Предисловие
В одном из прошлых обзоров были рассмотрены энергетические характеристики небольшой солнечной панели при нормальных условиях (ссылка). А как поведёт себя панель в условиях сильного охлаждения или нагрева?
На этот вопрос и ответит эта статья-обзор.
Так выглядит солнечная панель в том виде, как она пришла из братского Китая:
Чтобы всесторонне осветить этот работы солнечной панели при разной температуре, необходимо будет происследовать основные характеристики солнечной панели при нагреве и при охлаждении.
С нагревом проблем нет: берём панель, выставляем жарким летним днём на солнце и без проблем измеряем всё, что нужно.
А с охлаждением всё сложнее. В морозильной камере холодильника можно охладить панель до очень низких температур, но как только положишь её на солнце, она начнёт быстро прогреваться; что сделает невозможным длительные измерения (такие, как вольт-амперная характеристика). Можно сделать только "быстрые" измерения - напряжение холостого хода и ток короткого замыкания.
В связи с этим вольт-амперная характеристика для слегка нагретой и сильно нагретой солнечной панели будет приведена, а для охлаждённой - не будет. Но графики зависимости напряжения холостого хода и тока короткого замыкания от температуры представлены будут.
Общая методика снятия графиков зависимости напряжений и токов от температуры такова.
Охлаждаем солнечную панель в морозильной камере, вытаскиваем на солнце, подключаем к осциллографу на самой медленной развёртке; а он рисует график измеряемого параметра по мере прогрева панели.
Измерения проводились на солнечной панели с обрамлением, которое, помимо защитной функции, затрудняло теплоотвод при нагреве панели на солнце. Но это даже к лучшему: тем самым имитировалось применение солнечной пенели в южных широтах - экстремальных с точки зрения нагрева.
Температурные тесты солнечной батареи
Начнём с самого показательного графика - зависимости напряжения холостого хода от температуры:
Примечание: на этой и последующих осциллограммах нулевая линия смещена на полделения вниз, чтобы вся осциллограмма поместилась на экране в крупном масштабе.
Осциллограмма показывает, что напряжение холостого хода сильно зависит от температуры. Более точный замер с помощью мультиметра показал, что на старте напряжение холостого хода составило 8.45 В, а конце - 6.46 В.
Стартовую температуру можно принять за минус 10 градусов, конечная температура составила +72 градуса. Температура измерялась инфракрасным термометром Benetech GM531.
Итак, падение напряжения холостого хода - очень сильное, примерно можно оценить как 24.3 мВ на градус.
Но, точки зрения энергетической эффективно важно не только изменение напряжения, но и изменение тока.
На следующей осциллограмме - график зависимости тока короткого замыкания от температуры:
Для снятия осциллограммы использовалось подключение к солнечной панели резистора номиналом 2 Ом (можно с учётом тока панели условно принять за короткое замыкание).
На этой осциллограмме - сюрприз! Ток короткого замыкания не только не уменьшился с повышением температуры, но и даже немного возрос: с 220 мА до 226 мА.
Возможная причина этого - понижение удельного сопротивления полупроводников при повышении температуры.
Теперь проверим, что будет происходить не при крайних случаях (холостой ход и короткое замыкание), а при подключении реальной нагрузки. В качестве нагрузки использовался резистор, сопротивление которого вместе с соединительными проводами составило 25 Ом:
Небольшой провал чуть левее середины изображения, возможно, связан с тем, что какое-либо насекомое прогулялось по поверхности солнечной панели.
В целом же снижение напряжения холостого хода с ростом температуры не прошло даром и при работе на реальную нагрузку: мощность на нагрузке снизилась.
Теперь произведём снятие вольт-амперной характеристики (ВАХ) солнечной батареи. Здесь нас будет интересовать сравнение ВАХ при умеренном нагреве (до +40 градусов) и при сильном нагреве (+72 градуса). ВАХ при +40 градусов взята из предыдущего обзора этой панели (при нормальных условиях).
На следующей паре изображение сначала представлена ВАХ при +40 градусов, затем - ВАХ при +72 градусах:
По оси X - напряжение (В), по оси Y - ток (мА).
На последней кривой в районе перегиба было снято большее число точек; в связи с чем вторая кривая получилась более плавной.
В целом характер кривых - очень похож; но ВАХ при повышенной температуре выглядит более "сжатой" по горизонтали.
