Hibrit fotovoltaik/termal kollektör dizayni
Hybrid photovoltaic/thermal collector design
Yazar: FARUK SUBAŞI
Danışman: DOÇ. DR. SÜLEYMAN HAKAN SEVİLGEN
Yıldız Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2014
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Düz güneş toplayıcısı = Flat plate solar collector ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Hibrit enerji = Hybrid energy ; Kojenerasyon = Cogeneration ; Yarı iletken güneş pili = Semiconductor solar cell

Özet:
Fotovoltaik hücreler tarafından emilen Güneş ışınımının büyük bir kısmı elektrik enerjisine dönüştürülemez ve ısı olarak dışarı atılır. Bu atık ısı, PV hücrelerinin sıcaklığının artışına neden olarak elektrik veriminin düşmesine neden olur. PV hücre sıcaklıkları, bir akışkan sirkülasyonu ile ısı çekmek suretiyle düşürülebilir. Bu sayede panellerin elektrik dönüşüm verimleri en üst düzeyde tutulabilir. Bu prensiple çalışan Fotovoltaik-Termal kollektörler, kojenerasyon sayesinde alandan tasarruf yaptığı gibi yüksek verimlilik de sağlar.

Bu tezde, Antalya il merkezinde bulunan meteorolojik sensörlerden elde edilen, uzun süreli ölçümlerin ortalamasıyla elde edilen iklim verisi kullanılarak, seçilen parametrelerle oluşturulan Fotovoltaik-Termal kollektör performansı incelenmiştir. Bu performans analizine ek olarak aynı Fotovoltaik hücreye sahip bir Fotovoltaik modülün tek başına çalışma koşulları ve performansı belirlenip, iki sistem elektrik enerjisi üretimi değerlerince karşılaştırılmış ve yıllık bazda Hibrit sistemin daha düşük hücre sıcaklıklarına sahip olması nedeniyle daha çok elektrik enerjisi ürettiği görülmüştür.

Daha sonra kollektör eğim açısı değiştirilerek eğik yüzeye gelen Güneş ışınımı çeşitli yönlerden incelenmiş ve duyarlılık analizleri yapılmıştır. Bir diğer değişken olan akışkan debisi de yılın seçilen bazı günleri için değiştirilmiş ve elektrik enerjisindeki ve ısı enerjisi üretimindeki değişimler incelenmiştir.

En son olarak da bir tüketim tesisinde 3 adet eşdeğer kollektörün toplam yıllık enerji üretimi ve sistemin maliyeti belirlenmiş ve bu değerler, şebekeden alınan elektrik ve bu elektrikle bir elektrikli su ısıtıcısı kullanılarak elde edilen aynı miktardaki ısı enerjisinin maliyeti ile karşılaştırılmış, bir maliyet analizi yapılmıştır. Değişebilecek makro-ekonomik değerler de göz önüne alınarak eskalasyon ve iskonto oranları üzerinden duyarlılık analizi de yapılmıştır.

Abstract:
A great ratio of the Solar radiaton absorbed by a Photovoltaic Module could not be converted into electrical energy and the excess energy is rejected as heat energy. This waste heat increases the PV cell temperature and therefore decreases the electrical conversion efficiency. PV cell temperature can be decreased by removing the heat by a fluid circulation. This helps to maximise the electrical conversion efficiency. Photovoltaic-Thermal Collectors (PV/T), working with this principle, saves on the area for installation and due to the cogeneration, increases the total solar energy efficiency.

In this thesis, a long-term average climate data obtained from sensors located in Antalya province center is used to calculate the performance of a PV/T collector with selected parameters. In addition to this performance analysis, a PV module with the same PV cell parameters is used as an input to calculate the cell electrical energy conversion efficency. Results show that, comparing these 2 systems, due to the cooling effect of the circulated fluid, cell temperatures of PV/T is lower than a PV, and therefore the annual electrical yield of PV/T is higher than PV.

Later, the collector tilt angle is variated to analyse the Solar radiation on the sloped surface in various ways, and sensitivity analyses have been made. An other variable, the flow rate, is altered to analyse the changes in the energy productions under the condition of a number of selected days of the year.

The last series of calculations for a cost analysis has been made. In an energy consuming facility, such as a house, the performance of an array of 3 PV/T modules is calculated and the electrical and thermal performances of PV/ is compared with the utility electric cost and the cost of thermal energy produced by an electrical water heater. Taking the changes in some macro-economical datas into account, the escalation rate of the utility electric cost and the interest rate are varied for a sensitivity analysis, as well.