Investigation of Working Fluid, Design Parameters and Thermodynamic Analysis of Parabolic Trough Solar Collector

Öz

Solar energy is among renewable energy sources and forms the basis of the Earth-atmosphere energy cycle. There is an increasing focus on generating electricity through steam production at high temperatures. It is efficiently used for hot water production, heating systems, and industrial processes. For medium and high-temperature applications, concentrated solar energy systems, primarily parabolic trough collectors, are widely used. These collectors direct solar radiation onto a receiver tube at the focal point through a parabolic reflective surface, heating the working fluid and converting solar energy into thermal energy. In this study, a theoretical investigation was conducted on parabolic trough solar collectors. A comparative performance analysis was carried out using different working fluids in the designed system. In addition to design parameters, the effects of daily solar radiation variations and angular positioning on collector efficiency were evaluated. The results showed that both the design parameters and the type of working fluid significantly affect system performance. The energy efficiencies of the designed parabolic trough collector were found to be 0.4888, 0.4137, and 0.4821 for air, helium, and carbon dioxide, respectively. Similarly, the exergy efficiencies for air, helium, and carbon dioxide were calculated as 0.2366, 0.2264, and 0.2316, respectively. All calculations were performed under standard atmospheric pressure of 101.325 kPa and a reference temperature of 25 °C.

Anahtar Kelimeler

• Solar energy
• parabolic trough type solar collector
• selective surface materials
• thermodynamic analysis

Parabolik Oluk Güneş Kollektörünün Çalışma Sıvısı, Tasarım Parametreleri ve Termodinamik Analizinin İncelenmesi

Öz

Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında yer almakta ve yerküre-atmosfer sistemindeki enerji döngüsünün temelini oluşturmaktadır. Bu doğrultuda, yüksek sıcaklıklarda buhar üretimi yoluyla elektrik enerjisi elde edilmesine yönelik çalışmalarda artış gözlemlenmektedir. Ayrıca sıcak su üretimi, ısıtma sistemleri ve endüstriyel süreçlerde verimli şekilde kullanılmaktadır. Orta ve yüksek sıcaklık gerektiren uygulamalarda yoğunlaştırıcı güneş enerjisi sistemleri tercih edilmekte olup, bunlar arasında en yaygın kullanılan parabolik oluk kollektörlerdir. Bu kollektörler, güneş ışınlarını parabolik yansıtıcı yüzey aracılığıyla odak noktasındaki alıcı boruya yönlendirerek akışkanın ısınmasını ve güneş enerjisinin ısı enerjisine dönüştürülmesini sağlamaktadır. Bu çalışmada, parabolik oluk güneş kollektörleri üzerine teorik bir araştırma gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan sistemde farklı çalışma sıvıları kullanılarak karşılaştırmalı performans analizi yapılmış; tasarım parametrelerinin yanı sıra, gün içerisindeki güneş ışınımı değişimleri ve açısal konumlamanın kollektör verimine etkileri değerlendirilmiştir. Elde edilen sonuçlar, tasarım parametreleri ile kullanılan çalışma sıvılarının sistem verimliliği üzerinde belirleyici etkileri olduğunu ortaya koymuştur. Tasarlanan parabolik oluk kollektöründe enerji verimlilikleri hava, helyum ve karbondioksit çalışma sıvıları için sırasıyla; 0.4888, 0.4137 ve 0.4821 olarak bulunmuştur. Aynı zamanda ekserji verimlilikleri ise hava, helyum ve karbondioksit çalışma sıvıları için sırasıyla; 0.2366, 0.2264 ve 0.2316 olarak hesaplanmıştır. Tüm hesaplamalar, standart atmosfer basıncı olan 101.325 kPa ve 25 oC referans sıcaklık değerleri esas alınarak yapılmıştır.

Anahtar Kelimeler

• Güneş enerjisi
• parabolik oluk tipi güneş kollektörü
• seçici yüzey malzemeleri
• termodinamik analiz

Teşekkür

Bu çalışma, Elif Berca Eroğlu tarafından Isparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesi, Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, Mekatronik Mühendisliği Anabilim Dalı’nda hazırlanan “Parabolik oluk tipi güneş kollektörü için tasarım parametreleri, termodinamik ve ekonomik analizlerinin incelenmesi” başlıklı yüksek lisans tezinden üretilmiştir.

