Μια διεθνής ερευνητική ομάδα με επικεφαλής επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Strathclyde της Σκωτίας διεξήγαγε μια ενεργειακή, οικονομική και περιβαλλοντική ανάλυση των ηλιακών συλλεκτών BPVT, φωτοβολταικών, χρησιμοποιώντας πρόσκρουση πίδακα για ψύξη. Η ομάδα ανέπτυξε ένα αριθμητικό μοντέλο του συστήματος και κατασκεύασε μια πραγματική πειραματική εγκατάσταση για να το επικυρώσει. Πέτυχαν θερμική απόδοση 62,28%, ενώ η ηλεκτρική απόδοση κορυφώθηκε στο 11,22%.
«Αυτή η μελέτη εισάγει ανακλαστήρες διπλής λειτουργίας τζετ, σχεδιασμένους να παρέχουν ψύξη και να αυξάνουν την απορρόφηση φωτός στην πίσω πλευρά της μονάδας BPV», εξήγησε η ομάδα. «Εκτός αυτού, η χρήση της μονάδας διπλής όψης μπορεί να αυξήσει την ηλεκτρική απόδοση λόγω της ικανότητάς της να συλλαμβάνει το ηλιακό φως τόσο από την μπροστινή όσο και από την πίσω πλευρά. Αυτές οι μονάδες είναι πιο αποτελεσματικές στη σύλληψη της διάχυτης ακτινοβολίας (διάσπαρτο ηλιακό φως τις συννεφιασμένες μέρες), επιτρέποντάς τους να αποδίδουν καλύτερα σε μεταβλητές καιρικές συνθήκες από τις συμβατικές φωτοβολταϊκές μονάδες».
Το αριθμητικό μοντέλο της ομάδας δημιουργήθηκε στο MATLAB, χρησιμοποιώντας 1-D ροή θερμότητας σε σταθερή κατάσταση. Το μοντέλο υποθέτει ότι περιλαμβάνει ένα διπλό φωτοβολταϊκό πάνελ, μια μονωμένη πίσω πλάκα και μια πλάκα εκτόξευσης, με ένα κανάλι αέρα μεταξύ της πλάκας εκτόξευσης και του φωτοβολταϊκού και ένα άλλο μεταξύ της πίσω πλάκας και του πίδακα. Υπολογίζει τις θερμοκρασίες και την απόδοση χρησιμοποιώντας παράγοντες όπως ο ρυθμός ροής μάζας αέρα, η ηλιακή ακτινοβολία και τα αποτελέσματα ψύξης της πλάκας εκτόξευσης.
Για να επικυρώσει το μοντέλο, η ακαδημαϊκή ομάδα δημιούργησε μια πειραματική διάταξη. Χρησιμοποιεί ανακλαστήρα πλάκας εκτόξευσης 36 οπών, φωτοβολταϊκό πάνελ διπλής όψης 12 κυψελών και κανάλια ροής αέρα μήκους 0,025 μέτρων. Ο συντελεστής πλήρωσης, ή ο λόγος της επιφάνειας που καταλαμβάνουν οι ηλιακοί συλλέκτες προς τη συνολική επιφάνεια που είναι διαθέσιμη για εγκατάσταση, δοκιμάστηκε στα 0,22, 0,33 και 0,66, ενώ ο ρυθμός ροής μάζας αέρα ήταν στην περιοχή από 0,014 kg/s έως 0,035 kg/s.
