امکان‌سنجی عملکرد سیستم‌های فتوولتائیک حرارتی درواحدهاى مسکونی در آب و هوای چهار شهر آبادان، بغداد، بصره و تهران از لحاظ صرفه جویی در انرژی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

• علی جبری
• محمد رضا انصاری
• مهدی معرفت

مهندسی مکانیک، دانشکده مهندسی، دانشگاه تربیت مدرس، تهران، ایران

10.22067/jacsm.2023.79017.1141

چکیده

کلکتورهای حرارتی خورشیدی (ST) فقط می‌توانند نیروی حرارتی تولید کنند، در حالی که سیستم‌های حرارتی فتوولتائیک (PVT) می‌توانند هم برق و هم انرژی حرارتی را تامین کنند. با این حال، دمای خروجی PVT معمولا به اندازه کافی برای استفاده در کاربردهای مختلف مانند گرمایش فضا بالا نیست. بنابراین سیستم جدیدی به نام ماژول PVT و کلکتور ST به‌صورت سری (PVT-ST) القا می‌شود تا با دمای خروجی بالاتر، برق و توان حرارتی تولید کند. در این مقاله برای اولین بار به‌منظور بررسی پتانسیل و امکان‌سنجی استفاده از PVT-ST در شرایط آب و هوایی نسبتاً گرم و معتدل در چهار شهر تهران، آبادان، بغداد و بصره مورد مطالعه قرار گرفته است و با دو سیستم متداول PVT و ST مقایسه می‌شود. برای این منظور، عملکرد سامانه از نظر قوانین اول ترمودینامیک به‌صورت عددی مبتنی بر کد فرترن (Fortran) ارزیابی می‌شود و در ادامه با استفاده از نتایج بدست آمده به بررسی تحلیل انرژی مصرفی یک واحد مسکونی در ۴ شهر نام برده شده با استفاده از نرم‌افزار کریر(carrier) پرداخته شده است. علاوه بر این، اثرات نرخ جریان جرمی سیال عامل، در هر دو رژیم آرام و آشفته، بر عملکرد ماژول بررسی می‌شود. در این مطالعه تجزیه و تحلیل رژیم سیال کاری نشان می‌‌دهد که بازده حرارتی و الکتریکی بهینه را می‌‌توان در یک رژیم آشفته به دست آورد. با در نظر گرفتن دبی جرمی 0.0304 کیلوگرم بر ثانیه (رژیم آشفته) در جولای، راندمان حرارتی سیستم‌های ST، PVT-ST و PVT به‌ترتیب 85.7٪، 78٪ و 72.9٪ است، در نهایت، بررسی عملکرد سیستم در شهرهای مختلف نشان می‌دهد که این سامانه می‌تواند بالاترین توان حرارتی را در بصره تولید کند. با این حال، حداکثر تولید برق با میانگین 77 وات بر متر مربع متعلق به بغداد است. در انتها به بررسی تامین انرژی یک منزل مسکونی توسط سیستم‌های ترکیبی پرداخته شده است. با در نظر گرفتن ۸ سیستم ترکیبی می‌توان بیشتر برق مصرفی یک خانه مسکونی را تامین نمود اما باید این نکته را در نظر داشت که در ساعات اوج مصرف این مقدار تولید برق پاسخگوی ظرفیت خانه نمی‌باشد که میتوان هم از برق ذخیره شده از باطری استفاده کرد و هم اینکه می­توان کسری از کمبود برق را از شبکه شهری تامین نمود.

کلیدواژه‌ها

• کلکتور خورشیدی
• سیستم فتوولتائیک حرارتی
• صرفه جویی در انرژی
• انرژی در ساختمان

موضوعات

• انتقال حرارت

---

عنوان مقاله [English]

Feasibility of the performance of thermal photovoltaic systems in residential units in the climate of four cities of Abadan, Baghdad, Basra, and Tehran in terms of energy saving.

