喷雾冷却光伏板参数优化研究

工程科学与技术，国际期刊25（2022）100983完整文章喷雾冷却光伏板的运行参数优化FarukYesildal，Ahmet Numan Ozakin，Kenan Yakut土耳其阿塔图尔克大学机械工程系，Erzurum 25240阿提奇莱因福奥文章历史记录：收到2020年2020年12月2日修订2021年4月8日接受2021年4月28日网上发售保留字：PV/T喷涂参数优化响应曲面法A B S T R A C T本文介绍了空气辅助水喷雾在光伏板表面的应用中所涉及的参数的优化研究了喷雾冷却对壁板性能的影响。实验结果表明，对于常规的光伏电池板，电池温度的升高会导致电池效率的降低。为了防止效率下降，确定了有效的参数。这些参数在3个水平上进行了检查，即喷涂时间，喷涂流量，喷嘴空气流量，喷嘴到面板的距离和太 阳 辐 照 度 。 然 后 ， 根 据 响 应 面 法 得 到 的 实 验 方 案 结 果 表 明 ， 当 喷 雾 时 间 为 49.8990s ， 喷 雾 流 量 为0.0180m3/h，喷嘴空气流量为2 m3/h，喷嘴与板的距离为50 cm，太阳辐照度为700 W/m2时，电效率最高最有效的参数被确定为喷雾流量，喷雾时间和太阳辐照度分别。提出了一个适当的相关性与这些参数的电效率。©2021 Karabuk University. Elsevier B.V.的出版服务。这是CCBY-NC-ND许可证（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍如果温度超过一定限度，光伏电池将显示短期和长期的退化。为了保持PV系统效率，有必要保持电池表面温度尽可能低。喷雾冷却机制是通过在整个操作时间内保持低操作温度来保持PV板的效率的好方法。由于工作温度在影响太阳能光伏发电的电力输出和效率方面起着关键作用，因此有必要考虑保持太阳能电池板适当温度的可能方法。 光伏电池板的效率不仅强烈依赖于太阳辐射，而且还依赖于工作温度[1]。大量的实验和数值研究已经进行，特别是cially旨在降低电池温度。[2-3]研究人员已经应用了几种方法来提高光伏电池板的整体性能Grubišic等（2016）审查和讨论了当前光伏（PV）面板冷却技术和温度控制的发展[1]。在一项类似的研究中，研究人员[4]提出了一种替代冷却技术，包括在光伏（PV）面板上应用喷水*通讯作者。电子邮件地址：fyesildal@atauni.edu.tr（F. Yesildal），ahmet.ozakin@atauni.edu.tr（A.N. Ozakin），kyakut@atauni.edu.tr（K. 雅库特）。由Karabuk大学负责进行同行审查表面。通过对光伏电池板两侧同时进行冷却，研究了在峰值太阳辐照条件下全喷淋冷却对电池板性能的影响。根据实验结果，在太阳辐射峰值条件下，电网输出增加7.7%，光伏板电效率增加5.9%。在前后光伏板同时冷却期间，平均面板温度也从54 °C降低到24 °C，喷射速率分别为144、189和225 L/h。研究人员确定等效功率损耗为2.7、3.5和并对提出的喷水冷却技术进行了经济可行性分析在另一项研究[5]中，研究了提高光伏水泵系统性能的可能性，将水喷洒到光伏电池上，据报道，这增加了电池的功率研究人员报告说，他们通过向电池喷水，将太阳能电池组件的效率从3.26%提高到12.5%。Moharram等人[6]研究了一种基于PV板喷水的冷却系统。当板的温度达到最大允许温度（MAT）时，使用数学模型来开始冷却PV板开发了一个冷却模型，以确定将PV板冷却到推荐的正常工作温度35 °C需要多长时间。为此，学者们使用了两种模型：实验验证的加热速率模型和冷却速率模型。https://doi.org/10.1016/j.jestch.2021.04.0022215-0986/©2021 Karabuk University.出版社：Elsevier B.V.这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程科学与技术国际期刊杂志主页：www.elsevier.com/locate/jestchF. Yesildal，Ahmet Numan Ozakin和K.