CC BY
45УДК 004.457; 621.383
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В СИСТЕМАХ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И КОНЕЧНО-
ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
В.А. Панченко1,2, С.П. Чирский3
Российский университет транспорта (МИИТ), 127994, г. Москва, ул. Образцова, [email protected]
2Федеральный научный агроинженерный центр ВИМ, 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5,
3Московский государственный технический университет им. Н. Э. Баумана, 105005, г. Москва, 2-я
Бауманская ул., д. 5, [email protected]
Аннотация. В статье рассматривается моделирование солнечных теплофотоэлектрических модулей планарной и концентраторной конструкции в системах автоматизированного проектирования КОМПАС 3D и конечно-элементного анализа Ansys. С целью создания методики проектирования и моделирования такого рода солнечных модулей проанализированы различные их конструктивные особенности. Для создания основных четырёх моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей с различными освещаемыми сторонами и сторонами теплосъёма разработана методика проектирования их трёхмерных моделей в системе автоматизированного проектирования. Созданные трёхмерные модели сборок солнечных теплофотоэлектрических модулей в дальнейшем могут проходить различные испытания в системах конечно-элементного анализа с целью оптимизации конструкции и уточнения различных эксплуатационных параметров. Для исследования тепловых режимов созданных трёхмерных моделей разработана методика визуализации тепловых процессов, скорости теплоносителя и линий течения охлаждающего агента в системе конечно-элементного анализа. Разработанная методика позволяет учитывать послойную структуру солнечных теплофотоэлектрических модулей (компонентов, входящих в состав), где каждый элемент имеет свои физические и геометрические свойства и влияет на тепловые процессы, происходящие в самом модуле. В результате расчётов в программном комплексе конечно-элементного анализа по разработанной методике можно делать выводы о целесообразности созданной конструкции с дальнейшим её редактированием (изменением толщин компонентов, расхода теплоносителя и т.д.), визуализировать тепловые поля и линии тока охлаждающего радиатор агента. В качестве иллюстрации результатов проектирования по разработанной методике представлены трёхмерная модель и сборочный чертёж теплофотоэлектрической планарной кровельной панели, тепловое состояние которой моделировалось в системе конечно-элементного анализа согласно разработанной методике. Наряду с методикой, учитывающей послойную структуру модуля, разработана методика для экспресс-оценки теплового состояния охлаждающих солнечные элементы радиаторов, где учитываются физические и геометрические свойства исключительно радиатора с теплоносителем. В качестве реализации методики экспресс-оценки теплового состояния представлен оптимизированный радиатор концентраторного солнечного теплофотоэлектрического модуля.
Объект исследования: тепловое состояние солнечных теплофотоэлектрических модулей планарной и концентраторной конструкции, вызуализируемое с помощью системы конечно-элементного анализа.
Предмет исследования: конструкция солнечных теплофотоэлектрических модулей, которая разрабатывается и моделируется с помощью систем автоматизированного проектирования и конечно-элементного анализа.
Материалы и методы: при создания методик, моделировании и оптимизации конструкций солнечных теплофотоэлектрических модулей применялись система автоматизированного проектирования КОМПАС 3D и система конечно-элементного анализа ANSYS.
Результаты: результатом исследований являются созданные методики с помощью которых проектируются и исследуются тепловые процессы трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей планарной и концентраторной конструкции.
Выводы: при использовании разработанных методик моделирования и исследования трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей появляется возможность тонкой послойной оптимизации конструкций таких модулей с получением оптимизированной конструкции солнечного теплофотоэлектрического модуля, который позволит наряду с электроэнергией получать тепловую энергию на выходе за счёт её отбора от солнечных элементов, повышая таким образом их эффективность, и общую эффективность модуля, которая включает в себя электрическую и тепловую составляющие.
Ключевые слова: система автоматизированного проектирования, система конечно-элементного анализа, трёхмерная модель, солнечный теплофотоэлектрический модуль, КОМПАС 3D, ANSYS.
ВВЕДЕНИЕ
Принцип создания единого устройства, обеспечивающего одновременную выработку электрической и тепловой энергии, представляет собой создание теплофотоэлектрического модуля (ТФЭМ) [1], когда структура такого модуля обеспечивается путём размещения солнечных элементов на нагреваемой поглощающей поверхности плоского солнечного коллектора. Абсорбер в такой конструкции выполняет двойную функцию - во-первых, он охлаждает фотоэлектрическую панель, удаляя избыточную энергию, которая не участвует в выработке электроэнергии, тем самым повышая её эффективность, а во-вторых, производит тепловую энергию. Такого рода теплофотолектрические модули могут использоваться как для автономного, так и параллельного с сетью энергоснабжения объектов [2, 3, 4].
АНАЛИЗ ПУБЛИКАЦИЙ
Публикации, в которых рассматриваются давно известные коллектора [5, 6] и фотоэлектрические солнечные элементы [7, 8] широко распространены. История же развития такого класса устройств, как
теплофотоэлектрические солнечные модули, насчитывает несколько десятилетий, где показано, что такая комбинированная система является многообещающей конструкцией для дальнейшего развития. В работах [9, 10] авторы изучали модули, которые нагревают воду и воздух, определили ключевые концепции и основные приоритеты развития когенерационных систем этого типа. Повышение эффективности теплового
преобразования солнечной радиации предполагает высокую рабочую температуру, которая в то же время уменьшает эффективность
фотоэлектрического преобразования.
Неудивительно, что в рассмотренных работах обращается внимание на развитие оптимальной конструкции теплогенерирующей части ТФЭМ, поскольку оптимальная конструкция такого модуля обеспечит высокую эффективность
фотоэлектрической установки и высокую выходную тепловую мощность.
