פרויקטים אנרגיה מתחדשת דורשים אופטימיזציה קפדנית להתחרות מקורות כוח קונבנציונליים, ודינמיקה נוזלי חישובי (CFD) הפך כלי חיוני להשגת מטרה זו. בין חבילות CFD, Ansys Fluent בולט על יכולתו מודל את הביצועים הפיזיקליים המורכבים השולטים בפיסיקה השמש.על ידי הדמיה של העברת חום רדיואקטיבי, הפסדים מצטברים וזרימה עם נאמנות גבוהה, מהנדסים יכולים לשפר באופן דרמטי את היעילות של המודל הזה, לפני ניתוח יעיל של מערכת העיכול, באמצעות שיטת מדידה, באמצעות אספן יחיד, באמצעות סודיות, באמצעות ניתוח יעיל, באמצעות אספן, באמצעות שיטת מדידה פשוטה, ואפקטים, שימוש בטכנית, שימוש בטכנית, שימוש בטכניקה, שימוש בטכניקת מודלים.

מימון של טכנולוגיית איסוף השמש

אספנים סולאריים להמיר אור השמש לחום שניתן להשגה, בדרך כלל לחימום מים, חימום חלל או תהליכים תעשייתיים.שני הסוגים הנפוצים ביותר הם אספנים שטוחים ואספןי צינורות מרופפים, אם כי troughic ומשקפות לינאריים משמשים בריכוז כוח סולארי (CSP) מערכות יעילות תלויה במספר גורמים הקשורים:

  • יעילות אופטית:0 (FLT:1) שבריר של קרינה סולארית מקרית שנספגת על ידי משטח האספנים. ציפויים סלקטיבית גבוהה וזכוכית אנטי-reflective יכול לעלות על 95% יעילות אופטית.
  • (ב) אובדן:0 (ההפסדים הירומליים: FLT:1) , גינוי מן הספג לאוויר הסובב, התנהגות באמצעות בידוד, והתחדשות מן פני השטח החמים.
  • (FLT:0) זרימה קלה והעברת חום:FreaLT:1) נוזל העבודה (מים, תערובת גליקול, או שמן תרמי) חייב להוציא חום ביעילות ללא ירידה בלחץ מופרז, אשר יגדיל את האנרגיה המשאבה.
  • (FLT:0) תנאי ההנעה:FLT:1 טמפרטורה Ambient, מהירות רוח, זווית קרינת השמש, כיסוי ענן משפיעים על ביצועים מיידיים.

שיטות עיצוב מסורתיות מסתמכות על קורלציות אמפיריות ואיזון אנרגיה יציב של המדינה.בעוד שהן שימושיות עבור sizing, הן אינן יכולות ללכוד דפוסי זרימה תלת-ממדיים, כתמים חמים מקומיים, או תופעות טרנספורמטיביות כמו חם בבוקר.

למה סנסציונים לאוסף השמש?

Ansys Fluent הוא סוכן CFD בעל מטרות כלליות המסוגל לטפל בהעברת חום, קרינה וזעזועים. עבור אספנים סולאריים, יכולות המפתח שלה כוללות:

  • מודל (FLT:0) מודלים של קרינת השמש: FLT:1 The Discrete Ordinates (DO) מודל עם חשבונות raytracing סולרי עבור אינטנסיביות ספקטרלית / השתקפות, וצליף. מודל המטען השמש מחשב באופן אוטומטי beam ו diffuse iffuse מבוסס על מיקום גיאוגרפי, תאריך, וזמן.
  • (FLT:0) העברת חום: FLT:1hilly פותר התנהגות מוצקה ( צלחת אבסובר, כיסוי זכוכית, בידוד) ונפיחות נוזלית (נוזל עבודה), לכידת הפיכה תרמית במדויק.
  • (FLT:0) bulence Modeling:FLT:1 , זרמי אמיתי בצנרת אספנים הם לעתים קרובות טורחים (Re > 4000) דגמי k-epsilon ו k-omega SST מספקים דיוק טוב עבור זרמים פנימיים עם העברה חום.
  • (FLT:0)Parameterization ואופטימיזציה:FLT:1 עם Ansys Workbench, מהנדסים יכולים להיות טאטאים parametric (למשל, הגדלת צינור, קצב זרימה, או רטיבות ציפוי) כדי לזהות עיצובים אופטימליים.

שלב-על-ידי-שלב מודל של תהליך העבודה ב- Ansys Fluent

דור הגיאומטריה והמאש

התחל עם מודל 3D של האספנים. עבור אספן שטוח לוח, זה כולל צלחת סופגנית (בדרך כלל נחושת או אלומיניום עם ציפוי סלקטיבית), צינורות עלייה, בחזרה בידוד, כיסוי זכוכית. Siלהגדיל פרטים מיותרים (למשל, חזיונות עליות עליות) כדי להפחית ספירת mesh. ליצור אזור נוזל עבור נוזל העבודה הפנימי ואזור מוצק עבור סופגת כיסוי וכיסוי.

