Full Text

Введение. Одной из проблем, связанных с эксплуатацией солнечных электростанций в странах с жарким климатом, является перегрев поверхности фотоэлектрических преобразователей в процессе эксплуатации под действием повышенной температуры окружающей среды. Известно, что только часть спектра солнечного излучения преобразуется в электричество, остальная рассеивается в виде тепла. Это тепло вызывает повышение температуры модуля, что приводит к снижению эффективности работы модуля и выходной мощности. Перегрев модулей ведет к их ускоренной деградации (примерно в два раза на каждые 10 градусов повышения температуры поверхности модуля) [1-5]. В результате теплопроводности, излучения и конвекции происходит теплообмен между модулем и окружающей средой, и установившийся тепловой баланс определяет рабочую температуру модуля. Производители солнечных модулей указывают энергетические характеристики в паспортах своей продукции, которые соответствуют стандартным условиям эксплуатации STC (Standard Test Conditions). Эти условия предполагают получение выходных характеристик при температуре на поверхности модуля 25 °C и освещенности 1000 Вт/м2 при перпендикулярном падении солнечных лучей на поверхность модуля [6]. Вольт-амперные характеристики, полученные в таких условиях, производитель и указывает в паспортах своей продукции. Реальные же условия эксплуатации далеко не всегда соответствуют условиям тестирования, и поэтому для потребителя встают вопросы, какова будет реальная генерация модулей и что необходимо учесть при выборе модулей. В связи с этим разработка структурной схемы определения энергетических характеристик солнечных модулей с учетом внешних параметров является актуальной задачей. Вопросами снижения энергетических показателей солнечных модулей от перегрева занимаются в основном в странах, где такая проблема стоит наиболее остро [7-9]. Однако ВАХ и мощностные характеристики приводятся в общем виде, в них, как правило, не учитываются все факторы, способствующие подобному снижению мощности. Кроме того, если для солнечных модулей применить специальные защитные устройства от перегрева, можно увидеть, как в таком случае будут меняться их энергетические характеристики. Целью данной работы является исследование влияния внешних параметров на эффективность работы модуля с учетом использования термозащиты модулей от перегрева. На основе полученных результатов была составлена структурная схема расчета энергетических параметров солнечного модуля в реальных условиях эксплуатации, которая может быть полезна при выборе солнечных модулей потребителями. 1. Факторы, влияющие на энергетические характеристики солнечных модулей. Фотоэлектрические элементы солнечных модулей нуждаются в соответствующих условиях эксплуатации, чтобы работать с приемлемой эффективностью и производить электрическую энергию без значительных потерь. Значительное влияние на эффективность работы солнечных модулей (СМ) и максимальную выходную мощность всей солнечной батареи оказывает температура окружающей среды. Чем горячее панель, тем меньше энергии она генерирует. Кроме температуры окружающей среды на работу СМ оказывают влияние температурный коэффициент мощности (ТКМ) и тип установки. При повышении температуры на передней поверхности модуля падение напряжения становится больше, чем увеличение тока. Поэтому мощность модуля как произведение этих величин уменьшается и модуль работает с меньшей эффективностью. Температурный коэффициент мощности показывает, на сколько процентов снизится мощность устройства при повышении температуры на каждый градус относительно ее стандартного значения, равного 25 градусов. Зависимость выходной мощности солнечного элемента Р от температуры определяется как (1) где P0 - мощность фотоэлемента при стандартной температуре 25 °C, Вт; β - температурный коэффициент мощности, %/°С; ΔТ - повышение температуры фотоэлемента, °С. Значения ТКМ указываются производителями модулей, которые получают в ходе