СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ОХЛАЖДЕНИЯ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ Российский патент 2024 года по МПК H02S40/42 

Изобретение относится к области солнечной энергетики, а именно к способу и устройству охлаждения фотоэлектрических модулей (ФЭМ).

Технический результат: Повышение энергетической эффективности процесса охлаждения фотоэлектрического модуля

Известна Многоцелевая солнечная батарея (Пат. Россия, RU 2164722С2, H01L 31/058), содержащая матрицу фотоэлектрических преобразователей (ФЭП), преобразующих солнечную энергию в электрическую и тепловую, устройство для передачи энергии от ФЭП к внешним потребителям, отличающаяся тем, что батарея выполнена многомодульной, ФЭП каждого модуля размещены на несущей подложке, имеющей каналы для хладагента, а модули закреплены и загерметизированы в общих силовых подводящем и отводящем коллекторах, каждый из которых выполнен в виде двух профилей уголкового вида, жестко соединенных между собой, при этом установлены упругие уплотнения по периметру модулей в месте их стыка с коллекторами, наборные вкладыши для поджатая уплотнений в боковом направлении, покрываемые герметиком, обеспечивающие герметизацию модулей по месту их стыка с коллекторами и тепловые перемещения модулей в боковом направлении, ограничители перемещения модулей в продольном направлении, имеющие зазор с модулями и обеспечивающие тепловое перемещение модулей в продольном направлении.

Недостатки объекта-аналога: поскольку хладагент не воздействует на ФЭМ непосредственно (осуществляется охлаждение несущей подложки с каналами для протекания хладагента), то эффективность применяющегося способа охлаждения недостаточна, а наличие подложки с каналами для протекания хладагента, общих силовых коллекторов, герметизация стыков модулей с коллекторами, наличие наборных вкладышей для поджатия в боковом направлении, упругих уплотнений по периметру модулей в местах их стыка с коллекторами усложняют конструкцию устройства охлаждения.

Известна также Солнечная панель с устройством охлаждения (Китай, CN209659240 H02S 40/42). Полезная модель раскрывает устройство для распыления охлаждающей воды. Устройство содержит наклонно расположенную солнечную панель, кронштейн для поддержки солнечной панели, охлаждающее устройство, расположенное на нижней стороне панели солнечных элементов.

Охлаждающее устройство содержит трубопровод для подачи воды под давлением, и множество распылительных форсунок, соединенных с боковой поверхностью трубопровода для подачи воды под давлением. Угол наклона между распылительной насадкой и землей больше, чем угол наклона между солнечной панелью и землей.

Недостатком описанного способа охлаждения является то, что при распылении хладагента снизу вверх требуется повышенная мощность, а также сложность установки оптимального угла наклона распылительной насадки, что затрудняет автоматизацию процесса охлаждения солнечного модуля.

Наиболее близким решением, принятым за прототип, является Система охлаждения солнечной панели (Пат. Китай, CN106385234 H02S 40/42, H02S 40/44).

Система охлаждения солнечной панели содержит нижнюю пластину из закаленного стекла, камеру охлаждения, солнечную панель, и верхнюю пластину из закаленного стекла, которая покрывает поверхность солнечной панели.

Недостатком данной системы является то, что охлаждение фотоэлектрического модуля осуществляется косвенно, через камеру охлаждения (отсутствие непосредственного контакта хладагента с ФЭМ), что увеличивает затраты энергии на осуществление процесса охлаждения и приводит к усложнению конструкции устройства.

Кроме того, способ охлаждения построен на учете только лишь температуры камеры охлаждения и выходного напряжения ФЭМ. Температура самого ФЭМ, температура окружающей среды, радиация, скорость ветра, сила тока нагрузки не учитываются, что ухудшает показатели процесса охлаждения.

Сущность изобретения заключается в следующем:

Предлагаемые способ и устройство охлаждения фотоэлектрических модулей обеспечивают повышение энергоэффективности процесса охлаждения фотоэлектрических модулей благодаря регулированию производительности насоса, подающего хладагент, с учетом температуры самого ФЭМ, температуры окружающей среды, радиации, скорости ветра и силы тока нагрузки

Предлагаются Способ и устройство активного водяного охлаждения ФЭМ, в котором управление насосом осуществляется через сигнал, обнаруженный от датчика напряжения и датчика температуры, отличающиеся тем, что для управления также используются сигналы, обнаруженные датчиком тока, датчиком солнечной радиации, датчиком скорости ветра и датчиками температуры тыльной стороны ФЭМ и температуры окружающей среды

Предлагаемое изобретение позволяет осуществить способ охлаждения ФЭМ с учетом радиации; температуры модуля и заданной температуры; мощности, отдаваемой нагрузке; скорости ветра.

