Jak obniżyć temperaturę modułu fotowoltaicznego za pomocą perforacji ramy

Zespół badawczy kierowany przez naukowców z chińskiego Northeast Electric Power University zbadał wpływ perforacji ramy na obniżenie temperatury paneli fotowoltaicznych przy użyciu pasywnego chłodzenia powietrzem.

„W porównaniu z poprzednimi badaniami, główną nowością tego badania jest kompleksowa ocena wpływu perforacji ramy na wydajność pasywnego chłodzenia powietrzem, zarządzanie ciepłem i parametry elektryczne paneli fotowoltaicznych” – wyjaśniła grupa. „Przeprowadzono szczegółową analizę pola przepływu powietrza wokół paneli fotowoltaicznych i pola temperatury paneli fotowoltaicznych, a także porównano i omówiono wpływ różnych wzorów perforacji ram i różnych kształtów otworów na właściwości termiczne i elektryczne paneli fotowoltaicznych. Głównym celem tego artykułu jest zapewnienie odniesienia dla badań nad technologią pasywnego chłodzenia paneli fotowoltaicznych.”

Zespół badawczy zbadał 17 różnych projektów perforacji ramy, korzystając-z trójwymiarowych symulacji obliczeniowej dynamiki płynów (CFD).

Symulacje przeprowadzono na panelu fotowoltaicznym (PV) z krzemu monokrystalicznego o wymiarach 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. Panel składał się z ramy ze stopu aluminium (o grubości 2,5 mm), warstwy szkła (3,2 mm), warstwy etylenu-octanu winylu (EVA) (0,5 mm), ogniwa fotowoltaicznego (0,6 mm) i tablicy (0,7 mm).

Dziedziną obliczeniową był sześcian o wymiarach 0,8 m z każdej strony i wysokości montażu 0,4 m. Prędkość wiatru wlotowego ustalono na 6,0 m/s. Nawietrzna i zawietrzna strona panelu mierzyła 52,8 cm, natomiast lewa i prawa strona 32 cm. Padające natężenie promieniowania słonecznego wyniosło 900 W/m².

Aby zweryfikować swój model, badacze zbudowali układ eksperymentalny wykorzystujący mniejszy panel fotowoltaiczny z krzemu monokrystalicznego o wymiarach 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. Panel miał moc znamionową 10 W i został zamontowany pod kątem nachylenia 50 stopni. Eksperymenty przeprowadzono w mieście Jilin w środkowych Chinach, a wyniki porównano z oddzielnym modelem symulacyjnym. Analiza wykazała, że ​​średnia różnica temperatur między wartościami symulowanymi i zmierzonymi wynosi zaledwie 0,2267 stopnia, przy maksymalnym odchyleniu pojedynczego-punktu wynoszącym 0,4 stopnia.

Po sprawdzeniu modelu CFD zespół zoptymalizował kąt pochylenia pod kątem pasywnego chłodzenia, uznając 11 stopni za najbardziej efektywny. Wszystkie kolejne symulacje przypadków perforacji przeprowadzono przy tym nachyleniu. 17 projektów perforacji podzielono na cztery kategorie na podstawie liczby perforowanych boków ramy: perforacja jednostronna-, dwustronna-, trój-boczna i czterostronna-.

Każda obudowa zawierała perforacje okrągłe lub prostokątne. W przypadku paneli z perforacją nawietrzną i zawietrzną okrągłe otwory miały promień 3 mm i były oddalone od siebie o 58,68 mm; po lewej i prawej stronie otwory również miały promień 3 mm, ale były oddalone od siebie o 64 mm. Perforacje prostokątne miały wymiary 4 mm × 100 mm w rozstawie 107 mm i 5 mm × 70 mm w rozstawie 60 mm, w zależności od strony.

„Obudowa 2 - z ośmioma okrągłymi otworami o promieniu 3,0 mm po nawietrznej stronie - osiągnęła najniższą średnią temperaturę panelu fotowoltaicznego (39,37 stopnia), najniższą temperaturę maksymalną (42,63 stopnia), najbardziej równomierny rozkład temperatury powierzchni, najwyższą moc wyjściową (24,18 W) i największą wydajność konwersji fotoelektrycznej (15,9%)” – podali naukowcy.

„Z punktu widzenia średniej temperatury paneli fotowoltaicznych 13 z ocenianych projektów perforacji ramy uzyskało lepsze wyniki niż rama nieperforowana- (przypadek 1)” – dodali. W porównaniu z panelem nieperforowanym-konstrukcja Case 2 obniżyła temperaturę panelu o 5,44 stopnia. W warunkach braku-wiatru perforowana rama obniżyła średnią temperaturę o 37,8 stopnia i zwiększyła efektywność konwersji fotoelektrycznej o 2,89%.

Tylko trzy projekty perforacji w - przypadkach 3, 7 i 8 - uzyskały słabsze wyniki w porównaniu z-panelem nieperforowanym. Przypadek 3 miał okrągłe otwory po zawietrznej, przypadek 7 miał prostokątne otwory po zawietrznej, a przypadek 8 miał prostokątne otwory po lewej stronie. „Wbrew powszechnym przypuszczeniom wiercenie większej liczby otworów w ramie niekoniecznie poprawia wydajność chłodzenia paneli fotowoltaicznych” – podsumował zespół.

Ich prace zostały zaprezentowane w artykule „Ocena wpływu perforacji ramy na obniżenie temperatury paneli fotowoltaicznych za pomocą pasywnego chłodzenia powietrzem”, opublikowanym w Case Studies in Thermal Engineering. W badaniu wzięli udział naukowcy z Northeast Electric Power University w Chinach, Shengu Group oraz Chińskiego Uniwersytetu Nauki i Technologii.