Finding cleaner and sustainable energy resources is one of the most important concerns for the development of humanity. Solar energy is taking an essential role in this matter as the production cost of solar collectors is decreasing and more solar installations are being set up every year throughout the world. One way of reducing the cost of solar panels is by using concentrators that are cheaper than the costly photovoltaic cells and can increase their output. Solarus AB designed a Photovoltaic Thermal (PVT) hybrid collector that uses this principle and which is a variation of the Maximum Reflector Collector (MaReCo) design and is a Compound Parabolic Collector (CPC). This thesis has two main objectives. The first one is to design variations of the actual Solarus’ design and some alternative MaReCo designs and pure parabola designs. These designs include new solar cell cuts which are based on 4 busbar solar cells. In this way a future in-depth analysis may be carried out by comparing different receiver designs and collector boxes. The second goal is to investigate the current electrical and thermal performance of the collectors from Solarus AB which are installed in the Hus 45 of HiG. The appropriate data of the installation has been obtained using simulations and specific software, and it has been analysed with Microsoft Excel®. Concerning the new designs of the receivers and boxes, everything has been prepared for the future construction of the prototypes. All the measurements and their adjustments have been taken into account to define the size of the components and the process of building has been set up. Moreover, some future work has been planned in order to move forward the project. Regarding the analysis of the HiG installation, both electrical and thermal performance have resulted to be significantly lower compared with their estimated simulation, being their real output around 60 % of the estimated one. In the thermal part, the losses in the pipeline result to be more than a third part of the produced heat. In the electrical part, the production varies a lot between different collectors due to some of them do not work properly, consequence of poor condition of the solar panels (broken cells, dirt, shading, etc.).

Driven by the limitations of solar-optimized roof space and International Energy Association (IEA) Task 35, there is a renewed interest in photovoltaic solar thermal (PVT) hybrid systems. Current PVT systems focus on cooling the solar photovoltaic (PV) cells to improve the electrical performance. This however, causes the thermal component (T) to underperform. An exergetic study was completed comparing a PVT, PV + T and a PV only system in Detroit, Denver and Phoenix. It was found that the PVT system outperformed the PV + T system by 72% for each location and by 8, 8.6 and 9.9% for Detroit, Denver and Phoenix when compared to the PV only system. To further improve the PVT system, using hydrogenated amorphous silicon (a-Si:H) PV as the absorber layer of the solar thermal device was explored. The temperature coefficient and annealing properties of a-Si:H allow the thermal component to run more efficiently, while enabling the a-Si:H i-layers to be thicker resulting in more electricity production. It was found that running i-layer thicker cells (630nm and 840nm) stabilized at higher efficiencies at 90°C (potential PVT operating temperatures) than the thinner cell (420nm) by 2% and 0.5% respectively. In addition, spike annealing, which is a new concept of stagnating a PVT system to allow for the a-Si:H PV to anneal and return it to its original efficiencies was also investigated. It was found that over the lifetime of the system with the spike annealing occurring once a day 10.6% more electricity was produced than a system without stagnation. / Thesis (Master, Mechanical and Materials Engineering) -- Queen's University, 2011-11-14 11:09:16.727

Os aproveitamentos de energia solar em aplicações térmicas ou para a produção de energia elétrica são cada vez mais importantes, por se tratarem de fontes de energia. Os estudos acerca dessas fontes estão se intensificando, a fim de melhorar seus desempenhos e suas aplicações para as condições atuais de desenvolvimento pelo mundo. Uma dessas tecnologias que utilizam como fonte a energia solar, desenvolvida nos últimos 30 anos, é o coletor híbrido térmico fotovoltaico. Esse coletor converte a energia proveniente da radiação solar em energia térmica e elétrica, simultaneamente, com a superposição de um módulo fotovoltaico a um coletor solar de placa plana, podendo ser promissor no progresso de novas tecnologias. Um coletor híbrido térmico fotovoltaico tem sua eficiência térmica menor que um coletor térmico convencional, decorrente de uma maior perda de calor para o meio, pois, em geral, o coletor não tem proteção contra o vento, como a cobertura transparente em um coletor convencional. A eficiência elétrica desses coletores híbridos é maior quando comparada a um sistema fotovoltaico convencional, pois há um resfriamento devido à passagem do fluido na parte posterior desses módulos. Para uma avaliação dessas eficiências, no presente trabalho, foram instalados três tipos de tecnologias que utilizam a energia solar como fonte, (um módulo fotovoltaico, um coletor híbrido térmico fotovoltaico e um coletor solar de placa plana) a fim de comparar os resultados de seus rendimentos, separadamente, atribuindo as mesmas condições meteorológicas em todos eles. A eficiência térmica máxima do coletor híbrido térmico fotovoltaico teve seu valor 3 vezes menor que o do coletor de placa plana utilizado. Já a eficiência elétrica de cada módulo teve um aumento de 5,5% comparando a diferença de energia elétrica gerada ao longo de um ano. Com esses resultados, pode-se dizer que melhorias na parte térmica do coletor híbrido térmico fotovoltaico poderiam ser feitas, de forma a aumentar seu desempenho térmico sem comprometer o rendimento das suas células fotovoltaicas. / The use of solar energy for thermal application and production of