Wpływ temperatury na fotowoltaikę

Mogłoby się wydawać, że im większa temperatura, tym więcej promieni słonecznych pada na panel fotowoltaiczny generując energię. Okazuje się, że to nieco bardziej skomplikowane. Faktem jest, że większa liczba słonecznych dni wpływa korzystnie na ilość wytwarzanej przez panele elektryczności, jednak nie jest to związane z temperaturą. Z ludzkiego punktu widzenia słoneczne dni kojarzą się bezpośrednio z większą ilością stopni Celsjusza, ale dla panelu mogą okazać się one nawet przeszkodą. Dlaczego tak się dzieje?

Panele fotowoltaiczne są w największej liczbie przypadków wykonane z krzemu. Wraz ze zmianą temperatury otoczenia zmieniają się też właściwości półprzewodnika, takie jak jego zdolność do absorbcji promieniowania, ruchliwość ładunków elektrycznych oraz opór półprzewodnika. Każda z nich powiązana jest bezpośrednio z ilością pochłanianego światła, a co za tym idzie ilością generowanego prądu.

Temperatura otoczenia a panele fotowoltaiczne

Producenci zdają sobie sprawę z różnych warunków klimatycznych na naszej planecie. Większość oferowanych produktów pracuje poprawnie w zakresie temperatur -40 do 85 stopni Celsjusza by trafić do potencjalnych klientów w każdym zakątku globu. Należy jednak pamiętać, że sprawność w zależności od regionu będzie się różniła - otoczenie ma duży wpływ na zachodzenie procesów fotowoltaicznych w panelach.

Zbyt wysoka temperatura

W przypadku gdy temperatura otoczenia jest wysoka, a promieniowane słoneczne jest wyjątkowo intensywne, krzem zawarty w panelach nagrzewa się w większym stopniu niż przewidział producent. Efektem jest spadek ilości generowanej mocy, wywołany obniżonym napięciem w przegrzanych panelach. Wniosek nasuwa się sam - im wyższa temperatura powietrza, tym niższa sprawność modułów fotowoltaicznych.

Zbyt niska temperatura

Jeżeli obawiamy się skrajności, zbyt niska temperatura powinna nas martwić zdecydowanie mniej niż podwyższona. Okazuje się, że w warunkach obniżonej temperatury wydajność paneli fotowoltaicznych wzrasta. Podobnie jak w przypadku sprzętu komputerowego, niski poziom ciepła wspomaga pracę komponentów. Ilość absorbowanego światła jest wysoka a otoczenie ogranicza nagrzewanie się modułów. Efektem jest zdecydowanie większa sprawność urządzeń niż w przypadku dni ciepłych. Warto zauważyć, że mimo wszystko największe uzyski z fotowoltaiki uzyskuje się latem. Decyduje o tym fakt, że mniejsza ilość pochmurnych dni dostarcza panelom więcej światła, a spadek wydajności spowodowany podwyższoną temperaturą nie obniża sprawności panelu aż do tego stopnia, by przestało się to opłacać. W zimie natomiast mniejsza ilość światła jest wykorzystywana w większym stopniu dzięki podwyższonej wydajności panelu.

Wiatr

Dodatkowym czynnikiem niezależnym od pory roku jest wiatr. Jego obecność ułatwia obniżanie temperatury panelu zapewniając lepszą wentylację powietrza.

Idealne warunki pracy panelu fotowoltaicznego

Najważniejszym parametrem definiującym panel fotowoltaiczny jest jego moc nominalna Wp (watopiki). Jej wysokość określa się badając pracę w urządzenia w warunkach NOCT (temperatura komórek w normalnych warunkach pracy, z angielskiego Normal Operating Cell Temperature). Specyfikacja definiuje warunki NOCT jako:

  • 800 W/m2 nasłonecznienia
  • 20 stopni Celsjusza temperatury otoczenia i 45 stopni ogniwa pod wpływem promieni słonecznych
  • 1 m/s prędkości wiatru
  • 1,5 AM spektrum promieniowania dla gęstości atmosfery

Na tych warunkach możemy określić jakiej mocy możemy się spodziewać podczas pracy panelu fotowoltaicznego. Uwaga! W Polsce nasłonecznienie osiąga aż 1000W/m2. Nie powinniśmy się jednak obawiać. Większość paneli badana jest również pod kątem pracy w takim nasłonecznieniu, a także przy temperaturze ogniwa 25 stopni - mamy wtedy do czynienia ze wskaźnikiem STC. Z jego pomocą można określić najbardziej optymalne warunki pracy panelu oraz jego maksymalną moc. W przypadku przekroczenia temperatury ogniwa 25°C jego wydajność zaczyna spadać i osiągana moc jest niższa aż 5%-10% w temperaturze NOCT. Jeżeli zależy nam na maksymalnej sprawności urządzeń, powinniśmy szukać produktów o najmniejszym współczynniku strat temperaturowych Pmax. To właśnie on określa jaki wpływ ma temperatura na ogniwo. To wyjątkowo ważne ze względu na fakt, iż duże różnice temperatur w ciągu doby potrafią uszkodzić fizycznie panele fotowoltaiczne.

Wskaźnik Pmax

Ten niezwykle ważny parametr określa o ile spadnie wydajność modułu fotowoltaicznego przy wzroście temperatury o 1°C więcej niż określone w standardzie STC 25°C. Przedstawia się go w jednostce %/°C. Sprzęt najlepszych producentów osiąga wartości mniejsze niż 0.42 %/°C, zwróć więc uwagę na specyfikację zamawianego produktu. Znając wartość wskaźnika Pmax i standardowe warunki NOCT jesteśmy w stanie dokonać dokładnych obliczeń, które pokażą nam straty wydajności wywołane wzrostem temperatury.

Weźmy pod rozważanie panel o temperaturze nagrzewania (w warunkach NOCT) 45°C. Wskaźnik Pmax wynosi w jego przypadku 0.40 %/°C. Pamiętając, że największą sprawność urządzenia osiąga się w temperaturze STC 25°C, obliczamy różnicę między temperaturą NOCT i STC:

45°C - 25°C = 20°C - różnica temperaturowa

Następnym krokiem jest pomnożenie różnicy przez współczynnik strat:

20°C * 0.40%/°C = 8% - całkowita strata Pmax

Odejmując stratę Pmax od wartości optymalnej STC otrzymamy wartość odporności temperaturowej panelu fotowoltaicznego w regularnych warunkach:

100% - 8% = 92%

Każdy wynik powyżej 90% jest zadowalający.