Experimental comparison of closed cooling systems of photovoltaic modules
- Авторлар: Sorogin A.S.1, Khamitov R.N.1,2, Zherebtsov S.N.1
-
Мекемелер:
- Industrial University of Tyumen
- Omsk State Technical University
- Шығарылым: Том 335, № 10 (2024)
- Беттер: 226-237
- Бөлім: Articles
- URL: https://ogarev-online.ru/2500-1019/article/view/271048
- DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2024/10/4642
- ID: 271048
Дәйексөз келтіру
Толық мәтін
Аннотация
Relevance. The need to increase the efficiency of solar modules to 15–20% by cooling their surface, which in spring and summer is able to heat up to 70℃. Heat collection from photovoltaic modules is an additional opportunity to accumulate heat and use it for their own needs, especially for isolated power systems. The article discusses methods of closed cooling using tubes made of copper, metal plastic and stainless steel. All measurements were carried out in summer at a real, operating solar power plant located in the Crimea village of Karyernoe.
Aim. To experimentally determine and identify the effect of the most efficient cooling system for photovoltaic modules.
Methods. Methods of empirical research. In the experiment, sensors connected to the Arduino UNO system were used to measure the temperature and humidity of the ambient air, the temperature of the refrigerant at the inlet and outlet, and the data were recorded in an Excel table. Soudal FIX ALL adhesive sealant is used to fix the cooling system.
Results and conclusions. The authors have obtained volt-ampere characteristics, refrigerant inlet and outlet temperatures, photovoltaic modules surface temperatures. The cooling system made of stainless steel pipes showed the greatest cooling efficiency of the solar module, which allowed reducing the module temperature from 66 to 38℃ at some points. This increased the efficiency of photoelectric module by 3.5% relative to the rated power. The heated liquid from the photoelectric module has cooled down to its original temperature values, thanks to the installed cooling radiator, for the possibility of reuse of the liquid in the solar panel cooling circuit.
Толық мәтін
Введение
Использование солнечной энергии является экологически чистым видом энергии [1]. Использование солнечных панелей для преобразования энергии солнца в электрическую энергию является неотъемлемой частью работы солнечной электростанции. Однако во время эксплуатации солнечных панелей на поверхности модулей в период высоких температур возникает избыток тепла, который необходимо отводить от фотоэлектрического модуля (ФЭМ), в противном случае высокая температура модуля может привести к неэффективному использованию солнечных панелей и деградации солнечных элементов [1].
Теоретическая цель исследований: определить основные факторы, влияющие на нагрев фотоэлектрической панели.
Практическая цель исследований: экспериментальным путем определить наиболее эффективную закрытую систему охлаждения солнечных панелей в с. Карьерное, респ. Крым.
ФЭМ во время эксплуатации испытывает влияние окружающей среды. Это могут быть ветровые, дождевые и снеговые нагрузки, а также нагрев фотоэлементов [1]. Нагрев солнечной панели приводит к уменьшению выдаваемой электрической мощности, через определенное время эксплуатации нагрев может привести к деградации или разрушению фотоэлектрических ячеек. Деградация ФЭМ способна привести к возникновению точек «hot spot» (рис. 1) и в будущем к риску возникновения пожара (рис. 2) [1].
Рис. 1. Точки «hot spot» на лицевой стороне ФЭМ
Fig. 1. “Hot spot” points on the front side of the solar panel
Рис. 2. Последствия пожара на модуле GSB в с. Митяево, п-ов Крым, 06.07.2023
Fig. 2. Consequences of a fire on the GSB module in Mityaevo, Crimea, 06.07.2023
При нагреве солнечного модуля его номинальная электрическая мощность уменьшается. На рис. 3 представлена вольтамперная характеристика (ВАХ) ФЭМ модели Jinko Solar JK-190-P54, смоделированная в программном комплексе PVSYS. На представленных графиках видно, что при увеличении температуры снижается коэффициент заполнения, следовательно, уменьшается выдаваемая электрическая мощность [1].
