Ewa Krac, Krzysztof Górecki Akademia Morska w Gdyni PARAMETRY CIEPLNE WYBRANYCH PANELI FOTOWOLTAICZNYCH W artykule przedstawiono metodę pomiaru przejściowej impedancji termicznej oraz rezystancji termicznej paneli fotowoltaicznych. Omówiono sposób realizacji wymienionej metody oraz zaprezentowano uzyskane wyniki pomiarów parametrów cieplnych wybranych paneli fotowoltaicznych. Przedyskutowano również wpływ wybranych czynników na przebiegi przejściowej impedancji termicznej rozważanych paneli fotowoltaicznych. Słowa kluczowe: panele fotowoltaiczne, parametry cieplne, przejściowa impedancja termiczna, rezystancja termiczna. WSTĘP Fotowoltaiczne systemy zasilające są coraz bardziej popularnym źródłem pozyskiwania energii elektrycznej, lecz mimo to wciąż przysparza dużo problemów prawidłowe ich zaprojektowanie, np. dobór rozmiaru i liczby paneli fotowoltaicznych (PV) do zapotrzebowania na energię elektryczną, czy też obliczanie stopy zwrotu nakładów inwestycyjnych, związanych z budową elektrowni fotowoltaicznej. Dzieje się tak dlatego, iż produktywność tych urządzeń silnie zależy od gęstości mocy promieniowania oraz temperatury, a oba te parametry nieustannie zmieniają się w zależności od pory roku czy dnia. Dodatkowo temperatura wnętrza rozważanych elementów jest wyższa od temperatury otoczenia na skutek zjawisk cieplnych samonagrzewania oraz zamiany na ciepło energii promieniowania słonecznego. Zależy również od warunków chłodzenia paneli PV. Tymczasem dostępne projektantom dane, dotyczące paneli fotowoltaicznych, szacowane są jedynie dla stałych warunków STC (ang. Standard Test Conditions), tj. dla stałej wartości gęstości mocy promieniowania równej 1000 W/m 2 i stałej temperatury równej 25 o C. Aby podczas projektowania systemów PV uwzględnić wpływ zmian temperatury na panele PV, należy sformułować elektrotermiczne modele tych urządzeń [8]. Do zrealizowania tego celu niezbędne jest zbadanie parametrów cieplnych paneli PV [4]. Parametrem charakteryzującym zdolność elementu półprzewodnikowego do odprowadzania ciepła jest przejściowa impedancja termiczna Z th(t), a w warunkach statycznych rezystancja termiczna R th [6, 9, 10]. Wartości Z th(t) dla elementów półprzewodnikowych wyznacza się, wykorzystując pośrednie metody elektryczne
E. Krac, K. Górecki, Parametry cieplne wybranych paneli fotowoltaicznych 93 opisane m.in. w pracach [3, 5, 10] lub metody optyczne opisane m.in. w pracy [2]. W pracy [7] omówiono pirometryczną, stykową oraz stałoprądową metodę pomiaru rezystancji termicznej fotoogniw. W systemach fotowoltaicznych panele PV są urządzeniami, które zawierają wiele fotoogniw połączonych ze sobą elektrycznie oraz zamontowanych na wspólnym podłożu. Metody pomiaru parametrów cieplnych takich paneli omówiono w pracy [4]. W niniejszym artykule omówiono metodę pomiaru parametrów cieplnych paneli fotowoltaicznych oraz układ pomiarowy, za pomocą którego realizowana była rozważana metoda. Przedstawiono również wyniki badań paneli PV pracujących w różnych warunkach chłodzenia, uzyskane za pomocą tej metody. 1. METODA POMIAROWA Do wyznaczenia przebiegu przejściowej impedancji termicznej paneli PV wykorzystano metodę pośrednią opisaną w pracy [4]. Zgodnie z tą metodą badany panel, umieszczony w komorze światłoszczelnej, jest nagrzewany mocą o znanej wartości P. Moc ta stanowi iloczyn napięcia na zaciskach panelu PV U oraz prąd tego panelu I. Panel jest zasilany z zewnętrznego zasilacza aż do uzyskania stanu termicznie ustalonego. Następnie źródło zasilania jest wyłączone i za pomocą pirometru rejestrowany jest przebieg temperatury badanego panelu PV T j(t), aż do ponownego uzyskania stanu ustalonego. W kolejnym kroku wyliczono wartości przejściowej impedancji termicznej Z th(t) wykorzystując wzór: Z th t T j t 0 T t U I gdzie t = 0 oznacza chwilę wyłączenia zasilania. Przedstawiona metoda jest realizowana za pomocą stanowiska pomiarowego zaprezentowanego na rysunku 1. Badane panele PV mocowane są na metalowym stelażu o wymiarach 500 x 1500 x 1000 mm. Stelaż ten stanowił radiator, a jego ruchome ramię umożliwiało zmianę kąta nachylenia badanego paneli PV, a w ślad za tym warunki chłodzenia tego panelu PV. Stelaż znajduje się w światłoszczelnej, zamkniętej komorze o wymiarach 3 x 2 x 2,5 m. Natomiast pozostała część układu pomiarowego, składająca się z woltomierza, amperomierza, rezystancji obciążenia oraz źródła napięcia zasilania, mieści się w sąsiednim pomieszczeniu. Wartości napięcia i prądu panelu PV mierzone są za pomocą multimetrów APPA 207, wyposażonych w interfejs USB, umożliwiający przesyłanie wyników pomiarów do komputera. Podczas pomiaru źródło napięcia U zas wraz z rezystorem R dek umożliwiają regulację prądu zasilania panelu badanego DUT. W chwili t = 0 przełącznik S 1 jest rozwarty, umożliwiając przepływ prądu przez badany panel. j (1)