В экспериментальных исследованиях [11, 12, 13] показано, что общая эффективность комбинированного модуля больше, чем эффективность обычной солнечной панели, где суточная тепловая эффективность составила 50,1%, а общая эффективность разработанного модуля превысила 73%. При усовершенствовании конструкции теплофотоэлектрического модуля [14], где абсорбер изготовлен в виде прямоугольника в сечении, возможно изготовление абсорбера в виде V-образного треугольника, который представлен в [15], благодаря чему уменьшаются тепловые потери и улучшается отбор теплоты. В работе [16] представлен
теплофотоэлектрический модуль с трубчатым теплообменником, где максимальная
эффективность жидкостного солнечного коллектора в составе установки составила 48% при выключенных фотоэлектрических
преобразователях, а при одновременном производстве электрической и тепловой энергии его значение снизилось до 42%. В работе [17] рассмотрен плоский фотоэлектрический тепловой коллектор, в котором приёмником излучения является светопоглощающая пластина с фотоэлектрическими элементами, а под этой пластиной находятся трубки с циркулирующим теплоносителем. Исследования [18] показали большую эффективность теплофотоэлектрического модуля с прямоугольными каналами теплоносителя по сравнению с модулем с трубчато-листовым теплообменником. К недостаткам
фотоэлектрических тепловых модулей с трубчатыми теплообменниками можно отнести низкую эффективность передачи тепловой энергии за счёт недостаточного теплового контакта абсорбера и подложки фотоэлектрических элементов. Для решения этой проблемы представлен фотоэлектрический тепловой модуль, в котором фотоприёмник механически прижат к тепловому коллектору без помощи какого-либо монтажного клея. В сравнении с фотоэлектрическим тепловым коллектором с трубчатым радиатором данное техническое решение обеспечивает лучший тепловой контакт между фотоприёмником и теплообменником, что повышает эффективность преобразования солнечной энергии, однако реализовать такое решение проблематично из-за хрупкости фотоэлектрических преобразователей и необходимости герметика для сохранения высоких электрических характеристик.
На сегодняшний день одной из самых совершенных конструкций с точки зрения оптимизации, являются модули компаний 8оИтрек8 [19] и Sunsystem [20], которые производят теплофотоэлектрические модули с трубчатым теплообменником. 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 стоит вопрос срока службы электрической части модуля на уровне номинальной мощности, уровень которой с годами падает.
АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИЙ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ
ТФЭМ могут быть классифицированы по различным признакам, таким как: тип используемых солнечных элементов
(монокристаллический, поликристаллический или аморфный кремний, тонкие пленки и т. д.), застеклённый или незастеклённый модуль, тип охлаждающей жидкости (вода, гликоль или воздух), наличие концентратора и т. д. На практике наиболее распространены воздушные и водяные ТФЭМ, которые могут использоваться для подачи горячей воды и которые создаются на основе солнечного коллектора, который дополняется солнечными элементами, размещёнными на поверхности абсорбера. ТФЭМ с концентраторами также представляют интерес, поскольку они помогают сократить количество дорогостоящих солнечных элементов и повысить их эффективность. Лучшие результаты
демонстрируют ТФЭМ с одинарным остеклением, где плотность выходного излучения ниже, чем у открытой конструкции.
Из вышеприведённого обзора и исследований [1, 21] можно изобразить обобщающие конструкции ТФЭМ (рис. 1), где a) - ТФЭМ с абсорбером типа ''металлический лист- труба''; Ь) -ТФЭМ с абсорбером в канале для жидкости над фотоэлектрической панелью; с) - ТФЭМ с абсорбером в виде канала для жидкости под фотоэлектрической панелью; d) - ТФЭМ абсорбер с прямоугольными каналами; e) - ТФЭМ с абсорбером в канале, частично заполненным жидкостью и расположенным над
фотоэлектрической панелью; 1) - ТФЭМ с двойным абсорбером и воздушным зазором. У приведённых конструкций ТФЭМ общие элементы: 1 -прозрачное покрытие; 2 - воздух; 3 -фотоэлектрическая панель; 4 - теплопроводящий электроизоляционный фиксирующий
(адгезионный) материал; 5 - тепловой абсорбер; 6 -теплоноситель (жидкость); 7 - изоляционный материал; 8 - испаряющаяся жидкость.
Рис. 1. Наиболее распространенные конструкции ТФЭМ [1, 21] Fig. 1. The most common designs of solar photovoltaic thermal solar modules [1, 21]
ТФЭМ с абсорбером ''металлический лист-труба'' является традиционный солнечный коллектор, на рабочей поверхности которого размещена фотоэлектрическая панель (рис. 1а). При дополнительном прозрачном
теплоизолирующем покрытии увеличивается отражение солнечной радиации, уменьшаются потери тепла от рабочей стороны солнечного элемента, что приводит к ухудшению выработки электроэнергии. ТФЭМ с абсорбером в виде канала представляет собой канал с жидкостью (водой), примыкающей к фотоэлектрической панели спереди или сзади. Если канал с жидкостью находится перед рабочей поверхностью солнечного элемента (лицевая сторона), то жидкость поглощает часть солнечной радиации, которая проходит через неё, и таким образом является частью абсорбера. Преимуществом такой конструкции по сравнению с конструкцией типа ''металлический лист-труба'' является равномерное рассеивание солнечной энергии. Конструкция ТФЭМ может иметь и другую конфигурацию с каналом для удаления тепла, расположенным за фотоэлектрической панелью (рис. 1с), то есть примыкать к задней стороне солнечного элемента.
На рис. Ы абсорбер состоит из множества вертикальных прямоугольных каналов, которые расположены за фотоэлектрической панелью. Такая структура образует рёбра-абсорберы, которые увеличивают площадь поверхности для удаления тепла жидкостью, тем самым увеличивая теплоотвод.
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОДОВ ИССЛЕДОВАНИЙ
В результате анализа литературы и проведённых исследований можно сделать вывод, что приёмники солнечных
теплофотоэлектрических модулей планарных и концентраторных установок 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.
Для осуществления таковых поисковых задач необходимо создание методики, которая позволяла бы на первоначальном этапе создавать такие солнечные теплофотоэлектрические модули различной конструкции в системе автоматизированного проектирования в виде трёхмерных моделей, после создания которых, такие модели подлежали бы детальному исследованию тепловых процессов, происходящих в них. Для этой задачи также необходима методика расчёта, в которой описана последовательность таких тепловых расчётов и визуализаций тепловых процессов в системе конечно-элементного анализа, происходящих в модуле при различных условиях. Результатом моделирования является создание оптимизированной модели солнечного
теплофотоэлектрического модуля, который рекомендуется к прототипированию.
ТРЁХМЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ СОЛНЕЧНЫХ ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МОДУЛЕЙ В СИСТЕМЕ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ
В качестве инструмента создания двумерных и трёхмерный моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей, следует отметить системы автоматизированного проектирования, например, программный комплекс компании Аскон - КОМПАС 3D [22], который уже в течение нескольких десятилетий зарекомендовал себя как достойный отечественный инструмент трёхмерного проектирования с полным соответствием единому стандарту конструкторской документации Российской Федерации.
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 конечно-элементного анализа Ansys [23]). 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 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 (рис. 2).
Оба типа приёмников
теплофотоэлектрических солнечных модулей 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. 2).
Разработанная методика создания моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей стационарной и мобильной энергогенерации позволяет создавать модели фотоприёмников с:
- односторонними солнечными элементами и лицевым теплосъёмом (Модель 1, рис. 3);
- односторонними солнечными элементами и тыловым теплосъёмом (Модель 2, рис. 4);
- односторонними солнечными элементами и двусторонним теплосъёмом (Модель 3, рис. 5);
- двусторонними солнечными элементами [24] и двусторонним теплосъёмом (Модель 4, рис. 6).
