دانشمندان مجارستانی با ترکیب خنکسازی با هوا و آب در پنلهای خورشیدی، راندمان الکتریکی را بیش از ۴۲٪ افزایش دادهاند. جزئیات آزمایش و مزایا در مناطق گرم را بخوانید.
فناوری خنکسازی دوگانه پنلهای فتوولتائیک با آب و هوا؛ گام جدید برای افزایش راندمان در مناطق گرم
دانشمندان مجارستانی یک سیستم خنکسازی دوگانه برای پنلهای خورشیدی توسعه دادهاند که همزمان از هوا و آب برای کاهش دمای ماژول استفاده میکند. این فناوری نوآورانه روی یک پنل خورشیدی پلیکریستال ۶۰ واتی پیادهسازی شده و با ترکیب سوراخکاری قاب برای خنکسازی با هوا و لولهها و پرههای مسی با هدایت بالا برای خنکسازی با آب، راندمان الکتریکی و حرارتی پنل را به شکل قابلتوجهی افزایش میدهد.
طراحی نوآورانه قاب سوراخدار و خنکسازی ترکیبی آب و هوا
محققان دانشگاه کشاورزی و علوم زیستی مجارستان بههمراه پژوهشگران دانشگاه کوفه عراق، قاب پنل ۶۰ واتی پلیکریستال را بهطور کامل بازطراحی کردهاند تا شرایط بهینه برای جریان هوا و انتقال حرارت فراهم شود.
خنکسازی با هوا؛ ۱۵۲ سوراخ ورودی و یک فن خروجی
در بخش خنکسازی با هوا (Air Cooling):
- ۱۵۲ سوراخ در کنارههای قاب پنل حفر شده تا بهعنوان ورودی هوا عمل کنند.
- یک سوراخ بزرگتر در پشت پنل بهعنوان خروجی هوا در نظر گرفته شده است.
- یک فن کوچک به این خروجی متصل شده و سرعت جریان هوا روی ۱.۱ متر بر ثانیه تنظیم شده است.
این طراحی باعث میشود لایه مرزی هوای گرم روی سطح پنل سریعتر جابهجا شده و دمای ماژول کاهش یابد، بدون اینکه نیاز به تجهیزات پیچیده یا گرانقیمت باشد.
خنکسازی با آب؛ لوله مارپیچی و پرههای مسی با هدایت حرارتی بالا
در بخش خنکسازی با آب (Water Cooling):
- یک لوله مارپیچی (کویل) در پشت پنل نصب شده است.
- این لوله به همراه ۱۱ پره از جنس آلیاژ مس با هدایت حرارتی بالا، روی پشت ماژول قرار گرفتهاند.
- برای بیشینهکردن سطح تماس و انتقال حرارت، از چسب با هدایت حرارتی بالا استفاده شده تا لولهها و پرهها بهصورت مؤثر به سطح پنل متصل شوند.
با عبور آب از این لوله مارپیچی، گرمای اضافی پنل جذب شده و دمای ماژول کاهش مییابد. در نتیجه، راندمان الکتریکی پنل افزایش و امکان بازیابی انرژی حرارتی نیز فراهم میشود.
بازیابی انرژی حرارتی؛ استفاده همزمان برای برق و گرمایش
یکی از نقاط قوت این طراحی، بازیابی انرژی حرارتی است:
- هوای گرم خروجی از سیستم خنکسازی میتواند برای گرمایش فضا (مانند گرمایش گلخانه، انبار یا فضاهای کارگاهی) استفاده شود.
- آب گرم خروجی از لولههای مارپیچی نیز قابلیت ذخیره در مخزن آب گرم را دارد و میتواند در سامانههای آبگرم بهداشتی، پیشگرمایش بویلرها یا کاربردهای فرآیندی مورد استفاده قرار گیرد.
