Com reduir la temperatura del mòdul fotovoltaic amb perforacions del marc

Un equip d'investigació dirigit per científics de la Northeast Electric Power University de la Xina ha investigat l'impacte de la perforació del marc en la reducció de la temperatura dels panells fotovoltaics mitjançant la refrigeració passiva per aire.

"En comparació amb estudis anteriors, la principal novetat d'aquest estudi és l'avaluació integral de l'efecte de la perforació del marc sobre el rendiment passiu de refrigeració per aire, la gestió tèrmica i el rendiment elèctric dels panells fotovoltaics", va explicar el grup. "Es realitza una anàlisi detallada del camp de flux d'aire al voltant dels panells fotovoltaics i el camp de temperatura dels panells fotovoltaics, i es comparen i es discuteixen els efectes de diferents patrons de perforació del marc i diferents formes de forats sobre el rendiment tèrmic i elèctric dels panells fotovoltaics. L'objectiu principal d'aquest article és proporcionar una referència per a la investigació de la tecnologia de refrigeració passiva de panells fotovoltaics".

L'equip d'investigació va investigar 17 dissenys de perforació de marcs diferents mitjançant simulacions de dinàmica de fluids computacional (CFD) tridimensionals-.

Les simulacions es van basar en un panell fotovoltaic de silici monocristal·lí (PV) de 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. El panell constava d'un marc d'aliatge d'alumini (2,5 mm de gruix), una capa de vidre (3,2 mm), una capa d'etilè-acetat de vinil (EVA) (0,5 mm), una cèl·lula fotovoltaica (0,6 mm) i un tauler (0,7 mm).

El domini computacional era un cub de 0,8 m a cada costat, amb una alçada d'instal·lació de 0,4 m. La velocitat del vent d'entrada es va fixar en 6,0 m/s. Els costats de sotavent i sotavent del panell mesuraven 52,8 cm, mentre que els costats esquerre i dret eren 32 cm. La irradiància solar incident va ser de 900 W/m².

Per validar el seu model, els investigadors van construir una configuració experimental utilitzant un panell fotovoltaic de silici monocristal·lí més petit amb unes dimensions de 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. El panell tenia una potència nominal de 10 W i es va instal·lar amb un angle d'inclinació de 50 graus. Els experiments es van dur a terme a la ciutat de Jilin, al centre de la Xina, i els resultats es van comparar amb un model de simulació separat. L'anàlisi va mostrar una diferència de temperatura mitjana entre els valors simulats i mesurats de només 0,2267 graus, amb una desviació màxima d'un-punt de 0,4 graus.

Un cop validat el model CFD, l'equip va optimitzar l'angle d'inclinació per a la refrigeració passiva, identificant 11 graus com el més efectiu. Totes les simulacions posteriors dels casos de perforació es van realitzar en aquesta inclinació. Els 17 dissenys de perforació es van agrupar en quatre categories segons el nombre de costats del marc perforat: perforacions d'un-cara,-doble, de tres-caras i de quatre-laterals.

Cada cas presentava perforacions circulars o rectangulars. Per als panells amb perforacions a barlovento i sotavent, els forats circulars tenien un radi de 3 mm i estaven separats 58,68 mm; als costats esquerre i dret, els forats també tenien un radi de 3 mm però separats de 64 mm. Les perforacions rectangulars mesuraven 4 mm × 100 mm amb un espai de 107 mm i 5 mm × 70 mm amb un espai de 60 mm, depenent del costat.

"El cas 2 - amb vuit forats circulars de 3,0 mm de radi al costat del vent - va aconseguir la temperatura mitjana del panell fotovoltaica més baixa (39,37 graus), la temperatura màxima més baixa (42,63 graus), la distribució de temperatura superficial més uniforme, la potència de sortida més alta (24,18 W) i la major eficiència de conversió fotoelèctrica reportada per la investigació.

"Des de la perspectiva de la temperatura mitjana del panell fotovoltaic, 13 dels dissenys de perforació del marc avaluats van superar el marc no-perforat (cas 1)", van afegir. En comparació amb el panell no-perforat, el disseny Case 2 va reduir la temperatura del panell en 5,44 graus. En condicions de no-vent, el marc perforat va reduir la temperatura mitjana en 37,8 graus i va augmentar l'eficiència de conversió fotoelèctrica en un 2,89%.

Només tres dissenys de perforació - Casos 3, 7 i 8 - van tenir un rendiment inferior en relació amb el panell no-perforat. El cas 3 presentava forats circulars al costat de sotavent, el cas 7 tenia forats rectangulars al costat de sotavent i el cas 8 tenia forats rectangulars al costat esquerre. "Contràriament a les suposicions habituals, perforar més forats al marc no millora necessàriament el rendiment de refrigeració del panell fotovoltaic", va concloure l'equip.

El seu treball es va presentar a "Effect evaluation of frame perforation on reducing photovoltaic panel temperature with passive air cooling", publicat a Case Studies in Thermal Engineering. En l'estudi van participar investigadors de la Universitat d'energia elèctrica del nord-est de la Xina, el grup Shengu i la Universitat de Ciència i Tecnologia de la Xina.