Energy and Exergy Analysis of A Photovoltaic Solar Power Plant

Abstract

Exergy analysis is important in determining the quality of energy and losses in a system based on irreversibility. Exergy is the ability to produce work. It can be defined as the maximum theoretical useful work that can be obtained from the system between the initial state and the dead state. It is possible to perform exergy analysis for all energy conversion systems because it is a measure of quality as well as quantity. In photovoltaic systems, the electricity produced (converted) by the solar panel gives the exergy value produced by the system. Heat is also generated during electricity production. The heat generated creates exergy losses due to irreversibility. In this study, the energy and exergy efficiencies of the photovoltaic solar power plant located in Kayseri, Türkiye with a peak power of 1.21 MW, were tried to be determined by using the actual production values in the June-August periods (in 2017), when solar energy is intense. Values were obtained monthly between 08:00 AM-20:00 PM on a five-day test. The actual production values obtained are: the electrical power produced by the facility, solar radiation and average environment temperature. Afterwards, energy and exergy analysis of the facility was performed based on the obtained values. Although the energy efficiency was above 25% in June and July, the highest exergy efficiency values in the same months were 27.7% and 28.7% respectively, and the highest was 25.7% in August. Therefore, it has been determined that losses due to irreversibility in photovoltaic systems are over 70% even in the morning hours when exergy efficiency is highest.

Keywords

• Keywords: Solar energy
• photovoltaic systems
• energy analysis
• exergy analysis

Bir Fotovoltaik Güneş Enerjisi Santralinin Enerji ve Ekserji Analizi

Abstract

Ekserji analizi, enerji kalitesinin ve tersinmezliklere bağlı olarak bir sistemde oluşan kayıpların belirlenmesi noktasında önemlidir. Ekserji iş üretebilme kabiliyetidir. Başlangıç halinden ölü hale ulaşıncaya kadar, sistemden elde edilebilecek maksimum teorik yararlı iş olarak tanımlanabilir. Enerjiyi dönüştüren tüm sistemler için ekserji analizi gerçekleştirmek mümkündür. Zira ekserji miktarla beraber niteliğin de bir ölçüsüdür. Fotovoltaik sistemlerde güneş paneli tarafından üretilen (dönüştürülen) elektrik, sistemin ürettiği ekserji değerini vermektedir. Elektrik üretimi sırasında ısı da oluşmaktadır. Oluşan ısı, tersinmezliklerden kaynaklı olarak ekserji kayıplarını oluşturmaktadır. Bu çalışmada pik gücü 1,21 MW olan ve Kayseri’de kurulan fotovoltaik güneş santralinin gerçek üretim değerleri kullanılarak güneş enerjisinin yoğun olduğu, Haziran-Ağustos dönemlerindeki (2017 yılı), enerji ve ekserji verimleri belirlenmeye çalışılmıştır. Değerler aylık olarak 5’er günlük test günlerindeki 08:00-20:00 zaman diliminde elde edilmiştir. Elde edilen gerçek değerler: tesisin ürettiği elektrik (gücü), güneş ışınımı ve ortalama çevre sıcaklığıdır. Sonrasında bunlara bağlı olarak tesisin enerji ve ekserji analizi gerçekleştirilmiştir. Enerji verimi Haziran ve Temmuz aylarında %25’in üzerine olduğu halde aynı aylardaki ekserji verim değerleri en yüksek % 27,7 ve % 28,7, Ağustos ayında ise en yüksek % 25,7 olarak elde edilmiştir. Dolayısıyla fotovoltaik sistemlerdeki tersinmezliklerden dolayı oluşan kayıpların, ekserji veriminin en yüksek olduğu sabah saatlerinde bile % 70’ in üzerinde olduğu tespit edilmiştir.