94 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016 Temperatura panelu mierzona jest pirometrem Optex ST-3, którego wyjście podłączono do multimetru V 1 (APPA 207), wyposażonego w interfejs USB, za pomocą którego dane przesyłane były do komputera i zapisywane w czasie rzeczywistym w celu dalszej analizy zarejestrowanego przebiegu temperatury [4]. A U zas R dek S 1 PC V DUT Światłoszczelna komora badań cieplnych V1 Optex ST-3 Rys. 1. Schemat stanowiska pomiarowego do badania przejściowej impedancji termicznej paneli PV Fig. 1. The set-up for the measure of the transient thermal impedance of PV panels 2. WYNIKI POMIARÓW Wykorzystując metodę pomiarową, omówioną w rozdziale 1, przeprowadzono badania czterech paneli PV: monokrystalicznego firmy Sungen Polska, o wymiarach 1670 x 1000 x 35 mm, dwóch paneli PV polikrystalicznych firm Hanwha Q CELLS GmbH, o wymiarach 1670 x 1000 x 35 mm oraz Solar Energy S.A. MK-240, o wymiarach 1000 x 1681 x 50 mm, a także amorficznego firmy Sungen Polska, o wymiarach 1400 x 1100 x 7,1 mm. W dalszej części artykułu panele te nazywane są odpowiednio monokrystalicznym, polikrystalicznym (1), polikrystalicznym (2) oraz amorficznym. Wyznaczono przebiegi przejściowej impedancji termicznej dla wszystkich czterech paneli PV badanych w różnych warunkach chłodzenia. Wyniki badania paneli PV, umieszczonych na stelażu ustawionym poziomo, zobrazowano na rysunku 2, natomiast na rysunku 3 przedstawiono wyniki pomiaru przejściowej impedancji termicznej paneli PV, umieszczonych na stelażu pochylonym pod kątem 60 o do poziomu. Z analizy wykreślonych przebiegów wynika, iż stan termicznie ustalony dla paneli umocowanych poziomo osiągnięto w przedziale (dla różnych paneli) od
E. Krac, K. Górecki, Parametry cieplne wybranych paneli fotowoltaicznych 95 5000 s do 6000 s, przy czym dla panelu polikrystalicznego (2) uzyskano najwyższe wartości przejściowej impedancji termicznej. Dla badanych paneli PV umocowanych na stelażu pochylonym pod kątem 60 o stan ustalony osiągano w przedziale od 4500 s do 5500 s. Ponadto zaobserwowano, iż w przypadku paneli umieszczonych pod kątem 60 o krzywe przebiegu przejściowej impedancji termicznej narastają łagodniej, a różnice w przebiegu pomiędzy krzywymi przejściowej impedancji termicznej dla poszczególnych paneli PV są mniejsze, aniżeli było to w przypadku, gdy badane panele PV umieszczone były na stelażu ułożonym poziomo. Analizując przebiegi pokazane na rysunkach 2 i 3, zaobserwować można, iż panel umocowany na stelażu pod kątem 60 o wykazał lepszą zdolność odprowadzania ciepła niż panel ułożony poziomo. Rys. 2. Przebiegi przejściowej impedancji termicznej różnych paneli PV umocowanych różnolegle do poziomu Fig. 2. Waveforms of transient thermal impedance for difference PV panels mounted horizontally
96 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016 Rys. 3. Przebiegi przejściowej impedancji termicznej różnych paneli PV umocowanych pod kątem 60 o do linii poziomej Fig. 3. Waveforms of transient thermal impedance for difference PV panels situated at an angle equal to 60 o to the horizontal line Wyznaczono też wartość rezystancji termicznej badanych paneli PV, równą wyznaczonej z pomiarów wartości Z th(t) w stanie ustalonym. Uzyskane wyniki pomiaru rezystancji termicznej rozważanych paneli PV zaprezentowano na rysunku 4. Analizując przedstawione dane, można zauważyć, iż największą wartość rezystancji termicznej równą 0,045 K/W uzyskano dla panelu polikrystalicznego Hanwha Q CELLS GmbH, umocowanego poziomo na stelażu, najmniejszą zaś wartość rezystancji termicznej równą 0,036 K/W uzyskano dla panelu monokrystalicznego Sungen Polska, umieszczonego na stelażu ułożonym równolegle do linii poziomej. Zanotowano również różne wartości rezystancji termicznych dla paneli PV, wykonanych z różnych materiałów, oraz dla paneli PV, wykonanych z tego samego materiału, lecz umocowanych pod różnym kątem względem poziomu. Dla trzech z wymienionych paneli PV uzyskano mniejszą wartość rezystancji termicznej w przypadku, gdy badany panel PV pochylony był pod kątem 60 o do poziomu. Tendencji tej nie wykazano, badając panel monokrystaliczny. Autorzy spodziewają się, iż w trakcie przeprowadzania badań tego panelu PV nastąpiła zmiana warunków termicznych w komorze. Zmiana ta mogła być związana z niewystarczającym wychłodzeniem ścian komory po uprzednio wykonanym badaniu innego panelu PV. Pozostałe wyniki badań tych paneli zaprezentowano w pracy [4].
