I takt med att förnybar energi blivit alltmer populär har solceller gradvis blivit en av de viktigaste källorna till grön energi. Många är dock kanske inte medvetna om att solcellernas effektivitet och energiproduktion påverkas av en mängd olika faktorer, varav den viktigaste är ljusförhållandena. Så, hur påverkar ljusförhållandena den energi som genereras av solceller? Idag ska vi popularisera detta ämne.
1. ljusintensitet och kraftgenerering
Ljusintensitet är, enkelt uttryckt, solljusets strålningseffekt per ytenhet. För solceller gäller att ju högre ljusintensitet, desto mer energi tar solcellen emot, desto högre är dess uteffekt. Därför är effekten som genereras av solceller vanligtvis högre på soliga dagar med starkt solljus.
En solcells elproduktionskapacitet mäts vanligtvis under standardiserade testförhållanden vid en ljusintensitet på 1000 W/m², vilket är standardvärdet som används i laboratorier för att simulera soligt dagsljus. När ljusintensiteten ökar ökar den solcellsströmmen i solcellen, vilket i sin tur ökar uteffekten; omvänt, om ljusintensiteten minskar, till exempel på molniga dagar eller under solnedgångstimmar, minskar den effekt som genereras av cellen avsevärt.
Ljusintensiteten varierar under dagens lopp. Tidigt på morgonen går solen gradvis upp, och även ljusintensiteten ökar gradvis; vid middagstid når ljusintensiteten sitt högsta värde; på eftermiddagen, när solen gradvis sjunker i väster, försvagas ljusintensiteten gradvis tills solnedgången försvinner helt. Denna förändring i solljusintensitet påverkar direkt solcellernas elproduktion under en dag.
2. Ljusvinkel och kraftgenereringseffektivitet
Ljusvinkeln har också stor inverkan på solcellernas elproduktion. När solljuset faller vertikalt på solcellens yta kan solcellen absorbera mest ljusenergi och därmed den högsta elproduktionen; och när solljuset är snett kommer en del av ljuset att reflekteras, ljusenergin som absorberas av batteriet minskas och elproduktionen minskar i motsvarande grad.
För att maximera cellernas effektivitet i elproduktionen är många solcellssystem utrustade med solföljningsenheter som automatiskt justerar solcellernas vinkel efter solens position för att bibehålla optimal infallsvinkel. Denna teknik har varit effektiv för att öka den totala elproduktionen från solceller.
3. Ljusets varaktighet påverkar elproduktionen
Ljusets varaktighet är också en viktig faktor som påverkar solcellernas elproduktion. Ju längre ljustimmar på ett dygn, desto mer elektricitet kan en solcell generera totalt. Det är därför som solceller genererar relativt mindre elektricitet på höga breddgrader på grund av korta ljustimmar på vintern, medan mängden elektricitet som genereras under hela året är högre i områden med långa ljustimmar.
Utöver detta påverkar även säsongsvariationer ljustimmarna. Till exempel, på sommaren, när dagarna är längre, kan solceller generera elektricitet under en längre tidsperiod; medan på vintern, när dagarna är kortare, kommer tiden och den totala mängden genererad elektricitet naturligt att minska.
4. Klimatförhållanden och solcellsprestanda
Klimatförhållanden kan likaså ha en betydande inverkan på den energi som genereras av solceller. Under molniga och disiga förhållanden blockeras solens strålar av moln eller svävande partiklar, vilket leder till en minskning av mängden ljusenergi som tas emot av PV-cellen, och den genererade energin kommer att minskas avsevärt. Dessutom kan regn och snö också påverka ljusabsorptionen av PV-paneler, vilket minskar cellernas energiproduktionsprestanda.
Intressant nog beror prestandan hos PV-celler inte bara på solljusets styrka, ibland kan för starkt solljus inte vara bra. Till exempel tenderar solcellers effektivitet att minska under höga temperaturer eftersom den ökade temperaturen ökar resistansen inuti cellen, vilket leder till lägre effektproduktion. Det är därför man i vissa områden håller sina PV-moduler svalare genom att använda kylsystem för att öka deras effektivitet.
