Fotovoltaik Panel Verimliliğinin İyileştirilmesi ve Yanıt Yüzey Metodu ile Optimizasyonu: Termoelektrik ve PCM Soğutma Uygulamaları

Abstract

Fotovoltaik (PV) paneller, temiz enerji üretiminde önemli bir yer edinmiş olsa da yüksek çalışma sıcaklıkları nedeniyle verimliliklerinde ciddi kayıplar yaşanmaktadır. PV panellerin ortalama verimliliği %15–20 aralığındadır; ancak hücre sıcaklıkları 45 °C üzerine çıktığında verimde %8–10 oranında kayıp oluştuğu bilinmektedir. Aşırı ısınma hem anlık elektrik üretimini düşürmekte hem de panel ömrünü kısaltmaktadır. Bu bağlamda, PV panellerin termal yönetimini iyileştirmek amacıyla alternatif soğutma yöntemlerinin geliştirilmesi kritik öneme sahiptir. Proje kapsamında, PV panel soğutmasında termoelektrik soğutucular (TE) ve faz değişim malzemeleri (PCM) kullanılarak panel verimliliğinin artırılması hedeflenmektedir. Tasarlanacak soğutma sistemleri, geleneksel zorlanmış hava soğutmalı sistemler ile karşılaştırılacak ve her bir yöntemin panel sıcaklığına ve verimliliğine etkisi deneysel olarak değerlendirilecektir. Projede farklı soğutma stratejileri için uygun cihaz ve malzeme seçimi, yerleşim stratejileri, çalışma koşulları ve güç tüketimi gibi parametreler dikkate alınacaktır. Soğutma yöntemlerinin etkinliğinin nicel olarak karşılaştırılabilmesi ve optimum çalışma koşullarının belirlenebilmesi için Yanıt Yüzey Metodu (RSM) kullanılacaktır. Bu yöntem ile, çok değişkenli parametreler altında sistemin verdiği yanıtlar modellenerek, panel verimliliğini maksimize edecek en uygun koşullar belirlenecektir. Literatürde TE ve PCM bazlı soğutma teknikleri ayrı ayrı incelenmiş olsa da bu yöntemlerin belirli parametreler altında karşılaştırılması ve RSM ile optimizasyonu çok sınırlı çalışmalarda ele alınmıştır. Proje sonucunda, güneş enerjisi sistemlerinde farklı soğutma yaklaşımlarının karşılaştırmalı analizi yapılarak, özellikle sıcak iklim koşullarında PV sistemlerin performansını artırmaya yönelik optimize edilmiş çözümler sunulması amaçlanmaktadır. Elde edilecek bulgular, sürdürülebilir enerji uygulamalarında daha verimli ve uzun ömürlü PV sistem tasarımlarına katkı sağlayacaktır.

Photovoltaic (PV) panels have gained a significant role in clean energy production; however, high operating temperatures lead to substantial efficiency losses. The average efficiency of PV panels typically ranges between 15–20%, yet it is known that when cell temperatures exceed 45 °C, efficiency losses of approximately 8–10% can occur. Overheating not only reduces instantaneous electricity generation but also shortens the operational lifespan of the panels. In this context, the development of alternative cooling methods to enhance the thermal management of PV panels is of critical importance. This project aims to improve the efficiency of PV panels through the application of thermoelectric coolers (TECs) and phase change materials (PCMs) as cooling strategies. The designed systems will be experimentally evaluated and compared with conventional forced air-cooling methods in terms of their impact on panel temperature and efficiency. Parameters such as material and device selection, configuration strategies, operating conditions, and power consumption will be considered for various cooling approaches. To quantitatively compare the effectiveness of each cooling method and determine the optimal operating conditions, Response Surface Methodology (RSM) will be employed. This method enables the modeling of system responses under multi-variable conditions and allows for the identification of the most favorable parameters that maximize panel efficiency. Although TE and PCM-based cooling techniques have been studied separately in the literature, the comparison of these methods under specific parameters and their optimization using RSM has been addressed in only a limited number of studies. As a result, the project will offer a comparative analysis of different cooling approaches in PV systems, aiming to provide optimized solutions for enhancing PV performance, particularly in hot climate conditions. The findings are expected to contribute to the development of more efficient and longer-lasting PV system designs in sustainable energy applications.