Thermal Management of Photovoltaic Cells based on Construtal Law

Abstract

The increase of temperature on PV cells is considered one of the most critical issues that affects their efficiency, promoting degradation and cell life reduction. Therefore, thermal management is essential and must be an integral part of PV systems. In this thesis, the constructal law is explored as a design tool to develop a thermal management system for PV cells, based on single-phase forced convection.

In order to cool the PV cell rectangular area, a tree-network structure has been chosen to test the constructal theory approach. Considering this, an experimental facility has been built with 3D printing. The voltage and temperature output of a PV cell has been characterized with and without thermal management. The results evidence an improvement of 32 % on the PV cell efficiency through a decrease in the temperature coefficient (∂V/∂T) of 16.5 %. Therefore, constructal design applied to cooling technology shows great potential to improve photovoltaic thermal managements.

O aumento da temperatura em células fotovoltaicas é considerado um dos problemas mais críticos que afeta a sua eficiência, promovendo degradação e redução da vida útil da célula. Portanto, o controlo da temperatura é essencial e deve ser uma parte integrante dos sistemas fotovoltaicos. Esta tese explora a lei construtal para desenvolver uma instalação experimental para arrefecimento das células fotovoltaicas.

De forma a arrefecer a área retangular da célula fotovoltaica, foi es- colhida uma estrutura em árvore para testar a abordagem da teoria con- strutal. Tendo isto em consideração, foi construída uma instalação ex- perimental com impressão 3D. A voltagem produzida e a temperatura da célula fotovoltaica foram caracterizados com e sem o sistema de gestão tér- mica. Os resultados evidenciam um melhoramento de 32 % na eficiência da célula através de uma redução no coeficiente de temperatura ((∂V/∂T) de 16.5 %. Portanto, o design construtal aplicado a tecnologia de arrefecimento demonstra grande potencial para melhorar a gestão térmica de sistemas fo- tovoltaicos.