Monokristalin yapılı PV/T sistemde kolektif soğutma uygulaması ve nanoakışkan kullanımının PV panel verimine etkilerinin deneysel ve matematiksel analizi
Experimental and mathematical analysis of the effects of collective cooling application and nanofluid use on PV panel efficiency in a monocrystalline PV/T system
Yazar: AHMET AYDIN
Danışman: PROF. DR. HÜSEYİN AYDIN
Batman Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akışkanlar = Fluids ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Soğutma = Cooling

Özet:
Artan enerji ihtiyacını karşılamak ve oluşan çevre kirliliğini azaltmak için düşük emisyonlu, daha ekonomik ve yüksek verimli olan yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi artmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlisi enerjisini sınırsız bir doğal kaynaktan alan güneş enerjisidir. Fotovoltaik hücreler güneş ışınlarının bir bölümünü emerek elektrik enerjisine çeviren yapılardır. Bu çalışmada, monokristalin yapılı bir PV panelin, bir PV/T sistemde kolektif soğutma uygulaması ve nanoakışkan kullanımında PV panel verimine etkilerinin deneysel ve matematiksel analizi gerçekleştirilmiştir. Bir PV panelde öncelikle sadece kanatçıklar ile soğutma durumunda sıcaklık düşüşü ve panel verim artışı incelenmiştir.  Daha sonra kanatçıklı durumda sabit bir akışkan debisinde, su soğutmalı ve ağırlıkça 3 farklı oranda (%0,2, %0,4 ve %0,6) hazırlanan Al2O3-su, TiO2-su ve CuO-su seramik nanoakışkanlı soğutmanın sıcaklık azalışı ve panel verimine etkisi incelenmiştir. Deney sonuçlarına göre; kanatçıklı panellerin sıcaklıkları genel itibarıyla kanatçıksız panel ile kıyaslandığında kanatçıklı (silindirik kanatçıklı ve levha kanatçıklı) panellerin, daha etkili bir soğutma yaptığı gözlemlenmiştir. Genel itibarıyla kanatçıksız panel ile karşılaştırıldığında silindirik ve levha kanatçıklı panellerde yaklaşık olarak sırasıyla %2,62, %1,52'lik bir verim artışı ve %4,87, %2,36'lık bir güç artışı olmuştur. Ayrıca silindirik kanatçıklı panelde de levha kanatçıklı panele göre %1,08'lik bir verim artışı ve %2,45'lik bir güç artışı olmuştur. Su soğutmalı ve nanoakışkan soğutmalı panellerin tüm türlerinde genel itibarıyla kanatçıklı panele göre daha etkili bir soğutma yaptıkları görülmüştür. Genel olarak kanatçıksız-soğutmasız panel ile karşılaştırıldığında su soğutmalı-kanatçıklı panelde yaklaşık olarak %3,57'lik bir elektriksel verim artışı olmuştur. Su soğutmalı ve ağırlıkça %0,2 ve %0,4 oranlarında hazırlanan nanoakışkan soğutmalı paneller arasında en büyük sıcaklık düşüşleri sırasıyla; TiO2-su, Al2O3-su, CuO-su nanoakışkanlı paneller ve su soğutmalı panel şeklinde olmuştur. Gün boyunca ağırlıkça %0,2 oranında ortalama olarak en yüksek güç artış oranlarına bakıldığında Al2O3-su, TiO2-su, CuO-su ve su soğutmalı paneller için sırasıyla %4,344, %4,058, %3,420 ve %2,693 olarak görülmüştür. Neticede en yüksek güç artış oranı ağırlıkça %0,2 oranında Al2O3-su nanoakışkan soğutmalı panelde görülmüştür. Genel itibarıyla ağırlıkça %0,2, %0,4 ve %0,6 oranlarında hazırlanan Al2O3-su, TiO2-su, CuO-su nanoakışkanlı soğutma türlerinin tümünde, su soğutmalı panele göre daha büyük güç artışı, ısıl verim, toplam verim ve ısı taşınım katsayısı değerlerinin gerçekleştiği görülmüştür.

Abstract:
The importance of renewable energy sources has been increased that they are more economic and highly efficient to meet the increasing energy needs and low emission to reduce environmental pollution. The most important renewable energy sources are solar energy, which take the energy from an unlimited natural source. Photovoltaic cells are structures that absorb some of the solar radiation and convert them into electrical energy. In this study; the experimental and mathematical analysis were performed on the PV panel efficiency in a heat fin passive cooling and a collective cooling consisting of heat fin in an enclosed fluid cooling by use of nanofluids in a PV/T system using a monocrystalline PV panel. Initially, the temperature drop and panel efficiency increase in case of cooling only with fins were investigated in a PV panel. Then, the temperature decreases and corresponding performance increase of Al2O3-water, TiO2-water and CuO-water ceramic nanofluid cooling, which were prepared in 3 different ratios in mass (0.2%, 0.4% and 0.6%) and water-cooled at a constant fluid flow rate were investigated. According to the test results; it has been observed that when the temperatures of the finned panels are compared with the standard panels, the finned (cylindrical-finned and plate-finned) panels provide more effective cooling. Compared to the standard panel, there were efficiency increases of approximately 2.62%, 1.52% and power increases of 4.87% and 2.36%, respectively in cylindrical and plate-finned panels. In addition, there was an efficiency increase of 1.08% and a power increase of 2.45% in the cylindrical-finned panel compared to the plate-finned panel. As for the collective cooling applications, it has been observed that all types of water-cooled and nanofluid-cooled panels had more effective cooling. In general, there was an electrical efficiency increase of approximately 3.57% in the water-cooled-finned panel compared to the finless-uncooled panel. The highest temperature drops among the nanofluid cooled panels, were respectively for TiO2-water, Al2O3-water, CuO-water nanofluid prepared at 0.2% and 0.4% in mass. The highest power average increase rates were for 0.2% nanofluids during a day. It was observed that the highest power increase rates were 4.344%, 4.058%, 3.420% and 2.693% for Al2O3-water, TiO2-water, CuO-water and water-cooled panels, respectively. As a result, the highest power increase rate of 0.2% by weight was observed in the Al2O3-water nanofluid cooled panel. As a result, in all cooling types with Al2O3-water, TiO2-water and CuO-water nanofluids prepared at 0.2%, 0.4% and 0.6% by mas; the greater power increase, thermal efficiency, total efficiency and heat convection coefficient were obtained in comparison to the water-cooled and non-cooled panels.