Energy and exergy analysis of a PV-T collector welded heat pump system

Abstract

Today, demand for soil source heat pump, air source heat pump and water source heat pump types with low energy input and high temperature performance has been increasing considering the region where the system will be built, geological structure, geographical location and seasonal conditions. In this study, a PV-T collector which produces 190W rated power with 72 cell single crystal silicon module cell panel has been used for supporting the ground source heat pump. Energy and exergy analyzes for each element in the PV-T assisted heat pump system has been done with the help of EES (Engineering Equation Solver) program. In PV-T hybrid system, total electrical power is 1422 W and total thermal power is 4397 W. Thermal efficiency of PV-T collector has been calculated as 49.7% and electrical efficiency as 15.2%. The efficiency contribution of the collectors to the PV-T welded heat pump system has been 67.9%. It has been observed that the total electrical power and the total thermal power increases as the intensity of heat goes up. In this study, the COP of the heat pump system has been calculated as 4.41. The highest exergy destruction has been observed in the condenser.

Keywords

• PV-T
• Heat pump
• Energy
• Exergy
• COP

PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi

Öz

Günümüzde düşük enerji girdisi ile yüksek ısıl performansın sağlandığı ısı pompası sistemlerinde, sistemin kurulacağı bölge, jeolojik yapı, coğrafi konum ve mevsimsel şartlar dikkate alındığında bu sayılan gerekçeleri karşılamak amacıyla toprak kaynaklı ısı pompası, hava kaynaklı ısı pompası ve su kaynaklı ısı pompası çeşitlerine talep gün geçtikçe artmaktadır. Bu çalışmada toprak kaynaklı ısı pompasına destek amaçlı 72 hücreli, tek kristal silisyum modül hücre paneline sahip 190W nominal güç üreten bir PV-T kollektör hesaplama için kullanılmıştır. PV-T destekli ısı pompası sistemindeki her bir eleman için enerji ve ekserji analizleri EES (Engineering Equation Solver) programı yardımıyla yapılmıştır. Kullanılan PV-T hibrit sistemde toplam elektriksel güç 1422 W, toplam alınan ısıl güç te 4397 W’dır. PV-T kollektörün ısıl verimi %49.7, elektrik verimi %15.2 olarak hesaplanmıştır. PV-T kaynaklı ısı pompası sistemine kollektörlerin verim katkısı %67,9 olarak görülmüştür. Işınım şiddeti arttıkça toplam elektriksel gücün ve toplam alınan ısıl gücün arttığı görülmüştür. Ayrıca yapılan bu çalışmada ısı pompası sisteminin COP si 4,41 olarak hesaplanmıştır. En yüksek ekserji yıkımının kondenserde olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler

• PV-T
• Isı Pompası
• enerji
• ekserji
• cop

Kaynakça

1. M. Ö. Ültanır, 21. Yüzyılın eşiğinde güneş enerjisi. Bilim ve Teknik, 340, 50-55, 1996
2. Z. Şen, Temiz Enerji ve Kaynakları, Su Vakfı Yayınları, İstanbul, 2002
3. Enerji İşleri Genel Müdürlüğü, Güneş enerjisi ve teknolojileri, www.yegm.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_ tekno.aspx Erişim Tarihi: 09.12.2019.
4. J. Yao, H. Xu, Y. Dai and M. Huang, Performance analysis of solar assisted heat pump coupled with build in PCM heat storage based on PV/T panel. Solar Energy, 197, 279-291, 2020. https://doi.org/10.1016/ j.solener.2020.01.002
5. A. N. Ozakin, K. Yakut and M. N. Khalaji, Performance analysis of photovoltaic-heat pump (PV/T) combined systems: A comparative numerical study. Journal of Solar Energy Engineering, 142, 2, 021010, 2020. https://doi.org/10.1115/1.4045313
6. J. Ji, H. He, T. Chow, G. Pei, G. He, W. He and K. Liu, Distributed dynamic modelling and experimental study of PV evaporator in a PV/T solar-assisted heat pump. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, 1365-1373, 2009. https://doi.org/10.1016/j. ijheatmasstransfer.2008.08.017
7. J. Ji, K. Liu, T. Chow, G. Pei, W. He and H. He, Performance analysis of a photovoltaic heat pump Applied Energy, 85, 680-693, 2008. https://doi.org/ 10.1016/j.apenergy.2008.01.003
8. J. Ji, K. Liu, T. Chow, G. Pei and H. He, Thermal analysis of PV/T evaporator of a solar-assisted heat pump. International Journal of Energy Research, 31, 525-545, 2007. https://doi.org/10.1002/er.1264

