Annual analysis of the performance of a PV module with a cooling system

• Autorzy: Janowicz Weronika , Woźniak Angelika , Mika Hanna , Pomorski Michał

Identyfikatory

DOI

10.36119/15.2023.9.3

Warianty tytułu

PL

Całoroczna analiza pracy modułu fotowoltaicznego z systemem chłodzenia

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents an analysis of the influence of weather conditions on the temperature of PV cells and the impact of that change of temperature on energy conversion’s efficiency and electrical energy generation. This paper also shows an analysis of performance of PV modules with a cooling system and the energetical benefits of usage of such systems. The analysis of cooling PV modules by extended finned heat exchange surface on the module’s back side and air-flow based cooling system is presented. The analyzed modules’ parameters are as follows: power of 410 W, efficiency in Standard Test Conditions of 21.5%, temperature coefficient of power of - 0.34%/ºC for one module and - 0.5%/ºC for second analyzed module. The weather conditions are based on data provided by a meteorological station in Wroclaw. It was established that the maximum temperature of PV cell without cooling equaled 57ºC, maximum efficiency equaled 24.4% and minimum efficiency 19.2% for module with temperature coefficient of - 0.34%/ºC, however for the module with temperature coefficient of - 0.5%/ºC those efficiencies vary from 25.8% to 18.1%. Extended heat exchange surface as a cooling system on the back side of the module decreases the maximum cell temperature to 35.2ºC (at a ribbing degree of 10). Relative increase of generated electricity was calculated as 3.1% for module with temperature coefficient of - 0.34%/ºC and 4.6% for module with temperature coefficient of - 0.5%/ºC. Air-flow based cooling system of the back side of a module decreases the maximum cell temperature to 41.2ºC (at a heat transfer coefficient of 50 W/m²K). Relative increase of generated was calculated as 2.1% for module with temperature coefficient of - 0.34%/ºC and 3.1% for module with temperature coefficient of - 0.5%/ºC. Calculated relative increase of generated energy applies to only one year of module’s functioning. It is significant that cooling PV modules has an impact on decreasing the amplitude of change of PV cell temperature which causes a decrease in thermal loads. It results in prolonged life span of such module, what suggests that generated power of a cooled module in its whole life could be significantly larger.

PL

W pracy przeanalizowano wpływ warunków atmosferycznych na temperaturę ogniwa PV oraz wpływ jej zmiany na sprawność konwersji energii i generację energii elektrycznej. Analizie poddano również pracę modułów PV z systemem chłodzenia oraz oceniono efekty energetyczne wynikające z zastosowania takich systemów. Uwzględniono chłodzenie przy pomocy rozwinięcia powierzchni wymiany ciepła na dolnej powierzchni modułu oraz powietrznego systemu chłodzenia dolnej powierzchni modułu. Analizie, na podstawie danych meteorologicznych dla stacji meteorologicznej we Wrocławiu, poddano moduł o mocy 410 W, sprawności w warunkach STC wynoszącej 21,5% oraz dwóch wartościach współczynnika temperaturowego mocy wynoszących - 0,34%/ºC oraz - 0,5%/ºC. Oceniono, że maksymalna temperatura jaką osiąga ogniwo bez chłodzenia wynosi 57ºC, a maksymalna i minimalna sprawność modułu wynosi odpowiednio 24,4% i 19,2% dla modułu o współczynniku temperaturowym mocy wynoszącym - 0,34%/ºC oraz 25,8% i 18,1% dla modułu o współczynniku - 0,5%/ºC. Zastosowanie chłodzenia przy pomocy ożebrowania dolnej powierzchni modułu pozwala na obniżenie maksymalnej temperatury ogniwa do 35,2ºC (przy stopniu ożebrowania wynoszącym 10) i względny przyrost generacji energii elektrycznej wynoszący 3,1% dla modułu o współczynniku temperaturowym - 0,34%/ºC i 4,6% dla modułu o współczynniku temperaturowym - 0,5%/ºC. Zastosowanie chłodzenia powietrznego dolnej powierzchni modułu pozwala na obniżenie maksymalnej temperatury ogniwa do 41,2ºC (przy współczynniku przejmowania ciepła z dolnej powierzchni wynoszącym 50 W/m²K) i względny przyrost generacji energii elektrycznej wynoszący 2,1% dla modułu o współczynniku temperaturowym - 0,34%/ºC i 3,1% dla modułu o współczynniku temperaturowym - 0,5%/ºC. Określone przyrosty ilości generowanej energii dotyczą tylko jednego roku eksploatacji. Należy mieć na uwadze, że chłodzenie modułów przyczynia się do zmniejszenia amplitudy wahań temperatury ogniwa, a tym samym zmniejszenia obciążeń termicznych. Powoduje to zwiększenie czasu pracy takiego modułu, a ilość wygenerowanej energii przy wykorzystaniu modułu chłodzonego w ciągu całego cyklu życia może być znacznie większa.

