Рабочая температура солнечных панелей

Digitrode

цифровая электроника вычислительная техника встраиваемые системы

Влияние температуры на выработку электроэнергии солнечными панелями

Фотоэлектрические солнечные панели преобразуют солнечный свет в электричество, поэтому вы можете думать, что чем больше солнечного света, тем лучше. Это не всегда так, потому что солнечный свет состоит не только из света, который вы видите, но и из невидимого инфракрасного излучения, которое переносит тепло. Ваша солнечная панель будет отлично работать, если она получит много света, но по мере ее нагревания ее эффективность ухудшается.

Фотоэлектрические солнечные панели представляют собой сборки отдельных ячеек из полупроводникового материала. Напряжение, выделяемое солнечным элементом, в основном определяется выбором полупроводника и элементами полупроводниковых слоев. Кремниевые солнечные элементы (самый распространенный выбор) выделяют около половины вольта из каждой ячейки. Ток, генерируемый солнечным элементом, зависит от количества солнечного света, попадающего в него. Чем больше солнечного света попадает на него, тем больше он будет генерировать энергию, вплоть до электротехнических пределов ячейки. Электрическая мощность является произведением тока, умноженного на напряжение. Небольшая панель солнечных батарей может иметь 36 ячеек, соединенных вместе, чтобы получить около 18 вольт при токе в 2 ампера. Эта солнечная панель будет рассчитана на 18 вольт х 2 ампер = 36 Вт максимальной мощности. Если на этот массив будет падать свет в течение часа, он будет генерировать 36 ватт-часов энергии.

Производители солнечных батарей тестируют свою продукцию при стандартных условиях 25 градусов по Цельсию (77 градусов по Фаренгейту) с инсоляцией 1000 Вт на квадратный метр. Инсоляция – это показатель того, сколько солнечной энергии попадает на каждый квадратный метр, перпендикулярный направлению солнечного света. Инсоляция может быть выше 1000 Вт на квадратный метр около полудня в очень ясные дни, и это заставит вашу солнечную панель генерировать больше тока, что означает большую мощность. К сожалению, другая история наблюдается с температурой. По мере того, как температуры солнечных элементов поднимаются выше 25 градусов Цельсия, ток немного возрастает, но напряжение уменьшается быстрее. Чистым эффектом является снижение выходной мощности с повышением температуры. Стандартные кремниевые солнечные панели имеют температурный коэффициент от -0,4 до -0,5 процента. Это означает, что для каждого градуса Цельсия выше 25 выход мощности из массива снизится на этот процент. При 45 градусах Цельсия (113 градусов по Фаренгейту), 40-ваттная солнечная панель с температурным коэффициентом -0,4 произвела бы менее 37 Вт.

Производительность солнечной панели рассчитана на 25 градусов Цельсия, и она уменьшается по мере повышения температуры. К счастью, она снова увеличивается, когда температура падает. Если вы находитесь в умеренном в плане климата регионе, производительность, которую вы теряете летом, будет возвращена в прохладные, чистые зимние дни. Вы можете реализовать более активный подход к охлаждению, применив испарительное охлаждение, то есть используя испарение воды, чтобы охлаждать ваши панели таким же образом, как пот охлаждает вашу кожу в жаркий день.

Альтернативой традиционным кремниевым солнечным панелям является тонкопленочные панели. Они изготовлены из разных полупроводниковых материалов, и их температурный коэффициент составляет примерно половину от температурного коэффициента кремния. Тонкопленочные панели не имеют такой высокой эффективности, как фотоэлектрические элементы из кристаллического кремния, но их низкая чувствительность к более высоким температурам делает их привлекательным вариантом для очень жарких мест. Тонкопленочные панели используются точно так же, как и их кристаллические аналоги, но они, как правило, на пару процентов менее эффективны. Их температурный коэффициент колеблется от -0,2 до -0,3%. Существуют и другие кристаллические материалы, которые характеризуются более высокой эффективностью, чем кремний, а также имеют положительный температурный коэффициент. Это означает, что их эффективность растет по мере повышения температуры. Они также очень дороги, что ограничивает их использование в некоторых специализированных приложениях.

Источник

Проблема перегрева солнечных панелей

Чем сильнее светит солнце, тем больше электричества дают солнечные батареи. Звучит убедительно, но в действительности это не так. В жару получать максимум генерации мешает перегрев фотоэлектрических панелей.

Нормальной для работы PV модулей является температура 25°C. Когда столбик термометра переваливает за эту отметку, эффективность фотопанелей снижается. Уменьшение продуктивности зависит от температуры окружающей среды, типа и размещения модулей. В среднем оно составляет 10%. Почему перегрев негативно сказывается на выходной мощности электрогенерирующего устройства? И можно ли как-то с ним бороться?

