Как снизить температуру фотоэлектрического модуля с помощью перфорации рамы

Аккумулятор FIAMM 12FGH23

Китайские учёные исследовали, как перфорация рамы может помочь снизить рабочую температуру солнечных модулей за счёт воздушного охлаждения. Их выводы показывают, что количество перфорационных отверстий должно быть тщательно выверено и что чем их больше, тем не всегда лучше.

Экспериментальная установка

Исследовательская группа под руководством учёных из Северо-Восточного электроэнергетического университета в Китае изучила влияние перфорации рамы на снижение температуры фотоэлектрических панелей с помощью пассивного воздушного охлаждения.

«По сравнению с предыдущими исследованиями, основной новизной этой работы является комплексная оценка влияния перфорации рамы на эффективность пассивного воздушного охлаждения, терморегулирование и электрические характеристики фотоэлектрических панелей», — пояснили авторы. «Проведен детальный анализ поля воздушного потока вокруг фотоэлектрических панелей и температурного поля фотоэлектрических панелей, а также сравнение и обсуждение влияния различных схем перфорации рамы и форм отверстий на тепловые и электрические характеристики фотоэлектрических панелей. Основная цель этой работы — предоставить справочную информацию для исследований в области технологии пассивного воздушного охлаждения солнечных фотоэлектрических панелей».

Исследовательская группа изучила 17 различных конструкций перфорационных рамок с помощью трёхмерного моделирования гидродинамики (CFD).

Моделирование проводилось на основе монокристаллической кремниевой фотоэлектрической (ФЭ) панели размером 52,8 см × 32 см × 1,05 см. Панель состояла из рамы из алюминиевого сплава (толщиной 2,5 мм), слоя стекла (3,2 мм), слоя этиленвинилацетата (ЭВА) (0,5 мм), ФЭ-элемента (0,6 мм) и подложки (0,7 мм).

Область расчёта представляла собой куб со стороной 0,8 м и высотой установки 0,4 м. Скорость ветра на входе была установлена на уровне 6,0 м/с. Наветренная и подветренная стороны панели имели размер 52,8 см, а левая и правая стороны — 32 см. Падающая солнечная радиация составляла 900 Вт/м².

Чтобы проверить свою модель, исследователи создали экспериментальную установку с использованием монокристаллической кремниевой фотоэлектрической панели меньшего размера с параметрами 35 см × 23,5 см × 1,5 см. Панель имела номинальную мощность 10 Вт и была установлена под углом 50°. Эксперименты проводились в городе Цзилинь в центральном Китае, а результаты сравнивались с данными отдельной имитационной модели. Анализ показал, что средняя разница температур между смоделированными и измеренными значениями составляет всего 0,2267 °C, а максимальное отклонение в одной точке — 0,4 °C.

После проверки модели CFD команда оптимизировала угол наклона для пассивного охлаждения и определила, что наиболее эффективным является угол в 11°. Все последующие симуляции случаев перфорации проводились при таком наклоне. 17 вариантов перфорации были разделены на четыре категории в зависимости от количества перфорированных сторон рамы: односторонняя, двусторонняя, трёхсторонняя и четырёхсторонняя перфорация.

В каждом корпусе была либо круглая, либо прямоугольная перфорация. В панелях с наветренной и подветренной перфорацией круглые отверстия имели радиус 3 мм и располагались на расстоянии 58,68 мм друг от друга; на левой и правой сторонах отверстия также имели радиус 3 мм, но располагались на расстоянии 64 мм друг от друга. Прямоугольная перфорация имела размеры 4 мм × 100 мм с расстоянием между отверстиями 107 мм и 5 мм × 70 мм с расстоянием между отверстиями 60 мм в зависимости от стороны.

«В случае 2 — с восемью круглыми отверстиями радиусом 3,0 мм с наветренной стороны — была достигнута самая низкая средняя температура фотоэлектрической панели (39,37 °C), самая низкая максимальная температура (42,63 °C), самое равномерное распределение температуры по поверхности, самая высокая выходная мощность (24,18 Вт) и самый высокий коэффициент фотоэлектрического преобразования (15,9%)», — сообщили исследователи.

«С точки зрения средней температуры фотоэлектрических панелей, 13 из рассмотренных конструкций с перфорацией рамы показали лучшие результаты по сравнению с рамой без перфорации (случай 1)», — добавили они. По сравнению с рамой без перфорации, конструкция из случая 2 снизила температуру панели на 5,44 °C. В безветренную погоду перфорированная рама снизила среднюю температуру на 37,8 °C и повысила эффективность фотоэлектрического преобразования на 2,89 %.

Только три варианта перфорации — в случаях 3, 7 и 8 — показали худшие результаты по сравнению с неперфорированной панелью. В случае 3 были круглые отверстия с подветренной стороны, в случае 7 — прямоугольные отверстия с подветренной стороны, а в случае 8 — прямоугольные отверстия с левой стороны. «Вопреки распространённому мнению, увеличение количества отверстий в раме не обязательно улучшает эффективность охлаждения фотоэлектрических панелей», — заключила команда.

Их работа была представлена в статье «Оценка влияния перфорации рамы на снижение температуры фотоэлектрических панелей при пассивном воздушном охлаждении», опубликованной в Практических исследованиях в области теплотехники. В исследовании приняли участие учёные из Северо-Восточного университета электроэнергетики Китая, компании Shengu Group и Китайского университета науки и технологий.