Güneşi takip eden parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinin matematiksel modellenmesi tasarımı ve teknik optimizasyonu

Güneş ışıma enerjisi dünyanın ekolojik dengesinin sürekliliğini sağlayan güneşsel ısı, fotosentez, hidrolik, rüzgar, dalga, biyokütle vb. yenilenebilen tüm temiz enerji türlerini oluşturur. Güneş ışıma enerjisi gece gündüz nedeniyle kesikli, ışın açısal ve atmosferik koşullar nedeniyle de çok düşük ekserjilidir. Bu nedenle güneş enerjisi doğal biçimiyle, fosil yakıtlar esas alınarak geliştirilen günümüz enerji dönüşüm teknolojilerinde, sınırlı düz kollektör uygulamaları dışında yaygın olarak kullanılamamaktadır. Güneş ışıma enerjisinin ekonomik sektörlerde yaygın biçimde kullanılabilir hale getirilebilmesi için, yüksek sıcaklıklarda iş akışkanı üretebilen yoğunlaştırıcı tür güneş kollektörlerine gereksinim vardır. Orta ve yüksek sıcaklık uygulamalarında (100- 300 C) çizgisel odaklamalı güneşi doğu-batı yönünde tek eksende takip eden ışın yoğunlaştırıcı sistemler, noktasal odaklamak sistemlere kıyasla daha ekonomik olmaktadır. Bu nedenle ticari yönden pazarlanabilir ve sürekli kullanılabilir, yüksek verimli, düşük yatırım maliyetli ve hafif yoğunlaştırıcı güneş kollektörlerinin geliştirilmesi gerekmektedir. Sistem geliştirme işleminin deneme yanılmaya dayanan uzun erimli, zahmetli ve pahalı deneysel incelemelerle yapılması, pratik ve ekonomik olmamaktadır. Bu nedenle, sistem geliştirilmesinde daha etkin ve ucuz bir yaklaşım olan, sistemin matematiksel modelinin türetilmesi ve bilgisayar simülasyonlarıyla elde edilen veriler yardımıyla en uygun tasarım verilerinin belirlenmesi metodu, öne çıkmaktadır. Bu çalışmada güneş ışınlarının geçmişşsel, çevresel özellikleri ve ışıma davranışları dikkate alınarak yüksek sıcaklık uygulamalarında, parabolik kollektörlerde ışın yoğunlaştırma ile odak çizgisine yerleştirilen seçici yüzeyli emici boruda ışın-ısı transfer ve dönüşüm mekanizmalarının analiz ve simülasyonuna yönelik matematiksel modeller türetilmiştir. Sistem davranışını tanımlayan matematiksel modelin bilgisayar simülasyon sonuçları, literatürde verilen ölçüm sonuçlan ile karşılaştırılarak, ölçüm ve hesap sonuçlarındaki sapmaların kesişim faktörü 0,95 için ortalama % 3,06 2, kesişim faktörü 0,97 için ortalama % 0,77 2 dolayında olduğu görülmüştür. Böylelikle geliştirilen matematiksel modelin, sistem tasarımı ve geliştirilmesinde teknik optimizasyon amacıyla kullanılabilir olduğu kanıtlanmıştır. Geliştirilen matematiksel model ve simülasyon uygulamaları yardımıyla; ışın yoğunlaştırma, güneşsel ısı dönüşüm ve güneşsel ısıl kayıp davranışları analiz edilmiş, duyarlılık analizleri ile bu mekanizmaları etkileyen sistem parametreleri ve bunların etkinlik oranlan belirlenmiştir. Simülasyon sonuçlan kullanılarak, prototip güneş kollektör sisteminin tasarımı ve imalatı tamamlanmış, sistemin ısıl performansının deneysel belirlenmesi aşamasına gelinmiştir. Geliştirilen güneş kollektörünün prototip imalatında lazer ışın test cihazı ile yapılan optik ölçümlerde, çizgisel odaklama verimi 95 % olarak belirlenmiştir. Simülasyon sonuçlarında, tasarımı yapılan güneş kollektörünün ortalama 18 güneş geliş açısı için, toplam optik verimi 70,1 %'dir. Kollektörün güneşsel ısıl verimi ise, Akdeniz iklim koşullarındaki 1000 W/m2 yerel direkt ışınım, 30 C çevre sıcaklığı, 5 m/s rüzgar hızı, 155/ 180 C iş akışkanı giriş-çıkış sıcaklıktan şartlarında 59,67 % olarak bulunmuştur.