איכות Mesh היא קריטית. השתמש ב- hexahedral-dominant mesh עבור התחום הנוזלי ללכוד שכבות גבול (y+ -1 עבור אזורים מוצקים, tetrahedra ללא מבנה מקובל. Pay מיוחד לממשקים בין מוצק ונוזל: התאמת meshing מבטיח העברת חום מדויקת.

מחקר העצמאות של FLT:0 (Mesh Independence Study: FLT:1) מסרב את האפר עד פלטות מפתח (טמפרטורה של אבסורבר, חום העברה יעילה) שינוי על ידי פחות מ-2% בין הזיכוכים מוצלחים.

2.2009 התקנה

משוואה אנרגיה סבירה ומודל הקרינה המתאים.עבור רוב האספן הסולארי, מודל Ordinates (DO) עם קריפטציה סולארית מומלץ.תחת מודל קרינה, בחר "סולל עומס" וציין מיקום (latitude /longitude), תאריך, זמן, ועידוד ישיר (DNI) Define את הספקטרום הסולארי כ"Solar Iadiation Spectation Spectation" (AM סטנדרטי).

עבור נוזל העבודה, להגדיר תכונות תלויות טמפרטורה (density, חום ספציפי, מוליכות תרמית, סטיות) עבור תערובת גליקול מים, להשתמש מסד נתונים חומרים פלורנט או פונקציות פולינומיות מותאם אישית. הגדר את האזור הנוזלי כמו "השפעה" ולהקצות מהירות במצב לאלט (laminar או turbulent, בהתבסס על מספר ריינולדס).

עבור אזורים מוצקים, להקצות חומרים: נחושת (k=401 W/mK), זכוכית ברזל נמוכה (k=0.96 W/mK), בידוד צמר מינרלים (k=0.04 W/mK) משטח הקולט צריך להיות בעל זיקה ספקטרלית ואסרקטיבית; השתמש במצב "סמי- ⁇ " לכוס (trans-mK).

3.תנאים קשים

  • (FLT:0) קירות חיצוניים: 1FLT 1 החל הדבקה וקרינה ל-Ambient. . ציין חום העברה יעילה (h - 10–25 W/m2K בהתאם למהירות הרוח) ושאילות חיצוניות.
  • (ב) ⁇ :0) ⁇ (ב) ⁇ (ב) ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇ ⁇
  • (FLT:0)Absorber צלחת: FLT:1 השתמש בקיר "opaque" עם אבסרטוטיביות מוגדרת (למשל, 0.95 עבור chrome שחור) ושאילות (למשל, 0.10 לציפוי סלקטיבית). מודל העומס הסולארי ייישם שפעת חום בהתבסס על קרינה.
  • (FLT:0) פלויד אינלט:FLT:1hil Mass Flow rate או מהירות.שיעורי זרימה אופייניים עבור אספנים מקומיים: 0.015-0.03 ק"ג / s לכל צינור. Set inlet טמפרטורה (למשל, 20 ° C). ferulence אינטנסיביות (5% הוא ברירת מחדל טובה) וקוטר הידראולי.

4. Solver Settings and Convergence

השתמש ב-Solar העומס מבוסס הלחץ עם אלגוריתם משותף עבור הפיכה בלחץ מהירות. Enable "סועודת סופר" תחת קרינה; עדכון קליטת מזהמים אם משתמשים בתקשורת (לא בדרך כלל צורך עבור אוויר / מים) תחת גורמי הירגעה, להפחית ל-0.5 עבור אנרגיה וקרינה כדי לשפר את יציבות. קביעת קריטריונים של 10-6 עבור אנרגיה ו -10-4 עבור שאריות באזור.

(FLT:0) ק"ג מתחיל לעומת התחלה חמה: FIRLT:1 , ראשית הפתרון עם טמפרטורה אחידה (למשל, ambient) כדי לדמות את הזריחה. עבור ביצועי שיא של מדינה יציבה, החלימה עם טמפרטורה ספוגה (למשל, 60 מעלות צלזיוס) כדי להאיץ את ההתכנסות.

מיצוי והתאמה

לאחר שהתאחד, לחשב יעילות אספן באמצעות:

⁇ = (m-C p. ⁇ T) / (A.G)

כאשר m הוא שיעור זרימה המונית (kg /s), C p הוא חום ספציפי (J / kgK), ⁇ T הוא טמפרטורה על פני אספנים ( ° C או K), A הוא אזור aperture (m2), ו G הוא מקרה מזג שמש (W / m2). ב Fluent, לדווח על הטמפרטורה במשקל המסה על שקע בחוץ, ולא להגיע ⁇ T. Aper הוא אזור הפנים של האזור הוא אספן.

