Modelling the effect of the inclination angle on the efficiency of photovoltaic modules using empirical correlations

[Б.Д. Перовић]

PDF/A (207 listova)

У овој дисертацији предложен је аналитички модел за прорачун температуре и анализу перформанси фотонапонских (PV) модула који узима у обзир метеоролошке услове, као и положај и техничке карактеристике PV модула. Модел важи за стационарне режиме рада и заснива се на једначини закона о одржању енергије у којој су природна и принудна конвекција моделиране новим емпиријским корелацијама. Ове корелације могу се применити за било који угао инклинације PV модула и разматране вредности Prandtl-овог броја, што их чини јединственим у техници. Осим тога, предложене корелације укључују могућност појаве сепарације граничног слоја флуида од површине PV модула. Такође, узет је у обзир и утицај угла између правца брзине ветра и равни PV модула, који се обично занемарује код моделирања принудне конвекције. На тај начин, омогућена је врло прецизна процена температуре PV модула, а тиме и снаге и ефикасности који зависе од температуре за све метеоролошке услове и положаје у којима се PV модули обично експлоатишу. За четири конкретна PV модула, утврђено је да се температуре добијене помоћу предложеног модела добро подударају с њима одговарајућим измереним вредностима. У поређењу с другим моделима који се уобичајено користе за термичку анализу PV модула, предложени модел дао је боље резултате. На крају је, помоћу предложеног модела, анализиран утицај различитих параметара (брзине ветра, соларне ирадијансе, температуре амбијента и угла инклинације) на температуру, снагу и ефикасност PV модула. Показано је како перформансе силицијумских PV модула зависе од датих параметара, и предложени су једноставни изрази за прорачун температуре силицијумских PV модула у функцији од тих параметара.

This dissertation proposes an analytical model for estimation of the temperature and for analysis of the performance of photovoltaic (PV) modules, which takes into consideration meteorological conditions, as well as the position and technical characteristics of PV modules. The model is valid for the steady-state operating regime and is based on the energy balance equation in which natural and forced convections are modeled by new empirical correlations. These correlations can be applied to any angle of inclination of the PV module and any value of the Prandtl number, which makes them unique in the technics. In addition, the suggested correlations include the possibility of occurrence of the flow separation along the surfaces of the PV module. The effect of the angle between the wind direction and the PV module plane, which is usually ignored in the modeling of forced convection, is also taken into consideration. In this manner, it is possible to precisely estimate the temperature of PV modules, as well as the power and efficiency which depend on the temperature for all meteorological conditions and positions in which the PV modules are usually exploited. For four particular PV modules, it is found that the temperatures obtained by the proposed model are in good agreement with the corresponding measured values. Compared to other models commonly used in the thermal analysis of PV modules, the proposed model has yielded better results. Finally, by means of the proposed model, the effects of different parameters (wind velocity, solar irradiance, ambient temperature and angle of inclination) on the temperature, power, and efficiency of the PV modules are analyzed. It is shown how the performance of the silicon PV modules depends on the given parameters, whereas simple expressions are suggested for an estimation of the temperature of the silicon PV modules as a function of the same parameters.

аналитички модел, емпиријска корелација, енергетска ефикасност, PV модул, температура, угао инклинације

words: analytical model, efficiency, empirical correlation, inclination angle, PV module, temperature

Текст