Farklı PVT kollektör konfigürasyonlarının enerji ve ekserji performansının karşılaştırmalı analizi

Fotovoltaik termal (PVT) kolektörler, güneş ışınımından aynı anda hem elektrik hem de ısıl enerji üretebilen hibrit sistemler olarak öne çıkmaktadır. Geleneksel fotovoltaik paneller veya termal kolektörlerle karşılaştırıldığında, PVT sistemleri birim alan başına daha yüksek enerji verimi ve maliyet etkinliği sunmakta, aynı zamanda fotovoltaik (PV) hücre sıcaklığına bağlı verim kayıplarını da azaltmaktadır. Ancak, PVT kolektörlerin performansı, yutucu geometrisi, akış konfigürasyonları ve giriş-çıkış düzenlemeleri gibi birçok tasarım ve işletme parametresine yüksek derecede duyarlıdır. Bu çalışmada, paralel, serpantin ve spiral boru geometrileri olmak üzere üç ana grupta sınıflandırılan 26 yutucu tasarımından türetilen toplam 47 farklı PVT kolektör konfigürasyonunun kapsamlı bir sayısal incelemesi sunulmuştur. Tüm konfigürasyonlar, kararlı, laminer ve sıkıştırılamaz akış varsayımları altında, sonlu elemanlar yöntemine dayalı COMSOL Multiphysics yazılımı kullanılarak üç boyutlu olarak modellenmiş; bu kapsamda toplam 1615 adet analiz gerçekleştirilmiş ve her bir analiz iş istasyonunda yaklaşık iki saat sürmüştür. Her bir tasarım, eşit yutucu yüzey alanı ve boru uzunluğuna sahip olacak şekilde standartlaştırılmış, böylece konfigürasyonlar arası adil karşılaştırma sağlanmıştır. Performans değerlendirmesi; ısıl enerji ve elektrik üretimi, toplam ve birincil enerji tasarrufu verimi, basınç kaybı, birim basınç başına ısıl enerji üretimi (TEPD) ve ekserji verimliliği gibi enerji ve ekserji tabanlı ölçütler üzerinden gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, akışkan debisi, güneş ışınımı, akışkan giriş sıcaklığı, ortam sıcaklığı ve rüzgâr hızı gibi temel işletme parametrelerinin etkileri sistematik olarak incelenmiştir. Tüm konfigürasyonlar arasında, en yüksek ısıl enerji üretimi paralel borulu Config E (949.83 W), en yüksek elektriksel güç ve ekserji performansı ise serpantin borulu Config R1 tarafından elde edilmiştir. Config E, en yüksek genel (0.7564) ve birincil enerji tasarrufu verimi (0.9941) değerlerine ulaşırken, paralel borulu Config F, 5 L/saat debide 74.91 W/Pa ile en yüksek TEPD değerini elde etmiştir. Ekserji verimliliğinde ise en yüksek değer 0.1498 ile Config R1'de gözlemlenmiş, onu serpantin borulu Config H (0.1496) ve Config E (0.1494) takip etmiştir.