Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı / Sayfalar: 21-30

Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı Optimal PV-T Design Based On Investigation of Economic and Environmental Benefits of Rooftop Solar Thermal and Electrical Energy Generation

Makale Türü: YEKSEM 2019 Özel Sayı Makalesi Gönderim Tarihi: 22.05.2020 Kabul Tarihi: 28.09.2020

Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı

Optimal PV-T Design Based On Investigation of Economic and Environmental Benefits of Rooftop Solar Thermal and Electrical

Energy Generation

Serdar UYAR1, Dr. Öğr. Ü. Atabak NAJAFİ2

1Elektrik Elektronik Mühendisliği, Ondokuz Mayıs Üniversitesi, Samsun, Türkiye serda ruya r55 @hotmail.com

2Elektrik Elektronik Mühendisliği, Osmangazi Üniversitesi, Eskişehir, Türkiye a ta [email protected]

Öz

Her geçen gün artan enerji ihtiyacı, çevreye zararlı enerji kaynaklarının tüketimini hızla artırmakta ve bu tüketim; küresel ısınma, doğal dengenin bozulması gibi canlı yaşamını etkileyen durumlara sebep olmaktadır. Öte yandan, güneş enerjisinden termal enerji ve elektrik enerjisi üretimi de yenilenebilir enerji kaynağı olarak gün geçtikçe yaygınlaşmaktadır. Bu yaygınlaşma, binalarda kullanılan enerjiyi çatı üstü termal enerji ve elektrik enerjisi üreten PV-T sistemler üzerinden karşılamaya yönelik çalışmaları beraberinde getirmektedir. Bu çalışmada çatı üstü termal enerji ve elektrik enerjisi üretimi hakkında genel bilgiler verilmiş ve bu enerji üretim sistemlerinde kullanılan temel donanımlar hakkında detaylı anlatım bilgiler verilmiştir. Bunun yanında, literatürde yer alan ve üzerinde akademik çalışmalar yapılan PV-T sistemlere değinilmiştir. Çatı üstü enerji üretiminde kullanılan PV-T kollektörlerinin uygulanma şekli ve başarım gelişimi anlatılmıştır. Farklı tip PV-T kollektörlerin çatılara entegrasyonu gösterilmiştir. Ayrıca, çatıya entegre termal ve PV sistemlerin karakteristik farklarına da değinilmiştir. Sonuç olarak; çatı üstü termal enerji ve elektrik enerjisi üretiminde kullanılan PV-T sistemlerinde değerlendirilmesi faydalı olacak hususlar belirtilmiştir. Anahtar kelimeler: güneş enerjisi, pv-t sistem, panel

PV-T systems that generate rooftop thermal and electrical energy. This article included general information about rooftop solar thermal and electrical energy systems and detailed information about the main equipment used in these systems. Moreover, PV-T systems in the literature were mentioned. Form of application and performance improvement of PV-T collectors used in rooftop energy generation were explained as well. Integration of different types of PV-T collectors into roofs was indicated. In addition, characteristic differences of roofintegrated thermal and PV systems were addressed. Finally, the significant aspects to be considered regarding the PV-T systems used in rooftop solar thermal and electrical energy generation were stated. Keywords: solar energy, pv-t system, collector

1. GİRİŞ

Güneş enerjisi, güneşteki hidrojen atomlarının helyum a tomla rına dönüşmesi sonucu a çığa çıkan ışınım enerjisidir. Güneş enerji sistemleri güneşten gelen sıcaklığa göre değil güneş ışınlarına göre enerji üretmektedir. Yani ışığın olduğu her zaman, kış aylarında bile enerji üretilebilmektedir. Bu enerji dünya yüzeyine metrekare başına yaklaşık 1400 W olarak düşer [1].

Abstract

Ever-increasing need for energy rapidly increases the consumption of energy and this consumption leads to cases such as global warming and disruption of ecological balance that consequently affects life. Concurrently, solar thermal and electrical energy technologies are expanding day-by-day as renewable energy source. This expanding brings about studies to meet the need for energy used in buildings through the

Enerji üretiminde kullanılan kömür, petrol, doğalgaz ve bor gibi enerji türleri dünyada sınırlı olduğundan dolayı tükenme tehlikesiyle karşı karşıyadır. Fakat güneş enerjisinin yaşam var olduğu sürece tükenmesi söz konusu değildir.

Güneş enerjisi, tükenmemesinin yanında ortak olarak kullanılması, çevreyi kirletmemesi ve enerjiye dönüşüm maliyetinin düşük olması nedeniyle çok kullanılan bir enerji üretim

sistemidir. Bu yüzden yeni teknolojilerde güneş enerjisi kullanılmaya çalışılmaktadır.

Dünyada kullanılan enerjinin önemli bir kısmının binalarda harcandığı bilinmektedir. Ayrıca insanların yaşam kalitesi ve refah düzeyi arttıkça enerjiye olan talep de artmaktadır. Bununla beraber endüstriyel gelişim, nüfus artışı, elektriksel aletlerin kullanımının yaygınlaşması enerjiye olan talebi hızlı bir şekilde artırmaktadır. Birçok ülke ihtiyaç duyduğu enerjiyi üretimle karşılayamamaktadır. Ayrıca gelişmekte olan ülkeler sanayileşmiş ülkelerdeki ekonomik gelişmeyi yakalamak için yoğun çaba sarf etmektedir. Dolayısıyla bu ülkelerin enerjiye ola n ta leplerini ka rşıla ya bilmeleri hayati önem arz etmektedir. Artan bu enerji talebinin geleneksel üretim yöntemleri ile karşılanması atmosfere yayılacak olan sera gazların mikta rını ka t ve ka t arttıracak iklim değişimini daha da hızlandıracaktır. Yapılacak olan yeni enerji üretim sahalarında geleneksel enerji kaynaklarının yerine yenilenebilir enerji kaynaklarının tercih edilmesi insanlığa daha yaşanılabilir, temiz, kirletilmemiş bir çevre sunacaktır.

