CC BY
6
2023;13(4):11-21 Глобальная ядерная безопасность / Global nuclear safety
ЯДЕРНАЯ, РАДИАЦИОННАЯ И ЭКОЛОГИЧЕСКАЯ БЕЗОПАСНОСТЬ
NUCLEAR, RADIATION AND ENVIRONMENTAL SAFETY
УДК 620.91: 620.92 https://doi.org/10.26583/gns-2023-04-02 EDN HJLZIN
© (M)
Сравнительный эксперимент по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в климатических условиях
Юга России
В.Г. Ильичев1 < , Л.Х. Зайнутдинова1 © м, Е.И. Теруков2 Я , М.Ю. Михайлов2
1Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева, г. Астрахань, Россия 2ООО «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике», г. Санкт-Петербург, Россия И [email protected]
Аннотация. Проблемам обеспечения безопасности эксплуатации атомных станций всегда уделяется повышенное внимание. В дополнение к автономным дизель-генераторным установкам, используемым для поддержания работы систем безопасности при потере внешнего энергоснабжения, на настоящем этапе целесообразно также рассмотреть применение более экологичных автономных фотоэлектрических установок. Целью работы является проведение сравнительного экспериментального исследования эффективности водяного охлаждения в реальных естественных климатических условиях Юга России, когда охлаждаемый и неохлаждаемый фотоэлектрические модули одновременно находятся под воздействием комплекса переменчивых погодных факторов: солнечной радиации, облачности, ветра, давления, температуры и влажности окружающей среды, при этом оба модуля имеют нагрузки, подключенные через MPPT контроллеры. Исследовано влияние водяного охлаждения на энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, собранных из кремниевых гетероструктурных (ШГ) солнечных ячеек. Солнечные панели были изготовлены из HJT ячеек толщиной 130 мкм, соединенных между собой по технологии контактирования Бшаг1;Шге, которая уменьшает потери мощности из-за возникновения возможных дефектов, например, трещин. Выполнены условия по обеспечению наибольшей идентичности параметров охлаждаемого и неохлажда-емого модулей. Сравнительное экспериментальное исследование проведено на площадке Астраханского государственного университета с использованием системы долгосрочного мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей - тестовой фотоэлектрической системы (ТФЭС), построенной на базе электронного регистратора «Параграф РЬ2». Установлено значительное повышение выработки модуля при работе с охлаждением. При инсоляции 987,5 Вт/м2 мощность, вырабатываемая охлаждаемым модулем, составляла 93,0297 Вт, в то время как мощность модуля без охлаждения была равна 79,306 Вт. Разница составила 13,7237 Вт. Мощность возросла на 17%. В проведенном эксперименте среднее значение КПД при охлаждении модуля составило 0,15977, при отсутствии охлаждения 0,13764. Коэффициент полезного действия повысился на 2,21 %. Такое повышение является существенным. Полученные результаты подтверждают достаточно высокую эффективность водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в реальных естественных условиях работы для регионов с высокими температурами окружающей среды, в частности для Юга России.
Ключевые слова: фотоэлектрический модуль, водяное охлаждение, кремниевые гетероструктурные солнечные ячейки, сравнительный эксперимент, тестовая фотоэлектрическая система, энергоэффективность.
Для цитирования: Ильичев В.Г., Зайнутдинова Л.Х., Теруков Е.И., Михайлов М.Ю. Сравнительный эксперимент по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в климатических условиях Юга России. Глобальная ядерная безопасность. 2023;13(4): 11—21. М1р8://>1о1.оте/10.26583/аш-2023-04-02
For citation: Ilyichev V.G., Zaynutdinova L.Kh., Terukov E.I., Mikhailov M.Yu. Comparative experiment on the efficiency of water cooling in photovoltaic modules in the climatic conditions of Southern Russia. Global nuclear safety. 2023;13(4):11—21 (In Russ.) https://doi.org/10.26583/gns-2Q23-Q4-Q2
Comparative experiment on the efficiency of water cooling in photovoltaic modules in the climatic conditions of Southern Russia
Vladimir G. Ilyichev1 , Larisa Kh. Zaynutdinova1 El, Evgenii I. Terukov2 ,
Mikhail Yu. Mikhailov2
1Astrakhan Tatishchev State University, Astrakhan, Russian Federation 2R&D Center of Thin Film Technologies in Energetics, St. Petersburg, Russian Federation.
© Ильичев В.Г., Зайнутдинова Л.Х., Теруков Е.И., Михайлов М.Ю., 2023
Abstract. The problems of ensuring the safety of operation of nuclear power plants are always paid increased attention. In addition to the self-contained diesel generator sets used to maintain the operation of safety systems in case of loss of external power supply, it is also advisable to consider the use of more environmentally friendly self-contained photovoltaic units at this stage. The work is aimed at a comparative experimental study of the efficiency of water cooling in real natural climatic conditions of Southern Russia. In this experiment, cooled and uncooled photovoltaic modules are simultaneously exposed to a complex of variable weather factors: solar radiation, cloudiness, wind, pressure, temperature and humidity of the environment. Both modules have loads connected via MPPT controllers. The effect of water cooling on the energy efficiency of photovoltaic modules assembled from silicon heterojunction technology (HJT) solar cells was studied. The solar panels were made from 130 micron thick HJT cells interconnected using SmartWire contact technology. It reduces power loss due to possible defects such as cracks. The conditions for ensuring the highest degree of similarity between the parameters of the cooled and uncooled modules have been met. A comparative experimental study was conducted in Astrakhan State University using a long-term monitoring system for the characteristics of photovoltaic modules. This is a test photovoltaic system (TPS), built on the basis of the Paragraph PL2 electronic recorder. A significant increase in module output when working with cooling was established. At insolation of 987.5 W/m2, the power generated by the cooled module was 93.0297 W, while the power of the module without cooling was 79.306 W. The difference comprised 13.7237 watts. Power increased by 17%. In the experiment, the average efficiency value when the module was cooled was 0.15977. When uncooled, it was 0.13764. The efficiency intensified by 2.21%. This increase is significant. The results obtained confirm the fairly high efficiency of water cooling in photovoltaic modules in real natural operating conditions for regions with high ambient temperatures, Southern Russia, in particular.
