Isıl sistemlerde mevcut atık ısı potansiyelinden yararlanarak termofotovoltaik yöntemlerle elektrik enerjisi üretim teknolojilerinin geliştirilmesi
Development of electrical energy production technologies with thermofotovoltaic methods by using existing waste heat potential in thermal systems
Yazar: BÜŞRA SELENAY ÖNAL
Danışman: PROF. DR. ZAFER UTLU
İstanbul Aydın Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Atık ısı = Waste heat ; Elektrik üretimi = Electricity generation ; Fotoelektrik = Photoelectric ; Termodinamik = Thermodynamics ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis ; Termoelektrik = Thermoelectric

Özet:
Günümüzde enerji tüketiminin giderek artması, yenilenebilir enerji kaynaklarının hızla tükenmesi ve minimum girdi ile maksimum verim elde etme talebi yeni teknoloji arayışlarına hız kazandırmıştır. Atık ısıların değerlendirilmesi enerji yönünden tasarruf sağlamaktadır. Atık ısılardan elektrik üretimi gerçekleştirilerek temiz ve yenilenebilir enerji olarak mevcut elektrik üretimine katkı sağlanmaktadır. Bu yöntem, maliyet, atık ısının etkin kullanımı ve enerji tasarrufu açısından alternatif sunarken aynı zamanda sera etkisini azaltarak çevre dostu bir üretim modeli olarak kabul edilmektedir.Bu çalışmada mevcut atık ısı potansiyelinden yararlanarak termofotovoltaik enerji dönüşümü ile elektrik üretim teknolojisinin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Literatürde termofotovoltaik enerji dönüşümü ile endüstriyel sistemlerde ve merkezi ısıtma sistemlerinde kullanılabilirliği araştırılmış ve endüstriyel sistemlerde teorik bir model geliştirilmiştir. Bu modelde, endüstriyel sistemlerdeki atık ısılar, sisteme ısı geçişi yöntemlerinden biri olan ışınım yolu ile incelenmiştir. Üretim aşamasından sonra meydana gelen atık ısı, sisteme termofotovoltaik dönüşüm ile elektrik üretimi sağlanarak geri kazandırılmıştır. Yapılan çalışmada endüstriyel ve merkezi ısıtma sistemlerinde termofotovoltaik sistemin analizi yapılmıştır. GaSb hücre yapısının tabaka kalınlıkları optimize edilmiş ve nihai örnek tasarımı Matlab programı kullanılarak hesaplanmıştır. Yapılan analizde, TPV sıcaklık grafikleri GaSb hücresi kullanılarak elde edilmiştir. Kullanılan sıcaklık parametreleri hücre sıcaklığı ve kaynak sıcaklığıdır. Bu grafiklerle enerji verimliliği, dolum faktörü, açık devre voltajının etkisi ve kısa devre akım değerleri belirlenmiştir. Ayrıca termofotovoltaik sistemin termodinamik analizi yapılarak sonuçlar sunulmuştur. Öncelikli olarak termofotovoltaik sistem üç ayrı bölgeye ayrılarak analizi yapılmıştır. Analizde sistemin her bir parçası ayrı ayrı yapılırken sistemin bütünü ayrıca ele alınmıştır. Sistem öncelikle birinci kanun analizi yapılarak değerlendirilmiştir daha sonra ikinci kanun analizi yapılmıştır. Birinci bölge ısı kaynağının ışınım ile filtrelere ulaşana kadar meydana gelen enerjinin termodinamik analizidir. İkinci bölge ise fotovoltaik sistem olarak değerlendirilen filtre, seçici-yayıcı ve fotovoltaik hücrelerin yer aldığı bölümdür. Son bölge olarak ifade edilen üçüncü bölge ise elektrik enerjisinin depolandığı kısım olarak değerlendirilmiştir. Her bölgenin termodinamik analizi kapsamında, enerji ve ekserji analizi yapılarak sistem parçadan bütüne doğru incelenmiştir. Sonuçlar formüller ve grafikler ile desteklenmiştir. Yapılan çalışmanın mevcut elektrik üretimine alternatif olması ve ileride yapılacak çalışmalara bir kaynak oluşturması amaçlanmıştır.

Abstract:
Increasing energy consumption today the rapid depletion of renewable energy sources and request to obtain maximum efficiency with minimum input have been speed up the search for new technologys. Assessment of waste heat saves energy. Electricity produced from waste heat, as clean and renewable energy contributes to the current electricity production. This method should be regarded as an environmentally friendly production model by reducing the greenhouse effect at the same time while providing an alternative in terms of cost, efficiency and energy saving. In this study, it is aimed to develop electricity production technology by thermophotovoltaic energy conversion by exploiting existing waste heat potential. In the literature, the use of thermophotovoltaic energy conversion in industrial systems and central heating systems have been researched and a theoretical model in industrial systems has been developed. In this model, waste heat in industrial systems was investigated by radiation, which is one of the heat transfer methods in the system. The waste heat produced after the production phase is recovered by supplying electricity to the system with thermophotovoltaic conversion. In this study, the analysis of the thermophotovoltaic system was made in industrial and central heating systems. The layer thicknesses of the GaSb cell structure were optimized and the final sample design has been calculated using the Matlab program. In the analysis made, TPV temperature graphs has been obtained using GdaSb cell. The temperature parameters used are cell temperature and welding temperature. With these graphs, energy efficiency, fill factor, effect of open circuit voltage and short circuit current values are determined. Thermodynamic analysis of thermophotovoltaic system is also presented. Firstly, the thermophotovoltaic system was analyzed in three different regions. In the analysis, each part of the system is taken separately, while the whole system is handled separately. The system was evaluated first analyzing by the first law and then the second analyzed by second law. The first region is the thermodynamic analysis of the heat source of energy that occurs with radiation until it reaches the filter. The second region is where the filter, selective-emitter and photovoltaic cells, considered as photovoltaic systems, take place. The third region, which is expressed as the last region, is considered to be the part where electric energy is stored. Within the thermodynamic analysis of each region, energy and exergy analysis were carried out and the system was analyzed from part to part. The results are supported by formulas and graphs. It is aimed that the work done will be an alternative to the existing electricity generation and will form a resource for future works.