Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi Cilt: 9, No: 4, 2012 (1-9) Electronic Journal of Machine Technologies Vol: 9, No: 4, 2012 (1-9) TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR www.teknolojikarastirmalar.com e-issn:1304-4141 Makale (Article) Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kollektörlerde Farklı Yarım Kabul Açısı Ve Farklı Kesim Değerlerinin Yoğunlaştırma Oranına Etkisi Kübra GÜRBÜZ *, Kemal ATİK ** * Erciyes Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Enerji Sistemleri Müh. Böl., 38000 Kayseri/TÜRKİYE ** Erciyes Üniversitesi Mustafa Çıkrıkçıoğlu M.Y.O Elektrik ve Enerji Böl., 38039 Kayseri/TÜRKİYE kemalatik@erciyes.edu.tr Geliş Tarihi: 03.10.2012 Kabul Tarihi: 28.12.2012 Özet Bu çalışmada silindirik alıcılı birleşik parabolik yoğunlaştırıcılı kollektörler ( BPY) incelenmiştir. Bu kollektörler güneş takip sistemine ihtiyaç duymadıkları için diğer kollektör tiplerine göre daha avantajlıdır. Birleşik parabolik yoğunlaştırıcılı kollektörler parabol, involüt ve alıcıdan oluşur. Kollektöre belli aralıklarda gelen ışınlar yansıyarak alıcı üzerinde yoğunlaştırılır ve bu yoğunlaştırma ile yüksek sıcaklıklar elde edilebilir. Çalışmamızda birleşik parabolik yoğunlaştırıcılı kollektörlerin bazı parametrelerinin değişiminin yoğunlaştırma oranına etkisi incelenmiştir. Kollektöre farklı yarım kabul açıları ve farklı kesim değerleri uygulanarak kollektörün yoğunlaştırma oranlarındaki değişiklikler hesaplanmıştır. Anahtar Kelimeler: Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcı (BPY), Yoğunlaştırma oranı, Yarım Kabul açısı, Kesim Uygulaması. The Effect of Different Half-Acceptance Angle and Different Interrupt Values on Concentration Ratio in CPC Abstract In this study, cylindrical receiver CPC s are investigated. These collectors do not need solar tracking system therefore they are more advantageous than the others. CPC s consist of parabola, involute and recevier. The reflected rays at certain intervals to the collector are concentrated on the receiver and high temperatures can be obtained with this concentration. In our study, the effect of change in some parameters of CPC s on concentration ratio are investigated. The changes in concentration ratios of collector are calculated by applying different half-acceptance angles and different interrupt values to the collector. Keywords: CPC, Concentration ratio, Half-acceptance angle, Interrupt application. 1. GİRİŞ Güneş enerjisi güneşten yayılan ışık ve ısı enerjisine verilen isimdir. Fosil yakıtların azalması ve çevreye verdiği zararlardan dolayı, dünya enerji gereksinimini yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynaklarından biridir ve çevreye zararlı gazlar vermediğinden dolayı temizdir. Güneş enerjisinin kullanım alanları düşük, orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları olmak üzere 3 Bu makaleye atıf yapmak için Gürbüz K., Atik K., Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kollektörlerde Farklı Yarım Kabul Açısı Ve Farklı Kesim Değerlerinin Yoğunlaştırma Oranına Etkisi Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 2012, (9) 1-9 How to cite this article Gürbüz K., Atik K., The Effect of Different Half-Acceptance Angle and Different Interrupt Values on Concentration Ratio in CPC Electronic Journal of Machine Technologies, 2012, (9) 1-9
