Enhancing Photovoltaic Panel Efficiency Using Fin-Augmented Forced Air Convection with Evaporative and Vapour-Compression Cooling: An Experimental Investigation

Sintesi Tecnica: Miglioramento dell'efficienza dei pannelli fotovoltaici mediante convezione forzata ad aria con aumento di alette

Problematica
I moduli fotovoltaici (PV) policristallini commerciali convertono tipicamente solo il 15–22% dell'energia solare incidente in elettricità nelle Condizioni Standard di Test (STC), con il resto assorbito sotto forma di calore. Nei climi subtropicali come quello indiano, questo carico termico eleva le temperature superficiali dei pannelli a 55–65 °C durante i picchi estivi. Poiché la potenza in uscita diminuisce dello 0,3–0,5% per ogni grado Celsius sopra il riferimento STC di 25 °C, un pannello che opera a 60 °C può perdere il 10,5–17,5% della sua potenza nominale. Sebbene esistano metodi di raffreddamento passivo, essi sono spesso insufficienti sotto un'irradianza estrema. Il raffreddamento attivo a liquido offre un elevato trasferimento di calore, ma introduce oneri di manutenzione e consumo di acqua. Di conseguenza, vi è la necessità di sistemi di raffreddamento ad aria attiva che bilancino semplicità, costi ed efficacia, particolarmente nei climi caldi e aridi. Tuttavia, l'influenza combinata della geometria delle alette, della portata d'aria e della temperatura dell'aria in ingresso — confrontando specificamente il raffreddamento evaporativo rispetto al raffreddamento a compressione di vapore per sistemi con alette sul lato posteriore — non è stata sistematicamente caratterizzata.

Metodologia
Questo studio ha impiegato un approccio sperimentale a doppio pannello per isolare gli effetti di raffreddamento dalla variabilità dell'irradianza. Due pannelli fotovoltaici policristallini identici da 330 Wp sono stati operati simultaneamente all'aperto a Vadodara, Gujarat, durante gennaio 2025. Un pannello fungeva da controllo a convezione naturale (senza alette), mentre l'altro era equipaggiato con un sistema di raffreddamento personalizzato (con alette).

• Progettazione del sistema: Il pannello attivo presentava 30 alette in alluminio a forma di L incollate sulla sua superficie posteriore, racchiuse all'interno di un condotto in ferro zincato (GI). L'aria veniva forzata attraverso questo condotto tramite un ventilatore centrifugo collegato o a un refrigeratore evaporativo (desert cooler) o a una pompa di calore a compressione di vapore.
• Validazione analitica: Prima della fabbricazione, il sistema è stato modellato utilizzando la correlazione di Dittus–Boelter. L'obiettivo del progetto era rimuovere 1.373 W di calore. Il modello analitico ha confermato che 30 alette a forma di L avrebbero raggiunto un trasferimento di calore di 1.581 W, superando il requisito del 15%, con un'efficacia delle alette ($\varepsilon$) di 1,94 e un'efficienza ($\eta$) dell'89,75%.
• Configurazioni sperimentali: Cinque distinti scenari di raffreddamento sono stati testati sotto irradianza naturale esterna (627–820 W/m²):
  1. C1: Baseline di convezione naturale (senza alette).
  2. C2: Convezione forzata ambiente (solo ventilatore).
  3. C3: Refrigeratore evaporativo (ventilatore + raffreddamento evaporativo).
  4. C4: Pompa di calore a bassa portata di flusso (0,175 m³/s).
  5. C5: Pompa di calore ad alta portata di flusso (0,212 m³/s).
• Strumentazione: La raccolta dei dati includeva rilevatori di temperatura a resistenza (RTD) per la temperatura del pannello, termocoppie di tipo T per le temperature dell'aria in ingresso/uscita, misuratori digitali per tensione e corrente, e un piranometro calibrato per l'irradianza. L'analisi dell'incertezza ha seguito il framework GUM, confermando la significatività statistica dei guadagni di efficienza con un livello di confidenza del 95%.

Risultati Chiave
I dati sperimentali hanno rivelato caratteristiche prestazionali distinte tra le configurazioni:

• Prestazioni di base: Il pannello di controllo senza alette (C1) operava a una temperatura media di 51,05 °C con un'efficienza media del 12,38% e una potenza media di 181,3 W.
• Raffreddamento Evaporativo (C3): Questa configurazione ha raggiunto la massima efficienza elettrica media del 13,37%, rappresentando un guadagno assoluto di 0,99 punti percentuali rispetto alla baseline. Ha fornito una potenza di picco di 210,5 W.
• Raffreddamento a Compressione di Vapore (C4): La pompa di calore operante alla portata ottimizzata più bassa (0,175 m³/s) ha prodotto la massima potenza media di 211,6 W e una potenza di picco di 216,52 W. La sua efficienza media era del 13,11%.
• Sensibilità alla Portata (C5): L'aumento della portata della pompa di calore a 0,212 m³/s ha causato un declino delle prestazioni. La potenza media è scesa a 188,7 W e l'efficienza al 12,90%. La differenza di temperatura ($\Delta T$) tra l'aria in ingresso e in uscita è diminuita da 9,01 °C (C4) a 7,08 °C (C5).
• Meccanismo Termico: Lo studio ha identificato una relazione non monotona tra la portata d'aria e l'efficienza. Mentre il coefficiente di scambio termico convettivo scala con la velocità alla potenza di 0,8 ($V^{0,8}$), la portata massica scala linearmente ($V$). Di conseguenza, il calore rimosso per unità di volume d'aria scala come $V^{-0,2}$. Portate eccessive riducono il tempo di residenza termica dell'aria all'interno del condotto, limitando lo scambio termico per unità di massa e riducendo l'efficienza complessiva del sistema.

Significato e Rivendicazioni
Gli autori affermano che questo studio fornisce un quadro riproducibile per l'ottimizzazione del raffreddamento ad aria forzata assistito da alette in climi caldi e aridi. I contributi primari sono:

1. Validazione del Design: La riuscita validazione analitica e sperimentale che 30 alette in alluminio a forma di L possono superare gli obiettivi di rimozione del calore del progetto del 15%, confermando la fattibilità di questa specifica geometria per il retrofit.
2. Prestazioni Comparative: La dimostrazione che, sebbene il raffreddamento evaporativo offra i maggiori guadagni di efficienza (ideale per climi caldi e con scarsità d'acqua), il raffreddamento a compressione di vapore a portate ottimizzate può massimizzare la produzione assoluta di potenza.
3. Ottimizzazione della Portata: L'identificazione di un effetto di "tempo di residenza" critico, provando che semplicemente massimizzare la velocità del ventilatore non massimizza l'efficienza. Questa scoperta ha implicazioni dirette per la progettazione delle strategie di controllo dei VFD (Variable Frequency Drive), suggerendo che le portate debbano essere ottimizzate piuttosto che massimizzate.
4. Rigore Metodologico: L'uso di una configurazione a doppio pannello simultaneo elimina efficacemente la variabilità dell'irradianza come variabile confondente, permettendo un'attribuzione robusta dei guadagni di prestazione ai soli meccanismi di raffreddamento.

Lo studio conclude che, sebbene tutti i metodi di convezione forzata abbiano superato la convezione naturale, la scelta tra raffreddamento evaporativo e a compressione di vapore dipende dal fatto che la priorità sia la massima efficienza (evaporativo) o la massima produzione di potenza (pompa di calore ottimizzata), e che la portata debba essere accuratamente calibrata per evitare i rendimenti decrescenti associati a un tempo di residenza termica insufficiente.