Fresnel tipi bir güneş kollektörünün termal modellemesi
Thermal modelling of a fresnel-type solar collector
Yazar: MUHAMMED ŞAFAK
Danışman: PROF. DR. MEHMET AZMİ AKTACİR
Harran Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Enerji üretim alanındaki en önemli rekabet unsuru maliyetlerin düşürülmesidir. Endüstride ısıl enerji giderlerinin yenilenebilir enerji kanakları kullanılarak yapılması rekabet gücünü artıran bir yaklaşımdır. Bu tez çalışmasında ısıl güneş enerji teknolojileri arasında özel ve pahalı üretim teknoloji gerektirmeyen ve kolay yapısı nedeniyle güneş yoğunlaştırıcı sistemleri arasında maliyeti en düşük sistem olan lineer fresnel güneş kollektörü tasarım ve prototip üretimi gerçekleştirilmiştir. Yansıtıcı yüzeyler (ayna), yutucu yüzey (absorber) ve içinden geçen ısı transfer akışkanından oluşan Fresnel kollektörler, çizgisel odaklı yoğunlaştırmalı güneş enerjisi teknolojisidir. Fresnel kollektörler, güneş ışınlarını yansıtıcı yüzey olarak isimlendirilen çok sayıda düz aynada, odak eksenindeki yutucu yüzeye yansıtır ve geçen akışkanın sıcaklığını artırır. Fresnel kollektöründen elde edilen sıcak akışkan, elektrik üretimi veya proses ısısı için kullanılabilir. Bu tip kolektörlerin en büyük avantajlarından biri; tek eksende güneş takibi yapılırken aynaların güneşin hareketine göre eksenleri doğrultusunda hafif dönme hareketi yaparak odak eksenindeki sabit olan absorber borusuna yansıtma yapmasıdır. Üretiminin nispeten basit olması, yatırım maliyetinin düşük olması ve işletimindeki kolaylığa karşın Türkiye'de Fresnel kollektörü üretimi yapan endüstriyel bir firma bulunmamaktadır. Bu tez çalışmasında geliştirilen yenilikçi ve yerli fresnel tipi güneş kollektör sisteminin, kolayca kullanımın sağlanması için tasarım kriterleri ve parametreleri belirlenmesi hedeflenmiştir. Tübitak 1003 öncelikli alanlarda 118M43 no'lu proje kapsamında desteklenenen tez çalışmasında, endüstriyel ölçekte doğrusal fresnel tipi yoğunlaştırılmış güneş kolektörünün prototip üretimi Harran Ünivsersitesinde GAPYENEV merkezinde gerçekleştirilmiştir. 20 kW kapasiteye sahip olan doğrusal fresnel kollektörün Şanlıurfa meteorolojik koşulları için sisteminin boyutlandırılması yapılmıştır.  Bu çalışmada optik tasarım için açık kaynaklı bir program olan Tonatiuh kullanılmıştır. Bu program ile incelenecek sistemin ayna yüzeyine gelen ve absorber yüzeyine gönderilen ışıma hesaplanmaktadır. Bu programdan elde edilen absorber yüzeyine gelen her bölgenin ışıma miktarını veren sonuç dosyası, Ansys Fluent programında kullanılarak sistemin ısıl analiz gerçekleştirilmiştir. Şanlıurfa meteorolojik koşulları dikkate alınarak gerçekleştirilen tasarım çalışmasında, 20 kW ısıl kapasite için ayna genişliği 20cm, aynalar arası mesafeler 10 cm, ayna sıra sayısı 20, ayna uzunluğu 13m ve absorber yüksekliği 3 m olarak bulunmuştur.

Abstract:
The most important competitive element in the field of energy production is the reduction of costs. Making the thermal energy expenses in the industry by using renewable energy sources is an approach that increases the competitiveness. In this thesis, linear fresnel solar collector design and prototype production was carried out, which does not require special and expensive production technology among thermal solar energy technologies and is the lowest cost system among solar concentrator systems due to its easy structure. Fresnel collectors, which consist of reflective surfaces (mirror), absorber surface (absorber tube) and heat transfer fluid passing through, are linear focused condensation solar energy technology. Fresnel collectors reflect the sun's rays to the absorber surface on the focal axis in a large number of flat mirrors called reflective surfaces and increase the temperature of the passing fluid. The hot fluid obtained from the Fresnel collector can be used for electricity generation or process heat. One of the biggest advantages of this type of collectors is; while the sun is tracked on a single axis, the mirrors make a slight rotational movement in their axis according to the movement of the sun and reflect on the absorber tube, which is fixed on the focal axis. Despite its relatively simple production, low investment cost and ease of operation, there is no industrial company in Turkey that manufactures Fresnel collectors. In this thesis, it is aimed to determine the design criteria and parameters of the innovative and domestic fresnel type solar collector system to ensure easy use. Prototype production of linear fresnel type condensed solar collector at industrial scale was carried out at GAPYENEV center in Harran University, in the thesis study supported within the scope of project 118M43 in Tübitak 1003 priority areas. The system of the linear fresnel collector with a capacity of 20 kW has been dimensioned for the meteorological conditions of Şanlıurfa. In this study, Tonatiuh, an open source program, was used for optical design. With this program, the radiation incident to the mirror surface of the system to be examined and sent to the absorber surface is calculated. The thermal analysis of the system was carried out by using the result file, which gives the radiation amount of each region coming to the absorber surface obtained from this program, in the Ansys Fluent program. In the design study carried out considering the meteorological conditions of Şanlıurfa, the width of the mirror is 20 cm, the distance between the mirrors is 10 cm, the number of mirror rows is 20, the mirror length is 13 m and the absorber height is 3 m for 20 kW thermal capacity.