Dynamical modeling of a photovoltaic-thermal collector with roll-bond heat exchanger

Nowadays, means of energy production are shifting from fossil fuels to renewable energy. Important topics of energy production based on renewables are small installations based on solar energy design to fulfill energy requirements for domestic users. However, electric and thermal energy are produced with two different types of module, leading to a surplus of installation cost and space occupation on the roof. That’s why research and development are focused on a new technology, called photovoltaic-thermal (PV-T), who merges electric and thermal energy on a unique module. Especially, this work is based on a development and validation of a numerical and dynamical model for power prediction of collector already in commerce. Model has been run, validating both electric power and outlet fluid temperature using daily-averaged RMSE between model and real results, for twelve days, ranging from December 2016 to June 2017. It has been found out that, talking about outlet fluid temperature, the model is quite accurate throughout all the validating period, with RMSE ranging from 0,51% to 1,87%. However, from electrical power’s point of view, the accuracy of the model stands only for the days when hydraulic circuit of working fluid is not connected to the heat pump of SolarTech Lab, so, from 28th March, 2017 on, when RMSE has a minimum of 2,22% and a maximum of 4,99%, while, if the heat pump is on, it calculates an electrical power fairly higher, for example on 26th January when RMSE is 7,05%. That’s due to the fact that heat pump working leads to a temperature increase, which has yet to be measured, on the PV cells edge rows.

Ai giorni nostri la produzione di energia, tradizionalmente basata sui combustibili fossili, sta passando alle energie rinnovabili. Parlando di questo argomento, si sta diffondendo sempre più la produzione di energia mediante impianti domestici per piccole utenze basati su energia solare. Un problema di questa tipologia di impianti è la necessità di moduli diversi per energia termica ed energia elettrica, che porta ad occupare facilmente lo spazio disponibile sul tetto, oltre a un surplus dei costi di installazione e manutenzione. Quindi, si sta sviluppando una nuova tipologia di pannello solare che unisce le due tecnologie (modulo fotovoltaico-termico, PV-T). Questo lavoro è basato sullo sviluppo e sulla valutazione di un modello numerico e dinamico di previsione di potenza di un modulo PV-T già in commercio. I risultati del modello, potenza elettrica e temperatura in uscita del fluido passante per dodici giorni, da Dicembre 2016 a Giugno 2017, sono stati valutati mediante l’errore quadratico medio (RMSE) giornaliero tra risultati sperimentali e risultati del modello. La temperatura in uscita modellizzata risulta piuttosto accurata per ogni giorno valutato con un lieve peggioramento a Dicembre 2016, con il RMSE che varia da un minimo di 0,51% a un massimo di 1,87%. Tuttavia, la potenza elettrica risulta preciso solo quando il circuito contenente il fluido passante non è collegato alla pompa di calore del SolarTech Lab, cioè dal 28 Marzo 2017 in poi. In questo periodo di tempo il RMSE ha un minimo di 2,22% il 3 Giugno 2017 e un massimo di 4,99% il 29 Marzo 2017. Se, al contrario, la pompa di calore è attiva, il lavoro elettrico modellizzato è un po' più alto, per esempio il RMSE del 26 Gennaio vale il 7,05%, perché il funzionamento della pompa di calore porta a un incremento locale della temperatura dei bordi del modulo che deve ancora essere misurato.