A comparative analysis of energy and exergy performance of different PVT collector configurations
Farklı PVT kollektör konfigürasyonlarının enerji ve ekserji performansının karşılaştırmalı analizi
- Tez No: 987573
- Danışmanlar: PROF. DR. ORHAN BÜYÜKALACA
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Çukurova Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
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.
Özet (Çeviri)
Photovoltaic thermal (PVT) collectors have emerged as promising hybrid systems capable of simultaneously generating both electrical and thermal energy from solar radiation. Compared to standalone photovoltaic panels or thermal collectors, PVT systems offer higher energy efficiency per unit area and improved cost-effectiveness, while also reducing PV cell temperature-related efficiency losses. However, the performance of PVT collectors is highly sensitive to a range of design and operational parameters, including absorber geometry, flow configurations, and inlet-outlet arrangements. This study presents a comprehensive numerical investigation of 47 different PVT collector configurations derived from 26 absorber designs, categorized into three main groups: parallel, serpentine and spiral tube geometries. All configurations were modeled in 3-D using COMSOL Multiphysics software based on the finite element method, under steady-state, laminar, and incompressible flow assumptions, and a total of 1615 simulations were performed, each requiring approximately two hours of computational time on the workstation. Each design was standardized to ensure equal absorber surface areas and tube lengths, enabling fair comparison across all configurations. A detailed performance analysis was conducted using a combination of energy and exergy-based metrics such as thermal and electrical power output, overall and primary energy saving efficiency, pressure drop, thermal energy per unit pressure drop (TEPD), and exergy efficiency. Additionally, the effects of key operating parameters including fluid flow rate, solar irradiance, fluid inlet temperature, ambient temperature, and wind velocity were systematically examined. Among all configurations, the highest thermal energy output was achieved by the parallel tube design coded as Config E (949.83 W), while the serpentine tube Config R1 delivered the highest electrical output (255.95 W) and exergetic performance. Config E demonstrated the highest overall (0.7564) and primary energy saving efficiency (0.9941), while parallel tube Config F achieved the top TEPD value of 74.91 W/Pa at 5 L/h flow rate. Config R1 recorded the maximum exergy efficiency with 0.1498, followed by serpentine tube Config H at 0.1496 and Config E at 0.1494.
Benzer Tezler
- Çeşitli tiplerde kompresör ve genleşme elemanı kullanan bir otomobil iklimlendirme sisteminin karşılaştırmalı deneysel analizi
A comparative experimental analysis of an automobile air conditioning system using various types of compressors and expansion devices
ALPASLAN ALKAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiKocaeli ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT HOŞÖZ
- Kondenser boyutlarının otomobil klima sisteminin performansına etkisinin deneysel analizi
Experimental analysis of the effect of condenser dimensions on the performance of an automobile airconditioning system
EKREM TOSUN
Yüksek Lisans
Türkçe
2010
Teknik EğitimKocaeli ÜniversitesiMakine Eğitimi Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. MURAT HOŞÖZ
- Parabolik oluk tipi güneş kollektörü için tasarım parametreleri, termodinamik ve ekonomik analizlerinin incelenmesi
Investigation of design parameters, thermodynamic and economic analysis for parabolic trough type solar collector
ELİF BERCA EROĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
2024
Mekatronik MühendisliğiIsparta Uygulamalı Bilimler ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MURAT ÖZTÜRK
- Atık ısı kaynaklı kademeli ORC güç santrali tasarımı ve optimizasyonu
Design and optimization of staged ORC power plant by waste heat
İLYAS CEYLAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2022
Makine MühendisliğiBilecik Şeyh Edebali ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. OĞUZ ARSLAN
- Metan yakıtlı buji ateşlemeli motor çevrimlerinin karşılaştırmalı ekserji analizi
Comparative exergy analysis of methane fuelled spark ignition engine cycles
KÜBRA GÜÇLÜ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine MühendisliğiSüleyman Demirel ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ DİNÇER BURAN