Evaluation of the Impact of Hybrid Solar Modules on Energy Production and Economic Viability in Finnish Industrial-Level Power Plants
Arikka, Roope (2024-06-03)
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024060343478
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe2024060343478
Tiivistelmä
ABSTRACT:
This master's thesis presents an evaluation of photovoltaic-thermal (PVT) technology and its applicability in the Finnish energy sector. PVT technology, which combines photovoltaic and thermal systems, offers the potential to improve the efficiency of solar modules by cooling the solar cells and generating thermal energy concurrently. The research, conducted in collaboration with Sweco Finland Oy, aims to enhance the understanding of PVT modules' feasibility and their role in the transition to renewable energy.
The thesis is divided into a theoretical framework, which provides a background on the principles of PV cells and solar collectors, and a methodological framework, which involves the development of a simulation model for an industrial-scale PVT power plant. The study investigates the performance of PVT modules in Finland's climate, with a focus on the technical and eco nomic viability of such systems.
The findings from the simulation model, applied to a typical Finnish location, suggest that PVT systems can produce slightly more electrical energy annually than comparable PV systems and have the potential to produce significant thermal energy. However, the economic analysis indicates that the cost of both electrical and thermal energy from PVT systems is currently higher than conventional energy sources in Finland, highlighting the need for substantial investment support or higher tariffs for the energy produced to make PVT technology economically viable.
The study also discusses the challenges associated with PVT systems, such as the need for continuous use of the thermal energy to prevent stagnation, the potential for more significant power degradation due to environmental conditions, and the limitations imposed by regional temperature thresholds. Despite these challenges, PVT technology demonstrates the capability of producing more energy per unit area compared to conventional PV systems. The thesis concludes that while PVT systems show promise for higher-efficiency solar energy conversion, their economic and practical implementation in Finland will require careful consideration of local conditions, additional optimizations, and financial incentives to become competitive with existing energy production methods.
TIIVISTELMÄ:
Tämä diplomityö käsittelee hybridiaurinkoenergia (PVT) teknologian soveltuvuutta Suomen
energiasektorille. PVT-teknologiaan perustuvat moduulit yhdistävät yleisesti käytössä olevan valosähköisen (PV) moduulin ja lämpöä tuottavan aurinkokeräimen ominaisuudet. PVT hybridi moduulit tarjoavat mahdollisuuden parantaa aurinkoenergiamoduulien tehokkuutta jäähdyttämällä aurinkokennoja ja tuottamalla samanaikaisesti lämpöenergiaa. Tutkimus, joka toteutettiin yhteistyössä Sweco Finland Oy:n kanssa, pyrkii parantamaan ymmärrystä PVT-moduulien toteutettavuudesta ja niiden roolista uusiutuvan energian siirtymässä.
Diplomityö jakautuu teoreettiseen viitekehykseen, joka tarjoaa taustatietoa PV-kennojen periaatteista ja aurinkokeräimistä, sekä metodologiseen viitekehykseen, joka sisältää teollisen mittakaavan PVT-voimalaitoksen simulaatiomallin kehittämisen. Tutkimus käsittelee PVT-moduulien suorituskykyä Suomen ilmastossa, keskittyen kyseisten järjestelmien tekniseen ja taloudelliseen toteutettavuuteen.
Simulaation tulokset viittaavat siihen, että PVT-järjestelmät voivat tuottaa marginaalisesti enemmän sähköenergiaa vuosittain verrattuna vastaaviin PV-järjestelmiin ja niillä on potentiaalia tuottaa merkittävästi lämpöenergiaa. Taloudellinen analyysi kuitenkin osoittaa, että PVT-järjestelmien sähkö- ja lämpöenergian kustannukset ovat tällä hetkellä korkeammat kuin perinteisillä energialähteillä Suomessa, mikä korostaa tarvetta merkittävälle investointituelle tai korkeammille energiantuotantotariffeille PVT-teknologian taloudellisen kannattavuuden saavuttamiseksi.
Tutkimus käsittelee myös PVT-järjestelmien haasteita, kuten tarvetta lämpöenergian jatkuvalle käytölle stagnaation ehkäisemiseksi, suuremman tehoaleneman mahdollisuutta ympäristöolosuhteiden takia ja alueellisten lämpötilaerojen asettamia rajoituksia. Huolimatta näistä haasteista, PVT-teknologia osoittaa kykyä tuottaa enemmän energiaa yksikköpinta-alaa kohden verrattuna perinteisiin PV-järjestelmiin. Johtopäätöksissä todetaan, että vaikka PVT-järjestelmillä on lupaavia näyttöjä korkean tehokkuuden saavuttamiseksi aurinkoenergian muuntamisessa, niiden taloudellinen ja käytännön toteutus Suomessa vaatii huolellista harkintaa huomioiden paikalliset olosuhteet, lisäoptimoinnit ja mahdolliset taloudelliset kannustimet kilpailukyvyn saavuttamiseksi.