Kaynakça

1. Aydın, E., Şengül, F., & Ustaömer, Ö. (2020). Güneş Kollektörü Projesi. (Lisans Tezi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Mühendislik Fakültesi)
2. Bellos, E., & Tzivanidis, C. (2018). Thermal analysis of parabolic trough collector operating with mono and hybrid nanofluids. Sustainable Energy Technologies and Assessments, 26, 105-115. https://doi.org/10.1016/j.seta.2017.10.005
3. Bellos, E., Tzivanidis, C., & Tsimpoukis, D. (2018). Thermal, hydraulic and exergetic evaluation of a parabolic trough collector operating with thermal oil and molten salt based nanofluids. Energy Conversion and Management, 156, 388-402. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2017.11.051
4. Bellos, E., & Tzivanidis, C. (2019). Alternative designs of parabolic trough solar collectors. Progress in Energy and Combustion Science, 71, 81-117. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2018.11.001
5. Biencinto, M., González, L., Zarza, E., Díez, L. E., & Muñoz-Antón, J. (2014). Performance model and annual yield comparison of parabolic-trough solar thermal power plants with either nitrogen or synthetic oil as heat transfer fluid. Energy conversion and management, 87, 238-249. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.07.017
6. Cengel, Y. A., Boles, M. A., & Kanoğlu, M. (2011). Thermodynamics: an engineering approach. New York: McGraw-hill.
7. Çolak, L. (2003). Güneşi Takip Eden Parabolik Oluk Tipi Güneş Kollektörlerinin Matematiksel Modellenmesi Tasarımı ve Teknik Optimizasyonu. (Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü)
8. Ercoşkun, G., Keskin, A., Metin, G., & Altıparmak, D. (2013). Çift oluklu parabolik oluk tipi güneş kollektörünün tasarımı, imalatı ve performansının incelenmesi. Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 28(4), 855-863.

9. García-Valladares, O., & Velázquez, N. (2009). Numerical simulation of parabolic trough solar collector: Improvement using counter flow concentric circular heat exchangers. International journal of heat and mass transfer, 52(3-4), 597-609.
10. Guo, J., Huai, X., & Liu, Z. (2016). Performance investigation of parabolic trough solar receiver. Applied Thermal Engineering, 95, 357-364. https://doi.org/10.1016/j.applthermaleng.2015.11.035
11. Kalogirou, S. A. (2004). Solar thermal collectors and applications. Progress in energy and combustion science, 30(3), 231-295. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2004.02.001
12. Kalogirou, S. A. (2013). Solar energy engineering: processes and systems. Academic press
13. Nain, S., Ahlawat, V., Kajal, S., Anuradha, P., Sharma, A., & Singh, T. (2021). Performance analysis of different U-shaped heat exchangers in parabolic trough solar collector for air heating applications. Case Studies in Thermal Engineering, 25, 100949. https://doi.org/10.1016/j.csite.2021.100949
14. Öztürk, H. (2008). Yenilenebilir enerji kaynakları ve kullanımı. Teknik Yayınevi.
15. Padilla, R. V. (2011). Simplified methodology for designing parabolic trough solar power plants. University of South Florida.
16. Petela, R. (2003). Exergy of undiluted thermal radiation. Solar energy, 74(6), 469-488. https://doi.org/10.1016/s0038-092x(03)00226-3
17. Sevim, S., Bektaş, A., & Yurddaş, A. (2022). Parabolik oluk güneş kolektörü ısı transferi özelliklerinin alıcı boruya kanatçık ilavesi ile iyileştirilmesi. Osmaniye Korkut Ata Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Dergisi, 5(2), 1022-1040. https://doi.org/10.47495/okufbed.1129853
18. Üçgül, İ., Delikanlı, K., Öztürk, M., & Şenol, R. (2006). Yüksek sıcaklıklı güneş enerjisi alıcı sistemleri için malzeme seçimi. Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi, 3, 53-64.
19. Varınca, K. B., & Gönüllü, M. T. (2006). Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi. 21-23 Haziran, Eskişehir, 270-275.