Richtig gehört es ist Zeit Solarparks abzukühlen

Kühlung von Solarparks macht sie effizienter

Mehr Effizienz zu erreichen mit der entsprechenden Kühlung von Photovoltaik findet inzwischen schon Einzug in das Interesting Engineering Magazin. Vorab ein Foto von einer schwimmenden Photovoltaik Anlage, welche mit einer Kombination aus Spiegel und Sprühnebel die Photovoltaik Module kühlt, es werden diese und weitere Faktoren schon bald auch in gängige Planung Software Eingang finden. Hier das altes Papier zu kühlenden schwimmenden Photovoltaik Anlagen in Italien. Ein neueres wird im IE Artikel vorgestellt.

Die Kühlung von Solarparks kann sie leistungsfähiger machen – hier ist der Beweis
Sie haben richtig gehört, es ist an der Zeit, die Solarparks etwas abzukühlen.

Es wird allgemein angenommen, dass ein Solarpanel mehr Energie erzeugt, wenn mehr Sonnenlicht einfällt, aber das stimmt nicht immer. Tatsächlich heißt es in einem Bericht des Weltwirtschaftsforums, dass Photovoltaikzellen auf einem Solarpanel (die Sonnenlicht einfangen und in Elektrizität umwandeln) bei Überhitzung möglicherweise weniger Energie produzieren.

Eine neue Studie, die von einem Forscherteam der University of Utah (UU), des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und der Portland State University (PSU) durchgeführt wurde, wirft mehr Licht auf diesen selten diskutierten Aspekt von Solarmodulen. Darin heißt es, dass der Wirkungsgrad einer Solaranlage um 0,5 Prozent sinkt. Wenn die Temperatur an der Oberfläche seiner Photovoltaikzellen (PV) nur um ein Grad Celsius von ihrer optimalen Temperatur ansteigt.

Viele Hersteller von Solarmodulen geben an, dass die ideale Temperatur für kommerziell genutzte Solarmodule zwischen 15 °C und 35 °C liegt und die PV-Zellen bei 25 °C die höchste Energieeffizienz erreichen. Wenn also eine Solaranlage einer Temperatur von etwa 50 °C ausgesetzt ist, kann es zu Energieverlusten von bis zu 12 Prozent kommen.

„Da mehr als 50 % der PV-Erzeugungskapazität in den USA in wärmeren Klimazonen (mit Temperaturen zwischen 42 °C und 70 °C) in Kalifornien, Arizona und Nevada liegt, ist das Verständnis und die Suche nach Methoden zur Minderung der Panelerwärmung von entscheidender Bedeutung zum Erfolg der kostengünstigen Solarenergie beitragen“, schreiben die Autoren in dem Papier. DOI

Die aktuelle Studie schlägt einen einfachen und eindrucksvollen Weg vor, den erforderlichen Kühlmechanismus in Solaranlagen auf natürliche Weise zu erreichen.

Die Geometrie eines Solarparks hängt mit der Energieeffizienz zusammen
Um in Solarparks eine optimale Temperatur aufrechtzuerhalten, werden die PV-Zellenoberflächen derzeit entweder mit speziell entwickelten Materialien oder Beschichtungen versehen oder durch Wasser und Wind gekühlt. Die Autoren gehen davon aus, dass beide Strategien die Betriebskosten erheblich erhöhen und große Mengen an Ressourcen erfordern, insbesondere im Fall großer Solarparks, die sich über mehrere Dutzend Quadratkilometer erstrecken.

Beispielsweise verbraucht die Nevada Solar One-Anlage in Boulder City 850 Gallonen Wasser, um pro 1000 kWh Strom zu produzieren. Das Wasser wird wahrscheinlich zu Reinigungs-, Wartungs- und Kühlzwecken verwendet. Die Forscher schlagen vor, dass PV-Zellen allein durch eine Änderung der Geometrie eines Solarparks vor Überhitzung bewahrt werden können.

