Экспериментальное сравнение систем закрытого охлаждения фотоэлектрических модулей
- Авторы: Сорогин А.С.1, Хамитов Р.Н.1,2, Жеребцов С.Н.1
-
Учреждения:
- Тюменский индустриальный университет
- Омский государственный технический университет
- Выпуск: Том 335, № 10 (2024)
- Страницы: 226-237
- Раздел: Статьи
- URL: https://ogarev-online.ru/2500-1019/article/view/271048
- DOI: https://doi.org/10.18799/24131830/2024/10/4642
- ID: 271048
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Актуальность исследования заключается в необходимости увеличения эффективности солнечных модулей до 15–20 % за счёт охлаждения их поверхности, которая в весенне-летнее время года способна нагреваться до температуры 70 ℃. Сбор тепла с фотоэлектрических модулей является дополнительной возможностью аккумулировать тепло и использовать его для собственных нужд, в особенности для изолированных энергосистем. В статье рассматриваются способы закрытого охлаждения с помощью трубок из меди, металлопластика и нержавеющей стали. Все измерения производились в летнее время года на реальной, действующей солнечной электростанции, расположенной в респ. Крым, с. Карьерное.
Цель. Путем эксперимента определить и выявить наиболее эффективную систему охлаждения фотоэлектрических модулей.
Методы. Методы эмпирического исследования. В эксперименте для измерений температуры и влажности окружающего воздуха, температуры хладагента на входе и выходе использовались датчики, подключенные к системе Arduino UNO, данные регистрировались в таблице Excel. Для крепления системы охлаждения используется клей-герметик Soudal FIX ALL. Результаты и выводы. Получены вольтамперные характеристики, температуры хладагента на входе и на выходе, температуры поверхности фотоэлектрического модуля; наибольшую эффективность охлаждения солнечного модуля показала система охлаждения, выполненная из труб нержавеющей стали, которая позволила снизить в некоторых точках температуру модуля с 66 до 38 ℃, что увеличило эффективность фотоэлектрического модуля на 3,5 % относительно номинальной мощности. Нагретая жидкость от фотоэлектрического модуля остыла до первоначальных значений температуры благодаря установленному радиатору охлаждения для возможности повторного использования жидкости в контуре охлаждения солнечного модуля.
Полный текст
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.
Об авторах
Александр Сергеевич Сорогин
Тюменский индустриальный университет
Автор, ответственный за переписку.
Email: sorg96@gmail.com
ORCID iD: 0000-0003-3579-5264
аспирант кафедры электроэнергетики
Россия, ТюменьРустам Нуриманович Хамитов
Тюменский индустриальный университет; Омский государственный технический университет
Email: apple_27@mail.ru
ORCID iD: 0000-0001-9876-5471
доктор технических наук, профессор кафедры электроэнергетики; профессор кафедры электрической техники
Россия, Тюмень; ОмскСергей Николаевич Жеребцов
Тюменский индустриальный университет
Email: s.n.zherebtsov@mail.ru
кандидат технических наук, доцент кафедры электроэнергетики
Россия, ТюменьСписок литературы
- Юдаев И.В., Даус Ю.В., Фамага В.В. Возобновляемые источники энергии. 2е изд., стер. – СПб: Лань, 2021. – 328 с.
- Шалимова К.В. Физика полупроводников. – М.: Энергоатомиздат, 1985. – 392 с.
- Гульков В.Н., Колесниченко И.Д., Коротков К.Е. Исследование влияния нагрева солнечных модулей на эффективность преобразования излучения // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». – 2019. – № 1. – С. 10–16.
- Велькин В.И. Методология расчета комплексных систем ВИЭ для использования на автономных объектах: монография. – Екатеринбург: УрФУ, 2015. – 226 с.
- Елистратов В.В., Кузнецов М.В. Теоретические основы нетрадиционной и возобновляемой энергетики. – СПб: Изд-во СПбГПУ, 2004. – 59 с.
- Махсумов И.Б. Разработка энергокомплекса на базе возобновляемых источников энергии для электроснабжения труднодоступных районов республики Таджикистан с использованием термозащиты солнечных модулей: дис. ... канд. техн. наук. – Челябинск, 2020. – 209 с.
