Исследование движение воздушных потоков в навесных фасадах со встроенными фотоэлектрическими модулями используя методы математического моделирования

Нас привлекли ряд работ Сингапурского института исследований солнечной энергии (SERIS). Считаем результаты этих исследований для нас полезными. Они будут способствовать более квалифицированному и эффективному внедрению нашей компанией фотоэлектрических модулей в конструкцию здания. Так же эта информация может быть полезна девелоперским компаниям планирующим и выводящим на рынок недвижимости новые инновационные продукты.

“Исследование движение воздушных потоков в навесных фасадах со встроенными фотоэлектрическими модулями используя методы математического моделирования.” Лау, С.К., Чжао, Ю., Лау, ССИ, Юань, К., и Шабунко, В. “An Investigation on Ventilation of Building-Integrated PhotovoltaicsSystem Using NumericalModeling” Lau, S. K., Zhao, Y., Lau, S. S. Y., Yuan, C., & Shabunko, V. (2020)

Данная статья – это математическое исследование движения воздушных потоков и их характеристик в вентилируемых фасад здания с интегрированными фотоэлектрическими модулями (BIPV). Разработана трехмерная модель на основе типичного фасада BIPV. В исследовании используется вычислительная гидродинамика (CFD – Computational Fluid Dynamics) с κ-омега-турбулентной моделью переноса напряжения сдвига (SST-shear stress transport). Изменение температуры у фотоэлектрических преобразователей (ФЭП) в составе модулей установленных в подвесные фасады зависят от глубины зазора до стены и ширины нижнего и верхнего воздушных каналов. Когда размеры впускного и выпускного канала одинаковы, влияние на снижение температуры ФЭПов ограничено. Увеличивая нижний (входной) канал, влияние вентиляции между модулями и стеной более значительно и температура ФЭП уменьшается. Глубина межфасадного пространства также является важным фактором, влияющим на температуру ФЭП в модулях. Расчётная оптимальная глубина межфасадного пространства примерно 100–125 мм. Нарушение потока и появление завихрение может наблюдаться внизу и вверху воздушного канала, если глубину канала увеличить, что отрицательно сказывается на вентиляции, вызывая нарушение потока и ведёт к повышению температуры ФЭПов. Тепловые эффекты, условия окружающей среды сравниваются для двух выбранных конфигураций BIPV. Скорость ветра и угол атаки, также оказывают очевидное влияние на температуру ФЭПов. Как и ожидалось, температура окружающей среды и солнечное излучение имеют линейную зависимость от температуры ячейки BIPV.

2 Методологии и условия моделирования

2.1 Методология вычислительной гидродинамики. В настоящем исследовании проводится моделирование вычислительной гидродинамики (CFD) с использованием коммерческого программного обеспечения с ANSYS FLUENT (версия 18.1). Трехмерное моделирование реализовано для исследования влияние скорости ветра (u), угла атаки ветра (θ), солнечного излучения (G) и температуры окружающей среды (Tamb) на температуру ФЭПов в фотоэлектрическом модуле. Обсуждаются теплопередача и распределение воздушного потока, включая изменения в конфигурации конструкции фасада: размер канала (вверху и внизу) и глубину пространства между фотоэлектрическими модулями и стеной. При моделировании учитываются теплопроводность материалов и возникающую конвекцию воздушных потоков [32] Построили трехмерную модель CFD для исследования нагрева фотоэлектрических панелей по заданным условиям – относительно скорости ветра, угла атаки ветра и условий солнечного излучения. Фотоэлектрическая панель устанавливалась в металлическую раму и облучалось тепловым излучением эквивалентным поглощению вызванным солнечным облучением фотоэлементов. Несколько термодатчиков были прикреплены к фотоэлементам и стеклянным поверхностям. Полученные данные температуры ФЭПов и стеклянных поверхностей в математической модели были подтверждены экспериментально. Данные виртуальной модели распространяются на конструкцию предложенную в этом исследовании, с воздушным зазором сзади, чтобы исследовать вентиляцию BIPV.

