Numerical investigation for thermal control of photovoltaic solar cells using enhanced latent heat thermal storage system

Abstract AR

من المعروف أن كفاءة الخلايا الشمسية الكهروضوئية و التي هي في حدود من 11 % إلى 15 % في ظروف التصميم (25 ˚ C) تتأثر تأثرا كبيرا بتغير درجة حرارة سطح الخلايا الشمسية خاصة مع تقدم ساعات النهار، في هذا البحث أجريت دراسة عددية للتنبؤ بالاستجابة الزمنية لمنظومة خلية شمسية كهروضوئية ذات خزن حراري كامل محسن عبارة عن مادة شمعية بها إضافات معدنية على مدار ساعات النهار و مدى الاستفادة من وجود الخزان الحراري الكامن المحسن الملاصق لسطح الخلية في التحكم في درجة حرارة سطحها بالإضافة إلى حساب كمية الحرارة المخزنة في الوسط الشمعي المحسن مع مقارنة ما تم التوصل إليه مع نتائج بعض الطرق المستخدمة في التحكم الحراري للخلايا الشمسية، تم محاكاة الخلية الشمسية بشريحة من الألمونيوم ثخانتها 4 مم مع إضافة طبقة شمعية (RT25) ملاصقة لسطح الخلية، و قد أجريت الدراسة على ثلاث أنواع من الإضافات المعدنية (الألمونيوم، الحديد، النحاس الأحمر) و بنسب مختلفة مع تغير سمك الطبقة الشمعية مع المقارنة بنتائج دراسة الخلية في حالة عدم وجود مادة شمعية و نتائج بعض الطرق المستخدمة للتحكم في درجة حرارتها سابقا، و تم نمذجة الحالة عن طريق دمج معادلات بقاء الطاقة التفاضلية الجزئية أحادية البعد و المعتمدة على الزمن لكل من سطح الخلية و المادة الشمعية المحسنة و السطح الخلفي، تم تحويل المعادلة التفاضلية إلى معادلات فروق حيث أمكن وضعها في صورة Tri - diagonal Matrix و حلها للتنبؤ بتوزيع درجات الحرارة لسطح الخلية و الوسط التخزيني الكامن (المادة الشمعية المحسنة) و السطح الخلفي لقيم مختلفة من الإشعاع الشمسي الساقط.

بداية قورنت نتائج محاكاة الخلية كشريحة معدنية من الألمونيوم بسمك 4 مم بنتائج معملية لبحوث سابقة (عند نفس الظروف و الخصائص) للوقوف على مصداقية الحل النظري حيث وصل سطح الخلية إلى حالة الاستقرار الحراري عند 62.8 ˚C بعد 80 min و قد أظهرت المقارنة تطابقا جيدا بين النتائج الحالية و السابقة، أوضحت النتائج بشكل عام أن استخدام المادة الشمعية RT25 المحسن من خلال الإضافات المعدنية يقلل من درجة حرارة سطح الخلية، و في حالة استخدام طبقة شمعية بسمك 4 سم مع إضافة معدن الألمونيوم بنسبة من 30 % إلى 40 % يحافظ على درجة حرارة سطحها عند 27 ˚ C (أي قرب نقطة التصميم) لفترة 5 ساعات في حين أن إضافة الحديد أو النحاس الأحمر (بنفس النسب) بخفض درجة الحرارة إلى 23 ˚ C و لفترة تصل إلى 12 ساعة و ذلك لإشعاع شمسي ثابت 750 W/m2 و درجة حرارة المحيط 23 ˚ C و سرعة رياح 1m / s و tα = 0.91، كما أثبتت الدراسة أن أفضل نسبة لإضافة المعدن سواء الألمونيوم أو الحديد أو النحاس الأحمر هي من 30% إلى 40% من ناحية جودة التحكم في درجة حرارة الخلية أو كمية الحرارة المخزنة في الوسط الشمعي المحسن، و أوضحت الدراسة أن تحسين خصائص الشمع RT25 بإضافة الألمونيوم أو الحديد أو النحاس الأحمر بالنسبة المذكورة يحافظ على درجة حرارة الخلية قرب نقطة تصميمها مقارنتا بالطرق المعهودة و هي استخدام الزعانف أو الشمع أو كليهما معا، كما تناولت الدراسة تأثير كل من السمك و قيمة الإشعاع الساقط على سطح الخلية و توزيعات درجة الحرارة خلال المادة الشمعية المحسنة و الذي كان منعدما نتيجة إضافة تلك المعادن ذات الموصلية الحرارية العالية و الذي خفضت من درجة حرارة سطح الخلية قرب نقطة انصهار الشمع (27 – 26 ˚ C) و قلل أيضا من الفقد الحراري من الوسط الشمعي و الذي يمكن الاستفادة منه في عمليات التدفئة، ثم تناول البحث دراسة أداء خلية مساحتها 1 m2 ذات طبقة شمعية سمكها 10 سم مع إضافة الألمونيوم بنسبة 40% عند خط عرض 30˚ شمالا على مدار ساعات النهار حيث كانت أقصى قيمة الإشعاع الشمسي الساقط 800 W / m2 و درجة حرارة الجو الابتدائية 24 ˚C و سرعة الرياح 1 m / s أمكن التحكم في درجة حرارتها دون 28 ˚ C على مدار ساعات نهار الشتاء في حين أمكن التحكم في درجة الحرارة دون 28 ˚C لمدة 10 ساعات في نهار الصيف و بالتالي كان الانخفاض في كفاءة التحويل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربية غير ملحوظ في نهار الشتاء و 0.6% في ساعات نهار الصيف و كانت نسبة كمية الحرارة المخزنة (كمية الحرارة المخزنة مقسوما على حاصل ضرب كتلة الشمع الصافي في الطاقة الكامنة للانصهار) هي 1056 في نهار الصيف و 734 في نهار الشتاء.