CC BY
44УДК 004.457; 621.383; 620.91
МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ КРОВЕЛЬНОЙ ПАНЕЛИ ДЛЯ
ЭНЕРГСНАБЖЕНИЯ ОБЪЕКТОВ
Панченко В.А.
Российский университет транспорта (МИИТ), 127994, г. Москва, ул. Образцова, [email protected]
Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, [email protected]
Аннотация. Солнечная кровельная панель выполняет как строительно-защитную функцию, так и электрогенерирующую. В состав подложки такого солнечного модуля входит вторичное сырьё, что положительно сказывается на экологии. Наряду с представленными функциями солнечная кровельная панель имеет приятный эстетичный внешний вид, что нельзя сказать о стандартных планарных солнечных модулях. Однако во время эксплуатации как стандартных солнечных модулей, так и кровельных солнечных панелей происходит перегрев солнечных элементов и выработка электричества снижается. Для увеличения электрической эффективности и получения также тепловой энергии в виде тёплой воды на выходе предложено создание теплофотоэлектрической кровельной панели. Для этой цели в представленной статье рассмотрена методика создания трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей в системе автоматизированного проектирования КОМПАС 3Б. В качестве примера использования методики представлена разработанная солнечная кровельная теплофотоэлектрическая панель. Созданные трёхмерные модели сборок солнечных теплофотоэлектрических модулей в дальнейшем могут проходить различные испытания в системах конечно-элементного анализа (Ашуз) с целью оптимизации конструкции и уточнения различных эксплуатационных параметров. В качестве примера реализации разработанной методики представлен процесс визуализации теплового режима работы водяного радиатора солнечного теплофотоэлектрического модуля, модель которого создана в системе автоматизированного проектирования. В результате расчётов в программном комплексе конечно-элементного анализа Ашуз по разработанной методике можно делать выводы о целесообразности созданной конструкции с дальнейшим её редактированием, визуализировать тепловые поля и линии тока охлаждающего радиатор агента. Также в статье предложена методика изготовления прототипа корпуса солнечной кровельной панели, изготавливаемой с помощью аддитивных технологий, что позволит значительно снизить затраты на первоначальном этапе создания опытного образца ввиду возможности оперативных изменений трёхмерной модели с последующей печатью изменённой и оптимизированной модели.
Объект исследования: эффективность теплофотоэлектрического преобразования солнечного излучения с помощью кровельных солнечных панелей.
Предмет исследования: теплофотоэлектрическая кровельная панель, для создания которой разработаны методики проектирования конструкции и исследования тепловых режимов работы.
Материалы и методы: для создания методик применялись система автоматизированного проектирования КОМПАС 3D, система конечно-элементного анализа ANSYS и слайсер 3D принтера.
Результаты: результатом исследований является возможность создания, исследования тепловых процессов и изготовления подложки с помощью аддитивных технологий теплофотоэлектрической кровельной панели.
Выводы: при использовании разработанных теплофотоэлектрических кровельных панелей электрическая эффективность преобразования солнечной энергии увеличивается, общая эффективность модуля растёт за счёт добавления тепловой составляющей, срок номинальной мощности модуля увеличивается за счёт применения полисилоксанового компаунда, отрицательное воздействие на экологию уменьшается ввиду использования вторичного пластика, а привлекательность использования таких панелей увеличивается за счёт эстетичного внешнего вида и возмжности их использования в качестве строительно-защитного материала.
Ключевые слова: кровельная солнечная панель, система автоматизированного проектирования, система конечно-элементного анализа, солнечный теплофотоэлектрический модуль, увеличенный срок службы, аддитивные технологии
ВВЕДЕНИЕ
Кровельная солнечная панель представляет собой черепицу стандартной формы, изготовленную из вторичного сырья (полиэтиленовые бутылки или стрейч-пленка и связующие компоненты), что удешевляет
изготовление и благоприятно сказывается на экологии. В состав солнечной черепицы [1 - 3] также входят солнечные элементы, находящиеся в полисилоксановом компаунде, который
увеличивает срок их номинальной мощности [4, 5] и которые работают совместно с дополнительно установленным концентратором (в
концентраторном исполнении).
Для реализации идеи солнечной кровельной черепиц в системе автоматизированного панели разработаны двухмерные и трёхмерные проектирования (рисунок 1). модели подложек планарной и концентраторной
Рис. 1. Двумерные и трёхмерные модели подложек кровельных солнечных панелей в концентраторном (посередине и справа) и планарном (слева) исполнениях, реализованные в системе автоматизированного проектирования
Fig. 1. Two-dimensional and three-dimensional models of substrates of roof solar panels in the concentrator (middle and right)
and planar (left) designs implemented in the CAD system
Использование концентраторов в кровельной солнечной панели позволяет снизить расход полупроводникового материала и уменьшить стоимость самого модуля [3, 6]. Корпус кровельной солнечной панели может быть выполнен как из ударопрочной пластмассы, так и из керамики или смеси песка и вторичной пластмассы. Внутренние полости корпуса отформованы для размещения защитного покрытия для
полупараболоцилиндрических зеркальных
отражателей, отклоняющей оптической системы и приёмников из скоммутированных солнечных элементов. Защитное покрытие также может быть выполнено в виде оптической отклоняющей системы, а зеркальные отражатели - из плоских зеркальных стеклянных фацет, плоскости которых параллельны фокальной оси.
В концентраторном исполнении размеры приёмника обосновывались величиной
концентрации солнечного излучения, которая по
тепловому состоянию работы приёмника не должна превышать 5 крат при воздушном охлаждении солнечных элементов. При размерах фотоэлектрического приёмника концентраторной солнечной панели 40 х 160 мм и размере единичного элемента 40 х 40 мм (4 солнечных элемента в секции приёмника, соединённые параллельно для увеличения силы электрического тока), теоретическая концентрация солнечного излучения на фотоэлектрическом приёмнике составила около 4 крат.
В результате совместной работы с ООО ''Кровельное производство" г. Анапа по разработанным двумерным и трёхмерным моделям подложек солнечной кровельной панели изготовлена пресс-форма для изготовления подложек концентраторных солнечных панелей, а затем и опытная партия образцов этих подложек для последующей сборки с солнечными модулями для двух типов (рисунок 2).
