Simulation of Parabolic Trough Solar Collectors and Investigation of Instant Thermal Performance

Yıl 2022, Cilt: 63 Sayı: 709, 709 - 725, 30.12.2022

Abdulvahap Yiğit , Nurullah Arslanoğlu

https://doi.org/10.46399/muhendismakina.1121249

Öz

Due to global warming in the world, energy production systems connected to fossil energy sources are gradually decreasing. Due to this, the use of renewable energy sources is increasing. Solar energy is one of the most important renewable energy sources. In order to meet the increasing energy needs, the use of solar energy in photovoltaic systems is increasing rapidly. Studies for the use of solar energy in thermal systems are also continuing to increase. The parabolic solar collector stands out among the thermal energy applications. With these collectors, it is possible to produce heat energy up to 300 oC temperatures. At this temperature, electricity can be generated by heat energy. On the other hand, in summer, when cooling energy is very much needed, cooling can also be done with absorption cooling systems using abundant solar energy.. High coefficient of performance(COP) can be obtained in double-stage absorption cooling systems with high temperature heat energy.
In this study, the instantaneous thermal performance of parabolic trough type solar collectors was investigated by modeling. For this, a simulation program has been written in the MATLAB programming language. In this program, the DPP model was used to calculate the instantaneous direct solar radiation value(DNI). With the calculations made using this model, it has been shown that it would be appropriate to place such collectors, which follow the sun in one dimension, in a North-South direction so that they can produce more energy.Using the characteristics and dimensions of a sample collector, instantaneous efficiency and useful heat calculations were performed. Daily, monthly and annual thermal power values and efficiency calculations were made with the sum of these instantaneous values. For the regions selected as an example, comparisons were made by finding annual thermal power values depending on environmental parameters. The ideal environmental parameters for the installation of such systems have been determined and discussed.

Anahtar Kelimeler

Solar energy, parabolic trough collector, simulation, instant thermal analysis

Parabolik Oluk Güneş Toplayıcılarının Simülasyonu ve Anlık Isıl Performanslarının İncelenmesi

Öz

Dünyada küresel ısınma nedeniyle fosil enerji kaynaklarına bağlı enerji üretim sistemleri gittikçe azalmaktadır. Buna bağlı olarak da yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artmaktadır. Güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içinde en önemlilerden birisidir. Artan enerji ihtiyacını karşılamak üzere güneş enerjisinin fotovoltaik sistemlerde kullanımı hızla artmaktadır. Güneş enerjisinin ısıl sistemlerde kullanımı için çalışmalar da artarak devam etmektedir. Isıl enerji uygulamaları içinde parabolik güneş toplayıcısı öne çıkmaktadır. Bu toplayıcılarla 300 oC sıcaklıklara varan ısı enerjisi üretimi yapılabilmektedir. Bu sıcaklıkta ısı enerjisi ile elektrik üretilebilmektedir. Diğer taraftan soğutma enerjisine çok ihtiyaç duyulan yaz aylarında, bol olan güneş enerjisi kullanılarak, absorpsiyonlu soğutma sistemleriyle soğutma da yapılabilmektedir.. Yüksek sıcaklıkta ısı enerjisi ile çift kademeli absorpsiyoınlu soğutma sistemlerinde yüksek soğutma tesir katsayıları elde edilebilmektedir. Bu çalışmada parabolik oluk tipi güneş toplayıcılarının modellemesi yapılarak anlık ısıl performansı incelenmiştir. Bunun için MATLAB programlama dilinde bir simülasyon programı yazılmıştır. Bu programda anlık direkt güneş ışınımı değerini hesaplamak için Daneshyar-Paltridge-Proctor (DPP) modeli kullanılmıştır. Bu model kullanılarak yapılan hesaplamalarla, tek boyutlu olarak güneşi takip eden bu tür toplayıcıların daha fazla enerji üretebilmesi için Kuzey-Güney doğrultusunda yerleştirmesinin uygun olacağı gösterilmiştir.
Örnek bir toplayıcı özellikleri ve boyutları kullanılarak, anlık verim ve faydalı ısı hesaplamaları yapılmıştır. Bu anlık değerlerin toplamı ile günlük, aylık ve yıllık ısıl güç değerleri ve verim hesapları yapılmıştır. Örnek olarak seçilen bölgeler için çevresel parametrelere bağlı olarak yıllık ısıl güç değerleri bulunarak karşılaştırmalar yapılmıştır. Bu tür sistemlerin kurulumu için ideal çevresel parametreler belirlenmiş ve tartışması yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler

Güneş enerjisi, parabolik oluk toplayıcılar, simülasyon, anlık ısıl analiz

Kaynakça

• Yiğit A., Arslanoğlu N. (2021). Anlık ışınım şiddeti ve çevresel faktörlere bağlı optimum PV panel açısı, verim ve güç üretiminin incelenmesi. Uludag University Journal of the Faculty of Engineering, 26, 301-313.
• Yiğit A., Arslanoğlu N. (2021). Parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinin ısıl analizi ve parametrik incelenmesi. Uludag University Journal of the Faculty of Engineering, 26, 777-786.
• Behar O., Khellaf A., Mohammedi K. (2015). Comparison of solar radiation models and their validation under Algerian climate- The case of direct irradiance. Energy Conversion and Management 98, 236-251.
• Desideri U., Campana P. E. (2014). Analysis and comprasion between a concentrating solar and photovoltaic power plant. Applied Energy, 113, 422-433.
• Akba T., Baker D., Yazıcıoğlu A. G. (2020). Modeling, transient simulations and parametric studies of parabolic trough collectors with thermal energy storage. Solar Energy, 199, 497-509.
• Mouaky A., Merrouni A. A., Laadel N. E., Bennouna E. G. (2019). Simulation and experimental validation of a parabolic trough plant for solar thermal applications under the semi-arid climate conditions, Solar Energy, 194, 969-985.
• Bellos E., Tzivanidis C., Belessiotis V. (2017). Daily performance of parabolic trough solar collectors. Solar Energy, 158, 663-678.
• Fasquelle T., Q. Falcoz, P. Neveu, F. Lecat, G. (2017). Flamant, A thermal model to predict the dynamic performances of parabolic trough lines. Energy, 141, 1187-1203.
• Rathod N., Bella A. L., Puleo, G., Scattolini R., Rossetti A., Sandroni C. (2019). Modelling and predictive control of a solar cooling plant with flexible configuration. Journal of Process Control, 76, 74-86.
• Duffie J.A., Beckman, W.A. (2013). Solar Engineering of Thermal Processes Solar Engineering, fourth ed.
• Kalogirou S. A. (2012). A detailed thermal model of a parabolic trough collector receiver. Energy, 48, 298-306.
• Peiro G., Gasia J., Miro L., Prieto C., Cabeza L.F. (2017) . Influence of the heat transfer fluid in a CSP plant molten salts charging process. Renewable Energy,113, 148-158.
• Evangelos B., Christos T., Kimon A. Antonopoulos, K.A. (2017). A detailed working fluid investigation for solar parabolic trough collectors. Applied Thermal Engineering, 114, 374-386.
• Evangelos B., Tzivanidis C., Belessiotis V. (2017). Daily performance of parabolic trough solar collectors Solar Energy, 158, 663-678.