Melhorando a Eficiência de módulo fotovoltaico usando o resfriamento de água

Prévia do material em texto

Melhorando a Eficiência de módulo fotovoltaico usando o resfriamento de água
Uma maneira eficaz de melhorar a eficiência e reduzir a taxa de degradação térmica de um módulo fotovoltaico (PV) é
reduzindo a temperatura de operação de sua superfície. Isto pode ser conseguido resfriando o módulo e reduzindo o calor armazenado
dentro das células fotovoltaicas durante a operação. Neste trabalho, a modelagem de desempenho a longo prazo de uma proposta de bombeamento de água solar
sistema é realizado. O sistema, usado para fins de irrigação, consiste de um módulo fotovoltaico resfriado por água, um
bomba de água, e um tanque de armazenamento de água. O arrefecimento do painel fotovoltaico é conseguido através da introdução de uma configuração de
a superfície superior do painel. Uma sonda experimental é desenvolvida para investigar e avaliar o desempenho do módulo fotovoltaico com
a técnica de resfriamento proposta. Os resultados experimentais indicaram que, devido à perda de calor por convecção entre água
e a superfície superior do painel fotovoltaico, um aumento de cerca de 15% na saída do sistema é alcançado em condições de pico de radiação.
O desempenho a longo prazo do sistema é estimado integrando os resultados do teste em um pacote comercial de simulação transiente
usando dados de radiação do local e temperatura ambiente. Os resultados da simulação do desempenho anual do sistema indicaram que
Um aumento de 5% na energia fornecida pelo módulo fotovoltaico pode ser alcançado durante as estações seca e quente. 
Diferentes técnicas têm sido usadas para melhorar o desempenho
módulos fotovoltaicos (PV) e reduzir o custo inicial
dos sistemas acionados por PV. Algumas dessas técnicas são baseadas
sobre o aumento da radiação de entrada na superfície das células fotovoltaicas para
reduza a área do painel fotovoltaico, que pode ser conseguido usando o solar
concentradores, lentes e / ou usando rastreamento solar. Usando estes
técnicas podem reduzir o custo do sistema fotovoltaico em 19% (para
técnica) e 48% (para técnica de concentração) [1]. A
eficiência combinada de um coletor parabólico térmico de concetração
da calha foi estudado e encontrado quase igual a 58% [2]
No entanto, o problema associado a essas técnicas é o
aumento da temperatura das células fotovoltaicas acima do limite operacional e
redução na eficiência da célula e, provavelmente, dano celular no caso
de superaquecimento. Portanto, as células fotovoltaicas requerem um processo de resfriamento eficiente, especialmente durante o tempo quente. 
Resfriamento de painéis fotovoltaicos é considerado a técnica menos dispendiosa que é usado para melhorar o desempenho do painel fotovoltaico. A maioria das pesquisas realizadas sobre resfriamento fotovoltaico está concentrada na aplicações como sistemas fotovoltaicos e sistemas híbridos térmicos fotovoltaicos [3–11
Esta aplicação de PV em edifícios pode ser utilizada para
a produção de eletricidade e aquecimento de espaço. O sistema duplo
requer a otimização da taxa de fluxo de ar, a fim de alcançar
arrefecimento de células FOTOVOLTAICAS significativas. Verificou-se que os módulos fotovoltaicos com
a canalização traseira do ar pode reduzir a temperatura de funcionamento por 25 ◦ C [3].
A técnica de resfriamento a ar forçado com taxa de vazão ideal para
O arranjo fotovoltaico foi considerado econômico somente para sistemas fotovoltaicos de larga escala
[4],
e um controlador de temperatura é necessário para ajustar o ar
quociente de vazão. A largura do duto de ar (entreferro) atrás do módulo PV inclinado
tem um efeito significativo na temperatura da célula fotovoltaica. 
descobriram que quanto maior a lacuna por trás dos módulos, maior
o resfriamento devido à convecção natural [12]. Resultados experimentais
de módulos fotovoltaicos comerciais utilizados em um sistema térmico híbrido de
um edifício mostrou que o resfriamento fotovoltaico pode aumentar a
eficiência e a eficiência total do sistema [7].