Geleneksel bir fotovoltaik panelin elektriksel enerji dönüşüm oranı %5-20 arasındadır [2]. Kalan enerji ısı enerjisi olarak ortaya çıkarak panelin yüzey sıcaklığını yükseltmektedir. Unutulmamalıdır ki panel yüzey sıcaklığındaki her 1°C’lik sıcaklık artışı fotovoltaik panelinin elektriksel verimini %0,47 oranında düşürmektedir [3]. PV-T sistemlerinde ise atmosfere yayılan ve panel yüzey sıcaklığını arttıran bu enerji güneş panelinin arkasına yerleştirilen ısı değiştiriciler ve akışkanlar yardımıyla tutulmakta ve faydalı enerji olarak kullanımı sağlanmaktadır. Böylelikle yaz aylarında 80°C’leri bulan panel yüzey sıcaklığı PV-T kollektörlerinin tasarımlarına göre daha düşük seviyelerde tutula bilmektedir. Bu sa yede a kışkanlar yardımıyla soğutulan bu güneş pilleri düşük ve kararlı bir sıcaklıkta güç çıkışını arttırır. Fotovoltaik panel üzerindeki soğutma uygulamaları hem panelin elektriksel verimini arttırmakta hem de sıcaklığın oluşturacağı bozulmanın azalmasından dolayı panelin kullanım ömrünü arttırmaktadır [4]. PV-T sistemlerin verimliliğini ortam sıcaklığı, güneş enerjisi geliş açısı, rüzgârın hızı ve soğutma şekli etkiler.

etkilerin üzerinde araştırma yapmışlardır [6]. Moradi ve arkadaşları fotovoltaik-termal sistem verimini etkileyen çeşitli parametreler ve bu parametrelerin değer aralıkları üzerine çalışma yapmışla rdır [7]. Riffat ve arkadaşları birçok analiz modeli kullanarak değişik tipteki PV-T sistemlerin fotovoltaik panel başarımını nasıl etkilediği ve elektriksel ve termal kazanımları niteliksel olarak araştırarak çıkarımlarda bulunmuşlardır [8].

Bu bildiride kapsam olarak çatı üstü termal ve elektrik enerjisi üretiminin ekonomik ve çevresel getirileri ve farklı tür PV-T tasarımları araştırılmıştır. Bu amaç doğrultusunda; farklı tip PV-T sistemleri ile ilgili literatür taraması yapılıp akademik çalışmalar incelenip farklı PV-T tasarımlarının kullanımı ve verimleri irdelenmiştir. Yapılan araştırmalardan çıkarılan sonuçlar karşılaştırılarak çatı üstü PV-T sisteminin geliştirilmesi ile ilgili önerilerde bulunulmuştur.

2. PV-T SİSTEMLER

Fotovolta ik-terma l sistemlerde fotovolta ik pa nelin sıcaklığı, doğal ya da zorlanmış akışkan ile soğutma yapılarak düşürülebilir. Böylelikle aynı anda elektrik ve ısı enerjisi üretebilen PV-T sistemler oluşturulmuş olur. Şekil 1’de de görüldüğü gibi PVT sistemler, fotovoltaik panel ve panelin arkasına yerleştirilmiş olan emici plakadan oluşmaktadır. Emici plakanın iki görevi vardır. İlki fotovoltaik paneli soğutarak elektrik üretim verimini arttırmaktır. İkincisi ise fotovoltaik sistem tarafından kullanılamayan atık ısıyı yararlı işe çevirmektir. Fotovoltaik panel ve termal toplayıcı kullanımı binaların çatısında daha az yer kaplayarak gerek alan tasarrufu sağlamanın yanı sıra hem elektrik enerjisini hem de sıcak su ihtiyacını da ka rşıla ya bilir.

Fotovolta ik-terma l enerji üretim sistemleri üzerine son yıllarda birçok ara ştırmacı bilimsel çalışmalar yapmıştır. Örneğin; Tyagi ve arkadaşları fotovoltaik-termal kollektörleri, fotovoltaik panelleri ve konsantrasyon kollektörlerini kapsayan teknolojiler üzerine çalışmışlardır [5]. Chow ve arkadaşları son yıllardaki kollektör tasarımları, kullanılan malzemelerdeki gelişmeler ve coğrafi

Şekil 1: Ça tıya entegre edilmiş PV-T ta sa rımı

PV-T kollektörleri güneş enerjisini elektrik ve termal enerjiye dönüştürdüğü için birim alandaki toplam enerji çevrimi oldukça yüksektir. Bununla beraber PV-T kollektörlerinden üretilen termal

Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı Optimal PV-T Design Based On Investigation of Economic and Environmental Benefits of Rooftop Solar Thermal and Electrical Energy Generation

enerji ancak düşük ve orta seviyedeki sıcaklık uygulamalarında kullanılabilir [9]. Çünkü PV-T sistemlerin asıl amacı fotovoltaik panelin sıcaklığını optimum seviyede tutup olabildiğince çok elektrik üretmektir. Fotovoltaik panelin sıca klığını optimum derecede tutmak için kulla nılan akışkan da ancak belli bir sıcaklığa kadar ısına bilm ektedir.

Çatı üstü enerji üretim sistemleri için değişik tipte PV-T tasarımları üzerinde çalışılmaktadır. Bu sistemlerle üretilen enerjinin verimi sistemde kullanılan kanal yapısı, akışkanın tipi gibi değişkenlere ba ğlıdır. Bunda n sonra ki kısımda çatı üstüne entegre edilen farklı tip PV-T sistemler üzerinde durulacaktır.

2.1. PV-T Hava Kollektörü

PV-T hava kollektörleri, termal hava kollektörleri ile benzer yapıdadır. Fakat bu kollektörlerde termal hava kollektörlerinin arka yüzeyine yerleştirilen koyu termal emici tabakanın yerine fotovoltaik panel yerleştirilmiştir. Bu sistemlerde verim ısı transferini sağlayan havanın akış tasarımına, debisine ve kanal yüzeyinin ısı transferine uygunluğuna göre değişir. Hava ile soğutulan PV-T kollektörleri diğer türlere göre oldukça ucuz, basit yapılı ve yaygın kullanılan bir sistemdir. Bu sistemde fotovoltaik panel üzerindeki ısı enerjisi etkili bir şekilde uzaklaştırılabilir.

