شوک حرارتی در پنل های خورشیدی
شوک حرارتی (Thermal Shock) به تغییر ناگهانی دما در یک ماده اطلاق میشود که بهدلیل تفاوت ضرایب انبساط حرارتی لایههای مختلف، تنشهای مکانیکی قابلتوجهی در ساختار آن ایجاد میکند. ماژولهای فتوولتائیک سیلیکونی بهطور معمول برای کار در دامنه دمایی وسیعی طراحی شدهاند و مطابق استاندارد IEC 61215 باید بتوانند چرخههای حرارتی مکرر در بازه دمایی –۴۰ تا +۸۵ درجه سانتیگراد را در شرایط کنترلشده آزمایشگاهی بدون بروز آسیب جدی تحمل کنند.
با این حال، تغییرات ناگهانی و موضعی دما در شرایط بهرهبرداری واقعی—مانند شستشوی پنل داغ با آب سرد یا مواجهه ناگهانی با بارش سرد—میتواند با نرخ تغییر دمایی بسیار بالاتر از شرایط آزمون استاندارد رخ دهد. در چنین شرایطی، لایههای مختلف پنل (شیشه محافظ، سلولهای سیلیکونی و مواد لمینیشن) فرصت کافی برای انبساط یا انقباض هماهنگ ندارند و در نتیجه تنشهای حرارتی موضعی ایجاد میشود. این تنشها میتوانند احتمال شکلگیری ترکهای ریز (Microcracks) در سلولها و افت تدریجی عملکرد الکتریکی ماژول را افزایش دهند، حتی اگر پنل از نظر استانداردی الزامات IEC 61215 را پاس کرده باشد.
دلایل بروز شوک حرارتی در پنل های فتوولتائیک
شوک حرارتی زمانی رخ میدهد که پنل خورشیدی در مدت بسیار کوتاهی با تغییر دمای شدید مواجه شود؛ تغییری که سرعت آن بیش از توان سازه پنل برای انبساط یا انقباض است. پنلهای فتوولتائیک از چندین لایه با ضرایب انبساط حرارتی متفاوت ساخته شدهاند (شیشه محافظ، سلولهای سیلیکونی، EVA و بکشیت) وقتی این لایهها در اثر اختلاف دمای ناگهانی کاملاً هماهنگ منبسط یا منقبض نشوند، تنش داخلی ایجاد میشود. این تنش میتواند به ترکهای ریز، جداشدگی لایهها و افت راندمان منجر شود.
در ادامه به دلایل بروز شوک حرارتی که در زیر نوشته شده است اشاره می کنیم.
تمیزکاری با آب سرد
یکی از شایعترین علل شوک حرارتی، شستشوی پنل با آب سرد در ساعات گرم روز است. در طول روز دمای پنل بالا میرود و برخورد ناگهانی آب نسبتاً سرد (مثلاً آب شیرین شهری) موجب اختلاف دمای زیاد بین شیشه و سلولها میشود. همچنین استفاده از دستگاههای فشارشوی قوی میتواند اختلاف دما را تسریع کند. طبق راهنمای نظافت، باید از پاشش آب با دمای نزدیک دمای فعلی پنل استفاده شود تا از شوک حرارتی شدید جلوگیری شود.
شرایط محیطی و سایهگذاری ناگهانی
شرایط محیطی خاص نیز میتواند شوک حرارتی ایجاد کند. برای نمونه، ناپدید شدن ناگهانی سایه (مانند عبور یک ابر ضخیم یا برداشتن ناگهانی حجم بزرگی از گردوغبار) میتواند منجر به سرد شدن یا گرم شدن محلی پنل شود. اگر بخشهایی از پنل پوشیده از برف یا یخ باشد و سپس هوا گرم شود، اختلاف دمای آنی رخ میدهد. به علاوه، برخورد تگرگ یا قطرات آب بسیار سرد با پنل داغ نیز میتواند عامل شوک حرارتی باشد. بهطور کلی، هر تغییری که به سرعت دمای یک منطقه از پانل را تغییر دهد میتواند باعث شوک حرارتی شود.
تأثیرات و آسیبهای ناشی از شوک حرارتی
شوک حرارتی در پنلهای خورشیدی میتواند منجر به آسیبهای فیزیکی و الکتریکی متعددی گردد. ابتدا و مهمترین آسیب، ایجاد ترکهای ریز در ساختار شیشهای و سلولی پنل است. این ترکهای ریز ممکن است در لحظه پدیدار نشوند، اما به مرور تغییری در عملکرد پنل ایجاد کرده و راه را برای نفوذ رطوبت و گازهای خورنده باز میکنند. همچنین اتصالسیمهای بسیار نازک روی سلول (Grid fingers) ممکن است قطع شود و مدارهای داخلی دچار وقفه شود. در اثر این ترکها و قطعیها، مقاومت سری سلولها افزایش یافته و توان خروجی کاهش مییابد.
