شبیه‌سازی انرژی و تحلیل پارامتری سیستم فتوولتائیک حرارتی آب خنک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشکده محیط زیست، پردیس دانشکدههای فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران - جهاد دانشگاهی، پژوهشکده توسعه صنایع شیمیایی ایران، گروه پژوهشی آب و انرژی، کرج، ایران

2 دانشکده محیط زیست، پردیس دانشکدههای فنی، دانشگاه تهران، تهران، ایران

3 جهاد دانشگاهی، پژوهشکده توسعه صنایع شیمیایی ایران، گروه پژوهشی آب و انرژی، کرج، ایران

4 دانشکده مهندسی مکانیک و مکاترونیک، دانشگاه صنعتی شاهرود، شاهرود، ایران

چکیده

در این مقاله شبیه سازی انرژی سیستم فتوولتائیک حرارتی آب خنک با استفاده از توسعه کد در نرم افزار متلب انجام شده است. آرایش سیستم به صورت کلکتور ورق و لوله مارپیچ است. مدل ارائه شده در این مقاله با داده‌های تجربی اعتبار سنجی شده و در ادامه عملکرد کلی سیستم مورد بررسی قرار گرفته است. سپس برای تحلیل عملکرد انرژی سیستم شبیه سازی شده از تحلیل پارامتری استفاده شده است. بر این اساس تغییرات بازده کلی انرژی و افت فشار با تغییر دبی سیال خنک کن، فاصله بین لوله‌ها و قطر لوله‌ها بررسی شده است. با بررسی نمودارهای تحلیلی در حالت‌های مختلف، می‌توان محدوده پارامترهای کنترلی و عملکردی را ارزیابی نمود و بر اساس آن خروجی مورد انتظار را در یک چارچوب منطقی به دست آورد. این نوع تحلیل یک گام مهم به منظور طراحی کاربردی سیستم خواهد بود و بر اساس آن می‌توان در شرایط اقلیمی مختلف، طراحی بهینه سیستم از دیدگاه بهبود بازدهی انرژی را تطبیق داد. نتایج نشان می‌دهد عملکرد سیستم فتوولتائیک حرارتی با دبی جرمی 0/016کیلوگرم بر ثانیه و با لوله‌هایی به قطر خارجی 1سانتیمتر و با فاصله 7تا 11سانتیمتر از یکدیگر بهینه است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Energy Simulation and Parametric Analysis of Water Cooled Photovoltaic/Thermal System

نویسندگان [English]

  • M. Shakoori 1
  • A. NoorPoor 2
  • S. Golzari 3
  • M. Zamen 4
1 School of Environment, Colleague of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran - Academic Center for Education, Culture and Research, Iranian Institute of Research and Development in Chemical Industries, Water and Energy Department, Karaj, Iran
2 School of Environment, Colleague of Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran
3 Academic Center for Education, Culture and Research, Iranian Institute of Research and Development in Chemical Industries, Water and Energy Department, Karaj, Iran
4 Faculty of Mechanical and Mechatronics Engineering, Shahrood University of Technology, Shahrood, Iran
چکیده [English]

