Determination of thermal performance of a solar collector by using dynamic test method

Öz

In Turkey at the location where solar energy is rich, liquid-glazed type flat plate solar collectors have been widely used to obtain domestic hot water for many years. However, it is generally faced some products which do not fulfill the requirements of tbe final consumers and have low thermal efficiencies since this type of collectors are easily manufactured. In order to prevent from this issue, it is needed to do thermal performance tests of the solar collectors. The thermal performance tests are performed under the steady state and dynamic operating conditions.  In this study, thermal performance of a liquid based (water), glazed (glass) type solar collector is determined under the dynamic operating conditions. For this purpose, thermal equation of the collector is developed, and an experimental setup is installed. Experiments are performed for four different inlet temperatures (25 ^oC, 30 ^oC, 45 ^oC, 60 ^oC) and constant mass flow rate (0.037 kg/s) at outdoor conditions. Constants in the equation are solved by Multiple Regression (MLR) method. Results of the experimental study and thermal equation show that a fairly similar characterization is obtained.

Anahtar Kelimeler

• Solar collectors,Thermal performance,Efficiency,Mathematical modeling,Dynamic test method

Dinamik test metodu ile bir güneş kollektörünün ısıl performansının belirlenmesi

Öz

Güneş enerjisi bakımından zengin konumda bulunan Türkiye’de, sıvılı, örtülü, düzlemsel güneş kollektörleri uzun yıllardan beri evsel sıcak su temininde yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak, bu kollektörlerin üretim kolaylıkları yüzünden düşük ısıl verime sahip, son kullanıcının ihtiyacını karşılamaktan uzak ürünlerle de sıklıkla karşılaşılmaktadır. Bunu önlemek amacıyla, güneş kollektörlerinin ısıl performans testlerinin yapılması gerekmektedir. Isıl performans testleri kararlı ve dinamik çalışma koşulları altında  yapılmaktadır.  Bu çalışmada, sıvılı (su), örtülü (cam) bir düzlemsel güneş kollektörünün ısıl performansı dinamik çalışma koşulları altında belirlenmiştir. Bu amaçla kollektörün ısıl  denklemi oluşturulmuştur ve bir deney düzeneği kurulmuştur.  Deneyler dört farklı giriş sıcaklıkları (25 ^oC, 30 ^oC, 45 ^oC, 60 ^oC) ve sabit kütlesel debi (0.037 kg/s) için dış ortam koşullarında gerçekleştirilmiştir. Elde edilen yararlı ısı miktarları ve ölçüm değerleri kullanılarak Çoklu Lineer Regresyon (ÇLR) ile denklemdeki sabitler çözülmüştür. Deneysel çalışma ve ısıl denklem sonuçları büyük oranda benzer bir karakterizasyonun elde edildiğini gösternektedir.

Anahtar Kelimeler

• Güneş kollektörleri,Isıl performans,Verim,Matematiksel modelleme,Dinamik test metodu

Kaynakça

1. Varınca KB, Gönüllü MT. “Türkiye’de güneş enerjisi potansiyeli ve bu potansiyelin kullanim derecesi, yöntemi ve yayginliği üzerine bir araştırma”. UGHEK’2006: I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, Eskişehir, Türkiye, 21-23 Haziran, 2006.
2. Mauthner F, Weiss W, Spörk-Dür M. “Solar Heat Worldwide, Markets and Contribution to the Energy Supply 2014”. IEA Solar Heating & Cooling Programme, Gleisdorf, Austria, Technical Report, 74, 2016.
3. Hottel HC, Woertz BB. “Performance of flat-plate solar-heat collectors”. Transactions of ASME, 91-104, 1942.
4. David Waksman D, Streed E, Seller J. “Solar Collector Durability/Reliability Test Program Plan”. US. Department of Commerce-National Bureau of Standards, Washington, USA, NBS Technical Note 1136, 85, 1974.
5. American Society of Heating, Refrigerating and Air-Conditioning Engineers. “Methods of Testing to Determine the Thermal Performance of Solar Collectors”. ASHRAE Standard 93-77, ASHRAE Publications, New York, USA, 50, 1977.
6. Gicquel R. “Behavior of plane solar collectors under transient conditions”. International Chemical Engineering, 19, 51-65, 1979.
7. De Ron AJ. “Dynamic modelling and verification of a flat-plate solar collector”. Solar Energy, 4, 117-126, 1980.
8. Matter GR. “Transient response of solar collectors”. Journal of Solar Energy Engineering–ASME, 104, 165-172, 1982.

