CC BY
35Раздел 3. Инженерное обеспечение
УДК 62-713.1
АНАЛИЗ СИСТЕМ ВОДЯНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПАНЕЛЕЙ
Бекиров Э.А., Асанов М.М.
Физико-технический институт ФГАОУ ВО «Крымский федеральный университет имени В.И. Вернадского»,
Адрес: г. Симферополь, ул. Киевская, 181 Е-шаП: [email protected]
Аннотация. В работе проанализировано влияние нагрева поверхности фотоэлектрических преобразователей на надежность и эффективность их работы. Показано, что даже незначительное повышение температуры поверхности фотоэлемента существенным образом сказывается на его выходных характеристиках. Авторами исследовано два типа систем водяного охлаждения панелей. Проанализированы системы с трубами разных диаметров. Статистические данные о температуре окружающей среды, солнечном излучении, падающем на единицу площади панели, и скорости ветра были взяты для города Симферополя. Для оценки эффективности систем охлаждения использовалась математическая модель для нахождения КПД фотоэлектрической панели до и после охлаждения.
Ключевые слова: фотоэлектрические преобразователи, водяное охлаждение, эффективность работы
й(т (X - Д)/2)
ВВЕДЕНИЕ
До 87 % солнечного излучения, падающего на поверхность фотоэлектрического
преобразователя, преобразуется в тепловую энергию нагревая его [1]. Рост температуры фотоэлементов существенно сказывается на эффективности и продолжительности их работы. Для фотоэлементов на основе кремния скорость изменения КПД составляет 0,4 - 0,5 % на один градус Цельсия [2]. Проведенный анализ свидетельствует о необходимости охлаждения поверхности фотоэлектрических преобразователей для обеспечения надежной и эффективной генерации ими электроэнергии.
В работе [1] рассмотрены различные методы охлаждения поверхности
фотоэлектрических преобразователей. Проведен сравнительный анализ систем, из которого следует, что наиболее эффективной является система принудительного водяного охлаждения. Благодаря такой системе удается повысить выходную мощность фотоэлемента на 24 Вт/м2 по сравнению с фотоэлектрическим преобразователем без охлаждения.
МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ
Поглощенная солнечным коллектором (рис. 1) полезная энергия на единицу длины в направлении потока жидкости может быть представлена в виде суммы потока тепла, переносимого теплопроводностью к трубе через основание коллектора, и поглощенной непосредственно над трубой энергии [3]:
+ ^ = Ь(т (X - Д))2)
Ч труба
т/ 2
■ + Д
[ - иь Хр - Та) (1)
где т =
' ь
кЪ
к - коэффициент теплопроводности поглощающего элемента коллектора (абсорбера);
5 - толщина поглощающего элемента коллектора (абсорбера);
X - ширина поглощающего элемента коллектора (абсорбера);
Д - диаметр трубы;
- солнечное излучение, поглощаемое единицей площади поглощающего элемента коллектора (абсорбера);
иь - коэффициент теплообмена конвекцией, излучением и кондукцией;
Тр - температура поверхности поглощающего элемента коллектора (абсорбера);
Та - температура окружающего воздуха.
—^— 1 / 2 щ ' в
X >
Чп = Ч.
осн.коллек
т/ 2
Рис. 1. Солнечный коллектор: 1 - поглощающий элемент коллектора; 2 -
труба
В то же время полезная энергия на единицу площади солнечного коллектора может быть найдена по формуле [3]:
X [ - иь (Тр - Та ) + - иь (Тр - Та ) =
Чп =-
ТР - ТГ
1
яд
- + -
сР
(2)
где Т/ - температура потока жидкости в
трубе;
/ - коэффициент теплоотдачи от стенки трубы к жидкости;
Д, - внутренний диаметр трубы;
крЪ
С = - проводимость соединения
У
коллектора с трубой;
кр - коэффициент теплопроводности соединения коллектора с трубой;
Ъ - ширина соединения коллектора с трубой; у - толщина соединения коллектора с
трубой.
1
Выражение - в (2) описывает
к/,, Щ
сопротивление переносу тепла от стенки трубы к 1
жидкости, а - - сопротивление соединения
Ср
коллектора с трубой.
