Effıcıency enhancement of thermoelectrıc (TE) modules of photovoltaıc-thermoelectrıc (PV-TE) hybrıd systems

Fosil yakıtların kullanımı küresel olarak atmosferin ısınmasına ve iklimde değişikliğe yol açan sera gazlarını üretir. Evde gördüğümüz elektrik maliyetleri buzdağının sadece görünen kısmıdır. Görünüşte güvenlik harcamaları, temizlik çalışmaları, hava kirliliği, çevreye verilen zarar, savaşla ilgili harcamalar ve diğer ek gizli maliyetler gibi gizli maliyetler vardır. Yenilenebilir enerji kaynakları, küresel seviyede ısınmanın durdurulmasına ve iklim değişikliği engellme veya en aza indirme konusunda uygun enerji kaynaklarıdır. Fotovoltaik Enerji, özellikle güneş ışığı şiddetinin yüksek olduğu yerler için parlayan yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir. Öte yandan, güneş enerjisi herkesin kullanımına açıktır ve fotovoltaik modüllerle doğru akım üretilerek kullanılabilir hale getirilebilir. Küresel enerji talebi için en iyi çözüm olma potansiyeline sahiptir. Güneş ışığı için bir ücret ödemediğimiz gibi, Dünyamıza ulaşan bu sınırsız enerji, güneşten gelen fotonlarla elde edilen bu enerjiyi sürdürülebilir ve temiz bir enerji yapar. Ayrıca, güneş enerjisi emisyon veya kirlilik üretmez, bu da onu temiz bir enerji çözümü olarak çekici hale getirir. Güneş ışığı Dünya'daki yaşam için çok önemlidir. Sadece fiziksel evrensel sistemler ve döngüler için neredeyse tüm enerjiyi sağlamakla kalmıyor, aynı zamanda yüzey sıcaklıklarını da etkileyerek Dünya'yı biyolojik organizmaların gelişebileceği bir gezegen haline getiriyor. Güneş ışığı, besin zincirinin temeli olan bitkilerde fotosentezi sağlar. Güneş olmasaydı Dünya'da canlı organizmaların yaşaması mümkün olmazdı. Yüzeye ulaşan güneş enerjisi miktarı sabit değildir. Bu değişkenlik iki ana faktörden kaynaklanmaktadır: Dünya kendi etrafında dönerken Dünya ve Güneş arasındaki uzaklık değişir ve Güneş ışığının açısının sürekli değişmesine neden olan Dünya ekseninin eğimi. Güneş etrafında dönerken Dünyanın kullandığı yörünge daire değil bir elips olduğundan, Dünya ve Güneş'in arasında bulunan uzaklık takvim yılı içinde devamlı değişiklik gösterir. Mesafedeki bu değişiklik Dünya'ya ulaşan güneş ışığının yoğunluğunu etkiler. Ek olarak, Dünya ekseninin eğimi, güneş ışığının Dünya yüzeyine çarpma açısının yıl içinde devamlı değişmesine sebep olur. Bu eğim mevsimlerin değişmesini sağlar. Bu açı, güneş ışığının yoğunluğunu ve Dünya yüzeyinin emdiği enerji miktarını etkiler. Bu faktörler, dünyanın farklı bölgelerine farklı zamanlarda ulaşan güneş enerjisinin değişkenliğine katkıda bulunur; iklimi, hava durumunu etkiler. Güneş ışığının doğru akıma dönüştürülmesi anlamına gelen fotovoltaik, geleceğin teknolojisi olmasının yanı sıra çevre dostudur. Güneşten gelen enerji yalnız başına Dünyanın gereken enerji gereksinimini karşılamaya yeterli ve esasen sınırsızdır. Fotovoltaik çağın başlangıcı, Fransız deneysel fizikçi Edmund Becquerel'in fotovoltaik etkiyi keşfetmesine kadar uzanabilir. 1839 yılında iki metal elektrotun içinde olduğu bir iletken çözeltinin bulunduğu bir elektrolitik hücre üzerinde deneyler yaparken ışığa maruz kalmanın hücre içindeki akımı arttırdığını gözlemledi. 1973 Petrol Krizinden bu yana araştırmacılar özellikle fotovoltaik üzerine yoğunlaşıyorlar. Şimdiye kadar bilim adamları güneş pillerinin ve fotovoltaik modüllerin verimliliğini artırmaya odaklanıyorlar. Fotovoltaik-Termoelektrik (PV-TE) Hibrit Sistemler modül verimliliğini arttırma konusunda gelecek vaat eden sistemlerden biridir. Fotovoltaik (PV) araştırmacıları üç ana stratejiye odaklandılar: yeni malzemeler geliştirmek, enerji geri kazanımı için güneş ışığından yararlanmayı iyileştirmek ve ısıyı elektriğe dönüştürmek için fotovoltaik-termoelektrik (PV-TE) sistemlerden yararlanmak. Artan küresel nüfus, gelecekteki PV enerji santralleri için mevcut araziyi sınırlıyor, bu da güneş pili verimliliğinin ve fotovoltaik sistem etkinliğinin iyileştirilmesi ihtiyacını vurguluyor ve PV-TE bir çözüm olarak ortaya çıkıyor. Hibrit enerji üretim