Optimization of a Hybrid Electric/Thermal System

Abstract

Abstract Solar energy is the most promising resource among all other renewable energy, because of its inexhaustible supply, environmental friendly notion and options for harnessing the energy directly from the Sun. Solar energy may be harvested as thermal energy by solar thermal collector (STC) as well as electrical energy through solar photovoltaic (PV) module. Hybrid photovoltaic thermal (PV/T) module is combination both of these solar thermal and PV which is a well engineered solar co-generation system in one physical profile. One of the major shortcomings of PV technology is its poor energy conversion efficiency; commercially available solar cells have efficiency from 4 to 17%. Hybrid photovoltaic thermal systems consist of a photovoltaic panel connected to a thermal collector. The main objective of this thesis is to find the optimal operating conditions that can be controlled to decrease the photovoltaic panel temperature in order to improve the electrical and thermal performance of PV/T systems. In this work, we proposed the 3D numerical model that is implemented within the COMSOL Multiphysics program to study the PV/T system. The experimental input data being used in this research study reflects a typical Algerian area with semi-humid climate conditions. We study the effect of water velocity, pipe length, diameter, thickness and inlet fluid temperature on the electrical and thermal perfor- mance using the design of experiments (DOE) method. Further, the analysis of variance (ANOVA) is used to identify which of these effects impact the most the photovoltaic thermal and electrical efficiencies, the response surface methodology (RSM) is employed to describe how these effects are interacting. Based on ANOVA analysis, the following factors are reported to be important: water velocity, pipe diameter, pipe length and the inlet fluid temperature. Further, there is a significant interactions between water velocity, pipe length and pipe diameter. Among the operating conditions being calculated using the RSM, the optimal one is found when water velocity, pipe length, pipe diameter, pipe thickness and inlet water temperature have the following values, 0.05 m/s, 7.27 m, 0.01 m, 0.0008 m and 10°C, respectively. The corresponding thermal, electrical and overall efficiency were found around 80.73%, 12.87% and 93.60%, respectively. The proposed simulation model provides a reliable framework to study, improve and predict PV/T systems performance whilst ensuring low computational time. --------------------- Résumé L'énergie solaire est la ressource la plus prometteuse parmi toutes les autres énergies renouvelables, en raison de son approvisionnement inépuisable, de sa notion de respect de l'environnement et des possibilités d'exploiter l'énergie directement à partir du soleil. L'énergie solaire peut être récoltée sous forme d'énergie thermique par un collecteur solaire thermique (CST) et sous forme d'énergie électrique par un module photovoltaïque (PV). Le module hybride photovoltaïque-thermique (PV/T) est une combinaison de ces deux types d'énergie solaire thermique et photovoltaïque qui constitue un système de cogénération solaire bien conçu dans un seul profil physique. L'un des principaux défauts de la technologie photovoltaïque est son faible rendement de conversion énergétique ; les cellules solaires disponibles dans le commerce ont un rendement compris entre 4 et 17 %. Les systèmes thermiques photovoltaïques hybrides se composent d'un panneau photovoltaïque connecté à un collecteur thermique. L'objectif principal de cette thèse est de trouver les conditions optimales de fonctionnement qui peuvent être contrôlées pour diminuer la température du panneau photovoltaïque afin d'améliorer les performances électriques et thermiques des systèmes photovoltaïques/thermiques. Dans ce travail, nous avons proposé le modèle numérique 3D qui est mis en œuvre dans le programme COMSOL