) and maximum power point () of the PV panel by 10% and 18.67%, respectively. Therefore, the use of aluminum heat sinks could provide a potential solution to prevent PV panels from overheating and may indirectly lead to a reduction in CO2 emissions due to the increased electricity production from the PV system."> 空气冷却的数值和实验调查光伏电池板使用铝散热片 - raybet雷竞app,雷竞技官网下载,雷电竞下载苹果
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国际期刊的Photoenergy
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国际期刊的Photoenergy/2020年/文章

研究文章|开放获取

体积 2020年 |文章的ID 1574274 | https://doi.org/10.1155/2020/1574274

印尼。阿里芬Dominicus Danardono醉酒驾车Prija Tjahjana,哈迪Rendy Adhi Rachmanto, Gabriel Setyohandoko巴渝Sutanto, ”空气冷却的数值和实验调查光伏电池板使用铝散热片”,国际期刊的Photoenergy, 卷。2020年, 文章的ID1574274, 9 页面, 2020年。 https://doi.org/10.1155/2020/1574274

空气冷却的数值和实验调查光伏电池板使用铝散热片

。-阿里芬,1 Dominicus Danardono醉酒驾车Prija Tjahjana,1 印尼哈迪,1 Rendy Adhi Rachmanto,1 加布里埃尔Setyohandoko,1 和 鲅鱼Sutanto1

1机械工程系,意大利Sebelas Maret,苏拉卡尔塔57126年,印度尼西亚

学术编辑器:阿尔贝托Alvarez-Gallegos
收到了 2019年10月14日
修改后的 2019年12月10
接受 2019年12月18日
发表 2020年1月10

文摘

增加光伏(PV)面板的操作温度引起的高水平的太阳能辐射会影响光伏电池板的效率和寿命。本研究利用数值分析和实验研究光伏电池板的工作温度的降低风冷散热器。该散热器设计作为一个与穿孔铝板翅,附属于光伏面板的后面。综合计算流体动力学(CFD)使用软件ANSYS进行了模拟流利确保散热器模型正常工作。散热片的影响光伏面板之间的传热和循环空气了。结果显示大幅降低光伏面板的操作温度和增加其电气性能。散热器的CFD分析模型与1.5 m / s的气流速度和温度35°C下1000 W / m的热流2显示减少光伏面板的平均温度从85.3°C到72.8°C。由于减少了温度、散热器增加开路光电压( )和最大功率点( )光伏面板的10%和18.67%,分别。因此,使用铝散热片可以提供一个潜在的解决方案,以防止光伏电池板过热和可能间接导致减少CO2由于排放提高光伏系统的发电量。

1。介绍

可再生能源资源的使用是感兴趣的研究人员和世界各国政府由于增加能源消耗和气候变化等问题造成的传统能源的开发(1]。太阳能是地球上最丰富的可再生能源资源,因此可以解决全球能源消费的不断增长的需求(1- - - - - -3]。一般来说,分为两种方法:利用太阳能光热光谱分析和光伏(PV)。光热光谱分析系统利用太阳辐射的热量用于各种目的,如作物干燥,太阳能炉灶,太阳能热水器(4]。光伏系统将直接从太阳辐射光子转换成电能使用太阳能电池技术(5]。太阳能电池技术广泛应用于小规模的用途,如街道照明和提供居民用电,和大规模的使用,如在全国发电厂(5- - - - - -7]。

尽管太阳能收集利用太阳能电池技术非常有前途,有挑战最大化效率的太阳能电池(8- - - - - -10]。光伏模块基于硅材料可以将太阳辐射的8 - 20%转化为电能(11- - - - - -13),但其余的太阳辐射反射回周围环境和转化成热能,提高光伏设备的温度,从而减少总输出功率(14- - - - - -16]。Radziemska [12调整太阳能电池的工作温度和显示逆温度之间的线性关系和太阳能电池的输出功率。Cotfas和Cotfas8)发现,提高太阳能电池的温度会降低电压,因为电子激发的热能高于半导体材料的电能。结果,与晶体硅太阳能电池的效率结构减少-0.5%±0.4每增加1°C的温度(17]。因此,降低太阳能电池的工作温度很重要实现更高的效率和延长细胞的寿命(18]。