На рисунке 1 представлен стандартный фасад здания BIPV с фотоэлектрическими панелями, установленными на фасаде здания.

рис 1 Конфигурация фасада BIPV в настоящем исследовании

Существуют значительные вариации конструкций BIPV с отверстиями для вентиляции или без них. В настоящем исследовании проемы между рядами фотоэлектрических панелей используются для вентиляции. Хотя боковые края могут быть герметичны и, следовательно, разница давлений между двумя сторонами фотоэлектрической панели может быть маленькой или незначительной. Исследуется температурные изменения возникающие при различных конфигурациях верхнего и нижнего отверстия, а также глубины пространства между панелями, формирующих фальшфасад и стеной. Для простоты разработана блочная модель, состоящая из фотоэлектрической панели, прикрепленная к корпусу с верхним и нижним отверстиями как показано на рис.2.

рис 2 Типовая конфигурация фотоэлектрического модуля (испытательный образец)

2.1 Настройка имитационной модели.

Размеры панели – фотоэлектрический модуль размером 1600 × 1000 мм (Lp × Wp) [33]. Каналы подачи воздуха в межфасадное пространство внизу и вверху имеют высоту a и b, соответственно, как показано на рис. 2. Воздушный канал между фотоэлектрической панелью и стеной глубиной d, также имеет решающее значение для вентиляции. Один модуль помещается в область (т. е. числовая аэродинамическая труба, представленная на рис. 3) для моделирование движения воздушных потоков обтекающих фотоэлектрический модуль, размеры имитационной камеры кратны длине панели. В имитационной камере расстояния от входа воздушного потока до панели L = 3Lp и от выхода воздушного потока до поверхности панели L = 6Lp, соответственно. Высота и ширина камеры W = H = 7Lp.

рис 3 Цифровая аэродинамическая труба в проточной области с блоком BIPV

Фотоэлектрическая панель состоит из нескольких слоев различных материалов [34] как показано в миниатюре на рис. 2. Передний слой представляет собой стекло толщиной 3 мм. Средний слой объединяет кристаллические фотоэлементы и этилвинилацетат (EVA) толщиной 0,5 мм и задний слой – диэлектрик 0,5 мм. Физические свойства материалов: плотность ρ, теплопроводность λ и удельная теплоемкость Cp представлены в Таблица 1. В камере температура воздуха 27 ° C, за исключением некоторых сценариев, указанных в данном исследовании. Удельная теплоемкость и теплопроводность воздуха равны 1006,43 Дж / кг К и 0,0242 Вт / м К соответственно. Максимальный скорость воздушного потока при моделировании составляет 4 м / с. Поскольку скорость относительно числу Маха менее 0,1 и градиент давления низкий и режим течения дозвуковой сжимаемостью потока можно пренебречь [35,36]. При моделировании эффект текучести для воздуха рассматривается как для несжимаемого идеального газа.

МатериалТеплопроводность λ, (W/m K)Плотность ρ,(kg/m3)Удельная теплоемкость Cp, (J/kg K)
Стекло1,042500835
ФЭП1482330705
Диэлектрик0,1414751130
Алюминий22527001028
Таблица 1 Физические свойства материала

2.3 Температурные измерения – Создание сетки датчиков температуры.