השוואת יעילות כנגד ערכים תיאורטיים או ניסיוניים.אספןים שטוחים טיפוסיים להשיג יעילות של 50-75% ב- ⁇ T/G = 0.01 Km2/W (טמפרטורה נמוכה) ב- ⁇ T גבוה יותר (80 ° C מעל פני מתחרה), יעילות טיפות עד 30–40% עקב הפסדים מוגברים.

השתמש במזימה של טמפרטורה סופגנית כדי לזהות כתמים חמים.לא אחיד חימום מציין חלוקה של מחלות דם. Pathlines צבע על ידי מהירות להראות אזורי מת בראש מאניפל, אשר ניתן להפחית על ידי ראשים מרוקנים או מגבילים זרימה.

אימות ושחיתות ניסיונית

אימות מבטיח את המודל משקף מציאות.השוואה בין תחזיות פלורנט עם נתוני מבחן ממעבדת האנרגיה הלאומית מתחדשת (NREL)IRFLT:1 או הליכים סטנדרטיים (ISO 9806.

  • (FLT:0) אובדן ה-Heat Loss Coefficient (U L): igdFLT:1 , Steady-state חום אובדן לכל אזור יחידה בהבדל טמפרטורה מעלות.
  • יעילות:0 (Opticalיעילות: FLT:1) סימלוט עם אובדן חום אפס (קליטה פוליבית) והשוואה לערכים נמדדים.
  • (FLT:0) פרופיל טמפרל: 1FLT 1 , thermocouples מצורפים על פני השטח הספוג ולאורך צינורות.חלוקת הטמפרטורה של פלונט צריך להתאים ⁇ בתוך ± 2C.

אם שגיאות עולות על גבולות מקובלים, החזרת תנאי הגבול: תכונות כיסוי זכוכית, מוליכות תרמית בידוד (אשר יכול לגרוע לאורך זמן), או חום העברה coefficients (מהירות מהירות וריאציות מהירות).

טכניקות מתקדמות

המונחים: Transient Simulation

סימולציות סולריות משתנות כל הזמן.דמיות טרנספורמטיביות לאורך יום (3600–86400 שניות) חושפות כיצד קיבול תרמי משפיע על הביצועים. השתמש במודל ה-Do transient עם שלב קבוע (10-60 שניות) עם טמפרטורה בלילה (15°C) מעקב אחר טמפרטורה ויעילות לאורך כל היום.זה עוזר לטנקים בגודל ואסטרטגיות בקרה.

רכזי אספן

עבור tbolic troughs, מודל טעינה השמש יכול להתמודד עם הפצה לא חד-uniform על צינור המקלט. השתמש בגישה צילומי-טריעת: "סוע Solar" של פלורנט כולל אופציה "ריי Tracing" כי מצמיד את השטף מרוכז מגיאומטריה המראה הפרבולי. Mesh את המקלט עם שכבות בסדר מאוד (+y +lt; 1) כדי לתפוס חום גבוה בדרך כלל עבור מגומטים היטב עבור מגומטריה.

אופטימיזציה של Ansys Workbench

קישור לתכנון הניסויים של Workbench (DOE) או תגובה על פני השטח אופטימיזציה. Define קלט פרמטרים: קוטר צינור, סט (spacing), כישות ציפוי, קצב זרימה, וזווית אירוע. תגובות: יעילות תרמית, ירידה בלחץ, וטמפרטורה סופגנית. Run 30-50 סימולציות לבנות משטח תגובה, ואז למצוא את יעילות Pareto עבור גבול לעומת עלות.

מלכודות נפוצות וכיצד להימנע מהם

  • (FLT:0) אבחון טבעי פער האוויר: FLT 1 באספן שטוח לוח שטוח, האוויר בין סופגן וכיסוי זכוכית עובר הדבקה טבעית (Ra > 108) השתמש במודל Bousinesq ו mesh קנס עבור הפער.
  • (FLT:0) בהנחה של תכונות נוזלים קבועות:FreaLT:1 , סטיות מים ו מוליכות תרמי לשנות באופן משמעותי עם טמפרטורה. השתמש בפרופילים תלויי טמפרטורה ממסד הנתונים פלורנט או REFPROP NIST.
  • (ב) ⁇ :0) ,התביעה על ידי צינור תומכת: ⁇ FLT:1 , ⁇ קטן יכול לצלצל את הספגת.מנע מהם בגאומטריה או את השטף הנכון על ידי צמצום G ב-1–2%.
  • איכות הממשק:0 (FLT:0) באיכות של ממשקים: skewness >0.9 אוthogonal Quality <0.1 גורמת לטבוליות כוזבת. השתמש במדדים האיכותיים של פלונט לפני פתרון.

