افزايش بازده سلول هاي خورشيدي يك ماهواره با نشانه روي خورشيدي از طريق طراحي بهينه پيكربندي لوله هاي حرارتي به روش الگوريتم ژنتيك

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

كاهش دماي آرايه هاي خورشيدي ماهواره به منظور افزايش بازده الكتريكي آنها از اهميت ويژه اي برخوردار است. در اين مطالعه با به كارگيري الگوريتم ژنتيك، روش نويني براي طراحي بهينه پيكربندي لوله هاي حرارتي ماهواره ها ارايه شد. هدف از اين بهينه سازي، تعديل شرايط دمايي و طراحي حرارتي آرايه هاي خورشيدي براي يك ماهواره داراي نشانه روي خورشيد در مدار پايين است. به منظور شبيه سازي حرارتي ماهواره از نرم افزارهاي SINDA/FLUENT و Thermal Desktop استفاده شد. شبيه سازي هاي عددي با استفاده از نتايج تجربي مدل حرارتي ماهواره در محفظه خلا، صحت سنجي شد و نشان داده شد كه تحليل هاي عددي مي توانند نتايج قابل اعتمادي توليد نمايند. سپس با اعمال قواعد و قيود حاكم بر مساله، يك الگوريتم بهينه سازي نوشته شد. اين الگوريتم به حل معادلات حاكم بر مساله به كمك حلگر مي پردازد و نتايج را به عنوان خروجي گزارش مي كند. بهينه سازي براي داغ ترين حالت ماهواره (زاويه °90=بتا) انجام و پس از انجام فرآيند بهينه سازي، پيكربندي بهينه لوله هاي حرارتي استخراج شد. در قسمت بررسي نتايج، سه حالت عدم استفاده از لوله هاي حرارتي، طراحي اوليه پيكربندي لوله هاي حرارتي و پيكربندي بهينه لوله هاي حرارتي مورد بررسي و مقايسه قرار گرفته است. مشخص شد كه طراحي بهينه به كمك الگوريتم ژنتيك مي تواند تا C°19 دماي آرايه هاي خورشيدي را نسبت به حالتي كه در آن از لوله هاي حرارتي استفاده نشده است، كاهش دهد. مشاهده شد كه افزايش نسبت بازده الكتريكي سلول هاي خورشيدي حدود 10/4% است. همچنين طراحي بهينه نسبت به طراحي اوليه، تا C°10 دماي آرايه هاي خورشيدي را كاهش مي دهد. طراحي بهينه پيكربندي لوله هاي حرارتي مي تواند باعث كاهش قابل توجه دماي اجزاي داخلي ماهواره نيز شود.

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 (β=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.