Анализ влияния инсоляции и ветровой нагрузки на эффективность работы солнечных коллекторов с использованием CFD-моделирования

В данной работе описан теплогидравлический анализ плоского солнечного коллектора при помощи CFD-моделирования с целью изучения влияния погодных условий (скорость ветра) на эффективность работы коллектора. Моделирование проводится в CFD Solidworks Flow Simulation с использованием штатных средств моделирования солнечного излучения и с учетом влияния ветра. Итогом работы являются зависимости перепада температур теплоносителя на входе и выходе из коллектора от времени работы при разных значениях скорости ветра.

Моделирование работы плоского солнечного коллектора проводилось под воздействием солнечного облучения в диапазоне от 149Вт/м²до 1019 Вт/м², что соответствует минимальному и максимальному солнечному лучевому тепловому потоку в городе Москва. Рассматривалось воздействие ветра в диапазоне скоростей от 0 до 4 м/с, также наиболее характерных для Москвы. При увеличении скорости ветра до 4 метров в секунду зафиксировано падение перепада температуры на 26,46% относительно безветренной погоды. Под воздействием ветра средний по внешней поверхности солнечного коллектора коэффициент теплоотдачи менялся в диапазоне от 5,172 Вт/м²К до 11,571 Вт/м²К.

Полученные результаты показывают, что наличие ветра существенно влияет на эффективность преобразования солнечной энергии в тепловую, поэтому при выборе места установки солнечного коллектора нужно учитывать не только угол падения солнечного излучения, но и розу ветров.

Стохастичность ветрового потенциала и солнечной инсоляции могут быть учтены при проектировании конструкции и монтаже СК на конкретном объекте. Приведенные результаты исследований позволяют утверждать о повышении КПД на 8-12% при выполнении дополнительных мероприятий по ветровой защите плоских коллекторов.

1. Renewables 2020 Global Status Report. A Comprehensive Annual Overview of the State of Renewable Energy, 2020 [Электронный ресурс]. Режим доступа: https://www.ren21.net/wpcontent/uploads/2019/05/gsr_2020_full_report_en.pdf . - (Дата обращения: 13.10.2020).

2. Hossain M. S. Review on Solar Water Heater Collector and Thermal Energy Performance of Circulating Pipe / M. S. Hossain [et al.] // Renewable and Sustainable Energy Reviews. - 2011. - #8. - P. 3801-3812.

3. Харченко, Н. В. Индивидуальные солнечные установки / Н. В. Харченко. - М.: Изд-во Энергоиздат, 1991. - 27 с.

4. Thabet S. Computational Fluid Dynamics: Science of the Future / S. Thabet, T. H. Thabet // International Journal of Research and Engineering. - 2018. - № 5. - P. 430-433.

5. Шумков Д. Е. Моделирование теплогидравлических процессов в змеевиковом теплообменнике для определения эффективности теплообмена / Д. Е. Шумков [и др.] // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Данилова Н. И. (19452015) - Даниловских чтений (Екатеринбург, 11-15 декабря 2017 г.). — Екатеринбург: УрФУ, 2017. — С. 990-993.

6. Костарев В. С. Теплогидравлическое моделирование облучательных устройств для наработки изотопов / В. С. Костарев [и др.] // Энерго- и ресурсосбережение. Энергообеспечение. Нетрадиционные и возобновляемые источники энергии: материалы Международной научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых, посвященной памяти профессора Данилова Н. И. (1945-2015) -Даниловских чтений (Екатеринбург, 09-13 декабря 2019 г.). — Екатеринбург: УрФУ, 2019. — С. 737740.

7. Kostarev V. S. Simulation of Passive Removal of Residual Heat from Radioactive Wastes Subject to Weather Conditions / V. S. Kostarev, V. A. Klimova, O. L. Tashlykov // AIP Conference Proceedings. - 2019. -V. 2174. - P. 1-7.

8. Technical Reference. Solidworks Flow Simulation 2020.

9. В.А.Бутузов, В.В.Бутузов. Использование солнечной энергии для производства тепловой энергии. Под общей редакцией д.т.н. П.П.Безруких// Москва, Теплоэнергетик, 2015 г., 292 с.

10. Велькин В. И., Щелоков Я.М., Щеклеин С.Е.. Возобновляемая энергетика и энергосбережение. Под общей редакцией д.т.н. Велькина В. И. Учебник для ВУЗа. Екатеринбург, УрФУ, 2020 г. 318 с.