Thermal and radiative energy/ exergy analyses of parabolic trough collector systems

Ekserji kavramı, sistemlerden çıkarılabilecek maksimum enerjiyi belirlemek için kullanılır. Bu kavram, termodinamiğin birinci ve ikinci yasalarına dayanır, ve bir enerji türünün bir iğerine en etkin olarak dönüşümünü belirler. Ekserji, bu sistemlerdeki süreçler ve kayıpların hesaplanmasına yardım eder. Bu tez çalışmasında beş ana hedef vardır: Birincisi, sabit bir sistem için farklı sıcaklıklarda iki yüzey arasındaki ışınımsal enerji transferi göz önüne alınarak, ışınımla ısı transferinin dönüşümünün maksimum verimi için yeni bir formülasyon geliştirilmiştir. Maksimum verimin hesaplanmasında radyasyon transfer kavramının ekserji, güvenilir sonuçların elde edilmesi için ortam sıcaklığının çevre sıcaklığını dikkate alınmalıdır. Formülasyon ekserji verimliliği maksimizasyonu daha doğrudan ve pratik bir şekilde sunmaktadır. Tezin ikinci amacı konsantre güneş enerjisi (CSP) sistemlerinin performanslarını değerlendirmek için spektral (dalga boyuna bağlı) ışınımla enerji ve ekserji hesaplamaları için yeni bir metodoloji gerçekleştirmektir. CSP analizlerinde spektral ışınımla ısı transferi özellikleri ve ortamın sıcaklığı ile birlikte seçici yüzeylerin çalışma sıcaklığı dikkate alınmıştır. Burada önce temel tanımlar verilmekte, ve bilahare iki gaz, beş seçici kaplamaların spektral performansını değerlendirmek için kullanılmıştır. Birinci yaklaşım için, güneş ve soğurucu yüzey iki kara cisim olarak kabul edilmiştir. İkinci yaklaşım, doğrudan güneş spektral ışınımından elde edilen verilere dayanmaktadır. Spektral analiz, 250 nm ila 20.000 nm dalga boyu aralığında gerçekleştirilirken, 325 K ila 800 K sıcaklık aralığında da termal analiz gerçekleştirilmiştir. Üçüncü amaç, atmosfer dışından gelen ışınım miktarının aylık ortalama günlük değeri, gün boyunca gerçekleşen güneşli saatlerin sayısı, gün sayısı gibi birçok parametre dahil olmak üzere, aylık ortalama günlük yatay küresel radyasyonun ekserji değerini tahmin etmek için yeni bir yaklaşım geliştirilmektir. Tüm modellerin doğruluğunu onaylamak için yedi istatistiksel parametre kullanılmıştır. İki yeni modelin sonuçları, diğer modellerden elde edilen sonuçlardan daha güvenilir bulunmuştur. Irak ve Türkiye'de dört yer için yürütülen bu çalışma, hava durumu parametrelerine dayanarak güneş ışınımının maksimum kullanılabilirliğini tahmin etmekte yardımcı olacaktır. Dördüncü ve beşinci amaçlar, hali hazırda kurulu bir parabolik oluklu kolektör (PTC) sistemi için kapsamlı bir enerji ve ekserji analizi gerçekleştirmektir. Bu analizler, detaylı ısı transfer modlarını, optik parametrelerini ve güneş ışınımının spektral absorpsiyon ve cam zarfı üzerindeki yansımalarını dikkate alarak yapılmıştır. PTC sisteminin enerji ve ekserji performansı, iki boyutlu bir yaklaşımı izleyerek, dairesel bir boşlukta beş gaz, beş seçici kaplama ve dört ısı transfer sıvısı kullanılarak incelenmiştir. Analiz modeli Mühendislik Denklem Çözücü (Engineering Equation Solver, EES) kullanılarak oluşturulmuştur. Elde edilen sonuçlar deneysel testler ve analitik modellerden elde edilen diğer sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Bu analiz, gazın, seçici kaplamanın ve çalışma akışkanının PTC'nin enerji ve ekserji performansı üzerindeki özelliklerinin enerji ve ekserji parametrelerinin çeşitli çalışma koşullarında etkilerini göstermektedir. Bu analizler, ilerde benzeri PTC sistemlerinin daha etkin tasarımı ve operasyonu için kullanılabilecektir.