सकाळच्या सूर्यप्रकाशापासून ते घरातील एलईडी दिव्यांपर्यंत: प्रकाशाची तीव्रता फोटोव्होल्टेइक पेशींमधून हरित ऊर्जेला कशी प्रेरणा देते याचा उलगडा

नूतनीकरणक्षम ऊर्जेच्या लोकप्रियतेमुळे, सौर पेशी (solar cells) हळूहळू हरित ऊर्जेच्या सर्वात महत्त्वाच्या स्रोतांपैकी एक बनल्या आहेत. तथापि, बऱ्याच लोकांना कदाचित याची जाणीव नसेल की सौर पेशींची वीज निर्मितीची कार्यक्षमता आणि वीज निर्मितीवर विविध घटकांचा परिणाम होतो, ज्यापैकी सर्वात महत्त्वाचा घटक म्हणजे प्रकाशाची स्थिती. तर, प्रकाशाची स्थिती सौर पेशींद्वारे निर्माण होणाऱ्या विजेवर कसा परिणाम करते? आज आपण हा विषय समजून घेणार आहोत.

१. प्रकाशाची तीव्रता आणि वीज निर्मिती
सोप्या भाषेत सांगायचे झाल्यास, प्रकाशाची तीव्रता म्हणजे प्रति एकक क्षेत्रफळावर पसरलेली सूर्यप्रकाशाची शक्ती. सौर पेशींच्या बाबतीत, प्रकाशाची तीव्रता जितकी जास्त असते, तितकी जास्त ऊर्जा सौर पेशीला मिळते आणि तिची उत्पादन शक्तीही जास्त असते. त्यामुळे, प्रखर सूर्यप्रकाश असलेल्या स्वच्छ दिवसांमध्ये, सौर पेशींद्वारे निर्माण होणारी शक्ती सहसा जास्त असते.
फोटोव्होल्टेइक सेलची वीज निर्मिती क्षमता सामान्यतः १००० वॅट/मी² (W/m²) या प्रकाश तीव्रतेवर प्रमाणित चाचणी परिस्थितीत मोजली जाते. ही तीव्रता प्रयोगशाळांमध्ये सूर्यप्रकाशाचे अनुकरण करण्यासाठी वापरली जाणारी प्रमाणित पातळी आहे. जेव्हा प्रकाशाची तीव्रता वाढते, तेव्हा सौर सेलमधील फोटोव्होल्टेइक प्रवाह वाढतो, ज्यामुळे आउटपुट पॉवर वाढते; याउलट, जर प्रकाशाची तीव्रता कमी झाली, उदाहरणार्थ ढगाळ दिवसांमध्ये किंवा सूर्यास्ताच्या वेळी, तर सेलद्वारे निर्माण होणारी वीज लक्षणीयरीत्या कमी होते.
दिवसभरात प्रकाशाची तीव्रता बदलते. पहाटेपासून सूर्य हळूहळू उगवतो, तसतशी प्रकाशाची तीव्रताही हळूहळू वाढते; दुपारी प्रकाशाची तीव्रता सर्वोच्च पातळीवर पोहोचते; दुपारनंतर, जसजसा सूर्य पश्चिमेला मावळू लागतो, तसतशी सूर्यास्त पूर्णपणे होईपर्यंत प्रकाशाची तीव्रता हळूहळू कमी होत जाते. सूर्यप्रकाशाच्या तीव्रतेतील या बदलाचा थेट परिणाम दिवसभरातील सौर सेल वीज निर्मितीवर होतो.

२. प्रकाशाचा कोन आणि वीज निर्मितीची कार्यक्षमता
प्रकाशाच्या कोनाचा देखील सौर पेशींच्या वीज निर्मितीवर मोठा परिणाम होतो. जेव्हा सूर्यप्रकाश सौर पेशीच्या पृष्ठभागावर लंबवत पडतो, तेव्हा फोटोव्होल्टेइक पेशी सर्वाधिक प्रकाश ऊर्जा शोषून घेऊ शकते आणि त्यामुळे सर्वाधिक वीज निर्मिती होते; आणि जेव्हा सूर्यप्रकाश तिरकस असतो, तेव्हा प्रकाशाचा काही भाग परावर्तित होतो, बॅटरीद्वारे शोषली जाणारी प्रकाश ऊर्जा कमी होते आणि त्यानुसार वीज निर्मिती देखील कमी होते.
सेलची वीज निर्मिती कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी, अनेक सौर प्रणालींमध्ये सन ट्रॅकिंग उपकरणे बसवलेली असतात, जी सूर्याच्या स्थितीनुसार पीव्ही सेलचा कोन आपोआप समायोजित करून आपतन कोन अनुकूलतम राखतात. हे तंत्रज्ञान पीव्ही सेलची एकूण वीज निर्मिती वाढवण्यासाठी प्रभावी ठरले आहे.

