Сравнительный эксперимент по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в климатических условиях Юга России

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 (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 неохлаждаемого 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 PL2». 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

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_

6. _35862862.pdf (дата обращения 15.07.2023).

7. 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).

8. 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

9. 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

10. 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).

11. 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

12. 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).

13. 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

14. 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

15. 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/EUPVSEC20142014-5DO.16.3

16. 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: MFRIHH. Режим доступа: https://www.elibrary.ru/download/elibrary_41446854_91814858.pdf (дата обращения: 15.07.2023).