Yeni nesil güneş enerjili fotovoltaik-termal bir kurutma sisteminin tasarımı ve analizi
Design and analysis of a new generation solar powered photovoltaic-thermal drying system
Yazar: ERHAN ARSLAN
Danışman: PROF. DR. MUSTAFA AKTAŞ
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2020
Konu: Enerji = Energy

Özet:
Bu çalışmada fotovoltaik termal (PV/T) bir güneş panelinin tasarımı ve imalatı yapılarak üretilen sıcak hava ve elektrik enerjisi ile kendi enerjisini üretebilen bir kurutma sistemi yapılması amaçlanmıştır. Elde edilen sıcak hava ve elektrik enerjisi ile farklı iki tarım ürünü olan nane ve elmanın kurutulmuştur. Deneylerde, ürün kurutulması için gerekli olan bileşenlerin, infrared lamba ve fanların, elektrik ihtiyacı PV'den elde edilen elektrikle karşılanmıştır. Fazla enerji de akülerde depo edilmiştir. PV/T imalatından önce panelden en yüksek verimi sağlamak için çalışmanın sayısal analizi ANSYS fluent programında modellenmiştir ve etkin ısı transferi en uygun kanatçık yapısı tespit edilmiştir. Sayısal çözümlemede mesh sayısı 65000 olduğunda, yaklaşımın deneysel değere oranı %2,5 olduğu; mesh sayısı 470000'e yükseldiğinde ise yaklaşım değerinin %0,58'e düştüğü saptanmıştır. Farklı mesh sayılarında çözümlemeler yapıldıktan sonra sayısal ve deneysel sonuçları karşılaştırılmıştır. Sayısal ve deneysel çıkış sıcaklıkları arasında 1,1 ºC fark olduğu tespit edilmiştir. Deneyler dört farklı debide ( m ̇=0,031087 kg/s, m ̇=0,02552 kg/s, m ̇=0,04553 kg/s, m ̇=0,036424 kg/s) farklı iklim koşullarında (sonbahar ve kış mevsimlerinde) yapılmıştır. Deney sonuçlarına göre, PV/T'nin ortalama termal verimleri sırasıyla %37,10; %29,78; %49,50; %37,50, elektriksel verimleri ise %13,56; %13,73; %13,98; %12,99 olarak hesaplanmıştır. Ekserji verimleri yine sırasıyla %15,43; %15,18; %16,15; %13,91 olarak hesaplanmıştır. Debinin m ̇  0,04553 kg/s olduğu deneyde nane 290 dakikada; m ̇=0,036424 kg/s olduğu deneyde ise elma 370 dakikada tamamen güneş enerjisi kullanılarak kurutulmuştur.

Abstract:
In this study, a photovoltaic thermal collector was designed and manufactured. It is aimed to make a self-sufficient system with hot air and electrical energy obtained from PV/T. The drying of the product is matched with the obtained hot air, while the operation of infrared lamps and fans is aimed with electrical energy. The system, which was designed to be integrated with the drying chamber, aims to dry two different agricultural products, mint and apple. Excess energy was stored in batteries. The numerical analysis of the study was modeled by using ANSYS fluent program to obtain the highest yield from the collector and the most suitable fin structure was determined. When the grid structure with fine mesh numbers of 65000 was selected, the difference between the predicted and the measured values was of around 2.5% while being the grid structure with the mesh numbers of 470000, the predicted esults were reasonably in agreement with the measurements (almost 0.58%). The experiments were carried out at four different flow rates (m ̇= 0.031087 kg/s, m ̇=0.02552 kg/s, m ̇=0.04553 kg/s, m ̇=0.036424 kg/s) under different climatic conditions (autumn and winter seasons). The mean thermal efficiencies of PV/T were 37.10%; 29.78%; 49.50%; 37.50%, electrical efficiency of 13.56%; 13.73%; 13.98%; 12.99%. Exergy yields were also of 15.43%; 15.18%; 16.15%; 13.91%. In the experiment in which the flow rate was ̇m ̇ = 0.04553, 50 grams of mint leaves were used in 290 minutes; In the experiment in which m ̇= 0.036424, 100 g grated apples were dried in 370 minutes.