E. Krac, K. Górecki, Parametry cieplne wybranych paneli fotowoltaicznych 97 Rys. 4. Porównanie wartości rezystancji termicznej badanych paneli PV Fig. 4. Comparison of the values of the thermal resistance of the measured PV panels PODSUMOWANIE Wykorzystując omówioną w rozdziale 1 metodę pomiarową, zmierzono przebieg przejściowej impedancji termicznej oraz wyznaczono rezystancję termiczną czterech różnych paneli PV. Badanie przeprowadzono w różnych warunkach chłodzenia. Zanotowano różne wartości rezystancji termicznych dla paneli PV wykonanych z różnych materiałów oraz dla tych samych paneli PV, umocowanych na stelażu ułożonym pod różnym kątem do poziomu. Obserwowane różnice wartości rezystancji termicznej tego samego rodzaju paneli PV umocowanego poziomo i pod kątem 60 o do poziomu należy intepretować jako wpływ wartości kąta pochylenia panelu PV na jego zdolność do odprowadzania ciepła. Zaobserwowane różnice wartości rezystancji termicznej paneli, wykonanych z różnych materiałów umocowanych, w jednej, takiej samej płaszczyźnie dowodzą, iż zdolność odprowadzania ciepła przez panele PV zależna jest również od materiału, z jakiego zostały one wykonane. Porównując uzyskane wartości R th badanych paneli, można zauważyć, że najskuteczniej odprowadzane jest ciepło z monokrystalicznego panelu PV.
98 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 95, listopad 2016 LITERATURA 1. Bagnoli P.E., Casarosa C., Ciampi M., Dallago E., Thermal Resistance Analysis by Induced Transient (TRAIT) Method for Power Electronic Devices Thermal Characterization Part I: Fundamentals and Theory, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 13, 1998, No. 6, s. 1208. 2. Blackburn D.L., Temperature Measurements of Semiconductor Devices A Review, 20th IEEE Semiconductor Thermal Measurement and Management Symposium SEMI-THERM, 2004, s. 70 80. 3. Blackburn D.L., Oettinger F.F., Transient Thermal Response Measurements of Power Transistors, IEEE Transactions on Industrial Electronics and Control Instrum., IECI-22, 1976, No. 2, s. 134 141. 4. Górecki K., Krac E., Measurements of thermal parameters of a solar module, Proceedings of Microtherm 2015, Microtechnology and Thermal Problems in Electronics, Łódź 2015, s. 165 170. 5. Górecki K., Zarębski J., System mikrokomputerowy do pomiaru parametrów termicznych elementów półprzewodnikowych i układów scalonych, Metrologia i Systemy Pomiarowe, 2001, t. VIII, nr 4, s. 379 396. 6. Janke W., Zjawiska termiczne w elementach i układach półprzewodnikowych, WNT, Warszawa 1992. 7. Krac E., Górecki K., Measurements of Thermal Resistance of Solar Cells, Zeszyty Naukowe Akademii Morskiej w Gdyni, 2014, nr 84, s. 56 65. 8. Krac E., Górecki K., Modelling characteristics of photovoltaic panels with thermal phenomena taken into account, IOP Conference Series: Materials Science and Engineering, Vol. 104, 2016, 39th International Microelectronics and Packaging IMAPS Poland 2015 Conference, Gdańsk 2015, s. 1 7. 9. Szekely V., A new evaluation method of thermal transient measurement results, Microelectronic Journal, Vol. 28, 1997, No. 3, s. 277 292. 10. Zarębski J., Górecki K., A Method of Measuring the Transient Thermal Impedance of Monolithic Bipolar Switched Regulators, IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 30, 2007, No. 4, s. 627 631. THERMAL PARAMETERS OF SELECTED PHOTOVOLTAIC PANELS Summary The article presents the method of measuring the transient thermal impedance and thermal resistance of photovoltaic panels. Implementation of said method has been discussed as same as the results of measurements of thermal parameters of selected photovoltaic panels. Moreover, the impact of selected factors on transient thermal impedance of mentioned photovoltaic panels is also discussed. Keywords: photovoltaic panels, thermal parameters, transient thermal impedance, thermal resistance.