Einleitung
Die Effizienz von Photovoltaikmodulen (PV-Modulen) kann stark von deren Temperatur beeinflusst werden. Ein Forschungsprojekt, das von Wissenschaftlern der Northeast Electric Power University in China geleitet wurde, untersucht die Auswirkungen von Rahmenperforationen auf die Temperaturreduktion von PV-Modulen mittels passiver Luftkühlung. Diese Studie hebt sich durch eine umfassende Bewertung der Effekte von Rahmenperforationen auf die Kühlleistung, das thermische Management und die elektrische Leistung von PV-Modulen hervor.
Forschungsmethodik
Das Forschungsteam führte Untersuchungen zu 17 verschiedenen Rahmenperforationsdesigns durch, wobei sie dreidimensionale computergestützte Strömungsanalysen (CFD) einsetzten. Diese Simulationen basierten auf einem monokristallinen Silizium-PV-Modul mit den Abmessungen 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. Der Rahmen bestand aus einer Aluminiumlegierung (2,5 mm dick), einer Glasschicht (3,2 mm), einer Schicht aus Ethylen-Vinylacetat (EVA, 0,5 mm), einer PV-Zelle (0,6 mm) und einer Rückwand (0,7 mm).
Der Simulationsbereich hatte die Form eines Würfels mit einer Seitenlänge von 0,8 m und einer Installationshöhe von 0,4 m. Die Windgeschwindigkeit am Einlass wurde auf 6,0 m/s eingestellt. Sowohl die windzugewandte als auch die windabgewandte Seite des Moduls betrugen 52,8 cm, während die linken und rechten Seiten 32 cm massen. Die eingestrahlte Solarenergie betrug 900 W/m².
Experimentelle Validierung
Um ihr Modell zu validieren, errichteten die Forscher eine experimentelle Anlage, in der ein kleineres monokristallines Silizium-PV-Modul mit den Massen 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm Verwendung fand. Das Modul hatte eine Nennleistung von 10 W und wurde unter einem Neigungswinkel von 50° installiert. Die Experimente fanden in der Stadt Jilin, Zentralkina, statt, und die Ergebnisse wurden mit einem separaten Simulationsmodell verglichen. Die Analysen zeigten eine durchschnittliche Temperaturschwankung zwischen den simulierten und gemessenen Werten von lediglich 0,2267 °C, wobei die maximale Abweichung an einem einzelnen Punkt 0,4 °C betrug.
Optimierung des Neigungswinkels
Nach der Validierung des CFD-Modells optimierte das Team den Neigungswinkel für die passive Kühlung und stellte fest, dass 11° der effektivste Winkel war. Alle nachfolgenden Simulationen der Perforationsfälle wurden unter diesem Neigungswinkel durchgeführt. Die 17 Perforationsdesigns wurden in vier Kategorien unterteilt, je nach Anzahl der perforierten Rahmenseiten: Ein-Seiten-, Zwei-Seiten-, Drei-Seiten- und Vier-Seiten-Perforationen.
Analyse der Perforationsdesigns
Jedes Design wies entweder runde oder rechteckige Perforationen auf. Bei den Modulen mit windzugewandten und windabgewandten Perforationen hatten die runden Löcher einen Durchmesser von 3 mm und waren 58,68 mm voneinander entfernt; die Löcher auf den linken und rechten Seiten hatten ebenfalls einen Durchmesser von 3 mm, aber einen Abstand von 64 mm. Rechteckige Perforationen massen 4 mm × 100 mm mit einem Abstand von 107 mm und 5 mm × 70 mm mit 60 mm Abstand, je nach Seite.
Ergebnisse und Erkenntnisse
Die Forscher berichteten, dass das Design „Fall 2“ – mit acht runden Löchern von 3,0 mm Durchmesser auf der windzugewandten Seite – die niedrigste durchschnittliche Modultemperatur (39,37 °C), die niedrigste maximale Temperatur (42,63 °C), die gleichmässigste Oberflächentemperaturverteilung, die höchste Ausgangsleistung (24,18 W) und die beste photoelektrische Wirkungsgrad (15,9%) erzielte.
In Bezug auf die durchschnittliche Temperatur der PV-Module schnitt eine Mehrheit, nämlich 13 der bewerteten Perforationsdesigns, besser ab als das nicht perforierte Design (Fall 1). Im Vergleich zum nicht perforierten Modul reduzierte das Design von Fall 2 die Modultemperatur um 5,44 °C. Unter Windstillbedingungen sank die Durchschnittstemperatur des perforierten Rahmens um 37,8 °C, während die photoelektrische Umwandlungseffizienz um 2,89% stieg.
Schlussfolgerung
Obwohl die Studie viele positive Ergebnisse lieferte, stellte das Forschungsteam fest, dass nur drei Perforationsdesigns – Fall 3, 7 und 8 – im Vergleich zum nicht perforierten Modul schlechter abschnitten. Fall 3 wies runde Löcher auf der windabgewandten Seite auf, Fall 7 hatte rechteckige Löcher auf der windabgewandten Seite, und Fall 8 hatte rechteckige Löcher auf der linken Seite. Die Forscher schlussfolgerten: „Entgegen der verbreiteten Annahme sorgt das Bohren von mehr Löchern in den Rahmen nicht zwangsläufig für eine verbesserte Kühlleistung der PV-Module.“
Die Ergebnisse dieser Untersuchung wurden in der Publikation „Effect evaluation of frame perforation on reducing photovoltaic panel temperature with passive air cooling“ veröffentlicht, die in Case Studies in Thermal Engineering zu finden ist. An der Studie waren auch Forscher des Shengu-Gruppe und der Universität für Wissenschaft und Technologie von China beteiligt.