३. वीज निर्मितीवर प्रकाशाच्या कालावधीचा होणारा परिणाम
प्रकाशाचा कालावधी हा देखील सौर पेशींच्या वीज निर्मितीवर परिणाम करणारा एक महत्त्वाचा घटक आहे. दिवसातील प्रकाशाचे तास जितके जास्त असतील, तितकी जास्त एकूण वीज सौर पेशी निर्माण करू शकते. यामुळेच उच्च अक्षांशांवर, हिवाळ्यातील कमी प्रकाशाच्या तासांमुळे सौर पेशी तुलनेने कमी वीज निर्माण करतात, तर जास्त प्रकाशाचे तास असलेल्या प्रदेशांमध्ये वर्षभर निर्माण होणाऱ्या विजेचे प्रमाण अधिक असते.
याव्यतिरिक्त, ऋतूमानातील बदलांचा परिणाम प्रकाशाच्या तासांवरही होतो. उदाहरणार्थ, उन्हाळ्यात, जेव्हा दिवस मोठे असतात, तेव्हा सौर पेशी (solar cells) जास्त कालावधीसाठी वीज निर्माण करू शकतात; तर हिवाळ्यात, जेव्हा दिवस लहान असतात, तेव्हा निर्माण होणारा वेळ आणि विजेचे एकूण प्रमाण नैसर्गिकरित्या कमी होते.

४. हवामान परिस्थिती आणि फोटोव्होल्टेइक कार्यक्षमता
हवामानाचा देखील सौर पेशींद्वारे निर्माण होणाऱ्या ऊर्जेवर लक्षणीय परिणाम होऊ शकतो. ढगाळ आणि धुरकट परिस्थितीत, सूर्याची किरणे ढगांमुळे किंवा तरंगत्या कणांमुळे अडवली जातात, ज्यामुळे पीव्ही पेशीला मिळणाऱ्या प्रकाश ऊर्जेचे प्रमाण कमी होते आणि निर्माण होणारी ऊर्जा लक्षणीयरीत्या घटते. याव्यतिरिक्त, पाऊस आणि बर्फवृष्टी देखील पीव्ही पॅनेलद्वारे होणाऱ्या प्रकाश शोषणावर परिणाम करू शकतात, ज्यामुळे पेशींच्या वीज निर्मितीची कार्यक्षमता कमी होते.
विशेष म्हणजे, पीव्ही सेलची कार्यक्षमता केवळ सूर्यप्रकाशाच्या तीव्रतेवर अवलंबून नसते, कधीकधी खूप तीव्र सूर्यप्रकाश चांगला नसतो. उदाहरणार्थ, उच्च तापमानाच्या परिस्थितीत सौर सेलची वीज निर्मिती कार्यक्षमता कमी होते, कारण वाढलेल्या तापमानामुळे सेलच्या आतील रोध वाढतो, ज्यामुळे वीज निर्मिती कमी होते. म्हणूनच, काही भागांमध्ये, लोक वीज निर्मिती कार्यक्षमता वाढवण्यासाठी शीतकरण प्रणाली वापरून त्यांचे पीव्ही मॉड्यूल थंड ठेवतात.

५. वर्णक्रमीय रचनेचा परिणाम
सूर्यप्रकाशात वेगवेगळ्या तरंगलांबीचे फोटॉन असतात, ज्याला स्पेक्ट्रम म्हणतात. सौर पेशी प्रकाशाच्या वेगवेगळ्या तरंगलांबी वेगवेगळ्या प्रकारे शोषून घेतात आणि वर्णपटीय रचनेतील फरकांचा परिणाम सौर पेशींद्वारे निर्माण होणाऱ्या ऊर्जेवरही होऊ शकतो. सर्वसाधारणपणे, पीव्ही पेशींची दृश्य प्रकाशासाठी शोषण क्षमता सर्वाधिक असते आणि अतिनील व अवरक्त प्रकाशासाठी ती तुलनेने कमी असते. त्यामुळे, जेव्हा वर्णपटात दृश्य प्रकाशाचा घटक अधिक असतो, तेव्हा पीव्ही पेशींची वीज निर्मितीची कामगिरी अधिक चांगली असते.
जेव्हा आकाश ढगाळ असते, किंवा पहाटे आणि संध्याकाळी, सूर्यप्रकाशाचा वर्णपट बदलतो, ज्यात दृश्य घटकात घट होते आणि अवरक्त घटकात वाढ होते, आणि अशावेळी पीव्ही सेलची वीज निर्मिती कार्यक्षमता देखील कमी होते. फोटोव्होल्टेइक सेलचा वर्णपटीय प्रतिसाद सुधारण्यासाठी, सूर्याच्या वर्णपटाची अधिक विस्तृत श्रेणी शोषून घेण्यास सक्षम असलेल्या पदार्थांच्या विकासावर काही संशोधन केले गेले आहे, जसे की चालकोजेनाइड्स, ज्यांनी प्रयोगशाळेच्या परिस्थितीत उत्तम प्रकाश-शोषक गुणधर्म दर्शवले आहेत.

