Faz değiştiren malzemelerin parabolik güneş kollektörlerine entegrasyonu ve etkileri

Bu tez çalışmasında, parabolik oluk kollektörler için kullanılabilecek kaviteli, faz değiştiren malzemeli ve yalıtımlı yeni bir güneş alıcısı tasarlanmıştır. Çalışmanın ilk aşamasında, bir kollektör sisteminin genel verimliliğini ilk ölçüde etkileyen optik verimlilik üzerine çalışılmıştır. Optik verimliliği etkileyen en önemli parametre, güneş ışınımının yoğunlaştığı alıcı tarafından emilen net ısı miktarıdır. Bu bağlamda, optimizasyon parametreleri olarak üç farklı geometri (üçgen, dikdörtgen ve çokgen), üç farklı açıklık genişliği ve yüksekliği ve kavite alıcısının parabolik yansıtıcı yüzeye ilişkin üç farklı konumu alınmıştır. Bu parametrelerin etkilerini değerlendirmek ve aynı zamanda alıcı tarafından absorbe edilen radyasyon miktarı üzerindeki etkilerini incelemek için bir deney tasarımı yaklaşımı kapsamında Yanıt Yüzey Metodu kullanılmıştır. Optik analiz için, bu parametrelerin etkilerini araştırmak üzere Monte Carlo Işın İzleme yöntemiyle birlikte açık kaynaklı sayısal ışın izleme yazılımı SolTrace kullanılmıştır. Sonuçlar, optimum boşluk geometrisinin çokgen olduğunu ve boşluk derinliğinin ve açıklığının her ikisinin de 0,05 m'ye eşit olduğunu göstermektedir. Ayrıca en etkili parametrenin alıcının konumu olduğu ve optimum konumun parabolik yoğunlaştırıcının odak noktası olduğu bulunmuştur. Optimum boşluklu alıcı tasarımı için sistemin optik verimliliği %81,05 olarak bulunmuştur. Yeni alıcı tasarımında, yeni modelin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ile doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Yeni alıcı tasarımında, ilk olarak yeni modelin Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği ile doğrulama çalışmaları yapılmıştır. Bu kapsamda literatürden iki aşamalı doğrulama yapılmıştır. İlk olarak borulu bir güneş alıcısında unifor olmayan ışınım haritası entegre edilerek ısıl analizler deneysel bir çalışma doğrulanmıştır. Daha sonra Faz Değiştiren Malzeme (FDM) erime analizleri literatürdeki deneysel bir çalışma ile doğrulanmıştır. Doğrulama çalışmalarından sonra, FDM entegreli, kendinden yalıtımlıi kaviteli alıcı modellenmiş ve HAD analizleri yapılarak sonuçlar değerlendirilmiştir. FDM olarak erime ve donma sıcaklıkları sırasıyla 130 ve 120°C olan yüksek yoğunluklu polietilen (YYPE) kullanılmıştır. HAD sonuçlarına göre, FDM 13.dakikada erimeye başlamıştır. Tamamen erime süresi 31.dakikadır. Buna FDM depolama süresi de denilebilir. FDM tamamen eriyene kadar geçen sürede suyun çıkış sıcaklığı 437,52K olmuştur. Bu aşamadan sonra, güneş ışınımının kesildiği durum için kavite duvarlarındaki ışınım haritası kaldırılmış olup analizler yine zamana bağlı devam etmiştir. Bu analizlerde görülmüştür ki FDM 5.dakikadan itibaren katılaşmaya başlayıp 21. dakikada tamamen katı haldedir. FDM entegreli kendinden yalıtımlı kavitel igüneş alıcı, aynı sınır koşullarında FDM entegresiz yalıtım olmayan kaviteli alıcı ile karşılaştırılmıştır. FDMnin katılaşma süresince (16 dakika) su çıkış sıcaklığındaki dalgalanma yalnızca 17,5°C iken FDM entegresiz alıcıda bu değer 58°C olmuştur. Güneş alıcısına FDM entegresi özellikle gün içinde bulut geçişleri sırasında dakika boyunca düşük su çıkış sıcaklığı dalgalanmaları ile sistemin daha stabil çalışmasına olanak sağlamıştır. Ayrıca güneşin tamamen kesildiği akşam saatlerinde de FDM entegreli alıcıdan bir süre daha sıcak su veya buhar eldesinin devam edebileceğini göstermiştir.