9. H. D. Fu, G. Pei, J. Ji, H. Long, T. Zhang and T. T. Chow, Experimental study of a photovoltaic solar-assisted heat pump/heat-pipe system. Applied Thermal Engineering, 40, 343-350, 2012. https://doi.org/ 10.1016/j.applthermaleng.2012.02.036
10. R. Daghigh, M. H. Ruslan and K. Sopian, Advances in liqiuid based photovoltaic/thermal(PV/T) collectors. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15, 4156-4170, 2011. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.028
11. V. V. Tyagi, S. C. Kaushik and S. K. Tyagi, Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid collector technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 1383-1398, 2012. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.12.013
12. P. Zhang, X. Rong, X. Yang and D. Zhang, Design and performance simulation of a novel hybrid PV/T-air dual source heat pump system based on a three-fluid heat exchanger. Solar Energy, 191, 505-517, 2019. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.09.024
13. N. Shao, L. Ma and J. Zhang, Experimental investigation on the performance of direct-expansion roof-PV/T heat pump system. Energy, 195, 116959, 2020. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.116959
14. J. Zhou, Z. Zhu, X. Zhao, Y. Yuan, Y. Fan and S. Myers, Theoretical and experimental study of a novel solar indirect-expansion heat pump system employing mini channel PV/T and thermal panels. Renewable Energy, 151, 674-686, 2020. https://doi.org/ 10.1016/j.renene.2019.11.054
15. J. Zhou, X. Ma, X. Zhao, Y. Yuan, M. Yu and J. Li, Numerical simulation and experimental validation of a micro-channel PV/T modules based direct-expansion solar heat pump system. Renewable Energy, 145, 1992-2004, 2020. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019. 07.049
16. A. A. Ammar, K. Sopian, M. A. Alghoul, B. Elhub and A. M. Elbreki, Performance study on photovoltaic/ thermal solar-assisted heat pump system. Journal Thermal and Calorimetry, 136, 79-87, 2019. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7741-6
17. B. Evangelos and T. Christos, Multi-objective optimization of a solar assisted heat pump-driven by hybrid PV. Applied Thermal Engineering, 149, 528-535, 2019. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng. 2018.12.059
18. N. F. N. Razali, A. Fudholi, M. H. Ruslan and K. Sopian, Experiment study of water based photovoltaic-thermal (PV/T) collector. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(1), 118-125, 2019. http://doi.org/10.11591/ijece.v9i1.pp118-125
19. S. C. Joe, Performance of a concentrating photovoltaic / thermal solar collector. Solar Energy, 78(2), 211-222, 2005. https://doi.org/10.1016/j.solener.2004.03.014
20. Ö. Yamaç, Güneş enerjili destekli ısı pompalarının teorik incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, Türkiye, 2005.
21. F. Duran, PV/T Hibrit sistemlerin termodinamik ve performans analizi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2014.
22. A. Fudholi, K. Sopian, M. Yazdı, I. Ruslan and H. Kazem, Performance analysis of photovoltaic thermal (PVT) water collectors. Energy Conversion and Management, 78, 641-651, 2014. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2013.11.017
23. F. Benli, Fotovoltaik (PV) ve Fotovoltaik Termal (PV-T) kolektörlerinin deneysel olarak karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Osmaniye, Türkiye, 2018.
24. M. Caner, Yatay tüp topraklı isı pompası sisteminin Sivas şartlarında değerlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sivas, Türkiye, 2018.
25. M. Al-Khalıdı, Toprak kaynaklı ısı pompası ile Isparta şartlarında bir ısıtma uygulaması. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2018.
26. F. Horzum, Bir turizm tesisinde toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin termodinamik analizi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2018.
27. I. Dincer and M. A. Rosen, Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. Newnes, Oxford, UK, 2012.
28. A. Bejan, G. Tsatsaronis and M. J. Moran, Thermal Design and Optimization. John Wiley and Sons, 1996.
29. J. Szargut, D. R. Morris and F. R. Steward, Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes. Springer-Verlag, Berlin. 1987.
30. J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Process. A Wiley-Interscience Publication, New York 2006.
31. B. J. Huang, T. H. Lin, W. C. Hung and F. S. Sun, Performance evaluation of solar photovoltaic thermal systems. Solar Energy, 70(Feb), 443-448, 2001. https://doi.org/10.1016/S0038-092x(00)00153-5