Рис. 2. Кровельные солнечные панели в концентраторном и планарном исполнениях, изготовленные по трём
разработанным технологиям
Fig. 2. Roofing solar panels in concentrator and planar versions, manufactured using three developed technologies
Коммутация солнечных кровельных панелей получения большого напряжения на выходе, где между собой производится последовательно для напряжение каждой панели составляет 1 - 1,2 В. В
коммутационной коробке предусмотрен диод Шоттки, а на выходе установлена пара герметичных пластиковых штекеров MC 4. При монтаже панели крепятся на деревянную балку двумя саморезами каждая, покрывая часть последующей черепицы и образуя, таким образом, замок.
Кровельные концентраторные солнечные панели устанавливаются на южном скате крыши здания под двумя возможными углами - для максимальной выработки в летние месяцы или для максимальной выработкой в зимние месяцы года [2]. При использовании дополнительной призматической оптической отклоняющей системы увеличивается эффективный апертурный угол
солнечного модуля с концентратором, продолжительность работы в стационарном режиме и уменьшаются косинусные потери. Кровельная концентраторная солнечная панель работает в стационарном режиме без слежения за Солнцем и собирает на приёмнике прямую и диффузную солнечную радиацию в пределах апертурного угла.
На рисунке 3 представлены вольтамперные характеристики разработанной и изготовленной солнечной кровельной панели в планарном исполнении, изготовленныой по технологии капсулирования солнечных элементов
полисилоксановым компаундом (рисунок 3).
Рис. 3. Лабораторная вольтамперная характеристика (слева) разработанной солнечной кровельной панели в планарном исполнении, изготовленной по технологии капсулирования и при натурных испытаниях (справа)
Fig. 3. Laboratory volt-ampere characteristic (on the left) of the developed solar roof panel in planar version, made by
encapsulation technology and in full-scale tests (right)
При температуре окружающей среды около 15 °С температура лицевой поверхности планарной ламинированной кровельной солнечной панели в процессе натурных испытаний составила 42 °С, тыльной - 34 °С. Температура лицевой поверхности планарной капсулированной кровельной солнечной панели в процессе натурных испытаний составила 40 °С, тыльной - 32 °С, что
говорит о более благоприятном тепловом режиме работы солнечных элементов в капсулированном солнечном модуле.
В таблице 1 представлены физико-энергетические характеристики разработанных солнечных кровельных панелей двух типов после натурных испытаний
Таблица 1. Физико-энергетические характеристики разработанных солнечных кровельных панелей в концентраторном и планарном исполнениях (капсулированный и ламинированный)
Table 1. Physical and energy characteristics of the developed solar roof panels in the concentrator and planar versions
(encapsulated and laminated)
Показатель Единица измерения Величина (в концентраторном/ планарном (капс); (ламин.) исполнениях)
Напряжение холостого хода В 1,12 / 1,11; 1,08
Рабочее напряжение В 0,8 / 0,85; 0,83
Ток короткого замыкания А 2,8 / 3,5; 3,32
Рабочий ток А 2,53 / 3,06; 3,01
Продолжение таблицы 1 Continuation of table 1
Электрическая мощность Вт 2 / 2,6; 2,5
Коэффициент заполнения ВАХ - 0,64 / 0,67; 0,64
Коэффициент концентрации крат 4 (теор.) 2 (практ.) / -
Температура лиц. и тыл. сторон °С - / 40 и 32; 42 и 34
Размеры модуля мм 420 х 310 х 80 / 420 х 310 х 50
Срок номинальной мощности лет 40 - 50 / 40 - 50; 20 - 25
Масса модуля кг 3,5 / 2,3; 2,1
Основываясь на тепловом режиме работы солнечных кровельных панелей, можно сделать вывод о целесообразности применения охлаждения солнечных элементов в виду уменьшения их эффективности с ростом температуры и возможности отвода полезной тепловой энергии в виде тёплой воды. Для таких целей следует разработать теплофотоэлектрический тип солнечных кровельных панелей.
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Приёмники солнечных
теплофотоэлектрических (photovoltaic thermal -PVT) модулей планарных и концентраторных систем могут иметь различную конструкцию, однако следует отметить, что конструктивные компоненты, применяемые в таких модулях, имеют принципиально схожую структуру. Конструкции таких модулей отличаются сложностью, однако в большинстве вариантов сложность конструкции позволяет добиться максимальной эффективности модуля, которая суммируется из эффективностей электрической части и тепловой, вклад которых в общую эффективность можно варьировать в зависимости от необходимости, однако зачастую при увеличении электрической эффективности уменьшается тепловая и наоборот. Основной задачей современных исследований является поиск оптимального варианта конструкции, при котором общая эффективность модуля будет максимальной.
В работе [7] подробно рассмотрен PVT-модуль с трубчато-листовым теплообменником. Основным недостатком такого типа PVT-модуля является низкая эффективность преобразования солнечной энергии в теплоту в связи с плохим тепловым контактом каналов теплообменника с солнечными элементами и большими тепловыми потерями. Основным недостатком PVT-системы, представленной в публикации [8] следует отметить малый срок службы модуля с использованием этиленвинилацетата в качестве заполнителя по сравнению с полисилоксановым
двухкомпонентным гелем, разрабатываемым сотрудниками ВИЭСХ [4, 5]. Также следует отметить большие тепловые потери ввиду плохой
лицевой изоляции от внешней среды. Основной задачей оптимизации конструкции, представленной в публикации [9] является оптимизация размера зазоров с теплопроводящим слоем и охлаждающей жидкостью. При усовершенствовании конструкции теплофотоэлектрического модуля, описанного в публикации [10], где абсорбер изготовлен в виде прямоугольника в сечении, возможно изготовление абсорбера в виде V-образного треугольника, который представлен в публикации [11]. Благодаря такому изменению конструкции уменьшаются тепловые потери, а также возможно изготовление теплофотоэлектрического модуля, как с воздушным, так и жидкостным теплоносителями. Применяя все положительные аспекты конструкций, указанных выше, возможно увеличение обшей эффективности РУТ-модуля, однако в случаях, когда температура теплоносителя недостаточна по каким-либо причинам целесообразно применение концентраторных параболических систем малой концентрации [12, 13]. На сегодняшний день одной из самых совершенных конструкций с точки зрения коммерциализации, являются модули компании Solimpeks [14]. Однако даже серийно изготавливаемые модули отличаются большой материалоёмкостью, массой и, соответственно, стоимостью. К тому же модули выполняются в двух вариантах для различного назначения -максимальной электрической эффективности и максимальной тепловой эффективности, что позволяет усомниться универсальностью данной разработки, так как в любом случае происходит уменьшение одной из составляющих энергоснабжения. Также интересны конструкции теплофотоэлектрических модулей компания Sunsystem [15], которая производит РУТ-модули с трубчатым теплообменником.