В нашем исследовании ФЭП это главный элемент подвергающийся нагреву и влияющий на другие процессы — уровень генерации электроэнергии и уровень нагрева стены здания. Как уже говорилось выше, толщина ФЭП ячейка 0,5 мм. Чтобы зафиксировать детали теплопередачи этого компонента, наложим сетку, где каждая ячейка будет отдельно выводить показатели температуры. Ячейка сетки должна быть меньше измеряемого элемента. Определено, что для твёрдых тел или вблизи них размер ячейки будет уменьшатся согласно кратности измеряемого предмета, в свободном пространстве, для измерения температур воздушных потоков сечение ячейки будет увеличиваться, чтобы сократить время и мощности вычислений. Сетка создается соответствующим модулем программы ANSYS. Функция размера близости используется с центром средней релевантности. Источники функции размера близости относятся к граням и краям, где минимальный размер близости составляет 5 × 10−3 м. Максимальный размер грани 0,535 м и темп роста составляет 1,188. Пограничный слой состоит из нескольких подслоев в проточной области, близкой к твердым поверхностям. Пограничный слой, имеет решающее значение для моделирования потока и теплопередачи, находится в непосредственной близости к стене и элементам конструкции [37]. Мелкая сетка также наносится на пограничный слой, где высокие градиенты температуры и скорости индуцируются из-за конвективного теплообмена и эффекта текучести. Чтобы определить размер сетки пограничного слоя, настоящее исследование устанавливает безразмерное расстояние до стенки y + = 1 для потока, ограниченного стенкой [38]. Используются десять слоев надувания со скоростью роста 1,2, как показано на рис. 4. Исходя из скорости воздушного потока 2 м / с, высота первого слой надувания установлен на 0,15 мм. Мелкопризматические ячейки сетчатые в пограничном слое и фотоэлементе. Остальные части, включая проточную область, стекло, алюминиевую раму и диэлектрик, имеют сетку с тетраэдрическими ячейками сравнительно большого размера. После создания сетки количество ячеек достигает 17 миллионов.

рис 4 Сетка наложенных слоев на твердой поверхности

Испытания проводятся с последовательным наложением сеток разной частоты: 11, 14, 17 и 25 миллион ячеек. На рисунке 5 показаны результаты наложение эти сеток на исследуемою модель. Профили похожи. Вихревые потоки образуется в нижней части межфасадного пространства, где результаты моделирования имеют различия в зависимости наложенной сетки. Сравнение результатов профилей с 17 и 25 миллиона ячеек в сетки демонстрируют схожие результаты. Среди всех четырех сценариев средние температуры поверхности фотоэлементов изменяются в пределах 1 ° C, и профили внешней скорости сходятся (здесь не представлены). Хотя использование сетки большим количество ячеек ( DoF) может обеспечить более высокую точность, однако это увеличивает время и задействованные вычислительные мощности. Поскольку различия между сетками с 17 и 25 миллионами ячеек в температуре и профиле образующихся вихревых потоков незначительны в данном исследовании выбран первый. Были протестированы какое количество повторных моделирований необходимое порвести. Поток, вызванный плавучестью, достигает установившегося состояние, когда количество повторных моделирований составляет около 300 (здесь не представлено). Поэтому количество повторных моделированний был установлен на 300 для каждого сценария.

2.4 Алгоритмы вычислительной гидродинамики – CFD.

Κ-омега-турбулентная модель переноса напряжения сдвига (SST) [39] используется в математических вычислениях для обеспечения точности моделирования конвекционных потоков и возможных разделений потоков. Эта модель широко используется, и было экспериментально доказано, что она дает точные и надежные результаты для широкого диапазона течений в пограничном слое с градиентом давления [40]. Модель переноса напряжения сдвига SST – это гибрид модель турбулентности, сочетающая в себе преимущества обоих κ-эпсилон и κ-омега модели. Ожидается, что в модели κ-омега получим более точные результаты для потоков в пограничном слое, чем κ-эпсилон модели, в то время как модель κ-эпсилон обеспечивает точную прогнозирование поведения потока в набегающем потоке. Эти числовые модели были подтверждена экспериментально с точным предсказанием теплопередачи и температуры фотоэлектрических панелей при различных конфигурациях и условия окружающей среды [32,41,42], которые сделали турбулентную модель κ-омега переноса напряжения сдвига достаточно реалистичной для настоящего исследования фотоэлектрической панели, подвергающейся воздействию ветра. Модель переноса напряжения сдвига κ-omega решается двуми уравнениями. Модель κ-омега использовалась в моделировании пристеночной области, простирающейся от стенки до вязкого подслоя, в то время как в набегающем потоке используется модель κ-эпсилон. Модель SST κ-omega — это на основе усредненных по Рейнольдсу значений Навье – Стокса (RANS) и уравнения энергии [43]. Модели RANS могут быть решены двумя уравнения переноса для турбулентной кинетической энергии κ и удельной скорость диссипации турбулентной кинетической энергии ω [44]. Уравнения потока для несжимаемой жидкости можно представить в виде:

уравнение непрерывности потока 1


Уравнение импульса: 2

где xi (i = x, y, z) – координаты, ui и t — скорость векторов и времени соответственно, ν – динамическая вязкость, p – давление. Уравнения (1) и (2) аналогичны уравнениям Навье–Стокса, за исключением усредненных по времени переменных в уравнениях. (1)и (2). Напряжения Рейнольдса −u′iu′j также необходимо оценивать с помощью моделей турбулентности [45]. Математическая модель фотоэлектрической панели без обдува с задней стороны была ранее подтверждена экспериментами [32]. Уравнение энергии приводится в следующем виде:

уравнение 3

где E и ρ – полная энергия и плотность соответственно, T – температура, а keff – эффективная проводимость. Член в правой части уравнения Eq представляет собой передачу энергии за счет проводимости (3). Подробное изложение теорий можно найти в руководстве программного обеспечения ANSYS FLUENT [46].

2.5 Граничные условия.

Настоящее исследование рассматривает фасад BIPV в типичных тропических наружных условиях. Исследуются скорость ветра, угол атаки ветра, температура окружающей среды и солнечное излучение. В модели скорость и температуру набегающего ветра можно задать на границе входного отверстия. Семь разных скорости ветра (0 м / с, 0,1 м / с, 0,2 м / с, 0,4 м / с, 1 м / с, 2 м / с и 4 м / с) изучаются на основе погодных условий в Сингапуре с среднегодовая скорость ветра 2 м/с [47]. Чтобы имитировать солнечные излучение на фотоэлектрический модуль, используется простой метод, при котором эквивалентное поглощение тепловой энергии применяется к фотоэлементам [32]. Тепловой поток равен эквивалентному поглощению тепловой энергии фотоэлектрической панелью. Эквивалент тепловой энергии фасада BIPV поглощения от солнечного излучения можно рассчитать по к уравнению. (3)

Тепловая энергия = 0.74 × F × G 4

где F – коэффициент обзора неба, который представляет собой соотношение между излучением, полученным плоской поверхностью, и диффузное излучение с неба. Рехман и Сиддики [48] определили, что для самолета при угле наклона 90 градусов F составляет 0,5. Нижетик и другие в статье [32] использовали эквивалентный коэффициент поглощения тепловой энергии 0,74, как можно увидеть в формуле (4), которые предоставили высокоточные реалистичные результаты моделирования в сравнении с экспериментальными результатами. Пиковая солнечная энергия в Сингапуре составляет примерно 1350 Вт / м2 [49]. Используя уравнение. (4) эквивалентное поглощение тепловой энергии BIPV в час пик составляет 500 Вт / м2. Чтобы изучить влияние изменения солнечного излучения на температуру ячейки BIPV, исследованы шесть эквивалентных значений поглощения тепловой энергии 200, 300, 400, 500, 600 и 700 Вт / м2. В то время как скорость ветра на входе задана, граничные условия на выходе задаются на выходе, как показано на рис. 3. Все остальные стены в моделях настроены так, чтобы не скользить.

3. Результаты и их обсуждение

Моделирование вычислительной гидродинамики – CFD обеспечивает визуализацию температуры и распределения потока в различных условиях. Настоящее исследование обсуждает размеры вентиляционных отверстий, глубину воздушной полости, скорость ветра и угол атаки, солнечное излучение и температура окружающей среды. Обсуждение разделено на две части. Геометрические конфигурации установки BIPV должны быть исследованы в первую очередь. На основе результатов оптимизированных настроек оценивается производительность BIPV в различных условиях окружающей среды.

3.1 Тепловой эффект равномерного верхнего и нижнего открытия

Габаритные размеры. Изначально верхнее и нижнее отверстия имеют одинаковый размера (т.е. a = b на рис. 2) от 30 до 60 мм с интервал 10 мм. Глубина воздушной полости d и скорость ветра u равны 200 мм и 2 м / с соответственно. В этом подразделе ветер атака рассматривается при нормальном падении на фотоэлектрические панели. Рисунок 6 иллюстрирует распределение температуры фотоэлемента. Высокая температура возникает в центре верхней части панели из-за эффекта текучести.