Keywords: photovoltaic module, water cooling, silicon heterojunction solar cells, comparative experiment, test photovoltaic system, energy efficiency.
Введение
Солнечная энергия является одним из важных видов возобновляемых источников энергии, который привлекает к работе многих исследователей по всему миру. Одной из наиболее распространенных технологий является использование фотоэлектрических систем (сетевых и автономных), преобразующих солнечный свет в полезную электрическую энергию. Этот тип технологии возобновляемых источников энергии не загрязняет окружающую среду во время эксплуатации, уменьшает проблемы глобального потепления, снижает эксплуатационные расходы и обеспечивает минимальное техническое обслуживание. Автономные фотоэлектрические системы вполне могут дополнять автономные дизель-генераторные установки, используемые для поддержания работы систем безопасности атомных станций при потере внешнего энергоснабжения. Помимо преимуществ у фотоэлектрической технологии есть недостаток, заключающийся в зависимости выработки электроэнергии от погодных факторов, таких как влияние града, снега, пыли, ветра, температуры и влажности окружающей среды. Производительность фотоэлемента особенно чувствительна к температуре поверхности ячейки, которая зависит как от ряда погодных факторов, так и от материала и структуры ячейки [1, 2]. Большая зависимость выработки электроэнергии от погодных факторов и снижение КПД с ростом температуры отмечается также в работах [3-5].
Важным фактором работы солнечных элементов является их температурный режим. Обычно в качестве номинальной для работы солнечного элемента принимается температура +25°С. При нагреве элемента на один градус свыше +25°С он теряет примерно 0,4 % процента напряжения на каждый градус. В летний солнечный день элементы могут нагреваться до 60-70°С.
Солнечные элементы имеют ограниченный КПД -это означает, что они не в состоянии преобразовать всю полученную энергию в электричество; остальная энергия при этом преобразуется в тепло. Повышенная
температура вызывает уменьшение ширины запрещенной зоны полупроводника, т. е. с ростом температуры ширина зоны уменьшается, и ток насыщения увеличивается из-за меньшей энергии, необходимой для образования электронно -дырочных пар. При этом ток короткого замыкания увеличивается незначительно, в то время как напряжение холостого хода уменьшается в большей степени, что и приводит к заметному уменьшению доступного максимума мощности1.
В ряде исследований и, в том числе в работах И.М. Кирпичниковой [6], влияние температуры на значение выдаваемой солнечным элементом мощно-сти2 предлагается определять из выражения (1):
Рсэ = Ро (1 + РМ) (1)
где Рсэ - мощность солнечного элемента, Вт;
Р0 - мощность солнечного элемента при температуре +25 °С, Вт;
в - температурный коэффициент мощности, °С-1; Д - приращение температуры, °С.
Температурные коэффициенты мощности для различных фотоэлектрических технологий изменяются от -0.2 до -0.4 % на 1 °С. Для солнечного элемента с температурным коэффициентом в ~ -0.4 %/°С. при возрастании температуры ячейки до +50°С произойдет снижение выходной мощности на 10%. В летний солнечный день в условиях Юга России солнечные элементы могут нагреваться до 60-70°С и выше. В этих условиях наблюдается существенное снижение коэффициента полезного действия (КПД). Соответственно, проблема научного обоснования и практической реализации систем охлаждения фотоэлектрических модулей, работающих в климатических условиях
1 The effect of temperature on solar panel performance [Электронный ресурс]. - Solar calculate. - Режим доступа: https://solarcalculator. com. au/solar-panel-temperature (дата обращения: 15.07.2023).
2 Там же.
Юга России, с целью повышения их энергоэффективности является актуальной.
Методы охлаждения фотоэлектрических модулей
Принято выделять две группы методов охлаждения фотоэлектрических модулей: активное и пассивное охлаждение. Механизмы пассивного охлаждения относятся к технологиям, используемым для извлечения и/или минимизации поглощения тепла фотоэлектрической панелью без дополнительного энергопотребления. Активные системы потребляют электроэнергию, они используются в ситуациях, когда добавленная эффективность панелей превышает энергию, требуемую для питания системы. Активные системы охлаждения включают в себя отвод тепла с использованием таких устройств, как вентиляторы, устройства для нагнетания воздуха или подачи воды к панелям. Методы активного охлаждения, как правило, более эффективны, но более дорогостоящи.
Как для пассивных, так и для активных систем охлаждения обычно используются охлаждающие среды - воздух и вода. Воздушное охлаждение плохо подходит для извлечения тепловой энергии из фотоэлектрического модуля в жарких регионах. Водяное охлаждение позволяет работать при гораздо более высоких температурах и позволяет более эффективно использовать рекуперацию отработанного тепла [7]. Следовательно, водяное охлаждение во многих случаях является более выгодным вариантом.
Известны различные варианты пассивного охлаждения, простейшие формы включают нанесение твердых частиц из металлов с высокой теплопроводностью, таких как алюминий и медь, или массив ребер или других экструдированных поверхностей для улучшения теплопередачи в окружающую среду. Более сложные системы предполагают использование материалов с фазовым переходом (PCM) и различных методов естественной циркуляции.