В работе [16] студенты из Датского технического университета представили РУТ-модуль с трубчатым теплообменником, где авторами проведено компьютерное моделирование установки, рассчитана оптимальная конфигурация абсорбера и проведены натурные испытания. В работе [17] рассмотрен плоский
фотоэлектрический тепловой коллектор, в котором
приёмником излучения является
светопоглощающая пластина с фотоэлементами, а под этой пластиной находятся трубки с циркулирующим теплоносителем. К недостаткам фотоэлектрических тепловых модулей с трубчатыми теплообменниками можно отнести низкую эффективность передачи тепловой энергии за счёт недостаточного теплового контакта абсорбера и подложки фотоэлементов. Для решения этой проблемы в работе [18] представлен фотоэлектрический тепловой модуль, в котором фотоприёмник механически прижат к тепловому коллектору без помощи какого-либо монтажного клея.
Для теоретического исследования PVT-модулей широко используется математическое моделирование. Аналитический метод
математического моделирования представляет собой некие функции, описывающие зависимость выходных характеристик, различных показателей моделируемого объекта от входных воздействий, внутренних параметров, независимых аргументов и прочего [19, 20]. В основе многих математических моделей PVT-модулей применяются
математические модели плоских жидкостных солнечных коллекторов, созданных с учётом специфики фотоэлектрических преобразователей. Флорсчуетз [21], Санднес и Рекстад [22] в своих работах создали математические модели на основе плоского солнечного коллектора Хоттел-Виллера с учётом специфики фотоэлектрической тепловой технологии. В настоящее же время широкое распространение получили PVT-модули с трубчато-листовым теплообменником [23]. В работе [24] проведено экспериментальное исследование эксплуатационных характеристик двух типов PVT-модулей.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
Для осуществления таковых поисковых задач необходимо создание методик, которые позволяли бы на первоначальном этапе создавать такие солнечные теплофотоэлектрические модули различной конструкции в виде трёхмерных моделей, после создания которых, такие модели подлежали бы детальному исследованию тепловых процессов, происходящих в них. Для этой задачи также необходимы методики расчёта, в которых описана последовательность таких тепловых расчётов и визуализаций тепловых процессов, происходящих в модуле при различных условиях.
Результатом моделирования является создание оптимизированной модели солнечного
теплофотоэлектрического модуля, который рекомендуется к прототипированию. Однако само протипирование первичного макета разработанного модуля также требует методики для своей реализации, на основании которой можно создавать различные модули в ускоренном режиме
и с экономией финансовых и материальных средств.
В настоящее время существует ряд программных комплексов, которые в качестве инструмента позволяют создавать как трёхмерные модели объектов, проводить различное моделирование теплового состояния модулей с одновременной визуализацией полученных результатов, так и создавать прототипы таких модулей с помощью аддитивных технологий, затрачивая относительно небольшие ресурсы, что очень важно на первоначальном этапе проектирования. В качестве инструмента создания двумерных и трёхмерный моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей стационарной и мобильной энергогенерации, можно применять системы автоматизированного проектирования, например, программный комплекс компании Аскон - КОМПАС 3D [25], который уже в течение нескольких десятилетий зарекомендовал себя как достойный отечественный инструмент трёхмерного проектирования с полным соответствием единому стандарту конструкторской документации Российской Федерации.
МЕТОДИКА СОЗДАНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
В рассматриваемой методике создания моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей разрабатываются конструкции модулей стационарной и мобильной энергогенерации, основными отличиями конструкций которых являются размеры солнечных элементов, количество освещаемых сторон солнечных элементов (одно- и двусторонние) и размеры полостей радиатора из-за различного солнечного потока на лучевоспринимающую поверхность (указанные размеры оптимизируются в программном комплексе Ansys [26]).
Основной же задачей разрабатываемой методики является создание моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей стационарной и мобильной энергогенерации, последовательность выполнения которой будет универсальна для создания широкого спектра таких модулей для различного назначения и различных требований. Разрабатываемая методика создаётся для двух типов солнечных теплофотоэлектрических модулей, которые используются в планарных и концентраторных системах.
Первым типом солнечного
теплофотоэлектрического модуля для
использования в концентраторной системе является солнечный модуль с двусторонней лучевоспринимающей поверхностью. Количество компонентов, применяемых в таком типе модулей, ограничено необходимостью обеспечения прозрачности обеих наружных
лучевоспринимающих сторон модуля в спектре
солнечного излучения, в котором солнечный элемент генерирует электричество. Вторым типом солнечного теплофотоэлектрического модуля для использования в планарной системе является солнечный модуль с односторонней лучевоспринимающей стороной. В таком типе модуля количество применяемых компонентов может быть расширено и конструкции усложнены
(рисунок 4). Оба типа приёмников теплофотоэлектрического солнечного модуля также подразделяются по типу охлаждения лучевоспринимающей стороны приёмника (теплосъём) - лицевой, тыловой, двусторонний. В зависимости от лучевоспринимающих сторон и типа теплосъёма создание модуля происходит по одной из четырёх моделей.