sistemleri, özellikle PV-TE, son yıllarda büyük ilgi görmüştür. PV-TE sistemlerinde termoelektrik jeneratörlerin (TEG'ler) kullanılması, termal enerjiyi toplamak ve sistemde üretilen enerjiyi arttırabilme adına harika bir imkan sunar. Önceki laboratuvar testleri, tek başına PV ile karşılaştırıldığında PV-TE ile güç çıkışında %39'a kadar artış olduğunu göstermiştir. TEG'ler, yüksek enerjili fotonlara dayanan fotovoltaik hücrelerin aksine, modül içindeki sıcaklık farklılıklarına bağlı olarak ısı enerjisini elektriğe dönüştürebilmektedir. Bu, ısının TE bileşeni tarafından elektrik enerjisine dönüştürülmesi nedeniyle, ısının PV güneş pilleri üzerindeki olumsuz etkilerini ortadan kaldırır. PV-TE hibrit sistemler, daha çok elektrik enerjisi üretebilmek için tüm spektrumda güneş ışınımından yararlanır. Özellikle güneş ışınımının yüksek olduğu bölgelerde etkilidirler ancak bir soğutma mekanizmasıyla donatıldıklarında güneş ışınımının düşük olduğu bölgelerde de karlı olabilirler. TE modülleri katı hal güvenilirliği sunar, ancak maliyetleri her zaman verimlilikle uyumlu değildir. Daha ucuz modüller bazen malzemelere, çalışma sıcaklıklarına ve boyuta bağlı olarak pahalı olan modüllerden daha iyi performans gösterebilir. PV-TE hibritlerdeki aktif soğutma sistemi, TE modülünün soğuk tarafını daha soğuk halde tutarak enerji üretimini artırır. Bu sistem, geleneksel PV sistemlerinin, PV modüllerinin arka tarafındaki sıcaklığı ortam sıcaklığının üzerine çıkarma ihtiyacını ortadan kaldırır. Fotovoltaik (PV) ve termoelektrik (TE) modüllerin PV-TE sistemlerine entegrasyonu, güneş spektrumunun kullanımının genişletilmesi, toplam güç çıkışının arttırılması ve Güneş ışığı ile elektrik elde edilmesi için birim güç için gereken alanın azaltılması yönünde potansiyel göstermiştir. Bu tezde pratik bir PV-TE sistem modelinin veriminin arttırılması yöntemleri araştırılmaktadır. Tipik olarak, TE bileşeninin güç çıkışını artırmak için, çeşitli ısı giderme yöntemleri kullanılarak termoelektrik jeneratör (TEG) modülü boyunca önemli bir sıcaklık farkı indüklenir. Bu soğutma teknikleri yalnızca TEG modülünün verimliliğini arttırmakla kalmaz, aynı zamanda PV bileşeninin performansını da artırabilir. PV-TE sisteminin üst kısımda PV modülü, alt kısımda ise TE modülü bulunur. Foton enerjisi yarı iletkenin bant aralığı enerjisini (Egap) aşarsa, PV modülüne gelen güneş ışığı elektron-delik çiftleri oluşturur ve bu da elektrik enerjisiyle sonuçlanır. Ancak düşük enerjili fotonlar modülün sıcaklığını arttırır ve sıcaklık-direnç ilişkisi nedeniyle direncini artırır. Bu, PV modülünün verimliliğini azaltır. TE modülü doğrudan PV modülün arka yüzeyine yapıştırılarak PV modülünde üretilen termal enerjinin TE modülüne aktarılmasına olanak sağlar. TEG'ler, farklı sıcaklıklardaki iki farklı iletkenin birleşim yerinde meydana gelen Seebeck Etkisinden yararlanarak bir elektrik potansiyeli oluşturmak üzere tasarlanmıştır. Bu olay sayesinde TEG'ler termal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürebilmektedir. Gelişmiş ve çeşitli stratejiler yoluyla TE modüllerinde verimliliğin artırılmasının sağlanması zorunludur. Bu alandaki geliştirmeler, enerji dönüşüm verimliliğinde önemli gelişmeler sağlamayı vaat etmekte ve böylece bu hibrit sistemlerin çeşitli sektörlerdeki etkinliğini ve potansiyel uygulamasını arttırmaktadır. Bu tez çalışmasında, monokristalin ve polikristalin silikon güneş pilleri ve yedi farklı TEG ile donatılmış PV-TE sistemlerinin dört farklı koşuldaki verimliliklerini değerlendiriyoruz. Başlangıçta PV-TE hibrit sistemler, 25 °C ortam sıcaklığında soğutma mekanizması olmadan test edilir (STC EN/IEC 61215). Daha sonra, gelişmiş ısı dağılımını kolaylaştırmak için alüminyum soğutucuların kullanıldığı pasif soğutma yaklaşımıyla sistemleri inceliyoruz. Diğer testler, soğutucu olarak su ve ardından nanoakışkan kullanan aktif bir soğutma sistemini içerir. Bu değerlendirmelerden elde edilen sonuçlar, gelecekteki PV-TE sistemlerinin verimliliğini artırmak için bir kıyaslama oluşturmayı amaçlamaktadır.