Bütünleşik fotovoltaik-ısı pompası sisteminin performans analizi
Performance analysis of photovoltaic-heat pump integrated system
Yazar: AHMET NUMAN ÖZAKIN
Danışman: PROF. DR. KENAN YAKUT
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemlerin en genel problemi olan hücre sıcaklığı artışıyla meydana gelen elektrik verimi düşüşünün önlenebilmesi amacıyla fotovoltaik ısı pompası bütünleşik deney düzeneği kurulmuştur.
Yöntem: Bu amaç doğrultusunda, fotovoltaik ısı pompası bütünleşik deney düzeneğinde, farklı coğrafi bölgelerde ölçülen güneş ışınımları (500 W/m2, 650 W/m2, 800 W/m2, 950 W/m2 ve 1100 W/m2), fotovoltaik sistem üzerine halojen güneş simülatörü ile yönlendirilerek bütünleşik sistemin performansı analiz edilmiştir. Bütünleşik sistemin ısı pompası bölümünde kullanılmak üzere özgün bir evaporatör imal edilmiştir. Bu evaporatör içerisinde Taguchi deney optimizasyonu yöntemine göre kanal akışında optimize edilmiş delta,  silindirik, daralan genişleyen dizilişli dikdörtgen ve altıgen şekillerdeki ısı alıcıların bazı parametreleri kullanılarak bütünleşik sistemin ekserji verimine etkileri deneysel olarak araştırılmıştır. Ayrıca ANSYS-Fluent yazılımı yardımıyla evaporatör içerisindeki faz dönüşümü deneysel sınır şartları kullanılarak analiz edilmiş ve görselleştirilmiştir.
Bulgular: Bütünleşik sistemin fotovoltaik kısmında hücre sıcaklığının 45 °C ve daha yüksek değerlere ulaşmasıyla elektrik veriminde ortaya çıkan düşüş göz önünde bulundurularak çalışma aralığı 45-25 °C olarak belirlenmiştir. Altıgen kanatçıklı evaporatörde 800 W/m2, 950 W/m2 ve 1100 W/m2 ışınımları için ekserji verimleri sırasıyla %29,8, %31,41 ve %32,55 olarak hesaplanmıştır.
Sonuç: Elde edilen bulgulara göre 500 W/m2 ve 650 W/m2 ışınım şiddetlerinde hücre sıcaklıklarının önemli ölçüde artmaması sebebiyle soğutma ihtiyacının olmadığı belirlenmiştir. Fotovoltaik ısı pompası bütünleşik sisteminde maksimum ekserji verimi, bütün ışınım şiddetlerinde daralan genişleyen yapıda altıgen kanatçıklı evaporatör ile elde edilmiştir. Altıgen kanatçıklı evaporatörde en yüksek ekserji verimi 1100 W/m2 ışınım için %32,55 olarak elde edilmiştir.

Abstract:
Purpose: In this study, an experimental setup has been established for the purpose of prevent the decrease in electrical efficiency caused by the increase in cell temperature, which is the most common problem of photovoltaic systems that convert solar energy into electrical energy. 
Method: For this purpose, the solar radiation (500 W/m2, 650 W/m2, 800 W/m2, 950 W/m2 and 1100 W/m2) measured in different geographic regions was directed onto the photovoltaic heat pump integrated experimental setup by using halogen solar simulator and the performance of the system was evaluated. A unique evaporator has been designed to be used in the heat pump part of the integrated system. In this evaporator, some parameters of the geometries optimized with the Taguchi optimization method were used in the channel flow previously for the placement of the fins. Thus, the effects of the integrated system on exergetic efficiency have been investigated by using anlarged-contracted arrayed rectangular and hexagonal, delta and cylindrical shaped fins. Also, the phase change in the evaporator was analyzed and visualized using the experimental boundary conditions via the ANSYS-Fluent software.
Findings: The operating temperature is determined as 45-25 °C considering the decrease in electrical efficiency by reaching 45 °C and higher values in the photovoltaic part of the integrated system. With the hexagonal finned evaporator, the exergetic efficiencies for 800 W/m2, 950 W/m2 and 1100 W/m2 radiations were calculated as 29.8%, 31.41% and 32.55% respectively.
Results: According to the results, it was determined that there was no need for cooling due to the fact that the cell temperatures did not increase significantly at 500 W/m2 and 650 W/m2 radiations. In the photovoltaic heat pump integrated system, the maximum exergetic efficiency has been achieved with evaporator which hexagonal finned in contracted-expanded arrangement at all radiations. With the hexagonal finned evaporator, the maximum exergetic efficiency was calculated as 32.55% for 1100 W/m2 radiation.