Рис. 3. Вольт-амперная характеристика солнечной панели Jinko Solar JKM-190-P54 смоделированная в PVSYST
Fig. 3. Volt-ampere characteristic (VAC) of the Jinko Solar JKT-190-P54 solar panel modeled in PVSYST
Основная причина уменьшения выдаваемой электрической мощности при нагреве ФЭМ заключается в физических основах природы полупроводника [2]. В полупроводниках с повышением температуры нагрева происходит усиление колебаний атомов относительно положения равновесия [2]. Для многих проводников в области температур много меньших температур Дебая (температура, при которой возбуждаются все моды колебаний в данном твёрдом теле) температурная зависимость ширины запрещенной зоны описывается эмпирическим соотношением вида (1):
, (1)
где Eg(0) – ширина запрещенной зоны (концентрация собственных носителей заряда, собственная проводимость полупроводника, наименьшая частота света, при которой начинается собственное поглощение полупроводника (сопровождается образованием пар неравновесных носителей заряда электрон–дырка и возникновением фотопроводимости σф) при 0 К; a и b – константы, значения которых приведены в [2. табл. 11.2]; T – температура нагрева [2].
При температурах, много больших температуры Дебая, зависимость ширины запрещенной зоны становится линейной (2):
. (2)
В качестве уравнения, описывающего фотоэлектрический элемент, приведены формулы, которые показывают температурную зависимость фотоэлемента (3):
, (3)
где Р0 – электрическая мощность ФЭМ при температуре 25 °C, Вт; β – температурный коэффициент мощности, 1/°С; ΔТ – повышение температуры фотоэлемента, °С [3].
Напряжение на фотоэлементе изменяется по логарифмическому закону, зависит от температуры и определяется согласно формуле (4):
, (4)
где Uсэ – напряжение на солнечном элементе, В; k=1,380649·10–23 Дж/К – постоянная Больцмана; Т – температура окружающей среды, К; q=1,60217662·10–19 Кл – заряд электрона; IФ – фототок, А; IСЭ – ток солнечного элемента, А; IД – диодный ток, А.
Кроме теплообмена с окружающим воздухом и нагретых конструкций солнечная панель нагревается из-за инфракрасного излучения (рис. 4), падающего на ФЭМ, который не преобразуется в электроэнергию и нагревает поверхность солнечного модуля [5]. На рис. 4 изображен спектр солнечного излучения [6], который состоит из видимого света и инфракрасного излучения [5].
Рис. 4. Спектр солнечного света, генерирующий электроэнергию в солнечных модулях [6]
Fig. 4. Sunlight spectrum generating electricity in solar modules [6]
Рис. 5. Инфракрасный снимок нагрева солнечного модуля JKM-230-P60
Fig. 5. Infrared image of the heating of the solar module JKM-230-P60
В технических характеристиках ФЭМ значения о выдаваемой электрической мощности указаны при измерениях типа STC (Standard Test Conditions, стандартные тестовые условия), когда температура окружающей среды составляет 25 °C, а освещенность – 1000 Вт/м2. В табл. 1 представлены характеристики ФЭМ при STC. Реальная температура нагрева или охлаждения солнечного модуля может колебаться в пределах от – 40 до +70 °C в зависимости от времени года и местоположения солнечных модулей.
Таблица 1. Характеристики ФЭМ JKM-230-P60
Table 1. Characteristics of the solar panel JKM-230-P60
Характеристики Specifications | Параметры Parameters |
Максимальная мощность при STC, Pmax Maximum power at STC | 230 Вт/W |
Максимальное напряжение, V Maximum voltage, V | 27,9 В/V |
Максимальный ток, I Maximum current, I | 8,23 А/A |
Напряжение холостого хода, Voc No-load voltage, Voc | 35 В/V |
Ток короткого замыкания, Isc Short circuit current, Isc | 9,01 А/А |
Максимальное напряжение в системе DC, V Maximum voltage in the DC system, V | 1000 В/V |
Габариты Dimensions | 1650×992×40 мм/mm |
Максимальный ток последовательного устройства защиты от перегрузки по току Maximum current of the serial overcurrent protection device | 15 А/А |
Температурный коэффициент мощности (ТКМ), 1/°С Temperature power factor (TPF), 1/°С | –0,4 |
Количество солнечных элементов, соединенных последовательно, шт. Number of solar cells connected in series, pcs | 60 |
Реальные измерения температуры и выдаваемой электрической мощности солнечных модулей проводились на п-ве Крым в с. Карьерное 26.07.2023–27.07.2023 и 01.08.2023. Температура модулей во время их нагрева достигала 67–71 °C, а электрическая мощность солнечной панели, согласно температурному коэффициенту, снижалась на 17–23 % (табл. 1). Так, электрическая мощность ФЭМ марки JKM-230-P60 при значениях STC составляет 230 Вт, при нагреве модуля до 71 °C и освещенности E=1000 Вт/м2 выдаваемая электрическая мощность ФЭМ в точке максимальной мощности составляла 177 Вт.
