Парапетные стены изменяют направление воздушного потока и характер загрязнения фотоэлектрических систем на крышах

Купить Аккумулятор FIAMM 12 FLB 450 P

Британские исследователи обнаружили, что парапетные стены на крышах изменяют направление воздушного потока и характер загрязнения фотоэлектрических систем, при этом эффект зависит от скорости ветра, размера частиц, угла наклона панелей и расположения массива. Исследование в аэродинамической трубе показало, что высота парапета сама по себе не может служить показателем загрязнения, что подчеркивает необходимость разработки стратегий проектирования и обслуживания фотоэлектрических систем с учетом особенностей конкретного объекта.

Экспериментальная установка

Исследователи из Ноттингемского университета в Великобритании изучили, как высота парапета влияет на накопление пыли в фотоэлектрических системах на крышах. Они обнаружили, что парапеты существенно изменяют воздушный поток на крыше, но их влияние на осаждение частиц зависит от скорости ветра и размера частиц.

«По мере распространения солнечных электростанций на крышах по всему миру загрязнение становится все более серьезной проблемой в процессе эксплуатации, — сказал автор исследования Юпэн Ву в интервью. — Наша работа показывает, что на эту проблему может влиять само здание. Даже такая относительно простая деталь, как парапет, может изменить воздушный поток и, следовательно, то, как переносимые по воздуху частицы взаимодействуют с фотоэлектрической панелью.

«Мы обнаружили, что этот эффект не так прост. Более высокий парапет не обязательно приводит к большему или меньшему осаждению частиц, поскольку результат зависит от скорости ветра и размера частиц. Мы также обнаружили, что наиболее подверженная воздействию часть фотоэлектрической системы может смещаться от передних рядов к панелям, расположенным дальше по потоку, в зависимости от условий», — продолжил он.

Исследователи использовали физическое моделирование, вычислительную гидродинамику с дискретным фазовым моделированием (CFD-DPM), экспериментальную проверку и механистический анализ. Их идеализированная полномасштабная конфигурация включала здание с плоской крышей размером 18 на 18 метров и высотой 10 метров с пятью рядами фотоэлектрических панелей, обращенными навстречу ветру.

Они смоделировали высоту парапета 0 метров, 0,5 метра и 1,5 метра, чтобы представить неэкранированные, частично экранированные и полностью экранированные конфигурации соответственно. Скорость ветра на входе в здание составляла 1,3 м/с, 2,6 м/с и 3,9 м/с, что соответствовало разным ветровым условиям.

Модель дискретного случайного блуждания отслеживала перенос и осаждение частиц, а модель дискретного случайного блуждания — неразрешенную турбулентную дисперсию, особенно для мелких частиц с низкой инерцией. Исследователи проверили модель воздушного потока с помощью испытаний в аэродинамической трубе с использованием модели в масштабе примерно 1:60. Затем они использовали систему CFD-DPM для оценки влияния высоты парапета, скорости ветра, размера частиц и угла наклона фотоэлектрических элементов.

Воздушный поток в фотоэлектрических системах на крыше, окруженных парапетными стенками

Исследователи провели эксперименты в аэродинамической трубе с атмосферным пограничным слоем размером 3,1 на 2,4 на 1,8 метра и длиной 11,5 метра. Шестьдесят датчиков давления, установленных на пяти фотоэлектрических модулях, позволили дополнительно проверить поле давления на крыше, рассчитанное с помощью вычислительной гидродинамики. В исследовании учитывалось только нормальное направление ветра, поэтому полученные результаты не учитывают асимметрию воздушного потока и осаждение частиц при боковом ветре.

Анализ показал, что более высокие парапеты препятствуют потоку воздуха на крыше и увеличивают зоны низкоскоростной рециркуляции вокруг фотоэлектрических модулей. Однако, несмотря на снижение турбулентности у поверхности, высокие парапеты могут защищать панели, направляя частицы над массивом.

При более высокой скорости ветра усиливаются вихри и перенос частиц, но это не приводит к существенному изменению структуры потока, определяемой геометрией. Мелкие частицы следуют за потоком воздуха и редко оседают, в то время как на более крупные частицы все больше влияют инерция и сила тяжести.

Испытания также показали, что при низкой скорости ветра частицы оседают в основном на наветренных рядах. При более высоких скоростях рециркуляция перенаправляла переносимые частицы в сторону расположенных ниже по потоку рядов. Наклон фотоэлектрических панелей оказывал немонотонный эффект: горизонтальные панели собирали больше всего пыли, а панели, наклоненные на 60 градусов, отклоняли больше частиц от массива.

В целом осаждение частиц зависело от совокупности факторов, таких как доставка частиц, экранирование, рециркуляция, вентиляция, оседание и инерция.

«Парапет смещает сдвиговый слой у края крыши и меняет доступ частиц к фотоэлектрической батарее, — говорят исследователи. — Невысокий парапет может создать частично закрытую зону рециркуляции, которая способствует локальному перехвату частиц определенного размера при определенных ветровых условиях. Более высокий парапет может усилить экранирование и позволить большему количеству частиц оседать на батарее».

«Реакция отражает конкуренцию между рециркуляцией, вентиляцией под кровлей, турбулентным переносом, инерционным осаждением, гравитационным осаждением и проникновением между рядами. Таким образом, высота парапета не приводит к повсеместному увеличению или уменьшению скорости осаждения».

Основным фактором, влияющим на осаждение, был размер частиц. Мелкие частицы следовали за потоком воздуха и редко оседали, в то время как максимальный диаметр частиц, оседающих на поверхности, менялся со 100 мкм при скорости ветра 1,3 м/с до 150–200 мкм при скорости 2,6 м/с и до 200–300 мкм при скорости 3,9 м/с. Более крупные частицы оседали в основном на наветренных рядах.

Исследователи пришли к выводу, что высота парапета сама по себе не может служить надёжным показателем загрязнения фотоэлектрических систем на крышах. По их словам, при проектировании системы и планировании технического обслуживания необходимо учитывать местные ветровые условия, размер переносимых по воздуху частиц, наклон панелей и расположение массива, поскольку эти факторы в совокупности определяют, где и в каком количестве оседает пыль.

Результаты исследования представлены в статье «Влияние парапетных стен на крыше на воздушный поток и оседание пыли на фотоэлектрических панелях: исследование с использованием вычислительной гидродинамики и метода дискретных частиц,» опубликованной в журнале Building and Environment.