Alternatif bir yoğunlaştırılmış fotovoltaik termal sistemin performansının incelenmesi
Investigation of performance of an alternative concentrated photovoltaic thermal system
Yazar: AMIL NASIBOV
Danışman: DOÇ. DR. ALİ KEÇEBAŞ
Muğla Sıtkı Koçman Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Fotovoltaik (PV) hücreler güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren yarı-iletken cihazlardır. Elektrik enerjisi dönüşüm verimlilikleri ince filmler için %5 ile %10 arasında değişirken kristalli PV modüllerde %10 ile %20 arasında değişmektedir. Güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülemeyen kısmının bir miktarı geri yansımakta geri kalanı ise termal enerjiye dönüşmektedir. Termal enerji dönüşümü PV modüllerin sıcaklığının artmasına sebep olmaktadır. Bu sıcaklık artışı PV modüllerin çalışma verimini düşürmekte ve sonuç olarak performansını azaltmaktadır. Aşırı sıcaklık durumlarında PV modüllere kalıcı hasarlar vermektedir. Bu soruna karşılık PV modüllerin aktif ve pasif soğutulmalarına yönelik çalışmalar yürütülmektedir. PV modüllerin arkasından akışkan dolaştırılarak PV modüllerin termal enerjisi soğurulur ve PV modül sıcaklığı düşer. Böylece PV modüllerin hem elektrik hem de termal enerjisinden yararlanılır ve elektrik enerjisi verimi arttırılabilir. Bu sistemlere fotovoltaik termal (PVT) sistemler denir. Bunun yanında çıkış gücünü arttırmanın yollarından diğeri PV modül yüzeyine gelen güneş ışınımını arttırmaktır. Bu yoğunlaştırıcı sistemlerle yapılır. Bu sistemler ise yoğunlaştırılmış fotovoltaik (CPV) sistemlerdir. Ancak bu sistemler PV modüllerin sıcaklığı da yükseldiği için PV modüllerin zarar görme riski fazladır. Bunun yerine PVT'lerde olduğu CPV sisteminde termal enerjisi soğurulur. Bu sayede hem elektrik termal enerji ihtiyacı karşılanır hem de sistemin hasar görme riski azaltılır. Bu sistemler ise yoğunlaştırılmış fotovoltaik termal (CPVT) sistem olarak adlandırılır. 
CPVT sistemlerde her adımda akışkan giriş sıcaklıklarının artması PV modüllerin de sıcaklıklarının artmasına sebep olur. Bu sıcaklık artışı PV modüllerin çalışma gerilimlerinin düşmesine neden olur. Birbirine seri, paralel bağlı sistemler akım ve gerilimdeki farklılıklar PV sistemin çıkış gücünün azalmasına neden olur. Bu azalma miktarı uyumsuzluk kayıpları olarak adlandırılır. Bu tez çalışmasında CPVT sistemin elektriksel ve termal analizi gerçekleştirilmiştir. Elektriksel analizinde tek diyot modeli kullanılarak seri-paralel (SP) ve toplam çaprazlama bağlantı (TCT) bağlantı formlarının etkisi incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre TCT bağlantının katkısı homojen olmayan sıcaklık durumunda çok az, homojen olmayan sıcaklık ve ışınım durumunda ise ihmal edilebilir derecede (0,17 W) küçüktür. Termal analizde ise CPVT sistemin sonlu hacimler metoduyla farklı akışkanlarda ve farklı akışkan giriş sıcaklıklarında sıcaklık dağılımları incelenmiştir. Aynı debi ve basınçta ve aynı çalışma şartları altında yapılan analizlere göre akışkan giriş çıkış sıcaklıkları farkı su için 8,77 °C iken bu değer R410A ve R134a'da 34 °C'ye kadar ulaşmıştır. 50 °C akışkan giriş sıcaklığında PV modüllerin sıcaklığı 95 °C'ye kadar ulaştığı görülmüştür. Bu yüzden PV modüllerin çıkış güçleri de azalmıştır. Ayrıca sıcaklık dağılımları tek diyot modelinde uygulanarak sistemin elektriksel analizi gerçekleştirilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre 3x5 seri-paralel gruplandırılmış CPVT sistemde güç kaybının 1x15 seri bağlı sisteme göre 14 W'a kadar çıktığı görülmüştür. Verimlilik analizleri incelendiğinde sonuçlar göstermiştir ki hem termal hem de elektriksel verimlilik değeri su için daha yüksektir. R410A'da sıcaklık farkı R134a'ya göre bir miktar fazladır. Bunun aksine elektriksel verimlilik ise R134a'da biraz fazladır. Bu durum R134a'da akışkan sıcaklık farkının R410A'ya göre 1-2 °C küçük olmasından kaynaklanmıştır. Elde edilen sonuçlar göstermektedir ki akışkan giriş sıcaklıklarının fazla olması PV'ler ve sistem elektrik üretimi açısından olumsuzdur. Bu yüzden sistem tasarımı gerçekleşmeden önce akışkan debileri ve basınç değerleri dikkatli seçilmeli ve tasarlanmalıdır. Özelikle yüksek giriş sıcaklıklarında akışkan debisinin daha yüksek seçilmesi gerektiği görülmüştür.

