کتاب بهینه ‏سازی ‏چند ‏هدفه ‏کلکتور ‏فتوولتاییک

فهرست
عنوان صفحه
فصـل اول 15
مقدمه 15
مکانیزم تولید الکتریسیته در یک پنل فتوولتاییک 16
تأثیر دما بر عملکرد پنل خورشیدی فتوولتاییک 18
روش‌های خنک‌کاری پنل خورشیدی فتوولتاییک 19
فصـل دوم 23
مقدمه 23
مطالعه 23
فصـل سوم 39
مقدمه 39
اصول تحلیل حرارتی یک پنل فتو ولتاییک 40
مشخصات مسئله 42
مشخصات پنل فتو ولتاییک 43
مشخصات ترموفیزیکی 43
معرفی نرم افزار ANSYS Fluentبرای شبیه‎سازی و طراحی سامانه‌ی خنک‌کاری پنل فتوولتاییک 44
الف) تجزیه و تحلیل حرارتی ( Thermal Analysis ): 47
ضریب انتقال حرارت: 47
مقدار افزاینده برای ضریب انتقال حرارت 47
مقدار افزاینده برای افت فشار 47
اختلاف دمای میانگین 48
حداقل ضریب تصحیح مجاز اختلاف دمای میانگین 48
حداقل دمای نزدیکی مجاز 48
حداکثر شار گرمایی مجاز 48
بیشترین تعداد تکرار حالت طراحی: 48
تلورانس حالت شبیه‎سازی: 49
تعداد بازه‎های محاسبه: 49
نتایج (Results): 49
ب) مسیر بهینه‎سازی 50
ج) مرور طراحی‎ها 50
تحلیل حرارتی پنل فتوولتاییک و معرفی مکانیزم‌های خنک‌کاری 50
تحلیل اگزرژی پنل فتوولتاییک 53
تحلیل افت فشار در پنل فتوولتاییک در حالت دوفازی 54
محاسبات حرارتی در پنل فتوولتاییک 57
فصـل چهارم 63
مقدمه 63
معرفی روش‌هاي بهينه‌سازي 65
روش نمونه برداري LHD 65
معرفي روش RSM 69
فرمول‌بندی تابع هدف با روش RSM 69
الگوريتم ژنتيک برای حل مدل ریاضی 72
الگوريتم ژنتيک در طراحي مهندسي 73
روند کلي حل مسائل در الگوريتم ژنتيک 74
معرفی الگوریتم بهينه‌سازي مورد استفاده در این مطالعه 77
معرفی توابع هدف و متغیرهای طراحی 78
بهينه‌سازي با اهداف چندگانه 81
روش ميانگين هندسي 82
روش بهينه سازي با اهداف چندگانه‌ي MDO 83
خلاصه فصل 83
فصـل پنجم 85
مقدمه 85
تأثیر فشار اولیه‌ی سیال خنک‌کاری بر بازدهی کلکتور فتوولتاییک 85
تأثیر شدت تابش، فاصله‌ی پوشش شیشه‌ای از کلکتور، دمای محیط و سرعت باد بر عملکرد کلکتور فتوولتاییک 87
ترسیم مدل ریاضی بازدهی اگزرژی γf و افت فشار ∆Pc 89
نتایج بهینه‌سازی هندسی کلکتور فتوولتاییک 91
الف- روش میانگین هندسی: 93
ب- روش MDO: 93
نتایج بهینه‌سازی بر بازده‌ی اگزرژی و تخریب اگزرژی کلکتور 94
نتیجه‌گیری 98
منـابع و مآخـذ 100

مقدار افزاینده برای ضریب انتقال حرارت

طراح می‎تواند ضریبی را که موجب افزایش ضریب فیلم شود، تعیین کند که این ضریب به وسیله نرم‎افزار محاسبه می‎شود. در صورتی که کاربر ترکیبی مثل tube inserts یا لوله‎های پره‎دار داخلی در پنل فتوولتاییک وجود داشته باشد که نرم افزار آن را پوشش ندهد با وارد نمودن یک مقدار ضریب افزاینده می‎توان محاسبات را اصلاح نمود. همچنین طراح می‎تواند برای برقراری ضریب ایمنی برای ضریب فیلم، از ضریب کاهنده (کمتر از یک) استفاده کند که نشان دهنده‌ی این است که کاربر از ترکیبات و خواص جریان سیال مطمئن نبوده است.

