Оценка эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в климатических условиях Астраханской области

04.11.2022 JeeesAdmin 2022-03 0

Зайнутдинова Лариса Хасановна [0000-0002-7013-9716]1, Ильичев Владимир Геннадьевич [0000-0002-2579-0403]2, Джамбеков Равиль Гариполаевич [0000-0003-0880-2086]3

Астраханский государственный университет им. В.Н. Татищева, 

Астрахань, 414056 Россия

E-mail: 1 Lzain@mail.ru,2 vova201428@yandex.ru, 3 ravil-200@mail.ru

Аннотация. Разработана система водяного охлаждения фотоэлектрического модуля. Проведено экспериментальное исследование эффективности водяного охлаждения для реальных условий эксплуатации в регионе с высокими температурами окружающей среды. Эксперимент показал, что в климатических условиях Астраханской области водяное охлаждение фотоэлектрического модуля обеспечивает существенное возрастание его выходной мощности и коэффициента полезного действия.

Ключевые слова: фотоэлектрический модуль, водяное охлаждение, коэффициент полезного действия

Введение

В настоящей работе ставится задача изучения эффективности охлаждения фотоэлектрических модулей в реальных условиях эксплуатации в регионах с высокими температурами окружающей среды. Настоящее исследование проводится на базе Астраханского государственного университета с применением информационно-измерительной системы долгосрочного мониторинга характеристик фотоэлектрических модулей [1], [2]. Система укомплектована измерительным оборудованием (датчиками) для измерения солнечной радиации (кремниевый фотоприемник, SP Lite 2), температуры тыльной стороны модуля и окружающей среды (датчики температуры, DS18B20). Согласно экспериментам, проведенным с применением упомянутой фотоэлектрической системы, в летнее время в полдень температура солнечных модулей в условиях Астрахани на солнце достигает высоких значений, более 70 градусов Цельсия [3].

Как известно, недостатком солнечных фотоэлектрических систем является большая зависимость выработки электроэнергии от погодных факторов и снижение КПД с ростом температуры [4, 5, 6]. Поэтому пристальное внимание разработчиков фотоэлектрических систем обращено к проблемам охлаждения фотоэлектрических модулей. Так, например, сотрудниками электромеханического факультета технологического университета Багдада была создана система испарительного охлаждения в сочетании с радиатором [7]. В работе ученых Индии была реализована фотоэлектрическая система с температурным контролем на основе термоэлектрического эффекта [8]. Учеными из Малайзии рассматривалось охлаждение фотоэлектрического модуля посредством пропускания воды по медным трубкам, установленным с тыльной стороны модуля [9]. Общим недостатком решений [7,8,9] является усложнение конструкции.

В большинстве известных работ испытание систем охлаждения производится в лабораторных условиях, где инсоляция и нагрев модуля имитируются искусственно.

В настоящей работе была поставлена цель оценки эффективности водяного охлаждения фотоэлектрических модулей в реальных условиях эксплуатации в регионе с жарким климатом.

Система охлаждения

Авторами статьи разработана система охлаждения, представленная на рисунке 1.

Охлаждение фотоэлектрического модуля осуществляется активным способом путем распыления воды по поверхности фотоэлектрического модуля. Общий вид установки с фотоэлектрическим модулем и системой охлаждения представлен на рисунке 2.

Установка оборудована системой форсунок, находящихся на верхней стороне модуля и обеспечивающих равномерное распределение брызг охлаждающей жидкости по всей поверхности (рис. 2). Модуль зафиксирован под углом, обеспечивающим наибольшую выработку электрической энергии, в соответствии с географическими координатами местности.

При проведении эксперимента в качестве нагрузки фотоэлектрического модуля использован реостат ползунковый РПШ-5 с роликовыми контактами на 5 А с диапазоном изменения сопротивления (0-30) Ом

Помимо измерителей электрических параметров система укомплектована измерительным оборудованием (датчиками) для измерения солнечной радиации (кремниевый фотоприемник, SP Lite 2), температуры тыльной стороны модуля и окружающей среды (датчики температуры, DS18B20), массового расхода охлаждающей жидкости (расходомер).

Распыление воды осуществляется через 5 форсунок, установленных равноудаленно друг от друга на верхней стороне модуля. Подача воды реализована насосом из накопительного бака. Вода, распыляясь по поверхности модуля накапливается в нижней его части и, протекая по водосточному желобу, подается в обратно в накопительный бак. Ранее на основании проведенного исследования, был выявлен оптимальный угол распыления сопла (150 град).

В системе подачи воды установлен клапан регулирования расхода воды и расходомер для определения массового расхода разбрызгиваемой воды. 

Система охлаждения фотоэлектрического модуля сконструирована и изготовлена таким образом, чтобы ее прочность и жесткость обеспечивали защиту от воздействий неблагоприятных условий окружающей среды (попадание воды, пыли и песка в воздухе и т.д.). Конструкция системы охлаждения надежно установлена относительно поверхности, на которой располагается фотоэлектрический модуль, в целях защиты от ветряных порывов. Установка в систему фильтра-грязевика предотвращает загрязнение сопел разбрызгивания охлаждающей жидкости, клапана регулирования давления, расходомера.

