Yüksek yoğunlaştırıcılı bir mikro fotovoltaik/termal kombine hibrit enerji sistemi önerisi ve modellemesi
Proposal and modeling of a highly concantrated micro-photovoltaic/thermal combined hybrid energy system
Yazar: KEZİBAN ÇALIK
Danışman: DOÇ. DR. COŞKUN FIRAT
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Fotovoltaik enerji = Photovoltaic energy ; Hibrit enerji = Hybrid energy ; Yansıtıcılar = Reflectors

Özet:
Lineer Fresnel reflektörlerle (yansıtıcılarla) entegre bir fotovoltaik (PV) sistem, bir termal soğutma sistemi ile birleştirildiğinde çok çekici bir enerji üretim sistemi ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir lineer Fresnel reflector sistemine alıcı olarak entegre edilmiş bir PV panel ile, basit ve fakat özgün bir konfigürasyona sahip yoğunlaştırıcılı bir fotovoltaik-termal (CPV/T) sistem teorik olarak elde edilerek teknik modellemesi yapılmaktadır. Öngörülen bu sistem optik, elektriksel ve termal kısımlardan meydana gelmektedir. Üretim kolaylığı ve düşük maliyetli olmasının yanı sıra aynı zamanda daha az yer kaplayan düzlemsel aynalar sistemin optik kısmını, yüksek verimli ve son derece dayanıklı monokristal PV panel systemin elektriksel kısmını ve diğer soğutma konfigürasyonlarına göre daha verimli olan PV "alıcının" arka yüzeyine yerleştirilen kanallardan su geçirilmesi suretiyle oluşturulan sistem de önerilen PV/T systemin termal kısmını oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasıyla önerilen CPV/T sistemi, bir durum çalışması olarak İstanbul şehri için incelenmektedir. İstanbul iline ait güneş radyasyonu verileri kullanılarak yapılan bu durum çalışmasının sonuçları, İstanbul iline ait güneş ışınım değerlerinin diğer illerle karşılaştırıldığında görece düşük olmasına karşın, önerilen böyle bir enerji üretim sisteminin, daha yüksek güneş enerjisi değerlerine sahip lokasyonlarda uygulanması halinde daha cazip sonuçlar elde edileceği hususunda ümit verici ve yol gösterici olmaktadır.
Çalışmada, saatlik direk normal radyasyon (HDNI) dikkate alınarak, yılın her ayını "temsil eden günler" için, gün doğumundan gün batımına kadar geçen sürede, aynaların eğim açıları saatlik olarak tüm aylar için hesaplanmaktadır. Hesaplamalarda, literatürdekinden farklı olarak bilgisayar yardımıyla geometrik hesaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Aynalara gelen güneş radyasyonundan en fazla faydanın sağlanabilmesi için, aynaların her biri farklı açılara sahip olacak şekilde güneşi izlemelidir. Saatlik açı hesapları yapılarak bir izleme mekanizması oluşturulmaktadır. İzleme yapılıyor olmasına rağmen, sistemin bir yansıtıcı sistem olması sebebiyle, doğası gereği sistemin optik kısmında kayıplar oluşmaktadır. Örneğin, yansıtma mekanizması sebebiyle, gelen güneş radyasyonu ile ayna normali aynı doğrultuda olamayacağı için kosinüs kayıpları kaçınılmaz olarak meydana gelmektedir. İzleme sistemi ile bu kayıp azaltılsa da kaçınılmazdır. Bu tür bir optik kaybın dışında, aynaların birbirini gölgelemesi, engellemesi, alıcı destek elemanları ve alıcının kendisinin aynaları gölgelemesi gibi nedenlerle ve alıcıda enine ve/veya boyuna uçlarda kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıpların yanında, hava koşullarından, izleme sistemi konstrüksiyonundan kaynaklı izleme hassasiyetinin azalması gibi kayıplar da meydana gelmektedir ancak bu kayıplar bu çalışmada ihmal edilmektedir. 
Sistemin optik verimini tespit etmek amacıyla kullanılan birçok benzetim yazılımı olmasına rağmen, başlangıçta bir deneme yapmak amacıyla, kullanım kolaylığı sağlayan Tonatiuh isimli yazılım ile optik modelleme yapılmıştır. Ancak gerek Tonatiuh gerekse diğer modelleme programlarında optik verim, sadece bir parametrenin sabit tutulup diğer parametrelerin değiştirilmesi suretiyle hesaplanabilmektedir. Bu tez çalışmasında, daha hassas bir hesap yapmak ve sistemde doğru optimizasyonların yapılabilmesi için, kayıpların doğrudan ölçümler yaparak tespit edilmesini sağlayan bilgisayar destekli vektörel çizim programları ile optik modelleme yapılmaktadır. Modelleme yılın her ayını temsil eden gün için, gün doğumundan gün batımına kadar saatlik olarak yapılmaktadır.
Sistemde, nispeten ekonomik olan yansıtıcılarla toplanan güneş radyasyonu, daha küçük alana sahip olan bir alıcı (PV panel) üstüne yoğunlaştırılarak gönderilmektedir. Bu yoğun radyasyon, PV panelin aşırı ısınmasına ve bunun sonucunda da PV hücrelerde bozulmalara ve en önemlisi de panelin elektriksel veriminin düşmesine neden olmaktadır. Verim düşüşünü önlemek amacıyla, PV panelin arka yüzeyine yerleştirilen kanallar içerisinden soğutucu akışkan olarak su dolaştırılarak PV panel soğutulmuş ve verim düşüşü önlenmiş olmaktadır. Bununla birlikte, nispeten düşük sıcaklıkta da olsa, örneğin evsel kullanıma uygun sıcaklıklarda çıkış suyu elde edilerek, bir PV/T sistem meydana getirilmektedir. Böylece öngörülen sistem hem elektrik hem de termal enerji üreterek, toplamda daha verimli bir sistem elde edilmiş olmaktadır.