В зависимости от вида теплопередачи (теплопередача, теплопроводность, конвекция, излучение [7]) существуют различные способы охлаждения солнечных модулей [8–21]:
- естественное охлаждение (с помощью охлаждения температуры окружающего воздуха, дождя, ветра и т. д.);
- принудительная циркуляция воздуха;
- использование ребер охлаждения;
- открытое жидкостное охлаждение;
- охлаждение с помощью термоэлектрических модулей;
- оптическое охлаждение (с использованием призматических концентраторов солнечной энергии для рассеяния инфракрасного излучения) [6];
- охлаждение с помощью геля;
- закрытое жидкостное охлаждение.
Для наиболее оптимального способа охлаждения выбран закрытый способ жидкостного охлаждения модулей, поскольку кроме охлаждения модулей данный способ позволяет отбирать дополнительное тепло от ФЭМ и использовать его для собственных нужд.
Материалы и методы исследования
Солнечные панели для экспериментальных исследований установлены на металлических поддерживающих конструкциях [9] под углом 25 градусов относительно земли согласно широте местоположения солнечной электростанции (СЭС). СЭС расположена в с. Карьерное респ. Крым. Согласно справочным данным [4] в Юго-Западном районе Крыма продолжительность солнечного излучения составляет 2400 часов в год.
Элементная база экспериментальной установки закрытой системы охлаждения солнечных панелей (ЗСОСП) изображена на рис. 6.
Рис. 6. Экспериментальная установка для измерения характеристик нагретой и охлаждаемой солнечной панели: а) ФЭМ JKM-230-P60; б) устройство для измерения ВАХ; в) змеевик для охлаждения; г) бак для хладагента в пленке; д) радиатор для охлаждения жидкости; е) Источник постоянного тока (ИПТ) и система для измерений; ж) персональный компьютер (ПК) для измерений; з) система шлангов и датчиков температуры
Fig. 6. Experimental installation for measuring the characteristics of a heated and cooled solar panel: a) FEM JKM-230-P60; б) device for measuring VAC; в) cooling coil; г) refrigerant tank in film; д) radiator for liquid cooling; e) Direct current source (DCS) and a system for measuring; ж) personal computer (PC) for measurements; з) hose and temperature sensor system
В качестве системы принудительного охлаждения ФЭМ используются трубки для отбора тепла. Для сравнения и нахождения наиболее эффективного материала выбраны трубы из нержавеющей стали, уложенные змеевиком и параллельной системой труб, медная трубка и металлопластик, уложенные в змеевик. Данные материалы выбраны как наиболее теплопроводные (табл. 2).
Таблица 2. Характеристики материалов труб для охлаждения ФЭМ
Table 2. Characteristics of pipes for cooling photoelectric module
Материал Material | Наружный диаметр, мм Outer diameter, mm | Толщина стенки, мм Wall thickness, mm | Коэффициент теплопроводности, Вт/(м⋅К) Coefficient of thermal conductivity, W/(m⋅K) |
Труба металлопластиковая d=16 мм V1620.100 ГОСТ 32415-2013 Metal-plastic pipe d=16 mm V1620.100 GOST 32415-2013 | 16 | 2 | 0,43 |
Труба гофрированная из нержавеющей стали d=15 мм TIM SS304 25А ГОСТ 5949-2018 Corrugated stainless steel pipe d=15 mm TIM SS304 25А GOST 5949-2018 | 15 | 3 | 17 |
Труба медная d=6 мм марка М1ф ГОСТ 11383-2016 Copper pipe d=6 mm grade M1f GOST 11383-2016 | 6 | 0,8 | 305 |
В табл. 2 указаны характеристики материалов труб для охлаждения ФЭМ. На рис. 7 показан способ крепления систем труб к ФЭМ.
