Populiarėjant atsinaujinančiai energijai, saulės elementai pamažu tapo vienu svarbiausių žaliosios energijos šaltinių. Tačiau daugelis žmonių gali nežinoti, kad saulės elementų energijos gamybos efektyvumą ir gamybą veikia įvairūs veiksniai, iš kurių svarbiausias yra apšvietimo sąlygos. Taigi, kaip apšvietimo sąlygos veikia saulės elementų generuojamą energiją? Šiandien mes populiarinsime šią temą.
1. šviesos intensyvumas ir energijos generavimas
Šviesos intensyvumas, paprastai tariant, yra saulės šviesos spinduliavimo galia ploto vienete. Saulės elementų atveju, kuo didesnis šviesos intensyvumas, tuo daugiau energijos saulės elementas gauna, tuo didesnė jo išėjimo galia. Todėl saulėtomis dienomis, kai yra stipri saulės šviesa, saulės elementų generuojama energija paprastai yra didesnė.
Fotovoltinio elemento energijos gamybos pajėgumas paprastai matuojamas standartinėmis bandymo sąlygomis, kai šviesos intensyvumas yra 1000 W/m² – tai standartinė vertė, naudojama laboratorijose saulėtos dienos šviesai imituoti. Didėjant šviesos intensyvumui, padidėja fotovoltinė srovė saulės elemente, o tai savo ruožtu padidina išėjimo galią; atvirkščiai, jei šviesos intensyvumas sumažėja, pavyzdžiui, debesuotomis dienomis arba saulėlydžio metu, elemento generuojama energija žymiai sumažėja.
Šviesos intensyvumas dienos metu kinta. Ankstyvą rytą saulė palaipsniui kyla, šviesos intensyvumas taip pat palaipsniui didėja; vidurdienį šviesos intensyvumas pasiekia didžiausią vertę; po pietų, saulei palaipsniui leidžiantis vakaruose, šviesos intensyvumas palaipsniui silpnėja, kol saulėlydis visiškai išnyksta. Šis saulės šviesos intensyvumo pokytis tiesiogiai veikia saulės elementų energijos gamybą per dieną.
2. Šviesos kampas ir energijos gamybos efektyvumas
Šviesos kampas taip pat turės didelę įtaką saulės elementų energijos gamybai. Kai saulės šviesa krinta vertikaliai į saulės elemento paviršių, fotovoltinis elementas gali sugerti daugiausiai šviesos energijos ir tokiu būdu generuoti didžiausią energijos kiekį; o kai saulės šviesa krinta įstrižai, dalis šviesos atsispindės, akumuliatoriaus sugeriama šviesos energija sumažės, o energijos gamyba atitinkamai sumažės.
Siekiant maksimaliai padidinti elementų energijos gamybos efektyvumą, daugelyje saulės sistemų yra įrengti saulės sekimo įtaisai, kurie automatiškai reguliuoja FV elementų kampą pagal saulės padėtį, kad būtų išlaikytas optimalus kritimo kampas. Ši technologija veiksmingai padidina bendrą FV elementų energijos gamybą.
3. Šviesos trukmės poveikis energijos gamybai
Šviesos trukmė taip pat yra svarbus veiksnys, turintis įtakos saulės elementų energijos gamybai. Kuo ilgesnės šviesos valandos paroje, tuo daugiau bendros elektros energijos saulės elementas gali pagaminti. Štai kodėl aukštose platumose saulės elementai pagamina santykinai mažiau elektros energijos dėl trumpų žiemos šviesos valandų, o vietovėse, kuriose šviesos valandos ilgos, per metus pagaminamos elektros energijos kiekis yra didesnis.
Be to, šviesos valandas veikia ir sezoniniai pokyčiai. Pavyzdžiui, vasarą, kai dienos ilgesnės, saulės elementai gali gaminti elektrą ilgesnį laiką; o žiemą, kai dienos trumpesnės, laikas ir bendras pagamintos elektros energijos kiekis natūraliai sutrumpėja.
4. Klimato sąlygos ir fotovoltinis veikimas
Klimato sąlygos taip pat gali turėti didelės įtakos saulės elementų gaminamai energijai. Debesuotomis ir miglotomis sąlygomis saulės spindulius blokuoja debesys arba skendinčios dalelės, todėl sumažėja FV elemento gaunamos šviesos energijos kiekis, o generuojama energija taip pat žymiai sumažėja. Be to, lietus ir sniegas taip pat gali turėti įtakos FV plokščių šviesos absorbcijai, sumažindami elementų energijos gamybos našumą.
Įdomu tai, kad FV elementų veikimas priklauso ne tik nuo saulės šviesos stiprumo, kartais per stiprus saulės spindulys gali būti ne pats geriausias dalykas. Pavyzdžiui, saulės elementų energijos gamybos efektyvumas esant aukštai temperatūrai paprastai mažėja, nes padidėjusi temperatūra padidina varžą elemento viduje, o tai lemia mažesnę energijos gamybą. Štai kodėl kai kuriuose regionuose žmonės savo FV modulius vėsina naudodami aušinimo sistemas, kad padidintų jų energijos gamybos efektyvumą.