Теплофотоэлектрический модуль
—- -—" Концентратор солнечного излучения Система слежения за Солнцем
Коммутационные магистрали Крепежный профиль Приемник
Электрическая Теплойая Солнечный зттт Теплосъём Теплоизоляция
J ЛшеШ Inode/tb 11
| Односторонний Н ТтгОоа Мель 2/ \
] Вйцсщтш (модёль 3/1
| ВЪцсщюнш Н Двусторонний fautfs/ib il |
Квнштш nsitnu t- Ктпаиенты тИеяи 2\
( Однвгтарантй зoermрвгенерарцециа 7. Мкасмртяммзпектрвгенерар]/
2. Прозрачны! герпввазщщт 2. №з?е та щттппрцщы
I Прщотио взмвцшиио 1 Прозрачны! вшхцившлю
П/ющеншя ямвйгытяи t-Яртречщ ягятлтцтта
UptJ/mtm мищтш тетсъш £ Орсираишй зщчтнш ?.
[¡разрешиа тетвнзвоцммшв 6. Мсг.щшшотцао#ма тпатраЫвив в.
Прозрачен« зацвтнё 7. !емщфйш 7.
9. Птцшш ятасьеяа 9.
W. Трттщтш W
2. flpsymmu и I Презречнш'из
I Ввдстршия згге*трвгыерврущм
If 2. Прозрачный херлелшзорущм 'мщаЫнчи ] [¡рпщто имщтниА
лнмкдслмш i, Пр03Р$чШ тетГЪМШ
ахттт мтсъш S. Прззрачяио ишяцшкниё теша ь ens
юеятвшя цчшшч» б.Прозрвн/м яепшх агцшниь
имщтт та»6
П. Тит
Рис. 2. Методика создания трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей с различными лучевоспринимающими сторонами и типами теплосъёма (4 модели модулей)
Fig. 2. Method of creating three-dimensional models of solar photovoltaic thermal modules with different ray-sensing sides and
types of heat removal (4 models of modules)
Наибольшее применение в качестве электрогенерирующего компонента разработанных моделей (рис. 2) 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, рис. 2).
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 [25, 26].
Согласно разработанной методике, при моделировании компонентов, входящих в состав приёмника с односторонним солнечным элементов и лицевым теплосъёмом, образуется сборка трёхмерной модели 1 (рис. 3). Большинство компонентов модели 1 должны быть оптически прозрачны, в том числе и теплосъёмный компонент (рис. 2), который может быть как жидкостью, так и газом.
Рис. 3. Трёхмерная модель приёмника с односторонним солнечным элементом и лицевым теплосъёмом (модель 1) Fig. 3. Three-dimensional model of the receiver with a one-sided solar cell and front heat removal (model 1)
В процессе создания всех трёхмерных компонентов, входящих в модель 2 с односторонним солнечным элементом и тыловым теплосъёмом, образуется сборочная единица в виде солнечного теплофотоэлектрического модуля (рис.
4). Из-за тылового теплосъёма качество теплоизоляции можно улучшить, используя потенциально большее количество компонентов вне зависимости от их прозрачности.
Рис. 4. Трёхмерная модель приёмника с односторонним солнечным элементом и тыловым теплосъёмом (модель 2) Fig. 4. Three-dimensional model of a receiver with a one-sided solar cell and a rear heat removal (model 2)
В процессе создания всех трёхмерных компонентов, входящих в модель 3 с односторонним солнечным элементом и двусторонним теплосъёмом, образуется сборочная единица в виде солнечного
теплофотоэлектрического модуля (рис. 5). Эта
модель 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. Трёхмерная модель приёмника с односторонним солнечным элементом и двусторонним теплосъёмом (модель 3) Fig. 5. Three-dimensional model of the receiver with a unilateral solar cell and two-sided heat removal (model 3)
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 [24]. 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.
В процессе создания всех трёхмерных компонентов, входящих в модель 4 с двусторонними солнечными элементами и двусторонним теплосъёмом, образуется сборочная единица в виде солнечного
теплофотоэлектрического модуля (рис. 6). Такой солнечный теплофотоэлектрический модуль целесообразно использовать в концентраторной системе с получением тёплой воды на выходе.
Рис. 6. Трёхмерная модель приёмника с двусторонним солнечным элементом и двусторонним теплосъёмом (модель 4) Fig. 6. Three-dimensional model of a receiver with a bilateral solar cell and two-sided heat removal (model 4)
В качестве иллюстрации применения разработанной методики создания трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей, разработана модель солнечной теплофотоэлектрической кровельной панели [27] (рис. 7 слева), состоящая из 8 компонентов. Для создания сборки в системе автоматизированного проектирования КОМПАС 3D созданы 8 компонентов, выполняющих различные функции, в виде отдельных деталей, входящих в состав разрабатываемого модуля. Основным
конструкционным элементом является корпус (крепёжный профиль), 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 [25, 26], лицевой тонкой, прозрачной плёнки и чёрной ленты по периметру. Теплоизолирующую область представляет собой воздушная прослойка, которая с лицевой поверхности модуля ограничена оптически прозрачным стеклом. Созданная трёхмерная модель ассоциируется с двумерным чертежом для получения конструкторской документации и последующей отработки технологии изготовления экспериментально модуля (рис. 7 справа).
Рис. 7. Трёхмерная модель сборки планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели (слева) и её чертёж, получённый с созданной трёхмерной модели сборки (справа)
Fig. 7. Three-dimensional model of the assembly of a planar photovoltaic thermal solar module in the form of a roofing panel (on the left) and its drawing, obtained from the created three-dimensional model of the assembly (on the right)
ОПТИМИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ
ПЛАНАРНОГО СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ В СИСТЕМЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
Разработанные с помощью созданной методики трёхмерные модели приёмников
солнечных теплофотоэлектрических модулей с послойной структурой планарного и концентраторного типов необходимо испытать в программном комплексе конечно-элементного анализа Ansys [23] для оптимизации конструкции приёмников, в виду чего разработана методика теплового расчёта теплофотоэлектрических солнечных модулей (рис. 8).
