شاید تصور کنید هرچه خورشید شدیدتر بتابد و دمای هوا بالاتر باشد، پنل خورشیدی هم برق بیشتری تولید میکند؛ اما واقعیت کمی متفاوت است!
در یک روز بسیار گرم تابستانی، ممکن است تابش خورشید در شرایط ایدهآلی قرار داشته باشد، اما افزایش دمای پنل خورشیدی باعث کاهش ولتاژ و در نتیجه کاهش توان خروجی ماژول شود. به همین دلیل، یک روز خنک و آفتابی میتواند برای عملکرد پنلهای فتوولتائیک شرایط بهتری نسبت به یک روز بسیار گرم داشته باشد.
این موضوع بهویژه در مناطق گرم و خشک ایران اهمیت بیشتری پیدا میکند؛ جایی که نیروگاههای خورشیدی در کنار دریافت تابش مناسب، با افزایش قابلتوجه دمای ماژولها نیز مواجه هستند.
اما چرا افزایش دما باعث کاهش توان پنل میشود؟ و دمای پنل خورشیدی چه تأثیری بر میزان تولید برق نیروگاه دارد؟ در ادامه بررسی میکنیم که چرا برای ارزیابی عملکرد یک سیستم فتوولتائیک، تنها میزان تابش خورشید کافی نیست و دمای ماژول نیز باید بهعنوان یکی از پارامترهای مهم در نظر گرفته شود.
خورشید منبع اصلی انرژی در یک نیروگاه فتوولتائیک است؛ بنابراین شاید منطقی به نظر برسد که هرچه تابش خورشید بیشتر و هوا گرمتر باشد، پنل خورشیدی نیز توان بیشتری تولید کند. اما در عمل، ماژولهای فتوولتائیک رفتار متفاوتی دارند.
افزایش تابش خورشیدی معمولاً جریان تولیدی سلول را افزایش میدهد، اما افزایش دمای سلول میتواند باعث کاهش ولتاژ و در نتیجه افت توان خروجی شود. به همین دلیل، در تحلیل عملکرد پنل خورشیدی باید تابش و دما را همزمان در نظر گرفت، نه اینکه تنها تعداد ساعات آفتابی یا شدت تابش معیار ارزیابی عملکرد باشد.
این موضوع در نیروگاههای خورشیدی مناطق گرم و خشک اهمیت بیشتری دارد؛ زیرا دمای واقعی سلول میتواند به شکل محسوسی بالاتر از دمای هوای محیط باشد.
یکی از نکات مهم در تحلیل عملکرد سیستم فتوولتائیک این است که دمای محیط با دمای سلول خورشیدی یکسان نیست.
ماژول در معرض تابش خورشید قرار دارد و بخشی از انرژی تابشی دریافتی به گرما تبدیل میشود. در نتیجه، دمای سلول میتواند بهطور قابل توجهی از دمای محیط بالاتر باشد.
دمای کاری ماژول تحت تأثیر مجموعهای از عوامل قرار دارد، از جمله:
به همین دلیل، برای پیشبینی دقیق عملکرد یک نیروگاه خورشیدی، استفاده از دمای سلول یا ماژول اهمیت بیشتری نسبت به استفاده صرف از دمای هوا دارد.
مدلهای معتبر شبیهسازی عملکرد نیروگاه، از جمله مدلهای PVWatts و Sandia، نیز دمای سلول و شرایط محیطی را در محاسبه توان خروجی ماژول لحاظ میکنند.
برای درک اثر دما، باید رفتار چند پارامتر اصلی الکتریکی ماژول را بررسی کنیم.
با افزایش دمای سلول، ولتاژ مدار باز (Voc) کاهش پیدا میکند. این یکی از مهمترین اثرات افزایش دما بر عملکرد الکتریکی سلولهای فتوولتائیک است.
از آنجا که توان الکتریکی از رابطه زیر به دست میآید:
P = V × I
کاهش ولتاژ میتواند به کاهش توان خروجی ماژول منجر شود.
جریان اتصال کوتاه نیز تحت تأثیر دما قرار میگیرد، اما حساسیت آن نسبت به تغییرات دما بسیار کمتر از ولتاژ است و در سلولهای سیلیکونی معمولاً با افزایش دما اندکی افزایش پیدا میکند.
بنابراین، افزایش جزئی جریان نمیتواند اثر کاهش ولتاژ را جبران کند.
مهمترین نتیجه این رفتار، کاهش توان نقطه بیشینه (Maximum Power – Pmax) با افزایش دمای سلول است.
در واقع:
افزایش دمای سلول → کاهش ولتاژ → کاهش Pmax
به همین دلیل، پنل خورشیدی در شرایط دمای پایینتر، در صورت وجود تابش کافی، میتواند از نظر توان لحظهای عملکرد بهتری داشته باشد.
یکی از پارامترهای مهم در دیتاشیت هر ماژول، ضریب دمایی توان (Temperature Coefficient of Pmax) است.
این ضریب نشان میدهد توان خروجی ماژول با افزایش دمای سلول نسبت به شرایط مرجع، با چه نرخی تغییر میکند.
برای مثال، اگر ضریب دمایی یک پنل برابر با:
−0.40 %/°C
باشد، افزایش دمای سلول به میزان 10 درجه سانتیگراد، در یک تقریب خطی، میتواند باعث کاهش حدود 4 درصدی توان نسبت به شرایط مرجع شود.
نکته مهم این است که این محاسبه باید بر اساس دمای سلول انجام شود، نه صرفاً دمای هوای محیط.
