27566

تحليل و بهينه سازي خنك كاري سيستم هاي فتوولتائيك حرارتي متمركزكننده با استفاده از نانوفلوئيد - مواد تغيير فاز دهنده

كارشناسي ارشد

مهندسي مكانيك- تبديل انرژي

1399

1401/8/14

سمانه قندهاريون

مارك روزن

مهندسي مكانيك

يكي از گسترده‌ترين فناوري‌هاي انرژي‌هاي تجديدپذير، استفاده از سيستم‌هاي فتوولتائيك است كه نور خورشيد را به انرژي الكتريكي قابل استفاده تبديل مي‌كنند. دراثر افزايش دماي پنل، بازده‌ي الكتريكي آن كاهش پيدا مي‌كند، لذا روش¬هايي براي خنك¬كردن اين پنل¬ها بايد به كارگرفته شود. باتوجه به اينكه در مطالعات اخير بهينه¬سازي فني-اقتصادي سيستم فتوولتائيك حرارتي انجام نشده است، در اين پژوهش، بهينه¬سازي چندهدفه انجام مي¬شود. بدين منظور، يك تحليل انرژي مفصل براي محاسبه پارامترهاي گرمايي و الكتريكي مانند دماي سلول خورشيدي، دماي سيال خروجي، بازده فتوولتائيك و بازده گرمايي شماتيك¬هاي مختلف، انجام مي¬شود. در اولين گام، عملكرد فتوولتائيك حرارتي با سه تركيب¬بندي مختلف، شامل كانال‌ آب در بالا، كانال آب در پايين پنل PV يا هر دو (دو كانال آب) در سه شرايط آب و هوايي مختلف بررسي مي-شود. هدف ديگر اين مطالعه، افزايش راندمان الكتريكي و حرارتي پنل¬هاي حرارتي فتوولتائيك مبتني بر آب با استفاده از ماده تغييرفازدهنده در پيكربندي¬هاي مختلف است. بررسي تركيب¬بندي¬هاي مختلف سيستم فتوولتائيك در مطالعات قبلي انجام نشده است و نوآوري ديگر اين پژوهش مي¬باشد. آناليز حساسيت براي يافتن بيشترين پارامترهاي تاثيرگذار بر عملكرد انجام مي¬شود و اثرات پارامترهاي مختلف از جمله دبي جرمي آب و ضخامت PCM بر عملكرد سيستم، مورد بررسي قرار مي‌گيرد. نتايج نشان مي¬دهد كه در موارد بدون PCM، PV/T با دو كانال آب بهترين عملكرد را از منظر بازده الكتريكي دارد. بازده فتوولتائيك اين مدل بين 71/10 و 28/11 درصد تغيير مي¬كند. هم¬چنين بدست مي¬آيد كه موقعيت لايه ماده تغيير فازدهنده در عملكرد كلكتور تأثير قابل توجهي دارد. قرار دادن لايه PCM در زير كانال آب نتايج بهتري را در كاهش دماي PV در مقايسه با قرار دادن آن در بالاي كانال آب در مدل PV/T با دو كانال آب نشان مي¬دهد. مقايسه موارد PV/T با PCM، با كيس¬هاي PV/T بدون PCM، نشان مي¬دهد كه افزودن يك لايه PCM به PV/T با يك كانال آب در بالا، بيشترين تأثير را دارد كه دماي سلول خورشيدي را 18/7 درجه سلسيوس كاهش مي¬دهد. براي بهبود ضريب انتقال گرماي PCM نانوذرات به آن اضافه مي¬شوند. در انتها، بهينه¬سازي چندهدفه سيستم PV/T با انتخاب توابع هدف چندگانه همچون راندمان فتوولتائيك، راندمان گرمايي و هزينه طول عمر سيستم انجام مي¬گيرد. بازه¬ي بهينه توابع هدف در جبهه پارتو بدست مي¬آيند. نتايج بهينه-سازي چندهدفه مقادير بهينه بازده فتوولتائيك و بازده گرمايي را براي سيستم فتوولتائيك حرارتي با متمركزكننده به ترتيب، 05/11 درصد و 14/78 درصد نشان مي¬دهد.

1401/09/30

Cooling of concentrating photovoltaic thermal systems using nanofluids/phase change materials - Analysis and optimization

11/5/2023 12:00:00 AM

One of the most widespread renewable energy technologies is the use of photovoltaic systems that convert sunlight into usable electrical energy. As a result of increasing panel temperature, its electrical efficiency decreases, so methods for cooling these panels must be used. Considering that the technical-economic optimization of thermal photovoltaic system has not been done in recent studies, multi-objective optimization is done in this research. For this purpose, a detailed energy analysis has been performed to calculate thermal and electrical parameters such as solar cell temperature, output fluid temperature, photovoltaic efficiency, and thermal efficiency of different schematics. In the first step, the performance of thermal photovoltaic solar collectors with three different configurations, including a water channel at the top, a water channel at the bottom of the PV panel, or both (two water channels) in three different weather conditions, are investigated. Another goal of this study is to increase water-based photovoltaic thermal panels' electrical and thermal efficiency using phase change material in different configurations. The investigation of different configurations of the photovoltaic system has not been done in previous studies and it is another innovation of this research. The sensitivity analysis is done to find the most influencing parameters on the performance, and the effects of different parameters, such as water mass flow rate and PCM thickness, on the system performance are investigated. The results show that in cases without PCM, PV/T with two water channels has the best performance in terms of electrical efficiency. The photovoltaic efficiency of this model varies between 10.71 and 11.28 percent. It was also found that the position of the phase change material layer significantly affects the collector's performance. Placing the PCM layer under the water channel shows better results in reducing the PV temperature compared to placing it above the water channel in the PV/T model with two water channels. Comparing the PV/T cases with PCM with the PV/T cases without PCM shows that adding a PCM layer to the PV/T with a water channel on top has the greatest effect, decreasing the solar cell temperature by 7.18℃. To improve the heat transfer coefficient of PCM, nanoparticles are added to it. Finally, the multi-objective optimization of the PV/T system is done by selecting multiple objective functions such as photovoltaic efficiency, thermal efficiency, and system lifetime cost. The optimal range of the objective functions in the Pareto front, have been obtained. The results of multi-objective optimization showed the optimal values of photovoltaic efficiency and thermal efficiency of concentrating thermal photovoltaic thermal system, 11.05%, and 78.14%, respectively.

سيستم فتوولتائيك حرارتي , ماده تغييرفازدهنده , نانوذرات , بهينه سازي چندهدفه

thermal photovoltaic system , Phase change material , Nanoparticles , multi-objective optimization.

Haniye Mohebi

Dr. Ghandehariyoon