كيف يؤثر الحرارة العالية على أداء الخلية الشمسية، وما الذي يمكن القيام به لتحسينه؟

تأثير درجة الحرارة العالية على أداء خلايا الطاقة الشمسية

انخفاض كفاءة التحويل

لأغلب الخلايا الشمسية (مثل خلايا السيليكون البلوري)، تقل كفاءة التحويل مع زيادة درجة الحرارة. هذا لأن خصائص المواد شبه الموصلة مثل السيليكون تتغير عند درجات الحرارة العالية. مع زيادة درجة الحرارة، ينخفض عرض الفجوة بين الحزم في المادة شبه الموصلة، مما يؤدي إلى زيادة إنتاج الأزواج الإلكترونية-الفراغية تحت التحريض الذاتي. ومع ذلك، فإن احتمالات إعادة التركيب لهذه الحاملات الإضافية تزداد أيضًا، مما يؤدي إلى انخفاض نسبي في عدد الحاملات الفعالة التي يمكن جمعها إلى الكهربائي، وبالتالي تقليل تيار القصر والجهد المفتوح وعامل الملء للبطارية، مما يؤدي في النهاية إلى انخفاض كفاءة التحويل. على سبيل المثال، لدى خلايا السيليكون البلوري معامل حراري يتراوح من حوالي -0.4٪ /°C إلى -0.5٪ /°C، مما يعني أنه لكل زيادة بمقدار 1°C في درجة الحرارة، تنخفض كفاءة التحويل بنسبة 0.4٪ إلى 0.5٪.

تقصير العمر الافتراضي

تعجل درجات الحرارة العالية عملية الشيخوخة للمواد داخل الوحدة الشمسية. بالنسبة لمواد التغليف للبطارية، قد تؤدي درجة الحرارة العالية إلى الشيخوخة والتغير إلى اللون الأصفر وانفصال طبقات الفيلم التغليف (مثل فيلم EVA). بالنسبة للبطارية نفسها، قد تسبب درجات الحرارة العالية زيادة في العيوب الشبكية داخل رقاقة السيليكون، مما يؤثر على الاستقرار طويل الأمد وعمر البطارية.

طرق لتحسين أداء خلايا الطاقة الشمسية عند درجات الحرارة العالية

تصميم التبريد

التبريد السلبي

يساعد تصميم الهيكل الوحدة الشمسية على التبريد. على سبيل المثال، يمكن زيادة مساحة الاتصال بين الجزء الخلفي للألواح والهواء، واستخدام مادة ذات توصيل حراري جيد كجزء خلفي للألواح، مثل الجزء الخلفي المعدني أو الجزء الخلفي المركب ذو التوصيل الحراري العالي، مما يجعل الحرارة المنبعثة من البطارية تنتقل بسهولة أكبر إلى البيئة الخارجية. بالإضافة إلى ذلك، يتم تصميم هيكل التغليف للوحدة بشكل مناسب، ويستخدم مادة تغليف ذات تهوية جيدة لتسهيل التبريد.

التبريد النشط

يمكن استخدام أجهزة تبريد الهواء القسري مثل المراوح. يتم تركيب مراوح صغيرة في المصفوفة الشمسية لإزالة الحرارة من سطح البطارية عن طريق الحمل الحراري القسري للهواء. بالنسبة للمحطات الشمسية الكبيرة، يمكن أيضًا استخدام أنظمة التبريد السائل، مثل استخدام الماء أو السائل المبرد الخاص المتداول في الأنابيب لإزالة الحرارة المنبعثة من الوحدة الشمسية. هذه الطريقة تتميز بكفاءة تبريد عالية، لكن تكلفتها مرتفعة نسبيًا، وهي مناسبة للمحطات الكبيرة أو الحالات الخاصة التي تتطلب كفاءة توليد كهرباء عالية.

تحسين المواد

مواد شبه موصلة جديدة

تطوير مواد شبه موصلة جديدة ذات خصائص حرارية أفضل لتصنيع خلايا الطاقة الشمسية. على سبيل المثال، خلايا الطاقة الشمسية البيروفسكيت لديها استقرار أداء جيد عند درجات الحرارة العالية، ومعامل الحرارة لديها أقل من خلايا السيليكون البلوري. رغم أن خلايا البيروفسكيت لا تزال تواجه بعض التحديات التقنية، إلا أنها تمتلك إمكانات كبيرة في تحسين الأداء عند درجات الحرارة العالية.

مواد تغليف مقاومة للحرارة العالية

تطوير واستخدام مواد تغليف مقاومة للحرارة العالية. على سبيل المثال، استخدام مواد تغليف البولي أوليفين الجديدة بدلاً من فيلم EVA التقليدي، حيث تتميز هذه المواد بثبات أفضل عند درجات الحرارة العالية، مما يقلل من تأثير الشيخوخة للمواد التغليفية على أداء البطارية.

إدارة الضوء وتقنية التعويض الحراري

إدارة الضوء

يتم تقليل الحرارة الزائدة المستوعبة بواسطة البطارية عبر تصميم ضوئي. على سبيل المثال، يمكن استخدام طلاءات انتقائية للامتصاص أو مرآة ضوئية بحيث تقوم خلايا الطاقة الشمسية باستيعاب الضوء في نطاق طيف معين يمكن استخدامه لتوليد الكهرباء، بينما تعكس الضوء في نطاقات أخرى تكون أكثر توليدًا للحرارة، مما يساعد على تقليل درجة حرارة الخلية.

تقنية التعويض الحراري

تُستخدم تقنية التعويض الحراري في تصميم الدائرة لخلايا الطاقة الشمسية. على سبيل المثال، بإضافة مستشعر حرارة ودائرة تعويض إلى الدائرة، يمكن تعديل حالة العمل للبطارية في الوقت الحقيقي بناءً على درجة حرارة البطارية، مثل تغيير مقاومة الحمل أو تطبيق التحيز العكسي، لتقليل التأثير السلبي للحرارة العالية على أداء البطارية.