雅库特工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009832命名法面积[m2]d孔口直径[m]G太阳辐照度[W/m2]H喷嘴至表面距离[m]Q体积流量[m3/h] S/N信噪比[-]t喷涂时间[s]T温度[K]I电流[A]V voltage [V]下标w的水符号q流体密度r表面张力g功效缩写调整后CCD中心复合设计CFD计算流体动力学DF自由度一空气DOE实验设计conv.对流FC面心有效性效率CCD中心组合设计Exp.实验MS均方L液体PV光伏捕食预测RSM响应面法OC开路SS太阳广场SC短路MS均方S表面、太阳能的平方平方SP喷雾众所周知，PV系统的电效率可以通过防止面板温度升高来保持。在[7]的研究中，为了控制温度和保持电池效率，研究人员研究了在不改变原始模块结构的情况下将冷却系统组装到现有PV单元的可能性。研究人员调查了用水冷却模块前部的选定方法。作为因此，研究人员确定了可以提高系统的能源和经济性能以及光伏整体性能的原则。在该模型中，研究人员使用了Rybicki和Mudawar[8]之前提出的PF-5052的假设。一些研究人员还研究了聚光器的光学行为，以在光伏系统中获得更好的电输出[9-11]在[12]的研究中，研究人员提出了太阳能光伏组件与归一化功率输出、效率和性能比相关的性能研究人员旨在提高效率和性能，并通过在大多数办公室、家庭和其他建筑物中使用的制冷空气管道中放置光伏模块来开发有效的冷却系统两个光伏组件的性能进行了比较;一个冷却和其他非冷却。与非冷却模块相比，冷却模块的性能和电效率分别提高了6%和7.2%Irwan等人[13]在室内测试中讨论了如何通过使用DC水泵在PV板的前表面上提供水流来维持PV板的电效率，以克服效率降低问题。实验结果表明，较低的工作温度提供增加的功率输出。此外，研究人员报告说，使用水冷机制，响应于工作温度降低5-23 °C，光伏电池板的功率输出增加了9-22 W。结果表明，提高光伏电池板效率可以降低系统的投资回报率，延长光伏电池板的使用寿命。在[14]进行的数值研究中，研究人员提出了各种设计来冷却PV模块。采用计算流体动力学（CFD）软件（ANSYS-Fluent）对模型进行了数值模拟。他们在面板上或面板下放置了水道，冷却模块。在这两种设计中，铝翅片安装在水通道中。计算了不同雷诺数下的压降、出口温度和热流密度。因此，研究人员报告说，随着雷诺数的增加，制冷剂的平均出口温度下降，而热通量和压降增加。[15]的研究也与PV板冷却有关，介绍了蒸发冷却对PV板效率影响的实验研究结果。在室外条件下设计了一套有效的实验装置。研究人员进行并分析了一系列实验，的方法在实际条件下利雅得，沙特阿拉伯。与参考PV板相比，实现了PV板温度降低超过20 °C以及电能产生效率增加约14%。在[16]的另一项研究中，研究人员提出了一种提高单晶光伏电池板效率的解决方案。因此，他们使用了一种装置，该装置用水膜覆盖面板的表面，既清洁面板上的灰尘和碎片，又同时降低模块他们使用热视觉摄像机对有或没有水膜的情况下的PV板温度进行在[17]的研究中，调查了摘要以一种典型的光伏组件为例，进行了详细的能量和火用分析，计算了典型光伏组件的运行参数、电气参数、火用损失分量和火用效率。他们还开发了一个新的方程的火用效率的光伏系统。在许多研究[18提出了组件温度对（火用）效率影响较大，可以通过组件表面散热来提高（火用）效率，并提出了组件顶面喷水等有效方法。此外，一些研究人员已经在PV / T系统中进行了基于总体能量和火用分析的研究[22F. Yesildal，Ahmet Numan Ozakin和K.雅库特工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009833一些研究集中在光伏系统参数的优化上。在[27]的参数研究中，研究了太阳能集热器中冲击空气射流的几何变化对传热和摩擦的影响。为了优化最合适的设计参数以提高效率，研究人员使用了基于田口的设计方法优化参数确定为射流直径比（Dj/Dh）、x轴方向上射流之间的距离和y轴方向上射流之间的距离。