 |
سلول ترمو-فتوولتائیک
معرفی
مثال زیر کاربردی را نشان می دهد که شار تابشی سطح به سطح را به حداکثر می رساند و شار حرارتی رسانا را به حداقل می رساند.
یک سلول ترمو فتوولتائیک (TPV) الکتریسیته را از احتراق سوخت و از طریق تشعشع تولید می کند. شکل 1 اصل عملکرد کلی را نشان می دهد. سوخت در داخل دستگاه تابشی که به شدت تابش می کند می سوزد. سلول‌های فتوولتائیک (PV) – تقریباً مانند سلول‌های خورشیدی – تشعشع را جذب کرده و به الکتریسیته تبدیل می‌کنند. راندمان دستگاه TPV از 1% تا 20% متغیر است. در برخی موارد، TPV ها در ژنراتورهای حرارتی برای تولید همزمان برق استفاده می شوند و راندمان آنچنان حیاتی نیست. در موارد دیگر از TPVها به عنوان منابع انرژی الکتریکی استفاده می شود، برای مثال در خودروها ( مرجع 1 ). در این موارد کارایی یک نگرانی عمده است.
شکل 1: اصل عملکرد یک دستگاه TPV ( مرجع 2 )، و تصویری از یک سیستم نمونه اولیه ( مرجع 3 ).
سیستم‌های TPV، بر خلاف سیستم‌های الکترونیکی معمولی، باید انتقال حرارت تشعشع را برای بهبود کارایی به حداکثر برسانند. با این حال، تلفات تابشی ذاتی – تشعشعات تبدیل نشده به نیروی الکتریکی – به افزایش دمای سلول های PV کمک می کند. علاوه بر این، انتقال حرارت از طریق هدایت منجر به افزایش دمای سلول می شود. سلول های PV محدوده دمای عملیاتی محدودی دارند که به نوع ماده مورد استفاده بستگی دارد. سلول های خورشیدی به دمای کمتر از 80 درجه سانتیگراد محدود می شوند ، در حالی که مواد نیمه هادی با راندمان بالا می توانند تا 1000 درجه سانتیگراد را تحمل کنند. راندمان فتوولتائیک اغلب تابعی از دما با حداکثر در دمایی بالاتر از محیط است.
برای بهبود کارایی سیستم، مهندسان ترجیح می دهند از سلول های PV با راندمان بالا استفاده کنند که البته می تواند بسیار گران باشد. برای کاهش هزینه‌های سیستم، مهندسان با سلول‌های PV با مساحت کوچک‌تر کار می‌کنند و سپس از آینه‌ها برای تمرکز تابش بر روی آنها استفاده می‌کنند. با این حال، محدودیتی برای فوکوس کردن پرتوها وجود دارد. اگر شدت تابش خیلی زیاد شود، سلول ها می توانند بیش از حد گرم شوند. بنابراین مهندسان باید هندسه سیستم و شرایط عملیاتی را برای دستیابی به حداکثر عملکرد با حداقل هزینه مواد بهینه کنند.
برنامه زیر که از انتقال حرارت با رابط تابش سطح به سطح استفاده می کند، تأثیر شرایط عملیاتی (دمای شعله) را بر بازده سیستم و دمای اجزا در یک سیستم TPV معمولی بررسی می کند. این برنامه همچنین می تواند تأثیر تغییرات هندسه را ارزیابی کند.
تعریف مدل
شکل 2 هندسه و ابعاد سیستم مورد مطالعه را نشان می دهد. برای کاهش دما، سلول های PV در قسمت پشتی خود (در سطح مشترک با عایق) با آب خنک می شوند.
شکل 2: هندسه و ابعاد سیستم TPV مدل شده.
