Ricercatori raffreddano pannelli solari termici fotovoltaici bifacciali con il jet impingement

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Un gruppo di ricerca internazionale guidato da scienziati dell’Università scozzese di Strathclyde ha condotto un’analisi energetica, economica e ambientale dei pannelli solari BPVT che utilizzano il jet impingement per il raffreddamento. Il team ha sviluppato un modello numerico del sistema e ha costruito un impianto sperimentale reale per convalidarlo. Hanno raggiunto un’efficienza termica del 62,28%, mentre l’efficienza elettrica ha raggiunto un picco dell’11,22%.

“Questo studio introduce riflettori a getto a doppia funzione, progettati per fornire raffreddamento e aumentare l’assorbimento della luce sul lato posteriore del modulo BPV”, ha spiegato il gruppo. “Inoltre, l’utilizzo del modulo bifacciale può aumentare l’efficienza elettrica grazie alla sua capacità di catturare la luce solare sia dal lato anteriore che da quello posteriore. Questi moduli sono più efficaci nel catturare la radiazione diffusa (luce solare dispersa nelle giornate nuvolose), consentendo loro di funzionare meglio in condizioni climatiche variabili rispetto ai moduli fotovoltaici convenzionali”.

Il modello numerico del team è stato impostato su MATLAB, utilizzando un flusso di calore 1-D in uno stato stazionario. Prevede un pannello fotovoltaico bifacciale, una piastra posteriore isolata e una piastra a getto, con un canale d’aria tra la piastra a getto e il fotovoltaico e un altro tra la piastra posteriore e il getto. Inoltre, calcola le temperature e le efficienze utilizzando fattori quali la portata massica dell’aria, l’irraggiamento solare e gli effetti di raffreddamento della piastra a getto.

Per convalidare il modello, il team accademico ha costruito un impianto sperimentale. Utilizza un riflettore a piastra a getto a 36 fori, un pannello fotovoltaico bifacciale a 12 celle e canali di flusso d’aria con una lunghezza di 0,025 metri. Il fattore di riempimento, ovvero il rapporto tra l’area occupata dai pannelli solari e l’area totale disponibile per l’installazione, è stato testato a 0,22, 0,33 e 0,66, mentre la portata d’aria era compresa tra 0,014 kg/s e 0,035 kg/s.

BPVT con jet impingement. Immagine: Università di Strathclyde, Case Studies in Thermal Engineering, CC BY 4.0

“L’aria dell’area circostante entra inizialmente nel canale inferiore prima di passare attraverso i fori del riflettore a getto ed entrare nel canale superiore. La parte inferiore del pannello solare bifacciale viene colpita dall’aria che emerge dal canale superiore. Il pannello solare bifacciale e l’aria circostante si scambiano calore”, ha dichiarato il gruppo. “Nella parte superiore della porzione di prova, sei file di 48 lampade alogene servono ciascuna come simulatori solari per imitare l’irraggiamento del sole secondo le misure del collettore. Ogni lampada ha un flusso di calore di 500 W e misura 118 mm di lunghezza”.

Confrontando i risultati della configurazione e del modello, quest’ultimo è stato convalidato con tassi di precisione del 94,53% per l’efficienza termica e del 98,91% per l’efficienza elettrica. Il gruppo ha potuto inserire diverse misurazioni nel modello numerico, scoprendo che i sistemi funzionano in intervalli di temperatura e di efficienza elettrica compresi rispettivamente tra 304,39 K e 339,54 K e tra 9,39% e 11,22%.

“Al contrario, l’efficienza termica è direttamente correlata alla velocità dell’aria e all’irradiazione solare. L’efficienza termica del sistema e la temperatura dell’aria in uscita vanno rispettivamente dal 33,86% al 62,28% e da 302,07 K a 318,75 K”, hanno aggiunto gli scienziati. “Inoltre, la temperatura del PV ha una relazione inversa con la portata di massa e una relazione diretta con l’irradiazione solare. D’altra parte, esiste un legame inverso tra l’irradiazione solare e la portata di massa e l’efficienza elettrica”.

I ricercatori hanno anche condotto un’analisi economica e ambientale del sistema. Hanno ipotizzato una durata di vita di 20 anni per il BPVT con otto ore di funzionamento al giorno.

“Per quanto riguarda il rapporto costi-benefici (CBR), le variazioni vanno da 0,1363 a 9,3445, con una media di due”, hanno concluso. “Inoltre, utilizzando la BPVT con jet impingement per produrre elettricità al posto dei combustibili fossili, è possibile ridurre le emissioni annuali di anidride carbonica di circa 1,61 tonnellate e risparmiare MYR 93,51 (21,31 dollari) l’anno”.

I risultati sono stati presentati nel documento “Energy-economic-environmental analysis of bifacial photovoltaic thermal (BPVT) solar air collector with jet impingement” recentemente pubblicato su Case Studies in Thermal Engineering.

Il team di ricerca comprendeva scienziati dell’Università scozzese di Strathclyde, dell’Universiti Kebangsaan Malaysia e dell’Universiti Teknologi PETRONAS. Inoltre, comprendeva ricercatori della South Ural State University russa, della Islamic Azad University iraniana e della National Research and Innovation Agency indonesiana, della Widyatama University e della Universitas Singaperbangsa Karawang.

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