Development and optimization of a concentrating photovoltaic/thermal cogeneration system.

Karathanassis, Ioannis; Καραθανάσης, Ιωάννης

dc.contributor.author	Karathanassis, Ioannis	en
dc.contributor.author	Καραθανάσης, Ιωάννης	el
dc.date.accessioned	2015-05-15T07:34:12Z
dc.date.available	2015-05-15T07:34:12Z
dc.date.issued	2015-05-15
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/40769
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.1706
dc.rights	Default License
dc.subject	CPVT system; combined heat and power; design and manufacturing; solar-cell cooling; cooling devices; experimental evaluation; exergetic analysis	en
dc.subject	Φωτοβολταϊκό/θερμικό σύστημα, συμπαραγωγή θερμότητας και ηλεκτρισμού, σχεδιασμός και κατασκευή, ψύξη ηλιακών κυψελών, ψυκτικές διατάξεις, πειραματική αξιολόγηση, εξεργειακή ανάλυση	el
dc.title	Development and optimization of a concentrating photovoltaic/thermal cogeneration system.	en
dc.title	Ανάπτυξη και βελτιστοποίηση συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος συνδυασμένης παραγωγής.	el
dc.contributor.department	Τομέας Ρευστών	el
heal.type	doctoralThesis
heal.classification	Mechanical Engineering and Technology	en
heal.classification	Θερμική Μηχανολογία	el
heal.classificationURI	http://skos.um.es/unesco6/3313
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2015-04-21
heal.abstract	The scope of the doctoral dissertation is the theoretical and experimental evaluation of a linear Concentrating Photovoltaic Thermal (CPVT) system. The system comprises three distinct constituents, namely the optical device to concentrate solar irradiation, the solar-cell module and the active cooling system. Concentrated solar irradiation is incident on the active surface of the solar-cell module at the backside of which, a suitable cooling device (heat sink) is thermally bonded to extract excess heat. The most significant parameters that affect the operation of a CPVT system are the intensity of the solar irradiation and the temperature of the solar cells. At a first stage, several heat-sink layouts were evaluated using three-dimensional, computational fluid dynamics and heat transfer models in terms of, among others, thermal resistance, temperature uniformity of the heated surface and cooling fluid pressure drop. The configurations taken into consideration can be divided into two general groups based on the cross-section of the ducts employed for the flow of the cooling fluid (water): configurations with orthogonal and circular ducts, respectively. The most promising heat-sink designs were subsequently optimized using a novel, muti-objective optimization procedure, which allows the determination of the optimal heat-sink geometrical parameters through the use of a genetic algorithm. The optimal devices were manufactured and experimentally evaluated. The performance evaluation of the manufactured heat sinks comprised the measurement of the induced fluid pressure drop and the substrate temperature for constant heat-flux heating and negligible heat losses. In reference to the development of the integrated CPVT system, the main focus initially was on the procurement of appropriate materials and the manufacturing of the custom-made components required for the development of the prototype system. The optical quality of the parabolic trough was experimentally evaluated with the use of an appropriate measuring device that bears a grid of sensors (photodiodes), so that the irradiation distribution on the receiver surface and the achieved concentration ratio can be determined. Besides, the main factors that have a significant effect on the trough optical quality were designated using a ray-tracing software. An experimental rig was developed for the evaluation of the integrated CPVT system. The experimental evaluation led to the determination of the solar-cell modules voltage-current curves and temperature factor, as well as the electric and thermal efficiency of the system. In addition, the main thermal losses mechanisms were identified and the CPVT system thermal performance was compared to that of flat-plate thermal collectors, commercially available in the Greek market. Finally, a computational code was developed in FORTRAN for the dynamic simulation of the CPVT system long-term performance. A dynamic theoretical model was formulated that allows the prediction of the system energetic and exergetic efficiency, as well as its output in a daily, monthly or annual basis. The characteristics of the system sub-components that have the most significant impact on its exergetic performance are highlighted.	en
