Yenilikçi bir tasarım ile birlikte fotovoltaik panel verimliliğinin arttırılması
Increasing photovoltaic panel efficiency with an innovative design
Yazar: HASAN MİTHAT DELİBAŞ
Danışman: PROF. DR. EMRAH DENİZ
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji analizi = Exergy analysis ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Soğutma = Cooling

Özet:
Hızla artmakta olan insan nüfusu ve gelişen yaşam standartları enerji talebinin her geçen gün artmasına sebep olmaktadır. Hızla artan bu enerji talebi, fosil yakıtlara olan talebi de aynı oranda artırmakta ve bunun sonucunda küresel enerji talebinin %80'i fosil yakıtlar kullanılarak karşılanmaktadır. Ancak, doğada kendini yenileyememesi nedeniyle tükenebilir bir enerji kaynağı konumunda bulunan fosil kökenli yakıtların kullanım ömürlerinin bir sınırı vardır. Bununla birlikte, yüksek seviyelerde fosil yakıt kullanımı sera gazı etkisine sebep olarak küresel ısınma noktasında tehdit oluşturmaktadır. Bunlardan dolayı, günümüzde temiz, sınırsız ve güvenilir enerji kaynakları olan yenilenebilir enerji kaynaklarına ve bunların verimli kullanımı konularındaki araştırmalara yoğunlaşılmıştır. Dünya yüzeyine yüksek miktarda enerji taşıyabilen güneş ışınımları, enerji potansiyeli açısından diğer yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde açık ara ön planda yer almaktadır. İnsanoğlu, güneş ışınımı ile birlikte gelen bu büyük enerji miktarını fotovoltaik (PV) paneller yardımıyla, doğrudan kullanılabilen bir enerji türü olan elektrik enerjisine dönüştürebilmektedirler. PV sistemler aracılığıyla güneşten elde edilen enerjiyi kullanılabilir enerjiye dönüştürmek, diğer pek çok yenilenebilir enerji sistemine nazaran, daha kolay ve daha düşük maliyetlidir.

Bununla birlikte, PV sistemler geniş kullanım alanlarına sahip olmalarına rağmen, en büyük dezavantajlarını yine kendi tasarım ve çalışma koşullarında saklamaktadır. PV sistemlerde güneş ışınımı, bir taraftan elektrik üretiminin temelini oluştururken, diğer taraftan ise sistemin iç ve yüzey sıcaklığında artışa sebep olmaktadır. Böylelikle, soğurulan güneş ışınımının enerjisi panel üzerinden havaya aktarılarak kaybedilir. Ayrıca, PV hücrelerin enerji dönüşüm işlemi esnasında ulaştığı yüksek sıcaklık, malzeme bileşiminde bozunmaya neden olabilir. Araştırmalar hücre sıcaklığı 25°C'yi geçtikten sonra hücrelerdeki her 1°C'lik fazladan sıcaklık artışında yaklaşık olarak %0,5 ila %1 aralığında verim kaybı yaşanacağını göstermektedir. Sistem sıcaklığında yaşanan artış panellerin enerji dönüşüm verimliliğinin düşük oranlarda kalmasına, enerji ihtiyacını karşılayabilme noktasında panel yüzey alanının artmasına dolayısıyla ilk yatırım maliyetinin ciddi oranlarda yükselmesine neden olur.

Bu çalışma, temelinde endüstriyel kullanım amacıyla tasarlanmış, ağırlığının 10 katına kadar sıvıyı emme ve yayma özelliğine sahip olan selülozik bazlı süngerlerin özgün bir sistem tasarımı ile PV panellerin arka yüzeyine entegre edilmesine ve selülozik sünger üzerine nozullar aracılığıyla su aktarılarak buharlaşma entalpisinden yararlanılmasına ve dolayısı ile ısının PV sistemden uzaklaştırılması ilkelerine dayanmaktadır. 

