Studiul Variatiei Temperaturii Panourilor Fotovoltaice In Diverse Conditii de Insorire

Efectul fotoelectric a fost observat prima dată în 1839 de catre Edmond Becquerel, un fizician din Franța. În cursul anului 1876 Adams și Day au observat efectul fotovoltaic în seleniu solid. Celula solară modernă a fost descoperită în 1954. Cercetătorii Bell Labs de la Pearson, Chapin, Fuller au raportat descoperirea de celule din siliciu cu eficiență de 4,5%, aceasta fiind ridicată la 6% câteva luni mai târziu [1].

Celulele fotovoltaice pot fi realizate din mai multe materiale semiconductoare, peste 95% din celulele solare sunt realizate din siliciu (Si), care este al doilea element chimic cel mai răspândit în scoarța terestră, reprezentând cca. 25% din aceasta, deci este disponibil în cantități suficiente, fiind astfel și ieftin. În plus, procesele de prelucrare a acestui material nu sunt agresive pentru mediul ambiant.

Când fotonii, din radiația luminoasă, lovesc o celulă fotovoltaică, ei pot fi reflectați, pot trece mai departe sau pot fi absorbiți. Doar fotonii absorbiți conțin energia necesară pentru a produce energie electrică. Când este absorbită destulă energie solară de materialul semiconductor, electronii sunt dislocați din atomii materialului. Un tratament special al suprafetei, în timpul producerii, face suprafața frontală a celulei mai receptivă la electronii liberi, astfel încât electronii migrează spre suprafață.

Energia solară captată de panourile fotovoltaice neconvertită în energie electrică, circa 80%, este transformată în căldură.

Performanțele panourilor fotovoltaice sunt dependente de temperatură [2]. Există studii referitoare la dependența randamentului de conversie în funcție de temperatura celulei [3]. Efectul temperaturii asupra caracteristicii curent-tensiune a celulei fotovoltaice este prezentată în fig. 1. Astfel atunci când are loc o creștere a temperaturii, scade și eficiența de conversie a energiei radiației solare în energie electric [4]. Se poate considera, ca valoare orientativă, o reducere a eficienței panourilor fotovoltaice cu 0,3 …0,5%, pentru fiecare grad de creștere a temperaturii.

Fig. 1. [http://en.wikipedia.org/wiki/File:I-V_Curve_T.png]

În literatură [4] există studii referitoare la temperatura atinsă de panourile fotovoltaice în perioada de funcționare la capacitate maximă. Astfel s-a observat că temperatura acestora poate atinge valori de până la 80 °C pentru panourile fotovoltaice amplasate fără posibilitate de răcire și la intensitatea radiației solare apropiată de 1000 W/m2.

Efectul negativ al temperaturii asupra eficienței de conversie este cunoscut [5]. Principalul factor care determină creșterea temperaturii panoului îl reprezintă intensitatea radiației solare. Acest aspect trebuie gestionat cu interes, deoarece eficiența de conversie fotoelectrică este influențată pozitiv de creșterea intensității radiației solare, însă această creștere se resimte și asupra temperaturii panoului fotovoltaic. Creșterea temperaturii de operare a panoului generează o scădere a eficienței.

În literatura de specialitate există mai multe modele pentru determinarea temperaturii celulelor fotovoltaice Tc în funcție de factorii externi. Cea mai comună metodă, conform [6], constă în utilizarea NOCT (Normal Operating Cell Temperature) – Temperaturii normale de operare a celulei. Valoarea acestui parametru este furnizată de producătorul modulului fotovoltaic. Tc este dependentă de temperatura ambientală Ta și de radiația solară ф conform următoarei relații:

(1)

Această metodă simplă furnizează rezultate satisfăcătoare în cazul în care modulul fotovoltaic nu este integrat în acoperiș. Valoarea NOCT este calculată pentru o viteză a aerului de 1m/s, temperatura ambientală de 20 °C și o radiației emisferică ф = 800 W/m2. NOCT este puternic dependentă de tipul de încapsulare a modulului fotovoltaic.

Puterea unei celule fotovoltaice variază în funcție de schimbările de temperatură și radiație. Prin urmare, au fost definiți parametrii standard pe care productorii îi utilizează pentru a exprima puterea maximă pe care o poate furniza un panou fotovoltaic. Condițiile exterioare pentru realizarea acestui regim se numesc STC (Standard Test Conditions) și produc așa numita putere de vârf watt-peak (Wp). Aceast este puterea furnizată de către celulă la o temperatură de 25 °C, viteza vântului de 1 m/s și intensitatea radiației solare de 1000 W / m².

2. metodologia cercetării

2.1. Descrierea problemei

Sistemele fotovoltaice reprezintă o sursă sigură de energie electrică și cu funcționare la randament optim atât timp cât sunt îndeplinite condițiile de temperatură de operare nominală a celulelor. În exploatare aceste condiții sunt greu de asigurat, datorită lipsei spațiului, poziției fixe a panourilor sau imposibilității controlării factorilor climatici. Prin urmare, este necesară preocuparea în găsirea unor soluții de răcire a panourilor fotovoltaice.

În această lucrare se realizează un studiu numeric al influenței intensității radiației solare asupra temperaturii de operare a panourilor fotovoltaice. Poziționarea acestora este verticală, respectiv integrarea acestora în clădirile cu fațade ventilate. De asemenea este prezentată o soluție pentru realizarea răcirii suplimentare a panourilor fotovoltaice prin atașarea unor disipator de căldură nervurat în zona posterioară a acestora.

Simulările sunt realizate în condițiile cele mai dezavantajoase de temperatură exterioară, respectiv 35 °C. De asemenea, viteza de circulație a aerului în spatele panoului fotovoltaic este impusă cu valoare de 0,5 m/s.

