Performance of a photovoltaic-thermal system in a tropical environment of central Ghana

Abstract

Access to energy has been heavily linked to socio-economic development. It is therefore not surprising that the energy poverty in sub-Saharan Africa has affected development in the subregion. However, as development increasingly becomes emissions-constrained, the role of renewable technologies takes on added significance and urgency. Thus, in the case of Sub-Saharan Africa, solar energy technologies come in handy in reducing the energy deficit while addressing emissions concerns. One innovative solar technology that combines conventional PV and solar thermal systems into one is the photovoltaicthermal (PVT) technology. Although the PVT technology is seen to have a lot of potential in providing remote solutions, its performance is heavily linked to the environment where it is deployed. Nonetheless, the PVT technology has not been commercially successful as the conventional systems due to many reasons including lack of information and standards about the technology. Also, the PVT technology requires higher initial capital costs compared to separate solar PV and thermal systems – raising the question of whether it is really worth such investments.

Investment decision on the other hand relies on data regarding expected system performance in the deployed environment. While the PVT technology has been investigated in many places in the world, little can be said about field data on the technology in sub-Saharan Africa. The aim of this thesis is thus to scientifically contribute to bridging the data under-representation from countries in Africa in the area of PVT by assessing the technology in a tropical environment of Ghana.

To that end, an experimental setup comprising a water-based mono-crystalline PVT and a conventional mono-crystalline PV is installed at the Kwame Nkrumah University of Science and Technology in Kumasi and it’s short to long term performance assessed. The results for the study were communicated in three journal articles (Papers 1, 2 and 3).

Paper 1 assessed the real-life outdoor technical performance of the PVT module against a conventional PV system in a hot humid tropical climate in Ghana. Whereas the highest monthly mean efficiency recorded for the PV was 12.7%, the highest combined measured monthly mean electrical/thermal efficiency of the PVT was 56.1%. Based on their technical performances, it was concluded that the PVT is a worthy prospective alternative energy source in off-grid situations, especially when both electrical and thermal energies are desired.

Paper 2 investigated the long term technical and economic viability of the PVT module in comparison with the conventional PV over a 25 year-period. It was observed that whereas it required about twice the upfront-cost for the PV-system/m2 to setup the PVTsystem/m2, the battery cost accounted for about 61% and 34% of life cycle cost for PV and PVT systems respectively. Nonetheless, the PVT generally performed better than the PV in stand-alone situations when installed with batteries as back-up. However, the PV system becomes more economically viable than the PVT system when both systems were installed without batteries.

Paper 3 focused on the effect of flowrate on the performance optimization of the PVT system. The optimal flowrate for the PVT was observed to be 0.063 kg/s m2. It was concluded that the commercial PVT system did not perform as expected in exergy terms when compared with separately installed conventional PV and thermal systems. The use of exergy at various mass flowrates and irradiances showed that using only combined efficiency, which is widely used approach, is not enough to assess PVT general performance.

In terms of degradation, it was generally concluded that the rate of degradation of output exergy due to ageing was projected to be lower in the commercial PVT module than the conventional PV module. This has been estimated to reach 11.3 % and 12.8 % respectively for the PVT and PV modules in their estimated 25-year economic life, which translates into approximately 6.1 % of total exergy losses for each module over the period. In addition, whereas the output losses of the PVT system increased curvilinearly from 15.4% to 26.7% over its economic life, that of the PV system increased from 16.1% to 31.7%.

