Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinde iki farklı kontrol sisteminin enerji kazanımına etkisi
The effects of two different control systems on the energy gain of solar water heating systems
Yazar: SERHAT BİLGİN
Danışman: PROF. DR. SEFA TARHAN
Gaziosmanpaşa Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Mekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2017
Konu: Enerji = Energy ; Mekatronik Mühendisliği = Mechatronics Engineering ; Mühendislik Bilimleri = Engineering Sciences
Dizin: Denetim sistemleri = Control systems ; Güneş enerjisi = Solar energy ; Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Güneş toplayıcıları = Solar collectors

Özet:
Bu çalışmada ülkemizde yaygın olarak kullanılan güneş enerjili su ısıtma sistemlerinin ısıl verimliliklerinin arttırılmasına yönelik olarak sirkülasyon pompasının gerektiğinde çalıştırılması için farklı kontrol stratejileri belirlenmiş ve enerji kazanımına olan etkileri araştırılmıştır. Düzlemsel standart tip bir güneş kollektörü ve depodan oluşan, açık sistem esasına göre çalışan güneş enerjili su ısıtma sistemi imal edilmiştir. Sirkülasyon pompasının çalışmasını kontrol edebilmek için sıcaklık farkına göre veya güneş ışınım şiddetine göre çalışabilen otomasyon sistemi tasarlanmış ve üretilmiştir. Her bir kontrol stratejisi için iki tekerrür yapılmıştır. Kıyaslama amacı ile pompanın çalıştırılmadığı doğal sirkülasyonlu iki deneme daha yapılmıştır. Belirli ölçümler yapabilmek için otomasyon sistemiyle bütünleşmiş veri toplama sistemi de geliştirilmiştir. Bu veri toplama sistemi ile dış hava sıcaklığı ve nemi, rüzgar hızı, güneş ışınım şiddeti, kollektör iç yüzey sıcaklığı, kollektör dış alt yüzey sıcaklığı, kollektöre giriş su sıcaklığı, kollektörden çıkış su sıcaklığı, depo içi su sıcaklığı ile su akış debisi ölçümleri yapılmıştır. Bu ölçümler elektronik ortamda saniyelik olarak kayıt altına alınmıştır. Elde edilen deneysel veriler kullanılarak ısıl verimler hesaplanmıştır. Doğal sirkülasyonlu denemelerde ısıl verimler %18.42-%22.60, sıcaklık farkına göre sirkülasyon pompasının kontrol edildiği denemelerde ısıl verimler %31.08-%43.34, güneş ışınım şiddetine göre sirkülasyon pompasının kontrol edildiği denemelerde ısıl verimler %67.02-%83.46 olarak bulunmuştur. Güne ışınım şiddetine göre sirkülasyon pompasının çalıştırıldığı kontrol stratejisi en etkin kontrol stratejisi olduğu bulunmuştur. Fakat, sirkülasyon pompasının kontrolünde hem güneş ışınım şiddetinin hem de depo içi sıcaklığı ile kollektör çıkış su sıcaklığı arasındaki farkın dikkate alınması durumunda güneş enerjili su ısıtma sistemlerinin ısıl verimlerinin daha da yükseltilebileceği düşünülmektedir.

Abstract:
In this study, in order to increase the thermal efficiency of the solar water heating systems which are widely used in our country, different control strategies were determined for the operation of the circulation pump if necessary and their effects on energy saving were investigated.  A solar water heating system operating on the basis of open system and consisting of a flat-plate standard type solar collector and a reservoir was manufactured. An automation system operating based on the temperature difference or solar radiation intensity was designed and manufactured to control the operation of the circulation pump. Two trials were done for each control strategy. For comparison, two more trials with natural circulation in which the pump was not operated were carried out. A data acquisition system integrated with the automation system was also developed to make necessary measurements. Using this data acquisition, ambient air temperature/humidity, wind speed, solar radiation intensity, collector inner surface temperature, collector outer bottom surface temperature, collector inlet water temperature, collector outlet water temperature, water temperature in the tank and water flow rate were measured and electronically stored in every second during each trial.  Using the experimental data, the thermal efficiencies of all trials were calculated. The thermal efficiencies of the  trials with natural circulation were 18.42% -22.60%, the thermal efficiencies of the trials with the pump control based on temperature difference  were 43.34% -31.08%, and the thermal efficiencies of the trials with the pump control based on solar radiation intensity  were 67.02% -83.46%. The control of circulation pump  based on solar radiation intensity was found to be the most effective control strategy. However, the thermal efficiencies of solar water heating systems can be further increased if both solar radiation intensity and the difference between reservoir water temperature and collector outlet temperature are considered simultaneously.