Fotovoltaik sistemlerde sprey soğutmanın deneysel ve sayısal analizi

Abstract

Bu tez çalışmasında güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemlerde, hücre sıcaklığının maksimum işletme sıcaklığını geçmesiyle gerçekleşen elektriksel verim düşüşünün önüne geçmek amacıyla sprey soğutma deney düzeneği kurulmuştur. Bu deney düzeneğinde farklı güneş ışınımları (1000 W/m2, 750 W/m2 ve 500 W/m2) ile fotovoltaik sistemin elektriksel verimleri ölçülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre 1000 W/m2 ve 750 W/m2 ışınımlar için soğutma aralığı belirlenmiş ve 500 W/m2 ışınım için soğutma ihtiyacının olmadığına karar verilmiştir. Soğutma ihtiyacının olduğu ışınımlarda çalışma sıcaklığı 45-25°C olarak belirlenmiştir. Daha sonra deney sisteminde hücre sıcaklığı 45°C'ye ulaştığı zaman röle sistemi ile sprey soğutma devreye girmekte ve panelden maksimum gücün elde edildiği 25°C'ye kadar soğutma işlemi devam etmektedir. Belirlenen çalışma sıcaklığındaki soğutma deneylerinden önce spreyleme zamanının sprey soğutma üzerindeki etkisi incelenmiştir.Sprey soğutma deney düzeneğinde farklı su ve hava debisi değerleri ile dolu koni ve düz (flat) püskürtme alanlarına sahip dört farklı nozul kullanılmıştır. Bu farklı nozullar için yapılan deneylerde ortalama damlacık çapı (SMD), Nusselt sayısı ve ısı transferi katsayı gibi sprey ısı transferi parametreleri hesaplanmıştır. Hava debisinin sıvı debisine oranı olan ALR değerleri de tüm deneyler için hesaplanmış ve sprey soğutma üzerindeki etkisi incelenmiştir. Yapılan tüm deneylerde CCD kamera ile görüntü alınarak oluşturalan spreyler için püskürtme açısı ve jet çapı hesaplanmıştır. Aynı zamanda DXF-HSİ nozulu için ANSYS-Fluent yazılım programı yardımıyla HAD analizi yapılmış ve deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmıştır. Fotovoltaik sistemin sprey ile soğutulduğu deneylerde en kısa soğutma süresi 143 saniye ve en yüksek ısı transferi katsayısı 2,61 W/cm2K olarak 400 ml/dk su debisi, 2,7 m3/h hava debisinde dolu koni püskürtme alanına sahip DXD-HS1 nozulu ile elde edilmiştir. Deneysel sonuçlar ile sayısal sonuçların DXF-HSİ nozulu için iyi bir uyum içerisinde olduğu gözlemlenmiştir.

In this thesis, a spray cooling experiment mechanism has been established in photovoltaic systems that convert solar energy directly into electrical energy, in order to prevent the electrical efficiency decrease that occurs when the cell temperature exceeds the maximum operating temperature. In this experiment setup, the electrical efficiencies of the photovoltaic system were measured with different solar radiation (1000 W/m2, 750 W/m2 and 500 W/m2). According to the results obtained, cooling range was determined for 1000 W/m2 and 750 W/m2 irradiation and it was decided that there was no cooling requirement for 500 W/m2 radiation. The working temperature is determined as 45-25 °C in the radiations that need cooling. Then, when the cell temperature reaches 45 °C in the experimental system, spray cooling is activated with the relay system and cooling process continues until 25°C, temperature that maximum power is obtained from the panel. The effect of spraying time on spray cooling was examined before the cooling experiments at the determined working temperature.Four different nozzles with full cone and flat spray areas with different water and air flow rates were used in the spray cooling test apparatus. Spray heat transfer parameters such as average droplet diameter (SMD), Nusselt number and heat transfer coefficient were calculated in the experiments for these different nozzles. ALR values, which are the ratio of air flow to liquid flow, were also calculated for all experiments and their effect on spray cooling was examined. In all experiments, the spray angle and jet diameter were calculated for the sprays created by taking images with a CCD camera. At the same time, HAD analysis was performed with the help of ANSYS-Fluent software program for DXF-HSI nozzle and compared with experimental results. In experiments in which the photovoltaic system is spray-cooled, the shortest cooling time is 143 seconds and the highest heat transfer coefficient is 2.61 W / cm2K with 400 ml / min water flow rate, 2.7 m3 / h air flow with full cone spray area. It was obtained DXD-HS1 nozzle. It has been observed that the experimental results and the numerical results are in good agreement for the DXF-HSI nozzle.