Tilgang til energi har stor korrelasjon med sosioøkonomisk utvikling. Derfor er det ikke overraskende at energifattigdom i Afrika sør for Sahara har påvirket økonomisk utviklingen i subregionen. Ettersom utviklingen i økende grad blir utslippsbegrenset, får fornybar teknologis rolle større betydning. I Afrika sør for Sahara, kommer solenergiteknologier til nytte for å redusere energiunderskuddet og utslippsproblemer. En innovativ solteknologi kombinerer konvensjonelt PV-system og sol termisk system til fotovoltaisk-termisk teknologi (PVT). Selv om PVT -teknologien har et stort potensial særlig i landlige områder, er ytelsen sterkt knyttet til miljøet der den er installert. PVTteknologien har ikke vært kommersielt vellykket sammenlignet med de konvensjonelle systemene på grunn av mange årsaker, som mangel på informasjon og standarder til teknologien. PVT -teknologien krever også høyere startkapitalkostnader sammenlignet med separate solcelle -PV- og termiske systemer. Her kan man stille spørsmålet om det virkelig er verdt slike investeringer. Investeringsbeslutning er på den annen side avhengig av data om forventet systemytelse i det miljøet hvor systemet er installert.

Selv om PVT-teknologien har blitt undersøkt mange steder i verden, kan lite sies om feltdata om teknologien i Afrika sør for Sahara. Målet med denne oppgaven er å bidra til å bygge bro over datagapet ved å vurdere ytelsen til en PVT i et tropisk miljø i Ghana. For dette formål er et eksperimentelt oppsett som består av en vannbasert monokrystallinsk PVT og en konvensjonell monokrystallinsk PV installert ved Kwame Nkrumah University of Science and Technology i Kumasi, og dens korte til langsiktige ytelse vurderes. Resultatene for studien ble presenterte i tre tidsskriftartikler (1, 2 og 3).

I Artikkel 1 ble den virkelige utendørs ytelsen til PVT-modulen vurdert opp mot et konvensjonelt PV-system i et varmt fuktig tropisk klima i Ghana. Resultatene vise at den høyeste målte månedlige gjennomsnittlige effektiviteten for PV var 12,7%, mens den høyeste målte månedlige gjennomsnittlige elektriske / termiske effektiviteten til PVT var 56,1%. Det ble konkludert med at PVT er en verdig potensiell alternativ energikilde i områder utenfor strømnettet.

Artikkel 2 undersøkte den langsiktige tekniske og økonomiske levedyktigheten til PVTmodulen i sammenligning med den konvensjonelle PV-en over en 25-års periode. Resultatene viste at mens det krevde omtrent to ganger den opprinnelige kostnaden for å sette opp PV-systemet/m2enn for å sette opp PVT-systemet/m2, var batterikostnaden omtrent 61% og 34% av livssykluskostnadene for henholdsvis PV- og PVT-systemer. Generelt fungerte PVT systemet bedre enn PV i frittstående situasjoner installert med batterier. PV -systemet blir imidlertid mer økonomisk levedyktig enn PVT -systemet når begge systemene ble installert uten batterier.

Artikkel 3 fokuserte på effekten av vannstrømningshastighet på ytelsesoptimaliseringen av PVT -systemet. Resultatene viste at den optimale strømningshastigheten for PVT var 0,063 kg/s m2. Det ble konkludert med at det kommersielle PVT -systemet ikke fungerte som forventet med tanke på energi sammenlignet med separat installerte konvensjonelle PV- og termiske systemer. Bruken av eksergi ved forskjellige massestrømningshastigheter og bestrålinger viste at det ikke er nok å bruke bare kombinert effektivitet, som er mye brukt, for å vurdere dens generelle ytelse.

Når det gjelder nedbrytning, ble det generelt konkludert med at nedbrytningshastigheten for utgående eksergi på grunn av aldring anslås å være lavere i den kommersielle PVT - modulen enn i den konvensjonelle PV-modulen. Dette har blitt estimert til å nå henholdsvis 11,3 % og 12,8 % for PVT- og PV -modulene i deres estimerte økonomiske levetid på 25 år, noe som gir omtrent 6,1 % av de totale eksergitapene for hver modul over perioden. Mens energitapene til PVT -systemet økte krumlinjært fra 15,4% til 26,7% i løpet av dets økonomiske levetid, økte energitapene til PV systemet fra 16.1% til 31.7%.