Czy wysoka temperatura obniża wydajność paneli fotowoltaicznych?

Wysoka temperatura paneli fotowoltaicznych może obniżać ich sprawność, mimo że najczęściej występuje właśnie wtedy, gdy warunki nasłonecznienia są bardzo dobre. Im więcej światła dociera do ogniw, tym więcej energii mogą one wytworzyć, jednak jednocześnie intensywne promieniowanie powoduje nagrzewanie powierzchni modułu. Wraz ze wzrostem temperatury ogniw zmieniają się ich właściwości elektryczne, przede wszystkim napięcie, a maksymalna dostępna moc stopniowo maleje. Nie oznacza to, że panel fotowolltaiczny podczas upału przestaje być wydajnym źródłem energii. Trzeba jednak odróżnić korzystny wpływ silnego nasłonecznienia od strat powodowanych przez wysoką temperaturę. Wyjaśniamy, jak temperatura wpływa na panele fotowoltaiczne, jak duże mogą być różnice w mocy oraz co można zrobić, aby ograniczyć straty podczas ładowania stacji zasilania BLUETTI.

Dlaczego panele fotowoltaiczne tracą moc?

Ogniwa fotowoltaiczne wykorzystują energię promieniowania słonecznego, a nie ciepło. Podstawą ich działania jest efekt fotowoltaiczny zachodzący w materiale półprzewodnikowym, którym w większości współczesnych paneli jest krzem. Wraz ze wzrostem temperatury zmieniają się właściwości elektryczne ogniwa. Najbardziej zauważalnym efektem jest obniżenie generowanego napięcia, podczas gdy prąd może nieznacznie wzrosnąć. Wzrost natężenia jest jednak zbyt mały, aby zrekompensować spadek napięcia. W rezultacie maksymalna moc możliwa do uzyskania z panelu stopniowo maleje.

Właśnie dlatego bardzo słoneczny, ale chłodny dzień może zapewnić panelowi fotowoltaicznemu wyjątkowo dobre warunki pracy. Ogniwa otrzymują wtedy dużo promieniowania, a jednocześnie ich temperatura pozostaje stosunkowo niska. Przy sprzyjającym ustawieniu modułu solarnego moc chwilowa może wtedy zbliżyć się do wartości znamionowej bardziej niż podczas letniego upału. Nie oznacza to jednak, że niska temperatura automatycznie zapewnia wysoką produkcję energii. Jeżeli promieniowanie jest słabe, zachmurzenie duże albo panel znajduje się w cieniu, korzystna temperatura sama nie wystarczy do osiągnięcia wysokiej mocy. 

Dlaczego w specyfikacji paneli fotowoltaicznych pojawia się 25°C?

Moc znamionowa panelu fotowoltaicznego jest określana w ustandaryzowanych warunkach pomiarowych STC. Jednym z ich założeń jest temperatura ogniwa wynosząca 25°C oraz natężenie promieniowania słonecznego równe 1000W/m². Dzięki temu parametry różnych paneli można porównywać przy zastosowaniu tych samych warunków referencyjnych. Warto jednak zwrócić uwagę, że 25°C odnosi się do temperatury samego ogniwa, a nie powietrza otaczającego panel. Podczas rzeczywistej pracy powierzchnia modułu może nagrzewać się znacznie bardziej. Z tego powodu moc widoczna podczas użytkowania nie musi odpowiadać wartości podanej w specyfikacji.

Jeżeli na zewnątrz panuje temperatura 30°C, nie oznacza to więc, że ogniwa również mają 30°C. Panel ustawiony bezpośrednio w pełnym słońcu pochłania część promieniowania i stopniowo się nagrzewa. Jego temperatura może być o kilkanaście, a w określonych warunkach nawet o kilkadziesiąt stopni wyższa od temperatury otoczenia. Szczególnie duże różnice pojawiają się przy mocnym nasłonecznieniu i słabym przepływie powietrza. W gorący letni dzień temperatura ogniw może więc przekraczać 50°C mimo znacznie niższej temperatury powietrza.

Temperatura powietrza a temperatura ogniwa

Rozróżnienie temperatury powietrza od temperatury ogniwa jest szczególnie ważne podczas korzystania z przenośnych paneli fotowoltaicznych. Panel fotowoltaiczny wystawiony na intensywne promieniowanie nagrzewa się podobnie jak inne ciemne powierzchnie pozostawione w pełnym słońcu. Na osiąganą temperaturę wpływa przy tym nie tylko pogoda, ale również sposób ustawienia konstrukcji, przepływ powietrza oraz powierzchnia znajdująca się pod modułem. Panel słoneczny posiadający wolną przestrzeń z tyłu może skuteczniej oddawać ciepło niż moduł leżący bezpośrednio na mocno nagrzanym podłożu. Wiatr również pomaga obniżać temperaturę ogniw. Dwa identyczne panele fotowoltaiczne pracujące przy tej samej temperaturze powietrza mogą więc osiągać zupełnie różne temperatury robocze. 