O desempenho do sistema pode ser melhorado com a instalação de vidro cubra com o espaço de ar para uma fachada de edifício PV para permitir o resfriamento por fluxo de ar na superfície superior do módulo fotovoltaico. Resultados Experimentais de uma fachada de edifício com módulo PV integrado mostrou que quando o ar flui sobre as duas superfícies fotovoltaicas, o resfriamento da célula melhora e a eficiência termoelétrica combinada alcança 70% [9].
Outro tipo de resfriamento de fachada PV é usando água rede de tubulação na parte de trás dos módulos fotovoltaicos. Esta técnica serve para aquecer a água, reduz a temperatura da célula operacional 20 K e aumenta a potência em 9% [5]. Resfriamento fotovoltaico técnicas são construídas como façades de cortina na frente de edifícios isolados, com dutos de ar ou uma rede de tubos de água no meio. Esse tipo de resfriamento aumenta o custo do façade do PV sistema significativamente devido ao custo adicional do tubo de água rede
Outra técnica apropriada para o resfriamento fotovoltaico é usando água
fluxo sobre a superfície superior das células fotovoltaicas. Essa técnica
foi utilizado em uma fachada de PV, e um excedente de 10,3% em
a potência é alcançada [13]. Bomba de água do motor DC e de pequeno diâmetro
os bicos são usados ​​para executar a camada de água ao longo do módulo fotovoltaico
em cima da superficie. Existem três principais vantagens de aplicar este
técnica: há uma queda na temperatura da célula, um aumento
radiação incidente devido à refração da radiação pela água, e continuou
limpeza de superfícies por fluxo de água. No entanto, a desvantagem
do sistema é a energia necessária para a bomba circular
água de refrigeração. Análise térmica e balanço energético de células fotovoltaicas
é modelado com base em variáveis ​​climáticas, como temperatura da célula,
temperatura ambiente e radiação solar [14]. O modelo
é encontrado para ser preciso dentro de 6 K de temperatura medida
valores. Sistemas de bombeamento de água movidos a PV têm sido
usado em áreas remotas porque seu custo operacional compete com
sistemas convencionais de fornecimento de energia. Diferentes modelos foram
desenvolvido para otimizar o tamanho eo custo desses sistemas, como
o modelo de projeto fotovoltaico dado pela Decisão de Energia Limpa
Centro de Suporte [15].
A idéia principal deste trabalho é aplicar refrigeração a água fotovoltaica
em um sistema de irrigação para locais urbanos e remotos onde a água
bombeamento de poços é necessário. O resfriamento é necessário em aplicações fotovoltaicas
por duas razões principais: aumentar a vida útil do PV
células e reduzir a área do módulo fotovoltaico, aumentando a potência
o módulo. A técnica de resfriamento desenvolvida compreende água
fluindo na superfície superior do módulo fotovoltaico. Desvio de água
a partir da bomba de água de irrigação flui sob gravidade no PV
superfície superior do módulo e é coletado no módulo PV inferior
borda por um conduto conectado a um fluxo de irrigação. A vantagem
desta técnica de resfriamento é a eliminação da circulação
bomba necessária para o processo de resfriamento e um aumento no
radiação devido à refração na camada de água.
ESPECIFICAÇÃO E LOCAL DO
EQUIPAMENTO EXPERIMENTAL
O equipamento de bombeamento APVwater foi construído para ser usado ao ar livre
testes sob diferentes condições climáticas. Os principais componentes
deste sistema são as seguintes (ver Figura 1):
1. Módulo fotovoltaico Multicrystal de 60W de potência máxima.
O módulo está conectado a uma resistência variável para encontrar I-V
curva característica do módulo.
2. Sensor de proteção solar, que regula a corrente e tensão de passagem
de PV para a bateria e carregar.
