The System Analysis and Build Prototype of Flat-plate Solar Collector by 3-D Finite Element Method
การวิเคราะห์ระบบและสร้างอุปกรณ์ทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดแผ่นเรียบโดยใช้วิธีไฟไนท์อิลลิเมนต์แบบ 3 มิติ
Abstract
บทความนี้นำเสนอการจำลองผลของการกระจายตัวของอุณหภูมิภายในอุปกรณ์ทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดแผ่นเรียบ โดยประยุกต์ใช้ระเบียบวิธีไฟไนท์อิลลิเมนต์แบบ 3 มิติ ที่พัฒนาขึ้นเองด้วยโปรแกรม MATLAB เป็นแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ของอุณหภูมิอยู่ในรูปของสมการอนุพันธ์ย่อยอันดับที่สอง การแก้สมการระบบที่ขึ้นกับเวลาจะใช้อัลกอริธึมการหาปริพันธ์เชิงตัวเลขของผลต่างย้อนหลัง ซึ่งผลลัพธ์จะแสดงผลทางกราฟิกของอุณหภูมิที่เกิดขึ้นภายในอุปกรณ์ทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดแผ่นเรียบ และทำการสร้างอุปกรณ์ทำน้ำร้อนพลังงานแสงอาทิตย์ชนิดแผ่นเรียบ โดยผลการจำลองการกระจายตัวของอุณหภูมิน้ำด้วยวิธี ไฟไนท์อิลลิเมนต์มีอุณหภูมิสูงสุดเท่ากับ 62 °C ผลการทดสอบจริงอุณหภูมิของน้ำเฉลี่ยสูงสุดจากกล้องถ่ายภาพความร้อนและจากดิจิตอลเทอร์โมมิเตอร์ เท่ากับ 57.7 °C และ 58.3 °C ตามลำดับ จากเปรียบเทียบผลการจำลองที่ได้จากระเบียบวิธีไฟไนท์อิลลิเมนต์แบบ 3 มิติ และผลการทดสอบจริงมีความสอดคล้องกัน
In this article, a mathematical model for temperature distribution in a flat-plat solar collector is proposed. The simulation employed the 3D finite element method developed by MATLAB programming by modeling the temperature distribution of the flat-plate solar collector mathematically in the second-order partial differential equations. To solve this time-dependent system, a step-by-step numerical integration of the backward difference algorithm is applied. The simulated result graphically revealed the temperature distribution in the flat-plate solar collector. A flat-plate solar collector has been prototyped and tested in a real environment. The results of temperature distribution using the 3-D finite element method have a maximum temperature of 62 °C. The actual measurement results from the thermal scan and the digital thermometer were 57.7 °C and 58.3 °C, respectively. The temperature result from the simulation model and the actual measurement are in good agreement.
Keywords
[1] S. Poomsawat, A study of the efficiency of a solar water heater, Srinakharinwirot University Engineering Journal, 2019, No. 14(1), 67-77.
[2] M. Loomans, H. Oversloot, A. de Bondt, R. Jansen and H. van Rij, Design tool for the thermal energy potential of asphalt pavements, The 8th International Building Performance Simulation Association, Proceeding, 2003, 745-752.
[3] G. Boonyaaroonnate, Thermal performance of solar water heater integrated vacuum tube with thermosyphon contain with phase change material, Thesis, Silpakorn University, 2015.
[4] S. Intasith, Performance study of solar roof hot Water copper prallel fin tubes collector type with phase change material (PCM), Thesis, King Mongkut’s University of Technology North Bangkok, Thailand, 2018.
[5] S. Riamsuwan, Comparison of hot water systems between using heat pump and using flat plate solar collector for residential building, Thesis, Chulalongkorn University, 2011.
[6] K. Dumeedae, S. Sueyu, and S. Kasor, Solar water heater hybrid with electric, YRU Journal of Science and Technology, 2017, 2(1), 65-75.
[7] M.A. Bhatti, Advanced topics in finite element analysis of structures: With mathematica and MATLAB computations, John Wiley & Sons, NY, USA, 2006.
[8] P. Dechaumphai, Numerical method in engineering, 9th Ed., Chulalongkorn University, Bangkok, Thailand, 2014.
[9] I. Amornsawatwattana, and P. Poa-la-or, Analysis of temperature in solar thermal by 3-D finite element method, The 5th International Electrical Engineering Congress, Proceeding, 2017, 208-211.
[10] S. Nattawut, and P. Padej, Analysis of insulation performance in various types inside freezer of the refrigerator by 3-D finite element method, The 14th Conference on Energy Network of Thailand (E-NETT), Proceeding, 2018, 16-19.
[11] R.W. Lewis, P. Nithiarasu, and K.N. Seetharamu, Fundamentals of the finite element method for heat and fluid flow, John Wiley & Sons, Ltd., NY, USA, 2004.
[12] S. Vacharakup, M. Peerasaksophol, T. Kulworawanichpong, and P. Pao-la-or, Study of natural frequencies and characteristics of piezoelectric transformers by using 3-D finite element method, Applied Mechanics and Materials, 2012, 61-66.
[13] S. Puangcharornchai, A Modeling of Heat Transfer in cooling Coil using Finite element Method, Thesis, Mechanical Engineering, Phranakhon Rajabhat University, Thailand, 2005.
[14] G.L. Morrison, I. Budihardjo, and M. Behnia, Water in glass evacuated tube solar water heaters, Solar Energy, 2004, 76(1-3), 135-140.
[15] M. Smyth, P.C. Eames and B. Norton, Integrated collector storage solar water heaters, Renewable and Sustainable Energy Review, 2006, 10(6), 503-538.
[16] W. Chun, Y.H. Kang, H.Y. Kwak and Y.S. Lee, An experimental study of the utilization of heat pipes for solar water heaters, Applied Thermal Engineering, 1999, 19(8), 807-817.
DOI: 10.14416/j.ind.tech.2022.12.011
Refbacks
- There are currently no refbacks.