在[28]的参数和数值优化研究中，研究人员使用14种不同的CFD设计研究人员对各种参数进行了更改，并观察了它们对系统性能的影响。确定了光伏系统冷却质量的性能参数：表面平均温度和均匀性结果表明，优化设计是一种新型的V形换热器设计。该设计具有较低的平均温度、非均匀色散和较低的泵浦功率。在另一项优化研究[29]中，研究人员旨在估计PV/T系统的输入温度，流速和太阳辐射的热效率。他们使用了三种不同的方法，发现ANN（人工神经网络）模型提供了最佳性能。表1中给出了与喷雾冷却PV相关的一些先前研究以及所检查的操作条件和参数。喷雾冷却对光伏电池的性能有显著影响，即使在低流速下，系统的性能也会显著提高[31]。正如从文献中得出的，虽然已经有一些关于喷雾冷却PV板的实验研究，但是关于其优化的研究很少。因此，本研究报告的实验研究的结果，以确定最佳值的参数使用响应面法（RSM）/中心复合设计（面为中心）的喷雾冷却的光伏电池板。电池温度的降低在电效率以及长期可行性方面非常重要。1.1. 响应面法与试验设计响应曲面法是一种先进的设计技术，有助于理解和优化响应。RSM通常表1文献中关于喷雾冷却光化学的研究用于在使用筛选设计或析因设计确定重要因素后澄清模型[32]。响应曲面和析因设计之间的区别在于增加了平方项，允许对响应中的曲率建模，使其有助于理解或匹配。此外，确定优化响应的变量水平和选择工作条件是其他优点。有两种主要类型的响应曲面设计：中心复合设计和Box-Bohemian设计。中心复合设计可以适应完全二次模型。当需要进行系列实验时使用它，因为这些设计可能包含来自正确安排的因子分解测试的信息。中心复合设计在序贯检验中特别有用。由于其相似的优点和适用性的问题，中心复合设计（面居中）被选中在本研究中。如本研究所示，这种设计要求每个因素有3个水平。根据表2中给出的测试计划，进行32个实验以获得电效率响应参数的值。2. 实验装置在不同的喷淋水流量（0.012，0.015和0.018m3/h）和喷嘴空气流量（2，2.4，2.8 m3/h），具体取决于根据PV冷却RSM编制的测试计划（表3）。实验装置如图2所示。在实验中使用了太阳能光伏电池板。表4中给出了检查面板的质量标准。使用Der- mix DXF-HSA空气辅助外部混合扁平扇形喷嘴进行喷雾（参见图1）。当遇到来自喷嘴的加压水时，来自恒压气罐（3 bar）的压缩空气可显著改善雾化效果。外混式气助喷嘴是在液体排出孔处或其外部，以高速气体或蒸汽冲击液体。与内部混合型相比，它的优点是避免了背压问题，因为液体和气体之间没有内部相互作用[33]。与加压喷嘴相比，获得了更精细和更均匀的雾化。均匀的液滴分布和较小的特征直径是压力喷嘴的其他优点。在空气辅助喷雾冷却期间，使用K型热电偶从PV板底部进行温度测量，并使用NovusFieldLogger数据记录仪进行记录（参见图2）。在实验期间拍摄的空气辅助喷涂图像在图1A和1B中给出。4、5和6。PV板以相对于光伏板15°的倾斜角定位。平面（见图 3.）。这种定位的目的是防止在喷涂过程中液体在表面上积聚在应用操作条件/材料效率/功率作者在工业应用中，PV板也是倾斜的（取决于太阳光的入射角和地理条件）。如图1A和1B所示。4、5和6，随着空气流量的增加，正面和背面喷雾冷却225 W光伏水泵系统带喷水最大限度地减少电能和水225 L/h喷雾流速，52 °C表面温度15至50 L/h喷雾流速，G = 740 W/m245 °C最高面板温度25.9%，最大功率损耗：4.2 W电力从55.4 66.9 W。面板效率：14.7%[二]《中国日报》[3]第一章[4]美国plet大小减小和一更均匀分布得到了在最低空气流量条件下（2m3/h），雾化质量随喷雾水流量的增加而降低。这意味着需要避免喷嘴空气流量的最小值。因此，即使在较低的水流速下，增加的喷雾均匀性也将允许更有效的冷却。2.1. 