3. Bomba de água submersível de 12 volts D.C. motor, capacidade de fluxo
em torno de 5 l / min e cabeça de bombeamento de 50 m. A bomba
é inserido em um tanque de água que representa uma irrigação
bem.
4. bateria de 12 volts para operar a bomba de águadurante o resfriamento interno
ajuste do sistema e medições do fluxo de água.
5. Configuração de gotejamento da água de resfriamento, que consiste em um
tubo de gotejamento de água (D = 2,5 cm, L = 65 cm) fixado no
borda superior do módulo fotovoltaico, conduta de água na extremidade inferior
do módulo (L = 65 cm) e um bypass para fornecer arrefecimento
água da bomba submersível. O tubo de gotejamento tem 32
furos de 5 mm de diâmetro distribuídos uniformemente.
6. Piranômetro, que é montado na plataforma PV para medir
a radiação solar de entrada.
7. Configuração da medição da temperatura da superfície das células fotovoltaicas.
8. Todo o sistema é montado em uma plataforma montada para
estudar o desempenho do sistema sob diferentes condições de radiação.
PROCEDIMENTO DE TESTE AO AR LIVRE
A sonda foi testada sob condições climáticas desérticas a latitude
(32), Universidade HU, Jordânia.
Para verificar as características elétricas do módulo fotovoltaico do fabricante,
dois tipos de teste de curva I-V foram realizados: operação normal
teste e com teste de resfriamento de água. Para manter
condições de estado estacionário em cada teste, os seguintes procedimentos
foi considerado:
1. A direção horizontal e a inclinação do módulo fotovoltaico são alteradas
manualmente durante o teste para manter a radiação incidente constante
na superfície do módulo fotovoltaico.
2. A temperatura da célula de operação é medida com radiação constante.
3. O fluxo de água de resfriamento é mantido constante (4 l / min).
4. A temperatura da água no tanque estava próxima da temperatura ambiente; Contudo,
em um sistema de irrigação real, a temperatura da água no poço (no verão) é sempre menor do que a temperatura ambiente
[16]
5. A temperatura da célula é medida antes e depois do resfriamento a
radiação.
6. Um registrador de dados (DL2e) foi usado para registrar a radiação e a temperatura
medições durante um período de um minuto.
Os dias típicos de verão foram selecionados para o teste para alcançar
temperatura operacional máxima das células fotovoltaicas. Para plotar as características I – V
curva do módulo fotovoltaico, a corrente ea tensão são
medido para uma gama de resistências (0-2,07 k) e diferentes
temperatura das células, temperatura ambiente e radiação solar.
ANÁLISE DOS RESULTADOS DO TESTE
Os testes da curva característica I-V do módulo fotovoltaico foram conduzidos
com e sem resfriamento de água. As tendências da característica do módulo PV
Os resultados do sistema desenvolvido foram considerados similares
para aqueles na literatura [17, 18]. Potência de saída do desenvolvido
módulo foi medido em diferentes temperaturas ambiente
e radiação solar. Uma diferença significativa na potência de saída
(área sob a curva) entre os dois testes de temperatura do módulo
foram relatados e mostrados na Figura 2. Está claro que a perda de calor
convecção devido ao fluxo de água acima da superfície superior do módulo
causou uma diminuição significativa (cerca de 26◦C) no funcionamento
temperatura a nível de radiação 1000 W / m2.
O módulo foi testado para diferentes níveis de radiação durante
resfriamento superficial para verificar a linearidade entre
poder e nível de radiação. Conforme mostrado na Figura 3, o máximo
tensão de energia é constante para o nível de radiação diferente, ao contrário
a corrente máxima de potência, que é diretamente proporcional
radiação.
O ganho na potência de saída do módulo fotovoltaico alcançado pelo
diferentes fontes de água de resfriamento é mostrada na Figura 4. A
Temperatura da superfície do módulo fotovoltaico em um típico dia de verão foi
encontrado em torno de 58◦C. O aumento da temperatura da célula acima da temperatura de operação padrão (45◦C) causou uma queda de 5%
potência de saída. Ao introduzir a técnica de resfriamento a água (usando
água do tanque de armazenamento), um excedente de potência de cerca de 15%
é alcançado.
