Solar termal sistemlerde kullanılmak üzere değişken kesitli parabolik kollektör tasarımı, optimizasyonu ve termodinamik analizi

Yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemleri, birincil enerji kaynağı olan güneşten faydalanma yöntemlerinden biridir. En yaygın yoğunlaştırmalı güneş enerjisi sistemleri parabolik oluk kollektörleridir. Parabolik oluk aynalar, güneş ışınımını bir doğrultuda yansıtır. Bu doğrultuya yerleştirilen bir soğurucu ile güneş enerjisi ısıl enerjiye dönüştürülür. Bu kollektörler gerek elektrik enerjisi üretiminde gerekse proses ısısı sistemlerinde kullanılmaktadır. Parabolik oluk kollektörlerin yaygınlaşması ve verimlerinin arttırılması için farklı araştırma geliştirme çalışmaları süregelmektedir. Bu çalışmaların çoğu soğurucu yapısını veya akışkan özelliklerini değiştirerek ısı transferi miktarını arttırmayı amaçlamaktadır. Öte yandan toplayıcı yüzeyiyle ilgili çalışma sayısı görece daha azdır. Bu tez çalışmasında, odaklamalı güneş enerjisi sistemlerinde kullanılmak üzere değişken parabolik kesitli yeni bir yüzey tanımlanmıştır. Bu yüzeyin eksen boyunca parabolik kesidi değişirken, odak doğrultusu aynı kalmaktadır. Tanımlanan yüzeyin ısıl performansa etkilerini incelemek üzere numerik bir model kurulmuştur. İlk aşamada Matlab programında yazılan bir kod ile yüzeye ait geometrik parametreler girilerek yüzey sonlu parabolik elemanlara ayrılmış ve her bir elemana ait konum ve odak uzaklığı gibi veriler elde edilmiştir. Daha sonra bu veriler bir ışın takip programı olan SolTrace'e aktarılarak soğurucu üzerinde gerçekleşen ısı akısı profili elde edilmiştir. Sonrasında bu ısı akısı profili bir hesaplamalı akışkanlar dinamiği programı olan ANSYS CFX'e aktarılarak, akış-ısı transferi simülasyonları gerçekleştirilmiştir. Kurulan modelin doğruluğu literatürdeki diğer sonuçlarla karşılaştırılarak tayin edilmiştir. Ayrıca eleman sayısından bağımsızlık çalışması gerçekleştirilmiştir. Geleneksel parabolik oluk kollektörlerin aksine tanımlanan geometri soğurucu boyunca asimetriktir. Bu nedenle akış yönü bir tasarım parametresi haline gelmektedir. Bu iki durum girişte yüksek ısı akısı (GYI) ve çıkışta yüksek ısı akısı (ÇYI) olarak tanımlanmıştır. Ayrıca tanımlanan kollektör yeni bir geometrik parametre içermektedir. Bu parametre uçlardaki odak uzaklıklarının birbirine oranıdır (k). Bu parametre ile birlikte akış yönünün etkileri aynı zamanda sabit kesitli referans durumu da göz önüne alınarak incelenmiştir. Çalışmanın sonuncunda artan 𝑘 faktörü ile akış karakteristiklerindeki değişimin arttığı gözlemlenmiştir. Herhangi bir büyüklüğün artması veya azalmasının ise akış yönüne bağlı olduğu belirlenmiştir.