Sistema di gestione termica delle celle solari
Lo sviluppo e l’utilizzo di nuove tecnologie hanno accelerato il processo di sfruttamento eccessivo delle risorse naturali. L’eccessivo utilizzo delle risorse naturali ha peggiorato problemi ambientali come l’effetto serra e l’assottigliamento dello strato di ozono, non solo influenzando l’ambiente di vita delle generazioni future, ma causando anche un forte calo delle risorse disponibili, ostacolando seriamente l’innovazione e lo sviluppo della tecnologia industriale. Negli ultimi anni, le celle solari si stanno rapidamente sviluppando verso un'elevata densità di flusso termico e prestazioni elevate. L'aumento della temperatura delle celle solari in condizioni di elevata intensità luminosa e corrente elevata porta ad una diminuzione delle loro prestazioni fotoelettriche e ad una durata di servizio ridotta. È necessario un efficiente sistema di gestione termica per garantire la sicurezza e la stabilità della batteria.
Attualmente, l'efficienza di conversione in laboratorio delle celle solari concentrate ha raggiunto il 47,1%, mentre le popolari celle in silicio monocristallino sul mercato hanno un'efficienza di conversione solo del 26,7%. Fattori come il tipo di modulo, le perdite elettriche e l’ambiente di lavoro hanno sempre limitato il miglioramento dell’efficienza del sistema di generazione di energia fotovoltaica. Tra questi, l'effetto della temperatura è il fattore chiave che influenza le prestazioni delle celle fotovoltaiche. La potenza di uscita e l'efficienza di conversione energetica del sistema diminuiscono notevolmente con l'aumento della temperatura di esercizio delle celle fotovoltaiche. Le statistiche della ricerca mostrano che per ogni aumento di 1 grado della temperatura di funzionamento delle celle solari, l'efficienza di conversione diminuisce del 0,4%~0,5%. Sebbene l’effetto della temperatura dei diversi tipi di celle solari vari, potrebbe comunque ostacolare lo sviluppo della tecnologia e dei materiali delle celle solari per migliorarne l’efficienza.
La ricerca sul raffreddamento delle celle solari consiste in una serie di soluzioni sviluppate dai ricercatori per affrontare l’intensità della luce irregolare e l’elevata densità del flusso di calore che portano a temperature irregolari della batteria, surriscaldamento locale e aumento della temperatura media all’aumentare del rapporto di concentrazione. Con il miglioramento della tecnologia e della domanda di dissipazione del calore, la tecnologia di gestione termica delle celle solari è divisa in raffreddamento tradizionale (raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido) e nuove tecnologie di raffreddamento come il raffreddamento a microcanali, il raffreddamento a getto d'urto e il raffreddamento del materiale a cambiamento di fase.
La tecnologia di raffreddamento ad aria riduce la temperatura di funzionamento delle celle solari consentendo all'aria di fluire attraverso il modulo di raffreddamento attraverso la convezione naturale o forzata. Cuce et al. installare dissipatori di calore con alette in alluminio sul retro delle celle solari, che possono aumentare la potenza di uscita delle celle del 13%. La temperatura delle celle solari è ridotta rispettivamente del 5,4% e dell'11% in condizioni di convezione autoriscaldante e convezione forzata, e la potenza di uscita è aumentata rispettivamente dell'8% e del 16%, Bayrak et al. ottenuto attraverso misurazioni esterne che il raffreddamento delle alette può controllare la batteria entro l'intervallo di temperatura consentito.
Il raffreddamento a liquido si riferisce al trasferimento tempestivo del calore generato dalle celle solari al mondo esterno attraverso fluidi di lavoro liquidi. Zilli et al. hanno utilizzato sistemi di ugelli raffreddati ad acqua ad alti livelli di irraggiamento, con conseguente aumento relativo della potenza e dell'efficienza delle celle in silicio policristallino del 12,26% e del 12,17%. Il metodo di raffreddamento ottimale consiste nel raffreddare simultaneamente le superfici anteriore e posteriore delle celle e l'efficienza di conversione e la potenza di uscita delle celle solari possono essere migliorate rispettivamente al 40,572% e 20,083 W. Rispetto al raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido ha una forte capacità di trasferimento del calore e ha un effetto significativo sul miglioramento delle prestazioni delle celle solari.
Attualmente, la tecnologia dei tubi di calore è coinvolta negli schemi di raffreddamento del controllo termico aerospaziale, nei chip di computer e server e nei dispositivi elettronici ad alta potenza. Come nuovo tipo di metodo di raffreddamento, la tecnologia dei tubi di calore viene gradualmente prestata attenzione nel campo delle applicazioni di raffreddamento delle celle solari. Secondo diversi principi operativi, i tubi di calore possono essere suddivisi in tre tipi: tubi di calore a gravità, tubi di calore ad anello e tubi di calore pulsanti. Le applicazioni di raffreddamento sono complesse e diverse e anche la struttura dei tubi di calore non è coerente, ha le caratteristiche di capacità di trasferimento del calore e forte uniformità della temperatura.
Le celle solari si stanno rapidamente sviluppando verso densità di flusso di calore e prestazioni elevate, ponendo grandi sfide ai loro sistemi di gestione termica. Confrontando e analizzando le tecnologie di raffreddamento tradizionali (raffreddamento ad aria, raffreddamento a liquido) e le nuove tecnologie di raffreddamento (raffreddamento a microcanali, raffreddamento a getto d'urto, ecc.), si può scoprire che le nuove tecnologie di raffreddamento possono migliorare efficacemente l'efficienza termoelettrica delle batterie migliorando il trasferimento di calore. , aumentando l'area di dissipazione del calore e aumentando la portata del fluido di lavoro. Tuttavia, l’apparecchiatura è complessa e il costo è superiore rispetto alle tradizionali tecnologie di raffreddamento
L’accoppiamento reciproco tra tecnologie di raffreddamento come il raffreddamento ad aria, il raffreddamento a liquido, i microcanali e i tubi di calore può migliorare ulteriormente l’efficienza di dissipazione del calore delle celle solari ed è anche la direzione di sviluppo di sistemi avanzati di gestione termica.