מחקר מקרה: אופטימיזציה של אוסף סולארי שטוח-Plate

שקול אספן שטוח סטנדרטי עם שטח aperture 2.0 m2, קולט נחושת (0.5 מ"מ עבה) עם ציפוי סלקטיבית (α=0.95, ==0.10), כיסוי זכוכית יחיד (4 מ"מ זכוכית ממוזגת, transmissivity 0.92). Flow rate: 0.02 ק"ג / ק"ג של מים. Inlet טמפרטורה: 30 ° C. Ambient: 25 ° C, 3 מ"מ / סולמות / im / R.

סימולציה פלורנטית מבוססת צופה יעילות = 68% וטמפרטורת המלט = 55 מעלות צלזיוס לשיפור, הפרמטרים מגוונים:

  • עלייה בקצב זרימת ה- 0.03 ק"ג / s - יעילות עולה ל 72%, אך הלחץ יורד משולש.
  • צמצום הצנרת מ-100 מ"מ ל 80 מ"מ יעילות משתפר ל-71% בשל אזור העברת חום טוב יותר, אך עלות חומרית עולה.
  • הוסף כיסוי זכוכית שנייה (גיל בוהק כפול) הפחתה של הפסדים, יעילות ב ⁇ T גבוהה (80 ° C מעל ambient) עולה מ 35% עד 48%, אבל הפסד אופטי עולה (טרנסיביות של שני כיסויים = 0.85).

באמצעות אופטימיזציה של Ansys Workbench, עיצוב Pareto-optimal עבור יעילות מקסימלית ועלויות מינימום הוא פשרה: צינור דחוס 85 מ"מ, קצב זרימה 0.025 ק"ג /s, וציפוי סלקטיבית עם =0.08.

יתרונות לפרויקטי אנרגיה מתחדשת

מודלים של CFD Accurate מספק תוצאות מוחשיות:

  • (ב) ⁇ :0) ⁇ אבטיפוס: כל סימולציה עולה חלק מבניין ובדיקה של אספנים פיזיים. חברות כמו FLT:2Solarthermalworld.orguaFLT 3) להעריך חיסכון של 30–50% במחזורי פיתוח.
  • (FLT:0) הבטחת פרספורמנטלי: 1FLT:1 תחזיות פלורנט לתמוך עקומות יעילות בנקאיות, חיוניות למימון פרויקטים בצמחים תרמיים גדולים.
  • (FLT:0) אופטימיזציה לאקלים קיצוני: ראט" 1 (דחיסות אוויר נמוכה) או סביבות אבקה הם בקלות מודל ללא בדיקות שדה.
  • (ב) ⁇ :0) אינטגרציה עם סימולציה של אנרגיה: סימולציה של אנרגיה: פיזור 1: 1 (היצוא של תוצאות עבור כלי אנרגיה פלוס עבור ניתוח מערכת שלמה, כפי שהומלצה על ידי סימולציה של אנרגיה מתחדשת:2 Ansys Renewable Applications Energy ApplicationsFLT 3:3.

כיוונים עתידיים: AI ו- Digital Twins

הגבול הבא הוא הפיכה פלורנט עם למידת מכונה.רשתות נילי המוכשרות על נתונים מפרקים יכולים לחזות יעילות ב- מילימטריים, המאפשרים שליטה בזמן אמת. תאומים דיגיטליים - מודלים CFD מתמשכים המתעדים עם נתוני חיישן - יכול לייעל את ה-אספן הטיה, קצב זרימה, ולוח הזמנים של תחזוקה דינמיות עם LTF:0 מטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטלטל-פר מאפשר כבר 10 אנרגיה.

מסקנה

Ansys Fluent מספק סביבה חזקה עבור מודלים יעילות אספנים סולרית, מplate שטוח כדי לרכז מערכות. על ידי הגדרת בזהירות קרינה, הדבקה של העברת חום, וזעזועים, מהנדסים יכולים לחזות ביצועים עם דיוק גבוה.זרימת העבודה - גיאומטריה, mesh, תנאי גבול, שיפור הגדרות פתרון, אימות - דורש תשומת לב לפרטים אבל מניבה עלויות עשירות ולהגדיל את האנרגיה המתחדשת, זה עדיין אפשרי סימולציה של מודלים קלים יותר, מאפשר סימולציה של אנרגיה מתחדשת, ובכך להבטיח סימולציה של אנרגיה מתחדשת, ובכך לשפר את ה-CDC, להמשיך לספק סימולציה יעילה יותר, מאפשר סימולציה נקייה יותר, מאפשר סימולציה, מאפשר סימולציה של כל דגם זה אפשרי.