Рис. 7. Способы крепления систем охлаждения к ФЭМ: а) змеевик из медной трубки; б) змеевик из металлопластиковой трубки; в) змеевик из трубки нержавеющей стали; г) параллельная система труб из нержавеющей стали
Fig. 7. Methods of fastening cooling systems to the FEM: a) coil made of copper tube; b) coil made of metal-plastic tube; c) coil made of stainless steel tube; d) parallel system of stainless steel pipes
Для обеспечения надежного контакта и достаточного теплообмена использован клей-герметик Soudal. Причина выбора клея-герметика Soudal заключается в наибольшей теплопроводности и адгезии, так как двухкомпонентный эпоксидный клей обеспечивает недостаточно надежный контакт материала змеевика и ФЭМ. Характеристики клея-герметика Soudal представлены в [22].
Для охлаждения циркулирующей жидкости использовался радиатор 190N от мотоблока Парма МK-01-7.0 (рис. 8, а), технические характеристики представлены в табл. 3, и конденсатор от холодильной камеры (рис. 8, б), размеры конденсатора представлены в табл. 4. Конденсатор от холодильной камеры уложен в землю на глубину 25 см, данная глубина выбрана для исключения глубокого прогрева верхнего слоя почвы от воздействия прямых солнечных лучей СНиП 3.02.01-87.
Рис. 8. а) радиатор от мотоблока; б) конденсатор от холодильника размером 520×1000
Fig. 8. a) radiator from the tillerblock; b) condenser from the refrigerator with dimensions of 520×1000
Таблица 3. Характеристики радиатора 190N от мотоблока
Table 3. Characteristics of the 190N radiator from the tillerblock
Характеристика/Characteristic | Значение/Meaning |
Материал радиатора/Radiator material | Алюминий/Aluminum |
Тип охлаждения/Type of cooling | Водяное/Water |
Габариты по дну, Д×Ш, мм/Dimensions along the bottom, L×W, mm | 206×186 |
Высота общая, мм/Total height, mm | 195 |
Заливная горловина, внутренний и наружный диаметр, мм/Filler neck, inner and outer diameter, mm | 48/65 |
Вес нетто/брутто, г/Net/gross weight, g | 2950/3205 |
Таблица 4. Характеристики конденсатора от холодильника
Table 4. Characteristics of the condenser from the refrigerator
Характеристика Characteristic | Значение Meaning |
Габариты Ш×Д×В, мм/Dimensions W×D×H, mm | 520×1000×8 |
Материал трубки/Tube material | Медь/Copper |
Наружный диаметр трубки, мм Tube outer diameter, mm | 6 |
Толщина стенки трубки, мм Tube wall thickness, mm | 2 |
Приборы для экспериментальных измерений представлены на рис. 9.
Рис. 9. Приборы и датчики для измерения показателей охлаждения и нагрева ФЭМ: а) инфракрасная камера VIRTOR VC328A 256×192; б) прибор для измерения солнечной радиации TES 1333 SOLAR POWER METER; в) источник постоянного тока GOPHERT CPS-6011 0–60 V 0–11 A; г) пирометр Mestec IR02C; д) плата Arduino UNO; е) датчик температуры и влажности DHT 11; ж) датчики температуры D18B20
Fig. 9. Devices and sensors for measuring cooling and heating parameters of FEM; a) infrared camera VIRTOR VC328A 256×192; b) device for measuring solar radiation TES 1333 SOLAR POWER METER; c) direct current source GOPHERT CPS-6011 0–60 V 0–11 A; d) pyrometer Mestec IR02C; e) Arduino UNO board; f) DHT 11 temperature and humidity sensor; g) D18B20 temperature sensors
Объем бака с циркулирующей жидкостью – 100 л. Пластиковый бак, выкрашенный в черный цвет, закрывался отражающей пленкой для исключения нагрева. В качестве хладагента использована вода (рис. 6, г).
