Yenilenebilir enerji destekli ısıl depo tasarımının teorik ve deneysel araştırılması
Theoretical and experimental investigation of thermal tank design supported renewable energy
Yazar: ÜMİT DENİZ AKYAVUZ
Danışman: DOÇ. DR. HASAN ÖZCAN
Karabük Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Termal enerji = Thermal energy ; Yenilenebilir enerji kaynakları = Renewable energy resources

Özet:
Bu çalışmada, güneş enerjisinin ısıl depolanması ve depolanan enerjinin doğalgazlı ısıtma sistemine entegre edilmesi ile elde edilen yakıt tasarrufu araştırılmıştır. Deneysel çalışma Ocak-Mart 2021 döneminde yapılmıştır ve ısıl depolama maddesi olarak PO Heat Transfer Oil 32 ve Mobiltherm 605 ısıl yağları boru tipi ısı değiştiricili ısıl depoda kullanılmıştır. Ayrıca deneysel çalışmanın yapıldığı konumda, merkezi doğalgaz ısıtması yapılan mevcut binaların ısıl ihtiyacının karşılanması için Therminol 59, Therminol 66, Dowtherm A ve Dowtherm G ısıl yağları kıyaslanarak ısıl depolama model çalışması yapılmıştır. Sistem verimliliği Termodinamiğin 1. Kanununa göre analiz edilmiştir. Ekonomik analiz ilk yatırım maliyeti, toplam ömür döngüsü maliyeti ve seviyelendirilmiş enerji maliyeti hesaplanarak yapılmıştır. Isıtma sisteminde doğalgazın yanması sonucunda oluşan sera etkisinde önemli payı olan CO2 emisyonu çevresel analiz için hesaplanmıştır.  
Deneysel çalışmada 3,65 m2 yüzey alanına sahip vakum tüplü güneş kolektör grubunun bir ısıtma sistemine entegre edilmesi durumunda ısıtmada kullanılan doğalgaz yakıt sarfiyatına etkisi araştırılmıştır. Isıl depolama yapılan gün sayısı 57 olup ısıl yağın çıkarıldığı en yüksek sıcaklık 306 ℃'dir. Isıl depolama yapılan günlerde ısıtma sistemine aktarılan ısıl enerjinin doğalgaz karşılığı 11,41 m3'tür. Isıtma sisteminde doğalgaz yakılması halinde CO2 emisyonu ise 31,4 kg'dır. Isıtma sistemine destekli VTC ısıl enerji depolama sisteminin genel verimi %10-49 aralığındadır. 
Deneyin yapıldığı mevcut bina için yapılan örnek olay çalışmasında 100-300 ℃ sıcaklık aralığında ısıl depolama yapılan Mobiltherm 605 ısıl yağı kullanılmıştır. Bu örnek çalışmada 189,6 m2 mevcut binanın çatı alanı dikkate alınarak en yüksek ısıl enerji ihtiyacının 4145 kWh olduğu gün için 12 saatlik bir ısıl depolamaya göre 2073 kWh enerji ihtiyacı vardır. VTC-Isıl sisteminde depolanan enerjinin gece ihtiyaç duyulan ısıl enerjiyi karşılama oranı %20,9'dur. Enerji birim maliyeti 0,037 $/kWh'tir.
Mevcut binaların ısıl ihtiyacının tamamen karşılanması için yapılan modelleme çalışmasında Therminol 59, Therminol 66, Dowtherm A ve Dowtherm G ısıl yağları kullanılmıştır. 60-180 ℃ ısıl depolama sıcaklığı aralığında güneş ışınım şiddeti, VTC boru sayısı, akışkan cinsi ve VTC boru içi akışkan hızlarında 4 değişken parametre ile yapılan ısıl analiz modelleme çalışmasına göre akışkanların ulaştığı en üst sıcaklıklar ve VTC boru sayıları tespit edilmiştir. Therminol 66 ısıl yağının kullanıldığı 0,75 m/s VTC boru içi akışkan hızı diğer akışkanlara ve akış hızlarına göre daha iyi sonuç vermiştir. Düşük akış hızlarında akışkanın ulaştığı en üst sıcaklık değeri daha yüksektir. 0,25 m/s hızda 270 ℃'ye ulaşmaktadır. Yüksek akışkan sıcaklığında ısıl kayıplar daha yüksek olmaktadır. Güneşten alınan enerjinin ısıl olarak depolanabilmesi için güneş ışınım değerinin 43 W/m2 üzerinde olması gerektiği görülmüştür. 2418 kWh ısıl depolama ihtiyacı ve dinamik ısıl kayıplar dikkate alınarak 0,75 m/s VTC boru içi hız ve depo hacmine göre yapılan optimum VTC temelli ısıl destek model hesaplamasında VTC alanı 1212 m2, ısıl depo hacmi 38,75 m3 bulunmuştur. Isıl yağ miktarı 34846 kg'dır. Sistem genel verimi %54,6' dır. İlk yatırım maliyetinin 870560 $ olduğu modellemede VTC boruları yatırımın %46,7' sine, ısıl depo maliyeti %37,6' sına karşılık gelmektedir. Birim ısıl enerji maliyetinin ise 0,053 $/kWh olduğu bulunmuştur. Depolama enerjisinin en yüksek (2418 kWh) olması halinde elde edilen enerjinin DG karşılığı 227,3 m3, CO2 azaltımı 447,5 kg'dır.