Суть способа охлаждения ФЭМ состоит в регулировании производительности насоса, определяемой по формуле:

,

где m - масса воды, кг

t - интервал времени, с

Q_{инсоляции} - количество энергии, поступающей на поверхность фотоэлектрического модуля в единицу времени с учетом отражения части излучения от поверхности модуля, Вт

U- выходное напряжение фотоэлектрического модуля, В

I - ток нагрузки, А

S - площадь фотоэлектрического модуля, м²

р - плотность воздуха, кг/м³

ν - скорость ветра, м/с

С - удельная теплоемкость воды,

- температура тыльной стороны модуля, °С

- заданная температура модуля, °С

- производительность насоса

Рекомендуется:

Обоснованием предложенного способа (1) является уравнение теплового баланса:

Количество энергии, поступающей в модуль за счет солнечной радиации в единицу времени с учетом отражения части излучения от поверхности модуля (Вт):

где k_отр - коэффициент отражения от поверхности модуля

I_n- инсоляция, Вт/м²

S - площадь модуля, м²

Уравнение теплового баланса

Q_{инсоляции} - количество энергии, поступающей на поверхность фотоэлектрического модуля в единицу времени с учетом отражения части излучения от поверхности модуля, Вт.

Q_{нагрева модуля} - количество энергии в единицу времени, вызывающее нагрев фотоэлектрического модуля (Вт).

Система активного водяного охлаждения должна компенсировать нагрев модуля свыше заданной температуры

Q_{потока воды}=Q_{нагрева модуля}

Мощность потока охлаждающей воды будет определяться как:

Где С - удельная теплоемкость воды

m - масса воды

t - интервал времени

- температура тыльной стороны модуля

- производительность насоса

Рекомендуется задавать:

Устройство охлаждения (Фиг. 1) работает на основе предложенного способа.

От фотоэлектрического модуля (ФЭМ) 1, через клеммную коробку 2 поступают данные о токе и напряжении в контроллер 3, которым осуществляется управление процессом активного охлаждения ФЭМ. Для измерения температуры окружающей среды установлен цифровой датчик температуры 4, для измерения температуры ФЭМ на его тыльной стороне установлен цифровой датчик температуры 5. Для измерения уровня инсоляции установлен кремниевый фотоприемник 6, установленный под таким же углом, как и ФЭМ. Для учета влияния скорости ветра установлен анемометр 7. Данные, полученные от датчиков, также поступают в контроллер. Контроллер обрабатывает полученные данные по приведенной в способе формуле и задает управляющий сигнал на частотно управляемый насос 8. Распыление охлаждающей воды осуществляется через гребенку с форсунками 9, расположенную на верхней стороне ФЭМ. Также в устройстве предусмотрены впускная труба с ручным переключателем 10, расходомер 11 для учета расхода охлаждающей жидкости, и резервуар 12 для сбора отработанной воды. Фотоэлектрический модуль закреплен на стойках 13. Пример конкретного осуществления изобретения

Проведен эксперимент по оценке эффективности водяного охлаждения фотоэлектрического модуля в натурных условиях г. Астрахани. В эксперименте использован фотоэлектрический модуль Pramac-125. Эксперимент проводился 2-го сентября 2022 г.

Были использованы следующие электроизмерительные приборы: мультиметр "RIGOL DM3061" в качестве амперметра и мультиметр Mastech MY61 в качестве вольтметра. В качестве электрической нагрузки использовался реостат ползунковый РПШ-5 с роликовыми контактами на 5 А с диапазоном изменения сопротивления (0-30) Ом.

Номинальные электрические параметры модуля Pramac-125, определенные при стандартных условиях испытаний (температура модуля t=25°С, инсоляция In=1000 Вт/м²), приведены в паспорте. Поскольку реальные условия, как правило, отличаются от стандартных в начале эксперимента была снята фактическая вольтамперная характеристика модуля Pramac -125. При инсоляции 854 Вт/м² и температуре тыльной стороны модуля, равной +54,45°С напряжение холостого хода составило 60,5 В, в точке максимальной мощности напряжение было равно 46 В, а сила тока - 1,8489 А. Сопротивление нагрузочного реостата в точке максимальной мощности составило 24, 88 Ом. В дальнейшем нагрузка не регулировалась.

Далее эксперимент выполнялся с применением разработанной авторами системы охлаждения в период с Пчасов 20 минут до 12 часов 23 минут (2-го сентября 2022 г). На фиг.2 приведены зависимости температуры окружающей среды и температуры модуля.

