Kaya yataklı ayrımlanmış kazanç sistemlerinin teorik ve deneysel ısıl analizi
Theoretical and experimental thermal analysis of isolated gain systems with a rock-bed
Yazar: AYŞE İSMET ÇALIŞ
Danışman: DOÇ. DR. H. MURAT GÜNAYDIN ; YRD. DOÇ. DR. KORAY ÜLGEN
Ege Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2009
Konu: Enerji = Energy
Dizin: Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş toplayıcıları = Solar collectors ; Isı depolama = Heat storage ; Isıtma = Heating

Özet:
Güneş enerjisi, bulutlu günler ve gece gibi nedenlerle kesikli bir enerji kaynağıdır. Bu tezde, kaya yataklı ayrımlanmış bir kazanç sisteminde güneş enerjisinin ısıl olarak depolanması yoluyla, mekân ısıtmasında kullanılması amaçlanmıştır. 2 adet güneş enerjili havalı toplayıcı (GEHT) ve depodan oluşan sistem tasarlanmış ve Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü'nde kurularak, performansı test edilmiştir. İlk olarak, çalışmaya ilişkin detaylı bir literatür taraması sunulmuştur. Güneş enerjili kazanç sistemleri genel olarak ele alınmış, ayrımlanmış kazanç sistemlerinin bileşenleri ile ilgili ölçütler, sistemin çalışma prensibi ve yararları-sakıncaları detaylıca aktarılmıştır. Sistem uygulamalarına dair bilgi vermek üzere, farklı özelliklerdeki mimari örneklere değinilmiştir. GEHT ve sistemin şarj-deşarj dönemleri için ayrı ayrı ve bütünsel olarak matematiksel modeller oluşturulmuştur. Analizlerde; doğrudan kullanılan ve depolanan ısıl enerji, güneş ışınımı, dış sıcaklık, rüzgâr ve ısıtma yükleriyle ilişkili olarak mekân içindeki sıcaklık değişimleri ve her iki toplayıcı, depo ve sistemin bütünü için enerji verimi değerleri saptanmıştır. Sistem bileşenlerinden zeolitin yoğunluğunun saptanması için gerçekleştirilen deneysel analiz ve gölgeleme etkisinde olan toplayıcılar için gelen ışınım değerlerini hesaplama metodu detaylıca sunulmuştur. Sistemin performansının test edilmesi amacıyla şarj ve deşarj süreçlerindeki; GEHT hava giriş-çıkış, depo içi, depo hava giriş-çıkış, dış ve iç mekân sıcaklık değerleri, güneş ışınımı ve sistemdeki hava akış hızları ölçümlenmiştir. Ölçüm verileri ile sistemin çalışma sürecindeki davranışları yorumlanmıştır. Teorik olarak kış sezonunda aylık ısıtma yükünün karşılanma oranları; doğrudan GEHT ile % 18 ile % 41 aralığında ve depo ile % 8 ile % 22 aralığında değişmektedir. Sistemin bütün olarak enerji verimi % 41 ile % 46 aralığında değişmektedir. Sırasıyla teorik ve deneysel analiz olmak üzere, Nisan ayında açık bir gün için; toplayıcı enerji verimi 0,66 ve 0,70 ± % 0,06 ve enerji depolama verimi 0,48 ve 0,51 ± % 0,34 bulunmuştur. Bulguların ışığında; sistemle ilgili analitik ve deneysel sonuçlar karşılaştırıldığında, kullanılan basit matematiksel modelin; sistem ön tasarımı ve sezonluk ısıtma analizi için yeterli olduğuna karar verilmiştir.Anahtar sözcükler: Kaya yatağı, ayrımlanmış kazanç, güneş enerjili havalı toplayıcı, güneş enerjisi, ısı depolama, ısıtma, zeolit.

Abstract:
Solar energy is an intermittent energy resource due to cloudy, rainy days or night time. In this thesis, it was aimed to heat a space by storing solar energy thermally in an isolated gain system with a rock-bed. The system composed of 2 solar air collectors, while one storage unit was designed, constructed and tested in Solar Energy Institute, Ege University, Izmir, Turkey. A detailed literature survey related to the isolated gain systems with a rock-bed was presented. Gain systems with solar energy were examined in general and criteria about components of isolated gain systems, the working principle of the system and the system?s advantages and disadvantages were introduced in details. Different architectural examples were presented to give an idea about the system applications. Mathematical models were developed separately for solar air collector and charge-recharge moods of the system and also for the whole system. In the analysis; temperature changes in space, energy efficiencies for both collectors, storage unit and the whole system were determined in relation to the directly used energy, the stored energy, solar radiation, outdoor temperature, wind and heating loads. The experimental analysis for the determination of density values of zeolite particles and calculation methodology of the incident solar radiation for the collectors under the shading effect were explained in more detail. Aiming at the performance test of the system, collector fluid inlet-outlet, inside the storage, storage fluid inlet-outlet and indoor-outdoor temperatures, solar radiation and fluid flow rates were measured during the charge and discharge periods. The behaviour of the system during the operation process was also evaluated using the measured data. The covering ratios for the heating loads during the heating season change from 18 to 41 % with collector (directly) and from 8 to 22 % with storage unit. The energy efficiency of the system as a whole varies between 41-46 % theoretically. For a clear day in April, the collector energy efficiency was found as 0.66 and 0.70 ± 0.06 % and storage efficiency was found as 0.48 and 0.51 ± 0.34 %, theoretically and experimentally in turn. Based on the findings, when the analytical and experimental results were compared, it may be concluded that the mathematical model suits well for the pre-design of the system and for the analysis of the heating season.Keywords: Rock-bed, isolated gain, solar air collector, solar energy, heat storage, heating, zeolite.