Solar termal sistemlerde kullanılmak üzere değişken kesitli parabolik kollektör tasarımı, optimizasyonu ve termodinamik analizi

Abstract

Yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemleri, birincil enerji kaynağı olan güneştenfaydalanma yöntemlerinden biridir. En yaygın yoğunlaştırmalı güneş enerjisisistemleri parabolik oluk kollektörleridir. Parabolik oluk aynalar, güneş ışınımını birdoğrultuda yansıtır. Bu doğrultuya yerleştirilen bir soğurucu ile güneş enerjisi ısılenerjiye dönüştürülür. Bu kollektörler gerek elektrik enerjisi üretiminde gerekseproses ısısı sistemlerinde kullanılmaktadır. Parabolik oluk kollektörlerinyaygınlaşması ve verimlerinin arttırılması için farklı araştırma geliştirme çalışmalarısüregelmektedir. Bu çalışmaların çoğu soğurucu yapısını veya akışkan özelliklerinideğiştirerek ısı transferi miktarını arttırmayı amaçlamaktadır. Öte yandan toplayıcıyüzeyiyle ilgili çalışma sayısı görece daha azdır.Bu tez çalışmasında, odaklamalı güneş enerjisi sistemlerinde kullanılmak üzeredeğişken parabolik kesitli yeni bir yüzey tanımlanmıştır. Bu yüzeyin eksen boyuncaparabolik kesidi değişirken, odak doğrultusu aynı kalmaktadır. Tanımlanan yüzeyinısıl performansa etkilerini incelemek üzere numerik bir model kurulmuştur. İlkaşamada Matlab programında yazılan bir kod ile yüzeye ait geometrik parametrelergirilerek yüzey sonlu parabolik elemanlara ayrılmış ve her bir elemana ait konum veodak uzaklığı gibi veriler elde edilmiştir. Daha sonra bu veriler bir ışın takipprogramı olan SolTrace'e aktarılarak soğurucu üzerinde gerçekleşen ısı akısı profilielde edilmiştir. Sonrasında bu ısı akısı profili bir hesaplamalı akışkanlar dinamiğiprogramı olan ANSYS CFX'e aktarılarak, akış-ısı transferi simülasyonlarıgerçekleştirilmiştir. Kurulan modelin doğruluğu literatürdeki diğer sonuçlarlakarşılaştırılarak tayin edilmiştir. Ayrıca eleman sayısından bağımsızlık çalışmasıgerçekleştirilmiştir.Geleneksel parabolik oluk kollektörlerin aksine tanımlanan geometri soğurucuboyunca asimetriktir. Bu nedenle akış yönü bir tasarım parametresi halinegelmektedir. Bu iki durum girişte yüksek ısı akısı (GYI) ve çıkışta yüksek ısı akısı(ÇYI) olarak tanımlanmıştır. Ayrıca tanımlanan kollektör yeni bir geometrikparametre içermektedir. Bu parametre uçlardaki odak uzaklıklarının birbirineoranıdır (k). Bu parametre ile birlikte akış yönünün etkileri aynı zamanda sabit kesitlireferans durumu da göz önüne alınarak incelenmiştir. Çalışmanın sonuncunda artan? faktörü ile akış karakteristiklerindeki değişimin arttığı gözlemlenmiştir. Herhangibir büyüklüğün artması veya azalmasının ise akış yönüne bağlı olduğu belirlenmiştir.

One of the methods to utilize solar energy, which is the primary source of energy isconcentrated solar power systems. Parabolic trough collectors are one of the mostcommon systems. They consist a parabolic mirror which focuses sun rays to a focalline and an absorber placed along this line converts solar energy to thermal energy.These collectors are employed both for power and process heat generation. Differentstudies are being conducted to achieve higher thermal efficiencies which enable thesecollectors to become more popular. Most of the studies are focusing on eitherdifferent absorber configurations or different heat transfer fluids to achieve higherheat transfer rates. On the other hand, the number of studies which are aboutreflector's structure is relatively low.In this study, a novel parabolic surface is defined. This surface contains a fixed focalline while the focal distance varies throughout the length of the absorber. Anumerical method is developed to investigate the effect of this surface on thermalperformance. Through a Matlab code, with the input of geometrical parameters, thesurface is divided into smaller parabolic segments, and each elements' data of focallength and location is obtained. Then this data is applied to the SolTrace, an opensource ray tracing software, to obtain the heat flux profile around the absorber. Thenachieved heat flux applied to the ANSYS CFX, a computational fluid dynamicsprogram, and flow and heat transfer simulations are conducted. Model's results arecompared with the other results given in the literature, for validation. Also, gridindependence studies are performed.Unlike the conventional parabolic reflectors, defined geometry is asymmetricaltrough the length of the absorber thus flow direction becomes another designparameter. These flow configurations are named as higher flux at the inlet (HFI) andhigher flux at the outlet (HFO). The defined geometry also holds an additionalgeometric factor, the ratio of focal lengths (k) at the ends. The effects of thisparameter and flow direction on the flow properties were investigated. Withincreasing k, effects become more visible, and the flow direction determines if theimpact is positive or negative on that characteristic.