5. Spektrinės sudėties poveikis
Saulės šviesa susideda iš skirtingų bangos ilgių fotonų, vadinamų spektru. Saulės elementai skirtingai sugeria skirtingus šviesos bangos ilgius, o spektrinės sudėties skirtumai taip pat gali turėti įtakos saulės elementų generuojamai energijai. Apskritai FV elementai pasižymi didžiausiu matomos šviesos sugerties efektyvumu ir santykinai mažu ultravioletinių bei infraraudonųjų spindulių sugerties efektyvumu. Todėl FV elementų energijos gamybos našumas yra geresnis, kai spektre yra daugiau matomos šviesos komponento.
Kai dangus debesuotas arba anksti ryte ir vakare, saulės šviesos spektras kinta – sumažėja matomoji ir padidėja infraraudonoji komponentė, todėl šiuo atveju taip pat sumažėja FV elemento energijos gamybos efektyvumas. Siekiant pagerinti FV elementų spektrinį atsaką, dalis tyrimų buvo skirta medžiagų, galinčių sugerti platesnį saulės spektro diapazoną, pavyzdžiui, chalkogenidų, kurie laboratorinėmis sąlygomis parodė geresnes šviesos sugerties savybes, kūrimui.
6. AM 1,5 G bandymo standartas
Testuojant fotovoltinius elementus, įprasta naudoti AM 1,5 G kaip standartinę spektrinę sąlygą. AM reiškia oro masę (Air Mass), o AM 1,5 reiškia, kad saulės spindulių kelias per atmosferą yra pusantro karto ilgesnis nei tiesioginis vertikalus saulės kelias per atmosferą. AM 1,5 G yra plačiai visame pasaulyje naudojamas standartas, atspindintis saulės spindulių, einančių per atmosferą ir ant Žemės paviršiaus giedrą dieną, spektrinę būseną, kuri atitinka maždaug 1000 W/m² šviesos intensyvumą. AM 1,5 G yra visame pasaulyje naudojamas standartas, atspindintis spektrines sąlygas, kurias sukuria šviesa, giedrą dieną einanti per atmosferą ir ant Žemės paviršiaus, ir atitinka maždaug 1000 W/m² šviesos intensyvumą bei maždaug 100 000 liuksų šviesos intensyvumą.
Naudojant AM 1.5 G užtikrinama, kad bandymo sąlygos laboratorijoje būtų kuo artimesnės tikroms sąlygoms, siekiant tiksliai įvertinti saulės elementų veikimą kasdienėje aplinkoje.
7. Patalpų apšvietimo standartai ir intensyvumas
Taip pat yra nacionalinių patalpų apšvietimo intensyvumo standartų. Pavyzdžiui, pagal atitinkamus Kinijos nacionalinius standartus (pvz., pastatų apšvietimo projektavimo standartą GB 50033-2013), skirtingos paskirties patalpoms taikomi skirtingi apšvietimo reikalavimai. Paprastai įprastos biuro aplinkos apšvietimo lygis turėtų būti apie 300–500 liuksų, o mokyklos klasės apšvietimo standartas yra aukštesnis, paprastai viršija 500 liuksų.
Vidaus šviesos intensyvumas kvadratiniame metre, perskaičiuotas į galią, paprastai yra nuo 5 iki 15 W/m², priklausomai nuo faktinio šviesos šaltinio tipo ir šviesos efektyvumo. Šis šviesos intensyvumas yra gerokai mažesnis už lauko saulės šviesos standartą, tačiau jo pakanka kasdienei veiklai ir apšvietimui patalpose.
8. Apšvietimo sąlygas įtakojantys aplinkos veiksniai
Be aukščiau paminėtų veiksnių, šešėliavimas, kurį sukelia tokie teršalai kaip dulkės, paukščių išmatos, lapai ir kt., taip pat gali turėti įtakos fotovoltinių elementų apšvietimo sąlygoms ir taip sumažinti generuojamos energijos kiekį. Šios kliūtys neleis daliai saulės šviesos pasiekti fotovoltinio elemento paviršiaus, susidarys vadinamasis „karštosios vietos efektas“, t. y. padidės užblokuoto elemento temperatūra, o tai ne tik sumažins efektyvumą, bet ir gali pažeisti elementą.
Siekiant to išvengti, FV elementus reikia reguliariai valyti, kad paviršius išliktų švarus ir kad šviesos absorbcija būtų maksimali. Kai kuriose vietose, esančiose vietose, kuriose daug smėlio ir dulkių arba dažnai aktyvūs paukščiai, veiksmingesni sprendimai yra savaime išsivalančios dangos įrengimas arba valymo sistemos įrengimas.
9. Santrauka
Apšvietimo sąlygos yra vienas iš pagrindinių veiksnių, lemiančių saulės elementų generuojamą energiją. Šviesos intensyvumas, kritimo kampas, šviesos trukmė, klimato sąlygos ir spektrinė sudėtis daro didelę įtaką FV elementų energijos gamybos našumui. Norėdami maksimaliai padidinti saulės elementų generuojamos energijos kiekį, turime atsižvelgti į šias apšvietimo sąlygas ir tinkamai suprojektuoti bei prižiūrėti FV sistemą, pavyzdžiui, įrengti saulės sekiklį, reguliariai valyti plokštes ir palaikyti tinkamą darbinę temperatūrą.
Nuolat optimizuodami FV elementų projektavimą ir pritaikymą, galime efektyviau naudoti saulės energiją ir teigiamai prisidėti prie visuotinės prieigos prie švarios energijos bei anglies dioksido išmetimo mažinimo.