Wpływ temperatury jest szczególnie widoczny podczas korzystania z przenośnych paneli na działce, campingu lub podczas podróży kamperem. Rozłożenie modułu bezpośrednio na rozgrzanym asfalcie lub przy mocno nagrzanej powierzchni może utrudniać odprowadzanie ciepła. Korzystniejsze jest ustawienie panelu fotowoltaicznego zgodnie z konstrukcją przewidzianą przez producenta i pozostawienie miejsca umożliwiającego naturalny przepływ powietrza. Jednocześnie nie należy zmieniać ustawienia panelu fotowoltaicznego względem słońca wyłącznie w celu obniżenia temperatury. Ilość światła docierającego do ogniw fotowoltaicznych nadal pozostaje jednym z najważniejszych czynników decydujących o produkcji energii.

Współczynnik temperaturowy panelu fotowoltaicznego

Do określania wpływu temperatury na moc stosuje się współczynnik temperaturowy Pmax. Informuje on, o ile procent zmienia się maksymalna moc modułu fotowoltaicznego przy zmianie temperatury ogniwa o 1°C względem warunków referencyjnych. W przypadku paneli krzemowych wartość ta jest ujemna, ponieważ wzrost temperatury prowadzi do zmniejszenia maksymalnej dostępnej mocy. Dokładny parametr zależy od technologii i konstrukcji konkretnego modułu. Dla wielu paneli fotowoltaicznych można spotkać wartości mieszczące się w przybliżeniu w zakresie od -0,3 do -0,5%/°C. Współczynnik warto więc sprawdzić w karcie technicznej konkretnego modelu zamiast przyjmować jedną wartość dla wszystkich paneli słonecznych. 

Im współczynnik jest bliższy zeru, tym mniejszy będzie wpływ wysokiej temperatury na maksymalną moc. Panel o wartości -0,30%/°C będzie tracił wraz ze wzrostem temperatury mniej mocy niż konstrukcja o współczynniku -0,45%/°C, jeżeli pozostałe warunki pozostaną takie same. Parametr ten pozwala więc lepiej porównać zachowanie modułów w wysokich temperaturach. Nie należy jednak oceniać panelu wyłącznie na jego podstawie. Znaczenie mają również sprawność ogniw, moc znamionowa, konstrukcja modułu, dopuszczalne napięcia i prądy oraz zgodność z urządzeniem, które ma być zasilane.

Ile mocy może stracić panel?

Skalę wpływu temperatury można pokazać na przykładzie panelu o mocy znamionowej 400W i współczynniku temperaturowym wynoszącym -0,35%/°C. Jeżeli temperatura ogniwa wzrośnie z referencyjnych 25°C do 45°C, różnica wyniesie 20°C. Wynikająca wyłącznie z temperatury redukcja maksymalnej mocy będzie wtedy wynosiła około 7%. Przy zachowaniu pozostałych warunków odpowiadających pomiarowi referencyjnemu oznaczałoby to około 372W zamiast 400W. Jeżeli temperatura ogniwa wzrośnie do 60°C, różnica względem warunków STC wyniesie już 35°C. Strata związana z temperaturą wzrosłaby wtedy do około 12,25%, co odpowiada mocy około 351W.

400W × (1 − 0,0035 × 20) ≈ 372W

Jest to jednak przykład teoretyczny pokazujący wyłącznie wpływ temperatury. W rzeczywistych warunkach jednocześnie zmieniają się natężenie promieniowania, kąt padania światła, temperatura, wiatr, zachmurzenie oraz sposób ustawienia panelu. Z tego powodu nie należy oczekiwać, że panel o mocy 400W przy temperaturze ogniwa 45°C będzie zawsze dostarczał dokładnie 372W. Może generować zarówno mniej, jak i chwilowo więcej energii w zależności od pozostałych parametrów pracy. Obliczenie pozwala natomiast zrozumieć, dlaczego nawet przy bardzo dobrym nasłonecznieniu moc może pozostawać poniżej wartości znamionowej.

Czy upał oznacza słabą produkcję energii?

Spadek sprawności wynikający z temperatury nie oznacza, że panele fotowoltaiczne latem produkują mało energii. Długie dni, wysoka pozycja słońca i intensywne promieniowanie mogą zapewnić bardzo wysoki całkowity uzysk nawet wtedy, gdy nagrzewanie ogniw ogranicza chwilową moc. Trzeba więc odróżnić moc osiąganą w konkretnym momencie od ilości energii wyprodukowanej w ciągu całego dnia. Panel może przez kilka godzin działać poniżej swojej mocy znamionowej, a mimo tego dostarczyć więcej energii niż podczas chłodniejszego dnia z częstym zachmurzeniem. Temperatura jest jednym z wielu czynników wpływających na pracę fotowoltaiki. Nie można analizować jej w oderwaniu od ilości dostępnego promieniowania słonecznego.

Dobrym przykładem jest porównanie chłodnego i słonecznego dnia wiosną z upalnym dniem w środku lata. W pierwszym przypadku niższa temperatura ogniw sprzyja osiąganiu wysokiej chwilowej mocy. Latem panel może jednak pracować przy dobrym nasłonecznieniu przez znacznie dłuższy czas, dzięki czemu całkowita ilość uzyskanej energii pozostaje wysoka. Sam fakt, że panel nagrzewa się do 50 lub 60°C, nie oznacza więc, że jego wykorzystanie przestaje mieć sens. Wysoka temperatura powoduje określoną stratę, ale intensywne promieniowanie nadal może zapewnić bardzo dobre warunki do ładowania.

