Güneş bacası güç santrallerinin parametrik optimizsayonu
Parametric optimization of solar chimney power plants
Yazar: HARUN ŞEN
Danışman: DOÇ. DR. ERDEM CÜCE ; DOÇ. DR. AYŞE PINAR MERT CÜCE
Recep Tayyip Erdoğan Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Maden Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Güneş bacası güç santralleri, güneş enerji sistemleri olmasına rağmen yapısındaki yüksek baca sayesinde güneşin olmadığı saatlerde de güç çıkışı verebilir. 24 saat güç çıkışı verebilen bu sistemler toplayıcı, baca ve türbin olmak üzere 3 yapı elemanından oluşan basit sistemlerdir. Fazla teknik detay içermediklerinden bakım maliyetleri düşük ve uzun ömürlüdürler. CO2 salınımı düşük, temiz enerji üretimi için ideal olan bu sistemler son yıllarda araştırmacılar tarafından ilgi çekmektedir. Büyük ölçekli olan bu sistemlerin performansları, iklimsel ve geometrik parametrelerden fazlaca etkilenir. Bu çalışmada ilk prototip olan Manzanares santralinin geometrik ölçüleri esas alınarak bir CFD çalışması yürütülür. ANSYS FLUENT ticari yazılımı öğrenci sürümü ile oluşturulan CFD modeli, farklı iklimsel ve geometrik parametreler ile simüle edilir. Güç çıkışı, verim, kütlesel debi ve türbin konumunda ortalama basınç farkı değerlerine iklimsel ve geometrik parametrelerdeki değişimlerin nasıl etki ettikleri analiz edilir. Veriler incelendiğinde referans durumda 1000 W/m2 ışınım şiddeti ve 293,15 K çevre sıcaklığında, 54,33 kW güç çıkışı ve %0,1 verime ulaşıldığı görülür. İklimsel parametrelerden olan çevre sıcaklığının artışı ile güç çıkışının azaldığı, ışınım şiddetinin ise sistemin performansında belirgin atışa yol açtığı görülür. Baca yüksekliği ve toplayıcı çapının sistemin performansını arttırıcı etkide olduğu, baca çapındaki artışın belirli noktadan sonra sistemin performansını olumsuz etkilediği görülür. Toplayıcı yüksekliğinin sistemin performansını azalttığı sonucuna varılır. Sistemin performansı tasarımsal parametrelerden de etkilenir. Iraksak baca tasarımına sahip sistemin yakınsak baca tasarımına göre daha verimli olduğu anlaşılır. Toplayıcı eğimi ve zemin eğimi de benzer şekilde sistemin performansını arttırıcı etki yapar.

Abstract:
Although solar chimney power plants are solar energy systems, they can give power output even when there is no sun thanks to the high chimney in its structure. These systems, which can give power output for 24 hours, are simple systems consisting of 3 structural elements: collector, chimney and turbine. Since they do not contain much technical details, they have low maintenance costs and long life. These systems, which are ideal for clean energy production with low CO2 emissions, have attracted the attention by researchers in recent years. The performances of these large-scale systems are highly affected by climatic and geometric parameters. In this study, a CFD study is carried out based on the geometric dimensions of the first prototype of the Manzanares power plant. The CFD model created with the student version of ANSYS FLUENT commercial software is simulated with different climatic and geometric parameters. It is analyzed how changes in climatic and geometric parameters affect the values of power output, efficiency, mass flow and average pressure difference in turbine position. When the data are examined, it is seen that in the reference case, 1000 W/m2 solar intensity and 293,15 K ambient temperature, 54,33 kW power output and 0.1% efficiency are reached. It is seen that the power output decreases with the increase of the environmental temperature, which is one of the climatic parameters, and the solar intensity causes a significant increase in the performance of the system. It is seen that the height of the chimney and the diameter of the collector increase the performance of the system, and the increase in the chimney diameter negatively affects the performance of the system after a certain point. It is concluded that the height of the collector reduces the performance of the system. The performance of the system is also affected by the design parameters. It is understood that the system with divergent chimney design is more efficient than the convergent chimney design. Collector slope and ground slope likewise increase the performance of the system.