Investigation of Concentrating Parabolic Collectors Integrated with Hot Water Cylinder for Solar Water and Space Heating Applications

Abstract

Flat plate collectors are the most common type of collectors used in residential applications. However, efficiency of these collectors decrease in situations when the available beam radiation is limited. This study aims to investigate the potential of Compound Parabolic Collectors (CPC) for being utilized in residential solar water heating systems, instead of conventional flat plate collectors. To do so, several related parameters like useful solar heat gains, auxiliary power requirements and efficiencies of both collector types under same operating conditions are examined and compared. Within the study, a solar water heating system consisting of a solar collector, a storage tank and a circulating pump was simulated in TRNSYS. The simulations were carried out in the first week of January for two different cities, Nicosia with abundant and London with limited solar radiations. Water circulates between the collector and the tank to generate solar sourced heat and to store it for later use. Tank temperature is maintained at 60oC thought the simulation. An electric heater is considered as auxiliary heating device to boost the water temperature to the set point when there is not sufficient solar radiation available. The results show that in both considered locations (Nicosia and London) CPC provides higher outlet temperatures compared to flat plate collector. The gap is more meaningful particularly in days with low beam radiation. According to the results, weekly efficiency of CPC and flat plate collector are 34% and 21% for Nicosia and 30% and 15% for London, respectively. In addition, useful solar energy gain of CPC is 61% and 97% more than that of the flat plate collector in Nicosia and London, respectively. As a result, auxiliary power requirements are 11% and 6% less for CPC, respectively. Also, CPC provides a higher yearly performance in both cities.

ÖZ: Düz plakalı kollektörler güneş enerjili sıcak su eldesi amacıyla binalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Ancak bu tür güneş kollektörü sistemlerinin verimi, güneş ışınımı miktarının sınırlı olduğu koşullarda düşüktür. Bu çalışma, binalarda güneş enerjili sıcak su üretimi uygulamalarında düz plakalı güneş kollektörleri yerine yoğunlaştırmalı parabolik güneş kollektörlerinin kullanılmasının uygunluğunu karşılaştırmalı olarak incelemektedir. Bu bağlamda, aynı çalışma koşulları altında, düz plakalı ve yoğunlaştırmalı parabolik güneş kollektörlerinin yararlı güneş enerjisi kazancı, ilave enerji gereksinimleri ve verimlilik değerleri karşılaştırmalı olarak analiz edilmiştir. Çalışma kapsamında, güneş kollektörü, sıcak su depolama tankı ve sirkülasyon pompasından meydana gelen sistem TRNSYS programında simüle edilmiştir. Simülasyonlar ocak ayı ilk haftası için, yüksek ve düşük güneş ışınımı değerlerine sahip Lefkoşa ve Londra şehirlerine uygulanmıştır. Sistemde su, güneş kollektörleri ve su tankı arasında sirküle edilerek, daha sonra kullanılmak üzere sıcak su eldesi sağlanmaktadır. Simulasyonlar sırasında su sıcaklığı ayar derecesi 60 °C olarak seçilmiştir. Güneş ışınım değerinin yeterli olmadığı durumda su sıcaklığını ayar noktasında tutabilmek için sistemde elektrikli su ısıtıcı ünitesi kullanılmıştır. Çalışma sonuçlarına göre seçilen her iki konumda da (Lefkoşa ve Londra) yoğunlaştırmalı parabolik güneş kollektörü, düz plakalı güneş kollektörüne göre daha yüksek çıkış suyu sıcaklığı sağlamaktadır. Bunun yanında yoğunlaştırmalı parabolik ve düz plakalı kollektör performansı arasındaki fark, güneş ışınımı değerinin düşük olduğu günlerde daha yüksek olmaktadır. Simulasyon sonuçlarına göre, ocak ayı ilk haftasında yoğunlaştırmalı parabolik ve düz plakalı kollektör ortalama verimleri Lefkoşa için 34% ve 21%, Londra için ise 30% ve 15% olarak bulunmuştur. Ayrıca, Lefkoşa ve Londra koşulları için, yoğunlaştırmalı parabolik güneş kollektörü yararlı güneş enerjisi kazancı, düz plakalı kollektöre göre sırasıyla 61% ve 97% daha yüksek bulunmuştur. Bunun sonucu olarak, Lefkoşa ve Londra koşullarında, ilave elektrik enerjisi gereksinimi, younlaştırmalı parabolik kollektrörler için 11% ve 6% daha düşük olarak hesaplanmıştır. Bunun yanında uzun dönemli çalışma koşullarında da yoğunlaştırmalı güneş kollektörü yıllık ortalama performansının düz plakalı güneş kollektörlerine göre daha yüksek olduğu belirlenmiştir.