In this paper computerized simulation of water-cooled photovoltaic/thermal system has been investigated. The configuration of the selected system was a plate and spiral tube type. Energy simulation was done through code development in MATLAB software. The proposed model has been validated with practical data. Thereafter, overall performance of the system has been evaluated. Afterwards, parametric analysis was done in order to compare the effect of the variation of operational parameters on thermal and electrical energy efficiencies. To cover this aim, variation of overall efficiency and pressure drop have been investigated versus variation of water flow rate and the distance between tubes as well as the diameter of tubes. According to the results of simulation and analytical studies, the expected output can be specified logically with evaluation of operational and performance parameters. This procedure is a key step which should be considered for the optimal design of the system in different weather conditions considering energy efficiency improvements. According to the results of this research, for the simulated photovoltaic/thermal system following values shows the optimum amounts: water flow rate of 0.016 kg/s, the outer diameter of the water side pipe 1 cm and the distance between pipes in a range of 7 to 11 cm.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Water cooled photovoltaic/thermal system
  • energy analysis
  • Parametric analysis
  • Energy efficiency improvement
[1] X. Zhang, X. Zhao, S. Smith, J. Xu., X. Yu, Review of R&D progress and practical application of the solar photovoltaic/thermal (PV/T) technologies, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, (2012) 599-617.
[2] H.A. Zondag, D.W. de Vries, W.G.J. van Helden, R.J.C. van Zolingen, A.A. van Steenhoven, The thermal and electrical yield of a PV-thermal collector, Solar Energy, 72(2), (2002) 113-128.
[3] K. Sopian, G.L. Jin, M. Yusof Othman, S.H. Zaidi, M. Hafidz Ruslan, Advanced Absorber Design for Photovoltaic Thermal (PV/T) Collectors, Recent Researches in Energy, Environment and Landscape Architecture, 978-1-6180, (2011) 77-83.
[4] A. Tiwari, M. Sodha, Performance evaluation of solar PV/T system: an experimental validation, Solar Energy, 80(7), (2006) 751-759.
[5] A. Ibrahim, M.Y. Othman, M.H. Ruslan, M.A. Alghoul, M. Yahya, A. Zaharim, K. Sopian, Performance of photovoltaic thermal collector (PVT) with different absorbers design, WSEAS Transactions on Environment and Development, 5(3), (2009) 321-330.
[6] M. Boubekri, A. Chaker, A. Cheknane, Numerical approach for performance study of hybrid PV/Thermal collector, Revue des Energies Renouvelables, 12(3), (2009) 355-368.
[7] R. Santbergen, C.C.M. Rindt, H.A. Zondag, R.J.Ch. van Zolingen, Detailed analysis of the energy yield of systems with covered sheet-and-tube PVT collectors, Solar Energy, 84, (2010) 867-878.
[8] S. Dubey, A.A.O. Tay, Testing of two different types of photovoltaic–thermal (PVT) modules with heat flow pattern under tropical climatic conditions, Energy for Sustainable Development, 17(1), (2013) 1-12.
[9] J. Ji, J.P. Lu, T.T. Chow, W. He, G. Pei, A sensitivity study of a hybrid photovoltaic/thermal water-heating system with natural circulation, Applied Energy, 84(2), (2007) 222-237.
[10] A. Tiwari, S. Dubey, G.S. Sandhu, M.S. Sodha, S.I. Anwar, Exergy analysis of integrated photovoltaic thermal solar water heater under constant flow rate and constant collection temperature modes, Applied Energy, 86(12), (2009) 2592-2597.
[11] P. Charalambous, S.A. Kalogirou, G.G. Maidment, K. Yiakoumetti, Optimization of the photovoltaic thermal (PV/T) collector absorber, Solar Energy, 85(5), (2011) 871-880.
[12] F. Shan, L. Cao, G. Fang, Dynamic performances modeling of a photovoltaic–thermal collector with water heating in buildings, Energy and Buildings, 66, (2013) 485-494.
[13] G. Evola, L. Marletta, Exergy and thermoeconomic optimization of a water-cooled glazed hybrid photovoltaic/thermal (PVT) collector, Solar Energy, 107, (2014) 12-25.
[14] J. Tamayo Vera, T. Laukkanen, K. Sirén, Performance evaluation and multi-objective optimization of hybrid photovoltaic–thermal collectors, Solar Energy, 102, (2014) 223-233.
[15] M.A.M. Rosli, S. Misha, K. Sopian, S. Mat, M.Yusof Sulaiman, E. Salleh, Parametric analysis on heat removal factor for a flat plate solar collector of serpentine tube, World Applied Sciences Journal, 29(2), (2014) 184-187.
[16] H.A. Zondag, D.W. de Vries, W.G.J. van Helden, R.J.C. van Zolingen, A.A. van Steenhoven, The yield of different combined PV-thermal collector designs, Solar energy, 74(3), (2003) 253-269.
[17] J. Duffie, W. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, A Wiley-Inter science Publication, John Wiley & Sons, New York, 1980.
[18] S.I. Abdel-Khalik, Heat removal factor for a flat-plate solar collector with a serpentine tube, Solar Energy, 18(1), (1976) 59-64.
[19] T.T. Chow, Performance analysis of photovoltaic-thermal collector by explicit dynamic model, Solar Energy, 75(2), (2003) 143-152.
[20] J. Ji, H. He, T. Chow, G. Pei, W. He, K. Liu, Distributed dynamic modeling and experimental study of PV evaporator in a PV/T solar-assisted heat pump, International Journal of Heat and Mass Transfer, 52(5-6), (2009) 1365-1373.
[21] T.T. Chow, G. Pei, K.F. Fong, Z. Lin, A.L.S. Chan, J. Ji, Energy and exergy analysis of photovoltaic–thermal collector with and without glass cover, Applied Energy, 86(3), (2009) 310-316.