Abstract:
Solar energy systems are based on the extraction of energy from solar radiation. These systems can be used to generate thermal energy only or electrical energy only, but also electrical and thermal energy together. The system can be selected depending on the purpose of use. Important parameters in the selection are the amount of the initial investment, maintenance and operating costs and the investment for the area.
PV systems are energy systems that provide electrical energy directly from sunlight and operate according to the photovoltaic effect. The efficiency of monocrystalline silicon cells (mono-Si or c-Si) is on average 18-25%. Their production is expensive, since pure Si crystal is needed for the construction of the cells, but their high efficiency makes this type of cells ideal for long-term investments.
Concentrator photovoltaic (CPV) systems are energy systems that direct sunlight by concentrating it onto a relatively small PV area with high efficiency, using low-cost reflective materials, mercekes, or mirrors to increase PV system efficiency and avoid expensive PV systems. Photovoltaic/thermal (PV/T) systems are an integration of photovoltaics and thermal components. While the energy efficiency of the system increases with the use of PV/T, the cost of energy generation becomes lower than direct PV panels.
Concentrator photovoltaic/thermal (CPV/T) systems are attracting increasing attention from the scientific community and industrial manufacturers due to their flexible applicability, manufacturability, and high efficiency, as well as the ability to develop innovative system designs. In CPV/T systems, which are a combination of CPV and thermal systems, solar radiation incident on the collector surface is concentrated and reflected onto a PV panel. As a result of this process, the temperature of the PV surface rises to high levels due to the condensed radiation, so the PV panel must be cooled with different refrigerants depending on the design. If it is chosen a concentrated system with a lower cost reflector over a direct system, the radiation intensity on the PV cells can be increased and get a more economical system.
In this work, a simple but unique CPV/T system configuration is theoretically identified by integrating a PV panel into a linear Fresnel reflector system as a receiver, and its technical modeling is performed. The proposed system consists of optical, electrical and thermal parts.
The optical section consists of linear Fresnel mirrors. According to the design principle of Fresnel mirrors, the optical elements are divided into parts and are given the shape of a parabola, creating an optical effect similar to that of a parabolic trough. These types of systems are more economically advantageous due to the simple design of the planar or slightly concave mirrors used in the system and having the smaller area compared to the other types of solar energy systems. In the optical part of the system, a "tracking system" is used to allow the mirrors to reflect more solar radiation to the receiver. Although tracking is done, there are inevitable losses in the optical field due to the nature of the system, which is a reflective system. For example, cosine losses inevitably occur because the incident solar radiation and the normal vector of the mirror cannot be in the same direction due to the nature of the reflecting mechanism. Even if this type of loss is reduced by the tracking system, there is still an unavoidable radiation loss. Apart from these optical losses, losses also occur at the transversal and/or longitudinal ends of the receiver, and due to shadowing and mutual blocking of the mirrors, the receiver's supporting elements, and the receiver itself shadowing the mirrors. In addition to these losses, weather-related losses or losses due to lower sensitivity of the tracking system may also occur, but these types of losses are neglected in this study.
In the literature, the different models of hourly, daily and monthly average solar radiation are used for the optical calculations. In this thesis, the average solar energy potential atlas (GEPA) data, noon time data and hourly direct normal irradiance (HDNI) data are considered. The average daily radiation values calculated as HDNI are higher than the GEPA and solar noon data. The calculated HDNI data provide results that are closer to the real values and allow the optical losses to be included in the calculations for each hour of the day under consideration. For these reasons, HDNI is used for the radiation calculations in this work.
Although there are many simulation software to determine the optical efficiency of the system, the optical modeling in this work was performed using Tonatiuh software, which is easy to use to perform a trial at the beginning. However, in both Tonatiuh and other modeling software, the optical efficiency can be calculated by keeping only one parameter constant and changing the other parameters. In this work, a more accurate calculation of optical efficiency was performed. The optical modeling is performed using computerized vector drawing programs that allow the losses to be determined by direct measurements (geometric) in order to make the proper optimizations in the system when needed. Modeling is performed hourly from sunrise to sunset for the representative day of each month.
In the system, solar radiation collected with relatively inexpensive reflectors is reflected by concentrating it on a receiver (PV panel) with a smaller surface area. This condensed radiation causes the surface of the PV panel to overheat, leading to degradation of the PV cells and, more importantly, a decrease in the electrical efficiency of the panel. To prevent the decrease in efficiency, the PV panel is cooled by circulating water as a coolant through the channels on the back of the PV panel. The excess and harmful heat from the PV cells transferred to the surface of the water channel in the thermal part is then transferred to the water by convection, and the cold water comes out of the system as heated water. In the calculations, since the heat transfer in the insulating layer on the back side of the PV/T system is negligible, the heat from the PV layer is not transferred to the environment by convection and/or radiation, but is completely transferred to the cooling water. It is assumed that the heat transfer occurs only in one direction (1D) between the layers, the heat transfer is not time dependent (steady state), and the cooling water flow is laminar. The water flow in the system is considered as an open system, i.e. the water coming from the grid is continuously extracted from the PV/T system via the pump as heated and transferred for the purpose of direct use or preheating or storage.
The CPV/T system proposed in this thesis is also investigated for the city of Istanbul as a case study. Although the solar radiation values of Istanbul province are relatively low compared to other provinces, the results show that such a system can be more attractive if implemented in locations with higher solar energy values.