Comparison of heat efficiencies of flat-plate and vacuum tube collectors integrated with Organic Rankine Cycle in Adana climate conditions

Öz

In this study, the thermodynamic performance of solar collectors (FPSCs) and vacuum tube solar collectors (VTSCs), electricity and hydrogen production were numerically compared. Both systems were analyzed for one year in Adana climate conditions. FPSCs and VTSCs are solar energy technologies that can produce heat energy from solar energy. They are used in various places to meet the need for hot water or warming. However, today electricity is used more in many places, electricity generation is becoming more valuable every day. Thus, humanity seeks to produce electricity from various sources. Organic Rankine Cycle (ORC) is a very important machine that can produce electricity from sources at low and high temperatures. In this way, the heat energy produced in the FPSCs and VTSCs was transferred to the ORC by means of a pump and electricity was generated. The electricity produced in the ORC was transferred to an electrolysis system where hydrogen was produced by electrolysis of water. The thermodynamic analysis of the system was carried out by the Engineering Equation Analyzer (EES) simulation program. According to the results, with the increase of the solar energy and ambient temperature, the thermal efficiency of the system consisting of the FPSCs and VTSCs and thus the power production efficiency of ORC increased. Thanks to these increases, hydrogen production has also increased significantly. Thus, in July, the maximum thermal efficiency of VTSCs and FPSCs was found as 6.25% and 5.46%, respectively.

Anahtar Kelimeler

• Solar energy,Flat plate and vacuum tube solar collector,Organic Rankine cycle,Electricity and hydrogen production,Energy efficiency

Adana iklim koşullarında Organik Rankine Çevrimi ile bütünleşik düzlem-plakalı ve vakum tüplü kolektörlerin ısıl verimlerinin karşılaştırılması

Öz

Bu çalışmada, düzlemsel güneş kolektörleri (DGK’lar) ile vakum tüplü güneş kolektörlerinin (VTGK’ler) termodinamik performansı, elektrik ve hidrojen üretimi numerik olarak karşılaştırıldı. Her iki sistem analizi Adana iklim koşullarında bir yıl boyunca yapıldı. DGK’lar ve VTGK’lar güneş enerjisinden ısı enerjisi üretebilen güneş enerjisi teknolojileridir. Bunlar çeşitli yerlerde sıcak su ihtiyacı veya ısınma ihtiyacını karşılamak için kullanılır. Ancak, günümüzde elektriğin birçok yerde kullanılmasından dolayı, her geçen gün elektrik üretimi daha kıymetli hale gelmektedir. Böylece, insanlık elektriği çeşitli kaynaklardan üretmenin yollarını aramaktadır. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) düşük ve yüksek sıcaklıklardaki kaynaklardan elektrik üretebilen çok önemli makinalardır. Bu sayede, DGK’larda ve VTGK’larda üretilen ısı enerjisi bir pompa yardımıyla ORÇ’ ye aktarılarak elektrik üretilmiştir. ORÇ’ de üretilen elektrik bir elektroliz sistemine aktarıldı ve burada suyun elektrolizi ile hidrojen üretilmiştir. Sistemin termodinamik analizi Mühendislik Eşitlik Çözümleyici (EES) benzetim programı ile yapılmıştır. Sonuçlara göre, güneş enerjisi ve ortam sıcaklığı artışıyla birlikte DGK ve VTGK’ den oluşan sistemin termal verimi ve dolayısıyla da ORÇ'nin güç üretim verimi artmıştır. Bu artışlar sayesinde, hidrojen üretimi de önemli ölçüde artmıştır. Bu nedenle, Temmuz ayında VTGK'lar ve DGK'ların ısıl verimleri sırasıyla maksimum %6.25 ve %5.46 olarak bulundu.

