Research Article
BibTex RIS Cite

Energy and exergy analysis of a PV-T collector welded heat pump system

Year 2021, Volume: 10 Issue: 2, 753 - 762, 27.07.2021
https://doi.org/10.28948/ngumuh.693384

Abstract

Today, demand for soil source heat pump, air source heat pump and water source heat pump types with low energy input and high temperature performance has been increasing considering the region where the system will be built, geological structure, geographical location and seasonal conditions. In this study, a PV-T collector which produces 190W rated power with 72 cell single crystal silicon module cell panel has been used for supporting the ground source heat pump. Energy and exergy analyzes for each element in the PV-T assisted heat pump system has been done with the help of EES (Engineering Equation Solver) program. In PV-T hybrid system, total electrical power is 1422 W and total thermal power is 4397 W. Thermal efficiency of PV-T collector has been calculated as 49.7% and electrical efficiency as 15.2%. The efficiency contribution of the collectors to the PV-T welded heat pump system has been 67.9%. It has been observed that the total electrical power and the total thermal power increases as the intensity of heat goes up. In this study, the COP of the heat pump system has been calculated as 4.41. The highest exergy destruction has been observed in the condenser.

References

  • M. Ö. Ültanır, 21. Yüzyılın eşiğinde güneş enerjisi. Bilim ve Teknik, 340, 50-55, 1996
  • Z. Şen, Temiz Enerji ve Kaynakları, Su Vakfı Yayınları, İstanbul, 2002
  • Enerji İşleri Genel Müdürlüğü, Güneş enerjisi ve teknolojileri, www.yegm.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_ tekno.aspx Erişim Tarihi: 09.12.2019.
  • J. Yao, H. Xu, Y. Dai and M. Huang, Performance analysis of solar assisted heat pump coupled with build in PCM heat storage based on PV/T panel. Solar Energy, 197, 279-291, 2020. https://doi.org/10.1016/ j.solener.2020.01.002
  • A. N. Ozakin, K. Yakut and M. N. Khalaji, Performance analysis of photovoltaic-heat pump (PV/T) combined systems: A comparative numerical study. Journal of Solar Energy Engineering, 142, 2, 021010, 2020. https://doi.org/10.1115/1.4045313
  • J. Ji, H. He, T. Chow, G. Pei, G. He, W. He and K. Liu, Distributed dynamic modelling and experimental study of PV evaporator in a PV/T solar-assisted heat pump. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, 1365-1373, 2009. https://doi.org/10.1016/j. ijheatmasstransfer.2008.08.017
  • J. Ji, K. Liu, T. Chow, G. Pei, W. He and H. He, Performance analysis of a photovoltaic heat pump Applied Energy, 85, 680-693, 2008. https://doi.org/ 10.1016/j.apenergy.2008.01.003
  • J. Ji, K. Liu, T. Chow, G. Pei and H. He, Thermal analysis of PV/T evaporator of a solar-assisted heat pump. International Journal of Energy Research, 31, 525-545, 2007. https://doi.org/10.1002/er.1264
  • H. D. Fu, G. Pei, J. Ji, H. Long, T. Zhang and T. T. Chow, Experimental study of a photovoltaic solar-assisted heat pump/heat-pipe system. Applied Thermal Engineering, 40, 343-350, 2012. https://doi.org/ 10.1016/j.applthermaleng.2012.02.036
  • R. Daghigh, M. H. Ruslan and K. Sopian, Advances in liqiuid based photovoltaic/thermal(PV/T) collectors. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15, 4156-4170, 2011. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.028
  • V. V. Tyagi, S. C. Kaushik and S. K. Tyagi, Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid collector technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 1383-1398, 2012. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.12.013
  • P. Zhang, X. Rong, X. Yang and D. Zhang, Design and performance simulation of a novel hybrid PV/T-air dual source heat pump system based on a three-fluid heat exchanger. Solar Energy, 191, 505-517, 2019. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.09.024
  • N. Shao, L. Ma and J. Zhang, Experimental investigation on the performance of direct-expansion roof-PV/T heat pump system. Energy, 195, 116959, 2020. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.116959
  • J. Zhou, Z. Zhu, X. Zhao, Y. Yuan, Y. Fan and S. Myers, Theoretical and experimental study of a novel solar indirect-expansion heat pump system employing mini channel PV/T and thermal panels. Renewable Energy, 151, 674-686, 2020. https://doi.org/ 10.1016/j.renene.2019.11.054
  • J. Zhou, X. Ma, X. Zhao, Y. Yuan, M. Yu and J. Li, Numerical simulation and experimental validation of a micro-channel PV/T modules based direct-expansion solar heat pump system. Renewable Energy, 145, 1992-2004, 2020. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019. 07.049
  • A. A. Ammar, K. Sopian, M. A. Alghoul, B. Elhub and A. M. Elbreki, Performance study on photovoltaic/ thermal solar-assisted heat pump system. Journal Thermal and Calorimetry, 136, 79-87, 2019. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7741-6
  • B. Evangelos and T. Christos, Multi-objective optimization of a solar assisted heat pump-driven by hybrid PV. Applied Thermal Engineering, 149, 528-535, 2019. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng. 2018.12.059
  • N. F. N. Razali, A. Fudholi, M. H. Ruslan and K. Sopian, Experiment study of water based photovoltaic-thermal (PV/T) collector. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(1), 118-125, 2019. http://doi.org/10.11591/ijece.v9i1.pp118-125
  • S. C. Joe, Performance of a concentrating photovoltaic / thermal solar collector. Solar Energy, 78(2), 211-222, 2005. https://doi.org/10.1016/j.solener.2004.03.014
  • Ö. Yamaç, Güneş enerjili destekli ısı pompalarının teorik incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, Türkiye, 2005.
  • F. Duran, PV/T Hibrit sistemlerin termodinamik ve performans analizi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2014.
  • A. Fudholi, K. Sopian, M. Yazdı, I. Ruslan and H. Kazem, Performance analysis of photovoltaic thermal (PVT) water collectors. Energy Conversion and Management, 78, 641-651, 2014. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2013.11.017
  • F. Benli, Fotovoltaik (PV) ve Fotovoltaik Termal (PV-T) kolektörlerinin deneysel olarak karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Osmaniye, Türkiye, 2018.
  • M. Caner, Yatay tüp topraklı isı pompası sisteminin Sivas şartlarında değerlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sivas, Türkiye, 2018.
  • M. Al-Khalıdı, Toprak kaynaklı ısı pompası ile Isparta şartlarında bir ısıtma uygulaması. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2018.
  • F. Horzum, Bir turizm tesisinde toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin termodinamik analizi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2018.
  • I. Dincer and M. A. Rosen, Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. Newnes, Oxford, UK, 2012.
  • A. Bejan, G. Tsatsaronis and M. J. Moran, Thermal Design and Optimization. John Wiley and Sons, 1996.
  • J. Szargut, D. R. Morris and F. R. Steward, Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes. Springer-Verlag, Berlin. 1987.
  • J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Process. A Wiley-Interscience Publication, New York 2006.
  • B. J. Huang, T. H. Lin, W. C. Hung and F. S. Sun, Performance evaluation of solar photovoltaic thermal systems. Solar Energy, 70(Feb), 443-448, 2001. https://doi.org/10.1016/S0038-092x(00)00153-5

PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi

Year 2021, Volume: 10 Issue: 2, 753 - 762, 27.07.2021
https://doi.org/10.28948/ngumuh.693384

Abstract

Günümüzde düşük enerji girdisi ile yüksek ısıl performansın sağlandığı ısı pompası sistemlerinde, sistemin kurulacağı bölge, jeolojik yapı, coğrafi konum ve mevsimsel şartlar dikkate alındığında bu sayılan gerekçeleri karşılamak amacıyla toprak kaynaklı ısı pompası, hava kaynaklı ısı pompası ve su kaynaklı ısı pompası çeşitlerine talep gün geçtikçe artmaktadır. Bu çalışmada toprak kaynaklı ısı pompasına destek amaçlı 72 hücreli, tek kristal silisyum modül hücre paneline sahip 190W nominal güç üreten bir PV-T kollektör hesaplama için kullanılmıştır. PV-T destekli ısı pompası sistemindeki her bir eleman için enerji ve ekserji analizleri EES (Engineering Equation Solver) programı yardımıyla yapılmıştır. Kullanılan PV-T hibrit sistemde toplam elektriksel güç 1422 W, toplam alınan ısıl güç te 4397 W’dır. PV-T kollektörün ısıl verimi %49.7, elektrik verimi %15.2 olarak hesaplanmıştır. PV-T kaynaklı ısı pompası sistemine kollektörlerin verim katkısı %67,9 olarak görülmüştür. Işınım şiddeti arttıkça toplam elektriksel gücün ve toplam alınan ısıl gücün arttığı görülmüştür. Ayrıca yapılan bu çalışmada ısı pompası sisteminin COP si 4,41 olarak hesaplanmıştır. En yüksek ekserji yıkımının kondenserde olduğu görülmüştür.

