Effect of Tank Size on the Temperature Distributions for Hybrid Photovoltaic/Thermal Water Heaters

Abstract

In the present study an investigation was conducted on the temperature distribution effect for several tank capacities (100 L, 120 L, 150 L and 200 L) having two different aspect ratios (H/D) for each capacity. Hot water is supplied to these tanks by a Hybrid PV/T collector of 4 m² illuminating area. The circulation of water within PV cells cools its surface area to solve the problem occurred in PV cells, where each 1°C increase in the surface module 0.45% of the electrical efficiency decrease. A pump circulates water from the bottom of the tank to PV/T collector and then dropped it at the top of the tank in order to maintain thermal stratification. It was observed that tanks with a higher H/D ratio results a better performance, as hot water is stored in the tank at an earlier time (morning hours 6:00 until 9:00) than of tanks with a lower H/D ratios. It can be observed also that tanks with a higher H/D ratios, highly maintain thermal stratification occurred in the tanks than lower ratios. The tank for 100 L capacity having an H/D of 2.66 resulted the best performance at which stratification was highly maintained and the optimum tank is found to be for 150 L with an H/D of 2.97 as a larger capacity of domestic hot water is heated. The tank with 200 L tanks shall require a better insulation for conserving heat inside and prevent ambient losses. Keywords: Hybrid PV/T collector, storage tanks, thermal stratification, aspect ratio.ÖZ: Bu çalışmada değişik tank kapasitelerinin (100 L, 120 L, 150 L ve 200 L) sıcaklık dağılımı iki değişik yükseklik-çap oranı (H/D) için araştırılmıştır. Sıcak su tanklara 4 m² ışıma alanı olan bir hibrit fotovoltaik-ısıl (PV/T) kollektör tarafından sağlanacaktır. PV/T düzeneğinde PV hücreleri içerisinde dolaşan su PV‟nin yüzey alanlanını soğutarak her 1 °C lik sıcaklık artışının elektriksel verimde % 0.45 azalmaya sebep olması sorununu çözmeye yardımcı olmaktadır. Bu sistemde sıcak su tankında ısıl tabakalaşmayı sürdürmek için bir pompa tankın altından suyu alıp PV/T kollektörüne basıp tekrar tankın üzerinden geri döndürmektedir . Yüksek H/D oranı olan tankların ısıl tabakaylaşmayı daha iyi muhafaza ettikleri ve böylece daha iyi performans gösterdikleri gözlemlenmiştir. Isıl tabakalaşmanın muhafazasını eniyi H/D oranı 2.66 olan 100 L kapasiteli tank gösterirken, optimum değerler (daha fazla sıcak su depolanması) daha yüksek tank kapasiteli H/D oranı 2.97 olan150 L‟lik tanktan alınmıştır. 200 L lik tankın ise daha iyi yalıtılması halinde depolanan ısıyı daha fazla muhafaza edebileceği ve ısıl kayıplarının azalacağı bulunmuştur. Anahtar kelimeler: hibrit PV/T kollektör, depolama tankı, ısıl tabakalaşma, yükseklik-çap oranı