electric energy is becoming more important, because it is a form of clean and renewable energy. The studies of these sources are intensifying to improve the performance of these technologies and their applications for the current conditions of the development around the world. One of this technologies using as a source solar energy, developed in the last 30 years is the photovoltaic thermal hybrid solar collector. This collector simultaneously converts the solar radiation into thermal and electrical energy, with the superposition of a photovoltaic module on a flat plate solar collector, may be promising in the progress of new technologies. That a photovoltaic thermal hybrid solar collector has a lower thermal efficiency than a conventional thermal collector, due a greater loss of heat to the environment, because in general the collector has no protection from the wind, as the transparent cover in a conventional collector. The electrical efficiency of these hybrid collectors is higher compared to a conventional photovoltaic, because their cells are cooled by the water passing in the back of the photovoltaic plate. For an evaluation of efficiencies, it were installed three types of technologies that use solar energy as energy source (a photovoltaic module, a thermal hybrid collector and a flat plate solar collector) to separately compare the results of their performance, exposing them all of the same meteorological conditions. The maximum thermal efficiency of the photovoltaic thermal hybrid solar collector was determined being three times lower value than the flat plate collector one. The electrical efficiency of each module was increased by 5.5 % comparing the difference of the electrical energy generated over a whole year. These results indicate that improvements in the thermal part of the photovoltaic thermal hybrid solar collector could be made, increasing the thermal performance without compromise their solar cells efficiency.

Os aproveitamentos de energia solar em aplicações térmicas ou para a produção de energia elétrica são cada vez mais importantes, por se tratarem de fontes de energia. Os estudos acerca dessas fontes estão se intensificando, a fim de melhorar seus desempenhos e suas aplicações para as condições atuais de desenvolvimento pelo mundo. Uma dessas tecnologias que utilizam como fonte a energia solar, desenvolvida nos últimos 30 anos, é o coletor híbrido térmico fotovoltaico. Esse coletor converte a energia proveniente da radiação solar em energia térmica e elétrica, simultaneamente, com a superposição de um módulo fotovoltaico a um coletor solar de placa plana, podendo ser promissor no progresso de novas tecnologias. Um coletor híbrido térmico fotovoltaico tem sua eficiência térmica menor que um coletor térmico convencional, decorrente de uma maior perda de calor para o meio, pois, em geral, o coletor não tem proteção contra o vento, como a cobertura transparente em um coletor convencional. A eficiência elétrica desses coletores híbridos é maior quando comparada a um sistema fotovoltaico convencional, pois há um resfriamento devido à passagem do fluido na parte posterior desses módulos. Para uma avaliação dessas eficiências, no presente trabalho, foram instalados três tipos de tecnologias que utilizam a energia solar como fonte, (um módulo fotovoltaico, um coletor híbrido térmico fotovoltaico e um coletor solar de placa plana) a fim de comparar os resultados de seus rendimentos, separadamente, atribuindo as mesmas condições meteorológicas em todos eles. A eficiência térmica máxima do coletor híbrido térmico fotovoltaico teve seu valor 3 vezes menor que o do coletor de placa plana utilizado. Já a eficiência elétrica de cada módulo teve um aumento de 5,5% comparando a diferença de energia elétrica gerada ao longo de um ano. Com esses resultados, pode-se dizer que melhorias na parte térmica do coletor híbrido térmico fotovoltaico poderiam ser feitas, de forma a aumentar seu desempenho térmico sem comprometer o rendimento das suas células fotovoltaicas. / The use of solar energy for thermal application and production of electric energy is becoming more important, because it is a form of clean and renewable energy. The studies of these sources are intensifying to improve the performance of these technologies and their applications for the current conditions of the development around the world. One of this technologies using as a source solar energy, developed in the last 30 years is the photovoltaic thermal hybrid solar collector. This collector simultaneously converts the solar radiation into thermal and electrical energy, with the superposition of a photovoltaic module on a flat plate solar collector, may be promising in the progress of new technologies. That a photovoltaic thermal hybrid solar collector has a lower thermal efficiency than a conventional thermal collector, due a greater loss of heat to the environment, because in general the collector has no protection from the wind, as the transparent cover in a conventional collector. The electrical efficiency of these hybrid collectors is higher compared to a conventional photovoltaic, because their cells are cooled by the water passing in the back of the photovoltaic plate. For an evaluation of efficiencies, it were installed three types of technologies that use solar energy as energy source (a photovoltaic module, a thermal hybrid collector and a flat plate solar collector) to separately compare the results of their performance, exposing them all of the same meteorological conditions. The maximum thermal efficiency of the photovoltaic thermal hybrid solar collector was determined being three times lower value than the flat plate collector one. The electrical efficiency of each module was increased by 5.5 % comparing the difference of the electrical energy generated over a whole year. These results indicate that improvements in the thermal part of the photovoltaic thermal hybrid solar collector could be made, increasing the thermal performance without compromise their solar cells efficiency.

