Faz değiştiren malzemelerin parabolik güneş kollektörlerine entegrasyonu ve etkileri
Integration of phase changing materials in parabolic solar collectors and their effects
Yazar: GÜLDEN ADIYAMAN
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ LEVENT ÇOLAK
Başkent Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Makine Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2024
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Enerji depolama = Energy storage ; Enerji verimliliği = Energy efficiency ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) = Computational fluid dynamics (HAD) ; Isı depolama = Heat storage ; Tasarım optimizasyonu = Design optimization

Özet:
Bu tez çalışmasında, parabolik oluk kollektörler için kullanılabilecek kaviteli, faz değiştiren malzemeli ve yalıtımlı yeni bir güneş alıcısı tasarlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, bir kollektör sisteminin genel verimliliğini ilk ölçüde etkileyen optik verimlilik üzerine çalışılmıştır. Optik verimliliği etkileyen en önemli parametre, güneş ışınımının yoğunlaştığı alıcı tarafından emilen net ısı miktarıdır. Bu bağlamda, optimizasyon parametreleri olarak üç farklı geometri (üçgen, dikdörtgen ve çokgen), üç farklı açıklık genişliği ve yüksekliği ve kavite alıcısının parabolik yansıtıcı yüzeye ilişkin üç farklı konumu alınmıştır. Bu parametrelerin etkilerini değerlendirmek ve aynı zamanda alıcı tarafından absorbe edilen radyasyon miktarı üzerindeki etkilerini incelemek için bir deney tasarımı yaklaşımı kapsamında Yanıt Yüzey Metodu kullanılmıştır. Optik analiz için, bu parametrelerin etkilerini araştırmak üzere Monte Carlo Işın İzleme yöntemiyle birlikte açık kaynaklı sayısal ışın izleme yazılımı SolTrace kullanılmıştır. Sonuçlar, optimum boşluk geometrisinin çokgen olduğunu ve boşluk derinliğinin ve açıklığının her ikisinin de 0,05 m'ye eşit olduğunu göstermektedir. Ayrıca en etkili parametrenin alıcının konumu olduğu ve optimum konumun parabolik yoğunlaştırıcının odak noktası olduğu bulunmuştur. Optimum boşluklu alıcı tasarımı için sistemin optik verimliliği %81,05 olarak bulunmuştur. Yeni alıcı tasarımında, yeni modelin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Yeni alıcı tasarımında, ilk olarak yeni modelin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Bu kapsamda literatürden iki aşamalı doğrulama yapılmıştır. İlk olarak borulu bir güneş alıcısında unifor olmayan ışınım haritası entegre edilerek ısıl analizler deneysel bir çalışma doğrulanmıştır. Daha sonra Faz Değiştiren Malzeme (FDM) erime analizleri literatürdeki deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmalarından sonra, FDM entegreli, kendinden yalıtımlıi kaviteli alıcı modellenmiş ve HAD analizleri yapılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. FDM olarak erime ve donma sıcaklıkları sırasıyla 130 ve 120°C olan yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) kullanılmıştır. HAD sonuçlarına göre, FDM 13.dakikada erimeye başlamıştır. Tamamen erime süresi 31.dakikadır. Buna FDM depolama süresi de denilebilir. FDM tamamen eriyene kadar geçen sürede suyun çıkış sıcaklığı 437,52K olmuştur. Bu aşamadan sonra, güneş ışınımının kesildiği durum için kavite duvarlarındaki ışınım haritası kaldırılmış olup analizler yine zamana bağlı devam etmiştir. Bu analizlerde görülmüştür ki FDM 5.dakikadan itibaren katılaşmaya başlayıp 21. dakikada tamamen katı haldedir. FDM entegreli kendinden yalıtımlı kavitel igüneş alıcı, aynı sınır koşullarında FDM entegresiz yalıtım olmayan kaviteli alıcı ile karşılaştırılmıştır. FDMnin katılaşma süresince (16 dakika) su çıkış sıcaklığındaki dalgalanma yalnızca 17,5°C iken FDM entegresiz alıcıda bu değer 58°C olmuştur. Güneş alıcısına FDM entegresi özellikle gün içinde bulut geçişleri sırasında dakika boyunca düşük su çıkış sıcaklığı dalgalanmaları ile sistemin daha stabil çalışmasına olanak sağlamıştır. Ayrıca güneşin tamamen kesildiği akşam saatlerinde de FDM entegreli alıcıdan bir süre daha sıcak su veya buhar eldesinin devam edebileceğini göstermiştir.

Abstract:
In this thesis, a new solar receiver with cavity, phase change material and insulation that can be used for parabolic trough collectors has been designed. In the first stage of the study, optical efficiency was studied, which primarily affects the overall efficiency of a collector system. The most important parameter affecting optical efficiency is the net amount of heat absorbed by the receiver where solar radiation is concentrated. In this context, three different geometries (triangle, rectangle and polygon), three different aperture width and height, and three different positions of the cavity receiver relative to the parabolic reflecting surface were taken as optimization parameters. The Response Surface Method was used within a design-of-experiment approach to evaluate the effects of these parameters and also to examine their impact on the radiative heat rate absorbed by the receiver. For optical analysis open-source numerical ray-tracing software SolTrace, accompanied with the Monte Carlo Ray Tracing method, was used to investigate the effects of these parameters. The results showed that the optimum cavity geometry was polygonal and the cavity depth and span are both equal to 0.05m. Moreover, it is found that the most effective parameter is the position of the cavity receiver and the optimum position was at the focal line of the parabolic concentrator. For the optimum cavity receiver design, the optical efficiency of the system was found to be 81.05%. In the new receiver design, verification studies of the new model were carried out with Computational Fluid Dynamics (CFD). In this context, two-stage validation was performed from the literature. Firstly, the non-uniform radiation map was integrated in a tubular solar receiver and thermal analyses were verified with an experimental study. Then, the Phase Change Material (PCM) melting analyses were verified with an experimental study in the literature. After the validation studies, the PCM integrated, self-insulating cavity receiver was modeled and the results were evaluated by performing CFD analyses. High density polyethylene (HDPE) with melting and freezing temperatures of 130 and 120°C, respectively, was used as PCM. According to the CFD results, PCM started to melt in the 13th minute. The complete melting time was 31st minute. This can also be called PCM storage time. The exit temperature of the water was 437.52K during the period until PCM was completely melted. After this stage, the radiation map on the cavity walls was removed for the case where solar radiation was cut off and the analyses continued again depending on time. In these analyses, it was seen that FDM started to solidify from the 5th minute and was completely solid at the 21st minute. FDM integrated self-insulating cavity solar receiver was compared with FDM integrated non-insulating cavity receiver under the same boundary conditions. While the fluctuation in water outlet temperature was only 17.5°C during the solidification period of FDM (16 minutes), this value was 58°C in the receiver without FDM integration. FDM integration to the solar receiver allowed the system to work more stably, especially during cloud transitions during the day, with low water outlet temperature fluctuations for minutes. It was also shown that hot water or steam could continue to be obtained from the FDM integrated receiver for a while longer in the evening hours when the sun completely stopped.