Διερεύνηση, ανάπτυξη και αξιολόγηση τεχνικών διαχείρισης της θερμοκρασίας με στόχο την αύξηση του βαθμού απόδοσης και τη βελτίωση του οικολογικού αποτυπώματος των φωτοβολταϊκών συστημάτων

Abstract

This PhD dissertation is focused on the theoretical analysis, design, and experimental evaluation of the overall performance of PV + PCM systems during their operation by deepening insights into this passive approach under current Mediterranean conditions. The prior step before the analysis was the development of a general methodology adopted for the PV + PCM system design and evaluation. This methodological approach is based on a reasonable modification of the energy balance model for typical PV modules. Following, an extensive and intensive experimental process under real field conditions took place in two distinct phases and on different experimental set-ups, to clearly understand the operational aspects of the proposed method (e.g. seasonality, efficiency, reliability, etc.). The obtained results showed that the integration of PCM in PV modules could reduce its operating temperature (up to 26.1 °C) and increase its energy efficiency (up to 5.9%), upgrading its overall environmental footprint at the same time.

Ο σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής εστιάζεται στη διερεύνηση, τον σχεδιασμό και την ανάπτυξη ικανών διατάξεων διαχείρισης της θερμοκρασίας λειτουργίας των φωτοβολταϊκών πλαισίων, μέσω των οποίων να διασφαλίζεται η διατήρηση υψηλής ενεργειακής και περιβαλλοντικής απόδοσης, μέχρι την ολοκλήρωση του κύκλου ωφέλιμης ζωής τους. H προτεινόμενη μέθοδος βασίζεται στη χρήση PCM ως εργαζόμενου ρευστού για την απαγωγή της θερμότητας από τα φωτοβολταϊκά πλαίσια και είναι ευρύτερα γνωστή με την ονομασία "σύστημα PV+PCM", καθότι ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο συνδυάζεται με έναν τύπο PCM, συνιστώντας μια ενιαία δομική οντότητα. Πρωταρχικό βήμα για την εξυπηρέτηση του σκοπού της παρούσας μελέτης αποτέλεσε η διαμόρφωση μιας γενικής μεθοδολογίας για τον σχεδιασμό συστημάτων τύπου PV+PCM, η οποία στηρίχθηκε στην κατάλληλη τροποποίηση προϋπάρχοντος θεωρητικού μοντέλου ενεργειακού ισοζυγίου και τον καθορισμό κριτηρίων εκλογής και εκτίμησης της αποτελεσματικής ποσότητας του χρησιμοποιούμενου PCM. Ακολούθως, μια εκτεταμένη και εντατική πειραματική διαδικασία σε συνθήκες πεδίου έλαβε χώρα σε δύο διακριτές φάσεις, και επί διαφορετικών πειραματικών διατάξεων, για την κατανόηση των βασικών λειτουργικών πτυχών της προτεινόμενης μεθόδου (π.χ. εποχικότητα, αποτελεσματικότητα, αξιοπιστία, κ.α.). Τα ληφθέντα αποτελέσματα απέδειξαν οτι η ένταξη της προτεινόμενης διάταξης παθητικής ψύξης (με χρήση PCM) σε ένα φωτοβολταϊκό πλαίσιο δύναται να συμβάλλει ουσιαστικά για την μείωση της θερμοκρασίας λειτουργίας του (έως και 26,1 °C) και την ενίσχυση της ενεργειακής του απόδοσης (έως και 5,9%), αναβαθμίζοντας ταυτοχρονα το συνολικό περιβαλλοντικό αποτύπωμα του.