Fotovoltaik/ısıl sistemlerde performans iyileştirmesi ve termo-ekonomik analiz
Performance improvement in photovoltaic/thermal (PVT) systems and thermoeconomic analysis
Yazar: CELALETTİN BAKIR
Danışman: DOÇ. DR. MUAMMER ÖZGÖREN
Selçuk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2012
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Fotovoltaik = Photovoltaic ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems

Özet:
Bu tez çalışmasında hem elektrik hem de sıcak su üretmek için tasarlanmış fotovoltaik/ısıl sistemler incelenmiştir. Deneyler, fotovoltaik (PV) dönüşüm verimi üzerinde sıcaklığın etkisini belirlemek amacıyla dış ortam koşullarında kurulan deney düzeneği ile 01.04.2011 - 31.08.2011 tarihleri arasında yapılmıştır. Sistem verimini hesaplamak için ölçülen parametreler; PV ve PVT kolektöre gelen güneş ışınımı, üretilen voltaj ve akım değeri, PVT kolektöre giren ve çıkan su veya havanın giriş, çıkış sıcaklıkları ve debisi, ortam sıcaklığı ve rüzgar hızıdır. PV modülün yüksek çalışma sıcaklıklarında, modülün elektriksel dönüşüm verimi, fotovoltaik hücrenin açık devre gerilimindeki dikkate değer bir düşüş nedeniyle, önemli bir oranda düşmektedir. Bu çalışmada, zorlanmış su ve hava soğutma sistemleri PV modül sıcaklığının düşürülmesi amaçlı kullanılmıştır. Bu çalışmada, hava veya su soğutma olmadan PV modülün sıcaklığının 55 - 63 0C aralığında değiştiği ve hücrelerin elektriksel dönüşüm veriminin % 9'a kadar düştüğü bulunmuştur. Bununla birlikte, PV modülün su ile aktif soğutma altında tutulduğu zaman PV modül sıcaklığının 32 0C ye kadar düştüğü ve hücrelerin elektriksel dönüşüm veriminin %13.6'ya kadar yükseldiği görülmüştür. Bu değerler ışığında, modül verimindeki iyileşmenin maksimum %33.8 mertebesinde olduğu tespit edilmiştir. PV modülden soğutucu akışkan tarafından soğurulan ısı enerjisi, sistemden elde edilen toplam enerjiye de önemli ölçüde katkı sağlamaktadır. Sistemden elde edilen optik ısıl verim değeri maksimum %53.6 olarak bulunmuştur. PV modülden ısı atmak için kullanılan soğutucu akışkanın (su veya hava), PV modül üzerindeki hızı da sistem verimi için son derece önemlidir. PVT hava sisteminin hesaplamaları TRNSYS simülasyon programı kullanılarak yapılmıştır. Test sonuçlarına göre iyileştirilmiş en etkin sistem verimi için su soğutmalı sistemde suyun debisinin 108 kg/h, hava soğutmalı sistemde ise hava debisinin 198 kg/h olduğu belirlenmiştir. Yapılan ölçüm sonuçlarında PVT kolektör için toplam ekserji yıkım değerlerinin 4.31 W ile 274.94 W arasında değiştiği bulunmuştur. Sistem verimini hesaplamak amacıyla yapılan ölçümlerdeki belirsizlik değeri, PV sistem için ±0.31 ve PVT sistem için ±0.23 mertebesinde hesaplanmıştır. Bununla beraber PVT kolektörde kullanılan camın soğuruculuğu ve aktarıcılığı, kullanılan yalıtım malzemesi, hücre verimi gibi özelliklerinde toplam sistem verimine etki ettiği yapılan test sonuçlarına göre bulunmuştur. Üretilen elektrik enerjisi, yatırım maliyeti ve işletme maliyetleri dikkate alınarak 2.28 kW'lık PV ve PVT sistemin geri ödeme süreleri sırasıyla, 10.6 yıl ve 6.22 yıl olarak bulunmuştur. Ekonomik analiz hesaplamalarında, PV sistemde sıcak su elde edilmesinin doğal gazla yapıldığı kabul edilmiştir. Elde edilen sonuçlar, PVT sistemlerinde soğutma uygulamasının verim iyileşmesine ve enerji tasarrufuna önemli oranda katkı sağlayabileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this thesis study, a photovoltaic/thermal (PVT) system which has been designed to produce concurrently both electricity and hot water/air were examined. Experiments were conducted under atmospheric air conditions to determine the influence of the temperature of the PV cell on the PV conversion efficiency from the period of 01.04.2011 to 31.08.2011. The parameters measured for the calculation of system efficiency are; solar radiation, generated voltage and current values, temperature and flow rate values of water or air which is entering to PVT collector and outgoing from PVT collector, atmospheric air temperature and wind speed. At higher operating temperatures, the conversion efficiency of the PV module can be drastically reduced due to the significant reduction in the open circuit voltage of the photovoltaic cell. In this work, forced convective air and water cooling are utilized to reduce the operating temperature of the PV module. It was found that without active air and water cooling, the temperature range of the PV module was between 55-63 °C and a conversion efficiency of solar cells was decreased to as low as 9%. However, when the PV module was operated under active water cooling condition, the temperature of the PV module was decreased to 32 °C leading to an increase in the efficiency of solar cells up to 13,6%. According to these values, the improvement of module efficiency have been identified as %33.8. Hence, the maximum system efficiency is no longer only limited by PV conversion efficiency but also includes the optical thermal efficiency which is found as 53,6%. The calculation of the PVT-air system made with TRNSYS simulation software. According to the test results of the effective system efficiency, water and air flow rates for the cooling system should be regulated as 108 kg/h and 198 kg/h, respectively. The measurement of the experimental results showed that variation of the exergy efficiency of PVT collector was in the range of 4.31 W-274.94 W. The uncertainty values of the experiments of PV and PVT system to determine the system efficiency were calculated as ±0.31 for PV system and ±0.23 for PVT system. However, according the test results, absorption and transmission ratios of cover glass of PVT collector, the insulation material, cell efficiency are also important for the effect of system efficiency. The basic payback period of the PV and PVT systems which are 2.2 kWp, calculated as 10.6 years and 6.22 years with respect to the produced electric energy, investment cost and operating cost The obtained results show that the cooling of the PVT system can provide significant efficiency improvement and energy saving.