EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THERMAL EFFICIENCY AND PRESSURE DROP OF A SERIAL CONNECTED U-PIPE EVACUATED TUBE SOLAR COLLECTOR

Abstract

Global warming is at the forefront of today's environmental problems. It is a general belief that the solution to this problem is through clean energy sources. Solar energy is one of these clean energy sources, and it is used in electrical energy production, hot water preparation, drying and many industrial applications today. However, the efficiency of photovoltaic systems commonly used in electricity generation are relatively low. Also, there is a limit in the fluid temperature to be obtained with flat plate collectors. Drying applications with planar collectors also increase the required collector area. Therefore, research and development studies are ongoing in which solar energy can be evaluated with higher efficiency. In this study, a solar collector with evacuated tube and series connected U-pipe was tested indoors and efficiency curves were formed. In the study, 10 vacuum tubes with an outer diameter of 70 mm and series connected steel tubes with a diameter of 8 mm placed inside them were used. A closed cycle was created with circulation pumps and a plate heat exchanger integrated into the system, and measurements were performed under indoor conditions using a solar simulator. An average of 902 W/m2 radiation intensity from the simulator to the solar collector is provided by halogen lamps. The experiments were carried out at 3 different values for the fluid flow rate in the U-pipes and with 4 different inlet temperatures. In the experimental study, it was observed that the collector efficiency ranged between 60% and 78%. The pressure drop between the inlet and outlet of the U-tube solar collector varies between 59-65 kPa. Looking at the analysis results, the use of a series-connected steel tube collector with a large diameter evacuated tube provides an increase in the collector outlet temperature, but since the pressure drop is high, the pumping power should also be taken into account in the system selection.

Keywords

• Solar Energy
• Evacuated Tube
• Collector Efficiency
• Pressure Drop

SERİ BAĞLI U-BORULU VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLEKTÖRÜNÜN ISIL VERİMİ VE BASINÇ DÜŞÜMÜNÜN DENEYSEL İNCELENMESİ

Abstract

Günümüzdeki çevresel sorunların en başında küresel ısınma gelmektedir. Bu sorunun çözümünün temiz enerji kaynaklarından geçtiği genel bir kanıdır. Güneş enerjisi de bu temiz enerji kaynaklarından olup, günümüzde elektrik enerjisi üretimi, sıcak su hazırlama, kurutma ve birçok endüstriyel uygulamada kullanılmaktadır. Bununla birlikte, elektrik üretiminde yaygın olarak kullanılan fotovoltaik sistemlerin verimleri nispeten düşüktür. Düzlemsel toplayıcılar ile elde edilecek akışkan sıcaklığında ise bir sınır vardır. Kurutma uygulamalarının da havalı düzlemsel toplayıcılar ile yapılması, birim kuru ürün için gerekli toplayıcı alanını arttırmaktadır. Dolayısıyla, güneş enerjisinin bu üç ana alanda, daha yüksek verim ile değerlendirilebileceği araştırma geliştirme çalışmaları sürmektedir. Bu çalışmada vakum tüplü, seri bağlı U-borulu bir güneş kolektörü iç ortamda test edilerek verim eğrileri oluşturulmuştur. Çalışmada literatürdeki çoğu çalışmada kullanılan vakum tüplerden farklı olarak dış çapı 70 mm olan 10 adet vakum tüp ve bunların içine yerleştirilen 8 mm dış çaplı, U forma getirilmiş, seri bağlı çelik borular kullanılmıştır. Sirkülasyon pompası ve sisteme entegre edilmiş bir plakalı ısı değiştirici ile kapalı bir çevrim oluşturularak, güneş simülatörü ile iç ortam şartlarında ölçümler gerçekleştirilmiştir. Simülatörden güneş kolektörü üzerine ortalama 902 W/m2 ışınım şiddeti halojen lambalarla sağlanmıştır. Deneyler, U-borular içindeki akışkan debisi için 3 farklı değerde ve 4 farklı giriş sıcaklığı ile gerçekleştirilmiştir. Yapılan deneysel çalışmada kolektör veriminin %60 ile %78 arasında değiştiği görülmüştür. U-borulu güneş kolektörünün giriş-çıkış arası basınç düşümü 59-65 kPa arasında değişmektedir. Elde edilen analiz sonuçlarına bakıldığında, büyük çaplı vakum tüpe sahip ve seri bağlanmış çelik borulu toplayıcı kullanımının, kolektör çıkış sıcaklığında artış sağlamakla birlikte basınç düşümü de yüksek olduğundan, sistem seçiminde pompalama gücünün de dikkate alınması gerekmektedir.