Один из методов пассивного охлаждения исследован учеными факультета электромеханики Технологического университета Багдада: «Влияние испарительного охлаждения в сочетании с теплоотводом на производительность фотоэлектрического модуля» [8]. Была использована решетка штыревых ребер в качестве теплоотвода вместе с влажной прокладкой из древесной ваты, служащей новой системой охлаждения фотоэлектрической панели. Система охлаждения была основана на концепции испарительного охлаждения и расширенной области теплопередачи. Использование радиатора с влажной прокладкой в качестве системы охлаждения позволило добиться улучшения среднесуточных выходных токов примерно на 15,9% и выходных напряжений примерно на 17,76%. Недостатком является усложнение конструкции и необходимость поддержания заданной влажности прокладки из древесной ваты.
Способ охлаждения фотоэлектрического модуля путем погружения в воду был рассмотрен Saurabh Mehrotra и др. [9]. Фотоэлектрический элемент, погруженный в воду, контролировался в реальных климатических условиях; температуру поверхности эле-
мента можно было регулировать в диапазоне от 31°С до 39°С. Однако, понятно, что такой подход не может быть рекомендован к широкому применению.
У. 1тап и др. [10] провели эксперимент с водяным охлаждением в помещении. В качестве солнечного симулятора были установлены галогенные лампы на стальной раме. Лампы действуют как естественный солнечный свет. Для проведения эксперимента были выбраны четыре набора средней солнечной радиации на испытательной поверхности солнечного симулято-ра, измеренные как 413, 620, 821 и 1016 Вт/м2. В качестве нагнетателя охлаждающей жидкости был выбран водяной насос постоянного тока. Результаты эксперимента показали, что снижение рабочей температуры примерно на 5-23°С увеличивает выходную мощность фотоэлектрического модуля с механизмом водяного охлаждения на 9-22%. Согласно результатам, представленным авторами, водяное охлаждение оказывает наибольшее влияние на снижение рабочей температуры фотоэлемента и улучшает электрические характеристики фотоэлектрической панели. К сожалению, поскольку эксперимент был проведен в помещении, влияние ряда погодных факторов не рассматривалось.
Влияние водяного охлаждения на производительность фотоэлектрической панели было также исследовано авторами [11]. Целью этого исследования было прогнозирование распределения температуры по площади фотоэлектрических панелей при наличии и отсутствии водяного охлаждения. В системе водяного охлаждения вода течет по передней поверхности фотоэлектрической панели, чтобы снизить температуру фотоэлектрической панели. Результат этого исследования показал, что среднее значение распределения температуры фотоэлектрической панели без системы водяного охлаждения выше, чем с системой водяного охлаждения. Средняя температура фотоэлектрической панели без системы охлаждения составляет 50,68°С. Для системы водяного охлаждения с температурой воды на входе 20°С можно было снизить температуру фотоэлектрической панели на 15,63°С. Полученное распределение температуры по поверхности фотоэлектрической панели может быть полезным для дальнейших исследователей.
Альберто Бенато и Анна Стоппато [12] экспериментировали с установкой, в которой система охлаждения оснащена 3 форсунками, характеризующимися углом распыления 90°. Работа при входном давлении 1,5 бар, которая остается активной в течение 30 с и отключается в течение 120 с, может снизить температуру модуля на 28°С и повысить эффективность модуля с 12,2% к 13.9%. Для имитации солнечного излучения над фотоэлектрическим модулем на расстоянии 1 м установлены две галогенные лампы мощностью 1000 Вт, светоотдачей 33000 люмен. Здесь также не рассматривалось влияние других погодных факторов.
Анализ известных работ показывает, что тренд на внедрение систем охлаждения фотоэлектрических модулей постепенно развивается. Для оценки эффективности систем охлаждения фотоэлектрических модулей необходимо выходить за рамки лабораторных
экспериментов в помещениях к экспериментам в реальных естественных условиях работы, когда фотоэлектрические модули находятся под воздействием комплекса переменчивых погодных факторов, а именно: солнечной радиации, облачности, пыли, ветра, давления, температуры и влажности окружающей среды.
Более того, на наш взгляд, при проектировании систем охлаждения фотоэлектрических модулей надо также принимать во внимание изменение температуры солнечной ячейки в зависимости от тока нагрузки. Согласно исследованиям, проведенным авторами настоящей статьи [13], при подключении к фотоэлектрическому модулю нагрузки,
соответствующей точке максимальной мощности, в дневное время суток наблюдалось возрастание температура тыльной стороны модуля на 10 градусов.
Цель настоящего исследования - проведение сравнительного экспериментального исследования эффективности водяного охлаждения в реальных естественных климатических условиях Юга России, когда охлаждаемый и неохлаждаемый фотоэлектрические модули одновременно находятся под воздействием комплекса переменчивых погодных факторов: солнечной радиации, облачности, ветра, давления, температуры и влажности окружающей среды, при этом оба модуля имеют нагрузки, подключенные через МРРГ контроллеры. Как известно, такие контроллеры используют технологию поиска точки максимальной мощности (МРРТ) и повсеместно применяются на действующих солнечных электростанциях.
Организация и методика проведения эксперимента
С целью повышения достоверности оценки влияния водяного охлаждения на энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей в данной работе были выполнены условия по обеспечению наибольшей идентичности параметров охлаждаемого и не-охлаждаемого модулей.
Данная работа посвящена исследованию влияния водяного охлаждения на энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, собранных из кремниевых гетероструктурных (ШШГ) солнечных ячеек. Солнечные панели были изготовлены из ШШТ ячеек
толщиной 130 мкм, соединенных между собой по технологии контактирования SmartWire, которая уменьшает потери мощности из-за возникновения возможных дефектов, например, трещин [14]. Материалы, используемые при сборке и конструктивные параметры фотоэлектрических модулей приведены в таблице 1.
Идентичность испытуемых фотоэлектрических модулей проверялась путем сравнения изображений электролюминисценции, позволяющих визуализировать возможные повреждения в модуле. Измерения электролюминесценции осуществлялись на установке SolarModule EL-lab. Полученные изображения приведены на рисунке 1.
