Experimental testing of solar photovoltaic/thermal collectors for low temperature heat pump integration
Loading...
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Insinööritieteiden korkeakoulu |
Master's thesis
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Authors
Date
2023-08-21
Department
Major/Subject
Energy Systems
Mcode
Degree programme
Nordic Master Programme in Innovative and Sustainable Energy Engineering (ISEE)
Language
en
Pages
71 + 12
Series
Abstract
A hybrid photovoltaic/thermal (PVT) collector enables simultaneous electricity and heat production from a single solar module. Integrating PVT collectors with a ground source heat pump (GSHP) improves the seasonal performance of the heating system and prevents from temperature degradation of the ground. However, the integration of PVT and GSHP requires more research, for example, to discover the optimal characteristics of a PVT collector for low operating temperatures and varying weather conditions. Thus, the thermal performance of two commercial unglazed flat-plate PVT collectors was experimentally characterized during low-temperature operation and under dynamic outdoor conditions, including various solar irradiance levels and working fluid flow rates as well as frost formation and condensation on the absorber surface. The thermal performance coefficients were obtained from a simplified version of the ISO 9806:2017 standard steady-state model for solar thermal collectors and used as performance indicators for the tested collectors and for comparison with other PVT collectors found in the literature. During night-time operation, the PVT collector with a box-channel absorber and the one with a sheet-and-tube absorber have a similar thermal performance, shown as almost the same heat loss coefficients. The effect of flow rate on the heat output of the collectors appears to be negligible when there is no solar irradiance. During humid nights, the heat gains from frost formation and/or condensation on the absorber surface can double the night-time heat production of the collectors when compared to a dry night with no frost formation or condensation. As the irradiance increases, the box-channel collector starts to outperform the sheet-and-tube collector due to a more effective cooling of the PV module by the box-channel absorber design, which is shown as a higher zero-loss efficiency. The flow rate dependence of the heat output is increased with an increasing irradiance, higher flow rates leading to higher heat outputs. According to the yearly simulations, both tested collectors provide a higher annual heat output under Stockholm weather conditions than the other box-channel and sheet-and-tube collectors available in the Solar Keymark database, when the annual mean fluid temperature is below 7 °C. However, the fin-tube collectors designed for low-temperature heat pump integration outperform the tested collectors on annual basis with mean fluid temperatures below 10 °C.Hybridiaurinkopaneeli (PVT) mahdollistaa sähkön ja lämmön samanaikaisen tuotannon yhdestä moduulista. Yhdistämällä PVT-paneelit maalämpöpumpun kanssa lämmitysjärjestelmän kausittainen suorituskyky paranee ja maaperän lämpötila vakautuu. PVT-paneelien ja lämpöpumppujen integrointi vaatii kuitenkin lisätutkimusta, esimerkiksi PVT-paneelien optimaalisten ominaisuuksien selvittämiseksi alhaisissa käyttölämpötiloissa ja vaihtelevissa sääolosuhteissa. Näin ollen kahden kaupallisen PVT-paneelin lämpöteho karakterisoitiin kokeellisesti matalissa lämpötiloissa ja dynaamisissa ulko-olosuhteissa, mukaan lukien eri auringon säteilytasoilla sekä huurteen muodostuessa ja vesihöyryn tiivistyessä lämmönvaihtimen pinnalle. Paneelien suorituskykyindikaattoreina käytettiin lämpötehokertoimia, jotka laskettiin aurinkokeräimille tarkoitetun, yksinkertaistetun ISO 9806:2017 -standardin vakaan tilan mallin avulla ja joita verrattiin muihin kirjallisuudesta löytyviin PVT-paneelien lämpötehokertoimiin. Yöaikaisen käytön aikana PVT-paneeli ”box-channel”-lämmönvaihtimella ja PVT-paneeli ”sheet-and-tube”-lämmönvaihtimella tuottavat lämpöä lähes samalla teholla, paneelien lämpöhäviökertoimien ollessa miltei samat. Jäähdytysnesteen virtausnopeuden vaikutus paneelien lämmöntuottoon näyttää olevan vähäinen pimeissä olosuhteissa. Ilman ollessa kostea lämmönvaihtimien pinnalle muodostuvasta huurteesta ja/tai tiivistymisestä saatava lämpöhyöty voi jopa kaksinkertaistaa paneelien yöaikaisen lämmöntuoton verrattuna öihin, jolloin ilma on kuiva ja huurteen muodostumista tai tiivistymistä ei tapahdu. Auringonsäteilyn intensiteetin kasvaessa ”box-channel”-paneeli alkaa tuottaa lämpöä enemmän kuin ”sheet-and-tube”-paneeli, koska ”box-channel”-rakenne jäähdyttää paneelin pintaa tehokkaammin, mikä näkyy suurempana nollahäviötehokkuutena. Lämmöntuoton riippuvuus virtausnopeudesta kasvaa auringonsäteilyn kasvaessa: kasvava virtausnopeus johtaa suurempaan lämpötehoon. Vuosituottosimulaatioiden mukaan kumpikin testatuista paneeleista tuottaa Tukholman sääolosuhteissa enemmän lämpöä kuin muut Solar Keymark -tietokannasta löytyvät ”box-channel”- ja ”sheet-and-tube”-paneelit, kun jäähdytysnesteen vuotuinen keskilämpötila on alle 7 °C. Lämpöpumppuintegrointiin suunnitellut ”fin-tube”-paneelit ovat kuitenkin testattuja paneeleja tehokkaampia jäähdytysnesteen keskilämpötilan ollessa alle 10 °C.Description
Supervisor
Halme, JanneThesis advisor
Beltrán, FranciscoKeywords
solar photovoltaic/thermal, PVT, heat pump, thermal performance