Numerıcal ınvestıgatıon of cam-shaped turbulators for an aır-cooled photovoltaıc/thermal (PVT) system
Hava soğutmalı fotovoltaik/termal (PVT) sistem için kam şeklindeki türbülatörlerin sayısal incelenmesi
- Tez No: 1002061
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ KHALED M.N. CHAHROUR
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2026
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Karabük Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Sıcak iklim koşullarında çalışan hava soğutmalı fotovoltaik-termal (PVT) sistemlerin performansına kam şekilli türbülatörlerin etkisini analiz etmek için sayısal yöntemler geliştirilmiştir. Bir PVT kanalı, farklı hava akış hızlarında kanal tabanına monte edilen türbülatörlerin sayısı (N = 0, 3, 5 ve 7) değiştirilerek çeşitli tasarımlar için incelenmiştir. PV elektrik çıkışı, CFD tarafından tahmin edilen PV hücre sıcaklığına dayalı olarak PV sıcaklık katsayısını (β) içeren standart sıcaklık bağımlı verimlilik korelasyonu kullanılarak tahmin edilmiştir. Çalışma akışkanı olarak tek fazlı hava kullanılmış ve Re = 5.000, 10.000, 20.000 aralığındaki türbülanslı akış, iki çalışma modu için incelenmiştir: 1000 W/m² sabit ışınım durumu ve Irak'ın Al-Anbar bölgesini temsil eden, zamanla değişen güneş ışınımı ve ortam sıcaklığı tarafından yönlendirilen gündüz modu. Analiz, PV hücre sıcaklığı, çıkış havası sıcaklığı, elektrik gücü çıkışı, termal verimlilik, genel verimlilik, basınç düşüşü ve sistemin ilgili CO₂ azaltma potansiyeline odaklanmaktadır. PVT kanalının 3D CFD modeli ANSYS Fluent'te geliştirildi ve PV yüzey sıcaklığı, çıkış havası sıcaklığı ve elektrik gücü için yayınlanmış deneysel verilerle karşılaştırılarak doğrulandı ve iyi bir uyum gösterdiği görüldü. PV tabanının yakınında ve kam şeklindeki ek parçaların çevresinde yerel inceltme içeren yapılandırılmış altı yüzlü bir ağ kullanıldı ve ağ bağımsızlığı çalışması, kararlı çıkış ve hücre sıcaklıkları için yaklaşık 2 milyon hücrenin yeterli olduğunu gösterdi.Sabit ışınım koşullarında, Reynolds sayısının artması konvektif soğutmayı artırdı ve elektrik gücünü iyileştirdi, ancak kam şeklindeki türbülatörler termal sınır tabakasını bozdu ve duvar yakınındaki karışımı yoğunlaştırdı, bu da pürüzsüz kanala kıyasla termal performansın iyileşmesine yol açtı. Tüm Reynolds sayıları için, N = 7 konfigürasyonu en güçlü termal iyileştirmeyi sağladı; ancak, aynı zamanda en büyük hidrolik cezayı da üretti. Re = 20.000'de, basınç düşüşü düz kanal (N = 0) için yaklaşık 2 Pa'dan 8 Pa (N = 3), 16 Pa (N = 5) ve 21 Pa (N = 7) değerlerine yükseldi. Gündüz modunda (Re ≈ 20.000), türbülanslı kanallar, özellikle öğle saatlerinde, pürüzsüz referansa göre tutarlı bir şekilde daha yüksek elektrik gücü sağladı. Ortalama günlük elektrik gücü, yaklaşık 21,4 W (N = 0) değerinden sırasıyla N = 3, 5 ve 7 için 21,99 W, 22,16 W ve 22,35 W değerlerine yükseldi. Genel olarak, kam şeklindeki türbülatörler, sıcak ve kurak bölgelerdeki hava soğutmalı PVT sistemleri için etkili bir pasif iyileştirme sağlar, ancak basınç düşüşü dezavantajı da dikkate alınmalıdır; N = 7 en yüksek performansı sağlarken, N = 5 dengeli bir uzlaşma sunar.