Представленные изображения электролюминис-ценции свидетельствуют об отсутствии повреждений рассматриваемых фотоэлектрических модулей.
Идентичность испытуемых фотоэлектрических модулей также проверялась путем сравнений вольт-амперных характеристик модулей. Для измерения вольтамперных характеристик использовался имми-татор солнечного излучения CetisPV-Moduletest3 компании h.a.l.m. elektronik GmbH. Основные параметры вольтамперных характеристик приведены в таблице 2 с общепринятыми обозначениями: Isc - ток короткого замыкания; Uoc - напряжение холостого хода; Impp, Umpp, Pmpp - соответственно, ток, напряжение и мощность в точке максимальной мощности; FF - коэффициент заполнения вольтамперной характеристики (ВАХ) солнечного элемента.
Приведенные в таблице 2 характеристики были получены при стандартном значении инсоляции 1000 Вт/м2 в условиях лабораторного эксперимента. Сведения, приведенные в таблице 2 свидетельствуют о достаточной идентичности вольтамперных характеристик рассматриваемых фотоэлектрических модулей.
Также была проведена проверка идентичности характеристик модулей в реальных условиях. 2 июня 2023 г. было проведено снятие вольтамперных характеристик в условиях естественной освещенности на крыше Учебного корпуса Астраханского государственного университета.
Таблица 1. Конструкция фотоэлектрических модулей
Table 1. Architecture of photovoltaic modules
Наименование модуля Количество ячеек Размер стекла, мм Размер ФЭМ, мм Тип ФЭМ Фронтальное стекло Инкапсулянт Ячейки Тыльный лист
211116_1 4x5 870x677 878x675 стекло-тыльный лист 3,2мм с ан-тиотражаю-щим покрытием несшиваемый инкапсулянт TPO 5,77W (Q5) SWCT тыльный защитный лист без алюминия
211116_2 охлаждаемый 4x5 870x677 878x675 стекло-тыльный лист 3,2мм с ан-тиотражаю-щим покрытием несшиваемый инкапсулянт TPO 5,77W (Q5) SWCT тыльный защитный лист без алюминия
211116 1 211116_2
Рисунок 1. Изображения электролюминисценции Figure 1. Electroluminescence images
Таблица 2. Характеристики фотоэлектрических модулей Table 2. Characteristics of photovoltaic modules_
Название IsC5 A Uoc, В Т A Тmш, A UmDD5 В P Вт P morn ±J1 FF, %
211116 1 9,08 14,72 8,58 12,21 104,7 78,36
211116_2 охлаждаемый 8,98 14,71 8,49 12,17 103,29 78,18
Одновременно снимались ВАХ обоих модулей (чтобы избежать погрешности от влияния изменчивости солнечной радиации). В качестве нагрузки использовались проволочные реостаты с регулируемым сопротивлением. В результате измерений были получены следующие значения: иос - напряжение холостого хода, для первого модуля 13,8 В, для второго модуля 13,649 В, при солнечной радиации 880 Вт/м2; 18С - ток короткого замыкания, для первого модуля 9,08 А, для второго модуля 8,98 А, при солнечной радиации 873 Вт/м2.
Таким образом, была подтверждена высокая идентичность характеристик двух фотоэлектрических модулей, предназначенных для проведения сравнительного эксперимента.
Первый модуль будет испытываться без охлаждения, а второй - будет подвержен водяному охлаждению с использованием разработанной авторами автоматизированной системы. Все внешние погодные факторы оказывают одинаковое влияние на оба модуля. Различие в выработке электроэнергии упомянутых модулей будет определяться только водяным охлаждением.
Экспериментальное исследование проведено нами с использованием системы долгосрочного мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей -тестовой фотоэлектрической системы (ТФЭС). Общество с ограниченной ответственностью «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике при ФТИ им. А.Ф. Иоффе» и ФГБОУ ВО «Астраханский государственный университет» 22 января 2013 г. заключили соглашение о сотрудничестве в области возобновляемой солнечной энергетики путем создания системы мониторинга солнечной инсоляции в Астраханской области, совместного участия в научно-практических исследованиях и подго-
товке высококвалифицированных кадров в сфере возобновляемых источников энергии, в рамках которого 8 мая 2013 года в Астраханской области на крыше одного из учебных корпусов Астраханского государственного университета была установлена упомянутая тестовая фотоэлектрическая система (ТФЭС). Общий вид экспериментальной установки приведен на рисунке 2.
Система мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей построена на базе электронного регистратора «Параграф PL2», который обеспечивает круглосуточный сбор, хранение данных о мощност-ных, температурных характеристиках, уровне солнечной иррадиации, а также обеспечивает доступ к этим данным посредством подключения к сети Internet. Отбор энергии от фотоэлектрического модуля обеспечен системой, состоящей из контроллера заряда с удержанием точки максимальной мощности, аккумулятора и электрической нагрузки. Система позволяет производить круглосуточное измерение характеристик фотоэлектрических модулей, работающих в естественных условиях [15].
Результаты эксперимента
В таблице 3 приведены результаты измерений от 31 августа 2023 года для модуля с охлаждением: скорость ветра, температура тыльной стороны модуля, температура окружающей среды, солнечная радиация, напряжение U, и сила тока I на выходе модуля. Благодаря имеющейся в нашем распоряжении системе мониторинга [16] все показатели фиксировались ежеминутно. В статье с целью сокращения объема таблиц результаты измерений и вычислений приведены с более крупным шагом. Мощность Рохл, отдаваемая в нагрузку охлаждаемым модулем, определена как произведение силы тока на напряжение.
