Development and simulation of operating modes of a hybrid PV-T system for integrated energy supply of urban residential buildings

Abstract

The aim of this work is to assess the technical and economic efficiency of using hybrid photovoltaic-thermal (PV-T) panels in the energy supply system of an urban residential complex in the Republic of Moldova, to improve energy efficiency and relieve centralized energy supply networks. This aim is achieved by developing a mathematical model of PV-T system integration into urban infrastructure in Simulink MATLAB, selecting and justifying the main equipment (PV-T panels, inverters, heat pumps, energy storage), simulating characteristic operating modes, and a comparative techno-economic analysis of the existing and proposed supply strategies. The proposed hybrid system uses solar energy to simultaneously generate electricity, provide domestic hot water and support space heating in a multi-apartment complex. The most important result is the substantiation of the technical feasibility and economic viability of integrating PV-T panels into urban buildings, reducing grid energy use during peak load with an acceptable payback period. The significance of the results lies in a comprehensive method for assessing the efficiency of hybrid solar systems under regional conditions. The study showed that PV-T panels not only increase solar energy conversion efficiency through effective cooling of the photovoltaic cells, but also relieve transformer capacity and reduce losses in distribution networks. The results can support regional programmes for renewable energy in the housing and utilities sector of the Republic of Moldova, the design of autonomous and hybrid energy supply systems for social facilities, and further research on optimizing distributed generation within an urban Smart Grid.

Scopul lucrării este evaluarea eficienței tehnice și economice a utilizării panourilor hibride fotovoltaice-termice (PV-T) în sistemul de alimentare cu energie al unui complex rezidențial urban din Republica Moldova, pentru creșterea eficienței energetice și descărcarea rețelelor centralizate. Scopul este atins prin elaborarea în Simulink MATLAB a unui model matematic de integrare a sistemului PV-T în infrastructura urbană, selectarea și argumentarea echipamentului principal (panouri PV-T, invertoare, pompe de căldură, sisteme de stocarea energiei), modelarea regimurilor caracteristice de funcționare și analiza tehnico-economică comparativă a strategiei existente și a celei propuse. Sistemul hibrid propus utilizează energia solară pentru a produce simultan energie electrică și apă caldă menajeră și pentru a susține încălzirea unui complex de blocuri locative. Cel mai important rezultat este argumentarea fezabilității tehnice și a oportunității economice a integrării panourilor PV-T în clădirile urbane, reducând consumul din rețea la vârf de sarcină, cu o perioadă de recuperare acceptabilă. Semnificația rezultatelor constă într-o metodologie complexă de evaluare a eficienței sistemelor solare hibride în condițiile regiunii. Studiul a arătat că panourile PV-T nu doar cresc randamentul conversiei energiei solare prin răcirea eficientă a celulelor fotovoltaice, ci și descarcă transformatoarele și reduc pierderile în rețelele de distribuție. Rezultatele pot susține programe regionale de energie regenerabilă în sectorul locativ-comunal al Republicii Moldova, proiectarea sistemelor autonome și hibride de alimentare cu energie a obiectivelor sociale și cercetări ulterioare privind optimizarea generării distribuite în cadrul unei rețele Smart Grid urbane.

Целью работы является оценка технической и экономической эффективности применения гибридных фотоэлектрических тепловых (PV-T) панелей в системе энергоснабжения одного из городских жилых комплексов, эксплуатируемых в Республике Молдова для повышения энергоэффективности и снижения нагрузки на централизованные сети энергоснабжения. Поставленная цель достигается посредством решения следующих задач: создания математической модели интеграции PV-T системы в городскую инфраструктуру на базе Simulink MATLAB, выбора и обоснования состава основного оборудования (PV-T панелей, инверторов, тепловых насосов, накопителей энергии), моделирования характерных режимов работы системы, проведения сравнительного технико-экономического анализа существующей и предлагаемой стратегий энергоснабжения. В ходе выполнения работы была предложена и исследована гибридная система энергоснабжения для многоквартирного жилого комплекса с использованием солнечной энергии для одновременного получения электроэнергии, обеспечения горячего водоснабжения и поддержки системы отопления. Наиболее важным результатом является обоснование технической возможности и экономической целесообразности интеграции PV-T панелей в городскую застройку, что позволяет снизить потребление энергии из внешних сетей в периоды пиковой нагрузки и достичь приемлемого срока окупаемости предлагаемого технического решения. Значимость полученных результатов состоит в создании комплексной методики оценки эффективности гибридных солнечных систем для условий региона. Исследование показало, что использование PV-T панелей не только повышает КПД использования солнечной энергии за счет эффективного охлаждения фотоэлементов, но и способствует разгрузке трансформаторных мощностей и снижению потерь в распределительных электрических сетях. Результаты исследования также могут быть использованы для разработки региональных программ по внедрению возобновляемых источников энергии в жилищно-коммунальном хозяйстве Республики Молдова, проектирования автономных и гибридных систем энергоснабжения социальных объектов, а также в качестве базы для дальнейших научных исследований по оптимизации режимов работы распределенных источников генерации в составе городской Smart Grid.