Hava akışkanlı güneş kolektörlerinin enerji ve ekserji analizi ile modellenmesi
Modelling of solar air collectors with energy and exergy analysis
Yazar: ABDULLAH YILDIZ
Danışman: PROF. DR. ALİ GÜNGÖR
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Ekserji = Exergy ; Entropi = Entropy ; Güneş toplayıcıları = Solar collectors ; Matematiksel modelleme = Mathematical modelling

Özet:
Dünya üzerinde yaşanan küresel ısınma ve iklim değişiklikleri, temiz enerji kaynaklarına duyulan gereksinimi günden güne artırırken, yaşanan enerji krizleri de alternatif enerji kaynaklarına yönelime sebep olmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi olan güneş, literatürde geniş bir şekilde çalışılmıştır. Güneş kolektörleri, üzerine gelen güneş ışınımını kullanılabilir enerjiye dönüştüren ısıl sistemlerdir. Kullanılabilir enerjide olan kayıplar termodinamiğin ikinci yasası ile ifade edilir. Termodinamiğin birinci yasası (enerji analizi) tek başına ısı üretim süreçlerinin davranışlarını incelemek için yetersiz kalmaktadır. Bu nedenle, ısıl sistemlerdeki verimliliği daha iyi tanımlayabilmek için termodinamiğin ikinci yasa (ekserji) analizinin de yapılması gerekmektedir. Ekserji, tersinmez sistemlerdeki veya süreçlerdeki entropi üretiminden kaynaklanan kullanılabilir enerjideki kayıp veya bir sistem referans çevre sıcaklığı ile eşit duruma geldiğinde sistem tarafından üretilebilen maksimum iş miktarı olarak tanımlanır. Ekserji, enerji gibi bir korunum kanunu değildir, aksine herhangi bir gerçek süreçteki tersinmezliklerden dolayı ekserjinin tüketileceğini veya kaybolacağını ifade eder.Bu çalışmada, kararlı koşullar altında çalışan üç farklı hava akışkanlı güneş kolektörünün enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Analizde, izotermal ve nonizotermal olmak üzere iki metot kullanılmıştır. Kolektörlerin matematiksel modellenmesinde en önemli kriter uygun Nusselt sayısının belirlenmesidir. Nonizotermal modelde, literatürden alınan bağıntılar kullanılarak kolektör boyunca sıcaklık dağılımı sonlu farklar yöntemiyle çözülmüştür. Deney ölçümleri ile teorik çözümlemeler karşılaştırılmış ve deneysel veriler ışığında modeller oluşturulmuştur. Teorik ve model sonuçlarının geçerliliği istatistiksel hata analizleri ile ortaya konulmuştur.Deney düzeneği Ege Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü'nde tasarlanmış ve kurulmuştur. Kolektör verim deneyleri farklı kütlesel debiler için yapılmış ve modeller deneysel verilere göre analiz edilmiştir. İzotermal ve nonizotermal modele göre kolektörler için uygun bağıntılar çıkartılmış ve öneriler verilmiştir.

Abstract:
While global warming and climate change is day by day increasing the demand on the clean energy sources, the energy crises are also causing an inclination towards alternative energy sources. Solar energy which is one of the renewable energy sources has been extensively studied in the literature. Solar collectors are thermal systems converting the incident solar radiation into usable energy. The losses occurring in the availability of energy is defined by the second law of thermodynamics. First law of the thermodynamics alone is not adequate in gaining a full understanding of all the important aspects of energy product processes. Therefore, second law of thermodynamics (exergy) analysis is must have for a better to describe efficiencies in the thermal systems. Exergy is the losses of the availability energy due to entropy production in the irreversible system or processes or also defined as the maximum amount of work which can be produced by a system as it comes to equilibrium with a reference environment. Unlike energy, exergy is not subject to a conservation law (except for ideal or reversible processes) and exergy is consumed or destroyed, due to irreversibility in any real process.In this study, the energy and exergy analyses of three different solar air collectors were carried out under steady state conditions. In these analyses two different methods; namely isothermal and non-isothermal were used. The most important criterion in the mathematical modeling of the solar air collectors was the selection of the Nusselt number. In the non-isothermal model, the temperature distribution along the collectors was solved by finite difference method by the help of correlations taken from the literature. The experimental and theoretical results were compared and models were formed based on the experiments. The compatibility of the model and theory were tested by statistical error analyses.The test stand was designed and constructed in the Ege University Mechanical Engineering Department. Collector efficiency tests were conducted for various mass flow rates and models were analyzed according to experimental data. Correlations and suggestions for solar air collectors according to isothermal and non-isothermal models are given.