Sie gehen davon aus, dass zwischen allen Modulen eines Solarparks ein ausreichender Abstand besteht und sie in die richtige Richtung zeigen. Sie können sich automatisch durch Konvektion (der Prozess der Wärmeübertragung von einer festen Oberfläche auf Luft oder eine Flüssigkeit, zum Beispiel wird die Luft um ein Lagerfeuer aufgrund des gleichen Phänomens erhitzt) mithilfe des Windes, der sie umströmt, abkühlen.

Die Autoren erklärten: „In dieser Arbeit schlagen wir eine erweiterte Interpretation der PV-Parkgeometrie vor, um aktuelle Vorhersagen zur konvektiven Kühlung zu verbessern und 3D-Modulanordnungen als Überdachungsströmungsfelder zu berücksichtigen.“

Sie schlagen vor, dass Farmbesitzer, anstatt riesige Summen in herkömmliche Kühlressourcen zu investieren, verschiedene Solarpanel-Konfigurationen in ihren Farmen ausprobieren und jeweils die Energieeffizienz vergleichen können, um die beste Anordnung zu ermitteln.

Es gibt keine Formel, die für alle funktioniert
Abgesehen von der Oberflächentemperatur der PV-Zellen hängt der Energieertrag einer Farm von Faktoren wie der Umgebung und dem Panelmaterial ab. Darüber hinaus können auch andere Aspekte wie Landfläche, Breitengrad und Art der umgebenden Vegetation den Abstand und die Ausrichtung der Paneele auf einem Bauernhof beeinflussen. Daher kann keine einheitliche geometrische Anordnung für alle Solarparks funktionieren.

Die Forscher weisen außerdem darauf hin, dass „die Einbeziehung kollektiver Beiträge wie Modulhöhe, Array-Abstand und Neigung durch die Korrelation eine vollständigere Beschreibung des Solarparks als Überdachungsströmung liefert und auf jedes bestehende prädiktive Energiekostenmodell angewendet werden kann.“ Die Nutzung dieser Korrelation bietet Solarparkplanern eine einfache Möglichkeit, eine Vielzahl von Parametern zu untersuchen und potenzielle Leistungsgewinne zu steigern.“

Bei einem ihrer Experimente änderten die Forscher die Modulhöhe und vergrößerten den Abstand zwischen verschiedenen Solarmodulreihen, wobei sie alle oben genannten Faktoren berücksichtigten. Sie stellten einen Anstieg der Stromerzeugung der Farm um zwei Prozent fest. Sie glauben, dass ihr geometriebasierter Ansatz das Potenzial hat, die Effizienz von Solarparks deutlich zu verbessern und sie nachhaltiger als je zuvor zu machen.

Die Studie wurde im Journal of Renewable and Sustainable Energy veröffentlicht.

Studienzusammenfassung:

Die Wärme Migration großer Photovoltaikanlagen (PV) ist entscheidend für die Verlängerung der Lebensdauer und der Energiegewinnungskapazität.
Die Temperatur der PV-Module hängt von der standortspezifischen Geometrie des Betriebs ab, doch gängige Vorhersagen berücksichtigen nur die Modulgröße und Umweltfaktoren. Hier charakterisieren wir die konvektive Kühlung in verschiedenen PV-Array-Designs und erfassen die kombinierten Auswirkungen räumlicher und atmosphärischer Variationen auf die Paneltemperatur und die Produktion. Parameter wie Reihenabstand, Plattenneigung, Modulhöhe und Windgeschwindigkeit werden durch Windkanalexperimente, hochauflösende numerische Simulationen und Betriebsfelddaten untersucht. Eine auf fraktaler Lückenhaftigkeit basierende Längenskala fasst alle Aspekte der Anordnung (Winkel, Höhe usw.) in einem einzigen Wert zusammen. Bei Anwendung auf die Reynolds-Zahl Re innerhalb der kanonischen Nusselt-Zahl-Wärmeübertragungskorrelation zeigt die Lakunarität einen Zusammenhang zwischen Konvektion und betriebsspezifischer Geometrie. Diese Korrelation kann auf bestehende und zukünftige Array-Designs angewendet werden, um die konvektive Kühlung zu optimieren und letztendlich die Produktion und die Lebensdauer der PV-Zellen zu erhöhen.