Yoğunlaştırılmış güneş enerjili ve TEG destekli yeni nesil bir kojenerasyon sisteminin tasarımı, üretimi ve termodinamik performans analizi
Design, fabrication and thermodynamic performance analysis of a novel TEG-assisted cogeneration system with concentrated solar energy
- Tez No: 1016767
- Danışmanlar: DOÇ. DR. ERDEM CÜCE, PROF. DR. AYŞE PINAR MERT CÜCE
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Enerji, Güneş enerjisi, Kojenerasyon, Makine mühendisliği, Termodinamik analiz, Termoelektrik, Energy, Solar energy, Cogeneration, Mechanical engineering, Thermodynamic analysis, Thermoelectric
- Yıl: 2026
- Dil: Türkçe
- Üniversite: Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: Belirtilmemiş.
Özet
Bu tez çalışmasının temel amacı, güneş enerjisinden eş zamanlı olarak elektrik ve ısıl enerji üretebilen, kesintisiz çalışmaya uygun, yenilikçi bir hibrit kojenerasyon sistemi geliştirmektir. Bu doğrultuda; Parabolik Oluk Tipi Kolektör (PTC), mini buhar türbini, Termoelektrik Jeneratör (TEG) ve Faz Değiştiren Malzeme (FDM) esaslı ısıl enerji depolama ünitesinin tek bir kompakt yapıda entegre edildiği yeni nesil bir hibrit kojenerasyon sistemi tasarlanmış, imal edilmiş ve kapsamlı 4E (Enerji, Ekserji, Ekonomik, Çevresel) analizleri gerçekleştirilmiştir. Geliştirilen prototip, 6 ile 14 bar arasında değişen işletme basınçları ve 0.1, 0.15, 0.2 kg ısı transfer akışkanı kütleleri olmak üzere toplam 15 farklı termodinamik senaryo altında Bayburt ili dış ortam koşullarında deneysel olarak test edilmiştir. Elde edilen deneysel veriler, makine öğrenmesi algoritmaları (K-Means kümeleme) ile entegre edilerek sistemin Türkiye genelindeki 11 farklı il için iklimsel adaptasyonu ve termo-ekonomik fizibilitesi simüle edilmiştir. Deneysel bulgulara göre, sistem maksimum performansına 14 bar işletme basıncı ve 0.2 kg su kütlesi koşulunda ulaşmış; bu noktada genel enerji verimi %8.43, genel ekserji verimi ise %1.45 olarak tespit edilmiştir. Sistemdeki ekserji yıkımının %98.6'lık ezici çoğunluğu kolektör aşamasında gerçekleşirken, kolektör sonrası alt sistemler kendisine ulaşan kullanılabilir ekserjiyi %50.7 gibi yüksek bir verimle dönüştürmüştür. Türbin ve TEG ünitesinin güç üretimindeki paylarının işletme basıncına göre dinamik olarak değiştiği kanıtlanmış; düşük basınçlarda TEG toplam elektriğin %55'ine kadarını sağlarken, 14 bar seviyesinde türbin mekanik potansiyeli domine ederek güneşten elektriğe dönüşüm verimini maksimum %0.42 seviyesine ulaştırmıştır. FDM ünitesinin çoklu çevrim şarj analizleri, ısı transferinde literatürdeki basitleştirilmiş kabullerin aksine, ani buharlaşma kaynaklı gizli ısının duyulur ısıdan çok daha baskın olduğunu fiziksel olarak ispatlamıştır. Termo-ekonomik ve çevresel analiz sonuçları; prototipin 14.000 ₺ olan ilk yatırım maliyetini 8.5 yıl gibi makul bir geri ödeme süresinde (SPP) amorti ettiğini, 5.15 ₺/kWh seviyelendirilmiş enerji maliyeti (LCOE) sunduğunu ve yıllık 55.6 kg CO2 emisyonunu engellediğini ortaya koymuştur. Makine öğrenmesi destekli akıllı işletme stratejisi sayesinde düşük güneş potansiyeline sahip bölgelerde dahi enerji üretimi optimize edilmiş ve sistemin 120 m2 çatı alanına sahip bir müstakil konuta ölçeklendirilmesi durumunda, yaz aylarında şebekeye enerji veren Net Pozitif üretici konumuna ulaştığı doğrulanmıştır. Geliştirilen bu entegre sistem, kesintili güneş ışınımı şartlarında bile enerji üretim sürekliliğini sağlayarak konut ölçekli temiz enerji ve atık ısı yönetimi uygulamaları için yenilikçi, uygulanabilir ve sürdürülebilir bir model sunmaktadır.
