Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/17794
Full metadata record
DC FieldValueLanguage
dc.contributor.advisorŞentürk Lüle, Senem
dc.contributor.authorAsaditaheri, Azin
dc.date.accessioned2019-03-14T13:35:52Z
dc.date.available2019-03-14T13:35:52Z
dc.date.issued2018
dc.identifier.urihttp://hdl.handle.net/11527/17794
dc.descriptionThesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Energy Institute, 2018en_US
dc.description.abstractWorld energy consumption increases every year therefore new power plants are necessary to meet the demand. Among many energy production systems, it is expected that share of renewable energy in total production is going to grow more than others due to environmental concerns and achievements at cost reduction. One of the renewable energy sources is sun and a solar power plant captures the sunlight and converts it into electricity. There are several ways to harvest the sun’s energy. Photovoltaic systems use panels to directly convert sunlight into electricity whereas solar concentrating systems use mirrors to reflect and focus sunlight on heat collecting component of the system where heat is transferred to a fluid which is used to generate steam to turn the turbine and generator to generate electricity as in thermal or nuclear power plants. Concentrating solar systems has various configurations such as parabolic through, parabolic dish, and central tower. In parabolic through systems, there are reflector mirrors and receiver tubes which are located at focal axis of mirrors. Sun rays are reflected to the receiver tube and heat is transferred to fluid inside the tube. This fluid is then used with conventional steam generator to produce electricity. In parabolic dish systems, sun rays are reflected to the center of the dish where receiver is placed. The heat machine on the receiver that moves with the dish uses Stirling or Brighton cycle for power conversion. On the other hand, in central tower systems sun rays are reflected to the receiver at the top of the tower by mirrors around the tower. Conventional steam generator is used for electricity generation. The electricity form solar power plant is categorized as intermittent electricity due to the fact that it cannot be continuously available. As a result, fluctuating demand of electricity cannot be met therefore solar power plants are considered non-dispatchable. On the other hand, it is possible to constrain intermittency either with direct electricity storage for photovoltaic systems or with thermal energy storage for concentrating systems. In thermal energy storage, some of the heat form the receiver is stored in the storage unit for later use. Since storing thermal energy is cheaper than storing electricity itself, the focus is on development of thermal energy storage systems. Efficient and cost-effective storage is an important tool to increase the share of solar energy in the electricity market. There are two options available for thermal energy storage: two-tank storage and single-tank thermocline storage. In two tank storage, during charge cycle, fluid from cold tank passes through a heat exchanger if system is indirect or collector field if system is direct to hot tank and during discharge cycle fluid moves back from hot tank to cold tank after passing through steam generator. In single-tank thermocline storage, there is a filler material in the tank as energy storage medium. During charge cycle, cold fluid moves from the bottom of the tank towards the heat exchanger and returns to the tank from the top as hot fluid and during discharge cycle, hot fluid moves from the top of the tank towards heat exchanger and returns the tank from the bottom as cold fluid. Since part of fluid in the two-tank storage system is replaced with a filler material which is usually cheap, single-tank thermocline storage offers cost-effective energy storage. In the scope of this thesis, single-tank thermocline thermal energy storage discharge cycle analysis with computational fluid dynamics (CFD) was considered because the literature review showed that focus is generally on the properties of storage tanks and sensitivity analysis of storage tanks with correlation and formulation. Therefore, with the CFD analysis stream-lines and velocity and temperature distribution in the thermocline tank together with the effects of porosity, sphericity and type of fluid on discharge process were investigated. Seven different heat transfer fluids having various specific heat capacity values were considered. In order to see the effect of porosity in the tank, three porosity values were selected. The effect of the filler material geometry was included by using four different sphericity values. First of all, the geometry of the thermocline tank was determined with literature review. Then, the mathematical model to perform simulations were defined. The governing equations of continuity, time dependent momentum, and time dependent energy are included in openFOAM CFD code. Governing equations include not only effective conductivity and Forchheimer-Brinkman approximation but also Bouyssinisq approximation. The grid independence study which guarantees the independence of results from the