Kuvars tüplü katı parçacıklı güneş alıcısı için hesaplamalı akış dinamiği analizi
Computational fluid dynamics analysis for a quartz tube solid particle solar receiver
Yazar: MEHMET BÖLÜK
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ SENEM ŞENTÜRK LÜLE
İstanbul Teknik Üniversitesi / Enerji Enstitüsü / Enerji Bilim ve Teknoloji Ana Bilim Dalı / Enerji Bilim ve Teknoloji Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2021
Konu: Enerji = Energy

Özet:
İklim değişikliği tehdidi nedeniyle karbon nötr enerji çözümleri elektrik üretiminin giderek daha kritik bir aracı haline gelmiştir. Nükleer enerji ile birlikte güneş ve rüzgâr enerjileri böylesi önemli bir konuda iyi seçenekler arasındır. Güneş'ten gelen ışınlar ile elektrik üretmek iki ana kategoriye ayrılabilir: fotovoltaik ve yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemleri. Fotovoltaik sistemlerde güneş enerjisi güneş panelleri yardımıyla soğrulur ve elektrik üretimi gerçekleştirilir. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemlerinde ise güneş ışınları ile güneş enerjisi ısı taşıyıcı bir ortamda soğrulur ve daha sonra bu ısıdan elektrik üretilir. Son birkaç yılda, panel üretim maliyetlerinin hızla düşmesi ve panel verimliliğindeki artış nedeniyle fotovoltaik sistemlerin sayısında ciddi artış meydana gelmiştir. Ancak, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemlerine termal enerji depolamanın entegre edilebilmesi ve dolayısıyla güneş battıktan sonra bile elektrik üretimine devam edilmesi gibi bir avantajı vardır. Buna karşılık fotovoltaik sistemler de elektrokimyasal bataryalar kullanarak depolamayı içerebilir, ancak bu batarya teknolojisi henüz istenildiği kadar ucuz değildir. 
Alıcı, yoğunlaştırılmış güneş enerjisi üretim sisteminin önemli bir bileşenidir. Katı parçacık hava alıcısı, havayla akışkanlaştırılmış katı parçacıklar sayesinde güneş enerjisinin sistemde soğrulmasını dolayısıyla sistem verimini arttırmaktadır. Katı parçacıklar alıcıda yalnızca ısı transferini artıran ortam olarak kalır.  Hava ise bir sonraki ısı transfer sistemine gitmek için alıcıyı terk eder. Bu tip ısı alıcısı ayrıca bir kuvars cam tüp katı parçacıklı hava alıcısı ve ikincil bir yoğunlaştırma sistemine sahip akışkan yataklı parçacıklı bir hava alıcısı olarak ayrılabilir. Kuvars tüplü katı parçacık-hava alıcıları güneş alıcılarının yeni tipi olarak bilinmektedir. Sistemde katı parçacık kullanılarak yüksek verimlilik ve düşük maliyette daha fazla katı ve hava radyasyonu emilimi yapılır. 
Tez çalışmasında literatür taraması sonucu belirlenen bir kuvars tüplü katı parçacık ilaveli bir alıcı geometrisi için ANSYS Fluent programında sistem verimliliğini arttırmak ve tüp içerisindeki akış hidrodinamiğini analiz etmek üzere bir dizi hesaplamalı akış dinamiği benzeşimi yapılmıştır.
İlk olarak, sisteme katı parçacık ilave edilmeden, tek fazda bir analiz gerçekleştirilerek referans çıkış sıcaklığı elde edilmiştir. Bunun için kuvars tüpün hava girişinin 0,1 m üzerindeki 0,1 m yüksekliğindeki bir aralıktan 450 kW/m2 güneş ışıması geldiği varsayılarak hesaplamalı akış dinamiği benzeşimi yapılmış ve sistem denge çıkış sıcaklığı 421 K olarak hesaplanmıştır. Tezdeki hedef bu referans çıkış sıcaklığını arttırmak için katı parçacık ilavesi ile ilgili çeşitli yöntemler önermektir. 
Daha sonrasında sistemin çıkış hava sıcaklığını artırmak adına sisteme katı parçacık ilave edilerek iki fazlı analizler yapılmıştır. Sisteme eklenmesi için seçilen katı parçacıklar silisyum karbür (SiC)'dür. Sisteme eklenecek SiC miktarı (Bu çalışmada yatak yüksekliği olarak ifade edilmiştir.), SiC parçacık boyutu (Bu çalışmada parçacıklar düzgün küre olarak kabul edildiğinden parçacık çapı olarak ifade edilmiştir.) ve havanın sisteme giriş hızı değişken parametreler olarak kabul edilmiş ve sistem verimi üzerindeki etkileri irdelenmiştir.