研究人员已经开发出冷却系统降低太阳能电池的工作温度;这些分为主动和被动冷却系统。主动冷却系统操作机械或电气设备(如风扇或泵,需要外部电源输入,而被动冷却不需要额外的权力操作(19- - - - - -21]。被动冷却可能需要额外的部件,如热管散热器,依靠对流换热驱动冷却液流到太阳能电池(22]。散热器的热导电材料与太阳能电池的底部的面积将增加传热从太阳能电池周边环境17,22]。因此,因为它们是相对简单和廉价的制造、散热片有很高的潜力,因为设备冷却光伏电池板和应进一步发展。

Popovici et al。23使用ANSYS-Fluent)进行了仿真软件研究传热的特点在湍流条件下散热器。结果表明,太阳能电池的冷却速率正比于它的翅片高度和倾角的配置成反比。太阳能电池的温度降低到10°C和电力能力增加到7.55%。建模和模拟散热片由朱和太阳24)表明,一个简单的散热器会影响半导体材料的寿命。罗等人的研究。25)用一个实验方法来演示几个散热片与爆发鳍配置和获得全面减少高达10%的热阻。研究Grubišić-Čabo et al。26,27]研究了铝鳍片安装在光伏面板的背后(Si-poly 50 Wp)。结果表明,在低风速条件下,太阳能电池的电效率增加了0.3%和0.2%的太阳照射下850 W / m2和500 W / m2,分别。基于不同的研究目前正在进行散热器应用光伏太阳能电池,有一个巨大的潜力结合仿真和实验方法来产生一个集成的研究。这个应用研究将帮助光伏冷却系统的发展提供了一个完整的理论和分析方法的概述降低太阳能电池的温度。

这项研究调查了散热器的应用PV模块性能的简单组合计算流体动力学(CFD)方法和实验测试。CFD研究使用ANSYS软件,流利和三维(3 d)建模进行了确定光伏模块的工作温度。仿真结果给出了模块的温度等值线和空气的流速剖面流经散热器。的速度剖面显示的空气流动特性可以提供有价值的信息关于湍流气流之间的关系和面板的冷却性能通过使用一个风冷散热器。此外,实验分析研究散热器的电特性的影响,光伏模块。这项研究还讨论了综合物理现象在太阳能电池的硅材料由温度变化引起的。预计这个散热器冷却系统有效地降低操作温度,增加光伏模块的效率。

2。材料和方法

2.1。数值设置

图1显示了一个光伏模块的设计和几何铝散热器。铝散热器是安装在一个垂直的太阳能电池板;面板的鳍被穿孔提高周围空气流通,并允许从光伏面板的吸收更多的热量。在建模程序中,光伏面板被假定为一个独特的复合层(28- - - - - -30.]。表1显示了每一层的太阳能模块的属性。这些层的属性被假定为独立性质随温度和压力变化。

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(一)
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(b)
图1
提出几何(a)和(b)维度的光伏面板铝散热片。
层 密度(公斤/米3) 比热容(焦每千克K) 导热系数(W / m K) 厚度(毫米)
钢化玻璃 2450年 0.79 0.7 3.2
伊娃 960年 2.09 0.311 0.5
光伏电池 2330年 0.677 130年 0.21
伊娃 960年 2.09 0.311 0.5
聚乙烯醇缩甲醛 1200年 1.25 0.15 0.3
表1
每一层的太阳能模块的属性。

散热器的基地和鳍都是2毫米厚。空气的流体域的宽度为0.1米,与产生的水力直径( )0.166 m。空气流速( )在进口1.5 m / s, 35°C的温度根据风力在印尼的平均温度和速度(31日- - - - - -33]。雷诺兹(Re)数量和湍流强度( )计算使用方程(1)和(2)如下: 在哪里 和 密度(公斤/米3)和粘度液体(公斤/米),分别为(23]。的雷诺数对气流速度大约是13100和湍流强度大约为4.8%。仿真进行了稳态条件下使用k -εre-normalization集团(RNG)湍流模型。pressure-linked semi-implicit方法(简单的)压力速度耦合方程和二阶逆风计划用于解决方程,与10的收敛标准6对能源和103压力,速度,和连续性方程。

