Numerical modelling of flow past photovoltaic panels

Abstract

De forma a reduzir o custo total do dimensionamento das estruturas e mitigar o risco de destruição pela ação do vento, compreender a relação entre o escoamento e a respetiva carga aerodinâmica nos painéis fotovoltaicos é uma etapa fulcral. A mecânica dos fluidos computacional (CFD) é utilizada para estudar o escoamento, o respetivo campo de pressão e a força resultante em painéis fotovoltaicos que se encontram montados próximo do solo. Três diferentes ângulos de inclinação foram estudados (25º, 30º e 40º) tal como três direções de escoamento (0º, 30º 180º). O escoamento foi estudado recorrendo a simulações em duas dimensões e três dimensões por meio de simulações do tipo Large Eddy Simulation e Reynolds-Average-Navier-Stokes. Os resultados da previsão computacional são comparados com dados experimentais obtidos em túnel de vento e que se encontram disponíveis na literatura. Foi observado que quando o escoamento incidente ocorre na direção perpendicular ao lado maior do painel, a distribuição da pressão na parte da frente (voltada para o sol) e de trás (voltada para o solo) é simétrica e que a força máxima exercida pela pressão, e consequentemente, a força resultante aumenta com o ângulo de inclinação. Para um ângulo de escoamento de 30º, a distribuição da pressão deixa de ser simétrica, apresentando os valores máximos de pressão positiva no bordo de ataque e valores negativos máximos no bordo oposto. Além disso, a previsão numérica, tanto LES como RANS demonstraram seguir a tendência dos resultados experimentais de forma razoável. Em suma, CFD revela capacidade para integrar o projeto de dimensionamentos de parques solares, sendo que a abordagem tridimensional é mais atrativa, uma vez que permite investigar um leque mais amplo de fatores que têm impacto na força exercida pelo vento. Em relação aos modelos de turbulência, existe um bom compromisso entre a precisão dos resultados, o tempo de simulação e os recursos computacionais quando se implementa RANS em vez de LES.

In order to reduce the lifecycle cost of photovoltaic panels and mitigate destruction risks, understanding the relationship between the flow and the associated aerodynamic loading is a crucial step. Computational fluid dynamics (CFD) is employed to study the flow around ground-mounted, standalone PV panels and to evaluate the mean wind load. Three tilt angles are studied (25º, 30º and 40º) as well as three wind incident directions (0º, 30º and 180º). The flow was simulated by following both two-dimensional and three-dimensional approaches employing Large Eddy Simulation and Reynolds-Average-Navier-Stokes methods, respectively. The numerical prediction results are compared with wind tunnel data available in the literature. It was observed that for head-on wind direction, pressure distribution displays symmetry about the mid-lane of the panel on both upper (sun-facing) and lower (ground-facing) surfaces and that the maximum wind load, and thus, the resultant force, increased with higher tilt angles. For a wind direction of 30º, the pressure distribution is no longer symmetrical, having maximum positive values on the leading edge and largest negative values on the opposite edge. Moreover, the numerical prediction, both LES and RANS showed a reasonable agreement when compared with the experimental data. CFD proved the capacity to integrate the design process of solar parks/farms, with the three-dimensional approach being more attractive as it allows to investigate a wider range of factors that have a direct impact on wind loads. Regarding the numerical turbulence methods, there is a good compromise between the accuracy of the results, execution time and computational resources when performing RANS instead of LES.