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

Abstract

Yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemleri, birincil enerji kaynağı olan güneşten faydalanma yöntemlerinden biridir. En yaygın yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemleri parabolik oluk kollektörleridir. Parabolik oluk aynalar, güneş ışınımını bir doğrultuda yansıtır. Bu doğrultuya yerleştirilen bir soğurucu ile güneş enerjisi ısıl enerjiye dönüştürülür. Bu kollektörler gerek elektrik enerjisi üretiminde gerekse proses ısısı sistemlerinde kullanılmaktadır. Parabolik oluk kollektörlerin yaygınlaşması ve verimlerinin arttırılması için farklı araştırma geliştirme çalışmaları süregelmektedir. Bu çalışmaların çoğu soğurucu yapısını veya akışkan özelliklerini değiştirerek ısı transferi miktarını arttırmayı amaçlamaktadır. Öte yandan toplayıcı yüzeyiyle ilgili çalışma sayısı görece daha azdır. Bu tez çalışmasında, odaklamalı güneş enerjisi sistemlerinde kullanılmak üzere değişken parabolik kesitli yeni bir yüzey tanımlanmıştır. Bu yüzeyin eksen boyunca parabolik kesidi değişirken, odak doğrultusu aynı kalmaktadır. Tanımlanan yüzeyin ısıl performansa etkilerini incelemek üzere numerik bir model kurulmuştur. İlk aşamada Matlab programında yazılan bir kod ile yüzeye ait geometrik parametreler girilerek yüzey sonlu parabolik elemanlara ayrılmış ve her bir elemana ait konum ve odak uzaklığı gibi veriler elde edilmiştir. Daha sonra bu veriler bir ışın takip programı olan SolTrace'e aktarılarak soğurucu üzerinde gerçekleşen ısı akısı profili elde edilmiştir. Sonrasında bu ısı akısı profili bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı olan ANSYS CFX'e aktarılarak, akış-ısı transferi simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Kurulan modelin doğruluğu literatürdeki diğer sonuçlarla karşılaştırılarak tayin edilmiştir. Ayrıca eleman sayısından bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir. Geleneksel parabolik oluk kollektörlerin aksine tanımlanan geometri soğurucu boyunca asimetriktir. Bu nedenle akış yönü bir tasarım parametresi haline gelmektedir. Bu iki durum girişte yüksek ısı akısı (GYI) ve çıkışta yüksek ısı akısı (ÇYI) olarak tanımlanmıştır. Ayrıca tanımlanan kollektör yeni bir geometrik parametre içermektedir. Bu parametre uçlardaki odak uzaklıklarının birbirine oranıdır (k). Bu parametre ile birlikte akış yönünün etkileri aynı zamanda sabit kesitli referans durumu da göz önüne alınarak incelenmiştir. Çalışmanın sonuncunda artan ?? faktörü ile akış karakteristiklerindeki değişimin arttığı gözlemlenmiştir. Herhangi bir 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 is concentrated solar power systems. Parabolic trough collectors are one of the most common systems. They consist a parabolic mirror which focuses sun rays to a focal line and an absorber placed along this line converts solar energy to thermal energy. These collectors are employed both for power and process heat generation. Different studies are being conducted to achieve higher thermal efficiencies which enable these collectors to become more popular. Most of the studies are focusing on either different absorber configurations or different heat transfer fluids to achieve higher heat transfer rates. On the other hand, the number of studies which are about reflector's structure is relatively low. In this study, a novel parabolic surface is defined. This surface contains a fixed focal line while the focal distance varies throughout the length of the absorber. A numerical method is developed to investigate the effect of this surface on thermal performance. Through a Matlab code, with the input of geometrical parameters, the surface is divided into smaller parabolic segments, and each elements' data of focal length and location is obtained. Then this data is applied to the SolTrace, an open source ray tracing software, to obtain the heat flux profile around the absorber. Then achieved heat flux applied to the ANSYS CFX, a computational fluid dynamics program, and flow and heat transfer simulations are conducted. Model's results are compared with the other results given in the literature, for validation. Also, grid independence studies are performed. Unlike the conventional parabolic reflectors, defined geometry is asymmetrical trough the length of the absorber thus flow direction becomes another design parameter. These flow configurations are named as higher flux at the inlet (HFI) and higher flux at the outlet (HFO). The defined geometry also holds an additional geometric factor, the ratio of focal lengths (k) at the ends. The effects of this parameter and flow direction on the flow properties were investigated. With increasing k, effects become more visible, and the flow direction determines if the impact is positive or negative on that characteristic.