Water-cooled automation system application in increasing the efficiency of photovoltaic panels: Antalya example

Abstract

Abstract: One of the problems of solar power plants, whose applications have increased considerably today, is that the efficiency of the panel decreases as the temperature increases. In this study, it is aimed to prevent panel efficiency decrease with temperature. In the study, the efficiency increase of the system was analyzed by using the water cooling method in a 1.75 kW solar energy facility in Antalya. In cooling with water; water tank, water pump, valves, pipes and automation system (control card, sensors and relays) are used. With the valves used at the outlet of the water pump, the water circulation rate was controlled depending on the temperature change in the system, and a fully controlled system was obtained for panel cooling. Two temperature sensors were placed at the DC cable connection points, which are the most heated part of the panels, and the reference temperature value was determined by taking the average of the values read from these temperature sensors. In the system, as the temperature values of the panels increased, the number of active valves increased, consequently, the flow of water was increased and the circulation of the water was faster, with minimum evaporation and rapid cooling, and the system efficiency was increased in the shortest time. When the panel surface temperature reaches 70 °C, the cooling system has been activated in 4 valves. When the average temperature of the front of the panel decreased to 55 °C, 1 valve was deactivated and 3 valves operated until the temperature decreased to 40 °C. When the average temperature drops to 30 °C, only 1 valve remained active. When the panel surfaces are down to 25 °C, the cooling system is deactivated. As a result, in the experiments conducted in Antalya, one of our provinces with the highest radiation value, an increase of 24.3% in power and 2.2% in efficiency was achieved with the cooling process.

Keywords

• Photovoltaic panel
• Panel efficiency
• Panel cooling
• Water cooled panel

Fotovoltaik panellerin verimliliğinin arttırılmasında su soğutmalı otomasyon sistemi uygulaması: Antalya örneği

Abstract

Günümüzde uygulamaları oldukça artmış olan güneş enerji santrallerinin sorunlarından biri sıcaklık arttıkça panel veriminin düşmesidir. Bu çalışmada sıcaklıkla panel verim düşüşünün önüne geçilmesi amaçlanmıştır. Çalışmada Antalya ilinde bulunan 1,75 kW’lık bir güneş enerji tesisinde su ile soğutma yöntemi kullanılarak sistemin verim artışı analiz edilmiştir. Su ile soğutmada; su deposu, su pompası, ventiller, borular ve otomasyon sistemi (kontrol kartı, sensörler ve röleler) kullanılmıştır. Su pompası çıkışında kullanılan ventiller ile sistemdeki sıcaklık değişimine bağlı olarak su sirkülasyonu hızı kontrol edilmiş olup, panel soğutma için tam kontrollü bir sistem elde edilmiştir. Panellerin en çok ısınan kısmı olan DC kablo bağlantı noktalarına 2 adet sıcaklık sensörü yerleştirilmiş ve bu sıcaklık sensörlerinden okunan değerlerin ortalaması alınarak referans sıcaklık değeri belirlenmiştir. Sistemde, panellerin sıcaklık değerleri arttıkça aktif olan ventil sayısı arttırılmış, dolayısıyla da suyun debisi arttırılmış ve suyun sirkülasyonu daha hızlı olduğundan minimum buharlaşma ve hızlı soğutma ile sistem verimliliğinin en kısa zamanda artması sağlanmıştır. Panel yüzeyi sıcaklığı 70 °C’ye ulaştığında soğutma sistemi 4 ventilde aktif olacak şekilde devreye girmiştir. Panel ön yüzü sıcaklık ortalaması 55 °C’ye indiğinde 1 ventil devreden çıkarak sıcaklık 40 °C’ye inene kadar 3 ventil çalışmıştır. Sıcaklık ortalaması 30 °C’ye indiğinde ise sadece 1 ventil devrede kalmıştır. Panel yüzeyleri 25 °C’ye indiğinde soğutma sistemi devreden çıkmıştır. Sonuç olarak ışınım değeri en yüksek illerimizden olan Antalya ilinde yapılan deneylerde soğutma işlemi ile birlikte güçte %24,3’lük, verimde ise %2,2’lük artış sağlanmıştır.

