FOTOVOLTAİK PANELLERDE FARKLI SOĞUTMA YÖNTEMLERİNİN GÜÇ ÜRETİMİ VE VERİM ÜZERİNE ETKİSİ

Abstract

Bu çalışmada, fotovoltaik (PV) modüllerin performans artışı üzerinde pasif soğutma yöntemlerinin etkisi, Türkiye'nin Elazığ ili sıcak iklim koşullarında yürütülen deneysel çalışma ile araştırılmıştır. Temmuz, Ağustos ve Eylül aylarını kapsayan çalışma kapsamında biri referans olmak üzere toplam dört panelden oluşan bir sistem tasarlanmıştır. İlk pasif soğutma sisteminde RT-42 parafin bazlı faz değiştiren malzeme (FDM) kullanılmıştır. Diğer soğutma tasarımında ise ısıl iletkenliği geliştirmek ve erime–donma davranışını iyileştirmek amacıyla nanopartikül katkılı bir FDM kompoziti geliştirilmiştir. Bu kapsamda, en uygun nanopartikülün belirlenmesi amacıyla CuO, ZnO, Al?O? ve SiO? nanopartikülleri temin edilerek RT-42 ile oluşturulan nanokompozit numuneleri termal ve karakterizasyon testlerine tabi tutulmuştur. Gerçekleştirilen analizler sonucunda, faz geçiş kararlılığı, özgül ısı kapasitesi (Cp), termal dayanım, mikroyapısal homojenlik ve faz geçiş performansı açısından en uygun katkı maddesinin Al?O? olduğu belirlenmiştir. Bu doğrultuda ikinci panel deney düzeneğinde %1 oranında Al?O? nanopartikül ilave edilmiş FDM kullanılmış ve nanopartiküllerin FDM içerisinde homojen dağılımını sağlamak amacıyla karışıma %3 oranında sodyum dodesil sülfat (SDS) eklenmiştir. Üçüncü konfigürasyonda ise bu yapıya ek olarak, FDM'nin aktarıldığı alüminyum muhafazanın dış yüzeyine yerleştirilen 14 adet grafen kaplı iğne uçlu kanatçık kullanılmıştır. Deneysel sonuçlar, uygulanan pasif soğutma yöntemlerinin panel yüzey sıcaklığını düşürdüğünü ve elektriksel performansı artırdığını göstermiştir. Grafik analizleri, grafen kaplı kanatçıklı panelin (PV4) gün boyunca referans panele kıyasla yaklaşık 13 °C daha düşük sıcaklıkta çalıştığını ortaya koymuştur. Buna bağlı olarak güç çıktısındaki artış özellikle Ağustos ayında belirginleşmiş ve PV4 panelin gün içinde toplam güç değeri referans paneli yaklaşık 105 W aşmıştır. Verim kıyaslamalarında ise pasif soğutmalı panellerin referans panele göre %3 ila %14 arasında daha yüksek elektriksel dönüşüm verimi sağladığı görülmüştür. Ayrıca kanatçığın taban, orta ve uç bölgelerindeki sıcaklık dağılımı, etkin ısı yayılımını doğrulamış ve kanat boyunca kararlı bir sıcaklık gradyanının oluştuğunu göstermiştir. Bu çalışmanın yeniliği, Al2O3–SDS katkılı nanokompozit FDM ve grafen kaplı iğne uçlu kanat yapısının birlikte kullanılarak PV modüllerinde ısıl düzenleme ve elektriksel verim artışının sağlanmasıdır. Elde edilen sonuçlar, bu hibrit pasif soğutma yaklaşımının sıcaklık kaynaklı verim kayıplarını önemli ölçüde azaltabileceğini ve sürdürülebilir PV enerji üretimine katkı sunabileceğini göstermektedir.This study investigates the effect of passive cooling methods on the performance enhancement of photovoltaic (PV) modules through experimental studies conducted in the hot climate conditions of Elazığ province in Turkey. The study, covering July, August, and September, involved the design of a system consisting of four panels, one of which was a reference panel. The first passive cooling system utilized RT-42 paraffin-based phase change material (PCM). The second cooling design involved the development of a nanoparticle-reinforced PCM composite to improve thermal conductivity and melt-freeze behavior. To determine the most suitable nanoparticle, CuO, ZnO, Al?O?, and SiO? nanoparticles were obtained, and nanocomposite samples formed with RT-42 were subjected to thermal and characterization tests. The analyses revealed that Al?O? was the most suitable additive in terms of phase transition stability, specific heat capacity (Cp), thermal resistance, microstructural homogeneity, and phase transition performance. Accordingly, in the second panel experimental setup, FDM with 1% Al?O? nanoparticles was used, and 3% sodium dodecyl sulfate (SDS) was added to the mixture to ensure homogeneous distribution of the nanoparticles within the FDM. In the third configuration, in addition to this structure, 14 graphene-coated pin-tipped fins were placed on the outer surface of the aluminum housing into which the FDM was transferred. Experimental results have shown that the applied passive cooling methods reduce the panel surface temperature and improve electrical performance. Graphical analysis revealed that the graphene-coated finned panel (PV4) operated at approximately 13 °C lower temperature throughout the day compared to the reference panel. Consequently, the increase in power output was particularly pronounced in August, with the total daily power output of the PV4 panel exceeding the reference panel by approximately 105 W. In efficiency comparisons, passively cooled panels were found to provide 3% to 14% higher electrical conversion efficiency compared to the reference panel. Furthermore, the temperature distribution in the base, middle, and tip regions of the fin confirmed effective heat dissipation and demonstrated the formation of a stable temperature gradient along the fin. This study's innovation is the combined use of Al2O3–SDS-doped nanocomposite FDM and graphene-coated needle-tipped fin structure to achieve thermal regulation and electrical efficiency improvements in PV modules. The results demonstrate that this hybrid passive cooling approach can significantly reduce temperature-related efficiency losses and contribute to sustainable PV energy production.