Isı pompalı fotovoltaik/termal bütünleşik sistemin termodinamik analizi ve deneysel incelenmesi
Thermodynamic analysis and experimental investigation of photovoltaic/thermal integrated system with heat pump
Yazar: ERHAN KIRTEPE
Danışman: PROF. DR. ALİ GÜNGÖR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences

Özet:
Bu tez çalışması kapsamında, Isı Pompalı-Fotovoltaik/Termal (IP-PV/T) bütünleşik sistemin tasarımı, kurulumu ve deneysel analizi gerçekleştirilmiştir. Bu sistem elektrik üretimi, hacim ısıtma, hacim soğutma ve kullanım amaçlı sıcak su depolama gibi birçok işlevi yapabilmektedir. Ayrıca bu sistem tüm yıl boyunca farklı mevsimlerde ve modlarda (ısıtma modu ve soğutma modu) çalıştırılarak kullanılabilmektedir. Sistemde kullanılan en temel bileşenler ısı pompası, PV/T kolektörler, dengeleme tankları, sıcak su deposu, su soğutma grubu, pompalar ve ölçüm aletleridir.  
Bu tez çalışmasının ilk bölümünde incelenen konu hakkında bir giriş yapılmış ve ikinci bölümde bu konu ile ilgili literatürde yapılan çalışmalara değinilmiştir. Üçüncü bölümde sistemde kullanılan PV/T kolektörlere ait geliştirilen matematiksel modelin hesaplama adımları ile ilgili ayrıntılı bilgiler verilmiştir. Dördüncü bölümde kurulan deney düzeneği ve deney düzeneğinde kullanılan her bir bileşen hakkında bilgi verilmiştir. Beşinci bölümde deney düzeneğinde hesaplama yapılan her bir bileşen için ayrıntılı olarak enerji analizi gerçekleştirilmiştir. Altıncı bölümde deneysel analizlerden elde edilen sonuçlara dair hata analizi yapılmıştır. Yedinci bölümde yapılan deneysel çalışmadan elde edilen bulgulara ve değerlendirmelere değinilmiştir. Bu bölümde yapılan deneysel çalışma sonuçları ayrıntılı bir şekilde analiz edilmiş ve sistemin faydalanma oranı her bir deney için saatlik olarak bulunmuştur. Bunlara ek olarak bu bölümde PV/T kolektörlerle ilgili geliştirilen matematiksel modelden elde edilen sonuçlar ile deneysel çalışmadan elde edilen sonuçlar ortalama sistematik hata (OSH), hataların ortalama karekökü  (HOK), korelasyon katsayısı (KK) ve ortalama yüzde hata (OYH) istatistiksel yöntemleri kullanılarak karşılaştırılmıştır. Sekizinci olan son bölümde ise sonuçların genel bir değerlendirmesi yapılmış ve sonraki yapılacak benzer çalışmalar için öneriler getirilmiştir. 
Deneysel analizlerden elde edilen sonuçlar için yapılan hata analizinde deneysel olarak bulunan değerlerin %2,83 ila %7,72 belirsizlik değerine sahip oldukları görülmüştür. PV/T kolektörlerin kullanılması ile panel yüzeyinin sıcaklığı düşük tutulduğu için, PV panellerdeki sıcaklık yükseldikçe ortaya çıkan verim kayıplarının önüne geçilerek saatlik olarak %3,23 ila %17,18 arasında değişen oranlarda daha fazla elektrik enerjisi ürettiği tespit edilmiştir. Saatlik olarak yapılan analizler sonucunda ısı pompasının PV/T kolektörler ile entegre bir şekilde kullanılması ile elde edilen etkinlik katsayısının, ısı pompasının ısıtma etkinlik katsayısına göre %2,83 ila %22,02 arasında değişen oranlarda daha fazla olduğu belirlenmiştir. IP-PV/T bütünleşik sistemin farklı günlerde ve farklı modlarda deneysel analizleri gerçekleştirilmiş ve yapılan saatlik değerlendirmeler neticesinde sistemden elde edilen faydalanma oranının 1,151 ila 2,581 arasında değiştiği görülmüştür.

Abstract:
In this thesis, the design, installation and experimental analysis of the Heat Pump-Photovoltaic/Thermal (HP-PV/T) integrated system were carried out. This system can perform many functions such as electricity generation, space heating, space cooling and hot water storage for use. In addition, this system can be used all year round in different seasons and modes (heating mode and cooling mode). The main components used in the system are heat pump, PV/T collectors, balancing tanks, hot water tank, chiller, pumps and measuring instruments.
In the first section of this thesis, an introduction has been made about the subject examined and in the second section, the studies on the subject in the literature have been mentioned. In the third section, detailed information about the calculation steps of the developed mathematical model of PV/T collectors used in the system is given. In the fourth section, information is given about the experimental setup and each component used in the experimental setup. In the fifth section, energy analysis has been carried out in detail for each component calculated in the experimental setup. In the sixth section, uncertainty analysis is performed on the results obtained from experimental analysis. In the seventh section, the results and evaluations obtained from the experimental study are mentioned. The results of the experimental study conducted in this section were analyzed in detail and the utilization rate of the system was found hourly for each experiment. In addition, in this section, the results obtained from the mathematical model developed for PV/T collectors and the results obtained from the experimental study were compared using Mean Bias Error (MBE), Root Mean Square Error (RMSE), Correlation Coefficient (CC) and Mean Percentage Error (MPE) statistical methods. In the last section, which is the eighth, a general evaluation of the results has been made and suggestions have been made for similar studies to be carried out in the future.
In the uncertainty analysis performed for the results obtained from the experimental analysis, it was found that the values found experimentally had an uncertainty value of 2.83% to 7.72%. Since the temperature of the panel surface is kept low with the use of PV/T collectors, It has been determined that the efficiency losses that occur as the temperature rises in the PV panels are prevented to produce more electrical energy at rates ranging from 3.23% to 17.18% per hour. As a result of the hourly analysis, it has been determined that the coefficient of performance obtained by using the heat pump integrated with PV/T collectors is more than 2.83% to 22.02% compared to the heating coefficient of performance of the heat pump. Experimental analysis of the HP-PV/T integrated system on different days and in different modes was carried out and it was observed that the utilization rate of the system ranged from 1.151 to 2.581 as a result of hourly evaluations.