Akumulacja zanieczyszczeń na modułach fotowoltaicznych (PV) stanowi istotny problem wpływający na ich wydajność i moc wyjściową. W badaniu przeprowadzonym w Laboratorium Przemysłowym Niskoemisyjnych i Odnawialnych Źródeł Energii Centrum Naukowo-Wdrożeniowego Politechniki Świętokrzyskiej zbadano wpływ stopnia zanieczyszczenia modułów na ich wydajność. Na podstawie analizy danych eksperymentalnych z kontrolowanych warunków i rzeczywistych środowisk określono straty mocy związane z akumulacją zanieczyszczeń oraz zaproponowano strategie ich minimalizacji. Wyniki badań wykazały, że regularne utrzymanie czystości modułów jest kluczowe dla utrzymania ich wysokiej efektywności energetycznej.
Technologia fotowoltaiczna odgrywa kluczową rolę w transformacji w kierunku odnawialnych źródeł energii, oferując zrównoważony sposób wytwarzania energii elektrycznej z promieniowania słonecznego. Jednakże efektywność systemów PV może być znacząco obniżona przez akumulację zanieczyszczeń i innych osadów na ich powierzchniach. Dotychczasowe badania laboratoryjne opisywane w literaturze wykazały, że gromadzenie zanieczyszczeń może prowadzić do znacznych strat energetycznych w systemach PV. Przykładowo osadzanie się kurzu w regionach pustynnych może zmniejszyć wydajność PV o 5 do 15% w ciągu miesiąca. W środowiskach miejskich zanieczyszczenia takie jak sadza i materia organiczna również przyczyniają się do degradacji wydajności PV. Celem przeprowadzonego w Politechnice Świętokrzyskiej (PŚk) badania było dokładne zrozumienie skali tych strat oraz wykazanie, jakie korzyści można osiągnąć poprzez regularne czyszczenie modułów.
Zakres badań
Aby ocenić wpływ zanieczyszczeń na wydajność modułów PV, przeprowadzono serię eksperymentów z użyciem zarówno czystych, jak i naturalnie zanieczyszczonych modułów. Moduły PV użyte w badaniu to QCELLS Q.PEAK DUO-G5 320, a pomiary wykonano w standardowych warunkach testowych (STC) z użyciem pełnospektralnego symulatora widma słonecznego. Typy zanieczyszczeń obejmowały te, które naturalnie osadziły się na modułach w różnych środowiskach, w tym drobny kurz, piasek i materia organiczna.
Spadek mocy względem parametrów z karty katalogowej dla zabrudzonych badanych modułów PV
Pierwszy etap badań
W toku przeprowadzonych badań wykonano pomiar charakterystyk prądowo-napięciowych (I-V) modułów zarówno w stanie czystym, jak i zabrudzonym. Badania przeprowadzono w mobilnym symulatorze światła słonecznego A+ typu flashowego, o nazwie Lab 4.0, który zapewniał kontrolowaną intensywność światła oraz rozkład spektralny, co jest kluczowe do uzyskania powtarzalnych i wiarygodnych danych. Zarejestrowano i porównano kluczowe parametry, takie jak prąd zwarciowy (Isc), napięcie obwodu otwartego (Voc) i maksymalna moc wyjściowa (Pmax). Zastosowana procedura badawcza była zgodna z normą IEC 60904-9. Na podstawie zmierzonych wartości określono procentowy spadek mocy każdego z zabrudzonych modułów PV.
Moduł PV – próbka zebrana z 1/6 powierzchni
Metodyka pomiaru zabrudzenia modułów
Akumulacja zanieczyszczeń została zdefiniowana za pomocą metodyki wagowej, w której mierzono masę zanieczyszczeń zebranych z powierzchni modułu. Pomiar zanieczyszczeń przeprowadzono poprzez zbieranie warstwy brudu z powierzchni modułów przy użyciu ręczników laboratoryjnych. Waga czystego ręcznika oscylowała w granicach od 166 g do 170 g, a średnia waga wynosiła 168,1 g. Zważono brud zebrany z 1/6 powierzchni modułów oraz całej powierzchni modułów, a następnie przeliczono wagę na 1 m².
