Chłodzenie paneli fotowoltaicznych - czy jest konieczne?
Panele fotowoltaiczne są w stanie pracować w wyjątkowo skrajnych warunkach. Jeśli chodzi temperaturę mowa tu o zakresie od -70 do nawet +120 stopni Celsjusza. Tymczasem najwyższa odnotowana temperatura na Ziemi nie przekroczyła 57 stopni Celsjusza. W teorii nie powinniśmy się zatem martwić chłodzeniem paneli fotowoltaicznych. Tyle jednak w teorii, bo jeśli zależy nam na wydajnej instalacji PV, temat ten faktycznie powinien zwrócić naszą uwagę.
Większość modułów fotowoltaicznych dostępnych obecnie na rynku jest zbudowana na bazie krzemu. Ten półprzewodnik jest w stanie pochłaniać promieniowanie słoneczne i przekształcać je w energię elektryczną, z +/- 20% skutecznością.
Oczywiście zjawisko to jest znane producentom paneli fotowoltaicznych, którzy na różne sposoby próbują minimalizować problem. Technologie takie jak np. half-cut czy HJT pozwalają ograniczyć nagrzewanie się paneli fotowoltaicznych. O tym z jaką skutecznością - informuje nas tzw. współczynnik temperaturowy paneli fotowoltaicznych (Pmax), który mówi nam, o ile zmieni się wydajność modułu wraz ze zmianą temperatury ogniwa o 1 stopień Celsjusza. Współczynnik Pmax dla dobrych paneli nie powinien być większy niż 0,42%. Dla tych z najwyższej półki wynosi jednak jedyne ok. 0,25%-0,37%.
Wysokiej jakości produkt to jednak tylko część rozwiązania. Drugą jest zapewnienie skutecznej metody chłodzenia paneli fotowoltaicznych.
Przerwy wentylacyjne - prosty sposób na chłodzenie paneli PV
Najprostszym sposobem na ograniczenie nagrzewania się modułów fotowoltaicznych jest zadbanie o możliwie najskuteczniejszą wentylację.
W przypadku fotowoltaiki na gruncie sprawa jest mocno ułatwiona, bo wolnostojąca konstrukcja sprawia, że wiatr może z łatwością opływać obie strony modułów, chłodząc je i poprawiają parametry pracy.
Nieco trudniejsze jest chłodzenie paneli fotowoltaicznych wiatrem w instalacjach montowanych na dachach, gdy poszycie ogranicza jego dostęp do tylnej części modułów.
Dlatego też zgodnie z zasadami prawidłowego montażu paneli fotowoltaicznych, instalując moduły fotowoltaiczne należy zachować odstępy pomiędzy samymi modułami, jak również pomiędzy modułami a dachem.
- Aby zapewnić panelom odpowiednią wentylację, nie narażając ich jednocześnie na uszkodzenia wywołane siłami wiatru zaleca się zachowanie 10 - 15 cm przestrzeni między modułem a poszyciem dachu.
- Dla optymalnej cyrkulacji powietrza, minimalny odstęp między poszczególnymi modułami fotowoltaicznymi powinien wynosić ok. 2 cm.
Jeśli chodzi o polskie warunki klimatyczne, w większości przypadków, taka wentylacja skutecznie pozwoli schłodzić panele fotowoltaiczne.
Niestety, w gorących regionach świata (a także w Polsce podczas upałów), samo stosowanie odstępów nie jest wystarczające do zachowania wydajności instalacji. Dlatego też naukowcy wciąż pracują nad lepszymi metodami chłodzenia paneli PV.
Innowacyjne metody na chłodzenie paneli fotowoltaicznych
Techniki chłodzenia paneli fotowoltaicznych dzieli się na dwa rodzaje:
- pasywne, wykorzystujące do obniżania temperatury naturalne czynniki zewnętrzne takie jak wiatr, deszcz lub zjawiska fizyczne (np. przewodzenie).
- aktywne, które do chłodzenia wykorzystują energię elektryczną.