مقدار افزاینده برای افت فشار

مشابه ضرایب افزاینده انتقال حرارت، طراح می‎تواند ضریبی را که افزاینده افت فشار محاسبه شده توسط نرم‌افزار وارد کند. افت فشار افزاینده تاثیری بر افت فشار ورودی و خروجی نازل ها و کلگی پنل ندارد. این افزاینده‎ها می‎توانند به طور مستقل یا وابسته به افزاینده‎های ضریب فیلم به کار روند.

اختلاف دمای میانگین

با وجود اینکه معمولاً نرم افزار اختلاف دمای میانگین را محاسبه کند طراح می‎تواند مقداری را برای آن تعیین کند.

حداقل ضریب تصحیح مجاز اختلاف دمای میانگین

اکثر منحنی‎های ضریب تصحیح شیب خیلی تندی را در مقادیر زیر 7/0 دارند. بنابراین در حالت طراحی، نرم افزار قبل از ورود به پوسته‎های چندتایی متوالی حداقل مقدار 7/0 را به عنوان ضریب تصحیح فرض می‎کند. در حالت ارزیابی مقدار این پارامتر 5/0 فرض می‎شود. با این پارامتر ورودی طراح میتواند مقدار بالاتر یا پایینتر را تعیین کند.

حداقل دمای نزدیکی مجاز

طراح می‎تواند حداقل دمای نزدیکی سیالات را تعیین کند. نرم افزار در صورت نیاز تعداد پوسته‎های متوالی را متناسب با این مقدار افزایش می‎دهد.

حداکثر شار گرمایی مجاز

در کاربردهای تبخیر، محدود کردن شار انتقال گرما اغلب دارای اهمیت می‎باشد به طوری که از تولید سریع بخار زیاد ( که منجر به تشکیل فیلم بخار و کاهش سریع ضریب انتقال فیلم می‎شود) جلوگیری می‎کند. نرم افزار برای شار گرمایی محدودیت‎هایی دارد، اما طراح نیز می‎تواند با تعیین مقداری برای این پارامتر، محدودیت‎های خود را اعمال کند.

بیشترین تعداد تکرار حالت طراحی:

نرم افزار در حالت طراحی تمام پارامترهای طراحی را مجدداً تکرار می‎کند تا به پایین‎ترین قیمت محصول دست یابد. طراح می‎تواند جهت بهینه‎سازی، بیشترین تعداد تکرار را تنظیم کند.

تلورانس حالت شبیه‎سازی:

طراح باید خطای مجاز محاسبات را برای حالت شبیه‎سازی نرم افزار مشخص کند و باید توجه کند که خطای مجاز خیلی پایین ممکن است منجر به صرف زمان بیشتری برای محاسبه شود.

تعداد بازه‎های محاسبه:

نرم افزار برای طراحی مبدل حرارتی به بخش‎های کوچکتر تقسیم می‎کند و این پارامتر نشان دهنده تعداد این بازه‎ها است.

نتایج (Results):

نتایج اجرا و محاسبات نرم افزار به سه قسمت اصلی تقسیم می شوند که عبارتند از:

1. خلاصه وضعیت طراحی ( Design Summary )
2. خلاصه وضعیت حرارتی ( Thermal Summary )
3. خلاصه وضعیت مونتاژ مکانیکی ( Mechanical Summary )

لازم به ذکر است که وضعیت طراحی به نوبه خود به سه قسمت تقسیم می‎شود که عبارتند از:

الف) خلاصه داده‌های ورودی (Input Summary )

ب) مسیر بهینه‎سازی ( Optimization Path )

ج) مرور طراحی‎ها ( Recap of Designs )

الف) خلاصه داده های ورودی

این بخش برای طراح خلاصه‎ای از اطلاعات مشخص شده در فایل ورودی را فراهم می‎کند. پیشنهاد می‎شود که طراح داده‎های ورودی را به عنوان بخشی از خروجی که برای سهولت در استفاده مجدد در طراحی به کار می رود، پرینت کند.

