Numerical And Experimental Investigation Of Uniform Cooling Techniques For Photovoltaic Panel. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.
|
PDF
Thesis_FINAL-AHMER_ALI_BOZDAR_BALOCH_-_Uploaded_to_Eprint_and_DGS_submission.pdf Download (10MB) | Preview |
Arabic Abstract
يعتبر تبريد الخلايا الضوئية مفتاحا رئيسيا للوصول للأداء الأمثل للخلايا الضوئية. درجة الحرارة المنخفضة والمنتظمة من أهم الاعتبارات الرئيسية في تصميم نظام التبريد لهذه الخلايا. تأتي الحاجة لنظام تبريد يوفر توزيع حرارة منتظم بسبب عدم التوزيع المنتظم لدفق الحرارة الشمسي مما يسبب تباين في درجات حرارة الخلايا الضوئية. هذه المشكلة –عدم الانتظام في درجات الحرارة– لم يتم اعتباره في طرق التبريد التقليدية. الهدف الأساسي من هذه الدراسة هو تطبيق نموذج رياضي للتبريد المنتظم للخلايا الضوئية والتحقق من النتائج بالتجارب المعملية. للتخلص من تأثر التوزيع الغير منتظم للإشعاع الشمسي الساقط تمت دراسة نظاميّ التبريد بواسطة النفث الصدمي والقناة المتقاربة )اللامة(. أيضا، للمقارنة ولتوضيح تأثير عدم الانتظام في درجات الحرارة تمت دراسة الخلايا من غير نظام للتبريد. تم استخدام طرقة حوسبة الموائع في النمذجة الحرارية لنظام التبريد بواسطة القناة المتقاربة. النموذج الحرارة للنظام بواسطة التبريد بالنفث الصدمي تم تطويره لرصد التأثير على الخصائص الحرارية للخلايا باستخدام معادلات تجريبية لحساب متوسط معامل نقل الحرارة. تم إيجاد القيم المثلى والعملية للأبعاد الهندسية لنظام التبريد بالقناة المتقاربة للوصول للتوزيع المنتظم لدرجات الحرارة. لكل التوليفات المختلفة لنظم التبريد قيد الدراسة، تم تطوير النموذج الحراري بتطبيق قانون حفظ الطاقة. لحساب كمية الإشعاع التي تم امتصاصه بواسط الخلايا تم استخدام نموذج خواص السماء الإشعاعي، بينما تم استخدام نموذج السبعة-أبعاد للتنبؤ بالأداء الكهربي للخلايا الضوئية. تم تركيب وتجهيز التجارب المعملية بكل الأدوات المطلوبة للحصول على القراءات المعملية ولتحليلها. أخيرا، تم عرض مقارنة تحليليه لجميع نظم التبريد قيد الدراسة، والتي تم تأكيد صحتها معمليا، تحت الظروف الجوية لشهري يونيو وديسمبر. أعلى درجة حرارة تم تسجيلها للخلايا غير المبردة هي 38 درجة مئوية. مقارنة بذلك، فانه قد نتج عن تبريد الخلايا بواسطة القناة اللاّمة أن أعلى درجة حرارة للخلايا تم تسجيلها هي 74 درجة، بينما أدى استخدام القناة ذات المقطع المستطيل الى أن تكون أعلى درجة حرارة للخلايا 74.4 درجة. بالنسبة للخلايا .% المبردة بنظام النفث الصدمي، فان أعلى درجة حرارة تم تسجيلها هي 84.3 درجة بكفاءة 74.4 %7.. تبريد الخلايا بواسطة القناة اللاّمة والقناة ذات المقطع المستطيل نتج عنه كفاءات كهربيه 4 7%، على التوالي. التبريد باستخدام النفث الصدمي أدى الى زيادة بمقدار 37 % في القدرة .. و 4 المنتجة مقارنة بالخلايا غير المبردة، بينما كانت الزيادة في القدرة نتيجة لاستخدام لقناة اللاّمة والقناة ذات المقطع المستطيل 44 % و 06 % على التوالي. من ذلك يتضح أن التبريد بنظام لقناة اللاّمة والقناة ذات المقطع لهما نتائج متقاربة، لكن بالرغم من ذلك فان نظام القناة اللاّمة أدى الى الحصول على توزيع للحرارة أكثر انتظاما ولذلك فانه ينصح باستخدامه في أنظمة الخلايا المعرضة للإشعاع الشمسي المركز. أظهرت الدراسة أن التبريد بواسطة النفث الصدمي له الأداء الأفضل مقارنة بالنظم الأخرى للتبريد من ناحية القوة الكهربية المولّدة وكفاءة التحويل، كما ساعد في تقليل درجات الحرارة بصوره ملحوظه وكبيره
English Abstract