Рис. 4. Методика создания трёхмерной модели приёмника теплофотоэлектрического солнечного модуля с различными
лучевоспринимающими сторонами и типами теплосъёма
Fig. 4. Method for creating a three-dimensional model of a receiver of a photovoltaic thermal solar module with different beam-
receiving sides and types of heat removal
Разработанная методика создания моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей стационарной и мобильной энергогенерации, реализуемая в программном комплексе КОМПАС 3D, позволяет создавать модели приёмников солнечных теплофотоэлектрических модулей с различными параметрами планарного и концентраторного типов для стационарной и мобильной энергогенерации с:
- односторонними солнечными элементами и лицевым теплосъёмом (модель 1, рисунок 5 первая сверху) [27, 28];
- односторонними солнечными элементами и тыловым теплосъёмом (модель 2, рисунок 5 вторая сверху);
- односторонними солнечными элементами и двусторонним теплосъёмом (модель 3, рисунок 5 третья сверху);
- двусторонними солнечными элементами и двусторонним теплосъёмом (модель 4, рисунок 5 первая снизу) [29 - 31];
Наибольшее применение в качестве электрогенерирующего элемента находят кремниевые солнечные односторонние элементы с одно- и двусторонней контактной сеткой. Размеры таких солнечных элементов составляют 125 мм и 156 мм, изготавливаются они в форме квадрата и псевдоквадрата. Такие элементы взяты за основу солнечных теплофотоэлектрических модулей с односторонней засветкой (модель 1, 2 и 3). Стоит отметить, что в качестве герметизирующего компонента в сборочной единице солнечного теплофотоэлектрического модуля может применяться двухкомпонентный
полисилоксановый компаунд, который увеличивает срок номинальной работы солнечных элементов, оптически прозрачен, что увеличивает эффективность солнечных элементов по сравнению с этиленвинилацетатной плёнкой и может использоваться в системах с концентраторами, причём эффективность работы солнечных элементов не снижается как при большой положительной, так и большой отрицательной температуре [4, 5]. Из-за тылового теплосъёма Модели 2 качество теплоизоляции можно улучшить, используя потенциально большее
количество компонентов вне зависимости от их прозрачности. Модель 3 сочетает в себе компоненты, используемые при создании Модели 1 и Модели 2, таким образом, конструкция
усложняется, но одновременно появляется возможность более тонкой оптимизации охлаждения двух сторон солнечного элемента.
Рис. 5. Трёхмерные модели четырёх приёмников солнечных теплофотоэлектрических модулей Fig. 5. Three-dimensional models of four receivers of solar photovoltaic thermal modules
Для реализации Модели 4 в качестве двустороннего солнечного элемента принимаются высоковольтные солнечные элементы с увеличенной электрической эффективностью по сравнению со стандартными планарными кремниевыми солнечными элементами, используемыми без концентраторов [29 - 31] (рисунок 6). Наряду с повышением эффективности до 28 % увеличивается и срок номинальной мощности солнечных элементов благодаря
применению двухкомпонентного
полисилоксанового компаунда. Такой высокой эффективности удаётся добиться при использовании концентраторов солнечного излучения, при работе с которыми высоковольтные солнечные элементы не ухудшают своих характеристик, а количество кремния солнечного качества, используемого в таких установках, уменьшается.
Рис. 6. Двусторонние солнечные высоковольтные элементы в полисилоксановом компаунде и с напряжением 1000 В Fig. 6. Bilateralsolar high-voltage elements in a polysiloxane compound and with a voltage of 1000 V
Такой солнечный теплофотоэлектрический модуль (Модель 4) целесообразно использовать в концентраторной системе с получением тёплой воды на выходе.
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ СОЗДАНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ МОДЕЛЕЙ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
С помощью полученных моделей приёмников солнечных теплофотоэлектрических модулей можно получить двумерные чертежи разрабатываемых модулей для последующего изготовления на производстве. В качестве применения разработанной методики создания трёхмерных моделей солнечных
теплофотоэлектрических модулей представлена сборочная единица кровельной
теплофотоэлектрической панели (рисунок 7).
Для создания сборки в системе автоматизированного проектирования КОМПАС 3D созданы различные компоненты в виде отдельных деталей, входящих в состав разрабатываемого модуля. В состав сборочной единицы планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели входит 8 компонентов, выполняющих различные функции. Основным конструкционным элементом является корпус, к которому крепятся остальные компоненты. В качестве охлаждающего агента
принята вода, которая омывает алюминиевый радиатор чёрного цвета. Герметизация солнечных элементов производится с помощью полисилоксанового двухкомпонентного компаунда, лицевой тонкой, прозрачной плёнки и чёрной ленты по периметру. Теплоизолирующую область представляет собой воздушная прослойка, которая с лицевой поверхности модуля ограничена оптически прозрачным стеклом.
В результате последовательной сборки представленных компонентов образуется трёхмерная сборочная единица планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели (рисунок 7).
Рис. 7. Трёхмерная сборочная единица планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной
панели
Fig. 7. Three-dimensional assembly unit of the planar photovoltaic thermal solar module in the form of a roof panel
Созданная трёхмерная модель планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной солнечной панели ассоциируется с двумерным чертежом для получения конструкторской документации и последующей отработки технологии изготовления
экспериментально модуля (рисунок 8 слева). Спецификация на сборочную единицу теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели, в состав которой входят 8 позиций, представлена на рисунке 8 справа.
Рис. 8. Чертёж сборочной единицы планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели, получённый с созданной трёхмерной модели сборки (слева) и её спецификация (справа)
Fig. 8. Drawing of the assembly unit of a planar photovoltaic thermal solar module in the form of a roof panel, obtained from the created three-dimensional assembly model (left) and its specification (right)
МЕТОДИКА РАСЧЁТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ РАДИАТОРА В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ КОНЕЧНО - ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
Разработанные с помощью созданной методики трёхмерные модели приёмников солнечных теплофотоэлектрических модулей с различными
параметрами планарного и концентраторного типов испытываются в программном комплексе конечно-элементного анализа Ansys для оптимизации конструкций приёмников, в виду чего и разработана методика теплового расчёта теплофотоэлектрических солнечных модулей планарного и концентраторного типов (рисунок 9).
Рис. 9. Методика теплового расчёта теплофотоэлектрических солнечных модулей планарного и концентраторного типов с использованием моделирования процессов в программном комплексе Ansys
Fig. 9. Method of thermal calculation of photovoltaic thermal solar modules of planar and concentrator types using the modeling
of processes in the software complex Ansys
РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДИКИ РАСЧЁТА ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ РАДИАТОРА
В ПРОГРАММНОМ КОМПЛЕКСЕ КОНЕЧНО - ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
Пример расчёта в программном комплексе Ansys по разработанной методике трёхмерной модели радиатора приёмника солнечного
теплофотоэлектрического модуля [32 - 34] представлен на рисунке 10, где представлен вывод тепловых режимов моделей и линий течений охлаждающего агента радиатора с визуализацией тепловых полей, скоростей теплоносителя и линии течений по разработанной методике.
