Trzy technologie chłodzenia paneli PV pod lupą badaczy
W warunkach wysokiego nasłonecznienia, jakie panują w regionie Bliskiego Wschodu, temperatura modułów PV może znacząco ograniczać ich sprawność. Dlatego międzynarodowy zespół badaczy postanowił sprawdzić skuteczność trzech różnych metod chłodzenia powietrzem. Analizie poddano: system z wymuszoną konwekcją (forced-PV), system ze swobodną konwekcją i płytą żebrowaną (free-finned-PV) oraz rozwiązanie łączące obie te technologie, czyli wymuszoną konwekcję z płytą żebrowaną (forced-finned-PV).
Wszystkie systemy wykorzystują powietrze jako medium odbierające ciepło, ale różnią się mechanizmem jego przepływu. W przypadku forced-PV powietrze jest wprawiane w ruch dzięki wentylatorów, co intensyfikuje odbiór ciepła z powierzchni paneli. Free-finned-PV polega na naturalnym przepływie powietrza wspomaganym dodatkowymi żebrami, które zwiększają powierzchnię wymiany ciepła. Natomiast forced-finned-PV łączy oba podejścia: stosuje zarówno aktywne chłodzenie wentylatorami, jak i powiększoną powierzchnię wymiany dzięki płytom żebrowanym.
Badanie w dwóch skalach: dom i elektrownia
Analiza przeprowadzona została w dwóch scenariuszach – dla gospodarstwa domowego wyposażonego w 10 paneli oraz dla naziemnej elektrowni słonecznej z 2127 modułami. W obu przypadkach zastosowano monokrystaliczne panele o mocy maksymalnej 470 W i wymiarach 2182 mm na 1029 mm. Wszystkie wyniki zostały przedstawione z zastosowaniem współczynnika R, który skaluje dane do rzeczywistego zużycia energii w zależności od zastosowania systemu PV.
Zysk energetyczny zależny od technologii chłodzenia
Z danych uzyskanych przez badaczy wynika, iż najwyższy wzrost efektywności energetycznej zapewnia system forced-finned-PV. Mediana wzrostu sprawności tego rozwiązania osiągnęła 18,31%. Dla systemu free-finned-PV wyniosła 14,4%, a dla forced-PV – 11,48%.
Dla gospodarstwa domowego największą ilość energii wyprodukował system z wymuszoną konwekcją i płytą żebrowaną – około 6829,10 kWh pomnożone przez współczynnik R. System ze swobodnym przepływem powietrza i płytą żebrowaną osiągnął 6603,40×R kWh, a system z samą wymuszoną konwekcją – 6434,85×R kWh. W przypadku elektrowni fotowoltaicznej również najlepsze wyniki uzyskał system z wentylatorami i żebrami, generując 1 452 549,70×R kWh. Dla systemu z samymi żebrami produkcja wyniosła 1 404 544,80×R kWh, a dla systemu z samymi wentylatorami – 1 368 694,50×R kWh. Współczynnik R pozwala dostosować te wartości do rzeczywistego zużycia energii w konkretnym zastosowaniu.
Analiza ekonomiczna wskazuje na wyraźne różnice w oszczędnościach
Chłodzenie paneli powietrzem przełożyło się także na realne oszczędności finansowe. W przypadku domowej instalacji fotowoltaicznej największe roczne oszczędności – wynoszące 2936,51 dolarów razy współczynnik R – zapewnił system z wentylatorami i żebrami. Nieco mniejsze oszczędności uzyskano przy systemie z samymi żebrami (2839,46×R dolarów) oraz przy systemie z samymi wentylatorami (2766,98×R dolarów). W przypadku dużej elektrowni PV wartości te były znacznie wyższe: odpowiednio 624 596×R dolarów, 603 954×R dolarów i 588 538×R dolarów.
Zestawienie okresu zwrotu inwestycji pokazało, iż najkrótszy czas osiągnięto dla systemu z samą wymuszoną konwekcją – 1,18 roku. Dla free-finned-PV okres zwrotu wynosił 1,32 roku, a dla forced-finned-PV – 1,41 roku.
Wnioski płynące z badania
Wyniki badania wyraźnie pokazują, iż najskuteczniejszą metodą chłodzenia powietrzem modułów fotowoltaicznych jest system forced-finned-PV. Oferuje on najwyższe zyski energetyczne, największe oszczędności oraz największy potencjał ograniczenia emisji CO2. Mimo iż wiąże się z nieco dłuższym okresem zwrotu, jego zalety mogą mieć istotne znaczenie zwłaszcza w regionach o wysokiej temperaturze otoczenia, takich jak Liban.
Zobacz również:- Jak zoptymalizować ustawienie paneli PV w górach? Szwajcarscy naukowcy badają wpływ śniegu i refleksów świetlnych
- Fotowoltaika na zielonych dachach: Nowe badania naukowców z Lublany ujawniają nowe zależności
- Naukowcy znaleźli sposób na eliminację PFAS z baterii
