S popularizacijo obnovljivih virov energije so sončne celice postopoma postale eden najpomembnejših virov zelene energije. Vendar se mnogi morda ne zavedajo, da na učinkovitost proizvodnje energije in proizvodnjo energije sončnih celic vpliva več dejavnikov, najpomembnejši med njimi pa so svetlobni pogoji. Kako torej svetlobni pogoji vplivajo na energijo, ki jo proizvajajo sončne celice? Danes bomo popularizirali to temo.
1. intenzivnost svetlobe in proizvodnja energije
Svetlobna intenzivnost je, preprosto povedano, sevalna moč sončne svetlobe na enoto površine. Pri sončnih celicah velja, da višja kot je svetlobna intenzivnost, več energije prejme sončna celica in večja je njena izhodna moč. Zato je v sončnih dneh z močno sončno svetlobo moč, ki jo ustvarijo sončne celice, običajno višja.
Zmogljivost fotonapetostne celice za proizvodnjo energije se običajno meri v standardnih testnih pogojih pri svetlobni jakosti 1000 W/m², kar je standardna vrednost, ki se uporablja v laboratorijih za simulacijo sončne dnevne svetlobe. Ko se svetlobna jakost poveča, se poveča fotonapetostni tok v sončni celici, kar posledično poveča izhodno moč; nasprotno, če se svetlobna jakost zmanjša, na primer v oblačnih dneh ali med sončnim zahodom, se moč, ki jo ustvari celica, znatno zmanjša.
Intenzivnost svetlobe se čez dan spreminja. Od zgodnjega jutra, ko sonce postopoma vzhaja, se intenzivnost svetlobe postopoma povečuje; opoldne doseže najvišjo vrednost; popoldne, ko sonce postopoma zahaja na zahodu, intenzivnost svetlobe postopoma slabi, dokler sončni zahod popolnoma ne izgine. Ta sprememba intenzivnosti sončne svetlobe neposredno vpliva na proizvodnjo energije sončnih celic v enem dnevu.
2. Kot svetlobe in učinkovitost proizvodnje energije
Kot svetlobe bo imel tudi velik vpliv na proizvodnjo energije sončnih celic. Ko sončna svetloba pada navpično na površino sončne celice, lahko fotovoltaična celica absorbira največ svetlobne energije in s tem največjo proizvodnjo energije; ko pa je sončna svetloba poševna, se del svetlobe odbije, svetlobna energija, ki jo absorbira baterija, se zmanjša in proizvodnja energije se ustrezno zmanjša.
Da bi povečali učinkovitost proizvodnje energije celic, so številni sončni sistemi opremljeni z napravami za sledenje soncu, ki samodejno prilagajajo kot PV celic glede na položaj sonca, da ohranijo optimalen kot vpadanja. Ta tehnologija se je izkazala za učinkovito pri povečanju skupne proizvodnje energije PV celic.
3. Vpliv trajanja svetlobe na proizvodnjo energije
Trajanje svetlobe je prav tako pomemben dejavnik, ki vpliva na proizvodnjo energije sončnih celic. Daljše kot so svetlobne ure v dnevu, več skupne električne energije lahko sončna celica proizvede. Zato sončne celice na visokih zemljepisnih širinah zaradi kratkih zimskih svetlobnih ur proizvedejo relativno manj električne energije, medtem ko je na območjih z dolgimi svetlobnimi urami količina električne energije, proizvedene skozi vse leto, večja.
Poleg tega sezonske spremembe vplivajo tudi na število svetlobnih ur. Na primer, poleti, ko so dnevi daljši, lahko sončne celice proizvajajo elektriko dlje časa, medtem ko se pozimi, ko so dnevi krajši, čas in skupna količina proizvedene električne energije naravno zmanjšata.
4. Podnebne razmere in fotovoltaična zmogljivost
Podnebne razmere lahko prav tako pomembno vplivajo na energijo, ki jo proizvajajo sončne celice. V oblačnih in meglenih razmerah oblaki ali lebdeči delci blokirajo sončne žarke, kar vodi do zmanjšanja količine svetlobne energije, ki jo prejme sončna celica, in proizvedena energija se znatno zmanjša. Poleg tega lahko dež in sneg vplivata tudi na absorpcijo svetlobe s strani sončnih panelov, kar zmanjša učinkovitost proizvodnje energije celic.
Zanimivo je, da delovanje sončnih celic ni odvisno le od moči sončne svetlobe, včasih premočna sončna svetloba morda ni dobra stvar. Na primer, učinkovitost proizvodnje energije sončnih celic se pri visokih temperaturah ponavadi zmanjša, ker povišana temperatura poveča upor znotraj celice, kar vodi do manjše proizvodnje energije. Zato ljudje na nekaterih območjih hladijo svoje sončne module z uporabo hladilnih sistemov za povečanje njihove učinkovitosti proizvodnje energije.