9. Emery M, Rogers BA, “On a solar collector thermal performance test method for use in variable conditions”. Solar Energy, 33, 117-123, 1984.
10. Frid SE. “Multinode models and dynamic testing methods of solar collectors”. Solar & Wind Technology, 7(6), 655-661, 1990.
11. Perers B. “Dynamic method for solar collector array testing and evaluation with standard database and simulation programs”. Solar Energy, 50(6), 517-526, 1993.
12. Perers B. “An improved dynamic solar collector test method for determination of non-linear optical and thermal characteristics with multiple regression”. Solar Energy, 59(4-6), 163-178, 1997.
13. Amer EH, Nayak JK, Sharma GK. “A transient method for testing of flat-plate solar collectors”. Energy Conversion and Management, 40, 1-9, 1998.
14. Nayak JK, Amer EH. “Experimental and theoretical evaluation of dynamic test procedures for solar flat-plate collectors”. Solar Energy, 69(5), 377-401, 2000.
15. Deng J, Xu Y, Yang X. “A dynamic thermal performance model for flat-plate solar collectors based on the thermal inertia correction of the steady-state test method”. Renewable Energy, 76, 679-686, 2015.
16. Kong W, Perers B, Fan J, Furbo S, Bava F. “A new Laplace transformation method for dynamic testing of solar collectors”. Renewable Energy, 75, 448-458, 2015.
17. Tian Z, Perers B, Furbo S, Fan J. “Analysis and validation of a quasi-dynamic model for a solar collector field with flat plate collectors and parabolic trough collectors in series for district heating”. Energy, 142, 130-138, 2018.
18. Tezcan M. Düzlemsel Güneş Kollektörleri ve Verim Hesaplamaları. Yüksek Lisans Tezi. İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbu, Türkiye, 2015.
19. International Organization for Standardization. ”ISO 9806: Solar energy - Solar thermal collectors-Test methods”. ISO Standard, Geneva, Switzerland, 90, 2013.
20. European Committee for Standardization. “EN 12975-2, Thermal solar systems and components, Solar collectors, Part 2: Test methods”. Brussels, Belgium, European Standard, 134, 2006.
21. Fischer S. “New standards-solar thermal certification”. Sun & Wind Energy (The Magazine for Renewable Energies), 6, 52-55, 2013.
22. Fischer S, Heidemann W, Muller-Steinhagen H, Perers B, Bergquist P, Hellstrom B. “Collector test method under quasi-dynamic conditions according to the European Standard EN 12975-2”. Solar Energy, 76, 117-123, 2004.
23. Uyarel AY, Öz ES, Güneş Enerjisi Uygulamaları. 1. Baskı. Ankara, Türkiye, Birsen Yayınevi, 1987.
24. Tırıs Ç, Tırıs M. Kollektör Yutucu Yüzeyi Optik Özelliklerinin Toplam Isı Kayıp Katsayısına Etkisi. 1. Baskı. Kocaeli, Türkiye, Tübitak-MAM Matbaası, 1998.
25. Tırıs M, Tırıs Ç, Erdallı Y. Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri. Birinci Baskı. Kocaeli, Türkiye, Tübitak-MAM Matbaası, 1997.
26. Gaël SG, Ollas P. Optimization of the Quasi Dynamic Method for Solar Collector Testing. MSc Thesis, Department of Energy and Environment, Chalmers University of Technology, Gothenburg, Sweden, 2012.
27. Zambolin E. Theoretical and Experimental Study of Solar Thermal Collector Systems and Components. Doktora Tezi, Università degli Studi di Padova, Padova, Italy, 2013.