هدایت همیشه در مرزهای مختلف وجود دارد. این مدل امیتر را با دمای خاص، گرمکن T ، در مرز داخلی شبیه‌سازی می‌کند. در مرز ساطع کننده بیرونی، تابش (سطح به سطح) را در شرایط مرزی در نظر می گیرد. این آینه ها را با در نظر گرفتن تشعشعات در تمام مرزها و اعمال تابش کم، شبیه سازی می کند. مرزهای داخلی سلول های PV و عایق نیز از شرایط مرزی تشعشع استفاده می کنند. با این حال، سلول های PV انتشار بالا و عایق انتشار کم دارند. علاوه بر این، سلول های PV کسری از تابش را به جای گرما به الکتریسیته تبدیل می کنند. هیت سینک ها در مرزهای داخلی خود این اثر را با محاسبه یک منبع حرارتی مرزی شبیه سازی می کنند، q تعریف شده توسط
که در آن G شار تابش (W/m 2 ) و η pv بازده ولتایی سلول PV است. دومی به دمای محلی بستگی دارد، با حداکثر 0.2 در 800 K:
شکل 3 این عبارت را برای دمای بالای 1000 کلوین
شکل 3: بازده ولتایی سلول PV در مقابل دما.
در مرز بیرونی سلول‌های PV، مدل خنک‌کننده آب همرفتی را با تنظیم h روی 50 W/(m2 · K) و T amb روی 273.15 K اعمال می‌کند. در نهایت، در مرز بیرونی عایق، همرفتی اعمال می‌شود. خنک کننده با تنظیم h روی 5 W/(m 2 ·K) و T amb روی 293.15 K.
جدول 1 خصوصیات مواد را خلاصه می کند.
جزء | k (W/(m·K)) | ρ (kg/ m3 ) | C p (J/(kg·K)) | ه |
امیتر | 10 | 2000 | 900 | 0.99 |
آینه | 10 | 5000 | 840 | 0.01 |
سلول PV | 93 | 2000 | 840 | 0.99 |
عایق | 0.05 | 700 | 100 | 0.1 |
این مدل محلول ثابت را برای طیفی از دماهای امیتر ( 1000 K تا 2000 K) با استفاده از حل کننده پارامتری محاسبه می کند.
در نهایت، هندسه نشان داده شده در شکل 2 امکان استفاده از تقارن بخش و بازتاب را برای کاهش هزینه محاسباتی فراهم می کند. همانطور که در شکل 4 نشان داده شده است، هندسه را می توان به 8 بخش (که با خطوط آبی مشخص شده است) تقسیم کرد که هر بخش شامل یک صفحه بازتاب (خط قرمز) است. بنابراین دامنه محاسباتی به یک شانزدهم هندسه کاهش می یابد. سپس، برای مدل‌سازی تابش سطح به سطح، محاسبه ضریب دید بر روی هندسه کاهش‌یافته، حضور تمام سطوح هندسه کامل را در نظر می‌گیرد.
شکل 4: بخش های تقارن (خطوط آبی) و صفحه بازتاب (خط قرمز) در یک بخش.
نتایج و بحث
نتایج نشان می دهد که دستگاه توزیع دمای قابل توجهی را تجربه می کند که با شرایط عملیاتی متفاوت است. شکل 5 توزیع ثابت را در هندسه کامل در شرایط عملیاتی با دمای امیتر 2000 کلوین نشان می دهد.
شکل 5: توزیع دما در سیستم TPV زمانی که دمای امیتر 2000 کلوین باشد.
همانطور که نمودار بالایی در شکل 6 نشان می دهد، سلول های PV به دمای تقریبا 1800 کلوین می رسند. این به طور قابل توجهی بالاتر از حداکثر دمای عملیاتی آنها 1600 K است، که بالاتر از آن بازده فتوولتائیک آنها صفر است ( شکل 3 را ببینید ).
جالب است که بررسی کنیم دمای عملیاتی بهینه چقدر است. نمودار پایین در شکل 6 بررسی می کند که سیستم در چه دمایی به حداکثر توان الکتریکی خروجی می رسد. دمای بهینه امیتر برای این پیکربندی بین 1600 کلوین و 1700 کلوین به نظر می رسد، جایی که توان الکتریکی (تابش ضرب در بازده ولتایی) حداکثر است.
شکل 6: دمای سلول PV (بالا) و توان خروجی الکتریکی (پایین) در مقابل دمای کارکرد.
مرحله بعدی بررسی توزیع دما در شرایط عملیاتی بهینه است ( شکل 7 ).
شکل 7: توزیع دما و شار تابش سطحی در سیستم در دمای کارکرد امیتر 1600 کلوین.
هنگامی که امیتر در دمای 1600 کلوین است، سلول های PV به دمای تقریبی 1200 کلوین می رسند که بدون هیچ مشکلی می توانند آن را تحمل کنند. توجه داشته باشید که عایق در خارج به دمای تقریباً 800 کلوین می رسد، که نشان می دهد سیستم مقدار قابل توجهی گرما را به هوای اطراف منتقل می کند.
