Πειραματική διερεύνηση ενεργειακής απόδοσης θερμικού - φωτοβολταïκού συλλέκτη
Experimental investigation of the photovoltaic-thermal collector’s energy performance
Λέξεις-κλειδιά
Φωτοβολταϊκοί/θερμικοί συλλέκτες ; Ηλιακοί θερμικοί συλλέκτες ; Ανανεώσιμες πηγές ενέργειας ; Ηλεκτρικός βαθμός απόδοσης ; Θερμικός βαθμός απόδοσης ; Φωτοβολταϊκά συστήματαΠερίληψη
Η ηλιακή ενέργεια αποτελεί μια ελπιδοφόρα βιώσιμη πηγή ενέργειας, καθώς μπορεί να αντικαταστήσει την καύση των ορυκτών καυσίμων, προσφέροντας θερμική και ηλεκτρική ενέργεια. Το ηλιακό δυναμικό εμφανίζει μια σχετικά προβλέψιμη συμπεριφορά, για τη κάλυψη της καθημερινής ζήτησης σε θέρμανση και ηλεκτρική ενέργεια και η θερμική αποθήκευση για περιόδους απουσίας ή και χαμηλής ακτινοβολίας μπορεί να γίνει εύκολα και οικονομικά. Μια ανταγωνιστική λύση για την παροχή θερμικής και ηλεκτρικής ενέργειας, είναι με τη χρήση συστήματος Θερμικού Φωτοβολταïκού Συλλέκτη (Photovoltaic Thermal System (PVT), καθώς παράγει ταυτόχρονα και τις δύο μορφές ενέργειας. Αυτή η λύση είναι ιδιαίτερα κατάλληλη για εφαρμογές σε αστικές περιοχές, όπου η ζήτηση για ηλεκτρική ενέργεια συνοδεύεται από μια ζήτηση για χαμηλής ενθαλπίας θερμότητα και ο διαθέσιμος χώρος για την εγκατάσταση ηλιακών συστημάτων συνήθως είναι περιορισμένος. Λόγω της μη διάδοσης και του υψηλότερου κόστους, τα συστήματα PVT αποτελούν ένα σχετικά περιορισμένο τμήμα της αγοράς τη δεδομένη στιγμή, με τη δυνατότητα να αυξηθεί σημαντικά στο άμεσο μέλλον. Υπάρχουν πολλές εναλλακτικές τεχνολογίες για την ενσωμάτωση PVT, τα οποία μπορούν να συνδυάζονται με διάφορα συστήματα για τη θέρμανση νερού ή και τη θέρμανση χώρων. Στην επιλογή ενός PVT συστήματος, πρέπει να ληφθούν υπόψη τα χαρακτηριστικά του συλλέκτη, η επιθυμητή αναλογία παραγόμενης θερμικής προς ηλεκτρικής ενέργειας, η εφαρμογή αν πρόκειται για βιομηχανική ή οικιακή, αυτόνομη ή συνδεδεμένη με το δίκτυο και το αν υπάρχει ανάγκη αποθήκευσης μέρους ή και του συνόλου της παραγόμενης ενέργειας. Αυτές οι παράμετροι σχεδιασμού επηρεάζουν τις απαιτήσεις σχετικά με τη θερμοκρασία του ρευστού, τον λόγο παραγωγής (θερμικής προς ηλεκτρικής ενέργειας), και τη συνολική απόδοση του συστήματος. Επιπλέον ο σχεδιασμός του τόσο όσον αφορά την επιλογή των κατάλληλων υλικών, αλλά και η χρήση συστημάτων παρακολούθησης της πορείας του ήλιου, καθώς και απομακρυσμένου ελέγχου της λειτουργίας του ψυκτικού συστήματος, μπορεί να επηρεάσει σημαντικά την απόδοση τέτοιων εγκαταστάσεων σε διαφορετικές εφαρμογές. Ο στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι να εξετάσει τα οφέλη ενός βιομηχανικού τύπου PVT, σε σύγκριση με τα πιο διαδεδομένα συστήματα μονής ενέργειας (Φ/Β-θερμικού ηλιακού συλλέκτη) και να ενισχύσει την εξέλιξη και την περαιτέρω διάδοση τους στο ευρύ κοινό. Στο πλαίσιο αυτό η συγκεκριμένη εργασία εξέτασε τα τεχνικά ζητήματα που σχετίζονται με την τεχνολογία PVT, αξιοποιώντας υπάρχουσα εγκατάσταση στην οροφή του εργαστηρίου Ήπιων Μορφών Ενέργειας του Πανεπιστημίου Δυτικής Αττικής. ενώ αποτελεί και τεχνική οδηγία με σκοπό τη μελλοντική χρήση του συστήματος από το εκπαιδευτικό και ερευνητικό προσωπικό του Πανεπιστημίου. Η διαδικασία της πειραματικής διερεύνησης απόδοσης θερμικού Φ/Β συλλέκτη, περιλαμβάνει τη χρήση εξειδικευμένου εξοπλισμού, όπως θερμόμετρα, πυρανόμετρα, καταγραφείς δεδομένων, μετρητές ροής κ.α.. Παράλληλα, πραγματοποιήθηκε λήψη και επεξεργασία πειραματικών μετρήσεων σε διαφορετικές συνθήκες λειτουργίας και εξετάστηκε η ορθή λειτουργία του συγκεκριμένου PVT, διαδικασία που επιβεβαίωσε την ορθή λειτουργία της διάταξης καθώς τα πειραματικά αποτελέσματα ταυτίζονται με τα αντίστοιχα στοιχεία που παρέχει ο κατασκευαστής.
