Met de toenemende populariteit van hernieuwbare energie zijn zonnecellen geleidelijk aan een van de belangrijkste bronnen van groene energie geworden. Veel mensen zijn zich er echter niet van bewust dat het rendement en de energieopwekking van zonnecellen worden beïnvloed door diverse factoren, waarvan de lichtomstandigheden de belangrijkste zijn. Hoe beïnvloeden lichtomstandigheden de energieopwekking door zonnecellen? Vandaag gaan we dieper in op dit onderwerp.
1. Lichtintensiteit en energieopwekking
Lichtintensiteit is, simpel gezegd, het stralingsvermogen van zonlicht per oppervlakte-eenheid. Voor zonnecellen geldt: hoe hoger de lichtintensiteit, hoe meer energie de zonnecel ontvangt en hoe hoger het uitgangsvermogen. Daarom is het vermogen dat zonnecellen op zonnige dagen met veel zonlicht opwekken doorgaans hoger.
Het vermogen van een fotovoltaïsche cel wordt doorgaans gemeten onder standaard testomstandigheden bij een lichtintensiteit van 1000 W/m², de standaardwaarde die in laboratoria wordt gebruikt om zonlicht te simuleren. Wanneer de lichtintensiteit toeneemt, neemt de fotovoltaïsche stroom in de zonnecel toe, wat op zijn beurt het uitgangsvermogen verhoogt; omgekeerd, als de lichtintensiteit afneemt, bijvoorbeeld op bewolkte dagen of tijdens zonsondergang, neemt het door de cel opgewekte vermogen aanzienlijk af.
De lichtintensiteit varieert gedurende de dag. 's Ochtends vroeg komt de zon geleidelijk op en neemt de lichtintensiteit ook geleidelijk toe; rond het middaguur bereikt de lichtintensiteit zijn hoogste waarde; in de namiddag, wanneer de zon langzaam in het westen zakt, neemt de lichtintensiteit geleidelijk af totdat de zon volledig verdwijnt. Deze verandering in zonlichtintensiteit heeft direct invloed op de energieopwekking van zonnecellen gedurende de dag.
2. Lichtinvalshoek en efficiëntie van energieopwekking
De invalshoek van het licht heeft ook een grote invloed op de energieopwekking van zonnecellen. Wanneer zonlicht loodrecht op het oppervlak van de zonnecel valt, kan de fotovoltaïsche cel de meeste lichtenergie absorberen en dus de hoogste energie opwekken; wanneer het zonlicht schuin invalt, wordt een deel van het licht gereflecteerd, waardoor de door de cel geabsorbeerde lichtenergie afneemt en de energieopwekking navenant lager is.
Om de energieopwekkingsefficiëntie van de zonnecellen te maximaliseren, zijn veel zonnesystemen uitgerust met zonvolgsystemen die de hoek van de PV-cellen automatisch aanpassen aan de positie van de zon om de optimale invalshoek te behouden. Deze technologie heeft effectief bijgedragen aan de verhoging van de totale energieopwekking van PV-cellen.
3. De invloed van de lichtduur op de energieopwekking.
De duur van de daglichturen is ook een belangrijke factor die de energieopwekking van zonnecellen beïnvloedt. Hoe langer de daglichturen, hoe meer elektriciteit een zonnecel in totaal kan genereren. Daarom genereren zonnecellen op hoge breedtegraden relatief minder elektriciteit vanwege de korte daglichturen in de winter, terwijl in gebieden met lange daglichturen de hoeveelheid opgewekte elektriciteit gedurende het hele jaar hoger is.
Daarnaast hebben seizoensveranderingen ook invloed op het aantal lichturen. In de zomer, wanneer de dagen langer zijn, kunnen zonnecellen bijvoorbeeld langer elektriciteit opwekken; terwijl in de winter, wanneer de dagen korter zijn, de tijd en de totale hoeveelheid opgewekte elektriciteit vanzelfsprekend afnemen.
4. Klimatologische omstandigheden en de prestaties van fotovoltaïsche panelen
Klimatologische omstandigheden kunnen eveneens een aanzienlijke invloed hebben op de door zonnecellen opgewekte energie. Bij bewolkt en mistig weer worden de zonnestralen geblokkeerd door wolken of zwevende deeltjes, waardoor de hoeveelheid lichtenergie die de PV-cel ontvangt afneemt en de opgewekte energie aanzienlijk lager wordt. Daarnaast kunnen regen en sneeuw ook de lichtabsorptie door PV-panelen beïnvloeden, waardoor de energieopwekking van de cellen vermindert.
Interessant genoeg hangt de prestatie van PV-cellen niet alleen af van de intensiteit van het zonlicht; soms is te fel zonlicht juist nadelig. Zo neemt het rendement van zonnecellen bijvoorbeeld af bij hoge temperaturen, omdat de verhoogde temperatuur de weerstand in de cel verhoogt, wat leidt tot een lagere energieopwekking. Daarom gebruiken sommige mensen koelsystemen om hun PV-modules koeler te houden en zo het rendement te verhogen.
