Hava ve su ile soğutulan PV-T’nin dört farklı koşul için enerji ve ekserji analizi

Öz

Bu çalışmada bir PV-T hava ve su ile soğutularak enerji ve ekserji analizi dört farklı çalışma şartları altında numerik olarak incelendi ve sonuçlar karşılaştırıldı. 1. Durum değişen güneş ışınımı şartları, 2. durum için gerçek günlük iklim koşulları, 3. durum için sabit güneş ışınımı ve 4. durum değişen soğutma kütlesi için analizler yapıldı. Analizler Mühendislik Denklem Çözücü (EES) kullanılarak yapıldı. Kullanılan PVT 0.54 m2 alana sahiptir ve PV-T’yi soğutmak için kullanılan kütle akışı hem hava hem de su için 𝑚̇ = 0.003 kg/s’dir ilk üç koçul için. Sonuç olarak, PV-T'nin en yüksek günlük enerji verimliliği su ve hava için sırasıyla %58.01 ve %38.74'e ulaşırken ekserji verimliliği ise en yüksek %17.23 ve %16.26'ya ulaştı. Güneş radyasyonun 100 W/m2 ’den 1000 W/m2 ’ye değiştiğinde PV-T’nin en yüksek enerji verimi su ve hava için sırasıyla %58.96 ve %41.76’ya ulaşırken en yüksek ekserji verimi ise %18.34 ve %16.20’ye ulaştı. Çevre sıcaklığı 0 ℃’den 30 ℃’ye arttırılarak sabit 500 W/m2 güneş radyasyonu için PV-T’nin en yüksek enerji verimi su ve hava için sırasıyla %59.64 ve %35.55’e ulaşırken en yüksek ekserji verimi ise %18.90 ve %16.09’a ulaştı. Ayrıca PV-T’nin günlük elektrik üretiminin su ile soğutulduğunda havaya göre %8.91 daha fazla olduğu bulundu. Ayrıca soğutma kütle debisi 0.001 kg/s’den 0.01 kg/s değiştiğinde su ile soğutulan PV-T’nin hava ile soğutulan PV-T’ye göre daha fazla elektrik ürettiği bulundu. Böylece, hemen hemen tüm şartlar altında PV-T su ile soğutulduğunda havaya göre daha iyi performans gösterdiği ve elektrik üretiminin de daha fazla olduğu bulundu.

Anahtar Kelimeler

• Güneş enerjisi ve ekserji
• PV-T
• Elektrik üretimi
• Enerji ve ekserji verimliliği

Energy and exergy analysis of PV-T cooled with air and water for four different conditions

Abstract

In this study, the energy and exergy analysis of a PV-T cooling with water and air were analyzed numerically under four different operating conditions and the results were compared. Analyzes were made to change solar radiation conditions for Case 1, real daily climatic conditions for Case 2, constant solar irradiance for Case 3, and the changing cooling mass flow rate for Case 4. Analyses of the system were performed using the Engineering Equation Solver (EES). The PV-T has an area of 0.54 m2 and the mass flow rate of the PV-T is 0.003 kg/s for both air and water under the first three conditions. As a result, PV-T's highest daily energy efficiencies reached 58.01% and 38.74% for water and air, while the highest exergy efficiencies reached 17.23% and 16.26%, respectively. When solar radiation changes from 100 W/m2 to 1000 W/m2 , PV-T's highest energy efficiencies reached 58.96% and 41.76% for water and air, while the highest exergy efficiencies are 18.34% and 16.20%, respectively. By increasing the ambient temperature from 0 ℃ to 30 ℃ under 500 W/m2 of constant solar radiation, the highest energy efficiencies of PV-T reached 59.64% and 35.55% for water and air, while the highest exergy efficiencies are 18.90% and 16.09%, respectively. In addition, it was found that the daily electricity production of PV-T was 8.91% higher when cooled with water than with air. It was also found that when the cooling mass flow rate changes from 0.001 kg/s to 0.01 kg/s, the water-cooled PV-T produces more electricity than the air-cooled PV-T. Thus, PV-T is cooled by water, it performs better almost under all conditions than air and it produces more electricity

Keywords

• Solar energy and exergy
• PV-T
• Electricity production
• Energy and exergy efficiencies

References

1. [1] Yılanc A, Atalay Ö, Koçar G, Eryaşar A. “Dinamik test metodu ile bir güneş kollektörünün ısıl performansının belirlenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 25(4), 417-422, 2019
2. [2] Çubukçu M, Metin Çolak M. “Gökçeada’da şebekeden bağimsiz bir fotovoltaik güç sistemi benzetimi ve karşilaştirmali gerçek performans incelemesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 19(5), 201-208, 2013.
3. [3] Zengin S, Deveci F, Boztepe M. “Şebekeye bağli fotovoltaik sistemler için flyback mikro-evirici tasarımı”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 21(2), 30-36, 2015.
4. [4] Çetin E, Sazak BS. “Fotovoltaik enerji dönüşüm sistemlerinde kullanılabilecek bir seri rezonans invertör devresinin incelenmesi”. Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 10(3), 339-346, 2004.
5. [5] Zondag HA, de Vries DW, van Helden WGJ, van Zolingen RJC, van Steenhoven AA. “The thermal and electrical yield of a PV-thermal collector”. Solar Energy, 72(2), 113-128, 2002.
6. [6] Liang R, Zhang J, Ma L, Li Y. “Performance evaluation of new type hybrid photovoltaic/thermal solar collector by experimental study”. Applied Thermal Engineering, 75, 487-492, 2015.
7. [7] Zondag HA, de Vries DW, van Helden WGJ, van Zolingen RJC, van Steenhoven AA. “The yield of different combined PV-thermal collector designs”. Solar Energy, 74, 253-269, 2003.
8. [8] Joshi AS, Tiwari AK, Tiwari G, Dincer I, Reddy BV. “Performance evaluation of a hybrid photovoltaic thermal (PV/T) (glass-to-glass) system”. International Journal of Thermal Sciences, 48, 154-164, 2009.

