Фотоэлектрический солнечный воздухонагреватель на основе цилиндров с фазовым переходом и воздушной конвекцией
Аккумулятор FIAMM FG 20722
Исследователи из Малайзии разработали фотоэлектрическую тепловую систему, которую можно использовать для сушки на солнце, обогрева помещений, установки на крышах и автономного теплоснабжения. В ней используется двухпроходная технология охлаждения, основанная на конвекции воздуха и фазопереходном материале, которая, как сообщается, может повысить эффективность фотоэлектрических систем с 7 % до 9 %, а тепловую эффективность — на 31,45 %.
Исследователи из Университета Кебангсаан Малайзии разработали фотоэлектрически-термический двухпроходный солнечный воздухонагреватель (PVT-
DPSAH), в котором используется система двойного охлаждения, основанная на конвекции воздуха и цилиндрах из материала с фазовым переходом (МФП), который также служит накопителем тепла.
Фотоэлектрические модули могут поглощать, накапливать и отдавать большое количество скрытой теплоты в определенных температурных диапазонах. Они часто используются в исследовательских целях для охлаждения фотоэлектрических модулей и накопления тепла.
«Это первый случай, когда в многослойную структуру интегрированы цилиндрические капсулы с фазовым переходом», — рассказал ведущий автор исследования Сахибзада Имад Уд Дин журналу PV. «Цилиндры с фазовым переходом соединены с фотоэлектрической панелью и задней пластиной, обеспечивая двойную теплопередачу
за счёт теплопроводности и конвекции без механического воздействия на фотоэлектрическую панель».
«Компактная конструкция с автономным питанием позволяет использовать её для сушки на солнце, обогрева помещений, установки на крышах и автономного теплоснабжения, обеспечивая устойчивую тепловую и электрическую энергию без внешних источников питания, — продолжил он. — Система повышает производительность фотоэлектрических элементов за счёт двойного механизма охлаждения: принудительной конвекции воздуха и пассивного охлаждения с помощью терморегулируемого материала. Это значительно снижает температуру поверхности фотоэлектрических элементов, тем самым повышая их эффективность».
В предлагаемой конфигурации системы PCM нагревается в одном из двух каналов фотоэлектрической панели за счет теплопроводности с обратной стороны фотоэлектрического блока, который, в свою очередь, передает тепловую энергию непосредственно в PCM. Кроме того, горячий воздух из другого канала нагревает внешнюю поверхность цилиндров.
Двойной нагрев цилиндров ускоряет процесс фазового перехода и сокращает время, необходимое для достижения PCM полностью расплавленного состояния. Кроме того, расположенные в шахматном порядке цилиндры PCM создают турбулентность, которая улучшает перемешивание воздуха во втором канале, тем самым увеличивая коэффициент теплопередачи.
Первый канал имеет глубину 0,035 м и расположен на фотоэлектрической панели, а второй находится под ним и имеет глубину 0,07 м. 28 цилиндрических капсул с PCM были установлены в конфигурации 4–3–4.
Для цилиндров исследователи подготовили нанокомпозитный материал на основе парафина RT-45, легированного наночастицами карбида кремния (SiC). Смесь состояла из 100 г SiC на 2,5 кг парафина, что обеспечивало объёмную концентрацию 1 %.
В ходе серии экспериментов на открытом воздухе учёные обнаружили, что PCM плавится примерно в 11 часов утра, когда он начинает действовать как тепловой буфер. Он отдаёт накопленное тепло, несмотря на изменения в солнечной радиации, при этом температура на выходе остаётся «подходящей» для эффективной сушки в практических целях.
Ультразвуковое перемешивание проводилось в течение 3 часов при температуре 80 °C для обеспечения однородности и термической стабильности. Дальнейший анализ показал, что предложенная конфигурация системы может повысить фотоэлектрическую эффективность с 7 % до 9 %, а тепловую эффективность — на 31,45 %.
«Это увеличение связано с использованием цилиндров с фазовым переходом, которые служат для накопления тепловой энергии, улучшения теплопередачи, снижения температуры поверхности фотоэлектрических элементов и поддержания более высоких выходных температур, — сказал Уд Дин. — Такое улучшение тепловых характеристик имеет большое значение для различных областей применения, таких как сушка на солнце и обогрев помещений».
«Суммарная эффективность фотоэлектрических преобразователей достигла 99,43 %», — заключил он. «Конструкция обеспечивала высокую температуру на выходе даже в пасмурную погоду или при нестабильных погодных условиях, что было подтверждено анализом как в помещении, так и на открытом воздухе».
Другие исследовательские группы в Университете Кебангсаан Малайзии недавно разработали PVT-панель на основе скрученных абсорбирующих трубок и PCM с наночастицами, двустороннюю (PVT) панель, в которой в качестве охлаждающей среды используются круговые струи, PVT-систему на основе охлаждения PCM, многоуровневые ребристые радиаторы для охлаждения солнечных модулей и пассивную технологию охлаждения солнечных модулей на основе ребристых радиаторов.