طراحی کارآمد پنل خورشیدی صنعت PV را بهبود می بخشد
سلول های فتوولتائیک خورشیدی (PV) دستگاه های نیمه هادی هستند که مستقیماً انرژی خورشیدی را با استفاده از اثر فتوولتائیک به برق یا ولتاژ تبدیل می کنند . این سلولهای PV بیشتر به عنوان سلولهای خورشیدی یا پانلهای خورشیدی شناخته میشوند و در سال 2012 تقریباً 93 تراوات ساعت (TWh) الکتریسیته تولید کردند که برای تامین انرژی بیش از 20 میلیون خانه کافی است. از آنجایی که سلولها باید مستقیماً در معرض اشعههای خورشید باشند، در فضای باز قرار میگیرند، جایی که پانلها تحت تأثیر عناصر قرار میگیرند. بنابراین، سلول ها نه تنها باید برای تولید موثر الکتریسیته بهینه شوند، بلکه باید بتوانند در طول زمان در شرایط محیطی خود زنده بمانند. این امر به ویژه هنگام طراحی صفحات خورشیدی برای استفاده در یک نیروگاه فتوولتائیک مهم است(همچنین به عنوان مزرعه خورشیدی یا پارک خورشیدی شناخته میشود، جایی که پانلها در زمینهای باز و بدون سرپناهی از باد نصب میشوند. در این مزارع خورشیدی، جایی که گاهی صدها سلول PV وجود دارد، جریان آشفته در اطراف پانل و سازه جریان دارد. جابجایی که در نتیجه این بار جریان اتفاق می افتد باید مدل سازی و تجزیه و تحلیل شود تا از طراحی بهینه پنل خورشیدی اطمینان حاصل شود.
پارک خورشیدی Erlasee، یک نیروگاه فتوولتائیک واقع در آلمان.
استفاده از انرژی خورشیدی در سراسر جهان
در حال حاضر، انرژی خورشیدی کمتر از 1 درصد از برق مصرفی جهان را تشکیل می دهد ، اما این رقم در دهه گذشته – به طور تصاعدی – در حال افزایش بوده است . در واقع، استفاده از انرژی خورشیدی از 18 گیگاوات در سال 2000 به 284 گیگاوات در سال 2012 افزایش یافته است.
یکی از انتقادات اصلی به انرژی خورشیدی این است که صنعت فتوولتائیک بیش از تولید برق مصرف می کند. با این حال، تحقیقات جدید دانشگاه استنفورد نشان می دهد که از سال 2012، انرژی تولید شده توسط پنل های PV جهان احتمالاً از انرژی استفاده شده در ساخت آنها پیشی گرفته است. علاوه بر کاهش هزینه های ساخت و اقساط و افزایش راندمان در تبدیل نور خورشید به برق، پانل ها استحکام و دوام بیشتری دارند و بنابراین نیاز به تعویض کمتری دارند. مطالعه استنفورد در ادامه گزارش داد که اگر نرخ رشد فعلی ادامه یابد، صنعت PV قادر خواهد بود تا سال 2015 “بدهی انرژی” خود را بپردازد و علاوه بر این، تا سال 2020، 10 درصد از برق جهان میتواند تامین شود. تولید شده توسط انرژی خورشیدی
شبیهسازی چندفیزیکی میتواند نقش مهمی در تجزیه و تحلیل و بهبود طراحی سلولهای PV داشته باشد و به ادامه این روند به سمت تولید انرژی خورشیدی کارآمدتر و مقرون به صرفهتر کمک کند.