Рис. 10. Тепловые поля модели (слева), скорость теплоносителя (посередине) и линии течений (справа) приёмника
солнечного теплофотоэлектрического модуля
Fig. 10. The thermal fields of the model (left), the velocity of the coolant (in the middle) and the flow line (on the right) of the
receiver of the photovoltaic thermal solar module
В процессе оптимизации радиатора рассчитывались различные его трёхмерные конструкции, после чего можно судить о целесообразности применения каждой
конструкции. Критерием оптимизации радиатора являлись максимальная температура воды на выходе из радиатора и не превышение температуры поверхности радиатора выше максимальных значений, при которых вольтамперная характеристика солнечных элементов имеет прямоугольную форму.
С помощью разработанной методики можно получать тепловые поля разработанной модели, скорости теплоносителя и линии течений. С помощью визуализированных моделей теплового состояния радиатора можно принимать решения о необходимости оптимизации его конструкцию для получения требуемых параметров теплового состояния самого радиатора и теплоносителя солнечного теплофотоэлектрического модуля.
Таким образом, наряду с фотоэлектрическими солнечными кровельными панелями планарной и концентраторной конструкции большой интерес представляют теплофотоэлектрические солнечные кровельные панели в виду увеличения электрической эффективности солнечных элементов и получения тёплой воды на выходе, что также увеличивает общую эффективность модуля.
Такие солнечные модули обеспечат автономное или параллельное с сетью энергоснабжение различных стационарных объектов.
МЕТОДИКА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРЁХМЕРНЫХ ТВЁРДОТЕЛЬНЫХ ПРОТОТИПОВ КОМПОНЕНТОВ СОЛНЕЧНЫХ МОДУЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПОСЛОЙНОЙ ПЕЧАТИ
Для уменьшения стоимости разработки и изготовления опытных образцов разрабатываемых модулей, целесообразно использовать быстрое прототипирование разрабатываемых образцов с помощью аддитивных технологий на примере 3Б принтера. Однако для адекватности получаемого прототипа и разрабатываемой модели необходимо соответствие моделей в системе
автоматизированного проектирования и слайсера 3Б принтера, для чего и разработана методика изготовления трёхмерных твёрдотельных прототипов компонентов солнечных модулей с использованием послойной печати, реализуемая в программных комплексах 3D принтера и КОМПАС 3D (рисунок 11).
1. Разработка кснцетш-идеи модуля (черепицы) 12. Сборно изготоблемого трехмерного физического компсненпа б солне^ы) мой//ь
Z Создание дй/iepwx хкизоб моду/я б С АО-системе 11 Удаление технологических поддержек и чистобая обрсботка тбердоте/ызго прстотипа
.? Формообразующие оперши./ по дб^ерным эскизам модуля 10. ГЪс/тся печать геометрии тбердоте/ъного прототипа модуля
4. Трехмфная модель модуля б формопе gs bges) 9. Отпрабка 5-кода подгапобленной моде/и на трехмернуо послоинуо печать
5 Необходимые lux мерные расчеты трехмерной модели модуля б САЕ-системе & Создоше трехмернзй модели для печати б слайсере 30 принтера
6. Огтпщюб&ная трехмерная модель модуля б форпате igs (gesJ 1 Зкспсрт геометрии трехмерной модели б фермате sft и/и wri
Рис. 11. Методика изготовления трёхмерных твёрдотельных прототипов компонентов солнечных модулей с использованием послойной печати, реализуемая в программных комплексах 3D принтера и КОМПАС 3D
Fig. 11. Method of manufacturing of three-dimensional solid-state prototypes of solar module components using layer-by-layer printing implemented in 3D printer and KOMPAS 3D software packages
В качестве реализации разработанной методики предлагается использовать корпус солнечной кровельной панели. В разработанной методике большое внимание уделяется разработке двумерных и трёхмерных моделей разрабатываемых модулей наряду с самим процессом послойной печати твёрдотельного прототипа, который может изготавливаться из
вторичного полиэтилена, что положительно сказывается на экологии.
На рисунке 12 представлена подложка солнечной кровельной панели, которая изготавливается методом штамповки по матрице, который слишком затратен из-за подготовки оснастки для первичных экспериментальных модулей, которых могут ещё в дальнейшем ждать дополнительные доработки.
Рис. 12. Изготовленные подложки черепицы стандартным дорогостоящим способом (для экспериментальных
единичных образцов) штамповки по матрице
Fig. 12. Manufactured tile substrates with a standard expensive way (for experimental single samples) die punching
В случае же с трёхмерным прототипированием с помощью 3D принтера любые доработки модуля происходят в системах автоматизированного проектирования (трёхмерных моделях) и занимают незначительное время, а печать самого образца стоит на порядок меньше, чем при производстве, например, по технологии штамповки. По изготовленному твёрдотельному образцу можно судить о целесообразности применения данной конструкции и в случае необходимости внести дополнения в трёхмерную модель с последующей печатью итогового прототипа модуля.
ВЫВОДЫ
Наряду с фотоэлектрическими солнечными кровельными панелями планарной и концентраторной конструкции большой интерес представляют теплофотоэлектрические солнечные кровельные панели в виду увеличения электрической эффективности солнечных элементов и получения тёплой воды на выходе, что также увеличивает общую эффективность модуля. Такие солнечные модули обеспечат автономное или параллельное с сетью энергоснабжение различных стационарных объектов.
Разработанная методика создания трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей, реализуемая в программном комплексе КОМПАС 3D, позволяет создавать трёхмерные модели модулей для дальнейших тепловых расчётов. Созданная трёхмерная модель планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде теплофотоэлектрической кровельной планарной панели позволяет подготовить конструкторскую документацию на
экспериментальный образец. Подготовленная конструкторская документация планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели позволяет отработать технологию изготовления и изготовить экспериментальный модуль для стационарной энергогенерации.
