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

Abstract

The concept of exergy is used to determine the maximum energy that can be extracted from a system. It is based on both the first and the second laws of thermodynamics and allows us to determine the irreversibilities throughout a process and the losses from the system. In this dissertation, the fundamentals of spectral radiative exergy are developed and applied to determine the maximum conversion of solar energy in concentrated solar power (CSP) systems. There are five primary objectives of this study. First, a new formulation is developed for the maximum efficiency of the solar radiation conversion by considering the radiative energy transfer between two surfaces at different temperatures for a constant volume system. Exergy of spectral radiative transfer is determined, and the formulation for the exergy efficiency maximization is presented in a direct and practical manner. For the calculation of maximum efficiency, the mean temperature of the environment and the sink temperature are used. Second, a new methodology is presented for spectral radiative energy and radiative exergy calculations to evaluate the performances of CSP systems. Spectral radiative properties and the operating temperature of selective surfaces, along with the temperature of the environment, are considered in these analyses. The fundamental quantities needed for the spectral radiative energy and radiative exergy formulations are introduced, and then the spectral performances of five selective coatings are assessed. The spectral analysis is performed in the wavelength range of 250 nm to 20,000 nm, while thermal analysis is carried out for the temperature range of 325 K to 800 K. The third objective is to introduce a new approach for estimating the exergy value of the monthly average daily horizontal global radiation, including several parameters, as the monthly average daily value of the horizontal extraterrestrial radiation, the number of sunny hours, the day length, the mean temperature and the mean wind velocity. Seven statistical parameters are used to validate the accuracy of all models. The concept is applied to four locations in Iraq and Turkey, to help predicting the maximum available solar radiation based on different weather parameters. The fourth objective is to outline a comprehensive energy analysis for a parabolic trough collector (PTC) system. The analysis considers all heat transfer modes, optical components, and the details of spectral absorption and reflection of solar radiation on the glass envelope. The energy performance of the PTC system is investigated using five gases in an annular space, five selective coatings of the absorber surface, and four common heat transfer fluids following a two-dimensional approach. A model is built using Engineering Equation Solver (EES). The results obtained are compared against the available results from experimental tests and analytical models. This analysis shows the effects of the properties of the absorbing gas, the selective coating and the working fluid on the energy performance of PTC as the key parameters of energy for various operating conditions. The fifth objective of the study is to establish a methodology to analyze PTC systems using the principles of spectral radiative exergy. The fundamental relations for spectral exergy analyses are derived starting from the first and second law of thermodynamics, and the key performance parameters, including exergy losses, destructions, consumption and efficiency are determined using the same parameters mentioned above in the fourth objective. It is noted that the exergy destruction is directly related to irreversibility throughout processes while the exergy losses are due to the thermal and optical losses. Based on these findings, an improvement of PTC design parameters are discussed.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.