ИСТИНА

Рассматривается задача об охлаждении солнечных батарей, расположен-ных на поверхности транспортного средства (автомобиля или катера), набе-гающим потоком воздуха. Современные солнечные батареи на основе арсе-нида галлия или кремния обладают достаточным КПД (15-25%) для проек-тирования легких электромобилей и катеров, работающих исключительно за счет солнечной энергии. Однако с ростом температуры КПД таких батарей быстро падает. Сильный нагрев может также вызвать механическое повреж-дение батареи, состоящей из нескольких слоев различных материалов. По-скольку отдельные фотоэлектрические элементы связаны в единую цепь, эффективность всей системы может определяться КПД наиболее нагретого элемента. Таким образом, крайне важно обеспечить эффективное и равно-мерное охлаждение батарей. Несмотря на то, что системы активного охлаж-дения нельзя разместить на поверхности автомобиля из-за слишком большо-го веса, достаточное охлаждение можно обеспечить за счет вынужденной конвекции, связанной с движением самого автомобиля. С точки зрения газодинамики, расчет течения у поверхности солнечной батареи сводится к решению уравнений Навье-Стокса с особым граничным условием, выражающим тепловой баланс участка поверхности солнечной батареи. В настоящей работе предложены однослойная и многослойная (с учетом слоистой структуры) модели солнечной батареи, на основе решения задачи теплопроводности проведено сравнение этих двух моделей. Проведе-но численное моделирование сопряженной задачи аэродинамики и теплофи-зики для случаев плоской пластины и упрощенного двухмерного профиля автомобиля. Результаты моделирования для плоской пластины сравнивались с результатами экспериментов [1], а также с полуэмпирическими формула-ми, основанными на зависимости числа Нуссельта от числа Рейнольдса в ламинарном и турбулентном пограничном слое. Показано, что для неболь-шой плоской пластины достаточное охлаждение достигается уже при скоро-сти набегающего потока 5 м/с (рис. 1). Полуэмпирические формулы хорошо согласуются с экспериментом для простой геометрии плоской пластины. В численном моделировании ключевым оказывается точное описание профиля скорости непосредственно у поверхности солнечной батареи. Для этого в систему уравнений добавляется модель турбулентности Спаларта-Аллмараса или k-ε модель. Рис. 1. Зависимость максимального нагрева солнечной батареи от скорости набегающего потока. В случае полноразмерной модели автомобиля на солнечных батареях перегрев представляет более серьезную проблему, т.к. эффективный коэффициент теплопередачи уменьшается с увеличением размера. Численное моделирование показывает, что максимальная температура батарей достигается в зонах отрыва потока на подветренной стороне крыши, где скорость потока минимальна и охлаждение неэффективно. Таким образом, даже простой аэродинамический расчет обтекания без использования тепловой модели солнечной батареи может дать прогноз про-блемных зон, в которых не следует размещать солнечные элементы. Оптимизация конструкции транспортного средства на солнечных батареях требует улучшения аэродинамической формы (уменьшения отрывных зон), но не для снижения сопротивления, как в классической аэродинамике, а для снижения нагрева солнечных батарей. Работа выполнена при частичной поддержке Российского Фонда Фунда-ментальных Исследований (грант 09-08-92004-ННСа). Список литературы 1. Ay H., Vinnichenko N.A., Uvarov A.V., Znamenskaya I.A. Heat exchange on surface of moving solar car vehicle // 21st International Symposium on Transport Phenomena (ISTP-21). 2010. Kaohsiung, Taiwan. p. 226, Paper IS-10-01.