شار تابش به طور قابل توجهی در امتداد محیط سلول PV و ژاکت عایق متفاوت است. برای بررسی بیشتر این اثر، شکل 8 شار تابش را در این شرایط عملیاتی در یک بخش از تقارن ترسیم می کند. واضح است که تغییری که نشان می دهد به موقعیت آینه ها مربوط می شود و اثر سایه زدن است.
شکل 8: شار تابش در امتداد سلول‌های TPV، سطح داخلی عایق در دمای امیتر 1600 کلوین.
این نمودار می تواند به بهینه سازی هندسه آینه کمک کند و همچنین به تصمیم گیری در مورد اندازه سلول های PV و محل قرارگیری آنها کمک کند.
یک نتیجه گیری کلی این است که این نوع مدل سازی می تواند زمان توسعه نمونه اولیه را میانبر کرده و شرایط عملیاتی را برای دستگاه TPV نهایی شده بهینه کند.
منابع
1. S. Christ and M. Seal، ” Viking 27 – A Thermophotovoltaic Hybrid Vehicle طراحی و ساخته شده در دانشگاه واشنگتن غربی “، SAE Technical Paper 972650، 1997.
2. با حسن نیت از E. Fontes، Catella Generics AB، سوئد.
3. با حسن نیت دکتر دی ویلهلم، موسسه پل شرر، سوئیس.
مسیر کتابخانه برنامه: Heat_Transfer_Module/Thermal_Radiation/tpv_cell
دستورالعمل های مدل سازی
از منوی File ، New را انتخاب کنید .
جدید
در پنجره جدید ، روی 
Model Wizard کلیک کنید .
Model Wizard کلیک کنید .مدل جادوگر
1 | در پنجره Model Wizard روی  2D کلیک کنید . |
2 | در درخت انتخاب فیزیک ، انتقال حرارت > تابش> انتقال حرارت با تشعشع سطح به سطح را انتخاب کنید . |
3 | روی افزودن کلیک کنید . |
4 |  روی مطالعه کلیک کنید . |
5 | در درخت انتخاب مطالعه ، General Studies>Stationary را انتخاب کنید . |
6 |  روی Done کلیک کنید . |
تعاریف جهانی
پارامترهای 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Global Definitions روی Parameters 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای پارامترها ، بخش پارامترها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | ارزش | شرح |
تی_هیتر | 1000[K] | 1000 K | دما، مرز داخلی ساطع کننده |
هندسه 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Geometry 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات هندسه ، بخش Units را پیدا کنید . |
3 | از لیست واحد طول ، میلی متر را انتخاب کنید . |
دایره 1 (c1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius عدد 40 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت نوشتار زاویه بخش ، 360/16 را تایپ کنید . |
5 | برای گسترش بخش لایه ها کلیک کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (میلی متر) |
لایه 1 | 5 |
لایه 2 | 24 |
لایه 3 | 1 |
6 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مستطیل 1 (r1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width ، 2 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت متن ارتفاع ، 5 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 20 را تایپ کنید . |
6 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
مستطیل 2 (r2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Rectangle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Rectangle ، بخش Size and Shape را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Width عدد 6 را تایپ کنید . |
4 | قسمت Position را پیدا کنید . در قسمت متن x ، 20 را تایپ کنید . |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
اتحادیه 1 (uni1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Booleans and Partitions کلیک کنید و Union را انتخاب کنید . |
2 | فقط اشیاء r1 و r2 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای Union ، بخش Union را پیدا کنید . |
4 | کادر تیک Keep interior borders را پاک کنید . |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
فیله 1 (fil1)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Fillet کلیک کنید . |
2 | در شی uni1 فقط نقاط 3، 6 و 8 را انتخاب کنید. |
ممکن است با استفاده از پنجره Selection List انتخاب نقاط صحیح آسانتر باشد . برای باز کردن این پنجره، در نوار ابزار Home روی Windows کلیک کرده و Selection List را انتخاب کنید . (اگر از دسکتاپ کراس پلتفرم استفاده می کنید، ویندوز را در منوی اصلی پیدا می کنید.)