İki fazlı analizlerde ilk olarak sisteme 400 µm çapında parçacıklar 0,3 metre yatak yüksekliği oluşturacak şekilde sisteme yüklenmiştir. Hava giriş hızları 0,25, 0,3 ve 0,35 m/s olmak üzere üç farklı hız değerinde analizler çözdürülüp sırasıyla 913 K, 895 K ve 881 K çıkış sıcaklıkları elde edilmiştir. Sisteme giren havanın hızı artırıldıkça hava çıkış sıcaklığının düştüğü görülmüştür. Sistemdeki giriş hava hızı artırılınca hem havanın sistem içinde kalma süresi dolayısıyla güneş ışınını soğurma miktarı hem de katı parçacıkların hava ile olan ısı transferi süresi dolayısıyla miktarı azalmaktadır. Giriş hızının çok düşürülmesinin de sistem verimliliğini olumuz yönde etkilediği yapılan sabit yatak analizi ile gösterilmiştir. Çünkü düşük hızlarda akışkanlaşma yeterince sağlanamamakta ve güneş ışınına yakın bölgedeki katı parçacıklar gelen güneş ışınını bloke etmekte ve ışının homojen bir şekilde katı parçacıklar ile buluşması engellenmektedir.
İkinci olarak, aynı büyüklükteki parçacıklar (400 µm çap) ile yatak yüksekliği değiştirilerek hava çıkış sıcaklıkları hesaplanmıştır. Bunun için 0,2 metre yatak yüksekliğinde yine 0,25, 0,3 ve 0,35 m/s hava giriş hızı ile analizler yapılmıştır. Hava çıkış sıcaklıkları sırasıyla 994 K, 974 K ve 955 K olarak bulunmuştur. Yatak yüksekliğinin azalmasıyla hava çıkış sıcaklığı artmıştır. Buradaki etki yatak yüksekliğinin 0,3 m olduğu durumda yatağın üstten 0,1 m'lik kısmına direkt güneş ışığının gelmemesidir. Her iki sisteme de gelen ışıma miktarının eşit olmasına rağmen yatak yüksekliği 0,3 metre olan sistemde hava radyasyon bölgesinden sistem çıkışına gidene kadar 27 K ve 0,2 m olan sistemde ise 22 K'lik bir sıcaklık kaybına uğramıştır. 
Son olarak parçacık boyutunun etkisinin görülmesi amacıyla sisteme değişik boyutlarda parçacıklar yüklenerek analizler yapılmıştır. Parçacık çapları 300 µm, 400 µm ve 500 µm olarak belirlenip hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile hava çıkış sıcaklıkları hesaplanmıştır. Her bir durum için minimum akışkanlaşma hızı hesaplanarak hava giriş hızı bu hızın değerine göre ayarlanmıştır. Yatak yüksekliğinin 0,3 metre olduğu durum için 300 µm, 400 µm ve 500 µm parçacık çaplarında hava çıkış sıcaklıklarının sırasıyla 980 K, 895 K ve 878 K olduğu görülmüştür. Çıkış sıcaklığının parçacık çapının azalmasıyla arttığı anlaşılmıştır. Parçacık çapının sabit yatak yüksekliğinde ve sabit boşluk oranında azaltılmasıyla daha fazla parçacık sisteme yüklenmektedir. Parçacık sayısındaki artış hem güneş radyasyonunun daha fazla emilmesini sağladığı hem de ısı transfer yüzeyini artırdığı için hava çıkış sıcaklığında artış meydana getirmektedir.
Tez çalışmasının devamında farklı parçacık, akışkan ve tüp malzemeleri birbirleri ile karşılaştırılabilir. Ayrıca, sabit ışıma yerine gerçeği daha çok yansıtan zamana bağlı değişen ışıma ile analizler yapılabilir. Sistem verimini arttırmak için güneş ışığının geldiği yönün karşı tarafındaki boru yüzeyinden ısı kayıplarını önlemek için yalıtım önerileri incelenebilir.

Abstract:
Due to the threat of climate change, carbon neutral energy solutions have become an increasingly critical means of electricity generation. In addition to nuclear energy, solar and wind energies are amongst the good alternatives for such an important issue. Generating electricity with the sun light can be divided into two main categories: photovoltaic and concentrated solar power systems. In photovoltaic systems, solar energy is absorbed with the help of solar panels to produce electricity. In concentrated solar energy systems, on the other hand, solar energy is absorbed in a heat carrier environment and then electricity is produced from utilizing this heat. In the last few years, there has been a significant increase in the number of photovoltaic systems due to the rapid decrease in panel production costs and the increase in panel efficiency. On the other hand, concentrated solar energy systems have the advantage of integrating thermal energy storage to continue to produce electricity even after the sundown. In contrast, photovoltaic systems may also include storage using electrochemical batteries, but this battery technology is not yet as cheap as one would like.
