Solar termal uygulamalar için termoklin termal depolama ünitesi hesaplamalı akış dinamiği analizleri

Enerji tüketimi her yıl artmaktadır ve bu nedenle talebi karşılayacak yeni güç santrallerine ihtiyaç duyulmaktadır. Tüm enerji üretim sistemleri arasında yenilenebilir enerjinin payının çevresel kaygılar ve maliyetlerin azaltılmasındaki başarılar nedeniyle artması beklenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri güneştir ve güneş santralleri güneş enerjisini elektriğe dönüştüren sistemlerdir. Güneş enerjisini kullanmanın çeşitli yolları vardır. Fotovoltaik paneller ile güneş enerjisini direkt olarak elektriğe çevirmek mümkünken, yoğunlaştırılmış sitemlerde güneş ışığının belirli bir noktaya odaklanarak yansıtılması ile enerjinin ısı taşıyıcı bir akışkana iletilip nükleer ya da termik santrallerdeki gibi buhar çevrimi yolu ile elektrik üretilmesi de mümkündür. Yoğunlaştırılmış güneş sistemleri parabolik oluk, parabolik çanak ve merkezi kule gibi değişik düzenlerde olabilir. Parabolik oluk sistemlerinde odak noktalarının ekseninde içinde akışkan dolaşan alıcı tüplerin bulunduğu yansıtıcı aynalar mevcuttur. Aynaya ulaşan güneş ışınları yansıyarak alıcı tüplerin içindeki akışkanı ısıtırlar. Bu akışkan daha sonra konvansiyonel buhar üreteçleri ile elektrik üretiminde kullanılır. Parabolik çanak sistemlerinde ise çanak eksenine paralel olarak gelen güneş ışınları aynalar tarafından çanak merkezine yansıtılarak buradaki alıcıya ulaştırılır. Toplanan ısı çanak ile birlikte hareket eden alıcıdaki ısı makinası ile Stirling veya Brighton çevrimi için kullanılır. Diğer bir taraftan, merkezi kule sistemlerinde pek çok yansıtıcı ayna güneş ışınlarını merkezi kulenin tepesinde bulunan alıcıya iletirler. Alıcıda ısınan akışkan konvansiyonel buhar üreteçlerinde elektrik üretimi için kullanılır. Güneş santralleri elektriği sürekli olarak üretilemediği için bu elektrik kesintili elektrik olarak kategorize edilir. Bu nedenle, elektrik talebindeki dalgalanmalar karşılanamaz. Diğer bir taraftan, kesintili elektrik üretimi fotovoltaik sistemlerde elektriğin direkt depolanması, yoğunlaştırılmış sistemlerde ise termal enerji depolama ile kısmen engellenebilir. Termal enerji depolamada alıcıdan gelen ısının bir kısmı daha sonra kullanılmak üzere depolanır. Elektriği depolamak termal enerjiyi depolamaktan pahalı olduğu için termal enerji depolama sistemlerine odaklanılmıştır. Verimli ve uygun maliyetli termal enerji depolama güneş enerjisinin elektrik üretim piyasasındaki yerinin arttırılmasında önemli bir unsurdur. Termal enerji depolamada iki yöntem mevcuttur: iki-tank depolama ve tek-tank termoklin depolama. İki-tank depolamada, dolum çevriminde soğuk tanktaki akışkan endirekt sistemlerde ısı değiştiriciden direkt sistemlerde ise kollektör alanından geçerek sıcak tanka, boşaltım çevriminde ise sıcak tanktaki akışkan buhar üretecinden geçtikten sonra soğuk tanka geri döner. Tek-tank termoklin depolamada ise bir tank vardır ve tankın içi katı bir dolgu malzemesi ile doludur. Bu kısım asıl termal depolama ortamıdır. Dolum çevriminde, soğuk akışkan tankın alt kısmından çekilerek ısı değiştiriciye yönlendirilir ve ısınmış olarak tankın üst kısmından tanka geri döner. Boşaltım çevriminde ise sıcak akışkan tankın üst kısmından çekilerek ısı değiştiricisine gidip ısısını kaybederek tanka soğumuş olarak alt kısımdan giriş yapar. İki-tank depolamada kullanılan ve genellikle pahalı olan akışkan nispeten daha ucuz dolgu malzemesi ile değiştirildiğinden, tek-tank termoklin depolama daha ekonomik bir enerji depolama sağlamaktadır. Bu tez kapsamında, hesaplamalı