Хотя температурные профили четырех сценариев различны, средняя температура ячеек колеблется в пределах 2 ° C. Как представлено на рис.7 средняя температура поддерживается примерно на уровне 79,35 ° C для для впускного и выпускного канала размером от 30 до 40 мм. Как и b увеличиваются до 50 мм и 60 мм, температура снижается на 1,5 ° С. Отмечено падение выработки электроэнергии на примерно 0,45% / К [6,7]. На рисунке 8 представлена вертикальная цветная диаграмма соответствия скорости движения воздушного потока в моделях – a,d, c, d. Профили скорости аналогичны для передней части панели, когда каналы имеют различные размеры (здесь не представлены). Наблюдается нарушение потока внизу межфасадного пространства. Максимальная скорость потока в межфасадном пространстве составляет примерно 0,6 м/с при a = b = 60 мм. Ограниченное улучшение температуры ячейки наблюдается с увеличение размеров проема при a = b от 30 мм до 60 мм.

рис 6 Вид спереди температурного профиля фотоэлемента: (a) a = b = 30 мм, (b) a = b = 40 мм, (c) a = b = 50 мм, и (d) a = b = 60 мм
рис 7 Средняя температура фотоэлемента при скорости ветра 2 м / с, d = 200 мм
рис 8 Вид в разрезе профиля скорости воздуха на центральной линии блока BIPV (d = 200 мм) с одинаковым размером отверстия: (а) a = b = 30 мм, (б) a = b = 40 мм, (в) a = b = 50 мм, и (d) a = b = 60 мм

3.2 Тепловой эффект неравнозначных нижнего и верхнего впускного канала.

Неравномерные размеры верхнего и нижнего каналов могут усилить вентиляцию из-за разницы давления в межфасадном пространстве. Чтобы оценить влияние соотношения размеров верхнего и нижнего каналов на температуру фотоэлемента, были исследованы шесть соотношений b / a от 1 до 5 при постоянной скорости ветра 2 м / с и угле атаки θ = 0 градусов и поглощением тепловой энергии эквивалентное q = 500 Вт / м2. Желательно увеличенный нижний канал, эта конфигурация ускоряет скорость воздушного потока в том же направлении, что и эффект текучести. Обнаружено, что при b <a наблюдается незначительное улучшение температуры фотоэлемента, и поэтому результаты здесь не обсуждаются. В этом подразделе a и d сохраняются в минимум 30 мм и 200 мм соответственно, а b варьируется от 30 мм до 150 мм. На рисунке 9 показан график температур фотоэлементов с различными отношениями b / a. Температура ФЭПов немного уменьшается с увеличением отношения b / a. При изменении расстояний 60 мм и 90 мм (т. Е. b/a = 2–3) температура не изменяется. Температура дополнительно падает на 1,5 ° C, когда нижнее отверстие увеличивается до 150 мм (т. Е. B / a = 5). На рис.10 представлены профили скорости шести конфигураций с различные соотношения b/a. По мере увеличения соотношения b/a в нижней части воздушного канала за фотоэлектрической панелью постепенно формируется завихрение потока. Эти завихрения нарушают поток воздуха снизу вверх для отвода тепла. Это также уменьшает конвективную теплопередачу между задней поверхностью. панели и воздуха. По мере увеличения отношения b / a эффективность охлаждения становится выше. Снижение температуры замедляется с дальнейшим увеличением b.

рис 9 График зависимости средней температуры ячейки от отношения b / a (a = 30 мм, d = 200 мм)
рис 10 Профиль скорости воздуха вокруг блока BIPV при различных соотношениях b / a (a = 30 мм, d = 200 мм): (a) b / a = 1, (b) b / a = 1.5, (c) b / a = 2, (d) b / a = 3, (e) b / a = 4, и (f) b / a = 5
рис 11 Внутренние воздуховоды блоков BIPV (a = 30 мм, b = 75 мм) с различной глубиной полости: (а) d = 40 мм, (б) d = 50 мм, (в) d = 75 мм, (г) d = 100 мм, (д) d = 125 мм, (е) d = 200 мм

3.3 Тепловой эффект при различной глубине межфасадного пространства.

