Energy Storage for a Grid-Connected PV-System: A Feasibility Study

The work presented in this thesis concerns the dimensioning of an Energy Storage System (ESS) which will be used as an energy buffer for a grid-connected PV plant. This ESS should help managing the PV plant to inject electricity into the grid according to the requirements of the grid System Operator. It is desired to obtain a final production not below 1300kWh/kWp with a maximum ESS budget of 0.9€/Wp. The PV plant will be sited in Martinique Island and connected to the main grid. This grid is a small one where the perturbations due clouds in the PV generation are not negligible anymore. A software simulation tool, incorporating a model for the PV-plant production, the ESS and the required injection pattern of electricity into the grid has been developed in MS Excel. This tool has been used to optimize the relevant parameters defining the ESS so that the feed-in of electricity into the grid can be controlled to fulfill the conditions given by the System Operator. The inputs used for this simulation tool are, besides the conditions given by the System Operator on the allowed injection pattern, the production data from a similar PV-plant in a close-by location, and variables for defining the ESS. The PV production data used is from a site with similar climate and weather conditions as for the site on the Martinique Island and hence gives information on the short term insolation variations as well as expected annual electricity production. The ESS capacity and the injected electric energy will be the main figures to compare while doing an economic study of the whole plant. Hence, the Net Present Value, Benefit to Cost method and Pay-back period studies are carried on as dependent of the ESS capacity. The conclusion of this work is that it is possible to obtain the requested injection pattern by using an ESS. The design of the ESS can be made within an acceptable budget. The capacity of ESS to link with the PV system depends on the priorities of the final output characteristics, and it also depends on which economic parameter that is chosen as a priority.

Fjärrvärmedrivna vitvaror : Erfarenheter från utveckling, installationer och kostnadsberäkningar

Värmedrivna vitvaror eller HWC-maskiner som de kallas av tillverkaren värms med varmt vatten från en cirkulerande krets via en värmeväxlare inbyggd i maskinen, till skillnad från konventionella maskiner som värms med el. Denna teknik skall inte förväxlas med maskiner som är anslutna till varmvattenledningen och fylls på med varmt vatten och som därmed begränsas till disk- och tvätt. Syftet med fjärrvärmedrivna vitvaror är alltså att använda fjärrvärme, som har lägre kvalitet och pris än elenergi för uppvärmning och torkning och på så sätt spara el och utöka fjärrvärmeunderlaget. En jämförelse av koldioxidutsläpp och primärenergianvändning mellan konventionella vitvaror och fjärrvärmedrivna vitvaror visar att både koldioxidutsläpp och primärenergianvändning blir lägre för fjärrvärmedrivna vitvaror om biobränsle anses koldioxidneutralt och den el som ersätts är producerad i kolkraftverk eller gaskombikraftverk.   Denna rapport beskriver utveckling och kommersialisering av värmedrivna vitvaror (disk- och tvättmaskiner samt torktumlare och torkskåp) och hur de kan anslutas mot fjärrvärmesystem i olika systemlösningar. Dessutom har de energimässiga och ekonomiska förutsättningarna för tekniken undersökts. Erfarenheterna från fältprovning är dock mycket begränsade, eftersom de byggen där fälttesterna skulle ske försenades. Under 2013 färdigställs ett flerbostadshus med värmedrivna vitvaror i 160 lägenheter i Västerås.   De utvecklade maskinernas värmeanvändning som andel av total energianvändning vid 60 graders framledningstemperatur har uppmätts till ca 50 % för diskmaskinen, 67 % för tvättmaskinen, 80 % för torktumlaren och 93 % för torkskåpet. I det studerade flerbostadshuset av passivhusstandard uppgår lasten från värmedrivna vitvaror komfortgolvvärme och handdukstorkar till upp mot 30 % av husets totala värmeanvändning. För småhus är motsvarande siffra upp mot 20 %. Att använda fjärrvärme istället för elvärme till dessa installationer som normalt är elvärmda kan allts minska elbehovet betydligt i lågenergibebyggelse vilket också minskar både koldioxidutsläppen och primärenergianvändningen.   Ekonomiska analyser har genomförts för två olika systemkoncept (separat vitvarukrets och Västeråsmodellen) för nybyggda småhusområden och flerfamiljshus där fjärrvärme inte bara används till vitvaror utan också till handdukstorkar och komfortgolvvärme. De ekonomiska analyserna visar att Västeråsmodellen är den mest ekonomiskt intressanta systemlösningen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme. I flerfamiljshus kan den vara konkurrenskraftig mot de elvärmda alternativen (konventionellt system med eldrivna vitvaror, komfortgolvvärme och handdukstorkar) om prisskillnaden mellan el och fjärrvärme är större än 0,7 kr/kWh. En parameterstudie visar att kapitalkostnaden blir ganska hög jämfört med energikostnaden, vilket betyder att lång livslängd och många cykler är viktigt för att förbättra de ekonomiska förutsättningarna för värmedrivna vitvaror. För passiva småhus blir kostnaden för Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, handdukstork och komfortgolvvärme likvärdig med de elvärmda alternativen vid energiprisskillnader på 0,7 kr/kWh inklusive moms, medan det krävs prisskillnader på 0,9 kr/kWh inklusive moms för normalisolerade småhusområden.   Sammanfattningsvis kan sägas att i kommuner med ett konkurrenskraftigt fjärrvärmepris finns det viss lönsamhet för hela konceptet enligt Västeråsmodellen med värmedrivna vitvaror, komfortgolvvärme, och handdukstorkar. Om man däremot ser på konkurrensen för enskilda vitvaror är det främst torktumlaren som är konkurrenskraftig i bostäder. Målpriset på 1000 kr extra för värmedrift har inte kunnat uppnås inom projektet för diskmaskiner och tvättmaskiner. Det krävs lägre priser och låga anslutningskostnader för att räkna hem diskmaskinen och tvättmaskinen som enskilda komponenter.   Värmedrivna tvättmaskiner och torktumlare är konkurrenskraftiga i flerfamiljstvättstugor. Speciellt i de fall där beläggningen är god och flera maskiner delar på anslutningskostnaden till fjärrvärmecentralen kan värmedrift bli riktigt lönsam. Torkskåpens konkurrenskraft har inte kunnat utvärderas, då priset ännu inte fastställts. Att använda VVC-systemet för värmedistribution till värmedrivna vitvaror kan vara mycket intressant, men det kräver att legionellaproblematiken kan lösas. I nuläget finns ingen lösning som uppfyller formuleringarna i boverkets byggregler. Ett annat distributionssätt som kan vara intressant, men som inte undersökts i studien är att använda VVC för varmvattendistribution och en gemensam radiator- och vitvarukrets med konstant framledningstemperatur. Den aktör som förväntas ha störst ekonomiskt intresse av att tekniken implementeras är sannolikt fjärrvärmebolagen som får sälja mer värme och det ligger därmed främst på deras ansvar att marknadsföra tekniken i mötet med sina kunder.