В данной работе формулы для нахождения полезной энергии солнечного коллектора (1) и (2) используются для расчета системы охлаждения панели, с расположенными на ней фотоэлектрическими преобразователями.
Пусть фотоэлектрическая панель охлаждается с помощью одной трубы, проходящей посередине под ее поверхностью. Для расчета температуры поверхности панели воспользуемся формулой (2) подставив в нее выражение для нахождения полезной энергии коллектора (1):
Т' =
р
1
/ яД
- + -
Ср
х[5-иь(Тр -Та\
й(т (X - Д)/2)
т.
/2
+Д
(3)
+7
Если фотоэлектрическая панель охлаждается системой с двумя одинаковыми трубами (рис. 2), то формула (3) преобразуется в виду:
Т' =
р
1
к/,г кД
- + -
Ср
\hXnWj 2) + + гЬ(т1)
т
т
(4)
[ (Т - Та )]+ Т/ .
о / ч со \ / V \ щ г / \
\ / X \ /
Рис. 2. Система охлаждения фотоэлектрической панели с двумя трубами
Значение Тр в формулах (3) и (4), которое характеризует температуру фотоэлектрической
панели до охлаждения, определялось в соответствии с моделью Росса [4]:
Тр = Та + квт ,
где ОТ - солнечное излучение, падающее на единицу площади фотоэлектрической панели;
к=0,02 - 0,04 оК м2/Вт.
Эффективность охлаждения оценивалось на основании изменения значения КПД фотоэлектрической панели, выражение, для нахождения которого, было взято из [5]:
Чтр =^Та 1 -Рта (Тр - Та )]
где Цтс - КПД фотоэлектрической панели при температуре Та;
Рга = 1 т - температурный
Т0 - 7 а
коэффициент;
Т0 - температура, при которой КПД фотоэлектрической панели становится равным 0 (для кремниевых фотоэлементов Т0=270 оС).
Выражение для коэффициента теплообмена Пь, по аналогии с [3], для фотоэлектрической панели с защитным покрытием и подложкой будет иметь вид:
иь =
1
1
к + к
"с р-с ^ "г р-с
К, + кг
(5)
1
1
кр
кч> + кг Ъ-а
'р-Ъ
где кс,р-с, кгр-с - коэффициент теплообмена конвекцией и излучением, соответственно, между фотоэлементом и защитным покрытием;
кК - коэффициент теплообмена конвекцией между защитным покрытием (подложкой) и атмосферой под действием ветра;
кг,с-а - коэффициент теплообмена излучением между защитным покрытием и атмосферой;
кс,р-Ъ, кг,р.Ъ - коэффициент теплообмена конвекцией и излучением, соответственно, между фотоэлементом и подложкой;
кг,Ъ-а - коэффициент теплообмена излучением между подложкой и атмосферой.
Значения коэффициентов теплообмена, входящих в (5), а также температуры поверхности защитного покрытия и подложки получены на основании выражений, представленных в [3].
Данные о температуре окружающей среды Та, солнечном излучении, падающем на единицу площади фотоэлектрической панели, ОТ и скорости ветра ¥ц? были взяты для города Симферополя из [6].
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ
При расчетах считалось, что все солнечное излучение, падающее на единицу площади панели, поглощается, т.е. 8=ОТ, а его величина равна сумме прямого и рассеянного излучения, падающего на единицу площади фотоэлемента в ясную погоду из
+
+
-л-1
+
+
расчета того, что фотоэлемент расположен горизонтально относительно поверхности земли.
Степень черноты верхней и нижней поверхности фотоэлемента была взята равной, соответственно, 0,95 и 0,09, а защитного покрытия и подложки из пластика - 0,91 [8]. КПД фотоэлектрической панели при температуре окружающей среды 25 оС принят равным 0,15.
Для системы охлаждения были выбраны трубы из полипропилена, диаметром Д=20 мм
Тр 315
310
305
300
295
290
285
280
275
270
0К
(Д/=16,2 мм) и Д=75 мм (Д/=61,2 мм). Средняя температура охлаждающей жидкости в трубах считалось равной 273 0К. Ширина фотоэлектрической панели Х была принята равной 1 м, а расстояние от трубы до края панели I, для системы с двумя трубами, равной половине расстояния между трубами Ш.
Результаты моделирования представлены на
рис. 3.