Также необходимо отметить некоторые допущения в эксперименте:
- от насоса до каждого ФЭМ разная длина шланга на вход и на выход в пределах длины стола 20 м;
- до 12:00 нагрев солнечных модулей происходил неравномерно ввиду восхода солнца и нагрева крайней левой стороны стола;
- в качестве источника питания для насоса 12 В использовался ИПТ;
- все датчики измерений (датчик температуры окружающего воздуха и датчик влажности) получали данные в тени под ФЭМ;
- температура радиатора от мотоблока и конденсатора от холодильника измерялась в тени;
- освещенность ФЭМ на протяжении эксперимента постоянно изменялась ввиду реальных условий;
- все ФЭМ имели окисления контактов в нижней части модуля;
- измерение и регистрация солнечной радиации производились перпендикулярно каждой панели в верхнем правом углу;
- на тепловизоре сделаны снимки ФЭМ с наиболее нагретыми и охлажденными участками фронтальной и тыльной стороны;
- ФЭМ без охлаждения находилась в конце ряда (на западной стороне). Это означает, что панели, расположенные западнее, нагреваются на 30 мин позже панелей, которые расположены восточнее;
- ФЭМ оставались в статичном пространственном положении на протяжении всех дней измерений;
- модули ФЭМ, используемые в эксперименте, имеют деградацию электрической мощности около 10–12 %, поскольку произведены в 2011 г.;
- охлаждение ФЭМ занимает часть площади модуля (около 40–50 % от общей площади ФЭМ);
- для корректности и точности данных измерений ВАХ солнечных панелей необходима минимальная освещенность модуля E=650 Вт/м2.
Результаты исследования
Замеры производились 26.07.2023, 27.07.2023, 01.08.2023 с 10:00–13:20 по Московскому времени каждые 10 мин до и после охлаждения. Прогноз погоды получен на сайте Яндекс погода (рис. 10). Способы прогнозирования погоды для солнечных электростанций представлены в источниках [22–25].
Рис. 10. Прогноз погоды для п-ова Крым, с. Карьерное: а) 26.07.2023; б) 27.07.2023; в) 01.08.2023
Fig. 10. Weather forecast for the Crimea, village of Karyernoe: а) 26.07.2023; b) 27.07.2023; c) 01.08.2023
Измерения 26.07.23 производились с закрытой тыльной стороной ФЭМ с помощью отражающей пленки и фанеры (рис. 11). Для данного способа трубки с хладагентом закрывались отражающей пленкой толщиной 3 мм (рис. 11, А) и фанерой толщиной 6 мм по всей площади ФЭМ (рис. 11, Б).
Рис. 11. А) отражающая пленка толщиной 3 мм на тыльной стороне ФЭМ; Б) фанера на тыльной стороне ФЭМ толщиной 6 мм
Fig. 11. A) 3 mm thick reflective film on the back of the FEM; B) 6 mm thick plywood on the back of the FEM
Во время измерений данные записывались в таблицу Excel. Измерения проводились до охлаждения и через 10 минут после него.
26.07.2023 проведены измерения системы охлаждения, которая закрыта с помощью фанеры и отражающей пленки (рис. 11). Данная система после измерений показала нагрев ФЭМ, который превосходил нагрев ФЭМ без охлаждения (эталонный модуль измерений). Чтобы получить охлаждающий эффект 27.07.2023 принято решение открыть систему и использовать циркуляцию жидкости в трубках без фанеры и отражающей пленки.
Из графика (рис. 12) видно, что наиболее близкой системой по температуре к эталонному ФЭМ без охлаждения является система с медной трубкой и нержавеющей трубкой. Освещенность во время измерений 13:25 составляла 70 Вт/м2, тогда как освещенность для системы из нержавеющей стали в 12:30 составила 820 Вт/м2.
