Comment réduire la température d'un module photovoltaïque avec des perforations du cadre

Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la Northeast Electric Power University de Chine a étudié l'impact de la perforation du cadre sur la réduction de la température des panneaux photovoltaïques grâce au refroidissement passif par air.

"Par rapport aux études précédentes, la principale nouveauté de cette étude est l'évaluation complète des effets de la perforation du cadre sur les performances de refroidissement passif par air, la gestion thermique et les performances électriques des panneaux photovoltaïques", a expliqué le groupe. "Une analyse détaillée du champ de flux d'air autour des panneaux photovoltaïques et du champ de température des panneaux photovoltaïques est effectuée, et les effets de différents modèles de perforations du cadre et de différentes formes de trous sur les performances thermiques et électriques des panneaux photovoltaïques sont comparés et discutés. L'objectif principal de cet article est de fournir une référence pour la recherche sur la technologie de refroidissement par air passif des panneaux solaires photovoltaïques."

L'équipe de recherche a étudié 17 modèles de perforation de cadre différents à l'aide de simulations tridimensionnelles de dynamique des fluides computationnelle (CFD).

Les simulations étaient basées sur un panneau photovoltaïque (PV) en silicium monocristallin mesurant 52,8 cm × 32 cm × 1,05 cm. Le panneau se composait d'un cadre en alliage d'aluminium (2,5 mm d'épaisseur), d'une couche de verre (3,2 mm), d'une couche d'éthylène-acétate de vinyle (EVA) (0,5 mm), d'une cellule photovoltaïque (0,6 mm) et d'un panneau arrière (0,7 mm).

Le domaine de calcul était un cube mesurant 0,8 m de côté, avec une hauteur d'installation de 0,4 m. La vitesse du vent d'entrée a été fixée à 6,0 m/s. Les côtés au vent et sous le vent du panneau mesuraient 52,8 cm, tandis que les côtés gauche et droit mesuraient 32 cm. L'irradiation solaire incidente était de 900 W/m².

Pour valider leur modèle, les chercheurs ont construit une configuration expérimentale utilisant un panneau photovoltaïque en silicium monocristallin plus petit, mesurant 35 cm × 23,5 cm × 1,5 cm. Le panneau avait une puissance nominale de 10 W et était installé avec un angle d'inclinaison de 50 degrés. Des expériences ont été menées dans la ville de Jilin, dans le centre de la Chine, et les résultats ont été comparés à un modèle de simulation distinct. L'analyse a montré une différence de température moyenne entre les valeurs simulées et mesurées de seulement 0,2267 degré, avec un écart maximal en un seul point de 0,4 degré.

Une fois le modèle CFD validé, l'équipe a optimisé l'angle d'inclinaison pour le refroidissement passif, identifiant 11 degrés comme le plus efficace. Toutes les simulations ultérieures des cas de perforation ont été réalisées avec cette inclinaison. Les 17 modèles de perforations ont été regroupés en quatre catégories en fonction du nombre de côtés du cadre perforés : perforations simple-côté, double-côté, tri-côté et quatre-côté.

Chaque boîtier présentait des perforations circulaires ou rectangulaires. Pour les panneaux comportant des perforations au vent et sous le vent, les trous circulaires avaient un rayon de 3 mm et étaient espacés de 58,68 mm ; sur les côtés gauche et droit, les trous avaient également un rayon de 3 mm mais étaient espacés de 64 mm. Les perforations rectangulaires mesuraient 4 mm × 100 mm avec un espacement de 107 mm et 5 mm × 70 mm avec un espacement de 60 mm, selon le côté.

"Le cas 2 - avec huit trous circulaires de 3,0 mm de rayon sur le côté au vent - a atteint la température moyenne la plus basse des panneaux photovoltaïques (39,37 degrés), la température maximale la plus basse (42,63 degrés), la distribution de température de surface la plus uniforme, la puissance de sortie la plus élevée (24,18 W) et la plus grande efficacité de conversion photoélectrique (15,9 %)", ont rapporté les chercheurs.

"Du point de vue de la température moyenne des panneaux photovoltaïques, 13 des conceptions de perforation du cadre évaluées ont surpassé le cadre non perforé (cas 1)", ont-ils ajouté. Par rapport au panneau non-perforé, la conception du boîtier 2 a réduit la température du panneau de 5,44 degrés. Dans des conditions sans-vent, le cadre perforé a réduit la température moyenne de 37,8 degrés et a augmenté l'efficacité de la conversion photoélectrique de 2,89 %.

Seuls trois modèles de perforation - Cas 3, 7 et 8 - ont sous-performé par rapport au panneau non-perforé. Le cas 3 comportait des trous circulaires du côté sous le vent, le cas 7 avait des trous rectangulaires du côté sous le vent et le cas 8 avait des trous rectangulaires du côté gauche. "Contrairement aux hypothèses courantes, percer davantage de trous dans le cadre n'améliore pas nécessairement les performances de refroidissement des panneaux photovoltaïques", a conclu l'équipe.

Leurs travaux ont été présentés dans « Évaluation de l'effet de la perforation du cadre sur la réduction de la température des panneaux photovoltaïques avec refroidissement passif par air », publié dans Case Studies in Thermal Engineering. Des chercheurs de l'Université chinoise de l'énergie électrique du Nord-Est, du Groupe Shengu et de l'Université des sciences et technologies de Chine ont participé à l'étude.