Ερευνητές από την Κίνα και την Ιταλία εξέτασαν την επίδραση διαφορετικών γωνιών κλίσης στην θερμική αστοχία των φωτοβολταϊκών μονάδων και κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι, όταν χρησιμοποιείται γωνία κλίσης άνω των 30 μοιρών, αυξάνεται ο χρόνος μέχρι την αστοχία.
Χρησιμοποιώντας έναν ομοιόμορφο θερμικό πίνακα ακτινοβολίας και ένα πειραματικό σύστημα με κεκλιμένο πάνελ, οι επιστήμονες παρακολούθησαν τα ραγίσματα στο γυαλί, τις επιφανειακές θερμοκρασίες, τη ροή θερμότητας και τα χαρακτηριστικά αστοχίας. Επίσης, προσομοίωσαν την εγκατάσταση σε ένα μοντέλο πεπερασμένων στοιχείων (FEM) και μέτρησαν τον μέσο όρο σφάλματος.
«Οι φωτοβολταϊκές μονάδες αποτελούνται από γυαλί, ένα εύθραυστο υλικό που μπορεί να σπάσει ή να καταρρεύσει γρήγορα όταν εκτεθεί σε φωτιά. Όταν το γυαλί ραγίζει, τα καύσιμα υλικά του φωτοβολταϊκού πάνελ εκτίθενται άμεσα στην ακτινοβολία και το οξυγόνο, επιταχύνοντας την αστοχία των συστημάτων», ανέφερε η ομάδα. «Παρά τη διαδεδομένη χρήση των PV πάνελ, η απόδοσή τους σε διαφορετικές γωνίες κλίσης δεν έχει εξεταστεί επαρκώς».
Η ομάδα χρησιμοποίησε έναν πίνακα ακτινοβολίας 600 x 600 mm θερμαινόμενο από προπάνιο ως ομοιόμορφη πηγή θερμότητας και τοποθέτησε ένα σύστημα PV από γαλβανισμένο χάλυβα ικανό να αντέχει σε θερμοκρασίες έως και 1.200 °C. Τοποθέτησαν PV πάνελ μονοκρυσταλλικού πυριτίου διαστάσεων 300 x 300 mm με στρώμα από γυαλί πάχους 3,2 mm. Δοκιμάστηκαν συνολικά 15 πάνελ σε γωνίες κλίσης 0°, 15°, 30°, 45° και 60°.
Η ανάλυση έδειξε ότι οι ρωγμές στο γυαλί ξεκινούν συνήθως από τα σημεία με τη μέγιστη θερμοκρασιακή διαφορά στην επιφάνεια που εκτίθεται σε φωτιά. Όταν η κλίση ήταν μεγαλύτερη από 45°, οι ρωγμές τείνουν να ξεκινούν από τα χαμηλότερα σημεία του πάνελ λόγω συγκεντρωμένων κορδελών. Επιπλέον, βρέθηκαν καύσιμες φυσαλίδες αερίου μεταξύ του γυαλιού και της κυψέλης, οι οποίες θα μπορούσαν να αναφλεγούν σε περίπτωση πραγματικής φωτιάς. Οι μετρήσεις έδειξαν επίσης ότι ο μέσος χρόνος μέχρι την πρώτη αστοχία αυξανόταν καθώς τα πάνελ κλίνονταν από 0° σε 60°. Συγκεκριμένα, οι χρόνοι για την πρώτη αστοχία ήταν 36 δευτερόλεπτα για 0°, 33 δευτερόλεπτα για 15°, 40 δευτερόλεπτα για 30°, 62 δευτερόλεπτα για 45°, και 71 δευτερόλεπτα για 60°. «Ο χρόνος μέχρι την αστοχία αυξήθηκε σημαντικά όταν τα πάνελ είχαν κλίση μεγαλύτερη από 30°, που είναι μια κρίσιμη γωνία κλίσης για την θερμική αστοχία των PV πάνελ», ανέφεραν οι ερευνητές. Αν και οι χρόνοι αστοχίας διέφεραν, οι κρίσιμες θερμοκρασιακές διαφορές κυμαίνονταν μεταξύ 61 και 84 °C, και οι περισσότερες ρωγμές εμφανίστηκαν εντός 8-15 kW/m².
Η ομάδα ανέπτυξε επίσης ένα αριθμητικό μοντέλο FEM στο λογισμικό Abaqus, περιορίζοντας τη προσομοίωση στα 100 δευτερόλεπτα, καθώς η πρώτη αστοχία του γυαλιού έπρεπε να συμβεί μέσα σε αυτή την περίοδο. Το μοντέλο FEM πέτυχε μέσο σφάλμα 13,5% στις θερμοκρασιακές κατανομές και λιγότερο από 15% στον χρόνο πρώτης αστοχίας.
«Η συμφωνία αυτή έδειξε ότι το θερμικό μοντέλο μπορεί να προβλέψει τα θερμοκρασιακά πεδία του φωτοβολταϊκού πάνελ, παρά τις δυσκολίες που προκαλούν οι φυσαλίδες αερίου του EVA και η διαστολή του TPT», κατέληξαν οι επιστήμονες.