Рис. 12. График точек минимальной температуры нагрева фронтальной поверхности ФЭМ без использования фанеры и отражающей пленки, 27.07.2023
Fig. 12. Graph of points of minimum heating temperature of the front surface of the PV-panel without plywood and reflective film, 27.07.2023
Таблица 5. Пример данных по нагреву и охлаждению ФЭМ 26.07.2023 с 10:00 до 12:20
Table 5. Example of data on FEM heating and cooling on 26.07.2023 from 10:00 to 12:20
Время измерений Measurement time | 10:00 | 10:10 | 10:20 | 10:30 | 10:50 | 11:00 | 11:10 | 11:20 | 11:45 | 12:00 | 12:10 | 12:20 |
ФЭМ без охлаждения/Photovoltaic module without cooling | ||||||||||||
Температура окр. воздуха, t1, C° Ambient air temperature t1, C° | 29 | 29 | 29 | 30 | 30 | 30 | 32 | 32 | 31 | 31 | 31 | 31 |
Влажность окр. воздуха, R1, % Humidity of the ambient air, R1, % | 56 | 53 | 53 | 52 | 50 | 50 | 45 | 44 | 48 | 46 | 48 | 47 |
Солнечная радиация, Вт/м2 Solar radiation, W/m2 | 510 | 560 | 670 | 640 | 680 | 750 | 740 | 770 | 770 | 830 | 850 | 870 |
ФЭМ с охлаждением/Photovoltaic module with cooling | ||||||||||||
Начальная температура воды, t0, C° (пирометр) Initial water temperature, t0, C° (pyrometer) | 30 | 24 | 24 | 30 | 26 | 27 | 27 | 28 | 28 | 28 | 28 | 28 |
Температура жидкости на входе t2, C° Inlet liquid temperature t2, C° | 29 | 25 | 25 | 25 | 26 | 26 | 27 | 28 | 26 | 27 | 29 | 28 |
Температура жидкости на выходе t3, C° Outlet liquid temperature t3, C° | 27 | 25 | 27 | 26 | 27 | 27 | 29 | 29 | 31 | 31 | 50 | 38 |
Температура жидкости после радиатора t4, C° Liquid temperature after the radiator is t4, C° | 25 | 24 | 24 | 24 | 25 | 26 | 27 | 27 | 27 | 27 | 28 | 28 |
Температура радиатора (земли), макс Radiator temperature (ground), max | 26 | 24 | 26 | 24 | 26 | 27 | 29 | 30 | 38 | 36 | 31 | 35 |
Поэтому 01.08.23 ввиду пасмурной погоды проведены дополнительные измерения для системы охлаждения из нержавеющей стали с параллельной системой труб (рис. 13).
Рис. 13. График точек минимальной температуры нагрева фронтальной поверхности ФЭМ с использованием системы охлаждения из трубок из нержавеющей стали, 01.08.2023
Fig. 13. Graph of the points of the minimum heating temperature of the front surface of the photovoltaic module using a cooling system made of stainless steel tubes, 01.08.2023
После всех измерений получены следующие результаты.
- Наибольшая разность температур (между максимальной и минимальной температурой) на фронтальной поверхности ФЭМ получена за счет прилегания трубки из меди составила 16 °C (41 и 57 °C), рис. 14.
Рис. 14. Инфракрасный снимок фронтальной поверхности солнечной панели с охлаждением из медной трубки
Fig. 14. Infrared image of the front surface of the solar panel with cooling from a copper tube
Однако после дополнительных измерений 01.08.2023 и добавления клея-герметика Soudal разность температур для нержавеющей трубки составила 28 °C (38 и 66 °C), рис. 15.
Рис. 15. Инфракрасный снимок фронтальной части солнечной панели открытой системы охлаждения с помощью нержавеющей параллельной системой труб
Fig. 15. Infrared image of the front of the solar panel of an open cooling system using a stainless parallel pipe system
- После дополнительных измерений 01.08.23 в 12:25 график зависимости электрической мощности от напряжения солнечной панели с параллельной системой охлаждения труб в сравнении с графиком зависимости электрической мощности от напряжения солнечной панели без охлаждения показал увеличение выдаваемой мощности на 3,5 % от общей электрической мощности ФЭМ, или 8 Вт, рис. 16 (без учета электрической мощности нагретой жидкости в контуре охлаждения).
Рис. 16. График электрической мощности ФЭМ, где P1 – электрическая мощность ФЭМ с охлаждением, P2 – электрическая мощность ФЭМ без охлаждения, 01.08.23 в 12:25
Fig. 16. Power characteristics of the FEM, where P1 is the power of the FEM with cooling, P2 is the power of the FEM without cooling, 01.08.23, 12:25
- Кроме увеличения электрической мощности ФЭМ за счёт снижения температуры на поверхности солнечной панели получены результаты по охлаждению нагретой жидкости в контуре для охлаждения панели. Так, наибольшую эффективность охлаждения жидкости показал конденсатор, закопанный под землю. Наибольший эффект достигнут 26.07.23 в 12:10 на змеевике с контуром из нержавеющей стали. Температура жидкости на выходе из параллельной системы труб составила 50 °C, после охлаждения температура вернулась к входным значениям 28 °C. В случае погрешности измерений на металлопластике 26.07.23 в 12:30 получена разница температуры в 9 градусов (вход 30 °C, выход 41 °C).
