CC BY
9
Научни трудове на Съюза на учените в България-Пловдив, серия Б. Естествени и хуманитарни науки, т. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018. Scientific researches of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series B. Natural Sciences and the Humanities, Vol. XVIII, ISSN 1311-9192 (Print), ISSN 2534-9376 (On-line), 2018.
СИМУЛАЦИЯ НА СТАЦИОНАРЕН ТЕМПЕРАТУРЕН МОДЕЛ НА ФОТОВОЛТАИЧНА/ТЕРМИЧНА СИСТЕМА Надежда Кафадарова, Николай Вакрилов, Румен Попов Пловдивски университет „Паисий Хилендарски"
A SYMULATION OF STEADY STATE THERMAL MODEL OF PHOTOVOLTAIC/THERMAL SYSTEM Nadezhda Kafadarova, Nikolaj Vakrilov,Rumen Popov Plovdiv University Paisii Hilendarski
Abstract: The increasing environmental care and the constant rise of the cost of conventional energy sources cause an increase in interest in renewable energy sources. Photovoltaic solar technology is a relatively new technology for converting solar energy, which converts solar radiation into both usable electric and thermal energy. The basis of this technology is the negative temperature efficiency of crystalline photovoltaic cells, which leads to reduced productivity of installed photovoltaic panels at high levels of radiation. Commercially available photovoltaic modules have a relatively low efficiency of no more than 20%, which means that 80% or more of the incoming solar radiation is lost by converting to heat, increasing the module's operating temperature. Low temperature fluid, usually water or air, circulates through a heat exchanger attached to the back of the photovoltaic system to extract excess heat from the panel, thereby cooling it during operation. The dissipated heat can be used for low temperature applications such as heating and ventilation of buildings or for drying in agriculture and industry. In this study, a temperature model of a photovoltaic/thermal (PV/T) solar collector was developed which was used to study the effects of various parameters on system performance.
Key words: solar radiation, photovoltaic panel, thermal model, simulations h
ВЪВЕДЕНИЕ
Глобалните енергийни нужди се увеличават бързо поради индустриалния растеж, нарастването на населението, както и увеличеното и широкото използване на електрически уреди. Днес повечето от нациите по света изпитват проблема с недостига на електроенергия. Това е по-критично в развиващите се страни, които се опитват да постигнат икономическото развитие. Справянето с тези енергийни нужди по устойчив начин изисква сериозни промени в енергийния сектор (R. K. Koechand others, 2012). Големият преход към възобновяеми енергийни източници, като например слънчевата енергия, е най-добрият вариант в това отношение. Възобновяемите енергийни ресурси, поради присъщата им децентрализирана природа, могат да допринесат в по-голяма степен за постигането на тази цел. Хибридната фотоволтаична/термична (PV/T) система, която преобразува моментната
слънчева енергия в електрическа и топлинна енергия, започва все по-масово да се използва в бита и за промишлени цели. В PV/T модула топлината може да бъде извлечена и използвана ефективно чрез закрепване на топлообменник, пълен с флуид, на гърба на модула като среда за пренос на топлина. Това ще позволи на фотоволтаичния компонент да работи при върховата си електрическа мощност и ще смекчи проблема с разграждането на фотоволтаичните клетки поради прегряване. Следователно системата генерира топлинна енергия в допълнение към електрическата енергия от повърхността (Wim G. J and others, 2004) (Chow T.T, 2010).
Необходимостта от намаляване на времето и себестойността на цикъла на разработка изисква увеличаване на усилията за използване на виртуален прототип по време на процеса на проектиране на фотоволтаичните системи. Съществуват множество средства за подпомагане на топлинно проектиране, включващи корелации на топлообмена, мрежово моделиране на потока (Flow Network Modeling - FNM), изчислителна механика на флуидите (Computational Fluid Dynamics - CFD) и експериментални измерителни техники. Ключов момент при ефективното топлинно проектиране е не само избиране на най-добрия начин на проектиране, а по-скоро оптимално интегриране на съществуващите техники. В това проучване, с помощта на CFD, e разработен температурен модел на PV/T слънчев колектор, който е използван за изследване ефектите на различни параметри върху работата на системата.
