Hava Soğutmalı Fotovoltaik Panellerde Kanatçık Tipinin Soğutmaya Etkisinin Teorik Olarak İncelenmesi

Öz

Günümüzde güneş enerjisinden farklı alanlarda, farklı sistemlerle, etkin bir şekilde yararlanılmaktadır. Güneş enerjisinden yararlanmanın etkili yollarından biri de fotovoltaik güneş panelleridir. Güneşten gelen enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bu sistemlerin kullanımı hızla yaygınlaşmaktadır. Fotovoltaik panellere yönelik bu yoğun ilgi beraberinde, bu sistemler üzerine araştırma ve geliştirme çalışmalarını getirmektedir. Yapılan çalışmaların büyük çoğunluğu güneş panellerinin verimini yükseltmeye yöneliktir. Fotovoltaik panellerin verimi; yüzey kirliliği, panelin güneşe göre konumu, gölgelenme, güneş hücrelerinin tipi ve sıcaklığı gibi faktörlerden etkilenmektedir. Güneş paneli hücrelerinin sıcaklığının artması, panelin elektrik üretimini azaltmaktadır. Bu sebeple, daha yüksek bir verim için güneş panellerinin soğutulması gerekir ve bu amaç için birçok yöntem geliştirilmiştir. Bu çalışmada, havayla soğutulan ve alt yüzeyine farklı geometrilerde kanatçık dizileri uygulanmış fotovoltaik panellerdeki sıcaklık dağılımı teorik olarak incelenmiştir. Bu kapsamda, seçilen üç farklı kanatçık tipi için kanatçıklardaki sıcaklık dağılımı elde edilmiş ve bu denklemler analitik ve nümerik olarak çözülmüştür. Elde edilen sonuçlardan hareketle bu kanatçık tipleri; toplam ısı geçişi miktarı, kanat verimi, kanat etkenliği ve toplam yüzey verimi gibi parametreler bakımından karşılaştırılarak en uygun kanatçık tipi belirlenmeye çalışılmıştır. Özetle bu çalışmada, gerçekleşen soğutma miktarı ve bu soğutmanın, panelin ortalama hücre sıcaklığına etkisi teorik olarak analiz edilmiştir. Çalışmada; alt yüzeyine kanatlar yerleştirilmiş fotovoltaik (PV) panelin ortalama hücre sıcaklıklarının, kanatsız PV panele göre, hava hızı, kanatçıklar arası boşluk ve kanatçık tipi gibi parametrelere bağlı olarak 8 C ila 26 C daha düşük olduğu tespit edilmiştir. Hücre ortalama sıcaklıklarındaki bu düşüş, literatürdeki deneysel verilere göre, beraberinde yaklaşık %6 ila %11.5 arasında bir elektriksel verim artışı sağlayacaktır. Çalışmada ayrıca; dikdörtgen kanatların, üçgen kanatlardan %4.1 ila %6.7, parabolik kanatlardan ise %13.2 ila %15.3 daha fazla ısı geçişi sağladığı tespit edilmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Güneş enerjisi
• fotovoltaik
• hava soğutmalı
• kanat dizisi
• kanat verimi

Theoretical Investigation of the Effect of Fin Type on Cooling in Air Cooled Photovoltaic Panels

Öz

Nowadays, solar energy is effectively utilized in different areas with different systems. One of the effective ways to benefit solar energy is photovoltaic solar panels. The usage of these systems, which convert the solar energy into electrical energy, is rapidly widespreading. This intense interest aimed at photovoltaic panels brings with it studies of research and development on these systems. The great majority of the studies done is oriented to increase the efficiency of solar panels. The efficiency of photovoltaic panel is affected by factors such as surface pollution, location of the panel relative to the sun, shading and the type and temperature of solar panel cells. Increasing the temperature of solar cells reduces the electricity production of the panel. For this reason, solar panels need to be cooled for a higher efficiency and many methods have been developed for this purpose. In this study, efficiency of photovoltaic panels, which are air-cooled and with finned arrays of different geometries are applied to the bottom surface, are theoretically investigated. Within this scope, temperature distribution in the fins were obtained for three different fin types and these equations were solved analytically and numerically. Based on the results obtained, these fin types were compared in terms of parameters such as total heat transfer rate, fin efficiency, fin effectiveness, and total surface efficiency and the most appropriate fin type was tried to be determined. In summary, in this study, the amount of cooling obtained and the contribution of this cooling to the average temperature of the solar panel cells are theoretically analyzed. In the study, it has been determined that the average cell temperatures of the photovoltaic (PV) panel with fins placed on the bottom surface are 8 C to 26 C lower than the PV panel without fins, depending on parameters such as air velocity, fin spacing, and fin type. This decrease in cell average temperatures will result in an increase in electrical efficiency of about 6% to 11.5%, according to experimental data in the literature. Also in the study, it has been determined that rectangular fins provide 4.1% to 6.7% more heat transfer than triangular fins and 13.2% to 15.3% more than parabolic fins.