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kolektörlerde kısımdan meydana gelir. Düşük sıcaklık uygulamalarında daha çok düz kollektörler, orta ve yüksek sıcaklık uygulamalarında ise odaklı toplayıcılar kullanılır. Odaklı toplayıcılarda güneş ışınları yansıtılarak veya kırılarak bir eksene veya bir noktaya yoğunlaştırılır. Odaklı toplayıcıların odak bölgesinde alıcı bulunmaktadır. BPY ler de odaklı toplayıcı sınıfına girer ve diğer odaklı toplayıcılardan farklı olarak hem diffüz hem de direkt ışınları kullanabilirler. Kollektöre gelen ışınlar yansıtıcı yüzeylerden yansıyarak odak noktasındaki alıcıya ulaşır. Işınlar alıcıda yoğunlaştırılarak yüksek sıcaklık elde edilir. BPY, alıcı ve yansıtıcı olmak üzere 2 bölümden meydana gelir. Bu kollektörler, kollektör açıklığından giren ışınları kollektörün parabol ve involüt parçasından alıcıya yansıtarak yoğunlaştırır. Birleşik parabolik kollektörler için çeşitli alıcı tipleri mevcuttur: Silindirik alıcılı, kenar düz alıcılı, düz yatay alıcılı, düz dikey alıcılı, ters V alıcılı gibi. Bu alıcı tipleri üzerine hem teorik hem de deneysel çalışmalar yapılmıştır. O Gallagher 1982 yılında vakum cam tüplü silindirik alıcılı BPY ile % 50 verim elde etmiş ve 200ºC sıcaklığa ulaşmayı başarmıştır [1]. Kaiyan ve Hongfei BPY için farklı kavisli yüzeyler geliştirmişlerdir. Tasarladıkları farklı kavisli yüzeye sahip yoğunlaştırıcının arka tarafına son derece kullanışlı ve farklı uygulamalarda da kullanılabilen bir odak koyarak, yansıyan ışının birleşik parabolik yoğunlaştırıcılı kollektörden geri iletilmesini sağlamışlardır [2]. Smyth ve Zacharopoulos, BPY lerin emici yüzeylerinde güneş enerjisi dağıtımı üzerine yaptıkları çalışmada güneşlenme yoğunluğu ile ilişkilendirilen sıcaklık artış oranını elde etmişlerdir. Bu oranın doğruluğu 2 boyutlu ışın izleme analizinde kanıtlanmıştır [3]. Oommen ve Jayaraman BPY tasarımı üzerine çalışmalar yapmışlar ve boşluk kaybını azaltmak üzerine yeni yaklaşımlarda bulunmuşlardır. Yaptıkları çalışmada yarım kabul açısını 23.5º olarak belirleyerek boru şeklindeki emiciyi 19mm olarak seçmişlerdir. Yaptıkları BPY ile buhar üretmişler ve %50 verim sağlamışlardır [4]. Tripanagnostopoulos ve Yianoulis düşük maliyetli birleşik parabolik kollektör tasarlamış ve test etmişlerdir. Tasarladıkları bu kollektöre 2 ayrı absorbör ve horizantal asimetrik ayna dahil etmişlerdir. İki kollektör aynı temel tasarım ile sunulmaktadır. 1.tip doğrudan su ısıtma için kullanılan borulu absorbörlü, 2.si teneke tipi absorbörlüdür. Tasarladıkları bu kollektörlerin verimli olduğu test sonuçlarında açıkça görülmüştür [5]. Zgalei ve Mahgiub, solar soğutma için BPY nin matematiksel modellemesini yapmışlar ve bu modellemede yoğunlaştırma oranını 5 olarak belirlemişlerdir. Ayrıca çalışmaları sonucunda 150ºC sıcaklığa ulaşmışlardır [6]. Kim ve Han, BPY için termal performans değerlendirmesi yapmışlardır [7]. Baum ve Gordon silindirik alıcılı BPY üzerine çalışmalar yapmışlardır. [8]. Tunç, BPY lerin geometrik özelliklerinin analitik incelemesini yaparak silindirik alıcılı kollektörler ile farklı tipteki kollektörlerin geometrilerini incelemiştir. [9]. Rabl, BPY