Parabolik oluk toplayıcıların ısıl ve optik açıdan optimizasyonu
Thermal and optical optimization of parabolic trough collectors
Yazar: MAHSA MOLOODPOOR
Danışman: PROF. DR. NECDET ÖZBALTA
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Parabolik oluk toplayıcılar, güneş enerjisinden yararlanma teknolojileri olarak yaygın olarak kullanılan sistemlerden biridir. Özellikle ülkelerde güneş enerjisi kullanımı arttıkça bu sistemlerin verimini yükseltmek önem arz etmektedir. Bu sistemlerin geometrik özellikleri ve çalışma koşulları onların verimini etkilemektedir. Bu etkili parametreler arasında, alıcı boru iç çapı, cam örtü iç çapı, yansıtıcı yüzey genişliği, odak uzunluğu, toplayıcı uzunluğu, akışkan giriş sıcaklığı, akışkan debisi, alıcı boru sıcaklığı ve cam örtü sıcaklığı olarak sayılabilir. Yapılan çalışmalarda bu parametrelerin tümü yerine bazıları dikkate alınarak ısıl ve optik verim üzerine etkileri incelenmiştir. Ancak bu parametrelerin sistem üzerinde lineer olmayan bir etkileri olduğu için, tümünü birlikte incelemek daha gerçekçi bir model ortaya çıkarabilecektir. Dolayısıyla, bu eksikliği gidermek doğrultusunda, mevcut tez kapsamında parabolik oluk toplayıcıların ısıl ve optik verimini arttırmak amacıyla bu etken parametreler eş zamanlı dikkate alınarak bir optimizasyon modeli oluşturulmuştur. Öncelikle, modeli doğrulamak ve gerçekçiliğini test etmek için bulunan sonuçlar LS-2 nesil parabolik oluk toplayıcının özellikleri dikkate alınarak Sandia Ulusal Laboratuvarının aynı sistem üzerinde gerçekleştirdiği deneysel test sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Daha sonra, optimizasyon süreci için parabolik oluk toplayıcıların optik ve ısıl verimi dikkate alınarak sistemin verimini maksimize etmek üzere amaç fonksiyonu tanımlanmıştır. Tanımlanan optimizasyon problemini çözmek için gradyan tabanlı olmayan metasezgisel optimizasyon tekniği olan Etkileşimli Arama Algoritması kullanılmıştır. Sonuçların geçerliliğini sağlamak ve problemde bulunan kısıtlamaların ihlalini önlemek için Geliştirilmiş Fly-Back mekanizması kullanılmıştır. Optimizasyon sonucu kapsamında elde edilen optimal değerlere göre, parabolik oluk toplayıcıların optik verimi %81,94 ve sistemin ısıl verimi ise %81,76 olarak bulunmuştur. Ayrıca, oluşturulan model kullanılarak İzmir iklim koşullarında parabolik oluk toplayıcıların davranışı incelenmiştir.

Abstract:
Parabolic trough collectors are one of the widely used systems as solar energy utilization technologies. As the use of solar energy increases in countries, it is important to increase the efficiency of these systems. The geometric properties and operating conditions of these systems affect their optical and thermal efficiency. These effective parameters include receiver tube diameter, glass cover inner diameter, reflective surface width, focal length, collector length, fluid inlet temperature, fluid flow rate, receiver tube temperature and glass cover temperature. The effects of some of these factors on the thermal and optical efficiency have been investigated separately in the literature. However, since these parameters have non-linear effects on the system, examining them together will yield a more realistic model. In order to overcome this shortcoming, an optimization model has been created within the scope of the present thesis by considering these factors simultaneously in order to increase the thermal and optical efficiency of parabolic trough collectors. Firstly, to validate the model, the properties of the LS-2 parabolic trough collector is considered, and the results were compared with the experimental test results performed by Sandia National Laboratory on the same system. Then, for the optimization process, the objective function is defined to maximize the efficiency of the system, taking into account the optical and thermal efficiency of the parabolic trough collectors. To solve the defined optimization problem, Interactive Search Algorithm, which is a non-gradient metaheuristic optimization technique, is used. The Improved Fly-Back mechanism is used to ensure the validity of the results and to prevent the violation of the constraints found in the problem. According to the optimal values obtained, the optical efficiency of the parabolic trough collectors was 81,94% and the thermal efficiency of the system was 81,76%. In addition, the behavior of parabolic trough collectors in İzmir climate conditions was investigated using the proposed model.