Effect of marine atmospheric flow under extreme wind-wave conditions on floating PV systems

Abstract

Solenergi har vist seg å være en låvende fornybar energikilde. Flytende solcelle systemer er et godt alternativ til landbaserte solcellesystemer ettersom de krever mindre landområde og har høyere effektivitet på grunn av at de blir avkjølt av vannet. Flytende solcellesystemer er derimot utsatt for potensielle skader på grunn av ekstreme vind- og værforhold. Dette prosjektet har som mål å simulere hvordan ulike vindhastigheter påvirker solcellesystemene ved å bruke CFD og 3D-platemetoden i Apame. I tillegg til å undersøke om Apame er et godt nok program for å estimere vindkrefter ved å sammenligne resultatene opp mot CFD metoden og andre raporter. Gjennom prosjektet har det blitt brukt flere beregningsmetoder og varierende meshtyper i Apame for å fastslå hva som gir best resultater ved simulering. Derav ble det konkludert med at First Order Accurate metoden ga mest nøyaktige svar om vindkreftene for alle meshtyper, og at å vippe meshene før simuleringen ga mer presise svar enn å vippe meshen gjennom Apame. Tislutt så har et 4x4 solcellesystem blitt simulert i både Apame og CFD ved å bruke First Order Accurate og Nodal Approximate metoden for å få resultater om løft- og dragreftene i tillegg til kreftene for trykket på solcellesystemet. Kreftene for trykk fra både CFD og Apame har blitt simulert i Paraview for å gi et godt bilde av hvor det er mest og minst trykk på platene. Helhetlig ble det konkludert med at First Order metoden i Apame er et godt verktøy i forskning og utviklings fasen, dersom svakhetene i metoden er tatt til høyde for. Det vil gjøre det mulig å spare vesentlig tid i CFD simulering på grunn av platemetodens raske simulering.

Solar energy is a promising renewable energy alternative. Floating PV systems are a good alternative to land-based PV systems, as it requires less dry land area, and it receives cooling from surrounding water. One problem with FPV systems is that they are prone to damage due to extreme weather conditions. This study aimed to simulate wind loads on FPV systems, using both CFD and the plate method through Apame, and to compare these methods to find out if Apame is a viable option for rough estimates for pressure and lift and drag forces. Apame is a good alternative for rough estimates as it simulates and computes forces at a much faster rate than CFD simulations. In this study, different methods and mesh types in Apame have been used to try to find a consistent and sufficiently accurate way to calculate forces. This was done through multiple different cases simulated in Apame and compared to literature and CFD results, concluding that the First Order Accurate method gave the best lift and drag results as well as pressure results across all cases, and that tilting the mesh before simulating gives more reliable results than Apames tilt function. A 4x4 FPV system mesh has been simulated in both Apame and CFD using First Order and Nodal methods obtaining lift and drag forces and a pressure plot visualized and presented in Paraview. The results showed that the plate method could be a viable time-saving addition to the R&D process provided it is used within the limitation of the method.