Fotovoltaik destekli ısı pompası ünitesinin termodinamik analizi
Thermodynamic analysis of photovoltaic assisted heat pump unit
Yazar: ALPEREN ZENGİN
Danışman: PROF. DR. FATİH SEVİM ; DOÇ. DR. AHMET NUMAN ÖZAKIN
Atatürk Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Temel İşlemler ve Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2023
Konu: Kimya Mühendisliği = Chemical Engineering ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Kimya mühendisliği = Chemical engineering ; Termodinamik analiz = Thermodynamic analysis

Özet:
Amaç: Bu çalışmada, yenilenebilir enerji kaynakları arasında oldukça güncel bir konu olan güneş enerjisinde, fotovoltaik sistemlerin en temel problemi olan hücre sıcaklığı yükselişi ile ortaya çıkan verim düşüklüğünün önüne geçilmesi amaçlanmıştır.
Yöntem: Çalışmada fotovoltaik panelin arka kısmına endüstriyel bir evaporatörün direkt teması sağlanmıştır. Bu evaporatör kapalı çevrim ile R-134a soğutucu akışkanını çalıştıran bir ısı pompası sistemi ile çevrimi tamamlamaktadır. Ayrıca yapılan deneylerde Yüzey Yanıt Yöntemi kullanılarak parametrelerin optimizasyonu ile hangi parametrenin ısı pompasının etkinlik katsayısı üzerinde daha etkili olduğu belirlenmiştir. Bu amaç doğrultusunda 100 W gücünde bir fotovoltaik panelin arka kısmına ısı pompası ünitesinin evaporatörü bütünleştirilmiştir.
Bulgular: Çalışma sonuçlarına göre; fotovoltaik sistem 25oC hücre sıcaklığında iken fotovoltaik sistemin elektriksel verimi maksimum seviyededir. İlgili sıcaklıkta elektriksel verim 1000 W/m2 ışınım yoğunluğunda yaklaşık olarak %13 ölçülmüştür. Sıcaklığın yükselmesi ile fotovoltaik hücrelerdeki kararsızlıklar sebebiyle elektriksel verimde literatüre uygun olarak düşüş gözlemlenmiştir. Hücre sıcaklığının 25oC'den yükselerek yaklaşık 34oC'ye gelmesi ile elektriksel verimde doğrusal ve hızlı bir düşüş gözlemlenmiştir. Bu durum fotovoltaik hücrelerin verimli çalışma sıcaklıklarının 25oC ve daha düşük sıcaklıklar olduğunu ortaya koymaktadır. 33oC ve daha yüksek hücre sıcaklıklarında nispeten daha düşük elektriksel verim düşüşü gözlemlenmiştir. Ancak sürekli çalışma şartları altında elektriksel verim düşüşü ciddi boyutlara ulaşmaktadır. 1000 W/m2 ışınım yoğunluğunda fotovoltaik hücrelerin deneysel olarak elektriksel verim düşüşü %13 civarından %8 civarına gelmektedir. Bu da yaklaşık olarak %38'lik bir elektriksel verim düşüşü anlamına gelmektedir.
Sonuç: Çalışma kapsamında yapılan deneylerde kullanılan farklı parametreler içerisinde en yüksek etkiye sahip olan parametrenin kılcal boru uzunluğu olduğu belirlenmiştir. Kılcal boru uzunluğunun 2 metre olduğu durumda en yüksek COP katsayıları elde edilmiştir. Kılcal boru uzunluğunun yanı sıra sırasıyla kondenser debisi ve ışınım şiddetinin COP katsayısı üzerinde etkilere sahip olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
Aim: In this study, it is aimed to prevent the decrease in efficiency caused by the increase in cell temperature, which is the most fundamental problem of photovoltaic systems, in solar energy, which is a very current issue among renewable energy sources.
Method: In the study, direct contact of an industrial evaporator was provided to the back of the photovoltaic panel. This evaporator completes the cycle with a heat pump system running R-134a refrigerant in a closed cycle. In addition, by optimizing the parameters using the Surface Response Method in the experiments, it was determined which parameter was more effective on the efficiency coefficient of the heat pump. For this purpose, the evaporator of the heat pump unit is integrated into the back of a 100 W photovoltaic panel.
Results: According to the results of the study; While the photovoltaic system is at a cell temperature of 25oC, the electrical efficiency of the photovoltaic system is at its maximum level. The electrical efficiency at the relevant temperature was measured as approximately 13% at a radiation intensity of 1000 W/m2. In accordance with the literature, a decrease was observed in the electrical efficiency due to the instabilities in the photovoltaic cells with the increase in temperature. A linear and rapid decrease in electrical efficiency was observed as the cell temperature rose from 25oC to about 34oC. This situation reveals that the efficient operating temperatures of photovoltaic cells are 25oC and lower. Relatively lower electrical efficiency drops were observed at 33oC and higher cell temperatures. However, under continuous operating conditions, the decrease in electrical efficiency reaches serious dimensions. Experimentally, the electrical efficiency decrease of photovoltaic cells at a radiation intensity of 1000 W/m2 comes from around 13% to around 8%. This means an electrical efficiency decrease of approximately 38%.
Conclusion: It was determined that the parameter with the highest effect among the different parameters used in the experiments conducted within the scope of the study was the capillary tube length. The highest COP coefficients were obtained when the capillary tube length was 2 meters. In addition to the capillary tube length, it was determined that the condenser flow rate and radiation intensity had effects on the COP coefficient, respectively.