Anahtar Kelimeler

• Solar energy
• photovoltaics
• air-cooled
• fin array

Kaynakça

1. [1] Stropnik R. and Stritih U., ‘Increasing the efficiency of PV panel with the use of PCM’, Renewable Energy, 97: 671-679, (2016).
2. [2] Grubisic-Cabo F., Nizetic S., Coko D., Kragic I. M., Papadopoulos A., ‘Experimental Investigation of the Passive Cooled Free-standing Photovoltaic Panel with Fixed Aluminum Fins on the Backside Surface’, Journal of Cleaner Production, 176: 119-129, (2018).
3. [3] Özakin A. N. and Kaya F., ‘Effect on the Exergy of the PVT System of Fins Added to an Air-cooled Channel: A Study on Temperature and Air Velocity with ANSYS Fluent’, Solar Energy, 184: 561-569, (2019).
4. [4] Elbreki A. M., Muftah A. F., Sopian K., Jarimi H., Fazlizan A., Ibrahim A, ‘Experimental and Economic Analysis of Passive Cooling PV Module using Fins and Planar Reflector’, Case Studies in Thermal Engineering, 23: 100801, (2020).
5. [5] Hernandez-Perez J. G., Carrillo J. G., Bassam A., Flota-Banuelos M., Patino-Lopez L. D., ‘Thermal Performance of a Discontinuous Finned Heatsink Profile for PV Passive Cooling’, Applied Thermal Engineering, 183: 116238, (2020).
6. [6] Bayrak F., Oztop H. F., Selimefendigil F., ‘Experimental Study for the Application of Different Cooling Techniques in Photovoltaic (PV) Panels’, Energy Conversion and Management, 212: 112789, (2020).
7. [7] http://www.enerjibes.com (Aralık 2020)
8. [8] http://www.enerjimag.com (Aralık 2020)

9. [9] Fesharaki V. J., Dehghani M., Fesharaki J. J., and Tavasoli H., ‘The Effect of Temperature on Photovoltaic Cell Efficiency’, Proceedings of the 1st International Conference on Emerging Trends in Energy Conservation - ETEC Tehran, Tehran Iran, 1-6, 20-21 November (2011).
10. [10] Grubišić-Čabo F., Nižetić S., Marco T. G., ‘Photovoltaic Panels: A Review of the Cooling Techniques’, Transactions of Famena XL - Special Issue 1: 63-74, (2016).
11. [11] http://www.coolermastercorp.com (Aralık 2020)
12. [12] Gilat A., Subramaniam V., ‘Chapter 10 Ordinary Differential Equations, Numerical Methods for Engineers and Scientists’, 3rd Edition, John Wiley & Sons, USA, (2014).
13. [13] Bergman T. L., Lavine A. S., Incropera F. P., Dewitt D. P., ‘Chapter 3 Heat Transfer from Extended Surfaces, Fundamentals of Heat and Mass Transfer’, 7th Edition, John Wiley & Sons, USA, (2011).
14. [14] Silva M. J., Zdanski P. S. B., Vaz Jr. M., ‘Forced Convection on Grey Cast Iron Plate-Fins: Prediction of the Heat Transfer Coefficient’, International Communications in Heat and Mass Transfer, 81: 1-7, (2017).
15. [15] Cengel Y. A., Ghajar A. J., ‘Chapter 3 Steady Heat Conduction, Heat and Mass Transfer’, 5th Edition, Mc Graw Hill Education, USA, (2015).
16. [16] Cruey B., King J., Tingleff B., ‘Cooling of Photovoltaic Cells’, December 7, (2006).
17. [17] Ahmed O. K., Mohammed Z. A., ‘Influence of Porous Media on the Performance of Hybrid PV/Thermal Collector’, Renewable Energy, 112: 378-387, (2017).