References

  • M. Ö. Ültanır, 21. Yüzyılın eşiğinde güneş enerjisi. Bilim ve Teknik, 340, 50-55, 1996
  • Z. Şen, Temiz Enerji ve Kaynakları, Su Vakfı Yayınları, İstanbul, 2002
  • Enerji İşleri Genel Müdürlüğü, Güneş enerjisi ve teknolojileri, www.yegm.gov.tr/yenilenebilir/g_enj_ tekno.aspx Erişim Tarihi: 09.12.2019.
  • J. Yao, H. Xu, Y. Dai and M. Huang, Performance analysis of solar assisted heat pump coupled with build in PCM heat storage based on PV/T panel. Solar Energy, 197, 279-291, 2020. https://doi.org/10.1016/ j.solener.2020.01.002
  • A. N. Ozakin, K. Yakut and M. N. Khalaji, Performance analysis of photovoltaic-heat pump (PV/T) combined systems: A comparative numerical study. Journal of Solar Energy Engineering, 142, 2, 021010, 2020. https://doi.org/10.1115/1.4045313
  • J. Ji, H. He, T. Chow, G. Pei, G. He, W. He and K. Liu, Distributed dynamic modelling and experimental study of PV evaporator in a PV/T solar-assisted heat pump. International Journal of Heat and Mass Transfer, 52, 1365-1373, 2009. https://doi.org/10.1016/j. ijheatmasstransfer.2008.08.017
  • J. Ji, K. Liu, T. Chow, G. Pei, W. He and H. He, Performance analysis of a photovoltaic heat pump Applied Energy, 85, 680-693, 2008. https://doi.org/ 10.1016/j.apenergy.2008.01.003
  • J. Ji, K. Liu, T. Chow, G. Pei and H. He, Thermal analysis of PV/T evaporator of a solar-assisted heat pump. International Journal of Energy Research, 31, 525-545, 2007. https://doi.org/10.1002/er.1264
  • H. D. Fu, G. Pei, J. Ji, H. Long, T. Zhang and T. T. Chow, Experimental study of a photovoltaic solar-assisted heat pump/heat-pipe system. Applied Thermal Engineering, 40, 343-350, 2012. https://doi.org/ 10.1016/j.applthermaleng.2012.02.036
  • R. Daghigh, M. H. Ruslan and K. Sopian, Advances in liqiuid based photovoltaic/thermal(PV/T) collectors. Renewable and Sustainable Energy Reviews. 15, 4156-4170, 2011. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.07.028
  • V. V. Tyagi, S. C. Kaushik and S. K. Tyagi, Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T) hybrid collector technology. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, 1383-1398, 2012. https://doi.org/10.1016/j.rser.2011.12.013
  • P. Zhang, X. Rong, X. Yang and D. Zhang, Design and performance simulation of a novel hybrid PV/T-air dual source heat pump system based on a three-fluid heat exchanger. Solar Energy, 191, 505-517, 2019. https://doi.org/10.1016/j.solener.2019.09.024
  • N. Shao, L. Ma and J. Zhang, Experimental investigation on the performance of direct-expansion roof-PV/T heat pump system. Energy, 195, 116959, 2020. https://doi.org/10.1016/j.energy.2020.116959
  • J. Zhou, Z. Zhu, X. Zhao, Y. Yuan, Y. Fan and S. Myers, Theoretical and experimental study of a novel solar indirect-expansion heat pump system employing mini channel PV/T and thermal panels. Renewable Energy, 151, 674-686, 2020. https://doi.org/ 10.1016/j.renene.2019.11.054
  • J. Zhou, X. Ma, X. Zhao, Y. Yuan, M. Yu and J. Li, Numerical simulation and experimental validation of a micro-channel PV/T modules based direct-expansion solar heat pump system. Renewable Energy, 145, 1992-2004, 2020. https://doi.org/10.1016/j.renene.2019. 07.049
  • A. A. Ammar, K. Sopian, M. A. Alghoul, B. Elhub and A. M. Elbreki, Performance study on photovoltaic/ thermal solar-assisted heat pump system. Journal Thermal and Calorimetry, 136, 79-87, 2019. https://doi.org/10.1007/s10973-018-7741-6
  • B. Evangelos and T. Christos, Multi-objective optimization of a solar assisted heat pump-driven by hybrid PV. Applied Thermal Engineering, 149, 528-535, 2019. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng. 2018.12.059
  • N. F. N. Razali, A. Fudholi, M. H. Ruslan and K. Sopian, Experiment study of water based photovoltaic-thermal (PV/T) collector. International Journal of Electrical and Computer Engineering, 9(1), 118-125, 2019. http://doi.org/10.11591/ijece.v9i1.pp118-125
  • S. C. Joe, Performance of a concentrating photovoltaic / thermal solar collector. Solar Energy, 78(2), 211-222, 2005. https://doi.org/10.1016/j.solener.2004.03.014
  • Ö. Yamaç, Güneş enerjili destekli ısı pompalarının teorik incelenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Mustafa Kemal Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Hatay, Türkiye, 2005.
  • F. Duran, PV/T Hibrit sistemlerin termodinamik ve performans analizi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2014.
  • A. Fudholi, K. Sopian, M. Yazdı, I. Ruslan and H. Kazem, Performance analysis of photovoltaic thermal (PVT) water collectors. Energy Conversion and Management, 78, 641-651, 2014. https://doi.org/ 10.1016/j.enconman.2013.11.017
  • F. Benli, Fotovoltaik (PV) ve Fotovoltaik Termal (PV-T) kolektörlerinin deneysel olarak karşılaştırılması. Yüksek Lisans Tezi, Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Osmaniye, Türkiye, 2018.
  • M. Caner, Yatay tüp topraklı isı pompası sisteminin Sivas şartlarında değerlendirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Cumhuriyet Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Sivas, Türkiye, 2018.
  • M. Al-Khalıdı, Toprak kaynaklı ısı pompası ile Isparta şartlarında bir ısıtma uygulaması. Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2018.
  • F. Horzum, Bir turizm tesisinde toprak kaynaklı ısı pompası sisteminin termodinamik analizi. Yüksek Lisans Tezi, Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Isparta, Türkiye, 2018.
  • I. Dincer and M. A. Rosen, Exergy: Energy, Environment and Sustainable Development. Newnes, Oxford, UK, 2012.
  • A. Bejan, G. Tsatsaronis and M. J. Moran, Thermal Design and Optimization. John Wiley and Sons, 1996.
  • J. Szargut, D. R. Morris and F. R. Steward, Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and Metallurgical Processes. Springer-Verlag, Berlin. 1987.
  • J. A. Duffie and W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Process. A Wiley-Interscience Publication, New York 2006.
  • B. J. Huang, T. H. Lin, W. C. Hung and F. S. Sun, Performance evaluation of solar photovoltaic thermal systems. Solar Energy, 70(Feb), 443-448, 2001. https://doi.org/10.1016/S0038-092x(00)00153-5
There are 31 citations in total.

