Como a alta temperatura afeta o desempenho de uma célula solar e o que pode ser feito para melhorá-lo?

Efeito da alta temperatura no desempenho das células solares

Redução da eficiência de conversão

Para a maioria das células solares (como as células solares de silício cristalino), sua eficiência de conversão diminui à medida que a temperatura aumenta. Isso ocorre porque, em altas temperaturas, as propriedades internas dos materiais semicondutores, como o silício, mudam. Conforme a temperatura aumenta, a largura da faixa proibida do semicondutor diminui, resultando na geração de mais portadores (pares elétron-buraco) sob excitação intrínseca. No entanto, as probabilidades de recombinhão desses portadores adicionais também aumentam, resultando numa diminuição relativa no número de portadores efetivos que podem ser coletados nos eletrodos, reduzindo, assim, a corrente de curto-circuito, a tensão de circuito aberto e o fator de preenchimento da bateria, e, por fim, resultando numa diminuição da eficiência de conversão. Por exemplo, as células solares de silício cristalino têm um coeficiente de temperatura de aproximadamente -0,4% /°C a -0,5% /°C, o que significa que, para cada 1°C de aumento na temperatura, sua eficiência de conversão diminui de 0,4% a 0,5%.

Vida útil encurtada

Altas temperaturas também aceleram o processo de envelhecimento dos materiais internos do módulo solar. Em termos de materiais de encapsulamento da bateria, altas temperaturas podem levar ao envelhecimento, amarelecimento, delaminação e outros problemas do filme de encapsulamento (como o filme EVA). Para a própria bateria, altas temperaturas podem causar um aumento nos defeitos de rede dentro da lâmina de silício, afetando, assim, a estabilidade a longo prazo e a vida útil da bateria.

Métodos para melhorar o desempenho das células solares em altas temperaturas

Projeto de dissipação de calor

Dissipação de calor passiva

O projeto estrutural do módulo de célula solar é favorável à dissipação de calor. Por exemplo, aumentando a área de contato entre a parte traseira do painel e o ar, usando um material com boa condutividade térmica como a placa traseira do painel, como uma placa traseira de metal ou uma placa traseira composta com alta condutividade térmica, faz com que o calor gerado pela bateria seja mais facilmente transmitido para o ambiente externo. Além disso, a estrutura de encapsulamento do componente da bateria é projetada de forma adequada, e o material de encapsulamento com boa respirabilidade é usado para facilitar a dissipação de calor.

Dissipação de calor ativa

Dispositivos de resfriamento forçado de ar, como ventiladores, podem ser usados. Pequenos ventiladores são instalados na matriz solar para remover o calor da superfície da bateria através da convecção forçada de ar. Para grandes usinas solares, sistemas de resfriamento líquido também podem ser utilizados, como o uso de água ou refrigerante especial circulando em tubos para levar embora o calor gerado pelo módulo da bateria. Este método tem alta eficiência de dissipação de calor, mas o custo é relativamente alto, sendo adequado para usinas de grande escala ou cenários de aplicação especiais que requerem alta eficiência de geração de energia.

Melhoria de materiais

Novo material semicondutor

Pesquisa e desenvolvimento de novos materiais semicondutores com melhores características de temperatura para a fabricação de células solares. Por exemplo, as células solares de perovskita têm estabilidade de desempenho relativamente boa em altas temperaturas, e seu coeficiente de temperatura é menor do que o das células de silício cristalino. Embora as baterias de perovskita ainda enfrentem alguns desafios técnicos, elas têm grande potencial para melhorar o desempenho em altas temperaturas.

Material de encapsulamento resistente a altas temperaturas

Desenvolvimento e uso de materiais de encapsulamento resistentes a altas temperaturas. Por exemplo, o uso de novos materiais de poliolefinas em vez do tradicional filme EVA, este material tem melhor estabilidade em altas temperaturas, podendo reduzir o impacto do envelhecimento dos materiais de encapsulamento no desempenho da bateria.

Gestão óptica e tecnologia de compensação de temperatura

Gestão óptica

O excesso de calor absorvido pela bateria é reduzido por meio de design óptico. Por exemplo, são usados revestimentos de absorção seletiva ou refletores ópticos para que as células solares absorvam apenas luz em um intervalo específico de comprimento de onda que pode ser usada para gerar eletricidade, enquanto refletem a luz em outros intervalos de comprimento de onda onde o calor é facilmente gerado, reduzindo, assim, a temperatura da célula.

Tecnologia de compensação de temperatura

A tecnologia de compensação de temperatura é usada no projeto do circuito da célula solar. Por exemplo, adicionando um sensor de temperatura e um circuito de compensação ao circuito, o estado de funcionamento da bateria é ajustado em tempo real de acordo com a temperatura da bateria, como alterando a resistência de carga ou aplicando viés reverso, para reduzir o impacto adverso da alta temperatura no desempenho da bateria.