نویسنده: محسن فرزان، کارشناس ارشد انرژی‌های تجدیدپذیر 
زمان مطالعه: ۵ دقیقه
پارامترهای محیطی گوناگونی وجود دارد که بر عملکرد پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک اثرگذار است. میزان تابش نور خورشید، دمای محیط، سرعت باد، رطوبت، سایه‌ها، گردوغبار، ارتفاع نصب از سطح دریا و غیره از جمله این پارامترهای محیطی است. در ادامه به بررسی اثر شش عامل که نقشی کلیدی در کارکرد پنل خورشیدی فتوولتاییک و در نتیجه نیروگاه برق خورشیدی ایفا می‌کنند، پرداخته شده است.
اثر شدت تابش بر عملکرد پنل خورشیدی
جریان اتصال کوتاه پنل خورشیدی فتوولتاییک بسیار وابسته‌به میزان فوتون‌هایی است که توسط مواد نیمه‌هادی آن جذب می‌شود که این موضوع به شدت نور خورشید بستگی دارد. با افزایش شدت تابش، انرژی تولید پنل خورشیدی افزایش می‌یابد. اما این امر همواره به معنای افزایش راندمان پنل خورشیدی نیست؛ چراکه با افزایش شدت تابش، دمای پنل خورشیدی می‌تواند افزایش پیدا کند و در نتیجه راندمان تبدیل انرژی ثابت مانده و یا حتی کاهش یابد.
شکل۱: منحنی IV پنل خورشیدی و اثر شدت تابش خورشید
همانطور که در شکل ۱ نشان داده شده است، علی‌رغم این‌که جریان اتصال کوتاه پنل خورشیدی فتوولتاییک تا حد زیادی تحت اثر شدت نور خورشید است، ولتاژ مدار باز آن به میزان محدودی تغییر خواهد کرد.
اثر دمای محیط بر عملکرد پنل خورشیدی
دما یک عامل تعیین‌کننده مهم است که بر سرعت جریان الکتریکی در طی هر مدار الکتریکی اثر می‌گذارد. مهندسان همواره در تلاش هستند تا روش‌هایی هم‌چون طراحی سیستم‌های خنک‌کننده و پاشش آب را ابداع کنند تا بتوانند عملکرد سیستم‌های فتوولتاییک در شرایط دما بالا را بهبود دهند.
با افزایش دمای پنل فتوولتاییک به بیش از ۲۵ درجه سانتی‌گراد، ولتاژ مدار باز آن به میزان زیادی کاهش پیدا می‌کند؛ هرچند جریان اتصال کوتاه آن تنها اندکی افزایش پیدا می‌کند.
شکل۲: منحنی IV پنل خورشیدی و اثر دما
اثر دما روی عملکرد پنل خورشیدی فتوولتاییک با ضریب دمای آن (temperature coefficient) تعریف می‌شود. میزان درصد ضریب دمایی یک پنل خورشیدی نشان‌گر مقدار تغییر در توان خروجی آن با افزایش یا کاهش دما از حد شرایط استاندار تست (۲۵ درجه سانتی‌گراد) است. برای مثال، اگر ضریب دمایی برای یک پنل خورشیدی مشخص ۰/۵%- باشد، حداکثر توان خروجی آن به ازای هر ۱۰ درجه سانتی‌گراد افزایش دمای آن نسبت‌به دمای ۲۵ درجه سانتی‌گراد، حدود ۰/۵ درصد کاهش پیدا می‌کند.
ترکیب اثر دو پارامتر شدت تابش خورشیدی و دمای بالای محیط پیرامون می‌تواند به گرم‌شدن بیش از حد پنل خورشیدی منجر شده و نتایج زیر را به‌همراه داشته باشد:
- کاهش عملکرد پنل خورشیدی
- کاهش در بازده تبدیل انرژی پنل خورشیدی
- افزایش تخریب در سلول خورشیدی
- کاهش طول عمر سلول خورشیدی
شکل ۳: اثر شدت تابش خورشید بر دما سلول خورشیدی
پیشنهاد مطالعه: ۱۴ پارامتر مهم در انتخاب محل مناسب احداث نیروگاه خورشیدی فتوولتاییک در ایران
اثر سایه‌های محیطی بر عملکرد پنل خورشیدی
وقوع سایه روی پنل خورشیدی می‌تواند به دلیل سایه ناشی از اجسامی نزدیک به آن هم‌چون درختان، تیرهای چراغ برق، ساختمان‌های مجاور و بسیاری دیگر باشد.
در صورتی که سایه یکنواخت و ملایم (Soft Shading) روی سطح پنل خورشیدی ایجاد شود، می‌تواند باعث کاهش زیاد در جریان اتصال کوتاه آن شود. از سوی دیگر اگر سایه روی سطح پنل خورشیدی به حدی زیاد باشد که تابش خورشیدی به سطح پنل به صفر برسد (Hard shading)، دو حالت کلی می‌تواند رخ دهد؛ اگر این سایه شدید بخشی از پنل خورشیدی را پوشش دهد، با عملکرد دیود بایپس (Bypass Diode) برای جلوگیری از وقوع پدیده هات اسپات (Hot Spot) و خروج ناحیه سایهدار از مدار، کاهش در ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی رخ خواهد داد. در صورتی که Hard shading در کل سطح پنل رخ دهد، توان خروجی پنل صفر خواهد شد.
