Bir fotovoltaik-termal (PV/T) güneş kollektöründe poroz materyal ve nanoakışkan kullanımının  performansa etkisinin nümerik olarak incelenmesi
Numerical investigation of the effect of porous material and nanofluid including on performance in a photovoltaic-thermal (PV/T) solar collector
Yazar: ATILGAN ONURCAN ÖZŞİMŞEK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUHAMMED ARSLAN OMAR
Kafkas Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Fosil yakıtların tükenebilirliği ve küresel ısınmaya olan etkisi nedeniyle güneş enerjisi kullanımı gün geçtikçe artmakta ve yenilenemez enerji kaynakları yerine tercih edilmektedir. Fotovoltaik hücreler, güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürerek depolanabilir ve kullanılabilir hale getirir. Hücre verimliliğinin artırılması, maliyetinin
düşürülmesi, uzun ömürlü ve sürdürülebilir olması için araştırmacılar bu alanla ilgili birçok çalışma gerçekleştirmiştir. Yapılan çalışmalar sonucunda Fotovoltaik panellerin pazar payı büyümüş ve bunun yanı sıra, fotovoltaik hücrelerin verimliliği de kararlı bir şekilde artmıştır. Elektriksel dönüşüm verimliliğin yıllara göre değişimi incelenirse neredeyse asimptotik bir eğri görünümüne yaklaşmakta olduğu görülür. Buna karşın, PV panellerin termal depolama ve termal yönetim sistemleri ile termal dönüşüm potansiyeli hala vardır ve gün geçtikçe ilgi çekici hale gelmektedir. Bu çalışmada, PV/T panellerin elektrik ve termal dönüşüm verimlilikleri farklı soğutma konfigürasyonları için değerlendirilmiştir. Fotovoltaik içeren PV ve PV/T sistem konfigürasyonlarının modellenmesi, nümerik olarak simülasyonlarının yapılması, iyileştirme çalışmalarını daha kontrol edilebilir olmasını ve standart bir şekilde ele
alınmasını sağlar. Analizler için standart 3B referans bir PV modülü dikkate alınmış ve farklı soğutma konfigürasyonları üretmek amacı için kullanılmıştır. Faz değiştiren malzeme teknolojisi, fotovoltaik hücreleri belirli bir süre için
belirli bir sıcaklıkta tutarak elektriksel dönüşüm verimliliğini ve ömrünü artırır, aynı zamanda termal depolama yeteneği ile termal kazanç sağlar. PCM'nin bu özelliğinden yararlanmak için aktif ve pasif soğutma teknikleriyle hem saf PCM hem de metal gözenekli yapı kullanarak verimliliğe etkisi araştırılmıştır. PCM'nin alüminyum poroz yapı ile birlikte kullanılması, saf PCM'nin düşük ısıl iletkenliğinin iyileştirmiş ve daha iyi ısı transfer performansı göstermesini sağlamıştır. Referans panel, 1100 W/m2 güneş şiddeti altında PV hücre ortalama 70,98 oC sıcaklığa ulaşmış, saf PCM ve PCM – Poroz yapısı ile sırasıyla 57,15 ve 45,6 oC sıcaklıklara düşmüştür. Bunun yanı sıra aktif su soğutma yöntemi kullanarak 1,41 L/dk debi akışında sistemin toplam verimi %85,64'e ulaşmıştır. Soğutma suyunun optimum hacimsel debi değerini bulmak için pompa güç gereksinimi ve PV/T panelin güç kazanım değişimi incelenmiş 2,77 L/dk hacimsel debi değerinden itibaren pompa, kazandırdığı elektrik enerjisinden çok daha fazla güç tüketmeye başladığı bulunmuştur.
Alüminyum poroz destekli boruların porozite ve gözenek yoğunluğu değişimine karşı soğutma davranışları incelenmiştir. Poroz destekli boru 0,3 L/dk gibi düşük debi değerinde boş boruya göre termal verimde yaklaşık %118'lik iyileşme
sağlamıştır. 0,9 ve 30 PPI gözenek yoğunluğu içeren poroz yapı 1,71 L/dk debi ile %96,56 ile en yüksek verim değerine ulaşmıştır. Soğutma suyu içerisinde Al2O3, TiO2 ve Cu nanopartiküllerinin %4, %6 ve %8 çözünürlük oranlarında nanoakışkanların elektriksel ve termal dönüşüm verimlilikleri araştırılmıştır. Yüksek Reynolds sayılarında Cu – Su nanoakışkanı toplam verimliliği en yüksek konfigürasyon olmuştur. Cu – Su nanoakışkanın %8, %6 ve %4 karışım oranlarında toplam verim değerleri sırasıyla %87,61, %87,54 ve %86,27 bulunmuştur. 

Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik hücre soğutma, PV/T soğutma, PCM – Poroz soğutma, Nanoakışkan, CFD simülasyonu, PCM termal yönetim, Poroz malzeme

Abstract:
Due to the exhaustibility of fossil fuels and its effect on global warming, the use of solar energy is increasing day by day and it is preferred over non-renewable energy sources. Photovoltaic cells convert solar energy into electrical energy, making it storable and usable. Researchers have carried out many related studies in order to increase the efficiency of the cells, reduce the cost, and make them long-lasting and sustainable. Along with the growth in market share of PV panels, the efficiency of PV cells has also increased steadily. If the change in the electrical conversion efficiency is examined over the years, it is seen that it approaches an almost asymptotic curve. On the other hand, thermal storage and thermal management systems of PV cells and thermal conversion potential are getting interesting day by day. In this study, electrical and thermal conversion efficiencies of PV/T panels were evaluated together with
different cooling configurations. Modeling configurations and numerical simulations of PV and PV/Thermal systems with photovoltaic enable improvement studies to be handled in a more controllable and standardized way. A standard 3D reference PV module was considered for the analysis and used to generate different cooling configurations. Phase-change material technology increases electrical conversion efficiency and life by cooling photovoltaic cells, while providing thermal gain with thermal storage capability. In order to take advantage of this feature of PCM, efficiency values were investigated by using both pure PCM and metal porous structure in active and passive cooling techniques. The use of PCM with aluminum porous structure improved the low thermal conductivity of pure PCM and showed better heat transfer performance. Under the reference panel 1100 W/m2 solar intensity, the PV cell temperature reached an average temperature of 70,98 oC, and was improved to 57,145 and 45,6 oC, respectively, with pure PCM and PCM - Porous structure. In addition, using the active water cooling method, the total efficiency of the system reached 85,64% at a flow rate of 1,41 L/min. In order to find the optimum volumetric flow value of the cooling water, the pump power requirement and the
power gain change of the PV/T panel were examined. The cooling behavior of the aluminum porous supported pipes against the change in porosity and pore density was investigated. At low flow rates such as 0.3 L/min, the porous supported pipe has achieved an improvement of approximately 118% in thermal efficiency compared to the empty pipe. The porous structure
containing 0.9 and 30 PPI pore densities reached the highest efficiency value with 96.56% with a flow rate of 1.71 L/min. The electrical and thermal conversion efficiencies of nanofluids were investigated at 4%, 6% and 8% solubility rates of Al2O3, TiO2 and Cu nanoparticles in cooling water. At high Reynolds numbers, the Cu-Water nanofluid was the
configuration with the highest overall efficiency. The total efficiency values of Cu – Water nanofluid at 8%, 6% and 4% mixing ratios were found to be 87,61%, 87,54% and 86,27%, respectively.

Key Words: Photovoltaic cell cooling, PV/T cooling, PCM – Porous cooling, Nanofluid, CFD simulation, PCM thermal management, porous material