Как превратить коммерческие фотоэлектрические панели в фотоэлектрические тепловые модули

Аккумулятор FIAMM 12 FLB 400 P

Исследователи из Бразилии обнаружили, что переоборудование коммерческих фотоэлектрических панелей в системы с фотоэлектрическими тепловыми панелями может повысить общую эффективность до 46–50 %, но дополнительное тепловое сопротивление ограничивает отвод тепла и немного снижает электрические характеристики. Эксперименты показали, что эффективность зависит от качества интерфейса и конструкции системы, а также от возможности отвода тепла.

Фотоэлектрический модуль, оснащенный термосифонами

Исследователи из Федерального университета Параны (UFPR) в Бразилии оценили потенциал переоборудования коммерческих фотоэлектрических модулей в фотоэлектрические тепловые панели (ФТП), выявив практические ограничения, которые в настоящее время снижают техническую и экономическую целесообразность такого подхода.

Ученые объяснили, что предыдущие исследования были сосредоточены на коллекторах PV/T, разработанных по индивидуальному заказу и с оптимизированной интеграцией, а не на стандартных коммерческих фотоэлектрических модулях. Лишь в нескольких исследованиях рассматривалась возможность модернизации существующих панелей. Согласно литературным данным, эффективность работы зависит не только от оптимизации компонентов, но и от преодоления присущих коммерческим модулям тепловых ограничений.

«Наша работа представляет собой экспериментальную оценку модернизации систем пассивного охлаждения с фазовым переходом, ориентированную на проектирование. Мы определили ключевые конструктивные и эксплуатационные параметры, влияющие на производительность системы, и установили минимальные требования к мощности отвода тепла для эффективного терморегулирования в реальных условиях эксплуатации», — подчеркнули ученые, отметив, что их анализ был сосредоточен на модулях пассивного охлаждения с использованием тепловых трубок и термосифонов, которые отличаются высокой эффективностью, пассивным режимом работы и способностью передавать тепло за счет фазовых переходов при минимальных температурных градиентах.

В термосифонах, в частности, циркуляция между секциями испарителя и конденсатора происходит за счет силы тяжести, что обеспечивает эффективный отвод тепла без использования капиллярных структур. Их эффективность зависит от таких факторов, как коэффициент заполнения, угол наклона, рабочая жидкость и геометрия системы.

Экспериментальная установка состояла из стандартной поликристаллической фотоэлектрической панели мощностью 60 Вт с четырьмя термосифонами, установленными сзади, в реальных условиях на открытом воздухе. Термосифоны, изготовленные из меди и заполненные дистиллированной водой, имели отдельные секции испарителя, адиабатической камеры и конденсатора для обеспечения пассивной теплопередачи.

Панель PVT на основе термосифона

Для обеспечения теплового контакта между панелью и термосифонами использовались алюминиевые пластины-амортизаторы, а секции конденсатора были встроены в коллектор с водяным охлаждением, выполняющий роль теплоотвода. Для управления потоком воды и рекуперации тепла использовалась система с замкнутым контуром, включающая в себя тепловой резервуар, насос, расширительный бак и расходомер. По словам исследователей, такая система обеспечивала непрерывную рециркуляцию и хранение нагретой воды для дальнейшего использования.

Система PVT была установлена рядом с эталонной фотоэлектрической панелью для прямого сравнения характеристик в идентичных условиях окружающей среды. Обе панели были установлены под углом 25° и ориентированы на север для максимального использования солнечного света. Температура измерялась с помощью термопар, установленных на поверхности панели и в водяном контуре, а интенсивность солнечного излучения фиксировалась пиранометром. Для измерения электрических характеристик, включая напряжение, силу тока и выходную мощность, был разработан прибор для снятия вольт-амперных характеристик на базе Arduino.

Экспериментальная установка

Обе системы были экспериментально протестированы в реальных условиях на открытом воздухе при различных скоростях потока воды и погодных условиях. Испытания проводились в солнечные и пасмурные дни при скорости потока 6,5 л/мин и в солнечный день при скорости 1,5 л/мин с контролируемой температурой поступающей воды для обеспечения стабильности результатов.

Результаты показали, что из-за дополнительного термического сопротивления и снижения естественной конвекции в задней части модуля PVT его температура была выше, чем у контрольной панели, что привело к незначительному снижению электрического КПД. Это свидетельствует о тепловом дисбалансе, связанном с модернизацией конструкции. Однако система PVT показала значительно более высокий общий энергетический КПД — около 45,75 % в солнечную погоду — благодаря эффективному рекуперации тепла. Система также обладает высокой тепловой инерцией, что сглаживает температурные колебания и обеспечивает непрерывную теплопередачу даже при снижении солнечного излучения.

В пасмурные дни эта тепловая инерция еще больше повышала производительность, увеличивая общий КПД до более чем 50 % за счет замедленного высвобождения накопленной энергии. Однако скорость отвода тепла достигла своего максимума, что указывает на верхний предел, определяемый тепловым сопротивлением и пропускной способностью термосифона. При этом важнейшим параметром оказалась скорость потока. При расходе 6,5 л/мин эффективное охлаждение обеспечивало лучшие электрические и тепловые характеристики, в то время как при расходе 1,5 л/мин снижение конвекции приводило к перегреву, значительно снижая электрический КПД до 10,93 % и общий КПД до 19,02 %.

Дальнейшие исследования подтвердили, что увеличение скорости потока само по себе не может полностью устранить ограничения, поскольку отвод тепла в конечном итоге зависит от качества интерфейса и конструкции системы.

В целом результаты показывают, что эффективность модернизации системы PVT зависит от баланса между мощностью отвода тепла и присущим ей термическим сопротивлением. Кроме того, они указывают на существование максимального порога отвода тепла и необходимость оптимизации таких параметров, как скорость потока и конфигурация термосифона.

«Нынешняя конфигурация с четырьмя термосифонами не обеспечивает тепловой паритет со стандартным фотоэлектрическим модулем, — подчеркнули ученые. — Требуется увеличить мощность извлечения тепла примерно на 60 %, что можно сделать, увеличив количество термосифонов (до шести или семи) или увеличив эффективную площадь теплового контакта. Несмотря на эти ограничения, система продемонстрировала стабильную работу и эффективное восстановление тепла при различных условиях окружающей среды, что подтверждает ее пригодность для использования низкопотенциальной тепловой энергии».

В перспективе ученые планируют сосредоточить усилия на повышении эффективности отвода тепла за счет оптимизации конструкции термосифона, пространственной конфигурации и качества теплового интерфейса, а также на поиске альтернативных рабочих жидкостей и геометрических форм, адаптированных к ограничениям, связанным с модернизацией. Кроме того, они хотят изучить долгосрочную эффективность, системную интеграцию в реальных условиях, например в фотоэлектрических системах, интегрированных в здания, а также провести комплексную экономическую оценку для определения рентабельности и масштабируемости.

Результаты исследования были представлены в статье «Экспериментальная оценка предельных значений тепловых характеристик при модернизации коммерческой фотоэлектрической панели с использованием термосифона», опубликованной в Energy Conversion and Management.