heal.abstract	Στόχος της διδακτορικής διατριβής είναι η θεωρητική και πειραματική διερεύνηση ενός πρωτότυπου συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος γραμμικής εστίασης. Το σύστημα αποτελείται από τρεις διακριτές συνιστώσες: τη διάταξη συγκέντρωσης της ακτινοβολίας, τη συστοιχία ηλιακών κυψελών και το ενεργητικό σύστημα ψύξης (ψύκτρα). Η ηλιακή ακτινοβολία, με τη χρήση παραβολικού ανακλαστήρα, συγκεντρώνεται στην επιφάνεια της συστοιχίας κυψελών, στο πίσω μέρος της οποίας είναι προσκολλημένη κατάλληλη ψύκτρα η οποία απάγει την περίσσεια θερμικής ενέργειας. Οι κυριότερες παράμετροι που επηρεάζουν τη λειτουργία ενός συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος είναι η ένταση της προσπίπτουσας ηλιακής ακτινοβολίας και η θερμοκρασία των ηλιακών κυψελών. Αρχικά, αξιολογήθηκαν, με χρήση μοντέλων υπολογιστικής ρευστοδυναμικής, διάφοροι τύποι ψυκτικών διατάξεων, έχοντας ως κριτήρια, μεταξύ άλλων, τη θερμική αντίσταση που εμφανίζουν, τη θερμοκρασιακή ομοιομορφία στη θερμαινόμενη επιφάνεια και την πτώση πίεσης που προκαλούν στο εργαζόμενο μέσο. Οι διατάξεις που ελήφθησαν υπ’ όψιν μπορούν να χωριστούν σε δύο ευρύτερες κατηγορίες ανάλογα με τη διατομή των αγωγών που χρησιμοποιούνται για τη διέλευση του ψυκτικού μέσου (νερό): διατάξεις με αγωγούς ορθογωνικής και κυκλικής διατομής, αντίστοιχα Ακολούθησε η διαδικασία βελτιστοποίησης των πιο αποδοτικών ψυκτικών διατάξεων, κατά την οποία αναπτύχθηκε ολοκληρωμένη μεθοδολογία πολύ-κριτηριακής βελτιστοποίησης η οποία, με δεδομένη τη συνολική επιφάνεια των διατάξεων και μέσω της χρήσης γενετικού αλγορίθμου, οδήγησε στον προσδιορισμό των βέλτιστων γεωμετρικών παραμέτρων. Η πειραματική αξιολόγηση των βέλτιστων διατάξεων περιλάμβανε τη μέτρηση της πτώσης πίεσης του ψυκτικού διαμέσου αυτών και τη μέτρηση της θερμοκρασίας μετάλλου για θέρμανση μέσω σταθερής θερμορροής σε συνθήκες αμελητέων θερμικών απωλειών. Αναφορικά με την ανάπτυξη του ολοκληρωμένου συγκεντρωτικού φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος πραγματικής κλίμακας, σε πρώτο στάδιο διενεργήθηκε εμπεριστατωμένη έρευνα αγοράς ώστε να εξασφαλισθεί η προμήθεια των κατάλληλων υλικών και η δυνατότητα κατασκευής των μεταλλικών συνιστωσών που απαρτίζουν το συγκεντρωτικό συστήμα. Η οπτική ποιότητα του παραβολικού πλαισίου αξιολογήθηκε πειραματικά με χρήση κατάλληλης διάταξης, η οποία φέρει πλέγμα αισθητηρίων (φωτοδιόδων), ώστε να προσδιοριστεί η κατανομή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας στην επιφάνεια του απορροφητή καθώς και ο επιτυγχανόμενος δείκτης συγκέντρωσης. Επιπλέον, με τη χρήση κατάλληλου λογισμικού «ιχνηλασίας ακτίνων», προσδιορίστηκαν οι βασικοί παράγοντες που επηρεάζουν την οπτική ποιότητα του παραβολικού πλαισίου. Για την πειραματική αξιολόγηση του ολοκληρωμένου συστήματος αναπτύχθηκε κατάλληλη πειραματική διάταξη. Από την πειραματική αξιολόγηση προέκυψαν οι καμπύλες τάσης-έντασης και ο ρυθμός μείωσης της απόδοσης των συστοιχιών ηλιακών κυψελών ως συνάρτηση της θερμοκρασίας λειτουργίας, καθώς και ο ηλεκτρικός και θερμικός βαθμός απόδοσης του συστήματος για διαφορετικές παραμέτρους λειτουργίας. Επιπροσθέτως, προσδιορίστηκαν οι βασικοί μηχανισμοί θερμικών απωλειών από τον απορροφητή του συστήματος και η θερμική απόδοση του συστήματος συγκρίθηκε με επίπεδους ηλιακούς θερμικούς συλλέκτες που είναι εμπορικά διαθέσιμοι στην ελληνική αγορά. Τέλος, για τη δυναμική προσομοίωση της λειτουργίας του ολοκληρωμένου φωτοβολταϊκού/θερμικού συστήματος αναπτύχθηκε υπολογιστικός κώδικας σε γλώσσα FORTRAN, ο οποίος έχει τη δυνατότητα πρόβλεψης της απόδοσης (ηλεκτρικής-θερμικής και εξεργειακής) του συστήματος. Το υπολογιστικό μοντέλο που αναπτύχθηκε είναι δυναμικό και επιτρέπει την πρόβλεψη της παραγόμενης από το σύστημα ισχύος σε ωριαία, μηνιαία και ετήσια βάση. Το μοντέλο λαμβάνει υπ’ όψιν τα χαρακτηριστικά του συστήματος με παραμετρικό τρόπο, ώστε να είναι δυνατός ο καθορισμός των βέλτιστων παραμέτρων λειτουργίας και ο προσδιορισμός των συνιστωσών του συστήματος που έχουν τη σημαντικότερη επίδραση στη εξεργειακή απόδοση.	el
heal.sponsor	Ειδικός Λογαριασμός Κονδυλίων Έρευνας Ε.Μ.Π	el
heal.advisorName	Bergeles, Georgios	en
heal.advisorName	Μπεργελές, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Μπεργελές, Γεώργιος	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Παπανικολάου, Ηλίας	el
heal.committeeMemberName	Παπαντώνης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Τσαγγάρης, Σωκράτης	el
heal.committeeMemberName	Μπούρης, Δημήτριος	el
heal.committeeMemberName	Μπελεσιώτης, Βασίλειος	el
heal.academicPublisher	Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	347
heal.fullTextAvailability	true