شکل۴: منحنی IV پنل خورشیدی در شرایط وقوع Soft shade (سمت چپ) و Hard shade (سمت راست)
اثر گردوغبار بر عملکرد پنل خورشیدی
گردوغبار به‌صورت ذرات ریز پودرمانند، با اندازه‌ای کمتر از ۵۰۰ میکرومتر تعریف می‌شود. اثر گردوغبار بر پنل خورشیدی به نحوه توزیع آن روی پنل (یکنواخت یا جزیی)، سایز ذرات و چگالی آن بستگی دارد که می‌تواند منجر به کاهش راندمان پنل‌های خورشیدی فتوولتاییک شود.
میزان نشست گردوغبار روی سطح پنل خورشیدی به‌طور اساسی وابسته به ویژگی‌های گردوغبار (مشخصه‌های شیمیایی، سایز، شکل، وزن و غیره) و هم‌چنین شرایط محیطی منطقه (فاکتورهای مربوط به ساختگاه نیروگاه، شرایط آب‌وهوایی منطقه) داشته باشد. در مناطق کویری، وقوع گردوغبار بسیار زیاد است و می‌تواند تولید برق نیروگاه خورشیدی فتوولتاییک را تا ۴۰ درصد کاهش دهد. کیفیت سطح و زاویه شیب پنل خورشیدی، رطوبت هوا و سرعت باد نیز از جمله دیگر عوامل موثر بر میزان نشست گردوغبار روی سطح پنل خورشیدی، است.
براساس مطالعات تجربی صورت‌گرفته و مقایسه عملکرد پنل‌های خورشیدی در حالت تمیز و پوشیده از گردوغبار مشخص شده است که تجمع گردوغبار روی سطح پنل خورشیدی می‌تواند هم جریان و هم ولتاژ پنل خورشیدی را کاهش دهد. اگرچه کاهش در ولتاژ مدار باز در مقایسه با کاهش جریان اتصال کوتاه بسیار اندک و قابل چشم‌پوشی است.
شکل۵: منحی IV پنل خورشیدی و اثر گردوغبار
اثر رطوبت بر عملکرد پنل خورشیدی
رطوبت به‌عنوان میزان آب موجود در هوا تعریف می‌شود. پارامتر رطوبت نسبی (Relative Humidity) اغلب برای نشان‌دادن میزان رطوبت در هوا به‌کار می‌رود. براساس نتایج چندین پژوهشگر، دو سناریو برای ارزیابی اثر رطوبت بر عملکرد پنل خورشیدی باید درنظر گرفته شود. اول، اثر ذرات بخار آب روی اشعه خورشید و دیگری اثر رطوبت در صورت نفوذ به داخل پنل خورشیدی. با تغییر دما در طی روز، رطوبت نسبی نیز متناسب با آن تغییر می‌کند. بدین معنی که با افزایش دما، رطوبت نسبی هوا افزایش و با کاهش دما، میزان آن نیز کم می‌شود.
زمانی‌که نور خورشید به قطرات بخار در هوا برخورد می‌کند، می‌تواند دچار شکست، انعکاس و یا پراش (تفرق) شود. این رخدادها باعث کاهش برخورد تابش مستقیم به سطح پنل خورشیده شده و در نتیجه جریان اتصال کوتاه آن به‌طور چشمگیری کاهش می‌یابد. بااین‌حال، رطوبت اثر چندانی بر ولتاژ مدار باز پنل خورشیدی نخواهد داشت.
اثر باد بر عملکرد پنل خورشیدی
از لحاظ مفهومی شاید درست نباشد که راندمان پنل خورشیدی به طور مستقیم تحت اثر سرعت باد قراردارد؛ اگرچه، نقشی کلید در تولید برق پنل خورشیدی ایفا می‌کند. در زمان وزش باد، دمای سلول خورشیدی افت می‌کند و باعث می‌شود الکترون‌ها قادر به حمل انرژی بیش‌تری در زمان انتقال به سطح بالاتر انرژی باشند. پنل خورشیدی که یک درجه سانتی‌گراد خنک می‌شود، ۰/۰۵ درصد راندمان بیش‌تری دارد.
منابع:
- Advanced cooling techniques of P.V. modules: A state of art, Case Studies in Thermal Engineering,Volume 21, October 2020, 100674.
- Power loss due to soiling on solar panel: A review, Renewable and Sustainable Energy Reviews,Volume 59, June 2016, Pages 1307-1316.
- Experimental study of factors affecting dust accumulation and their effects on the transmission coefficient of glass for solar applications, Renewable Energy, Volume 112, November 2017, Pages 466-473.
دیدگاهتان را بنویسید