Se a água subterrânea é usada diretamente no resfriamento, ela irá manter
Módulo fotovoltaico operando a uma temperatura quase constante
o ano. Isso ocorre porque a temperatura da água subterrânea
não experimentam uma variação significativa em torno do ano [16].
A Figura 4 mostra que usando uma temperatura da água subterrânea
de cerca de 25◦C pode causar um excedente de 8% na saída do módulo fotovoltaico
poder.
Outra vantagem de usar água para resfriar a superfície superior
do módulo fotovoltaico é o aumento da radiação de entrada de superfície
devido à refração na camada de água. Este efeito foi relatado por
leituras instantâneas da potência de saída do módulo fotovoltaico
a superfície úmida e seca de temperaturas semelhantes. Primeiro, o PV
a potência do módulo é medida durante o fluxo de água; fluxo de água é então
Parada, e a medição de potência instantânea é registrada. O efeito do uso da técnica de resfriamento desenvolvida no módulo fotovoltaico
potência de saída para uma gama de radiação e temperatura da superfície do módulo
igual a 33◦C é mostrado na Figura 5. O aumento de
potência de saída é devido a dois fatores: a diminuição da radiação
ângulo de incidência (θ) devido à refração na camada de água e resfriamento
por convecção natural. Está claro na Figura 5 que a radiação
ângulo de incidência na superfície seca é maior do que com gotas de água
(θ1> θ2), que causa um aumento na radiação de entrada durante
Resfriamento do módulo fotovoltaico. Para um nível de radiação entre 400 e 1000
W / m2, a saída do módulo fotovoltaico aumenta no intervalo de 4 a 10%. Isto é
claro da Figura 5 que a potência de saída do módulo PV é aumentada
usando a técnica de resfriamento desenvolvida devido à refração do feixe.
Foi relatado que não há depósitos de sal significativos
a superfície do módulo fotovoltaico devido à sua inclinação e efeito da gravidade,
que permitem o fluxo contínuo de água e a remoção de depósitos. Maior
depósitos de partículas são evitados pelo filtro de água que vem com
encaixe da bomba.
O maior erro nos resultados dos testes foi encontrado na temperatura
medição da superfície superior do PV porque os termopares
foram fixados à superfície por cola, e existe uma
possibilidade de contato imperfeito com a superfície. Este erro foi
encontra-se na faixa de 0,1-0,3◦C para temperaturas medidas
(25–60◦C). O efeito dessa incerteza no PV máximo
O poder na Figura 3 foi encontrado em 0,15-0,35%.
MODELO DE OPERAÇÃO A LONGO PRAZO DA ÁGUA PV
SISTEMA DE BOMBAGEM
Sistema de bombeamento de água da técnica de resfriamento proposta
é mostrado na Figura 6. Duas configurações da superfície do módulo PV
resfriamento são mostrados, usando água diretamente de um poço e usando
água de um tanque de armazenamento. Em ambas as configurações, a água de resfriamento
é coletado na parte inferior do módulo fotovoltaico e recombinado
com o principal canal de irrigação. Desempenho a longo prazo deste
O sistema foi estimado utilizando o pacote de simulação transiente comercial TRNSYSVersion 16 (TRaNsient Systems Simulation,
http://sel.me.wisc.edu/trnsys, acessado em 1 de dezembro de 2007).
Dados de radiação solar por hora para diferentes locais na Austrália
foram usados. A potência máxima do módulo fotovoltaico foi estimada
durante a simulação a partir das relações experimentais entre
as características do módulo fotovoltaico (Voc, Isc, Tm) durante a refrigeração
processo.
Ver no artigo onde tem formulas 
Falta traduzir, traduza seu corno 
O valor do suporte depende do tipo de módulo PV. Em
Neste estudo, este valor encontrado é igual a 0,022◦Cm2 / W dos testes
em condições normais de operação. No entanto, quando o módulo fotovoltaico
técnica de resfriamento a água foi aplicada, o valor do braquete
foi encontrado igual a 0,006◦C m2 / W.