مطالعات موردی درباره شوک حرارتی
چندین مطالعهی علمی و تحقیق صنعتی به بررسی پدیده شوک حرارتی در پنلها پرداختهاند. بررسیهای آزمایشگاهی روی سلولهای خورشیدی نشان دادهاند که در تستهای شوک حرارتی، ترکهای ریز در سلولها و جداشدن اتصالات الکتریکی رخ میدهد. در مطالعهای که پیشتر ذکر شد، تحلیلها مشخص کرد افزایش مقاومت سری (ناشی از شکستن انگشتان فلزی روی سلولها) اصلیترین علت افت توان پس از آزمونهای شدید بوده است. گزارشهای دیگری نیز اثر منفی شوک ناگهانی دما بر خروجی انرژی و طول عمر ماژول را تأیید کردهاند. بهعنوان نمونه، مرکز تحقیقات PV آمریکا (NREL) یافته است شستشوی سریع پنل داغ با آب یخ میتواند چندین درصد از خروجی را کاهش دهد. نتایج صنعتی همچنین نشان دادهاند پنلهای پلیکریستال حاوی ترکهای ریز بیشتری نسبت به نمونههای مونوکریستال هستند و در برابر شوک حرارتی حاد حساسیت بیشتری دارند. این یافتهها، هم در آزمایشگاه و هم در شرایط میدانی همخوانی دارند.
راهکارهای پیشگیری و توصیههای عملی
برای پیشگیری از آسیبهای ناشی از شوک حرارتی، باید مراقبتهای ویژهای در نصب و نگهداری پنلها اعمال کرد.
دمای آب شستشو
حتماً از آبی استفاده شود که دمایی نزدیک دمای پنل داشته باشد. یک دستورالعمل فنی توصیه میکند حین شستشو از آب با دمای مشابه دمای کنونی ماژول استفاده شود تا شوک حرارتی شدید رخ ندهد. در عمل بهتر است دمای آب شستشو را به حدود ۲۰–۲۵°C (حدود دمای محیط) تنظیم کنیم تا اختلاف دمای ناگهانی کاهش یابد.
اجتناب از فشارشویی قوی
استفاده از فشارشوی بسیار بالا علاوه بر ایجاد تنش مکانیکی، خود میتواند اختلاف دمای شدید ایجاد کند و به پنل آسیب بزند. در دستورالعملهای کارخانهها معمولاً از اعمال فشار بیش از ۴۰ بار اجتناب میشود. همچنین پرهیز از قرار دادن اجسام سنگین یا فشار مکانیکی روی سطح شیشهای اهمیت دارد.
محافظت در برابر شرایط جوی
در مناطقی که باران تگرگ یا بارش ناگهانی رخ میدهد، میتوان از پوششهای محافظ موقتی یا ساختارهای جانبی برای کاهش تماس مستقیم سرما با پانل استفاده کرد. همچنین در طراحی نصب، توجه به شیب مناسب (بیش از ۱۵ درجه) و تهویه زیر ماژولها میتواند اختلاف دمای پنل را کاهش دهد.
سؤالات متداول (FAQ)
شوک حرارتی دقیقاً چیست و چرا برای پنلهای خورشیدی خطرناک است؟
شوک حرارتی زمانی رخ میدهد که دمای پنل بهصورت ناگهانی تغییر کند، مثل شستشوی پنل داغ با آب سرد. این اختلاف دمای شدید باعث ایجاد تنش در شیشه، سلولها و اتصالات داخلی میشود و ممکن است ترکهای ریز، کاهش راندمان و کاهش عمر ماژول را بهدنبال داشته باشد.
آیا شستشو در ظهر تابستان میتواند باعث شوک حرارتی شود؟
بله، این یکی از شایعترین دلایل بروز شوک حرارتی است. در ظهر تابستان دمای پنلها به ۶۰ تا ۷۵ درجه میرسد و برخورد آب ۱۵ تا ۲۰ درجه، اختلاف دمای خطرناک ایجاد میکند. به همین دلیل همیشه توصیه میشود تمیزکاری فقط در صبح زود یا عصر خنک انجام شود.
بهترین زمان شستشوی پنل برای جلوگیری از شوک حرارتی چیست؟
بهترین زمان صبح زود قبل از تابش مستقیم خورشید است. در این زمان دمای ماژول نزدیک به دمای محیط است و احتمال ایجاد تنش حرارتی تقریباً صفر میشود. اگر صبح ممکن نبود، غروب گزینه دوم است.
از چه دمای آبی برای شستشو استفاده کنیم؟
دمای آب باید نزدیک به دمای لحظهای پنل باشد. بهطور عملی، آب با دمای ۲۰ تا ۲۵ درجه مناسب است، البته به شرطی که پنل بیش از حد گرم نباشد. هرچه اختلاف دما کمتر باشد، احتمال شوک حرارتی کمتر است.
آیا شوک حرارتی همیشه باعث ترک قابلمشاهده میشود؟
خیر. در بسیاری از موارد ترکها میکروسکوپی هستند و با چشم دیده نمیشوند، اما در طول زمان باعث افت توان، افزایش هاتاسپات و کاهش راندمان نیروگاه میشوند. تشخیص آنها معمولاً با ترموگرافی، الایتی (EL Test) یا بررسی خروجی الکتریکی انجام میشود.
آیا بارانهای ناگهانی تابستانی هم میتوانند شوک حرارتی ایجاد کنند؟
در شرایطی بله، بهخصوص اگر پنل داغ باشد و باران سرد ناگهانی ببارد. معمولاً این نوع شوک حرارتی بهاندازه شستشو با آب سرد شدید نیست، اما میتواند تنشهای موقت ایجاد کند.