а) б)
Рисунок 2. Общий вид экспериментальной установки. а) внешний вид опорной конструкции ТФЭС с размещенными на ней
испытуемыми ФЭМ: 1 - фотоэлектрический модуль охлаждаемый, 2 - фотоэлектрический модуль без охлаждения, 3 - датчик солнечной радиации, 4 - датчик скорости и направления ветра, 5 - камера наблюдения, 6 - гребенка с распылительными форсунками; б) вид задней поверхности ФЭМ: 7 - температурные датчики задней поверхности фотоэлектрического модуля без охлаждения, 8 - температурные датчики охлаждаемого модуля, 9 - температурный датчик окружающей среды
Figure 2. General view of the experimental installation. a) appearance of the support structure of the TFS with the tested FEM located on it: 1 - a cooled photovoltaic module, 2 - a non-cooled photovoltaic module, 3 - a solar radiation sensor, 4 - a wind speed and direction sensor, 5 - a surveillance camera, 6 - a comb with spray nozzles; b) view of the rear surface of the FEM: 7 - temperature sensors of the rear surface of the photoelectric module without cooling, 8 - temperature sensors of the cooled module, 9 - ambient
temperature sensor
Таблица 3. Результаты измерений для модуля с охлаждением Table 3. Measurement results for a cooled module
Время Ветер, м/с t мод, °С t окр среды, °С Солнечная радиация, Вт/м2 U, В I, А P Вт L охл?
12:00 0,6945 55,05 27,1 977,875 10,0145 7,395397 74,06135
12:01 0,6945 54,53 27,2 977,875 10,0946 7,330300 73,99667
12:02 0,30558 52,5 27,1 978,5 10,11235 7,321739 74,03999
12:03 0,30558 47,54 27,2 983,875 10,3657 7,351303 76,20141
12:04 0,6945 42,18 27,1 983,125 10,55548 7,89269 83,31116
12:05 0,30558 38,94 26,9 981,5 11,18966 8,28718 92,73079
12:06 0 37,24 27,3 987,5 11,69025 7,95788 93,02970
12:07 0 36,23 27,2 986,875 11,99492 7,73471 92,77734
12:20 0 35,71 27,2 993,375 12,23912 7,62194 93,28599
12:30 0,6945 34,81 27,1 991,875 12,52445 7,42202 92,95676
12:40 1,00008 35,81 27,2 1000,625 12,29178 7,64653 93,98956
12:50 1,69458 37,65 26,9 999,875 11,70709 8,05288 94,27590
13:00 0,6945 36,93 26,8 999,25 11,91845 7,89375 94,08139
13:10 0,30558 37,13 26,9 994 11,79727 7,93601 93,62340
13:20 0,30558 37,83 27,0 988,125 11,52270 8,08812 93,19705
13:30 0 36,43 26,8 978,625 11,83625 7,77593 92,03795
13:40 0,30558 37,73 26,9 968,5 11,33241 8,05849 91,32217
13:50 0,30558 36,72 26,9 956 11,48671 7,831412 89,95717
14:00 0,30558 38,84 26,9 943,5 10,75121 8,291517 89,14384
Влияние скорости ветра на выходную мощность фотоэлектрического модуля в силу малых значений скоростей ветра оказалось незначительным. Изменение выходной мощности охлаждаемого фотоэлектрического модуля во времени представлено на рисунке 3 - выходная мощность фотоэлектрического модуля
практически безынерционно реагирует на изменение солнечной радиации: с ростом солнечной радиации выходная мощность увеличивается. В таблице 4 приведены результаты измерений от 31 августа 2023 г. для модуля, работающего без охлаждения.
1010
J
73 —L 930
12:00 12:10 12:20 12:30 12:40 12:50 13:00 13:10 13:20 13:30 13:40 13:50 14:00
Время
P охл, Вт — — — — Солнечная радиация, Вт/м2
Рисунок 3. Выходная мощность охлаждаемого фотоэлектрического модуля и солнечная радиация.
Эксперимент 2023-08-31 Figure 3. Cooled PVMpower output and solar radiation. Experiment dated 2023-08-31
Таблица 4. Результаты измерений для модуля, работающего без охлаждения
Table 4. Measurement results for an uncooled module
Время Ветер, м/с t мод, °С t окр среды, °С Солнечная радиация, Вт/м2 U, В I, А P без охл, Вт
12:00 0,6945 57,19 27,1 977,875 10,36959 7,676101 79,59804
12:01 0,6945 56,98 27,2 977,875 10,40891 7,639925 79,52333
12:02 0,30558 55,76 27,1 978,5 10,65021 7,429740 79,12833
12:03 0,30558 55,05 27,2 983,875 10,85237 7,306242 79,29005
12:04 0,6945 54,35 27,1 983,125 10,98739 7,186173 78,95734
12:05 0,30558 54,35 26,9 981,5 10,96873 7,186584 78,82777
12:06 0 54,35 27,3 987,5 11,03762 7,185074 79,30617
12:07 0 54,24 27,2 986,875 11,05342 7,166344 79,21268
12:20 0 55,16 27,2 993,375 10,93759 7,322704 80,09281
12:30 0,6945 56,48 27,1 991,875 10,65839 7,550011 80,47098
12:40 1,00008 58,2 27,2 1000,625 10,42835 7,843675 81,79660
12:50 1,69458 56,59 26,9 999,875 10,72530 7,566799 81,15622
13:00 0,6945 56,59 26,8 999,25 10,71841 7,566964 81,10585
13:10 0,30558 58,52 26,9 994 10,29904 7,900688 81,36953
13:20 0,30558 56,59 27,0 988,125 10,59574 7,569948 80,20922
13:30 0 54,64 26,8 978,625 10,87609 7,237140 78,71184
13:40 0,30558 56,88 26,9 968,5 10,32489 7,625353 78,73096
13:50 0,30558 56,88 26,9 956 10,18776 7,628973 77,72218
14:00 0,30558 55,05 26,9 943,5 10,39471 7,317145 76,05963
Сопоставление температуры окружающей среды и температуры тыльных сторон фотоэлектрических модулей отражено на рисунке 4. В ходе эксперимента температура окружающей среды сохранялась на уровне +27°С. Температура тыльной стороны фотоэлектрического модуля, работавшего без охлаждения,
изменялась в диапазоне от +54°С до +58 °С. Применение автоматизированной системы водяного охлаждения обеспечило поддержание температуры охлаждаемого модуля в диапазоне от +36°С до +38°С. Было достигнуто снижение температуры модуля в среднем на 20°С.