光伏面板与1000 W / m辐照2太阳能在标准测试条件;它转换为电能通过光伏效应的机制34,35]。一般来说,晶体硅太阳能电池的电效率范围从11至20%,而钢化玻璃反映了多达3 - 10%的太阳辐射周围的细胞。本研究认为,25%的太阳能转化为电能,反映环境;因此,剩下的太阳辐射被视为输入热流太阳能模块(23,35]。

2.2。实验的程序

本研究使用50 Wp多晶硅太阳能电池的尺寸 毫米。实验设置如图2,铝散热器安装在光伏面板的鳍和基础都是2毫米厚。鳍是连接到基板和一个矩形孔,以适应光伏面板接线盒。在附加散热器底部的太阳能电池板,热油HT-GY260 ( W / m K和 c2/ W)应用于接触区域以减少热接触电阻。


图2
光伏板与散热器的配置示意图。

光伏电池板的电特性是使用可变电阻测量的方法。这种方法提供了一个电阻负荷,变化从零电阻(测量太阳能电池的最大电流)无限的阻力(测量太阳能电池的最大电压)。可变电阻是通过安排几个电阻电抗性为2.5,3.5,4.7,5.4,5.8,6.0,6.4,6.6,6.9,7.4,8.5,13.8,19.6,42.5,111年和330年Ω适应光伏面板的大小。LI-COR li - 250±0.6%的精度的日射强度计是用来测量太阳照射。光伏面板的温度与k热电偶测量的准确度±1.2°C。热电偶被放置在光伏面板来衡量它的平均温度。风速通过光伏面板的底部用一个风速计测量。位置和距离35 W扇风机和光伏面板调整,以获得均匀的风速约为1.5 m / s。图3显示了实验过程的照片和散热器配置的光伏面板。

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(一)
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(b)
图3
(一)实验过程的照片和(b)散热器配置的光伏面板。

3所示。结果与讨论

3.1。计算流体动力学(CFD)分析

在CFD研究中,啮合过程域分为许多细胞。细胞大小不同的从大到小的啮合过程产生不同数量的元素。这样做是为了生成独立的仿真结果不会受到网状细胞的数量。啮合与1和2 mm细胞大小进行了散热片和4,6,8毫米流体域单元尺寸。网格独立研究结果的误差0.13%。

图4显示了光伏面板的温度等值线和无铝散热片的热通量1000 W / m2。光伏板的平均温度没有铝散热片的平均温度为85.3°C和光伏板与铝散热片是72.8°C。结果显示显著降低温度到12.5°C,和增加传热性能从面板到空气当使用铝散热片。

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(一)
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(b)
图4
热光伏电池板轮廓(a)没有铝散热片和(b)与铝散热片。

图5显示速度矢量的循环空气流过散热器。在散热器鳍湍流气流引起的,所以对环境的传热从光伏面板增加了。高动荡水平可以减少热边界层厚度和影响的高温度梯度的光伏面板。因此,光伏电池板与散热片的平均温度是低于光伏电池板没有散热器。研究Omeroglu [36)发现了相似的结果,散热器配置影响气流速度和传热速率从光伏面板的周边环境。Popovici et al。23]证明的定位和方向散热器鳍也影响空气温度分布。翅片的高度0.03米和1.5 m / s空气入口速度的基本温度降低光伏面板从56°C到42.35°C ( 13.65°C),类似于这个结果。

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(一)
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(b)
图5
速度矢量的光伏面板(一)没有与铝散热片和(b)。
3.2。实验结果

图6显示了光伏电池板的平均温度的函数的太阳能辐射。如前所述,光伏电池板的平均温度没有散热器高于光伏板散热器。我们也观察到,增加太阳辐射的强度将因此增加太阳能电池的温度。辐射的强度越高,光子的能量越大,太阳能电池。反过来,光子的能量会增加更高的电子激发在太阳能电池板,这将导致增加太阳能电池的温度(12,37]。然而,增加安装散热器的传热面积和传热速率光伏面板,从而减少面板的温度。


图6
光伏板的平均温度在不同太阳辐射。

太阳能电池的性能可以通过photocurrent-voltage曲线特征(电流-电压曲线)如图7。电流-电压曲线的测量结果产生的几个重要参数,包括开路光电压( ),短路光电流( ),填充因子(FF)、效率( )。本研究使用了一种可变电阻器系统测量太阳能电池的特点。


