Faz değişim malzemesi entegreli güneş panellerinin verimliliğinin deneysel olarak incelenmesi
Experimental investigation of the efficiency of solar panels with phase change material integrated
Yazar: MUHAMMED MUSAB BAYAT
Danışman: PROF. DR. ERTAN BUYRUK
Sivas Cumhuriyet Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği = Electrical and Electronics Engineering ; Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Fotovoltaik (PV) paneller, güneş enerjisi dönüşümünde gelecek vaat eden bir teknolojidir. Ancak çalışma sırasında artan PV modül sıcaklığı, PV panelin performansını olumsuz yönde etkilemektedir. Bu nedenle, PV modülünün pasif soğutma tekniği ile soğutulması, başka bir enerjiye ihtiyaç duymadığı için aktif soğutma tekniklerine karşın araştırmacılar tarafından tercih edilmektedir. Bu çalışmada, pasif soğutma için bir PV modülünün arka yüzeyine sabitlenmiş alüminyum kanatçıklı konteynerlere faz değişim malzemesi (FDM) eklenmiştir. Çalışmada kullanılan FDM, Rubitherm markasına ait parafin bazlı organik RT28HC'dir. 
Deneysel çalışmalar laboratuvar ortamı ve doğrudan güneş ışığı altında dış ortamda gerçekleştirilmiştir. Soğutulmamış PV panel ve farklı geometrilere sahip FDM ile doldurulmuş alüminyum kanatçıklı konteyner ile sabitlenmiş PV-FDM modüllerinin yüzey sıcaklığı ve gerilim, akım ve güç çıkışları gibi elektriksel sonuçları karşılaştırılmıştır. Laboratuvar ortamında düz ve delikli alüminyum kanatçıklı konteynerler ile gerçekleştirilen deneylerde, PV-FDM modülünün yüzey sıcaklığı soğutmamış PV panele kıyasla sırasıyla 12.2 °C ve 13,3 °C azalarak güç çıkışı %7.43 ve %9,46 artmıştır. Dış ortamda doğrudan güneş ışığı altında yatay düz kanatçık, dikey delikli sıralı kanatçık, dikey delikli saptırmalı kanatçık ve yatay delikli saptırmalı kanatçıklı PV-FDM modülleriyle gerçekleştirilen deneylerde yatay delikli saptırmalı kanatçıklara sahip konteynerli PV-FDM modülünün ortalama yüzey sıcaklığı soğutmasız PV panele kıyasla Temmuz ayında 14,39 °C azalarak PV panel verimliliği %20 artarken Mayıs ve Haziran aylarında ise PV panel ortalama yüzey sıcaklığı sırasıyla 8.62 °C ve 10.91 °C azalarak PV panel verimliliği %16.82 ve %17,89 artış göstermiştir.  
Bununla birlikte laboratuvar koşulları altında gerçekleştirilen deneysel çalışmanın 2-boyutlu CFD analizi gerçekleştirilmiştir. Ortalama PV panel yüzey sıcaklığının analiz sonucunun deneysel sonuçlarla %4.25 farklılık göstermesi CFD analizi ve deneysel sonuçların uyum içinde olduğunu göstermektedir. Ayrıca başlangıç ortam sıcaklığının ve güneş ışınımının farklı kombinasyonlarında analizler gerçekleştirilmiş ve karşılaştırmalı sonuçlar verilmiştir. 
Son olarak laboratuvar deneylerinden elde edilen veriler ile bir yapay zekâ (YSA) modeli önerilmiş ve PV panel yüzey sıcaklık değerine karşılık üretilecek akım, gerilim ve güç değerleri YSA ile tahmin edilmiştir. Hem deneysel hem de YSA sonuçları arasında, delikli kanatçıklara sahip PV-FDM modülü en iyi soğutma etkisini sağlayarak %9,46'lık elektrik verimliliği sağlamıştır.

Abstract:
Photovoltaic (PV) panels are a promising technology in solar energy conversion. However, increasing PV module temperature during operation negatively affects the performance of the PV panel. For this reason, cooling the PV module with passive cooling technique is preferred by researchers over active cooling techniques since it does not require any other energy. In this study, phase change material (PCM) was added to aluminum fin containers fixed to the back surface of a PV module for passive cooling. The PCM used in the study is paraffin-based organic RT28HC from the Rubitherm brand. 
Experimental studies were carried out in a laboratory environment and outdoors under direct sunlight. The surface temperature and electrical results such as voltage, current and power outputs of uncooled PV panel and PV-PCM modules fixed with an aluminum fin container filled with PCM of different geometries were compared. In the experiments carried out in the laboratory environment with flat and perforated aluminum finned containers, the surface temperature of the PV-PCM module decreased by 12.2 °C and 13.3 °C, respectively, compared to the uncooled PV panel, and the power output increased by 7.43% and 9.46%. In experiments carried out outdoors under direct sunlight with horizontal flat fins, vertical perforated in-line fins, vertical perforated separated fins and horizontal perforated separated fins PV-PCM modules, the average surface temperature of the containerized PV-PCM module with horizontal perforated deflected fins, the average surface temperature of the containerized PV-PCM module with horizontally perforated deflected fins decreased by 14.39 °C in July compared to the uncooled PV panel, and the PV panel efficiency increased by 20%. In May and June, the average surface temperature of the PV panel decreased by 8.62 °C and 10.91 °C, respectively, and the PV panel efficiency increased by 16.82% and 17.89%. 
In addition, a 2-dimensional CFD analysis of the experimental study carried out under laboratory conditions was carried out. The fact that the analysis result of the average PV panel surface temperature differs by 4.25% from the experimental results shows that the CFD analysis and experimental results are in harmony. Additionally, analyzes were carried out at different combinations of initial ambient temperature and solar radiation and comparative results were given. 
Finally, an artificial intelligence (ANN) model was proposed with the data obtained from laboratory experiments, and the current, voltage and power values to be produced in response to the PV panel surface temperature value were predicted with ANN. Among both experimental and ANN results, the PV-PCM module with perforated fins provided the best cooling effect, providing an electrical efficiency of 9.46%.