Os aproveitamentos de energia solar em aplicações térmicas ou para a produção de energia elétrica são cada vez mais importantes, por se tratarem de fontes de energia. Os estudos acerca dessas fontes estão se intensificando, a fim de melhorar seus desempenhos e suas aplicações para as condições atuais de desenvolvimento pelo mundo. Uma dessas tecnologias que utilizam como fonte a energia solar, desenvolvida nos últimos 30 anos, é o coletor híbrido térmico fotovoltaico. Esse coletor converte a energia proveniente da radiação solar em energia térmica e elétrica, simultaneamente, com a superposição de um módulo fotovoltaico a um coletor solar de placa plana, podendo ser promissor no progresso de novas tecnologias. Um coletor híbrido térmico fotovoltaico tem sua eficiência térmica menor que um coletor térmico convencional, decorrente de uma maior perda de calor para o meio, pois, em geral, o coletor não tem proteção contra o vento, como a cobertura transparente em um coletor convencional. A eficiência elétrica desses coletores híbridos é maior quando comparada a um sistema fotovoltaico convencional, pois há um resfriamento devido à passagem do fluido na parte posterior desses módulos. Para uma avaliação dessas eficiências, no presente trabalho, foram instalados três tipos de tecnologias que utilizam a energia solar como fonte, (um módulo fotovoltaico, um coletor híbrido térmico fotovoltaico e um coletor solar de placa plana) a fim de comparar os resultados de seus rendimentos, separadamente, atribuindo as mesmas condições meteorológicas em todos eles. A eficiência térmica máxima do coletor híbrido térmico fotovoltaico teve seu valor 3 vezes menor que o do coletor de placa plana utilizado. Já a eficiência elétrica de cada módulo teve um aumento de 5,5% comparando a diferença de energia elétrica gerada ao longo de um ano. Com esses resultados, pode-se dizer que melhorias na parte térmica do coletor híbrido térmico fotovoltaico poderiam ser feitas, de forma a aumentar seu desempenho térmico sem comprometer o rendimento das suas células fotovoltaicas. / The use of solar energy for thermal application and production of electric energy is becoming more important, because it is a form of clean and renewable energy. The studies of these sources are intensifying to improve the performance of these technologies and their applications for the current conditions of the development around the world. One of this technologies using as a source solar energy, developed in the last 30 years is the photovoltaic thermal hybrid solar collector. This collector simultaneously converts the solar radiation into thermal and electrical energy, with the superposition of a photovoltaic module on a flat plate solar collector, may be promising in the progress of new technologies. That a photovoltaic thermal hybrid solar collector has a lower thermal efficiency than a conventional thermal collector, due a greater loss of heat to the environment, because in general the collector has no protection from the wind, as the transparent cover in a conventional collector. The electrical efficiency of these hybrid collectors is higher compared to a conventional photovoltaic, because their cells are cooled by the water passing in the back of the photovoltaic plate. For an evaluation of efficiencies, it were installed three types of technologies that use solar energy as energy source (a photovoltaic module, a thermal hybrid collector and a flat plate solar collector) to separately compare the results of their performance, exposing them all of the same meteorological conditions. The maximum thermal efficiency of the photovoltaic thermal hybrid solar collector was determined being three times lower value than the flat plate collector one. The electrical efficiency of each module was increased by 5.5 % comparing the difference of the electrical energy generated over a whole year. These results indicate that improvements in the thermal part of the photovoltaic thermal hybrid solar collector could be made, increasing the thermal performance without compromise their solar cells efficiency.