喷雾冷却传热的理论研究通过利用模块表面4.4 L/min-m喷雾流量效率：10.3%[30]通过喷雾冷却通过PV板的总热传递可以室内喷水冷却水喷雾，数值，SIMPLE算法413、620、821和1016 W/m2太阳辐照度铝散热器功率输出增加了9最大功率：80 W[八]《中国日报》[9]表示如下：Q_¼Q_conv-Q_rad-Q_pv1通过喷雾冷却从PV板的对流和辐射热传递计算如下[34]：F. Yesildal，Ahmet Numan Ozakin和K.雅库特工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009834S1表2设计参数及其值。设计参数符号单位水平低介质高喷洒时间不[s]204060喷射流动速率QL[m3/h]0.0120.0150.018喷嘴空气流量Qa[m3/h]22.42.8喷嘴至表面距离H[cm]405060太阳辐照度G[W/m2]700800900表3实验设计Exp. 没有设计参数响应变量t[s]Ql [m3/h]Qa [m3/h]H [cm]G [W/m2]效率（g%）1400,0152,44080010,262200,0182407009,5123400,0152,46080010,294400,0152,85080010,135600,01226090011,046600,0152,45080010,57200,0182,8607009,568600,01824090011,19200,01224090010,2110200,01826090010,411200,0182,84090010,3412600,0182,86090011,213200,0122607009,414600,0182,84070010,2115600,0122407009,916400,0152,45090010,917200,0122,8407009,518600,0122,8607001019400,0122,45080010,0520200,0152,4508009,821400,0152,45080010,122400,01525080010,1223400,0152,45080010,15524600,01826070010,225400,0182,45080010,2126400,0152,45080010,1427400,0152,4507009,9528400,0152,45080010,12529600,0122,84090011,43530200,0122,86090010,26831400,0152,45080010,12532400,0152,45080010,125图1.一、DXF-HSA外部混合空气辅助扁平喷嘴（dl = 1.4 mm; da = 0.7 mm（4孔））。Q_conv<$hspAsTs-Tsp2Q_rad¼rsAsT4-T43图二.实验装置（1.卤素投射器2.喷嘴3.流量计4.喷雾液罐5.压缩空气罐6.压缩机7.光伏板8.数据记录仪9. PC）。其中r是Stefan-Boltzmann常数，e是发射率。Q_pv<$W<$IscVoc40降低PV板的电效率的累积的热量通过对流从电池主体移除（等式10）。（2））。 可以看出，在Eq。在等式（1）中，Q_pv随着要从电池移除的热量增加而减小。3. 结果和讨论在本研究中，在不同的辐射强度（700-800-900 [W/m2]）下进行了实验光伏电池的温度上升记录在这些太阳辐射下没有任何冷却。对于传统的PV板（没有冷却应用），在不同的温度下，效率与电池温度的关系是不同的。F. Yesildal，Ahmet Numan Ozakin和K.雅库特工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009835表4PV板的规格。STC：标准测试条件（1000 W/m2），电池温度：25℃STC时的最大功率50 W容忍± %3开路电压22.0伏STC时的短路电流3.03 A最大电源电压18.2伏最大功率电流2.75安培尺寸630x550x25毫米图三.光伏板定位。见图4。喷雾图像（Ql = 0.012 [m3/h]，Qa = a）2 [m3/h]，b）2.4 [m3/h]，c）2.8[m3/h]）。图五.