Mathematical and Experimental Evaluation of Fin-Based Heat Sink for Cooling PV Module

Mathematical and Experimental Evaluation of Fin-Based Heat Sink for Cooling PV Module. Masters thesis, King Fahd University of Petroleum and Minerals.

[img] PDF
Mathematical and Experimental Evaluation of Fin-Based Heat Sink for Cooling PV Module.pdf
Restricted to Repository staff only until 9 January 2023.

Download (8MB)

Arabic Abstract

إن استنفاد الموارد البترولية وظاهرة الاحتباس الحراري تدفعا العالم نحو اعتماد الطاقة المتجددة. بشكل عام، تعد الطاقة الشمسية بديلاً للوقود الأحفوري يتصف بأنه صديق للبيئة و يعمل بفعالية وموثوقية عالية. جعلت التطورات الحديثة في التكنولوجيا الكهروضوئية من الطاقة الشمسية خيارًا جذابًا لكل من منتجي الطاقة والباحثين فيها. مع ذلك، فإن أدائها محدود بسبب ارتفاع درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية في ظل ظروف المناخ الحارة و القاسية. ينخفض إنتاج الطاقة للأنظمة الكهروضوئية القائمة على السيليكون بسرعة مع زيادة درجة حرارتها بسبب سوء التبديد الحراري للوحدات الكهروضوئية. في هذه الدراسة، أجريت دراسات رياضية وتجريبية لتحديد التصميم المحسن لمشتت حرارة اقتصادي مصنوع من علب الصودا مع أداء حراري معقول لتبريد الوحدات الكهروضوئية. كان تصميم المشتت الحراري المستخدم في التجربة الأولى بدائيًا (مشتت حراري بشكل شبه الدائري)، والذي تم تحسينه لاحقًا لتحسين أدائه الحراري. تم تطوير التصميم المحسن للمشتت الحراري المصنوع من علب الصودا لمقارنة أدائه الحراري بشكل تجريبي مع العديد من المشتتات الحرارية السلبية بشكل متزامن على وحدة كهروضوئية تجارية. أدت التجربة الأولية ذات العرض المحدود للمشتت الحراري (15 مم) والطول البالغ 90 مم إلى انخفاض درجة الحرارة محليًا في منطقة التلامس، بينما كان انخفاض درجة الحرارة هامشيًا في المنطقة المحيطة للمشتت الحراري مما أدى إلى توزيع غير متجانس لدرجات الحرارة على سطح الوحدة الكهروضوئية. بالمقارنة العددية مع الوحدة الكهروضوئية المرجعية (75.9 درجة مئوية)، انخفض متوسط درجة الحرارة بقدر 8.2 درجة مئوية باستخدام المشتت الحراري أحادي الطبقة بالحد الأدنى للعرض: 15 مم، والطول: 90 مم، وارتفاع للزعانف العمودية: 96.18 مم. عند القدر الأقصى من الإشعاع الشمسي البالغ 1000 واط/متر مربع، كان متوسط درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية المعدلة بمشتتات حرارية بأبعاد مختلفة (العرض، ارتفاع الزعانف): (15 مم، 96.18 مم)، (65 مم، 71.18 مم)، (115 مم، 46.18 مم) و (125 مم ، 41.18 مم)، 67.7 درجة مئوية، 61.2 درجة مئوية، 56.3 درجة مئوية و 55.7 درجة مئوية، على التوالي، بينما كان متوسط درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية المرجعية 75.9 درجة مئوية. تشير هذه النتائج إلى أن العرض له علاقة طردية مع الأداء الحراري للمشتت الحراري على طول عرض الخلية الكهروضوئية (125 مم). تم اختيار المشتت الحراري المحسن ليكون بطول 90 مم وعرض أقصى 115 مم وارتفاع زعنفة 46.18 مم. تم اختيار هذه الأبعاد المحسّنة للتوفيق بين الأداء الحراري وتعقيد التركيب دون الإخلال بتجانس درجات الحرارة على سطح الوحدة الكهروضوئية، مما أدى إلى زيادة هامشية في متوسط درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية (0.6 درجة مئوية) بالنسبة إلى أقصى عرض ممكن بقدر 125 مم. عدديًا، أدى المشتت الحراري المحسّن (طول: 90 مم، عرض: 115 مم، ارتفاع زعنفة: 46.18 مم) إلى خفض درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية وتحسين تجانس درجات الحرارة بالنسبة للوحدة الكهروضوئية المرجعية. خفض المشتت الحراري المحسّن متوسط درجة الحرارة للوحدة الكهروضوئية بمقدار 19.6 درجة مئوية عند أقصى إشعاع شمسي البالغ 1000 واط/متر مربع. على الرغم من أن المشتت الحراري المحسن أحادي الطبقة قد خفض متوسط درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية إلى 56.3 درجة مئوية، إلا أن درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية لا تزال بعيدة عن درجة حرارتها التشغيلية. أظهرت النتائج العددية أن المبدد الحراري بأربع طبقات مع تباعد زعانف عمودية 10 مم أدى إلى خفض متوسط درجة حرارة الوحدة الكهروضوئية إلى 46.9 درجة مئوية مقابل 75.9 درجة مئوية للوحدة الكهروضوئية المرجعية عند أقصى إشعاع شمسي بقدر 1000 واط/متر مربع. تم اختبار التكوين متعدد الطبقات تجريبيًا وثبت أنه منافس للمشتتات الحرارية التجارية المختبرة. خفض التكوين متعدد الطبقات متوسط درجة حرارة الخلية الكهروضوئية على مدار اليوم بمقدار 5.93 درجة مئوية محققًا المرتبة الأولى بالنسبة إلى مشتتات الحرارة الأخرى المختبرة و5.21 درجة مئوية محققًا المرتبة الثالثة بالنسبة إلى مشتتات الحرارة الأخرى المختبرة خلال تجربتي المقارنة.