- Тханг Л.В., Щагин А.В. Активные методы водяного охлаждения для солнечного фотоэлектрического модуля // Инженерный вестник Дона. – 2020. – № 2. – С. 12–25.
- Бессель В.В., Кучеров В.Г., Мингалеева Р.Д. Изучение солнечных фотоэлектрических элементов. – М.: ИЦ РГУ нефти и газа (НИУ) имени И.М. Губкина, 2016. – 90 с.
- 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. – P. 1–22. doi: 10.3390/en15176278.
- Sharaf M., Yousef S., Huzayyin S. Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems // Springer. – 2022. – Vol. 29. – P. 26131–26159. doi: 10.1007/s11356-022-18719-9.
- 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. – P. 195–204. doi: 10.1016/j.jclepro.2018.06.065.
- Alktranee M., Bencs P. Effect of evaporative cooling on photovoltaic module performance // Process Integration and Optimization for Sustainability. – 2022. – Vol. 6. – P. 921–930. doi: 10.1007/s41660-022-00268-w.
- 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. – P .1–22. doi: 10.1007/s11356-023-25928-3.
- 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. – P. 1–6. doi: 10.1088/1742-6596/1373/1/012017.
- Siker J., Kusakana K., Numbi B.P. Review of cooling technologies for solar photovoltaic systems // Energy. – 2020. – Vol. 79. – P. 192–203.
- Colţ G. Performance evaluation of a PV panel by rear surface water active cooling // ICATE. – 2016. – Vol. 10. – Р. 1–5. doi: 10.1109/ICATE.2016.7754634.
- 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. – Р. 257–263. doi: 10.1016/j.solener.2019.05.019.
- Performance evaluation of a PV (photovoltaic) module by back surface water cooling for hot climatic conditions / H. Bahaidarah, A. Subhan, P. Gandhidasan, S. Rehman // Energy. – 2013. – Vol. 59. – Р. 445–453. doi: 10.1016/j.energy.2013.07.050.
- Experimental and numerical performance analysis of a converging channel heat exchanger for PV cooling / A. Baloch, H. Bahaidarah, P. Gandhidasan, F. Al-Sulaiman // Energy Conversion and Management. – 2015. – Vol. 103. – Р. 14–27. doi: 10.1016/j.enconman.2015.06.018.
- Experimental performance investigation of photovoltaic/thermal (PV-T) system / M. Ozgoren, M.H. Aksoy, C. Bakir, S. Dogan // EPJ Web Conference. – 2013. – Vol. 45. – Р. 301–312. doi: 10.1051/epjconf/20134501106.
- FIX ALL эластичный гибридный клей-герметик. URL: https://soudal.ru/images/stories/soudal/tds-diy/tds_fix-all-classic_ru.pdf?ysclid=llzzvlqofs882636174 (дата обращения: 01.09.2023).
- О рациональной размерности базиса регрессионной модели для задачи адаптивного краткосрочного прогнозирования состояния дискретной нестационарной динамической системы / А.С. Глазырин, Е.В. Боловин, О.В. Архипова, В.З. Ковалев, Р.Н, Хамитов, С.Н. Кладиев, А.А. Филипас, В.В. Тимошкин, В.А. Копырин, Е.А. Беляускене // Известия Томского политехнического университета. – 2023. – Т. 334. – № 11. – С. 257–272.
- Адаптивное краткосрочное прогнозирование потребления электроэнергии автономными энергосистемами малых северных поселений на основе методов ретроспективного регрессионного анализа / А.С. Глазырин, Е.В. Боловин, О.В. Архипова, В.В. Тимошкин, В.А. Копырин // Известия Томского политехнического университета. – 2023. – Т. 334. – № 4. – С. 231–248.
- Архипова О.В., Ковалев В.З., Хамитов Р.Н. Методика моделирования регионально обособленного электротехнического комплекса // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2019. – Т. 330. – № 1. – С. 173–180.
- Адаптивное краткосрочное прогнозирование потребления электроэнергии автономными энергосистемами малых северных поселений на основе методов корреляционного анализа / Ю.Н. Исаев, О.В. Архипова, В.З. Ковалев, Р.Н. Хамитов // Известия Томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2023. – Т. 334. – № 2. – С. 224–239.
Дополнительные файлы
