FOTOVOLTAİK PANELLERDE KANATÇIK DESTEKLİ SOĞUTMA SİSTEMLERİNİN SAYISAL İNCELENMESİ

Abstract

Bu tezde, fotovoltaik (PV) panellerde çalışma sıcaklığının yükselmesiyle ortaya çıkan verim kayıplarını azaltmaya yönelik pasif bir soğutma yaklaşımı incelenmiştir. PV paneller uzun süre güneş ışınımına maruz kaldığında hücre sıcaklığı önemli ölçüde artmakta ve bu artış elektriksel verimi düşürmektedir. Literatürde, panel sıcaklığındaki her 1 °C'lik yükselmenin verimde yaklaşık %0,25–0,50 civarında kayba neden olduğu belirtilmektedir. Bu nedenle, özellikle sıcaklıkların yüksek olduğu bölgelerde PV panellerde ısıl yönetimin iyileştirilmesi önemli bir gereklilik hâline gelmiştir. Çalışmada, panel arka yüzeyine yerleştirilen iki farklı kanatçık geometrisinin (kare ve girdap tipi) doğal konveksiyon etkisiyle sağlayabileceği soğutma performansı sayısal yöntemlerle değerlendirilmiştir. Analizler ANSYS Fluent yazılımı kullanılarak gerçekleştirilmiş; alüminyum ve bakır malzemelerin ısıl özellikleri karşılaştırılmıştır. Ayrıca farklı hava hızları (0,5 m/s ve 2,5 m/s) ve günün üç farklı zamanı (09:00, 14:00, 18:00) dikkate alınarak panel yüzey sıcaklığının ve buna bağlı verim değişiminin nasıl etkilendiği incelenmiştir. Sonuçlar, kanatçık kullanımının panel yüzeyindeki doğal hava akımını artırarak ısının daha etkin uzaklaştırılmasına yardımcı olduğunu göstermiştir. Girdaplı kanatçıkta yüzey akış alanında oluşan lokal türbülans bölgeleri nedeniyle sıcaklık düşüşünde diğer geometriye göre daha iyi olduğu belirlenmiştir. Malzeme karşılaştırmalarında ise bakırın yüksek ısıl iletkenliği sayesinde ısıyı panelden daha hızlı uzaklaştırdığı ve bu durumun verim artışına olumlu yansıdığı görülmüştür. Hava hızının yükselmesi her iki modelde de ek bir soğutma etkisi oluşturarak panel sıcaklığının azalmasına katkı sağlamıştır. Genel olarak, elde edilen bulgular pasif soğutma amacıyla kullanılan kanatçık yapılarının PV panellerde sıcaklık kontrolü için uygulanabilir ve etkili bir yöntem olduğunu göstermektedir. Bu çalışma, farklı kanatçık tasarımlarının ve malzeme seçeneklerinin PV panellerin ısıl performansına etkisini ortaya koyarak gelecekte yapılacak tasarım ve optimizasyon çalışmalarına temel oluşturabilecek niteliktedir

In this thesis, a passive cooling approach aimed at reducing the efficiency losses caused by temperature rise in photovoltaic (PV) panels is examined through numerical analyses. When PV panels are exposed to solar radiation for extended periods, their operating temperature increases significantly, which leads to notable reductions in electrical efficiency. According to the literature, each 1 °C increase in cell temperature may result in approximately 0.25–0.50% efficiency loss. Therefore, improving the thermal management of PV panels has become an important requirement, especially in regions experiencing high ambient temperatures and intense solar irradiation. In this study, two different fin geometries placed on the rear surface of the panel—square and vortex-type fins—were analyzed to evaluate their passive cooling potential under natural convection. Numerical simulations were conducted using ANSYS Fluent, and the thermal performance of aluminum and copper fin materials was compared. Additionally, different airflow velocities (0.5 m/s and 2.5 m/s) and three times of the day (09:00, 14:00, and 18:00) were considered to assess their influence on panel surface temperature and the resulting efficiency variation. The results indicate that the use of fins enhances natural airflow around the panel surface, allowing heat to be dissipated more effectively. The square fin model was found to have a better temperature reduction capability compared to other geometries due to the local turbulence regions formed in the surface flow area of the swirling fin. The material comparison also showed that copper, owing to its higher thermal conductivity, removed heat more efficiently than aluminum, which resulted in a more favorable effect on panel performance. Furthermore, increasing airflow velocity contributed to additional cooling in all configurations, lowering the panel temperature even further. Overall, the findings demonstrate that fin-assisted passive cooling systems can provide an effective and practical solution for controlling PV panel temperature. The outcomes of this study highlight how different fin geometries and material selections influence the thermal behavior of PV panels and offer a basis for future design and optimization efforts.