به این ترتیب، سیستم خنکسازی دوگانه نهتنها راندمان الکتریکی پنل را افزایش میدهد، بلکه با تولید حرارت قابل استفاده، به یک سیستم هیبرید PV/T (فوتوولتائیک-حرارتی) نزدیک میشود.
نتایج آزمایشات میدانی در مجارستان؛ بهبود چشمگیر راندمان
برای ارزیابی عملکرد این فناوری، سه سیستم مختلف در شرایط مشابه تست شدند:
- PV-r: پنل ۶۰ واتی مرجع بدون خنکسازی
- PV-a: پنل با خنکسازی فقط با هوا
- PV-d: پنل با خنکسازی دوگانه (آب + هوا) و قاب سوراخدار
آزمایشها در شهر گُدولو در مرکز مجارستان، در ماه می ۲۰۲۴ و در شرایط هوای صاف انجام شد. برخی از نتایج کلیدی عبارتند از:
افزایش ۴۲.۴ درصدی توان خروجی الکتریکی
در تابش حدود ۱۰۱۸.۷۶ وات بر متر مربع:
- سیستم PV-d توان خروجی ۴۲.۸۷ وات تولید کرد.
- سیستم مرجع PV-r تنها حدود ۳۰ وات توان تولید نمود.
این یعنی فناوری خنکسازی دوگانه، افزایش حدود ۴۲.۴ درصدی در توان خروجی الکتریکی نسبت به پنل بدون خنکسازی ایجاد کرده است؛ عددی که در طراحی نیروگاه و تحلیل اقتصادی سرمایهگذاری بسیار قابلتوجه است.
بهبود ۴۸.۵ درصدی راندمان حرارتی نسبت به خنکسازی صرفاً هوایی
از نظر عملکرد حرارتی:
- سیستم PV-d حدود ۴۸.۵ درصد بهتر از سیستم PV-a (خنکشونده با هوا) عمل کرده است.
این بهبود نشان میدهد که ترکیب خنکسازی آبی و هوایی، نسبت به استفاده تنها از هوا، به مراتب مؤثرتر است؛ به خصوص در شرایط تابش بالا که پنلها بهسرعت داغ میشوند.
کاهش قابلتوجه دمای پنل
نتایج دمایی نشان داد که:
- دمای متوسط سیستم PV-d حدود ۵.۴ درجه سانتیگراد کمتر از سیستم PV-a بود.
- دمای متوسط PV-d حدود ۱۲.۵ درجه سانتیگراد کمتر از سیستم مرجع PV-r اندازهگیری شد.
کاهش این سطح از دما برای پنلهای سیلیکونی، بهطور مستقیم به افزایش راندمان، کاهش نرخ تخریب و طولانیتر شدن عمر مفید ماژول منجر میشود.
بهبود چشمگیر بازده اگزرژی
از منظر تحلیل اگزرژی که کیفیت انرژی را میسنجد:
- میانگین بازده اگزرژی سیستم PV-d حدود ۲۷.۷ درصد بود.
- این مقدار برای سیستم PV-a برابر ۱۶.۲ درصد و برای سیستم مرجع PV-r تنها ۶ درصد گزارش شد.
این اعداد نشان میدهد که فناوری خنکسازی دوگانه نهتنها از نظر انرژی، بلکه از نظر کیفیت و کارآیی تبدیل انرژی نیز برتری قابلتوجهی دارد.
منبع تحقیق و انتشار نتایج
این نتایج در مقالهای با عنوان:
«بهینهسازی تکنیک خنکسازی دوگانه در ماژولهای فتوولتائیک خورشیدی سوراخدار: بینشهای تجربی به سوی کربنخنثی و پایداری»
منتشر شده است.