- К отрицательным результатам для солнечной панели следует отнести нагрев закрытого типа охлаждения (где использовалась фанера и отражающая пленка), к примеру в часы максимальной солнечной активности в 12:10 26.07.23 разность максимальных температур фронтальной поверхности системы без охлаждения и с охлаждением закрытого типа составила 16 градусов (71 и 55 °C).
Наиболее эффективной системой охлаждения является система с параллельной системой труб из нержавеющей стали с открытым типом (без фанеры и отражающей пленки) с применением в качестве клея материала Soudal с охлаждающим контуром в виде конденсатора от холодильной установки, расположенным под землей. Данная система позволила получить 8 Вт дополнительной электроэнергии и приблизится к значениям эталонного модуля, остудить жидкость с 50 до 28 °C, снизить максимальную температуру фронтальной поверхности ФЭМ с 66 до 38 °C.
Обсуждение и заключение
Результаты экспериментов и выводы по работе носят частный характер, однако они указывают на направление дальнейших исследований по повышению эффективности работы ФЭП в неблагоприятных условиях эксплуатации для изолированных энергосистем.
Отвод тепловой энергии от фотоэлектрических модулей осуществлялся с помощью закрытой системы жидкостного охлаждения, расположенного на обратной стороне солнечного модуля, методом теплообмена.
В результате экспериментальных исследований из четырёх различных типов охлаждения ФЭМ удалось определить наиболее эффективный способ отбора тепла – с помощью параллельной системы труб из нержавеющей стали.
Данный тип охлаждения позволил не только увеличить выходную энергетическую эффективность солнечного модуля на 3,3–3,6 % от общей выдаваемой электрической мощности, но и с помощью хладагента, циркулирующего в трубке, отобрать и саккумулировать тепловую энергию для собственных нужд в баке либо остудить жидкость до входных значений (с 50 до 28 °C) с помощью конденсатора от холодильной камеры. Эффект от охлаждения ФЭП, полученный экспериментально, имеет небольшое значение, однако превышает значения погрешности измерений прибора ВАХ.
Система охлаждения, выполненная в виде змеевика из труб из нержавеющей стали, в некоторых точках фотоэлектрических модулей снизила температуру модуля с 66 до 28 °C. Клей-герметик Soudal FIX all позволил осуществить надежное крепление контура охлаждения и обеспечить теплообмен с обратной поверхностью солнечной панели.
Авторлар туралы
Alexander Sorogin
Industrial University of Tyumen
Хат алмасуға жауапты Автор.
Email: sorg96@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3579-5264
Postgraduate Student
Ресей, TyumenRustam Khamitov
Industrial University of Tyumen; Omsk State Technical University
Email: apple_27@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9876-5471
Dr. Sc., Professor; Professor
Ресей, Tyumen; OmskSergey Zherebtsov
Industrial University of Tyumen
Email: s.n.zherebtsov@mail.ru
Cand. Sc., Associate Professor
Ресей, TyumenӘдебиет тізімі
- Yudaev I.V., Daus Y.V., Famaga V.V. Renewable energy sources. St. Petersburg, Lan Publ., 2021. 328 p. (In Russ.)
- Shalimova K.V. Physics of semiconductors. Moscow, Energoatomizdat Publ., 1985. 392 p. (In Russ.)
- Gulkov V.N., Kolesnichenko I.D., Korotkov K.E. Investigation of the effect of heating solar modules on the efficiency of radiation conversion. Izvestiya SPbSETU "LETI", 2019, no. 1, pp. 10–16. (In Russ.)
- Velkin V.I. Methodology for calculating integrated renewable energy systems for use in autonomous facilities: monograph. Yekaterinburg, UrFU Publ., 2015. 226 p. (In Russ.)
- Elistratov V.V., Kuznetsov M.V. Theoretical foundations of non-traditional and renewable energy. St. Petersburg, St. Petersburg State University Publ. house, 2004. 59 p. (In Russ.)
- Makhsumov I.B. Development of an energy complex based on renewable energy sources for power supply to hard-to-reach areas of the Republic of Tajikistan using thermal protection of solar modules. Cand. Diss. Chelyabinsk, 2020. 209 p. (In Russ.)
- Thang L.V., Shchagin A.V. Active methods of water cooling for a solar photovoltaic module. Engineering Bulletin of the Don, 2020, no. 2, pp. 12–25. (In Russ.)