В предыдущем подразделе вихревые потоки наблюдалось в нижней части воздушний полость. В этом подразделе исследуется глубина d межфасадного пространства, чтобы сгладить неблагоприятное влияние упомянутого вехривого потока. Скорость ветра, угол атаки и эквивалентная тепловая энергия поглощение такие же, как в разделе 3.2. Выбранный экземпляр был исследован на различной глубине a = 30 мм и b = 75 мм(т.е. b / a = 2,5). Изучены различные глубины каверны d в диапазоне от 40 мм до 150 мм. Результаты сравниваются с исходным уровнем d = 200 мм. На рисунке 11 показано, как глубина полости оказывает существенное влияние на воздушный поток внутри полости. При уменьшении d от 200 мм до 75 мм величина вихревого потока внизу и вверху также уменьшается. Когда d меньше 75 мм возмущение потока исчезает. рисунок 12 (а) демонстрирует взаимосвязь между температурой фотоэлемента и глубина полости. Наблюдается высокая средняя температура ячейки когда d уменьшаем (например, 40 мм). С увеличением d температура падает примерно на d = 100 и 125 мм. При дальнейшем увеличении d температура также повышается и достигает плато. Температуру ФЭП могут регулировать два механизма изменяется при различных значениях d. Во-первых, сопротивление потоку между нижним и верхним каналом в межфасадном пространстве увеличивается при малых d и таким образом, снижается эффективность теплопередачи, в которой этот механизм преобладает при d <100 мм. Во-вторых, при больших d (> 100–125 мм) возмущение потока и вихрь, создаваемый в нижней и верхней части воздушной полости, соответственно, оказывают неблагоприятное воздействие на воздушный поток и тепло передачи (как показано на рис. 11 (d) –11 (f)). Поперечная вентиляция между входным и выходным каналом уменьшается. Второй механизм становится более значительным при d> 125 мм. Средние температуры ячеек снижаются независимо от размера отверстий, как показано на рис. 12 (b). Было установлено, что средние температуры ячеек при d = 100 мм ниже, чем при d = 200 мм, если другие элементы конфигурации совпадают.

рис 12 Средняя температура фотоэлемента с различной глубиной полости с a = 30 мм, когда (a) b / a = 2,5 и (b) a = b

3.4 Тепловое влияние скорости ветра.

Скорость ветра — это независимый, критический фактор конвективного теплообмена. Несмотря на то, что скорость ветра невозможно контролировать на открытом пространстве, это независимый критический фактор в конвективной теплопередаче, ее влияние стоит изучить, чтобы оценить эффективность BIPV. Для оценки характеристик BIPV при разной скорости ветра, шесть сценариев со скоростью ветра от 0,1 до 4 м/с были исследованы при постоянной солнечной освещенности с эквивалентным поглощением тепловой энергии 500 Вт / м2. Производительность двух конфигураций BIPV была оценена и сравнена. Одна конфигурация включает верхние и нижние отверстия одинакового размера (т. Е. A = b = 30 мм). Другая конфигурация предусматривает соотношение отверстий b / a = 2,5 при a = 30 мм. В обоих случаях глубина межфасадного пространства составляет 100 мм.

На рисунке 13 представлены средние температуры ФЭПов при к онфигурацийb/a = 1 и 2,5 при различных скоростях ветра. При u = 0,1 м/с температура в обоих конфигурациях составляет 94 ° C. По мере увеличения скорости ветра средняя температура ячейки постоянно снижается. Изменение соотношение впускного и выпускного канала показывает, что при низкой скорости ветра u <1 м / с, разница в средних температурах ячейки незначительна. Однако по мере постепенного увеличения скорости ветра увеличивается и разница температур. При u = 4 м / с средняя температура ФЭПов b/a = 2,5 на 5 ° C ниже, чем при b/a = 1. Следует отметить, что температура ФЭПов в реальных условиях должна быть ниже, чем представленные результаты, поскольку в моделировании постоянно учитывалась пиковое солнечное излучение. В общем, по мере увеличения скорости ветра средняя температура ФЭП снижается почти линейно. Однако различные конфигурации модели BIPV будут влиять на скорость снижение температуры.

