Воздушные пузырьки улучшают охлаждение и производство водорода в фотоэлектрических и тепловых системах
Исследователи из Индии разработали водородную систему PVT с использованием инжекции воздушных пузырьков для повышения эффективности охлаждения, тепловой и электрической эффективности, а также производства водорода. При испытаниях на открытом воздухе в штате Тамилнад система показала пиковую тепловую эффективность 45,5 % и производительность водорода 15,5 мл/мин.
Система PVTH
Исследовательская группа из Индии разработала новую фотоэлектрическую тепловую (ФЭТ) систему получения водорода, в которой для повышения производительности используется инжекция воздушных пузырьков. Исследователи также стремились изолировать влияние инжекции воздушных пузырьков на ФЭТ-охлаждение, чтобы оценить его вклад независимо от процесса получения водорода. Система была экспериментально протестирована на крыше здания в Тирученгода, штат Тамилнад, на юге Индии, в реальных условиях. Полученные результаты дают представление о потенциале инжекции воздушных пузырьков как метода охлаждения систем PVT, одновременно способствующего производству водорода.
«Многие исследователи использовали различные методы охлаждения, в том числе воздушное, жидкостное и с использованием материалов с фазовым переходом, но не изучали влияние пузырьков воздуха на эффективность фотоэлектрических систем и выход водорода», — заявили авторы исследования. «Результаты этого исследования будут полезны как развитым, так и развивающимся странам, учитывая загрязнение окружающей среды и потребности в энергии».
Новую систему PVT-water с инжекцией пузырьков воздуха сравнили с тремя другими конфигурациями: обычной фотоэлектрической системой, системой PVT-air и системой PVT-water. Обычная фотоэлектрическая система работала без теплового коллектора, в то время как в системах с PVT-воздухом и PVT-водой для отвода тепла с задней стороны модуля использовались воздух и вода соответственно. В новой конфигурации в циркулирующую воду подавались пузырьки воздуха с массовым расходом 0,006, 0,008 и 0,011 кг/с для улучшения теплопередачи.
Во всех четырех экспериментальных установках использовался поликристаллический фотоэлектрический модуль мощностью 20 Вт, состоящий из 36 элементов, с площадью поверхности 0,303 м² и коэффициентом преобразования 16,5%. К задней части модуля был прикреплен спиральный коллектор площадью 0,213 м². Система также включала в себя 10-литровый горизонтальный цилиндрический резервуар для воды радиусом 100 мм и высотой 350 мм, а также электролизер Гофмана с платиновыми электродами.
Эксперименты на открытом воздухе проводились в течение семи летних дней подряд. Измерения проводились ежедневно с 08:00 до 16:00. Исследователи отслеживали солнечную радиацию, температуру окружающей среды, скорость ветра, температуру поверхности фотоэлектрических модулей, температуру на входе и выходе охлаждающей жидкости, скорость воздушного и водяного потоков, электрическую мощность и выработку водорода. Для анализа использовались средние значения за семь дней.
Система PVT-вода-воздух была протестирована при массовом расходе подаваемого воздуха 0,006, 0,008 и 0,011 кг/с и сравнена с традиционными конфигурациями PV, PVT-воздух и PVT-вода. Системы также тестировались при постоянной интенсивности излучения 600 Вт/м² и температуре окружающей среды 26 °C.
Исследователи сообщили, что конфигурации с промежуточным теплоносителем, особенно с использованием воды в качестве теплоносителя, значительно повышают тепловую эффективность. Система с промежуточным теплоносителем и подачей воды при расходе воздуха 0,011 кг/с достигла пиковой тепловой эффективности около 45,5 % по сравнению с примерно 30 % для системы с промежуточным теплоносителем и подачей воздуха.
Система с промежуточным теплоносителем и подачей воды с инжекцией воздуха также показала самый высокий электрический КПД. При скорости подачи воздуха 0,011 кг/с максимальный электрический КПД составил около 11,1 % по сравнению с 8,1 % у обычной фотоэлектрической системы.
Согласно результатам, система PVT-water с подачей воздуха обеспечила самую высокую скорость производства водорода — около 15,5 мл/мин при скорости подачи воздуха 0,011 кг/с. Для сравнения: максимальная скорость производства водорода у обычной фотоэлектрической системы составляет 8,3 мл/мин.
При той же конфигурации максимальная эффективность электролизера составила примерно 15,5 % по сравнению с 8,3 % для обычной фотоэлектрической системы.
По словам исследователей, необходимо провести дополнительную работу, чтобы определить оптимальную скорость подачи воздуха при различных условиях эксплуатации и конфигурациях системы. Они также призвали к разработке усовершенствованных алгоритмов управления для интегрированных систем фотоэлектрических электролизеров, чтобы оптимизировать управление энергопотреблением и производство водорода.
Результаты исследования были представлены в статье «Экспериментальное исследование влияния подачи пузырьков воздуха на производительность системы получения водорода на основе фотоэлектрических и тепловых солнечных коллекторов», опубликованной в журнале Case Studies in Thermal Engineering. В исследовании приняли участие ученые из Технологического колледжа имени К. С. Рангасами в Индии и Института науки и технологий SRM.