६. एएम १.५ ग्रॅम चाचणी मानक
फोटोव्होल्टेइक सेलच्या चाचणीमध्ये, मानक वर्णक्रमीय स्थिती म्हणून AM 1.5 G वापरणे सामान्य आहे. AM म्हणजे एअर मास (Air Mass), आणि AM 1.5 चा अर्थ असा आहे की वातावरणातून जाणाऱ्या सूर्यकिरणांचा मार्ग हा वातावरणातून जाणाऱ्या सूर्याच्या थेट उभ्या मार्गापेक्षा दीडपट लांब असतो. AM 1.5 G हे जगभरात मोठ्या प्रमाणावर वापरले जाणारे एक मानक आहे आणि ते निरभ्र दिवशी वातावरणातून पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर येणाऱ्या सूर्यकिरणांच्या वर्णक्रमीय स्थितीचे प्रतिनिधित्व करते, जे सुमारे 1000 W/m² च्या प्रकाश तीव्रतेशी संबंधित आहे. AM 1.5 G हे जागतिक स्तरावर वापरले जाणारे एक मानक आहे जे निरभ्र दिवशी वातावरणातून पृथ्वीच्या पृष्ठभागावर येणाऱ्या प्रकाशामुळे निर्माण होणाऱ्या वर्णक्रमीय स्थितीचे प्रतिनिधित्व करते आणि ते अंदाजे 1000 W/m² च्या प्रकाश तीव्रतेशी आणि अंदाजे 100,000 लक्सच्या प्रकाशमान तीव्रतेशी संबंधित आहे.
AM 1.5 G च्या वापरामुळे प्रयोगशाळेतील चाचणी परिस्थिती वास्तविक परिस्थितीच्या शक्य तितकी जवळची असते, जेणेकरून दैनंदिन वातावरणात सौर पेशींच्या कार्यक्षमतेचे अचूक मूल्यांकन करता येईल.

७. घरातील प्रकाशाचे मानक आणि तीव्रता
घरातील प्रकाशाच्या तीव्रतेसाठी राष्ट्रीय मानके देखील आहेत. उदाहरणार्थ, चीनच्या संबंधित राष्ट्रीय मानकांनुसार (उदा., बिल्डिंग लायटिंग डिझाइन स्टँडर्ड GB 50033-2013), वेगवेगळ्या उद्देशांसाठी असलेल्या घरातील जागांसाठी प्रकाशाच्या वेगवेगळ्या गरजा असतात. सर्वसाधारणपणे, एका सामान्य कार्यालयीन वातावरणासाठी प्रकाशाची पातळी सुमारे ३००-५०० लक्स असावी, तर शाळेच्या वर्गासाठी प्रकाशाचे मानक अधिक असते, साधारणपणे ५०० लक्सपेक्षा जास्त.
घरातील प्रकाशाची प्रति चौरस मीटर तीव्रता, जेव्हा ऊर्जेमध्ये रूपांतरित केली जाते, तेव्हा ती प्रकाश स्रोताचा प्रत्यक्ष प्रकार आणि प्रकाशाच्या कार्यक्षमतेनुसार साधारणपणे ५-१५ वॅट/मी² च्या दरम्यान असते. ही प्रकाश तीव्रता बाहेरील सूर्यप्रकाशाच्या मानकापेक्षा खूपच कमी आहे, परंतु दैनंदिन कामांसाठी आणि घरातील प्रकाशासाठी पुरेशी आहे.

८. प्रकाशाच्या स्थितीवर परिणाम करणारे पर्यावरणीय घटक
वर नमूद केलेल्या घटकांव्यतिरिक्त, धूळ, पक्ष्यांची विष्ठा, पाने इत्यादी प्रदूषकांमुळे होणारी सावली देखील पीव्ही सेलच्या प्रकाशाच्या स्थितीवर परिणाम करू शकते, ज्यामुळे निर्माण होणारी वीज कमी होते. हे अडथळे सूर्यप्रकाशाचा काही भाग फोटोव्होल्टेइक सेलच्या पृष्ठभागापर्यंत पोहोचण्यापासून रोखतात, ज्यामुळे तथाकथित "हॉट स्पॉट इफेक्ट" निर्माण होतो, म्हणजेच, अडवलेल्या सेलचे तापमान वाढते, ज्यामुळे केवळ कार्यक्षमताच कमी होत नाही, तर सेलला नुकसान देखील पोहोचू शकते.
हे टाळण्यासाठी, पृष्ठभाग स्वच्छ राहील आणि प्रकाश शोषण जास्तीत जास्त होईल याची खात्री करण्यासाठी पीव्ही सेल नियमितपणे स्वच्छ करणे आवश्यक आहे. ज्या भागांमध्ये जास्त वाळू आणि धूळ असते किंवा पक्ष्यांचा सतत वावर असतो, अशा काही भागांसाठी स्व-स्वच्छता लेप लावणे किंवा स्वच्छता प्रणाली स्थापित करणे, हे दोन्ही अधिक प्रभावी उपाय आहेत.