Wpływ temperatury na ogniwa fotowoltaiczne i sprawność

Z punktu widzenia potencjalnego Kowalskiego wydaje się to dość oczywiste, ponieważ panele fotowoltaiczne wytwarzają prąd pod wpływem światła słonecznego. Im więcej słonecznych dni, tym więcej energii elektrycznej moduły pv są w stanie wytworzyć. Energia słoneczna zaś kojarzy nam się z wysoką temperaturą powietrza, a tym samym z największą wydajnością naszych ogniw fotowoltaicznych. Prawda zaś jest nieco inna.

Moduły pv wykonane są z krzemu - materiału półprzewodnikowego, który wraz ze zmianą temperatury otoczenia zmienia swoje własności, takie jak:

• współczynnik absorbcji promieniowania;
• ruchliwość ładunków i szerokość przerwy energetycznej;
• rezystywność samego półprzewodnika oraz koncentrację nośników ładunku.

Te warunki zaś mają bezpośredni wpływ na efektywność absorbcji światła, a tym samym ilości wytwarzanej energii elektrycznej w zależności od pory roku i temperatury na zewnątrz.

Działanie paneli fotowoltaicznych a temperatura otoczenia

Producenci modułów fotowoltaicznych biorą pod uwagę wiele czynników atmosferycznych na naszej planecie, które mogą mieć bezpośredni wpływ na pracę tych układów. Z tego też względu standardowo panele pv pracują w zakresie temperatur od -40°C do +85°C. Dzięki temu działają bezawaryjnie zarówno w północnych rejonach naszego globu, jak i w gorącym oraz suchym klimacie np. na Sacharze. Niemniej jednak w zależności od temperatury otoczenia ich sprawność w dużej mierze będzie się różniła.

Wysokie temperatury panujące na zewnątrz mają bezpośredni wpływ na temperaturę samych paneli pv. Pod wpływem intensywnego światła słonecznego i wysokiej temperatury otoczenia półprzewodnik (krzem) nagrzewa się, co prowadzi do spadku napięcia na modułach, a tym samym ilości generowanej mocy. Zatem im wyższa temperatura powietrza, tym niższa ich efektywność.

A jak to się ma w okresie zimowym czy jesiennym? Otóż w tym wypadku sytuacja jest zdecydowanie lepsza. Przy niskich temperaturach ich sprawność wzrasta. W słoneczne zimowe lub jesienne dni duża absorbcja światła dochodzącego do modułów powoduje wytwarzanie dużej ilości energii elektrycznej, zaś niska temperatura nie pozwala na zbytnie nagrzewanie się modułów. Rezultatem jest wyższa sprawność przy niskich temperaturach otoczenia niż w ciepłe i słoneczne dni.

Latem panele fotowoltaiczne dają więcej prądu, bo mają do dyspozycji dużo więcej światła, lecz jesienią i zimą lepiej wykorzystują tę mniejszą ilość światła, ze względu na niższą temperaturę.

Czynnikiem sprzyjającym ich pracy zarówno w okresie wiosenno- letnim, jak i jesienno- zimowym jest wiatr, który dodatkowo schładza moduły krzemowe i wpływa na ich wysoką sprawność.

Optymalne i normalne warunki pracy paneli fotowoltaicznych

Głównym parametrem paneli fotowoltaicznych jest ich Moc nominalna wyrażona w Wp (Watopiki). Moc nominalna określa się na podstawie określonych warunków pracy, których wskaźnikiem jest parametr NOCT.

NOCT (Normal Operating Cell Temperature-temperatura ogniw w normalnych warunkach pracy) określa się dla konkretnych warunków, czyli:

• nasłonecznienie 800 W/m2
• temperatura otoczenia oświetlanego panelu 20°C, przy czym samo ogniwo pv w tym przypadku nagrzewa się do temperatury ok. 45°C pod wpływem promieniowania słonecznego
• prędkość wiatru 1 m/s
• spectrum promieniowania dla gęstości atmosfery 1,5 AM – współczynnik grubości warstwy atmosfery dla Europy

Moc w warunkach NOCT pomaga zrozumieć, jak panele działają w normalnej temperaturze. Warto jednak pamiętać, że w Polsce średnie roczne nasłonecznienie wynosi 1000 W/m2, a nie 800.

Standardowo panele pv bada się w warunkach:

• temperatura ogniwa 25°C
• nasłonecznienie 1000 W/m2

Wartość ta nazywana jest wskaźnikiem STC (Standard test cell) i określa optymalne warunki pracy paneli pv, a tym samym ich Moc maksymalną. Po przekroczeniu temperatury ogniwa pv 25°C (STC) sprawność spada i w temperaturze NOCT jego moc może być od 5% do 10% niższa od maksymalnej.

Dlatego przy doborze paneli niezwykle ważne jest wybór tych, które posiadają najmniejszy współczynnik strat temperaturowych Pmax, określający odporność ogniwa pv na temperaturę.

Osobną sprawą jest fakt, że duże różnice temperatur występujące pomiędzy dniem a nocą potrafią fizycznie uszkodzić moduł fotowoltaiczny. Odporność paneli na zmiany temperatur jest badana w laboratoriach PVEL. W tym artykule znajdziesz listę paneli, które zdały te testy w 2019 roku.

Odporność paneli fotowoltaicznych na temperaturę

Pmax współczynnik strat temperaturowych przedstawia spadek wydajności paneli ze wzrostem temperatury. Określa on, o ile spadnie wydajność ogniwa pv wraz ze wzrostem temperatury o 1 stopień powyżej temperatury 25°C (STC) i wyrażany jest w jednostkach %/°C. Dlatego wybierając panele fotowoltaiczne, zwróć uwagę na ich współczynnik strat Pmax. Dobre ogniwa pv posiadają Pmax < 0.42 %/°C.

Mając wartość współczynnika Pmax oraz temperaturę ogniwa pv w warunkach NOCT możemy wyliczyć wartość strat efektywności ze względu na wzrost temperatury i oszacować jego odporność termiczną.

Na przykład:

Panel REC330NP firmy REC Group ma:

Temperaturę nagrzewania w warunkach NOCT – 44°C, a jego wskaźnik strat temperaturowych wynosi 0,35 %/°C. Biorąc pod uwagę, że panel w warunkach STC, mający temperaturę 25°C ma największa sprawność, możemy wyliczyć różnicę między temp NOCT a temp. STC, czyli:

44°C- 25°C= 19°C- tyle wynosi różnica temperaturowa między tymi dwoma zakresami pracy ogniwa.

Teraz mnożąc współczynnik strat temperaturowych z otrzymaną różnicą, oszacujemy całkowitą stratę Pmax, która w tym wypadku wynosi: 19°C x 0,35 %/°C= 6,65%

Odejmując ją od wartości optymalnej (STC), czyli 100%- 6,65%= 93,35%- otrzymujemy wartość odporności temperaturowej ogniwa pv w warunkach normalnego użytkowania. Co w tym konkretnym przypadku jest wynikiem dobrym.

Obecnie na rynku branży fotowoltaicznej mamy szeroki wybór paneli pv, których odporność temperaturowa waha się w granicach ok 90%.

Najlepsze marki paneli odpornych na temperaturę to LG, REC, SunPower, Panasonic, więcej producentów paneli pv znajdziesz tutaj.