An Investigation of Heat Transfer on Rooftop Solar PV Performance

Abstract

This research aims to examine effect of heat transfer characteristics on potential of electricity generation from the solar rooftop. The research consists of two different parts as follows:

1. Examination effects of heat transfer on the potential of electricity generation from PV modules installed on the metal sheet rooftop, with 30๐ inclination angle. Two set of the 80 W c-Si PV modules were used in this study. The experiment was divided in to two cases, i.e. case I, the first module was installed parallel to the rooftop. And case II, for the second module, the upper frame was fixed to the rooftop, and the lower frame was lifted up for 15๐ reference to the rooftop. The onsite experiment was conducted and the data were collected every 5 minutes during 7:00 am to 5:00 pm for five consecutive days. The measurement of global solar irradiance, ambience and PV module temperature, wind velocity, current and voltages were measured by pyranometer, thermocouple, automatic weather station measurement and multimeter, respectively. The experiment result shows that the ambience temperature is average at 32.73 ๐C and the wind velocity is between 0.3-2.7 m/s. The average global solar irradiation incidents on case I and case II is 6.85 and 6.79 kWh/m2-d, respectively. And the highest temperature of the PV modules for case I and case II is 64.55 and 57.00 ๐C, respectively. The data analysis revealed that there are two different patterns of heat transfer mechanisms in both cases of PV modules; namely, radiations and mixed convections. Precisely, the characteristic of heat transfer primarily occurred in radiation. The radiation and mixed convection heat transfer rates were at the highest of 165.78 and 103.15 W, respectively. In addition, the electrical analysis results indicated that the maximum output currents is occurred on case I, which is in response to the incident solar irradiation, whereas the maximum output voltage is occurred on case II, which is in accordance to the module temperature. However, the range of the current was higher than the voltage. Accordingly, this resulted in the electrical energy of case I and case II is 471.07 and 467.13 Wh/d, respectively. And array yield is average of 5.88 and 5.83 Wh/Wp-d, for case I and case II respectively. According to the installed PV modules, the linear regression model is formulated as follows: y = 4.49+0.0679x1-0.119x2 and y = -12.8+0.0685x1+0.401x2 where x1 is solar irradiance, x2 is PV module temperature, and y is power. The R-squared of these model is 0.997 and 0.997, respectively.

2. Evaluation potential of electricity generation from the solar rooftop system, which will be installed in the Academic Resources Centre Building, Mahasarakham University. The mathematical model on Microsoft Excel program was used in this case study. The methods of the research in this proceeded are as follows: (1) the building plan analysis, in which the AutoCAD program was used to evaluation of geographic potential; (2) Evaluation of solar irradiance, which the data from the monitoring station in faculty of engineering, Mahasarakham University was used in the study; (3) The solar irradiance data, the ambient temperature data from 4 meteorological station, i.e. two station in Khon Kaen and other two station in Roi Et province, and the fundamental electrical characteristic of the PV module, type of SW 285-300MONO (5-busbar) were used to evaluation of power and electricity; and (4) Evaluation of the array yield. Electricity generation potential from the solar rooftop was evaluated by used the standard of international energy agency (IEA-PVPS T2-03:2002). The evaluation results has been shown with the geographic information system. The analyzed result shows that, the total area of the building is 2,744.00 m2, and It has been classified in 6 directions. Which are 165๐ (NE1), 75๐ (SE2), 30๐ (SE1), -15๐ (SW1), -105๐ (NW1) and -150๐ (NW2). The estimated total PV module installation is 972, and the estimated total power output is 291.60 kW. The estimated highest average solar irradiation is 5.84, 5.61, 5.30, 5.19, 4.72 and 4.45 kWh/m2-d, which were found on direction of SW1, SE1, NW1, SE2, NW2 and NE1, respectively. Hence, it affects the estimated value of array yield, which is 154.86, 148.54, 139.08, 136.88, 122.35 and 114.97 kWh/kWp, respectively. The estimated highest electric potential is 100.53, 86.62, 75.76, 74.15, 71.61 and 65.54 MWh/y, which were found on direction of SE1, NW1, NW2, SW1, NE1 and SE2, respectively. The estimated total electricity is 474.20 MWh/y.