Özet (Çeviri)
Numerical methods were created to analyze the influence of cam-shaped turbulators on the performance of an air-cooled photovoltaic–thermal (PVT) system operating under hot-climate conditions. A PVT duct was examined for several configurations by varying the number of inserts mounted on the channel floor (N = 0, 3, 5, and 7) under different airflow rates. The PV electrical output was estimated using a standard temperature-dependent efficiency correlation that incorporates the PV temperature coefficient (β), based on the CFD-predicted PV cell temperature. Single-phase air was used as the working fluid, and turbulent flow at Reynolds numbers Re = 5,000, 10,000, and 20,000 was investigated under two operating modes: (i) a fixed-irradiance case of 1000 W/m² and (ii) a diurnal mode driven by time-varying solar radiation and ambient temperature representative of Al-Anbar, Iraq. The analysis focused on PV-cell temperature, outlet-air temperature, electrical power output, thermal efficiency, overall efficiency, pressure drop, and the associated CO₂- mitigation potential of the system. A three-dimensional CFD model of the PVT channel was developed in ANSYS Fluent and validated against published experimental data for PV surface temperature, outlet-air temperature, and electrical power, showing good agreement. A structured hexahedral mesh with local refinement near the PV base and around the cam-shaped inserts was employed, and a mesh-independence study indicated that 1,976,100 cells were sufficient to obtain stable outlet and cell temperatures. Under constant-irradiance conditions, increasing Reynolds number enhanced convective cooling and improved electrical power output, while cam-shaped turbulators disrupted the thermal boundary layer and intensified near-wall mixing, resulting in improved thermal performance compared with the smooth channel. For all Reynolds numbers, the N = 7 configuration provided the strongest thermal enhancement; however, it also produced the largest hydraulic penalty. At Re = 20,000, the pressure drop increased from 2 Pa for the smooth duct (N = 0) to 8 Pa (N = 3), 16 Pa (N = 5), and 21 Pa (N = 7). In the diurnal mode (Re = 20,000), turbulated channels consistently delivered higher electrical power than the smooth reference, particularly around midday. The average daily electrical power increased from 21.4 W (N = 0) to 21.99 W, 22.16 W, and 22.35 W for N = 3, 5, and 7, respectively. Overall, cam-shaped turbulators provide an effective passive enhancement for air-cooled PVT systems in hot and arid regions; however, the associated pressure-drop penalty must be considered. While N = 7 delivers the highest performance, N = 5 offers a balanced compromise.
Benzer Tezler
- Değişik gazlar için çift camlı pencere boyutlarının sayısal incelenmesi
Numerical investigation of double pane window dimensions for various gases
EVRİM ÖZRAHAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Makine MühendisliğiErciyes ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEBAHATTİN ÜNALAN
- Tarım traktörlerinde aerodinamik direnç katsayısının deneysel ve sayısal olarak belirlenmesi
An experimental and numerical investigation of aerodynamic resistance coefficient in agricultural tractors
HANİFİ KÜÇÜKSARIYILDIZ
Doktora
Türkçe
2023
Mühendislik BilimleriSelçuk ÜniversitesiTarım Makineleri ve Teknolojileri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. KAZİM ÇARMAN
- Spider camların düzleme dik yükleme halinde gerilme analizi
The behaviour of spider glass under out of plane loads
EREN KALAY
Yüksek Lisans
Türkçe
2017
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. İSMAİL GERDEMELİ
- Kompozit gövdeli hava araçlarına düşük hızlı takım çarpmasının performansa etkisi
Effect of low speed tool impact on the performance of the composite bodied aircrafts
DENİZ BUĞRA OĞUZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2025
Makine MühendisliğiEskişehir Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ERDEM ÖZYURT
- Genleşme katsayısı düşük camların işleme parametrelerinin ve yüzeyaltı hasarlarının incelenmesi
Investigation of grinding process and subsurface damages of low expansion glasses
CEYDA ÖZDEMİR ÖZEN
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Mühendislik BilimleriGazi ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YUSUF ÖZÇATALBAŞ