Гибридная фотоэлектрическая система охлаждения повышает энергоэффективность на 26%, обеспечивая вентиляцию здания

Исследователи разработали гибридную фотоэлектрическую систему охлаждения, которая сочетает в себе испарительное охлаждение тыльной стороны с периодическим распылением воды на переднюю сторону, повышая энергоэффективность до 26%. Система также производит предварительно охлажденный вентиляционный воздух, что потенциально позволяет снизить нагрузку на системы охлаждения зданий в жарком и засушливом климате.

Международная исследовательская группа разработала гибридную фотоэлектрическую систему испарительного охлаждения, которая может одновременно повысить электрическую эффективность фотоэлектрических систем и обеспечить предварительное охлаждение вентиляционного воздуха. Система сочетает в себе испарительное охлаждение с тыльной стороны с использованием пропитанных водой целлюлозных прокладок и периодическое распыление воды на переднюю поверхность фотоэлектрического модуля.

«Основная новизна этого исследования заключается во внедрении усовершенствованной, высокоинтегрированной системы охлаждения с двойным эффектом, специально разработанной для преодоления серьезной термоэлектрической деградации в условиях сверхзасушливого пустынного климата, характерного для таких стран, как Ирак», — рассказал автор исследования Дейя М. Н. Махмуд. «Помимо рекуперации электроэнергии, система эффективно использует кондиционированный вытяжной воздух, оптимизированный по температуре и влажности, для обеспечения эффективной вторичной вентиляции здания, тем самым напрямую снижая нагрузку на системы охлаждения внутри помещений».

В системе используется пропитанная водой целлюлозная прокладка, установленная за фотоэлектрическим модулем, в сочетании с периодическим опрыскиванием передней стороны модуля. Насос обеспечивает циркуляцию воды через прокладку, а вентилятор мощностью 35 Вт прогоняет через нее воздух, охлаждая модуль и создавая более холодный и влажный вентиляционный воздух. Опрыскивание передней стороны модуля активируется, когда температура модуля превышает 45 °C, при этом вода подается импульсами продолжительностью примерно 10–20 секунд.

Исследователи сравнили два идентичных фотоэлектрических модуля мощностью 150 Вт, один из которых охлаждался, а другой нет, на крыше здания в Багдаде, Ирак. Тестирование проводилось в ясные дни с 1 июля по 15 сентября 2023 года с 09:00 до 15:00.

В первом сценарии исследователи протестировали охлаждение задней части устройства с помощью целлюлозных прокладок толщиной 50 мм, 100 мм и 150 мм и расходом воды от 1 до 3 л/мин. Во втором сценарии они добавили фронтальное распыление с использованием диска диаметром 50 мм при расходе 2 л/мин и диска диаметром 100 мм при расходе 3 л/мин. При фиксированной скорости воздушного потока 3 м/с исследователи измеряли температуру модуля, электрическую мощность, КПД, а также температуру и влажность выходящего воздуха.

«Самым поразительным и впечатляющим открытием стала исключительная стабильность терморегуляции, достигнутая при максимальном солнечном излучении, — сказал Махмуд. — Синергетическая интеграция прерывистого распыления воды с лицевой стороны и испарительного охлаждения с тыльной стороны продемонстрировала значительное и быстрое снижение рабочей температуры элементов. Это привело к существенному и стабильному повышению электрической эффективности по сравнению с неуправляемыми эталонными панелями, доказав, что сверхэффективная терморегуляция может быть успешно реализована с помощью экологичных процессов, не требующих больших затрат энергии, даже в экстремальных условиях пустыни».

Результаты показали, что испарительное охлаждение задней стороны в первом сценарии снизило температуру фотоэлектрического модуля примерно на 20 °C по сравнению с неохлажденным модулем. Средняя температура охлажденного воздуха, подаваемого в помещение, составила около 35 °C. Во втором сценарии добавление прерывистого распыления с фронтальной стороны привело к максимальному снижению температуры модуля на 29,7 °C.

«В первом сценарии максимальное повышение эффективности составило 13,3 %, 9,3 % и 14,2 % для пластин диаметром 50, 100 и 150 мм соответственно», — сообщили исследователи. «Для 100-миллиметровой пластины среднее снижение температуры фотоэлектрической панели увеличилось с 15,0 °C без напыления на переднюю сторону до 29,7 °C с напылением на переднюю сторону, а средняя разница в выходной мощности увеличилась с 8,3 Вт до 16,7 Вт соответственно. В обоих сценариях максимальное повышение эффективности составило 14,2 % для 150-миллиметровой пластины в сценарии 1 и 26 % для 100-миллиметровой пластины в сценарии 2».

Во второй конфигурации температура приточного воздуха снизилась примерно до 30–33 °C при относительной влажности около 62 %. По словам исследователей, это может способствовать использованию системы для пассивного предварительного охлаждения и вентиляции, а не в качестве самостоятельного решения для обеспечения теплового комфорта.

«Основываясь на успехе этой концепции, мы продолжаем и будем продолжать исследования в области интеллектуальной оптимизации следующего поколения. В настоящее время мы интегрируем искусственный интеллект и технологии Интернета вещей (IoT) для реализации многоцелевых алгоритмов управления в режиме реального времени», — сказал Махмуд. «Основная цель следующего этапа — динамическое регулирование распыления воды и скорости воздушного потока для достижения минимально возможного расхода воды при сохранении максимальной электрической и тепловой эффективности для крупномасштабного коммерческого использования».

Статья «Повышение эффективности гибридной фотоэлектрической системы охлаждения с испарением для жарких засушливых регионов» была опубликована в журнале Results in Engineering.

В исследовательскую группу вошли ученые из Среднего технического университета в Ираке, Багдадского университета и Университета Эль-Фаллуджи, а также из Университета Евле в Швеции, Университета науки и технологий Дохи в Катаре, Университета Нила в Судане и Суданского университета науки и технологий, Белградского университета в Сербии и Китайского университета нефти в Пекине.

Аккумулятор FIAMM FG 24204 https://invertory.ru/product/fiamm-fg-24204/