5. Effekt av spektral sammansättning
Solljus består av fotoner med olika våglängder, känt som spektrum. Solceller absorberar olika ljusvåglängder på olika sätt, och variationer i spektralkompositionen kan också påverka den energi som genereras av solcellerna. Generellt sett har PV-celler den högsta absorptionseffektiviteten för synligt ljus och relativt låg absorption för ultraviolett och infrarött ljus. Därför är PV-cellernas energiproduktionsprestanda bättre när det finns mer synlig ljuskomponent i spektrumet.
När himlen är molnig, eller tidigt på morgonen och kvällen, förändras solljusets spektrum, med en minskning av den synliga komponenten och en ökning av den infraröda komponenten, och även i detta fall minskar solcellens energiproduktionseffektivitet. För att förbättra solcellernas spektrala respons har en del forskning ägnats åt utveckling av material som kan absorbera ett bredare område av solens spektrum, såsom kalkogenider, vilka har visat bättre ljusabsorberande egenskaper under laboratorieförhållanden.
6. AM 1,5 G teststandard
Vid testning av solceller är det vanligt att använda AM 1.5 G som standardspektralvillkor. AM står för luftmassa, och AM 1.5 betyder att solstrålarnas väg genom atmosfären är en och en halv gånger längre än solens direkta vertikala bana genom atmosfären. AM 1.5 G är en standard som används flitigt över hela världen och representerar det spektrala tillståndet för solstrålarna som passerar genom atmosfären och på jordytan under en klar dag, vilket motsvarar en ljusintensitet på cirka 1000 W/m². AM 1.5 G är en globalt använd standard som representerar de spektrala förhållanden som produceras av ljus som passerar genom atmosfären och ner på jordytan under en klar dag, och motsvarar en ljusintensitet på cirka 1000 W/m² och en ljusintensitet på cirka 100 000 Lux.
Användningen av AM 1.5 G säkerställer att testförhållandena i laboratoriet är så nära de faktiska förhållandena som möjligt för att noggrant kunna bedöma solcellernas prestanda i vardagliga miljöer.
7. Standarder och intensitet för inomhusljus
Det finns också nationella standarder för ljusintensitet inomhus. Till exempel, enligt Kinas relevanta nationella standarder (t.ex. Building Lighting Design Standard GB 50033-2013), har inomhusutrymmen för olika ändamål olika ljuskrav. Generellt sett bör belysningsnivån för en vanlig kontorsmiljö vara cirka 300-500 Lux, medan belysningsstandarden för ett skolklassrum är högre, vanligtvis över 500 Lux.
För inomhusljusintensitet per kvadratmeter, omräknat till effekt, ligger den vanligtvis mellan 5-15 W/m², beroende på den faktiska typen av ljuskälla och ljuseffektivitet. Denna ljusintensitet är långt under standarden för utomhussolljus, men är tillräcklig för dagliga aktiviteter och belysning inomhus.
8. Miljöfaktorer som påverkar ljusförhållandena
Utöver de faktorer som nämnts ovan kan skuggning från föroreningar som damm, fågelspillning, löv etc. också påverka ljusförhållandena i solcellerna och därmed minska den genererade effekten. Dessa hinder kommer att förhindra att en del av solljuset når ytan på solcellen, vilket skapar den så kallade "hotspot-effekten", det vill säga att temperaturen i den blockerade cellen ökar, vilket inte bara minskar effektiviteten utan också kan orsaka skador på cellen.
För att förhindra detta behöver solceller rengöras regelbundet för att säkerställa att ytan förblir ren och för att maximera ljusabsorptionen. För vissa områden med mycket sand och damm eller frekvent fågelaktivitet är det mer effektiva lösningar att installera en självrengörande beläggning eller att sätta upp ett rengöringssystem.
9. Sammanfattning
Ljusförhållandena är en av nyckelfaktorerna för att bestämma den effekt som genereras av solceller. Ljusintensitet, infallsvinkel, ljusets varaktighet, klimatförhållanden och spektral sammansättning har alla en betydande inverkan på solcellernas kraftproduktionsprestanda. För att maximera mängden energi som genereras av solceller måste vi ta hänsyn till dessa ljusförhållanden och utforma och underhålla solcellssystemet på lämpligt sätt, såsom att installera en solföljare, rengöra panelerna regelbundet och bibehålla rätt driftstemperatur.
Genom att kontinuerligt optimera designen och tillämpningen av solceller kan vi utnyttja solenergi mer effektivt och bidra positivt till att uppnå universell tillgång till ren energi och minska koldioxidutsläppen.
