S popularizáciou obnoviteľných zdrojov energie sa solárne články postupne stali jedným z najdôležitejších zdrojov zelenej energie. Mnoho ľudí si však možno neuvedomuje, že účinnosť výroby energie a samotná výroba energie zo solárnych článkov sú ovplyvnené rôznymi faktormi, z ktorých najdôležitejším sú svetelné podmienky. Ako teda svetelné podmienky ovplyvňujú energiu generovanú solárnymi článkami? Dnes sa budeme venovať tejto téme.
1. intenzita svetla a výroba energie
Intenzita svetla, zjednodušene povedané, je žiarivý výkon slnečného žiarenia na jednotku plochy. V prípade solárnych článkov platí, že čím vyššia je intenzita svetla, tým viac energie solárny článok prijíma, tým vyšší je jeho výstupný výkon. Preto je za slnečných dní so silným slnečným žiarením výkon generovaný solárnymi článkami zvyčajne vyšší.
Výkon fotovoltaického článku sa zvyčajne meria za štandardných testovacích podmienok pri intenzite svetla 1000 W/m², čo je štandardná hodnota používaná v laboratóriách na simuláciu slnečného dňa. Keď sa intenzita svetla zvýši, fotovoltaický prúd v solárnom článku sa zvýši, čo následne zvýši výstupný výkon; naopak, ak sa intenzita svetla zníži, napríklad v zamračených dňoch alebo počas západu slnka, výkon generovaný článkom sa výrazne zníži.
Intenzita svetla sa v priebehu dňa mení. Od skorého rána, keď slnko postupne vychádza, intenzita svetla sa tiež postupne zvyšuje; na poludnie dosahuje intenzita svetla svoju najvyššiu hodnotu; popoludní, keď slnko postupne klesá na západe, intenzita svetla postupne slabne, až kým západ slnka úplne nezmizne. Táto zmena intenzity slnečného žiarenia priamo ovplyvňuje výrobu energie solárnymi článkami za deň.
2. Uhol svetla a účinnosť výroby energie
Uhol svetla bude mať tiež veľký vplyv na výrobu energie solárnych článkov. Keď slnečné svetlo dopadá vertikálne na povrch solárneho článku, fotovoltaický článok dokáže absorbovať najviac svetelnej energie, a tým aj najvyššiu výrobu energie; a keď je slnečné svetlo šikmé, časť svetla sa odrazí, svetelná energia absorbovaná batériou sa zníži a výroba energie sa zodpovedajúcim spôsobom zníži.
Aby sa maximalizovala účinnosť výroby energie z článkov, mnoho solárnych systémov je vybavených zariadeniami na sledovanie slnka, ktoré automaticky upravujú uhol fotovoltaických článkov podľa polohy slnka, aby sa udržal optimálny uhol dopadu. Táto technológia sa ukázala ako účinná pri zvyšovaní celkovej výroby energie z fotovoltaických článkov.
3. Vplyv trvania svetla na výrobu energie
Dĺžka svietenia je tiež dôležitým faktorom, ktorý ovplyvňuje výrobu energie solárnymi článkami. Čím dlhšie sú svetelné hodiny počas dňa, tým viac celkovej elektriny dokáže solárny článok vygenerovať. Preto vo vysokých zemepisných šírkach solárne články generujú relatívne menej elektriny kvôli krátkym zimným svetelným hodinám, zatiaľ čo v oblastiach s dlhými svetelnými hodinami je množstvo elektriny vyrobenej počas celého roka vyššie.
Okrem toho sezónne zmeny ovplyvňujú aj svetelné hodiny. Napríklad v lete, keď sú dni dlhšie, sú solárne články schopné vyrábať elektrinu dlhšie, zatiaľ čo v zime, keď sú dni kratšie, sa čas a celkové množstvo vyrobenej elektriny prirodzene zníži.
4. Klimatické podmienky a fotovoltaický výkon
Klimatické podmienky môžu mať rovnako významný vplyv na energiu generovanú solárnymi článkami. Za oblačného a hmlistého počasia sú slnečné lúče blokované oblakmi alebo suspendovanými časticami, čo vedie k zníženiu množstva svetelnej energie prijímanej fotovoltaickým článkom a generovaný výkon sa výrazne zníži. Okrem toho dážď a sneh môžu tiež ovplyvniť absorpciu svetla fotovoltaickými panelmi, čím sa znižuje výkon článkov pri výrobe energie.
Je zaujímavé, že výkon fotovoltaických článkov nezávisí len od sily slnečného žiarenia, niekedy nemusí byť príliš silné slnečné svetlo dobré. Napríklad účinnosť výroby energie solárnych článkov má tendenciu klesať pri vysokých teplotách, pretože zvýšená teplota zvyšuje odpor vo vnútri článku, čo vedie k nižšej výrobe energie. Preto v niektorých oblastiach ľudia udržiavajú svoje fotovoltaické moduly chladnejšie pomocou chladiacich systémov na zvýšenie účinnosti výroby energie.
