Photovoltaic self-consumption heating system: analytical model, experimental results and autonomy prospects

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dc.contributor.advisor Izquierdo Millán, Marcelo
dc.contributor.advisor García Hernando, Néstor
dc.contributor.author Agustín Camacho, Pablo de
dc.date.accessioned 2016-04-11T11:27:26Z
dc.date.available 2016-04-11T11:27:26Z
dc.date.issued 2015-09
dc.date.submitted 2015-09-11
dc.identifier.uri http://hdl.handle.net/10016/22718
dc.description Mención Internacional en el título de doctor
dc.description.abstract In the European Union, buildings are responsible for 40% of energy consumption and 36% of CO₂ emissions, which contribute significantly to anthropogenic climate change. Since heating represents the major portion of energy consumption in buildings in Spain, renewable heating systems emerge as an alternative to mitigate this problem. This thesis proposes a heating system in which the PV production is self-consumed by a heat pump. For this purpose, a photovoltaic off-grid system that feeds an air-water heat pump to heat a small building through radiant loor has been designed and built. The building, despite the aim of being independent, incudes connection to the grid, so the heat pump supply can be switched between the photovoltaic microgrid and the conventional grid. The photovoltaic array, with a total area of 15.7m² and useful area of 14m², is composed by 12 modules, nominal power of 180W each. Heat pump's nominal heating power is 6kW, which is in fine with building's maximum thermal load. To size properly this type of photovoltaic system, it is necessary to go beyond peak sun hours term commonly used by installers and to simulate realistically photovoltaic production over time. The method known as five-parameter model, details the working curve of a module for a given cell temperature. In this thesis, production has been addressed from a physical point of view, emphasizing the influence of solar cells' temperature on their efficiency. A heat transfer model has been developed, which allows to determine accurately cell temperature under changing meteorological conditions, and then to calculate the photovoltaic production in each moment, basing on technical specifications commonly provided by the modules' manufacturers. This dissertation includes the experimental validation of both cell temperature and photovoltaic production models. The efficiency of the used modules, according to their total area, is 13.73% at 25°C, 12.08% at 50°C and 10.76% at 70°C. The proposed method is easily adaptable to any type of photovoltaic module, once its material composition is known, and its output can be simulated for any tilt angle and location, for where meteorological data are available. Depending on obtained working temperatures, the use of hybrid photovoltaic/thermal modules can be considered. The photovoltaic production model was simulated for the heating period from 4/12/2012 to 30/04/2013, predicting an achievable production of 1265.8kWh and an average cell temperature of 21.3°C, which reaches an average daily maximum value of 47.5°C. The intercepted solar energy during that period was 8869.4kWh, so the efficiency of the array according to its useful area would be 14.3%, instead of the nominal value of 15.4%. The photovoltaic heating system was experimentally tested during the same heating period. The array produced 820.8kWh of electricity. The seasonal photovoltaic efficiency was 9.26%. The achieved production was significantly lower than the achievable one, according to the simulation. The heat pump was fed with 723.9kWh of electricity, 501.4kWh of which carne from photovoltaic source: useful efficiency of the system 5.7%. Several factors caused that efficiency, such as electrical losses in diverse conversions, control system's limitations, storage system's capacity and fit of the production to the demand. The ammount of heat supplied to the radiant floor was 2321.9kWh. The seasonal COP was 3.2 and system's global efficiency was 18.2%. The system was isolated from the grid at 69.3%. Greenhouse gases emissions saved were 170.5kgco₂ comparing to feeding the theat pump with conventional electricity (for an emission factor of 0,34kgco₂ /kWh); 835.9 kgco₂ comparing to supplying the same heat ammount through a gas-oil C boiler; 573.6 kgco₂ comparing to a natural gas boiler. On the other hand, refrigerant leaks were equivalent to 132.1 kgco₂.