喷雾图像（Ql = 0.015 [m3/h]，Qa = a）2 [m3/h]，b）2.4 [m3/h]，c）2.8[m3/h]）。见图6。喷雾图像（Ql = 0.018 [m3/h]，Qa = a）2 [m3/h]，b）2.4 [m3/h]，c）2.8[m3/h]）。太阳辐照度在图7中绘出。可以看出，在25 °C下获得900 W/m2的最大效率为13.03%。在无制冷作用的情况下，稳态条件下相同太阳辐照度下的效率下降了39.7%。在25 °C时，在800 W /m2辐照度下获得最大效率为12.2%。在无制冷作用的情况下，稳态条件下相同太阳辐照度下的效率下降了41.46%。在25 °C时，在700 W/m2辐照度下获得最大效率11.4%。在不制冷的情况下，相同太阳辐照度下的效率下降了40.86%。当面板表面温度达到40 °C时，将喷雾冲击到PV表面以控制效率的降低。根据试验方案进行了32次试验，结果表明，采用喷雾的方法降低了表面温度，获得了9.4%~ 11.435%的电效率。也就是说，在900 W/m2辐照度下达到热平衡后，无冷却系统的电效率约为7.9%，而喷雾冷却系统的电效率提高到10.2%。对于800 W/m2，在非冷却系统中的电效率约为7%，而在喷雾冷却的情况下，该效率约为9.8%。这些效率值为700W/m2分别为6.8%和9.4%。因此，当比较在相同条件下运行的系统时，效率增加在2.3%和2.8%之间。从所获得的结果可以看出，由PV系统的电池温度的增加所引起的效率的降低通过喷雾冷却应用被防止。3.1. 响应面法响应面是一种数学和统计技术方法，可用于改进、开发和优化过程[35]。与传统方法不同，过程变量之间的相互作用可以通过统计技术来确定。在这项研究中，响应面法（RSM）被用来寻找最佳的效率条件下，喷雾冷却的光伏电池板。主要目标优化喷雾冷却参数是本研究的重点。考虑到喷雾时间t、喷雾流量Ql、喷嘴空气流量Qa、喷嘴与板的距离H和太阳辐照度G对光伏系统效率的影响，选择它们作为设计参数。因此，选择效率作为目标函数。独立设计变量和目标函数以下列形式作为封闭函数提供：g<$f ft;Ql;Qa;H;Gg5响应面法以多项式形式解释了设计参数与目标函数（效率）之间的关系。方差分析表明，这个功能。在这项研究中，一个二阶（二次）多项式，见图7。不同辐射强度下电池温度对电效率的影响（非冷却条件下）。F. Yesildal，Ahmet Numan Ozakin和K.雅库特工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009836≤选择了Mial模型。然后，在使用统计和实验测试确定模型的优度之后，使用该多项式模型来改变优化问题的定义中的目标函数。回归方程是响应曲面的代数表示，用于定义响应项和模型项之间的关系。获得了响应变量（效率）的二时间：2017年12月17日上午10时30分下午10时30分上午10时30分上午10时30分上午10时30分上午10时30分模型决定系数大于0.95;这意味着98.87%的数据可由最佳模型解释（见表5）。有必要定义模型描述了多少原始数据变化。这可以使用决定系数R2来完成。如果模型用于预测，则估计其预测能力是有用的[36]。帕累托图（图8）用于比较效应的相对大小以及主效应、平方效应和交互效应的统计显著性。这些影响以降序方式表5模型汇总表。绝对值的顺序。图中的参考线显示哪些效应是显著的。任何超出该参考线的效应都具有统计学显著性。基于图8中的帕累托图的结果，可以看出喷雾流量（B）、喷雾时间（A）和太阳辐照度水平（E）在统计学上是显著的。很明显，喷雾流量的影响最大。喷嘴到表面的距离（D）似乎也具有最小的影响。缺乏拟合检验的假设（HO）是模型的准确性，速率决定了响应和预测因子之间的关系。通常，0.05的显著性水平（称为α或α）是优选的。统计项在优化中的重要性使用方差分析确定。有效性的方差分析结果见表6。P a表示拟合不佳具有统计学显著性。在方差分析表（表6），Ql、t和G的p值是显著的。优化图用于确定给定我们之前指定的参数的预测变量对于效率数据，综合期望值为0.9746。目标是最大限度地提高效率。其预测值为14.7716，其个人期望值为0.97462。