Yeni bir tip fotovoltaik termal güneş kollektörlü soğutma sistemi tasarımı ve performans analizi
A new type of photovoltaic thermal solar collector refrigeration system design and performance analysis
Yazar: BURAK AKTEKELİ
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Enerji taleplerinin gün geçtikçe artması fosil yakıtların tüketimini de arttırmaktadır. Bundan dolayı alternatif enerji kaynaklarına ve enerji verimli sistemlere yönelim artmaktadır. Bu tez çalışmasında, yüksek performans katsayısına (COP) sahip, şebekeden bağımsız, sürdürülebilir yeni bir tip Fotovoltaik Termal (PVT) güneş kollektörlü soğutma sistem tasarım konsepti sunulmuştur. Gerçekleştirilen çalışmada, soğutma ve kurutma teknolojisi için özellikle verimli olarak çalışacak bir tasarım ortaya konmuştur. Bu tasarım doğrultusunda sistem, mod 1 kurutma modu ve mod 2 soğutma modu olmak üzere iki ayrı modda test edilmiştir. Mod 2 soğutma modunda gerçekleştirilen deneylerde evaporatör yüzeyinde oluşan buz çözme (defrost işlemi) ek enerji tüketilmeden gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistemde güneş enerjisi ve ısı pompası ile elde edilen ısı ile soğutma performansını etkileyen defrost işleminde buzu çözerek daha verimli bir soğutma gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistemin buz çözme işlemini başarılı bir şekilde gerçekleştirebilmesi için beş farklı otomasyon senaryosu geliştirilmiştir. 24 saatlik periyotlarda Deney 1 ve Deney 2 olmak üzere iki deney gerçekleştirilmiş ve ortalama COP ve ekserji verimi sırasıyla 2,29 ve 2,25 ile %25,74 ve %24,45 olarak hesaplanmıştır. Defrost sırasında soğuk odadaki sıcaklık değişiminin maksimum 2°C olduğu gözlemlenmiştir. PVT kolektöründen üretilen toplam enerji Deney 1'de 2,85 kWh, Deney 2'de ise 2,79 kWh olmuştur. Mod 1 kurutma modunda nane yapraklarının kurutulması ile 2 deney gerçekleştirilerek sistem test edilmiştir. Ortalama PV elektriksel, PVT elektriksel, PVT termal ve ekserji verimi değerleri sırasıyla %15,97 - %16,31, %18,21 - %18,23, %55,35 - %42,04 ve %27,90 - %22,77 arasında değişmiştir. PVT sisteminin soğutulmasıyla elde edilen verimlilik kazançları %2,24 ve %1,92 olarak hesaplanmıştır. Kurutma modu için her iki deneyin COP değerleri 3,15 ve 2,86 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen bulgular ile, güneş enerjisi teknolojisine katkı sağlayan PVT yapısı ile entegre edilmiş, soğutucular için yeni bir defrost yöntemi ortaya konulmuştur.

Abstract:
Increasing energy demands day by day increases the consumption of fossil fuels. Therefore, the trend towards alternative energy sources and energy efficient systems is increasing. In this thesis, a new type of off-grid, sustainable Photovoltaic Thermal (PVT) solar collector cooling system design concept with high coefficient of performance (COP) is presented. In the study, a design that will work especially efficiently for refrigeration and drying technology has been put forward. In line with this design, the system was tested in two different modes, mode 1 drying mode and mode 2 refrigeration mode. In the experiments carried out in Mode 2 refrigeration mode, the defrosting process on the evaporator surface was carried out without additional energy consumption. In the designed system, a more efficient refrigeration was realised by defrosting the ice in the defrost process, which affects the refrigeration performance with the heat obtained by solar energy and heat pump. Five different automation scenarios have been developed for the designed system to perform the defrosting process successfully. Two experiments, Experiment 1 and Experiment 2, were carried out in 24 hour periods and the average COP and exergy efficiency were calculated as 2.29 and 2.25, 25.74% and 24.45%, respectively. It was observed that the temperature change in the cold room during defrosting was maximum 2°C. The total energy produced from the PVT collector was 2.85 kWh in Experiment 1 and 2.79 kWh in Experiment 2. This system was tested by performing 2 experiments with drying mint leaves in Mode 1 drying mode. The average PV electrical, PVT electrical, PVT thermal and exergy efficiency values varied between 15.97% - 16.31%, 18.21% - 18.23%, 55.35% - 42.04% and 27.90% - 22.77%, respectively. The efficiency gains obtained by refrigerating the PVT system were calculated as 2.24% and 1.92%. For the drying mode, the COP values of both experiments were calculated as 3.15 and 2.86. With the findings obtained, a new defrosting method for coolers integrated with PVT structure, which contributes to solar energy technology, has been put forward.