مهندسی مکانیک مدرس

مهندسی مکانیک مدرس

افزایش بازده سلول‌های خورشیدی یک ماهواره با نشانه‌روی خورشیدی از طریق طراحی بهینه پیکربندی لوله‌های حرارتی به روش الگوریتم ژنتیک

نوع مقاله : پژوهشی اصیل

نویسندگان
مهرداد خسروی 1
سعید صالحی 2
مهدی حسینی‌آبادشاپوری 3
مجتبی طالع‌زاری 2
محسن عابدی 4
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اصفهان، اصفهان، ایران
2 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تهران، تهران، ایران
3 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی شریف، تهران، ایران
4 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران
چکیده
کاهش دمای آرایه‌های خورشیدی ماهواره به‌منظور افزایش بازده الکتریکی آنها از اهمیت ویژه‌ای برخوردار است. در این مطالعه با به‌کارگیری الگوریتم ژنتیک، روش نوینی برای طراحی بهینه پیکربندی لوله‌های حرارتی ماهواره‌ها ارایه شد. هدف از این بهینه‌سازی، تعدیل شرایط دمایی و طراحی حرارتی آرایه‌های خورشیدی برای یک ماهواره دارای نشانه‌روی خورشید در مدار پایین است. به‌منظور شبیه‌سازی حرارتی ماهواره از نرم‌افزارهای SINDA/FLUENT و Thermal Desktop استفاده شد. شبیه‌سازی‌های عددی با استفاده از نتایج تجربی مدل حرارتی ماهواره در محفظه خلأ، صحت‌سنجی شد و نشان داده شد که تحلیل‌های عددی می‌توانند نتایج قابل اعتمادی تولید نمایند. سپس با اعمال قواعد و قیود حاکم بر مساله، یک الگوریتم بهینه‌سازی نوشته شد. این الگوریتم به حل معادلات حاکم بر مساله به‌کمک حلگر می‌پردازد و نتایج را به‌عنوان خروجی گزارش می‌کند. بهینه‌سازی برای داغ‌ترین حالت ماهواره (زاویه °۹۰=بتا) انجام و پس از انجام فرآیند بهینه‌سازی، پیکربندی بهینه لوله‌های حرارتی استخراج شد. در قسمت بررسی نتایج، سه حالت عدم استفاده از لوله‌های حرارتی، طراحی اولیه پیکربندی لوله‌های حرارتی و پیکربندی بهینه لوله‌های حرارتی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفته است. مشخص شد که طراحی بهینه به‌کمک الگوریتم ژنتیک می‌تواند تا C°۱۹ دمای آرایه‌های خورشیدی را نسبت به حالتی که در آن از لوله‌های حرارتی استفاده نشده است، کاهش دهد. مشاهده شد که افزایش نسبت بازده الکتریکی سلول‌های خورشیدی حدود ۱۰/۴% است. همچنین طراحی بهینه نسبت به طراحی اولیه، تا C°۱۰ دمای آرایه‌های خورشیدی را کاهش می‌دهد. طراحی بهینه پیکربندی لوله‌های حرارتی می‌تواند باعث کاهش قابل توجه دمای اجزای داخلی ماهواره نیز شود.
کلیدواژه‌ها
ماهواره
لوله حرارتی
سلول خورشیدی
بازده
الگوریتم ژنتیک

موضوعات

عنوان مقاله English

Efficiency Enhancement of Solar Cells of a Sun Pointing Satellite with Design Optimization of Heat Pipes Configuration Using Genetic Algorithm

نویسندگان English

M. Khosravy 1
S. Salehy 2
M. Hosseini Abadshapoori 3
M. Talezari 2
M. Abedi 4
1 Mechanical Engineering Faculty, Isfahan University of Technology, Isfahan, Iran
2 Mechanical Engineering Faculty, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Mechanical Engineering Faculty, Sharif University of Technology, Tehran, Iran
4 Mechanical Engineering Faculty, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran
چکیده English

