Design of a water PVT system integrated into prefabricate concrete

Hybrid photovoltaic/thermal collectors (PV/T) are devices that convert solar energy simultaneously into thermal and electric energy. As a general rule, they consist of common PV panels refrigerated by means of a suitable coolant fluid, that is collected and made available for appropriate uses. Thus, one can improve the electric efficiency of the PV cells while recovering low-grade heat; hence, PVT collectors are expected to show very interesting energy performance. In this study, a preliminary analysis was carried out to determine the size of the cross section, the depth of the water duct, the thick and the material of the absorber-plate maintaining the overall performance at a satisfactory level. By means of a thermo-fluid dynamic modeling software Comsol Multiphysics it was also possible to determine the temperature distribution throughout the PVT collector . In addition, this work shows the results of an experimental campaign, carried out on a prototype of PVT collector. The prototype consists of two panels, where a stainless steel absorber plate is cooled by means of a water flow circulating into square channels. On the top side of the absorber plate, polycrystalline PV cells are applied by lamination. The prototype has been tested during the summer 2013 in the premises of a factory situated near Catania. In order to get controlled operating conditions, the panels have been fed with water at constant temperature, thanks to an appropriate control system. The main parameters acquired during the measurement campaign were: absorber plate temperature, inlet and outlet fluid temperature, available solar radiation and outdoor air temperature. Now, from the examination of the experimental data, and from the simulations carried out with a mathematical model implemented on Mathcad, it is possible to identify too high temperatures on the absorber plate, as well as a quite low efficiency for the heat recovery. This is due to a series of constructive faults, and mainly to the bad contact between the absorber plate and the channels where the coolant flows. For this reason, the mathematical model has been modified, in order to introduce an additional thermal resistance. A parametric analysis has allowed to tune the model and to identify the value of this thermal resistance that minimizes the discrepancy between simulated and experimental results. Starting from the results of this investigation, it was possible to construct a new PVT panel lacking any construction fault, and whose performance are very promising and significantly better than the prototype tested so far. Finally, in this dissertation, the Second Law analysis of a real PVT and an improved PVT collectors are presented to study a crucial problem for the optimal exploitation of this technology: since the electricity production from PV cell is favoured by low temperatures, whereas the usability of the thermal energy gets higher at high temperatures.

I sistemi PVT sono dei collettori solari e fotovoltaici in grado di convertire simultaneamente l'energia solare in l'energia solare in energia elettrica. In generale , essi sono costituiti da pannelli fotovoltaici refrigerati per mezzo di un fluido temovettore. Per migliorare l'efficienza elettrica dei questi sistemi occorre estrarre e veicolare il cascame termico, destinato ad usi appropriati. In questo studio è stata svolta un' analisi preliminare al fine di progettare la sezione , la profondità del condotto, lo spessore dell' assorbitore in relazione al tipo di materiale scelto. Per mezzo di un software di modellazione termo-fluidodinamica è stato possibile determinare la distribuzione di temperatura sull' intero sistema. Inoltre questo lavoro mostra i risultati di una campagna sperimentale condotta sul prototipo PVT. Esso consiste di due pannelli, costituiti da un assorbitore in acciaio raffreddato per mezzo di un fluido termovettore circolante in canali a sezione quadrata. Sul lato superiore dell' assorbitore sono attaccate per laminazione delle celle fotovoltaiche. Il prototipo è stato testato nell' estate 2013 presso un' industria situata nei pressi di Catania. Al fine di garantire le stesse condizioni di esercizio, i pannelli sono stati alimentati a temperatura costante. I principali parametri acquisiti durante la campagna di misura sono: la temperatura della piastra assorbente, la temperatura di ingresso e di uscita del fluido termovettore, l'irraggiamento solare e la temperatura dell' aria esterna. Dall'analisi dei dati sperimentali e dalle simulazioni implementate mediante l'ausilio di un modello matematico in Mathcad, è stato possibile conoscere la temperatura dell' assorbitore, che risulta troppo alta. Essa è dovuta ad una serie di imperfezioni costruttive, e principalmente al cattivi contatto tra la superficie dell' assorbitore e del canale. A tale proposito il modello matematico è stato modificato introducendo una resistenza termica addizionale dovuta alla presenza dell' aria. Un 'analisi parametrica è stata svolta per tunare il modello matematico ed identificare i valori della resistenza termica e che riduce la discrepanza tra i risultati simulati e quelli raccolti sperimentalmente. Partendo da questi risultati è stato possibile costruire un sistema PVT migliorato privo di imperfezioni costruttive. Infine sul modello reale e migliorato è stata svolta un' analisi energetica ed exergetica, quest' ultima basata sul secondo principio della termodinamica al fine di determinare le migliori condizioni di funzionamento di questa tecnologia.