Anahtar Kelimeler

• Güneş enerjisi,Düzlemsel ve vakum tüplü güneş kolektörü,Organik Rankine çevrimi,Elektrik ve hidrojen üretimi,Enerji verimi

Kaynakça

1. Yavuz A, Başol D, Ertay MM, Yücedağ İ. “An education set for solar cell models”. Journal of Advanced Technology Sciences, 2(2), 14-21, 2013.
2. Kalogirou SA. “Solar thermal collectors and applications”. Progress in Energy and Combustion Science, 30(3), 231-295, 2004.)Bahadır M, Özdemir M, Yatarkalkmaz M, Dağli G. “Farklı soğurucu yüzey tiplerine sahip düzlemsel kolektörlerin deneysel analizi”. Politeknik Dergisi, 20(2), 441-449, 2017.
3. Jafarkazemi F, Ahmadifard E. “Energetic and exergetic evaluation of flat plate solar collectors”. Renewable Energy, 56, 55-63, 2013.
4. Ziyadanogullari NB, Yucel HL, Yildiz C. “Thermal performance enhancement of flat-plate solar collectors by means of three different nanofluids”. Thermal Science and Engineering Progress, 8, 55-65, 2018.
5. Chow TT, Dong Z, Chan LS, Fong KF, Bai Y. “Performance evaluation of evacuated tube solar domestic hot water systems in Hong Kong”. Energy and Buildings, 43(12), 3467–3474, 2011.
6. Martínez-Rodríguez G, Fuentes-Silva AL, Picon-Núnez M. “Solar thermal networks operating with evacuated-tube collectors”. Energy, 146, 26-33, 2018.
7. Kroll JA, Ziegler F. “The use of ground heat storages and evacuated tube solar collectors for meeting the annual heating demand of family-sized houses”. Solar Energy, 85(11), 2611–2621, 2011.
8. Saleh B, Koglbauer G, Wendland M, Fischer J. “Working fluids for low-temperature organic Rankine cycles”. Energy, 32(7), 1210-1221, 2007.

9. Erden M, Karakilcik M, Dincer I. “Performance investigation of hydrogen production by the flat-plate collectors assisted by a solar pond”. International Journal of Hydrogen Energy, 42(4), 2522-2529, 2017.
10. Atiz A, Karakilcik H, Erden M, Karakilcik M. “Assessment of electricity and hydrogen production performance of evacuated tube solar collectors”. International Journal of Hydrogen Energy, 44(27), 14137-14144, 2018.
11. Yüksel YE, Öztürk M. “Evsel uygulamalar için birleşik rüzgar-güneş-hidrojen sisteminin termodinamik analizi”. El-Cezerî Fen ve Mühendislik Dergisi, 3(3), 401-416, 2016.
12. Yüksel YE, Öztürk M. “Thermodynamic analysis of an integrated solar-based chemical reactor system for hydrogen production”. El-Cezerî Journal of Science and Engineering, 2(2), 19-27, 2015.
13. Karakilcik H, Erden M, Karakilcik M. “Investigation of hydrogen production performance of chlor-alkali cell integrated into a power generation system based on geothermal resources”. International Journal of Hydrogen Energy, 44(27), 14145-14150, 2018.
14. Duffie JA, Beckman WA. Solar Engineering of Thermal Process. 2nd Ed. New York, USA, Wiley Interscience, 1991.
15. Ucar A, Inalli M. “Thermal and economic comparisons of solar heating systems with seasonal storage used in building heating”. Renewable Energy, 33(12), 2532-2539, 2008.
16. Budihardjo I, Morrison GL. “Performance of water-in-glass evacuated tube solar water heaters”. Solar Energy, 83(1), 49-56, 2009.
17. Quoilin S, Broek MVD, Declaye S, Dewallef P, Lemort V. “Techno-economic survey of Organic Rankine Cycle (ORC) systems”. Renewable and Sustainable Energy Reviews, 22, 168–186, 2013.
18. Wang J, Yan Z, Wang M, Ma S, Dai Y. “Thermodynamic analysis and optimization of an (organic Rankine cycle) ORC using low grade heat source”. Energy, 49, 356-365, 2013.
19. Long R, Bao YJ, Huang XM, Liu W. “Exergy analysis and working fluid selection of organic Rankine cycle for low grade waste heat recovery”. Energy, 73, 475-483, 2014.
20. Kızılkan Ö, Akbaş Ç. “Güneş enerjisi destekli çok fonksiyonlu trijenerasyon sisteminin termodinamik analizi”. Pamukkale Univ Muh Bilim Derg, 22(1), 71-77, 2016.
21. Şenaktaş B. Hidrojen Enerjisi Üretimi ve Uygulamaları. Pamukkale Üniversitesi, Yüksek Lisans Tezi, Denizli, Türkiye, 2005.