СИМУЛАЦИИ И ПОЛУЧЕНИ РЕЗУЛТАТИ
PVT/въздушната система, изследвана в настоящата работа, се състои от PV ламинат, правоъгълни канали, пълни с вода, задна абсорбираща плоча и изолация. Създаден е топлинен модел на системата с помощта на софтуера Flotherm, както е показано на фиг. 1 и фиг.2.
При температура на околната среда и флуида 200С и максимална температура, при която е загрят панелът 600С е прогнозиран топлообмена на PV/T системата. Получените резултати са показанина фиг. 3 и фиг.4.
Фиг.1 PVT/флуидна система
Фиг.2 PV панел
Фиг.3 Симулация демонстрираща циркулацията на флуида в топлообменника, поглед отгоре
и
Фиг.4 Напречен разрез на PV/T структурата
При температура на околната среда и флуида 200С и максимална температура, при която е загрят панелът 700С е прогнозиран топлообмена на PV/T системата. Получените резултати са показанина фиг. 5 и фиг.6.
Фиг.5 Симулация демонстрираща
циркулацията на флуида в Фиг.6 Напреяен разрез на PV/T структурата
топлообменника, поглед отгоре
При температура на околната среда и флуида 200С и максимална температура, при която е загрят панелът 800С е прогнозиран топлообмена на PV/T системата. Получените резултати са показанина фиг. 7 и фиг. 8.
Фиг.7 Симулация демонстрираща циркулацията на флуида в теплообменника, поглед отгоре
Фиг. 8 Напречен разрез на PV/T структурата и показани температури в различни точки на топлообменика
ИЗВОДИ
В настоящото проучване е раработен топлинен модел на PV/T слънчев колектор, който се използва за определяне и оценка на параметрите на системата при различна температура на панела. Направени са симулации на PV/T системата при температура на панела 600С, 700С и 800С, които показват, че този тип слънчев колектор може успешно да се използва като алтернатива на конвенционалните система за топла вода. Анализите показват, че дори при температура на панела от 600С, флуидът в системата достига достатъчно висока температура от 48,70С. При температура на панелът от 700С, флуидът на изхода на топлообменика покачва температурата си до 54,80С. Флуидът в топлообменика на PV/T колентора достига температура от 61,10С при температура на панела 800С, което доказва приложимостта на този тип системи дори при относително ниска температура на околната среда от 200С.
БЛАГОДАРНОСТИ
Авторите изказват благодарности на проект ФП17-ФФ-010 „Комплексен подход за
изследване на физични и инженерни аспекти на екотехнологиите" и на Пловдивски университет „Паисий Хилендарски".
ЛИТЕРАТУРА
[1] R. K. Koech, H. O Ondieki, J. K. Tonui, S. K Rotich. A Steady State Thermal Model For Photovoltaic/Thermal (PV/T) System Under Various Conditions. ISSN 2277-8616. INTERNATIONAL JOURNAL OF SCIENTIFIC & TECHNOLOGY RESEARCH VOLUME 1, ISSUE 11, DECEMBER 2012
[2] Wim G. J. van Heldenl, Ronald J. Ch. van Zolingen and Herbert A. Zondag. PV Thermal Systems: PV Panels Supplying Renewable Electricity and Heat. PROGRESS IN PHOTOVOLTAICS: RESEARCH AND APPLICATIONS Prog. Photovolt: Res. Appl. 2004; 12:415-426 (DOI: 10.1002/pip.559)
[3] Chow T.T. "A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology." Applied Energy 87 (2010) 365-379 doi:10.1016/j.apenergy.2009.06.037
