Isı borulu güneş kollektörlerinde nano çözelti ile performansın iyileştirilmesi

Abstract

Güneş enerjili sistemler, günümüzde çok farklı alanlarda, farklı amaçlar için yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjili sistemlerin en önemli elemanı güneş kollektörleridir. Güneş kollektörleri genel olarak düzlem yüzeyli (DYGK), vakum tüplü (VTGK), ısı borulu (IBGK) ve parabolik (PGK) olmak üzere dört tipe ayrılmakla beraber en yaygın olarak DYGK kullanılmaktadır. DYGK'nin verimini etkileyen parametreler; kollektörlerde kullanılan akışkanın ısıl iletkenliği, ısı kayıpları ve optik kayıplardır. DYGK'ların düşük verimlerinden dolayı son zamanlarda güneş enerjili sistemlerde VTGK ve IBGK'ların harmonizasyonu olan vakum tüplü ısı borulu güneş kollektörleri (VTIBGK) kullanılmaya başlanmıştır. VTIBGK'ler DYGK'lerin termik ve optik kayıpları minimize etmekte ve verim artmaktadır. Bu çalışmada nanoakışkan, amorf yapıdaki TiO2 nano partiküller ve temel akışkan olarak su tercih edilerek iki aşamalı yöntemle hazırlanmıştır. Sonrasında bir VTIB'na saf su diğerine ise hazırlanan nanoakışkan şarj edilmiştir. Soğutma suyu deposuna giriş ve çıkış sıcaklıkları ölçülmüş ve farklı soğutma suyu debilerinde sıcaklık değişimleri ölçülerek ısıl verimler hesaplanmıştır. Nanokışkanlı VTIBGK'lerinin verimleri su kullanılan VTIBGK'lerinin verimleri ile karşılaştırılarak nanoakışkan kullanımıyla elde edilen fayda ortaya konmuştur. Deneylerin sonucunda nanoakışkan kullanımıyla VTIBK'lerde düşük ısıl direnç, VTIBK'lerde yüksek ısıl iletkenlik, yüksek çalışma sıcaklıkları, kısa sürede istenen sıcaklık değerlerine ulaştığı gözlemlenmiş ve verimin arttığı ortaya konmuştur. En yüksek çıkış sıcaklığı 3 g/s su debisinde ve nanoakışkan kullanıldığında gerçekleşmiş olup giriş sıcaklığından 11,7 derece fazla olarak 28,1 oC olmuştur. Aynı koşullarda VTIB içerisinde saf su olduğu durumda ise 26,1 oC olmuştur. En yüksek verim soğutma suyu debisinin 7 g/s olduğu ve nanoakışkan kullanıldığı durumda % 49,214 gerçekleşmişken saf su kullanıldığı durumda ise % 37,496 olarak hesaplanmıştır.

There are many different type of solar energy systems, which are being used widely for different applications. The most important element of these solar systems is solar collector. There are four main types: Flat Panel (FPSC), Evacuated Tube, Heat Pipe and Parabolic. The most popular type is FP. Efficiency of FPSCs are mainly effected by 3 parameters: working fluid thermal conductivity, heat losses and optical losses. Due to low efficiency of FPSCs, Evacuated Tubular Heat Pipe Solar Collectors (ETSCs) are now being studied to replace FPSCs, which are combination of evacuated tube and heat pipe types. In this type of solar collectors, optical and thermal losses are minimized and performance of the system is better. In this study, ETSCs will be tested by charging Nano-fluid: TiO2 Nano particles and base fluid as water chosen; Nano fluid was prepared by two-step method. After that, one of the two heat pipes were filled with pure water and the other one was charged with the prepared Nano fluid. Inlet and outlet temperatures of heat exchanger were measured and for different mass flow of cooling water, efficiency of each set up was calculated. By comparison of Nano fluid and pure water cases, improvements achieved by using Nano fluid were proven: low thermal resistance and higher thermal conductivity in ETSCs, higher working temperatures, shorter period for reaching working temperature and improved efficiency. The maximum outlet temperature (28.1 oC) was achieved in 3 g/s cooling water and nano fluid case, which was 11.7 oC greater than inlet temperature. In same conditions, when working fluid is pure water achieved maximum temperature was 26.1 oC. The maximum efficiency was achieved in 7 g/s and Nano fluid case, which was % 49.214 whereas pure water case was calculated as % 37.496.