- Bessel V.V., Kucherov V.G., Mingaleeva R.D. Study of solar photovoltaic cells. Moscow, Center of Gubkin Russian State University of Oil and Gas (NRU) Publ., 2016. 90 p. (In Russ.)
- Sattar M., Rehman A. Performance analysis and optimization of a cooling system for hybrid solar panels based on climatic conditions of Islamabad. Energies, 2022, vol. 15, pp. 1–22.
- Sharaf M., Yousef S., Huzayyin S. Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems. Springer, 2022, vol. 29, pp. 26131.
- Zanlorenzi G., Szejka A., Junior O. Hybrid photovoltaic module for efficiency improvement through an automatic water cooling system: a prototype case study. Journal of Cleaner Production, 2018, vol. 196, pp. 195–204.
- Alktranee M., Bencs P. Effect of evaporative cooling on photovoltaic module performance. Process Integration and Optimization for Sustainability, 2022, vol. 6, pp. 921–930.
- Ibrahim A., Ramadan M.R., Khallaf A. A comprehensive study for Al2O3 nanofluid cooling effect on the electrical and thermal properties of polycrystalline solar panels in outdoor conditions. Environmental Science and Pollution Research, 2023, vol. 1, pp. 1–22.
- Sunarno A., Rakin S., Suherman S. A passive cooling system for increasing efficiency of solar panel output. Journal of Physics: Conference Series, 2019, vol. 1379, pp. 1–6.
- Siker J., Kusakana K., Numbi B.P. Review of cooling technologies for solar photovoltaic systems. Energy, 2020, vol. 79, pp. 192–203.
- Colza G. Performance evaluation of a PV panel by rear surface water active cooling. ICATE, 2016, vol. 10, pp. 1–5.
- Kabeel A., Abdelgaied M., Sathyamurthy R. A comprehensive investigation of the optimization cooling technique for improving the performance of PV module with reflectors under Egyptian conditions. Solar Energy, 2019, vol. 186, pp. 257–263.
- Bahaidarah H., Subhan A., Gandhidasan P., Rehman S. Perfomance evaluation of a PV (photovoltaic) module by back surface water cooling for hot climatic conditions. Energy, 2013, vol. 59, pp. 445–453.
- Baloch A., Bahaidarah H., Gandhidasan P., Al-Sulaiman F. Experimental and numerical performance analysis of a converging channel heat exchanger for PV cooling. Energy Conversion and Management, 2015, vol. 103, pp. 14–27.
- Ozgoren M., Aksoy M.H., Bakir C., Dogan S. Experimental performance investigation of photovoltaic/thermal (PV-T) system. EPJ Web Conference, 2013, vol. 45, pp. 301–312.
- FIX ALL elastic hybrid adhesive sealant. Available at: https://soudal.ru/images/stories/soudal/tds-diy/tds_fix-all-classic_ru.pdf?ysclid=llzzvlqofs882636174 (accessed: 1 September 2023).
- Glazyrin A.S., Bolovin E.V., Arkhipova O.V., Kovalev V.Z., Khamitov R.N., Kladiev S.N., Filipas A.A., Timoshkin V.V., Kopyrin V.A., Beliauskene E.A. Rational dimension of a basis of a regression model for adaptive short-term forecasting the state of a discrete nonstationary dynamic system. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2023, vol. 334, no. 11, pp. 257–272. (In Russ.)
- Glazyrin A.S., Bolovin E.V., Arkhipova O.V., Timoshkin V.V., Kopyrin V.A. Adaptive short-term forecasting of electricity consumption by autonomous power systems of small northern settlements based on retrospective regression analysis methods. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2023, vol. 334, no. 4, pp. 231–248. (In Russ.)
- Arkhipova O.V., Kovalev V.Z., Khamitov R.N. Methodology for modeling a regional isolated electrotechnical complex. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2019, vol. 330, no. 1, pp. 173–180. (In Russ.)
- Isaev Yu.N., Arkhipova O.V., Kovalev V.Z., Khamitov R.N. Adaptive short-term forecasting of electricity consumption by autonomous power systems of small northern settlements based on correlation analysis methods. Bulletin of the Tomsk Polytechnic University. Geo Assets Engineering, 2023, vol. 334, no. 2, pp. 224–239. (In Russ.)
Қосымша файлдар