图7
电流-电压曲线的光伏面板的辐照下1000 W / m2。

决定在开路条件或电阻非常高,没有流电流和电压的最大值,而 决定在短路条件或电阻趋于0时,生成一个最大电流。电流和电压的乘积产生电力( ),和最大电流和电压的乘积称为最大功率点( )。太阳能电池性能的另一个重要参数是填充因子(FF)的比率 的产品 和 。太阳能电池的效率( )被定义为的比例 太阳辐射能量由细胞接收。光伏板的电气特性如表所示2。
特征 与散热器 没有散热器
(伏) 20.9 19
(安培) 2。5 2.53
(瓦特) 35.4 29.83
FF 0.677 0.621
(%) 11.11 8.51
表2
电气性能的光伏面板有或没有铝散热片在1000 W / m2辐照。

散热器增加了 10%,减少了 了1.18%。随着增加 高于下降 ,太阳能电池的电力也增加。的 从太阳能电池增加了18.67%,电气性能的改善是主要由操作温度下降引起的。电效率增加了散热器可能达到2.6%低于1000 W / m2太阳能辐射。研究Grubišić-Čabo [26,27)显示一个类似的趋势提高效率与铝鳍片安装在光伏面板的背后(Si-poly 50 Wp)。

太阳能电池的半导体性质类似于热敏电子设备。增加温度可以降低半导体的带隙值,进而增加了半导体材料中电子的能量。因此,在半导体电子债券只会被轻易的条目数量的能量低。受温度变化影响最大的参数值 (38,39]。 降低操作温度增加由于反向饱和电流的影响( )参数,如方程所示3),(4)和(5)。 在哪里 是内在的载体浓度(厘米3), Boltzman常数(1.381×10-23年J / K或8.617×105电动汽车/ K), 温度(K), 电荷(1.602×10-19年库仑), 是当前太阳能电池, 太阳能电池的面积, 是少数载流子的扩散系数对硅掺杂材料的函数, 的长度是少数载流子的扩散系数,然后呢 掺杂材料。所有这些参数与温度的增加可能会改变,但最重要的变化是内在载体浓度方程所示(6)和(7): 在哪里 是带隙能量, 普朗克常数( -34年刘昌明), 是电子的有效质量, 洞的有效质量。常数 不是温度的函数;因此,参数 取决于半导体的工作温度。半导体带隙值将产生较低的高内在载体浓度;因此,他们也将产生高 在高温下的值。硅材料的内在价值载体浓度可以作为温度的函数方程所示(8)[40]:

基于方程(3)和(4),高 价值产生很大的反向饱和电流( )值,从而减少了 太阳能电池的价值。此外,方程(5)表明,增加的值 和 将导致增加电流。然而,这一增长在当前相比可以忽略不计从太阳能电池电压下降41]。

除了改变电流和电压值,太阳能电池的工作温度的变化也会影响填充因子(FF)。温度的上升增加太阳能电池的内部电阻,和这些障碍导致在流动的电荷pn结,导致损失的形式电荷复合的细胞。这减少FF当太阳能电池工作温度的增加。因此,由于太阳能电池的输出功率是电压和电流的乘积,温度的增加将导致功率下降(11,12]。

4所示。结论

我们进行了CFD模拟光伏电池板有或没有铝散热片安装。结果显示减少10°C平均温度的光伏板与散热器。的物理实验也进行了光伏模块安装散热器,以及各种太阳能辐射值应用到光伏模块观察它们影响光伏面板的温度分布。结果表明,安装散热器可以减少面板的温度由于增加传热面积和传热性能。因为它的温度降低,热水槽增加了 和 光伏面板的10%和18.67%,分别。这个散热器的简单的设计模式提供了一个潜在的解决方案,以防止光伏电池板过热和可能间接导致减少CO2由于排放提高光伏系统的发电量。然而,分析可以进一步从经济的角度来看,基于成本和绩效为散热器优化设计。

数据可用性

使用的数据来支持本研究的发现可以从相应的作者。

的利益冲突

作者认为没有利益冲突声明。

确认

这项研究由Direktorat Penelitian丹Pengabdian kepada步伐(DP2M) Direktorat Jenderal Pendidikan丁宜受困(DIKTI)(研究资助719号/ UN27.21 / PN / 2019)。作者感谢伊恩守护他的帮助在研究。

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