Hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) collectors combine photovoltaic and solar-thermal technologies in order to guarantee a double yield with better surface utilization than two separated units. The proper working of these devices is affected by the thermal absorber design, which has to be optimized to guarantee the highest possible heat transfer with low fluid pressure drops. This work aims at improving an existing 3D dynamic model in order to simulate with high accuracy the performance of a roll-bond PV/T collector: the target is to make it suitable to describe correctly the absorber geometry, as the roll-bonding process allows to manufacture complex channel patterns featuring a non-circular cross section. New correlations to estimate the fluid heat transfer coefficient are introduced, accompanied by analogous and consistent expressions for the friction factor estimation. The MATLAB program implementing the model is improved to better describe the flow in the absorber and to consider the presence of a junction box. The improved model is experimentally validated with good results and thus represents a powerful tool to deeply analyse the absorber geometry. Harp, serpentine and spiral layouts are investigated under steady state conditions and great attention is given to flow distribution in harp absorbers and pressure drops. Results show that, with a volumetric flow rate around 1.5 l/min, double harp design with 38 channels is the best compromise between gross energy yields and pressure drops, guaranteeing at the same time reasonably good flow homogeneity. When moving to volumetric flow rates around 1 l/min, instead, the serpentine absorber with channels' spacing-to-width ratio equal to 3 guarantees the best performance. It thus emerges the importance of considering the operating conditions for a correct design of the absorber. Furthermore, it seems that the advantage of a better design, especially in terms of electric yield, is close to the limit and other aspects should be optimized to push performance to higher levels.

I collettori ibridi fotovoltaici/termici (PV/T) combinano le tecnologie fotovoltaica e solare-termica per garantire una doppia produzione energetica con un miglior sfruttamento della superficie occupata. Il loro corretto funzionamento è influenzato dal design dell'assorbitore, che deve essere ottimizzato per garantire alto scambio termico e basse perdite di carico. Questa tesi mira a migliorare un modello dinamico 3D, già esistente, per simulare con precisione le prestazioni di un collettore PV/T roll-bond: l'obiettivo è la corretta rappresentazione dell'assorbitore, poiché il processo di roll-bonding permette di produrre complicate canalizzazioni caratterizzate da una sezione di passaggio del fluido non circolare. Nel modello viene fatto uso di nuove correlazioni di scambio termico e contemporaneamente sono introdotte correlazioni coerenti per la stima del fattore di attrito. Una modifica apportata al programma in linguaggio MATLAB, che implementa il modello, permette di descrivere correttamente il flusso nell'assorbitore e di considerare la presenza della junction box. Il nuovo modello è validato sperimentalmente con buoni risultati e permette dunque di analizzare profondamente il design dell'assorbitore. Test in condizioni stazionarie sono svolti sulle geometrie ad arpa, a serpentina e a spirale; grande attenzione viene data alla distribuzione del flusso negli assorbitori ad arpa e alle perdite di carico. I risultati mostrano come, nel caso di una portata volumetrica intorno a 1.5 l/min, il design a doppia arpa con 38 canali rappresenti il miglior compromesso tra prestazioni energetiche e perdite di carico, garantendo allo stesso tempo una buona distribuzione del flusso. Nel caso di una portata di circa 1 l/min, invece, la geometria a serpentina con rapporto tra passo e larghezza dei canali uguale a 3 garantisce le migliori prestazioni. Emerge quindi l'importanza del legame tra un corretto design e le condizioni operative. Inoltre, appare evidente che l'incremento prestazionale ottenibile da un miglior design dell'assorbitore sia vicino al limite e che quindi sia meglio concentrarsi su altri aspetti per migliorare ulteriormente le prestazioni.