Cooling of PV systems is one of the key parameters to optimize the cell efficiency. The main design considerations for the cooling systems are low and uniform cell temperatures. The need for uniform cooling of PV panels arises due to the uneven solar flux distribution and temperature variations across the cell. Moreover conventional cooling mechanism does not address the issue of temperature variations. The objective of the current work is to model and experimentally validate the effect of uniform cooling techniques applied to the parameters of PV panels. For uniform cooling of PV panels, design of jet impingement configuration and a converging channel is proposed to eliminate non-uniform heat transfer across the surface of the PV Panel. Also to examine the effect of non-uniformity, a rectangular channel is studied with an uncooled PV panel. This research is achieved by modeling and experimentation of four configurations for PV systems with and without uniform cooling. Computational Fluid Dynamics (CFD) is used for thermal modeling of converging channel. Thermal model for PV panel with impingement cooling is developed to notice the effect on thermal characteristics of the panel using different average heat transfer correlations. For converging channel, optimum and practically feasible geometric parameters are found for maintaining uniform cell temperature. For all the configurations thermal modeling is developed using energy balance approach on the PV cell. Isotropic sky radiation model is used to calculate the absorbed radiation whereas investigation of electrical parameters is carried out using seven parameters electrical model for PV. Experimental setup for cooling systems are manufactured and installed at the test facility with all the necessary equipment for data collection and analysis. Finally a comprehensive comparative analysis and experimental validation is carried out for the cases of uncooled, cooled and uniformly cooled PV strings for the climate of June and December. For an uncooled PV string, maximum temperature of 83˚C was recorded. In comparison to this, cooling the PV string by converging channel resulted in maximum temperature of 47˚C whereas for rectangular channel heat exchanger resulted in maximum temperature of 47.5˚C. For jet cooled PV string, maximum temperature of 35.8˚C was recorded with an efficiency of 15.7%. Cooling the PV string by converging channel and rectangular channel heat exchanger resulted in maximum efficiency of 12.5% and 12.7%, respectively. By using jet, PV string was cooled effectively and power produced was increased by 81% when compared with the performance of an uncooled PV whereas for converging and rectangular channel, percentage improvement in power was 57% and 60 %, respectively. Converging channel cooling and rectangular channel cooling showed similar results for the configurations and conditions analyzed but since converging channel can result in a better thermal profile over PV surface, it is suggested for employment for PV cooling and future research for CPV cells. Results revealed that uniform cooling by jet impingement did not only perform better in terms of power output and conversion efficiency but also reduced the cell temperature significantly while keeping it constant for each cell.
| Item Type: | Thesis (Masters) |
|---|---|
| Subjects: | Mechanical |
| Department: | College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering |
| Committee Advisor: | Bahaidarah, Haitham |
| Committee Members: | Gandhidasan, Palanichamy and Al-Sulaiman, Fahad |
| Depositing User: | AHMER ALI BOZDAR BALOCH (g201202120) |
| Date Deposited: | 29 Apr 2015 12:53 |
| Last Modified: | 01 Nov 2019 15:45 |
| URI: | http://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/139524 |