Słowa kluczowe

EN

photovoltaic module; cooling systems for PV modules; finned surface; air-flow based cooling system

PL

moduł fotowoltaiczny; chłodzenie modułu; ożebrowanie powierzchni; chłodzenie powietrzne

• Wydawca: Ośrodek Informacji "Technika instalacyjna w budownictwie''
• Czasopismo: Instal
• Rocznik: 2023
• Tom: nr 9
• Strony: 32--37
• Opis fizyczny: Bibliogr. 9 poz., rys., wzory

Twórcy

autor

Janowicz Weronika

• Faculty of Mechanical and Power Engineering, Wroclaw University of Science and Technology

autor

Woźniak Angelika

• Faculty of Mechanical and Power Engineering, Wroclaw University of Science and Technology

autor

Mika Hanna

• Faculty of Mechanical and Power Engineering, Wroclaw University of Science and Technology

autor

Pomorski Michał

• Department of Thermodynamics and Renewable Energy Sources, Faculty of Mechanical and Power Engineering, Wroclaw University of Science and Technology

• https://orcid.org/0000-0003-4939-1017

Bibliografia

• [1] Informacja statystyczna o energii elektrycznej, Biuletyny miesięczne Agencji Rynku Energii S.A., grudzień 2022, maj 2023
• [2] Dwivedi P., Sudhakar K., Soni A., Solomin E., Kirpichnikova I., Advanced cooling techniques of PV, modules: A state of art, Case Studies in Thermal Engineering, Volume 21, October 2020, doi.org/10.1016/j.csite.2020.100674
• [3] Janowicz W., Mika H., Woźniak A., Pomorski M., Wpływ warunków atmosferycznych na pracę modułów fotowoltaicznych, Instal (Warszawa), 2023, nr 3, s. 16-22, DOI 10.36119/15.2023.3.2
• [4] Marszałek K., Dyndał K., Lewińska G., Fotowoltaika, AGH, 2021
• [5] de Oliveira Santos L., de Carvalho P. C. M., de Oliveira Carvalho Filho, Photovoltaic Cell Operating Temperature Models: A Review of Correlations and Parameters, IEEE Journal of Photovoltaics, vol. 12, no. 1, pp. 179-190, 2022, doi: 10.1109/JPHOTOV.2021.3113156.
• [6] https://www.gov.pl/web/archiwum-inwestycje-rozwoj/dane-do-obliczen-energetycznych-budynkow
• [7] Sayed K., Abdel-Salam M., Ahmed M., Ahmed A.A, Electro-Thermal Modeling of Solar Photovoltaic Arrays, Proceeding of the ASME 2011 International Mechanical Engineering Congress & Exposition IMECE2011, November 11-17, 2011, Denver, Colorado, USA
• [8] Kostowski E., Zbiór zadań z przepływu ciepła, wydanie szóste, zmienione, Wydawnictwo Politechniki Śląskiej, Gliwice 1996
• [9] Sharaf M., Jousef M.S., Huzayyin A.S., Review of cooling techniques used to enhance the efficiency of photovoltaic power systems, Environmental Science and Pollution Research, 29, 26131-26159 (2022), doi.org/10.1007/s11356-022-18719-9

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa nr SONP/SP/546092/2022 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2024).