Μια διεθνής ερευνητική ομάδα, υπό την ηγεσία του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, μελέτησε τη θερμική μοντελοποίηση των πλωτών φωτοβολταϊκών πάνελ φυσικής ψύξης μέσω συναγωγής (NCCL). Οι ερευνητές δημιούργησαν ένα νέο δισδιάστατο αριθμητικό μοντέλο πολλαπλών φυσικών πεδίων για την αξιολόγηση του συστήματος, χρησιμοποιώντας μεταβλητά πάχη καναλιών ψυκτικού και νανορευστά.
«Το NCCL είναι ένα παθητικό σύστημα ψύξης που απομακρύνει τη θερμότητα από το φωτοβολταϊκό πάνελ και τη μεταφέρει σε μια μεγάλη μάζα νερού, όπως μια λίμνη, ποτάμι ή φράγμα», εξήγησε η ομάδα. «Αποτελείται από τρία κύρια στοιχεία: το θερμικό νεροχύτη στη βάση του βρόχου, που είναι βυθισμένος στη μάζα νερού· το φωτοβολταϊκό πάνελ, μήκους 0,75 μ., που βρίσκεται πάνω από το θερμικό νεροχύτη και λαμβάνει την ηλιακή ενέργεια· και μια δεξαμενή ψυκτικού στην κορυφή».
Το σύστημα NCCL έχει μήκος 1 μέτρο και ύψος 1,2 μέτρα, χρησιμοποιεί σωλήνες 20 mm και χάλκινα πλαίσια πάχους 1 mm. Μια δεξαμενή μήκους 20 cm και ύψους 40 cm βρίσκεται 75 cm πάνω από το φωτοβολταϊκό πάνελ. Δύο φίλτρα ακτινοβολίας πάχους 2 mm βρίσκονται εκατέρωθεν του καναλιού ψύξης, το οποίο έχει μεταβαλλόμενο πάχος (1 mm, 2 mm, 5 mm, 10 mm ή 20 mm).
Ένα φωτοβολταϊκό πάνελ κατασκευασμένο από σκληρυμένο γυαλί, ένα στρώμα αιθυλενο-βινυλο-οξικού (EVA), μια φωτοβολταϊκή κυψέλη σιλικόνης, ένα δεύτερο στρώμα EVA και ένα στρώμα πολυβινυλοφθοριδίου (PVF) είναι τοποθετημένο κάτω από το σύστημα. Η απόδοση του πάνελ, χωρίς ψύξη, μετρήθηκε στο 14,98%. Οι ερευνητές προσομοίωσαν τα υγρά της δεξαμενής χρησιμοποιώντας καθαρό νερό ή νανορευστό νερού-αργύρου (Ag) με συγκέντρωση 5,3 ppm.
«Η δεξαμενή αυτή δέχεται το θερμαινόμενο, χαμηλότερης πυκνότητας νερό από το ηλιακό πάνελ που βρίσκεται από κάτω της, και αυτή η κίνηση του ρευστού ωθεί το νερό από τη δεξαμενή προς το θερμικό νεροχύτη στη βάση του βρόχου, απορρίπτοντας τη θερμική ενέργεια από τον βρόχο στη μάζα του νερού στην οποία πλέει το φωτοβολταϊκό σύστημα», εξήγησε η ομάδα.
### Ηλεκτρική Απόδοση
Οι επιστήμονες δημιούργησαν ένα αριθμητικό μοντέλο για να περιγράψουν το σύστημα, ενσωματώνοντας συναγωγή θερμότητας, αγωγιμότητα, επιδράσεις ακτινοβολίας, καθώς και εξισώσεις ροής ρευστού και μεταφοράς θερμότητας. Δοκίμασαν το μοντέλο με πειραματικά αποτελέσματα, βρίσκοντας μέση απόκλιση 8,3%. Το μοντέλο ελέγχθηκε περαιτέρω υπό συνθήκες 24 και 8 ωρών στη Μπαντούνγκ της Ινδονησίας. Η αρχική θερμοκρασία ορίστηκε ομοιόμορφα στους 298,15 Κ (25°C) σε όλο το πεδίο λύσης, σύμφωνα με τις πρότυπες συνθήκες δοκιμών (STC).
«Οι μεταβολές στο πάχος του καναλιού ψύξης εντός του φίλτρου ακτινοβολίας πάνω από το φωτοβολταϊκό πάνελ αποκαλύπτουν ότι η αύξηση του πάχους του καναλιού αυξάνει τη ροή του ψυκτικού μέσω άνωσης, γεγονός που οδηγεί σε χαμηλότερες θερμοκρασίες λειτουργίας», ανέφεραν οι ερευνητές. «Καθώς αυξάνεται το πάχος του καναλιού ψύξης, η αύξηση της ροής του ψυκτικού επιβραδύνεται. Η αύξηση του πάχους του καναλιού ψύξης επίσης ενισχύει την απορρόφηση της ηλιακής ακτινοβολίας, μειώνοντας περαιτέρω τις θερμοκρασίες των φωτοβολταϊκών κυψελών, αλλά εις βάρος της μείωσης της διαθέσιμης ακτινοβολίας για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας».
Χρησιμοποιώντας καθαρό νερό στη δεξαμενή, το σύστημα πέτυχε τη μέγιστη απόδοσή του, 15,45%, με πάχος καναλιού ψύξης 2 mm και τη χαμηλότερη απόδοσή του, 14,48%, στα 20 mm. Με νανορευστό Ag-water 5,3 ppm, η απόδοση έφτασε στο μέγιστο 15,08% στα 1 mm και μειώθηκε στο 11,85% στα 20 mm.
«Αν και το νανορευστό Ag-water οδηγεί σε χαμηλότερη θερμοκρασία, η διαφορά στις αποδόσεις οφείλεται στη μεγαλύτερη διαπερατότητα του καθαρού νερού στο χρήσιμο εύρος μήκους κύματος της κρυσταλλικής φωτοβολταϊκής κυψέλης σιλικόνης (325 nm έως 1125 nm), ενώ το νανορευστό Ag-water απορροφά περισσότερο στο εύρος 340 nm - 510 nm», ανέφεραν οι ερευνητές. «Επομένως, η μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας από μόνη της δεν εγγυάται υψηλότερη απόδοση, καθώς η διαπερατότητα του ψυκτικού υγρού στο χρήσιμο φάσμα μήκους κύματος παίζει επίσης κρίσιμο ρόλο».
Παρουσίασαν τα αποτελέσματά τους στην εργασία «Βελτίωση απόδοσης πλωτών φωτοβολταϊκών πάνελ με βρόχους φυσικής ψύξης: Θερμική μοντελοποίηση πολλαπλών φυσικών πεδίων», που δημοσιεύθηκε πρόσφατα στο *Solar Energy*. Εκτός από τους επιστήμονες του Πανεπιστημίου του Μάντσεστερ, η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε ακαδημαϊκούς από το Politeknik Negeri Semarang στην Ινδονησία, το Guangdong Technion-Israel Institute of Technology στην Κίνα και το Πανεπιστήμιο Khalifa στα Ηνωμένα Αραβικά Εμιράτα.