Клапан регулирования давления и расходомер также защищены от воздействия внешних условий окружающей среды (пыль, прямое попадание солнечных лучей).

Методика проведения эксперимента и результаты измерений

В настоящей статье рассматривается организация эксперимента по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в натурных условиях г. Астрахани. В эксперименте использован фотоэлектрический модуль Pramac-125. Эксперимент проводился 2-го сентября 2022 г.

Были использованы следующие электроизмерительные приборы: мультиметр “RIGOL DM3061” в качестве амперметра и мультиметр Mastech MY61 в качестве вольтметра. В качестве электрической нагрузки использовался реостат ползунковый РПШ-5 с роликовыми контактами на 5 А с диапазоном изменения сопротивления (0-30) Ом.

Номинальные электрические параметры модуля Pramac-125, определенные при стандартных условиях испытаний (температура модуля t =25 ℃, инсоляция In = 1000 Вт/м2), приведены в паспорте [10]. Поскольку реальные условия, как правило, отличаются от стандартных в начале эксперимента была снята фактическая вольтамперная характеристика модуля Pramac -125. При инсоляции 854 Вт/м2 и температуре тыльной стороны модуля, равной +54,45 °C напряжение холостого хода составило 60,5 В, в точке максимальной мощности напряжение было равно 46 В, а сила тока – 1,8489 А. Сопротивление нагрузочного реостата в точке максимальной мощности составило 24, 88 Ом. В дальнейшем нагрузка не регулировалась.

Далее эксперимент выполнялся с применением разработанной авторами системы охлаждения в период с 11часов 20 минут до 12 часов 23 минут (2-го сентября 2022г). Результаты измерений фиксировались ежеминутно, они приведены в таблице 1. Приняты следующие обозначения:

U – напряжение на выходе фотоэлектрического модуля (на нагрузке) (В),

I   — ток нагрузки, (А),

In – инсоляция (Вт/м2),

t  — температура тыльной стороны фотоэлектрического модуля (℃),

t окр — температура окружающей среды (℃)

Анализ результатов измерений

На рисунке 3 приведены зависимости температуры окружающей среды и температуры модуля.

Согласно рис.3 и таблице 1 после включения системы водяного охлаждения наблюдается плавное снижение температуры модуля от 54℃ до 31℃. Удалось понизить температуру модуля на 22 ℃. 

На следующих рисунках показано, что осуществленное в настоящем эксперименте водяное охлаждение позволяет добиться повышения выходного напряжения, силы тока и вырабатываемой мощности (рис.4, рис.5, рис.6).

Таким образом, охлаждение позволило повысить напряжение на выходе модуля с 46 В до 49,5 В.

Охлаждение позволило повысить силу тока на выходе модуля с 1,8672 А до 2,044 А.

Соответственно, возрастает выходная мощность

Благодаря охлаждению выходная мощность возросла с 85,89 Вт до 101,3 Вт, то есть на 18%. Это существенный результат. Для солнечных электростанций средней и большой мощности в случае использования водяного охлаждения можно добиться существенного приращения абсолютных значений выработки электроэнергии.

При этом следует подчеркнуть в процессе эксперимента инсоляция изменялась незначительно (рисунок 7). Поэтому наблюдавшееся возрастание силы тока, напряжения и мощности с полной уверенностью можно объяснить влиянием водяного охлаждения

Коэффициент полезного действия

Конечно же, основным показателем эффективности любого технического устройства является коэффициент полезного действия КПД:

η=P2/P1                                                                                          (1)

где

P2=U*I — мощность, отдаваемая фотоэлектрическим модулем в нагрузку, (Вт),

P1— мощность солнечного излучения падающего на поверхность фотоэлектрического модуля (Вт),

P1=S*In (Вт)

здесь S –  площадь поверхности  фотоэлектрического модуля, м2,

Для исследованного модуля Pramac -125 площадь поверхности S=1,43 м2,

Значения мощностей и КПД, рассчитанные на основе полученных экспериментальных данных, приведены в Таблице2

При отсутствии охлаждения КПД был равен 7%, в результате действия охлаждения КПД возрастал до 7,94%. Такое приращение можно считать существенным.

Заключение

1.Разработана система водяного охлаждения фотоэлектрического модуля. Распыление воды осуществляется через 5 форсунок, установленных равноудаленно друг от друга на верхней части модуля. Подача воды реализована насосом из накопительного бака. Вода, распыляясь по поверхности модуля, накапливается в нижней его части и, протекая по водосточному желобу, подается обратно в накопительный бак. В системе подачи воды установлен клапан регулирования расхода воды и расходомер для определения массового расхода разбрызгиваемой воды.

2. Предложена методика эксперимента по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в натурных условиях г. Астрахани. В начале эксперимента производится поиск точки максимальной мощности, в дальнейшем найденное значение сопротивления нагрузки не регулируется. Нагрузка, амперметр и вольтметр подключались непосредственно к выходу модуля. С целью большей чистоты эксперимента был исключен   традиционный способ подключения нагрузки через MPPT контроллер.