This master's thesis presents an evaluation of photovoltaic-thermal (PVT) technology and its applicability in the Finnish energy sector. PVT technology, which combines photovoltaic and thermal systems, offers the potential to improve the efficiency of solar modules by cooling the solar cells and generating thermal energy concurrently. The research, conducted in collaboration with Sweco Finland Oy, aims to enhance the understanding of PVT modules' feasibility and their role in the transition to renewable energy.
The thesis is divided into a theoretical framework, which provides a background on the principles of PV cells and solar collectors, and a methodological framework, which involves the development of a simulation model for an industrial-scale PVT power plant. The study investigates the performance of PVT modules in Finland's climate, with a focus on the technical and eco nomic viability of such systems.
The findings from the simulation model, applied to a typical Finnish location, suggest that PVT systems can produce slightly more electrical energy annually than comparable PV systems and have the potential to produce significant thermal energy. However, the economic analysis indicates that the cost of both electrical and thermal energy from PVT systems is currently higher than conventional energy sources in Finland, highlighting the need for substantial investment support or higher tariffs for the energy produced to make PVT technology economically viable.
The study also discusses the challenges associated with PVT systems, such as the need for continuous use of the thermal energy to prevent stagnation, the potential for more significant power degradation due to environmental conditions, and the limitations imposed by regional temperature thresholds. Despite these challenges, PVT technology demonstrates the capability of producing more energy per unit area compared to conventional PV systems. The thesis concludes that while PVT systems show promise for higher-efficiency solar energy conversion, their economic and practical implementation in Finland will require careful consideration of local conditions, additional optimizations, and financial incentives to become competitive with existing energy production methods.
TIIVISTELMÄ:
Tämä diplomityö käsittelee hybridiaurinkoenergia (PVT) teknologian soveltuvuutta Suomen
energiasektorille. PVT-teknologiaan perustuvat moduulit yhdistävät yleisesti käytössä olevan valosähköisen (PV) moduulin ja lämpöä tuottavan aurinkokeräimen ominaisuudet. PVT hybridi moduulit tarjoavat mahdollisuuden parantaa aurinkoenergiamoduulien tehokkuutta jäähdyttämällä aurinkokennoja ja tuottamalla samanaikaisesti lämpöenergiaa. Tutkimus, joka toteutettiin yhteistyössä Sweco Finland Oy:n kanssa, pyrkii parantamaan ymmärrystä PVT-moduulien toteutettavuudesta ja niiden roolista uusiutuvan energian siirtymässä.
Diplomityö jakautuu teoreettiseen viitekehykseen, joka tarjoaa taustatietoa PV-kennojen periaatteista ja aurinkokeräimistä, sekä metodologiseen viitekehykseen, joka sisältää teollisen mittakaavan PVT-voimalaitoksen simulaatiomallin kehittämisen. Tutkimus käsittelee PVT-moduulien suorituskykyä Suomen ilmastossa, keskittyen kyseisten järjestelmien tekniseen ja taloudelliseen toteutettavuuteen.
Simulaation tulokset viittaavat siihen, että PVT-järjestelmät voivat tuottaa marginaalisesti enemmän sähköenergiaa vuosittain verrattuna vastaaviin PV-järjestelmiin ja niillä on potentiaalia tuottaa merkittävästi lämpöenergiaa. Taloudellinen analyysi kuitenkin osoittaa, että PVT-järjestelmien sähkö- ja lämpöenergian kustannukset ovat tällä hetkellä korkeammat kuin perinteisillä energialähteillä Suomessa, mikä korostaa tarvetta merkittävälle investointituelle tai korkeammille energiantuotantotariffeille PVT-teknologian taloudellisen kannattavuuden saavuttamiseksi.
Tutkimus käsittelee myös PVT-järjestelmien haasteita, kuten tarvetta lämpöenergian jatkuvalle käytölle stagnaation ehkäisemiseksi, suuremman tehoaleneman mahdollisuutta ympäristöolosuhteiden takia ja alueellisten lämpötilaerojen asettamia rajoituksia. Huolimatta näistä haasteista, PVT-teknologia osoittaa kykyä tuottaa enemmän energiaa yksikköpinta-alaa kohden verrattuna perinteisiin PV-järjestelmiin. Johtopäätöksissä todetaan, että vaikka PVT-järjestelmillä on lupaavia näyttöjä korkean tehokkuuden saavuttamiseksi aurinkoenergian muuntamisessa, niiden taloudellinen ja käytännön toteutus Suomessa vaatii huolellista harkintaa huomioiden paikalliset olosuhteet, lisäoptimoinnit ja mahdolliset taloudelliset kannustimet kilpailukyvyn saavuttamiseksi.