dc.description.abstract Actualmente, en la Unión Europea los edificios demandan un 40% del consumo total de energía y son responsables del 36% de emisiones de gases de efecto invernadero, contribuyendo significativamente al calentamiento global antrópogénico. Dado que la calefacción supone la principal porción del consumo energético en los edificios en España, los sistemas de calefacción renovable surgen como una alternativa para mitigar dicha problemática. Esta tesis plantea un sistema de calefacción fotovoltaica en el que la producción eléctrica es auto-consumida por una bomba de calor. Para ello se ha diseñado y construido un sistema fotovoltaico sin inyección a red para alimentar una bomba de calor aire-agua que calienta un pequeño edificio mediante suelo radiante. El edificio, tendente a la autonomía, incluye conexión a red, por lo que el suministro a la bomba de calor puede permutarse entre la micro-red fotovoltaica y la red convencional. El campo fotovoltaico, con un área total de 15,7m² y útil de 14m² , está compuesto de 12 paneles, de 180W de potencia nominal cada uno. La potencia térmica nominal de la bomba de calor es de 6kW, al igual que la carga térmica máxima del edificio. Para dimensionar adecuadamente un sistema fotovoltaico de estas características es necesario simular realísticamente la producción fotovoltaica a lo largo del tiempo. En esta tesis, se ha abordado la producción desde un punto de vista físico, haciendo hincapié en 'la influencia de la temperatura de las celdas solares en su eficiencia. Se ha desarrollado un modelo de transferencia de calor que permite determinar con exactitud la temperatura de celda para condiciones meteorológicas cambiantes y, a partir de ahí, la producción fotovoltaica en cada momento, basándose en especificaciones comunmente suministradas por los fabricantes de módulos. La validación experimental del modelo, tanto para la predicción de la temperatura de celda como para la producción fotovoltaica, es incluida en la presente tesis. La eficiencia de los módulos utilizados, respecto a su área total, es de 13.73% a 25°C, 12.08% a 50°C y 10.76% a 70°C. El método planteado es fácilmente adaptable a cualquier tipo de módulo fotovoltaico a partir de los materiales que lo componen, y su producción simulable para cualquier ángulo de inclinación y localización, para la que se disponga de datos meteorológicos. Dependiendo de las temperaturas de trabajo obtenidas, la utilización de paneles híbridos fotovoltaicos/térmicos puede ser planteada. En concreto, el modelo de producción fotovoltaico fue simulado para el periodo de calefacción entre el 4/12/2012 y el 30/04/2013, prediciendo una producción fotovoltaica alcanzable de 1.265,8kWh y una temperatura media de trabajo de celda de 21,3°C, que alcanza una máxima diaria media de 47,5°C. La energía solar interceptada durante ese periodo fue de 8.869,4kWh, por lo que la eficiencia del campo considerando su área útil sería del 14,3%, frente al 15,4% nominal. El sistema de calefacción fotovoltaica fue estudiado experimentalmente durante el mismo periodo de calefacción. El campo produjo 820,8kWh de electricidad, por lo que la eficiencia fotovoltaica estacional fue del 9,26%. La producción obtenida fue inferior a la potencialmente alcanzable, de acuerdo con la simulación. La bomba de calor fue alimentada con 723,9kWh de electricidad, de los cuales 501,4kWh provenían de la fuente fotovoltaica: eficiencia útil del sistema del 5,7%. Multiples factores provocaron dicha eficiencia, tales como las pérdidas eléctricas en las diferentes conversiones, limitaciones del sistema de control, capacidad del sistema de almacenamiento y ajuste de la producción a la demanda. El calor suministrado al suelo radiante fue 2.321,9kWh. El COP estacional de la bomba de 11 calor fue de 3,2 y el rendimiento global del sistema del 18,2%. El sistema operó autónomo de la red a un 69,3%. Las emisiones de gases de efecto invernadero ahorradas fueron de 170,5kgco₂ respecto a alimentar la bomba de calor con electricidad convencional (para un factor de emisión de 0,34kgco₂ /kWh); de 835,9kgco₂ respecto a suministrar el mismo calor a partir de gas-oil C; de 573,6 kgco₂ respecto al uso de gas natural. Por otra parte, las fugas de refrigerante equivalieron a 132,1 kgco₂.
dc.description.sponsorship Los resultados científicos que se presentan son fruto de la financiación por parte del Ministerio de Ciencia e Innovación del proyecto Diseño, construcción y evaluación experimental de un sistema de refrigeración solar y trigeneración de alta eficiencia para edificios e invernaderos (ENE2010-20650-C02-01) y de la ayuda FPI (BES-2011-050706). El Ministerio de Economía y Competitividad financió la Estancia Breve (EEBB-I-13-06021) en la Universidad de Wisconsin-Madison.
dc.format.mimetype application/pdf
dc.language.iso eng
dc.relation.haspart http://hdl.handle.net/10016/22823
dc.rights Atribución-NoComercial-SinDerivadas 3.0 España
dc.rights.uri http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/es/
dc.subject.other Renewable energy
dc.subject.other Heating systems
dc.subject.other Photovoltaic systems
dc.subject.other Self-consumption
dc.title Photovoltaic self-consumption heating system: analytical model, experimental results and autonomy prospects
dc.type doctoralThesis
dc.subject.eciencia Energías Renovables
dc.subject.eciencia Ingeniería Industrial
dc.rights.accessRights openAccess
dc.description.degree Programa Oficial de Doctorado en Ingeniería Mecánica y de Organización Industrial
dc.relation.projectID Gobierno de España. ENE2010-20650-C02-01
dc.description.responsability Presidente: Francisco Javier Rey Martínez.- Secretario: María Carmen Venegas Bernal.- Vocal: Rafael Antonio Salgado Mangual
dc.contributor.departamento Universidad Carlos III de Madrid. Departamento de Ingeniería Térmica y de Fluidos
dc.contributor.departamento Unidad Asociada de Ingeniería de Sistemas Energéticos UC3M-CSIC
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