Güneş enerji sistemlerinde nanoakışkan kullanımının incelenmesi
Investigation of using nanofluid in solar systems
Yazar: İSA ÇİÇEK
Danışman: PROF. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada, fotovoltaik (PV) güneş enerji sistemlerinde panellerin elektrik verimliliğini artırabilmek amacıyla PV yüzeyinin soğutulmasında kullanılan aktif ve pasif soğutma yöntemleri üzerine literatür araştırmaları yapılmış ve son yıllarda aktif olarak yapılan bilimsel çalışmalarda kullanılan Al2O3, Ag, Fly Ash gibi metal veya metal oksitlerin su ile süspansiyonu ile elde edilen nanoakışkanların PV/T panellerde kullanımının elektriksel ve ısıl verim üzerine etkileri ansys 2021 R1 academic versiyona sahip mühendislik programı yardımıyla detaylıca simüle edilmiştir. CAD ortamında tasarımı yapılan polikristal yapıdaki 65W nominal güçteki PV'nin arka panel yüzeyine doğrudan akışlı bakır borulu kollektör laminasyonu sağlayacak şekilde yerleştirilmiştir. ansys programı ile geometriye aktarılan cam tabaka, PV, EVA, PVF, absorber plaka ve kollektör malzemelerinin fiziksel özellik atamaları engineering data modülü ile yapılmıştır. Mesh, tüm yapı için çoklu küçük element ve nodıl parçacıklarına ayrılmıştır. Simülasyon sonucu elde edilecek olan verilerin güvenilirliğini kontrol edebilmek amacıyla, deneysel çalışma Türkiye, Karabük ilinde kurulmuştur. Elde edilen yüzey sıcaklıkları, maksimum elektrik ve ısıl verimlilikleri kıyaslanmıştır.
Çözümlemenin birinci aşamasında, PV'nin soğutma olmaksızın steady state termal modülü ile belli güneş ışınım şiddeti altında ve rüzgâr hızında min.-max. yüzey sıcaklık verileri termal kamera görüntüleri ve ansys sonuçları ile görsel ve sayısal olarak elde edilmiştir. İkinci aşamada ise, mesh, hem steady state termal için hem de fluent için ayrı ayrı uygulanmış ve fluent modülünde tasarımın giriş, çıkış ve katı-sıvı temas yüzeyleri atanmıştır. Fluent içeriğinde saf su ve nanoakışkan kullanılan simülasyonlarda farklı çalışma sıvıları belirlenmiş ve aynı hacimsel oranlarda simülasyonları yapılmış ve test sonuçları panel yüzey sıcaklığı değişimleri grafikler yardımı ile kıyaslanmıştır. Bazı varsayımlar gereği, steady state termal modülü içeriğinde tasarımın PV yüzeyi normale dik olacak şekilde sabit güneş ışınım şiddeti uygulanmış, ortam sıcaklığı sabit tutularak PV ve PV/T'nin rüzgâr kaynaklı ortama açılan tüm yüzeyleri için ısı taşınımından kaynaklı enerji kaybı olduğu belirtilmiştir. Min., max. ve ortalama PV panel yüzey sıcaklıkları çözümlemelerin ardından sayısal olarak elde edilmiştir. Çalışmada momentumun, enerjinin ve kütlenin korunumu denklemleri CFD, ansys arayüzü ile uygulanmıştır. Akış rejimi, Reynolds hesaplamaları ile tanımlanmıştır. Tüm tasarıma ait verileri, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (CFD) ile çözümleyebilmek için system coupling modülü çalıştırılmış ve fluent ve steady state termal modülleri birleştirilmiştir. Çözüm verileri için response surface modülünde giriş ve çıkış akışkan sıcaklıkları, kütlesel debi, çevre sıcaklığı ve güneş ışınım şiddetine bağlı parametrik verilerinin 2 boyutlu grafiğe aktarımı sağlanmıştır. Çalışmanın son aşamasında ise, sistemin ısıl ve elektriksel verimleri ölçülmüş ve kıyaslanmıştır. 
Deneysel ve simülasyon çalışmalarında elde edilen verilere göre PV/T için nanoakışkan kullanımının, PV ve saf su kullanılan PV/T sistemine göre daha yüksek elektriksel verililiği sağladığı sonucuna varılmıştır.

Anahtar Sözcükler: Nanoakışkan, PV/T panel, ansys cfd hesaplamaları, ansys fluent ve steady state thermal modülleri, Soğutma, Al2O3, Ag, Fly Ash

Abstract:
In this study, it was investigated about the usage of the active and passive cooling method of decreasing PV surface temperature on literature investigations to enhance the electrical power efficiency of PV solar panel system and in the last years the nanofluid has been created by blending with water and the metal or metal oxide compounds such as Al2O3, Ag, Fly Ash have been actively used in the scientific studies, was simulated by means of using the Ansys 2021 r1 academic engineering software. The PV panel which was designed its structure by means of CAD designation module, has got a 65W nominal power output and the direct flow-shaped copper tubes collector, was added in its back surface providing the lamination of surface.. Glass cover, PV cell, EVA, PVF, absorber plate and tube collector were applied by Ansys geometry design module program and their termo-physical property values were assigned by Engineering data module. Mesh was devided as multiple as elements and nodes via small finity elements method for whole structure.
To make double checking the simulation and the experimental data that were obtained with PV and PV/T, an experimental work was performed in Karabuk, Turkey. Obtained data as average PV cell surface temperatures, maximum generating power point of electricity and efficiencies were compared for PV and PV/T. 
In the first stage of the study, the data min., max. and average temperatures of the PV surface which is based on solar heat flux and wind speed, was acquired by steady state thermal without any cooling. in the second stage of the study, mesh was applied for both steady state thermal and fluent modules, respectively and inlet and outlet solid-liquid contact surface were assigned. Also, the fluent was defined in the simulations applying with soften water and nanofluid which is used as some different working fluids and the simulation was done and then, the results and altering the surface temperatures were compared with the help of graphics. In accordance with some assumptions, it was applied that solar heat flux was constant value onto the perpendicular of PV surface, and it was pointed out that there was heat loses based on the heat convection coefficient of wind surrounding the PV outer surface in the event that ambient temperature was to be constant. Min, max and average surface temperature values were provided as a numerical output on CFD. In this study, momentum, energy equation and conservation of mass were applied on CFD simulation made by ANSYS interface. Laminar flow was selected and done its calculations by CFD. For all designation data, fluent and steady state thermal modules were combined under the system coupling. Then, it was provided that some of the values such as inlet and outlet fluid temperatures, mass flow rate, ambient temperature, solar heat flux, inlet flow temperature which were added to 2-D graphics based on the input and output parameters, vice versa in response surface module. In the last stage, electrical and thermal efficiency tables and graphics were created and compared each other. The results showed us nanofluid usage means that gain the useful thermal energy and enhance the electrical output. In accordance with obtained data from these experimental and simulation studies, the usage of nanofluids for PV/T, was concluded to enhancing the electrical efficiency comparing with non-cooled PV and soften water-used PV/T.

Key Word: Nanofluid, PV/T panel, ansys CFD calculation, ansys fluent and steady state thermal modules, cooling, Al2O3, Ag, Fly Ash