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

Technische Samenvatting: Verbetering van de Efficiëntie van Fotovoltaïsche Panelen door Vin-versterkte Gedwongen Luchtconvectie

Probleemstelling
Commerciële polykristallijne fotovoltaïsche (PV) modules zetten onder Standaard Testcondities (STC) doorgaans slechts 15–22% van de invallende zonne-energie om in elektriciteit, waarbij de rest wordt geabsorbeerd als warmte. In subtropische klimaten zoals India verhoogt deze thermische belasting de paneeltemperatuur aan het oppervlak tot 55–65°C tijdens de piekzomer. Aangezien de vermogensoutput met 0,3–0, de 0,5% afneemt voor elke graad Celsius boven de referentietemperatuur van 25°C bij STC, kan een paneel dat op 60°C werkt, 10,5–17,5% van zijn nominale vermogen verliezen. Hoewel passieve koelmethoden bestaan, zijn deze vaak onvoldoende onder extreme instraling. Actieve vloeistofkoeling biedt een hoge warmteoverdracht, maar introduceert onderhoudslasten en waterverbruik. Daarom is er behoefte aan actieve luchtkoelsystemen die balans bieden tussen eenvoud, kosten en effectiviteit, met name in hete, aride klimaten. De gecombineerde invloed van vin-geometrie, luchtstroomsnelheid en inlaatluchttemperatuur — specifiek de vergelijking tussen evaporatieve koeling tegenover dampcompressiekoeling voor achterzijde-vin-versterkte systemen — is echter nog niet systematisch gekarakteriseerd.

Methodologie
Deze studie maakte gebruik van een dual-panel experimentele aanpak om koeleffecten te isoleren van variabiliteit in instraling. Twee identieke 330 Wp polykristallijne PV-panelen werden gelijktijdig buiten in Vadodara, Gujarat, bedreven tijdens januari 2025. Eén paneel diende als controle voor natuurlijke convectie (onbevind met vinnen), terwijl het andere paneel was uitgerust met een op maat gemaakt koelsysteem (met vinnen).

• Systeemontwerp: Het actieve paneel beschikte over 30 L-vormige aluminium vinnen die aan de achterzijde aan het paneel waren bevestigd, ingesloten binnen een gegalvaniseerde ijzeren (GI) conduit. Lucht werd door deze conduit geperst via een middelpuntvlieger (centrifugaalventilator) die verbonden was met ofwel een evaporatieve desert cooler of een dampcompressie-warmtepomp.
• Analytische Validatie: Vóór de fabricage werd het systeem gemodelleerd met behulp van de Dittus–Boelter correlatie. Het ontwerpdoel was om 1.373 W aan warmte te verwijderen. Het analytische model bevestigde dat 30 L-vormige vinnen 1.581 W aan warmteoverdracht zouden bereiken, wat de vereiste met 15% overschrijdt, met een vin-effectiviteit ($\varepsilon$) van 1,94 en een efficiëntie ($\eta$) van 89,75%.
• Experimentele Configuraties: Vijf verschillende koelscenario's werden getest onder natuurlijke buiteninstraling (627–820 W/m²):
  1. C1: Natuurlijke convectie baseline (onbevind met vinnen).
  2. C2: Omgevingsgedwongen convectie (alleen ventilator).
  3. C3: Evaporatieve desert cooler (ventilator + evaporatieve koeling).
  4. C4: Warmtepomp bij lage doorstroomsnelheid (0,175 m³/s).
  5. C5: Warmtepomp bij hoge doorstroomsnelheid (0,212 m³/s).
• Instrumentatie: De gegevensverzameling omvatte weerstandstemperatuurdetectoren (RTD) voor paneeltemperatuur, T-type thermokoppels voor luchtinlaat-/uitlaattemperaturen, digitale meters voor spanning en stroom, en een gekalibreerde pyranometer voor instraling. De onzekerheidsanalyse volgde het GUM-kader, wat de statistische significantie van de efficiëntiewinsten bevestigde op een betrouwbaarheidsniveau van 95%.

