Energetic, exergetic and economic analysis of a coupled photovoltaic/thermal - Organic Rankine Cycle (ORC) system

Ρέππας, Απόστολος; Reppas, Apostolos

dc.contributor.author	Ρέππας, Απόστολος	el
dc.contributor.author	Reppas, Apostolos	en
dc.date.accessioned	2019-07-10T10:04:37Z
dc.date.available	2019-07-10T10:04:37Z
dc.date.issued	2019-07-10
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/49034
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.16770
dc.rights	Default License
dc.subject	Φωτοβολταϊκοί/Θερμικοί συλλέκτες	el
dc.subject	Οργανικός κύκλος Rankine	el
dc.subject	Οικονομική αξιολόγηση	el
dc.subject	Ενεργειακή μελέτη	el
dc.subject	Εξεργειακή μελέτη	el
dc.subject	Photovoltaic/Thermal collectors	en
dc.subject	Organic rankine cycle	en
dc.subject	Economic analysis	en
dc.subject	Energetic analysis	en
dc.subject	Exergetic analysis	en
dc.title	Energetic, exergetic and economic analysis of a coupled photovoltaic/thermal - Organic Rankine Cycle (ORC) system	en
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Ενέργεια	el
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2019-07-09
heal.abstract	Μετά την εποχή της βιομηχανικής επανάστασης, οι ενεργειακές ανάγκες της κοινωνίας έχουν αναπτυχθεί δραματικά. Εξαιτίας της ελάττωσης των αποθεμάτων των ορυκτών καυσίμων σε συνδυασμό με τα περιβαλλοντικά προβλήματα που εγείρονται από την κατανάλωση τους, καινοτόμες βιώσιμες τεχνολογίες έχουν προταθεί, οι οποίες αξιοποιούν ανανεώσιμες μορφές ενέργειας. Προς αυτή την κατεύθυνση, η σύζευξη φωτοβολταϊκών/θερμικών (PVT) συλλεκτών με έναν Οργανικό Κύκλο Rankine (ORC) αναδύεται ως μία υποσχόμενη λύση μηδενικών εκπομπών 𝐶��𝑂��2. Οι PVT συλλέκτες έχουν μελετηθεί εκτενώς ως μία μέθοδος αύξησης του βαθμού απόδοσης των φωτοβολταϊκών μειώνοντας τη θερμοκρασία των κελιών τους και παραγωγής θερμότητας για περαιτέρω χρήση. Μια καινοτόμος προσέγγιση είναι η αξιοποίηση αυτού του ενεργειακού περιεχομένου ως θερμότητα εισόδου ενός ORC. Σε αυτή την εργασία, αυτή η ιδέα υλοποιείται για ποικίλα εργαζόμενα μέσα σε 5 διαφορετικές Μεσογειακές τοποθεσίες. Η μοντελοποίηση των φωτοβλταϊκών και θερμικών συλλεκτών καθώς και του ηλιακού τροφοδοτικού δοχείου είναι προαπαιτούμενα για τη σύζευξη του συστήματος. Η προσομοίωση του ORC σε συνθήκες λειτουργίας περιλαμβάνει την διαστασιοποίηση του ατμοποιητή, του εκτονωτή, της γεννήτριας, του συμπυκνωτή, της αντλίας και του κινητήρα για κάθε εργαζόμενο μέσο. Το συνολικό κόστος του ORC υπολογίζεται μετά την ολοκλήρωση της διαστασιοποίησης των εξαρτημάτων του. Επειδή η πηγή θερμότητας του κύκλου προέρχεται από μία μεταβαλλόμενη ηλιακή ακτινοβολία, ο υπολογισμός της λειτουργίας του κύκλου σε συνθήκες εκτός των ονομαστικών είναι απαραίτητος. Η ετήσια παραγωγή ηλεκτρισμού από τη σύζευξη του συστήματος PVT-ORC υπολογίζεται στη συνέχεια για ένα μεγάλο εύρος επιφάνειας PVT συλλεκτών καθώς και όγκου ηλιακού τροφοδοτικού δοχείου ως μέρος της βελτιστοποίησης του συστήματος. Σε όλες τις τοποθεσίες, το R152a αποδεικνύεται ότι είναι η πιο αποδοτική και οικονομικά βιώσιμη επιλογή ως εργαζόμενο μέσο για τον κύκλο, με καθαρό ηλεκτρικό βαθμό απόδοσης ίσο με 6.931% σε συνθήκες λειτουργίας. Η μεγιστοποίηση της επιφάνειας των συλλεκτών και ένα μικρό ηλιακό τροφοδοτικό δοχείο αποτελούν τον πιο βιώσιμο συνδυασμό. Στην πόλη της Αθήνας, με το R152a ως εργαζόμενο μέσο, το μικρότερο κόστος παραγόμενης ενέργειας είναι ίσο με 0.153 €/𝑘��𝑊��ℎ, η υψηλότερη καθαρή παρούσα αξία είναι ίση με 2244.22 € και η μικρότερη περίοδος αποπληρωμής είναι ίση με 17.05 χρόνια.	el
heal.abstract	Since the industrial revolution, the energy demands of society have grown rapidly. Due to the depletion of the fossil fuel reserves combined with the environmental issues arising from their consumption, innovative sustainable technologies have been proposed utilizing renewable forms of energy. Towards this trend, the coupling of photovoltaic/thermal (PVT) collectors with an Organic Rankine Cycle (ORC) emerges as a promising solution with zero 𝐶��𝑂��2 emissions. PVT collectors have been studied extensively as a method of increasing the efficiency of the PV modules by reducing their cells’ temperature and producing heat for further use. An innovative approach is the utilization of this energy content as the heat input of an ORC. In this thesis, this concept is implemented for various working fluids in 5 different Mediterranean locations. The modeling of the PV and thermal collectors and the solar storage tank are prerequisites for the coupling of the system. The on-design simulation of the ORC includes the sizing of the evaporator, the expander, the generator, the condenser, the pump and the motor for each examined working fluid. The total cost of the ORC is calculated after the completion of the sizing of its components. Since, the heat input of the cycle derives from varying solar radiation, the computation of the cycle’s performance in off-design conditions is essential. The annual electricity production by the coupling of the PVT-ORC system is then calculated for a wide range of PVT collectors’ surface as well as solar storage tank’s volume capacity as part of the system’s optimization. In all locations, R152a is proven to be the most efficient and economically viable choice as the working fluid of the ORC, with a net electric efficiency of 6.931% in on-design conditions. The most viable combination is the maximization of the collectors’ surface and a small solar storage tank. In the city of Athens, with R152a as the working fluid, the lowest Levelized Cost of Energy is equal to 0.153 €/𝑘��𝑊��ℎ, the highest Net Present Value is equal to 2244.22 € and the minimum Payback Period is equal to 17.05 𝑦��𝑒��𝑎��𝑟��𝑠��.	en
heal.advisorName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Καρέλλας, Σωτήριος	el
heal.committeeMemberName	Κακαράς, Εμμανουήλ	el
heal.committeeMemberName	Χουντάλας, Δημήτριος	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Θερμότητας. Εργαστήριο Ατμοκινητήρων και Λεβήτων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	117 σ.
heal.fullTextAvailability	true