Эффективность кремниевого солнечного элемента уменьшается при повышении температуры панели: проанализируйте физические процессы (изменение ширины запрещённой зоны, увеличение рекомбинации, изменение сопротивления) приводящие к этому эффекту, оцените количественно ожидаемую потерю мощности при росте температуры на 10 °C и предложите инженерные методы для минимизации температурных потерь в полевых условиях.
Эффективность кремниевого солнечного элемента уменьшается при повышении температуры панели: проанализируйте физические процессы (изменение ширины запрещённой зоны, увеличение рекомбинации, изменение сопротивления) приводящие к этому эффекту, оцените количественно ожидаемую потерю мощности при росте температуры на 10 °C и предложите инженерные методы для минимизации температурных потерь в полевых условиях.
Похожие вопросы
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
Физика процессов
- Сужение запрещённой зоны:
- Варшни-параметризация для кремния: Eg(T)=Eg(0)−αT2T+β,E_g(T)=E_g(0)-\frac{\alpha T^2}{T+\beta},Eg (T)=Eg (0)−T+βαT2 , где для Si примерно Eg(0)≈1.17 eV, α≈4.73⋅10−4 eV/K, β≈636 KE_g(0)\approx1.17\ \text{eV},\ \alpha\approx4.73\cdot10^{-4}\ \text{eV/K},\ \beta\approx636\ \text{K}Eg (0)≈1.17 eV, α≈4.73⋅10−4 eV/K, β≈636 K.
- При росте TTT EgE_gEg уменьшается, что увеличивает тёмный ток насыщения I0I_0I0 (приблизительно I0∝exp(−Eg/kT)I_0\propto\exp(-E_g/kT)I0 ∝exp(−Eg /kT)), поэтому уменьшается VocV_{oc}Voc через соотношение: Voc≈kTqlnIscI0.V_{oc}\approx\frac{kT}{q}\ln\frac{I_{sc}}{I_0}.Voc ≈qkT lnI0 Isc . - Увеличение рекомбинации:
- Повышение температуры ускоряет термогенерацию и сужает время жизни носителей (SRH, поверхностные и границеые рекомбинации) — это дополнительно увеличивает I0I_0I0 и снижает VocV_{oc}Voc и FFFFFF.
- Изменение сопротивлений:
- Металлические токосъёмные элементы и проводники имеют положительный температурный коэффициент сопротивления (медь ≈ +0.39%+0.39\%+0.39%/°C), что повышает последовательное сопротивление RsR_sRs и снижает FFFFFF.
- Подложка/контакты и подложная проводимость могут вести себя сложнее, но вклад в уменьшение PmaxP_{max}Pmax обычно меньший, чем вклад снижения VocV_{oc}Voc .
Квантификация потерь
- Эмпирический температурный коэффициент мощности: αP≈−0.4%⋯−0.5%/∘\alpha_P\approx -0.4\% \dots -0.5\%/^\circαP ≈−0.4%⋯−0.5%/∘C для кристаллического Si (PERC, mono/ poly).
- Для прироста температуры ΔT=+10∘\Delta T=+10^\circΔT=+10∘C ожидаемая относительная потеря мощности: ΔP/P≈αPΔT≈−4%⋯−5%.\Delta P/P\approx \alpha_P\Delta T\approx -4\%\dots -5\%.ΔP/P≈αP ΔT≈−4%⋯−5%. - Пример: панель 300 W при росте на 10∘10^\circ10∘C даст при αP=−0.45%/∘\alpha_P=-0.45\%/^\circαP =−0.45%/∘C мощность P≈300⋅(1−0.0045⋅10)=300⋅0.955=286.5 WP\approx300\cdot(1-0.0045\cdot10)=300\cdot0.955=286.5\ \text{W}P≈300⋅(1−0.0045⋅10)=300⋅0.955=286.5 W (потеря 13.5 W13.5\ \text{W}13.5 W).
- Простая теоретическая оценка через VocV_{oc}Voc :
- Для кристаллической ячейки типично dVoc/dT≈−2 мВ/∘dV_{oc}/dT\approx -2\ \text{мВ}/^\circdVoc /dT≈−2 мВ/∘C на ячейку; для модуля из 60 ячеек это ≈−120 мВ/∘\approx-120\ \text{мВ}/^\circ≈−120 мВ/∘C. При модульном Voc∼36 VV_{oc}\sim36\ \text{V}Voc ∼36 V относительная потеря VocV_{oc}Voc ≈ −0.33%/∘-0.33\%/^\circ−0.33%/∘C; вместе с небольшим ростом IscI_{sc}Isc (+0.04%/∘+0.04\%/^\circ+0.04%/∘C) и падением FFFFFF даёт итоговый αP\alpha_PαP в указанном диапазоне.
Инженерные меры для минимизации температурных потерь (полевая практика)
- Пассивное охлаждение:
- Оставлять зазор для естественной конвекции между панелью и крышей/основанием (установки на стойках, приподнятый монтаж).
- Использовать светлые/отражающие поверхности под панелью (уменьшает подогрев от нагрева подложки).
- Обеспечить достаточную вентиляцию по периметру массива (прямой эффект на снижение температуры ячеек на несколько °C).
- Активные и интегрированные решения:
- PV/T (комбинация фотоэлектрики и теплотехники) — отвод тепла жидкостью (водяное охлаждение) даёт существенное снижение температуры и возможность рекуперации тепла.
- Прямое воздушное принудительное охлаждение (вентиляторы) — для малых систем/критических площадок.
- Выбор и конструкция модуля:
- Использовать технологии с меньшим температурным коэффициентом (HIT/HJT, некоторые тонкоплёночные материалы: CIGS, CdTe имеют более благоприятные αP).
- Улучшенные пассивации и низкий I0I_0I0 (PERC/HJT) снижают влияние роста TTT на VocV_{oc}Voc .
- Оптимизация токопровода (толще шины, уменьшение длины проводников) — уменьшает влияние роста сопротивления с температурой.
- Операционные меры:
- MPPT-инверторы для сохранения работы в оптимальной точке мощности при изменении параметров.
- Мониторинг температур и планирование эксплуатации (например, уборка снега/песка, чтобы не усилить локальный нагрев).
- Архитектурные и экономические соображения:
- Баланс затрат и выгоды: пассивная вентиляция и выбор модулей — дешевле и обычно достаточно; активное охлаждение оправдано при потребности в тепле (PV/T) или в особо горячих условиях.
Короткое практическое правило расчёта модуля: использовать P(T)≈PSTC(1+αP(T−TSTC))P(T)\approx P_{STC}\bigl(1+\alpha_P (T-T_{STC})\bigr)P(T)≈PSTC (1+αP (T−TSTC )) с αP\alpha_PαP из паспортных данных модуля (если нет — брать −0.45%/∘-0.45\%/^\circ−0.45%/∘C). Это позволяет быстро оценить потери при +10 °C как примерно 4%…5%4\% \dots 5\%4%…5% мощности.
Если нужно, могу сделать расчёт для конкретной модели модуля или показать, как оценить изменение VocV_{oc}Voc и IscI_{sc}Isc по формуле с учётом параметров.