--1 мод без охл, °С -1 мод охл, °С -----1 окр среды, °С
Рисунок 4. Зависимость температуры окружающей среды (зеленый ), температуры охлаждаемого модуля (крас-
ный1 '), температуры модуля без охлаждения (синий ~~ ) от времени. Эксперимент 2023-08-31 Figure 4. Dependence of ambient temperature (green ), cooled module temperature (red m), uncooled module tem-
perature (blue ~~ ) on time. Эксперимент 2023-08-31
Проведенный эксперимент подтверждает зависимость энергетической эффективности фотоэлектрических модулей от температуры самого модуля. На рисунке 5 представлено сравнение мощностей, вырабатываемых упомянутыми фотоэлектрическими модулями. Из рисунка очевидно значительное повышение выработки модуля при работе с охлаждением. Так,
например, в 12 ч. 06 минут мощность, вырабатываемая охлаждаемым модулем, составляла 93,0297 Вт, в то время как мощность модуля без охлаждения была равна 79,306 Вт. Разница составила 13,7237 Вт. Мощность возросла на 17%. Такое повышение является существенным.
Время
-----P без охл, Вт -P охл, Вт
Рисунок 5. Мощность модуля с охлаждением (красный ), мощность модуля без охлаждения (черный ~~~~ - ^
Эксперимент 2023-08-31
Figure 5. Cooled module power (red ), uncooled module power (black~~~~~). Experiment dated'2023-08-31
Затраты электроэнергии на электропривод насоса невелики, поскольку автоматическое включение насоса происходило на небольшие промежутки времени. Анализ работы системы автоматического поддержания заданной температуры тыльной стороны охлаждаемого модуля будет проведен нами в отдельной статье.
Коэффициент полезного действия
Наиболее важным показателем для оценки энергоэффективности является коэффициент полезного действия (КПД). Расчет КПД фотоэлектрического модуля произведем по формуле (2):
где P2=U*I - мощность, отдаваемая фотоэлектрическим модулем в нагрузку, (Вт);
P1 - мощность солнечного излучения, падающего на поверхность фотоэлектрического модуля (Вт).
Мощность солнечного излучения зависит от интенсивности солнечной радиации и площади поверхности, выражение (3):
Pl=S*Ы (Вт), (3)
где Ы - солнечная радиация, Вт/м2;
S - площадь поверхности фотоэлектрического
2
модуля, м .
Для исследованных модулей площадь поверхности составляет S=0,58899 м2.
В таблице 5 приведены значения мощности солнечного излучения, падающего на поверхность фотоэлектрического модуля Pь мощности охлаждаемого фотоэлектрического модуля P2охл, мощности фотоэлектрического модуля работающего без охлаждения P2 без охл, а также значения коэффициента полезного действия. Среднее значение КПД при охлаждении модуля составляет 0,15977, при отсутствии охлаждения 0,13764. Имеет место повышение КПД на 2,21 %.
Заключение
Проблемам обеспечения безопасности эксплуатации атомных станций всегда уделяется повышенное внимание. В дополнение к автономным дизель-генераторным установкам, используемым для поддержания работы систем безопасности при потере внешнего энергоснабжения, на настоящем этапе целесообразно также рассмотреть применение более экологичных автономных фотоэлектрических установок.
1. Анализ научно-технической литературы показал интерес разработчиков к проблеме охлаждения фотоэлектрических модулей с целью повышения коэффициента полезного действия установок, преобразующих солнечное излучение в электрическую энергию.
Таблица 5. Коэффициент полезного действия
Table 5. Efficiency
Время Солнечная радиация, Вт/м2 Р 1, Вт P2 охл, Вт КПД охл P2 без охл, Вт КПД без охл
12:00 977,875 575,9585963 74,06135304 0,128587981 79,59804671 0,138200987
12:01 977,875 575,9585963 73,99667151 0,128475679 79,52333335 0,138071267
12:02 978,5 576,326715 74,03999295 0,128468785 79,1283306 0,137297697
12:03 983,875 579,4925363 76,20141153 0,131496795 79,29005054 0,136826698
12:04 983,125 579,0507938 83,31116015 0,143875392 78,95734102 0,136356503
12:05 981,5 578,093685 92,7307913 0,160407895 78,82777516 0,136358132
12:06 987,5 581,627625 93,02970603 0,159947193 79,30617216 0,136352141
12:07 986,875 581,2595063 92,77734012 0,159614319 79,21268014 0,136277651
12:20 993,375 585,0879413 93,28599195 0,159439266 80,09281168 0,136890211
12:30 991,875 584,2044563 92,95676903 0,159116843 80,47098516 0,137744559
12:40 1000,625 589,3581188 93,9895614 0,159477843 81,7966009 0,1387893
12:50 999,875 588,9163763 94,2759057 0,160083688 81,15622746 0,137806029
13:00 999,25 588,5482575 94,08139837 0,159853329 81,10585477 0,137806635
13:10 994 585,45606 93,62340451 0,159915339 81,36953618 0,138984873
13:20 988,125 581,9957438 93,19705523 0,160133568 80,20922091 0,137817539
13:30 978,625 576,4003388 92,03795511 0,159677136 78,71184649 0,136557599
13:40 968,5 570,436815 91,32217249 0,160091653 78,73096992 0,138018739
13:50 956 563,07444 89,95717165 0,159760709 77,72218095 0,138031804
14:00 943,5 555,712065 89,14384424 0,160413728 76,0596381 0,13686879
Далее для оценки эффективности систем охлаждения фотоэлектрических модулей необходимо выходить за рамки лабораторных экспериментов в помещениях к экспериментам в реальных естественных условиях работы.
