PVT-modulens bruksområder i norsk klima

Abstract

Utnyttelse av solenergi har hatt en kraftig vekst de siste årene, og ifølge Statkraft er det ventet at solkraft vil overgå andre fornybare kilder og bli verdens største elektrisitetskilde i 2035 [3]. Blant annet har solcelleindustrien fått et løft de siste årene på grunn av økt etterspørsel som har ført til prisreduksjoner. En solcelle omformer strålingsenergi fra solen til elektrisk energi i en fotovoltaisk prosess og har virkningsgrad på 15-24% [4]. I en solcelle går en høy andel av innstråling til oppvarming av modulen. En hybrid solcelle- og solfangermodul (heretter kalt PVT-modul) vil utnytte den termiske energien avsatt i solcellemodulen, og samtidig ha en avkjølende effekt på solcellen som øker den elektriske virkningsgraden. PVT-modulen kombinerer funksjonene til en termisk solfanger og en PV-modul i et enkelt panel, for å maksimere høstingen av termisk og elektrisk energi.

Formålet med denne oppgaven er å vurdere PVT-modulens potensial for ulike bruksområder i Norge. For å kunne gjøre en vurdering av dette ble det utført simuleringer med fire ulike systemdiagrammer i programvaren Polysun. Av fire systemdiagrammer som ble opprettet og brukt, var ett med kun PV uten termisk påvirkning av kollektoren, ett hvor PVT-modulene ble plassert sammen med en varmeavleder, ett med forvarming av tappevann og ett med termisk borebrønn. I tillegg ble det utført et forsøk i samarbeid med Solcellespesialisten i begynnelsen av september, hvor det ble satt opp to PVT-moduler fra DualSun for sammenlikning.

Resultatene fra utførte simuleringer viste at arbeidsvæsken i PVT-modulen ikke oppnår like høye temperaturer som en konvensjonell solfanger. Den maksimale temperaturen som ble oppnådd i arbeidsvæsken i simuleringer var 34,1 oC. For system med forvarming av tappevann ble det oppnådd lav årlig termisk virkningsgrad lik 13,5%. Dette skyldtes at arbeidsvæsken sjeldent oppnådde høye temperaturer, i tillegg til at forvarmingstanken ikke kjølte arbeidsvæsken på en god måte. For system med termisk borebrønn med varmepumpe ble det oppnådd relativt høy årlig termisk virkningsgrad på 51% når det ble krevd lav nominell utløpstemperatur. Dette skyldes at de lave temperaturene ble utnyttet på en effektiv måte i varmepumpen. Forsøk utført i september ble brukt til å konstatere at resultatene for temperatur i de utførte simuleringene gjenspeiler temperatursituasjoner som kan oppstå i virkeligheten. Utover dette kunne resultatene fra forsøket i liten grad brukes til sammenlikning av termisk og elektrisk energiproduksjon, da forsøket hadde for mange feilkilder. Kjøling av panelet i system med termisk borebrønn førte til 5,7% økning i elektrisk energiproduksjon i forhold til simulering med kun PV, som var uten termisk påvirkning fra modulens integrerte kollektor.

I evalueringen ble det på bakgrunn av resultatene fra simuleringer konstatert at dersom det skal anskaffes PVT-paneler bør det være behov for lavverdig termisk energi. Resultatene fra utførte simuleringer viser at det mest fornuftige er å bruke PVT-modulen i et system med termisk borebrønn(er). Man vil uansett behøve en varmepumpe fordi direkte bruk til forvarming av tappevann ikke er gunstig.

The utilization of solar energy has grown in the last few years and according to Statkraft, solar energy is expected to surpass other renewable energy sources and become the world´s largest source of electricity by 2035 [3]. Among others, the solar cell industry has received a boost in recent years as the demand has grown, which has been attributed to price reductions. A solar cell converts solar radiation energy to electrical energy in a photovoltaic process and has an efficiency of 15-24% [4]. In a solar cell, a high proportion of the solar radiation goes to heat production in the module. A solar hybrid photovoltaic thermal module (from now on referred to as a PVT module) utilizes the thermal energy deposited in the solar panel, as well as having a cooling effect on the solar cell which increases the electrical efficiency. The PVT module combines the functions of a thermal collector and a PV module in one single panel, to maximize the harvest of thermal and electrical energy. The aim of this thesis is to assess the PVT module´s potential for different areas of use in Norway. In order to assess this, simulations were performed with four different system diagrams in the Polysun simulation software. Four system diagrams were created and used in Polysun, one with a PV module, one where the PVT panels were placed together with a heat sink, one where the PVT panels were placed in a system for the preheating of domestic hot water, and one with ground source-regeneration by PVT. In addition, an experiment was performed in collaboration with Solcellespesialisten in early September, where two PVT modules form DualSun were set up for comparison.