Solar termal sistemlerde kullanılmak üzere değişken kesitli parabolik kollektör tasarımı, optimizasyonu ve termodinamik analizi
Design, optimization and thermodynamic analysis of a parabolic trough collector with varying cross-section for utilization in a solar-thermal system
Yazar: MEHMET CANALP KÜLAHLI
Danışman: DOÇ. DR. SONGÜL AKBULUT ÖZEN ; PROF. DR. AKIN BURAK ETEMOĞLU
Bursa Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Enerji Sistemleri Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2019
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemleri, birincil enerji kaynağı olan güneşten
faydalanma yöntemlerinden biridir. En yaygın yoğunlaştırmalı güneş enerjisi
sistemleri parabolik oluk kollektörleridir. Parabolik oluk aynalar, güneş ışınımını bir
doğrultuda yansıtır. Bu doğrultuya yerleştirilen bir soğurucu ile güneş enerjisi ısıl
enerjiye dönüştürülür. Bu kollektörler gerek elektrik enerjisi üretiminde gerekse
proses ısısı sistemlerinde kullanılmaktadır. Parabolik oluk kollektörlerin
yaygınlaşması ve verimlerinin arttırılması için farklı araştırma geliştirme çalışmaları
süregelmektedir. Bu çalışmaların çoğu soğurucu yapısını veya akışkan özelliklerini
değiştirerek ısı transferi miktarını arttırmayı amaçlamaktadır. Öte yandan toplayıcı
yüzeyiyle ilgili çalışma sayısı görece daha azdır.
Bu tez çalışmasında, odaklamalı güneş enerjisi sistemlerinde kullanılmak üzere
değişken parabolik kesitli yeni bir yüzey tanımlanmıştır. Bu yüzeyin eksen boyunca
parabolik kesidi değişirken, odak doğrultusu aynı kalmaktadır. Tanımlanan yüzeyin
ısıl performansa etkilerini incelemek üzere numerik bir model kurulmuştur. İlk
aşamada Matlab programında yazılan bir kod ile yüzeye ait geometrik parametreler
girilerek yüzey sonlu parabolik elemanlara ayrılmış ve her bir elemana ait konum ve
odak uzaklığı gibi veriler elde edilmiştir. Daha sonra bu veriler bir ışın takip
programı olan SolTrace'e aktarılarak soğurucu üzerinde gerçekleşen ısı akısı profili
elde edilmiştir. Sonrasında bu ısı akısı profili bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği
programı olan ANSYS CFX'e aktarılarak, akış-ısı transferi simülasyonları
gerçekleştirilmiştir. Kurulan modelin doğruluğu literatürdeki diğer sonuçlarla
karşılaştırılarak tayin edilmiştir. Ayrıca eleman sayısından bağımsızlık çalışması
gerçekleştirilmiştir.
Geleneksel parabolik oluk kollektörlerin aksine tanımlanan geometri soğurucu
boyunca asimetriktir. Bu nedenle akış yönü bir tasarım parametresi haline
gelmektedir. Bu iki durum girişte yüksek ısı akısı (GYI) ve çıkışta yüksek ısı akısı
(ÇYI) olarak tanımlanmıştır. Ayrıca tanımlanan kollektör yeni bir geometrik
parametre içermektedir. Bu parametre uçlardaki odak uzaklıklarının birbirine
oranıdır (k). Bu parametre ile birlikte akış yönünün etkileri aynı zamanda sabit kesitli
referans durumu da göz önüne alınarak incelenmiştir. Çalışmanın sonuncunda artan
𝑘 faktörü ile akış karakteristiklerindeki değişimin arttığı gözlemlenmiştir. Herhangi
bir büyüklüğün artması veya azalmasının ise akış yönüne bağlı olduğu belirlenmiştir.

Abstract:
One of the methods to utilize solar energy, which is the primary source of energy is
concentrated solar power systems. Parabolic trough collectors are one of the most
common systems. They consist a parabolic mirror which focuses sun rays to a focal
line and an absorber placed along this line converts solar energy to thermal energy.
These collectors are employed both for power and process heat generation. Different
studies are being conducted to achieve higher thermal efficiencies which enable these
collectors to become more popular. Most of the studies are focusing on either
different absorber configurations or different heat transfer fluids to achieve higher
heat transfer rates. On the other hand, the number of studies which are about
reflector's structure is relatively low.
In this study, a novel parabolic surface is defined. This surface contains a fixed focal
line while the focal distance varies throughout the length of the absorber. A
numerical method is developed to investigate the effect of this surface on thermal
performance. Through a Matlab code, with the input of geometrical parameters, the
surface is divided into smaller parabolic segments, and each elements' data of focal
length and location is obtained. Then this data is applied to the SolTrace, an open
source ray tracing software, to obtain the heat flux profile around the absorber. Then
achieved heat flux applied to the ANSYS CFX, a computational fluid dynamics
program, and flow and heat transfer simulations are conducted. Model's results are
compared with the other results given in the literature, for validation. Also, grid
independence studies are performed.
Unlike the conventional parabolic reflectors, defined geometry is asymmetrical
trough the length of the absorber thus flow direction becomes another design
parameter. These flow configurations are named as higher flux at the inlet (HFI) and
higher flux at the outlet (HFO). The defined geometry also holds an additional
geometric factor, the ratio of focal lengths (k) at the ends. The effects of this
parameter and flow direction on the flow properties were investigated. With
increasing k, effects become more visible, and the flow direction determines if the
impact is positive or negative on that characteristic.