mesh size was performed. Later, base input of the CFD code which includes the model of the reference thermocline tank from literature was validated by comparing simulation results with experimental data. Finally, simulations were performed with selected heat transfer fluids for different operating conditions i.e., porosity and sphericity and their effect on thermocline storage tank energy deposition and energy generation was discussed. The simulation results showed that when the fluid has high value of volumetric heat capacity (VHC), the initial energy stored in the tank increases. In addition, if VHC value of the fluid is lower than the value for the filler material, initial energy stored in the tank is mainly stored in the filler material. The percentage of the stored energy in the solid drops as low as 50% if the fluid has high VHC and tank has high porosity. Furthermore, for fluids with high values of VHC, when the porosity of the thermocline tank increases, the amount of energy remained in the tank during discharge cycle increases. On the other hand, fluids with low values of VHC, higher porosity value results in lower remaining energy in the tank. On the other hand, temperature profiles and streamlines of the 6 hours of discharge showed that for low values of porosity, higher sphericity value prevents mixing of hot and cold fluid and results in better discharge performance. It is clear from the simulations that discharge behaviour of the storage tank mainly depends on the relation between the VHC of fluid and solid filler material, high value of sphericity provides positive effect on discharge performance as long as porosity is low, and porosity value selection must include fluid and solid VHC values. Future studies can be done to increase the efficiency of the tank by improving stream- line pattern. It is known that when the stream-lines are uniform, mixing of hot and cold fluid reduces and efficiency of the tank increases. It is possible to reach this goal by making modifications inside the tank such as creating lanes for the flow. Another possible area of study can be usage of nano-fluids as heat transfer medium. These studies can be performed efficiently with computational fluid dynamics simulations which use the experimentally verified mathematical model developed in this study.tr_TR
dc.description.abstractEnerji tüketimi her yıl artmaktadır ve bu nedenle talebi karşılayacak yeni güç santrallerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tüm enerji üretim sistemleri arasında yenilenebilir enerjinin payının çevresel kaygılar ve maliyetlerin azaltılmasındaki başarılar nedeniyle artması beklenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri güneştir ve güneş santralleri güneş enerjisini elektriğe dönüştüren sistemlerdir. Güneş enerjisini kullanmanın çeşitli yolları vardır. Fotovoltaik paneller ile güneş enerjisini direkt olarak elektriğe çevirmek mümkünken, yoğunlaştırılmış sitemlerde güneş ışığının belirli bir noktaya odaklanarak yansıtılması ile enerjinin ısı taşıyıcı bir akışkana iletilip nükleer ya da termik santrallerdeki gibi buhar çevrimi yolu ile elektrik üretilmesi de mümkündür. Yoğunlaştırılmış güneş sistemleri parabolik oluk, parabolik çanak ve merkezi kule gibi değişik düzenlerde olabilir. Parabolik oluk sistemlerinde odak noktalarının ekseninde içinde akışkan dolaşan alıcı tüplerin bulunduğu yansıtıcı aynalar mevcuttur. Aynaya ulaşan güneş ışınları yansıyarak alıcı tüplerin içindeki akışkanı ısıtırlar. Bu akışkan daha sonra konvansiyonel buhar üreteçleri ile elektrik üretiminde kullanılır. Parabolik çanak sistemlerinde ise çanak eksenine paralel olarak gelen güneş ışınları aynalar tarafından çanak merkezine yansıtılarak buradaki alıcıya ulaştırılır. Toplanan ısı çanak ile birlikte hareket eden alıcıdaki ısı makinası ile Stirling veya Brighton çevrimi için kullanılır. Diğer bir taraftan, merkezi kule sistemlerinde pek çok yansıtıcı ayna güneş ışınlarını merkezi kulenin tepesinde bulunan alıcıya iletirler. Alıcıda ısınan akışkan konvansiyonel buhar üreteçlerinde elektrik üretimi için kullanılır. Güneş santralleri elektriği sürekli olarak üretilemediği için bu elektrik kesintili elektrik olarak kategorize edilir. Bu nedenle, elektrik talebindeki dalgalanmalar karşılanamaz. Diğer bir taraftan, kesintili elektrik üretimi fotovoltaik sistemlerde elektriğin direkt depolanması, yoğunlaştırılmış sistemlerde ise termal enerji depolama ile kısmen engellenebilir. Termal enerji depolamada alıcıdan gelen ısının bir kısmı daha sonra kullanılmak üzere depolanır. Elektriği depolamak termal enerjiyi depolamaktan pahalı olduğu için termal enerji depolama sistemlerine odaklanılmıştır. Verimli ve uygun maliyetli termal enerji depolama güneş enerjisinin elektrik üretim piyasasındaki yerinin arttırılmasında önemli bir unsurdur. Termal enerji depolamada iki yöntem mevcuttur: iki-tank depolama ve tek-tank termoklin depolama. İki-tank depolamada, dolum çevriminde soğuk tanktaki akışkan endirekt sistemlerde ısı değiştiriciden direkt sistemlerde ise kollektör alanından geçerek sıcak tanka, boşaltım çevriminde ise sıcak tanktaki akışkan buhar üretecinden geçtikten sonra soğuk tanka geri döner. Tek-tank termoklin depolamada ise bir tank