Energy and Economic Evaluation of CPVT Polygeneration System Implementation in a Residential Building

محورهای موضوعی : Smart & Advanced Materials

مهرداد خادمی ¹ , علیرضا سرائی ² , محمدحسن جلال‌الدین ابیانه ³

1 - دانشجوی دکتری، گروه مهندسی مکانیک، واحد تهران جنوب، دانشگاه آزاد اسلامی، تهران، ایران.
2 - استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی-واحد تهران جنوب، تهران
3 - استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه آزاد اسلامی-واحد تهران جنوب، تهران

تاریخ دریافت : 1401/08/02 تاریخ پذیرش : 1401/08/02 تاریخ انتشار : 1400/09/01

کلید واژه:

چکیده مقاله :

The objective of this paper is the energy and economic performance assessment of concentrating photovoltaic thermal (CPVT) solar-powered system generating hot water, heating, and cooling for a residential building located in Tehran, Iran. Linear Fresnel reflectors (LFC) and triple-junction solar cells are adopted in the CPVT system. A 5kW single-effect absorption chiller of water ammonium is selected to provide cooling energy utilizing thermal energy. Proposed models for the absorption chiller and the LFC are inaugurated in simulation using EES. Auxiliary heaters are considered in case the solar energy insufficiency. The proposed system employs storage tanks as thermal energy storage (TES) in case of excessive solar energy availability. CPVT with standard solar cells, concentrated thermal collector, PVT with triple-junction solar cells, and PVT with traditional solar cells are investigated for this system. Transient simulations of these systems are conducted in TRNSYSY. The proposed system supplies 48% of the building energy demands surplus to provide 5.58 MWh of electrical power. The proposed structure has the most economic appeal compared to the aforementioned solar systems. It has a 12% internal rate of return (IRR), 159% benefit-to-cost ratio (BCR), and 0.018 $/kWh levelized costs of energy. Combining two CPVT in a parallel configuration reduces the overall energy consumption of the building by 74%, but the 42% higher initial investment reduces the IRR by1%. The low energy costs are the crucial factor that causes the system's payback time to be 7.8 years.

چکیده انگلیسی:

هدف این مقاله ارزیابی عملکرد انرژی و اقتصادی سیستم متمرکز خورشیدی حرارتی فتوولتائیک (CPVT) تولیدکننده آب گرم، گرمایش و سرمایش برای یک ساختمان مسکونی واقع در تهران، ایران است. بازتابنده‌های خطی فرنل (LFC) و سلول‌های خورشیدی سه‌لایه جهت سیستم CPVT در نظر گرفته شده‌اند. یک چیلر جذبی 5 کیلوواتی از نوع آمونیوم آب برای تأمین سرمایش با استفاده از انرژی حرارتی انتخاب شده است. مدل‌های پیشنهادی برای چیلر جذبی و LFC با استفاده از EES  شبیه‌سازی شده‌اند. در صورت کمبود انرژی خورشیدی، گرمایش پشتیبان برای سیستم در نظر گرفته شده است. سیستم پیشنهادی از مخازن ذخیره‌سازی به‌عنوان ذخیره انرژی حرارتی (TES) در صورت دردسترس‌بودن بیش از حد انرژی خورشیدی استفاده می‌کند. CPVT با سلول‌های خورشیدی استاندارد، کلکتور حرارتی متمرکز، PVT با سلول‌های خورشیدی سه‌لایه، و PVT با سلول‌های خورشیدی رایج جهت تحلیل بهتر این سیستم بررسی شده است. شبیه‌سازی گذرا از این سیستم‌ها در TRNSYSY انجام شده است. سیستم پیشنهادی 48 درصد از انرژی موردنیاز ساختمان را به همراه تأمین 5.58 مگاوات ساعت توان الکتریکی تامین می‌کند. سازه پیشنهادی بیشترین جذابیت اقتصادی را در مقایسه با سیستم‌های خورشیدی فوق‌الذکر دارد. برای این سیستم نرخ بازده داخلی 12٪ (IRR)، نسبت سود به هزینه (BCR) 159٪ و هزینه‌های انرژی معادل 0.018 دلار در کیلووات‌ساعت است. ترکیب دو CPVT در یک پیکربندی موازی، مصرف انرژی کلی ساختمان را تا 74% کاهش می‌دهد، اما 42% سرمایه‌گذاری اولیه بالاتر نیاز دارد که IRR را 1% کاهش می‌دهد. هزینه کم‌انرژی عامل بسیار مهمی است که باعث می‌شود زمان بازگشت سرمایه سیستم به 8/7 سال برسد.