Теперь, на основании этих же данных построим графики мощности, отдаваемой в нагрузку (обратить внимание на разный масштаб по вертикали):
По оси X - напряжение (В), по оси Y - мощность (мВт).
Здесь, помимо "сжатия" графика по горизонтали, надо отметить и снижение по вертикали.
Теперь - конкретно в цифрах.
Максимум графика при нормальной температуре (около +40 градусов) располагается при напряжении на нагрузке около 5.5 - 6 В, максимальная мощность в нагрузке составила 1050 мВт.
Максимум графика при повышенной температуре (+72 градуса) располагается при напряжении на нагрузке около 4.75 - 5 В, максимальная мощность в нагрузке составила 910 мВт.
Таким образом, снижения мощности на нагрузке составило 13.3%. Нельзя назвать эту величину пренебрежимо малой, в связи с чем принимать меры для снижения температуры солнечных панелей необходимо. Другое дело, что эти меры не должны требовать энергозатрат, так как иначе выигрыш благодаря снижению температуры окажется вряд ли выше энергетических затрат на принудительное охлаждение.
Дополнительные эксперименты с солнечной панелью
Далее был проведён ещё один интересный эксперимент.
Его суть состоит в том, что в случае подключения нагрузки, близкой к оптимальной, часть солнечной энергии, падающей на солнечную панель, должна отводиться с панели в нагрузку. Соответственно, нагрев солнечной панели должен снизиться.
Длительное подключение такой нагрузки (для завершения процессов теплоотдачи) показало, что температура поверхности солнечной панели, действительно, снижается.
Но снижение составило всего 2 градуса, что вряд ли может иметь практическую полезность.
И, наконец, последний эксперимент: частичное затенение солнечной панели.
В ходе этого эксперимента были затенены листом бумаги две нижних секции солнечной панели.
В этом случае ток короткого замыкания снизился с 226 мА до 25 мА (почти в 10 раз!). Таким образом, здесь в полной мере действует принцип "слабого звена": отдаваемый солнечной панелью ток определяется не средним током секций, а самой слабой секцией в их последовательной цепочке.
Руководящие документы рекомендуют для снижения этого зловредного эффекта подключать к секциям диоды для пропуска тока в обход "слабых звеньев" в случае частичного затенения.
Но практически легче просто сориентировать солнечную панель таким образом, чтобы на неё не попадала тень от посторонних предметов. Кроме того, можно комбинировать последовательное и параллельное соединение секций (это полностью не устранит эффект "слабого звена", но уменьшит его влияние).
Окончательный диагноз
Итак, снижение энергетической эффективности солнечных батарей при повышении температуры - это не выдумка досужих учёных, а реальность, с которой надо считаться.
Однако же, величина потерь относительно невелика, что делает бессмысленной установку вентиляторов для принудительного охлаждения солнечных панелей. Они могут израсходовать больше энергии, чем её прибавится в результате охлаждения панелей. Вот поэтому и нет нигде солнечных электростанций с охлаждающими вентиляторами.
Так же не лучшей будет идея с зеркалами, концентрирующими энергию на солнечных панелях: разогрев панелей будет ещё выше; выше и потери энергии.
В связи с этим, более разумной альтернативой является разумное геометрическое размещение солнечных панелей.
К мерам этого типа можно отнести их размещение на свободно проветриваемом пространстве, в приподнятом над землёй положении, и с наличием зазоров между отдельными панелями, через которые может свободно проходить нагретый воздух.
С географической точки зрения самыми выгодными местами для размещения солнечных электростанций будут те места, где много солнечных дней, но относительно прохладная погода. К ним можно отнести высокогорные пустыни южноамериканских Анд, внутренние плоскогорья Тибета, пустыню Гоби. Но нам туда не надо! :)
Также надо обращать внимание, что солидные производители солнечных панелей указывают в паспорте на них температурные коэффициенты; причём отдельно - для напряжения холостого хода, отдельно - для тока короткого замыкания, отдельно - для отдаваемой мощности в оптимально настроенную нагрузку (контроллер солнечной панели). Менее солидные производители и продавцы об этом умалчивают, и тогда просто надо иметь в виду результаты проведённого исследования.
Кстати.
Возможно, именно низкие температуры на большой высоте стали основой успеха кругосветного перелёта на "солнечном самолёте" Solar Impulse в 2016 году (подробнее - на Хабр-е).
Весь раздел "Сделай сам! (DIY)" сайта Smartpuls.ru - здесь.