Крышная солнечная электростанция мощностью 31 кВт, Измаил (Одесская обл.)

Причины перегрева, и что такое «температурный коэффициент мощности»

Солнечная панель состоит из фотоэлементов, в которых протекают электрические процессы. По мере нагревания в ячейках возрастает поток электронов, что приводит к падению напряжения и росту силы тока. Как следствие, снижается мощность отдельно взятых фотоэлементов и модуля в целом. Узнать, сколько именно ватт теряется в процессе перегрева, можно из спецификаций. Данная характеристика значится там, как «температурный коэффициент мощности».

Объем энергопотерь модуля от перегрева определяется в ходе тестовых испытаний на производстве. У разных моделей кремниевых кристаллических батарей он в среднем в пределах 0,45–0,5%/°C. Более стойки к высоким температурам тонкопленочные (аморфные) солнечные панели. Их коэффициент – около 0,2%/°C. Это означает, что с каждым повышением на градус от нормы выход мощности снижается на 0,2%. Например, в 40-градусную жару производительность такой фотопанели уменьшится на 3%. Соответственно у модели с тепловым коэффициентом 0,5%/°C снижение выработки при тех же условиях составит 7,5%.

Температура воздуха не единственный фактор, способствующий нагреву панелей. Значительную роль играет также тепловая эмиссия кровельной поверхности. Так, темная крыша нагревается сильнее светлой – до 70–80°C. И это не в самый жаркий день! Температура расположенных на ней фотопанелей может достигать 60–70°C. Теплопроводность зависит от кровельного материала. Быстро нагревается шифер, металлочерепица, мягкая кровля с битумной составляющей.

Способы уменьшить нагрев солнечных панелей

Ученые пока лишь ищут пути решения проблемы с перегревом батарей. Считается, что повышение стойкости к высоким температурам позволит не только увеличить генерацию электричества летом, но и продлить срок службы модулей. Заметных успехов в этом направлении достигла научная группа профессора Шаньхуэ Фаня. В стенах Стэнфордского университета в 2014 году была создана фотопанель с дополнительным тончайшим рельефным слоем кварцевого стекла. Такая поверхность пропускает видимый свет для генерации электричества, и отражает греющие инфракрасные лучи. В итоге происходит пассивное охлаждение.

Еще одним вариантом борьбы с перегревом стала WindRail. Гибридную ветросолнечную электрогенерирующую установку, в которой ветряки выполняют функцию вентиляторов для солнечных панелей, разработал шведский инженер Свен Колер. Пилотный проект появился год назад, а продвигать его взялась компания Anerdgy. Первую систему WindRail установили на крыше 12-этажного жилого дома в Берлине. Благодаря компактности, синергичности и продуманности конструкции такая установка имеет все шансы стать востребованной в городских условиях.

WindRail — гибридный электрогенератор с самоохлаждающимися солнечными модулями

Впрочем, на проверку жизнеспособности и массовое внедрение опытных образцов уходят годы. А что делать владельцам фотоэлектростанций сейчас для снижения нагрева панелей? При выборе солнечных батарей нужно обращать внимание на заявленный производителем температурный коэффициент мощности: чем он меньше, тем лучше будет работать модель в жаркий день.

Второй важный нюанс – размещение. Благодаря хорошей естественной обдуваемости, солнечные панели на трекерах или наземных фермах нагреваются меньше, чем крышные системы. Если же решено устанавливать модули на доме, следует побеспокоиться о вентиляционной системе кровли. Кроме того, между фотопанелями и поверхностью крыши должен быть существенный зазор для свободной циркуляции воздуха.

Итак, температурный коэффициент мощности – один из важнейших параметров в спецификациях батарей. Он показывает, насколько продуктивны панели в жару. Для снижения потерь выработки в результате перегрева фотомодули нужно устанавливать на расстоянии от поверхности крыши. Дополнительно можно улучшить вентиляцию подкровельного пространства.

Источник

Рабочая температура солнечных панелей

Солнечные панели наиболее эффективны в ясную погоду, что логично. В наших широтах такая погода чаще всего бывает летом. Но солнце не только светит, но и греет. И чем сильнее оно нагревает солнечный элемент, тем меньше света он может «обработать», и показатели энергогенерации снижаются.

В чем тут дело?

Солнечные модули, как и остальное электронное оборудование, работают за счет электрических процессов, подконтрольных законам термодинамики. А законы термодинамики гласят, что с ростом тепла снижается выход мощности.

Повышение температуры создает внутреннее сопротивление внутри солнечного элемента, что снижает его эффективность. Если коротко, то с ростом температуры поток электронов внутри элемента нарастает, что вызывает увеличение силы тока и падение напряжения. Падение напряжения при этом больше, чем увеличение силы тока. Поэтому общая мощность (Мощность = Напряжение х Сила тока) уменьшается, что приводит к тому, что панель работает с меньшей эффективностью.

