Влияние температуры на эффективность солнечных батарей

Температура солнечной батареи является одним из факторов, влияющих на эффективную работу солнечной электростанции. Так в солнечный и морозный зимний день генерация солнечной электростанции может быть заметно больше чем в такой же солнечный, но жаркий летний день (при условии оптимального угла расположения солнечных батарей в обоих случаях). Как можно объяснить такую разницу в генерации при одинаковых уровнях солнечной иррадиации?

Рассмотрим влияние показателя температуры на эффективность на примере солнечных батарей LDK 250W.

Таблица 1. Характеристики солнечных батарей LDK.

Как видно из температурных и электрических характеристик солнечной батареи (Таблица 1), температурный коэффициент напряжения холостого хода (Voc Temperature Coefficient) значительно больше температурного коэффициента тока короткого замыкания (Isc Temperature  Coefficient), а следовательно, с ростом температуры падение напряжения больше чем увеличение силы тока (Рисунок 1). Поэтому мощность солнечной батареи, как произведение силы тока на напряжение, при увеличении температуры уменьшается, и батарея работает с меньшей эффективностью.

Повышение температуры солнечной батареи может привести не только к уменьшению генерируемой мощности, но и к невозможности функционирования солнечной электростанции как целостной системы. Это связано с тем, что при проектировании солнечной электростанции подбор оборудования часто осуществляется на основании только общих технических характеристик, указанных в технической документации, без учета температурных характеристик.

Рассмотрим варианты, когда значительное изменение температуры солнечной батареи может оказать влияние на практическую реализацию солнечной станции. В случаях, когда солнечные батареи используются для зарядки аккумуляторов, необходимо убедиться, что напряжение, производимое солнечной батареей, в более жаркую погоду будет не менее напряжения аккумуляторных батарей. В противном случае зарядка аккумуляторов производиться не будет. При этом надо учитывать, что и значительное понижение температуры окружающей среды, а следовательно и солнечной батареи, может привести к отключению контроллера заряда либо инвертора вследствие превышения допустимого значения напряжения холостого хода отдельной или последовательно соединенного ряда солнечных батарей.

Так, в одном из случаев при расчете оборудования для домашней солнечной станции были выбраны контроллеры заряда XW-MPPT60-150 (Xantrex) с максимальным входным напряжением холостого хода 150В (Таблица 2).

Таблица 2. Допустимые напряжения контроллера заряда XW-MPPT60-150.

При этом подключение солнечных панелей батарей осуществлялось по следующей схеме: три параллельных ряда по четыре солнечных батареи в каждом ряду (Рисунок 2).

Рисунок 2. Подключение солнечных батарей к контроллеру заряда.

Для расчета напряжения холостого хода четырех последовательно соединенных батарей была взята величина напряжения 34.8В, указанная для номинальной рабочей температуры 20°C (солнечные батареи LDК, Таблица 1.). В этом случае расчетное напряжение холостого хода выходило равным 139.8В, а с учетом потерь в кабелях постоянного тока напряжение холостого хода на контроллере заряда должно было составлять около 130В. В летнее время в связи с высокой температурой солнечных батарей напряжение холостого хода соответствовало расчетному напряжению. В зимнее время при значительно низких температурах происходило отключение зарядного устройства вследствие превышения предельно допустимого напряжения 150В. Для устранения этого недостатка приходилось отключать одну батарею из последовательно соединенного ряда, что приводило к уменьшению генерации, но в то же время позволяло станции работать при более низком входном напряжении.

Для предотвращения снижения эффективности или отказов в работе оборудования солнечной электростанции, при произведении расчетов параметров подключаемой отдельной или нескольких последовательно соединенных солнечных батарей, необходимо принимать величину напряжения холостого хода солнечной батареи, учитывая самые неблагоприятные температурные режимы работы. Напряжение солнечной батареи увеличивается с уменьшением температуры, и схема подключения должна обеспечивать напряжение, не превышающее допустимое даже при самых низких температурах. Производитель солнечных батарей указывает напряжение холостого хода в технической документации, но обычно эти параметры указаны для испытаний при температуре 25°С.

Следовательно, разобраться в таких тонкостях подбора оборудования для солнечной электростанции может быть довольно сложной задачей для простого обывателя. Ведь помимо этого необходимо правильно составить схемы подключения, подобрать пускозащитное оборудование, систему учета электроэнергии и не ошибиться в выборе технологического оборудования. В решении этих вопросов могут помочь многие интернет- ресурсы, но предоставленная в интернете информация ни в коей мере не сможет заменить практический опыт реализации подобных проектов. Оптимальный вариант – выбрать компанию, которая может сопровождать реализацию проекта солнечной электростанции от начального этапа составления всей необходимой технической документации до окончательного этапа пуско-наладки и послепродажного технического обслуживания. Так, на сайтах многих компаний есть возможность воспользоваться онлайн калькулятором для предварительного расчета параметров солнечной станции и необходимого для ее реализации оборудования. При выборе такой компании необходимо запрашивать возможность выполнения расчета оборудования и электрических параметров требуемой солнечной электростанции. Очень часто такие расчеты выполняются бесплатно с помощью специализированного программного обеспечения, например «PVsyst». Кроме того, желательно, чтобы выбранная компания имела опыт не только в теоретических расчетах солнечных электростанций и продаже необходимого оборудования, но и опыт монтажа, подключения и технического обслуживания таких проектов.

При желании самостоятельно изучить предлагаемый выбор оборудования и расчет  годовой выработки  электроэнергии солнечной электростанции можно самому разобраться в использовании специализированного программного обеспечения. Использование программного обеспечения позволит рассчитать технические параметры солнечной электростанции с учетом уровней солнечной иррадиации в различных регионах, изменения температур окружающей среды, угла наклона солнечных батарей и т.д. Производители оборудования для солнечной энергетики очень часто предоставляют бесплатное программное обеспечение, позволяющее провести достаточно детальный расчет солнечной электростанции, беря во внимание все необходимые параметры. К примеру, лидер по производству оборудования для солнечной энергетики компания «SMA»предоставляет бесплатное программное обеспечение для расчета как сетевых, так и резервных солнечных электростанций (http://www.sma-uk.com/products/planning-software.html). Основное преимущество такого программного обеспечения – это простота использования и бесплатное распространение. К сожалению, такие программы редко позволяют рассчитать  солнечную электростанцию  с применением оборудования других производителей, а также не дают возможности детального расчета производительности с учетом возможного затенения солнечных батарей. Поэтому для профессионального расчета солнечных систем разработаны платные программные продукты, которые позволяют рассчитывать различные типы солнечных электростанций с использованием оборудования различных производителей (база данных которых постоянно обновляется), 3D-моделированием возможных затенений и расчетом графиков генерации электрической энергии в течение года. Например, программное обеспечение«PVsyst» (http://www.pvsyst.com) позволит визуально просмотреть 3D-модель вероятного затенения близко расположенных объектов (Рисунок 3), выдаст предупреждение о возможном превышении допустимого напряжения солнечных батарей при низких температурах и составит отчет с параметрами солнечной электростанции в соответствии с выбранным оборудованием. Значительным минусом этого программного обеспечения является относительная сложность в освоении и необходимость приобретения лицензии.

Рисунок 3. 3Dмодель PVsystсолнечной электростанции.

Более детально о возможностях применения различного программного обеспечения для расчета различных типов солнечных электростанций рассмотрено в отдельной статье.

Автор: Дмитрий Белокуров