Elektroeğirme yöntemiyle fotovoltaik panellerde verim artırıcı kaplamalar
Efficiency increasing coatings on photovoltaic panels with electrospinning method
Yazar: MERVE YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. NAZMİ EKREN ; PROF. DR. OĞUZHAN GÜNDÜZ
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering

Özet:
Fotovoltaik (PV) yöntemle güneş enerjisinden elektrik üretiminde, güneşten gelen ışığın bir kısmı fotovoltaik panelin koruyucu cam katmanından geri yansır, bir kısmı kırılır ve bir kısmı dağılır. Bu tez çalışmasında, fotovoltaik panellerin verimliliğini artırmak amacıyla nano yapılı kaplamalar hazırlanmış ve incelenmiştir. Kaplamalar, yansıma azaltıcı ve kirlenme önleyici özelliklere sahip olacak şekilde tasarlanmıştır. Fotovoltaik panellerin verimliliği, yüzey yansımaları ve çevresel kirlilik gibi faktörler nedeniyle azalabilmektedir. Geliştirilen nano yapılı kaplamalar, bu olumsuz etkileri minimize ederek, güneş ışığının panel yüzeyine maksimum seviyede ulaşmasını sağlamaktadır. Ayrıca, kaplamalar, kir ve toz birikimini engelleyerek panellerin temiz kalmasına ve böylece uzun vadede daha yüksek verimle çalışmasına katkıda bulunmaktadır.
Tez kapsamında, farklı nano yapılı kaplama malzemeleri sentezlenmiş ve bunların fotovoltaik panel yüzeyine uygulanabilirliği test edilmiştir. Kaplamaların optik ve mekanik özellikleri, laboratuvar ortamında detaylı analizlerle değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, nano yapılı kaplamaların yansıma oranlarını belirgin şekilde azalttığını ve yüzey kirlenmesini önemli ölçüde önlediğini göstermektedir.
Bu çalışma, fotovoltaik panellerin enerji dönüşüm verimliliğini artırma ve bakım maliyetlerini azaltma potansiyeline sahip yenilikçi bir yaklaşım sunmaktadır. Geliştirilen kaplamalar, güneş enerjisinden daha etkin yararlanma ve sürdürülebilir enerji üretimine katkıda bulunma açısından önemli bir adım olarak değerlendirilmektedir.
Tez çalışmasında yöntem elektroeğirme yöntemi ile tercih edilmiştir. Hem maliyet açısından uygun hem de geniş yüzey alanlarını kaplamaya elverişli olması nedeniyle bu yöntem tercih edilmiştir. Bu kaplama yöntemiyle, kaplanmamış panellerde oluşan kaybın önüne geçilmesi hedeflenmiştir. Laboratuvar çalışmalarında, çeşitli formülasyonlar denenmiş ve sonunda en başarılı sonuç olarak %3 PLA, %3 PDMS, 10 ml CHCl3, 0,01 gr SiO2 ve 0,01 gr TiO2 nano parçacık içeren bir sol-jel hazırlanmıştır. Elektroeğirme yöntemiyle yapılan kaplamalar sonucunda %84,613 oranında ışık geçirgenliğine sahip bir kaplama üretilmiştir. Kaplamaların su temas açısı ölçülmüş ve %77,9 bulunmuştur.
En verimli iki farklı formülasyonla PV panellere uygulanan kaplamaların 7 gün boyunca test edilmiştir. Günlük ortalama 10 saat veri alınarak yapılan dış ortam testlerinde, PV1 (O7) ve PV3 (U9) kodlu paneller, kaplamasız PV2 paneline göre daha düşük güç çıkışı vermiştir. Farklı hava koşullarına maruz bırakılan kaplamalı panellerde, çalışmanın amaçlarından biri olan kendi kendini temizleme özelliği, hidrofobik yüzey oluşumu sayesinde sağlanmıştır. Ancak 7 günlük dış ortam testinin kaplamaların deformasyona uğrayıp uğramadığını öğrenmek ve yüzeyde kalıcılığını incelemek için yeterli süre olmadığı kabul edilip çalışmaların devam ettirilmesine karar verilmiştir. Çalışmalar ya laboratuvar ortamında yaşlandırma testine maruz bırakılarak ya da gerçek hava koşullarında en az 12 ay test edilecektir.