2. В настоящей работе проведено сравнительное экспериментальное исследование эффективности водяного охлаждения в реальных естественных климатических условиях Юга России, когда охлаждаемый и неохлаждаемый фотоэлектрические модули одновременно находятся под воздействием комплекса переменчивых погодных факторов: солнечной радиации, облачности, ветра, давления, температуры и влажности окружающей среды, при этом оба модуля имеют нагрузки, подключенные через MPPT контроллеры.
3. Исследовано влияние водяного охлаждения на энергетическую эффективность фотоэлектрических модулей, собранных из кремниевых гетероструктур-ных (HJT) солнечных ячеек. Солнечные панели были изготовлены из HJT ячеек толщиной 130 мкм, соединенных между собой по технологии контактирования SmartWire, которая уменьшает потери мощности из-за возникновения возможных дефектов, например, трещин. Выполнены условия по обеспечению наибольшей идентичности параметров охлаждаемого и не-охлаждаемого модулей.
4. Сравнительное экспериментальное исследование проведено на площадке Астраханского государственного университета с использованием системы долгосрочного мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей - тестовой фотоэлектрической системы (ТФЭС), построенной на базе электронного регистратора «Параграф PL2», который обеспечивает круглосуточный сбор, хранение данных о мощност-ных, температурных характеристиках, уровне солнечной иррадиации, а также обеспечивает доступ к этим данным посредством подключения к сети Internet.
5. В ходе эксперимента температура окружающей среды сохранялась на уровне +27°С. Температура тыльной стороны фотоэлектрического модуля, работавшего без охлаждения, изменялась в диапазоне от +54°С до +58 °С. Применение автоматизированной системы водяного охлаждения обеспечило поддержание температуры охлаждаемого модуля в диапазоне от +36°С до +38°С. Было достигнуто снижение температуры модуля в среднем на 20°С.
6. Установлено значительное повышение выработки модуля при работе с охлаждением. Так, например, при инсоляции 987,5 Вт/м2 мощность, вырабатываемая охлаждаемым модулем, составляла 93,0297 Вт, в то время как мощность модуля без охлаждения была
равна 79,306 Вт. Разница составила 13,7237 Вт. Мощность возросла на 17%.
7. Наиболее важным показателем энергоэффективности является коэффициент полезного действия. В проведенном эксперименте среднее значение КПД при охлаждении модуля составляет 0,15977, при отсутствии охлаждения 0,13764. Имеет место повышение КПД на 2,21 %. Такое повышение является существенным.
Полученные результаты подтверждают достаточно высокую эффективность водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в реальных естественных условиях работы, что особенно важно для регионов с высокими температурами окружающей среды в летнее время, в частности для Юга России.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ / REFERENCES
1. Adnan Ahmed Siddique, Akram Mohiuddin Syed Mohammed Nahri. Effects of surface temperature variations on output power of three commercial photovoltaic modules. International Journal of Engineering Research & technology (IJERT). 2016;5(11):12-16. Available at: https://www.ijert.org/research/effects-of-surface-temperature-variations-on-output-power-of-three-commercial-photovoltaic-modules-IJERTV5IS110009.pdf (accessed: 15.07.2023).
2. Malagouda Patil, Alur Sidramappa, Rajashekhargoud Angadi. Experimental investigation of enhancing the energy conversion efficiency of solar PV cell by water cooling mechanism. IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. 2018;376(1):012014. https://doi.org/10.1088/1757-899X/376/1/012014 Available at: https://iopscience.iop.org/article/10.1088/1757-899X/376/1/012014/pdf (accessed: 15.07.2023).
3. 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. Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет). 2015;3(1):222-225. EDN: TRSQTZ Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary 23384244 61233041.pdf (дата обращения: 15.07.2023).
4. Дубинин Д.В., Лаевский В.Е. Энергетическая эффективность работы солнечных батарей в реальных режимах эксплуатации. Известия томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. 2015;3(326):58-62. EDN: TSXNHT. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary 23438495 82878854.pdf (дата обращения: 15.07.2023).
5. Джумаев А.Я. Анализ влияния температуры на рабочий режим фотоэлектрической солнечной станции. Технические науки - от теории к практике: сборник статей по материалам 46-й международной научно-практической конференции. Новосибирск: Сибак, 2015. 2015;5(42):33-40. EDN: TWOZVD. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary 23606313 35862862.pdf (дата обращения 15.07.2023).
6. Кирпичникова И.М., Махсумов И.Б. Построение энергетических характеристик солнечных модулей с учетом условий окружающей среды. Вестник Пермского государственного технического университета. Электротехника, информационные технологии, системы управления. 2020;(34):56-74. EDN: FZIWGM. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary 43803124 89485757.pdf (дата обращения 15.07.2023).
7. Mohamed Sharaf, Mohamed S. Yousef, Ahmed S. Huzayyin. Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems. Environmental Science and Pollution Research. 2022;29(18):26131-26159. https://doi.org/10.1007/s11356-022-18719-9
8. Ibtisam Ahmed Hasan, Iman Saleh, Kareem Duha, Adil Attar. Effect of evaporative cooling combined with heat sink on pv module performance. Journal of University of Babylon for Engineering Sciences. Electro mechanical Engineering Department University of Technology Baghdad, Iraq. 2019;(27)2:252-254. https://doi.org/10.13140/RG.2.2.23413.42728
9. Mehrotra S., Rawat P., Debbarma M., Sudhakar K. Performance of a solar panel with water immersion cooling technique. International Journal of Science, Environment ISSN 2278-3687 (O) and Technology. 2014;3(3): 1161-1172. Available at: https://www.researchgate.net/publication/263448324 (accessed: 15.07.2023).
