Düzlemsel termal güneş kolektörlerinde temel tasarım parametrelerinin verim üzerinde etkilerinin deneysel ve sayısal incelenmesi

Bu çalışmada, düzlemsel güneş kolektörlerinin ısıl performansını etkileyen temel tasarım ve işletme parametreleri hem deneysel hem de sayısal olarak incelenmiştir. Çalışma kapsamında TRNSYS yazılımında oluşturulan kolektör modeli, farklı koşullarda test edilen düzlemsel kolektörden elde edilen deneysel veriler ile doğrulanmıştır. Deneysel ve sayısal sonuçlar arasında güçlü bir uyum gözlenmiş, maksimum sapma yaklaşık %4 olarak belirlenmiştir. Analizler, debi, giriş suyu sıcaklığı, ortam sıcaklığı, boru çapı, soğuruculuk, yayıcılık, plaka-cam aralığı ile yalıtım malzemesi ve kalınlığı gibi parametrelerin kolektör verimi üzerindeki etkilerini kapsamlı biçimde ortaya koymuştur. Sonuçlar, en yüksek verimin 175–225 kg/h debi aralığında ve 30–34°C ortam sıcaklıklarında elde edildiğini göstermektedir. 175 kg/h debide kolektör verimi %81,2, 34°C ortam sıcaklığında ise %84,1 olarak hesaplanmıştır. Soğuruculuk ile kolektör verimi arasında doğrusal bir ilişki olduğu görülmüş, soğuruculuk oranının 0,60’tan 0,95’e yükselmesiyle termal verimin %48,4’ten %81,2’ye yükseldiği tespit edilmiştir. Yayıcılık oranının 0,05’ten 0,40’a çıkması verimde yaklaşık %8,3’lük bir azalmaya yol açmıştır; ancak bu etkinin soğuruculuk artışına kıyasla daha zayıf olduğu görülmüştür. Ayrıca, ısı iletkenlik katsayısı 0,015–0,050 W/m·K aralığında değişen farklı yalıtım malzemelerin simülasyonları, 50 mm yalıtım kalınlığında %82’ye ulaşan bir verim elde edildiğini, 45 mm üzerindeki kalınlıklarda verim artışının ihmal edilebilir seviyede olduğunu göstermiştir. Plaka-cam aralığının 13 mm olduğu durumda ise en yüksek verim değerine ulaşılmıştır. Elde edilen bulgular, kolektörün geometrik ve malzeme özelliklerinin ısıl performans üzerinde doğrudan etkili olduğunu ve özellikle debi, soğuruculuk ve yalıtım kalınlığı gibi parametrelerin tasarım açısından kritik öneme sahip olduğunu ortaya koymaktadır. Ayrıca bu çalışma, TRNSYS yazılımının düzlemsel güneş kolektörlerinin ısıl ve tasarımsal performanslarının tahmininde güvenilir bir araç olduğunu göstermekte ve yüksek verimli termal güneş kolektörlerinin tasarımına yönelik bir referans sunmaktadır.

This study presents an experimental and numerical investigation of the key design and operating parameters influencing the thermal performance of flat-plate solar thermal collectors. A TRNSYS-based model was developed and validated against experimental data obtained from a flat-plate collector set tested under various conditions. Strong agreement was observed between the measured and simulated results, with a maximum deviation of approximately 4%. The analysis comprehensively examined the influence of parameters such as flow rate, inlet water temperature, ambient temperature, pipe diameter, absorptance, emissivity, plate-to-glass spacing, and insulation material and thickness on collector efficiency. The results showed that the highest performance occurred at flow rates between 175–225 kg/h and ambient temperatures of 30–34°C, corresponding to efficiencies of 81.2% at 175 kg/h and 84.1% at 34°C. A linear relationship between absorptance and efficiency was identified, with efficiency increasing from 48.4% at 0.60 absorptance to 81.2% at 0.95 absorptance. Increasing the emissivity from 0.05 to 0.40 resulted in an 8.3% reduction in efficiency; however, its negative effect was less significant than the positive impact of absorptance. Simulations performed with insulation materials of thermal conductivity coefficients ranging from 0.015 to 0.050 W/m·K revealed that maximum efficiency of approximately 82% was achieved at 50 mm insulation thickness, with negligible improvements beyond 45 mm. Additionally, the highest performance among all tested configurations was obtained at a plate-to-glass spacing of 13 mm. The results demonstrate that the geometric and material properties of the collector have a substantial effect on thermal efficiency, highlighting flow rate, absorptance, and insulation thickness as critical parameters for the design. The validated TRNSYS model proved to be a reliable tool for predicting the thermal and designdependent performance of solar collectors, offering valuable insights for improving the energy efficiency and sustainability of solar thermal systems.