Yapılan çalışma sonucunda, selülozik süngerin soğutucu akışkanı panelin arka yüzeyine homojen bir şekilde dağıtarak muadil uygulamalara göre panelde daha homojen bir sıcaklık dağılımı sağladığı ve aynı zamanda yine eşdeğer uygulamalara kıyasla su tüketimini önemli ölçüde azalttığı ortaya çıkarmıştır. Böylece, PV paneller ile ilgili literatürdeki iki temel soruna tek bir uygulama ile çözüm önerisi sunulabilmiştir. Bu çalışmadaki öngörüler özel olarak oluşturulmuş bir panel standı ile laboratuvar ortamında deneysel olarak test edilmiştir. Bu panel standı ile her bir deneysel parametre net bir şekilde ayarlanabilmekte ve parametre değişikliklerinden kaynaklanan sonuçlar yüksek hassasiyetle analiz edilebilmektedir. Bu çalışmada, su püskürtme süreleri, ışınım yoğunluğu ve PV panel açısı olmak üzere 3 farklı deneysel parametrenin farklı değerlerinde çalışmalar yapılmıştır. Maksimum verim ile minimum su tüketimi arasındaki ilişkiye göre optimum çalışma parametreleri belirlenmiştir.

Abstract:
Rapidly rising human population and developing living standards increase the energy demand of human beings day by day. This rapidly increasing energy demand also increases the demand for fossil fuels. As a result of this, 80% of the global energy demand is correspond by using fossil fuels. However, fossil fuels, which are consumable energy source due to their inability to renew themselves in nature, have a limited lifespan. Simultaneously, high levels of fossil fuel use pose a threat to global warming by causing greenhouse gas effects. For those reasons, today the widespread focus of researchers has been on renewable energy sources, which are clean and unlimited energy sources, and research on their efficiency. Solar radiation, which can provide a high amount of energy to the earth's surface, is by far the foremost among other renewable energy sources in terms of energy potential. Mankind has been succeeded in transforming this massive energy mass, which comes with solar radiation, into electrical energy, which is a type of energy that can be used directly, with the help of photovoltaic panels. Converting the energy obtained from the sun utilizing photovoltaic systems into usable energy is easier and less costly than many other renewable energy systems.

Even though photovoltaic systems have wide usage areas, they contain the biggest disadvantages in their own design and working conditions. Solar radiation in photovoltaic systems, on the one hand, forms the basis of electricity production, on the other hand, it causes an increase in the internal and surface temperature of the system. Thus, the energy of the absorbed solar radiation is lost by transferring it to the air through the panel. In addition, the high temperature reached by photovoltaic cells during the energy conversion process may cause degradation in the material composition. Studies have been shown us that after the cell temperature exceeds 25°C, there will be approximately 0.5% loss of efficiency for every 1°C extra temperature increase in the cells. The increase in the system temperature causes the energy conversion efficiency of the panels to remain at low rates, the increase in the panel surface area at the point of supplying energy need and thus causing the initial investment cost to increase significantly.

This study is based on the principle of integrating cellulosic-based sponges, which are designed for industrial use and capable of absorbing and spreading liquid up to 10 times their weight, into the lower surface of photovoltaic panels with a unique system design. After that, the coolant (water) transfer process will be carried out to the cellulosic sponge through jet nozzles.

As a result of this study, revealed that the cellulosic sponge distributes the refrigerant homogeneously on the back surface of the panel, providing a more homogeneous temperature distribution in the panel compared to the equivalent applications, and at the same time significantly reducing the water consumption compared to the equivalent applications, so that a solution to the two main problems in the literature can be found with a single application. This foresight has been experimentally tested in a laboratory setting with a custom-built panel stand. With this panel stand, each experimental parameter can be adjusted clearly and the results caused by parameter changes can be analyzed with high precision. With this panel stand, each experimental parameter can be adjusted clearly and the results caused by parameter changes can be analyzed with high precision. In this study, studies were carried out at different values of 3 different experimental parameters: time between sprays, radiation intensity, and photovoltaic panel angle. Optimum operating parameters were determined based on the relationship between maximum efficiency and minimum water consumption.