lerin optik ve ısıl özelliklerinin analizi üzerine çalışmıştır [10]. Çalışmamızda BPY nin bazı parametrelerinin değişiminin yoğunlaştırma oranına etkisi incelenmiştir. Bu parametreler; yarım kabul açısı, yüksekliğin açıklığa oranı, uzunluk ve kolektör uzunluğunun kolektör açıklığına oranıdır. BİRLEŞİK PARABOLİK YOĞUNLAŞTIRICILI KOLEKTÖRLER BPY parabolik kısım, involüt kısım ve alıcıdan meydana gelir. İnvolüt, birleşik parabolik toplacın ilk bölümüdür. Parabolik bölümün alıcıya doğru içe dönük kısmıdır. Gelen ışınların alıcıya teğet olarak yansımasını sağlar. İnvolütler, içe doğru sarılan sarmal involüt ve dışa doğru açılan involüt olmak üzere iki şekilde olmaktadır. Şekil 1. de birleşik parabolik yoğunlaştırıcılı kollektördeki başlıca büyüklükler gösterilmiştir. 2
Gürbüz K., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 Şekil 1. Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kolektör (θ: yarım kabul açısı, H: kolektör yüksekliği A: kollektör açıklığı, r: silindirik alıcının yarıçapı). Yarım kabul açısı; toplacın kenarından gelen en son ışının kollektör ekseni ile yaptığı açıdır. BPY nin parabol ve involüt bölümü için ayrı ayrı hesaplamalar yapmak gerekir. Ø açısı ışınımın gelme açısına göre değişen açıdır. Ø açısı parabol bölümü için; Ø açısı involüt bölümü için Aralığında değişmektedir. BPY nin silindirik alıcısının yarıçapı r dir. Parabolik kısımda bir noktanın konumu eşitlik 3 ve 4 ile hesaplanmaktadır: x = ] (3) (1) (2) y = (4) İnvolüt kısımda bir noktanın konumu eşitlik 5 ve 6 ile hesaplanmaktadır: x = ) (5) y = (6) 3
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kolektörlerde BULGULAR VE TARTIŞMA Bu çalışmada BPY nin geometrik özelliklerinim değişimiyle yoğunlaştırma oranının değişimi incelenmiştir. BPY nin değiştirilen geometrik özelliklerinden birisi yarım kabul açısı; diğeri ise parabol kollarında yapılan kesme işlemidir. Bu işlemler yapılarak değişik H/A, L ve L/A değerleri için yoğunlaştırma oranı hesaplanmıştır. Burada H: kolektör yüksekliği, A: kollektör açıklığı, L Yansıtıcı yüzey uzunluğudur. Şekil 2 de farklı yarım kabul açılarının yoğunlaştırma oranına etkisi görülmektedir. Yarım kabul açısı değerleri arttıkça yoğunlaştırma oranları azalmaktadır. Yoğunlaştırma oranının azalışı nonlineerdir. Örneğin 10 yarım kabul açısında yoğunlaştırma oranı 5.761 iken, 85 kabul açısında yoğunlaştırma oranı 1.003 olmaktadır. Şekil 2. Yoğunlaştırma oranının yarım kabul açısı ile değişimi. Şekil 3 te farklı yarım kabul açısı değerlerinde yoğunlaştırma oranının kollektör açıklığına bağlı değişimi görülmektedir. Bu şekilde açı değerinin etkisi olmadığı görülmektedir. Kollektör açıklığı arttıkça, yoğunlaştırma oranı lineer olarak artış göstermektedir. Yukarıda farklı açı değerleri için kollektör açıklığının yoğunlaştırma oranına etkisi grafiksel olarak gösterilmiştir. Şekil 3. Yoğunlaştırma oranının kolektör açıklığı ile değişimi. Şekil 4 de yoğunlaştırma oranının H/A oranı ile değişimi görülmektedir. H/A oranı yüksekliğin açıklığa oranı şeklinde tanımlanabilir. Artan H/A oranına karşılık kollektörün yoğunlaştırma oranı artmaktadır. Yaptığımız hesaplamalarda bu oran ile yoğunlaştırma oranın doğru orantılı olduğu saptanmıştır. Kollektörün yüksekliğinin açıklık alanına oranı, kollektörün kapladığı alanı doğrudan etkilemektedir. H/A 4
