Sådan reduceres PV-modultemperaturen med rammeperforeringer

Et forskerhold ledet af forskere fra Kinas Northeast Electric Power University har undersøgt virkningen af ​​rammeperforering på at reducere temperaturen på PV-paneler ved hjælp af passiv luftkøling.

"Sammenlignet med tidligere undersøgelser er hovednyheden i denne undersøgelse den omfattende effektevaluering af rammeperforering på passiv luftkølingsydelse, termisk styring og elektrisk ydeevne af PV-paneler," forklarede gruppen. "Der udføres detaljeret analyse af luftstrømsfeltet omkring PV-paneler og temperaturfeltet for PV-paneler, og virkningerne af forskellige rammeperforeringsmønstre og forskellige hulformer på de termiske og elektriske ydeevner af PV-paneler sammenlignes og diskuteres. Hovedformålet med dette papir er at give en reference til forskning i passiv luftkølingsteknologi af solcellepaneler."

Forskerholdet undersøgte 17 forskellige rammeperforeringsdesigns ved hjælp af tre-dimensionelle CFD-simuleringer (computational fluid dynamics).

Simuleringerne var baseret på et monokrystallinsk silicium fotovoltaisk (PV) panel, der målte 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. Panelet bestod af en aluminiumslegeringsramme (2,5 mm tyk), et glaslag (3,2 mm), et ethylen-vinylacetat (EVA) lag (0,5 mm), en PV-celle (0,6 mm) og en bagplade (0,7 mm).

Det beregningsmæssige domæne var en terning, der målte 0,8 m på hver side, med en installationshøjde på 0,4 m. Indløbsvindhastigheden blev sat til 6,0 m/s. Vind- og læsiderne af panelet målte 52,8 cm, mens venstre og højre side var 32 cm. Den indfaldende solindstråling var 900 W/m².

For at validere deres model byggede forskerne en eksperimentel opsætning ved hjælp af et mindre monokrystallinsk silicium PV-panel med dimensioner på 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. Panelet havde en nominel effekt på 10 W og blev installeret i en hældningsvinkel på 50 grader. Eksperimenter blev udført i Jilin City, det centrale Kina, og resultaterne blev sammenlignet med en separat simuleringsmodel. Analyse viste en gennemsnitlig temperaturforskel mellem simulerede og målte værdier på kun 0,2267 grader med en maksimal enkelt-punktafvigelse på 0,4 grader.

Da CFD-modellen var valideret, optimerede teamet hældningsvinklen til passiv køling, og identificerede 11 grader som den mest effektive. Alle efterfølgende simuleringer af perforeringstilfældene blev udført ved denne hældning. De 17 perforeringsdesigns blev grupperet i fire kategorier baseret på antallet af perforerede rammesider: enkelt-side, dobbelt-side, tre-side og fire-sideperforeringer.

Hver sag havde enten cirkulære eller rektangulære perforeringer. For paneler med vind- og læsperforeringer havde cirkulære huller en radius på 3 mm og var med en afstand på 58,68 mm; på venstre og højre side var hullerne også 3 mm i radius, men med en afstand på 64 mm. Rektangulære perforeringer målt 4 mm × 100 mm med 107 mm afstand og 5 mm × 70 mm med 60 mm afstand, afhængigt af siden.

"Case 2 - med otte cirkulære huller med en radius på 3,0 mm på vindsiden - opnåede den laveste gennemsnitlige PV-paneltemperatur (39,37 grader), den laveste maksimumtemperatur (42,63 grader), den mest ensartede overfladetemperaturfordeling, den højeste udgangseffekt (24,18 W) og den største fotoelektriske konverteringseffektivitet (15 %).

"Set fra den gennemsnitlige PV-paneltemperatur overgik 13 af de evaluerede rammeperforeringsdesigns den ikke-perforerede ramme (Case 1)," tilføjede de. Sammenlignet med det ikke-perforerede panel reducerede Case 2-designet panelets temperatur med 5,44 grader. Under ingen-vindforhold sænkede den perforerede ramme gennemsnitstemperaturen med 37,8 grader og øgede den fotoelektriske konverteringseffektivitet med 2,89 %.

Kun tre perforeringsdesigns - tilfælde 3, 7 og 8 - klarede sig dårligere i forhold til det ikke-perforerede panel. Case 3 havde cirkulære huller på læsiden, sag 7 havde rektangulære huller på læsiden, og sag 8 havde rektangulære huller i venstre side. "I modsætning til almindelige antagelser forbedrer boring af flere huller i rammen ikke nødvendigvis PV-panelets køleydelse," konkluderede holdet.

Deres arbejde blev præsenteret i "Effect evaluation of frame perforation on reduction photovoltaic panel temperature with passiv air cooling," offentliggjort i Case Studies in Thermal Engineering. Forskere fra Kinas Northeast Electric Power University, Shengu Group og University of Science and Technology i Kina deltog i undersøgelsen.