3 | در پنجره تنظیمات برای Fillet ، بخش Radius را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن Radius ، 0.5 را تایپ کنید . |
5 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
دایره 2 (c2)
1 | در نوار ابزار Geometry ، روی  Circle کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات دایره ، بخش اندازه و شکل را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Radius عدد 37 را تایپ کنید . |
4 | در قسمت نوشتار زاویه بخش ، 360/48 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Rotation Angle را پیدا کنید . در قسمت متن چرخش ، 360/24 را تایپ کنید . |
6 | قسمت لایه ها را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام لایه | ضخامت (میلی متر) |
لایه 1 | 2 |
7 |  روی Build Selected کلیک کنید . |
حذف نهادهای 1 (del1)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Geometry 1 کلیک راست کرده و Delete Entities را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای حذف نهادها ، بخش Entities یا Objects to Delete را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، دامنه را انتخاب کنید . |
4 | در شیء c2 ، فقط دامنه 1 را انتخاب کنید. |
5 | در نوار ابزار Geometry ، روی  ساختن همه کلیک کنید . |
6 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
هندسه مدل اکنون کامل شده است. با بهره گیری از تقارن بخش و صفحه بازتاب در هر بخش، یک شانزدهم از هندسه کامل را نشان می دهد.
مواد
عایق
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Blank Material کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، عایق را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
رسانایی گرمایی | k_iso ; kii = k_iso، kij = 0 | 0.05 | W/(m·K) | پایه ای |
تراکم | rho | 700 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ظرفیت گرمایی در فشار ثابت | Cp | 100 | J/(kg·K) | پایه ای |
سلول PV
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Blank Material کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، PV Cell را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه 5 را انتخاب کنید. |
این دامنه سلول PV است.
4 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
رسانایی گرمایی | k_iso ; kii = k_iso، kij = 0 | 93 | W/(m·K) | پایه ای |
تراکم | rho | 2000 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ظرفیت گرمایی در فشار ثابت | Cp | 840 | J/(kg·K) | پایه ای |
آینه
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Blank Material کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مواد ، Mirror را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه 4 را انتخاب کنید. |
4 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
رسانایی گرمایی | k_iso ; kii = k_iso، kij = 0 | 10 | W/(m·K) | پایه ای |
تراکم | rho | 5000 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ظرفیت گرمایی در فشار ثابت | Cp | 840 | J/(kg·K) | پایه ای |
امیتر
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Blank Material کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، Emitter را در قسمت نوشتار Label تایپ کنید . |
3 | فقط دامنه 2 را انتخاب کنید. |
4 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
رسانایی گرمایی | k_iso ; kii = k_iso، kij = 0 | 10 | W/(m·K) | پایه ای |
تراکم | rho | 2000 | کیلوگرم بر متر مکعب | پایه ای |
ظرفیت گرمایی در فشار ثابت | Cp | 900 | J/(kg·K) | پایه ای |
مواد را اضافه کنید
1 | در نوار ابزار Materials ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material باز شود . |
2 | به پنجره Add Material بروید . |
3 | در درخت، Built-in>Air را انتخاب کنید . |
4 | روی Add to Component در نوار ابزار پنجره کلیک کنید . |
5 | در نوار ابزار Materials ، روی  Add Material کلیک کنید تا پنجره Add Material بسته شود . |
مواد
آب (mat5)
فقط دامنه های 1 و 3 را انتخاب کنید.
انتقال حرارت در جامدات (HT)
مایع 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی انتقال حرارت در جامدات (ht) کلیک راست کرده و Fluid را انتخاب کنید . |
2 | فقط دامنه 3 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات سیال ، قسمت Thermodynamics, Fluid را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع سیال ، گاز/مایع را انتخاب کنید . |
5 | از لیست γ ، User defined را انتخاب کنید . |
شار حرارتی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Heat Flux را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 28 را انتخاب کنید. |
این مرز بیرونی حوزه مدل‌سازی است که در آن خنک‌کننده هوای همرفتی اعمال می‌شود.
3 | در پنجره تنظیمات Heat Flux ، بخش Heat Flux را پیدا کنید . |
4 | از لیست نوع شار ، شار حرارتی همرفتی را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن h ، 5 را تایپ کنید . |
منبع حرارت مرزی 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Boundary Heat Source را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 27 را انتخاب کنید. |
اینها مرزهای سلول PV رو به بیرون هستند.
