Yoğunlaştırıcılı fotovoltaik panel tasarımı, imalatı ve deneysel analizi
Designing, manufacturing and experimental analyzing of concentrated photovoltaic panel
Yazar: SADIK ZUHUR
Danışman: PROF. DR. İLHAN CEYLAN
Karabük Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2019
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Konut ısıtma = Residential heating ; Soğurmalı soğutma çevrimi = Absorption refrigeration cycle

Özet:
Bu çalışmada, ısıtma ve soğutma amaçlı iki adet binaya entegre fotovoltaik (BeFV) sistem tasarlanmıştır. Tasarlanan sistemleri test etmek amacıyla, deney düzenekleri hazırlanmış ve sistemler üzerinde enerji, ekserji ve çevresel maliyet analizleri yapılmıştır. Binaya entegre fotovoltaik sistemlerden kış mevsiminde ısıtma amaçlı olarak faydalanabilmek için sistemler havalı kollektör şeklinde dizayn edilmiştir. Sistem bu şekliyle binaya entegre fotovoltaik termal sistem olarak isimlendirilebilir. Kış mevsiminde güneş ışınımının az güneşlenme süresinin kısa olmasından dolayı yeterli ufleme havası sıcaklıklarına ulaşılabilmesi için aynı zamanda sisteme yoğunlaştırıcı ilavesi de yapılmıştır. Sistem son haliyle binaya entegre yoğunlaştırıcılı fotovoltaik termal sistem olarak (BeYFVT) adlandırılmıştır.  

Yapılan bu tez çalışması neticesinde, çevre sıcaklığı ortalama 7 - 8 °C iken iç ortam sıcaklığı yoğunlaştırıcı kullanılmadığında ortalama 26 °C, kullanıldığında ise ortalama 32 °C olarak ölçülmüştür. Kış mevsiminde, yoğunlaştırıcı kullanarak panel arkası sıcaklığının artırılması kolektör çıkışındaki havanın sıcaklığını da artırmıştır. Panel arkası sıcaklığının artması, yoğunlaştırıcı kullanılmayan sistemlere göre elektriksel verimi azaltmıştır ancak yoğunlaştırıcı kullanımı sistemden elde edilen faydalı ısı ve elektrik enerjisini artırmıştır. Bu durum neticesinde, toplam termal enerji verimi yoğunlaştırıcı kullanılan ve kullanılmayan sistemler için ortalama %50 olarak hesaplanmıştır. Fakat termal enerji kazanımları yoğunlaştırıcılı sistem için 250 W yoğunlaştırıcı kullanılmayan sistem için ise 150 W olarak hesaplanmıştır.

Tez çalışması deney setlerinden olan Yoğunlaştırıcılı Fotovoltaik Soğutucu, sıcak yaz günlerinde soğutma ve elektrik üretme amacıyla tasarlanmıştır.  Yapılan deneyler sonucunda, yoğunlaştırıcı kullanımı termal enerji çıkışını etkilememiştir ancak yoğunlaştırıcı kullanılan sistemde ekserji çıkışı, kullanılmayan sistemlere göre 15 W'tan 75 W civarına kadar çıkmıştır. Aynı zamanda, yoğunlaştırıcı kullanımı termal enerji verimini azaltırken ekserji verimini artırmıştır. Yoğunlaştırıcı kullanımı ile panel arkası sıcaklıkları artmış dolayısı ile elektriksel verim, yoğunlaştırıcı kullanılmayan sistemlere göre düşmüştür. Yapılan çevresel maliyet analizine göre CO2 üretiminin azaltımından kaynaklı olarak sistemden saatte ortalama 0.7 ¢ tasarruf elde edilmiştir.

Abstract:
In this study, two Building integrated Photovoltaic (BiPV) systems were designed for heating and cooling. In order to test the designed systems, experimental setups were prepared and energy, exergy and environmental cost analyzes were done on the systems. In order to utilize the building integrated photovoltaic systems for heating purposes in winter, the systems are designed as air collectors. The system can thus be called a building integrated photovoltaic thermal system. Due to the short sunbathing time of the solar radiation during the winter season, a condenser was added to the system in order to reach sufficient blowing air temperatures. The system final form is called a building integrated concentrated photovoltaic thermal system (BiCPVT).

As a result of this thesis, when the outdoor temperature is around 7 - 8 °C, average indoor temperature is measured 26 °C when no concentrator is used, and it is measured as 32 °C on average when concentrator is used. In winter, using a concentrator to increase the temperature of the back of the panel increased the temperature of the air leaving the collector. The increase in the temperature back of the panel reduces the electrical efficiency compared to the systems in which the concentrator is not used, but the use of the concentrator increases the useful heat and electrical energy obtained from the system. As a result, the total thermal energy yield was calculated to be average 50 % for systems using and not using concentrator. However, the thermal energy gains are calculated as 250 W for the concentrated system and 150 W for the non-concentrated system.

The Concentrated Photovoltaic Cooler, which is one of the thesis experiment sets, is designed for cooling and generating electricity during hot summer days. As a result of the experiments, the use of concentrator did not affect the thermal energy output, but the exergy output in the concentrated system increased from 15 W to 75 W compared to the unused systems. At the same time, the use of concentrator increased the efficiency of exergy while reducing thermal energy efficiency. With the use of the concentrator, the temperature back of the panel increases, so that the electrical utility concentrator falls down compared to the unused systems. According to environmental cost analysis, because of the CO2 mitigation, the system saves an average of 0.7 ¢ per hour.