5. Vpliv spektralne sestave
Sončna svetloba je sestavljena iz fotonov različnih valovnih dolžin, znanih kot spekter. Sončne celice različno absorbirajo različne valovne dolžine svetlobe, spremembe v spektralni sestavi pa lahko vplivajo tudi na moč, ki jo proizvajajo sončne celice. Na splošno imajo sončne celice najvišjo absorpcijsko učinkovitost za vidno svetlobo in relativno nizko absorpcijo za ultravijolično in infrardečo svetlobo. Zato je zmogljivost proizvodnje energije sončnih celic boljša, ko je v spektru več vidne svetlobne komponente.
Ko je nebo oblačno ali zgodaj zjutraj in zvečer, se spekter sončne svetlobe spremeni, z zmanjšanjem vidne komponente in povečanjem infrardeče komponente, zato se v tem primeru zmanjša tudi učinkovitost proizvodnje energije sončne celice. Da bi izboljšali spektralni odziv sončnih celic, so bile nekatere raziskave namenjene razvoju materialov, ki lahko absorbirajo širši razpon sončnega spektra, kot so halkogenidi, ki so v laboratorijskih pogojih pokazali boljše lastnosti absorpcije svetlobe.
6. AM 1,5 G testni standard
Pri testiranju fotonapetostnih celic se kot standardni spektralni pogoj običajno uporablja AM 1,5 G. AM pomeni zračna masa (Air Mass), AM 1,5 pa pomeni, da je pot sončnih žarkov skozi ozračje enkrat in pol daljša od neposredne navpične poti sonca skozi ozračje. AM 1,5 G je standard, ki se pogosto uporablja po vsem svetu in predstavlja spektralni pogoj sončnih žarkov, ki prehajajo skozi ozračje in na zemeljsko površino v jasnem dnevu, kar ustreza svetlobni jakosti približno 1000 W/m². AM 1,5 G je globalno uporabljen standard, ki predstavlja spektralne pogoje, ki jih povzroča svetloba, ki prehaja skozi ozračje in na zemeljsko površino v jasnem dnevu, in ustreza svetlobni jakosti približno 1000 W/m² in svetilnosti približno 100.000 luksov.
Uporaba AM 1.5 G zagotavlja, da so pogoji testiranja v laboratoriju čim bolj podobni dejanskim pogojem, da se lahko natančno oceni delovanje sončnih celic v vsakdanjem okolju.
7. Standardi in intenzivnost notranje svetlobe
Obstajajo tudi nacionalni standardi za intenzivnost notranje svetlobe. Na primer, v skladu z ustreznimi kitajskimi nacionalnimi standardi (npr. standard za načrtovanje razsvetljave stavb GB 50033-2013) imajo notranji prostori za različne namene različne zahteve glede svetlobe. Na splošno naj bi bila raven osvetljenosti za običajno pisarniško okolje približno 300–500 luksov, medtem ko je standard osvetljenosti za šolsko učilnico višji, običajno nad 500 luksov.
Intenzivnost svetlobe v zaprtih prostorih na kvadratni meter, preračunana v moč, običajno znaša med 5 in 15 W/m², odvisno od dejanske vrste svetlobnega vira in svetlobne učinkovitosti. Ta intenzivnost svetlobe je precej pod standardom za zunanjo sončno svetlobo, vendar zadostuje za vsakodnevne dejavnosti in osvetlitev v zaprtih prostorih.
8. Okoljski dejavniki, ki vplivajo na svetlobne razmere
Poleg zgoraj omenjenih dejavnikov lahko na svetlobne pogoje fotonapetostnih celic vpliva tudi senčenje zaradi onesnaževalcev, kot so prah, ptičji iztrebki, listje itd., kar zmanjša proizvedeno energijo. Te ovire preprečujejo, da bi del sončne svetlobe dosegel površino fotonapetostne celice, kar povzroči nastanek tako imenovanega "učinka vroče točke", kar pomeni, da se temperatura blokirane celice poveča, kar ne le zmanjša učinkovitost, ampak lahko povzroči tudi poškodbe celice.
Da bi to preprečili, je treba sončne celice redno čistiti, da se zagotovi čista površina in maksimalna absorpcija svetlobe. Za nekatera območja, ki se nahajajo na območjih z veliko peska in prahu ali pogosto aktivnostjo ptic, sta učinkovitejši rešitvi namestitev samočistilnega premaza ali vzpostavitev čistilnega sistema.
9. Povzetek
Svetlobni pogoji so eden ključnih dejavnikov pri določanju moči, ki jo ustvarijo sončne celice. Intenzivnost svetlobe, kot vpadanja, trajanje svetlobe, podnebne razmere in spektralna sestava pomembno vplivajo na zmogljivost proizvodnje energije sončnih celic. Da bi kar najbolje izkoristili količino energije, ki jo ustvarijo sončne celice, moramo upoštevati te svetlobne pogoje ter ustrezno načrtovati in vzdrževati sončni sistem, na primer z namestitvijo sledilnika sonca, rednim čiščenjem panelov in vzdrževanjem ustrezne delovne temperature.
Z nenehnim optimiziranjem zasnove in uporabe sončnih celic lahko učinkoviteje uporabljamo sončno energijo in pozitivno prispevamo k doseganju splošnega dostopa do čiste energije ter zmanjšanju emisij ogljika.