тестирования. Это означает, например, для модели с ТКМ = 0,4, что с каждым повышением температуры по отношению к стандартной выход мощности снижается на 0,4 %. Тогда при 40-градусной жаре мощность модуля может снизиться до 7 %. Во многих случаях солнечный элемент может нагреваться до 65 °C, в результате чего модуль становится менее эффективным и, следовательно, вырабатывает меньше энергии. Если бы панель с температурным коэффициентом -0,4 %/°C достигла экстремальной температуры 65 °C, это привело бы к снижению производительности на 26 % (-0,4%·65). Однако здесь задействовано больше переменных, чем просто значение коэффициента, и уравнение немного сложнее. В зависимости от типа применяемых кремниевых материалов ТКМ имеет значение от 0,2 %/°С (для аморфных тонкопленочных элементов) до 0,5 %/°С (для поликристаллических). Чем ближе температурный коэффициент к нулю, тем лучше модуль будет работать при повышенных температурах. В табл. 1. приведены значения температурного коэффициента мощности для некоторых моделей солнечных элементов. Таблица 1 Значение температурного коэффициента мощности для некоторых моделей солнечных модулей Модель Производитель Тип КПД, % ТКМ, %/°С HIT VBHN325SJ47 Panasonic монокристалл 19,7 -0,29 LR6-72PE-360W PERC Longi Solar монокристалл 18,6 -0,38 PLM-260P-60 Perlight Solar поликристалл 15,99 -0,45 TR660P-275W Talesun поликристалл 16,9 -0,4 SF165-S Solar Frontier тонкопленочный 13,44 -0,31 Как видно из таблицы, ТКМ зависит от качества фотоэлектрических преобразователей (ФЭП). Качество ФЭП также определяет степень деградации панелей. Из данных по эксплуатации СМ известно, что монокристаллические панели деградируют быстрее, чем поликристаллические, и за год эксплуатации их мощность снижается на 3 % в сравнении с 2 % у поликристаллов. Обычно это происходит в первые годы эксплуатации, затем деградация составляет соответственно 0,71 и 0,67 % [3, 10]. Поэтому очень важно соблюдать условия эксплуатации солнечных энергоустановок, защищая их от перегрева. Тип солнечного модуля и его качество определяют температуру нагрева его поверхности. Все солнечные модули по качеству исполнения делятся на следующие категории (табл. 2). Таблица 2 Качество фотоэлектрических преобразователей Номер категории Обозначение Характеристика I Grad A Самое высокое качество ФЭП, внешняя целостность, без сколов и микротрещин, высокий КПД и малая степень деградации II Grad B Качество хорошее, имеются изменения в цвете, отсутствие сколов и трещин, большая деградация и меньший срок эксплуатации III Grad C Наличие сколов и трещин, неоднородный цвет, низкий КПД и низкая стоимость IV Grad D Самое низкое качество, структура неоднородна, с видимыми дефектами, небольшая надежность и малая стоимость Модули хорошего качества могут работать в диапазоне температур -40 + 90 °С. Однако после 15 лет эксплуатации выработка электроэнергии ими может снизиться на 10 %, а после 20 лет - на 20 % [11]. Для повышения надежности и долговечности модулей иногда используется прозрачная пленка EVA, которая размещается на передней стороне модуля между солнечными элементами и стеклом, защищает его от механических повреждений, снижая тем самым деградацию модуля. Качественная пленка может служить до 30 лет, при этом ее помутнение и старение могут снижать мощность модуля до 25-3 %. Некачественная пленка уже через 3-5 лет начинает желтеть, разрушаться и отслаиваться, вызывая преждевременное старение модуля [12]. Для изоляции обратной стороны панелей от загрязнений, влаги и механических повреждений используется другой тип пленки полиэтилентерефталата - ПЭТ, качество которой тоже может быть различным. При использовании качественной пленки влага, попадающая в результате диффузии внутрь модуля, выводится наружу при его нагревании. Если пленка некачественная, то часть невыведенной влаги остается внутри модуля, разрушает контакты и приводит к сокращению срока эксплуатации модуля [13]. Срок эксплуатации солнечных модулей во многом