برای نمونه، اگر دمای سلول از 25°C به 55°C افزایش پیدا کند:
ΔT = 55 − 25 = 30°C
و با ضریب دمایی −0.40%/°C:
افت تقریبی توان = 30 × 0.40 = 12%
بنابراین، یک ماژول با توان نامی 550 وات، در چنین شرایطی و با فرض خطی بودن ضریب دمایی، ممکن است حدود 12 درصد افت توان ناشی از افزایش دما داشته باشد.
این محاسبه یک تقریب است و عملکرد واقعی به تابش، مشخصات ماژول و سایر شرایط کاری نیز وابسته است.
اینجا همان نکتهای است که معمولاً باعث سوءبرداشت میشود.
برای تولید برق فتوولتائیک، تابش خورشیدی بالا مطلوب است؛ اما دمای بالای سلول مطلوب نیست.
بنابراین، اگر دو روز دارای تابش مناسب باشند ولی در یکی از آنها دمای سلول پایینتر باشد، ماژول میتواند در روز خنکتر توان لحظهای بالاتری ارائه دهد.
به همین دلیل، عبارت «هرچه هوا گرمتر باشد، پنل بهتر کار میکند» از نظر فنی صحیح نیست.
آنچه برای عملکرد مطلوب اهمیت دارد، ترکیب تابش مناسب و دمای کاری مناسب سلول است.
در بسیاری از مناطق ایران، بهویژه مناطق گرم و خشک، شرایط تابشی بسیار مناسبی برای توسعه نیروگاههای خورشیدی وجود دارد. با این حال، دمای بالای محیط در ماههای گرم سال میتواند باعث افزایش قابل توجه دمای ماژولها شود.
در مناطقی مانند اصفهان، یزد و کرمان، در ماههای گرم سال از جمله تیر و مرداد، ممکن است پنلها تحت تابش شدید و همزمان دمای کاری بالایی قرار بگیرند.
در چنین شرایطی، افزایش تابش باعث افزایش جریان تولیدی میشود، اما افزایش دمای سلول همزمان باعث کاهش ولتاژ و افت توان میشود.
به همین دلیل، در ارزیابی عملکرد نیروگاههای خورشیدی باید اثر دما در کنار تابش بررسی شود.
خیر؛ پایینتر بودن دمای پنل بهتنهایی به معنی تولید انرژی بیشتر در زمستان نیست.
در اینجا باید میان توان و انرژی تفاوت قائل شد.
توان (Power) نرخ تولید برق در یک لحظه است و معمولاً با W، kW یا MW بیان میشود.
اما انرژی (Energy) مقدار برق تولیدشده طی یک بازه زمانی است و با Wh، kWh یا MWh بیان میشود.
دمای پایینتر میتواند شرایط الکتریکی مطلوبتری برای ماژول ایجاد کند و افت توان حرارتی را کاهش دهد؛ اما عواملی مانند کاهش طول روز، تغییر ارتفاع خورشید، میزان تابش دریافتی و شرایط جوی نیز بر انرژی روزانه و ماهانه نیروگاه تأثیر دارند.
بنابراین نمیتوان صرفاً بر اساس دمای پایینتر نتیجه گرفت که تولید انرژی در زمستان بیشتر خواهد بود.
دمای ماژول تنها به آبوهوا وابسته نیست. طراحی و نحوه نصب پنل نیز میتواند بر رفتار حرارتی آن تأثیر بگذارد.
وجود فضای کافی برای جریان طبیعی هوا در پشت ماژول میتواند به دفع بهتر حرارت کمک کند. از سوی دیگر، نصب ماژول در شرایطی که تهویه پشت آن محدود باشد، میتواند باعث افزایش دمای کاری شود.
این مسئله در طراحی نیروگاههای بزرگ مقیاس اهمیت ویژهای دارد؛ زیرا تعداد بسیار زیادی ماژول در کنار یکدیگر نصب میشوند و شرایط نصب میتواند بر عملکرد حرارتی کل آرایه اثر بگذارد.
توان نامی پنل تنها یکی از پارامترهای مهم در انتخاب ماژول است. برای پروژههایی که در مناطق گرم اجرا میشوند، بررسی ضریب دمایی Pmax، Voc و سایر مشخصات الکتریکی ماژول نیز اهمیت دارد.
همچنین باید توجه داشت که مقایسه دو ماژول تنها بر اساس راندمان نامی یا توان STC، لزوماً نشاندهنده عملکرد واقعی آنها در شرایط محیطی یک نیروگاه نیست.
در یک طراحی حرفهای، عملکرد ماژول باید در شرایط واقعی پروژه شامل تابش، دمای محیط، دمای سلول، سرعت باد و شرایط نصب ارزیابی شود.
عملکرد پنل خورشیدی نتیجه برهمکنش چندین پارامتر مختلف است و نمیتوان آن را تنها بر اساس شدت تابش خورشید یا دمای محیط پیشبینی کرد.
افزایش تابش خورشیدی معمولاً موجب افزایش جریان تولیدی میشود، اما افزایش دمای سلول میتواند با کاهش ولتاژ و در نهایت کاهش Pmax همراه باشد. به همین دلیل، در شرایطی که تابش خورشید مناسب است، پایینتر بودن دمای سلول میتواند به عملکرد الکتریکی مطلوبتر ماژول کمک کند.
در نتیجه، برای ارزیابی دقیق عملکرد نیروگاه خورشیدی، پارامترهایی مانند تابش روی صفحه ماژول، دمای سلول، ضریب دمایی پنل، شرایط نصب و عوامل محیطی باید بهصورت همزمان مورد بررسی قرار گیرند.
به بیان ساده، برای پنل خورشیدی، خورشید بیشتر همیشه به معنی توان بیشتر نیست؛ بلکه تابش مناسب در کنار دمای کاری مناسب سلول، شرایط مطلوبتری برای تولید برق ایجاد میکند.