Περίληψη
Solar energy is a promising sustainable energy source, due to its potential to replace the burning of fossil fuels for thermal and electrical energy production. Solar power exhibits relatively predictable behavior, in meeting the daily demand for heating and electricity. Thermal storage for periods of absence or low radiation can be easily and economically achieved. A competitive solution for providing thermal and electrical energy is the use of Photovoltaic Thermal Systems (PVT), as they simultaneously generate both forms of energy. This solution is particularly suitable for urban areas where the demand for electricity is accompanied by a demand of low-grade heat, and the available space for installing solar systems is usually limited. Due to low market penetration and higher costs compared to single-energy collectors (PV or solar thermal collectors), PVT systems currently represent a relatively small portion of the market, but they have the potential to increase in the near future. There are various alternative technologies for integrating PVT systems, which can be combined with different options for water heating and or space heating. When selecting a PVT system, factors such as the characteristics of the solar collector, the desired ratio of thermal to electrical energy production, the application (industrial or residential), autonomy or grid-connected operation, and the need for energy storage should be taken into account. These design parameters affect the requirements regarding fluid temperature, production (thermal and electrical energy), and overall system efficiency. Furthermore, the design, including the selection of appropriate materials, and the use of tracking systems for sun orientation and remote control of the cooling system, can significantly impact the performance of such systems in different applications. The aim of this thesis is to demonstrate the benefits of an industrial type PVT system compared to more common single-energy collectors (PV or solar thermal collectors) and to promote the development and further dissemination of such systems to the general public. In this context, the specific work examined the technical issues related to PVT technology, utilizing an existing installation on the roof of the Laboratory of Renewable Energies at the University of West Attica. Additionally, it provides technical guidance for the future use of the system by the laboratory staff. The performance of the thermal PV collector was experimentally investigated using specialized equipment such as thermometers, pyranometers, data loggers, and flow meters, which were permanently installed in the specific installation, except for those used for calibration purposes. Experimental measurements were taken, and the proper functioning of the collector was examined based on a comparison with the manufacturer's specifications. The results confirm its proper operation as they align with the provided manufacturer's data.