نویسندگان [English]

• ALI jabri
• Mohammmad Reza Ansari
• Mahdi Marefat

Mechanical engineering, university of Tarbiat Modares, Tehran, Iran

چکیده [English]

In this paper, for the first time, to investigate the potential and feasibility of using PVT-ST in relatively hot and moderate weather conditions, it has been studied in four different cities and compared with two common solar systems, PVT and ST. Therefore, the performance of the system is evaluated in terms of the first and second laws of thermodynamics based on the FORTRAN code, and then using the obtained results to analyze the energy consumption of a residential unit in 4 different cities using Carrier software. In addition, the effects of the mass flow rate of the working fluid, in both laminar and turbulent regimes, on the module performance are investigated. Considering the mass flow rate of 0.0304 kg/s (turbulent regime) in July, the thermal efficiency of ST, PVT-ST, and PVT systems are 85.7%, 78%, and 72.9%, respectively. Finally, the investigation of system performance in different cities shows that this system can produce the highest thermal power in Basra. However, the maximum power generation with an average of 77 watts per square meter belongs to Baghdad. Finally, the energy supply of a residential house by combined systems has been investigated. By considering 8 integrated systems, most of the electricity consumption of a residential house can be supplied, but it should be kept in mind that during the peak hours of consumption if this amount of electricity production does not meet the capacity of the house, a fraction of the electricity shortage can be supplied from the stored electricity.

کلیدواژه‌ها [English]

• Solar collector
• thermal photovoltaic system
• energy saving
• energy in building

مراجع

[1] A. Kazemian, A. Parcheforosh, A. Salari, and T. Ma, “Optimization of a novel photovoltaic thermal module in series with a solar collector using Taguchi based grey relational analysis,” Solar Energy, vol. 215, pp. 492-507, 2021. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.01.006

[2] S. Farah, W. Saman, and M. Belusko, “Integrating solar heating and PV cooling into the building envelope,” in Sustainability in Energy and Buildings: Springer, vol. 22, pp. 887-901, 2013.

 https://doi.org/10.1007/978-3-642-36645-1_79

[3] S. Fakouriyan, Y. Saboohi, and A. Fathi, “Experimental analysis of a cooling system effect on photovoltaic panels' efficiency and its preheating water production,” Renewable Energy, vol. 134, pp. 1362-1368, 2019. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.09.054

[4] Z. Han, K. Liu, G. Li, X. Zhao, and S. Shittu, “Electrical and thermal performance comparison between PVT-ST and PV-ST systems,” Energy, vol. 237, pp. 121589, 2021.

https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121589

[5] Chandan, V. Suresh, S. Md. Iqbal, K. S. Reddy, and B. Pesala, “3-D numerical modelling and experimental investigation of coupled photovoltaic thermal and flat plate collector,” Solar Energy, vol. 224, pp. 195-209, 2021. https://doi.org/10.1016/j.solener.2021.05.079

[6] A. Al-Salaymeh, Z. Al-Hamamre, F. Sharaf, and M. R. Abdelkader, “Technical and economical assessment of the utilization of photovoltaic systems in residential buildings: The case of Jordan,” Energy conversion and management, vol. 51, no. 8, pp. 1719-1726, 2010. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2009.11.026

[7] T. Ma, H. Yang, W. Gu, Z. Li, and S. Yan, “Development of walkable photovoltaic floor tiles used for pavement,” Energy Conversion and Management, vol. 183, pp. 764-771, 2019. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.01.035

[8] M. Li, T. Ma, J. Liu, H. Li, Y. Xu, W. Gu, and L. Shen, “Numerical and experimental investigation of precast concrete facade integrated with solar photovoltaic panels,” Applied Energy, vol. 253, pp. 113509, 2019. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2019.113509

[9] T. Ma, J. Zhao, and Z. Li, “Mathematical modelling and sensitivity analysis of solar photovoltaic panel integrated with phase change material,” Applied Energy, vol. 228, pp. 1147-1158, 2018. https://doi.org/10.1016/j.apenergy.2018.06.145

[10] L. W. Florschuetz, “Extension of the Hottel-Whillier model to the analysis of combined photovoltaic/thermal flat plate collectors,” Solar energy, vol. 22, no. 4, pp. 361-366, 1979. https://doi.org/10.1016/0038-092X(79)90190-7

[11] H. A. Zondag, W. G. J. Van-Helden, M. Bakker, P. Affolter, W. Eisenmann, H. Fechner, M. Rommel, A. Schaap, H. Soerensen, and Y. Tripanagnostopoulos, “PVT roadmap. A European guide for the development and market introduction of PVT technology,” 2006.

