Effizienzsteigerung von Photovoltaikmodulen durch Luft-, Wasser- und poröse Medienkühlmethoden: Thermo-elektrische Modellierung

Die Verbesserung der Leistung von Photovoltaik(PV)-Modulen unter extremen klimatischen Bedingungen ist entscheidend für den Fortschritt nachhaltiger Energiesysteme. In hyperariden Regionen reduzieren erhöhte Betriebstemperaturen die Effizienz der Module erheblich. Diese Studie untersucht und vergleicht drei Kühltechniken - Luftkühlung, Wasserkühlung und Kühlung mittels poröser Medien - unter Verwendung von thermischen und elektrischen Modellen basierend auf CFD-Simulationen in ANSYS. Das numerische Modell ahmt ein PV-System nach, das unter maximaler Solarstrahlung (900 W/m2) und realistischen Umweltbedingungen in Adrar, Algerien, arbeitet. Die Simulationsergebnisse zeigen, dass die Luftkühlung zu einer moderaten Temperaturreduktion von 6 °C führt und einen marginalen Effizienzgewinn von 0,25% erzielt. Die Wasserkühlung, die eine laminar strömende Oberflächenströmung nutzt, senkt die Zelltemperatur um über 35 °C und verbessert die Nettostromausbeute um 30,9%, trotz des Energieverbrauchs der Pumpe. Die Kühlung mit porösen Medien, die passive Verdampfung durch Kies nutzt, senkt die Modultemperatur um etwa 30 °C und erreicht einen Nettogewinn von 26,3% bei der Stromausbeute. Die Sensitivitätsanalyse des Gitters und die Validierung mit experimentellen Daten unterstützen die Genauigkeit des Modells. Diese Ergebnisse zeigen das signifikante Potenzial von Wasser- und porösen Materialien zur Verbesserung der PV-Leistung in hyperariden Umgebungen auf. Die Studie demonstriert zudem, dass poröse Medien eine hohe thermische Effektivität bei minimalem Energieeinsatz bieten können, was sie zu einer geeigneten kostengünstigen Option für netzunabhängige Anwendungen macht. Zukünftige Arbeiten werden langfristige Klimadaten, reale Diffusorgeometrien und experimentelle Validierungen integrieren, um diese Modelle weiter zu verfeinern.