gototopgototop

УДК 62

Моделирование теплового состояния радиатора водяного охлаждения солнечного модуля

Панченко Владимир Анатольевич – кандидат технических наук, доцент Российского университета транспорта МИИТ; старший научный сотрудник Федерального научного агроинженерного центра ВИМ.

Чирский Сергей Павлович – кандидат технических наук, доцент Московского государственного технического университета им. Н. Э. Баумана.

Аннотация: В статье рассмотрено моделирование теплового состояния радиатора водяного охлаждения концентраторной солнечной установки, а также течения теплоносителя в системе конечно-элементного анализа Ansys. На основе полученных результатов предложена изменённая конструкция радиатора, моделирование которой также было проведено.

Ключевые слова: Радиатор водяного охлаждения, система конечно-элементного анализа, Ansys, тепловое состояние, солнечная энергетика.

Преобразователи возобновляемых источников энергии в последнее время получают всё большее развитие. Особо большими темпами повышается эффективность преобразователей солнечной энергетики. Основные вводимые мощности составляют планарные фотоэлектрические солнечные модули [1]. Однако для уменьшения стоимости удельной мощности в виду увеличения общей эффективности солнечных установок наметился тренд на создание так называемых теплофотоэлектрических модулей которые могут быть как планарной, так и концентраторный конструкции [2 – 6]. Фотоприёмники таких установок, находящиеся в фокусе концентраторов солнечного излучения, подлежат тепловому расчёту в виду уменьшения электрической эффективности при их нагреве.

Рассмотрим более подробно тепловой расчёт радиатора водяного охлаждения (рис. 1) в системе конечно-элементного анализа Ansys с целью выбора режима, обеспечивающего достаточное охлаждение фотоэлектрических преобразователей и высокий уровень перемешивания теплоносителя (отвода теплоты), что обеспечит высокую общую эффективность модуля.

1

2

Рисунок 1. Чертёж радиатора водяного охлаждения с фотоэлектрическими преобразователями на его поверхности.

Основные характеристики модуля при его расчёте в системе конечно-элементного анализа: удельное тепловыделение на внешней поверхности: 1,5 Вт/см2; температура охлаждающей жидкости на входе: 20 ºС; скорость жидкости на входе: 0,15 м/с; расход жидкости: массовый: 0,172 кг/с, объемный: 0,163 л/с; противодавление на длине 250 мм: 50 Па. В результате проведённого моделирования получено тепловое состояние фотоэлектрических преобразователей и поле скоростей теплоносителя (рис. 2).

3

4

Рисунок 2. Температуры фотоэлектрических преобразователей (слева) и поле скоростей теплоносителя относительно оси (справа).

В результате моделирования температура фотоэлектрических преобразователей составила от 34 ºC до 39 ºC, а скорость теплоносителя от 0,25 м/с до 0,031 м/c в обратном потоку направлении (застои жидкости в вершинах).

Для лучшего перемешивания теплоносителя, съёма тепла и турболизации потока жидкости рассмотрены различные конструкции радиаторов, пример одной из которых представлен на рис. 3. Наряду с конструкцией самого радиатора изменению подверглось удельное тепловыделение на внешней поверхности, т. е., увеличена концентрация солнечного излучения для оценки теплосъёма этой конструкцией при большем падающем солнечном излучении.

5

6

Рисунок 3. Чертёж радиатора с изменённой геометрией профиля.

При моделировании изменённого радиатора были приняты следующие параметры: удельное тепловыделение на внешней поверхности: 2,5 Вт/см2; температура охлаждающей жидкости на входе: 20 ºС; скорость жидкости на входе: 0,25 м/с; расход жидкости: массовый: 0,147 кг/с, объемный: 0,140 л/с; противодавление на длине 250 мм: 7500 Па. В результате моделирования теплового состояния радиатора получены тепловые поля фотоэлектрических преобразователей и поля скоростей теплоносителя (рис. 4).

7

8

Рисунок 4. Температуры фотоэлектрических преобразователей (слева) и поле скоростей теплоносителя относительно оси (справа).

Температура фотоэлектрических преобразователей составила от 34 ºC до 38 ºC, что говорит о более эффективном охлаждении фотоэлектрических элементов, а скорость теплоносителя составила от 0,9 м/с до 0,21 м/c в обратном потоку направлении, что говорит о более эффективном смешивании теплоносителя и отводу тепла.

Таким образом, благодаря моделированию в системе конечно-элементного анализа Ansys, рассчитано тепловое состояние радиатора и течение теплоносителя. Анализируя полученные результаты моделирования, появляется возможность оптимизации конструкции согласно требованиям разработчика.

Список литературы

  1. Панченко В.А. Солнечные модули федерального научного агроинженерного центра ВИМ различных типов и конструкций для автономного энергоснабжения // Экологическая, промышленная и энергетическая безопасность - 2017. С. 1030-1033.
  2. Стребков Д.С., Майоров В.А., Панченко В.А. Солнечный тепло-фотоэлектрический модуль с параболоторическим концентратором // Альтернативная энергетика и экология, 2013, № 1-2 (118), С. 35-39.
  3. Синицын С.А. Моделирование линейных погрешностей при конструировании поверхности концентратора солнечного модуля // Научный электронный журнал Меридиан. 2020. № 4 (38). С. 219-221.
  4. Синицын С.А. Энтропийная погрешность при моделировании конструктивных форм теплофотоэлектрических солнечных модулей // Научный электронный журнал Меридиан. 2020. № 3 (37). С. 438-440.
  5. Синицын С.А. Информационная методика управления качеством поверхности солнечного концентратора, заданной дискретным множеством точек // E-Scio. 2020. № 1 (40). С. 421-427.
  6. Синицын С.А., Стребков Д.С., Панченко В.А. Паркетирование поверхности параболического концентратора солнечного теплофотоэлектрического модуля по заданным дифференциально-геометрическим требованиям // Геометрия и графика, Том 7, №3, 2019, с. 15 – 27.

Интересная статья? Поделись ей с другими:

Внимание, откроется в новом окне. PDFПечатьE-mail