Влияние материала с фазовым переходом на теплоотдачу фотоэлектрических модулей с тыльной стороны

В ходе годичного эксперимента на открытом воздухе в Милане было установлено, что у фотоэлектрического модуля с подложкой из материала с фазовым переходом медианный конвективный тепловой поток с тыльной стороны на 45,2% ниже, чем у эталонного модуля. Исследователи также обнаружили, что термическая история материала с фазовым переходом влияет на отвод тепла, даже если его тыльная поверхность имеет ту же температуру.

Иллюстрация экспериментальной установки

Исследовательская группа из Миланского политехнического университета в Италии изучала теплопередачу с тыльной стороны фотоэлектрических модулей, оснащенных материалом с фазовым переходом (МФП). Экспериментальное исследование, длившееся год, было направлено на реконструкцию и интерпретацию конвективной и инфракрасной радиационной теплопередачи с тыльной стороны модулей. Целью исследователей было определить, как использование МФП влияет на теплообмен с тыльной стороны, и оценить его потенциал для улучшения терморегулирования фотоэлектрических модулей.

Фазовые переходы — это процессы, при которых вещества могут поглощать, накапливать и выделять большое количество скрытой теплоты, изменяя свое физическое состояние, например при плавлении и затвердевании. В фотоэлектрических системах они в основном используются для пассивного управления температурным режимом. Фазовые переходы, установленные в задней части модуля, поглощают избыточное тепло при повышении температуры, помогая снизить рабочую температуру модуля и потенциально улучшить его электрические характеристики. В предыдущих публикациях освещались исследования в области охлаждения фотоэлектрических систем с помощью фазовых переходов, нескольких фазовых переходов с разными температурами плавления и парафина как материала для пассивного охлаждения. PCM также могут выступать в качестве накопителей тепла, сохраняя избыточное тепло от фотоэлектрических модулей для последующего использования.

«Наше исследование выходило за рамки обычной оценки систем фотоэлектрических модулей с фазовым переходом в твердом состоянии с точки зрения снижения температуры или электрических характеристик и было направлено непосредственно на изучение механизмов теплопередачи с обратной стороны», — рассказал автор исследования Доменико Маццео.

«Мы экспериментально реконструировали и разделили конвекцию, длинноволновое инфракрасное излучение и обратное коротковолновое излучение за почти год работы на открытом воздухе, — сказал он. — Это позволило нам изучить, как интеграция PCM влияет на сами тепловые граничные условия, включая эффекты теплоаккумуляции и тепловой памяти, а не рассматривать PCM просто как дополнительный пассивный слой охлаждения».

В рамках эксперимента исследователи протестировали два монокристаллических фотоэлектрических модуля мощностью 305 Вт на крыше Миланского политехнического университета с 11 июня 2024 года по 31 мая 2025 года. Каждый модуль состоял из 60 элементов, имел размеры 1660 мм × 990 мм и был установлен под углом 30 градусов. Один из них служил эталонным модулем, а другой был оснащен 6,83 кг неорганического фазового перехода на основе гидратированной соли, заключенной в 258 герметичных карманов и способной плавиться при температуре около 29 °C.

Исследователи измерили температуру тыльной поверхности, тепловой поток и погодные условия, а затем проанализировали синхронизированные измерения, проводившиеся с интервалом в одну минуту, чтобы оценить количество тепла, выделяемого за счет конвекции и инфракрасного излучения. Это позволило им сравнить, как два модуля рассеивали тепло в течение почти года эксплуатации на открытом воздухе. Набор данных включал 502 364 синхронизированных записи, из которых 125 469 соответствовали критериям для парного сравнения.

Ежемесячная теплопередача с тыльной стороны за счет воздушного потока (вверху) и излучения (внизу)

«Самым поразительным результатом стало то, что конвекция и излучение влияли на модуль совершенно по-разному, — сказал Маццео. — Среднегодовой эффективный коэффициент конвективной теплопередачи составил 5,64 Вт/(м² К) для модуля с фотоэлектрическим и терморегулирующим материалом и 9,74 Вт/(м² К) для эталонного фотоэлектрического модуля, что соответствует снижению на 42,1 % на уровне сборки. Средний конвективный тепловой поток также был на 45,2 % ниже». Это разделение сохранялось на протяжении всех месяцев, при разных скоростях ветра и конвективных режимах, а также при анализе неопределённости».

В то же время коэффициенты излучения в длинноволновом диапазоне остались практически неизменными и составили 5,85 Вт/(м² К) и 5,88 Вт/(м² К) при базовом показателе с учетом коэффициента излучения, несмотря на разницу в инфракрасном тепловом потоке в 15,4 %.

«Другими словами, интеграция PCM сильно изменила время и величину эффективного конвективного отвода тепла, в то время как коэффициент излучения по-прежнему в основном зависел от коэффициента излучения и абсолютной температуры», — сказал Маццео.

«Еще одним интересным наблюдением стала важность термической истории, — сказал исследователь. — На смешанную конвекцию приходилось около 61 % парных наблюдений, а задняя поверхность PCM находилась в практическом диапазоне перехода от 27 °C до 31 °C примерно 433 часа». Одна и та же температура поверхности может иметь место при различных внутренних тепловых состояниях, что показывает, что одной мгновенной температуры недостаточно для описания поведения теплопередачи системы PV-PCM ”.

Для дальнейших исследований команда Маццео планирует продлить эксперимент на несколько лет и дополнить его прямыми измерениями локального воздушного потока за модулями, распределенным измерением температуры и теплового потока, а также геометрически подобранной эталонной конфигурацией неактивного PCM.

«Мы также заинтересованы в определении характеристик фотоэлектрических систем с пассивным охлаждением до и после кампании, а также в использовании этих долгосрочных измерений для проверки динамических моделей фотоэлектрических систем с пассивным охлаждением на основе многолетних данных о погоде, — заключил Маццео. — В конечном счете наша цель — разработать более надежные граничные условия и инструменты проектирования для прогнозирования долгосрочных тепловых и электрических характеристик фотоэлектрических систем с пассивным охлаждением в различных климатических условиях и конфигурациях».

Исследование описано в статье «Экспериментальная конвективная и инфракрасная теплопередача с тыльной стороны в наклонном фотоэлектрическом модуле с материалом, меняющим фазовое состояние,» опубликованной в журнале Applied Thermal Engineering.

Аккумулятор FIAMM FG 22703 https://invertory.ru/product/fiamm-fg-22703/