зависит от правильного выбора места их установки. Если модули установлены на крыше, они испытывают гораздо более высокие температуры, чем текущая температура окружающей среды. Кроме того, если это будет кровля здания темного цвета, то при ее быстром нагреве от солнца она начинает переизлучать тепло на солнечные панели. Материал крыши также оказывает влияние на температурный баланс модулей. Известно, что такие материалы, как шифер, металлочерепица, битумная крыша, нагреваются быстро и долго остывают. Модули, которые закреплены параллельно крыше, практически не пропускают воздушный поток между крышей и панелью, являются наименее эффективными и испытывают наибольший рост температуры (35 °C). Типичная установка в стойку допускает зазор более 150 мм между поверхностью крыши и панелью, что позволяет воздушному потоку оказывать охлаждающее воздействие на панель. Этот тип установки более эффективен, чем установка, закрепленная параллельно крыше, и обычно приводит к повышению температуры панели на 30 °C. Тем не менее лучший вариант - это когда солнечная панель установлена на стойке в отдельно стоящей раме (25 °C). Каждый из этих типов установки влияет на температуру модуля и, следовательно, на его производительность [14]. Электрические процессы, происходящие в солнечных элементах, как и в любом другом электронном оборудовании, подчиняются законам термодинамики. Повышение температуры в солнечном элементе вызывает уменьшение ширины запрещенной зоны кремниевого материала, при этом ток насыщения будет увеличиваться, так как для образования электронно-дырочных пар требуется меньше энергии. Однако увеличение тока будет незначительным, а уменьшение напряжения и, следовательно, уменьшение выходной мощности, будет более заметным. Это можно наблюдать на вольт-амперной (ВАХ) и мощностной, или вольт-ваттной (ВВХ) характеристиках солнечного модуля. Солнечный элемент (СЭ), который является ячейкой модуля, можно представить в виде следующей схемы замещения (рис. 1). Рис. 1. Схема замещения солнечного элемента На рис. 1 показано: Iф - фототок; Rп - последовательное сопротивление солнечного элемента; RШ - параллельное сопротивление солнечного элемента; Iд - прямой ток через p-n-переход (диод); Uд - напряжение на диоде. Значение тока Iф определяется характеристиками солнечного потока и оптическими параметрами материала солнечного элемента. В табл. 3. приведены технические данные солнечного модуля, для которого далее произведен расчет энергетических характеристик. Технические характеристики фотоэлектрического модуля типа Delta SM 100-24M производства Delta battery при стандартных условиях испытаний (STC): 25 °C, 1000 Вт/м2 [15]. Таблица 3 Технические характеристики фотоэлектрического модуля типа Delta SM 100-24M производства Delta battery при стандартных условиях испытаний (STC) [15] № п/п Наименование параметров Обозначение Значение параметров 1 Пиковая электрическая мощность 100 Вт 2 Напряжение в точке максимальной мощности 18,78 В 3 Ток в точке максимальной мощности 5,34 A 4 Ток короткого замыкания 5,70 A 5 Напряжение холостого хода 22,64 В 6 Температурный коэффициент по току 0,040 %/°C 7 Температурный коэффициент по напряжению -0,380 %/°C 8 КПД фотоэлектрического модуля η 17,96 % 9 Размер Д´Ш´В 1470´670´35 мм 10 Стандартные условия испытаний (STC) 1000 W/м2; AM 1,5; 25 +/-2 °С 11 Количество солнечных элементов (9´4) 36 Температурный коэффициент по напряжению Кu в соответствии с табл. 3 равен -0,380 %/°C и является отрицательным. Так как 36 ячеек солнечного модуля соединены последовательно, он имеет большое суммарное значение. С другой стороны, температурный коэффициент по току КI является положительным и небольшим - около 0,040 %/°C. Поэтому при практических расчетах допускается учитывать только изменение напряжения в зависимости от температуры [16]. Тогда для отдельного модуля, состоящего из n последовательно соединенных солнечных элементов, устанавливается значение 0,380 %/°C. Важно отметить, что