Multiphysics pour étudier le système PV/T. Les données d'entrée expérimentales utilisées dans ce travail sont les mêmes que celles utilisées dans le programme COMSOL Multiphysics. Les données d'entrée expérimentales utilisées dans cette étude de recherche reflètent une région algérienne typique avec des conditions climatiques semi-humides. Nous étudions l'effet de la vitesse de l'eau, de la longueur du tuyau, du diamètre, de l'épaisseur et de la température du fluide d'entrée sur les performances électriques et thermiques en utilisant la méthode du plan d'expériences (DOE). En outre, l'analyse de la variance (ANOVA) est utilisée pour identifier lequel de ces effets a le plus d'impact sur les rendements thermiques et électriques photovoltaïques, la méthodologie de la surface de réponse (RSM) est employée pour décrire la manière dont ces effets interagissent. Sur la base d'une analyse ANOVA, les facteurs suivants sont considérés comme importants : la vitesse de l'eau, le diamètre et la longueur du tuyau et la température du fluide d'entrée. En outre, il existe des interactions significatives entre la vitesse de l'eau, la longueur et le diamètre du tuyau. Parmi les conditions de fonctionnement calculées à l'aide du modèle RSM, la condition optimale est trouvée lorsque la vitesse de l'eau, la longueur du tuyau, le diamètre du tuyau, l'épaisseur du tuyau et la température de l'eau d'entrée ont les valeurs suivantes : 0,05 m/s, 7,27 m, 0,01 m, 0,0008 m et 10°C, respectivement. Les rendements thermique, électrique et global correspondants sont respectivement de 80,73 %, 12,87 % et 93,60 %. Le modèle de simulation proposé fournit un cadre fiable pour étudier, améliorer et prédire les performances des systèmes PV/T tout en garantissant un temps de calcul réduit. ------------------ ملخص الطاقة الشمسية هي المورد الواعد بين جميع أنواع الطاقة المتجددة الأخرى ، بسبب إمداداتها التي لا تنضب ، ومفهومها الصديق للبيئة وخياراتها لتسخير الطاقة مباشرة من الشمس. يمكن حصاد الطاقة الشمسية كطاقة حرارية بواسطة المجمع الحراري الشمسي وكذلك الطاقة الكهربائية من خلال وحدة الطاقة الشمسية الكهروضوئية. تجمع الوحدة الحرارية الكهروضوئية الهجينة بين كل من هذه الطاقة الشمسية الكهروضوئية والطاقة الكهروضوئية ، وهي عبارة عن نظام توليد مشترك للطاقة الشمسية جيد الهندسة في ملف فيزيائي واحد. أحد أوجه القصور الرئيسية في التكنولوجيا الكهروضوئية هو ضعف كفاءة تحويل الطاقة ؛ تتمتع الخلايا الشمسية المتاحة تجارياً بكفاءة من 4 إلى 17٪. تتكون الأنظمة الحرارية الكهروضوئية الهجينة من لوحة كهروضوئية متصلة بمجمع حراري. الهدف الرئيسي من هذا البحث هو العثور على ظروف التشغيل المثلى التي يمكن التحكم فيها لتقليل درجة حرارة اللوحة الكهروضوئية من أجل تحسين الأداء الكهربائي والحراري للأنظمة الحرارية الكهروضوئية الهجينة. في هذا العمل اقترحنا النموذج العددي ثلاثي الأبعاد الذي يتم تنفيذه ضمن البرنامج لدراسة النظام الحراري الكهروضوئي الهجين. تعكس بيانات المدخلات التجريبية المستخدمة في هذه الدراسة البحثية منطقة جزائرية نموذجية ذات ظروف مناخية شبه رطبة. ندرس تأثير سرعة الماء وطول الأنبوب والقطر والسمك ودرجة حرارة مائع المدخل على الأداء الكهربائي والحراري باستخدام طريقة تصميم التجارب. علاوة على ذلك ، يتم استخدام تحليل التباين لتحديد أي من هذه التأثيرات يؤثر على الكفاءات الحرارية والكهربائية الكهروضوئية ، ويتم استخدام منهجية سطح الاستجابة لوصف كيفية تفاعل هذه التأثيرات. بناءً على تحليل تحليل التباين ، تم الإبلاغ عن العوامل التالية لتكون مهمة: سرعة الماء ، وقطر الأنبوب ، وطول الأنبوب ، ودرجة حرارة السائل الداخل. علاوة على ذلك ، هناك تفاعلات كبيرة بين سرعة الماء وطول الأنبوب وقطر الأنبوب. من بين ظروف التشغيل التي يتم حسابها باستخدام منهجية سطح الاستجابة ، يتم العثور على الحالة المثلى عندما يكون لسرعة الماء وطول الأنبوب وقطر الأنبوب وسمك الأنبوب ودرجة حرارة الماء الداخل القيم التالية ، 0.05 م / ث ، 7.27 م ، 0.01 م ، 0.0008 م و 10 درجة مئوية ، على التوالي. تم العثور على الكفاءة الحرارية والكهربائية والكفاءة الكلية المقابلة حوالي 80.73٪ ، 12.87٪ و 93.60٪ على التوالي. يوفر نموذج المحاكاة المقترح إطارًا موثوقًا به لدراسة وتحسين والتنبؤ بأداء الأنظمة الحرارية الكهروضوئية الهجينة مع ضمان وقت حسابي منخفض.