Come ridurre la temperatura dei moduli fotovoltaici con le perforazioni del telaio

Un gruppo di ricerca guidato da scienziati della Northeast Electric Power University cinese ha studiato l'impatto della perforazione del telaio sulla riduzione della temperatura dei pannelli fotovoltaici utilizzando il raffreddamento passivo dell'aria.

"Rispetto agli studi precedenti, la principale novità di questo studio è la valutazione completa degli effetti della perforazione del telaio sulle prestazioni di raffreddamento passivo dell'aria, sulla gestione termica e sulle prestazioni elettriche dei pannelli fotovoltaici", ha spiegato il gruppo. "Viene condotta un'analisi dettagliata del campo del flusso d'aria attorno ai pannelli fotovoltaici e del campo di temperatura dei pannelli fotovoltaici, e vengono confrontati e discussi gli effetti dei diversi modelli di perforazione del telaio e delle diverse forme dei fori sulle prestazioni termiche ed elettriche dei pannelli fotovoltaici. L'obiettivo principale di questo documento è fornire un riferimento per la ricerca sulla tecnologia di raffreddamento passivo dell'aria dei pannelli solari fotovoltaici."

Il team di ricerca ha studiato 17 diversi progetti di perforazione del telaio utilizzando simulazioni di fluidodinamica computazionale (CFD) tridimensionali.

Le simulazioni erano basate su un pannello fotovoltaico (PV) in silicio monocristallino di dimensioni 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. Il pannello era costituito da un telaio in lega di alluminio (spessore 2,5 mm), uno strato di vetro (3,2 mm), uno strato di etilene-vinil acetato (EVA) (0,5 mm), una cella fotovoltaica (0,6 mm) e un pannello posteriore (0,7 mm).

Il dominio computazionale era un cubo di 0,8 m di lato, con un'altezza di installazione di 0,4 m. La velocità del vento in ingresso è stata fissata a 6,0 m/s. I lati sopravvento e sottovento del pannello misuravano 52,8 cm, mentre i lati sinistro e destro erano 32 cm. L'irraggiamento solare incidente è stato di 900 W/m².

Per convalidare il loro modello, i ricercatori hanno costruito una configurazione sperimentale utilizzando un pannello fotovoltaico in silicio monocristallino più piccolo con dimensioni di 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. Il pannello aveva una potenza nominale di 10 W ed è stato installato con un angolo di inclinazione di 50 gradi. Gli esperimenti sono stati condotti nella città di Jilin, nella Cina centrale, e i risultati sono stati confrontati con un modello di simulazione separato. L'analisi ha mostrato una differenza di temperatura media tra i valori simulati e misurati di soli 0,2267 gradi, con una deviazione massima di un singolo punto-di 0,4 gradi.

Una volta convalidato il modello CFD, il team ha ottimizzato l'angolo di inclinazione per il raffreddamento passivo, identificando 11 gradi come il più efficace. Tutte le successive simulazioni dei casi di perforazione sono state condotte con questa inclinazione. I 17 modelli di perforazione sono stati raggruppati in quattro categorie in base al numero di lati del telaio perforato: perforazioni a-lato singolo, a doppio-lato, a tre-lati e a quattro-lati.

Ogni custodia presentava perforazioni circolari o rettangolari. Per i pannelli con perforazioni sopravvento e sottovento, i fori circolari avevano un raggio di 3 mm ed erano distanziati di 58,68 mm l'uno dall'altro; anche sui lati sinistro e destro i fori avevano un raggio di 3 mm ma distanziati di 64 mm l'uno dall'altro. Le perforazioni rettangolari misuravano 4 mm × 100 mm con una spaziatura di 107 mm e 5 mm × 70 mm con una spaziatura di 60 mm, a seconda del lato.

"Il case 2 - con otto fori circolari di 3,0 mm di raggio sul lato sopravvento - ha raggiunto la temperatura media più bassa del pannello fotovoltaico (39,37 gradi), la temperatura massima più bassa (42,63 gradi), la distribuzione della temperatura superficiale più uniforme, la potenza di uscita più alta (24,18 W) e la massima efficienza di conversione fotoelettrica (15,9%)" hanno riferito i ricercatori.

"Dal punto di vista della temperatura media dei pannelli fotovoltaici, 13 dei progetti con telaio perforato valutati hanno sovraperformato il telaio non-perforato (caso 1)", hanno aggiunto. Rispetto al pannello non-perforato, il design del Case 2 ha ridotto la temperatura del pannello di 5,44 gradi. In assenza di- condizioni di vento, il telaio perforato ha ridotto la temperatura media di 37,8 gradi e aumentato l'efficienza di conversione fotoelettrica del 2,89%.

Solo tre modelli di perforazione - Casi 3, 7 e 8 - hanno sottoperformato rispetto al pannello non-perforato. Il caso 3 presentava fori circolari sul lato sottovento, il caso 7 aveva fori rettangolari sul lato sottovento e il caso 8 aveva fori rettangolari sul lato sinistro. "Contrariamente alle ipotesi comuni, praticare più fori nel telaio non migliora necessariamente le prestazioni di raffreddamento dei pannelli fotovoltaici", ha concluso il team.

Il loro lavoro è stato presentato in "Valutazione degli effetti della perforazione del telaio sulla riduzione della temperatura del pannello fotovoltaico con raffreddamento passivo ad aria", pubblicato su Case Studies in Thermal Engineering. Allo studio hanno preso parte ricercatori della Northeast Electric Power University cinese, del Gruppo Shengu e dell'Università di Scienza e Tecnologia della Cina.