CC BY
4УДК 620.92
Оценка эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в климатических условиях Астраханской области
Зайнутдинова Лариса Хасановна [0000-0002-7013-9716]1, Ильичев Владимир Геннадьевич [0000-0002-2579-0403]2, Джамбеков Равиль Гариполаевич [0000-0003-0880-2086]3
Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева, Астрахань, 414056 Россия
E-mail: 1 Lzain@mail.ru,2 vova201428@yandex.ru, 3 ravil-200@mail.ru
Аннотация. Разработана система водяного охлаждения фотоэлектрического модуля. Проведено экспериментальное исследование эффективности водяного охлаждения для реальных условий эксплуатации в регионе с высокими температурами окружающей среды. Эксперимент показал, что в климатических условиях Астраханской области водяное охлаждение фотоэлектрического модуля обеспечивает существенное возрастание его выходной мощности и коэффициента полезного действия.
Ключевые слова: фотоэлектрический модуль, водяное охлаждение, коэффициент полезного действия
1 Введение
В настоящей работе ставится задача изучения эффективности охлаждения фотоэлектрических модулей в реальных условиях эксплуатации в регионах с высокими температурами окружающей среды. Настоящее исследование проводится на базе Астраханского государственного университета с применением информационно-измерительной системы долгосрочного мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей [1], [2]. Система укомплектована измерительным оборудованием (датчиками) для измерения солнечной радиации (кремниевый фотоприемник, SP Lite 2), температуры тыльной стороны модуля и окружающей среды (датчики температуры, DS18B20). Согласно экспериментам, проведенным с применением упомянутой фотоэлектрической системы, в летнее время в полдень температура солнечных модулей в условиях Астрахани на солнце достигает высоких значений, более 70 градусов Цельсия [3].
Как известно, недостатком солнечных фотоэлектрических систем является большая зависимость выработки электроэнергии от погодных факторов и снижение КПД с ростом температуры [4, 5, 6]. Поэтому пристальное внимание разработчиков фотоэлектрических систем обращено к проблемам охлаждения фотоэлектрических модулей. Так, например, сотрудниками электромеханического факультета технологического университета Багдада была создана система испарительного охлаждения в сочетании с радиатором [7]. В работе ученых Индии была реализована фотоэлектрическая система с температурным контролем на основе термоэлектрического эффекта [8]. Учеными из Малайзии рассматривалось охлаждение фотоэлектрического модуля посредством пропускания воды по медным трубкам, установленным с тыльной стороны модуля [9]. Общим недостатком решений [7,8,9] является усложнение конструкции.
В большинстве известных работ испытание систем охлаждения производится в лабораторных условиях, где инсоляция и нагрев модуля имитируются искусственно.
В настоящей работе была поставлена цель оценки эффективности водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в реальных условиях эксплуатации в регионе с жарким климатом.
2 Система охлаждения
Авторами статьи разработана система охлаждения, представленная на рисунке
1.
Рис. 1. Система охлаждения фотоэлектрического модуля (1 - Фотоэлектрический модуль
Pramac 125, 2 - Датчик температуры тыльной стороны ФЭМ, 3 - Сопла (5 шт), 4 -Кремниевый фотоприемник, 5 - Клапан регулирования расхода воды, 6 - Расходомер, 7 - Насос, 8 - Емкость для воды, 9 - Реостат, 10 - Амперметр, 11 - Вольтметр, 12 -
Фильтр).
Охлаждение фотоэлектрического модуля осуществляется активным способом путем распыления воды по поверхности фотоэлектрического модуля. Общий вид установки с фотоэлектрическим модулем и системой охлаждения представлен на рисунке 2.
Рис.2 - Проведение эксперимента с охлаждением фотоэлектрического модуля (а- общий вид установки, б- расположение форсунок)
Установка оборудована системой форсунок, находящихся на верхней стороне модуля и обеспечивающих равномерное распределение брызг охлаждающей жидкости по всей поверхности (рис. 2). Модуль зафиксирован под углом, обеспечивающим наибольшую выработку электрической энергии, в соответствии с географическими координатами местности.
При проведении эксперимента в качестве нагрузки фотоэлектрического модуля использован реостат ползунковый РПШ-5 с роликовыми контактами на 5 А с диапазоном изменения сопротивления (0-30) Ом
Помимо измерителей электрических параметров система укомплектована измерительным оборудованием (датчиками) для измерения солнечной радиации (кремниевый фотоприемник, SP Lite 2), температуры тыльной стороны модуля и окружающей среды (датчики температуры, DS18B20), массового расхода охлаждающей жидкости (расходомер).
