Studiul efectului cauzat de prezenţa depunerilor pe suprafaţa celulelor fotovoltaice

Transcriere

1 Studiul efectului cauzat de prezenţa depunerilor pe suprafaţa celulelor fotovoltaice Loredana DOROBANŢU, Mihai O. POPESCU, Claudia POPESCU Abstract The paper presents studies about the effects that the surface depositions have on the photovoltaic panels. The thermographic examination method, that highlights the presence of certain heat points in the covered areas, is used. The histograms associated with the images show the magnitude of the heatings, as well as the specific dispersal that are in relation with the number and size of the covered areas. The result of the local temperature increases is found within the decrease of the global output and the electric energy production. The simulation, at the end of the paper, presents the temperature map for the area affected by the presence of the depositions. Keywords: solar cells, depositions, heating, model, losses, simulation, termovision 1. Introducere Depunerile lăsate de păsări, poluarea și praful cauzat de traficul rutier sau din activitățile agricole se acumulează rapid și pot reduce semnificativ randamentul celulelor fotovoltaice în decursul unei veri secetoase. Alți factori precum orientarea panourilor sau materialul din care este compusă suprafața lor, pot ajuta la depunerea impurităților. Regulile de întreținere ale panourilor fotovoltaice sunt simple, importantă este menținerea suprafeței lor permanent curată. Trebuie înlăturate cât mai des depunerile lăsate de păsări sau frunzele căzute, deoarece celula acoperită se supraîncălzește datorită energiei celorlalte celule din jurul ei, iar această situație duce practic la un defect permanent sau de lungă durată [1]. Trebuie ținut cont și de faptul că panourile nu trebuie să fie umbrite, deoarece și cea mai mică porțiune umbrită a unui panou poate duce la o scădere a randamentului cu până la 50 %. 2. Determinări experimentale Determinările experimentale au fost realizate pe panouri policristaline Schott Solar, model ASE-275-DG-FT, aflate în cadrul centralei fotovoltaice a Facultății de Inginerie Electrică, a Universității Politehnica din București, a cărei putere totală este de Loredana DOROBANŢU, Drd.ing.; Mihai O. POPESCU, Prof.univ.dr.; Claudia POPESCU, Prof.univ.dr. Univesitatea Politehnica Bucureşti 30 kwh [6]. Cu ajutorul camerei cu termoviziune marca Fluke, model TI20, s-a observat că orice depunere sau defect în structura panoului duce la o încălzire a zonei afectate în comparație cu restul suprafeței neafectate a acestuia. Astfel, au fost luate în studiu anumite porțiuni ale celulelor solare pe care se aflau depuneri lăsate de păsări, care pot cauza atât defecte temporare prin simpla lor prezență pe suprafața celulei fotosensibile, cât și defecte permanente, la nivel de structură a suprafeței afectate [5]. Pentru a avea o imagine și mai clară asupra efectelor negative pe care le au depunerile pe suprafețe fotosensibile s-a realizat o simulare a unei celule solare în mediul de lucru Comsol Multiphysics. O parte din suprafața activă a celulei este acoperită de un strat opac ce nu lasă lumina să treacă, simulându-se astfel un defect de suprafață artificial. 3. Rezultatele obținute în urma măsurătorilor Imaginile și histogramele obținute cu ajutorul camerei cu termoviziune sunt prezentate mai jos. Pentru realizarea experimentală am luat în discuţie trei cazuri, şi anume: primul, când celulele fotovoltaice nu sunt afectate de prezenţa depunerilor, cel de-al doilea, în care sunt prezente urme uşoare de depuneri şi ultimul caz, cel în care au fost studiate depuneri consistente aflate

2 ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 59 (2011), Nr pe suprafaţa panourilor fotovoltaice. Fig. 1 prezintă imaginea termografică a unei suprafeţe fără depuneri a unui panou fotovoltaic aflat în condiţii de exploatare. panou fotovoltaic, aflat în aceleaşi condiţii de exploatare ca şi primul, şi care nu a fost afectat de prezenţa depunerilor. După cum se poate observa în fig. 4, harta temperaturilor prezentată de imagine este omogenă, fără mari salturi de temperatură, media situându-se undeva la 32 C. Figura1. Imaginea termografică a primului panou curat În cea de-a doua figură, este prezentată imaginea reală a panoului aflat în studiu. Dintr-o simplă analiză vizuală a acestui panou, se poate constata că suprafaţa vizată nu prezintă depuneri. Figura 4. Imagine termografică a celui de-al doilea panou curat Fig. 5 redă diagrama corespunzătoare imaginii termografice a celui de-al doilea panou fotovoltaic, cu aceeaşi distribuţie omogenă a temperaturilor ca şi în primul caz. Figura 2. Imaginea reală a unui panou curat Pentru prima imagine termografică, histograma din fig. 3 furnizează datele despre temperaturile înregistrate pe suprafaţa primului panou solar centralizate într-o diagramă statistică. Figura 5. Histograma corespunzătoare celui de-al doliea panou curat În cel de-al doilea caz, se observă prezenţa urmelor de depunere pe suprafaţa panoului fotovoltaic, deoarece imaginea termografică din fig. 6 ilustrează aşa numitele puncte calde din zonele afectate de acoperiri. Figura 3. Histograma corespunzătoare primului panou curat Pentru o mai bună comparaţie, s-a repetat primul set de măsurători pentru un al doilea Figura 6. Imaginea termografică a unui panou cu urme de depuneri

