Nanopartikül katkılı gizli ısı depolama ünitesi entegreli güneş enerjili ısıl sistemlerin tasarımı ve deneysel analizi
Design and experimental analysis of nanoparticle-enhanced latent heat storage unit-integrated solar thermal systems
Yazar: CEYLİN ŞİRİN
Danışman: PROF. DR. FATİH SELİMEFENDİGİL
Manisa Celal Bayar Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Termodinamik Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Güneş enerjisi sistemleri = Solar energy systems ; Isı depolama = Heat storage ; Kollektörler = Collectors ; Kurutucular = Dryers ; Nanopartiküller = Nanoparticles ; Su arıtma = Water treatment

Özet:
Bu tez çalışmasında, nanopartikül katkılı gizli ısıl enerji depolama ünitesi kullanımın farklı güneş destekli ısıl sistemlerin performansına etkisi deneysel olarak araştırılmıştır. Çalışmada hava dolaşımlı hibrit fotovoltaik-termal (PVT) kollektörler, sera kurutucular ve güneş destekli su arıtma sistemleri incelenmiştir. Her bir sistemin, konvansiyonel, parafin bazlı ısıl enerji depolama üniteli ve bakır oksit (CuO) nanopartikül katkılı ısıl enerji depolama üniteli versiyonları imal edilmiş ve eş zamanlı olarak test edilmiştir. Ek olarak, güneş destekli su arıtma sistemine yutucu yüzey kaplama malzemesi olarak CuO nanopartikül katkılı mat siyah boya da uygulanmıştır. Bu bağlamda, nanopartiküllerin kombine kullanımının etkisi de araştırılmıştır. PVT kollektör deneyleri ve sera kurutucu deneyleri sırasıyla 0,007- 0,014 kg/s ve 0,009-0,014 kg/s aralığındaki kütlesel debilerde test edilmiştir. Deneysel sonuçlara göre, nanopartikül katkılı modifikasyon kullanılması, PVT kollektörün ısıl ve ekserji verimi değerlerini konvansiyonal sisteme oranla sırasıyla
%9,22-14,19 ve %13,61-19,01 oranında arttırmıştır. Ek olarak PVT kollektörlerin elektriksel verimleri %10,00-13,30 aralığında bulunmuştur. Sera kurutucu deneylerinde tarımsal ürün kurutma işlemi gerçekleştirilmiştir. Nanopartikül katkılı
modifikasyonun sera kurutucuda kullanılması ile kuruma süresi 120-140 dakika aralığında kısaltılmıştır. Ek olarak sera kurutucuda nanopartikül katkılı modifikasyon kullanımı özgül enerji tüketimi değerini %23,79 azaltmıştır. Sera kurutucuların özgül nem çekme oranı 0,67-1,29 kg/kWh aralığında hesaplanmıştır. Güneş destekli su arıtma sistemi deneylerinde toplamda dört farklı sistem incelenmiştir. Nanopartiküllerin hem ısıl enerji depolama ünitesine hem de yutucu yüzey kaplama malzemesine entegre edilmesi, konvansiyonel su arıtma sistemine oranla kümülatif üretkenlik değerlerini %26,77 oranında arttırmıştır. Ek olarak arıtıcıların ısıl ve ekserji verimi değerleri sırasıyla %15,96-19,30 ve %1,25-2,01 aralığında bulunmuştur. Bu tez çalışmasından elde edilen sonuçlar, nanopartikül katkılı ısıl enerji depolama ünitesi kullanımının farklı güneş destekli ısıl sistemlerin performansını önemli ölçüde arttırdığını göstermektedir.

Abstract:
In this thesis, the effect of utilizing nanoparticle-enhanced latent heat thermal energy storage unit on the performance of various solar-thermal systems has been analyzed experimentally. In the study, hybrid photovoltaic-thermal (PVT) air
collectors, greenhouse dryers and solar desalination systems have been investigated. Conventional, paraffin-based thermal energy storage unit modified and copper oxide (CuO) nanoparticle-enhanced paraffin-based thermal energy storage unit modified versions of each system have been manufactured and simultaneously tested. In addition, CuO nanoparticle-enhanced matt black paint has been applied to the solar still as absorber coating material. In this context, the effect of combined utilization of nanoparticles has been investigated. PVT collector and greenhouse dryer tests have been performed at between 0.007-0.014 kg/s and 0.009-0.014 kg/s mass flow rates, respectively. According to experimentally obtained results, utilizing nanoparticle-enhanced modification increased thermal and exergy efficiencies of PVT collector between 9.22-14.19% and 13.61-19.01%, respectively in comparison to the conventional system. Moreover, electrical efficiency values of PVT collectors were found between the range of 10.00-13.00%. Agricultural products have been dried in greenhouse dryer tests. Utilizing nanoparticle-enhanced modifications in greenhouse dryer reduced drying time between 120-140 minutes. In addition, employing nanoparticle-enhanced modification decreased specific energy consumption as 23.79%. Specific moisture extraction rate values of greenhouse dryers were calculated between the range of 0.67-1.29 kg/kWh. Four different systems in total have been analyzed in solar desalination system experiments. Integrating nanoparticles in both thermal energy storage unit and absorber surface coating material improved accumulated productivity value as 26.77%. Also, thermal and exergy efficiency values of solar stills were attained between the ranges of 15.96- 19.30% and 1.25-2.01%, respectively. The obtained findings of this study showed that using nanoparticle-enhanced thermal energy storage unit significantly improved the performances of various types of solar-thermal systems.