- نویسنده: دپارتمان خبری آرا نیرو
- منبع: مجله فتوولتائیک PV
این فناوری چگونه میتواند راندمان نیروگاههای خورشیدی در مناطق گرم و آفتابی را افزایش دهد؟
حالا به سؤال شما برسیم:
این فناوری جدید چگونه میتواند به افزایش بهرهوری نیروگاههای خورشیدی در مناطق گرم و آفتابی کمک کند؟
با توجه به نتایج ارائهشده، میتوان چند نکته کلیدی را برای کاربرد در مقیاس نیروگاهی در مناطق گرم (مثل جنوب ایران، خلیج فارس، خاورمیانه و شمال آفریقا) مطرح کرد:
۱٫ کاهش دمای کاری ماژول و افزایش راندمان واقعی (Yield)
در مناطق گرم، دمای پنلها معمولاً به راحتی به ۷۰–۶۰ درجه سانتیگراد میرسد و هر ۱۰ درجه افزایش دما میتواند حدود ۳–۵ درصد از راندمان ماژول را کاهش دهد (بسته به ضریب دمایی ماژول).
فناوری خنکسازی دوگانه با کاهش حدود ۱۰–۱۲ درجهای دما (طبق آزمایش PV-d):
- راندمان لحظهای پنل را افزایش میدهد.
- در طول سال، باعث افزایش انرژی تولیدی (kWh/kWp) و در نتیجه کاهش LCOE (هزینه تمامشده انرژی) میشود.
۲٫ افزایش عمر مفید و کاهش تخریب حرارتی
دمای بالای ماژول باعث:
- تسریع پیری مواد (Encapsulant, EVA, Backsheet)
- افزایش نرخ تخریب لحظهای و سالانه (Degradation Rate)
کاهش دما با این فناوری، بهمعنای:
- کاهش استرس حرارتی روی سلول و لایههای ماژول
- کاهش احتمال ایجاد Hot Spot و خرابیهای موضعی
- افزایش عمر مفید واقعی نیروگاه و بهبود شاخصهای مالی (IRR، NPV)
۳٫ تولید همزمان برق و حرارت (PV/T) و بهبود بهرهوری کلی انرژی سایت
در نیروگاههای خورشیدی صنعتی یا تجاری که نیاز به آب گرم یا هوای گرم دارند (صنایع غذایی، گلخانهای، دامداری، فرآیندی):
- هوای گرم خروجی از سیستم خنکسازی میتواند در گرمایش فضا استفاده شود.
- آب گرم خروجی از لولههای مسی نیز میتواند برای پیشگرمایش بویلرها، آبگرم صنعتی یا گرمایش محیطی به کار رود.
این یعنی شما در یک سایت، به جای فقط برق، عملاً یک سیستم فوتوولتائیک حرارتی (PV/T) دو منظوره دارید که بهرهوری انرژی کل سیستم را افزایش میدهد.
۴٫ سازگاری با مناطق با تابش بالا و دسترسی به منابع آب محدود
اگر سامانه بهصورت هوشمند طراحی شود:
- میتوان در ساعات اوج تابش از خنکسازی آبی استفاده کرد.
- در ساعات با تابش متوسط، فقط خنکسازی هوایی فعال باشد.
به این ترتیب، مصرف آب مدیریتشده و در عین حال، بیشترین اثر خنکسازی در زمانی اعمال میشود که پنل بیشترین دما و بیشترین ضرر راندمانی را دارد.
۵٫ امکان اجرای ماژولار و تدریجی روی آرایههای موجود
این نوع طراحی (قاب سوراخدار + کویل مسی) در اصل روی یک پنل ۶۰ واتی آزمایش شده، اما:
- میتواند بهصورت ماژولار روی ردیفهای مشخصی از آرایه نیروگاه اجرا شود.
- برای تست پایلوت روی بخشی از نیروگاه در مناطق گرم (مثلاً یک استرینگ یا یک بلوک) پیادهسازی و ارزیابی شود.
در صورت اثبات اقتصادی بودن (افزایش انرژی + ارزش حرارت بازیافتی)، میتوان آن را به سایر بخشهای نیروگاه توسعه داد.