Solar Collectors for Historic Homes : Linking consumption to perceptions of space

Reduction of household energy consumption is one of the top issues in contemporary discussions on sustainable consumption. This chapter concerns one way through which consumption of purchased energy for house heating can be reduced; by having a solar thermal system added to one's house. However, the fact that one of the components - the solar collector - usually is situated on the roof or the facade of a building, is a recurrent impediment to such installations. In certain contexts, these attributes may melt into the building, while in others, they may be perceived as problematic. The latter may particularly be the case when the appearance of the building is of major imiportance, as with houses deemed worthy of preservation for coming generations. This chapter draws upon a study carried out in Visby Town, a walled Hanseatic town and a World Heritage site on the island of Gotland, Sweden.

Solar PV Powered Air Conditioner Analysis for an Office/Classroom in a Tropical Climate

This thesis focuses on using photovoltaic produced electricity to power air conditioners in a tropical climate. The study takes place in Surabaya, Indonesia at two different locations the classroom, located at the UBAYA campus and the home office, 10 km away. Indonesia has an average solar irradiation of about 4.8 kWh/m²/day (PWC Indonesia, 2013) which is for ideal conditions for these tests. At the home office, tests were conducted on different photovoltaic systems. A series of measuring devices recorded the performance of the 800 W PV system and the consumption of the 1.35 kW air conditioner (cooling capacity). To have an off grid system many of the components need to be oversized. The inverter has to be oversized to meet the startup load of the air conditioner, which can be 3 to 8 times the operating power (Rozenblat, 2013). High energy consumption of the air conditioner would require a large battery storage to provide one day of autonomy. The PV systems output must at least match the consumption of the air conditioner. A grid connect system provides a much better solution with the 800 W PV system providing 80 % of the 3.5 kWh load of the air conditioner, the other 20 % coming from the grid during periods of low irradiation. In this system the startup load is provided by the grid so the inverter does not need to be oversized. With the grid-connected system, the PV panel’s production does not need to match the consumption of the air conditioner, although a smaller PV array will mean a smaller percentage of the load will be covered by PV. Using the results from the home office tests and results from measurements made in the classroom. Two different PV systems (8 kW and 12 kW) were simulated to power both the current air conditioners (COP 2.78) and new air conditioners (COP 4.0). The payback period of the systems can vary greatly depending on if a feed in tariff is awarded or not. If the feed in tariff is awarded the best system is the 12 kW system, with a payback period of 4.3 years and a levelized cost of energy at -3,334 IDR/kWh. If the feed in tariff is not granted then the 8 kW system is the best choice with a lower payback period and lower levelized cost of energy than the 12 kW system under the same conditions.

