Modeling and analysis of heat pump integrated PV-wind systems for a commercial greenhouse

Abstract

This thesis focuses on modeling and simulating renewable energy (RE) systems that include photovoltaic (PV) panels, wind turbines (WT), and air source heat pumps (HP) for meeting the heating load of a commercial greenhouse (GH) in the agricultural zone in Dikili. Five different energy systems scenarios, namely (i) PV-HP, (ii) PV-WT-HP, (iii) WT-PV-HP, (iv) WT-HP, and (v) only HP were considered. For all scenarios the mismatch between the load and the generation was covered by grid. The second and third scenarios differ from each other based on the number of PVs and WTs. The design of the greenhouse was made with SketchUp and TRNSYS software based on dimensions of the greenhouse. According to the weather data and greenhouse parameters, solar radiation calculations were made, and the greenhouse system was modeled by MATLAB software. The annual heating and cooling demands of the designed greenhouse and electricity generation by PVs and WTs were calculated on an hourly basis. The heating and cooling loads were found to be 5,922,015 and 11,014,446 kWh/year, respectively. Since the maximum power output by RE for the reserved area is not sufficient to meet the cooling load, the cooling process was excluded. Economic and environmental analyzes were made. The first scenario including 5,271 PV panels and 20 HPs was found to be the best scenario. Net Present Value (NPV), Levelized Cost of Energy (LCOE) and CO2 savings of the related scenario were calculated as $547,440.40, 0.080146 $/kWh and 1,270.96 t.

Bu tez, Dikili'deki bir tarım alanında bulunan ticari bir seranın ısıtma yükünü karşılamak için fotovoltaik paneller, rüzgar türbinleri ve hava kaynaklı ısı pompalarını içeren yenilenebilir enerji sistemlerinin modellenmesine ve simülasyonuna odaklanmaktadır. (i) Fotovoltaik panel-Isı pompası, (ii) Fotovoltaik panel-Rüzgar türbini-Isı pompası, (iii) Rüzgar türbini-Fotovoltaik panel-Isı pompası, (iv) Rüzgar türbini-Isı pompası ve (v) sadece Isı pompası, olmak üzere beş farklı enerji sistemi senaryosu dikkate alınmıştır. Tüm senaryolar için yük ve üretim arasındaki uyumsuzluk şebeke tarafından karşılanmıştır. İkinci ve üçüncü senaryolar, fotovoltaik panel ve rüzgar türbini sayısına bağlı olarak birbirinden farklılık gösterir. Seranın tasarımı, seranın boyutları baz alınarak SketchUp ve TRNSYS yazılımları ile yapılmıştır. Hava durumu verileri ve sera parametrelerine göre güneş ışınımı hesapları yapılmış ve MATLAB yazılımı ile sera sistemi modellenmiştir. Tasarlanan seranın yıllık ısıtma ve soğutma talepleri ile fotovoltaik paneller ve rüzgar türbinlerinden elektrik üretimi saatlik olarak hesaplanmıştır. Isıtma ve soğutma yükleri sırasıyla 5.922.015 ve 11.014.446 kWh/yıl olarak bulunmuştur. Ayrılmış alan için yenilenebilir enerji maksimum güç çıkışı soğutma yükünü karşılamak için yeterli olmadığından, soğutma işlemi hariç tutulmuştur. Ekonomik ve çevresel analizler yapılmıştır. 5.271 adet fotovoltaik panel ve 20 ısı pompası içeren birinci senaryo en iyi senaryo olarak bulundu. İlgili senaryonun Net Bugünkü Değeri, Seviyelendirilmiş Enerji Maliyeti ve CO2 tasarrufu $547.440,40, 0,080146 $/kWh ve 1.270,96 ton olarak hesaplanmıştır.