5. Effect van de spectrale samenstelling
Zonlicht bestaat uit fotonen van verschillende golflengten, samen het spectrum genoemd. Zonnecellen absorberen verschillende golflengten van licht op verschillende manieren, en variaties in de spectrale samenstelling kunnen ook van invloed zijn op het vermogen dat door zonnecellen wordt opgewekt. Over het algemeen hebben PV-cellen de hoogste absorptie-efficiëntie voor zichtbaar licht en een relatief lage absorptie voor ultraviolet en infrarood licht. Daarom is de energieopwekking van PV-cellen beter wanneer er meer zichtbaar licht in het spectrum aanwezig is.
Bij bewolkt weer, of in de vroege ochtend en avond, verandert het spectrum van zonlicht, met een afname van het zichtbare deel en een toename van het infrarode deel. Hierdoor neemt ook het rendement van de zonnecel af. Om de spectrale respons van fotovoltaïsche cellen te verbeteren, is er onderzoek gedaan naar de ontwikkeling van materialen die een breder deel van het zonnespectrum kunnen absorberen, zoals chalcogeniden, die onder laboratoriumomstandigheden betere lichtabsorberende eigenschappen hebben laten zien.
6. AM 1.5 G testnorm
Bij het testen van fotovoltaïsche cellen wordt vaak AM 1.5 G als standaard spectrale conditie gebruikt. AM staat voor luchtmassa, en AM 1.5 betekent dat de weg die de zonnestralen door de atmosfeer afleggen anderhalf keer langer is dan de directe verticale weg van de zon door de atmosfeer. AM 1.5 G is een wereldwijd gebruikte standaard die de spectrale conditie weergeeft van de zonnestralen die op een heldere dag door de atmosfeer en op het aardoppervlak vallen, wat overeenkomt met een lichtintensiteit van ongeveer 1000 W/m². AM 1.5 G is een wereldwijd gebruikte standaard die de spectrale omstandigheden weergeeft die ontstaan door licht dat op een heldere dag door de atmosfeer en op het aardoppervlak valt, en komt overeen met een lichtintensiteit van ongeveer 1000 W/m² en een lichtsterkte van ongeveer 100.000 Lux.
Het gebruik van AM 1.5 G zorgt ervoor dat de testomstandigheden in het laboratorium zo dicht mogelijk bij de werkelijke omstandigheden liggen, zodat de prestaties van de zonnecellen in dagelijkse omgevingen nauwkeurig kunnen worden beoordeeld.
7. Normen en intensiteit van binnenverlichting.
Er bestaan ook nationale normen voor de lichtintensiteit binnenshuis. Volgens de relevante nationale normen in China (bijvoorbeeld de Building Lighting Design Standard GB 50033-2013) gelden er bijvoorbeeld verschillende lichtvereisten voor binnenruimtes met verschillende doeleinden. Over het algemeen ligt de verlichtingssterkte voor een gewone kantooromgeving rond de 300-500 Lux, terwijl de norm voor een schoollokaal hoger ligt, meestal boven de 500 Lux.
De lichtintensiteit per vierkante meter binnenshuis, omgerekend naar vermogen, ligt doorgaans tussen de 5 en 15 W/m², afhankelijk van het type lichtbron en het rendement. Deze lichtintensiteit ligt ver onder de standaard voor zonlicht buitenshuis, maar is voldoende voor dagelijkse activiteiten en verlichting binnenshuis.
8. Omgevingsfactoren die de lichtomstandigheden beïnvloeden
Naast de bovengenoemde factoren kan ook schaduw door vervuilende stoffen zoals stof, vogelpoep, bladeren, enz. de lichtomstandigheden voor de PV-cellen beïnvloeden, waardoor de opgewekte energie afneemt. Deze obstakels voorkomen dat een deel van het zonlicht het oppervlak van de fotovoltaïsche cel bereikt, wat leidt tot het zogenaamde "hot spot-effect". Dit houdt in dat de temperatuur van de geblokkeerde cel stijgt, wat niet alleen de efficiëntie vermindert, maar ook schade aan de cel kan veroorzaken.
Om dit te voorkomen, moeten PV-cellen regelmatig worden gereinigd om ervoor te zorgen dat het oppervlak schoon blijft en de lichtabsorptie wordt gemaximaliseerd. Voor sommige locaties met veel zand en stof of frequente vogelactiviteit zijn het aanbrengen van een zelfreinigende coating of het installeren van een reinigingssysteem effectievere oplossingen.
9. Samenvatting
Lichtomstandigheden zijn een van de belangrijkste factoren die de door zonnecellen opgewekte energie bepalen. Lichtintensiteit, invalshoek, lichtduur, klimatologische omstandigheden en spectrale samenstelling hebben allemaal een aanzienlijke invloed op de energieopwekkingsprestaties van PV-cellen. Om de hoeveelheid opgewekte energie door zonnecellen te maximaliseren, moeten we rekening houden met deze lichtomstandigheden en het PV-systeem op de juiste manier ontwerpen en onderhouden, bijvoorbeeld door een zonvolgsysteem te installeren, de panelen regelmatig schoon te maken en de juiste bedrijfstemperatuur te handhaven.
Door het ontwerp en de toepassing van PV-cellen voortdurend te optimaliseren, kunnen we zonne-energie efficiënter benutten en een positieve bijdrage leveren aan universele toegang tot schone energie en het verminderen van CO2-uitstoot.
