV שלהם קרירים יותר באמצעות מערכות קירור כדי להגביר את יעילות ייצור החשמל שלהם.
5. השפעת ההרכב הספקטרלי
אור השמש מורכב מפוטונים באורכי גל שונים, המכונים ספקטרום. תאים סולאריים בולעים אורכי גל שונים של אור בצורה שונה, ושינויים בהרכב הספקטרלי יכולים גם הם להשפיע על האנרגיה המופקת על ידי תאים סולאריים. באופן כללי, לתאי PV יש את יעילות הבליעה הגבוהה ביותר עבור אור נראה ובליעה נמוכה יחסית עבור אור אולטרה סגול ואינפרא אדום. לכן, ביצועי ייצור האנרגיה של תאי PV טובים יותר כאשר יש יותר רכיב אור נראה בספקטרום.
כאשר השמיים מעוננים, או בשעות הבוקר המוקדמות והערב, ספקטרום אור השמש משתנה, עם ירידה ברכיב הנראה ועלייה ברכיב האינפרא אדום, וגם במקרה זה יעילות ייצור החשמל של תא הפוטו-וולטאי יורדת. על מנת לשפר את התגובה הספקטרלית של תאים פוטו-וולטאיים, הוקדש מחקר לפיתוח חומרים המסוגלים לספוג טווח רחב יותר של ספקטרום השמש, כגון כלקוגנידים, אשר הראו תכונות ספיגת אור טובות יותר בתנאי מעבדה.
6. תקן בדיקה AM 1.5 G
בבדיקות של תאים פוטו-וולטאיים, מקובל להשתמש ב-AM 1.5 G כתנאי ספקטרלי סטנדרטי. AM מייצג מסת אוויר, ו-AM 1.5 פירושו שמסלול קרני השמש דרך האטמוספירה ארוך פי אחד וחצי ממסלולה האנכי הישיר של השמש דרך האטמוספירה. AM 1.5 G הוא תקן בשימוש נרחב ברחבי העולם ומייצג את המצב הספקטרלי של קרני השמש העוברות דרך האטמוספירה ועל פני כדור הארץ ביום בהיר, התואם לעוצמת אור של כ-1000 וואט/מ"ר. AM 1.5 G הוא תקן בשימוש עולמי המייצג את התנאים הספקטרליים הנוצרים על ידי אור העובר דרך האטמוספירה ועל פני כדור הארץ ביום בהיר, ומתאים לעוצמת אור של כ-1000 וואט/מ"ר ועוצמת הארה של כ-100,000 לוקס.
השימוש ב-AM 1.5 G מבטיח שתנאי הבדיקה במעבדה יהיו קרובים ככל האפשר לתנאים בפועל על מנת להעריך במדויק את ביצועי התאים הסולאריים בסביבות יומיומיות.
7. סטנדרטים ועוצמת תאורה פנימית
ישנם גם תקנים לאומיים לעוצמת אור בתוך מבנים. לדוגמה, על פי התקנים הלאומיים הרלוונטיים של סין (למשל, תקן תכנון תאורת מבנים GB 50033-2013), לחללים פנימיים למטרות שונות יש דרישות תאורה שונות. באופן כללי, רמת העוצמה עבור סביבת משרד רגילה צריכה להיות סביב 300-500 לוקס, בעוד שתקן העוצמה עבור כיתת לימוד בבית ספר גבוה יותר, בדרך כלל מעל 500 לוקס.
עבור עוצמת אור למטר מרובע בתוך הבית, כאשר מומר להספק, היא בדרך כלל בין 5-15 וואט/מ"ר, תלוי בסוג מקור האור בפועל ויעילות האור. עוצמת אור זו נמוכה בהרבה מהסטנדרט לאור שמש חיצוני, אך מספיקה לפעילויות יומיומיות ותאורה בתוך הבית.
8. גורמים סביבתיים המשפיעים על תנאי האור
בנוסף לגורמים שהוזכרו לעיל, הצללה על ידי מזהמים כגון אבק, צואת ציפורים, עלים וכו' יכולה גם היא להשפיע על תנאי האור של תאי הפוטו-וולטאיים, ובכך להפחית את צריכת החשמל המופקת. חסימות אלו ימנעו מחלק מאור השמש להגיע לפני השטח של התא הפוטו-וולטאי, מה שמוביל להיווצרות של מה שנקרא "אפקט הנקודה החמה", כלומר, הטמפרטורה של התא החסום עולה, לא רק מפחיתה את היעילות, אלא גם עלולה לגרום נזק לתא.
כדי למנוע זאת, יש לנקות תאי פוטו-וולטאיים באופן קבוע כדי להבטיח שהמשטח יישאר נקי ולמקסם את ספיגת האור. עבור אזורים מסוימים הממוקמים באזורים עם הרבה חול ואבק או פעילות תכופה של ציפורים, התקנת ציפוי מנקה עצמי או הקמת מערכת ניקוי הן פתרונות יעילים יותר.
9. סיכום
תנאי תאורה הם אחד הגורמים המרכזיים בקביעת כמות החשמל המופקת על ידי תאים סולאריים. עוצמת האור, זווית הפגיעה, משך האור, תנאי האקלים וההרכב הספקטרלי - כולם משפיעים באופן משמעותי על ביצועי ייצור החשמל של תאי PV. על מנת למקסם את כמות החשמל המופקת על ידי תאים סולאריים, עלינו לקחת בחשבון את תנאי התאורה הללו ולתכנן ולתחזק את מערכת ה-PV כראוי, כגון התקנת מכשיר מעקב שמש, ניקוי הפאנלים באופן קבוע ושמירה על טמפרטורת פעולה מתאימה.
על ידי אופטימיזציה מתמשכת של התכנון והיישום של תאי פוטו-וולטאיים, נוכל לעשות שימוש יעיל יותר באנרגיה סולארית ולתרום באופן חיובי להשגת גישה אוניברסלית לאנרגיה נקייה ולהפחתת פליטות פחמן.
