Spektral ayrıştırıcı kullanarak fotovoltaik termal sistem performansının iyileştirilmesi

Fotovoltaik sistemler (PV) elektrik enerjisi üretmek için kullanılan sistemlerdir. Fotovoltaik hücreleri düşük elektrik dönüşüm verimliliğine sahiptir. Yüksek ortam sıcaklıklarının neden olduğu aşırı ısınma elektrik dönüşüm verimliliğini düşürür. Fotovoltaik panele, güneşten gelen spektrum dalga boyu aralığı 200 nm – 2500 nm aralığındadır. Fotovoltaik silisyum hücrelerin üretim yaptığı aralık ise yaklaşık 380 nm ile 1100 nm arasındadır. Dalga boyu aralığının dışında kalan kısım fotovoltaik hücrelerde ısıya dönüştürülür. Isıya dönüştürülen kısım elektrik dönüşüm verimliliğini azaltır. Elektrik dönüşüm verimliliğini artırmak için fotovoltaik termal sistemler (PV/T) çözüm olarak geliştirilmiştir. Panel ısısını azaltmak için ısı transfer akışkanı kullanılmaktadır. Hücrelerin arka yüzüne bitişik olarak dolaşan bu akışkanlar ısıyı soğurur ve üretilen ısının yararlı enerji olarak kullanılmasını sağlar. Ancak bu sistemlerde PV, yoğun güneş spektrumuna maruz kalır. Fazlaca ısınan PV hücrelerinin ömürleri kısalır. Bu problemlere çözüm olarak spektral ayrıştırıcılar kullanılmaktadır. Fotovoltaik silisyum hücrelere güneş radyasyonu gelmeden önce, fotovoltaik hücrelerin çalışma aralığında gelen ışını filtreler. Böylece yüksek ısının sebep olduğu elektrik dönüşüm ve termal verimlilik kayıpları ortadan kaldırılır. Bu çalışmada, iki farklı deneysel karşılaştırma gerçekleştirilmiştir. İlk olarak PV ve PV/T sistemlerin deneysel karşılaştırılmasına yer verilmiştir. PV/T sistemde PV sisteme göre %58 daha fazla elektriksel verim, ek olarak %33 termal verim elde edilmiştir. Toplam ortalama verimde ise PV/T sistem %46,95 ile daha iyi performans göstermiştir. Spektral ayrıştırıcıların fiziksel özelliklerine bakılarak 5 akışkan seçilmiştir. Akışkanlar, spektrofotometre cihazında optik özellikleri test edilmiştir. Bu beş akışkan arasından maliyet, özgül ısı, termal iletkenlik, optik özellikleri ön planda tutularak spektral iş akışkanı olarak su ve mono etilen glikol belirlenmiştir. Saf suyun en düşük maliyet ve en yüksek özgül ısı (4180 J/kg. K), en yüksek termal iletkenlik (0,6 W/m. K) değerlerine sahip olması belirleyici olmuştur. Mono etilen glikolün kolay ulaşılabilir oluşu hem fiziksel hem de optik özellikleri bakımından saf suyun ardından en iyi alternatif olduğu düşünülmüştür. İkinci deneysel karşılaştırmada PV sistemi ile PV/T sistemlerdeki spektral ayrıştırıcı performansları karşılaştırılmıştır. Spektral ayrıştırıcılar, elektriksel verimde mono etilen glikol ve saf su birbirine yakın (%11,58-%11,59) performans göstermiştir. Termal verim karşılaştırılmasında yaklaşık ortalama %70 verim ile mono etilen glikol avantajlı olmuştur. Toplam ortalama verimde mono etilen glikol %81,59, saf su %71,58 PV sistem %9,14 performans göstermiştir. Sistemin elektriksel veriminin arttırılması, termal enerjiden faydalanılması, temizlikten kaynaklı bakım maliyetlerinin azaltılması, yüksek sıcaklıktan kaynaklı PV sistemin zarar görmesinin engellemesi gibi avantajlar düşünüldüğünde tasarımı ve analizi gerçekleştirilen PV/T sistem ile, güneş enerjisinden daha etkili bir şekilde faydalanılması sağlanacak ve enerji maliyeti azaltılacaktır ve yenilenebilir enerji kullanımının yaygınlaştırılması sağlanacaktır. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik sistem, güneş radyasyonu, spektral ayrıştırıcı