Снижение температуры фотоэлектрических модулей с помощью ребер, напоминающих прожилки листьев

Аккумулятор FIAMM FG 20271

Исследователи из Ирака разработали биомиметические рёбра для фотоэлектрических панелей, вдохновлённые жилками листьев. Рёбра с сетчатым рисунком (RET) снижают температуру панелей на 33,6 °C и повышают эффективность на 18 % за счёт пассивного охлаждения. В своём исследовании они объединили трёхмерное моделирование методом вычислительной гидродинамики и электрические измерения для оптимизации геометрии рёбер, предложив экологичную альтернативу традиционным методам охлаждения.

Типы плавников с прожилками на листьях

Исследовательская группа из Технического университета Аль-Фурат Аль-Авсат в Ираке провела численное исследование тепловых и электрических характеристик фотоэлектрических панелей, оснащенных ребрами, имитирующими жилкование листьев. Они смоделировали четыре типа жилкования, характерных для растений: перистое жилкование (PIN), сетчатое жилкование (RET), параллельное жилкование вдоль вертикальной оси (PAR-I) и параллельное жилкование вдоль горизонтальной оси (PAR-II).

«Ключевая новизна нашего исследования заключается в создании и систематической оптимизации биомиметических форм рёбер, вдохновлённых жилками листьев, в качестве пассивных теплоотводов для фотоэлектрических панелей, — рассказал журналу PV автор исследования Яссер А. Джеббар. — В то время как традиционные подходы к охлаждению основаны на использовании простых прямых рёбер, жидкостей или активных систем, наше исследование — одно из первых, в котором естественные жилки листьев, в частности структуры RET, напрямую преобразуются в изготавливаемые задние рёбра, специально адаптированные для тепловых и электрических характеристик фотоэлектрических элементов».

Команда объединила детальное 3D-моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) с анализом энергоэффективности, чтобы определить геометрию, которая обеспечивает максимальное рассеивание тепла без дополнительного энергопотребления или расхода воды. Следующим шагом станет экспериментальная проверка конструкции ребристых пластин в реальных условиях на открытом воздухе, особенно в жарком климате.

Имитируемая фотоэлектрическая панель состояла из пяти слоёв: стекла, двух слоёв этиленвинилацетата (ЭВА), слоя солнечных батарей и слоя Tedlar с прикреплёнными медными радиаторами и рёбрами. Все конфигурации рёбер изначально имели толщину 0,002 м, высоту 0,03 м и расстояние между ними 0,05 м. Размеры панелей составляли 0,5 м × 0,5 м, скорость окружающего воздуха — 1,5 м/с, а падающая интенсивность излучения — 1000 Вт/м².

Теплоотводящие ребра превзошли все остальные конструкции, снизив рабочую температуру на 33,6 °C и повысив электрический КПД с 12,0 % до 14,19 % — относительное улучшение на 18 % — по сравнению с неохлаждаемыми панелями.

«Такое снижение температуры не уступает, а в некоторых случаях и превосходит водяное или гибридное охлаждение, несмотря на то, что используется исключительно пассивное воздушное охлаждение», — отметил Джеббар. Исследование также показало, что высота рёбер оказывает более значительное влияние на эффективность охлаждения, чем расстояние между ними или толщина.

Команда продолжила оптимизацию рёбер RET, варьируя расстояние между ними в диапазоне от 0,02 до 0,07 м, высоту — в диапазоне от 0,02 до 0,07 м и толщину — в диапазоне от 0,002 до 0,007 м. Оптимальная геометрия — расстояние 0,03 м, высота 0,05 м и толщина 0,006 м — позволила снизить температуру на 33,6 °C и повысить эффективность на 18 %.

Новый метод охлаждения был описан в статье «Улучшение тепловых и электрических характеристик фотоэлектрических панелей с помощью ребристых пластин,» опубликованной в Solar Energy. В исследовании приняли участие учёные из иракского Технического университета Аль-Фурат Аль-Авсат, Университета Кербелы и шведского Университета Евле.