Güneş-hidrojenli bir sisteminin kurulması ve performansının analizi
Application and performance analysis of a solar-hydrogen system
Yazar: AHMET YILANCI
Danışman: DOÇ. DR. HARUN KEMAL ÖZTÜRK ; PROF. DR. İBRAHİM DİNÇER
Pamukkale Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2008
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Elektroliz = Electrolysis ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş pilleri = Solar cells ; Hibrit enerji = Hybrid energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu çalışmada, bir güneş-hidrojenli hibrid enerji sistemi, Denizli'de Pamukkale Üniversitesi'nde kurulmuştur. Kurulan güneş-hidrojenli hibrid enerji sisteminin performans analizi güneş pili panellerinden son kullanıcıya kadar olan üç farklı enerji yolu dikkate alınarak yapılmıştır. Enerji ve ekserji analizinin yanı sıra her bir enerji yolunun elektriksel performansı rezistif, kapasitif ve indüktif karakteristiklere sahip farklı yükler altında incelenerek, bu yüklerin akım-gerilim-güç dalgalanmalarına etkileri gözlemlenmiştir. Güneş-hidrojenli hibrid enerji sisteminin her bir enerji yoluyla bu yüklerin elektrik ihtiyaçlarının karşılanmasında herhangi bir olumsuz dalgalanmanın meydana gelmediği görülmüştür. Hibrid enerji sisteminin ana bileşenlerinin karakteristikleri elde edildikten sonra, yıllık enerji ve ekserji akışını bulabilmek ve tahmin edebilmek amacıyla bir bilgisayar yazılımı (HOMER) kullanılmıştır. Sistemin, aylara göre, enerji veriminin %8.06 ile %9.88 arasında değiştiği hesaplanmıştır. Sistemin, aylara bağlı olarak, ekserji veriminin ise %9.06 ile %10.41 arasında olduğu görülmüştür. Hidrojen yolu, daha fazla elemana sahip olması nedeniyle en düşük enerji ve ekserji verimine sahip enerji yolu olmaktadır. Enerji yolları arasında en verimli enerji yol ise PV yolu olarak bulunmuştur. Sistemin hesaplanan ekserji yıkımlarında, güneş ışınımını elektrik enerjisine dönüştürme veriminin diğer sistem bileşenlerine göre daha düşük olması nedeniyle güneş pili panellerinin payının daha fazla olduğu gözlemlenmiştir. Bu yüzden, en önemli bileşenin ve en fazla iyileştirme potansiyeli taşıyan bileşen güneş pili panelleridir. İleride güneş pili panellerinin verimlerinde meydana gelecek artışlar, bu tip hibrid enerji sistemlerinin performansını etkileyecektir. Ayrıca, bu çalışmada, Pamukkale Üniversitesi güneş-hidrojenli hibrid enerji sisteminin eksergoekonomik analizi ile PV yolunun yükü karşılamadaki ekserji maliyetlerinin 0.96 ile 2.68 ABD$/kWh, akü yolunun 2.82 ile 3.16 ABD$/kWh arasında değiştiği görülmektedir. Hidrojen yolunun yük karşılamadaki ekserji maliyetleri ise 192.30 ile 562.12 ABD$/kWh arasında değişmektedir. Bu yüksek değerlerde elektrolizör ve yakıt pili sistemlerinin yatırım maliyetlerinin yüksek oluşu ve ömürlerinin kısa olması etkili olmaktadır.

Abstract:
In this study, a hybrid solar-hydrogen energy system was installed at Pamukkale University in Denizli. Performance investigation of the solar-hydrogen energy system is performed by considering three energy paths from photovoltaic panels to the consumer (PV, battery and hydrogen paths). In addition to the energy and exergy analyses, electrical performance of each energy path is investigated by using different electrical loads with resistive, capacitive, inductive characteristics and by observing their effects on current-voltage-power oscillations. It is seen that no unfavorable oscillations occured when electrical demands of the different loads are supplied by each energy path of the hybrid solar-hydrogen energy system. After determining the characteristics of the main components of the hybrid energy system, a computer software (HOMER) is used in order to estimate and find out annual energy and exergy flows. It is found that energy efficiency of the system varies between 8.06% and 9.88% depending on the months. It is seen that exergy efficiency of the system changes between 9.06% and 10.41% depending on the months. The energy path with the least energy and exergy efficiency is hydrogen energy path due to additional components. PV energy path is the most efficient energy paths among the energy paths. Moreover, it is observed that most of the exergy destruction of the hybrid energy system is occured in photovoltaic panels since their electrical conversion efficiency of solar radiation is quite low compared to the other system components. Therefore, the most important componenent which has the highest improvement potantial is the photovoltaic panels. If there is an improvement of the efficiency of the photovoltaic panels in the future, it will affect the performance of this type hybrid energy systems. In this study, exergoeconomic analysis of the Pamukkale University hybrid solar-hydrogen energy system is carried out. It is found that exergetic cost of the electrical energy supplied by the PV path varies between depending on the months. It is seen that exergetic cost of the electrical energy supplied by of the battery path changes between US$2.82/kWh and US$3.16/kWh depending on the months. The electrical energy supplied by the hydrogen path has the highest exergetic cost which fluctuates between US$192.30/kWh and US$562.12/kWh because of the investment costs and life limitations of the electrolyzer and fuel cell systems.