Published September 18, 2023
| Version v1
Publication
Open
A new fractional Cattaneo model for enhancing the thermal performance of photovoltaic panels using heat spreader: energy, exergy, economic and enviroeconomic (4E) analysis
- 1. Benha University
- 2. Egypt-Japan University of Science and Technology
- 3. Assiut University
- 4. Alexandria University
- 5. Kyushu University
- 6. Tanta University
Description
A new fractional non-Fourier (Cattaneo) photovoltaic (PV) model is presented to enhance the thermal performance of a PV system combined with a heat spreader (HS). The fractional Cattaneo model is shown to be effective in examining transient processes across the entirety of a PV system, in contrast to the conventional Fourier model's inability to predict system performance. Consequently, a comparison is conducted between the classical Fourier model with the fractional Fourier and fractional Cattaneo models for the PV system. The impact of using an aluminum heat spreader, with rectangular and trapezoidal shapes, has been developed under hot and cold climate conditions. The findings show that adding a trapezoidal heat spreader reduced the cell temperature by 20 K in summer and 12 K in winter. The reduction in the PV temperature led to an enhancement in daily average power by approximately 28% and 37% in hot and cold weather, respectively. Moreover, economic, exergoeconomic, and enviroeconomic assessment is introduced. The outcomes revealed that the electrical production costs of the rectangular and trapezoidal HS systems are 0.272 and 0.214 $/kWh, respectively, while about 0.286 $/kWh for the conventional PV panel. Based on the environmental study, the estimated CO2 reduction for PV, PV with rectangular HS, and PV with trapezoidal spreader is 0.5504, 0.7704, and 0.8012 tons, respectively. Finally, real experimental data are used to validate the fractional Cattaneo model. The results demonstrate that there is a great fitting with the measured data, with errors in PV power and exergy efficiency of just 0.628% and 3.84%, respectively, whereas their corresponding values for the classical model are 5.72 and 13.13%.
Translated Descriptions
⚠️
This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%
Translated Description (Arabic)
يتم تقديم نموذج كهروضوئي جديد غير فورييه (Cattaneo) لتعزيز الأداء الحراري للنظام الكهروضوئي جنبًا إلى جنب مع موزع الحرارة (HS). يُظهر نموذج كاتانيو الجزئي فعاليته في فحص العمليات العابرة عبر النظام الكهروضوئي بأكمله، على النقيض من عدم قدرة نموذج فورييه التقليدي على التنبؤ بأداء النظام. وبالتالي، يتم إجراء مقارنة بين نموذج فورييه الكلاسيكي ونماذج فورييه الكسرية ونماذج كاتانيو الكسرية للنظام الكهروضوئي. تم تطوير تأثير استخدام موزع حراري من الألومنيوم، بأشكال مستطيلة وشبه منحرفة، في ظل الظروف المناخية الحارة والباردة. تظهر النتائج أن إضافة موزع حراري شبه منحرف قلل من درجة حرارة الخلية بمقدار 20 كلفن في الصيف و 12 كلفن في الشتاء. أدى الانخفاض في درجة الحرارة الكهروضوئية إلى تعزيز متوسط الطاقة اليومية بنحو 28 ٪ و 37 ٪ في الطقس الحار والبارد، على التوالي. علاوة على ذلك، يتم تقديم التقييم الاقتصادي والاقتصادي الخارجي والبيئي. كشفت النتائج أن تكاليف الإنتاج الكهربائي لأنظمة HS المستطيلة وشبه المنحرفة هي 0.272 و 0.214 دولار/كيلوواط ساعة، على التوالي، بينما تبلغ حوالي 0.286 دولار/كيلوواط ساعة للوحة الكهروضوئية التقليدية. استنادًا إلى الدراسة البيئية، فإن الانخفاض المقدر لثاني أكسيد الكربون للألواح الكهروضوئية والألواح الكهروضوئية مع HS المستطيل والألواح الكهروضوئية مع الموزع شبه المنحرف هو 0.5504 و 0.7704 و 0.8012 طن على التوالي. أخيرًا، يتم استخدام بيانات تجريبية حقيقية للتحقق من صحة نموذج كاتانيو الكسري. تظهر النتائج أن هناك توافقًا كبيرًا مع البيانات المقاسة، مع وجود أخطاء في الطاقة الكهروضوئية وكفاءة الطاقة الخارجية بنسبة 0.628 ٪ و 3.84 ٪ فقط، على التوالي، في حين أن قيمها المقابلة للنموذج الكلاسيكي هي 5.72 و 13.13 ٪.Translated Description (French)
Un nouveau modèle photovoltaïque (PV) non Fourier (Cattaneo) fractionné est présenté pour améliorer les performances thermiques d'un système PV combiné à un dissipateur thermique (HS). Le modèle Cattaneo fractionnaire s'est avéré efficace pour examiner les processus transitoires dans l'ensemble d'un système photovoltaïque, contrairement à l'incapacité du modèle de Fourier conventionnel à prédire les performances du système. Par conséquent, une comparaison est effectuée entre le modèle de Fourier classique et les modèles de Fourier fractionnaire et de Cattaneo fractionnaire pour le système PV. L'impact de l'utilisation d'un dissipateur thermique en aluminium, de formes rectangulaires et trapézoïdales, a été développé dans des conditions climatiques chaudes et froides. Les résultats montrent que l'ajout d'un dissipateur de chaleur trapézoïdal réduisait la température de la cellule de 20 K en été et de 12 K en hiver. La réduction de la température PV a entraîné une augmentation de la puissance moyenne quotidienne d'environ 28 % et 37 % par temps chaud et froid, respectivement. De plus, une évaluation économique, exergoéconomique et enviroéconomique est introduite. Les résultats ont révélé que les coûts de production électrique des systèmes HS rectangulaires et trapézoïdaux sont de 0,272 et 0,214 $ / kWh, respectivement, contre environ 0,286 $ / kWh pour le panneau photovoltaïque conventionnel. Sur la base de l'étude environnementale, la réduction estimée du CO2 pour le PV, le PV avec HS rectangulaire et le PV avec épandeur trapézoïdal est de 0,5504, 0,7704 et 0,8012 tonnes, respectivement. Enfin, des données expérimentales réelles sont utilisées pour valider le modèle de Cattaneo fractionnaire. Les résultats démontrent qu'il y a un grand ajustement avec les données mesurées, avec des erreurs dans la puissance photovoltaïque et l'efficacité exergétique de seulement 0,628% et 3,84%, respectivement, alors que leurs valeurs correspondantes pour le modèle classique sont de 5,72 et 13,13%.Translated Description (Spanish)