我们决定将焦点设置为图中所示的值在根据这一信息，最佳水平设定t为49.8990，Q1为S R-sq R-sq（adj）R-sq（pred）0.0508521 99.60% 98.87% 87.97%见图8。 帕累托效率。0.018，Qa为2.0，H为50，G为700（见图 9和表7）。图中给出的D值。 9代表最大目标函数值;它表示目标函数的最优值与可从模型获得的最大值的比值。此外，表7显示了几何参数和最佳计算值的交集。如表8所示，输入变量设置与以下预测区间和预测均值相关：平均效率为14.772，单个值的可能值范围为12.762至16.781。由此可见，见图9。优化图。表6响应变量的方差分析（ANOVA）。响应曲面回归：方差源DF调整SS调整MSf值p值模型12189,55715,79630,280,000线性5182,33336,46769,900,000不14,5004,5008,630,008QL1174,222174,222333,950,000Qa10,0560,0560,110,748H10,0000,0000,001,000G13,5563,5566,820,017平方55,5981,1202,150,104t*t10,7770,7771,490,237Ql *Ql12,1662,1664,150,056Qa *Qa10,4730,4730,910,353H*H10,0090,0090,020,895G*G10,0090,0090,020,895双向互动21,6250,8121,560,236t*Ql10,0620,0620,120,733Ql *G11,5621,5623,000,100误差199,9120,522失拟合147,0790,5060,890,606纯误差52,8330,567总31199,469F. Yesildal，Ahmet Numan Ozakin和K.雅库特工程科学与技术，国际期刊25（2022）1009837¼“WR表8表7最佳值。多重响应预测变量设定t 49.899秒Ql 0.018 m3/hQa 2 m3/h高50厘米G 700 W/m2分别考察了喷雾流量、喷雾时间和太阳辐射量对喷雾效率的影响在未来，可以研究使用纳米和有机材料的光伏电池此外，未来的研究重点应放在新一代优化算法和火用、经济和CFD分析上。竞争利益作者声明，他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系，可能会影响本文报告的工作。表9变量值的测量不确定性可变仪器不确定性（%）太阳辐照度，G辐射表± 1.8电路电压，I万用表±0.1电路电流，V万用表±0.5温度tK型热电偶±0.75表8显示估计范围在可接受限度内。3.2. 不确定性分析利用[37]提出的估计方法计算检查参数的最大相对不确定度。并以电效率为参考进行了分析。通过使用Eq.（7）。引用[1] F. Grubišic'-Cabo，S. Ni zetic'，T. GiuseppeMarco，光伏面板：冷却技术综述，FAMENA交易40（SI-1）（2016）63-74。[2] N. Dimri，A. Tiwari，G.N. Tiwari，光伏热（PVT）集成热电冷却器（TEC）流体收集器的比较研究，可再生能源134（2019）343-356。[3]Shyam，G.N. Tiwari，I.M. Al-Helal，串联连接的N-PVT水收集器的温度相关电效率的解析表达式，Sol.能源114（2015）61-76。[4] S. Ni zetic′，D. C.Cheloko ，A. Yadav，F. Grubišic′-Cabo，水喷雾冷却技术应用于光伏板：性能响应，能量转换。管理。108（2016）287-296。[5] M. Abdolzadeh，M.Ameri，通过在光伏电池的前面喷水来提高光伏水泵送系统的有效性，可再生能源34（1）（2009）91-96。[6] K.A. Moharram ， M.S. Abd-Elhady ， H.A. Kandil ， H. 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