Abstract:
In this study, the fuel savings obtained by thermal storage of solar energy and integrating the stored energy into the natural gas heating system were investigated. Experimental study was carried out in January-March 2021 period and PO Heat Transfer Oil 32 and Mobiltherm 605 thermal oils were used as thermal storage material in the thermal tank, which is tubular heat exchanger. In addition, a thermal storage model study was carried with thermal oils which are Therminol 59, Therminol 66, Dowtherm A and Dowtherm G to correspond to the thermal needs of existing buildings with district heating system which natural gas used at the location where the experimental study. The system efficiency was analyzed according to the 1st Law of thermodynamics. The economic analysis is done by calculating the initial investment cost, the total life cycle cost and the levelized energy cost. The CO2 emission generated by the combustion of natural gas in the heating system has a significant share in the greenhouse effect. Therefore, CO2 emissions were calculated for environmental analysis.
In the experimental study, the effect of solar energy on the natural gas consumption used in the heating system was investigated when the vacuum tube solar collector group with a surface area of 3.65 m2 is integrated into the heating system. The number of days of thermal storage is 57 and the highest thermal oil temperature is 306 ℃. On the days of thermal storage, transferred the thermal energy to the heating system is equal in natural gas value 11.41 m3. 31.4 kg of CO2 emissions were prevented by solar energy transferred to the heating system. The overall efficiency of the VTC thermal energy storage system supported to the heating system is in the range of 10-49%.
In the case study for the existing building Mobiltherm 605 was used.  Thermal storage temperature is range of 100-300 ℃. To used at night for 12 hours, thermal energy requirement is 2073 kWh should be stored in daylight. The ratio of the energy stored in the VTC-Thermal system to meet the thermal energy demand at night is 20.9%. The energy unit cost is $0.037/kWht.
Therminol 59, Therminol 66, Dowtherm A and Dowtherm G thermal oils were used in the modeling study to fully meet the thermal needs of the existing buildings. The maximum temperatures reached by the fluids and the number of VTC pipes were determined in the thermal analysis modeling study carried out in the thermal storage temperature range of 60-180 ℃, according to 4 variable parameters: solar radiation intensity, VTC pipe number, fluid type and VTC in-pipe flow rate. When 0.75 m/s VTC in-pipe fluid velocity and Therminol 66 thermal oil were used, it gave better results than other fluids and flow rates. At low flow rates, the maximum temperature reached by the fluid is higher. The temperature reaches 270 ℃ at a speed of 0.25 m/s and reaches 193 ℃ at a speed of 0.75 m/s. Thermal losses are higher at high fluid temperature. It has been observed that the solar radiation must be above 43 W/m2 to stored thermally the energy taken from the sun. Considering the 2418 kWh thermal energy storage requirement and dynamic thermal losses, the VTC area was found to be 1212 m2 and the thermal storage volume was 38.75 m3 in the optimum VTC-based thermal support model calculation made according to the VTC in-pipe velocity of 0.75 m/s and Therminol 66. The amount of thermal oil is 34846 kg. The overall efficiency of the system is 54.6%. In the model study, where the initial investment cost is $870560, which correspond to VTC pipes 46.7% and thermal tank 37.6%. The levelized unit thermal energy cost was found to be $0.053/kWh. If the storage energy is the highest (2418 kWh), the natural gas equivalent of the energy obtained is 227.3 m3, CO2 reduction is 447.5 kg.