Influence of photovoltaic power plant geometry on ground heat exchange - CFD analysis

This study is part of a research project at the Laboratoire de Mécanique des Fluides (LMFA) and represents a preliminary numerical investigation aimed at supporting subsequent experimental work. The research focuses on analyzing how the ground heat transfer coefficient (hₜ) depends on the geometry of a photovoltaic (PV) power plant. This is achieved through steady-state Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS) simulations. A full-scale, two-dimensional approach is adopted, incorporating the Boussinesq approximation and the Shear Stress Transport (SST) k-ω turbulence model in ANSYS Fluent. The ground boundary is assigned a fixed temperature to establish a link between hₜ and water evaporation, leveraging the Chilton-Colburn analogy for heat and mass transfer. To validate the numerical model, the simulated flow fields and pressure coefficient (Cₚ) are compared with both numerical and experimental studies from the literature. The PV system geometry is defined by three key parameters: row spacing d, minimum height from the ground h, and panel tilt angle α. A total of 75 configurations are designed and simulated, considering all possible combinations of these parameters: d = [7.3, 14.6, 21.9] m, h = [1, 2, 3, 4, 5] m, and α = [15, 20, 25, 30, 35]°. The obtained hₜ values are compared to those of an empty-domain scenario to assess the impact of PV panels. The findings reveal an oscillatory behavior of hₜ, characterized by a transient region followed by a steady-state zone where the mean heat transfer coefficient (h̄ₜ) is lower than in the absence of PV panels. The study highlights that h̄ₜ is primarily influenced by row spacing d, with larger values of d leading to an increase in h̄ₜ. The length of the transient region is predominantly controlled by the height h, showing a direct proportionality. Additionally, the oscillation amplitude is affected by all three geometric parameters. Specifically, the combination of low h, high d, and large α results in the highest oscillation amplitude.

Nell'ambito di un progetto di ricerca presso il Laboratoire de Mécanique des Fluides (LMFA), questo studio presenta un'attività numerica preliminare a supporto di un successivo lavoro sperimentale. La dipendenza del coefficiente di scambio termico al suolo (hₜ) dalla geometria di un impianto fotovoltaico (PV) è stata analizzata attraverso simulazioni stazionarie Reynolds-Averaged Navier-Stokes (RANS). È stato adottato un approccio bidimensionale su scala reale, utilizzando l'approssimazione di Boussinesq e il modello di turbolenza Shear Stress Transport (SST) k-ω in ANSYS Fluent. È stata imposta una temperatura fissata al contorno rappresentante il suolo per correlare hₜ all'evaporazione dell'acqua, sfruttando l'analogia di Chilton-Colburn per il trasferimento di calore e massa. Il modello numerico è stato validato confrontando i campi di velocità e il coefficiente di pressione (Cₚ) con studi numerici e sperimentali presenti in letteratura. La geometria dell'impianto fotovoltaico è caratterizzata da tre parametri principali: la distanza tra le file di pannelli d, l'altezza minima dal suolo h e l'angolo di inclinazione dei pannelli rispetto al suolo α. Sono state progettate e simulate un totale di 75 configurazioni, combinando tutti i valori possibili di ciascun parametro: d = [7.3, 14.6, 21.9] m, h = [1, 2, 3, 4, 5] m, e α = [15, 20, 25, 30, 35]°. I risultati di hₜ sono stati confrontati con uno scenario senza pannelli per evidenziare gli effetti generati dalla loro presenza. I risultati mostrano un comportamento oscillatorio di hₜ, caratterizzato da una zona transitoria seguita da una zona stazionaria in cui il valore medio h̄ₜ è inferiore rispetto al caso senza pannelli. Le analisi indicano che h̄ₜ è determinato principalmente dalla distanza d: all'aumentare di d, il valore di h̄ₜ cresce. La lunghezza della zona transitoria dipende prevalentemente dall'altezza h, mostrando una relazione di proporzionalità diretta. Inoltre, l'ampiezza delle oscillazioni è influenzata da tutti e tre i parametri geometrici. In particolare, la combinazione di un valore basso di h, un valore elevato di d e un'alta inclinazione α porta alla massima ampiezza delle oscillazioni.