Как снизить температуру фотоэлектрического модуля с помощью перфорации рамы

Исследовательская группа под руководством ученых из Северо-восточного университета электроэнергетики Китая изучила влияние перфорации рамы на снижение температуры фотоэлектрических панелей с помощью пассивного воздушного охлаждения.

«По сравнению с предыдущими исследованиями, основной новинкой этого исследования является всесторонняя оценка влияния перфорации рамы на эффективность пассивного воздушного охлаждения, управление температурным режимом и электрические характеристики фотоэлектрических панелей», — пояснили в группе. «Проводится детальный анализ поля воздушного потока вокруг фотоэлектрических панелей и температурного поля фотоэлектрических панелей, а также сравниваются и обсуждаются эффекты различных рисунков перфорации рамы и различной формы отверстий на тепловые и электрические характеристики фотоэлектрических панелей. Основная цель этой статьи — предоставить справочник по исследованию технологии пассивного воздушного охлаждения солнечных фотоэлектрических панелей».

Исследовательская группа исследовала 17 различных конструкций перфорации рамы с использованием трехмерного моделирования вычислительной гидродинамики (CFD).

Моделирование было основано на монокристаллической кремниевой фотоэлектрической (PV) панели размером 52,8 см × 32 см × 1,05 см. Панель состояла из рамы из алюминиевого сплава (толщина 2,5 мм), слоя стекла (3,2 мм), слоя этилен-винилацетата (ЭВА) (0,5 мм), фотоэлектрического элемента (0,6 мм) и задней панели (0,7 мм).

Расчетная область представляла собой куб размером 0,8 м с каждой стороны и высотой установки 0,4 м. Скорость ветра на входе была установлена ​​на уровне 6,0 м/с. Наветренная и подветренная стороны панели имели длину 52,8 см, а левая и правая стороны — 32 см. Падающее солнечное излучение составило 900 Вт/м².

Чтобы проверить свою модель, исследователи построили экспериментальную установку с использованием фотоэлектрической панели из монокристаллического кремния меньшего размера размерами 35 см × 23,5 см × 1,5 см. Панель имела номинальную мощность 10 Вт и устанавливалась под углом наклона 50 градусов. Эксперименты проводились в городе Цзилинь в центральном Китае, а результаты сравнивались с отдельной имитационной моделью. Анализ показал, что средняя разница температур между смоделированными и измеренными значениями составляет всего 0,2267 градуса с максимальным отклонением в одной-точке 0,4 градуса.

После проверки модели CFD команда оптимизировала угол наклона для пассивного охлаждения, определив 11 градусов как наиболее эффективный. Все последующие моделирования случаев перфорации проводились при этом наклоне. 17 дизайнов перфорации были сгруппированы в четыре категории в зависимости от количества перфорированных сторон рамы: односторонняя-, двухсторонняя-, трехсторонняя- и четырехсторонняя-перфорация.

Каждый корпус имел круглую или прямоугольную перфорацию. Для панелей с наветренной и подветренной стороны перфорация круглые отверстия имели радиус 3 мм и располагались на расстоянии 58,68 мм друг от друга; с левой и правой стороны отверстия также имели радиус 3 мм, но располагались на расстоянии 64 мм друг от друга. Прямоугольные перфорации имели размеры 4 мм × 100 мм с интервалом 107 мм и 5 мм × 70 мм с интервалом 60 мм, в зависимости от стороны.

«Корпус 2 - с восемью круглыми отверстиями радиусом 3,0 мм на наветренной стороне - достиг самой низкой средней температуры фотоэлектрической панели (39,37 градуса), самой низкой максимальной температуры (42,63 градуса), наиболее равномерного распределения температуры поверхности, самой высокой выходной мощности (24,18 Вт) и самой высокой эффективности фотоэлектрического преобразования (15,9%)», — сообщили исследователи.

«С точки зрения средней температуры фотоэлектрических панелей 13 из оцененных конструкций перфорации рамы превзошли не-рамку с перфорацией (Случай 1)», — добавили они. По сравнению с не-панелью с перфорацией конструкция Case 2 снижает температуру панели на 5,44 градуса. В безветренных условиях перфорированная рама снизила среднюю температуру на 37,8 градуса и увеличила эффективность фотоэлектрического преобразования на 2,89%.

Только три конструкции перфорации - (случаи 3, 7 и 8 -) оказались хуже по сравнению с не-панелью с перфорацией. Корпус 3 имел круглые отверстия с подветренной стороны, Корпус 7 имел прямоугольные отверстия с подветренной стороны, а Корпус 8 имел прямоугольные отверстия с левой стороны. «Вопреки распространённым предположениям, сверление большего количества отверстий в раме не обязательно улучшает эффективность охлаждения фотоэлектрической панели», — заключили команда.

Их работа была представлена ​​в статье «Оценка влияния перфорации рамы на снижение температуры фотоэлектрических панелей при пассивном воздушном охлаждении», опубликованной в журнале Case Study in Thermal Engineering. В исследовании приняли участие исследователи из Северо-восточного университета электроэнергетики Китая, Shengu Group и Университета науки и технологий Китая.