A napelem hatékonyságának kiszámítása

Amikor a tengerparton ül, a látott kék ég, az érzett meleg és a hallott hullámok mind a napfény energiájában vannak. A fotovoltaikus napelemek arra szolgálnak, hogy a napfényben lévő energiát valami mássá alakítsák, mint egy kellemes nyaralási napot. A napelemek a napfényben lévő energiát elektromos energiává alakítják. A napelem hatékonysága az általa termelt villamos energia mennyiségének és az azt elütő napenergia arányának aránya.

Bármely folyamat hatékonysága a folyamat működésének mércéje. Vagyis mennyi erőfeszítést kell tennie a kimenet megszerzéséhez. Néha a hatékonyságot nehéz számszerűsíteni, de a napelemek esetében viszonylag könnyű. A napelem bemenete napfény, a kimenet pedig villamos energia. Pontosabban, a bemenet a napfényből származó energia, a kimenet pedig az elektronokban lévő energia.

Alapvető szinten a fény apró energiacsomagokból áll, amelyeket fotonoknak neveznek. A nap folyamán bármely pillanatban fotonok milliárdjai lépnek kölcsönhatásba egy napelemmel. Ezek a fotonok színüktől függően különböző mennyiségű energiát hordoznak. Egyes fotonok visszaverődnek a napelemről, mások áthaladnak rajta, mások pedig felszívódnak. Bármely foton sorsa az energiájától, vagy ennek megfelelő színtől függ. Lehetetlen pontosan megjósolni egy adott foton viselkedését, de kiszámítható az interakció valószínűsége.

A napelemek döntő többsége félvezetőkből készül. A félvezetők egyik jellemzője az "sávréseknek" nevezett energiaszerkezetek. A sávköz alsó oldalán lévő elektronok a helyükön vannak csapdában, míg az elektronok, amelyek egy az energia növelése a sávközép magas oldalára szabadon mozoghat - ideértve azt is, hogy teljesen szabadon elmozdulhatnak a félvezetőből, és hasznosak lehetnek az elektromos áramkörök. Azok a fotonok szívódnak fel a legnagyobb valószínűséggel, amelyek a napelemben a sávrés nagyságához közeli energiát hordozzák. A hatékonyság kiszámításához meg kell szoroznia minden foton energiáját abszorpciójának valószínűségével és annak valószínűségével, hogy a napelemből elektromos áramkörbe kerül. Ez meglehetősen összetett számítás.

Az első elvek alapján a hatékonyság kiszámítása nehézkes, de ha megfelelő mérési eszközökkel rendelkezik, könnyebben elvégezheti a számítást. Radiométerrel megmérheti az energia sűrűségét napfényben. Ha megszorozzuk a teljesítménysűrűséget a napelem területével, akkor megkapjuk a napelembe érkező napenergia mértékét. A következő lépést egy váltakozó ellenállású áramkör, áramérzékelő és feszültségérzékelő csatlakoztatásával teheti meg. Az elektromos teljesítmény az áram és a feszültség szorzata, és változik a napelem által meghajtott terhelés nagyságától függően. Tehát változtatja az ellenállást, a számítási teljesítményt minden lépésnél, és megtalálja a maximális teljesítménypontot. Oszd meg a maximális elektromos teljesítményt a napenergiával és megkapod a napelem hatékonyságát.