Sıvı kollektörler ile karşılaştırıldığında düşük yoğunluk, düşük ısı sığa sı ve düşük termal iletkenliği nedeniyle düşük ısı transfer katsayısına sahiptir. Dolayısıyla termal verimleri %10-20 arasında değişmektedir. Ayrıca sıvı kollektör sistemlerine göre da ha ha ntal ya pılıdır. PV-T hava kollektörlerinde sızma ya da donma sorunu bulunmamaktadır. Fan kullanıldığı takdirde gürültü sorunu ortaya çıkabilmektedir [10].

Hegazy, 4 farklı hava kollektörü tasarımı üzerine çalışma yapmıştır. Bu 4 adet hava kollektörü Şekil 2’de görüldüğü gibi hava, emici yüzeyin üstünden (a), altından (b), hem üstünden hem de altından (c) ya da çift sirkülasyonlu geçiş (d) şekline göre tasarım olarak birbirinden ayrılmaktadır. Sa yısal simülasyonlar anlaşıldığı gibi b ve d tasarımı elektriksel ve termal kazanç olarak benzer sonuçlar vermektedir. Şekil 2’de a tasarımı en az verim ile çalışmaktadır. En az fan gücü isteyen tasarım ise sırasıyla c ve d tasarımıdır [11].

Şekil 2: Farklı yapıdaki hava kollektörleri

Ka mta hani ve a rka daşla rı orta m ısıtması a macıyla kullanılan hibrit yarı görünür çift geçişli PV-T sistemlerini incelemişler yıllık üretilen termal ve elektrik enerjisini sırasıyla 481kwh ve 470kwh olarak ölçmüşlerdir [12].

Yang ve arkadaşları çatıya entegre PV-T (BİPVT/a) hava sistemi üzerine deneysel çalışma yapmışlar bu sisteme ait kollektöre iki hava girişi uygulandığı ta kdirde terma l verimin %5 a rttığını ve fotovoltaik panelin sıcaklığının 1,5°C daha düştüğünü tespit etmişlerdir. Bununla beraber sisteme eklenen dikey cam kaplı hava kollektörünün termal verimi %8 oranında arttırdığını ve fotovoltaik panelin sıca klığını ça tı uzunluğu 5-6 metre ola n sistemlerde 5-10°C düşürdüğünü eklemişlerdir [13].

Agrawai ve arkadaşları soğuk iklim koşullarda elektrik enerjisi üretimi ve ortam ısıtması için termal enerji üretimi üzerine çatı tipi BİPVT/a sistemini araştırmışlardır. Toplamda 65m 2 kollektör alanına sahip 7,2kW kurulu elektriksel gücü olan bu sistemin ka na lla rda n 1,2kg/sn kütlesel debide hava sirkülasyonu sağlayan 0,12kW kapasitede fanları mevcuttur. Test sonuçlarına göre yıllık 16.209 kWh elektrik enerji ve 1.531kwh termal enerji üretimi sağlanmış olup termal verim %53,7 oranında gerçekleşmiştir [14].

Hava kollektörlü PV-T’ler hem düşük derecede termal, hem de yüksek derecede elektriksel enerjilerin aynı üniteden elde edilmesi gibi bir avantajı beraberinde getirir. Sonuç olarak, bu sistemler iki ayrı ünitenin maliyetinden çok daha ucuz ma liyete sa hiptir.

2.2. PV-T Su Kollektörü

PV-T su kollektörleri, hava kollektörlerinden farklı olarak su sızdırmamalı, elektrik yalıtımlı olmalı, su sirkülasyonu ve ısı transferi için gerekli borulara sahip olmalıdır. Bu nedenle oldukça pahalı bir sistemdir. Yüksek akış debisi nedeniyle fotovoltaik panelin sıcaklığının azaltılması hususunda oldukça etkili bir kollektördür. Kullanılabilir bir termal enerji elde edilebilmesi için akış debisinin düşük olması ve düşük boru çapları kullanılması gerekmektedir. PV-T sisteminin etkili kullanımı, ekonomik ömrünün iyileştirilmesi, optimum bir elektrik ve termal başarımı için ideal bir akış debisi belirlenebilir.

Anderson ve arkadaşları çatıya entegre PV-T su sisteminin teorik olarak analizini yapmışlardır. Sonuçlar göstermiştir ki kanatçık verimleri, kullanılan katmanlı yapı tekniği, termal iletkenlik gibi temel tasarım parametreleri elektriksel ve termal verimleri belirgin bir şekilde etkilemektedir. Bununla beraber kollektör içerisinde yer alan PV pa nelin a ltında ki ba kır ve a lüminyumdan üretilmiş emilim plakasının daha düşük fiyatlı yüzey işlemi görmüş çelik plakayla değiştirilmesinin verimi çok etkilemediği görülmüştür. Aynı zamanda bu çalışmada PV-T kollektörlerini çatının üstüne koyma k yerine ça tıya gömülü şekilde monta jlamak yalıtım açısından daha etkili bir yalıtım tekniğini orta ya çıka racağı belirtilmiştir [16].

Mishra ve a rka daşla rı iki fa rklı PV-T su kollektörü tasarımı incelemişlerdir. İlk tasarımda PV panelleri PV-T kollektör yüzeyinin bir kısmını, ikinci tasarımdaysa PV-T kollektör yüzeyinin tamamını kapsayacak şekilde tasarlanmıştır. Yapılan yıllık ölçümlerde ilk tasarımdan ikinci tasarıma geçildiğinde termal verimin %9,48 oranında düştüğü toplam net ekserjinin %39,16 oranında a rttığı görülmüştür [17].