3 44 ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 59 (2011), Nr. 2 Imaginea reală a panoului pe a cărui suprafaţă se găsesc urmele de depuneri din fig. 7 face legătura cu imaginea termografică furnizată de camera cu termoviziune. Imaginea reală a depunerii din fig. 10 este în corelaţie ca formă şi dimensiune cu cea oferită de camera termografică. Figura 7. Imaginea reală a panoului cu urme de depuneri Prezenţa unor temperaturi mai ridicate pe suprafaţa panoului analizat se evidenţiază în histograma din fig. 8, unde valoarea maximă atinge 33,5 C. Figura 10. Imaginea reală a depunerii consistente Valorile ridicate ale temperaturilor înregistrate în zona acoperită sunt evidenţiate de histograma din fig. 11, unde maximul atinge valoarea de 37,5 C. Figura 8. Histograma corespunzătoare panoului cu urme de depuneri Ultimul caz luat în discuţie este cel al depunerilor consistente care pot aparea pe suprafaţa fotosensibilă a unui panou solar. În imaginea capturată cu ajutorul camerei termografice din fig. 9, încălzirile care apar din cauza prezenţei depunerii pot fi uşor detectate şi analizate datorită diferenţei mari de temperatură. Figura 9. Imaginea termografică a unei depuneri consistente pe un panou Figura 11. Histograma corespunzătoare imaginii cu depunere consistentă Toate rezultatele obţinute din măsurătorile efectuate şi din datele prelucrate au fost centralizate în tabelul de mai jos. Tabelul 1. Prezentarea celor trei cazuri analizate Tipul depunerii Temperatura medie a panoului Primul panou curat (fig.1) Al doilea panou curat (fig.4) Panou cu urme de depunere (fig.6) Panou cu depunere consistentă (fig..9) Cea mai ridicată temperatură Diferenţa dintre Tmax şi Tmin 31,25 32,10 1,60 30,75 31,90 1,70 30,50 33,40 4,90 29,00 37,50 9,50 Pentru a întelege fenomenul de încălzire ce are loc în zonele celulelor fotovoltaice afectate de prezenţa depunerilor, s-a realizat un model al celulei fotovoltaice în soft-ul Comsol Multiphysics. Modelul realizat încercă să redea cât mai bine efectul de

4 ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 59 (2011), Nr încălzire produs în interiorul unei celule solare ce are porţiuni acoperite ca în fig. 12. Figura 12. Repartiția temperaturilor în interiorul celulei fotovoltaice acoperite (secțiune transversală) 4. Prezentarea rezultatelor obținute Au fost studiate acele celule pe suprafaţa cărora se aflau depuneri lăsate de păsări, care prin simpla lor prezență joacă rolul unor defecte temporare sau chiar permanente. Imaginile de mai sus ilustrează foarte bine diferența de temperatură existentă între suprafețele acoperite și cele curate. Pe harta temperaturilor descrisă de imaginile luate cu camera cu termoviziune, se observă o diferență de aproximativ 8 C, și anume de la 30 o C (în zonele curate - fig. 3, fig. 5.) până la 37,5 C (în zonele cu depuneri consistente - fig. 11). Pentru o mai bună comparație au fost realizate imagini termografice ale unor panouri fotovoltaice curate (vezi fig. 1 și fig. 4). Toate imaginile redate de camera cu termoviziune conțin o rețea cu valori ale temperaturii ce au o corespondență în histogramele echivalente. În aceste cazuri diferența dintre minimul și maximul temperaturii de pe suprafața panoului nu depășește 2 C. De asemenea în partea de jos a panoului se înregistrează temperaturi mai mari cu 0,5 C, din cauza influenței suprafeței pe care sunt montate panourile. În fig. 6, este prezentat cazul unui panou cu urme de depunere. Acest tip de acoperire parțială se comportă asemănător unui defect temporar, și nu afectează foarte mult, ținând cont și de datele furnizate de histograma corespunzătoare (fig. 8). Se observă că diferența de temperatură dintre zonele afectate și cele curate este de cel mult 5 C. Chiar dacă pierderile sunt mai mici, ele sunt vizibile și în această situație datorită punctelor mai calde de pe suprafața celulelor. Ultimul caz luat în studiu, acela în care depunerea este una consistentă (fig. 9), poate fi asemănat cu un defect permanent pe suprafața celulei, care duce la încălzirea locală, iar înlăturarea acesteia este destul de dificilă fără intervenții din exterior. Aceste măsurători arată că toate zonele cu pierderi cauzate de prezența unor depuneri pot fi ușor detectate cu ajutorul camerei cu termoviziune. Variația de temperatură de pe suprafața panoului este indicată și prin histograma furnizată de camera cu termoviziune (fig. 11), unde temperatura maximă înregistrată pe suprafața panoului este de asemenea 37,5 C, valoare ce apare în zona în care depunerea este cea mai densă. Pentru a facilita compararea lor, rezultatele obţinute au fost introduse în Tabelul 1, pentru toate cele patru cazuri discutate. Modelul creat în mediul Comsol Multiphysics a fost unul bidimensional (2D), în scopul de a monitoriza evoluția temperaturii celulei, având în vedere secțiunea transversală a acesteia. Simularea a fost realizată pentru o celulă fotovoltaică de siliciu care are o rețea de 2546 de noduri și de grade de libertate. Pentru a efectua simularea, au fost utilizate următoarele module ale soft-ului Comsol Multiphysics: Constructive Media și Electrostatics. În fig. 12, este prezentată evoluția temperaturii în secțiune transversală, printr-o celulă, cu un defect artificial impus. Stratul opac prezent pe suprafața modelului simulat corespunde depunerii de pe celula fotovoltaică, cauzând apariția zonelor calde în zona de contact și în apropierea lor. Astfel, în elementul cel mai slab luminat al celulei apare o creştere a caderii de tensiune pentru a menţine constantă valoarea curentului corespunzător celulei afectate. Această creştere a căderii de tensiune pe celula afectată, produce o încălzire locală a materialului care intră în compoziția celulei, în cazul nostru siliciu [2]. Valorile de temperatură obținute în urma simulării sunt foarte apropiate de cele măsurate cu camera de termoviziune. În jurul zonei acoperite cu impurități, sunt înregistrate cele mai ridicate valori ale temperaturii, care afectează în cele din urmă

