Energy and Exergy Analysis of Solar Collectors Having Different Tilt Angles: Case Study of Erzincan City

Abstract

Solar collectors are frequently used in domestic water heating applications. In the design stage, the positioning of solar collector with suitable title angle is important in order to utilize from sun energy efficiently. In this study, the effect of tilt angle of a solar collector located to Erzincan city on monthly/daily average radiation values, water outlet temperature, energy and exergy efficiencies are theoretically investigated. It is seen that the maximum and minimum values of optimum tilt angles are 63° ve 0° for December and June, respectively. Tilt angles which are suggested for Erzincan (27.14°) and calculated are compared for daily average hourly radiation values and it is seen that the maximum variation is 26% for January. In addition, energy and exergy efficiencies of solar collector are estimated and the maximum efficiencies are determined as 74.2% ve 9.7% for optimum tilt angles.

Keywords

• Solar collector
• Optimum tilt angle
• Energy analysis
• Exergy analysis

FARKLI EĞİM AÇILARINDA GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ: ERZİNCAN İLİ ÖRNEĞİ

Öz

Güneş kollektörleri kullanım suyu ısıtma uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Tasarım aşamasında güneş kollektörlerinin en uygun eğim açısında konumlandırılması güneş enerjisinden verimli faydalanılması için önemlidir. Bu çalışmada, Erzincan ilinde konumlandırılan bir güneş kollektörünün eğim açısının aylık/günlük ortalama ışınım değerlerine, su çıkış sıcaklığına, enerji ve ekserji verimlerine etkisi teorik olarak incelenmiştir. Optimum güneş kollektörü eğim açısının en yüksek ve en düşük değerlerinin Aralık ve Haziran aylarında sırasıyla 63° ve 0° olduğu görülmüştür. Erzincan için önerilen (27.14°) ve hesaplanan eğim açıları için günlük ortalama saatlik ışınım değerleri karşılaştırılmış olup en büyük değişimin Ocak ayında %26 olduğu görülmüştür. Buna ek olarak, güneş kollektörünün enerji ve ekserji verimleri hesaplanmış olup optimum eğim açıları için en yüksek verimleri sırasıyla %74.2 ve %9.7 olarak belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler

• Güneş kollektörü
• Optimum eğim açısı
• Enerji Analizi
• Ekserji Analizi

References

1. Caliskan, H., 2017, "Energy, exergy, environmental, enviroeconomic, exergoenvironmental (EXEN) and exergoenviroeconomic (EXENEC) analyses of solar collectors", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt 69, ss. 488-492.
2. Ceylan, T, 2010, İki Katlı Bir Binanın, Güneş Enerjisi Destekli Hava Kaynaklı Isı Pompasıyla Isıtılması ve Sıcak Su Eldesinin Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
3. Duffie, J. A., Beckman, W. A., Blair, N., 2020, Solar Engineering Of Thermal Processes, Photovoltaics and Wind. John Wiley & Sons, Inc., Hoboken, New Jersey, A.B.D.
4. Eren, C., 2019, Güneş Panellerinin Yerleştirilmesinde Optimum Eğim Açısı İçin Arayüz Tasarımı, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara.
5. Feliński, P., Sekret, R., 2017, "Effect of a low cost parabolic reflector on the charging efficiency of an evacuated tube collector/storage system with a PCM", Solar Energy, Cilt 144, ss. 758-766.
6. Ge, Z., Wang, H., Wang, H., Zhang, S., Guan, X., 2014, "Exergy analysis of flat plate solar collectors", Entropy, Cilt 16, Sayı 5, ss. 2549-2567.
7. Jafarkazemi, F., Ahmadifard, E., 2013, "Energetic and exergetic evaluation of flat plate solar collectors". Renewable Energy, Cilt 56, ss. 55-63.
8. Klein, S. A., 1977, "Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces", Solar Energy, Cilt 19, Sayı 4, ss. 325-329.

9. Kouhikamali, R., Hassani, M., 2014, "The Possibility of using Flat Plate Solar Collector Based on the Best Calculated Tilt Angle in the City of Rasht as a Case Study", International Journal of Engineering (IJE) Transactions B: Applications, Cilt 27, Sayı 8, ss. 1297-1306.
10. Kumar, A., Kim, M. H. 2017, "Solar air-heating system with packed-bed energy-storage systems", Renewable and Sustainable Energy Reviews, Cilt 72, ss. 215-227.
11. Kumar, A., Kim, M. H., 2016, "Heat transfer and fluid flow characteristics in air duct with various V-pattern rib roughness on the heated plate: A comparative study", Energy, Cilt 103, ss. 75-85.
12. Kumar, R., Aggarwal, R. K., Sharma, J. D., Pathania, S. 2012, "Predicting energy requirement for cooling the building using artificial neural network", Journal of Technology Innovations in Renewable Energy, Cilt . 1, Sayı 2, ss. 113-121.
13. Lakhdar, B., Salaheddine, A., Brahim, M., Mohamed, D., 2019, "Exergetic analysis and optimization of a flat plate solar collector". Journal of Biodiversity and Environmental Sciences, Cilt 14, Sayı 5, ss. 1-12.
14. Moosavian, S. F., Borzuei, D., Ahmadi, A., 2021, "Energy, exergy, environmental and economic analysis of the parabolic solar collector with life cycle assessment for different climate conditions", Renewable Energy, Cilt 165, ss. 301-320.
15. Sokhansefat, T., Kasaeian, A., Rahmani, K., Heidari, A. H., Aghakhani, F., Mahian, O., 2018, "Thermoeconomic and environmental analysis of solar flat plate and evacuated tube collectors in cold climatic conditions", Renewable Energy, Cilt 115, ss. 501-508.
16. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Kurulu Güç, https://enerji.gov.tr/eigm-yenilenebilir-enerji-kaynaklar-gunes, ziyaret tarihi: 31 Mart 2022.
17. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı, Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası, https://enerji.gov.tr/bilgi-merkezi-enerji-gunes, ziyaret tarihi: 31 Mart 2022.
18. T.C. Tarım ve Orman Bakanlığı Meteoroloji Genel Müdürlüğü, Erzincan Meteoroloji İstasyonu, İstasyon No:17094.