Şekil 3. Farklı yapıdaki su kollektörleri

Fudholi (2014), Fotovoltaik modülden üretilen bir PV-T panelin verim analizini yapmıştır. Ulaşmış olduğu veriler sonucunda 800W/m 2 bir ışınım ve 0,041kg/s su debisinde, %13 fotovoltaik verim ve %52 terma l verim elde etmiştir. Fa rklı debi ve a kış hızının fotovoltaik paneldeki soğutmayı etkilediği gözlenmiştir. Ayrıca sıcak su üretiminin de etkilediğini tespit edilmiştir [15].

2.3. Soğutucu Temelli PV-T Kollektörü

Güneş panellerinin elektriksel verimlerinin panel yüzey sıcaklığı a rttıkça azaldığı bilinmektedir. PVT su veya PV-T hava kollektörlerinde her ne kadar fotovoltaik panel soğutulsa da ideal bir verim sağlanabilmesi için hedeflenen en uygun sıcaklık 25°C civarında olmalıdır. Bundan dolayı PV-T kollektöründen daha fazla elektriksel verimin sağlanabilmesi için kollektörün içerisinden su ya da hava yerine soğutucu akışkan geçirilmesi fikri soğutucu temelli PV-T kollektör sistemini ortaya çıkarmıştır. PV panellerinin yer aldığı kollektör yüzeyi daha düşük sıcaklıklarda tutulabilmektedir. Bununla beraber bu sistemde kollektör üzerinde soğutucu akışkana aktarılan kaynağı güneş ışınımı olan termal enerji yoğunlaştırıcı kısmında ısıtma suyuna aktarılabilmektedir. Yoğunlaştırıcı içerisinde ısı transferi soğutucu akışkanın termodinamik özelliklerinden dolayı daha yüksek sıcaklıkta meydana geldiği için soğutucu temelli PV-T sisteminin termal verimi de oldukça yüksektir.

Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı Optimal PV-T Design Based On Investigation of Economic and Environmental Benefits of Rooftop Solar Thermal and Electrical Energy Generation

2.4. Isı Borulu PV-T Kollektörü

Isı borula rı, terma l iletkenliği ve fa zla r a ra sı geçiş mekanizmasını bütünleştirdiği için ısı transferi açısından oldukça verimlidir. Şekil 5’te görüldüğü gibi konvansiyonel ısı borusu buharlaştırıcı, yalıtımlı ve yoğunlaştırıcı kısım olmak üzere üç kısımdan oluşmaktadır.

Şekil 4. Soğutucu temelli PV-T kollektör örneği

Fu ve arkadaşları Hong Kong iklim koşullarında R134 soğutucu akışkanını kullanarak yeni bir fotovoltaik güneş enerji destekli ısı pompasını deneysel olarak çalışmışlardır. Bu sistemin güneş destekli ısı pompası, hava kaynaklı ısı pompası ve ısı kanalı şeklinde üç farklı çalışma şekli bulunmaktadır. Deneysel sonuçlara göre güneş destekli ısı pompası modunda sistemin günlük toplam enerji verimi %61 ile %82,1 arasında değişmektedir. Bununla beraber güçlü güneş radyasyonu altında ısı pompasının ortalama başarım katsayısı (COP) 4,01’e ulaşmaktadır [18]. Chen ve a rka da şları R134a soğutucu a kışkan kulla nıla n PVT sisteminde PV panel yüzeyinin soğutulmasıyla elektriksel verimin %2,7’den %4,6’ya çıktığını gözlemlemişlerdir [19].

Jie ve arkadaşları soğutucu akışkan olarak R22 gazını kullanan güneş enerji destekli ısı pompasının verimlerini ölçmüşlerdir. 4 farklı (20, 30, 40 ve 50°C) yoğunlaştırıcı giriş sıcaklığına göre fotovoltaik panelin elektriksel verimini artırarak sırasıyla %10,4, %16,1, %5,4, %8,3 oranında gerçekleşmiştir [20].

Gang ve arkadaşları yeni bir çift ısı kaynaklı (Güneş radyasyonu ve havanın termal enerjisi) ısı pompalı sıcak su sisteminin deneysel ve teorik incelemesini yapmışlardır. Deney sonuçlarına göre ortalama elektriksel ve termal verim sırasıyla %14,5 ve %36,02 oranında gerçekleşmiştir. Toplam verim %50’nin üzerindedir. Isı pompasının ve sistemin başarım etkinlik katsayısı ise sırasıyla (COP ve COPsys) ortalama 4,08 ve 3,07 oranında gerçekleşmiştir [21]. Minglu Qu ve arkadaşları da yeni bir çift ısı kaynaklı ısı pompalı sıcak su sisteminin deneysel incelemesini yapmışlardır. Deney esna sında PV pa nelin opera syonel sıca klığı 45°C’ye kadar düşürülmüş buna bağlı olarak elektriksel verimi %10,3 oranında arttırılmıştır [22].

Şekil 5. Isı borulu PV-T kollektörünün soğutması

Isı borulu PV-T kollektörlerinde fotovoltaik panelinin hemen altında düz tabakalı ısı boruları bulunmaktadır. İçinde çok sayıda mikro kanal dizisine sahip ısı borularının fotovoltaik panel ile temas eden kısmı buharlaştırıcı kısmı oluşturmaktadır. Burada sıvı fazından gaz fazına geçen soğutucu madde fotovoltaik panelin termal enerjisini azaltır. Diğer uçtaki kısım ise yoğunlaştırıcı kısmını oluşturmaktadır. Buradaysa soğutucu akışkan, üzerindeki termal enerjiyi ısı değiştiriciler üzerinden soğutma suyuna atarak gaz fazından sıvı fazına geçmektedir. Böylece fotovolta ik pa nel ile ısı değiştiriciler a ra sında çok etkili bir ısı transfer mekanizması ve düşük bir termal direnç oluşumu sağla nmaktadır. Sonuç olarak ısı borulu PV-T sisteminde fotovoltaik panellerin elektriksel verimi %15-30 oranında iyileştirilebilmektedir.