งานวิจัยนี้มีวัตถุประสงค์เพื่อศึกษาพฤติกรรมการถ่ายเทความร้อนต่อสมรรถนะการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคา ซึ่งแบ่งการวิจัยออกเป็น 2 ส่วน ดังนี้

1. การศึกษาผลของพฤติกรรมการถ่ายเทความร้อนต่อสมรรถนะการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาซึ่งสร้างหลังคาทดลองชนิดหลังคาเหล็กเมทัลชีทเอียง 30๐ กับระนาบในแนวระดับ จำนวน 2 ชุด โดยเซลล์แสงอาทิตย์ที่ใช้ในการวิจัยเป็นชนิดผลึกเดี่ยวซิลิคอนขนาด 80 W จำนวน 2 ชุด โดยการศึกษาแบ่งเป็น 2 กรณี นั่นคือกรณีที่ 1 ติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ขนานกับหลังคา และกรณีที่ 2 ติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ให้ส่วนบนของแผงติดกับหลังคาและส่วนล่างของแผงยกขึ้นทำมุม 15๐ โดยชุดทดลองทั้ง 2 หันหน้ารับรังสีอาทิตย์ไปทางทิศใต้ ทำการทดลองและเก็บบันทึกข้อมูลในสภาวะอากาศจริง 5 วัน ในช่วงเวลา 07:00-17:00 น. ทุก ๆ 5 นาที ทำการตรวจวัดความเข้มรังสีอาทิตย์ อุณหภูมิสิ่งแวดล้อมและอุณหภูมิแผงเซลล์แสงอาทิตย์ ความเร็วลม และกระแสไฟฟ้าและแรงดันไฟฟ้า โดยใช้ไพรานอมิเตอร์ เทอร์โมคัลเปิล ชุดวัดสภาพอากาศ และมัลติมิเตอร์ ตามลำดับ ผลการทดลองพบว่าอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมมีค่าเฉลี่ย 32.73 ๐C และความเร็วลมมีค่าอยู่ในช่วง 0.3-2.7 m/s โดยพลังงานแสงอาทิตย์ที่ตกกระทบแผงกรณีที่ 1 และกรณีที่ 2 มีค่าเฉลี่ย 6.85 และ 6.79 kWh/m2-d ตามลำดับ และอุณหภูมิแผงมีค่าสูงสุด 64.55 และ 57.00 ๐C ตามลำดับ จากการวิเคราะห์ข้อมูลด้านความร้อนพบว่า กลไกการถ่ายเทความร้อนจากแผงเซลล์แสงอาทิตย์เกิดขึ้น 2 รูปแบบ คือ การแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแบบผสม โดยพฤติกรรมการถ่ายเทความร้อนส่วนใหญ่เกิดขึ้นด้วยกลไกการแผ่รังสีความร้อน ซึ่งการแผ่รังสีความร้อนและการพาความร้อนแบบผสมดังกล่าวมีค่าสูงสุด 165.78 และ 103.15 W ตามลำดับ และจากการวิเคราะห์ข้อมูลด้านไฟฟ้าพบว่า กระแสไฟฟ้ามีค่าสูงสุดจากกรณีที่ 1 ซึ่งสอดคล้องกับพลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับ ขณะที่แรงดันไฟฟ้ามีค่าสูงสุดจากกรณีที่ 2 ซึ่งสอดคล้องกับอุณหภูมิแผง ทั้งนี้ความแตกต่างของกระแสไฟฟ้าสูงกว่าแรงดันไฟฟ้า ดังนั้นส่งผลให้พลังงานไฟฟ้าจากกรณีที่ 1 และกรณีที่ 2 มีค่าเฉลี่ย 471.07 และ 467.13 Wh/d ตามลำดับ และพลังงานไฟฟ้าต่อกำลังไฟฟ้าติดตั้งมีค่าเฉลี่ย 5.88 และ 5.83 Wh/Wp-d ตามลำดับ ซึ่งจากการติดตั้งแผงทั้ง 2 รูปแบบดังกล่าว สามารถเขียนตัวแบบถดถอยเชิงเส้นแสดงความสัมพันธ์ระหว่างความเข้มรังสีอาทิตย์ (x1) อุณหภูมิแผง (x2) และกำลังไฟฟ้า (y) ได้ว่า y = 4.49+0.0679x1-0.119x2 และ y = -12.8+0.0685x1+0.401x2 โดยค่าความผันแปรของตัวแปรตอบสนองที่สามารถอธิบายได้อยู่ในตัวแบบมีค่า 0.997 และ 0.997 ตามลำดับ

