Spektral ayrıştırıcı kullanarak fotovoltaik termal sistem performansının iyileştirilmesi

Abstract

Fotovoltaik sistemler (PV) elektrik enerjisi üretmek için kullanılan sistemlerdir. Fotovoltaik hücreleri düşük elektrik dönüşüm verimliliğine sahiptir. Yüksek ortam sıcaklıklarının neden olduğu aşırı ısınma elektrik dönüşüm verimliliğini düşürür. Fotovoltaik panele, güneşten gelen spektrum dalga boyu aralığı 200 nm – 2500 nm aralığındadır. Fotovoltaik silisyum hücrelerin üretim yaptığı aralık ise yaklaşık 380 nm ile 1100 nm arasındadır. Dalga boyu aralığının dışında kalan kısım fotovoltaik hücrelerde ısıya dönüştürülür. Isıya dönüştürülen kısım elektrik dönüşüm verimliliğini azaltır. Elektrik dönüşüm verimliliğini artırmak için fotovoltaik termal sistemler (PV/T) çözüm olarak geliştirilmiştir. Panel ısısını azaltmak için ısı transfer akışkanı kullanılmaktadır. Hücrelerin arka yüzüne bitişik olarak dolaşan bu akışkanlar ısıyı soğurur ve üretilen ısının yararlı enerji olarak kullanılmasını sağlar. Ancak bu sistemlerde PV, yoğun güneş spektrumuna maruz kalır. Fazlaca ısınan PV hücrelerinin ömürleri kısalır. Bu problemlere çözüm olarak spektral ayrıştırıcılar kullanılmaktadır. Fotovoltaik silisyum hücrelere güneş radyasyonu gelmeden önce, fotovoltaik hücrelerin çalışma aralığında gelen ışını filtreler. Böylece yüksek ısının sebep olduğu elektrik dönüşüm ve termal verimlilik kayıpları ortadan kaldırılır. Bu çalışmada, iki farklı deneysel karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. İlk olarak PV ve PV/T sistemlerin deneysel karşılaştırılmasına yer verilmiştir. PV/T sistemde PV sisteme göre %58 daha fazla elektriksel verim, ek olarak %33 termal verim elde edilmiştir. Toplam ortalama verimde ise PV/T sistem %46,95 ile daha iyi performans göstermiştir. Spektral ayrıştırıcıların fiziksel özelliklerine bakılarak 5 akışkan seçilmiştir. Akışkanlar, spektrofotometre cihazında optik özellikleri test edilmiştir. Bu beş akışkan arasından maliyet, özgül ısı, termal iletkenlik, optik özellikleri ön planda tutularak spektral iş akışkanı olarak su ve mono etilen glikol belirlenmiştir. Saf suyun en düşük maliyet ve en yüksek özgül ısı (4180 J/kg. K), en yüksek termal iletkenlik (0,6 W/m. K) değerlerine sahip olması belirleyici olmuştur. Mono etilen glikolün kolay ulaşılabilir oluşu hem fiziksel hem de optik özellikleri bakımından saf suyun ardından en iyi alternatif olduğu düşünülmüştür. İkinci deneysel karşılaştırmada PV sistemi ile PV/T sistemlerdeki spektral ayrıştırıcı performansları karşılaştırılmıştır. Spektral ayrıştırıcılar, elektriksel verimde mono etilen glikol ve saf su birbirine yakın (%11,58 %11,59) performans göstermiştir. Termal verim karşılaştırılmasında yaklaşık ortalama %70 verim ile mono etilen glikol avantajlı olmuştur. Toplam ortalama verimde mono etilen glikol %81,59, saf su %71,58 PV sistem %9,14 performans göstermiştir. Sistemin elektriksel veriminin arttırılması, termal enerjiden faydalanılması, temizlikten kaynaklı bakım maliyetlerinin azaltılması, yüksek sıcaklıktan kaynaklı PV sistemin zarar görmesinin engellemesi gibi avantajlar düşünüldüğünde tasarımı ve analizi gerçekleştirilen PV/T sistem ile, güneş enerjisinden daha etkili bir şekilde faydalanılması sağlanacak ve enerji maliyeti azaltılacaktır ve yenilenebilir enerji kullanımının yaygınlaştırılması sağlanacaktır.

Photovoltaic systems (PV) are systems used to produce electrical energy. Photovoltaic cells have low electrical conversion efficiency. Overheating caused by high ambient temperatures reduces electrical conversion efficiency. The spectrum wavelength range coming from the sun to the photovoltaic panel is between 200 nm and 2500 nm. The range in which photovoltaic silicon cells produce is between approximately 380 nm and 1100 nm. The part outside the wavelength range is converted into heat in photovoltaic cells. The part converted to heat reduces the electrical conversion efficiency. Photovoltaic thermal systems (PV/T) have been developed as a solution to increase electricity conversion efficiency. Heat transfer fluid is used to reduce panel temperature. These fluids, circulating adjacent to the back side of the cells, absorb heat and enable the heat produced to be used as useful energy. However, in these systems, PV is exposed to the intense solar spectrum. The lifespan of overheated PV cells is shortened. Spectral discriminators are used as a solution to these problems. Before solar radiation reaches the photovoltaic silicon cells, it filters the incoming beam within the working range of the photovoltaic cells. Thus, electrical conversion and thermal efficiency losses caused by high temperatures are eliminated. In this study, two different experimental comparisons were carried out. First, an experimental comparison of PV and PV/T systems is given. In the PV/T system, 58% more electrical efficiency and an additional 33% thermal efficiency were achieved compared to the PV system. In total average efficiency, the PV/T system performed better with 46.95%. Five fluids were selected based on the physical properties of the spectral discriminators. The optical properties of the fluids were tested on the spectrophotometer device. Among these five fluids, water and mono ethylene glycol were determined as the spectral working fluids, considering their cost, specific heat, thermal conductivity and optical properties. It was determined that pure water had the lowest cost, highest specific heat (4180 J/kg. K) and highest thermal conductivity (0.6 W/m. K) values. Mono ethylene glycol is easily accessible and is thought to be the best alternative after pure water in terms of both its physical and optical properties. In the second experimental comparison, the spectral discriminator performances in the PV system and PV/T systems were compared. Spectral decomposers showed that mono ethylene glycol and pure water performed close to each other (11.58%-11.59%) in electrical efficiency. In comparing thermal efficiency, mono ethylene glycol was advantageous with an average efficiency of approximately 70%. In total average efficiency, mono ethylene glycol showed 81.59% performance, pure water 71.58% performance and PV system showed 9.14% performance. Increasing the electrical efficiency of the system, utilizing thermal energy, reducing maintenance costs due to cleaning, considering the advantages such as preventing damage to the PV system due to high temperatures, the PV/T system designed and analyzed will enable more effective use of solar energy, reduce energy costs and expand the use of renewable energy.