Zhang ve arkadaşları yeni bir konsept olan döngülü ısı borulu PV-T sisteminin deneysel çalışmasını yapmışlardır. Deney sonuçlarına göre sistemin elektriksel verimi, terma l verimi ve topla m verimi sırasıyla %10, %40, %50 oranında gerçekleşmiştir. Bunun yanında bu çalışmada sistemin başarımını etkileyen güneş radyasyonu, çevre sıcaklığı, cam kaplama, rüzgâr hızı gibi parametrelerin bireysel olarak sistemin başarımını nasıl etkilediği araştırılmıştır [23].

2.5. Yoğunlaştırmalı PV-T Kollektörü

Diğer bir PV-T kollektör çeşidi yoğunlaştırmalı PV-T kollektörleridir. Güneş ışınımının PV-T kollektör üzerinde yoğunlaştırılması prensibi ile çalışmaktadır. Güneş ışınımının yoğunlaştırılması lineer ya da dairesel frensel lensleri, bileşik

parabolik yoğunlaştırıcı (CPC), reflektörler ya da paneller ile emici yüzey arasında gerçekleştiğin i

parabolik yansıtıcılar ile yapılmaktadır [24].

tespit etmişlerdir [27].

PV-T sistemlerine yoğunlaştırıcı elamanlar eklenerek aynı yapı üzerinde hiç bir değişiklik yapmadan elektriksel ve termal enerji verimleri arttırılabilir. Konvansiyonel PV-T sistemlerine göre artan bu elektriksel verim yoğunlaştırıcı kullanılan sistemlerde daha iyi bir finansal sonuç ortaya çıka ra bilir. Yoğunla ştırıcı birimler boyutsa l ola rak önemli ölçüde büyük olması nedeniyle uygula ma daki ça tı üstü PV-T sistemlerinde sınırlı bir oranda kullanılabilmektedir. Çatı üstüne entegre yoğunlaştırmalı PV-T sistemlerinin (BICPV-T) hem bina nın ça tısına hem de ya n yüzeyine montajı sağlanabilmektedir. Tek aks takip sistemli tasarımların binaya montajları daha uygundur. Tipik bir yoğunlaştırmalı PV-T sistemin şematik çizimi Şekil 6’da görülmektedir [25].

Canan Kandilli spektral ayrıştırmalı metot kullanılarak tasarlanmış yeni bir yoğunlaştırmalı kombine sisteminin (CPVCS) deneysel incelemesini yapmıştır. Bu sistemde yoğunlaştırmalı yansıtıcının odak noktasında görünür ışığın ötesindeki ultraviyole ve kızılötesi gibi ışınları yansıtan sıcak ayna bulunmaktadır. Sıcak aynadan yansıyan ultraviyole ve kızılötesi ışınlar uygun bir optik tasarımla vakum tüplerine gönderilerek vakum tüplerinde kullanılabilir ısı enerjisi üretilmektedir. Sıcak aynadan geçen görünür dalga boyundaki ışınlarsa fotovoltaik panelin yüzeyinde elektrik enerjisine çevrilmektedir. Test sonuçlarına göre bu sistemde PV hücre başına 4,6W elektriksel güç üretilmiştir. PV hücrede yoğunlaştırıcı olmadan üretilen güç 3,6W olduğundan elektriksel verimde hücre başına %27,8 oranında artış sağlanmıştır. Vakum tüpünde ise 141,2W değerinde ısıl güç elde edilmiştir [28].

Xu ve arkadaşları düşük yoğunlaştırmalı ısı

pompalı PV-T sisteminin (LCPV/T-HP) başarımı

incelemesini yapmıştır. Sabit kesilmiş parabolik

yoğunlaştırıcılar güneş ışığını ısı pompasının

buha rla ştırıcısını oluştura n PV-T kollektörünün PV

pa nellerinin

bulunduğu

yüzeyine

yönlendirmektedirler. Deney sonuçlarına göre

güneşli yaz günlerde sistemin başarım etkinlik

katsayısı (COP) 4,8 olarak gerçekleşmiş ısıtma

amacıyla kullanılan suyun sıcaklığı 40°C’den

70°C’ye çıktığı gözlemlenmiştir. Aynı deneysel

şartlarda elektriksel verim %17,5 olarak

gerçekleşmiştir. Bu değer düşük yoğunlaştırmalı

fotovoltaik panelin (LCPV) verimine göre 1,36 kat

daha büyüktür. Bunun yanında düşük

yoğunlaştırmalı parabolik yoğunlaştırıcıların

konsa ntra syon ora nı 1,6 ola ra k ölçülmüştür [29].

Şekil 6. Yoğunla ştırma lı PV-T kollektörleri

Garg ve Adhikari (1999), bir sürü kesilmiş bileşik parabolik yoğunlaştırıcının tek bir PV-T panelde kullanılmasını araştırmıştır. Sonuç olarak, yoğunlaştırma oranı üç olan hava ısıtması için kullandıkları kollektörün bir sisteme entegre edilmesi durumunda çok daha iyi sonuçlar verdiğini ortaya koymuşlardır [26].

Othman ve arkadaşları (2005), lineer Frensel reflektörleri kullanarak yoğunlaştırmalı PV-T kollektörü araştırmıştır. Yoğunlaştırma oranı 11 olan bu kollektörden elektriksel yük olmadan en fazla %60 termal verim elde etmiştir. PV-T sistemdeki en büyük termal direncin fotovoltaik

2.6. Hibrit PV-T Kollektörü

Çatı üstü enerji üretim sistemlerinin bekleneni verme konusunda kendine özgü koşul ve sınırlandırmaları bulunmaktadır. Bu sebeple istenilen enerji ihtiyacının karşılanabilmesi ve verimliliğin artırılması amacıyla birden fazla sisteme ihtiyaç duyulabilmektedir. Hibrit’ten kasıt da çatı üstü enerji üretiminden elde edilen iki enerjinin de kullanılabilmesidir. Yani fotovoltaik paneli soğutmak için kullanılan akışkanın su ısıtmasında veya başka bir ihtiyaç için kulla nılm a sıdır.

