Fotovoltaik panellerde verim artırıcı nano yapılı kaplamalar
Nanostructed efficiency-enhacing coatings on photovoltaic panels
Yazar: ALİ SAMET SARKIN
Danışman: DOÇ. DR. NAZMİ EKREN ; PROF. DR. ŞAFAK SAĞLAM
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering
Dizin: Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Fotovoltaik = Photovoltaic ; Paneller = Panels ; Verimlilik geliştirme = Productivity development ; Yüzey kaplama = Surface coating

Özet:
Güneş enerjisinden elektrik üretimi yöntemlerinden olan fotovoltaik (PV) yöntemde, güneş ışığının bir kısmı PV panelin koruyucu camından geri yansır, bir kısmı kırılır bir kısmı ise saçınır. Yansımayı engellemek için yansıma engelleyici kaplamalar kullanılmaktadır. Bulundukları iklim ve coğrafi şartlara göre yıl içinde üzerlerinde kum, toz, kir ve organik atıklar birikebilir. Üzerlerine kaplanan kirleticiler ile ışık geçirgenliği azalır, elektrik enerjisi üretimleri azalır ve verimleri düşer. Verim kaybını önlemek için PV paneller üzerine yansıma engelleyici ve kendi kendini temizleme özellikli kaplamalar yapılmaktadır.
Bu tez çalışmasında; yansıtma engelleyici ve kendi kendini temizleme özelliklerini birlikte gösteren tek katlı bir kaplama literatürde bulunmayan yeni bir yöntem olarak 3 boyutlu yazıcı ile yapılmıştır. Bu yöntemin kullanılması ile kaplamasız panelden daha fazla elektrik enerjisi elde etmek amaçlanmıştır. 3 boyutlu yazıcının yanında alternatif yöntem olarak elektrospinning yöntemi de denenmiş ancak uygulamaları başarılı olmamıştır.
Laboratuvar çalışmaları kapsamında farklı formasyonlar ile denenen uygulamalar sonucunda 1,6 gr PLA, 20 ml CHCl3, 0,025 gr SiO2 ve 0,025 gr TiO2 nano parçacık içeren sol-jel elde edilmiştir. 3 boyutlu yazıcı ile yapılan kaplamalarda %84 ışık geçirgenliğine sahip, 3,122 - 8,477 µm kalınlıklarında, homojen dağılım gösteren kaplama elde edilmiştir. 5 farklı formasyona sahip olarak PV paneller üzerine yapılan kaplamaların 10 günlük dış ortam testlerinde PV-4 ve PV-5 kodlu paneller kaplamasız olana göre %4,654 ve %8,7 daha verimli olmuşlardır.
Farklı günlük hava şartlarına maruz kalan tüm PV panellerde tez çalışmasının amaçlarından olan kendi kendini temizleme özelliği hidrofobik yüzey oluşumu ile sağlanmıştır. Bu sayede yağmurlu günlerde önceden yüzeyde biriken toz partikülleri itilmiş ve panel yüzeyi herhangi dış müdahale olmaksızın kendi kendine temizlenmiştir. Test süresi içerisinde kaplamaların deforme olmadığı ve yüzeyde kaldığı gözlenmiştir. Elde edilen verilerin incelenmesi ve değerlendirilmeleri sonucunda PV paneller üzerine yapılan 5 kaplamadan 2 tanesi başarılı olarak kabul edilmiştir. Ancak kaplamaların dayanımının ömrü, ışık geçirgenliğinin zaman içerisindeki değişimi ve kaplamanın fiziksel olarak bozulumuna bağlı olarak elektriksel olarak oluşacak farklılıkların tespiti için uzun süreli test edilerek değerlendirilmesine karar verilmiştir.

Abstract:
In the PV method, which is one of the methods of generating electricity from solar energy, some of the sunlight is reflected back from the protective glass of the PV panel, some of it is refracted and some is scattered. Anti-reflection coatings are made to prevent reflection. Depending to the climate and geographical conditions where they are set up, sand, dust, dirt, and organic waste may accumulate on cover glass during the year. With the pollutants on the cover glass, the light transmittance, the generation of electrical energy, and panel efficiency decrease. In order to overcome decreasing in efficiency, anti-reflective and self-cleaning coatings are applied on PV panels.
In this thesis study; a single-layer coating that shows anti-reflective and self-cleaning properties together was made with a 3-D printer which is a new method that has not used in the literature. With the use of this method, it is aimed to obtain more electrical energy than the uncoated panel. The electrospinning method has also been tried as an alternative method to 3D printing, but its applications have not been successful.
In laboratory studies; as a result of the samples applied with different formations, a sol-gel containing 1.6 g PLA, 20 ml CHCl3, 0,025 g SiO2 and 0,025 g TiO2 nanoparticles was obtained by optimizing. In the coatings made with a 3D printer, a homogeneous coating was obtained at 84% light transmittance and 3.122 – 8.477 µm thickness. In the 10-day outdoor tests of the coatings made on 5 PV panels made with different parameters, PV-4 and PV-5 panels were 4.654 and 8.7% more efficient than the uncoated ones.
In all PV panels exposed to different daily weather conditions, the self-cleaning property, which is one of the aims of the thesis study, was achieved by obtaining a hydrophobic surface. Thus, on rainy days, dust particles that had previously accumulated on the surface were repelled, and the panel surface was self-cleaned without any external interference. It was observed that the coatings were not deformed and remained on the surface during the test period. As a result of the analysis and evaluation of the obtained data, 2 of the 5 coatings on the PV panels were accepted as successful. But it was decided to evaluate the durability of coatings by long-term testing for monitor the life span, the change in light transmittance over time, and the change in efficiency due to physical deformation of the coating.