Se presenta un nuevo modelo fotovoltaico (PV) fraccional no Fourier (Cattaneo) para mejorar el rendimiento térmico de un sistema PV combinado con un difusor de calor (HS). Se ha demostrado que el modelo fraccional de Cattaneo es eficaz para examinar los procesos transitorios en la totalidad de un sistema fotovoltaico, en contraste con la incapacidad del modelo convencional de Fourier para predecir el rendimiento del sistema. En consecuencia, se realiza una comparación entre el modelo clásico de Fourier con los modelos fraccionario de Fourier y fraccionario de Cattaneo para el sistema fotovoltaico. El impacto del uso de un difusor de calor de aluminio, con formas rectangulares y trapezoidales, se ha desarrollado en condiciones climáticas cálidas y frías. Los hallazgos muestran que la adición de un difusor de calor trapezoidal redujo la temperatura de la celda en 20 K en verano y 12 K en invierno. La reducción de la temperatura fotovoltaica condujo a una mejora de la potencia media diaria de aproximadamente un 28% y un 37% en climas cálidos y fríos, respectivamente. Además, se introduce la evaluación económica, exergoeconómica y ambiental. Los resultados revelaron que los costos de producción eléctrica de los sistemas HS rectangulares y trapezoidales son de 0.272 y 0.214 $/kWh, respectivamente, mientras que alrededor de 0.286 $/kWh para el panel fotovoltaico convencional. Con base en el estudio ambiental, la reducción estimada de CO2 para PV, PV con HS rectangular y PV con esparcidor trapezoidal es de 0.5504, 0.7704 y 0.8012 toneladas, respectivamente. Finalmente, se utilizan datos experimentales reales para validar el modelo fraccional de Cattaneo. Los resultados demuestran que hay un gran ajuste con los datos medidos, con errores en la potencia fotovoltaica y la eficiencia de exergía de solo 0.628% y 3.84%, respectivamente, mientras que sus valores correspondientes para el modelo clásico son 5.72 y 13.13%.Files
s11356-023-29654-8.pdf.pdf
Files
(2.8 MB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:63acb16e51119949fdebe17914b1bafa
|
2.8 MB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نموذج Cattaneo تجزيئي جديد لتعزيز الأداء الحراري للألواح الكهروضوئية باستخدام موزع الحرارة: تحليل الطاقة والطاقة الخارجية والاقتصاد والبيئة الاقتصادية (4E)
- Translated title (French)
- Un nouveau modèle Cattaneo fractionné pour améliorer les performances thermiques des panneaux photovoltaïques à l'aide d'un dissipateur thermique : analyse énergétique, exergétique, économique et environnementale (4E)
- Translated title (Spanish)
- Un nuevo modelo fraccional de Cattaneo para mejorar el rendimiento térmico de los paneles fotovoltaicos utilizando un difusor de calor: análisis de energía, exergía, económico y medioambiental (4E)
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W4386817416
- DOI
- 10.1007/s11356-023-29654-8
References
- https://openalex.org/W1486764886
- https://openalex.org/W2001011967
- https://openalex.org/W2056898954
- https://openalex.org/W2072365174
- https://openalex.org/W2081432101
- https://openalex.org/W2085110512
- https://openalex.org/W2198359855
- https://openalex.org/W2526730640
- https://openalex.org/W2731668492
- https://openalex.org/W2781228650
- https://openalex.org/W2804813409
- https://openalex.org/W2887855061
- https://openalex.org/W2892177049
- https://openalex.org/W2898418347
- https://openalex.org/W2898551752
- https://openalex.org/W2907132406
- https://openalex.org/W2914315068
- https://openalex.org/W2919902961
- https://openalex.org/W2921552289
- https://openalex.org/W2922428687
- https://openalex.org/W2923505959
- https://openalex.org/W2941482539
- https://openalex.org/W2950933408
- https://openalex.org/W2962784945
- https://openalex.org/W2964673171
- https://openalex.org/W3024698236
- https://openalex.org/W3025958033
- https://openalex.org/W3035602150
- https://openalex.org/W3048388425
- https://openalex.org/W3086768000
- https://openalex.org/W3093064499
- https://openalex.org/W3100556979
- https://openalex.org/W3109962890
- https://openalex.org/W3131195753
- https://openalex.org/W3178210728
- https://openalex.org/W3193732826
- https://openalex.org/W3194094526
- https://openalex.org/W3204882453
- https://openalex.org/W396366325
- https://openalex.org/W4200135853
- https://openalex.org/W4210691307
- https://openalex.org/W4250309068
- https://openalex.org/W4282568300
- https://openalex.org/W4285211488