PV sistemler genelde yüzde %5-20 verimlilikt e çalışan ve geri kalan ısı enerjisini çevresine yayan verimliliği düşük sistemlerdir. Bu sebeple PV

Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı Optimal PV-T Design Based On Investigation of Economic and Environmental Benefits of Rooftop Solar Thermal and Electrical Energy Generation

sistemlerden üretilen ısı ve elektriği verimli bir şekilde kullanabilmek için BIPV/T gibi sistemler ta sa rla nır.

Engin ve Çolak, (2006) “PV/T Hibrit Sistemin

İzmir Koşullarında Analizi” isimli çalışmalarında

PV-T sistemlerin elektriksel ve termal verimini

incelemiş; binaların elektrik, sıcak su ve ısıtma gibi

gereksinimlerinin

ka rşıla nm a sında

kullanılabilirliğini ara ştırmıştır. Çalışmalarda yarı

saydam fotovoltaik panel ve Titanyum Dioksit

kaplamalı düzlemsel kollektörleri bir arada

kullanılmıştır. Kurulmuş olan hibrit sistemde en çok

verimin elde edilebilmesi için sistem parametreleri

optimize edilmiştir. Sonuç olara k; PV-T panelin

verimini, termal kollektör ve güneş panelinin

verimleriyle karşılaştırılmıştır [30].

Agrawa i ve arkadaşları mikro-kanallı termal hücreleri Hindistan’ın Srinagar Şehrinin iklim koşulları altında değerlendirmiştir. Bu değerlendirmede PV-T hücrelerin ortalama elektrik ve termal verimliliğinin sırasıyla %14,7 ve %10,8 olduğu sonucu ortaya çıkmıştır. Ayrıca, %20,28’lik en çok enerji verimliliğine 0,000108 kg/s akışkan ora nında ula şıldığı gözlenm iştir [14].

Chow ve a rka daşla rı ta mamen klima ile dona tılmış bir binanın dikey duvarlarına monte edilmiş polikristal güneş pilleri ve düz termal emici plaka ihtiva eden özel bir hibrit PV-T su kollektörlerinin ılıman iklim koşullarında başarımlarını ölçmüşlerdir. Yapılan yıllık değerlendirmede termal verim %37,5, elektriksel verim %9,39 oranında gerçekleşmiştir. Bu durumda söz konusu PV-T sisteminin yatırım maliyetini yaklaşık 14 yılda karşılayacağı hesaplanmıştır [2].

Bu bildiri çalışma sında çatı üstü enerji üretiminde kullanılan PV-T kollektörlerinin uygulanma şekli ve başarım gelişimi anlatılmıştır. Farklı tip PV-T kollektörlerin çatılara entegrasyonu gösterilmiştir. Ayrıca çatıya entegre termal ve PV sistemlerin karakteristik farklarına da değinilmiştir. Yapılan literatür taraması ve akademik incelemeler sonucunda aşağıdaki hususlara ulaşılarak binalarda kullanılan termal ve elektrik enerjiyi yenilenebilir enerjiden karşılamak için bir nebze de olsa çözüm aranmaya çalışılmıştır. Böylelikle çatı üstü enerji üretim sisteminde dikka t edilmesi gereken hususla r, sisteminin faydaları, zararları ve sistemin verimliliğini arttırmak için önerilen çözümlere yer verilmiştir.

Şekil 7’de Ma tla b progra mında eşitliği ya pıla n PVT sistemin elektriksel veriminin akışkan debisinin a rtma sına göre a rttığı görülmektedir. Özgül ısısı en düşük olan havanın elektriksel verim artışı %26 olarak hesaplanmıştır. Ancak çatı üstü sistemlerde a çığa çıka n ha vanın terma l kulla nımı da ha zordur. Özgül ısısı birbirine ya kın ola n su ve R22 sıvıla rının elektriksel verim artışı sırasıyla 5,9 ve 4,1 olarak hesaplanmıştır. Suyun termal olarak kullanımı en kolay olduğundan dolayı çatı üstü uygulamalarda en ra ha t şekilde kulla nıla bilir.

Sonuç olarak; hibrit PV-T sistemlerin kapladığı alandan üretilen elektrik ve termal enerji, bu alana ka rşılık gelen a la nın ya rısının fotovolta ik pa nel ve diğer yarısının güneş kollektörüyle kaplanması durumunda elde edilebilecek enerjiden daha f a zla dır.

3. SONUÇLAR

İkinci bölümde de değinildiği gibi hibrit fotovoltaik termal sistemleri (PV-T) yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisini termal ve elektrik enerjisine çevirdiği için son dönemde akademik çevrelerce rağbet gören, gelişmeye açık, gelecek va a t eden çevreci bir enerji üretim sistemidir. PV-T kollektörleri güneş enerjisini hem elektrik hem de termal enerjiye dönüştürdüğü için birim alandaki toplam enerji çevrimi oldukça yüksektir. Bununla beraber PV-T sisteminde fotovoltaik paneller soğutulduğu için elektriksel verimleri geleneksel fotovoltaik sistemlere göre daha yüksektir.

Şekil 7. Panelin elektriksel veriminin akışkan debisine göre değişimi

Yapılan çalışmadan da anlaşılacağı üzere, özgül ısısı daha yüksek olduğundan dolayı çatı üstü uygulamalarda akışkan olarak su seçilmesi hava seçilmesinden elektriksel verim açısından daha etkilidir. Ayrıca havanın termal kullanımının zor olması ve hava sistemlerinin hantal olmasından dolayı çatı üstü sistemlerde akışkan olarak hava yerine su seçilebilir.

PV-T sisteminin etkili kullanımı, ekonomik ömrünün iyileştirilmesi, en verimli elektrik ve termal başarımları için ideal bir akış debisi belirlenebilir. Bu noktada artan akış debisinin 25°C

değerine kadar elektriksel verimi arttırdığı fakat akışkanın debisi çok artarsa termal verimi düşürdüğü unutulmamalıdır.