Chłodzenie paneli fotowoltaiczną wodą - technologia Sunbooster
Jeśli chodzi o metody aktywne, to jedną z ciekawych jest rozwiązanie oferowane przez francuską firmę Sunbooster. Technologia ta opiera się na umieszczeniu na krawędziach modułu specjalnych rurek wyposażonych w drobne otwory, którymi spływa zmagazynowana woda deszczowa, chłodząc powierzchnię urządzenia. Woda jest później wyłapywana, filtrowana i transportowana do zbiornika, dzięki czemu może posłużyć ponownie do chłodzenia.
Źródło: sunbooster.fr
Jak wynika z testów przeprowadzanych przez producenta, zastosowanie tego rozwiązania pozwala zwiększyć uzyski z instalacji o ok 8-12%.
Rozwiązanie to jest już wdrażane w projektach komercyjnych. Problemem, na chwilę obecną, jest jednak dość wysoka cena, wynosząca ok. 250 tys. euro w przeliczeniu na MW. Ta jednak, wraz z rozwojem technologii będzie spadać.
Fotowoltaika na wodzie, a chłodzenie paneli PV
Innym pomysłem na wykorzystanie wody do chłodzenia paneli fotowoltaicznych jest ich umieszczenie na powierzchni zbiornika wodnego. Choć pomysł ten może wydawać się zaskakujący, pływające instalacje wodne wcale nie są nowością. Na świecie działa już sporo tego typu konstrukcji - m.in. w Korei, Francji, Japonii a nawet w... Polsce!
Pierwszą tego typu instalację fotowoltaiczną chłodzoną wodą uruchomiła spółka Energa, w 2018 roku na zbiorniku wodnym w Łapinie.
Fot. Energa, źródło: media.energa.pl
Umieszczenie instalacji PV na wodzie i chłodzenie jej w ten sposób pozwala zwiększyć uzyski aż ok. 10%, a przy zastosowania trackerów fotowoltaicznych - nawet o ok. 20%.
Chłodzenie pasywne paneli PV - specjalna powłoka odbijająca ciepło
Jeśli chodzi o systemy pasywne, wyjątkowo obiecujące wydają się badania specjalistów z Uniwersytetu Stanforda nad specjalną, chłodzącą powłoką krzemową. Składa się ona z ogromnej ilości mikro stożków (na jeden milimetr kwadratowy przypada ich ok. 1 tysiąca) Dzięki temu powłoka jest w stanie wychwycić i odprowadzić promieniowanie podczerwone (rejestrowane jako ciepło) do otoczenia, chłodząc tym samym ogniwa.
Sama powłoka jest całkowicie transparentna dla światła słonecznego, co oznacza, że nie będzie miała negatywnego wpływu na absorpcję przez krzem. Jak na razie, rozwiązanie to jest jednak w fazie testów i nie jest stosowane na szerszą skalę.
Chłodzenie paneli fotowoltaicznych za pomocą… żelu
Jedną z absolutnych nowości jest opracowany przez naukowców z Hong Kongu żel chłodzący na bazie nanorurek, który jest w stanie wyłapywać wodę niezbędną do chłodzenia prosto z powietrza. Za dnia, kiedy panele zaczęłyby się nagrzewać, żel przejmowałby od nich ciepło i uwalniał do atmosfery w postaci pary wodnej. Zaś w nocy ponownie pobierałby wodę z powietrza i przechowywał do następnego cyklu chłodzenia.
Jak wynika z obliczeń badaczy, w ten sposób można obniżyć temperaturę modułu aż o 10 stopni Celsjusza, co średnio daje ok. 15% większe uzyski - efekty są zatem zdumiewające.
Oczywiście również i to rozwiązanie to nowinka, która wymaga dalszych badań.
Chłodzenie paneli fotowoltaicznych na własną rękę - na to lepiej uważać!
Jak z pewnością zauważyliście, większość rozwiązań służących chłodzeniu paneli fotowoltaicznych to dość trudno dostępne, nie przetestowane na szerszą skalę, skomplikowane instalacje przewidziane raczej dla komercyjnych projektów (czyli farm PV). Wielu z Was szuka natomiast prostych i skutecznych, które sprawdzą się w przypadku domowych mikroinstalacji PV.
Źródło: facebook.pl
Realizację “domowego” systemu chłodzenia paneli fotowoltaicznych, np. wodą warto jednak dobrze przemyśleć, by potencjalne szkody nie były większe niż ewentualne zyski. Jakie błędy można popełnić?