Evaluation of a PVT Air Collector

Hybrid Photovoltaic Thermal (PVT) collectors are an emerging technology that combines PV and solar thermal systems in a single solar collector producing heat and electricity simultaneously. The focus of this thesis work is to evaluate the performance of unglazed open loop PVT air system integrated on a garage roof in Borlänge. As it is thought to have a significant potential for preheating ventilation of the building and improving the PV modules electrical efficiency. The performance evaluation is important to optimize the cooling strategy of the collector in order to enhance its electrical efficiency and maximize the production of thermal energy. The evaluation process involves monitoring the electrical and thermal energies for a certain period of time and investigating the cooling effect on the performance through controlling the air mass flow provided by a variable speed fan connected to the collector by an air distribution duct. The distribution duct transfers the heated outlet air from the collector to inside the building. The PVT air collector consists of 34 Solibro CIGS type PV modules (115 Wp for each module) which are roof integrated and have replaced the traditional roof material. The collector is oriented toward the south-west with a tilt of 29 ᵒ. The collector consists of 17 parallel air ducts formed between the PV modules and the insulated roof surface. Each air duct has a depth of 0.05 m, length of 2.38 m and width of 2.38 m. The air ducts are connected to each other through holes. The monitoring system is based on using T-type thermocouples to measure the relevant temperatures, air sensor to measure the air mass flow. These parameters are needed to calculate the thermal energy. The monitoring system contains also voltage dividers to measure the PV modules voltage and shunt resistance to measure the PV current, and AC energy meters which are needed to calculate the produced electrical energy. All signals recorded from the thermocouples, voltage dividers and shunt resistances are connected to data loggers. The strategy of cooling in this work was based on switching the fan on, only when the difference between the air duct temperature (under the middle of top of PV column) and the room temperature becomes higher than 5 °C. This strategy was effective in term of avoiding high electrical consumption by the fan, and it is recommended for further development. The temperature difference of 5 °C is the minimum value to compensate the heat losses in the collecting duct and distribution duct. The PVT air collector has an area of (Ac=32 m2), and air mass flow of 0.002 kg/s m2. The nominal output power of the collector is 4 kWppv (34 CIGS modules with 115 Wppvfor each module). The collector produces thermal output energy of 6.88 kWth/day (0.21 kWth/m2 day) and an electrical output energy of 13.46 kWhel/day (0.42 kWhel/m2 day) with cooling case. The PVT air collector has a daily thermal energy yield of 1.72 kWhth/kWppv, and a daily PV electrical energy yield of 3.36 kWhel /kWppv. The fan energy requirement in this case was 0.18 kWh/day which is very small compared to the electrical energy generated by the PV collector. The obtained thermal efficiency was 8 % which is small compared to the results reported in literature for PVT air collectors. The small thermal efficiency was due to small operating air mass flow. Therefore, the study suggests increasing the air mass flow by a factor of 25. The electrical efficiency was fluctuating around 14 %, which is higher than the theoretical efficiency of the PV modules, and this discrepancy was due to the poor method of recording the solar irradiance in the location. Due to shading effect, it was better to use more than one pyranometer.

Modeling and forecasting long-term natural gas (NG) consumption in Iran, using particle swarm optimization (PSO)

The gradual changes in the world development have brought energy issues back into high profile. An ongoing challenge for countries around the world is to balance the development gains against its effects on the environment. The energy management is the key factor of any sustainable development program. All the aspects of development in agriculture, power generation, social welfare and industry in Iran are crucially related to the energy and its revenue. Forecasting end-use natural gas consumption is an important Factor for efficient system operation and a basis for planning decisions. In this thesis, particle swarm optimization (PSO) used to forecast long run natural gas consumption in Iran. Gas consumption data in Iran for the previous 34 years is used to predict the consumption for the coming years. Four linear and nonlinear models proposed and six factors such as Gross Domestic Product (GDP), Population, National Income (NI), Temperature, Consumer Price Index (CPI) and yearly Natural Gas (NG) demand investigated.