Photovoltaic heat-pumps for cooling applications

Lorenzo Navarro, Celena (2020). Photovoltaic heat-pumps for cooling applications. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.65812.

Description

Title: Photovoltaic heat-pumps for cooling applications
Author/s:
  • Lorenzo Navarro, Celena
Contributor/s:
  • Narvarte Fernández, Luis
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. y Sistemas de Telecomunicación (UPM)
Department: Ingeniería Audiovisual y Comunicaciones [hasta 2014]
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

In the light of the exhaustion of fossil fuels and of the fight against the climatic change, it is necessary to increase the penetration rates or renewables energies in the energetic system, as well as its electrification. This situation offers a variety of new niches for photovoltaic systems. In particular, heat pump systems powered by photovoltaic generators permit to supply the heating and cooling thermal demands with a technology that only consumes electricity. Furthermore, this electricity comes from a renewable source. Cooling applications are especially favorable for this technology because of the better matching between generation and demand, which permits to reduce or even eliminate the storage needs. This work presents a new technical solution for photovoltaic heat pump systems, with a stand-alone configuration without batteries. This way, electric storage can be substituted (if needed) by thermal storage, which generally is cheaper and more reliable. This solution has been validated with an experimental prototype, where two different control algorithms have been implemented for the compressor of the heat pump. One of them has the objective of maximizing the photovoltaic utilization; the other one has the objective of maintaining a constant temperature in a room. With the data obtained from the tests implemented in this prototype, a series of indicators, some of them proposed specifically in this work, have been calculated. These indicators permit to evaluate separately the performance of the heat pump unit (thorough the EER and the SPF), of the photovoltaic generator (thorough the PR, the PRPV,STC,ref and three utilization ratios for identifying the causes of hypothetical low PR values), the integration of both components (thorough the SPFPV-HP,STC.ref) and how renewable the system is (thorough the SFPV and the SCR for not stand-alone configurations). The analysis of the results shows the good performance of the prototype, and how it could be improved. It has also been evaluated the stability of the system against solar power fluctuations due to cloud-passing. A total of 75% of the cloud-passing events during the tests have been resisted. Finally, an economic feasibility assessment has been performed, comparing the stand-alone solution developed in this work with a self-consumption configuration and an only grid-powered system. This evaluation shows a high economic profitability of photovoltaic heat pump systems. The stand-alone solution allows to reduce the electricity costs, not only for the consumption but especially because the power access term can be eliminated. Thanks to this, the economic profitability of installing a photovoltaic system would be higher than for a self-consumption solution. The technical solution developed and validated in this work is particularly relevant for industrial applications, where it is feasible to power the compressor of the heat pump directly with a photovoltaic generator and a frequency converter. Some examples of cooling applications are the conservation of food and medicines or the control temperature in industrial ambiences. Additionally, this solution is also valid for heating applications like food drying (cereals, carnic products…), which makes it feasible for a big amount of market opportunities. ----------RESUMEN---------- Debido al agotamiento de los combustibles fósiles y a la lucha contra el cambio climático, se impone la necesidad de aumentar la penetración de las energías renovables en el sistema eléctrico y de electrificar el mismo. Esta situación abre un amplio abanico de nuevos nichos para los sistemas fotovoltaicos. Las bombas de calor alimentadas con generadores fotovoltaicos permiten cubrir las demandas de energía térmica con una tecnología que sólo consume electricidad, siendo esta además de origen renovable. En particular, las aplicaciones de frío son especialmente ventajosas por el mejor ajuste entre generación y demanda, reduciéndose e incluso eliminándose la necesidad de sistemas de acumulación. Este trabajo presenta una nueva solución técnica desarrollada para sistemas de bomba de calor fotovoltaicos, autónomos y sin baterías. De esta forma, la acumulación eléctrica puede sustituirse (en caso de hacer falta) por acumulación térmica, en general más barata y fiable. Esta solución ha sido validada en un prototipo experimental, en el que se han implementado dos lógicas de control para el compresor de la bomba de calor: una que busca maximizar la utilización de la generación fotovoltaica y otra que busca mantener una temperatura constante en un espacio. Con los datos obtenidos de los ensayos con este prototipo se han calculado una serie de indicadores de rendimiento, algunos de ellos propuestos en este trabajo. Estos indicadores permiten evaluar por separado el rendimiento de la bomba de calor (mediante el EER y el SPF), del generador fotovoltaico (mediante el PR, el PRPV,STC,ref y tres factores de utilización, que permiten identificar las causas de posibles valores bajos del PR), la calidad de la integración de ambos componentes (mediante el SPFPV-HP,STC.ref) y cuánto de renovable energéticamente es el sistema (mediante el SFPV y el SCR, para configuraciones no autónomas). Mediante el análisis de los valores obtenidos, se ha demostrado el correcto funcionamiento del prototipo y se han identificado las principales vías de mejora. También se ha evaluado la estabilidad ante fluctuaciones de potencia por paso de nube, de las cuáles se han soportado un 75% durante los ensayos. Finalmente, se ha realizado una evaluación económica comparativa entre esta solución, una de autoconsumo y un sistema alimentado sólo con la red eléctrica, aplicadas a la climatización de dos granjas industriales localizadas en el norte de España. Esta evaluación muestra una gran rentabilidad económica de las bombas de calor fotovoltaicas. La solución autónoma permite reducir los costes de electricidad, no sólo en el término de consumo si no principalmente porque elimina el término de potencia, lo cual hace que la inversión de instalar un sistema fotovoltaico ofrezca una mayor rentabilidad económica que para un sistema de autoconsumo. La solución técnica aquí desarrollada y validada es especialmente relevante para aplicaciones industriales, donde sea factible alimentar directamente el compresor con el generador fotovoltaico a través de un variador de frecuencia. Ejemplos de aplicaciones de frío son la conservación de alimentos y medicinas, o el control de temperatura en procesos industriales. Además, esta solución también es válida para aplicaciones de calor de baja temperatura, como el secado de alimentos (cereales, productos cárnicos…). En definitiva, es viable para una gran cantidad de oportunidades de mercado.

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Item ID: 65812
DC Identifier: https://oa.upm.es/65812/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:65812
DOI: 10.20868/UPM.thesis.65812
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 22 Dec 2020 09:01
Last Modified: 22 Jun 2021 22:30
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