1. Обоснование габаритных размеров модуля 11 Настройка трехнерпой модели, свойств ннтсрналов каждого тглс^п (if йMnotiiftht onj и грлнишш:: углопии п н.-лул^ иСГХп 21, Настройка тори ейых адиабатных поверхностей модуля
2. Разработка даумерных эскизов в системе автоматизированного проектирования 12 Отключение настройки "Constant Domain Physics" для обеспечения доменов жидкости различными содоАстоамн УУ. Задание граничного угловая тип» "blet*, которое описывает вход охлаждающее о агент»
3. Создание трехмерной твердотельной модели н ив схеме au го магния ронянного проектирования 13. Создание и нас трояка всех МПТ1!рИЛЯа||. HIIIiöjn.TyrMJJK о исследуемой конетрукцн 23. Задание i? ан ичн ою уело во л т ¡i п э ü решиj¡", о п и сыв аю щ ее мест« свободного к стечения
4. Сохранение трехмерной та ер д отельной модели и формате Ратаю lid Укамкяе « "Basic Settings" геометрически* тел. Входящих И домен, определение фатовОго Сое ТОЯНИЛ ВС1ЦССТВО д Омска и выбор материала 24. Выбор tuna интерфейса "Interface" н в к л» ченн е теплообмена через него
5, Создание проекта к модуле CFX пакета AM3V3 Workbench ] 5. Настройка в "Solid Models" способ взан модействня домена с лр ути мн до мен амн 25. Настройка источника Tí тт лоты
6. Открытие трехмерной модели в модуле 'Otomrirj' ANSYS Workbench 16 Bufcop «э списка "He#tTraa*fír", "Option" луикт "Thermal Energy", что позволяет домену обмениваться теплом С другими ДОМГНВМН 26. Задание максимального количества итераций в "Sober Contrai" u "M ax. Iterations"
7. Создан не расчета с по мощью 1 Imp ort Extern al 0 eom etry Ki le... * 17. Во вкладке "Initialisation" насгрвйка нячлльн ого СОСТОЯНИЙ системы (начальнаятемпература) 27. Запуск расчета п разделе "Solution" модуля TFX"
ä. Настройка н построение сетки конечных элементеv в модуле *M*íh" IS. Re игладке "Solver Contrai" настройка решателя 28. Просмотр результатов в разделе "Results" модуля "СFX"
9, Выбор типа решаемой задачи CFD и исяолмуемог о решателя СРХ 19. Настройка интерфейса типа "Symmetry" 19. Отображение эпюр скоростей, давлений, температ и т.п.
10. Задание размеров конечных элементен с помощью рздбиений различных сторон слоев 2D. Настройка в nein них верхи ей и нижней поверхности модуля 30. Построение линии тока жидкостей и газов
Рис. 8. Методика визуализации тепловых режимов работы созданных трёхмерных моделей солнечных теплофотоэлектрических модулей с послойной структурой компонентов
Fig. 8. Method of visualization of thermal modes of operation of the created three-dimensional models of solar photovoltaic
thermal modules with a layered structure of components
В качестве реализации методики рассмотрен виде кровельной панели (рис. 7). Названия слоёв процесс моделирования теплового состояния (компонентов на рис. 2), их материалы и свойства солнечного теплофотоэлектрического модуля в перечислены в таблице 1. Таблица 1. Толщины слоёв, материалы и их свойства (сверху вниз, прозрачная сторона модуля расположена сверху)
Table 1. Layer thicknesses, materials and their properties (from top to bottom, the transparent side of the module is on top)
Название компонента Толщина, мм Материал Теплопров, Вт/м-К Плот., кг/м3 Для жидкостей Теплоёмк., Дж/кг-К Коэф. темп. расш., 1/К
Кин. вязк., Пас Дин. вязк., м2/с
1. Прозрачный защитный glass 4 Стекло 0,937 2530 750 8,9-10"6
2. Прозрачный теплоизоляционный air 9,5 Воздух Азот при 0 °С 0,0244 2,43-10"2 1,293 1,21 17,2-10-6 16,7-10-6 13,28-10" 6 13,78-10" 6 1005 1051
3. Прозрачный герметизирующий germ 3 0,1 Полиэтилен PET Стекло 0,14 0,937 1330 2530 1030 750 60-10"6 8,6-10"6
4.1. Прозрачный изоляционный*1 0,4 Бутиловая лента 0,12 920 1950 110-10"6
4.2. Прозрачный изоляционный*2 0,23 Полисилоксан PMS Этиленвинилацетат EVA Эпоксидная смола Epoxy 0,167 0,35 0,59 950 931 1200 1175 1400 950 100-10"6 180-10"6 55-10"6
5. Односторонний электрогенерирующий PVe 0,2 Кремний 148 2330 714 2,54-10"6
6 .Электроизоляционный теплопроводный insul 0,2 Полисилоксан PMS Этиленвинилацетат EVA Эпоксидная смола Epoxy 0,167 0,35 0,59 950 931 1200 1175 1400 950 100-10"6 180-10"6 55-10"6
7. Теплопроводный HEx 0,3 Медь Алюминий Полиэтилен 385 230 0,14 8900 2700 1330 383 897 1030 16,6-10"6 22,2-10"6 60-10"6
8. Теплосъёмный cool 3 Вода Воздух Фреон (газ) 0,569 0,0244 0,0117 1000 1,293 4,39 1788-10" 6 17,2-10"6 11,210"6 1,789-10" 6 13,28-10" 6 0,778-10" 6 4182 1005 867
9. Изоляционный теплосъёма frame 1 3 Полиэтилен АБС ABS ПЛА PLA 0,14 0,2 0,13 1330 1040 1220 1030 1800 1800 60-10"6 90-10"6 68-10"6
10. Теплоизоляционный gap 4 Воздух 0,0244 1,293 17,2-10"6 13,28-10" 6 1005
11. Тыльный теплоизоляционный frame 2 3 Полиэтилен АБС ABS ПЛА PLA 0,14 0,2 0,13 1330 1040 1220 1030 1800 1800 60-10"6 90-10"6 68-10"6
При последовательном выполнении
разработанной методики, представленной на рис. 8, появляется возможность вывода результатов моделирования в виде визаулизации линий тока теплоносителя и суммарной скорости охлаждающего агента (рис. 9 сверху). В качестве теплоносителя принята вода с расходом 0,17 кг/с. Приведённые результаты характерны только для вышеуказанного расхода и заданного теплоносителя, хотя визуализация также проводилась при различных расходах, теплоносителях (воздух, вода) и толщинах компонентов. На рис. 9 представлена одна часть
симметричной модели планарной
теплофотоэлектрической кровельной панели. Наряду с визуализацией линий тока и его суммарной скорости на рис. 9 посередине представлены распределения температур охлаждающего агента (воды) и
электрогенераирующего компонента (солнечные элементы). Также на рис. 9 снизу представлены визуализации температур модуля в плоскости симметрии в зоне входа охлаждающего агента и в зоне его выхода.
