Design, modelling and optimization of a hybrid photovoltaic-thermal collector

The thesis work is aimed at designing an innovative hybrid photovoltaic-thermal solar collector, capable of generating simultaneously electricity and thermal energy. Hybrid collectors are based on the recovery of waste heat from photovoltaic cells, increasing their efficiency. This is possible through a heat transfer fluid circulating behind PV module which can be partially used for different low temperature applications. The component here presented is specifically designed for building integration and represents the key element of a high-exergy system based on an solar-assited heat pump, able to cover the heating, ventilation and air conditioning need from solar energy. A water-based hybrid solar collector is designed according to top technologies available in literature: single-glazed collector composed by mono-crystalline silicon cells directly laminated with an aluminium roll-bond absorber. The preliminary design choices, concerning absorber plate layout, cells number and configuration, insulating materials, casing structure and building integration are deeply described and discussed. An appropriate mathematical model, developed and validated on an analogous amorhous hybrid collector, is adopted and implemented in MATLAB, allowing for sensitivity analysis and optimization of the main design parameters: packing factor, mass flow, lateral and back heat loss coefficient, number, thickness and transmittance of glass covers. The final layout of the hybrid collector is the result of the preliminary design, the sensitivity analysis and the optimization process. A comparison of performances of the reference amorphous PVT with respect to the novel one is presented and discussed. Consideration about reliability of the collector are then made, with particular focus on stagnation condition, thermal expansions in the collector and the necessary safety tests. The will has been designing a reliable and cost-effective hybrid collector which could be competitive with other products on the market and also with the separated production of thermal and electric energy. For this reason, a preliminary economic analysis of manufacturing costs is presented and the collector economics is compared to some commercial PVTs available on the market.

L’obiettivo del seguente lavoro consiste nella progettazione di un collettore solar ibrido fotovoltaic-termico innovativo, in grado di generare elettricità ed energia termica allo stesso tempo. I collettori ibridi si basano sul recupero dell'energia solare non convertita dalle celle fotovoltaiche, aumentandone l'efficienza Ciò è possibile grazie ad un fluido termovettore che circola a contatto della parte posteriore del modulo fotovoltaico e che può essere sfruttato per diverse applicazioni a bassa temperatura. Il componente qui descritto è specificatamente progettato per l'integrazione architettonica e rappresenta l'elemento chiave di un sistema ad elevata exergia basato su una pompa di calore elio-assistita, in grado di coprire con energia solare i fabbisogni di riscaldamento, ventilazione e raffrescamento. Il collettore ibrido ad acqua è realizzato utilizzando tutte le migliori tecnologie. Si tratta infatti di un collettore vetrato, composto da celle fotovoltaiche mono-cristalline laminate direttamente con un assorbitore roll-bond in alluminio. La scelte progettuali preliminari riguardanti configurazione dell'assorbitore, numero e configurazione delle celle fotovoltaiche, materiale isolante, l'involucro metallico e integrazione architettonica sono descritte e discusse approfonditamente. Un modello matematico appropriato, precedentemente sviluppato per un analogo collettore ibrido amorfo, è stato adottato e implementato in MATLAB, consentendo così di effettuare analisi di sensitività e ottimizzazione dei principali parametri e caratteristiche del collettore: fattore di impaccamento, portata d'acqua, coefficiente di scambio laterale e posteriore, numero, spessore e trasmissione dei vetri di copertura. La configurazione finale del collettore ibrido è il risultato della progettazione preliminare, dell'analisi di sensitività e del processo di ottimizzazione. Un confronto tra le prestazioni del collettore amorfo di riferimento e del presente collettore ibrido è presentato e discusso. Sono poi riportate alcune considerazioni circa l'affidabilità del collettore, relativamente alle condizione di stagnazione, all'espansione termica dei diversi componenti e ai necessari test di sicurezza. Fin dall'inizio del progetto, l'intenzione è sempre stata quella di progettare un collettore ibrido affidabile ed economicamente competitivo con collettori ibridi commerciali, ma anche con la produzione separata di elettricità ed energia termica. Perciò è stata effettuata una breve analisi del costo di produzione, valutato anche in relazione ad alcuni collettori ibridi presenti sul mercato.