Распыление воды осуществляется через 5 форсунок, установленных равноудаленно друг от друга на верхней стороне модуля. Подача воды реализована насосом из накопительного бака. Вода, распыляясь по поверхности модуля накапливается в нижней его части и, протекая по водосточному желобу,
подается в обратно в накопительный бак. Ранее на основании проведенного исследования, был выявлен оптимальный угол распыления сопла (150 град).
В системе подачи воды установлен клапан регулирования расхода воды и расходомер для определения массового расхода разбрызгиваемой воды.
Система охлаждения фотоэлектрического модуля сконструирована и изготовлена таким образом, чтобы ее прочность и жесткость обеспечивали защиту от воздействий неблагоприятных условий окружающей среды (попадание воды, пыли и песка в воздухе и т.д.). Конструкция системы охлаждения надежно установлена относительно поверхности, на которой располагается фотоэлектрический модуль, в целях защиты от ветряных порывов. Установка в систему фильтра-грязевика предотвращает загрязнение сопел разбрызгивания охлаждающей жидкости, клапана регулирования давления, расходомера.
Клапан регулирования давления и расходомер также защищены от воздействия внешних условий окружающей среды (пыль, прямое попадание солнечных лучей).
3 Методика проведения эксперимента и результаты измерений
В настоящей статье рассматривается организация эксперимента по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в натурных условиях г. Астрахани. В эксперименте использован фотоэлектрический модуль Pramac-125. Эксперимент проводился 2-го сентября 2022 г.
Были использованы следующие электроизмерительные приборы: мультиметр "RIGOL DM3061" в качестве амперметра и мультиметр Mastech MY61 в качестве вольтметра. В качестве электрической нагрузки использовался реостат ползунковый РПШ-5 с роликовыми контактами на 5 А с диапазоном изменения сопротивления (0-30) Ом.
Номинальные электрические параметры модуля Pramac-125, определенные при стандартных условиях испытаний (температура модуля t =25 °С, инсоляция In = 1000 Вт/м2), приведены в паспорте [10]. Поскольку реальные условия, как правило, отличаются от стандартных в начале эксперимента была снята фактическая вольтамперная характеристика модуля Pramac -125. При инсоляции 854 Вт/м2 и температуре тыльной стороны модуля, равной +54,45 °C напряжение холостого хода составило 60,5 В, в точке максимальной мощности напряжение было равно 46 В, а сила тока - 1,8489 А. Сопротивление нагрузочного реостата в точке максимальной мощности составило 24, 88 Ом. В дальнейшем нагрузка не регулировалась.
Далее эксперимент выполнялся с применением разработанной авторами системы охлаждения в период с 11часов 20 минут до 12 часов 23 минут (2-го сентября 2022г). Результаты измерений фиксировались ежеминутно, они приведены в таблице 1. Приняты следующие обозначения:
U - напряжение на выходе фотоэлектрического модуля (на нагрузке) (В),
I - ток нагрузки, (А), Ш - инсоляция (Вт/м2),
t - температура тыльной стороны фотоэлектрического модуля (°С), t окр - температура окружающей среды (°С)
Таблица 1. Результаты измерений.
Время час:мин U(B) I(A) 1П(ВТ/М2) Температура t модуля(°С) Температура окружающей среды t окр (°С)
11:21 46 1,8672 854,625 54,45 52,34
11:22 46,7 1,91 855,5 54,45 52,23
12:21 49,5563 2,044672 899,25 31,5 53,42
12:22 49,5587 2,045051 901,625 31,4 53,54
12:23 49,5611 2,044 899,25 31,29 53,27
4 Анализ результатов измерений
На рисунке 3 приведены зависимости температуры окружающей среды и температуры модуля.
0
in in in 0 m m m id m ol m in ■чг 1л ■чг 00 ■чг 1л 0 о m о id о ol о in 1л 00 in
T-h ¿4 T-h T-h ¿4 T-h ¿4 ¿4 T-h T-h in in in in in in in in
Время
t модуля -1 окр
Рис. 3. Охлаждение фотоэлектрического модуля Ргатас -125. Температура модуля, температура окружающей среды, 2022-09-02.
Согласно рис.3 и таблице 1 после включения системы водяного охлаждения наблюдается плавное снижение температуры модуля от 54°С до 31°С. Удалось понизить температуру модуля на 22 °С.
