Naukowcy wskazali optymalny odstęp między panelami w systemach floatingPV

Włoscy naukowcy zbadali, jak odstęp między rzędami pływających modułów fotowoltaicznych wpływa na ich temperaturę. Odpowiednio dobrany odstęp poprawia przepływ powietrza, a tym samym chłodzenie paneli.

Naukowcy z Uniwersytetu Neapolitańskiego Parthenope oraz Uniwersytetu Kampanii im. Luigiego Vanvitellego opublikowali wyniki badań nad wpływem odstępów między rzędami paneli fotowoltaicznych na wydajność cieplną instalacji. Badanie miało formę symulacji komputerowej (CFD) instalacji proponowanej dla zbiornika zaporowego Occhito na południu Włoch. Zamodelowano układ trzech rzędów modułów nachylonych pod kątem 15 st. i umieszczonych 25 cm nad powierzchnią wody.

Spośród czterech badanych wariantów najlepsze chłodzenie zapewnił odstęp równy połowie długości modułu. W symulacji przyjęto moduły o długości 992 mm, stąd odstęp wynosił niespełna 0,5 m. Zarówno mniejsze, jak i większe odstępy dawały słabsze chłodzenie.

REKLAMA

REKLAMA

Więcej nie oznacza lepiej

Przy prędkości wiatru 3,5 m/s średnia temperatura modułów w konfiguracji optymalnej wyniosła 27,16 st. C. W najbardziej zwartej konfiguracji (odstęp równy 0,25 długości modułu) temperatura w tych samych warunkach wyniosła 31,07 st. C. Przy odstępie równym 0,75 długości modułu było to 29,26 st. C, a w najszerszej konfiguracji (odstęp równy długości modułu) 29,75 st. C.

Jak przypominają autorzy, sprawność krzemowych modułów fotowoltaicznych spada o ok. 0,3–0,5 proc. na każdy 1 st. C wzrostu temperatury ogniwa. Skuteczne chłodzenie przekłada się więc na wydajność instalacji. Badanie pokazuje, że o chłodzeniu decyduje nie tylko bliskość wody, ale również odległość między rzędami modułów. Zdaniem naukowców odstęp powinien być traktowany jako jeden z kluczowych parametrów projektowania termicznego.

Intuicyjnie zbyt zwarta konstrukcja oznacza gorsze chłodzenie, bo kolejne rzędy znajdują się w strefie spowolnionego przepływu powietrza za poprzednim rzędem (tzw. śladzie aerodynamicznym). Dlaczego jednak odstęp większy niż połowa długości modułu również osłabia chłodzenie? Autorzy tłumaczą to słabszym przyspieszeniem przepływu powietrza między rzędami.

Różne wyniki w poszczególnych rzędach

Różnice występowały również między poszczególnymi rzędami. Najbardziej wrażliwy na zmianę odstępu okazał się rząd środkowy. Przy prędkości wiatru 3,5 m/s jego temperatura wyniosła 29,66 st. C przy odstępie równym 0,25 długości modułu, 23,30 st. C przy odstępie optymalnym i 30,17 st. C przy odstępie równym długości modułu.

Nieco inaczej zachowywał się ostatni, trzeci rząd modułów. W jego przypadku najniższą temperaturę uzyskano przy odstępie równym 0,75 długości modułu. Przy prędkości wiatru 3,5 m/s wyniosła ona 29,54 st. C, wobec 29,97 st. C przy odstępie optymalnym dla całego układu. Autorzy tłumaczą to tym, że do ostatniego rzędu dociera skumulowany ślad aerodynamiczny dwóch poprzednich rzędów. Przepływ potrzebuje więc więcej miejsca, by odzyskać prędkość.

Jednak, gdy uwzględni się cały układ, najkorzystniejszy pozostaje odstęp równy połowie długości modułu. Wynik ten pokazuje jednak, że odstęp najlepszy dla całej instalacji nie musi być optymalny dla każdego rzędu z osobna. Autorzy zaznaczają, że trzyrzędowy model nie pozwala ocenić, jak zachowywałyby się rzędy w głębi dużej farmy, gdzie ten efekt mógłby się nasilać lub zanikać.

Choć w tym badaniu optymalny okazał się odstęp równy połowie długości modułu, wyniku nie można przenieść 1:1 na inne projekty. Najkorzystniejsza równowaga między wygaszaniem śladu aerodynamicznego a przyspieszeniem przepływu powietrza zależy od warunków panujących w danym miejscu.

REKLAMA

REKLAMA

REKLAMA

Uproszczony model

Należy pamiętać, że symulacje przeprowadzono w uproszczonych warunkach. Zastosowano dwuwymiarowy model obejmujący tylko trzy rzędy modułów. Woda miała głębokość 20 cm i jednolitą temperaturę, a jej powierzchnia była płaska i nieruchoma, bez fal i parowania. Wiatr wiał wyłącznie w jednym kierunku, prostopadle do rzędów. Nie uwzględniono też m.in. zacienienia ani konstrukcji pływaków. Przyjęte nasłonecznienie (146,65 W/m²) odpowiadało średniej rocznej, a nie letnim warunkom szczytowym. Podane temperatury służą więc przede wszystkim do porównania wariantów.

Sami autorzy przestrzegają przed traktowaniem wyników jako uniwersalnej rekomendacji projektowej. Zapowiadają dalsze badania z użyciem modeli trójwymiarowych, przy większej liczbie prędkości i kierunków wiatru oraz z uwzględnieniem wpływu temperatury na produkcję energii.

Badanie „Influence of row spacings on the thermal performance of floating photovoltaic arrays at the Occhito Dam reservoir, Italy: A numerical study” („Wpływ odstępów między rzędami na wydajność cieplną pływających instalacji fotowoltaicznych na zbiorniku zapory Occhito we Włoszech: studium numeryczne”) zostało opublikowane w czasopiśmie Solar Energy.

Czy fotowoltaika na wodzie zużywa się szybciej?

Warto wspomnieć również o innym badaniu dotyczącym fotowoltaiki na wodzie. Norwescy naukowcy sprawdzili, czy pływające moduły zużywają się szybciej. Przeanalizowali m.in. temperaturę powietrza, wilgotność względną, prędkość wiatru, temperaturę wody oraz dane o nasłonecznieniu.

Na tej podstawie obliczyli temperatury modułów, wilgotność względną oraz profile przenikania wilgoci do ich wnętrza. Następnie za pomocą modelowania symulowali zachowanie wilgoci w dwóch architekturach modułów: glass-glass oraz glass-backsheet.

Z wynikami można zapoznać się w artykule: Czy fotowoltaika na wodzie zużywa się szybciej? Naukowcy sprawdzili popularny mit.

Źródło: Solar Energy