2.2. Simularea numerică

Variația temperaturii panourilor fotovoltaice a fost studiată în diverse lucrări în literatura de specialitate. N. Hamrouni et al. [7] prezintă un astfel de studiu realizat cu ajutorul softului Matlab/Simulink.

Această lucrare prezintă modelarea numerică, a încălzirii panourilor fotovoltaice, cu ajutorul programului specializat ANSYS Fluent, care reprezintă cea mai performantă platformă pentru simulările numerice în domeniu. Geometria modelului – fig. 2, este realizată în Design Modeler și discretizarea domeniului de calcul cu ajutorul aplicației Design Mesh. Domeniul de calcul a fost discretizat într-un număr de 194921 de celule tetraedrice.

Fig. 2. Geometria modelului studiat

Panoul fotovoltaic studiat este unul de mici dimensiuni cu dimensiunile L = H = 500 mm. Răcirea panoului este evaluată în cazul atașării unui perete nervurat pentru diferite intensități ale radiației solare incidente. Astfel, componenta normală a intensității radiației solare considerată în simulări are valorile: ΦS = 250, 500, 750 și 1000 W/m2.

Rezultatele modelării numerice sunt obținute pentru cazul atașării unui disipator de căldură din cupru sau aluminiu în zona posterioară a panoului. Acest disipator este reprezentat de un perete nervurat, având următoarele caracteristici dimensionale:

– h – înălțimea nervurilor (3 cm);

– s – distanța (pasul) dintre nervuri (5 cm);

– L, H – lungimea și lățimea dispatorului (L = H = 500 mm);

– g – grosimea plăcii disipatorului (2 mm);

– gn – grosimea nervurilor (2 mm);

– ln – lungimea nervurilor (480 mm).

La suprafața panoului fotovoltaic expusă soarelui și aflată în mediul exterior s-a considerat un schimb de căldură convectiv cu αconv = 8 W/m2K.

Prin integrarea panoului fotovoltaic în structura fațadelor ventilate se obține o răcire suplimentară a acestora, în comparație cu amplasarea acestora aparent pe fațade sau pe acoperiș. În această ipoteză, panoul fotovoltaic înlocuiește o porțiune din vitrajul exterior al fațadei. Zona posterioară a acestuia, inclusiv disipatorul de căldură, se află în interiorul canalului ventilat, care în cazul studiat are o deschidere de 10 cm.

3. rezultate

Temperaturile medii obținute în urma simulărilor numerice pentru cazul de bază și pentru situația atașării disipatorului de căldură sunt centralizate în tabelul 1.

Tabel 1. Temperaturile medii ale panoului fotovoltaic

Unde: I – intensitatea radiației solare;

tcel,disip – temperatura celulei în cazul utilizării disipatorului de căldură;

tcel,bază – temperatura celulei în cazul de bază;

Δt – scăderea temperaturii panoului în cazul utilizării disipatorului în comparație cu montajul de bază.

Dependența temperaturii de operare în funcție de radiația solară este prezentată în graficul din fig. 3.

Fig. 3. Variația temperaturii panoului fotovoltaic pentru diverse valori ale intensității solare

Se poate observa – fig. 3 influența amplasării disipatorului de căldură nervurat prin obținerea unei temperaturi mai mici a panoului fotovoltaic. Acest aspect determină o creștere a eficienței de conversie, respectiv o producție mai mare de energie electrică, în condiții similare de însorire.

Diferența de temperatură între cele două soluții studiate crește o dată cu mărirea intensității radiației solare, având o valoare de aproximativ 23 °C pentru intensitatea de 1000 W/m2.

Panoul fotovoltaic are capacitatea de a produce o cantitate superioară de electricitate la valori mari ale intensității radiației solare. În același timp, temperatura de operare crește direct proporțional cu radiația solară și randamentul de conversie scade. Pentru a obține o producție optimă de electricitate în zilele însorite, soluția propusă aduce o îmbunătățire a eficienței de conversie comparativ cu soluția de bază.

4. CONCLUzii

Radiația solară influențează în mod determinant temperatura panoului fotovoltaic.

Amplasarea disipatorului de căldură reprezintă o soluție viabilă de reducere a temperaturii în condițiile descrise. Metoda prezentată în acest studiu poate reprezenta o soluție pentru realizarea răcirii acestor sisteme, cu un consum redus de energie, ținând cont de necesitatea ventilării fațadelor dublu vitrate pe timpul verii.

În studii ulterioare se vor realiza măsurători experimentale pentru confirmarea rezultatelor atât în regim staționar cât și tranzitoriu.

Bibliografie

[1] www.wikipedia.com

[2] V.Jafari Fesharaki, Majid Dehghani, J. Jafari Fesharaki, The Effect of Temperature on Photovoltaic Cell Efficiency, Proceedings of the 1st International Conference on Emerging Trends in Energy Conservation – ETEC Tehran, Tehran, Iran, 20-21 November 2011

[3] Jatin Narotam Sarvaiya, Bharath Seshadri, Temperature Dependent Photovoltaic (PV) Efficiency and Its Effect on PV Production in the World A Review Swapnil Dubey*, Energy Procedia 33 ( 2013 ) 311 – 321

[4] Photovoltaic Efficiency: Lesson 2, The Temperature Effect – Fundamentals Article

[5] Aleksandra Vasić-Milovanović, Increased Temperature and Radiation Damage Influence on Solar Cells Characteristics, University of Belgrade Faculty of Mechanical Engineering

[6] Matthew Muller, Measuring and Modeling Nominal Operating Cell Temperature, NREL Test & Evaluation,

[7] Solar radiation and ambient temperature effects on the performances of a PV pumping system, Revue des Energies Renouvelables Vol. 11 N°1 (2008) 95 – 106