На следующих рисунках показано, что осуществленное в настоящем эксперименте водяное охлаждение позволяет добиться повышения выходного напряжения, силы тока и вырабатываемой мощности (рис.4, рис.5, рис.6).
время
Рис.4 . Охлаждение фотоэлектрического модуля Ргатас -125. Температура модуля(°С), Выходное напряжение модуля (В), 2022-09-02.
Таким образом, охлаждение позволило повысить напряжение на выходе модуля с 46 В до 49,5 В.
время
Рис.5 . Охлаждение фотоэлектрического модуля Pramac -125. Сила тока. 2022-09-02.
Охлаждение позволило повысить силу тока на выходе модуля с 1,8672 А до 2,044 А.
Соответственно, возрастает выходная мощность
105
80 75
и .1.1.1.11 .11 .1>111>.г22::222::222::222::2222:
кккккккккииииы^^ ч ч1 ч ч ч ч ч1 ккк>о
время
Рис.6 . Охлаждение фотоэлектрического модуля Ргатас -125. Выходная мощность,
2022-09-02.
Благодаря охлаждению выходная мощность возросла с 85,89 Вт до 101,3 Вт, то есть на 18%. Это существенный результат. Для солнечных электростанций средней и большой мощности в случае использования водяного охлаждения можно добиться существенного приращения абсолютных значений выработки электроэнергии.
При этом следует подчеркнуть в процессе эксперимента инсоляция изменялась незначительно (рисунок 7). Поэтому наблюдавшееся возрастание силы тока, напряжения и мощности с полной уверенностью можно объяснить влиянием водяного охлаждения
1П
1000 900 800 700 600 500 400 300 200 100 0
и: 1111111111 1111 i1 i1 i1 i1 i1 i11 i1 i1 i; i;:::::::::::::::::::::::::
222222222333333333344444444445555555555000000000011111111112222 123456789012345678901234567890123456789012345678901234567890123
время
Рис.7 . 2022-09-02 Инсоляция.
5 Коэффициент полезного действия
Конечно же, основным показателем эффективности любого технического устройства является коэффициент полезного действия КПД:
П=Р2/Р1 (1)
где
Р2=и*1 - мощность, отдаваемая фотоэлектрическим модулем в нагрузку, (Вт), Р1- мощность солнечного излучения падающего на поверхность фотоэлектрического модуля (Вт), Р1=8*1и (Вт)
здесь 8 - площадь поверхности фотоэлектрического модуля, м2,
Для исследованного модуля Ргатас -125 площадь поверхности S=1,43 м2,
Значения мощностей и КПД, рассчитанные на основе полученных экспериментальных данных, приведены в Таблице2
Таблица 2. Мощности и КПД.
Время Р2(Вт) 1п(Вт/м2) Р1(Вт) КПД
час:мин_
11:21 85,8912 854,625 1222,114 0,070281
11:22 89,197 855,5 1223,365 0,072911
12:21 101,3264 899,25 1285,928 0,078796
12:22 101,3501 901,625 1289,324 0,078607
12:23 101,3029 899,25 1285,928 0,078778
График изменения КПД в ходе эксперимента приведен на рисунке 8.
0.082
0.08
0.078
0.076
сд 0.074 с
^ 0.072 0.07 0.068 0.066 0.064
l-kknjvknj^mvknj^mvknkknknkkkl
i i i i I i i I i кккю
время
Рис.8 . Охлаждение фотоэлектрического модуля Ргатас -125. Коэффициент полезного
действия (КПД), 2022-09-02.
При отсутствии охлаждения КПД был равен 7%, в результате действия охлаждения КПД возрастал до 7,94%. Такое приращение можно считать существенным.
6 Заключение
1.Разработана система водяного охлаждения фотоэлектрического модуля. Распыление воды осуществляется через 5 форсунок, установленных равноудаленно друг от друга на верхней части модуля. Подача воды реализована насосом из накопительного бака. Вода, распыляясь по поверхности модуля, накапливается в нижней его части и, протекая по водосточному желобу, подается обратно в накопительный бак. В системе подачи воды установлен клапан регулирования расхода воды и расходомер для определения массового расхода разбрызгиваемой воды.
2. Предложена методика эксперимента по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в натурных условиях г. Астрахани. В начале эксперимента производится поиск точки максимальной мощности, в дальнейшем найденное значение сопротивления нагрузки не регулируется. Нагрузка, амперметр и вольтметр подключались непосредственно к выходу модуля. С целью большей чистоты эксперимента был исключен традиционный способ подключения нагрузки через MPPT контроллер.