akış dinamiği ile tek-tank termoklin termal enerji depolama sistemi boşaltım döngüsü analiz edilmiştir. Çalışmanın temelini literatürde yapılan çalışmaların daha çok tank özellikleri üzerine ve hassasiyet analizlerinin ise genellikle korelasyonlar ile yapılması oluşturmaktadır. Bu nedenle, hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile tank içindeki akış hatları ile sıcaklık ve hız dağılımlarını gözlemek mümkündür. Ayrıca boşluk oranı, küresellik faktörü ve farklı akışkanların boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini de incelemek mümkündür. Bu çalışmada yedi akışkan dikkate alınmıştır. Ayrıca, üç farklı boşluk oranı ve dolgu malzemesinin etkilerinin incelenmesi için de dört farklı küresellik faktörü kullanılmıştır. Çalışmada ilk olarak modellenecek termoklin tank literatür taraması sonucu belirlenmiştir. Ardından, benzeşimlerde kullanılacak matematik model oluşturulmuştur. Süreklilik, zamana bağlı momentum ve zamana bağlı enerji korunum denklemleri hesaplamalı akış dinamiği kodu openFOAM'a dâhil edilmiştir. Korunum denklemleri sadece efektif ısıl iletkenlik ve Forchheimer-Brinkman yaklaşımlarını değil Bouyssinisq yaklaşımını da içermektedir. Daha sonra, benzeşim sonuçlarının geometri için oluşturulan kafes sisteminden bağımsız olması sağlanmıştır. Ardından, referans tank için oluşturulan temel girdi verisi benzeşim sonuçları deneysel sonuçlar ile karşılaştırılmış böylece geometrik ve matematik modellerin düzgün bir biçimde oluşturulduğu doğrulanmıştır. Son olarak, seçilen akışkanların ve çalışma koşullarının (değişik boşluk oranları ve küresellik faktörleri) boşaltım çevrimi üzerindeki etkilerini araştırmak üzere pek çok benzeşim yapılmış ve sonuçlar tartışılmıştır. Benzeşim sonuçlarına göre, yüksek hacimsel ısı kapasitesine (HIK) sahip akışkanlar tank içinde daha fazla ilk enerji depolanmasını sağlamaktadırlar. Bununla birlikte, akışkanın HIK değeri katı dolgu maddesinin HIK değerinden az ise depolanan enerji çoğunlukla katı dolgu maddesinde bulunmaktadır. Katıda depolanan enerji HIK değeri ve boşluk oranı arttıkça %50 seviyelerine kadar düşmektedir. Gözlenen bir diğer olgu da yüksek HIK değerine sahip akışkanlar için boşluk oranı arttıkça boşaltım sonunda tankta kalan enerjinin artmasıdır. Bu durum düşük HIK değerine sahip akışkanlarda ise tam tersidir. Ancak, 6 saatlik boşaltımın zamanla tank içinde neden olduğu sıcaklık dağılımına bakıldığında düşük boşluk oranı için küresellik faktörünün artması sıcak ve soğuk sıvının karışmasını engellemekte ve tank performansını arttırmaktadır. Simülasyon sonuçlarına göre, boşaltım döngüsünün ısıl davranışı çoğunlukla akışkan ve katı dolgu malzemelerinin HIK değerleri arasındaki ilişkiye bağlıdır, düşük boşluk oranı ile yüksek küresellik faktörünün kullanılması tank performansını olumlu yönde etkilemektedir ve tank için belirlenecek olan boşluk oranı ve küresellik faktöründe katı dolgu maddesinin ve akışkanın hacimsel ısı kapasiteleri dikkate alınmalıdır. Bu çalışmanın devamında tank verimini arttırmak için akış hatları üzerinde iyileştirme çalışmaları yapılabilir. Bilindiği üzere akış hatları düzgün olduğunda, soğuk ve sıcak akışkanın karışması azalacak ve tank verimi artacaktır. Bu amaçla tank içinde akış şeritleri oluşturmak gibi bir takım tasarım değişiklikleri yapılabilir. Bir başka muhtemel çalışma alanı da nano-akışkanların ısı transfer sıvısı olarak kullanılması olabilir. Deneysel veriler ile doğrulanan, tezde oluşturulan matematiksel modeli kullanan hesaplamalı akış dinamiği benzeşimleri ile bu tür çalışmalar hızlı bir şekilde yapılabilir.