3 | در پنجره تنظیمات برای منبع حرارت مرزی ، قسمت منبع حرارت مرزی را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن Q b ، 50[W/(m^2*K)]*(273.15[K]-T) را تایپ کنید . |
منبع حرارت مرزی 2
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Boundary Heat Source را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 25 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای منبع حرارت مرزی ، قسمت منبع حرارت مرزی را پیدا کنید . |
4 | در قسمت متن Q b ، -q_out را تایپ کنید . |
دما 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Temperature را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 20 را انتخاب کنید. |
این مرز قطره چکان رو به داخل است.
3 | در پنجره تنظیمات دما ، قسمت دما را بیابید . |
4 | در قسمت متن T 0 ، T_heater را تایپ کنید . |
در نهایت، یک شرط مرزی Symmetry را برای دما اعمال کنید.
تقارن 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Symmetry را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 1-6، 8، 11، 15، 16، 18 و 19 را انتخاب کنید. |
تابش سطح به محیط 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Boundaries کلیک کنید و Surface-to-Ambient Radiation را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرز 28 را انتخاب کنید. |
تابش سطح به سطح (RAD)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Surface-to-Surface Radiation (rad) کلیک کنید . |
2 | فقط مرزهای 7، 9، 10، 12-14 و 21-26 را انتخاب کنید. |
سطح پراکنده 1
به طور پیش فرض، جهت تابش توسط کدورت دامنه ها کنترل می شود. قطعات جامد به طور خودکار به عنوان مات تعریف می شوند در حالی که قطعات مایع شفاف هستند. می توانید این تنظیم را با استفاده از ویژگی Opacity در رابط تابش سطح به سطح تغییر دهید .
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1)>Surface-to-Surface Radiation (rad) روی Diffuse Surface 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای سطح پخش ، بخش Ambient را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن T amb ، T را تایپ کنید .  |
مواد
مرز امیتر
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Materials راست کلیک کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرز 21 را انتخاب کنید. |
5 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
انتشار سطحی | epsilon_rad | 0.99 | 1 | پایه ای |
6 | در قسمت نوشتار Label ، مرز Emitter را تایپ کنید . |
مرز آینه
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 |  روی دکمه Select Box در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
3 | فقط دامنه 4 را انتخاب کنید. |
4 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
5 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
6 |  روی دکمه Select Box در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
7 | فقط مرزهای 7، 9، 10، 12-14 و 22-24 را انتخاب کنید. |
8 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
انتشار سطحی | epsilon_rad | 0.01 | 1 | پایه ای |
9 | در قسمت Label text، Mirror boundary را تایپ کنید . |
مرز عایق
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرزهای 26 و 28 را انتخاب کنید. |
5 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
انتشار سطحی | epsilon_rad | 0.1 | 1 | پایه ای |
6 | در قسمت نوشتار Label ، Insulation boundary را تایپ کنید . |
مرز سلول PV
1 | روی Materials کلیک راست کرده و Blank Material را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای مواد ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرز 25 را انتخاب کنید. |
5 | قسمت محتوای مواد را پیدا کنید . در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
ویژگی | متغیر | ارزش | واحد | گروه اموال |
انتشار سطحی | epsilon_rad | 0.99 | 1 | پایه ای |
6 | در قسمت نوشتار Label ، PV Cell boundary را تایپ کنید . |
تابش سطح به سطح (RAD)
بخش های تقارن و صفحه بازتاب را برای محاسبه ضریب دید برای تابش سطح به سطح تعریف کنید.