10. Irwan Y.M., Leow W.Z., Irwanto M. et al. Indoor test performance of PV panel through water cooling method. Energy Procedia. 2015;79:604-611. https://doi.org/10.1016/j.egypro.2015.11.540
11. Leow Wai Zhe, Mohd. Irwan Yusoff, Amelia Abd Razak, Muhammad Irwanto Misrun, Safwati Ibrahim, Muhammad Izuan Fahmi, Afifah Shuhada Rosmi. Effect of Water Cooling Temperature on Photovoltaic Panel Performance by Using Computational Fluid. Journal of Advanced Research in Fluid Mechanics and Thermal Sciences. 2019;56(1): 133-146. Available at: https://www.akademiabaru.com/doc/ARFMTSV56 N1 P133 146.pdf (accessed: 15.07.2023).
12. Benato A., Stoppato, A. An Experimental Investigation of a Novel Low-Cost Photovoltaic Panel Active Cooling System. Energies. 2019;12(8):1448. https://doi.org/10.3390/en12081448
13. Зайнутдинова Л.Х. , Ильичев В.Г. , Джамбеков Р.Г. Экспериментальное исследование нагрева фотоэлектрического модуля Pramac-125. Физико-химические проблемы возобновляемой энергетики: сборник трудов российской конференции, 21-23 ноября 2022 г., Санкт-Петербург. Санкт-Петербург: ПОЛИТЕХ-ПРЕСС, 2022. С. 99-100. ISBN 978-5-7422-7926-6. https://doi.org/10.18720/SPBPU/2/id22-248
14. Faes A., Despeisse M., Levrat J. et al. SmartWire Solar Cell Interconnection Technology. 29-th EU PVSEC. 2014. Р.2555-2561 (2014). https://doi.org/10.4229/EUPVSEC20142014-5D0.16.3
15. 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. Уфимский государственный авиационный технический университет. Уфа: РИК УГАТУ, 2019. С.281-286. EDN: МБИНЫ. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary 41446854 91814858.pdf (дата обращения: 15.07.2023).
ВКЛАД АВТОРОВ:
Ильичев В.Г. - разработка системы охлаждения фотоэлектрических модулей, проведение эксперимента, обработка результатов эксперимента;
Зайнутдинова Л.Х. - разработка концепции сравнительного эксперимента и оценки энергоэффективности фотоэлектрических модулей, проведение эксперимента, оформление текста статьи;
Теруков Е.И. - разработка требований к конструкции фотоэлектрических модулей на основе кремниевых гете-роструктурных (HJT) солнечных ячеек; Михайлов М.Ю. - разработка технологии и изготовление фотоэлектрических модулей, на основе кремниевых гете-роструктурных (HJT) солнечных ячеек.
ИСТОЧНИКИ ФИНАНСИРОВАНИЯ: Без дополнительного финансирования.
КОНФЛИКТ ИНТЕРЕСОВ:
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов. ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ:
Владимир Геннадьевич Ильичев, младший научный сотрудник, Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева, г. Астрахань, Российская Федерация.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2579-0403 e-mail: [email protected]
Лариса Хасановна Зайнутдинова, кандидат технических наук, доктор педагогических наук, профессор, ведущий научный сотрудник, Астраханский государственный университет имени В.Н. Татищева, г. Астрахань, Российская Федерация.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7013-9716 e-mail: [email protected]
Теруков Евгений Иванович, доктор технических наук, заместитель генерального директора по научным вопросам, ООО «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4818-4924 e-mail: [email protected]
Михайлов Михаил Юрьевич, технолог, ООО «Научно-технический центр тонкопленочных технологий в энергетике», г. Санкт-Петербург, Российская Федерация. e-mail: [email protected]
Поступила в редакцию 04.10.2023 После доработки 24.11.2023 Принята к публикации 30.11.2023
AUTHORS' CONTRIBUTION:
lyichev V.G. - development of a cooling system for photovoltaic modules, experiment, processing of experimental results;
Zainutdinova L.H. - development of the concept of a comparative experiment and assessment of the energy efficiency of photovoltaic modules, conducting an experiment, drafting the text of the article;
Terukov E.I. - development of requirements for the design of photovoltaic modules based on silicon heterostructural (HJT) solar cells;
Mikhailov M.Yu. - development of technology and manufacture of photovoltaic modules based on silicon heterostructured (HJT) solar cells.
FUNDING: No additional funding.
CONFLICT OF INTEREST:
The authors declare no conflict of interest.
INFORMATION ABOUT THE AUTHORS:
Vladimir G. Ilyichev, research associate, Astrakhan Tat-
ishchev State University, Astrakhan, Astrakhan region, Russian
Federation.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-2579-0403 e-mail: [email protected]
Larisa Kh. Zaynutdinova, Cand. Sci. (Eng.), Doctor of Pedagogical Sciences, Professor, Lead Researcher, Astrakhan Tat-ishchev State University, Astrakhan, Astrakhan region, Russian Federation.
ORCID: https://orcid.org/0000-0002-7013-9716 e-mail: [email protected]
Evgenii I. Terukov, Doctor of Technical Sciences, Deputy director for science, R&D Center of Thin Film Technologies in Energetics, St. Petersburg, Russian Federation. ORCID: https://orcid.org/0000-0002-4818-4924 e-mail: [email protected]
Mikhail Yu. Mikhailov process engineer, R&D Center of Thin Film Technologies in Energetics, St. Petersburg, Russian Federation.
e-mail: [email protected]
Received 04.10.2023 Revision 24.11.2023 Accepted 30.11.2023