Согласно фиг.2 после включения системы водяного охлаждения наблюдается плавное снижение температуры модуля от 54°С до 31°С. Удалось понизить температуру модуля на 22°С.

На фиг.3, фиг.4, фиг.5 показано, что осуществленное в настоящем эксперименте водяное охлаждение позволяет добиться повышения выходного напряжения, силы тока и вырабатываемой мощности.

Таким образом, охлаждение позволило повысить напряжение на выходе модуля с 46 В до 49,5 В.

Охлаждение позволило повысить силу тока на выходе модуля с 1,8672 А до 2,044А. Соответственно, возрастает выходная мощность P₂=U*I (Вт)

Благодаря охлаждению выходная мощность возросла с 85,89 Вт до 101,3 Вт, то есть на 18%. Это существенный результат. Для солнечных электростанций средней и большой мощности в случае использования водяного охлаждения можно добиться существенного приращения абсолютных значений выработки электроэнергии.

При этом следует отметить, что в процессе эксперимента инсоляция изменялась незначительно

Таким образом предлагаемый объект позволяет улучшить управление процессом водяного охлаждения фотоэлектрических модулей, а именно: обеспечить регулирование производительности насоса, подающего хладагент с учетом температуры самого ФЭМ, температуры окружающей среды, радиации, скорости ветра и силы тока нагрузки. В известных решениях (прототип) производительность насоса сохраняется неизменной, осуществляется лишь автоматическое включение и выключение насоса. Поскольку в предлагаемом объекте производительность насоса не остается постоянной, а регулируется сообразно ряду факторов (температура самого ФЭМ, температура окружающей среды, радиация, скорость ветра и сила тока нагрузки), то электропотребление насоса будет сокращаться, следовательно, повысится энергоэффективность процесса охлаждения фотоэлектрического модуля.

Изобретение относится к области солнечной энергетики, а именно к способу и устройству охлаждения фотоэлектрических модулей (ФЭМ). Технический результат - повышение энергетической эффективности процесса охлаждения фотоэлектрического модуля. Сущность: управление насосом осуществляется с учетом ряда факторов: температуры самого фотоэлектрического модуля, температуры окружающей среды, радиации, скорости ветра и силы тока нагрузки. Устройство содержит контроллер, датчик тока, датчик солнечной радиации, датчик скорости ветра и частотно-управляемый насос. Один из датчиков температуры плотно закреплен на тыльной стороне ФЭМ, а другой размещен в тени ФЭМ. Контроллер обрабатывает данные датчиков по формуле для производительности насоса и задает управляющий сигнал на частотно-управляемый насос. 2 н.п. ф-лы. 5 ил.

1. Способ активного водяного охлаждения фотоэлектрического модуля, в котором управление насосом осуществляется через сигнал, обнаруженный от датчика напряжения и датчика температуры, отличающийся тем, что для управления также используются сигналы, обнаруженные датчиком тока, датчиком солнечной радиации, датчиком скорости ветра и датчиками температуры тыльной стороны ФЭМ и температуры окружающей среды, и в котором производительность насоса регулируется по формуле:

где m - масса воды, кг,

t - интервал времени, с,

Q_{инсоляции} - количество энергии, поступающей на поверхность фотоэлектрического модуля в единицу времени с учетом отражения части излучения от поверхности модуля, Вт;

,

где k_отр - коэффициент отражения от поверхности модуля,

I_n - инсоляция, Вт/м²,

S - площадь модуля, м²,

U - выходное напряжение фотоэлектрического модуля, В,

I - ток нагрузки, А,

S - площадь фотоэлектрического модуля, м²,

р - плотность воздуха, кг/м³,

ν - скорость ветра, м/с,

С - удельная теплоемкость воды, ,

- температура тыльной стороны модуля, °С,

- заданная температура модуля, °С,

- производительность насоса

2. Устройство для осуществления способа активного водяного охлаждения ФЭМ, включающее впускную трубу с ручным переключателем для подачи охлаждающей жидкости, датчик напряжения, датчик температуры, отличающееся тем, что один из датчиков температуры плотно закреплен на тыльной стороне ФЭМ, а другой размещен в тени ФЭМ, в устройство введены датчик тока, датчик солнечной радиации, датчик скорости ветра, управляемый насос для подачи охлаждающей жидкости во впускную трубу и контроллер, обрабатывающий данные датчиков по формуле для производительности насоса:

и задающий управляющий сигнал на управляемый насос.