Gürbüz K., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 oranının büyük olması durumunda kollektör dikey doğrultuda uzun, bu oranın küçük olması durumunda ise kollektör yatay doğrultuda geniş olacaktır. Şekil 4. incelendiğinde 10 lik yarım kabul açısı değerinde kollektörün yoğunlaştırma oranı ve yüksekliği en büyüktür. 30 lik yarım kabul açısı değerinde ise kollektörün yoğunlaştırma oranı ve yüksekliği en küçüktür. Buna göre açı değeri ne kadar büyürse kollektörün kapladığı alan o kadar küçük olacak ve kullanılan malzeme miktarı azalacaktır. Küçük açı değerlerinde ise yüksek yoğunlaştırma oranı elde edilmesine rağmen, kollektörün kaplayacağı alan artacağından dolayı kollektörde kullanılan malzeme miktarı artacaktır. (a) (b) (c) Şekil 4. Yoğunlaştırma oranının H/A oranı ile değişimi. 5
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kolektörlerde Bu hesaplamalar silindirik alıcılı BPY için yapılmıştır. Alıcının çapı 40 mm, Yoğunlaştırma oranı, kolektörün uzunluğuna bağlı değişim göstermektedir. Bu değişimler aşağıda gösterilmiştir. Şekil 5 de yoğunlaştırma oranının uzunluğa bağlı değişimi görülmektedir. Farklı yarım kabul açılarında yoğunlaştırma oranı arttıkça kolektör uzunluğu azalmaktadır.10 lik yarım kabul açısı değerinde yoğunlaştırma oranı 5.76 ve kolektör uzunluğu 9226 mm iken, 30 lik yarım kabul açısında yoğunlaştırma oranı 2.76 ve kolektör uzunluğu 1389 mm olmaktadır. Bu azalış nonlineerdir. (a) (b) (c) Şekil 5. Yoğunlaştırma oranının uzunluğa bağlı değişimi Farklı kesim açıları ile kolektöre kesim uygulanmış ve bu kesimin yoğunlaştırma oranına etkisi incelenmiştir. Kolektöre kesim uygulandığında yoğunlaştırma oranında azalma görülmüştür. Örneğin 60 6
Gürbüz K., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 de kolektör uzunluğu 579.6 mm iken yoğunlaştırma oranı 1.15 tir. Aynı açı değerinde kolektöre kesim uygulandığında kolektörün uzunluğu 536 mm ve yoğunlaştırma oranı 1.14 olmaktadır. Bu durumda kesim uygulanması ile yoğunlaştırma oranı arasındaki ilişkinin dikkate alınmayacak kadar az olduğu görülmektedir. Ayrıca, kolektör uzunluğunun kolektör açıklığına oranı hesaplanmış, bu oranın yoğunlaştırmaya etkisi incelenmiştir. Yapılan hesaplamaların grafikleri aşağıdadır. Şekil 6 da yoğunlaştırma oranının L/A oranı ile değişimi gösterilmiştir. L/A oranı kolektör uzunluğunun kolektör açıklığına oranıdır. Bu oran arttıkça yoğunlaştırma oranı da artmaktadır. (a) (b) (c) Şekil 6. Yoğunlaştırma oranının L/A ile değişimi 7
Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 Birleşik Parabolik Yoğunlaştırıcılı Kolektörlerde SONUÇLAR VE ÖNERİLER BPY nin bazı parametrelerinin değişiminin yoğunlaştırma oranına doğrudan etkisi olduğu görülmüştür. Yoğunlaştırma oranı, yarım kabul açılarına bağlıdır. Yaptığımız hesaplamalar sonucunda yarım kabul açıları arttıkça yoğunlaştırma oranının azaldığı görülmektedir. Örneğin 10 lik yarım kabul açısında yoğunlaştırma oranı 5.761 iken, 85 lik yarım kabul açısında bu oran 1.003 olmaktadır. Yarım kabul açısının küçük olması yoğunlaştırma oranının artmasına sebep olurken, aynı zamanda kollektör yüksekliğini ve boyunu artıracağından dolayı kullanılan malzeme miktarı da