Abstract:
Photovoltaic (PV) cells are semiconductor devices that convert solar energy into electrical energy. Electric energy conversion efficiencies range from 5% to 10% for thin films, and from 10% to 20% for crystalline PV modules in the market. The rest of solar energy that can not be converted into electrical energy is reflected back into thermal energy. Thermal energy conversion causes the temperature of PV modules to increase. This temperature increase reduces the operating efficiency of the PV modules and consequently reduces its performance. PV modules are permanently damaged in extreme temperature conditions. In order to prevent this problem, active and passive cooling of PV modules is being carried out. By circulating the fluid behind the PV modules, the thermal energy of the PV modules is absorbed and the PV module temperature drops. Thus, both the electric and thermal energy of the PV modules can be utilized and the electric energy can be increased. These systems are called photovoltaic thermal (PVT) systems. In addition to this, the other way to increase the output power is to increase the solar radiation from the PV module surface. This is done with concentrated systems. These systems are concentrated photovoltaic (CPV) systems. However, since these systems also increase the temperature of the PV modules, the risk of damage to the PV modules is high. Instead, the CPV system in PVTs absorbs the thermal energy. In this way both electrical thermal energy requirements are met and the risk of damage to the system is reduced. These systems are called concentrated photovoltaic thermal (CPVT) systems.
Increasing the fluid inlet temperatures at every step in CPVT systems causes the temperature of the PV modules to increase. This temperature increase causes the operating voltages of the PV modules to decrease. The series and parallel connected systems cause the output power of the PV system to decrease due to differences in current and voltage. This amount of reduction is called mismatch losses. In this thesis study, electrical and thermal analysis of the CPVT system was carried out. In electrical analysis, the effect of serial-parallel (SP) and total cross tied (TCT) connection forms was investigated using single diode model. According to the results obtained, the contribution of the TCT connection is very small in the case of non-homogeneous temperature, and negligible (0.17 W) in the case of non-homogeneous temperature and radiation. In the thermal analysis, the temperature distributions of the CPVT system in different fluids and at different fluid inlet temperatures were investigated by the finite volume method. According to analyzes performed under the same flow and pressure conditions and under the same operating conditions, the difference in fluid inlet and outlet temperatures was 8.77 ° C for water and reached 34 ° C for R410 and R134. At a fluid inlet temperature of 50 ° C, PV modules have reached a temperature of 95 ° C. As a result, the output power of the PV modules is reduced. In addition, temperature distributions were applied in a single diode model, and electrical analysis of the system was performed. According to the results obtained, 3x5 serial-parallel grouped CPVT system has power loss of 14 W according to 1x15 serial connected system. When the efficiency analyzes were examined, the results showed that both the thermal and electrical efficiency values were higher for water. The thermal energy at R410A is somewhat higher than at R134a. On the contrary, the electrical efficiency is slightly higher in R134a. This is because the fluid temperature difference in R134a is 1, 2 ° C lower than R410A. The results show that the fluid inlet temperatures are too high for PVs and the system is negative for electricity generation. Therefore, the fluid flow and pressure values must be carefully selected and designed before the system design is realized. Particularly at high inlet temperatures it has been found that the fluid mass must be chosen higher.