Fotovoltaik termal hibrit güç sisteminin performans değerlendirmesi, optimizasyonu ve ekonomik analizi
Performance analysis, optimization and economic analysis of photovoltaic thermal hybrid power system
Yazar: İLAYDA KOÇ
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ KIVANÇ BAŞARAN
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine ve İmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Konstrüksiyon ve İmalat Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Bu çalışmada fotovoltaik/termal (PV/T) kolektörlerin elektriksel/termal verim analizi Manisa ili iklim koşullarında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca yapılan çalışma, 4 kişinin yaşadığı bir ev için yıllık enerji üretimi ve sistem yatırım geri dönüş süresinin hesaplandığı teorik uygulama analizi içermektedir.

Bu amaçla, ilk aşamada sıcak su ve elektrik enerjisi üretimi için uygun olan Sıvı Tip Düz PV/T Kolektör sistemi tercih edilmiştir. Bu tip sistemlerin maksimum verimle çalışabilmesi için sızdırmazlık faktörü, ışınım, giriş sıcaklığı, ortam sıcaklığı, emici plaka parametreleri (tüp aralığı, boru çapı, kanatçık kalınlığı vb.), emici plakadaki akışkanın termal iletkenliği gibi çeşitli parametreler göz önünde bulundurulmalıdır. PV/T kolektörlerin termal verimliliği, giriş sıcaklığı ile ortam sıcaklığı (Ti-Ta) arasındaki sıcaklık farkının, kolektör yüzeyine düşen global güneş ışınımına (G) oranından önemli ölçüde etkilenmektedir. (Ti-Ta)/G oranının artması termal verimin düşmesine sebep olmaktadır. Ayrıca, termal verime etki eden diğer faktörler sızdırmazlık faktörü (s) ve farklı kanatçık oranı (d/w) değerleridir. d/w oranının artması kolektör alanının artması ve PV panel sıcaklığının düşmesine sebep olduğundan elektriksel verim artışı da sağlamaktadır. PV/T kolektörlerdeki önemli sorun, optimum verim elde edebilmek için tüm bu parametrelerin göz önünde bulundurulma zorunluluğudur.

Çalışmanın ilk bölümü için, PV/T kolektörün MATLAB/Simulink modeli, matematiksel eşitliklerden faydalanılarak hazırlanmıştır. Bu model üzerinde, tasarım parametreleri ile bunların termal ve elektriksel verime etkileri incelenmiştir. Yapılan çalışma ile PV/T kolektörden elde edilen maksimum termal verim %64,5, elektriksel verim %13,5 ve toplam verim %78 olarak tespit edilmiştir.

İkinci aşamada, yapılan ekonomik analiz için yüksek elektrik çıkışı baz alınarak PV/T kolektör seçimi yapılmıştır. Seçilen sistemin enerji üretim modeli (Et), sistemin kurulum ve kullanım ömrü boyunca, seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE) hesaplanarak, kurulacak sistemin yıllık elektrik üretimi, termal enerji üretimi ve sistem nakit akışı şemaları oluşturulmuştur. Kullanılan PV/T Kolektör 30o eğim açısı ve güney cephesi yönünde 10 m2'lik bir alana sahip bina çatısı için incelenmiştir. Termal sistem için 10 m3 hacminde depolama tankı kullanılmıştır.

Yapılan hesaplamalarda 4 kişilik bir evin ısı ve elektrik talebi Manisa ili iklim koşulları için değerlendirilmiştir. Enerji üretim modeli oluşturulurken; güneş ışınımı, elektrik/termal verim ve çalışma süresi boyunca yoğunlaştırıcı performansındaki azalma dikkate alınmıştır. Yapılan incelemede sistemin ilk yıldaki elektrik enerjisi üretim miktarı 2168,97 kWh, ilk yıldaki termal enerji üretim miktarı 10395,4 kWh, LCOE değeri 0,044 Euro/kW ve NPV değeri 2494,5 Euro olarak bulunmuştur. Ayrıca sistemin kendini amorti etme süresi 7 yıl olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In this study, the electrical and thermal efficiency analysis of photovoltaic/thermal (PV/T) collectors were performed in climatic conditions of Manisa. Furthermore, a theoretical application analysis is carried out to calculate the annual energy production and system depreciation period for a house where 4 people live. For this purpose, a liquid type flat PV/T collector system is used since this system is suitable for hot water supply and electrical power generation. The Sealing factor, radiation, inlet temperature, ambient temperature, absorbent plate parameters (tube spacing, pipe diameter, vane thickness, etc.), and thermal conductivity of the fluid in the absorbent plate must be taken into consideration for operation with maximum efficiency. The thermal efficiency of the PV/T collectors is significantly affected by the ratio of the temperature difference between the inlet temperature and the ambient temperature (Ti-Ta) to the global solar radiation (G) on the collector surface. The increase in (Ti-Ta) / G ratio decreases the thermal efficiency. Besides the previous factors, the ratio of the sealing factor (s) on the different flap (d/w) affects the thermal efficiency values. The increase in the d/w ratio also increases the collector area and decreases the PV module temperature, thus increasing the electrical efficiency. The main problem in PV/T systems is that the optimum efficiency can only be achieved by considering all these parameters.

The first part of this study is concluded by preparing the PV/T collector with a MATLAB/Simulink model by using mathematical equations. The design parameters and their effects on thermal and electrical efficiency were evaluated with this model. The maximum thermal efficiency, the electrical efficiency and total efficiency of the PV/T collector were determined as 64,5%, 13,5%, and 78%, respectively.

At the second stage of the study, the PV / T system selection was made based on high electrical output and economic analysis was performed accordingly. The energy generation model of the selected system (Et), the leveled cost of energy (LCOE) is calculated during the installation and lifetime of the system and annual electricity generation, thermal energy generation, and system cash flow charts are established. The PV/T system that are used were examined for the roof of the building with a tilt angle of 30 degrees and an area of 10 m2 in the south side direction. 10 m3 storage tank was used for the thermal system. The heat and electricity consumption of a 4-person house was evaluated in the calculations for the climatic conditions of Manisa. The solar irradiation, electrical/thermal efficiency and decrease in concentrator performance was taken into consideration while creating an energy production model. The first year electricity generation of the system was 2168,97 kWh, the first year thermal energy production was 10395,4 kWh, the LCOE value is calculated 0,044 Euro / kW and the NPV value is calculated as 2494,5 Euro. The depreciation period of the system was considered as 7 years.