Πως εισέρχεται ο αέρας
«Ο αέρας της γύρω περιοχής εισέρχεται αρχικά στο κάτω κανάλι πριν περάσει από τις οπές του ανακλαστήρα της πλάκας εκτόξευσης και εισέλθει στο πάνω κανάλι. Το κάτω μέρος του διπλού ηλιακού πάνελ χτυπιέται από αέρα που αναδύεται από το επάνω κανάλι. Το διπλό ηλιακό πάνελ και ο περιβάλλοντα αέρας ανταλλάσσουν θερμότητα», ανέφερε η ομάδα. «Στο πάνω μέρος του τμήματος δοκιμής, έξι σειρές 48 λαμπτήρων αλογόνου η καθεμία χρησιμεύει ως προσομοιωτές ηλιακών ειδών για να μιμούνται την ηλιακή ακτινοβολία, σύμφωνα με τις μετρήσεις του συλλέκτη. Κάθε λάμπα έχει ροή θερμότητας 500 W και έχει μήκος 118 mm.
Συγκρίνοντας τα αποτελέσματα της εγκατάστασης και του μοντέλου, το τελευταίο επικυρώθηκε με ποσοστά ακρίβειας 94,53% για τη θερμική απόδοση και 98,91% για την ηλεκτρική απόδοση. Η ομάδα μπόρεσε να εισάγει διαφορετικές μετρήσεις στο αριθμητικό μοντέλο, διαπιστώνοντας ότι τα συστήματα λειτουργούν εντός του εύρους θερμοκρασίας και ηλεκτρικής απόδοσης από 304,39 K έως 339,54 K και 9,39% έως 11,22%, αντίστοιχα.
«Αντίθετα, οι θερμικές αποδόσεις συσχετίζονται άμεσα με την ταχύτητα του αέρα και την ηλιακή ακτινοβολία. Η θερμική απόδοση του συστήματος και η θερμοκρασία του αέρα εξόδου κυμαίνονται από 33,86% έως 62,28% και 302,07 K έως 318,75 K, αντίστοιχα», πρόσθεσαν οι επιστήμονες. «Επιπλέον, η θερμοκρασία των φωτοβολταϊκών έχει αντίστροφη σχέση με τον ρυθμό ροής μάζας και άμεση σχέση με την ηλιακή ακτινοβολία. Από την άλλη πλευρά, υπάρχει μια αντίστροφη σχέση μεταξύ της ηλιακής ακτινοβολίας και του ρυθμού ροής μάζας και της ηλεκτρικής απόδοσης».
Οι ερευνητές διεξήγαγαν επίσης μια οικονομική και περιβαλλοντική ανάλυση του συστήματος. Υπέθεσαν διάρκεια ζωής 20 ετών για το BPVT, με οκτώ ώρες λειτουργίας την ημέρα.
«Σχετικά με την αναλογία κόστους-οφέλους (CBR), οι διακυμάνσεις κυμαίνονται από 0,1363 έως 9,3445, με μέσο όρο δύο», κατέληξαν. «Επιπλέον, με τη χρήση BPVT με πρόσκρουση τζετ για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας αντί για ορυκτά καύσιμα, είναι δυνατό να μειωθούν οι ετήσιες εκπομπές διοξειδίου του άνθρακα κατά περίπου 1,61 τόνους και να εξοικονομηθούν 93,51 MYR (21,31 $) ετησίως».
Παρουσίασαν τα αποτελέσματά τους στην «Ενεργειακή-οικονομική-περιβαλλοντική ανάλυση ηλιακού συλλέκτη φωτοβολταϊκού θερμικού (BPVT) διπλής όψης με πρόσκρουση πίδακα», που δημοσιεύτηκε πρόσφατα στο Case Studies in Thermal Engineering.
Η ερευνητική ομάδα περιελάμβανε επιστήμονες από το Πανεπιστήμιο Strathclyde της Σκωτίας, το Universiti Kebangsaan Malaysia της Μαλαισίας και το Universiti Teknologi PETRONAS. Περιλάμβανε επίσης ερευνητές από το κρατικό πανεπιστήμιο South Ural της Ρωσίας, το Ισλαμικό Πανεπιστήμιο Azad του Ιράν και τον Εθνικό Οργανισμό Έρευνας και Καινοτομίας της Ινδονησίας, το Πανεπιστήμιο Widyatama και το Universitas Singaperbangsa Karawang.
