Yüksek yoğunlaştırıcılı bir mikro fotovoltaik/termal kombine hibrit enerji sistemi önerisi ve modellemesi

Abstract

Lineer Fresnel reflektörlerle (yansıtıcılarla) entegre bir fotovoltaik (PV) sistem, bir termal soğutma sistemi ile birleştirildiğinde çok çekici bir enerji üretim sistemi ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir lineer Fresnel reflector sistemine alıcı olarak entegre edilmiş bir PV panel ile, basit ve fakat özgün bir konfigürasyona sahip yoğunlaştırıcılı bir fotovoltaik-termal (CPV/T) sistem teorik olarak elde edilerek teknik modellemesi yapılmaktadır. Öngörülen bu sistem optik, elektriksel ve termal kısımlardan meydana gelmektedir. Üretim kolaylığı ve düşük maliyetli olmasının yanı sıra aynı zamanda daha az yer kaplayan düzlemsel aynalar sistemin optik kısmını, yüksek verimli ve son derece dayanıklı monokristal PV panel systemin elektriksel kısmını ve diğer soğutma konfigürasyonlarına göre daha verimli olan PV "alıcının" arka yüzeyine yerleştirilen kanallardan su geçirilmesi suretiyle oluşturulan sistem de önerilen PV/T systemin termal kısmını oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasıyla önerilen CPV/T sistemi, bir durum çalışması olarak İstanbul şehri için incelenmektedir. İstanbul iline ait güneş radyasyonu verileri kullanılarak yapılan bu durum çalışmasının sonuçları, İstanbul iline ait güneş ışınım değerlerinin diğer illerle karşılaştırıldığında görece düşük olmasına karşın, önerilen böyle bir enerji üretim sisteminin, daha yüksek güneş enerjisi değerlerine sahip lokasyonlarda uygulanması halinde daha cazip sonuçlar elde edileceği hususunda ümit verici ve yol gösterici olmaktadır. Çalışmada, saatlik direk normal radyasyon (HDNI) dikkate alınarak, yılın her ayını "temsil eden günler" için, gün doğumundan gün batımına kadar geçen sürede, aynaların eğim açıları saatlik olarak tüm aylar için hesaplanmaktadır. Hesaplamalarda, literatürdekinden farklı olarak bilgisayar yardımıyla geometrik hesaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Aynalara gelen güneş radyasyonundan en fazla faydanın sağlanabilmesi için, aynaların her biri farklı açılara sahip olacak şekilde güneşi izlemelidir. Saatlik açı hesapları yapılarak bir izleme mekanizması oluşturulmaktadır. İzleme yapılıyor olmasına rağmen, sistemin bir yansıtıcı sistem olması sebebiyle, doğası gereği sistemin optik kısmında kayıplar oluşmaktadır. Örneğin, yansıtma mekanizması sebebiyle, gelen güneş radyasyonu ile ayna normali aynı doğrultuda olamayacağı için kosinüs kayıpları kaçınılmaz olarak meydana gelmektedir. İzleme sistemi ile bu kayıp azaltılsa da kaçınılmazdır. Bu tür bir optik kaybın dışında, aynaların birbirini gölgelemesi, engellemesi, alıcı destek elemanları ve alıcının kendisinin aynaları gölgelemesi gibi nedenlerle ve alıcıda enine ve/veya boyuna uçlarda kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıpların yanında, hava koşullarından, izleme sistemi konstrüksiyonundan kaynaklı izleme hassasiyetinin azalması gibi kayıplar da meydana gelmektedir ancak bu kayıplar bu çalışmada ihmal edilmektedir. Sistemin optik verimini tespit etmek amacıyla kullanılan birçok benzetim yazılımı olmasına rağmen, başlangıçta bir deneme yapmak amacıyla, kullanım kolaylığı sağlayan Tonatiuh isimli yazılım ile optik modelleme yapılmıştır. Ancak gerek Tonatiuh gerekse diğer modelleme programlarında optik verim, sadece bir parametrenin sabit tutulup diğer parametrelerin değiştirilmesi suretiyle hesaplanabilmektedir. Bu tez çalışmasında, daha hassas bir hesap yapmak ve sistemde doğru optimizasyonların yapılabilmesi için, kayıpların doğrudan ölçümler yaparak tespit edilmesini sağlayan bilgisayar destekli vektörel çizim programları ile optik modelleme yapılmaktadır. Modelleme yılın her ayını temsil eden gün için, gün doğumundan gün batımına kadar saatlik olarak yapılmaktadır. Sistemde, nispeten ekonomik olan yansıtıcılarla toplanan güneş radyasyonu, daha küçük alana sahip olan bir alıcı (PV panel) üstüne yoğunlaştırılarak gönderilmektedir. Bu yoğun radyasyon, PV panelin aşırı ısınmasına ve bunun sonucunda da PV hücrelerde bozulmalara ve en önemlisi de panelin elektriksel veriminin düşmesine neden olmaktadır. Verim düşüşünü önlemek amacıyla, PV panelin arka yüzeyine yerleştirilen kanallar içerisinden soğutucu akışkan olarak su dolaştırılarak PV panel soğutulmuş ve verim düşüşü önlenmiş olmaktadır. Bununla birlikte, nispeten düşük sıcaklıkta da olsa, örneğin evsel kullanıma uygun sıcaklıklarda çıkış suyu elde edilerek, bir PV/T sistem meydana getirilmektedir. Böylece öngörülen sistem hem elektrik hem de termal enerji üreterek, toplamda daha verimli bir sistem elde edilmiş olmaktadır.