Özet (Çeviri)
The primary objective of this thesis is to develop an innovative hybrid cogeneration system capable of simultaneously generating electricity and thermal energy from solar power, suitable for uninterrupted operation. To this end, a new-generation hybrid cogeneration system, integrating a Parabolic Trough Collector (PTC), a mini steam turbine, a Thermoelectric Generator (TEG), and a Phase Change Material (PCM)-based thermal energy storage unit into a single compact structure, has been designed and manufactured, and comprehensive 4E (Energy, Exergy, Economic, and Environmental) analyses have been conducted. The developed prototype was experimentally tested under outdoor conditions in Bayburt province across 15 different thermodynamic scenarios, comprising operating pressures ranging from 6 to 14 bar and heat transfer fluid masses of 0.1, 0.15, and 0.2 kg. The obtained experimental data were integrated with machine learning algorithms (K-Means clustering) to simulate the system's climatic adaptation and thermo-economic feasibility across 11 different provinces in Turkey. According to the experimental findings, the system achieved its maximum performance at an operating pressure of 14 bar and a water mass of 0.2 kg. Under these optimal conditions, the overall energy and exergy efficiencies were determined to be 8.43% and 1.45%, respectively. While an overwhelming 98.6% of the total exergy destruction occurred in the collector stage, the downstream subsystems successfully converted the available exergy reaching them with a high efficiency of 50.7%. The study demonstrated that the power generation shares of the turbine and the TEG unit varied dynamically depending on the operating pressure. At low pressures, the TEG supplied up to 55% of the total electricity, whereas at 14 bar, the turbine's mechanical potential dominated the process, maximising the solar-to-electricity conversion efficiency at 0.42%. Multi-cycle charging analyses of the PCM unit physically demonstrated that, contrary to the simplified assumptions prevalent in the literature regarding heat transfer, latent heat from flash steam is significantly more dominant than sensible heat. Thermo-economic and environmental analyses revealed that the prototype recovered its initial investment cost of 14,000 ₺ within a reasonable simple payback period (SPP) of 8.5 years, offered a competitive levelized cost of energy (LCOE) of 5.15 ₺/kWh, and mitigated 55.6 kg of CO2 emissions annually. Thanks to the machine learning-supported smart operating strategy, energy production was optimised even in regions with low solar potential. Furthermore, scaling the system to a standard detached house with a 120 m2 roof area confirmed that it achieves a“Net Positive”producer status, feeding surplus energy back to the grid during the summer months. By ensuring continuous energy generation even under intermittent solar radiation conditions, this developed integrated system presents an innovative, feasible, and sustainable model for residential-scale clean energy and waste heat management applications.
Benzer Tezler
- Atık ısı-elektrik enerjisi dönüşümü sağlayan farklı tip termoelektrik sistemlerin deneysel ve teorik analizi
Experimental and theoretical analysis of different thermoelectric systems providing waste heat-electrical energy conversion
AMINU YUSUF
Doktora
Türkçe
2022
Enerjiİstanbul Üniversitesi-CerrahpaşaElektrik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. SEDAT BALLIKAYA
- Simulation and enhancement of the carbon capturing for combined cycle power plant with concentrated solar power system
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemine sahip kombine çevrim santrali için karbon yakalama simülasyonu ve iyileştirilmesi
YASSER ABBAS HAMMADY AL-ELANJAWY
Doktora
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA YILMAZ
- Spektral olarak ayrıştırılan yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile stirling motorda güç üretimi ve performans değerlendirmesi
Power generation by a stirling engine with spectral decomposed concentrated solar energy and performance evaluation
GÜRHAN KÜLAHLI
Yüksek Lisans
Türkçe
2013
Makine MühendisliğiUşak ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CANAN KANDİLLİ
- Integration and performance analysis of a solar-driven combined cooling, heating, and power system: A case study in Libya
Güneş enerjı̇lı̇ kombı̇ne soğutma, ısıtma ve güç sı̇stemı̇nı̇n entegrasyonu ve performans analı̇zı̇: Lı̇bya'da bı̇r alan çalışması
SALAH KHALEFA ABORAGIGA
Yüksek Lisans
İngilizce
2025
Makine MühendisliğiKarabük ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ ABDULRAZZAK AHMET SALEH AKROOT
- Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP) uygulamaları için bor katkılı eriyik tuzların termal özelliklerinin incelenmesi
Investigation of thermal properties of boron added molten salts for concentrating solar power (CSP) applications
FATİH SELİM BAYRAKTAR
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
EnerjiDumlupınar ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. RAMAZAN KÖSE
DOÇ. DR. MÜKERREM ŞAHİN