Fotovoltaik termal (PV/T) sistemlerde hava ve su akışkanlarının birlikte kullanılmasının toplam verime etkisinin incelenmesi
Investigation on the effect of the total efficiency of water and air used together as a fluid in the photovoltaic thermal (PV/T) systems
Yazar: İMDAT ZAFER PEKTEMİR
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA ATMACA
Marmara Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy

Özet:
PV (fotovoltaik) panellerin sıcaklığı, elektrik üretirken yükselmektedir. Bu yüzden, panellerin elektriksel verimi azalmakta ve sürekli soğutulması gerekmektedir. İşte, bu yüzden fotovoltaik termal sistemler, PV panel sıcaklığını düşürmek ve termal enerji kazanmak için dizayn edilirler.
Bu çalışmada, hava ve su kullanılan fotovoltaik termal sistemin performansı ve su bazlı PV/T sistem ve soğutulmayan PV sistem ile karşılaştırılması yapılmıştır. Öncelikle, iki özel PV/T sistem dizayn edilmiştir. Birincisi, sadece su kullanılan PV/T (fotovoltaik-termal) sistemdir. İkincisi su ve hava ısı değiştiricisi kullanılan PV/T sistemdir. "Solenam" (Solar Energy Absorber Machine) olarak adlandırılan bu yeni sistemde, hava ısıtıcı olarak alüminyum balpeteği şekilli ısı değiştirici, su ısıtıcı olarak, bakır borular kullanılmıştır. Ayrıca, termal kazanımı artırmak ve düşük sıcaklık problemini çözebilmek için, PV panelin arkasına siyah absorber plaka yerleştirilmiş ve PV/T sistemler yalıtılmıştır. Böylece, yüksek hava ve su sıcaklıkları elde edilebilmiştir.
Bu sistemde, hava ve suyun birlikte kullanılması, bunların farklı fiziksel özelliklerinden yararlanılmasına olanak sağlamıştır. Hava, panelin hem üstünden hem de altından geçerken, su ayrı bir ısı değiştiricide panelin sadece alt kısmından geçmektedir. Bu sayede, su ve hava ayrı ısı değiştiricilerde, PV panelden aynı anda ısı çekmektedirler. Bu sayede, panel üst ve alt kısmından aynı anda soğutulmaktadır.
Çalışmada, su ve hava esaslı PV/T ile su esaslı PV/T ve soğutulmayan PV sistemin aynı atmosferik koşullarda karşılaştırmaları yapılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre, PV sistemin maksimum verimi yaklaşık 14% olarak gerçekleşmiştir. Ayrıca, toplam verim, su esaslı PV/T sistemde, 20% ve 40% aralığında gerçekleşmiştir. Sonuçta, su ve hava esaslı PV/T sistemde, toplam verim 60% ve 90% aralığında gerçekleşmiştir. Su ve hava esaslı PV/T sistemde, termal kazançlar oldukça yüksek olup çeşitli optimizasyonlar yapılarak evsel uygulamalarda kolaylıkla kullanılabilir. Bir başka deyişle, tasarladığımız bu yeni sistem, güneş enerjisinden 60%-90%'lara varan oranda yararlanılabilmesine olanak sağlamaktadır. 
Çalışma, birçok çalışmadan farklı olarak, doğal çevre koşullarında gerçekleştirilmiş, farklı iklimsel koşullara sahip çeşitli günlerde yürütülmüştür. Ayrıca atmosferik parametreler ölçülerek, PV panel sıcaklığı üzerinde etkili olan atmosferik parametreler araştırılmıştır.
Çalışma sonuçlarına göre, bu tip bir hava ve su esaslı PV/T modül ile tipik bir ofis odasının ısıtma ihtiyacının büyük bir kısmı sağlanabilir. Ayrıca, sistemin yazın da ısı kazanımı oldukça yüksek olup başka amaçlar için kullanılabilir. Diğer taraftan, bütün mevsimlerde elektrik enerjisi ve sıcak su, konut ihtiyaçları için de kullanılabilir. Sonuç olarak; "Solenam" konut uygulamalarının yanısıra, oteller ve yurtlar gibi hem elektrik hem de termal enerji ihtiyacının olduğu yerlerde kullanılabilir.

Abstract:
PV (photovoltaic) panel temperature increases when it produces electricity. Therefore electrical efficiency of the panel decreases and that is why the panel should always be cooled. Thus, for this reason, photovoltaic thermal systems are designed for cooling of PV to reduce the increased temperature of the panel and gained thermal energy. 
Besides the performance of photovoltaic-thermal systems which used both air and water,  its comparison with water based system and the uncooled PV system were studied in this present study. Firstly, two specific PV/T systems were designed. The first one was a PV/T system that used only a water heat exchanger. The second one was a PV/T (photovoltaic-thermal) system that used a water and  air heat exchanger.For air heating, an aluminium honeycomb heat exchanger and for water heating,  copper tubes were used in this novel PV/T system called "Solenam" (Solar Enegy Absorber Machine). Also, a black absorber plate  was placed at the back of the PV module and  an insulation material was used for the PV/T systems in order to enhance the thermal gain and overcome the low temperature problem. Thus,  high water and air output temperatures were able to achieved.
In this system, the use of water and air together  made it possible to benefit from their different physical properties . While air passed both the top of the panel and the bottom, water passed only through the bottom of the panel in a separate heat exchanger. In this way, the water and air  absorbed the thermal energy from the panel in a separate exchangers at the same time. Thus, it cooled both the top and the bottom of the panel at the same time.
The air and water based PV/T was compared with a water based PV/T and an uncooled PV under same atmospheric conditions in this present study. According to the study results, the maximum efficiency in the uncooled PV was nearly 14%. Also the total efficiency in the water based PV/T was nearly between 20% and 40%. Finally the total efficiency in the water and air based PV/T was nearly 60% and 90%. Thermal gain of working fluids was well high in the water and air based PV/T, therefore  it could  easily be used in residental applications by making several optimizations. In other word, this new system, the design of which belongs to  us, enables to benefit from the solar energy by a proportion up to 60%-90%.
This study, having been conducted under natural ambient conditions contrary to most common studies, was conducted on several days which had different climatic conditions. Additionally, the atmospheric parameters were measured.  It was investigated that the atmospheric parameters were effective on the PV panel temperature.
According to the results; a great portion of the need of heating in a typical office can be provided by this air and water based PV/T module. Also, the energy gaining of air in summer is well high and it can be used for other purposes by optimization. On the other hand, the production of electrical energy and hot water can be used for residential need in all seasons. As a result, "Solenam"could be use where both thermal and electrical energy are needed; for instance; in hotels and dormitories as well as in residential need.