Разработанная методика теплового расчёта радиаторов теплофотоэлектрических солнечных модулей планарного и концентраторного типов с использованием моделирования и
визуализирования процессов в программном комплексе Ansys позволяет судить о целесообразности созданной конструкции радиатора солнечного теплофотоэлектрического модуля и проводить его оптимизацию. С помощью разработанной методики можно визуализировать тепловые поля созданной трёхмерной модели, скорость теплоносителя и линии течений охлаждающего агента радиатора приёмника концентраторного солнечного
теплофотоэлектрического модуля.
Разработанная методика изготовления трёхмерных твёрдотельных прототипов компонентов солнечных модулей с использованием послойной печати, реализуемая в программных комплексах 3D принтера и KОМПАС-3D, позволяет экономить средства и мощности при экспериментальном производстве солнечных модулей с дальнейшей доработкой их конструкции посредством трёхмерной модели.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Стребков Д.С., Панченко В.А., Иродионов А.Е., Кирсанов А.И. Разработка кровельной
солнечной панели // Вестник ВИЭСХ. 2015. № 4 (21), с. 107 - 111.
2. Стребков Д.С., Бобовников Н.Ю., Иродионов А.Е., Кирсанов А.И., Панченко В.А., Филиппченкова Н.С.. Программа ''Один миллион солнечных крыш'' в России // Вестник ВИЭСХ. 2016. № 3 (24), с.80 - 83.
3. Патент РФ на изобретение № 2557272. Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Иродионов А.Е., Панченко В.А., Майоров В.А. Кровельная солнечная панель. Заявка: 2014123409/20,
09.06.2014. Опубликовано: 20.07.2015. Бюл. № 20.
4. Стребков Д.С., Персиц И.С., Панченко В.А. Солнечные модули с увеличенным сроком службы // Инновации в сельском хозяйстве. Теоретический и научно-практический журнал. Инновации в возобновляемой энергетике. № 3(8)/2014, С. 154 -158.
5. Панченко В.А., Стребков Д.С., Персиц И.С. Разработка солнечных модулей с увеличенным сроком номинальной работы // Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечной энергетики Сборник трудов III всероссийской научной конференции 19-20 июня 2015 г., Чебоксары. С. 91 - 94.
6. Патент РФ на изобретение № 2572167. Стребков Д.С., Кирсанов А.И., Иродионов А.Е., Панченко В.А.. Солнечный модуль с концентратором (варианты). Заявка: 2014121269/28, 27.05.2014. Опубликовано:
27.12.2015. Бюл. № 36.
7. Jarrett Carriere and Stephen Harrison. Dimensional heat transfer analysis of a sheet-and-tube flat plate PV/thermal collector. Solar Calorimetry Lab, Queen's University McLaughlin Hall, 136 Stuart Street., Kingston, On. K7L 3N6.
8. Tiwari A, Sodha MS. Performance evaluation of hybrid PV/thermal water/air heating system: a parametric study. Renewable Energy 2006;31:2460-74.
9. Rosell JI, Vallverdu X, Lechon MA, Ibanez M. Design and simulation of a low concentrating photovoltaic/thermal system. Energy Conversion and Management 2005;46:3034-46.
10. Ibrahim A, Jin GL, Daghigh R, Salleh MHM, Othman MY, Ruslan MH, et al. Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) air and water based solar collectors suitable for building integrated applications. American Journal of Environmental Sciences 2009;5:618-24.
11. Othman MYH, Ruslan H, Sopian K, Jin GL. Performance study of photovoltaicthermal (PV/T) solar collector with V-grooved absorber plate. Sains Malaysiana 2009;38:537-41.
12. Alfegi MEA, Sopian K, Othman MYH, Yatim BB. Transient mathematical model of both side single pass photovoltaic thermal air collector. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 2007;2:22-6.
13. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный теплофотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором //
Альтернативная энергетика и экология, 2013, №1/2, С. 35-39.
14. Solimpeks. Volther Hybrid PV-T Panels. [Электронный ресурс] // URL: http://www.solimpeks.com (дата обращения: 20.06.2018).
15. Solar appliances, Heating appliances, Photovoltaics. Sunsystems. [Электронный ресурс] // URL: http://www.sunsystem.bg/en/fotovoltaika/PV-T/ (дата обращения: 20.06.2018).
16. Павел Севела, Бьёрн Олесен. Гибридный солнечный коллектор [Текст] / Павел Севела, Бьёрн Олесен // Sunstainable Building Technologies (осень 2013) с. 90-97.
17. Adnan Ibrahim, Mohd Yusof Othman, Mohd Hafidz Ruslan, Sohif Mat, Kamaruzzaman Sopian. Recent advances in flat plate photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectors [Текст] / Adnan Ibrahim, Mohd Yusof Othman, Mohd Hafidz Ruslan, Sohif Mat, Kamaruzzaman Sopian //Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 352-365.
18. Swaphil Dubey and Andrew A.O. Tay. Experimental study of the performance of two different types of photovoltaic thermal (PVT) modules under Singapore climatic conditions [Текст] / Swaphil Dubey and Andrew A.O. Tay// Ashdin Publishing Journal of Renewable Energy and Applications Vol.2 (2012), Article IDR120313, 6 Pages.
19. Zakharchenko R., Licea-Jime'nez L., Pe'rez-Garci'a SA, Vorobeiv P., Dehesa Carrasco U., Pe'rez-Robels JF., et al. Photovoltaic solar panel for a hybrid PV/thermal system // Sol Energy Mater Sol Cells. 2004. № 82 (1-2). P. 253-261.
20. Bergene T., Lovvik O. Model calculations on a flat-plate solar heat collector with integrated solar cells // Solar Energy. 1995. № 55. P. 453-462.
21. Florschuetz L.W. Extension of the Hottel-Whiller model to the analysis of combined photovoltaic/thermal flat plate collectors // Sol Energy. 1979. №22(4). P. 361-366.
22. Sandnes B., Rekstad J. A photovoltaic/thermal (PV/T) collector with a polymer absorber plate: experimental study and analytic model // Solar Energy. 2002. № 72 (1). P. 63-73.
23. Jarrett Carriere and Stephen Harrison. Dimensional heat transfer analysis of a sheet -and-tube flat plate PV/thermal collector. Solar Calorimetry Lab, Queen's University McLaughlin Hall, 136 Stuart Street., Kingston, On. K7L 3N6.