شبیه سازی یک پنل خورشیدی در جریان تناوبی
هنگام طراحی پنل های خورشیدی، مهم است که تمام جنبه های طراحی در نظر گرفته شود، نه فقط فرآیند فتوولتائیک که از طریق آن انرژی خورشید جذب و به الکتریسیته تبدیل می شود. تجزیه و تحلیل جامع سیستم همچنین باید شامل عناصری باشد که پانل در معرض آنها قرار دارد، مانند بارهای باد. برای تعیین کمیت بار باد، یعنی تنش های اعمال شده توسط جریان بر سازه، باید میدان جریان را محاسبه کرد. با توجه به ماهیت دوره ای مزارع خورشیدی، می توان آنها را با استفاده از جریان دوره ای مدل سازی کرد .
جریان تناوبی زمانی ایجاد می شود که جریان سیال در هندسه ای که ترکیب آن تکراری است و اغلب از بسیاری از عناصر مشابه تشکیل شده است، وارد می شود. هندسه فیزیکی سیستم باید تکراری باشد و این تکرار باید برای مدت زمان معینی از مکان و زمان قبل از ایجاد یک الگوی جریان متناوب ادامه یابد. در یک مزرعه خورشیدی، که در آن اغلب صدها هندسه پانل یکسان وجود دارد، چنین الگوی جریان معمولاً رخ می دهد. یک میدان جریان دوره ای را می توان در COMSOL Multiphysics با استفاده از ماژول CFD و یک جریان دوره ای مدل کرد.شرایط مرزی، که جریان خروجی را از یک مرز به ورودی دیگر می پیوندد. هنگام شبیه سازی این اثر، فقط هندسه برجسته نشان داده شده در زیر باید برای جریان اطراف پانل حل شود تا جابجایی ساختاری که به دلیل بار سیال رخ می دهد تعیین شود.
هندسه یک مزرعه خورشیدی که یک آرایه تکراری را نشان می دهد که جریان دوره ای ایجاد می کند.
در این هندسه، میتوان فرض کرد که پنلهای خورشیدی به اندازه کافی در بالادست و پایین دست پانل برجسته وجود دارد تا شرایط جریان دورهای قابل اجرا باشد. هنگامی که جریان جریان مدلسازی شد، میتوانیم تغییر شکل ساختاری را که هنگام قرار گرفتن پانل در معرض بادهای شدید ایجاد میشود، بیشتر تحلیل کنیم.
برای کاهش بیشتر بار محاسباتی، تنها نیمی از ناحیه تناوبی برجسته شده با بهرهبرداری از تقارن هندسه مدلسازی میشود:
هندسه پنل خورشیدی مورد استفاده برای شبیه سازی مکانیک سازه، نشان دهنده پشتیبانی های موجود است.
با این حال، هنگام مدلسازی جریان سیال و میدان جریان دورهای، میتوانیم با استفاده از هندسه مدل سادهشده در زمان محاسباتی صرفهجویی کنیم. در این هندسه، تکیه گاه های واقع در پشت پانل را می توان از شبیه سازی حذف کرد، زیرا تکیه گاه ها در مقایسه با بقیه هندسه کوچک هستند و در پی میدان جریان قرار دارند. هنگامی که این اجزا نادیده گرفته می شوند، تعداد عناصر مش مورد نیاز به شدت کاهش می یابد. هندسه ای که در قسمت جریان سیال شبیه سازی استفاده می شود در زیر نشان داده شده است:
نمای پشتی از هندسه پنل خورشیدی مورد استفاده در شبیه سازی جریان سیال.
تحلیل میدانی جریان طراحی پنل خورشیدی
بیایید فرض کنیم که میخواهیم سیستم را هنگامی که در معرض بادهای 15 متر بر ثانیه یا حدود 54 کیلومتر در ساعت (30 مایل در ساعت) قرار میگیرد، تجزیه و تحلیل کنیم. با توجه به مقیاس بوفور ، این می تواند به عنوان یک طوفان بادی متوسط طبقه بندی شود . میتوانیم جریان سیال در اطراف هندسه پانل را بررسی کنیم و ببینیم که چگونه جریان با پانل تعامل دارد.