3. В условиях натурного эксперимента сложно обеспечить постоянство внешних факторов. В нашем эксперименте удалось выбрать такой временной интервал измерений, в течение которого инсоляция и температура окружающей среды изменялись незначительно, а влияние охлаждения уже могло проявиться в должной степени. Так значения инсоляции менялись в сравнительно небольшом диапазоне от 854,625 Вт/м2 до 904,375 Вт/м2, а температура окружающей среды всего лишь в диапазоне от 51,84 ℃ до  53, 54 ℃.

 4.Анализ результатов измерений показал достаточную эффективность предложенной системы водяного охлаждения. Было обеспечено снижение температуры модуля от 54℃ до 31℃. Охлаждение позволило повысить напряжение на выходе модуля с 46 В до 49,5 В.

повысить силу тока с 1,8672 А до 2,044А. Соответственно, выходная мощность возросла с 85,89 Вт до 101,3 Вт, то есть на 18%. Это существенный результат.

5.На основании результатов измерений произведен расчет коэффициента полезного действия фотоэлектрического модуля как отношения мощности отдаваемой нагрузке к мощности падающего на поверхность модуля солнечного излучения.  Полученные значения КПД соответствуют паспортным данным испытанного фотоэлектрического модуля Pramac -125. Охлаждение позволило повысить КПД от 7%, до 7,94%. Такое приращение можно считать существенным.

6.На основании проведенного экспериментального исследования можно сделать заключение о том, что для солнечных электростанций средней и большой мощности, эксплуатирующихся в регионах с жарким климатом, использование водяного охлаждения может дать существенное приращение абсолютных значений выработки электроэнергии.

Литература

  1.  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 / Уфимск. гос. авиац. техн. ун-т. – Уфа : РИК УГАТУ, 2019. С.281-286
  2.  Larisa Zaynutdinova, Rustem Zaynutdinov, Vladimir Ilyichev, Ilya Shurshev.  EXPERIMENTAL STUDY INTO DEGRADATION OF A SINGLE-CRYSTAL SILICON PHOTOVOLTAIC MODULE IN THE CLIMATIC CONDITIONS OF ASTRAKHAN REGION // Proceedings ICOECS 2020 International Conference on Electrotechnical Complexes and Systems. IEEE Catalog Number: CFP20S88-USB, ISBN: 978-1-7281-9115-7, 2020, — Р. 111-114
  3. Теруков Е.И., Андроников Д. А., Малевский Д. А., Зайнутдинов Р.А., Ключарев А. Ю., Братышев С. Н., Ильичев В. Г. Экспериментальное исследование влияния метеорологических факторов на выработку электроэнергии солнечными модулями в климатических условиях астраханской области // Прикаспийский журнал: Управление и высокие технологии. № 2(46), 2019г., С.180-193
  4. 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. – Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Южно-Уральский государственный университет (национальный исследовательский университет), 2015. – Т. 3. – №. 1. – С. 222-225.
  5. Дубинин Д. В., Лаевский В. Е. Энергетическая эффективность работы солнечных батарей в реальных режимах эксплуатации //Известия томского политехнического университета. Инжиниринг георесурсов. – 2015. – Т. 326. – №. 3.-С. 58-62.
  6. Джумаев А. Я. Анализ влияния температуры на рабочий режим фотоэлектрической солнечной станции // Технические науки – от теории к практике: сб. ст. по матер. 46-й междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск: Сибак, 2015 № 5 (42). С. 33–40.
  7. Malagouda Patil, Dr. Alur Sidramappa, Rajashekhargoud Angadi Experimental Investigation of Enhancing the Energy Conversion Efficiency of Solar PV Cell by Water Cooling Mechanism / IOP Conf. Series: Materials Science and Engineering 376 (2018)
  8. R. Rajaram*, D.B. Sivakumar EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF SOLAR PANEL COOLING BY THE USE OF PHASE CHANGE MATERIAL / International Conference on Energy Efficient Technologies For Automobiles (EETA’ 15) Journal of Chemical and Pharmaceutical Sciences // Department of Mechanical Engineering, University College of Engineering, BIT Campus, Tiruchirappalli, India. 2015. 238-239
  9. A.R. Amelia* , Y.M. Irwan* , M. Irwanto* ,W.Z. Leow* , N. Gomesh* , I. Safwati**, M.A.M. Anuar*** Cooling on Photovoltaic Panel Using Forced Air Convection Induced by DC Fan / International Journal of Electrical and Computer Engineering (IJECE) Vol. 6, No. 2, April 2016, pp. 526~534
  10. Фотоэлектрические модули Pramac 125Вт ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ И ХАРАКТЕРИСТИКИ // http://clever-energy.ru/wp-content/uploads/2016/06/Hevel-Pramac-125.pdf, [электронный ресурс] (Дата обращения 08.07.2022)