2. ทำการประเมินศักยภาพการผลิตไฟฟ้าจากเซลล์แสงอาทิตย์บนหลังคาโดยใช้แบบจำลองทางคณิตศาสตร์และประมวลผลผ่านโปรแกรม Microsoft Excel ซึ่งใช้อาคารสำนักวิทยาบริการ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม เป็นกรณีศึกษา มีขั้นตอนการดำเนินงานวิจัยประกอบด้วย (1) ประเมินศักยภาพเชิงพื้นที่โดยใช้แบบพิมพ์เขียวอาคารซึ่งวิเคราะห์ด้วยโปแกรม AutoCAD (2) ประเมินศักยภาพรังสีอาทิตย์โดยใช้ข้อมูลรังสีอาทิตย์จากสถานีวัดรังสีอาทิตย์ คณะวิศวกรรมศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหาสารคาม (3) ประเมินพลังงานไฟฟ้าโดยใช้ข้อมูลรังสีอาทิตย์ร่วมกับข้อมูลอุณหภูมิสิ่งแวดล้อมเฉลี่ยจาก 4 สถานีตรวจวัดสภาพอากาศ (สถานีอุตุนิยมวิทยา จ.ขอนแก่น และ จ.ร้อยเอ็ด) และข้อมูลคุณสมบัติพื้นฐานทางไฟฟ้าของเซลล์แสงอาทิตย์รุ่น SW 285-300 MONO (5-busbar) ขนาด 300 W และ (4) ประเมินพลังงานไฟฟ้าต่อกำลังไฟฟ้าติดตั้งภายใต้มาตรฐานที่กำหนดโดย IEA (IEA-PVPS T2-03:2002) และแสดงผลการประเมินด้วยระบบ GIS ผลการวิเคราะห์พบว่าอาคารสำนักวิทยาบริการมีพื้นที่หลังคารวม 2,744 m2 สามารถจำแนกทิศทางการรับรังสีอาทิตย์ตามทิศทางของหลังคาโดยใช้มุมอะซิมุธพื้นดินได้ 6 ทิศทาง ได้แก่ 165๐ (NE1) 75๐ (SE2) 30๐ (SE1) -15๐ (SW1) -105๐ (NW1) และ -150๐ (NW2) สามารถประเมินการติดตั้งแผงเซลล์แสงอาทิตย์ได้รวม 972 แผง มีกำลังไฟฟ้าติดตั้ง 291.60 kW ผลการประเมินรังสีอาทิตย์ที่ตกกระทบหลังคามีค่าเฉลี่ยสูงสุดในทิศ SW1 SE1 NW1 SE2 NW2 และ NE1 มีค่า 5.84 5.61 5.30 5.19 4.72 และ 4.45 kWh/m2-d ตามลำดับ ส่งผลต่อการประเมินค่าพลังงานไฟฟ้าต่อกำลังไฟฟ้าติดตั้งโดยมีค่าเป็น 154.86 148.54 139.08 136.88 122.35 และ 114.97 kWh/kWp ตามลำดับ โดยศักยภาพการผลิตพลังงานไฟฟ้ามีค่าสูงสุดในทิศ SE1 NW1 NW2 SW1 NE1 และ SE2 มีค่า 100.53 86.62 75.76 74.15 71.61 และ 65.54 MWh/y ตามลำดับ คิดเป็นพลังงานไฟฟ้ารวม 474.20 MWh/y