Рис. 9. Визуализации линий тока теплоносителя и его суммарная скорость (сверху), распределения температур охлаждающего агента и электрогенерирующего компонента (посередине), а также распределения температур в зоне
входа охлаждающего агента и в зоне его выхода (снизу)
Fig. 9. Visualization of coolant flow lines and its total speed (top), of the temperature distribution of the cooling agent and the electrogenerating component (in the middle), of the temperature distribution in the zone of entry of the cooling agent and in the
zone of its exit (below)
В процессе моделирования испытания проводились с различными толщинами компонентов, входящих в состав модуля, теплоносителями и их расходами, после чего, в результате их анализа, была определена оптимальная конструкция солнечной планарной теплофотоэлектричесаой кровельной панели,
которая и была изготовлена с помощью технологии капсулирования двухкомпонентным
полисилоксановым компаундом [25, 26] (рис. 10). Критериями оптимизации являлась максимальная темпретура солнечных элементов не более 40 °С и максимальная температура воды на выходе.
Рис. 10. Теплофотоэлектрическая планарная кровельная панель, конструкция которой оптимизировалась с помощью разработанной методики в системе конечно-элементного анализа Ansys
Fig. 10. Photovoltaic thermal planar roofing panel, the design of which was optimized using the developed method in the Ansys
finite element analysis system
Разработанная методика визуализации тепловых процессов солнечных теплофотоэлектрических
модулей с послойной структурой позволяет анализировать тепловые режимы, движение
теплоносителя и конструкцию модуля, в результате чего появляется возможность в изготовлении оптимизированной конструкции солнечного теплофотоэлектрического модуля по различным критериям.
МЕТОДИКА ЭКСПРЕСС-ОЦЕНКИ ТЕПЛОВОГО СОСТОЯНИЯ РАДИАТОРА
КОНЦЕНТРАТОРНОГО СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ В СИСТЕМЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
В случае, когда необходима экспресс-оценка теплового состояния радиатора охлаждения солнечного теплофотоэлектрического модуля без учёта послойной структуры фотоприёмника модуля (в расчёт включен исключительно радиатор), разработана методика экспресс-оценки теплового состояния приёмника солнечного
теплофотоэлектрического модуля (рис.11).
1. исходные данные приемника (геометрия, гаБаРиты, материал!)
£. Создание двумерной модели (двумерный чертеж в Autocad)
3, Создание трехмерной модели (трехмерная модель в SolydVorks)
10i Создагис допгпос Сзадание ОБластеп и имен различных доменов)
11. Матеоиал ос.ласти (выбор ОБласти домена)
19. Boundary Details (задание теплового потока через поверхность)
£0, Жидкость (задание теиения жидкости)
HeoL"fc transfer
(задание теплопроводности
овласти>
£1, Inlet (задание впуска кидкости)
4. СйХОаНСНИе TDCXM&DMÜF1 МйДСЛИ в Формате Parasolld (сохранение в Sol yd Works)
5. Проект в Ansys Workbench (Fluid Flow (CFX))
13, ЗаданиЕ остальных доменов (выбср материалов доменов)
14, Создание интерфейсов (указание интерфейсов и их названнип)
££, Dutlet (задание выходного отверстия)
£3. Solver Control (вызоь 'решателя')
Б. Geometry и DcdgnModclcr (открытие модели)
7. Generate
(сохранение проекта грехмерноп модели)
I
8. Generate Mesh Сзадаьие сетки конещых элементов трехмерной модели]
9, CFX-Pre - Setup (задание граничных условии)
15, Interfo.ce typ? (тип имтсртспоа и взаимодепств уюцие домены)
16, Additional Interface Models
(указание возможности теплообмена между доменами)
17. Симметрия (задание симметрии модели)
1
18, Условия нагрева (задание нагрева боковой поверхности)
£4. Max. Iterations (выбор количества максимальных итерации)
£5, Solution. Start Run (запуск 'решателя')
£6, CFX-Post (результаты расчета для любых поверхностеп)
I
£7. Вывод (визуализация выгодных параметров размета)
Рис. 11. Методика экспресс-оценки теплового состояния радиатора без учёта (пренебрегая) послойной структуры
фотоприёмников теплофотоэлектрических модулей
Fig. 11. Method of rapid assessment of the thermal state of the radiator without taking into account (neglecting) the layered
structure of photodetectors of photovoltaic thermal modules
В качестве реализации разработанной методики представлен концентраторный солнечный теплофотоэлектрический модуль [28, 29] (рис.12), где на одной части теплофотоэлектрического приёмника - на поверхности цилиндрического фотоэлектрического преобразователя формируется
равномерная освещённость концентрированного излучения, а на верхней части теплофотоэлектрического приёмника формируется освещённость концентрированного солнечного излучения для догрева проточной воды. При этом вода отбирает теплоту от фотоэлектрических
элементов, благодаря чему не снижается их температуры, регулируемой расходом при помощи эффективность и нагревается до определённой устройства протока воды.
Рис. 12. Концентраторный солнечный теплофотоэлектрический модуль, радиатор которого оптимизировался в системе конечно-элементного анализа Ansys с помощью разработанной методики
Fig. 12. Solar concentrator photovoltaic thermal module whose radiator was optimized in the Ansys system of finite element
analysis using the developed method
В результате исследования начального варианта радиатора концентраторного солнечного модуля с помощью разработанной методики получены
тепловые режимы работы модели с линиями течений теплоносителя, визуализацией тепловых полей и скоростей теплоносителя ( рис. 13).
Рис. 13. Начальный вариант конструкции радиатора фотоприёмника (сверху) и распределение температур по поверхности радиатора, температуры теплоносителя внутри радиатора, его скорость и линии течения (снизу)
Fig. 13. The initial version of the design of the photoreceiver radiator (top) and the temperature distribution over the surface of the radiator, coolant temperature inside the radiator, its speed and flow lines (below)
Первоначальный тип радиатора с точки зрения отбора теплоты водой от фотоэлектрических элементов и её дальнейшего нагрева является не рациональным. Разница температуры воды на входе и на выходе составляет при расходе 5 л/мин около 5 °С, температура фотоэлектрических элементов составляет 44 °С. Видны области перегрева и неравномерного распределения температуры, а также неравномерные линии течения жидкости. В процессе оптимизации конструкции радиаторов рассматривались
тепловые режимы их трёхмерных моделей, после чего принималось решение о целесообразности применения каждой конструкции.
ОПТИМИЗАЦИИ КОНСТРУКЦИИ РАДИАТОРА КОНЦЕНТРАТОРНОГО СОЛНЕЧНОГО ТЕПЛОФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКОГО МОДУЛЯ В СИСТЕМЕ КОНЕЧНО-ЭЛЕМЕНТНОГО АНАЛИЗА
Критерием оптимизации радиатора являлись максимальная температура воды на выходе из радиатора и не превышение температуры боковой поверхности радиатора выше максимальных значений, при которых вольтамперная характеристика солнечных элементов имеет прямоугольную форму.