24. Swapnil Dubey and Andrew A. O. Tay. Experimental Study of the Performance of Two Different Types of Photovoltaic Thermal (PVT) Modules under Singapore Climatic Conditions. Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications Vol. 2 (2012), Article ID R120313, 6 pages.
25. КОМПАСА v17. Инструмент со3Dателя - официальный сайт САПР КОМПАС [Электронный ресурс] // URL: http://kompas.ru/ (дата обращения: 20.06.2018).
26. Engineering Simulation & 3D Design Software - ANSYS [Электронный ресурс] URL:
http://www.ansys.com/ (дата обращения: 20.06.2018).
27. JA SOLAR [Электронный ресурс] // URL: http://jasolar.com/site/solar_Mono/564#level-2 (дата обращения 20.06.18).
28. SunPower [Электронный ресурс] // URL: https://us.sunpower.com/buy-solar-cells/ (дата обращения 20.06.18).
29. Панченко В.А., Стребков Д.С., Поляков В.И., Арбузов Ю.Д. Исследование высоковольтных солнечных модулей // Наноструктурированные материалы и преобразовательные устройства для солнечной энергетики Сборник трудов III всероссийской научной конференции 19-20 июня 2015 г., Чебоксары. С. 94 - 98.
30. Стребков Д.С., Панченко В.А. Высоковольтные солнечные батареи для питания электроракетных и плазменных двигателей // Всероссийская молодёжная научно-практическая конференция «Космодром «Восточный» и перспективы развития российской космонавтики», тезисы докладов, Углегорск - Благовещенск -Москва, 2015 г. С. 36 - 37.
31. Панченко В.А., Стребков Д.С., Поляков В.И., Арбузов Ю.Д. Высоковольтные солнечные модули с напряжением 1000 В // Альтернативная энергетика и экология, 2015, № 19 (183), С. 76 - 81.
32. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко
B.А. Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Энергобезопаность и энергосбережение, 2012, № 5,
C. 15-17
33. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А, Осьмаков М.И., Плохих С.А. Солнечная установка с матричными фотоэлементами и концентратором // Электро, 2013, № 2, С. 50-52
34. Valeriy Kharchenko, Vladimir Panchenko, Pavel V. Tikhonov, Pandian Vasant. Cogenerative PV Thermal Modules of Different Design for Autonomous Heat and Electricity Supply // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development, 2018, pages 86 - 119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch004
REFERENCES
1. Strebkov D.S., Panchenko V.A., Irodionov A.E., Kirsanov A.I. Development of a roofing solar panel // Vestnik VIESH. 2015. No. 4 (21), p. 107 - 111.
2. Strebkov D.S., Bobovnikov N.Yu., Irodionov A.E., Kirsanov A.I., Panchenko V.A., Filippchenkova N.S. Program "One Million Solar Roofs" in Russia // Vestnik VIESH. 2016. № 3 (24), p. 80 - 83.
3. Patent of the Russian Federation for invention No. 2557272. Strebkov D.S., Kirsanov A.I., Irodionov A.E., Panchenko V.A., Mayorov V.A. Roofing solar panel. Application: 2014123409/20, 06/09/2014. Published: 07.20.2015. Bul. No. 20.
4. Strebkov D.S., Persits I.S., Panchenko V.A. Solar modules with extended service life // Innovations in agriculture. Theoretical and scientific and practical
journal. Innovations in renewable energy. No. 3 (8) // 2014, p. 154 - 158.
5. Panchenko V.A., Strebkov D.S., Persits I.S. Development of solar modules with an extended term of nominal work // Nanostructured materials and conversion devices for solar energy Collection of Proceedings of the III All-Russian Scientific Conference June 19-20, 2015, Cheboksary. P. 91 - 94.
6. Patent of the Russian Federation for invention No. 2572167. Strebkov D.S., Kirsanov A.I., Irodionov A.E., Panchenko V.A. Solar module with a concentrator (variants). Application: 2014121269/28, May 27, 2014. Published: 27.12.2015. Bul. No. 36.
7. Jarrett Carriere and Stephen Harrison. Dimensional heat transfer analysis of a sheet-and-tube flat plate PV/thermal collector. Solar Calorimetry Lab, Queen's University McLaughlin Hall, 136 Stuart Street., Kingston, On. K7L 3N6.
8. Tiwari A, Sodha MS. Performance evaluation of hybrid PV/thermal water/air heating system: a parametric study. Renewable Energy 2006;31:2460-74.
9. Rosell JI, Vallverdu X, Lechon MA, Ibanez M. Design and simulation of a low concentrating photovoltaic/thermal system. Energy Conversion and Management 2005;46:3034-46.
10. Ibrahim A, Jin GL, Daghigh R, Salleh MHM, Othman MY, Ruslan MH, et al. Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) air and water based solar collectors suitable for building integrated applications. American Journal of Environmental Sciences 2009;5:618-24.
11. Othman MYH, Ruslan H, Sopian K, Jin GL. Performance study of photovoltaicthermal (PV/T) solar collector with V-grooved absorber plate. Sains Malaysiana 2009;38:537-41.
12. Alfegi MEA, Sopian K, Othman MYH, Yatim BB. Transient mathematical model of both side single pass photovoltaic thermal air collector. ARPN Journal of Engineering and Applied Sciences 2007;2:22-6.
13. Strebkov D.S., Mayorov V.A., Panchenko V.A. Solar photovoltaic thermal module with a parabolic concentrator // Alternative energy and ecology, 2013, №1/2, p. 35-39.
14. Solimpeks. Volther Hybrid PV-T Panels. [Electronic resource] // URL: http://www.solimpeks.com (reference date: June 20, 2018).
15. Solar appliances, Heating appliances, Photovoltaics. Sunsystems. [Electronic resource] // URL: http://www.sunsystem.bg/en/fotovoltaika/PV-T/ (reference date: June 20, 2018).
16. Pavel Sevela, Bjorn Olesen. Hybrid solar collector [Text] / Pavel Sevela, Bjorn Olesen // Sunstainable Building Technologies (autumn 2013) p. 90-97.