vardır ve tankın içi katı bir dolgu malzemesi ile doludur. Bu kısım asıl termal depolama ortamıdır. Dolum çevriminde, soğuk akışkan tankın alt kısmından çekilerek ısı değiştiriciye yönlendirilir ve ısınmış olarak tankın üst kısmından tanka geri döner. Boşaltım çevriminde ise sıcak akışkan tankın üst kısmından çekilerek ısı değiştiricisine gidip ısısını kaybederek tanka soğumuş olarak alt kısımdan giriş yapar. İki-tank depolamada kullanılan ve genellikle pahalı olan akışkan nispeten daha ucuz dolgu malzemesi ile değiştirildiğinden, tek-tank termoklin depolama daha ekonomik bir enerji depolama sağlamaktadır. Bu tez kapsamında, hesaplamalı akış dinamiği ile tek-tank termoklin termal enerji depolama sistemi boşaltım döngüsü analiz edilmiştir. Çalışmanın temelini literatürde yapılan çalışmaların daha çok tank özellikleri üzerine ve hassasiyet analizlerinin ise genellikle korelasyonlar ile yapılması oluşturmaktadır. Bu nedenle, hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile tank içindeki akış hatları ile sıcaklık ve hız dağılımlarını gözlemek mümkündür. Ayrıca boşluk oranı, küresellik faktörü ve farklı akışkanların boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini de incelemek mümkündür. Bu çalışmada yedi akışkan dikkate alınmıştır. Ayrıca, üç farklı boşluk oranı ve dolgu malzemesinin etkilerinin incelenmesi için de dört farklı küresellik faktörü kullanılmıştır. Çalışmada ilk olarak modellenecek termoklin tank literatür taraması sonucu belirlenmiştir. Ardından, benzeşimlerde kullanılacak matematik model oluşturulmuştur. Süreklilik, zamana bağlı momentum ve zamana bağlı enerji korunum denklemleri hesaplamalı akış dinamiği kodu openFOAM’a dâhil edilmiştir. Korunum denklemleri sadece efektif ısıl iletkenlik ve Forchheimer-Brinkman yaklaşımlarını değil Bouyssinisq yaklaşımını da içermektedir. Daha sonra, benzeşim sonuçlarının geometri için oluşturulan kafes sisteminden bağımsız olması sağlanmıştır. Ardından, referans tank için oluşturulan temel girdi verisi benzeşim sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış böylece geometrik ve matematik modellerin düzgün bir biçimde oluşturulduğu doğrulanmıştır. Son olarak, seçilen akışkanların ve çalışma koşullarının (değişik boşluk oranları ve küresellik faktörleri) boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini araştırmak üzere pek çok benzeşim yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Benzeşim sonuçlarına göre, yüksek hacimsel ısı kapasitesine (HIK) sahip akışkanlar tank içinde daha fazla ilk enerji depolanmasını sağlamaktadırlar. Bununla birlikte, akışkanın HIK değeri katı dolgu maddesinin HIK değerinden az ise depolanan enerji çoğunlukla katı dolgu maddesinde bulunmaktadır. Katıda depolanan enerji HIK değeri ve boşluk oranı arttıkça %50 seviyelerine kadar düşmektedir. Gözlenen bir diğer olgu da yüksek HIK değerine sahip akışkanlar için boşluk oranı arttıkça boşaltım sonunda tankta kalan enerjinin artmasıdır. Bu durum düşük HIK değerine sahip akışkanlarda ise tam tersidir. Ancak, 6 saatlik boşaltımın zamanla tank içinde neden olduğu sıcaklık dağılımına bakıldığında düşük boşluk oranı için küresellik faktörünün artması sıcak ve soğuk sıvının karışmasını engellemekte ve tank performansını arttırmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, boşaltım döngüsünün ısıl davranışı çoğunlukla akışkan ve katı dolgu malzemelerinin HIK değerleri arasındaki ilişkiye bağlıdır, düşük boşluk oranı ile yüksek küresellik faktörünün kullanılması tank performansını olumlu yönde etkilemektedir ve tank için belirlenecek olan boşluk oranı ve küresellik faktöründe katı dolgu maddesinin ve akışkanın hacimsel ısı kapasiteleri dikkate alınmalıdır. Bu çalışmanın devamında tank verimini arttırmak için akış hatları üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılabilir. Bilindiği üzere akış hatları düzgün olduğunda, soğuk ve sıcak akışkanın karışması azalacak ve tank verimi artacaktır. Bu amaçla tank içinde akış şeritleri oluşturmak gibi bir takım tasarım değişiklikleri yapılabilir. Bir başka muhtemel çalışma alanı da nano-akışkanların ısı transfer sıvısı olarak kullanılması olabilir. Deneysel veriler ile doğrulanan, tezde oluşturulan matematiksel modeli kullanan hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile bu tür çalışmalar hızlı bir şekilde yapılabilir.tr_TR
dc.language.isoenen_US
dc.publisherEnerji Enstitüsütr_TR
dc.subjectGüneştr_TR
dc.subjectSolaren_US
dc.subjectGüneş manyetik alanlarıtr_TR
dc.subjectSolar magnetic fieldsen_US
dc.subjectSolar thermal energyen_US
dc.subjectGüneş gücü santralleritr_TR
dc.titleComputational fluid dynamics analysis of a thermocline thermal storage unit for solar thermal applicationsen_US
dc.title.alternativeSolar Termal Uygulamalar İçin Termoklin Termal Depolama Ünitesi Hesaplamalı Akış Dinamiği Analizleritr_TR
dc.typeThesistr_TR
dc.typeTeztr_TR
dc.contributor.departmentEnerji Bilim Ve Teknolojitr_TR
dc.contributor.departmentEnergy Sciences and Technologiesen_US
dc.description.degreeYüksek Lisanstr_TR
dc.description.degreeM.Sc.en_US
Appears in Collections:Enerji Bilim ve Teknoloji Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10229433 Azin Asaditaheri.pdf9.6 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.