Improvement of a 3D dynamic model to properly design the roll-bond aluminium absorber of a hybrid PV/T collector

COLOMBINI, RICCARDO
2018/2019

Abstract

Hybrid photovoltaic/thermal (PV/T) collectors combine photovoltaic and solar-thermal technologies in order to guarantee a double yield with better surface utilization than two separated units. The proper working of these devices is affected by the thermal absorber design, which has to be optimized to guarantee the highest possible heat transfer with low fluid pressure drops. This work aims at improving an existing 3D dynamic model in order to simulate with high accuracy the performance of a roll-bond PV/T collector: the target is to make it suitable to describe correctly the absorber geometry, as the roll-bonding process allows to manufacture complex channel patterns featuring a non-circular cross section. New correlations to estimate the fluid heat transfer coefficient are introduced, accompanied by analogous and consistent expressions for the friction factor estimation. The MATLAB program implementing the model is improved to better describe the flow in the absorber and to consider the presence of a junction box. The improved model is experimentally validated with good results and thus represents a powerful tool to deeply analyse the absorber geometry. Harp, serpentine and spiral layouts are investigated under steady state conditions and great attention is given to flow distribution in harp absorbers and pressure drops. Results show that, with a volumetric flow rate around 1.5 l/min, double harp design with 38 channels is the best compromise between gross energy yields and pressure drops, guaranteeing at the same time reasonably good flow homogeneity. When moving to volumetric flow rates around 1 l/min, instead, the serpentine absorber with channels' spacing-to-width ratio equal to 3 guarantees the best performance. It thus emerges the importance of considering the operating conditions for a correct design of the absorber. Furthermore, it seems that the advantage of a better design, especially in terms of electric yield, is close to the limit and other aspects should be optimized to push performance to higher levels.
MOLINAROLI, LUCA
SIMONETTI, RICCARDO
ING - Scuola di Ingegneria Industriale e dell'Informazione
18-dic-2019
2018/2019
I collettori ibridi fotovoltaici/termici (PV/T) combinano le tecnologie fotovoltaica e solare-termica per garantire una doppia produzione energetica con un miglior sfruttamento della superficie occupata. Il loro corretto funzionamento è influenzato dal design dell'assorbitore, che deve essere ottimizzato per garantire alto scambio termico e basse perdite di carico. Questa tesi mira a migliorare un modello dinamico 3D, già esistente, per simulare con precisione le prestazioni di un collettore PV/T roll-bond: l'obiettivo è la corretta rappresentazione dell'assorbitore, poiché il processo di roll-bonding permette di produrre complicate canalizzazioni caratterizzate da una sezione di passaggio del fluido non circolare. Nel modello viene fatto uso di nuove correlazioni di scambio termico e contemporaneamente sono introdotte correlazioni coerenti per la stima del fattore di attrito. Una modifica apportata al programma in linguaggio MATLAB, che implementa il modello, permette di descrivere correttamente il flusso nell'assorbitore e di considerare la presenza della junction box. Il nuovo modello è validato sperimentalmente con buoni risultati e permette dunque di analizzare profondamente il design dell'assorbitore. Test in condizioni stazionarie sono svolti sulle geometrie ad arpa, a serpentina e a spirale; grande attenzione viene data alla distribuzione del flusso negli assorbitori ad arpa e alle perdite di carico. I risultati mostrano come, nel caso di una portata volumetrica intorno a 1.5 l/min, il design a doppia arpa con 38 canali rappresenti il miglior compromesso tra prestazioni energetiche e perdite di carico, garantendo allo stesso tempo una buona distribuzione del flusso. Nel caso di una portata di circa 1 l/min, invece, la geometria a serpentina con rapporto tra passo e larghezza dei canali uguale a 3 garantisce le migliori prestazioni. Emerge quindi l'importanza del legame tra un corretto design e le condizioni operative. Inoltre, appare evidente che l'incremento prestazionale ottenibile da un miglior design dell'assorbitore sia vicino al limite e che quindi sia meglio concentrarsi su altri aspetti per migliorare ulteriormente le prestazioni.
Tesi di laurea Magistrale
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Utilizza questo identificativo per citare o creare un link a questo documento: https://hdl.handle.net/10589/152607