5. Vplyv spektrálneho zloženia
Slnečné svetlo sa skladá z fotónov rôznych vlnových dĺžok, známych ako spektrum. Solárne články absorbujú rôzne vlnové dĺžky svetla rôzne a zmeny v spektrálnom zložení môžu mať tiež vplyv na energiu generovanú solárnymi článkami. Vo všeobecnosti majú fotovoltaické články najvyššiu absorpčnú účinnosť pre viditeľné svetlo a relatívne nízku absorpciu pre ultrafialové a infračervené svetlo. Preto je výkon fotovoltaických článkov pri výrobe energie lepší, keď je v spektre viac zložky viditeľného svetla.
Keď je obloha zamračená alebo skoro ráno a večer, spektrum slnečného žiarenia sa mení, pričom dochádza k poklesu viditeľnej zložky a nárastu infračervenej zložky, a v tomto prípade klesá aj účinnosť výroby energie fotovoltaického článku. S cieľom zlepšiť spektrálnu odozvu fotovoltaických článkov sa výskum venoval vývoju materiálov schopných absorbovať širší rozsah slnečného spektra, ako sú chalkogenidy, ktoré preukázali lepšie vlastnosti absorbujúce svetlo v laboratórnych podmienkach.
6. Testovací štandard AM 1,5 G
Pri testovaní fotovoltaických článkov sa bežne používa AM 1,5 G ako štandardný spektrálny stav. AM je skratka pre Air Mass (vzdušná hmota) a AM 1,5 znamená, že dráha slnečných lúčov cez atmosféru je jeden a pol krát dlhšia ako priama vertikálna dráha Slnka cez atmosféru. AM 1,5 G je štandard široko používaný na celom svete a predstavuje spektrálny stav slnečných lúčov prechádzajúcich cez atmosféru a na zemský povrch za jasného dňa, čo zodpovedá intenzite svetla približne 1000 W/m². AM 1,5 G je globálne používaný štandard, ktorý predstavuje spektrálne podmienky vytvárané svetlom prechádzajúcim cez atmosféru a na zemský povrch za jasného dňa a zodpovedá intenzite svetla približne 1000 W/m² a svietivosti približne 100 000 luxov.
Použitie AM 1,5 G zabezpečuje, že testovacie podmienky v laboratóriu sú čo najbližšie k skutočným podmienkam, aby sa presne posúdil výkon solárnych článkov v každodennom prostredí.
7. Normy a intenzita vnútorného osvetlenia
Existujú aj národné normy pre intenzitu vnútorného osvetlenia. Napríklad podľa príslušných národných noriem Číny (napr. norma pre návrh osvetlenia budov GB 50033-2013) majú vnútorné priestory na rôzne účely rôzne požiadavky na osvetlenie. Vo všeobecnosti by úroveň osvetlenia pre bežné kancelárske prostredie mala byť okolo 300 – 500 luxov, zatiaľ čo norma osvetlenia pre školskú učebňu je vyššia, zvyčajne nad 500 luxov.
Intenzita vnútorného svetla na meter štvorcový, po prepočte na výkon, sa zvyčajne pohybuje medzi 5 – 15 W/m², v závislosti od skutočného typu svetelného zdroja a svetelnej účinnosti. Táto intenzita svetla je výrazne nižšia ako štandard pre vonkajšie slnečné svetlo, ale postačuje na každodenné činnosti a osvetlenie v interiéri.
8. Faktory prostredia ovplyvňujúce svetelné podmienky
Okrem vyššie uvedených faktorov môže svetelné podmienky fotovoltaických článkov ovplyvniť aj tienenie znečisťujúcimi látkami, ako je prach, vtáčí trus, lístie atď., a tým znížiť generovaný výkon. Tieto prekážky bránia časti slnečného svetla dostať sa na povrch fotovoltaického článku, čím vzniká tzv. „efekt horúceho miesta“, čo znamená, že teplota zablokovaného článku sa zvyšuje, čo nielen znižuje účinnosť, ale môže tiež spôsobiť poškodenie článku.
Aby sa tomu predišlo, je potrebné pravidelne čistiť fotovoltaické články, aby sa zabezpečila čistá plocha a maximalizovala absorpcia svetla. Pre niektoré oblasti nachádzajúce sa v oblastiach s veľkým množstvom piesku a prachu alebo častou aktivitou vtákov je účinnejším riešením inštalácia samočistiaceho náteru alebo nastavenie čistiaceho systému.
9. Zhrnutie
Svetelné podmienky sú jedným z kľúčových faktorov pri určovaní výkonu generovaného solárnymi článkami. Intenzita svetla, uhol dopadu, trvanie svetla, klimatické podmienky a spektrálne zloženie majú významný vplyv na výkon fotovoltaických článkov pri výrobe energie. Aby sme maximalizovali množstvo energie generovanej solárnymi článkami, musíme tieto svetelné podmienky zohľadniť a fotovoltaický systém vhodne navrhnúť a udržiavať, napríklad inštaláciou sledovača slnka, pravidelným čistením panelov a udržiavaním správnej prevádzkovej teploty.
Neustálou optimalizáciou návrhu a aplikácie fotovoltaických článkov môžeme efektívnejšie využívať slnečnú energiu a pozitívne prispieť k dosiahnutiu univerzálneho prístupu k čistej energii a zníženiu emisií uhlíka.