Jak ograniczyć straty podczas upału?

W przypadku przenośnych paneli jednym z najprostszych sposobów ograniczenia nadmiernego nagrzewania jest zapewnienie odpowiedniej wentylacji. Panel powinien być ustawiony zgodnie z zaleceniami producenta i mieć możliwość swobodnego oddawania ciepła do otoczenia. Warto unikać układania go płasko na silnie nagrzanym asfalcie, blasze lub innej powierzchni magazynującej ciepło. Naturalny przepływ powietrza z tyłu modułu pomaga ograniczyć wzrost temperatury. Korzystny może być również wiatr, który zwiększa wymianę ciepła między panelem a otoczeniem. Nie ma natomiast potrzeby aktywnego polewania panelu wodą lub stosowania prowizorycznych systemów chłodzenia.

Jednocześnie nie należy poświęcać prawidłowego ustawienia względem słońca wyłącznie w celu obniżenia temperatury. Niewielka korzyść związana z chłodniejszą powierzchnią może zostać szybko utracona, jeżeli do ogniw zacznie docierać wyraźnie mniej promieniowania. Trzeba także unikać zacienienia nawet niewielkiej części panelu przez drzewa, elementy pojazdu, wyposażenie campingu lub inne przedmioty znajdujące się w pobliżu. Znaczenie ma również czystość powierzchni ogniw. Kurz, pył i inne zabrudzenia ograniczają ilość promieniowania docierającego do panelu i dodatkowo obniżają produkcję energii.

Temperatura a ładowanie stacji zasilania

Wpływ temperatury można łatwo zauważyć podczas ładowania stacji zasilania BLUETTI z paneli fotowoltaicznych. Panel o mocy znamionowej 200W nie musi stale przekazywać do stacji dokładnie 200W, nawet przy bezchmurnym niebie. Na aktualną moc wejściową wpływa jednocześnie temperatura ogniw, intensywność promieniowania, kąt ustawienia modułu, pora dnia, częściowe zacienienie oraz straty występujące w całym układzie. Wynik widoczny na ekranie stacji może więc zmieniać się w ciągu dnia mimo pozornie podobnej pogody. Niższa od wartości znamionowej moc wejściowa nie musi świadczyć o nieprawidłowym działaniu panelu.

Podczas planowania czasu ładowania warto traktować moc znamionową panelu jako parametr określony dla konkretnych warunków testowych, a nie wartość gwarantowaną przez cały okres pracy. Rano i wieczorem ograniczeniem będzie przede wszystkim słabsze promieniowanie oraz mniej korzystny kąt padania światła. W środku słonecznego dnia większego znaczenia może nabrać wzrost temperatury ogniw. Przy częściowym zachmurzeniu moc może natomiast szybko zmieniać się wraz z przesuwaniem się chmur. Z tego powodu obliczony czas ładowania stacji na podstawie samego dzielenia jej pojemności przez znamionową moc panelu powinien być traktowany jako wartość orientacyjna.

Co jeszcze wpływa na produkcję energii z paneli fotowoltaicznych?

Temperatura jest tylko jednym z czynników decydujących o rzeczywistej wydajności panelu fotowoltaicznego. Bardzo duże znaczenie ma intensywność promieniowania słonecznego, ponieważ nawet idealnie chłodny moduł nie osiągnie wysokiej mocy przy silnym zachmurzeniu. Istotny jest również kąt padania promieni i orientacja panelu względem słońca. W przypadku konstrukcji przenośnych ustawienie można zmieniać w ciągu dnia, dzięki czemu moduł dłużej pracuje w korzystnych warunkach. Produkcję ogranicza także zacienienie, zabrudzenie powierzchni oraz straty powstające w przewodach i elektronice odpowiedzialnej za przetwarzanie energii. Wszystkie te elementy wpływają na wynik widoczny na wejściu solarnym stacji zasilania. 

Wysoka temperatura rzeczywiście obniża sprawność paneli fotowoltaicznych , ale nie oznacza, że gorący letni dzień jest dla nich niekorzystnym okresem pracy. Najważniejszym źródłem energii pozostaje promieniowanie słoneczne, którego latem jest zazwyczaj dużo, natomiast nagrzewanie ogniw powoduje częściowe ograniczenie możliwej do uzyskania mocy. Skala tego zjawiska zależy przede wszystkim od temperatury samych ogniw oraz współczynnika temperaturowego konkretnego modułu. Odpowiednie ustawienie, dobra wentylacja, czysta powierzchnia i unikanie zacienienia pozwalają wykorzystać dostępne warunki możliwie efektywnie. Podczas ładowania stacji zasilania BLUETTI warto natomiast pamiętać, że moc zapisana w specyfikacji panelu jest wartością znamionową, a rzeczywista produkcja energii zawsze zależy od warunków panujących w danym momencie.