Parabolik oluklu güneş kolektörü içeren doğal dolaşımlı güneş enerji sisteminin deneysel ve sayısal incelemesi
Experimental and numerical investigation of natural circulating solar energy system including a parabolic trough solar collector
Yazar: BURHAN BAYHAN
Danışman: DOÇ. DR. GÖKHAN ARSLAN
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Boru akışı = Pipe flow ; Dolaşım = Circulation ; Doğal taşınım = Natural convection ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Isı akışı = Heat flow ; Kollektörler = Collectors

Özet:
Günümüzde tek uçlu eğimli borularda en yaygın doğal akış su ısıtma sistemleridir. Bu çalışmada, parabolik oluklu güneş kolektörü içeren doğal dolaşımlı güneş enerji sisteminin deneysel ve sayısal incelenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla başta dış ortamda K-G ekseninde bir boyutlu güneşi takip eden parabolik oluklu güneş kolektörü içeren doğal dolaşımlı güneş enerji sistemi kurulmuştur. Farklı tarihlerde deneyler yapılmıştır. Hareketli kolektörün açıklığına gelen ışınım değerleri hesaplanmıştır. SolTrace programı ile bu ışınımın % 56'lık kısmının kolektörün odağında bulunan vakum tüplü cam boruya ulaşabildiği bulunmuştur. Ayrıca vakum tüplü cam borunun tank girişine yakın kesiti için her deney için Rayleigh sayısı hesaplanarak deney boyunca doğal dolaşımın olup olmadığı izlenmiştir. 
Vakum tüplü cam borunun kapalı ucuna doğru boru uzunluğu boyunca doğal dolaşımın varlığının sorgulanması için bu kısımlarda ayrıca sıcaklık ölçümü gerekmiştir. Vakum tüplü cam boruya delik delme gibi işlemlerde zorluk ve dar açık ucundan termoeleman tellerinin akışa engel olma durumları göz önünde bulundurularak dış ortamda kurulan bu deney düzeneğine benzer deney düzeneği laboratuvar ortamında kurulmuştur. Bu deney düzeneğinin farkı, eğimli borunun galvanizli sacdan oluşması ve borunun çubuk rezistanslar ile ısıtılmasıdır. Bu deney düzeneği ile tek uçlu eğimli bir boruda, tank içi enerji dengesi ile akışkanın boru çıkış sıcaklığının tahmini, doğal dolaşımın debi hesabı ve diğer ısıl hesaplamalar için bir model oluşturulmuştur. Ayrıca bu model literatürdeki Li modeli ile kıyaslanmış olup, daha kolay ve daha başarılıdır. Toplam 6 saat süren deneylerde tek uçlu eğimli bir boruya 100, 200, 400, 600 ve 800 W ısıl güç uygulanmış ve sıcaklık değerleri 5 dakikalık periyotlarla kaydedilmiştir. Deneylerin ortalaması olarak, mevcut model ve Li modeli için tahmin sonuçları aşağıdaki gibidir: Ortalama yüzde bağıl hata oranları sırasıyla 6,02 ve 15,1 ve belirleme katsayısı (R2) sırasıyla 0,9865 ve 0,9683'tür. 
Ayrıca laboratuvar ortamında kurulan deney düzeneğinde yapılan deneylerde, sadece borunun tank girişine yakın ve boruya olan iç akışın başlangıç noktasındaki sıcaklığın ölçülmesiyle diğer nokralardaki sıcaklıkların tahmin edilmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla, sıcaklık verileri ve mesafe arasında ilişki kurulup denklemler elde edilmiştir. Bu denklemler ile eğimli borunun yedi noktasındaki sıcaklıklar tahmin edilmiş olup en yüksek ortalama yüzde bağıl hata oranı 18,5 ile bir noktada elde edilmiştir. Diğer altı noktada ise ortalama yüzde bağıl hata oranı 3,5 olarak oldukça başarılı sonuç vermiştir.
Son olarak, Ansys (Fluent) ile laboratuvarda yapılan deneylerin sayısal analizi yapılmıştır. Sayısal analiz sonucunda hız vektörleri ve sıcaklık konturları elde edilmiştir.

Abstract:
The most common natural flow water heating systems in one-ended inclined pipes today. In this study, it is aimed to investigate the natural circulation solar energy system experimentally and numerically with parabolic trough solar collector. For this purpose, a natural circulation solar energy system including a parabolic trough solar collector that follows the sun in one dimension on the N-S axis in the outdoor environment has been established. Experiments were carried out on different dates. The radiation values coming into the opening of the moving collector were calculated. With the SolTrace program, it has been found that 56% of this radiation can reach the vacuum tube glass pipe in the focus of the collector. In addition, the Rayleigh number was calculated for each experiment for the section of the glass tube close to the tank inlet, and it was monitored whether there was natural circulation throughout the experiment.
In order to question the existence of natural circulation along the length of the tube towards the closed end of the evacuated glass tube, additional temperature measurement was required in these parts. Considering the difficulty in drilling holes into the evacuated glass tube and the obstruction of the flow of the thermocouple wires from the narrow open end, the experimental setup similar to this experimental setup was set up in the laboratory environment. The difference of this experimental setup is that the inclined pipe is made of galvanized sheet and the pipe is heated with rod resistances. With this experimental setup, a model was created for estimating the energy balance in the tank and the pipe outlet temperature of the fluid, the flow rate calculation of the natural circulation and other thermal calculations in a single-ended inclined pipe. In addition, this model has been compared with the Li model in the literature, and it is easier and more successful. In the experiments lasting 6 hours in total, 100, 200, 400, 600 and 800 W thermal power was applied to a one-ended inclined pipe and the temperature values were recorded in 5-minute periods. As the average of the experiments, the estimation results for the present model and the Li model are as follows: The average percent relative error rates are 6.02 and 15.1 and the coefficient of determination (R2) is 0.9865 and 0.9683, respectively.
In addition, in the experiments carried out in the experimental setup set up in the laboratory, it is aimed to estimate the temperatures at other points by measuring the temperature only at the starting point of the internal flow to the pipe, close to the tank entrance. For this purpose, equations were obtained by establishing a relationship between temperature data and distance in excel. With these equations, the temperatures at seven points of the inclined pipe were estimated, and the highest average percent relative error rate was obtained at one point with 18.5. In the other six points, the average percent relative error rate was 3.5, giving a remarkably successful result.
Finally, numerical analysis of the experiments performed in the laboratory with Ansys (Fluent) was performed. As a result of numerical analysis, velocity vectors and temperature contours were obtained.