Düz güneş enerjisi toplayıcılarında yutucu plakada oluşan ısı transferinin parametrik analizi

Abstract

Güneş enerjisi uygulamalarındaki artışa paralel olarak, güneş enerjisinin faydalı ısı enerjisine dönüştürüldüğü düz güneş enerjisi toplayıcılarından ısı transferinin verimli olarak gerçekleştirilmesinin önemi giderek artmaktadır. Bu çalışmada, düz toplayıcılarda güneş ışınım enerjisinin ısı taşıyıcı akışkana aktarıldığı yutucu plakanın ısıl analizi yapıldı. Geliştirilen analitik formülasyonda yutucu plaka tek boyutlu bir kanat olarak incelendi. Yutucu plaka üst yüzeyinde güneşten gelen ışınım akısı ve çevreye olan ısı kaybı tanımlanırken, alt yüzey ideal olarak yalıtılmış kabul edildi. Kanat ısı transfer denklemleri analitik olarak çözülerek, yutucu plaka üzerindeki sıcaklık dağılımını ve plakadan akışkana olan ısı geçişini veren bağıntılar elde edildi. Sıcaklık dağılımı ve ısı geçişi üzerindeki etkili parametreler temel olarak; geometrik boyutlar, akışkan sıcaklığı, yutucu plaka malzemesinin ısı iletim katsayısı, ışınım ısı akısı, çevre sıcaklığı ve çevreye olan toplam ısı kayıp katsayısıdır. Bu parametrelerin etkileri metodik olarak incelendi, inceleme sonucunda; yüksek ısı iletim katsayısına sahip yutucu plakadaki sıcaklık seviyesinin ve akışkana geçen ısı akısının arttığı tespit edildi. Toplayıcıda elde edilen faydalı ısı enerjisinin kullanılabilirliğini belirleyen, pratik çalışma şartlarında ulaşılabilecek maksimum akışkan sıcaklığı, güneş ışınım şiddetinin fonksiyonu olarak elde edildi. Elde edilen tüm sonuçlara bağlı olarak, toplayıcı verimi üzerindeki parametrelerin etkileri tespit edildi.

Importance of efficient heat transfer in straight solar energy collectors, where solar energy is converted into useable heat energy, has been ever increasing with demanding solar energy applications. In this study, thermal analysis of the absorber plate, where solar radiation energy is transferred to tie fluid carrying heat in the straight solar collector, have been performed. In the analytical formulation developed, the absorber plate has been treated as a one-dimensional fin. Radiation flux coming from the sun and heat loss to the environment are defined at the upper face of the absorber plate while the lower face is assumed to be ideally insulated. By solving the fin heat transfer equations analytically, relations giving temperature distribution on the absorber plate and heat transfer from the absorber plate to the working fluid have been derived. Effective parameters on temperature distribution and heat transfer are mainly: geometrical dimensions, fluid temperature, heat conduction coefficient of the absorber plate, radiation heat flux, environmental temperature, and total heat loss coefficient to the environment. Effects of these parameters are methodically investigated. One of the investigation results is that the absorber plate with high heat conduction coefficient yields increased temperature level and heat flux transferred to the working fluid. The achievable maximum fluid temperature at the practical working conditions, which quantifies the availability of useable heat energy obtained in the collector, has been determined as a function of incident solar radiation. Effects of the parameters dominating the collector efficiency have been investigated by evaluating all the analysis results.