Fotovoltaik panellere bütünleştirilmiş farklı pasif yöntemlerin sistem verimliliğine etkisinin sayısal ve deneysel analizi
The numerical and experimental analysis of system efficiency effects of different passive methods in integrated photovoltaic panels
Yazar: FATİH BAYRAK
Danışman: PROF. DR. HAKAN FEHMİ ÖZTOP
Fırat Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Eğitimi Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Enerji = Energy ; Fotovoltaik piller = Photovoltaic cells ; Termoelektrik jeneratör = Thermoelectric generator ; Yüzgeç = Fin

Özet:
Fotovoltaik paneller güneş ışınlarını absorbe ederek elektrik enerjisi üreten enerji sistemleridir. Bununla beraber güneş ışınlarının elektrik enerjisine dönüşümü sırasında yüksek miktarda atık ısı meydana gelmektedir. Sistem üzerinde oluşan bu sıcaklık ile Fotovoltaik (PV) panellerin ürettikleri akım ve gerilim değerleri arasında doğrusal olmayan bir ilişki mevcuttur. Özellikle sıcak iklim şartlarındaki PV paneller bu ilişkiden daha da olumsuz etkilenerek performansları azalmaktadır.
Bu tez çalışmasında da ilk olarak, polikristal hücre yapısına sahip 75 W gücündeki PV panellerin Elazığ iklim koşulları altında hücre sıcaklıkları, çıkış güçleri, güç kayıp oranları ve enerji-ekserji verimleri incelenmiştir. Yapılan deneyler sonunda, PV panellerin akım değerlerinin güneş ışınımından, gerilim değerlerinin ise hücre sıcaklığından ciddi biçimde etkilendiği görülmüştür. Ayrıca, PV panel üzerine yerleştirilen ısıl çiftlerden alınan sıcaklık değerleri karşılaştırıldığında sıcaklığın paneller üzerinde homojen olarak dağılmadığı görülmüştür.
Çalışmaların ikinci bölümünde PV paneller kısmi gölgelenmeye maruz bırakılarak güç ve sıcaklık durumlarının analizi incelenmiştir. Gölgeye maruz kalan hücrelerin gölgelenmeye maruz kalmayan diğer hücrelere direnç oluşturarak sıcak nokta (hot spot) oluşumları meydana getirmiştir. Gölgelenen ve gölgelenmeyen PV paneller arasında sıcaklık farkları ve ciddi güç kayıpları oluşmuştur.
Üçüncü bölümde ise PV panellere farklı pasif soğutma yöntemleri uygulanarak sistem performansına olan etkileri araştırılmıştır. Pasif soğutma yöntemleri; alüminyum kanatçık, kapalı hücreli alüminyum köpük kanatçık, Faz Değiştiren Malzeme (FDM), Termoelektrik (TE) modül ve hibrit modül (FDM+TE) seçilerek farklı panellere bütünleştirilmiştir. Alüminyum kanatçık modelinde 10 farklı durum incelenmiş ve 7 cm boyunda, 20 cm uzunluğundaki şaşırtmalı dizilim en iyi sonucu vermiştir. Alüminyum köpük kanatçık modelinde, 6 mm ve 10 mm kalınlıklarında ve 5x10 cm boyutlarındaki iki farklı durum analiz edilmiş ve 10 mm kalınlığındaki kanatçıklı model en iyi sonuçları vermiştir. Üç farklı erime sıcaklığında faz değiştiren malzeme seçilerek kendi aralarında karşılaştırılmıştır. Erime sıcaklığı 29,17 oC olan kalsiyum klorür hekzahidrat (CaCl2.6H2O) panel üzerindeki sıcaklığı FDM'ler arasında en fazla düşüren ve en fazla verim arttıran kimyasal olmuştur. Termoelektrik modüller ise PV paneller üzerinde 6 ve 10 adet olmak üzere iki farklı sayıda yerleştirmiştir. İki farklı TE sayısına sahip PV paneller karşılaştırıldığında ise termoelektrik sayısı fazla olan durum en fazla çıkış gücünü arttıran sistem olmuştur.

Abstract:
Photovoltaic panels are energy systems that generate electricity by absorbing solar irradiation. However, when the sun's rays are converted to electricity, a high amount of waste heat is generated. There is a non-linear relationship between the temperature and the current and voltage values produced by the photovoltaic (PV) panels. Especially, PV panels in hot climatic conditions are affected more adversely and their performances are decreasing.
In this thesis study, cell temperatures, output powers, power loss ratios and energy-exergy efficiencies of 75 W power PV panels with polycrystalline cell structure under Elazig climatic conditions were investigated. At the end of the experiments, the current values of PV panels are seriously affected by solar radiation and the voltage values are seriously affected by cell temperature. In addition, when the temperature values obtained from the thermocouples placed on the PV panel are compared, it is seen that the temperature is not distributed homogeneously on the panel.
In the second part of the work, PV panels were subjected to partial shading to analyze the power and temperature conditions. The cells exposed to the shade created resistance to other cells that were not exposed to shading, causing hot spot formation. The between shaded and unshaded PV panels have occurred temperature differences and critical power losses.
In the third part, different passive cooling methods were applied to PV panels and the effects on system performance were investigated. Passive cooling methods; Aluminum fins, closed-cell aluminum foam fins, phase change materials (PCM), Thermoelectric (TE) module and hybrid module (FDM + TE) were integrated into different panels. In the aluminum fins model were examined 10 different situations and the staggered array of 7 cm length, 20 cm length gave the best result. In the aluminum foam fins, two different conditions were analyzed, 6 mm and 10 mm in thickness and 5x10 cm dimensions, and the 10 mm thick fin model gave the best results. Phase-changing materials were selected at three different melting temperatures and compared with each other. At the melting temperature of 29.17 oC, calcium chloride hexahydrate (CaCl2.6H2O) is chemical material the most reducing temperature and increasing efficiency of the PV panel. The thermoelectric modules were placed on PV panels in two different numbers, 6 and 10. The compared to PV panels with two different TE numbers, the case with the higher number of thermoelectric was the most increasing in output power.