Reducing satellite solar panels temperature, to increase their electrical efficiency is of great importance. In this study, a novel methodology for optimal configuration design of heat pipes in a sun-pointing satellite utilizing the genetic algorithm is presented. The purpose of optimization is the thermal adjustment and design improvement of the solar panels for the satellite that is supposed to orbit in the Low Earth Orbit. Thermal simulations of satellite and solar panels are performed using SINDA/FLUINT and Thermal Desktop software. The computations are validated using experimental measurements of the satellite thermal model in a vacuum chamber and it was shown that the numerical analysis can produce reliable results. Then, applying the constraints of the problem, an optimization algorithm is introduced. This algorithm employs the thermal simulation software for solving the governing equations of the problem and then reports the results. The optimization was performed for the satellite hottest case (beta:90) and then, conducting an optimization procedure, the optimal configuration of heat pipes is achieved. In the results section, three different configurations, namely no heat pipes, the initial design for configuration of heat pipes and the optimal configuration of heat pipes, are investigated and compared. It was found that the optimal configuration using the genetic algorithm can reduce the temperature of solar arrays by up to 19°C relative to that in which no heat pipe was used. It was observed that an efficiency ratio enhancement is 10.4% for the solar panels of optimum configuration. The optimization could significantly reduce the temperature of the satellite internal equipment.