Details

Primary Language Turkish
Subjects Mechanical Engineering
Journal Section Mechanical Engineering
Authors

Mehmet Altınkaynak 0000-0003-2434-576X

Recep Demirekin 0000-0002-3411-4343

Kemal Yakut 0000-0002-5156-9892

Publication Date July 27, 2021
Submission Date February 24, 2020
Acceptance Date January 28, 2021
Published in Issue Year 2021 Volume: 10 Issue: 2

Cite

APA Altınkaynak, M., Demirekin, R., & Yakut, K. (2021). PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 10(2), 753-762. https://doi.org/10.28948/ngumuh.693384
AMA Altınkaynak M, Demirekin R, Yakut K. PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi. NOHU J. Eng. Sci. July 2021;10(2):753-762. doi:10.28948/ngumuh.693384
Chicago Altınkaynak, Mehmet, Recep Demirekin, and Kemal Yakut. “PV-T Kollektör Kaynaklı Bir ısı Pompası Sisteminin Enerji Ve Ekserji Analizi”. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 10, no. 2 (July 2021): 753-62. https://doi.org/10.28948/ngumuh.693384.
EndNote Altınkaynak M, Demirekin R, Yakut K (July 1, 2021) PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 10 2 753–762.
IEEE M. Altınkaynak, R. Demirekin, and K. Yakut, “PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi”, NOHU J. Eng. Sci., vol. 10, no. 2, pp. 753–762, 2021, doi: 10.28948/ngumuh.693384.
ISNAD Altınkaynak, Mehmet et al. “PV-T Kollektör Kaynaklı Bir ısı Pompası Sisteminin Enerji Ve Ekserji Analizi”. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi 10/2 (July 2021), 753-762. https://doi.org/10.28948/ngumuh.693384.
JAMA Altınkaynak M, Demirekin R, Yakut K. PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi. NOHU J. Eng. Sci. 2021;10:753–762.
MLA Altınkaynak, Mehmet et al. “PV-T Kollektör Kaynaklı Bir ısı Pompası Sisteminin Enerji Ve Ekserji Analizi”. Niğde Ömer Halisdemir Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, vol. 10, no. 2, 2021, pp. 753-62, doi:10.28948/ngumuh.693384.
Vancouver Altınkaynak M, Demirekin R, Yakut K. PV-T Kollektör kaynaklı bir ısı pompası sisteminin enerji ve ekserji analizi. NOHU J. Eng. Sci. 2021;10(2):753-62.

download