5 46 ELECTROTEHNICA, ELECTRONICA, AUTOMATICA, 59 (2011), Nr. 2 întreaga celulă, după cum este arătat în simulare. Aceste valori crescute ale căderilor de tensiune din zona cu depuneri produc pierderi în sistem. O soluție pentru a minimiza pierderile cauzate de depuneri pe suprafața panourilor ar fi aplicarea unei tehnologii de autocurățare. Au fost făcute ample cercetări în această direcție, în scopul de a găsi o modalitate de a curăța mizeria acumulată, în special particulele de praf și nisip, care sunt întotdeauna prezente în zone aride. Această tehnologie de auto-curățare implică aplicarea unui material transparent, depus pe sticla sau pe folia de plastic transparentă cu care se acoperă panourile. Senzorii instalați în acest strat monitorizează nivelul prafului de pe suprafața panoului și energizează materialul, atunci când concentrația de particule ajunge la un nivel critic. Impulsul de încărcare electric este transmis pe toată suprafață materialului, respingând praful și transportându-l spre marginile ecranului. În aproximativ două minute, prin acest procedeu se elimină aprox. 90 % din praful depus pe un panou solar [3]. 5. Concluzii Simulările efectuate în Comsol Multiphysics arată faptul că atunci când o celulă este acoperită, temperatura sa internă crește, și astfel, apar pierderi. Incălzirea celulei fotovoltaice cu 10 C a fost, de asemenea, observată prin măsurători experimentale. Acestea au fost efectuate în zona acoperită a celulei fotovoltaice și sunt ilustrate de imaginile furnizate de către camera cu termoviziune. Astfel, studiile asupra comportamentului celulelor fotovoltaice care intră sub incidența impurităților arată că aceste situații ar trebui să fie evitate pe cât posibil și că pierderile apar inevitabil în sistem, și uneori pot reprezenta jumătate sau chiar mai mult din energia care ar trebui să fie produsă de un sistem operațional în condiții normale. Modul în care panourile fotovoltaice afectate de depuneri se comportă este foarte important mai ales atunci când acestea sunt plasate în locuri unde evitarea acestor depozite este imposibilă (zone de deșert, cu trafic rutier intens în apopiere, zone agricole). Curățarea automată a modulelor cu tehnologii specializate, care constau în acoperirea cu straturi care pot respinge particulele de praf este cea mai eficientă soluție în prezent. Referințe [1] MESSENGER R.A., VENTRE J., Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, Florida [2] SICK F., ERGE Th., Book for Architects and Engineers, Earthscan Publications Ltd, [3] MAZUNDER M.K., Development of a Transparent Self-Cleaning Dust Shield for Solar Panel, în Particulate Science and Technology Journal,vol. 25, no.1, pp. 5-21, March [4] ACCIANI G., FALCONE O., VERGURA S., Defects in Poly-Silicon and Amorphous Silicon Solar Cells, in 8 th Int. Conf. ICREPQ 10, Granada, Spain. [5] ACCIANI G., SIMIONE G.B., VERGURA S., Thermographic Analysis of Photovoltaic Panels, in 8th Int. Conf. ICREPQ 10, Granada, Spain. [6] CRĂCIUNESCU A., POPESCU M.O. and POPESCU C.L., Monitoring results of the 30 kwp PV grid-connected power system installed at University Politehnica of Bucharest, in 7th Int. Conf. ICREPQ 09, Granada, Spain.