Цилиндрическая форма радиатора обусловлена площадью засветки солнечным излучением концентратором параболоидного типа. Фотоэлектрические элементы располагаются на боковой цилиндрической поверхности и высокая электрическая эффективность их
функционирования обусловлена обеспечением минимальной температуры функционирования.
Однако при обеспечении низкой температуры фотоэлектрических элементов температура воды на выходе из радиатора также остаётся невысокой (низкая общая эффективность) в виду чего необходима оптимизация тепловых режимов работы и конструкции радиатора таким образом, чтобы температура боковой поверхности радиатора не превышала 60 °С (применяются матричные высоковольтные солнечные элементы [24], вольтамперная характеристика которых имеет прямоугольную форму и при 60 °С в отличие от планарных солнечных элементов), а разница между температурой боковой поверхностью радиатора и температурой воды на выходе минимальна (эффективный теплоотвод). Дальнейшее увеличение температуры фотоэлектрических элементов ведёт к значительному уменьшению электрической эффективности. С целью увеличения электрической и тепловой эффективности солнечного модуля вода, отобравшая теплоту от солнечных элементов догревается посредством верхней поверхности радиатора, который освещается
концентрированным солнечным излучением.
Рис.14. Конструкции радиаторов № 3, 7, 9 и 12, распределение температур внутри радиаторов, скорость воды внутри
радиаторов и её линии тока
Fig. 14. Constructions of radiators No. 3, 7, 9 and 12, temperature distribution inside radiators, water velocity inside radiators
and its current line
Такая конструкция радиатора позволила не перегревать фотоэлектрические элементы, а догревать и увеличивать выходную температуру теплоносителя с помощью другой части радиатора (верхней, без фотоэлектрических элементов). Визуализация тепловых полей и течений теплоносителя в такой комбинированной модели позволяет анализировать области с перегревом/недогревом, качество омывания охлаждаемой поверхности и участки с застоями теплоносителя, результатом чего является решение о необходимости дальнейших изменений с целью оптимизации конструкции радиатора или теплового режима его работы для обеспечения высокой общей эффективности солнечного модуля.
После проведённого анализа для выявления оптимальной конструкции с использованием разработанной методики рассмотрены двенадцать различных конструкций радиаторов с целью улучшения отбора теплоты водой и увеличения общей эффективности солнечного модуля (рис. 14). На рис. 14 представлены четыре варианта конструкции радиатора, обеспечивающие такие тепловые режимы работы, когда разница температуры фотоэлементов и воды на выходе минимальна, а температура боковой поверхности радиатора (фотоэлектрических элементов) не превышает 60 °C. Температуры воды на выходе 49 °C и температуры фотоэлектрических элементов 60 °C удалось добиться при расходах воды 0,5 - 1 л/мин.
ВЫВОДЫ
Трёхмерное моделирование солнечных теплофотоэлектрических модулей по
разработанной методике, реализуемое в системе автоматизированного проектирования КОМПАС-3D, позволяет создавать модули различной конструкции для последующего определения их тепловых режимов работы. Подготовленные трёхмерные модели солнечных модулей позволяют подготовить конструкторскую документацию на экспериментальные образцы для последующего производства и отработки технологии изготовления.
Разработанные методики теплового расчёта теплофотоэлектрических солнечных модулей с использованием визуализации процессов в системе конечно-элементного анализа Ansys позволяет судить о целесообразности созданной конструкции радиатора и проводить оптимизацию его конструкции и тепловых режимов работы. Разработанная методика позволяет анализировать тепловой режим созданной трёхмерной модели, скорость теплоносителя и линии течений теплоносителя радиатора приёмника солнечного теплофотоэлектрического модуля.
Созданные трёхмерные модели планарного теплофотоэлектрического солнечного модуля в виде кровельной панели и концентраторного теплофотоэлектрического модуля позволяют
подготовить конструкторскую документацию на экспериментальные образцы модулей.
Подготовленная конструкторская документация теплофотоэлектрических солнечных модулей позволяет отработать технологию изготовления и изготовить экспериментальные модули для стационарной энергогенерации. Разработанные трёхмерные модели позволяют варьировать различными параметрами модуля и его конструктивными элементами, что позволяет проводить различные эксперименты для отработки оптимизированной конструкции солнечного теплофотоэлектрического модуля.
Исследования и оптимизация конструкций солнечных теплофотоэлектрических модулей позволяют добиться максимальной эффективности солнечных модулей в виду суммирования электрической и тепловой энергии в одном модуле, чего не позволяют добиться фотоэлектрические модули и солнечные коллектора по отдельности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. 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
2. Гапеева Н.А., Жиленко О.Б. Автономное теплоснабжение высотных зданий // Строительство и техногенная безопасность № 10 (62) - 2018, с. 7789
3. Соловьев А.К. Экономия энергии при эксплуатации зданий и пассивные системы использования солнечной энергии // Строительство и техногенная безопасность № 10 (62) - 2018, 179191
4. Сокут Л.Д., Муровская А.С. Перспективы развития систем электроснабжения за счет подключения ветровых и солнечных электростанций с накопителями энергии в общую энергосистему // Строительство и техногенная безопасность № 7 (59) - 2017, с. 113-123
5. Бекиров Э.А., Каркач Д.В. Двумерная модель тепловых процессов в солнечном коллекторе и ее экспериментальная проверка // Строительство и техногенная безопасность № 10 (62) - 2018, 191-201
6. Митрофанова С.А. Влияние вида отражающих элементов плоских солнечных коллекторов на облученность приемника // Строительство и техногенная безопасность № 4 (56) - 2016, с. 25-28
7. Бекиров Э.А., Асанов М.М. Анализ систем водяного охлаждения фотоэлектрических панелей // Строительство и техногенная безопасность № 6 (58) - 2017, с. 55-59
8. Асанов М.М., Бекиров Э.А., Воскресенская С.Н. Снижение влияния нагрева поверхности фотоэлемента на эффективность его работы //
Строительство и техногенная безопасность № 51 -2014,с. 92-97
9. Zharkov, S.V. (2014). Assessment and enhancement of the energy supply system efficiency with emphasis on the cogeneration and renewable as main direction for fuel saving. International Journal of Energy Optimization and Engineering, 3(4), 1-20.
10. Камилов А.Г., Муминов Р.А., Турсунов М.Н. Оценка эффективности системы солнечного элемента и коллектора в условиях жаркого климата // Гелиотехника. 2008. № 2. С. 32-35.