تقارن برای تابش سطح به سطح 1
1 | در نوار ابزار Physics ، روی  Global کلیک کنید و Symmetry for Surface-to-Surface Radiation را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات Symmetry برای تابش سطح به سطح ، بخش Symmetry برای تابش سطح به سطح را پیدا کنید . |
3 | از لیست نوع تقارن ، تقارن بخش را انتخاب کنید . |
4 | قسمت Sector Symmetry را پیدا کنید . در قسمت متنی Number of Sectors ، 8 را تایپ کنید . |
5 | قسمت Additional Reflection Plane را پیدا کنید . چک باکس Reflection for Symmetrical Sector را انتخاب کنید . |
6 | بردار u را به صورت مشخص کنید |
cos (pi/8) | ایکس |
sin (pi/8) | y |
تعاریف
متغیرهای 1
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  متغیرها کلیک کنید و متغیرهای محلی را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای متغیرها ، بخش متغیرها را پیدا کنید . |
3 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام | اصطلاح | واحد | شرح |
eta_pv | if(T<1600[K],0.2*(1-(T/800[K]-1)^2)،0) | بازده ولتایی، سلول PV | |
q_out | rad.Gm*eta_pv | W/m² | توان خروجی الکتریکی |
مش 1
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Component 1 (comp1) روی Mesh 1 کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات مش ، قسمت Physics-Controlled Mesh را پیدا کنید . |
3 | از لیست اندازه عنصر ، درشت را انتخاب کنید . |
مثلثی رایگان 1
در نوار ابزار Mesh ، روی Free Triangular کلیک کنید .
Free Triangular کلیک کنید .سایز 1
1 | روی Free Triangular 1 کلیک راست کرده و Size را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای اندازه ، قسمت انتخاب موجودیت هندسی را پیدا کنید . |
3 | از لیست سطح نهاد هندسی ، Boundary را انتخاب کنید . |
4 | فقط مرزهای 7، 9، 10، 12-14 و 21-26 را انتخاب کنید. |
5 | بخش اندازه عنصر را پیدا کنید . روی دکمه Custom کلیک کنید . |
6 | قسمت پارامترهای اندازه عنصر را پیدا کنید . کادر انتخاب حداکثر اندازه عنصر را انتخاب کنید . |
7 | کادر حداقل اندازه عنصر را انتخاب کنید . |
8 | کادر بررسی حداکثر نرخ رشد عنصر را انتخاب کنید . |
9 | تیک گزینه Curvature factor را انتخاب کنید . |
10 | در قسمت متن حداکثر اندازه عنصر ، 1 را تایپ کنید . |
11 |  روی ساخت همه کلیک کنید . |
مطالعه 1
مرحله 1: ثابت
یک جارو ادامه کمکی برای پارامتر T_heater تنظیم کنید .
1 | در پنجره Model Builder ، در بخش مطالعه 1 ، روی Step 1: Stationary کلیک کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای Stationary ، برای گسترش بخش Study Extensions کلیک کنید . |
3 | کادر بررسی جارو کمکی را انتخاب کنید . |
4 |  روی افزودن کلیک کنید . |
5 | در جدول تنظیمات زیر را وارد کنید: |
نام پارامتر | لیست مقادیر پارامتر | واحد پارامتر |
T_heater (دما، مرز داخلی ساطع کننده) | ک |
6 |  روی Range کلیک کنید . |
7 | در کادر محاوره‌ای Range ، 1000 را در قسمت متن شروع تایپ کنید . |
8 | در قسمت متن Step ، 100 را تایپ کنید . |
9 | در قسمت متن توقف ، 2000 را تایپ کنید . |
10 | روی Replace کلیک کنید . |
11 | در نوار ابزار صفحه اصلی ،  روی محاسبه کلیک کنید . |
نتایج
هندسه کامل را برای تجسم بهتر با تعریف مجموعه داده‌های Sector 2D بازسازی کنید . سپس از آن در نمودارهای پیش فرض استفاده کنید.
بخش 2D 1
1 | در نوار ابزار نتایج ، روی  More Datasets کلیک کنید و Sector 2D را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات بخش 2 بعدی ، بخش Symmetry را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متنی Number of Sectors عدد 16 را تایپ کنید . |
4 | از لیست Transformation ، چرخش و بازتاب را انتخاب کنید . |
5 | زیربخش جهت محور بازتاب را پیدا کنید . در قسمت متن X ، cos(pi/8) را تایپ کنید . |
6 | در قسمت متن Y ، sin(pi/8) را تایپ کنید . |
7 |  روی Plot کلیک کنید . |
دما (ht)
1 | در پنجره Model Builder ، گره Results>Temperature (ht) را گسترش دهید ، سپس روی Temperature (ht) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Sector 2D 1 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
خطوط همدما (ht)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Contours Isothermal (ht) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Sector 2D 1 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Isothermal Contours (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
پرتوزایی سطح (راد)
1 | در پنجره Model Builder ، روی Surface Radiosity (rad) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست Dataset ، Sector 2D 1 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار Surface Radiosity (rad) ، روی  Plot کلیک کنید . |
دما (ht)
1 |  روی دکمه Zoom Extents در نوار ابزار Graphics کلیک کنید . |
اولین نمودار سطحی پیش‌فرض دمای سلول TPV را برای آخرین مقدار در دمای عملیاتی جابجایی نشان می‌دهد.
