Techno-economic feasibility study of PVT collector coupled with heat pump for membrane distillation water purification in rural India

India is experiencing a bitter challenge in terms of water resources, with the lack of access to safe drinking water being attributed to nearly 200 000 deaths per year. The rural population is especially exposed as groundwater make up 85 % of their drinking water, with widespread contamination being reported. One source of contamination is fluoride, which has been identified in concentrations far beyond the recommended limit from the World Health Organization (WHO), causing severe health problems such as skeletal fluorosis. While India has made significant progress in providing households connections to the grid, electricity access remains unreliable, particularly in rural areas. Membrane distillation (MD) is a thermally driven water purification technology which achieves excellent fluoride reduction rates. Several systems with various combinations of technologies integrated with MD has been researched, where the use of photovoltaic thermal hybrid solar collectors (PVT) and heat pumps (HP) has been receiving increased attention as of late. These two technologies have, to the Author’s best knowledge, never been integrated together for MD, which is the basis of this thesis. With the goal of providing an average of 1000 L of potable water a day, three novel off-grid systems are created using the energy modeling software Polysun with weather data from Balasore, India. Two PVT models and three different HPs identified on the market are considered for the systems. The PVTs differ in terms of glazing, and the HPs have various heating capacities and max water supply temperatures, with one being an air source heat pump (ASHP) and two water source heat pumps (WSHP). One configuration of each combination of PVT and HP is created and optimized in terms of MD modules, battery storage capacity, and feed flowrate, evaluated based on the Key Performance Indicators (KPI) production cost, PVT area, and average daily yield. Furthermore, two different controller strategies are evaluate
Indien upplever en bitter utmaning med vattenresurser, där bristande tillgänglighet till säkert dricksvatten är attribuerat nära 200 000 dödsfall per år. Befolkningen på landsbygden är särskilt utsatt då grundvattnet representerar 85 % av deras dricksvatten, som till stor del rapporterats som förorenat. En föroreningskälla är fluorid, vilket har identifierats i koncentrationer långt över den rekommenderade gränsen av World Health Organization (WHO), som leder till allvarliga hälsoeffekter som skelettfluoros. Även fast Indien har gjort stora framsteg inom elnätsanslutningar för hushåll, är elektricitetstillgången opålitligt, speciellt på landsbygden. Membrandestillation (MD) är en värmedriven vattenreningsteknik som uppnår utmärkta reduktionsnivåer av fluorid. Det har forskats om flera system med olika kombinationer av tekniker integrerade med MD, där användningen av hybridsolpaneler (PVT) och värmepumpar (HP) har fått ett ökande intresse på sistone. Dessa två tekniker har, till författarens bästa kännedom, aldrig blivit integrerade tillsammans för MD, vilket är grunden för denna uppsats. Med målet att uppnå en genomsnittlig dricksvattenproduktion på 1000 L per dag, har tre egenartade system skapats i energimodelleringsprogrammet Polysun med väderdata baserad på Balasore, Indien. Två PVT modeller samt tre olika värmepumpar är identifierade på marknaden och implementerade i systemen. PVT modellerna skiljer sig i främst i relation till glasering. Värmepumparna har olika värmekapaciteter samt övre gräns på levererad vattentemperatur, varav en är en luftvärmepump (ASHP) och de två resterande vattenvärmepumpar (WSHP). En konfiguration av varje kombination av PVT och HP skapas och optimeras i relation till MD moduler, batterilagring, och flödeshastighet, som utvärderas med prestandaindikatorerna (KPI) produktionskostnad, PVT yta, samt genomsnittlig dricksvattenproduktion. Två olika kontrollstrategier undersöks även baserat på dricksvattenproduktionen, där en strategi prior