كيفية تقليل درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية باستخدام ثقوب الإطار

قام فريق بحث بقيادة علماء من جامعة شمال شرق الصين للطاقة الكهربائية بالتحقيق في تأثير ثقب الإطار على تقليل درجة حرارة الألواح الكهروضوئية باستخدام تبريد الهواء السلبي.

وأوضحت المجموعة: "مقارنة بالدراسات السابقة، فإن الحداثة الرئيسية في هذه الدراسة هي التقييم الشامل للتأثير لثقب الإطار على أداء تبريد الهواء السلبي، والإدارة الحرارية، والأداء الكهربائي للألواح الكهروضوئية". "يتم إجراء تحليل مفصل لمجال تدفق الهواء حول الألواح الكهروضوئية ومجال درجة الحرارة للألواح الكهروضوئية، وتتم مقارنة ومناقشة تأثيرات أنماط ثقب الإطار المختلفة وأشكال الفتحات المختلفة على الأداء الحراري والكهربائي للألواح الكهروضوئية. الهدف الرئيسي من هذه الورقة هو توفير مرجع لأبحاث تكنولوجيا تبريد الهواء السلبي للألواح الكهروضوئية الشمسية."

قام فريق البحث بالتحقيق في 17 تصميمًا مختلفًا لثقوب الإطارات باستخدام محاكاة ثلاثية الأبعاد لديناميكيات الموائع الحسابية (CFD).

استندت عمليات المحاكاة إلى لوحة كهروضوئية أحادية السيليكون بقياس 52.8 سم × 32 سم × 1.05 سم. تتكون اللوحة من إطار من سبائك الألومنيوم (سُمك 2.5 مم)، وطبقة زجاجية (3.2 مم)، وطبقة أسيتات فينيل الإيثيلين (EVA) (0.5 مم)، وخلية كهروضوئية (0.6 مم)، ولوحة خلفية (0.7 مم).

كان المجال الحسابي عبارة عن مكعب قياسه 0.8 متر من كل جانب، وارتفاع التثبيت 0.4 متر. تم ضبط سرعة الرياح الداخلة على 6.0 م/ث. يبلغ قياس الجانبين المواجه للريح والريح للوحة 52.8 سم، بينما يبلغ طول الجانبين الأيسر والأيمن 32 سم. كان الإشعاع الشمسي الحادث 900 واط / م 2.

للتحقق من صحة نموذجهم، قام الباحثون ببناء إعداد تجريبي باستخدام لوحة كهروضوئية أصغر من السيليكون أحادي البلورية بأبعاد 35 سم × 23.5 سم × 1.5 سم. كانت الطاقة المقدرة للوحة 10 واط وتم تركيبها بزاوية ميل قدرها 50 درجة. وأجريت التجارب في مدينة جيلين بوسط الصين، وتمت مقارنة النتائج بنموذج محاكاة منفصل. أظهر التحليل أن متوسط ​​الفرق في درجة الحرارة بين القيم المحاكاة والمقاسة يبلغ 0.2267 درجة فقط، مع حد أقصى للانحراف -نقطة واحدة يبلغ 0.4 درجة.

بمجرد التحقق من صحة نموذج CFD، قام الفريق بتحسين زاوية الميل للتبريد السلبي، مع تحديد 11 درجة باعتبارها الأكثر فعالية. تم إجراء جميع عمليات المحاكاة اللاحقة لحالات الانثقاب عند هذا الميل. تم تجميع تصميمات الثقب الـ 17 في أربع فئات بناءً على عدد جوانب الإطار المثقوبة: ثقوب فردية -جانبية، وثنائية-جانبية، وثلاثية-جانبية، وأربعة-ثقوب جانبية.

تتميز كل علبة بثقوب دائرية أو مستطيلة. بالنسبة للألواح ذات الثقوب باتجاه الريح والريح، كان للثقوب الدائرية نصف قطر 3 ملم وكانت متباعدة بمقدار 58.68 ملم؛ على الجانبين الأيسر والأيمن، كان نصف قطر الثقوب أيضًا 3 مم ولكن متباعدة بمقدار 64 مم. الثقوب المستطيلة مقاس 4 مم × 100 مم مع تباعد 107 مم، و5 مم × 70 مم مع تباعد 60 مم، اعتمادًا على الجانب.

"حققت العلبة 2 - التي تحتوي على ثمانية فتحات دائرية نصف قطرها 3.0 ملم على الجانب المواجه للريح - أدنى متوسط ​​لدرجة حرارة اللوحة الكهروضوئية (39.37 درجة)، وأقل درجة حرارة قصوى (42.63 درجة)، وتوزيع درجة حرارة السطح الأكثر اتساقًا، وأعلى طاقة خرج (24.18 واط)، وأكبر كفاءة تحويل كهروضوئي (15.9%)،" أفاد الباحثون.

وأضافوا: "من منظور متوسط ​​درجة حرارة اللوحة الكهروضوئية، تفوق 13 من تصميمات الإطار المثقوبة التي تم تقييمها على الإطار غير المثقوب-(الحالة 1)". بالمقارنة مع اللوحة غير المثقبة-، فقد أدى تصميم العلبة 2 إلى تقليل درجة حرارة اللوحة بمقدار 5.44 درجة. في ظل ظروف عدم وجود الرياح-، أدى الإطار المثقوب إلى خفض متوسط ​​درجة الحرارة بمقدار 37.8 درجة وزيادة كفاءة التحويل الكهروضوئي بنسبة 2.89%.

ثلاثة تصميمات مثقوبة فقط - الحالات 3 و7 و8 - ذات أداء ضعيف مقارنة باللوحة غير المثقبة-. تتميز العلبة 3 بوجود ثقوب دائرية على جانب الريح، والعلبة 7 بها ثقوب مستطيلة على جانب الريح، والعلبة 8 بها ثقوب مستطيلة على الجانب الأيسر. وخلص الفريق إلى أنه "خلافا للافتراضات الشائعة، فإن حفر المزيد من الثقوب في الإطار لا يؤدي بالضرورة إلى تحسين أداء تبريد الألواح الكهروضوئية".

تم تقديم عملهم في "تقييم تأثير ثقب الإطار على تقليل درجة حرارة الألواح الكهروضوئية مع تبريد الهواء السلبي"، المنشور في دراسات الحالة في الهندسة الحرارية. وشارك في الدراسة باحثون من جامعة شمال شرق الصين للطاقة الكهربائية ومجموعة شنغو وجامعة العلوم والتكنولوجيا الصينية.