Keywords

• Güneş enerjisi
• fotovoltaik sistemler
• enerji analizi
• ekserji analizi

References

1. [1] http://www.enerji.gov.tr (Erişim Tarihi: 05. 01.2024).
2. [2] Cengel, Y. A. ve M. A. Boles. 2006. Thermodynamcs: An Engineering Appoach. Fifth Edition. Mc Graw Hill, 424s.
3. [3] Ndiaye, A., M. F. Kébé, C., Ndiaye ,P. A., Charki, A., Kobi, A. and Sambou, V. 2013. Impact of Dust on The Photovoltaic (PV) Module Scharacteristics after An Expositionyear in Saheli an Environment: Thecase of Senegal, International Journal of Physical Sciences, Vol. 8(21), s. 1166-1173. DOI: 10.5897/IJPS2013.3921
4. [4] Şahin, A. D., Dinçer, İ. and Rosen, M. A. 2007. Thermodynamicanalysis of Solar Photovoltaic Cell Systems, Solar Energy Materials and Solar Cells, 91(2–3) , s. 153-159. DOI: 10.1016/j.solmat.2006.07.015
5. [5] Bejan, A., Tsatsaronis G., Moran M. 1996. Thermal Design and Optimization. John Wiley&Sons, New York.
6. [6] Kotas, T.J. 1985. The Exergy Method of Thermal Plant Analysis. ButterworthHeinemann, 29s.
7. [7] Wong, K.F.V. 2000. Thermodynamics for Engineers. Second Edition. CRC Press, Taylor@Francis Group, s. 4.14.2.
8. [8] Hepbasli, A. 2008. A Key Review on Exergetic Analysis and Assessment of Renewable Energy Resourcesfor a Sustainable Future, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, s. 593–661. DOI:10.1016/j.rser.2006.10.001

9. [9] Elhadj Sidi, C. E. B., Ndiaye, M. L., Ndiaye, A. and Ndiaye, P. A. 2015. Outdoor Performance Analysis of a Mono Crystalline Photovoltaic Module: Irradiance and Temperature Effect on Exergetic Efficiency, International Journal of Physical Sciences, Vol. 10(11), s. 351-358. DOI: 10.5897/IJPS2015.4356
10. [10] Sudhakar, K. and Srivastava, T. 2013. Energy and Exergy Analysis of 36 W Solar Photovoltaic Modüle, International Journal of Ambient Energy, 35(1), s. 51-57. Article ID: IJMET_09_06_086
11. [11] Petela, R. 2003. Exergy of Undiluted Thermal Radiation, Solar Energy, 74, s. 469–488. DOI:10.1016/S0038-092X(03)00226-3
12. [12] Petela, R. 2008. An Approach to the Exergy Analysis of Photosynthesis, Solar Energy, 82(3), s. 11–328. DOI:10.1016/j.solener.2007.09.002
13. [13] Sarhaddi, F.,Farahat, S., Ajam, H. and Behzadmehr, A. 2010. Exergetic Performance Evaluation of a Solar Photovoltaic (PV) Array, Australian Journal of Basic and Applied Sciences, 4 (3), s. 502–519
14. [14] Ravat, P. 2017. Exergy Performance Analysis of 300 W Solar Photovoltaic Modüle, International Journal of Engineering Sciences&Research Technology, 3, s. 317-390. DOI: 10.5281/zenodo.438094
15. [15] Shukla, A., Khare, M. and Shukla, K. N., 2015. Experimental Exergetic Performance Evaluation of Solar PV Module, International Journal of Scientific and Research Publications, 5(1), s. 1-9
16. [16] Kumar, P., Gupta, V., Sudhakar, K. and Kumar Singh, A. 2016. Experimental Analysis of Comparative Temperature and Exergy of Crystalline (c-Si) and Amorphous (a-Si) Solar PV Module Using Water Cooling Method, IOSR Journal of Mechanicaland Civil Engineering (IOSR-JMCE), 13(5), s. 21-26. DOI: 10.9790/1684-1305032126
17. [17] Nuhoğlu, S. 2017. Tek Eksen Güneş Takipli Fotovoltaik Sistem Tasarımı ve Konya İçin Örnek Bir Uygulama. T.C. Necmettin Erbakan Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 28s, Konya.
18. [18] Joshi, A. S.,Dincer, I., and Reddy, B. V. 2009. Thermodynamic Assessment of Photovoltaic Systems, Solar Energy, 83 (8), s. 1139–1149. DOI: 10.1016/j.solener.2009.01.011