O modelo de desempenho do sistema foi aplicado a diferentes sites
na Austrália (Sydney -33.8◦, Perth -32◦ e Darwin -12◦)
para encontrar a média mensal de saída do módulo fotovoltaico da águasistema de bombeamento, como mostrado na Figura 7a-c. Performance máxima
é alcançado quando o resfriamento com água subterrânea é
adotado. Isso ocorre porque a temperatura da água subterrânea durante
as estações quentes são mais baixas que a temperatura ambiente; portanto, o processo de resfriamento do módulo fotovoltaico é melhorado. É claramente mostrado na figura
7 que a refrigeração superficial PV é mais eficaz durante todo o ano em
locais quentes, como o Darwin eo local na latitude 32◦
área), do que os locais de clima moderado mostrados na Figura 7a, b. o
O efeito do resfriamento fotovoltaico é mais constante em Darwin do que em outros
como Sydney e Perth (Figura 7a, b) porque radiação e ambiente
variação de temperatura em Darwin é menor. A Tabela 1 mostra
o aumento anual no módulo fotovoltaico máximo de energia fornecida
em (kWh) ao usar água subterrânea para resfriamento e sem
resfriamento. Na latitude (−12◦), um aumento anual na entrega
a energia do módulo de 60 W usado no teste é igual a 6 kWh.
A viabilidade econômica do sistema desenvolvido é encontrada
avaliando o custo da configuração adicional de resfriamento, que foi
encontrado igual a 1,7% do custo inicial do bombeamento de água
sistema (considerando o comprimento extra em tubos e conexões).
O tempo para o retorno financeiro da configuração adicionada a um
sistema de maior escala usado para trabalho de irrigação real (20 m3 / dia)
é encontrado igual a 2,5 anos usando o software Retscreen [15].
Máxima energia fornecida por hora pelo diferente módulo fotovoltaico
arranjos é mostrado na Figura 8 para os dias típicos de verão
em Darwin. É claro que o módulo fotovoltaico resfriando com o subsolo
a água é mais eficiente durante o meio do dia do que o resfriamento
com tanque de armazenamento, porque a temperatura posterior durante este
período é maior.
DISCUSSÃO E CONCLUSÕES
A técnica de resfriamento superficial do módulo fotovoltaico foi desenvolvida
neste estudo para melhorar o desempenho de uma PVpoweredwater
sistema de bombeamento. Um arranjo de acessórios para tubos
foi usado para permitir o fluxo de água sob gravidade no módulo fotovoltaico
em cima da superficie. Testes sob diferentes condições climáticas foram
conduzido. Os resultados mostraram um aumento na produção do sistema em
intervalo de 4-10% quando a técnica de resfriamento desenvolvida foi
adotado. Parte desse aumento (50%) se deve ao resfriamento direto
contato entre água e superfície do módulo fotovoltaico; a outra parte é devido à refração do feixe solar na camada de água e o aumento
na radiação incidente.
Análises de desempenho de longo prazo em diferentes locais mostraram que
um aumento anual constante na produção do módulo fotovoltaico foi alcançado em
sites de clima quente. Em locais de clima moderado na Austrália, um
aumento significativo na saída do módulo fotovoltaico é relatado apenas
um período específico entre outubro e março.
Em conclusão, as principais vantagens desta técnica são:
• Aumento da eficiência de refrigeração devido ao contato direto entre
água e superfície do módulo fotovoltaico.
• Aumento da radiação solar incidente no módulo fotovoltaico devido à energia solar
refração do feixe na camada de água.
• Manter a superfície superior do módulo fotovoltaico livre de poeira devido a
fluxo contínuo de água.
• Eliminação da bomba de circulação necessária para o resfriamento
processar o fluxo devido sob gravidade.
• Uma técnica de resfriamento simples e que pode ser adicionada a qualquer
módulo padrão sem um aumento significativo no custo.