خطوط همدما (ht)
نمودار پیش فرض دوم خطوط همدما را نشان می دهد.
پرتوزایی سطح (راد)
سومین نمودار پیش فرض رادیوسیتی را نشان می دهد.
نمودارهای شکل 6 را با مراحل زیر بازتولید کنید:
دمای سلول PV
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، دمای سلول PV را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | در نوار ابزار PV Cell Temperature ، روی  Point Graph کلیک کنید . |
2 | فقط نقطه 18 را انتخاب کنید. |
3 | در نوار ابزار دمای سلول PV ، روی  Plot کلیک کنید . |
برق خروجی
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، برق خروجی برق را در قسمت نوشتار برچسب تایپ کنید . |
نمودار نقطه 1
1 | در نوار ابزار Electric Output Power ، روی  Point Graph کلیک کنید . |
2 | فقط نقطه 18 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات نمودار نقطه‌ای ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Definitions>Variables>q_out – Electric output power – W/m² را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار برق خروجی برق ، روی  Plot کلیک کنید . |
همانطور که این نمودار آخر نشان می دهد، توان خروجی الکتریکی حداکثر نزدیک به 1600 K است. برای مشاهده توزیع دما در این دمای عملیاتی، به گروه نمودار اول برگردید و مقدار پارامتر را تغییر دهید.
دما (ht)
1 | در پنجره Model Builder ، در قسمت Results روی دما (ht) کلیک کنید . |
2 | در پنجره Settings for 2D Plot Group ، بخش Data را پیدا کنید . |
3 | از لیست مقدار پارامتر (T_heater (K)) ، 1600 را انتخاب کنید . |
4 | در نوار ابزار دما (ht) ، روی  Plot کلیک کنید . |
در نهایت، نمودار تابش سطحی در شکل 8 را به صورت زیر تولید کنید:
تابش سطحی متقابل
1 | در نوار ابزار صفحه اصلی ، روی  Add Plot Group کلیک کنید و 1D Plot Group را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای گروه طرح 1 بعدی ، تابش سطح متقابل را در قسمت متن برچسب تایپ کنید . |
3 | قسمت Data را پیدا کنید . از لیست انتخاب پارامتر (T_heater) ، از لیست را انتخاب کنید . |
4 | در لیست مقادیر پارامتر (T_heater (K)) ، 1600 را انتخاب کنید . |
نمودار خطی 1
1 | روی Mutual Surface Radiation کلیک راست کرده و Line Graph را انتخاب کنید . |
2 | فقط مرزهای 25 و 26 را انتخاب کنید. |
3 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، روی Replace Expression در گوشه سمت راست بالای بخش y-Axis Data کلیک کنید . از منو، Component 1 (comp1)>Surface-to-Surface Radiation>Rradiation>rad.Gm_gp – Mutual level radiation – W/m² را انتخاب کنید . |
4 | قسمت x-Axis Data را پیدا کنید . از لیست Parameter ، Expression را انتخاب کنید . |
5 | در قسمت متن Expression ، atan2(y,x)*180/pi را تایپ کنید . |
نمودار خط 2
1 | روی Line Graph 1 کلیک راست کرده و Duplicate را انتخاب کنید . |
2 | در پنجره تنظیمات برای نمودار خط ، بخش x-Axis Data را پیدا کنید . |
3 | در قسمت متن Expression ، 360/8-atan2(y,x)*180/pi را تایپ کنید . |
4 | برای گسترش بخش عنوان کلیک کنید . از لیست نوع عنوان ، هیچکدام را انتخاب کنید . |
5 | برای گسترش بخش Coloring and Style کلیک کنید . از لیست رنگ ، چرخه (بازنشانی) را انتخاب کنید . |
6 | در نوار ابزار Mutual Surface Radiation ، روی  Plot کلیک کنید . |
این نمودار از شار تابشی در یک بخش از تقارن، اثر سایه آینه (در هر انتهای محور x ) را نشان می دهد.
