Numerical study on the performance of solar chimney power plant under varying chimney divergence angle and solar radiation conditions

Abstract

Güneş bacası solar enerjiden faydalanarak enerji üreten basit, maliyetsiz ve yenilenebilir bir kaynaktır. Güneş bacaları baca, kollektor ve türbin olmak üzere üç temel bileşenden oluşmaktadır. Kollektör radyasyon emilimi yapmakta ve system içerisindeki havanın ısınrarak yükselmesini sağlamaktadır. Varolan yoğunluk farkı sebebi ile kaldırma kuvveti meydana gelmekte ve bu kuvvet yardımı ile türbin dönerek hava yükselmektedir. Çalışma grubumuz ilk olarak güneş bacası geometrik parametrelerinin etkisini ve bacanın geoemtrik konfigürasyonunun performance olan etkilerini irdelemiştir. Elde edilen sonuçlara göre ıraksak baca en iyi performansı sağlamaktadır. Bu çalışmada ilk olarak ıraksama açısının performansa olan etkisi irdelenmiştir. Elde edilen sonuçlara göre kritik bir eğim açısına kadar güç artış göstermiştir. 3º eğimli ıraksak baca, baz duruma göre 2.18 kat daha fazla güç üretmektedir. Çalışma sonucunda gücü maksimize eden durum 3.5m baca yüksekliği, 25 cm giriş çapı, 61.68 cm çıkış çağı, 4m kollektör çapı ve 6 cm kollektör uzunluğunda elde edilmiştir. Çalışmanın ikinci kısmında,solar radyasyonun ve ortam sıcaklığının Ankara, Türkiye için günlük incelemesi yapılmıştır. Kış aylarında solar radyasyon düşük iken yaz aylarında artış göstermekte ilkbahar ve sonbaharda ortalama bir radyasyon etkisi altında kalmaktadır. Yazın 13 saat civarında gün ışığına maruz kalmakta olan şehirde güneş bacasının kullanımının verimliliği araştırılmıştır.Saate göre dış hava koşullarına göre radyasyon hesaplaması geliştirilen MATLAB kodu ile yapılmıştır. Her bir sezondan bir gün seçilerek HAD analizleri ANSYS Fluent programı kullanılarak gerçekleştirilmiş ve sezonlara bağlı güç hesaplaması yapılmıştır. Sonuçlara göre, güç hava koşulları ve solar radyasyonun fonksiyonudur.

The solar chimney power plant is considered to be an important utilizations of solar energy because it is not expensive, simple to maintain and is available everywhere in the long term. The solar chimney power plant consists of three major components: the chimney, turbine and solar collector. The collector absorbs the irradiance and heats the air inside the system and a buoyancy force is created according to the different densities between the ambient cold air and the hot air inside the system and air flows upward in the chimney this air flow rise a turbine and thus power is generated. In this thesis, the effect of chimney geometry on SCPP performance is investigated. It was observed that the divergent chimney is the best. Therefore, the first part of this research studies on the impact of the divergence angle on performance. According to the results, up to a critical divergence angle, the output power increase with an increasing divergence angle. the inclination angle at 3º is 2.18 times the benchmark case. In sight of the results, the best dimensions found for the model consist of a divergent chimney height of 3.5 m, an inlet diameter of 25 cm, an outlet diameter of 61.68 cm, a collector diameter of 4 m and a height 6 cm. In the second part of this research, after determining the best model, analyses were carried out with different solar radiation and ambient temperatures for Ankara, Turkey at latitude 40° N and longitude 32.8° E. Ankara is characterized by cold winters with a low of daylight hours, and weather solar radiation. In contrast, in summer has high solar radiation compared to the other seasons with daylight hours of up to 13 hours. The spring and fall have moderate weather and medium amounts of irradiance. MATLAB code was developed to calculate the amount of solar radiation for different time of a day. Ambient temperature values were obtained from the State Meteorological Service. ANSYS Fluent was used to obtain power values for four different days (17 January, 15 April, 17 July and 15 October). According to the results, power output of the system is dependent on the solar radiation as well as the ambient temperature.