Birbirine seri bağlı olan pa nellerin sayısının artması akışın sonuna doğru akışkanın ısınması nedeniyle elektriksel verimi düşürmektedir. Bununla beraber fotovolta ik pa nelinin güneşe ma ruz ka la n yüzeyiyle arka yüzeyi arasındaki sıcaklık farkının yüksek olma sı da elektriksel verimi düşüren etkenlerdendir.

PV-T hava kollektörleri sıvı kollektörler ile karşılaştırıldığında düşük yoğunluk, düşük ısı sığası ve düşük termal iletkenliği nedeniyle düşük ısı transfer katsayısına sahiptir. Dolayısıyla sıvı kollektör sistemlerine göre daha hanta l yapılıdır. PV-T hava kollektörlerinde sızma ya da donma sorunu bulunmamaktadır. Sistemi soğutmak için fan kullanıldığı takdirde gürültü sorunu ortaya çıka bilm ektedir.

Isı borulu PV-T kollektörlerinde ısı kazanımı, elektrik kazancı ve PV-T verimi artan akış hızı ile doğru orantılıdır. Su akış hızının termal kazanç üzerindeki etkisi elektriksel kazanımdakine göre çok daha yüksektir. Ayrıca, ısı borusu yuva la rındaki boşluğun a za lma sı PV-T verimliliği a rtıra ca ktır.

Boru tahliyeli kollektörlerde U-tube tasarımının başarımda daha iyi olduğuna ulaşılmıştır. Ayrıca cam boru tahliyeli kolektörlerde termal verimini değerlendirmek için sadece ısı verimliliğini değil, dış emici kaplamanın yüzey sıcaklığını da dikkate almak gerekmektedir.

Camlı PV-T kollektörler panellerin örtülü yapısı sa yesinde genelde da ha yüksek termal enerji çıkışı sağlarlar. Ayrıca, V oluklu kollektörler düz plaka ve kanatlı kollektörlerden daha verimliyken bunların a ra sında en verimsiz ola nı düz pla ka ya pılarıdır.

PV-T su kollektörleri, hava kollektörlerinden farklı olarak su sızdırmamalı, elektrik yalıtımı olmalı, su sirkülasyonu ve ısı transferi için gerekli borulara sahip olmalıdır. Yüksek akış debisi nedeniyle fotovoltaik panelin sıcaklığının azaltılması hususunda oldukça etkili bir kollektördür. Kullanıla bilir bir termal enerji elde edilebilmesi için akış debisinin düşük olması ve düşük boru çapları kulla nılma sı gerekmektedir.

PV-T kollektörlerinde enerji verimi bakımından mono-kristal sistemler daha verimliyken, ekonomik a nla mda amorf silikon da ha fa ydalı ola bilmektedir.

PV-T hava kollektörleri, havanın yoğunluğu, ısı kapasitesi ve termal iletkenliğinin düşük olması sebebiyle verimliliği düşük sistemlerdir. Ancak, yüksek akış hızı ve düşük besleme sıcaklığı ile yüksek terma l dönüşüm verimliliği sağladığı da olmaktadır. Ayrıca daha yüksek kollektör verimi elde etmek için; hava akış yönü boyunca ince bir konfigürasyona sahip, emme ve taban plakaları a ra sındaki boşluğu a z, emiciliği yüksek emisyonu düşük bir kaplaması olan, kütle akış hızını yüksek tutabilen ve giriş sıvısı ile ortam sıcaklığını birbirine çok yakın tutabilen termal hava kollektörleri kurmak gerekmektedir.

Suyun ısınma kapasitesinin havadan yüksek olması sebebiyle PV-T su kollektörlerin terma l verimliliği hava bazlı termal kolektörlerden daha yüksektir. Günümüzde düz plakalar en çok kullanılan çeşidi olurken, ısı nakil borulu sistemler de yüksek maliyetli olmasına rağmen, tüplerin etkin bir şekilde kontrol edilebilmesi sebebiyle gelecek vaat eden bir tasarım olarak değerlendirilmektedir.

PV-T sistemlerin kapladığı alandan üretilen elektrik ve termal enerjileri, karşılık gelen alanın yarısının fotovoltaik panel ile ve diğer yarısının güneş kollektörüyle ka pla nması durumunda elde edilecek enerjiden daha fazladır. Bu yüzden çatı üstü PV-T enerji üretim sistemleri geleceğin yenilenebilir enerji kaynağı olma potansiyeline fazlasıyla sahiptir. Fotovoltaik panelin sıcaklığı 25°C civarında tutularak yüksek elektrik verimi sağlanabilir. Ayrıca sıcaklığın oluşturacağı bozulmanın azalmasından dolayı panelin kullanım ömrü artar.

Bu çalışmada yapılan araştırma ve incelemelerde görüldüğü üzere, çatı üstü enerji üretiminde ihtiyaca göre PV-T sistem akışkanının debisi değiştirilerek termal ve elektriksel üretim oranı ayarlanabilir. Sonuç olarak; panel ve ortam sıcaklığını ölçüp akışkan debisini ayarlayan otomasyon sistemiyle termal ve elektriksel üretim istenilen oranda ya pıla bilir.

4. KAYNAKLAR

[1] URL-1:http://www.kiracgalvaniz.com.tr/solarenerji, (Ziyaret tarihi: 02.05.2019).

[2] Chow vd., A review on photovoltaic/thermal hybrid solar technology., Applied Energy 87 (2010) 365– 379 doi:10.1016/j.apenergy.2009.06.037.

[3] S.A. Kalogirou, Y. Tripanagnostopoulos, Hybrid PV/T solar systems for domestic hot water and electricity production, Energy Convers. Manage. 47 (2006) 3368–3382.

[4] Reddy vd., A review of PV-T system: Thermal management and afficiency with single phase cooling., Int. J. Of Heat and Mass Transfer 91 (2015) 861-871.

