Numerical and experimental performance of concentrated solar collector with direct heat exchange using none-circulated nanofluid

Abstract

Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemlerinde, güneş kolektörleri için yeni bir teknik geliştirilmiştir. Parabolik oluk tipi güneş kolektörü, termal verimliliği artırmak için birçok çalışmanın yürütüldüğü temel yoğunlaştırılmış solar teknolojilerinden biridir. Doğrudan Soğrulmalı Güneş Kollektörü (DASC), güneş enerjisinin ışınımlarını toplamak için modern bir teknik kullanan bir cihaz olup, yeni geliştirilen bir teknoloji olduğundan bu alanda çok az araştırma mevcut bulunmaktadır. Bu araştırmada, doğrudan soğurmalı güneş kolektörünün yeni bir konfigürasyonu geliştirilmiştir. Bu konfigürasyonda, devridaim olmayan nano-sıvı bir cam tüp içine yerleştirildiğinde güneş ışınımını emmektedir. Emilen ısı, nano-sıvı içerisine batırılmış bakır boru içinde akan ve devridaim olan suya doğrudan iletilir. Model, halka şeklinde bölgedeki ve devridaim olan su bölgesindeki nano-sıvı için ve iki farklı sıvıyı birbirinden ayıran bakır boru için ANSYS FLUENT yazılımı kullanılarak sayısal olarak geliştirilmiştir. Parabolik bir oluk ile yansıtılan yoğunlaştırılmış güneş ışınımının ısı emilimi, nano-sıvı bölgesinde çözülen enerji denkleminde bir ısı kaynağı olarak simüle edilmiştir. Simülasyon sonuçları güneş kolektörünün verimliliğinin %55.31'e ulaştığını göstermiştir. Model bu amaçla hazırlanmış olan bir teçhizat kullanılarak test edileceği günde yoğunlu 400 W/m2 olan güneş ışınımı altında deneysel olarak test edilmiştir. Sayısal ve deneysel sonuçlar karşılaştırılmıştır. Hata yüzdesi sonuçları %3.17 ila %5.6 arasında değişkenlik göstermiştir. Çalışmada ayrıca hacimsel akış oranının ve giriş suyu sıcaklığının değiştirilmesinin yeni konfigürasyon modelinin verimliliği ve performansı üzerindeki etkisi ile nano-sıvının hacim oranının %0.0, %0.05 ve %0.075 olarak değiştirilmesi ve test edilmesinin yeni konfigürasyon üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Buna ek olarak, üçlü bir bakır boru modeli geliştirilmiş ve aynı blokaj oranı için tek bakır boru modeli ile karşılaştırılmıştır. Sonuçlar, tek bakır boru modelinin daha iyi performans gösterdiğini ortaya koymuştur.

In concentrated solar energy systems, a new technique for solar collectors has been developed. The parabolic trough solar collector is one of the most mature concentrated solar technologies, in which several studies have been conducted to increase thermal efficiency. The Direct Absorption Solar Collector (DASC) is a device that uses a modern technique to collect the radiation of solar energy, and as it is newly founded, there is little research available in this domain. In this research, a new configuration of direct absorption solar collector has been developed. In this configuration, non-circulating nanofluid absorbs the solar radiation when it is set within a glass tube. The absorbed heat is conveyed directly to circulating water flowing inside the copper tube submerged in the nanofluid. The model has been developed numerically by using the ANSYS FLUENT software for the nanofluid in the annular region, in the flowing water region and the copper tube which separates the two different fluids. Heat absorption of concentrated solar radiation that is reflected by a parabolic trough has been simulated as a heat source in the energy equation that is solved in the nanofluid zone. The results of the simulation showed that the efficiency of the solar collector reached 55.31%. The model was experimentally tested using a rig designed for this purpose under 400 W/m2 intensity solar radiation on the day of testing. Numerical and experimental results were compared. The error percentage results ranged between 3.17% and 5.6%. The influence of changing the volumetric flow rate and the inlet water temperature on the efficiency and performance of the new configuration model was also studied in addition to the effect of changing and testing the volume fraction of the nanofluid at 0.0%, 0.05% and 0.075% on the new configuration. In addition to that, a triple copper tube model was developed and compared with a single copper tube model for the same blockage ratio. The results show that the single copper tube model performed better.