11. Hosseini, R., Hosseini, N., & Khorasanizadeh, H. (2011). An Experimental study of combining a Photovoltaic System with a heating System. World Renewable Energy Congress, Linkoping, Sweden.
12. Rawat, P., & Debbarma, M. (2014). Saurabh Mehrotra at all. Design, development and experimental investigation of solar photovoltaic/thermal (PV/T) water collector system. International Journal of Science, Environmental Technology, 3(3), 1173-1183.
13. Buonomano, A., Calise, F., & Vicidimini, M. (2016). Design, Simulation and Experimental Investigation of a Solar System Based on PV Panels and PVT Collectors. Energies, 9, 497. Retrieved from www.mdpi. com.j ournal/energies
14. 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, p. 618 - 624.
15. Othman MYH, Ruslan H, Sopian K, Jin GL. Performance study of photovoltaicthermal (PV/T) solar collector with V-grooved absorber plate. Sains Malaysiana, 2009, p. 537 - 541.
16. Pavel Sevela, Bjarne W. Olesen. Development and Benefits of Using PVT Compared to PV. Sunstainable Building Technologies, 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. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 2011, p. 352 - 365.
18. 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.
19. Solimpeks. Volther Hybrid PV-T Panels. [Электронный ресурс] // URL: http://www.solimpeks.com (дата обращения 04.02.2019).
20. Sunsystems. [Электронный ресурс] // URL: http://www.sunsystem.bg/en/fotovoltaika/PV-T/ (дата обращения 04.02.2019).
21. Kharchenko, V. V. (2014). PVThermal modules. Proceedings of XI International Annual Conference "Renewable and small energy", 248-257.
22. КОМПАСА v17. Инструмент со3Dателя - официальный сайт САПР КОМПАС
[Электронный ресурс] // URL: http://kompas.ru/ (дата обращения: 04.02.2019).
23. Engineering Simulation & 3D Design Software - ANSYS [Электронный ресурс] URL: http://www.ansys.com/ (дата обращения: 04.02.2019).
24. 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.
25. V. Poulek, D.S. Strebkov, I.S. Persic, M. Libra. Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with silicone gel technology // Solar Energy, 2012, 86, pp. 3103-3108.
26. 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.
27. Стребков Д.С., Панченко В.А., Иродионов
A.Е., Кирсанов А.И. Разработка кровельной солнечной панели // Вестник ВИЭСХ. 2015. № 4 (21). - с. 107 - 111.
28. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко
B.А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 1/2, С. 35-39.
29. Патент РФ на изобретение № 2505755. Майоров В.А., Панченко В.А., Стребков Д.С.. Солнечный фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором. Заявка: 2011153585/28, 28.12.2011. Опубликовано: 27.01.2014. Бюл. № 3.
REFERENCES
1. Valeriy Kharchenko, Vladimir Panchenko, Pavel V. Tikhonov & Pandian Vasant (2018). 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, 86-119, DOI: 10.4018/978-1-5225-3867-7.ch004
2. Gapeeva, N.A., Zhilenko, O.B. (2018). Avtonomnoe teplosnabzhenie vysotnyh zdanij (Autonomous heat supply of high-rise buildings). Construction and Technogenic Safety, 10 (62), 77-89
3. Solovyov, A.K. (2018). EHkonomiya ehnergii pri ehkspluatacii zdanij i passivnye sistemy ispol'zovaniya solnechnoj ehnergii (Energy savings in the operation of buildings and passive systems of solar energy use). Construction and Technogenic Safety, 10 (62), 179-191
4. Sokut, L.D, Murovskaya, A.S. (2017). Perspektivy razvitiya sistem ehlektrosnabzheniya za schet podklyucheniya vetrovyh i solnechnyh ehlektrostancij s nakopitelyami ehnergii v obshchuyu ehnergosistemu (Prospects for the development of power supply systems due to the connection of wind and solar power plants with energy storage in a
common power system). Construction and Technogenic Safety, 7 (59), 113-123
5. Bekirov, E.A., Karkach, D.V. (2018). Dvumernaya model' teplovyh processov v solnechnom kollektore i ee ehksperimental'naya proverka (Two-dimensional model of thermal processes in a solar collector and its experimental verification). Construction and Technogenic Safety, 10 (62), 191201
6. Mitrofanova, S.A. (2016). Vliyanie vida otrazhayushchih ehlementov ploskih solnechnyh kollektorov na obluchennost' priemnika (The influence of the type of reflecting elements of flat solar collectors on the irradiation of the receiver). Construction and Technologic Safety, № 4 (56), 25-28
7. Bekirov, E.A., Asanov, M.M. (2017). Analiz sistem vodyanogo ohlazhdeniya fotoehlektricheskih panelej (Analysis of water cooling systems for photovoltaic panels). Construction and Technogenic Safety, 6 (58), 55-59
8. Asanov, M.M., Bekirov, E.A., Voskresenskaya, S.N. (2014). Snizhenie vliyaniya nagreva poverhnosti fotoehlementa na ehffektivnost' ego raboty (Reducing the influence of the heating of the photocell surface on the efficiency of its work). Construction and Technogenic Safety, 51, 92-97
9. Zharkov, S.V. (2014). Assessment and enhancement of the energy supply system efficiency with emphasis on the cogeneration and renewable as main direction for fuel saving. International Journal of Energy Optimization and Engineering, 3(4), 1-20.
10. Kamilov, A.G., Muminov, R.A. & Tursunov, M.N. (2008). Ocenka jeffektivnosti sistemy solnechnogo jelementa i kollektora v uslovih zharkogo klimata (Evaluation of system effectiveness solar cell and collector in a hot climate). Geliotehnika, 2, 32-35.
11. Hosseini, R., Hosseini, N. & Khorasanizadeh, H. (2011). An Experimental study of combining a Photovoltaic System with a heating System. World Renewable Energy Congress, Linkoping, Sweden, 2993-3000.
12. Rawat, P., Debbarma, M., Saurabh Mehrotra et al. (2014). Design, development and experimental investigation of solar photovoltaic/thermal (PV/T) water collector system. International Journal of Science, Environmental Technology, 3(3), 1173-1183.
13. Buonomano, A., Calise, F. & Vicidimini, M. (2016). Design, Simulation and Experimental Investigation of a Solar System Based on PV Panels and PVT Collectors. Energies, 9, 497.
14. Ibrahim, A, Jin, G.L, Daghigh, R, Salleh, M.H.M., Othman, M.Y., Ruslan, M.H., et al. (2009). Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) air and water based solar collectors suitable for building integrated applications. American Journal of Environmental Sciences, 618-624.
