Fotovoltaik-termal (FV/T) modül destekli buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin deneysel analizi
Experimental analysis of photovoltaic-thermal (PV/T) module assisted vapor compression refrigeration system
Yazar: GÖKHAN YILDIZ
Danışman: DOÇ. DR. ALİ ETEM GÜREL
Düzce Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Buhar sıkıştırmalı çevrim = Vapor compression cycle ; Ekserji analizi = Exergy analysis ; Enerji analizi = Energy analysis ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Konvansiyonel soğutma = Conventional cooling ; Soğutma sistemleri = Cooling systems

Özet:
Enerji insan hayatında her geçen gün daha da önem kazanmaktadır. Dünyadaki enerji ihtiyacının büyük bir kısmı fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıtların fiyatlarındaki artış, artan talep, sonlu olması ve çevreye vermiş olduğu zararlardan dolayı araştırmacılar alternatif enerji kaynağı arayışına girmişlerdir. Çalışmalar sonucunda alternatif enerji olarak yenilenebilir enerji kaynaklarına doğru bir eğilim başlamıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında temiz ve sonsuz olmasından dolayı güneş enerjisine olan ilgi her geçen gün artmaktadır. Son yıllarda güneş enerjisi tek başına kullanıldığı gibi soğutma ve ısıtma sistemlerine entegre edilerek birleşik sistem olarak da kullanılmaktadır. Ayrıca, enerji tüketiminde soğutma sistemleri önemli bir yer tutmaktadır. Çünkü küresel enerji tüketiminde neredeyse üçte birine soğutma, ısıtma ve iklimlendirme sistemleri neden olmaktadır. Bu sebeple, soğutma sistemlerinin performansında yapılacak bir iyileştirme enerji tüketimini ciddi anlamda düşürecektir. Bu konu ile alakalı yapılan birçok çalışma bulunmaktadır. Ayrıca, son yıllarda sistemlerin tek olarak değil başka sistemlerle birleştirilerek performanstaki değişiminin analizi gün geçtikçe popüler hale gelmektedir. Günümüzde soğutma ve ısı pompası sistemlerinde güneş enerjisi desteği ile birleşik sistemler kullanılmaktadır. Bu çalışmada Fotovoltaik/Termal modül destekli buhar sıkıştırmalı soğutma sisteminin (FV/T-BSSS) performansı analiz edilmektedir. Deneyler sonucunda, FV, FV/T ve FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃)'nin modül yüzey sıcaklıkları sırasıyla 68,39 ℃, 42,43 ℃, 47,58 ℃, 49,8 ℃ ve 52 ℃ olarak tespit edilmiştir. FV, FV/T ve FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃)'nin elektrik verimleri sırasıyla %15,52, %16,32, %16,15, %16,05 ve %15,94 olarak hesaplanmıştır. BSSS ve FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃) için COP değeri sırasıyla 3,82, 3,66, 3,4 ve 3,17 olarak elde edilmiştir. BSSS ve FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃) için toplam ekserji kaybı sırasıyla 370 W, 387 W, 394 W ve 398 W olarak elde edilmiştir. BSSS ve FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃) için ekserji verimleri sırasıyla %34,33, %32,42, %30,06 ve %28,67 olarak hesaplamıştır. FV/T-BSSS (25 °C, 30 °C ve 35 °C)'nin enerji maliyeti sırasıyla 0,359 $/kWh, 0,443 $/kWh ve 0,508 $/kWh olarak hesaplanmıştır. Ayrıca, termoekonomik analiz sonucunda R_ex değeri FV/T-BSSS (25 °C, 30 °C ve 35 °C)'de sırasıyla 0,647 kWh/$, 0,686 kWh/$ ve 0,692 kWh/$ olarak hesaplanmıştır. Çevre-ekonomik analiz sonucunda FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃) için 15,17 ¢/h, 16,52 ¢/h ve 17,6 ¢/h olarak elde edilmiştir. FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃ ve 35 ℃)'de elde edilen sıcak su miktarları sırasıyla 475 L, 300 L ve 210 L'dir.

Abstract:
Energy is gaining more and more importance in human life day by day. Most of the world's energy demands are met by fossil fuels. Due to the increase in the prices of fossil fuels, increasing demand, being finite and the damage they cause to the environment, researchers have started to search for alternative energy sources. Because of the investigations, a tendency towards renewable energy sources as alternative energy has started. The interest in solar energy is increasing day by day because it is clean and endless among renewable energy sources. In recent years, solar energy has been used alone as well as integrated into refrigeration and heating systems and used as a combined system. In addition, refrigeration systems have an important place in energy consumption. Because almost one third of global energy consumption is caused by refrigeration, heating, and air conditioning systems. For this reason, an improvement in the performance of refrigeration systems will significantly reduce energy consumption. There are many studies on this subject. In addition, in recent years, the analysis of the change in performance by combining systems with other systems rather than individually is becoming more and more popular day by day. Today, combined systems with solar energy support are used in refrigeration and heat pump systems. In this study, the performance of Photovoltaic/Thermal module assisted vapor compression refrigeration system (PV/T-VCRS) is analyzed. As a result of the experiments, the module surface temperatures of PV, PV/T and PV/T-VCRS (25 ℃, 30 ℃, and 35 ℃) were determined as 68.39 ℃, 42.43 ℃, 47.58 ℃, 49.8 ℃, and 52 ℃, respectively. The electrical efficiencies of PV, PV/T, and PV/T-VCRS (25 ℃, 30 ℃, and 35 ℃) were calculated as 15.52%, 16.32%, 16.15%, 16.05%, and 15.94%, respectively. The COP values for VCRS and PV/T-VCRS (25 ℃, 30 ℃ and 35 ℃) were obtained as 3.82, 3.66, 3.4, and 3.17, respectively. The total exergy destruction for VCRS and PV/T-VCRS (25 ℃, 30 ℃, and 35 ℃) were obtained as 370 W, 387 W, 394 W, and 398 W, respectively. The exergy efficiencies for VCRS and PV/T-VCRS (25 ℃, 30 ℃, and 35 ℃) were calculated as 34.33%, 32.42%, 30.06%, and 28.67%, respectively. The energy cost of PV/T-BSSS (25 °C, 30 °C, and 35 °C) is calculated as 0.359 $/kWh, 0.443 $/kWh, and 0.508 $/kWh, respectively. In addition, as a result of the thermoeconomic analysis, the R_ex value was calculated as 0.647 kWh/$, 0.686 kWh/$, and 0.692 kWh/$ at FV/T-BSSS (25 °C, 30 °C, and 35 °C), respectively. It was obtained as 15.17 ¢/h, 16.52 ¢/h, and 17.6 ¢/h for FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃, and 35 ℃). The amounts of hot water obtained in FV/T-BSSS (25 ℃, 30 ℃, and 35 ℃) are 475 L, 300 L, and 210 L, respectively.