Поэтому чем теплее температура окружающей среды, тем меньше выходная мощность фотоэлементов.

Сколько так теряется энергии?

Потери определяются «температурным коэффициентом». Температурный коэффициент — это процент снижения эффективности с привязкой к градусам по Цельсию. Он показывает насколько падает эффективность солнечной панели при повышении температуры воздуха на каждый градус.

Значение коэффициента производитель панелей получает опытным путем (и указывает в спецификациях). Оно разнится в зависимости от модели солнечной панели.

Тестирование параметров солнечных панелей проводится при температуре 25°C и обычно производители указывают их эффективность, принимая за норму 25°C.

Как проводит тестирование один из ведущих производителей солнечных панелей в США:

Таким образом, если температурный коэффициент солнечной панели -0,50, это означает, что выход мощности снизится на 0,50% за каждый градус выше 25°C.

Несмотря на то, что такая цифра кажется незначительной, температура темной крыши, на которой установлена панель может быть значительно выше 25°C в жаркий солнечный день (проведите аналогию с тем, как нагревается асфальт). В летний период собственная температура солнечной батареи может подниматься до 60 — 70°C. В среднем при повышении температуры панели на 20 °C, потери мощности составят порядка 10%. При работе станции по зеленому тарифу, такое снижение мощности может обернуться потерями в объемах продажи электроэнергии.

Тепловой коэффициент кремниевых, как поли-, так и монокристалических панелей, в среднем колеблется от -0.45% до -0.50%. Есть конечно же и тонкопленочные солнечные панели, коэффициент которых ниже (0,2 — 0,25%) но они пока новички на рынке, при том, что их изначальная эффективность ниже, чем у кремниевых панелей (раза в два).

При этом стоит учитывать, что не только панели теряют свою работоспособность в жару. С этим сталкиваются и инверторы, преобразующие ток в электроэнергию. В среднем эффективность инверторов, по различным подсчетам, падает на 2,5%, когда температура приближается к 40°C.

На примере

Возьмем солнечную панель с эффективностью 17% (не самая дорогая, или не очень новая панель, что в Украине бывает часто), температурный коэффициент которой минус 0,45% (от общей эффективности). В этом случае эффективность панели (17%) будет с каждым градусом падать на 0,077%. То есть, если температура крыши вырастет до 30 °C, то эффективность панелей будет уже не 17%, а 16,6%, если температура достигнет 35°C — 16,2%. Если температура достигает 40°C, то эффективность панели может снизиться более чем на 10%.

Что об этом говорят владельцы панелей в Украине

«С начала этого года у меня данные с инверторов измеряются с интервалом раз в минуту. По моим впечатлениям (субъективным), в жару панели работают хуже, примерно на 15-20%. В майские дни, когда воздух не горячий, а солнышко светит хорошо — самая большая пиковая мощность. Порой даже панели выдают больше, чем указано в паспортных характеристиках для STC (стандартные условия тестирования, — ред.)», — рассказал ЭлектроВестям владелец солнечной панели из Харькова.

Другой владелец солнечной станции пока не заметил особого влияния жары на свои панели:

«Из собственных наблюдений могу точно сказать, что в солнечные дни производится больше электроэнергии: 80 — 90 кВт-ч. А в пасмурный день, когда небо затянуто облаками, может производиться 20-30 кВт-ч. Видимо, здесь не жара имеет значение, а больше световой безоблачный день».

По его данным, в июне (это был первый месяц работы станции) было сгенерировано 2250 кВт-ч. Во второй месяц работы (июль) — 2150 кВт-ч. По ожиданиям владельца, в зимнее в месяц установка будет генерировать где 300-500 киловатт.

Показатели генерации за 3 августа, фото владельца:

Можно как-то бороться с перегревом?

Во-первых, на эффективность работы солнечных панелей в жару влияет то, как близко панели установлены к крыше. Солнечные панели не должны устанавливаться впритык, но так, чтобы между модулем и крышей было пространство для циркуляции воздуха. Получается, что как раз крышные солнечные панели в жару теряют больше своей эффективности, чем установки, расположенные на земле. В общем же, эксперты рекомендуют устанавливать солнечные панели в местах с хорошей №природной обдуваемостью».

Во-вторых, большинство производителей солнечных панелей используют теплопроводящую подложку, которая позволяет удалять тепло со стеклянных слоев солнечного модуля. И чем качественнее (и дороже) солнечная панель, тем лучше она подготовлена к высоким температурам.

Можно сравнить показатели разных производителей:

Источник