Wykorzystanie wody pochodzącej ze studni, wodociągu czy jeziora - woda płynąca w naszych kranach, ale też ta pochodząca ze studni czy jeziora może zawierać sporo związków mineralnych, które mogą zanieczyścić moduły fotowoltaiczne, takich jak wapń, magnez czy żelazo. Jeśli polejemy nią rozgrzane panele fotowoltaiczne, część wody odparuje pozostawiając trudny do usunięcia osad, który docelowo może ograniczyć produkcję z fotowoltaiki.
Źródło: facebook.pl
Jeśli chcemy ochłodzić (czy nawet umyć panele fotowoltaiczne) korzystajmy jedynie z miękkiej wody - zdeminealizowanej, destylowanej lub z czystej deszczówki.
Zbyt zimna woda - drugim bardzo niebezpiecznym błędem, który może doprowadzić do uszkodzenia paneli fotowoltaicznych jest polewanie ich bardzo zimną wodą. Jeśli rozgrzane do wysokiej temperatury panele fotowoltaiczne będą miały styczność ze zbyt chłodną wodą może wystąpić tzw. szok cieplny (termiczny), który doprowadzi do pęknięcia i rozszczelnienia modułu PV. Uwaga! Nawet jeśli moduł wytrzyma jednorazowe narażenie go na duże, nierównomierne zmiany w temperaturze, nie oznacza to, że nie ulega uszkodzeniu. Z biegiem czasu wiele cykli naprężeń termicznych może powodować pękanie szkła paneli słonecznych w zjawisku zwanym „zmęczeniem termicznym”, przez co moduł szybciej się zużyje.
Panele to nie wszystko, czyli chłodzenie falownika
Jeśli zależy Wam na wydajności fotowoltaiki, warto pamiętać, że chłodzenie paneli fotowoltaicznych to nie jedyny aspekt, który warto wziąć pod uwagę. Nie mniej ważne jest chłodzenie falownika. Za wydajność całej instalacji w dużej mierze odpowiada bowiem właśnie falownik (inwerter), służący do przemieniania prądu stałego, produkowanego przez panele, na prąd zmienny dostępny w gniazdkach.
Deklarowana sprawność urządzeń tego typu wzrasta z roku na rok i wynosi obecnie ok. 96%. Jest to jednak urządzenie dość skomplikowane, złożone z wielu układów elektrycznych, które pracując wydzielają duże ilości ciepła, co przekłada się na pewne straty w uzyskach - podobnie jak w przypadku paneli PV.
Inwerter podczas pracy może nagrzać się do ok. 40-70 stopni Celsjusza, dlatego dla utrzymania jego wydajności konieczne jest prawidłowe chłodzenie falownika. Szczególnie, że wzrost temperatury o 10 stopni Celsjusza może skrócić żywotność elementów falownika o połowę.
Chłodzenie falownika - jakie metody są stosowane?
Podobnie jak w przypadku paneli fotowoltaicznych chłodzenie falownika może odbywać się w sposób aktywny i pasywny. To, który ze sposobów został wykorzystany zależy od marki i modelu urządzenia.
Jeśli chodzi o chłodzenie pasywne, to najczęściej stosuje się tzw. radiatory, które odbierają energię cieplną z urządzenia i z pomocą konwencji usuwają je z falownika. W przypadku chłodzenia aktywnego, stosuje się także specjalne wentylatory, które mają wspomóc wymianę energii cieplnej.
Oczywiście, bez względu na zastosowane rozwiązania , dla optymalnego chłodzenia (ale i też dla bezpieczeństwa) konieczne jest zachowanie odstępów wentylacyjnych i montaż urządzenia we właściwym miejscu.
- Temperatura otoczenia falownika nie powinna przekraczać dopuszczalnej, określonej w instrukcji montażu - zwykle jest to od -25 do 60 stopni Celsjusza.
- Urządzenie powinno znajdować się w zacienionym miejscu - nie powinien być bezpośrednio oświetlany przez Słońce.
- Należy zachować odstępy wentylacyjne dookoła urządzenia - w zależności od marki i modelu jest to ok. 10-15 cm po bokach, 15-30 cm od góry i ok. 20-50 cm od dołu.
