Performance Evaluation of a Photovoltaic/Thermal (PVT) Collector with Numerical Modelling

• Main Author: Ebrahim, Mila
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) 2021
• Subjects: Solar energy; Renewable energy; Photovoltaic/thermal collector; PV/Thermal; PVT Collector; Performance; Numerical modelling; COMSOL Multiphysics; Ground Source Heat Pump; Solenergi; Förnybar energi; kominerad solcell/solfångare; PVT panel; Prestanda; Numerisk modellering; Bergvärme; Engineering and Technology; Teknik och teknologier
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-302122

In Photovoltaic/Thermal (PVT) technology, both PV and solar thermal technology are integrated in the same module for simultaneous electricity and heat production. Research has shown that there are multiple benefits from integrating PVT collectors with a ground source heat pump (GSHP) system, since it allows for seasonal storage of thermal energy over the year. Furthermore, it leads to reduced operating temperatures for the PVT collectors which can increase efficiency and lifetime. The aim of this study is to present the electric and thermal performance of a PVT collector developed by Solhybrid i Småland AB, for different environmental and fluid inlet conditions that can occur when PVT collectors are connected to a GSHP system. Furthermore, the performance of this PVT design is evaluated with ASHRAE (Standard 93-2003), to allow for comparison with other PVT collector designs, with values on the overall heat loss coefficient (UL) and heat removal factor (FR). The modelling tool used for the study is the software COMSOL Multiphysics, which uses the finite element method to solve the partial differential equations in heat transfer and fluid flow problems. Based on the performance curves, the thermal and electrical efficiency of the collector is approximately 48.0-53.4% and 19.0-19.2% respectively at a reduced temperature of zero and irradiance levels of 800-1000 W/m2 for the mass flow rate of 0.026 kg/sm2 which was determined as most suitable to increase thermal performance. Furthermore, these results resulted in a heat removal factor (FR) and overall heat loss coefficient (UL) of 0.56-0.62 and 53.4-53.5 W/m2 K respectively. The results on the performance of the PVT collector in different weather conditions shows that the inlet water temperature can significantly affect operating time and the amount of thermal energy that can be extracted during the year, especially if the collector operates in a colder climate like Sweden. To assess the accuracy of the created model, future work includes experimental testing of the studied PVT collector. === En panel med kombinerad teknik av både solceller och termisk solfångare (PVT) kan producera både elektricitet och värme samtidigt. Forskning har visat att det kan finnas flera fördelar med att integrera PVT-paneler med ett bergvärmesystem, eftersom det mjliggör lagring av termisk energi över året. Dessutom leder ett sådant system till lägre drifttemperaturer som kan öka PVT-panelens effektivitet och livslängd. Syftet med studien är att presentera den elektriska och termiska prestandan av en PVT-panel utvecklat av Solhybrid i Småland AB för olika driftförhållanden som kan uppstå på grund av olika väderförhållanden och inlopps-temperaturer när panelerna är kopplade till ett bergvärmesystem. Vidare utvärderas prestandan för denna panel med ASHRAEmetoden (standard 93-2003), för att möjliggöra jämförelse med andra PVT-paneler. Modelleringsverktyget som använts i studien är mjukvaran COMSOL Multiphysics, som använder finita elementmetoden för att lösa partiella differentialekvationer i värmeöverförings-och flödesproblem. Baserat på prestandakurvorna som presenteras i resultatet, är den termiska och elektriska verkningsgraden approximativt 48.0-53.4% respektive 19.0-19.2% för en reducerad temperatur med värdet noll, en solstrålning mellan 800-1000 W/m2, för en massflödeshastighet på 0.026 kg/sm2 som beslutades som den mest lämpliga för att öka den termiska prestandan. Resultaten resulterade i en värmeavledningsfaktor (FR) och total värmeförlustkoefficient (UL) på 0.56-0.62 respektive 53.4-53.5 W/m2 K. Resultaten på PVT-panelens prestanda under olika väderförhållanden visar att vattnets inloppstemperatur kan påverka drifttiden och mängden termisk energi som kan extraheras under året avsevärt, speciellt i nordiskt klimat. För att bedöma korrektheten i resultaten och den skapade modellen rekommenderas experimentell testning av den studerade PVT-panelen.