Silindirik Parabolik Güneş Toplayıcılarının Isıl Analizi

Abstract

Enerji insan yaşamının ve ülke sanayinin en temel ihtiyacıdır. Artan dünya nüfusu, enerji tüketim hızında da artışa sebebiyet vermektedir. Çoğalan enerji ihtiyacının karşılanması için dünya çapında en fazla kullanılan fosil yakıtlar (petrol, doğal gaz, kömür vs.), ekolojik dengenin devamı için ciddi bir tehdit oluşturan sera gazı etkisine sebep olmakta ve rezervleri tükenme noktasına yaklaşmaktadır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını arttırmak, tüm dünyada bir zorunluluk olarak görülmektedir. Tüm bunların sonucunda, bir yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin önemi ve uygulama alanı da her geçen gün artmaktadır. Güneş toplayıcıları, güneş enerjisinin ısı enerjisine dönüştürülmesini sağlar. Bu çalışmanın konusu olan silindirik parabolik güneş toplayıcıları, orta sıcaklık uygulamaları kapsamında (100 - 300 °C) kullanılan bir toplayıcı türüdür. Bu çalışmada, Ankara ili Haziran ayı şartlan altında örnek bir silindirik parabolik güneş toplayıcısı ele alınmıştır. Toplayıcı, yatayla incelenen yerin enlem açısı (39.95°) kadar açı yaparak güneye dönük şekilde kuzey-güney doğrultusunda yerleştirilmiş, ve güneşi tek eksenden takip etmektedir. Toplayıcıya giren ısı taşıyıcı akışkan (su), sisteme entegre edilmiş bir depodan gelmekte ve bu depoya dönmektedir. Gün sonu depo suyu sıcaklığının ve günlük ortalama termodinamiğin L ve II. kanun verimlerinin; depo hacmi, ısı taşıyıcı akışkan debisi ve açıklık alanı miktarına göre değişimleri incelenmiştir. Elde edilen sonuçlara dayanarak, değişimi incelenen işletim parametrelerinin optimizasyonu yapılmıştır. Sistem değerlendirilirken, gün sonu konut sıcak su ihtiyacının karşılanması amaçlanmıştır. Bu ihtiyacın karşılanması için, gün sonunda depo suyu sıcaklığı minimum 55-60 °C olmalıdır. Sözü geçen incelemelerin yapılması için, Fortran programlama dilinde yazılan ve sayısal çözüm metotlarının uygulandığı bir bilgisayar programı oluşturulmuştur. Açıklık alanı 20-80 m2, ısı taşıyıcı akışkan debisi 0.016-0.36 kg/s ve depo hacmi 1-8 m3 değişim aralığında incelenmiştir. Bu nedenle, bu çalışmada elde edilen sonuçlar bu aralıklarda geçerlidir. Ele alman şartlar altoda toplayıcının, konut sıcak su ihtiyacının karşılanması için gerekli gün sonu depo suyu sıcaklıklarını incelenen her açıklık alanında sağladığı saptanmıştır. Optimal ısı taşıyıcı akışkan debisinin açıklık alanından bağımsız olarak, Ref>2300 değerini sağlayan minimum debi olduğu saptanmıştır. Optimal depo hacmi değerinin ise açıklık alanı ile değiştiği saptanmış ve bu değişimin matematik ifadesi sunulmuştur.

Energy is the basic necessity of human life and industry. Increasing world population brings about increase in energy consumption rate. Fossile fuels (oil, natural gas, coal ets.) which are the most used fuel types to meet the increasing energy consumption, result in greenhouse affect that is a serious threat for ecological balance and their reserves come to termination. Therefore, increasing the amount of renewable energy applications is regarded as an obligation all over the world. Thus, as a kind of renewable energy, solar energy's importance and application field is growing as time passes. Solar collectors convert solar energy into thermal energy. Cylindrical parabolic solar collector which is the subject of this study, is a kind of solar collector that is used in mean temperature solar application (100-300 °C). In this study, a sample cylindrical parabolic collector under July conditions in Ankara is considered. The collector is in north-south direction, inclined whit latitude (39.95°) to south and tracking the sun whit one axis of rotation. Heat carrying fluid (water) comes from a water storage tank which is integrated to the system and returns the tank after leaving the collector. System daily average I. and II. thermodynamic efficiencies and storage tank temperature responses to changes in storage tank volume, heat carrying fluid flow rate and collector aperature area are investigated. Considering the investigation results, optimization of heat carrying fluid flow rate and storage tank volume is fulfilled. It is purposed to supply hot water from storage tank to a residential building at the end of the day. For this purpose, hot water temperature interval should be minimum 55-60 °C. To analyze the system, a computer program written in Fortran Programming Language is prepared and numerical methods are applied. Aperature area, heat carrying fluid flow rate and storage tank volume change ranges are 20-80 m2, 0.016-0.36 kg/s, 1-8 m3 respectively. Therefore, conclusions of this study are valid between these ranges. At the end of the day, necessary residential hot water temperature range is supplied whit all aperature areas under investigated conditions. Optimal heat carrying fluid flow is the minimum flow rate of Ref>2300 along the pipe. Optimal storage tank volume is changing whit aperature area and mathematical equation of this change is presented in this study.