Belangrijkste Resultaten
De experimentele gegevens onthulden duidelijke prestatiekenmerken voor de configuraties:

• Baseline Prestaties: Het onbevind paneel (C1) opereerde op een gemiddelde temperatuur van 51,05°C met een gemiddelde efficiëntie van 12,38% en een gemiddeld vermogen van 181,3 W.
• Evaporatieve Koeling (C3): Deze configuratie bereikte de hoogste gemiddelde elektrische efficiëntie van 13,37%, wat een absolute winst betekent van 0,99 procentpunt ten opzijde van de baseline. Het leverde een piekvermogen van 210,5 W.
• Dampcompressiekoeling (C4): De warmtepomp werkend bij de geoptimaliseerde lage doorstroomsnelheid (0,175 m³/s) leverde het hoogste gemiddelde vermogensoutput van 211,6 W en een piekvermogen van 216,52 W. De gemiddelde efficiëntie was 13,11%.
• Gevoeligheid voor Doorstroomsnelheid (C5): Het verhogen van de doorstroomsnelheid van de warmtepomp naar 0,212 m³/s resulteerde in een daling van de prestaties. Het gemiddeld vermogen daalde naar 188,7 W en de efficiëntie naar 12,90%. Het temperatuurverschil ($\Delta T$) tussen inlaat en uitlaat nam af van 9,01°C (C4) naar 7,08°C (C5).
• Thermisch Mechanisme: De studie identificeerde een niet-monotone relatie tussen de luchtstroomsnelheid en de efficiëntie. Hoewel de convectieve warmteoverdrachtscoëfficiënt schaalt met de snelheid tot de macht 0,8 ($V^{0,8}$), schaalt de massastroomvoet lineair ($V$). Bijgevolg schaalt de verwijderde warmte per volume-eenheid lucht als $V^{-0,2}$. Overmatige stroomsnelheden verminderen de thermische verblijftijd van de lucht binnen de conduit, waardoor de warmteuitwisseling per eenheid massa wordt beperkt en de algehele systeemefficiëntie afneemt.

Betekenis en Claims
De auteurs beweren dat deze studie een reproduceerbaar kader biedt voor het optimaliseren van vin-ondersteunde gedwongen luchtkoeling in hete, aride klimaten. De primaire bijdragen zijn:

1. Ontwerpvalidatie: De succesvolle analytische en experimentele validatie dat 30 L-vormige aluminium vinnen de ontwerptargets voor warmteverwijdering met 15% kunnen overschrijden, bevestigt de levensvatbaarheid van deze specifieke geometrie voor retrofitting.
2. Vergelijkbare Prestaties: De demonstratie dat hoewel evaporatieve koeling de hoogste efficiëntiewinsten biedt (ideaal voor waterarme, hete klimaten), dampcompressiekoeling bij geoptimaliseerde doorstroomsnelheden het absolute vermogensoutput kan maximaliseren.
3. Optimalisatie van de Doorstroomsnelheid: De identificatie van een kritiek "verblijftijd"-effect, wat bewijst dat het simpelweg maximaliseren van de ventilatorsnelheid niet de efficiëntie maximaliseert. Deze bevinding heeft directe implicaties voor de ontwerpstrategieën van Variable Frequency Drives (VFD), waarbij wordt gesuggereerd dat doorstroomsnelheden geoptimaliseerd moeten worden in plaats van gemaximaliseerd.
4. Methodologische Rigor: Het gebruik van een gelijktijdige dual-panel opstelling elimineert effectief variabiliteit in instraling als een verstorende variabele, waardoor een robuuste attributie van de koelingswinsten mogelijk is.

De studie concludeert dat hoewel alle methoden van gedwongen convectie beter presteerden dan natuurlijke convectie, de keuze tussen evaporatieve koeling en dampcompressiekoeling afhangt van de prioriteit: maximale efficiëntie (evaporatief) of maximaal vermogensoutput (geoptimaliseerde warmtepomp), en dat de doorstroomsnelheid zorgvuldig afgestemd moet worden om de verminderde meeropbrengst door onvoldoende thermische verblijftijd te voorkomen.