![]() | ![]() |
خطوط جریانی سرعت، با انرژی جنبشی متلاطم نرمال شده توسط انرژی جنبشی در جریان آزاد و مولفه های سرعت در پشت پانل رنگ می شوند.
در شبیه سازی بالا، یک ناحیه گردش مجدد بین پانل های آرایه دیده می شود. جریان در نزدیکی بالای پانل (خطوط جریان قرمز) سریعتر و در جریان آشفته منطقه چرخش (خطوط جریان آبی و سبز) کندتر است. گوشه سمت راست بالای پانل در معرض شدیدترین بادها و بیشترین فشار قرار دارد. این را می توان در مدل زیر مشاهده کرد که فشار سطح روی پانل را نشان می دهد:
خطوط فشار سطح وجود دارد و مولفه های سرعت درون صفحه 6 سانتی متر پشت پانل. اختلاف فشار ورودی به خروجی 1 Pa است.
این مدل بار سیال روی پنل خورشیدی را نشان میدهد و نشان میدهد که حداکثر فشار اعمال شده بر روی پنل خورشیدی در گوشه سمت راست بالای صفحه رخ میدهد و برابر با 30 Pa است.
جابجایی ساختاری طراحی پنل خورشیدی
در مرحله بعد، از هندسه کامل پانل خورشیدی برای محاسبه جابجایی ساختاری که بار سیال در پانل ایجاد می کند استفاده می کنیم. هنگامی که بار سیال را به پنل خورشیدی اعمال می کنیم، جابجایی نشان داده شده در زیر را دریافت می کنیم:
جابجایی ساختاری پنل خورشیدی به دلیل بار جریان سیال.
همانطور که شبیه سازی های قبلی جریان سیال نشان می دهد، بزرگترین جابجایی در گوشه سمت راست بالای پانل رخ می دهد. با این حال، این جابجایی نسبتاً کوچک است (فقط حدود 0.35 میلی متر). بر اساس این جابجایی کوچک، میتوانیم فرض کنیم که صفحات خورشیدی اطراف در آرایه به محافظت از پانل در برابر قدرت کامل باد 54 کیلومتر در ساعت کمک میکنند.
همانطور که صنعت PV گسترش می یابد و پانل های خورشیدی کارآمدتر و مقرون به صرفه تر می شوند، دوام طراحی پنل خورشیدی نیز باید افزایش یابد. به منظور تعیین اینکه آیا هندسه پنل خورشیدی مورد بحث در بالا می تواند در برابر بادهای قوی تری مقاومت کند، مانند آنچه در طوفان شدید با بادهایی با سرعت 117 کیلومتر در ساعت (73 مایل در ساعت) (همانطور که در مقیاس بوفور توضیح داده شده است )) تحلیل ها و بهینه سازی های اضافی باید انجام شود. برخی از سوالاتی که ممکن است در مورد این هندسه بپرسیم این است: قوی ترین باد که این پانل می تواند تحمل کند چیست؟ این جابجایی چگونه بر توانایی برداشت انرژی پانل تأثیر می گذارد؟ چه پیشرفت هایی می تواند انجام شود؟ اگر صنعت PV به طور تصاعدی به پیشرفت خود ادامه دهد، این سوالات و سوالات دیگر توسط مهندسان انرژی خورشیدی از سراسر جهان پرسیده و پاسخ داده خواهد شد.
منابع اضافی
- مدل پنل خورشیدی در جریان دوره ای را از گالری مدل دانلود کنید
- برخی از آمار انرژی های تجدیدپذیر از سراسر جهان را بررسی کنید
- لینک دانلود به صورت پارت های 1 گیگابایتی در فایل های ZIP ارائه شده است.
- در صورتی که به هر دلیل موفق به دانلود فایل مورد نظر نشدید به ما اطلاع دهید.
برای مشاهده لینک دانلود لطفا وارد حساب کاربری خود شوید!
وارد شویدپسورد فایل : پسورد ندارد گزارش خرابی لینک
دیدگاهتان را بنویسید