ب) مسیر بهینه‎سازی

این بخش از خروجی مربوط به قسمت استدلال نرم افزار است و بعضی از پنل‌های فتوولتاییک را که نرم‎افزار ارزیابی کرده است و سعی در ایجاد شرایطی برای طراحی رضایت بخش داشته، نشان می‎دهد. این طرحی‎های میانی می‎تواند محدودیت‎هایی را که در کنترل طراحی وجود دارند و همچنین پارامترهایی را که طراح می‎توانست جهت بهینه‎سازی بیشتر تغییر دهد، نشان دهند. برای کمک به طراح که بداند چه محدودیت‎هایی در حال کنترل طراحی هستند، شرایطی که مشخصات مورد نظر طراح را تامین نمی‎کنند با یک ستاره (*) در کنار مقدار مورد نظر نشان داده شده است. اگر پنل فتو ولتاییک خورشیدی سطح کمی داشته باشد، علامت ستاره در کنار طول مورد نیاز لوله و اگر از حداکثر مجاز تجاوز کند، در کنار افت فشار ظاهر می‎شود.

ج) مرور طراحی‎ها

طراح در این مرحله شکل هندسی و کارایی همه طراحی‎ها را تا نقطه مورد نظر مرور می‎کند. این مقایسه دقیق به کاربر اجازه می‎دهد تا تأثیر تغییرات طراحی‎های مختلف را مشخص کند و بهترین پنل فتو ولتاییک خورشیدی را برای کاربرد مورد نظر انتخاب کند. فرض بر این است که این مرور همان خلاصه اطلاعات را که در بخش مسیر بهینه‎سازی نشان داده شده، برای طراح فراهم می‎کند. طراح می‎تواند با گزینه Customize اطلاعاتی را که در این برگه نشان داده می‎شود تغییر دهد. طراح می‎تواند با مراجعه به فهرست Recap و انتخاب گزینه Select Case موردی را که می‎خواهد طراحی کند، انتخاب نماید. نرم‎افزار نتایج طراحی را برای موردی که انتخاب شده مجدداً ایجاد می‎کند.

تحلیل حرارتی پنل فتوولتاییک و معرفی مکانیزم‌های خنک‌کاری

پنل فتوولتاییک شبیه‌سازی شده مطابق با شکل 3-4 می‌باشد. مراحل شبیه‌سازی انجام شده در نرم‌افزار انسیس به صورت زیر است:

• هندسه‌ی کلکتور با استفاده از نرم‌افزار طراحی solidworks طراحی شده است.
• مدل طراحی به عنوان هندسه به نرم‌افزار انسیس فلوئنت Import می‌شود.
• در بخش هندسه، مقاطع سیال خنک‌کاری ورودی به نرم‌افزار معین شده و نام‌گذاری می‌شوند. در هنگام شروع کار در محیط فلوئنت، به این مقاطع می‌توان شرایطی مثل سرعت یا فشار ورودی نسبت داد و همچنین مقطع خروجی را معین نمود. در واقع با دادن شرایط مرزی می‌توان حرکت خنک‌کاری در پنل را به نرم‌افزار معرفی کرد. در جدول 3-1 شرایط مرزی خنک‌کاری پنل معرفی شده است.
• پس از ورود هندسه، باید مش‌بندی کلکتور اجرا شود. در هنگام مش‌بندی به منظور افزایش دقت تحلیل از مش مربعی و به منظور کاهش زمان از روش انتگرال کاهش‌یافته استفاده می‌شود. این روش بدلیل استفاده از نقاط گوس کمتر، سرعت تحلیل را افزایش می‌دهد. بدلیل اینکه نرم‌افزار در چند مرحله شبیه‌سازی را اجرا می‌کند تا بتوان نتایج را به صورت گرافی از متغیرها ترسیم نمود، استفاده از روشی برای افزایش زمان حل موضوعیت پیدا می‌کند.
• پس از ورود به محیط انسیس فلوئنت، باید شرایط حل مساله را معین نمود. اگر شرایط به‌صورت پایا باشد، باید گزینه steady انتخاب گردد. در ضمن در این گام می‌توان شتاب جاذبه را معین نمود(شکل 3-5).
• در گام بعدی شرایط مرزی مساله شامل شرایط ورودی سرعت، فشار برای مقاطع ورودی و خروجی سیال خنک‌کاری معرفی می‌گردد.
• در نهایت با حل نرم‌افزار میدان سرعت و دمایی مطابق با شکل‌های حاصل می‌شود. تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژی نتایج پنل در فصل بعدی ارائه شده است.