Yapılan testler neticesinde, elektroeğirme yöntemi ile yapılan kaplamaların ışık geçirgenliğinin %84,613'e çıkarılabileceği görülmüştür. Bu sonuç literatürdeki elektroeğirme ile PV panel kaplama sonuçlarına bakıldığında en yüksek sonuçtur. Bununla birlikte yapılan kaplamaların homojenliğinin artırılması ve kaplama kalınlığının azaltılması gibi bazı parametrelerin değişimiyle fotovoltaik panellerde elektroeğirme yönteminin diğer yöntemlere göre daha iyi sonuçlar verebileceği öngörülmüş ve çalışmaların devam ettirilmesine karar kılınmıştır.

Abstract:
In photovoltaic (PV) electricity generation from solar energy, a portion of the light from the sun is reflected off the protective glass layer of the photovoltaic panel, some is refracted, and some is scattered. In this thesis, nanostructured coatings have been prepared and examined to enhance the efficiency of photovoltaic panels. These coatings are designed to possess anti-reflective and anti-soiling properties. The efficiency of photovoltaic panels can decrease due to factors such as surface reflections and environmental contamination. The developed nanostructured coatings minimize these adverse effects, ensuring that the maximum amount of sunlight reaches the panel surface. Additionally, these coatings prevent the accumulation of dirt and dust, contributing to the panels' cleanliness and thereby facilitating higher efficiency over the long term.
Within the scope of the thesis, various nanostructured coating materials were synthesized and their applicability to the photovoltaic panel surface was tested. The optical and mechanical properties of the coatings were evaluated through detailed laboratory analyses. The obtained results indicate that the nanostructured coatings significantly reduce reflection rates and substantially prevent surface contamination.
This study presents an innovative approach with the potential to increase the energy conversion efficiency of photovoltaic panels and reduce maintenance costs. The developed coatings are considered a significant step towards more efficient utilization of solar energy and contribute to sustainable energy production.
The electrospinning method was chosen for the thesis study. This method was selected due to its cost-effectiveness and suitability for covering large surface areas. The objective of using this coating method is to prevent the losses that occur in uncoated panels. Various formulations were tested in the laboratory, and the most successful result was achieved with a sol-gel containing 3% PLA, 3% PDMS, 10 ml CHCl3, 0.01 g SiO2, and 0.01 g TiO2 nanoparticles. As a result of the coatings made with the electrospinning method, a coating with 84.613% light transmittance was produced. The water contact angle of the coatings was measured to be 77.9%.
The coatings applied to PV panels with the two most efficient formulations were tested for 7 days. In outdoor tests, where data was collected for an average of 10 hours daily, panels coded PV 1 (O7) and PV 3 (U9) showed lower power output compared to the uncoated PV 2 panel. In the coated panels exposed to different weather conditions, the self-cleaning property, one of the aims of the study, was achieved thanks to the formation of a hydrophobic surface. However, it was acknowledged that the 7-day outdoor test period was insufficient to determine whether the coatings experienced deformation and to examine their durability on the surface, leading to the decision to continue the studies. These studies will either be subjected to aging tests in the laboratory environment or tested under real weather conditions for at least 12 months.
The tests revealed that light transmittance could be increased to 84.613% with coatings made using the electrospinning method. This result is the highest when compared to the PV panel coating results in the literature using electrospinning. Furthermore, it is anticipated that the electrospinning method could yield better results for photovoltaic panels compared to other methods by altering certain parameters, such as increasing the homogeneity of the coatings and reducing the coating thickness, leading to the decision to continue the studies.