Keywords

• Fotovoltaik panel
• Panel verimliliği
• Panel soğutma
• Su soğutmalı panel

References

1. Royne A, Dey CJ, Mills DR. Cooling of photovoltaic cells under concentrated illumination: a critical review. Solar energy materials and solar cells, 86(4), 451-483, 2005.
2. Liu L, Zhu L, Wang Y, Huang Q, Sun Y, Yin Z. Heat dissipation performance of silicon solar cells by direct dielectric liquid immersion under intensified illuminations. Solar Energy, 85(5), 922-930, 2011. Zhu L, Boehm RF, Wang Y, Halford C, Sun Y. Water immersion cooling of PV cells in a high concentration system. Solar Energy Materials and Solar Cells, 95(2), 538-545, 2011.
3. Sheeba KN, Rao RM, Jaisankar S. A study on the underwater performance of a solar photovoltaic panel. Energy Sources, Part A: Recovery, Utilization, and Environmental Effects, 37(14), 1505-1512, 2015.
4. Ömeroğlu G. Fotovoltaik - Termal (PV/T) Sistemin Sayısal (CFD) ve Deneysel Analizi. Fırat Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 30(1), 161-167, 2018.
5. Gedik E. Experimental Investigation of Module Temperature Effect on Photovoltaic Panels Efficiency. Journal of Polytechnic, 19(4), 569-576, 2016.
6. Rahman MM. Effects of various paramaters on PV-module power and efficiency. Energy Conversion and Management, 103, 348-358, 2015.
7. Kabul A, Duran F. Isparta İlinde Fotovoltaik/Termal (PV/T) Hibrit Sistemin Performans Analizi. SDU International Technologic Science, 6(1), 31-43, 2014.
8. Bozkurt ON. Güneş Enerjisi Santrallerinde Panel Kirliliği ve Panel Temizliği. https://www. yenienerji.com/teknik/gunes-enerjisi-santrallerinde-panel-kirliligi-ve-panel-temizligi (Erişim Tarih: 02.05.2019).

9. Kızılkan, Ö. Arkadan su soğutma ile fotovoltaik panellerin verimliliğinin arttırılması. Yüksek Lisans Tezi, Siirt Üniversitesi, 2017.
10. Altınışık U. Su Soğutma İle Fotovoltaik Panellerin Verimliliğinin Arttırılması. Yüksek Lisans Tezi, Siirt Üniversitesi, Siirt, Türkiye, 2016.
11. Erkul A. Monokristal, Polikristal ve Amorf-Silisyum güneş panellerinin verimliliğinin incelenmesi ve aydınlatma sistemi uygulaması. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Ankara, 2010.
12. Sarhaddi F, Farahat S, Ajam H, Behzadmehr A. Exergetic performance assessment of a solar photovoltaic thermal (PV/T) air collector. Energy and Buildings, 42(11), 2184-2199, 2010.
13. Sobhnamayan F, Sarhaddi F, Alavi MA, Farahat S, Yazdanpanahi J. Optimization of a solar photovoltaic thermal (PV/T) water collector based on exergy concept. Renewable Energy, 68, 356-365, 2014.
14. Tonui JK, Tripanagnostopoulos Y. Air-cooled PV/T solar collectors with low cost performance improvements. Solar Energy, 81, 498–511, 2007.
15. Anonim. http://www.eie.gov.tr/eie-web/turkce/ YEK/gunes/tgunes.html (Erişim Tarihi 05.02.2019).
16. Moharram KA, Abd-Elhady MS, Kandil HA, El-Sherif H. Enhancing the performance of photovoltaic panels by water cooling. Ain Shams Engineering Journal, 4(4), 869-877, 2013.
17. Karamanav, M. Güneş enerjisi ve güneş pilleri. Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi, Sakarya, Türkiye, 2007.
18. Anonim. Güneş Paneli Bakımı ve Temizliği, http://www.solarportal.com/gunes-paneli-bakimi-ve-temizligi (Erişim Tarih: 17.03.2019).
19. Onay E. Fotovoltaik Panellerin Verimliliğinin Artırılmasında Otomasyon Sistemli Su Soğutma Uygulaması: Antalya Örneği. Yüksek Lisans Tezi, Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Isparta, 2019.
20. Boz O. Günümüzün alternatif enerji kaynağı güneş pilleri. Yüksek Lisans Tezi, Balıkesir Üniversitesi, Balıkesir, 2011.
21. Anonim. http://www.solarportal.com/gunes-paneli-bakimi-ve-temizligi (Erişim Tarih: 17/03/2019).
22. Deepali K, Tiwari GN. Determination of efficiency of hybrid photovoltaic thermal air collectors using artificial neural network approach for different PV technology. BVICAM's Int. J. Inf. Technol, 4(1), 397–404, 2012.
23. Demirbaş A, Bakıs R. Energy from renewable sources in Turkey: status and future direction. Energy Sources 26, 473-484, 2004.
24. Fıratoğlu ZA, Yeşilata B. Lineer elektriksel yüke bağlı PV panellerin optimizasyonu ve bölgesel uygulanabilirliğinin araştırılması, Havacılık ve Uzay Teknolojileri Dergisi, 1(1), 65-72, 2003.
25. Koç İ, Başaran K. PV/T Tabanlı Bir Sistemde MATLAB/Simulink Kullanılarak Yapılan Performans Analizi. Politeknik Dergisi, 22(1), 229-236, 2019.
26. Kostic L, Pavloviz T, Pavlovic Z. Optimal design of orientation of PV/T collector with reflector. Applied Energy, 87(10), 3023-3029, 2010.
27. Keçel S, Güçlü Yavuzcan H. Türkiye’deki bölgesel sıcaklık değişimlerinin güneş panellerinin verimliliklerine etkisi, Gazi Üniversitesi Endüstriyel Sanatlar Eğitim Fakültesi Dergisi, 22, 12-20, 2008.
28. Zimmermann S. A high-efficiency hybrid high-concentration photovoltaic system. International Journal of Heat and Mass Transfer, 89, 514-521, 2015.