17. Adnan Ibrahim, Mohd Yusof Othman, Mohd Hafidz Ruslan, Sohif Mat, Kamaruzzaman Sopian. Recent advances in flat plate photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectors [Text] / Adnan Ibrahim, Mohd Yusof Othman, Mohd Hafidz Ruslan, Sohif Mat, Kamaruzzaman Sopian //Renewable and Sustainable Energy Reviews 15 (2011) 352-365.
18. Swaphil Dubey and Andrew A.O. Tay. Experimental study of the performance of two different types of photovoltaic thermal (PVT) modules under Singapore climatic conditions [Text] / Swaphil Dubey and Andrew A.O. Tay// Ashdin Publishing Journal of Renewable Energy and Applications Vol.2 (2012), Article IDR120313, 6 Pages.
19. Zakharchenko R., Licea-Jime'nez L., Pe'rez-Garci'a SA, Vorobeiv P., Dehesa Carrasco U., Pe'rez-Robels JF., et al. Photovoltaic solar panel for a hybrid PV/thermal system // Sol Energy Mater Sol Cells. 2004. № 82 (1-2). P. 253-261.
20. Bergene T., Lovvik O. Model calculations on a flat-plate solar heat collector with integrated solar cells // Solar Energy. 1995. № 55. P. 453-462.
21. Florschuetz L.W. Extension of the Hottel-Whiller model to the analysis of combined photovoltaic/thermal flat plate collectors // Sol Energy. 1979. №22(4). P. 361-366.
22. Sandnes B., Rekstad J. A photovoltaic/thermal (PV/T) collector with a polymer absorber plate: experimental study and analytic model // Solar Energy. 2002. № 72 (1). P. 63-73.
23. Jarrett Carriere and Stephen Harrison. Dimensional heat transfer analysis of a sheet -and-tube flat plate PV/thermal collector. Solar Calorimetry Lab, Queen's University McLaughlin Hall, 136 Stuart Street., Kingston, On. K7L 3N6.
24. Swapnil Dubey and Andrew A. O. Tay. Experimental Study of the Performance of Two Different Types of Photovoltaic Thermal (PVT) Modules under Singapore Climatic Conditions. Journal of Fundamentals of Renewable Energy and Applications Vol. 2 (2012), Article ID R120313, 6 pages.
25. KOMPAS-3D v17. The tool of the author is the official site of CAD KOMPAS [Electronic resource] // URL: http://kompas.ru/ (reference date: June 20, 2018).
26. Engineering Simulation & 3D Design Software - ANSYS [Electronic resource] URL: http://www.ansys.com/ (reference date: June 20, 2018).
27. JA SOLAR [Electronic resource] // URL: http ://j asolar. com/site/solar_Mono/564#level-2 (reference date: June 20, 2018).
28. SunPower [Electronic resource] // URL: https://us.sunpower.com/buy-solar-cells/ (reference date: June 20, 2018).
29. Panchenko V.A., Strebkov D.S., Polyakov V.I., Arbuzov Yu.D. Investigation of high-voltage solar modules // Nanostructured materials and conversion devices for solar energy. Collection of Proceedings of the III All-Russian Scientific Conference June 19-20, 2015, Cheboksary. P. 94 - 98.
30. Strebkov D.S., Panchenko V.A. High-voltage solar batteries for powering electrorocket and plasma engines // All-Russian Youth Scientific and Practical Conference "Cosmodrome Vostochny and Prospects for the Development of Russian Cosmonautics", abstracts, Uglegorsk-Blagoveshchensk-Moscow, 2015, p. 36-37.
31. Panchenko V.A., Strebkov D.S., Polyakov V.I., Arbuzov Yu.D. High-voltage solar modules with a voltage of 1000 V // Alternative energy and ecology, 2015, No. 19 (183), p. 76 - 81.
32. Strebkov D.S., Mayorov V.A., Panchenko V.A. Solar photovoltaic module with a parabolic concentrator // Energy security and energy saving,
2012, No. 5, p. 15-17.
33. Strebkov D.S., Mayorov V.A., Panchenko V.A., Osmakov M.I., Plokhikh S.A. Solar installation with matrix photocells and a concentrator // Elektro,
2013, No. 2, p. 50-52.
34. Valeriy Kharchenko, Vladimir Panchenko, Pavel V. Tikhonov, Pandian Vasant. Cogenerative PV Thermal Modules of Different Design for Autonomous Heat and Electricity Supply // Handbook of Research on Renewable Energy and Electric Resources for Sustainable Rural Development, 2018, pages 86 - 119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch00
MODELING OF THE PHOTOVOLTAIC THERMAL ROOFING PANEL FOR THE ENERGY
SUPPLY OF OBJECTS
Panchenko V.A.
Summary. The solar roofing panel performs both a construction-protective function and an electro-generating function. The composition of the substrate of such a solar module includes secondary raw materials, which positively affects the environment. Along with the functions presented, the solar roof panel has a pleasant aesthetic appearance, which can not be said for standard planar solar modules. However, during the operation of both standard solar modules and roofing solar panels, solar cells overheat and electricity production is reduced. To increase the electrical efficiency and to obtain also thermal energy in the form of warm water, the creation of a photovoltaic thermal roofing panel is proposed. For this purpose in the presented article the technique of creation of three-dimensional models of solar photovoltaic thermal modules in computer-aided design KOMPAS 3D is considered. As an example of the use of the technique, a developed solar photovoltaic thermal roofing panel is presented. The created 3D models of assemblies of solar photovoltaic thermal modules can later undergo various tests in finite element analysis systems (Ansys) in order to optimize the design and refine the various operational parameters. As an example of the implementation of the developed method, the process of visualization of the thermal mode of operation of the water radiator of a solar photovoltaic thermal module, the model of which is created in the computer-aided design system, is presented. As a result of calculations in the software complex of finite element analysis of Ansys, it is possible to draw conclusions about the expediency of the created design with its further editing, visualize the thermal fields and current lines of the radiator cooling agent. Also, the article suggests a technique for manufacturing a prototype of a solar roofing panel made using additive technologies, which will significantly reduce costs at the initial stage of prototype creation due to the possibility of operative changes of the 3D model with subsequent printing of the modified and optimized model.
Key words: roofing solar panel, computer-aided design system, finite element analysis system, photovoltaic thermal module, extended service life, additive technologies