15. Othman, M.Y.H, Ruslan, H., Sopian, K. & Jin, G.L. (2009). Performance study of photovoltaicthermal (PV/T) solar collector with V-grooved absorber plate. Sains Malaysiana, 537-541.
16. Pavel Sevela & Bjarne W. Olesen (2013). Development and Benefits of Using PVT Compared to PV. Sunstainable Building Technologies, 90-97.
17. Adnan Ibrahim, Mohd Yusof Othman, Mohd Hafidz Ruslan, Sohif Mat & Kamaruzzaman Sopian (2011). Recent advances in flat plate photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectors. Renewable and Sustainable Energy Reviews 15, 352365.
18. Swapnil Dubey & Andrew A. O. Tay (2012). 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, 2, 1-6.
19. Solimpeks. Volther Hybrid PV-T Panels. [Electronic resource] URL: http://www.solimpeks.com (reference date: February 4, 2019).
20. Sunsystems. [Electronic resource] URL: http://www.sunsystem.bg/en/fotovoltaika/PV-T/ (reference date: February 4, 2019).
21. Kharchenko, V.V. (2014). PVThermal modules. Proceedings of XI International Annual Conference "Renewable and small energy", 248-257.
22. KOMPAS-3D v17. The tool of the author -the official site of CAD KOMPAS [Electronic resource] URL: http://kompas.ru/ (reference date: February 4, 2019).
23. Engineering Simulation & 3D Design Software - ANSYS [Electronic resource] URL: http://www.ansys.com/ (reference date: February 4, 2019).
24. Panchenko, V.A., Strebkov, D.S., Polyakov, V.I. & Arbuzov, Yu.D. (2015). Vysokovol'tnye solnechnye moduli s naprjazheniem 1000 V (Highvoltage solar modules with a voltage of 1000 V). Alternative energy and ecology, 19 (183), 76-81.
25. V. Poulek, D.S. Strebkov, I.S. Persic & M. Libra (2012). Towards 50 years lifetime of PV panels laminated with silicone gel technology. Solar Energy, 86, 3103-3108.
26. Strebkov, D.S., Persits, I.S. & Panchenko, V.A. (2014). Solnechnye moduli s uvelichennym srokom sluzhby (Solar modules with extended service life). Innovations in agriculture. Theoretical and scientific and practical journal. Innovations in renewable energy, 3(8), 154-158.
27. Strebkov, D.S., Panchenko, V.A., Irodionov, A.E. & Kirsanov, A.I. (2015). Razrabotka krovel'noj solnechnoj paneli (Development of a roofing solar panel). Vestnik VIESH, 4(21), 107-111.
28. Strebkov, D.S., Mayorov, V.A. & Panchenko, V.A. (2013). (Solnechnyj teplofotojelektricheskij modul' s parabolotoricheskim koncentratorom) Solar photovoltaic thermal module with a parabolic concentrator. Alternative energy and ecology, 1/2, 3539.
29. Patent of the Russian Federation for invention № 2505755. Mayorov, V.A., Panchenko, V.A. & Strebkov, D.S. Solnechnyj fotojelektricheskij modul' s parabolotoricheskim koncentratorom (Solar photovoltaic thermal module with a parabolic
concentrator). Application: 2011153585/28, 28.12.2011. Published: 01.27.2014. Bul. No. 3.
DEVELOPMENT AND RESEARCH OF SOLAR PHOTOVOLTAIC THERMAL MODULES IN THE SYSTEMS OF COMPUTER-AIDED DESIGN AND FINITE ELEMENT ANALYSIS
V.A. Panchenko1,2, S.P. Chirsky3
1 Russian university of transpor (MIIT), 127994, Moscow, Obraztsova str., [email protected] 2 Federal scientific agroengineering center VIM, 109428, Moscow, 1-st Institutsky proezd, 5, [email protected] 3Bauman Moscow State Technical University, 105005, Moscow, 2nd Baumanskaya str., 5, [email protected]
Summary: The article discusses the simulation of solar photovoltaic thermal modules of planar and concentrator structures in the computer-aided design systems COMPAS 3D and Ansys finite element analysis. In order to create a design and simulation method for this kind of solar modules, their various design features were analyzed. To create the basic four models of solar photovoltaic thermal modules with various illuminated sides and sides of heat removal, a method of designing their three-dimensional models in the computer-aided design system has been developed. Created three-dimensional models of solar photovoltaic thermal modules assemblies can later undergo various tests in systems of finite element analysis in order to optimize the design and refine various operating parameters. To study the thermal regimes of the created three-dimensional models, a technique has been developed for visualizing thermal processes, coolant velocity, and flow lines of a cooling agent in a finite element analysis system. The developed method allows to take into account the layered structure of solar photovoltaic thermal modules (components included in the composition), where each element has its own physical and geometric properties and affects the thermal processes occurring in the module itself. As a result of calculations in the software package of the finite element analysis using the developed method, it is possible to draw conclusions about the feasibility of the created structure with its further editing (changing the thickness of the components, coolant flow rate, etc.), visualize the thermal fields and current lines of the radiator cooling agent. To illustrate the results of the design according to the developed method, a three-dimensional model and an assembly drawing of a photovoltaic thermal planar roofing panel are presented, the thermal state of which was modeled in the finite element analysis system according to the developed method. Along with the method that takes into account the layer-by-layer structure of the module, a technique has been developed for the rapid assessment of the thermal state of cooling radiators, which takes into account the physical and geometric properties of an exclusive radiator with heat carrier. As an implementation of the method of rapid assessment of the thermal state, an optimized radiator of the concentrator solar photovoltaic thermal module is presented.
Object: the thermal state of solar photovoltaic thermal modules of planar and concentrator constructions, visualized with the help of a system of finite element analysis.
Subject: the design of solar photovoltaic thermal modules, which is developed and modeled using computer-aided design and finite element analysis systems.
Materials and methods: when creating methods, modeling and optimizing the structures of solar photovoltaic thermal modules, the KOMPAS 3D computer-aided design system and the ANSYS system of finite element analysis were used.
Results: the results of the research are the created methods with the help of which the thermal processes of three-dimensional models of solar photovoltaic thermal modules of planar and concentrator structures are projected and investigated.
Conclusions: when using the developed methods of modeling and research of three-dimensional models of solar photovoltaic thermal modules, it is possible to thin layer-by-layer optimize the designs of such modules with obtaining an optimized design of a solar photovoltaic thermal module, which will allow, along with electricity, to receive thermal energy at the output due to its selection from solar cells, thus increasing them efficiency, and the overall efficiency of the module, which includes electrical and thermal components.
Key words: computer-aided design system, finite element analysis system, solar energy, three-dimensional model, solar photovoltaic thermal module, COMPAS 3D, ANSYS, water radiator.