[12] M. Valizadeh, F. Sarhaddi, and M. M. Adeli, “Exergy performance assessment of a linear parabolic trough photovoltaic thermal collector,” Renewable Energy, vol. 138, pp. 1028-1041, 2019. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019.02.039

[13] A. Nahar, M. Hasanuzzaman, N. A. Rahim, and S. Parvin, “Numerical investigation on the effect of different parameters in enhancing heat transfer performance of photovoltaic thermal systems,” Renewable Energy, vol. 132, pp. 284-295, 2019. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.08.008

[14] R. Alayi, A. Kasaeian, and F. Atabi, “Thermal analysis of parabolic trough concentration photovoltaic/thermal system for using in buildings,” Environmental Progress & Sustainable Energy, vol. 38, no. 6, p. 13220, 2019. https://doi.org/10.1002/ep.13220

[15] S. R. Maadi, A. Kolahan, M. Passandideh-Fard, M. Sardarabadi, and R. Moloudi, “Characterization of PVT systems equipped with nanofluids-based collector from entropy generation,” Energy Conversion and Management, vol. 150, pp. 515-531, 2017. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.08.039

[16] M. Abdolzadeh and T. Zarei, “Optical and thermal modeling of a photovoltaic module and experimental evaluation of the modeling performance,” Environmental Progress & Sustainable Energy, vol. 36, no. 1, pp. 277-293, 2017. https://doi.org/10.1002/ep.12493

[17] Z. H. Lu, and Q. Yao, “Energy analysis of silicon solar cell modules based on an optical model for arbitrary layers,” Solar Energy, vol. 81, no. 5, pp. 636-647, 2007.

https://doi.org/10.1016/j.solener.2006.08.014

[18] N. Dimri, A. Tiwari, and G. N. Tiwari, “Comparative study of photovoltaic thermal (PVT) integrated thermoelectric cooler (TEC) fluid collectors,” Renewable Energy, vol. 134, pp. 343-356, 2019. https://doi.org/10.1016/j.renene.2018.10.105

[19] O. Rejeb, M. Sardarabadi, C. Ménézo, M. Passandideh-Fard, M. H. Dhaou, and A. Jemni, “Numerical and model validation of uncovered nanofluid sheet and tube type photovoltaic thermal solar system,” Energy Conversion and Management, vol. 110, pp. 367-377, 2016.

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2015.11.063

[20] S. R. Maadi, A. Navegi, E. Solomin, H. S. Ahn, S. Wongwises, and O. Mahian, “Performance improvement of a photovoltaic-thermal system using a wavy-strip insert with and without nanofluid,” Energy, vol. 234, pp. 121190, 2021. https://doi.org/10.1016/j.energy.2021.121190

[21] E. Skoplaki, and J. A. Palyvos, “On the temperature dependence of photovoltaic module electrical performance: A review of efficiency/power correlations,” Solar energy, vol. 83, no. 5, pp. 614-624, 2009. https://doi.org/10.1016/j.solener.2008.10.008

[22] Z. Qiu, X. Zhao, P. Li, X. Zhang, S. Ali, and J. Tan, “Theoretical investigation of the energy performance of a novel MPCM (Microencapsulated Phase Change Material) slurry based PV/T module,” Energy, vol. 87, pp. 686-698, 2015. https://doi.org/10.1016/j.energy.2015.05.040

[23] A. Kolahan, S. R. Maadi, A. Kazemian, C. Schenone, and T. Ma, “Semi-3D transient simulation of a nanofluid-base photovoltaic thermal system integrated with a thermoelectric generator,” Energy Conversion and Management, vol. 220, pp. 113073, 2020.

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113073

[24] T. L. Bergman, F. P. Incropera, D. P. DeWitt, and A. S. Lavine, Fundamentals of heat and mass transfer, 8^th th. Reading, MA: John Wiley & Sons, 2018.

[25] W. Daungthongsuk, and S. Wongwises, “A critical review of convective heat transfer of nanofluids,” Renewable and sustainable energy reviews, vol. 11, no. 5, pp. 797-817, 2007.

 https://doi.org/10.1016/j.rser.2005.06.005

[26] A. Kolahan, S. R. Maadi, A. Kazemian, C. Schenone, and T. Ma, “Semi-3D transient simulation of a nanofluid-base photovoltaic thermal system integrated with a thermoelectric generator,” Energy Conversion and Management, vol. 220, pp. 113073, 2020.

https://doi.org/10.1016/j.enconman.2020.113073

[27] S. R. Maadi, H. Sabzali, A. Kolahan, and D. Wood, “Improving the performance of PV/T systems by using conical-leaf inserts in the coolant tubes,” Solar Energy, vol. 212, pp. 84-100, 2020. https://doi.org/10.1016/j.solener.2020.10.011