کلیدواژه‌ها English

Satellite
Heat pipe
Solar Cell
Efficiency
genetic algorithm
Sasaki S, Tanaka K, Higuchi K, Okuizumi N, Kawasaki Sh, Shinohara N, et al. A new concept of solar power satellite: Tethered-SPS. Acta Astronautica. 2007;60(3):153-165. [Link] [DOI:10.1016/j.actaastro.2006.07.010]
Habraken S, Defise JM, Collette JP, Rochus P, D'Odemont PA, Hogge M. Space solar arrays and concentrators. Acta Astronautica. 2001;48(5-12):421-429. [Link]
Makki A, Omer S, Sabir H. Advancements in hybrid photovoltaic systems for enhanced solar cells performance. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2015;41:658-684. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2014.08.069]
Ceylan I, Gürel AE, Demircan H, Aksu B. Cooling of a photovoltaic module with temperature controlled solar collector. Energy and Buildings. 2014;72:96-101. [Link] [DOI:10.1016/j.enbuild.2013.12.058]
Vaz CC, Miranda LCM, Perondi LF. Thermo-optical design analysis of space satellite solar arrays. 1st World Conference on Photovoltaic Energy Conversion-WCPEC (A Joint Conference of PVSC, PVSEC and PSEC), 5-9 December, 1994, Waikoloa, HI, USA. Piscataway: IEEE; 1994. p. 2045-2048. [Link]
Evans DL, Florschuetz LW. Cost studies on terrestrial photovoltaic power systems with sunlight concentration. Solar Energy. 1977;19(3):255-262. [Link] [DOI:10.1016/0038-092X(77)90068-8]
Grubišić-Čabo F, Nižetić S, Giuseppe Marco T. Photovoltaic panels: A review of the cooling techniques. Transactions of FAMENA. 2016;40(1):63-74. [Link]
Akbarzadeh A, Wadowski T. Heat pipe-based cooling systems for photovoltaic cells under concentrated solar radiation. Applied Thermal Engineering. 1996;16(1):81-87. [Link] [DOI:10.1016/1359-4311(95)00012-3]
Lee DI, Baek SW. Development of a heating system using CPV technology and heat pipes. Environmental Progress and Sustainable Energy. 2015;34(4):1197-1207. [Link] [DOI:10.1002/ep.12082]
Jakhar S, Soni MS, Gakkhar N. Historical and recent development of concentrating photovoltaic cooling technologies. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 2016;60:41-59. [Link] [DOI:10.1016/j.rser.2016.01.083]
Gang P, Huide F, Huijuan Z, Jie J. Performance study and parametric analysis of a novel heat pipe PV/T system. Energy. 2012;37(1):384-395. [Link] [DOI:10.1016/j.energy.2011.11.017]
Moradgholi M, Nowee SM, Abrishamchi I. Application of heat pipe in an experimental investigation on a novel photovoltaic/thermal (PV/T) system. Solar Energy. 2014;107:82-88. [Link] [DOI:10.1016/j.solener.2014.05.018]
Sato D, Yamada N, Tanaka K. Thermal design of photovoltaic/microwave conversion hybrid panel for space solar power system. IEEE Journal of Photovoltaics. 2017;7(1):374-382. [Link] [DOI:10.1109/JPHOTOV.2016.2629843]
Mashaei PR, Shahryari M, Madani S. Analytical study of multiple evaporator heat pipe with nanofluid; A smart material for satellite equipment cooling application. Aerospace Science and Technology. 2016;59:112-121. [Link] [DOI:10.1016/j.ast.2016.10.018]
Sato D, Yamada N, Tanaka K. Thermal characterization of hybrid photovoltaic module for the conversion of sunlight into microwave in solar power satellite. 42nd Photovoltaic Specialist Conference (PVSC), 14-19 June, 2015, New Orleans, LA, USA. Piscataway: IEEE; 2015. [Link] [DOI:10.1109/PVSC.2015.7355860]
Sacchi E, Cassisa G, Gottero M. Solar power satellite thermal control approach. The 4th International Conference on Solar Power from Space-SPS '04, together with The 5th International Conference on Wireless Power Transmission-WPT 5 (ESA SP-567), 30 June-2 July, 2004, Granada, Spain. 2004. Auckland: ESA; 2004. [Link]
Han CY, You JH, Lee KH, Kim HK, Lee SN. Sensitivity analyses of satellite propulsion components with their thermal modelling. Advances in Space Research. 2011;47(3):466-479. [Link] [DOI:10.1016/j.asr.2010.09.018]
El-Nasr AA, El-Haggar SM. Effective thermal conductivity of heat pipes. Heat and Mass Transfer. 1996;32(1-2):97-101. [Link] [DOI:10.1007/s002310050097]
Hilbert R, Janiga G, Baron R, Thévenin D. Multi-objective shape optimization of a heat exchanger using parallel genetic algorithms. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2006;49(15-16):2567-2577. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2005.12.015]
Yang H, Zhou W, Lu L, Fang Z. Optimal sizing method for stand-alone hybrid solar-wind system with LPSP technology by using genetic algorithm. Solar Energy. 2008;82(4):354-367. [Link] [DOI:10.1016/j.solener.2007.08.005]
Chen YM, Lee CH, Wu HC. Calculation of the optimum installation angle for fixed solar-cell panels based on the genetic algorithm and the simulated-annealing method. IEEE Transactions on Energy Conversion. 2005;20(2):467-473. [Link] [DOI:10.1109/TEC.2004.832093]
Liu Ch, Bu W, Xu D. Multi-objective shape optimization of a plate-fin heat exchanger using CFD and multi-objective genetic algorithm. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2017;111:65-82. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2017.03.066]
Zhao M, Li Y. An effective layer pattern optimization model for multi-stream plate-fin heat exchanger using genetic algorithm. International Journal of Heat and Mass Transfer. 2013;60:480-489. [Link] [DOI:10.1016/j.ijheatmasstransfer.2012.12.041]
Hernández JJ, Gómez E, Grageda JI, Couder C, Solís A, Hanotel CL, et al. Evolving aerodynamic airfoils for wind turbines through a genetic algorithm. VIII International Congress of Engineering Physics, 7-11 November, 2016, Mérida, Yucatán, Mexico. Bristol: IOP Publishing; 2017. [Link] [DOI:10.1088/1742-6596/792/1/012079]
مهندسی مکانیک مدرس
دوره 19، شماره 4
فروردین 1398
صفحه 789-800