The receiver is an important component of the concentrated solar power generation system. The solid particle air receiver increases the absorption of solar energy in the system, thus increases the efficiency of the system, thanks to the solid particles that are fluidized with the air. Solid particles remain in the receiver only as the medium that increases the heat transfer. The air leaves the receiver to go to the next heat transfer system. The residence time of the solid particles in the system and their thermal properties are the parameters that directly affect the exit temperatures in the solar receiver systems with solid particles. The flow direction of the heat transfer fluid in the receiver has a great influence on the residence time of the fluid as a result on the heat transfer coefficient. Therefore, these parameters significantly affect the structural design, operation and method of the system. Depending on the direction of the heat transfer fluid in the system, solid particle receiver systems can be divided into three categories. These are the downstream receiver, the upstream receiver, and the horizontal receiver. The particles of the downstream receiver work under the influence of gravity therefore power consumption is low, and the process is relatively stable and reliable compared to other types of receivers. The advantages of the upstream receivers are that the particles stay in the receiver for a significant amount of time and the heat transfer coefficient is larger than other receivers. The horizontal receiver is placed on the ground and does not need a tall solar tower, which will effectively reduce the investment cost of the system. In addition, the power required to transport the particles and the energy losses caused by the transport are reduced during operation. 
In the thesis study, a series of computational fluid dynamics simulations with ANSYS Fluent computational fluid dynamics software were performed to analyse the methods to increase the system efficiency and to analyse the flow hydrodynamics of a quartz solid particle receiver tube whose geometry was defined after the literature search.
First, the reference outlet temperature was obtained by performing a single-phase analysis without adding solid particles into the system. For this purpose, computational fluid dynamics simulation has been made by assuming 450 kW/m2 constant solar radiation coming from a 0.1 m high gap above the 0.1 m of the air inlet of the quartz tube and the system equilibrium outlet temperature was calculated as 421 K. The aim of the thesis is to propose various methods of solid particle addition to increase this reference exit temperature.
Then, two-phase flow analyses were made by adding solid particles into the system in order to increase the outlet air temperature of the system. The solid particles chosen for inclusion in the system are silicon carbide (SiC). The amount of SiC to be added to the system (expressed as bed height in this study), SiC particle size (expressed as particle diameter since the particles are considered as smooth spheres in this study) and the air inlet velocity into the system were considered as variable parameters and their effects on the system efficiency were examined.
In the two-phase analysis, particles with a diameter of 400 µm were first loaded into the system to form a bed height of 0.3 meters. Three different velocities, 0.25, 0.3 and 0.35 m/s, were considered and exit temperatures of 913 K, 895 K and 881 K were obtained, respectively. It has been observed that the air outlet temperature decreases as the inlet velocity of air entering the system is increased. When the air inlet velocity in the system is increased, both the amount of time the air stays in the system, thus the amount of solar radiation absorption, and the amount of heat transfer time from the solid particles to air decrease. It has been shown by the fixed bed analysis that too much (below the minimum fluidization velocity) reduction of the inlet velocity affects the system efficiency negatively as well. Because at low speeds, the fluidization cannot be achieved adequately and solid particles in the area close to the sun's ray block the incoming sun ray and it is prevented from meeting with solid particles in a homogeneous manner.
Secondly, the air outlet temperatures were calculated by varying the bed height with particles of the same size (400 µm diameter). For this purpose, analyses were made with 0.25, 0.3 and 0.35 m/s air inlet velocity at 0.2 m bed height. The air outlet temperatures were found as 994 K, 974 K and 955 K, respectively. As the bed height decreased, the air outlet temperature increased. The effect here is that when the bed height is 0.3 m, direct sunlight does not reach the top 0.1 m of the bed. Although the amount of radiation coming into both systems is equal, in the system with a bed height of 0.3 meters, the air suffered a temperature loss of 27 K until it reaches the system exit from the radiation zone, and 22 K in the system with 0.2 m bed height.
Finally, in order to see the effect of particle size, different sized particles were loaded into the system and analyses were made. Particle diameters were determined as 300 µm, 400 µm and 500 µm and air outlet temperatures were calculated by computational flow dynamics simulations. The minimum fluidization velocity was calculated for each case individually and air inlet velocities were adjusted according to the value of these velocities. For the bed height of 0.3 meters, the air outlet temperatures for 300 µm, 400 µm and 500 µm diameter particles were found to be 980 K, 895 K and 878 K, respectively. It was found that the exit temperature increased with decreasing particle diameter. By reducing the particle diameter at constant bed height and constant void fraction, more particles are loaded into the system. The increase in the number of particles causes an increase in the air outlet temperature, as it provides both more absorption of solar radiation and more heat transfer surface.
In the continuation of the thesis, different particle, fluid and tube materials can be compared with each other. In addition, analysis can be made with time-varying radiation instead of constant radiation to be more realistic. In order to increase the system efficiency, insulation recommendations can be examined to prevent heat losses from the pipe surface on the opposite side of the direction of the sunlight.