Une étude s’intéresse au nombre de perforations nécessaires dans le cadre pour refroidir un module solaire

D’après pv magazine International

Une équipe de recherche dirigée par des scientifiques de la Northeast Electric Power University (Chine) a étudié l’impact de la perforation du cadre sur la réduction de la température des panneaux photovoltaïques à l’aide d’un refroidissement passif par air. Leur travail a été présenté dans l’article « Effect evaluation of frame perforation on reducing photovoltaic panel temperature with passive air cooling », publié dans Case Studies in Thermal Engineering. Des chercheurs de la Northeast Electric Power University (Chine), du groupe Shengu et de l’Université des sciences et technologies de Chine ont participé à cette étude.

« Comparée aux études précédentes, la principale nouveauté de cette recherche réside dans l’évaluation complète de l’effet de la perforation du cadre sur les performances de refroidissement passif par air, la gestion thermique et les performances électriques des panneaux PV, a expliqué le groupe. Une analyse détaillée du champ d’écoulement de l’air autour des panneaux PV et du champ de température des panneaux PV est menée, et les effets de différents modèles de perforation du cadre et de différentes formes de trous sur les performances thermiques et électriques des panneaux PV sont comparés et discutés. L’objectif principal de cet article est de fournir une référence pour la recherche sur la technologie de refroidissement passif par air des panneaux solaires photovoltaïques ».

L’équipe de recherche a étudié 17 conceptions différentes de perforation du cadre en utilisant des simulations tridimensionnelles de dynamique des fluides numérique (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 (épaisseur : 2,5 mm), d’une couche de verre (3,2 mm), d’une couche d’éthylène-acétate de vinyle (EVA) (0,5 mm), d’une cellule PV (0,6 mm) et d’une plaque arrière (0,7 mm).

Le domaine de calcul était un cube de 0,8 m de côté, avec une hauteur d’installation de 0,4 m. La vitesse du vent à l’entrée était 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’irradiance solaire incidente était de 900 W/m².

Schéma graphique de la technique de refroidissement
*Image : Northeast Electric Power University, Case Studies in Thermal Engineering, CC BY 4.0*

Pour valider leur modèle, les chercheurs ont construit un dispositif expérimental utilisant un petit panneau PV en silicium monocristallin de 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°. Les expériences ont été menées à 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 °C, avec un écart maximal ponctuel de 0,4 °C.

Une fois le modèle CFD validé, l’équipe a optimisé l’angle d’inclinaison pour le refroidissement passif, identifiant 11° comme le plus efficace. Toutes les simulations ultérieures des cas de perforation ont été réalisées à cet angle. Les 17 conceptions de perforation ont été regroupées en quatre catégories selon le nombre de côtés du cadre perforés : un côté, deux côtés, trois côtés et quatre côtés.

Chaque cas comportait des perforations circulaires ou rectangulaires. Pour les panneaux avec 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 un espacement 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 obtenu la température moyenne de panneau PV la plus basse (39,37 °C), la température maximale la plus basse (42,63 °C), la distribution de température de surface la plus uniforme, la puissance de sortie la plus élevée (24,18 W) et le rendement de conversion photoélectrique le plus élevé (15,9 %) », ont rapporté les chercheurs. « Du point de vue de la température moyenne du panneau PV, 13 des conceptions de perforation du cadre évaluées ont surpassé le cadre non perforé (cas 1) », ont-ils ajouté. Comparé au panneau non perforé, le design du cas 2 a réduit la température du panneau de 5,44 °C. En l’absence de vent, le cadre perforé a diminué la température moyenne de 37,8 °C et augmenté le rendement de conversion photoélectrique de 2,89 %.

Seules trois conceptions de perforation – cas 3, 7 et 8 – ont présenté des performances inférieures à celles du panneau non perforé. Le cas 3 comportait des trous circulaires du côté sous le vent, le cas 7 des trous rectangulaires du côté sous le vent, et le cas 8 des trous rectangulaires sur le côté gauche. « Contrairement aux idées reçues, percer davantage de trous dans le cadre n’améliore pas nécessairement les performances de refroidissement des panneaux PV », a conclu l’équipe.

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