artacaktır. Ayrıca yarım kabul açısı küçüldükçe yoğunlaştırma oranı artmakta fakat kollektörün daha sık aralıklarla güneşi takip etmesi gerekmektedir. Hesaplamalar sonucunda kollektör açıklığındaki artışın yoğunlaştırma oranını doğrudan etkilediği gözlenmiştir. Kollektör açıklığının artmasıyla birlikte yoğunlaştırma oranı lineer olarak artış göstermektedir. Kollektör yüksekliğinin kolektör açıklığına oranı da yoğunlaştırma oranın bağlı olduğu parametrelerden biridir. Buna göre yükseklik ile açıklık alanı oranı (H/A) arttıkça yoğunlaştırma oranı artmakta, yükseklik ile açıklık alanı oranı (H/A) azaldıkça yoğunlaştırma oranı azalmaktadır. Yoğunlaştırma oranı kollektörün boyuna (L) bağlı olarak da değişim göstermektedir. Kollektörün boyu arttıkça yoğunlaştırma oranı da artmaktadır. Kollektöre kesim uygulandığında ise yoğunlaştırma oranı azalmaktadır. Örneğin 10 lik yarım kabul açısında kolektör uzunluğu 9226 mm iken yoğunlaştırma oranı 5.76dır. Kolektöre kesim uygulandığında yoğunlaştırma oranı 1 e doğru yaklaşmaktadır. Kollektör boyunun kollektör açıklığına oranı da yoğunlaştırma oranını etkilemektedir. Bu oran arttıkça yoğunlaştırma oranı da artmaktadır. 5. SİMGELER ve KISALTMALAR A BPY C H L r Ѳ Ø Kollektör açıklığı Birleşik parabolik yoğunlaştırıcı Yoğunlaştırma oranı Kolektör yüksekliği Yansıtıcı yüzey uzunluğu Yarıçap (mm) Yarım kabul açısı Yansıtıcı yüzeylerin geometrisini belirlemek için açısal parametre KAYNAKLAR [1] O Gallagher, J., Rabl, A., Winston, R., Design and Test of Non-Evacuated Solar Collectors With Compound Parabolic Concentrators, Solar Energy, cilt 4, 1980, sayfa 335-351. [2] Kaiyan, H., Hongfei, Z., A Novel Multiple Curved Surfaces Compound Concentrator, solar Energy, cilt 85 ( 2011 ), sayfa 523-529 [3] Smyth, M., Zacharopoulos, A., An Experimental Procedure to Determine Solar Energy Flux Distributions on the Absorber of Line-Axis Compound Parabolic Concentrators, Renewable Energy, volume 16, ıssues 1-4, January - April 1999, pages 761-764 [4] Oommen, R, Jayaraman, S., Development and Performance Analysis of Compound Parabolic Solar Concentrators with Reduced Gap Losses V Groove Reflector, Renewable Energy, Issue 27, (2002), pages 259 275. [5] Tripanagnostopoulos, Y.,ve Yianoulis, P., Papaeflhimiou, S., Cost effective asymmetric CPC solar collectors, Renewable Energy, volume 16, (1999), pages 628-631. 8
Gürbüz K., Atik K. Teknolojik Araştırmalar: MTED 2012 (9) 1-9 [6] Zgalei, A., Mahgiub, O.,Studying the Feasibility of the Compound Parabolic Conncentrator for Solarcooling, Al- Satil Journal, pages 81-92, [7] Kim, Y., Han, G., An Evaluation on Thermal Performance of CPC Solar Collector, International Communications in Heat and Mass Transfer, volume 35, (2008), pages 446 457. [8] Baum, H., Gordon, J., Geometric Characteristics of Ideal Nonimaging (CPC) Solar Collectors With Cylindrical Absorber, Solar Energy, Volume 33, Issue 5, (1984), pages 455-458 [9] Tunç, G., Birleşik Parabolik Güneş Toplaçlarının Geometrik Özelliklerinin Analitik Çözümlemesi, Başkent Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Yüksek Lisans Tezi, (2011) [10] Rabl, A., Optical and Thermal Properties of Compound Parabolic concentrators, Solar energy, Volume 18, Issue 6, (1976), Pages 497-511. 9