Çatı Üstü Termal ve Elektrik Enerjisi Üretiminin Ekonomik ve Çevresel Getirilerinin Araştırılarak Optimal PV-T Tasarımı Optimal PV-T Design Based On Investigation of Economic and Environmental Benefits of Rooftop Solar Thermal and Electrical Energy Generation

[5] V.V. Tyagi, S.C. Kaushik, S.K. Tyagi,

Advancement in solar photovoltaic/thermal (PV/T)

hybrid collector technology, Renewable

Sustainable Energy Rev. 16 (2012) 1383–1398.

[6] T.T. Chow, G.N. Tiwari, C. Menezo, Hybrid solar:

a review of photovoltaic and thermal power

integration, Int. J. Photoenergy (2012) 307287.

[7] K. Moradi, M. Ali Ebadian, C. Lin, A review of

PV/T technologies: effects of control parameters ,

Int. J. Heat Mass Transfer 64 (2013) 483–500.

[8] S.B. Riffat, E. Cuce, A review of hybrid

photovoltaic/thermal collectors and systems, Int. J.

Low Carbon Technol. 6 (2011) 212–241.

[9] Zondag HA,vd.,The yield of different combined

PV-thermalcollector

designs.

SolEnergy2003;74:253–69.

[10] Micheal vd., Flat plate solar photovoltaic – thermal

(PV/T) systems: A reference guide.

[11] Hegazy AdelA., Comparative study oft he

performances of four photovoltaic/ thermal solar

aircollectors. EnergyConversManag2000;41:861 –

81.

[12] Kamthania vd, Performance evaluation of a hybrid

photovoltaic thermal double pass facade for space

heating. Energy Build 2011;43.9:2274–81.

[13] Yang vd., A study of design options for a building

integrated photovoltaic/thermal (BIPV/T) system

with glazed airc ollector and multiple inlets.

SolEnergy 2014;104:82–92.

[14] Agrawai vd., Optimizing the energy and exergy of

building integrated photovoltaicthermal (BIPVT)

systems under cold climatic conditions. Appl

Energy 2010;87:417–26.

[15] Fudholi, A., Sopian, K., Yazdı, M., Ruslan, I.,

Kazem, H., 2014. Performance Analysis of

Photovoltaic Thermal (PVT) Water Collectors .

Energy Conversion and Management, 78, s641-

651.

[16] Anderson vd., Performance of a building integrated

photo- voltaic/thermal (BIPVT) solarcollector. Sol

Energy 2009;83:445–55.

[17] Mishra vd., Energy and exergy analysis of hybrid

photovoltaic thermal water collector for constant

collection temperature mode. Sol Energy

2013;90:58–67.

[18] Fu HD vd., Experimental study of a photovoltaic

solar-assisted heat-pump / heat-pipe system. Appl

Therm Eng2012;40:343–50.

[19] Chen Hongbing vd., Experimental study on a

hybrid photovoltaic / hea tpump system. Appl.

ThermEng 2011;31:4132–8.

[20] Jie JI,vd,. Experimental study of photovoltaic solar

assisted heat pump system. SolEnergy

2008;82.1:43–52.

[21] Wang vd., Experimental study on a novel PV/T air

dual-heat-source compositeheat pump hot water

system Gang Energy and Buildings 108 (2015)

175–184.

[22] Minglu vd., Experimental study on the operating

characteristics of a novelphotovoltaic/thermal

integrated dual-source heat pump water heating

system. Applied Thermal Engineering 94 (2016) 819–826. [23] Zhang vd., Characterization of a solar photovoltaic/loop-heat- pipe heat pump water heating system. ApplEnergy2013;102:1229–45. [24] Kundakçı B., 2010, Model Bir PV/T Trombe Duvarın Enerji Analizi, Doktora Tezi, Ege Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir. [25] Bernardo vd., Performance evaluation of low concentrating photovoltaic/thermal systems: a case study from Sweden. SolEnergy 2011;85:1499–510. [26] Garg, H.P., and Adhikari, R.S., 1999, System performance studies on a photovoltaic/thermal (pv/t) air heating collector, Renewable Energy, 16, 725- 730p. [27] Othman, M.Y.H., Yatima, B., Sopianb, K. and Bakar, M.N.A, 2005, Performance analysis of a double-pass photovoltaic/thermal (PV/T) solar collector with CPC and fins, Renewable Energy, 30, 2005–2017p. [28] Canan Kandilli, Performance analysis of a novel concentrating photovoltaic combined system. Energy Convers Manag 2013;67:186–96. [29] Xu vd., Experimental study on the operating characteristics of a novel low-concentrating solar photovoltaic/ thermal integrated heat pump water heating system. ApplThermEng 2011;31:3689–95. [30] Engin D., Çolak M., 2008. Yarı Saydam Güneş Pili/Termal Toplayıcı (PV/T) Hibrit Sistemin İzmir Koşullarında Analizi. Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi, 2, s1-13.

Serdar UYAR

Serdar UYAR, 1991’de Samsun’da doğdu. 2009 yılında Samsun Fen Lisesi’nden mezun oldu. Lisansını Kayseri’de Elektrik-Elektronik Mühendisliği üzerine 2014 yılında tamamladı. 2020 yılında Samsun Ondokuz Mayıs Üniversitesinde Elektrik-Elektronik Mühendisliği alanında yüksek lisans çalışmalarını tamamladı. Samsun Ondokuz Mayıs Üniversitesinde Elektrik-Elektronik Mühendisliği doktora bölümünde eğitimine devam ediyor. Uzmanlık alanları yenilenebilir enerji, elektrik işleri proje hazırlanması ve kontrollük yapılmasıdır.

Atabak NAJAFİ

1982 İRAN doğumludur. 2009 yılında İran Tahran Üniversitesinden Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümünden mezun oldu. Eylül 2016’da Gazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümünden Doktora derecesi aldı. Uzmanlık alanları elektrik makinaları, güç elektroniği, arıza tespiti ve makine öğrenmesidir. Dr.Najafi çeşitli KOSGEB ve sanayi proje kapsamında görev almıştır.