9. [9] Muneeshwaran M, Sajjad U, Ahmed T, Amer M, Ali HM, Wang CC. “Performance improvement of photovoltaic modules via temperature homogeneity improvement”. Energy, 203, 1-13, 2020.
10. [10] Radziemska E. “The effect of temperature on the power drop in crystalline silicon solar cells”. Renewable Energy, 28 (1), 1-12, 2003.
11. [11] Elbreki AM, Alghoul MA, Al-Shamani AN, Ammar AA, Yegani B, Aboghrara AM, Rusaln MH, Sopian K. “The role of climatic-design-operational parameters on combined PV/T collector performance: A critical review”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 57, 602-647, 2016.
12. [12] Fudholi A, Sopian K, Yazdi MH, Ruslan MH, Ibrahim A, Kazem HA. “Performance analysis of photovoltaic thermal (PVT) water collectors”. Energy Conversion and Management, 78, 641-651, 2014.
13. [13] Preet S, Bhushan B, Mahajan T. “Experimental investigation of water based photovoltaic/thermal (PV/T) system with and without phase change material (PCM)”. Solar Energy, 155, 1104-1120, 2017.
14. [14] Moharram KA, Abd-Elhady MS, Kandil HA, El-Sherif H. “Enhancing the performance of photovoltaic panels by water cooling”. Ain Shams Engineering Journal Volume, 4(4), 869-877, 2013.
15. [15] Rosa-Clot M, Rosa-Clot P, Tina GM, Scandura PF. “Submerged photovoltaic solar panel: SP2”. Renewable Energy, 35(8), 1862-1865, 2010.
16. [16] Odeh S, Behnia M. “Improving photovoltaic module efficiency using water cooling”. Heat Transfer Engineering 30(6), 499-505, 2009.
17. [17] Kolhe M, Bin D, Hu E. “Water cooled concentrated photovoltaic system”. International Journal of Smart Grid and Clean Energy, 2, 2-6, 2012.
18. [18] Abdolzadeh M, Ameri M. “Improving the effectiveness of a photovoltaic water pumping system by spraying water over the front of photovoltaic cells”. Renewable Energy, 34(1), 91-96, 2009.
19. [19] Sudhakar P, Santosh R, Asthalakshmi B, Kumaresan G, Velraj R. “Performance augmentation of solar photovoltaic panel through PCM integrated natural water circulation cooling technique”. Renewable Energy, 172, 1433-1488, 2021.
20. [20] Arslan E, Aktas M¸ Can OM. “Experimental and numerical investigation of a novel photovoltaic thermal (PV/T) collector with the energy and exergy analysis”. Journal of Cleaner Production, 2020. https://doi.org/10.1016/j.jclepro.2020.123255
21. [21] Ceylan I, Gürel AE, Demircan H, Aksu B. “Cooling of a photovoltaic module with temperature controlled solar collector”. Energy and Buildings, 72, 96-101, 2014.
22. [22] Elminshawy NAS, Mohamed AMI, Morad K, Elhenawy Y, Alrobaian AA. “Performance of PV panel coupled with geothermal air cooling system subjected to hot climatic”. Applied Thermal Engineering, 148, 1-9, 2019.
23. [23] Ozgen F, Esen M, Esen H. “Experimental investigation of thermal performance of a double-flow solar air heater having aluminum cans”. Renewable Energy, 34(11), 2391-2398, 2009.
24. [24] Nethra M, Kalidasan B. “Earth tube heat exchanger design for efficiency enhancement of PV panel”. Materyals Today: Proceedings, 2020. https://doi.org/ 10.1016/j.matpr.2020.02.387.
25. [25] Marinić-Kragić I, Nižetić S, Grubišić-Čabo F, Čoko D. “Analysis and optimization of passive cooling approach for free-standing photovoltaic panel: Introduction of slits”. Energy Conversion and Management, 2020. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2019.112277
26. [26] Ibrahim A, Othman MY, Ruslan MH, Mat S, Sopian K. “Recent advances in flat plate photovoltaic/thermal (PV/T) solar collectors”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 15 (1), 352-365, 2011.
27. [27] Zimmermann S, Helmers H, Tiwari MK, Paredes S, Michel B, Wiesenfarth M, Bett AW, Poulikakos D. “A highefficiency hybrid high-concentration photovoltaic system”. International Journal of Heat and Mass Transfer, 89, 514-521, 2015.
28. [28] Joshi AS, Dincer I, Reddy BV. “Performance analysis of photovoltaic systems: a review”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 13, 1884-1897, 2009.
29. [29] Duffie JA, Beckman WA. Solar Engineering of Thermal Process. 4nd ed. New York, USA, Wiley Interscience, 2013.
30. [30] Wang H, Zou J, Cortina JL, Kizito J. “Experimental and theoretical study on temperature distribution of adding coal cinder to bottom of salt gradient solar pond”. Solar Energy, 110, 756-767, 2014.
31. [31] Cilogullari M, Erden M, Karakilcik M, Dincer I. “Investigation of hydrogen production performance of a photovoltaic and thermal system”. International Journal of Hydrogen Energy, 42, 2547-2552, 2017.
32. [32] Petela R. “Exergy of undiluted thermal radiations”. Solar Energy, 74, 469-488, 2003.
33. [33] Bulut H. “Adana ilinde eğik yüzeylere gelen güneş ışınım miktarının belirlenmesi”. Çukurova Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi 30. Yıl Sempozyumu, Adana, Türkiye, 16-17 Ekim 2008.