Yatay düzlemde maksimum performans için optimum PV/T konfigürasyonunun belirlenmesi
Determination of optimum PV/T configuration for maximum performance on horizontal plane
Yazar: HALİT BAŞ
Danışman: PROF. DR. ATİLLA BIYIKOĞLU ; PROF. DR. BİROL KILKIŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Isı-Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Analitik model = Analytical model ; Ekserji = Exergy ; Fotovoltaik sistemler = Photovoltaic systems ; Gaz emisyonu = Gas emission ; Kollektörler = Collectors ; Optimum verim = Optimum efficiency ; Parametre optimizasyonu = Parameter optimization

Özet:
Bu çalışmada, işletim ve tasarım parametrelerinin PV/T düz plakalı su kolektörlerinin performansı üzerine etkilerinin incelenmesi için matematiksel bir model geliştirilmiştir. Modelin doğruluğu literatürdeki mevcut deneysel veriler kullanılarak test edilmiş ve sayısal sonuçların literatürden elde edilen deneysel sonuçlarla iyi bir uyum içerisinde olduğu görülmüştür. Sistem performansı, seri ve seri-paralel bağlı kolektör düzeni olmak üzere iki farklı konfigürasyon dikkate alınarak değerlendirilmiştir. Her iki tip konfigürasyon için boru çapının, borular arası mesafenin, kolektör sayısının ve kütlesel debinin değişken değerlerine bağlı olarak detaylı enerji ve ekserji analizi gerçekleştirilmiş olup optimum parametreler ekserji verimi temelinde belirlenmiştir. Aynı zamanda, elde edilen optimum konfigürasyonda yıllık enerji ve ekserji kazanımı Ankara iklim koşulları için hesaplanmıştır. Tüm bunlara ilaveten, PV/T ile kömür kaynaklı güç santrali arasındaki net emisyon (CO2) tasarrufu tespit edilmiştir. Sonuç olarak, öncelik gereksinimi elektrik üretimi olan kullanıcılar için seri-paralel bağlı kolektör konfigürasyonunun, öncelik gereksinimi sıcak su üretimi olan kullanıcılar için ise seri bağlı kolektör konfigürasyonunun daha faydalı olduğu görülmüştür. Diğer tüm parametreler sabit tutulduğunda herhangi bir parametre için seri bağlı kolektör düzenindeki toplam ekserji kazanımının seri-paralel düzene kıyasla daha fazla olduğu bulunmuştur. 0.08 kg/s kütlesel debi, 0.015 m boru çapı 0.05 m borular arası mesafe ve 26 adet kolektör sayısı seri bağlı kolektör konfigürasyonunda optimum PV/T parametreleri olarak ekserji temelinde belirlenmiştir. Bu özel konfigürasyonda, ekserji verimi % 20.02, ısıl verim % 43.57, elektrik verimi % 12.94 ve PV/T verimi % 56.51 olarak elde edilmiştir. Ayrıca, PV/T ile kömür kaynaklı güç santrali arasındaki net emisyon tasarrufu ekserji temelinde 2.48 kg CO2/kWh olarak hesaplanmıştır.

Abstract:
In this study, a mathematical model was developed to examine the effects of operational and design parameters on the performance of PV/T flat plate water collectors. The accuracy of the model was tested using the existing experimental data in the literature, and it was found that the numerical results were in good agreement with the experimental results obtained from the literature. System performance was evaluated by considering two different configurations, namely, series and series-parallel connected collector arrangement. For both types of configurations, detailed energy and exergy analysis were performed depending on the variable values of tube diameter, distance between tubes, number of collectors and mass flow rate and optimum parameters were determined on the basis of exergy efficiency. Also, the annual energy and exergy gain at the optimum configuration was calculated for Ankara climatic conditions. In addition to all these, the net emission (CO2) savings between the PV/T and the coal-fired power plant were determined. As a result, it was observed that series-parallel connected collector configuration is more beneficial for users whose primary requirement is electricity generation, while series connected collector configuration is more beneficial for users whose primary requirement is hot water production. When all other parameters were kept constant, it was found that the total exergy gain in the series connected collector configuration was greater for any parameter compared to the series-parallel one. 0.08 kg/s of mass flow rate, 0.015 m of tube diameter and 0.05 m of distance between pipes and 26 number of collectors at series connected collector configuration, were determined as the optimum PV/T parameters on the basis of exergy efficiency. In this particular configuration, exergy efficiency as 20.02%, thermal efficiency as 43.57%, electrical efficiency as 12.94 % and PV/T efficiency as 56.51% were obtained. Furthermore, the net emission savings between the PV/T and the coal-fired power plant were calculated as 2.48 kg CO2/kWh based on exergy.