English Abstract

The exhaustion of petroleum resources and global warming phenomenon are nudging the world towards adopting renewable energy. Generally, solar energy is efficient, reliable, and environmentally-friendly alternative to fossil fuels. Recent advancements in solar photovoltaic technology made it an attractive choice for both energy harvesting and research. However, its performance is limited by high PV module temperature under harsh hot climate conditions. The power output of silicon-based PV systems decreases rapidly as the PV module temperature increases due to the poor heat dissipation of PV modules. In this study, mathematical and experimental studies were performed to propose an improved design of Al-can heat sink with a reasonable thermal performance to cool the PV modules. The design of the heat sink used in the first experiment was primitive (semi- circular-shaped heat sink), which was improved later to enhance its thermal performance. The improved design of Al-can heat sink is developed to compare its thermal performance experimentally with several passive heat sinks concurrently at commercial PV module. The preliminary experiment with limited attached heat sink width (15 mm) and attached length of 90 mm resulted in a local temperature reduction at the contact area and marginal temperature reduction in the surrounding area, leading to a non-uniform temperature distribution on PV module surface. Relative to the reference PV module (75.9 ºC), an average temperature reduction of 8.2 °C was achieved numerically with a single-layer heat sink of minimum attached width: 15 mm, attached length: 90 mm, and vertical fins’ height: 96.18 mm. At maximum solar irradiation of 1000 W/m2, the average temperature of the PV module with “Al-can” heat sinks of the different (attached width, fins height) of (15 mm, 96.18 mm), (65 mm, 71.18 mm), (115 mm, 46.18 mm) and (125 mm, 41.18 mm) are 67.7 ºC, 61.2 ºC, 56.3 ºC, and 55.7 ºC, respectively, and the average temperature the reference PV module was 75.9 ºC. This indicates that the attached width is having a direct relation with the thermal performance of the Al-can heat sink along the width of the PV cell (125 mm). The improved Al-can heat sink was chosen to have an attached length of 90 mm, a maximum width of 115 mm, and a fin height of 46.18 mm. The improved dimensions were chosen to compromise between thermal performance and installation complexity without disrupting the temperature profile's uniformity, yielding a marginal increase in the PV module’s temperature (0.6 °C) relative to the maximum attached width of 125 mm. The numerically improved Al-can heat sink (attached length: 90 mm, attached width:115 mm, and fin height: 46.18 mm) decreased the temperature and improved the temperature profile of PV module. Average PV module’s temperature reduction of 19.6 °C was achieved at maximum solar irradiation of 1000 W/m2. Even though the improved single-layer heat sink decreased the average PV module temperature to 56.3 °C at maximum solar irradiation of 1000 W/m2, the PV module’s temperature is still far from the operating temperature of the PV module. Further enhancement using multi-layers configuration was performed to improve the thermal performance of the Al-can heat sink. Numerical results revealed that four-layers heat sink with vertical fins spacing of 10 mm decreased the average PV module temperature to 46.9 °C versus 75.9 ºC for reference PV module at maximum solar irradiation of 1000 W/m2. The single-layer and 4-layers Al-can heat sinks were tested empirically on a commercial PV module and proven competitive with the tested commercial heat sinks. The 4-layers Al-can heat sink lowered the average temperature of the PV cell along the day to 5.93 °C (ranking 1st relative to the other tested heat sinks) and 5.21 °C (ranking 3rd relative to the other tested heat sinks) during the comparative experiments.

Item Type: Thesis (Masters)
Subjects: Engineering
Physics
Mechanical
Department: College of Engineering and Physics > Mechanical Engineering
Committee Advisor: Al-Sulaiman, Fahad A.
Committee Members: Antar, Mohammed A. and Sahin, Ahmet Z. and Yilbas, Bekir S.
Depositing User: ABDULAZIZ ALQATHMI (g201380610)
Date Deposited: 10 Jan 2022 05:50
Last Modified: 10 Jan 2022 05:50
URI: https://eprints.kfupm.edu.sa/id/eprint/142027