Drugi etap badań
Aby sprawdzić rzeczywiste parametry modułów, przeprowadzono badanie czystych modułów w warunkach STC (ang. Standard Test Conditions, standardowe warunki testowe stosowane do pomiarów efektywności modułów fotowoltaicznych). Testowanie to miało miejsce po dokładnym umyciu powierzchni modułów za pomocą wody demineralizowanej oraz specjalistycznej chemii przeznaczonej do tego typu zastosowań. Na podstawie zmierzonych wartości mocy modułów czystych wyznaczono spadek ich mocy na skutek zabrudzenia i porównano z wynikami pierwszego etapu badań.
Spadek mocy względem karty katalogowej i wartości zmierzonej dla badanych modułów fotowoltaicznych
Wnioski
Na podstawie przeprowadzonych pomiarów efektywności energetycznej modułów PV, zarówno zanieczyszczonych, jak i czystych, przy użyciu mobilnego symulatora widma słonecznego Lab 4.0, można wyciągnąć następujące wnioski końcowe:
- Dostarczone moduły charakteryzowały się średnim poziomem zanieczyszczenia powierzchni wynoszącym 9,79 g/m2. Zanieczyszczenie to miało istotny wpływ na efektywność działania paneli fotowoltaicznych.
- Średni spadek mocy modułu PV, wynikający z zanieczyszczenia powierzchni, wynosił 26,91%. Obserwowano istotną stratę wydajności, która może prowadzić do znacznych strat produkcyjnych przy długotrwałej eksploatacji modułów zanieczyszczonych.
- Straty energii związane z zanieczyszczeniem modułów PV będą zróżnicowane w zależności od warunków atmosferycznych, zwłaszcza opadów atmosferycznych i siły wiatru, co podkreśla potrzebę monitorowania i utrzymania czystości paneli fotowoltaicznych w trakcie ich eksploatacji.
Efektywność energetyczna farm fotowoltaicznych jest bezpośrednio zależna od czystości modułów PV, co wymaga systematycznego zarządzania i utrzymania, aby maksymalizować produkcję energii elektrycznej oraz redukować straty finansowe związane z eksploatacją zanieczyszczonych modułów. Zespół Laboratorium Przemysłowego Niskoemisyjnych i Odnawialnych Źródeł Energii PŚk planuje w najbliższym czasie kolejne badania pozwalające na wypracowanie dobrych praktyk przy eksploatacji wielkopowierzchniowych farm fotowoltaicznych.
Autorzy:
Artur Pawelec
Agnieszka Pawlak
Aleksandra Pyk
Dominik Zbróg
Bibliografia
- Mani, M., Pillai, R., Impact of dust on solar photovoltaic (PV) performance: Research status, challenges, and recommendations, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 14, 2010, pp. 3124–3131.
- Piliougine, M., et al., Comparative analysis of the dust losses in photovoltaic modules with different cover glasses, Proceedings of 23rd European Solar Energy Conference, 2008, pp. 2698–2700.
- Garg, H.P., Effect of dirt on transparent covers in flat-plate solar energy collectors, Solar Energy, 15(4), 1974, pp. 299–302.
- Said, S.A.M., Effects of dust accumulation on performances of thermal and photovoltaic flat-plate collectors, Applied Energy, 37(1), 1990, pp. 73–84.
- El-Shobokshy, M.S., Hussein, F.M., Effect of dust with different physical properties on the performance of photovoltaic cells, Solar Energy, 51(6), 1993, pp. 505–511.
- Sulaiman Shaharin Anwar, Atul Kumar Singh, Mior Maarof Mior Mokhtar, Mohammed A. Bou-Rabee, Influence of Dirt Accumulation on Performance of PV Panels., Energy Procedia, 50, 2014, pp. 50-56