PV modüllerde sıcaklık değişiminin performansları üzerine etkisinin deneysel incelenmesi
Experimental investigation temperature changing on the PV modules performance
Yazar: RAMAZAN KAYABAŞI
Danışman: DOÇ. DR. METİN KAYA
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Teknik Eğitim = Technical Education
Dizin: Alternatif enerji = Alternative energy ; Faz değişimi = Phase change ; Fotovoltaik = Photovoltaic ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş enerjisi santrali = Solar energy plant ; Yenilenebilir enerji = Renewable energy

Özet:
Güneş enerjisi çevreci, enerji üretim potansiyeli yüksek ve çevre sorunlarına çözüm olabilecek potansiyele sahip yenilenebilir enerji kaynağıdır. Kırsalda, sanayide veya büyük ölçekli santral uygulamalarıyla güneş enerjisinden PV uygulamalar ile doğrudan elektrik enerjisi üretmek mümkündür. Son yıllarda PV sistem verimlerinin artması ve maliyetlerin azalması yaygınlaşmasını sağlamıştır. Fakat hala PV sistemlerde verim artışı için araştırılması ve çözüm bulunması gereken sorunlar bulunmaktadır. Bu sorunlardan biri modül sıcaklığının artması sonucu oluşan verim kaybıdır.
Yapılan deneysel çalışmada iki grup halinde PV, PV/T, PV/FDM ve PV/T/FDM monokristal ve polikristal modül ile şebeke bağlantısız PV sistem kurulmuştur. Sistemde kullanılan modüller 10W güce sahiptir. PV monokristal ve polikristal modüller referans modüllerdir. PV/T modüller arka yüzeyine ısı borusu uygulanan modüllerdir. PV/FDM modüller arka yüzeyi silikon kaplı FDM dolgulu modüllerdir. PV/T/FDM modüller ısı borulu ve arka yüzeyi makro kapsül FDM uygulanmış modüllerdir. Isı borulu modüllerde dolaşım akışkanı olarak su kullanılmıştır. PV/T modüllerin yüzeyinden su ile çekilen ısı alüminyum eşanjöre yönlendirilmiş ve burada TEJ modül ile elektrik üretilmektedir. TEJ modüller tabii ve cebri olarak iki farklı yapıda soğutma sistemine sahiptir. Deneylerde yaz aylarında gün içinde referans modüllerde sıcaklık 20-80 °C, PV/T modüllerde 20-50 °C, PV/FDM modüllerde 20-66 °C ve PV/T/FDM modüllerde 20-37 °C arasında değişmektedir. Monokristal ve polikristal modüllerin sırasıyla sıcaklığa bağlı verimleri PV %10 ile 16, PV/T %3 ile 5, PV/FDM %10 ile 15 ve PV/T/FDM %1 ile 4 arasında düşmektedir. PV modüllerde ısı borusu ve FDM'nin birlikte kullanılması sıcaklığı düşürmek ve anlık sıcaklık dalgalanmasını engellemek için ideal bir yoldur. Ayrıca modül çalışma sıcaklığının düşmesi modül ömrünü olumlu olarak etkilemektedir.
Yapılan çalışmada PV modül çıkış gücü standart test koşullarında 10 W iken, modül sıcaklığı 40 °C'ye ulaştığında 9.53 W, 60 °C'ye ulaştığında 9.01 W ve 80 °C'ye ulaştığında 8.61 W'tır. Sıcaklığa bağlı modül verimliliği sırasıyla %4.68, %9.80, %13.83 düşmüştür. Termoelektrik jeneratörlerde tabii dolaşımlı sistemde yüzeyler arası sıcaklık farkı korunamazken cebri dolaşımlı sistemde yüzeyler arasında sıcaklık farkı korunmuştur. PV/T ve PV/T/FDM modüllerden gelen akışkan sıcaklığına bağlı olarak TEJ modül yüzeyinde 50 °C'ye kadar sıcaklık farkı oluşmuştur. TEJ'de yüzeyler arası sıcaklık farkı 15°C'ye ulaştığında modüllerde gerilim 0.95 V akım 0.42 A ve modül çıkış gücü 0.403 W olmaktadır.

Abstract:
Solar energy is a renewable energy source that is environmentally friendly, has a high energy production potential and has the potential to be a solution to environmental problems. It is possible to produce electricity directly from solar energy with PV applications in rural, industrial or large-scale power plant applications. In recent years, the increase in PV system efficiency and the decrease in costs have made it widespread. However, there are still problems that need to be investigated and solved for increased efficiency in PV systems. One of these problems is the loss of efficiency because of increasing the module temperature.
In the experimental study, an off-grid PV system was established with two groups of PV, PV/T, PV/PCM and PV/T/PCM monocrystalline and polycrystalline modules. The modules used in the system have 10W power. PV monocrystalline and polycrystalline modules are reference modules. PV/T modules are modules with a heat pipe applied on the back surface. PV/PCM modules are PCM filled modules with a silicon back surface. PV/T/PCM modules are modules with heat pipe and macro capsule PCM applied on the back surface. Water is used as the circulation fluid in heat pipe modules. The heat drawn from the surface of the PV/T modules with water is directed to the aluminum heat exchanger, where electricity is produced with the TEG module. TEG modules have two different cooling systems, natural and forced.
For Kayseri, the average sunshine duration in summer is 12 hours, and the annual average is 7.78 hours. The average daily solar radiation amount is 500W/m². During the summer months in the experiments, the temperature ranges between 20-80°C in reference modules, 20-50°C in PV/T modules, 20-66°C in PV/PCM modules and 20-37°C in PV/T/PCM modules. The temperature-dependent efficiencies of monocrystalline and polycrystalline modules, respectively, decrease between PV 10-20%, PV/T 3-5%, PV/PCM 10-15% and PV/T/PCM 1-3%. The combination of heat pipe and FDM in PV modules is an ideal way to lower the temperature and prevent instantaneous temperature fluctuation. In addition, the decrease in the operating temperature of the module positively affects the module life.
In the study, while the PV module output power is 10 W under standard test conditions, it is 9.53 W when the module temperature reaches 40°C, 9.01 W when it reaches 60°C, and 8.61 W when it reaches 80°C. The temperature-dependent module efficiency decreased by 4.68%, 9.80% and 13.83%, respectively. While the temperature difference between the surfaces cannot be maintained in the natural circulation system in thermoelectric generators, the temperature difference between the surfaces is maintained in the forced circulation system. Depending on the fluid temperature coming from the PV/T and PV/T/FDM modules, a temperature difference of up to 50 °C occurred on the surface of the TEG module. When the temperature difference between surfaces reaches 15°C in TEG, the voltage is 0.95 V, the current is 0.42 A, and the module output power is 0.403 W.