Kako smanjiti temperaturu PV modula s perforacijama okvira

Istraživački tim predvođen znanstvenicima s Kineskog sveučilišta Northeast Electric Power istražio je utjecaj perforacije okvira na smanjenje temperature fotonaponskih panela korištenjem pasivnog zračnog hlađenja.

"U usporedbi s prethodnim studijama, glavna novost ove studije je sveobuhvatna procjena učinka perforacije okvira na pasivno hlađenje zrakom, upravljanje toplinom i električnu izvedbu PV panela", objasnila je grupa. "Provedena je detaljna analiza polja protoka zraka oko PV panela i temperaturnog polja PV panela, te su uspoređeni i raspravljeni učinci različitih uzoraka perforacije okvira i različitih oblika rupa na toplinske i električne performanse PV panela. Glavni cilj ovog rada je pružiti referencu za istraživanje tehnologije pasivnog zračnog hlađenja solarnih PV panela."

Istraživački tim istražio je 17 različitih dizajna perforacije okvira pomoću tro-dimenzionalnih simulacija računalne dinamike fluida (CFD).

Simulacije su se temeljile na monokristalnom silicijskom fotonaponskom (PV) panelu dimenzija 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. Ploča se sastojala od okvira od aluminijske legure (debljine 2,5 mm), staklenog sloja (3,2 mm), sloja etilen-vinil acetata (EVA) (0,5 mm), PV ćelije (0,6 mm) i zadnje ploče (0,7 mm).

Računska domena bila je kocka dimenzija 0,8 m sa svake strane, s visinom ugradnje od 0,4 m. Brzina ulaznog vjetra postavljena je na 6,0 m/s. Privjetrinska i zavjetrinska strana panela imale su 52,8 cm, dok su lijeva i desna strana bile 32 cm. Upadno sunčevo zračenje bilo je 900 W/m².

Kako bi potvrdili svoj model, istraživači su napravili eksperimentalnu postavu koristeći manji monokristalni silicijski PV panel dimenzija 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. Panel je imao nazivnu snagu od 10 W i postavljen je pod kutom nagiba od 50 stupnjeva. Eksperimenti su provedeni u gradu Jilin u središnjoj Kini, a rezultati su uspoređeni s posebnim simulacijskim modelom. Analiza je pokazala prosječnu temperaturnu razliku između simuliranih i izmjerenih vrijednosti od samo 0,2267 stupnjeva, s maksimalnim odstupanjem od -točke od 0,4 stupnja.

Nakon što je CFD model potvrđen, tim je optimizirao kut nagiba za pasivno hlađenje, identificirajući 11 stupnjeva kao najučinkovitiji. Sve kasnije simulacije slučajeva perforacije provedene su pri ovom nagibu. 17 dizajna perforacija grupirano je u četiri kategorije na temelju broja perforiranih stranica okvira: jedno-strane, dvo-strane, tro-strane i četiri-strane perforacije.

Svaka je kutija imala kružne ili pravokutne perforacije. Za ploče s perforacijama prema vjetru i zavjetrini, kružne rupe imale su polumjer od 3 mm i bile su razmaknute 58,68 mm; na lijevoj i desnoj strani, rupe su također bile polumjera 3 mm, ali razmaknute 64 mm. Pravokutne perforacije mjerene su 4 mm × 100 mm s razmakom od 107 mm i 5 mm × 70 mm s razmakom od 60 mm, ovisno o strani.

"Kućište 2 - s osam kružnih rupa radijusa 3,0 mm na strani prema vjetru - postiglo je najnižu prosječnu temperaturu PV panela (39,37 stupnjeva), najnižu maksimalnu temperaturu (42,63 stupnja), najujednačeniju raspodjelu površinske temperature, najveću izlaznu snagu (24,18 W) i najveću učinkovitost fotoelektrične pretvorbe (15,9%)," izvijestili su istraživači.

"Iz perspektive prosječne temperature PV panela, 13 procijenjenih dizajna perforacije okvira nadmašilo je ne-perforirani okvir (Slučaj 1)", dodali su. U usporedbi s ne-perforiranom pločom, dizajn Case 2 smanjio je temperaturu ploče za 5,44 stupnja. U uvjetima bez-vjetra, perforirani okvir smanjio je prosječnu temperaturu za 37,8 stupnjeva i povećao učinkovitost fotoelektrične pretvorbe za 2,89%.

Samo su tri dizajna perforacije - Slučajevi 3, 7 i 8 - imali slabije rezultate u odnosu na ne-neperforiranu ploču. Slučaj 3 imao je kružne rupe na strani u zavjetrini, slučaj 7 imao je pravokutne rupe na strani u zavjetrini, a slučaj 8 imao je pravokutne rupe na lijevoj strani. "Suprotno uobičajenim pretpostavkama, bušenje većeg broja rupa u okviru ne mora nužno poboljšati performanse hlađenja PV panela", zaključio je tim.

Njihov je rad predstavljen u "Procjeni učinka perforacije okvira na smanjenje temperature fotonaponske ploče s pasivnim zračnim hlađenjem", objavljenom u Case Studies in Thermal Engineering. U istraživanju su sudjelovali istraživači s Kineskog sveučilišta Northeast Electric Power, Shengu Group i Kineskog sveučilišta za znanost i tehnologiju.