Saudi-arabisches und algerisches Team stellen neuartiges PVT-System vor

de.wedoany.com-Bericht: Am 30. Oktober stellten Forscher aus Saudi-Arabien und Algerien ein photovoltaisch-thermisches (PVT) System vor, das gestufte Luftkanäle mit perforierten V-förmigen Rippen kombiniert. Durch die Optimierung des Luftströmungskanals auf der Rückseite des Moduls und der Wärmeableitungsstruktur wird die Kühlung des PV-Moduls verbessert, ohne dass externe Antriebsgeräte wie Ventilatoren oder Pumpen erforderlich sind. Ergebnisse von CFD-Simulationen zeigen, dass das System die Oberflächentemperatur der Photovoltaik um 9 K senken und einen maximalen thermischen Wirkungsgrad von 31 % erreichen kann, was über den 29,4 % des Referenzsystems liegt.

Das Design sieht gestufte Luftkanäle auf der Rückseite des PV-Moduls vor, ausgestattet mit zwei Lufteinlässen und einem Luftauslass. In den Kanälen sind versetzt angeordnete V-förmige Aluminiumrippen mit Perforationen von 5 mm Durchmesser eingebaut. Die gestuften Kanäle dienen dazu, die Luftgrenzschicht in der Nähe der beheizten Oberfläche zu stören, während die perforierten Rippen durch Vergrößerung der Wärmeaustauschfläche, Förderung der Luftdurchmischung und lokale Turbulenz die konvektive Wärmeübertragung zwischen Luft und Rippen verbessern. Das System nutzt den Auftrieb der Luft zur natürlichen Belüftung und benötigt keine zusätzliche Energie für die Luftzirkulation.

Das Forschungsteam erstellte mit ANSYS Fluent ein dreidimensionales numerisches Modell und simulierte einen PVT-Luftkollektor mit den Abmessungen 2,4 m × 0,54 m und einem Neigungswinkel von 32°. Als Berechnungsgrundlage dienten Daten zur Sonneneinstrahlung und Umgebungstemperatur für einen klaren Sommertag in der Region Ghardaïa in Algerien, wobei die maximale Sonneneinstrahlung 995 W/m² betrug. Die Simulationsergebnisse zeigen einen maximalen thermischen Wirkungsgrad des Systems von 31 % gegenüber 29,4 % beim Referenzsystem sowie einen elektrischen Wirkungsgrad von 14,8 % gegenüber 14,6 % beim Referenzsystem. Die maximale thermische Leistung des Systems beträgt etwa 400 W, die elektrische Leistung etwa 180 W, und die Oberflächentemperatur der Photovoltaik liegt 9 K unter der des Referenzfalls.

Die Studie umfasste auch Abschätzungen zur Wirtschaftlichkeit und zu den Umweltauswirkungen. Unter klaren Wetterbedingungen wird eine Amortisationszeit des Systems von 5,8 Jahren erwartet, unter bewölkten Bedingungen von 7,2 Jahren. Bei einer Berechnung von 10 Modulen pro Einheit wird eine jährliche Reduktion von etwa 3,2 Tonnen CO₂-Emissionen erwartet, was über 25 Jahre einer kumulierten Reduktion von etwa 80 Tonnen entspricht; die energetische Amortisationszeit beträgt 0,86 Jahre. Diese Daten stammen aus Modellberechnungen der Studie; die tatsächliche Leistung muss noch durch Prototypentests und Langzeitbetrieb verifiziert werden.

Die zugehörige Forschungsarbeit trägt den Titel „A computational investigation of a staircase-configured PVT air system with perforated V-shaped fins for passive cooling" und wurde im „Ain Shams Engineering Journal" veröffentlicht. An der Studie waren Forscher der Islamischen Universität Medina in Saudi-Arabien, der Universität Ouargla in Algerien sowie des Zentrums für die Entwicklung erneuerbarer Energien beteiligt.