Exergetic Analysis of Hybrid Photovoltaic - Thermal Solar Collectors Coupled to Organic Rankine Cycles

• Autorzy: Pinto C. , Mady C. E.

Identyfikatory

DOI

10.2478/ceer-2018-0046

Warianty tytułu

PL

Analiza ekologiczna hybrydowego układu fotowoltaika - kolektory słoneczne związanych organicznym cyklem Rankine’a

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

In this work, the application of hybrid solar modules that combine photovoltaic panels and solar thermal collectors coupled with a low-temperature thermal cycle such as the Organic Rankine Cycle is discussed, their main purpose being an increase in the total electric power production per available area. This work will study the thermal and electrical power production efficiency of the hybrid system, the increase in the PV module electric conversion efficiency due to their cooling through heat transfer to the thermal cycle and the total exergetic efficiency of the system. A simplified simulation of the system in steady state conditions based on a thermal efficiency model will be performed with the aid of the EES (Engineering Equation Solver) software using climate data from Campinas, São Paulo, Brazil. The study shows that while the PV/T+ORC system does fulfill the purpose of increasing the electrical power generation both from the generator coupled to the thermal cycle and from the increase in the PV module efficiency due to its cooling. Thus, there is an increase the overall exergy efficiency of the system compared to uncoupled PV/T collectors.

PL

W pracy omówiono zastosowanie hybrydowych modułów słonecznych łączących panele fotowoltaiczne z kolektorami słonecznymi w połączeniu z niskotemperaturowym cyklem termicznym, takim jak cykl organiczny Rankine'a, którego głównym celem jest zwiększenie całkowitej produkcji energii elektrycznej. W pracy zbadano wydajność produkcji energii cieplnej i elektrycznej w systemie hybrydowym, wzrost sprawności konwersji energii modułu fotowoltaicznego ze względu na ich chłodzenie poprzez przeniesienie ciepła do cyklu termicznego i całkowitą efektywność energetyczną układu. Uproszczona symulacja systemu w warunkach stanu ustalonego w oparciu o model sprawności cieplnej została przeprowadzona za pomocą oprogramowania EES (Engineering Equation Solver) wykorzystującego dane klimatyczne z Campinas, São Paulo, Brazylia. Badania wykazały, że system PV/T + ORC spełnia cel zwiększenia wytwarzania energii elektrycznej zarówno z generatora połączonego z cyklem termicznym, jak i ze wzrostu sprawności modułu PV ze względu na jego chłodzenie. W ten sposób zwiększa się ogólna efektywność egzergii systemu w porównaniu z niezwiązanymi kolektorami PV/T.

Słowa kluczowe

EN

exergy analysis; Organic Rankine Cycle; photovoltaic; thermal collector PV; solar thermal

PL

analiza egzergii; cykl Rankine’a; fotowoltaika; kolektor PV/T; energia słoneczna

• Wydawca: Oficyna Wydawnicza Uniwersytetu Zielonogórskiego
• Czasopismo: Civil and Environmental Engineering Reports
• Rocznik: 2018
• Tom: Vol. 28, no. 4
• Strony: 1--12
• Opis fizyczny: Bibliogr. 15 poz., rys., wykr., wzory

Twórcy

autor

Pinto C.

• University of Campinas, Brazil

autor

Mady C. E.

• University of Campinas, Brazil

Bibliografia

• 1. B. Sandnes, J. Rekstad.: A photovoltaic/thermal (PV/T) collector with a polymer absorber plate. Experimental study and analytical model. Sol. Energy, Vol. 72, no. 1, pp. 63-73, 2002.
• 2. G. Kosmadakis et al.: Experimental testing of a low-temperature organic Rankine cycle (ORC) engine coupled with concentrating PV/thermal collectors: Laboratory and field tests, Energy, Vol. 117, pp. 222–236, 2016.
• 3. CRESESB - Reference Center for Solar and Wind Power Energy Sérgio S. Brito.: Solar Potential - SunData, 2018. [Online]. Available: http://cresesb.cepel.br/index.php?section=sundata. [Accessed: 05-Oct-2017].
• 4. W. M. Marsh, J. Dozier.: Landscape, an introduction to physical geography. Wiley, 1981.
• 5. CEPAGRI.: Campinas Climate - Average data from FEAGRI / UNICAMP - June/1988 until October/2008, [Online]. Available: https://www.cpa.unicamp.br/outras-informacoes/clima-de-campinas.html.
• 6. T. Markvart.: Solar electricity, 2nd ed. Chichester: Wiley, 2000.
• 7. E. Skoplaki and J. A. Palyvos.: Operating temperature of photovoltaic modules : A survey of pertinent correlations, Vol. 34, pp. 23-29, 2009.
• 8. A. A. Ghoneim, M. Y. Aljanabi, A. Y. Al-Hasan, A. M. Mohammedein.: Thermal and electrical performance of hybrid photovoltaic-thermal collector, Int. Energy J., Vol. 10, no. 1, 2009.
• 9. T. T. Chow, W. He, J. Ji.: Hybrid photovoltaic-thermosyphon water heating system for residential application, Sol. Energy, vol. 80, no. 3, pp. 298-306, 2006.
• 10. C. Zhou, R. Liang, J. Zhang.: Optimization design method and experimental validation of a solar pvt cogeneration system based on building energy demand, Energies, Vol. 10, no. 9, 2017.
• 11. H. C. Hottel, A. Whillier.: Evaluation of flat-plate solar collector performance, Vol. 2, pp. 72-104, 1958.
• 12. J. A. Duffie, W. A. Beckman.: Solar Engineering of Thermal Processes, Wiley, 1991.
• 13. S. Quoilin, M. Van Den Broek, S. Declaye, P. Dewallef, V. Lemort.: Techno-economic survey of organic rankine cycle (ORC) systems, Renew. Sustain. Energy Rev., Vol. 22, pp. 168–186, 2013.
• 14. V. Baptistella.: Analysis and selection of an optimum work fluid for an Orcanic Rankine Cycle, State University of Campinas - UNICAMP, 2016.
• 15. A. S. Joshi, I. Dincer, B. V. Reddy.: Analysis of energy and exergy efficiencies for hybrid PV/T systems, Int. J. Low-Carbon Technol., Vol. 6, no. 1, pp. 64–69, 2011.

Uwagi

PL

Opracowanie rekordu w ramach umowy 509/P-DUN/2018 ze środków MNiSW przeznaczonych na działalność upowszechniającą naukę (2019).