Development of a liquid cooling system based on micro-structures integrated on High Concentration Photovoltaic Panel (HCPV)

Pedro Daniel Fernandes Pontes

Key information

Authors:

Pedro Daniel Fernandes Pontes (Pedro Daniel Fernandes Pontes)

Supervisors:

Ana Sofia Oliveira Henriques Moita (Ana Sofia Oliveira Henriques Moita); António Luís Nobre Moreira (António Luís Nobre Moreira)

Published in

May 27, 2024

Abstract

Os Painéis Fotovoltaicos de Alta Concentração (HCPV) mostram um grande potencial devido à sua alta eficiência na captação de energia solar. No entanto, ao considerar os custos de fabrico, os painéis monocristalinos ainda são preferíveis. Nesse sentido, sistemas de arrefecimento têm sido desenvolvidos para melhorar a sua geração elétrica. Muitas das soluções propostas passaram pelos dissipadores de calor de microcanais que mostram elevado potencial no arrefecimento uniforme e de elevado desempenho. No contexto de uma colaboração com a Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ), num projeto financiado pela Petrogalp e pela EMBRAPII, este trabalho visa projetar um dissipador de calor a ser utilizado num módulo HCPV. Neste trabalho, a transferência de calor por ebulição é analisada como uma opção para melhorar a transferência de calor dentro dos dissipadores de calor de microcanais. Primeiramente, uma abordagem para o controlo dos fenómenos de ebulição por meio de modificações na superfície é realizada numa configuração de ebulição em meio quiescente. A otimização de superfícies com padrões mistos de molhabilidade é realizada através de um estudo sistemático das suas características geométricas, experimental e numericamente. Apresenta-se também um estudo experimental sobre a influência das dimensões do canal em protótipos de PDMS (Dimetil polissiloxano). São identificados padrões de escoamento multifásico do refrigerante HFE7100 e as condições críticas de funcionamento para diferentes geometrias. Uma otimização numérica da geometria do canal sob escoamento monofásico é também adicionada à análise. Esta tem o objetivo de criar uma geometria otimizada para o dissipador utilizando um algoritmo genético. Finalmente, usando um dissipador criado pelo algoritmo, um protótipo metálico, fabricado na UFRJ, é testado experimentalmente sob diferentes condições de escoamento. O potencial da ebulição como mecanismo de transferência de calor em microcanais é delineado, mostrando-se eficiente a remover altos fluxos de calor. Porém a água em escoamento monofásico mostra-se mais viável nas condições de trabalho do projeto. High Concentration Photovoltaic Panels (HCPV) show significant potential due to their high efficiency in capturing solar energy. However, considering manufacturing costs, monocrystalline panels are still preferable. In this regard, cooling systems have been developed to enhance their electrical generation. Many of the proposed solutions have involved microchannel heat sinks, which demonstrate high potential for uniform and high-performance cooling. In the context of a collaboration with the Federal University of Rio de Janeiro (UFRJ) in a project funded by Petrogalp and by EMBRAPII, this work aims to design a heat sink for use in an HCPV module. In this work, boiling heat transfer is analyzed as an option to improve heat transfer within microchannel heat sinks. Firstly, an approach to control boiling phenomena through surface modifications is conducted in a pool boiling setup. The optimization of surfaces with mixed wettability patterns is achieved through a systematic study of their geometric characteristics, both experimentally and numerically. An experimental study on the influence of channel dimensions in PDMS (Polydimethylsiloxane) prototypes is also presented. Flow patterns of the HFE7100 refrigerant and critical operating conditions for different geometries are identified. A numerical optimization of the channel geometry under single-phase flow is added to the analysis. This aims to create an optimized geometry for the heat sink using a genetic algorithm. Finally, using a heat sink created by the algorithm, a metallic prototype manufactured at UFRJ is experimentally tested under different flow conditions. The potential of boiling as a heat transfer mechanism in microchannels is outlined, showing efficiency in removing high heat fluxes. However, single-phase water flow proves more viable under the project’s working conditions.