3. В условиях натурного эксперимента сложно обеспечить постоянство внешних факторов. В нашем эксперименте удалось выбрать такой временной интервал измерений, в течение которого инсоляция и температура окружающей среды изменялись незначительно, а влияние охлаждения уже могло проявиться в должной степени. Так значения инсоляции менялись в сравнительно небольшом диапазоне от 854,625 Вт/м2 до 904,375 Вт/м2, а температура окружающей среды всего лишь в диапазоне от 51,84 °С до 53, 54 °С.
4.Анализ результатов измерений показал достаточную эффективность предложенной системы водяного охлаждения. Было обеспечено снижение температуры модуля от 54° до 31°. Охлаждение позволило повысить напряжение на выходе модуля с 46 В до 49,5 В.
повысить силу тока с 1,8672 А до 2,044А. Соответственно, выходная мощность возросла с 85,89 Вт до 101,3 Вт, то есть на 18%. Это существенный результат.
5.На основании результатов измерений произведен расчет коэффициента полезного действия фотоэлектрического модуля как отношения мощности отдаваемой нагрузке к мощности падающего на поверхность модуля солнечного излучения. Полученные значения КПД соответствуют паспортным данным испытанного фотоэлектрического модуля Pramac -125. Охлаждение позволило повысить КПД от 7%, до 7,94%. Такое приращение можно считать существенным.
6.На основании проведенного экспериментального исследования можно сделать заключение о том, что для солнечных электростанций средней и большой мощности, эксплуатирующихся в регионах с жарким климатом, использование водяного охлаждения может дать существенное приращение абсолютных значений выработки электроэнергии.
Литература
1. Братышев С.Н., Зайнутдинова Л.Х., Ильичев В.Г., Титов А.С. Информационно-измерительная система долгосрочного мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей // Проблемы получения, обработки и передачи измерительной информации: материалы II Международной научно-технической конференции / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. - Уфа : РИК УГАТУ, 2019. С.281-286
2. Larisa Zaynutdinova, Rustem Zaynutdinov, Vladimir Ilyichev, Ilya Shurshev. EXPERIMENTAL STUDY INTO DEGRADATION OF A SINGLE-CRYSTAL SILICON PHOTOVOLTAIC MODULE IN THE CLIMATIC CONDITIONS OF ASTRAKHAN REGION // Proceedings ICOECS 2020 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems. IEEE Catalog Number: CFP20S88-USB, ISBN: 978-1-7281-9115-7, 2020, - Р. 111-114
3. Теруков Е.И., Андроников Д. А., Малевский Д. А., Зайнутдинов Р.А., Ключарев А. Ю., Братышев С. Н., Ильичев В. Г. Экспериментальное исследование влияния метеорологических факторов на выработку электроэнергии солнечными модулями в климатических условиях астраханской области // Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии. № 2(46), 2019г., С.180-193
4. Троицкий А. О., Серадская О. В., Кирпичникова И. М. Основные факторы снижения КПД солнечных установок и способы поддержания номинального КПД //Энерго-и ресурсосбережение в теплоэнергетике и социальной сфере: материалы международной научно-технической конференции студентов, аспирантов, ученых. -Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 2015. - Т. 3. - №. 1. - С. 222-225.
5. Дубинин Д. В., Лаевский В. Е. Энергетическая эффективность работы солнечных батарей в реальных режимах эксплуатации //Известия томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. - 2015. - Т. 326. - №. 3.-С. 58-62.
6. Джумаев А. Я. Анализ влияния температуры на рабочий режим фотоэлектрической солнечной станции // Технические науки - от теории к практике: сб. ст. по матер. 46-й междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск: Сибак, 2015 № 5 (42). С. 33-40.
7. Malagouda Patil, Dr. Alur Sidramappa, Rajashekhargoud Angadi Experimental Investigation of Enhancing the Energy Conversion Efficiency of Solar PV Cell by Water Cooling Mechanism / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 376 (2018)
8. R. Rajaram*, D.B. Sivakumar EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SOLAR PANEL COOLING BY THE USE OF PHASE CHANGE MATERIAL / International Conference on Energy Efficient Technologies For Automobiles (EETA' 15) Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences // Department of Mechanical Engineering, University College of Engineering, BIT Campus, Tiruchirappalli, India. 2015. 238-239
9. A.R. Amelia* , Y.M. Irwan* , M. Irwanto* ,W.Z. Leow* , N. Gomesh* , I. Safwati**, M.A.M. Anuar*** Cooling on Photovoltaic Panel Using Forced Air Convection Induced by DC Fan / International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol. 6, No. 2, April 2016, pp. 526~534
10. Фотоэлектрические модули Pramac 125Вт ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ // http://clever-energy .ru/wp-content/uploads/2016/06/Hevel-Pramac-125.pdf, [электронный ресурс] (Дата обращения 08.07.2022)
Reference
1. Bratyshev S. N., Zaynutdinova L. Kh., Ilyichev V. G., Titov A. S. Information and measuring system for long-term monitoring of the characteristics of photovoltaic modules // Problems of obtaining, processing and transmitting measuring information: materials of the II International Scientific and Technical Conference / Ufa State University. aviac. tech. uni. -Ufa : RIK UGATU, 2019. Pp.281-286.