А— Без охлаждения ■— 1 труба 20 мм Ж— 2 трубы 20 мм О— 1 труба 75 мм 2 трубы 75 мм
6 7 а)
10 11 12 Месяц года
П
0,163 > 0,158 0,153 0,148 0,143
0,138
Без охлаждения ■— 1 труба 20 мм ^— 2 трубы 20 мм О— 1 труба 75 мм 2 трубы 75 мм
1 2 3 4 5 6 7
б)
10 11 12 Месяц года
Рис. 3. Кривые изменения температуры поверхности фотоэлектрической панели Т'р и ее КПД п в течение года для систем охлаждения с одной и двумя трубами
Из рис. 3 следует, что наиболее эффективной из рассмотренных систем охлаждения фотоэлектрических панелей является система с двумя трубами с наружным диаметром 75 мм. Так, в июле, когда температура наружного воздуха максимальна, температура поверхности панели снижается на 33,5 оК до 280 оК, что, в свою очередь,
приводит к увеличению КПД на 2% по сравнению с неохлаждаемой панелью.
Размеры трубы, по которой подается охлаждающая жидкость, оказывает значительное влияние на эффективность системы охлаждения, о чем свидетельствуют практически равные характеристики системы с двумя трубами с
наружным диаметром 20 мм и системы с одной трубой с наружным диаметром 75 мм.
ВЫВОДЫ
Проанализированы существующие системы охлаждения поверхности фотоэлектрических преобразователей. Смоделирована работа двух систем с использованием труб с охлаждающей жидкостью, которые проходят под поверхностью фотоэлектрической панели. Рассмотрено влияние размеров трубы на эффективность работы системы. Разработанная методика позволяет анализировать работу систем охлаждения поверхности фотоэлектрических панелей на этапе их проектирования. Это облегчит работу разработчикам аналогичных систем, предоставит возможность выбора параметров системы охлаждения для каждого конкретного случая.
Показано, что, к примеру, в июле месяце, с помощью двух полипропиленовых труб диаметром 75 мм, по которым подается охлаждающая жидкость с температурой 273 оК, можно охладить единичную площадь фотоэлектрической панели на 33,5 оК до 280 оК, увеличив тем самым КПД панели на 2% по сравнению с неохлаждаемой панелью. Следует отметить, что снизив температуру охлаждающей
жидкости, удастся добиться еще большей эффективности рассматриваемых систем.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Photovoltaic panels: A review of the cooling techniques / F. Grubisic-Cabo, S. Nizetic, T. G. Marco // Transactions of FAMENA. 2016. V. 40. Special issue 1. P. 63 - 74.
2. Handbook of Photovoltaic Science and Engineering / Edited by A. Luque and S. Hegedus. 2nd Edition. UK: John Wiley & Sons Ltd, 2011.
3. Duffie J. A., Beckman W.A. Solar Engineering of Thermal Processes. [3rd Edition]. UK: John Wiley & Sons Ltd, 2006.
4. Comparison of Solar Photovoltaic Module Temperature Models / A.Q. Jakhrani, A.K. Othman, A.R.H. Rigit, S.R. Samo // World Applied Sciences Journal. 2011. V. 14. P. 1 - 8.
5. Skoplaki E., Palyvos J.A. On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations. Solar Energy. 2009. V. 83. P. 614 - 624.
6. Захист ввд небезпечних геолопчних процеав, шюдливих експлуатацшних B^rniB, ввд пожежг Будiвельна мматолопя: ДСТУ-Н Б. В.1.1-27:2010. К.: Мшрепонбуд Украши, 2011.
Bekirov E. A., Asanov M. M. ANALYSIS OF THE PHOTOVOLTAIC PANELS' WATER COOLING SYSTEMS
Summary. The influence of heating the surface of photoelectric converters on the reliability and efficiency of their operation is analyzed. It is shown that even a slight increase in the temperature of the photocell surface has a significant effect on its output characteristics. The authors investigated two types of panels' water cooling systems. Systems with pipes of different diameters are analyzed. Statistical data on the temperature of the environment, solar radiation incident on unit area of the panel, and wind speed were taken for the Simferopol city. To evaluate the efficiency of cooling systems, a mathematical model was used to find the efficiency of the photovoltaic panel before and after cooling.
Keywords: photoelectric converters, water cooling, work efficiency