напряжение определяется рабочей температурой этих элементов, которая отличается от температуры окружающей среды. Ток короткого замыкания Isc солнечного модуля пропорционален освещенности и поэтому будет изменяться в течение дня. При этом напряжение от интенсивности излучения будет меняться по логарифмическому закону [17]. Работа солнечного модуля должна находиться как можно ближе к точке максимальной мощности. Важной особенностью характеристики модуля является то, что напряжение в точке максимальной мощности Ump не зависит от интенсивности излучения. Среднее значение этого напряжения в течение дня может быть оценено как 80 % напряжения холостого хода при стандартных условиях освещения. При построении ВАХ солнечного модуля необходимо учитывать нормальную рабочую температуру солнечного элемента (Тн.сэ), т.е. температуру, когда модуль работает в следующих условиях в разомкнутой цепи [16]: - поступление радиации 800 Вт/м2; - спектр излучения АМ 1,5; - температура окружающей среды +20 °С; - скорость ветра более 1 м/с. Нормальная рабочая температура ячейки Тн.сэ обычно равна 42…46 °С и учитывается при определении температуры солнечного элемента Tсэ во время работы модуля. Обычно предполагается, что разность между Tсэ и температурой окружающей среды Tос линейно зависит от освещенности E [16]. Выходная мощность фотоэлектрического модуля также зависит от температуры и освещенности. С учетом вышеприведенных условий и характеристик модуля определим вид ВАХ и мощностной характеристики при изменении (повышении) температуры окружающей среды. 1. Ток короткого замыкания при конкретном поступлении солнечной радиации местности. (2) где Isc - значение тока короткого замыкания по характеристикам производителя, А; Е - средняя освещенность (поступление солнечной радиации) для рассматриваемой местности, Вт/м2. Из выражения (2) следует, что Iк.з практически не зависит от температуры окружающей среды. 2. Температура солнечного элемента. °С, (3) где То.с - температура окружающей среды, °С; Тн.сэ - нормальная рабочая температура солнечного элемента, °С; 20 - температура окружающей среды, соответствующая нормальной рабочей температуре СЭ, °С; 0,8 - освещенность, при которой солнечный модуль работает в нормальных условиях, кВт/м2. Температура солнечного элемента определяется условиями окружающей среды, в частности, температурой, влажностью, скоростью ветра, поступлением солнечной радиации и др. 3. Напряжение холостого хода. (4) где Uo.c - напряжение холостого хода, указанное производителем, В; 25 - стандартная температура тестирования модуля, °С. Уравнение (4) показывает, что в процессе эксплуатации напряжение значительно зависит от температуры окружающей среды и нагрева солнечных элементов. 4. Максимальное (пиковое) значение выходной мощности, Вт, с учетом То.с и Е. (5) где Fмм - точка максимальной мощности находится из предположения, что коэффициент заполнения модуля солнечными элементами не зависит от То.с и Е. (6) где - пиковая электрическая мощность по данным производителя, Вт. 2. Построение энергетических характеристик солнечного модуля для реальных условий эксплуатации. Нами было предложено использование голографических структурированных пленок в качестве термозащиты, и была проведена серия экспериментов в условиях высоких температур местности. Предлагаемая термозащита отражает инфракрасные лучи солнечного спектра, снижая тем самым температуру поверхности солнечного модуля. Результаты проведенного эксперимента описаны в статьях [18-22] и показали, что использование пленки снижает температуру поверхности в среднем на 2-3 градуса. С учетом данного фактора в соответствии с уравнениями (2)-(6) были рассчитаны энергетические характеристики солнечного модуля Delta SM 100-24M при температуре окружающей среды 35, 45 и 55 градусов. Результаты расчета представлены в табл. 4. Таблица 4 Расчетные данные для построения энергетических характеристик солнечного модуля № п/п То.с, °С Tсэ, 0С Uх.