2. Larisa Zaynutdinova, Rustem Zaynutdinov, Vladimir Ilyichev, Ilya Shurshev. Experimental study into degradation of a single-crystal silicon photovoltaic module in the climatic conditions of Astrakhan Oblast // Proceedings of ICOECS 2020 International Conference on Elec-trotechnical Complexes and Systems. IEEE Catalog Number: CFP20S88-USB, ISBN: 9781-7281-9115-7, 2020, - Р. 111-114
3. Terukov E.I., Andronikov D. A., Malevsky D. A., Zaynutdinov R.A., Klyucharev A. Yu., Bratyshev S. N., Ilyichev V. G. Experimental study of the influence of meteorological factors on the generation of electricity by solar modules in the climatic conditions of the Astrakhan region // Caspian Journal: Management and High technologies. No. 2(46), 2019, pp.180-193.
4. Troitsky A. O., Seradskaya O. V., Kirpichnikova I. M. The key factors of reducing the efficiency of solar installations and ways to maintain nominal efficiency //Energy and resource conservation in thermal power engineering and social sphere: materials of the international scientific and technical conference of students, postgraduates, scientists. - Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Professional Education South Ural State University (National Research University), 2015. - Vol. 3. - No. 1. - pp. 222-225.
5. Dubinin D. V., Laevsky V. E. Energy efficiency of solar panels in real operating conditions //Proceedings of Tomsk Polytechnic University. Georesource engineering. - 2015. - Vol. 326. - No. 3.-pp. 58-62.
6. Dzhumaev A. Ya. Analysis of the influence of temperature on the operating mode of a photovoltaic solar station // Technical sciences - from theory to practice: collection of articles on the 46th International Scientific and Practical Conference. Novosibirsk: Sibak, 2015 No. 5 (42). pp. 33-40.
7. Malagouda Patil, Dr. Alur Sidramappa, Rajashekhargoud Angadi Experimental Investigation of Enhancing the Energy Conversion Efficiency of Solar PV Cell by Water Cooling Mechanism / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 376 (2018)
8. R. Rajaram*, D.B. Sivakumar EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SOLAR PANEL COOLING BY THE USE OF PHASE CHANGE MATERIAL / International Conference on Energy Efficient Technologies For Automobiles (EETA' 15) Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences // Department of Mechanical Engineering, University College of Engineering, BIT Campus, Tiruchirappalli, India. 2015. 238-239
9. A.R. Amelia* , Y.M. Irwan* , M. Irwanto* ,W.Z. Leow* , N. Gomesh* , I. Safwati**, M.A.M. Anuar* * * Cooling on Photovoltaic Panel Using Forced Air Convection Induced by DC Fan / International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol. 6, No. 2, April 2016, pp. 526~534
10. Pramac 125W Photovoltaic modules MAIN PARAMETERS AND CHARACTERISTICS // http://clever-energy.ru/wp-content/uploads/2016/06/Hevel-Pramac-125.pdf , [electronic resource] (Accessed 08.07.2022)
Evaluation of water cooling efficiency of photoelectric module in climatic conditions of Astrakhan region
Larisa Zaynutdinova1, Vladimir Ilyichev2, Ravil Dzhambekov3
Science and educational center "Alternative energetics" Astrakhan State University Astrakhan, Russian Federation
1E-mail: lzain@mail.ru
2E-mail: vova201428@yandex.ru
3E-mail: ravil-200@mail.ru
Abstract. A water cooling system of the photovoltaic module has been developed. An experimental study of the efficiency of water cooling for real operating conditions in a region with high ambient temperatures has been carried out. The experiment showed that in the climatic conditions of the Astrakhan region, water cooling of a photovoltaic module provides a significant increase in its output power and efficiency.
Keywords: photovoltaic module, water cooling, efficiency