рис 13 Средняя температура элемента ФЭП при различных скоростях ветра
рис 14 Температура ФЭПа в зависимости от солнечного излучения при скорости ветра u = 2 м/с перпендикулярно фотоэлектрической панели
рис 15 Температура ФЭПа в фотоэлектрической панели в зависимости от угла атаки ветра при u = 2 м / с, a = 30 мм

3.5 Влияние солнечного излучения.

Для оценки температуры ФЭПа при различных условиях солнечного излучения, моделирование выполняется с двумя модельными конфигурациями (b/a = 1 и 2,5, при обоих d = 100 мм) при постоянной скорости ветра u = 2 м/с. Рассмотрены две модели BIPV при различной мощности солнечного излучения. Эквивалентная тепловая энергия поглощение q составляет от 200 до 700 Вт/м2. На рисунке 14 представлены температура ФЭПов. По мере увеличения q можно наблюдать увеличение средней температуры ФЭПов. Также можно заметить, что средняя температура ФЭПа имеет линейную зависимость от эквивалентной поглощённой тепловой энергии. Сравнение двух наборов результатов полученные для графиков b/a = 1 и 2,5 выявили небольшую разницу в температурах ФЭПов – менее 3 ° С. При пиковом солнечном излучении в течении дня, для вертикальных поверхностей, в Сингапуре q = 500 Вт/м2, средняя температура ячейки составляет примерно 79 ° C. Основываясь на приведенных выше наблюдениях, можно сделать вывод, что размер канала имеет ограниченное влияние на характеристики BIPV при изменении солнечного излучения.

3.6 Влияние углов атаки ветра.

Упомянутые ранее две конфигурации модели BIPV используются в моделировании для исследования характеристик BIPV с учетом различных углов атаки ветра в диапазоне от θ = 0 ° до 90 °. Скорость ветра и угол атаки составляет 2 м/с и θ = 0 градусов соответственно при эквивалентном поглощении тепловой энергии q=500 Вт/м2. На рисунке 15 представлена средняя температура ФЭПов при разных углах атаки ветра. Для обеих конфигураций при u = 2 м/с и θ <60 град изменение температуры в пределах 3°C. Температура ФЭПов в панели поддерживается в промежутке от 74 ° C до 79 ° C. Когда угол атаки находится в промежутке 60 град <θ <90 град, температура ячейки резко падает с 75 ° C до 63 ° C. Это прогнозируемое улучшение выработки электроэнергии на ~ 5,4% на основе 0,48% / К [6,7]. Сравнение графиков в обоих случаях с b/a = 1 и 2,5, показывает аналогичную тенденцию. Если θ <60 градусов, общий производительность конфигурации b/a = 2,5 лучше, чем у b/a = 1. Если θ> 60 градусов, то значения средних температура ФЭП в обоих случаях одинаковы. Это указывает на то, что размер отверстий имеет ограниченное влияние на характеристики BIPV при θ> 60 градусов. Это может быть связано с тем, что преобладает отвод тепла за счет теплообмена на лицевой поверхности панели. Рисунок 16 показывает застойную зону или низкую скорость перед фотоэлектрической панелью при θ = 0 град. Такие области с низкой скоростью ветра вызовут меньшую конвекционную теплопередачу и, следовательно, высокую температуру фотоэлемента. При θ> 60 градусов наблюдается увеличение скорости ветра на лицевая поверхность панели. Кроме того, конвекционная теплопередача должна быть более эффективна.

рис 16 Сравнение профилей скорости в сечении панели: (а) θ = 0 градусов и (б) θ = 90 градусов (a = b = 30 мм, d = 200 мм, u = 2 м / с)
рис 17 Температура ФЭПов в фотоэлектрической панели в зависимости от температуры окружающей среды

3.7 Влияние температуры окружающей среды.