х, В Рp, Вт 1 35 58 19,99 70,18 2 45 68 18,2 63,9 3 55 78 15,94 55,79 Расчеты подтверждают, что повышение температуры негативно отражается на выходной мощности солнечного модуля и может снизить ее значение до 50 % и более. На рис. 2 представлены ВАХ-характеристики солнечного модуля Delta SM 100-24M при стандартной температуре (25 °С) и повышенных температурах с использованием термозащиты. Аналогичные мощностные характеристики модуля показаны на рис. 3. Напряжение, В 0 5 10 15 20 25 120 100 80 60 40 20 0 Рис. 2. Вольт-амперные характеристики солнечного модуля при различных температурах окружающей среды: 1 - при стандартной (25 °С); 2 - при температуре 35 °С; 3 - при температуре 45 °С; 4 - при температуре 55 °С Таким образом, характеристики солнечных модулей от завода-изготовителя отличаются от характеристик в реальных условиях эксплуатации. Для того чтобы эта разница была минимальной и работа солнечного модуля была эффективной вблизи точки максимальной мощности, необходимо предусмотреть термозащиту поверхности модулей от перегрева. Термозащитная голографическая пленка имеет хорошие эксплуатационные характеристики и защищает модуль не только от перегрева, но и от механических повреждений. Напряжение, В 0 5 10 15 20 25 6 5 4 3 2 1 0 Рис. 3. Мощностные характеристики солнечного модуля: 1 - при стандартной температуре (25 °С); 2 - при температуре 35 °С; 3 - при температуре 45 °С; 4 - при температуре 55 °С Структурная схема определения энергетических характеристик с термозащитой в условиях эксплуатации будет выглядеть следующим образом (рис. 4). Рис. 4. Структурная схема определения энергетических параметров солнечного модуля В разработанной структурной схеме построения энергетических характеристик термозащита модуля представлена блоком ТЗМ. Она является дополнительным параметром, влияющим на температуру солнечного элемента, и ее применение определяется потребителем в зависимости от условий окружающей среды. С учетом положительного эффекта голографической пленки для снижения температуры поверхности модуля дальнейшим направлением исследований станет разработка внутренней структуры (рисунка) голограммы для повышения эффекта отражения тепловых лучей и концентрации солнечных лучей видимого диапазона электромагнитного излучения. Выводы 1. Работа солнечных модулей в условиях повышенных температур ведет к их ускоренной деградации и негативно отражается на его энергетических характеристиках. Для правильного выбора модуля необходимо знать, насколько изменится генерация электроэнергии в реальных условиях эксплуатации. 2. Выходная мощность солнечного элемента определяется температурным коэффициентом мощности, который зависит от типа применяемых кремниевых материалов, их качества и способа размещения модулей. 3. Ток короткого замыкания солнечного элемента, который определяется поступлением солнечной радиации, практически не зависит от температуры окружающей среды, а напряжение холостого хода зависит от нее значительно, что может привести к снижению выходной мощности солнечного модуля до 50 % и более. 4. Учет внешних факторов при построении ВАХ и мощностных характеристик показал, что они значительно отличаются от аналогичных характеристик завода-изготовителя. Для поддержания эффективности работы солнечного модуля вблизи точки максимальной мощности необходимо предусмотреть термозащиту поверхности модуля. 5. Разработанная структурная схема расчета энергетических характеристик солнечных модулей в реальных условиях эксплуатации с использованием термозащиты позволяет учесть все параметры, влияющие на эксплуатационные параметры модулей, и определить наиболее оптимальные условия их работы для максимального генерирования электроэнергии.

About the authors

I. M Kirpichnikova

South Ural State University (National Research University)

I. B Makhsumov

South Ural State University (National Research University)

References

Statistics

Views

Abstract - 57

PDF (Russian) - 12

Refbacks

• There are currently no refbacks.