Keywords

• Güneş Enerjisi
• Vakum Tüp
• Kolektör Verimi
• Basınç Düşümü

References

1. Akdağ, O., Yeroğlu, C., (2019). Malatya yöresi için örnek bir güneş santrali modelinin benzetimi ve şebekeye etkilerinin incelenmesi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 7(3), 552-560.
2. Bahrami M.A., Bahrami M., 2021. Modeling and thermal parametric analysis of U-pipe evacuated tube solar collector for four different climates in Iran. Journal of Energy Engineering and Management Science and Technology, 11 (1), 88-101.
3. Bava, F., Furbo, S., 2016. A numerical model for pressure drop and flow distribution in a solar collector with U-connected absorber pipes. Solar Energy, 134, 264-272.
4. Çengel, Y.A., Boles M.A., 2015. Thermodynamics: an engineering approach. 8th ed. Mc. New York: McGraw-Hill.
5. Dincer I, Rosen M., 2013. Exergy: Energy, environment and sustainable development. 2nd Ed. Oxford, UK: Elsevier Science.
6. Dündar, R., 2007. Standart düz kolektörlü güneşli su ısıtma sistemleri ile vakum tüplü güneşli su ısıtma sisteminin verim ve performanslarının Karabük ili şartlarında deneysel olarak karşılaştırılarak incelenmesi, Yüksek lisans tezi, Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü.
7. Mehmood, A., Waqas, A., Said, Z., Rahman, S.M.A., Akram, M., 2019. Performance evaluation of solar water heating system with heat pipe evacuated tubes provided with natural gas backup. Energy Rep. 5:1432–4.
8. Nie, X., Zhao, L., Deng, S. and Lin, X., 2017. Experimental study on thermal performance of U-type evacuated glass tubular solar collector with low inlet temperature, Solar Energy, 150, 192–201.

9. Ong, K.S., Tong, W.L. and Choong, J.K., 2013. Performance of U-tube solar water heater with vertical and inclined panels. International Journal of Low-Carbon Technologies, 0, 1–6.
10. Özdemir, M.B., Yatarkalkmaz, M.M., 2015. Farklı tipteki kolektörlerin enerji, ekserji ve ekonomik analizi. Gazi Mühendislik Bilimleri Dergisi, 1/2, 235-252.
11. Özsoy A., Galip M., 2018a. Vakum tüplü U-borulu güneş kollektörünün güneş simülatöründeki test sonuçlarının analizi. Politeknik Dergisi, 21(1): 229-236.
12. Özsoy A., Galip M., 2018b. Güneş kolektörü testi için güneş simülatör tasarımı ve imalatı. Academic Platform Journal of Engineering and Science, 6(2), 55-62.
13. Popsueva, V., Lopez, A.F.O., Kosinska, A., Nikolaev, O., Balakin, B.V., 2021. Field study on the thermal performance of vacuum tube solar collectors in the climate conditions of Western Norway, Energies, 14, 2745.
14. Sabiha, M. A., Saidur, R., Mekhilef S., Mahian O., 2015. Progress and latest developments of evacuated tube solar collectors. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 51, 1038–1054.
15. Saydam, D.B., Çeçi, K.N., ve Hürdoğan, E., (2021). V tipi havalı bir güneş kolektörünün ısıl performansının deneysel olarak incelenmesi ve yapay sinir ağları ile modellenmesi, Mühendislik Bilimleri ve Tasarım Dergisi, 9(4), 1212- 1223.
16. Siuta-Olcha, A., Cholewa, T. and Dopieralska-Howoruszko, K., 2021. Experimental studies of thermal performance of an evacuated tube heat pipe solar collector in Polish climatic conditions. Environmental Science and Pollution Research, 28:14319–14328.
17. Sunmax, http://www.sunmax.com.tr/index.php?t=urd&u=1&uk=9&i=11 (Erişim tarihi: 8.11.2021)
18. TS EN ISO 9806, 2014. Güneş enerjisi- Güneş kolektörleri- Deney metotlar.
19. TS EN 12975-2, 2008. Isıl güneş enerji sistemleri ve bileşenleri-Güneş enerjisi kolektörleri-Bölüm 2: Deney metotları.
20. Zambolin, E. and Col, D. D., 2010. Experimental analysis of thermal performance of flat plate and evacuated tube solar collectors in stationary standard and daily conditions. Solar Energy, 84, 1382–1396.