В реальных условиях температура окружающей среды колеблется. Это также может влиять на температуру ФЭПов в BIPV. Таким образом, изучены семь вариантов температуры окружающей среды, где q = 500 Вт/м2 и u = 2 м/с. На рисунке 17 показано постепенное повышение температуры фотоэлемента по мере увеличения температуры окружающей среды. Было определено, что средняя температура ячейки составляет Tpv = Tambient + 47,3 ° C (для b/a = 2,5 при a = 30 мм) и Tpv = Tambient + 50,6 ° C (для b/a = 1 при a = 30 мм). Изменение температуры окружающей среды будет таким же или аналогичным изменению средней температуре ФЭПа. Следовательно, независимо от размера канала средняя температура ФЭПов линейно зависит от температуры окружающей среды. Однако размер отверстий может влиять на среднюю температуру ФЭПов. Модель где b/a = 2,5 демонстрирует более низкую температуру, чем модель b/a = 1.

4. Выводы

Вычислительная гидродинамика CFD – используется для оценки охлаждения BIPV при различной конструкционной конфигурации в различных условиях окружающей среды. Разработана упрощенная 3D-модель для вентилируемых фасадов с встроенными фотоэлектрическими модулями BIPV. Исследовано влияние геометрических параметров конструкции BIPV на температуру фотоэлемента. Геометрические параметры включают размер верхних и нижних каналов, а также глубину воздушной канала между задней поверхностью фотоэлектрической панели и стеной здания. Исследовано влияние различных условий окружающей среды, включая скорость ветра, солнечное излучение, угол атаки ветра и температуру окружающей среды на температуру фотоэлементов. Увеличение размера как верхнего, так и нижнего канала с 30 мм до 60 мм снижает температуру в среднем на 1,5 ° C, что считается менее значимым. С другой стороны, это определило, что температура будет снижаться за счет увеличения соотношение размеров каналов нижнего с верхним, b/a. Когда соотношение b/a достигает 5, температура падает на 4 °C по сравнению с b/a= 1 при a = 30 мм. Прогнозируется улучшение выработки электроэнергии на ~ 1,92% на основе 0,48%/K из существующего исследования. Так же, если глубина межфасадного пространства небольшая, температура остается высокой за счет сопротивлению потоку в образовавшемся канале. Как глубина межфасадного пространства увеличивается, температура падает, при дистанции примерно 100–125 мм. При дальнейшем увеличении межфасадного пространства температура ФЭПов немного повысится из-за вихревых потоков в нижней и верхней части. Настоящее исследование определяет глубину межфасадного пространства в промежутке 100 мм и 125 мм, как обеспечивающая самую низкую температуру ФЭПов. Две конфигурации где b/a = 1 и 2,5 a = 30 мм являются протестированными в различных условиях окружающей среды. Когда скорость ветра увеличивается, средняя температура ФЭПа снижается. Температура ФЭПа значительно падает, когда скорость ветра превышает 1 м/с. Если солнечное излучение меняется, средняя температура ФЭПа будет демонстрировать линейную зависимость от его интенсивности независимо от конфигурация. Если θ <60 град, средняя температура ФЭП не сильно меняется; однако, если θ> 60 градусов, температура резко падает. Также следует учитывать температуру окружающей среды. При тестировании двух моделей BIPV при разных температурах окружающей среды от 23 ° C до 35 ° C результаты показывают, что средняя температура ячейки также имеет линейную зависимость от температуры окружающей среды. Подводя итог выше сказанному, можно отметить, что конфигурации BIPV влияет на среднюю температуру ФЭПов, и правильной конструкцией BIPV можно добиться более низкую температуру ФЭПов. При проектировании фасада BIPV следует учитывать ориентацию (поскольку она связана со скоростью ветра и углом атаки). Большой угол атаки ветра, оптимальная глубина межфасадного пространства и увеличение нижнего канала оказывают влияние на снижение температуры фотоэлементов. Производительность BIPV зависит от температуры окружающей среды и интенсивности солнечного излучения.

%d такие блоггеры, как: