tmmobmakina mühendisleri odası

GÜNEŞ ENERJİSİSİSTEMLERİ

SEMPOZYUMU VE SERGİSİİSİ

BİLDİRİLER KİTABI

MMO Yayın No: E/2003/321

20-21 HAZİRAN 2003MERSİN

tmmobmakina mühendisleri odası

Adres : Sümer Sokak NO: 36/1 -A Demirtepe / ANKARATel : 0(312) 231 31 59 - 231 31 64 - 231 80 23 - 231 80 98Fax : 0(312) 231 31.65E-posta : mmo@mmo.org.trWeb : http://www.mmo.org.tr

MMO Yayın No

ISBN

: E/2003/321: 975-395-607-X

Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümüdeğiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb.yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir.

DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI MERSİN ŞUBESİ

BASKI : Dost Ajans Matbaacılık Yayıncılık ve Tanıtım Hizmetleri / MERSİN

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

LİTYUM BROMİD/SU İLE ÇALIŞAN GÜNEŞ ENERJİLİ İKLİMLENDİRMESİSTEMİ VE BİR UYGULAMA

Arş.Gör. Arzu ŞENCANı, Prof.Dr. A.Kemal YAKUT 2, Arş.Gör. Önder KIZILKAN 3

lı2'3Sü. De. Ün. Tek. Eğ. Fak. Mak. Eğ. Bölümü Tel.: 0 246 2111365; Fax: 0 246-2371283 32260 İSPARTAe-mail adresi: 'sencan@tef.sdu.edu.tr 2akyakut@tef.sdu.edu.tr 3kizilkan@tef.sdu.edu.tr

ÖZET

Günümüzde, fosil yakıt rezervlerindeki azalma ve bu yakıtların oluşturduğu çevre kirliliği problemleriyüzünden güneş enerjisi gibi alternatif enerji kaynaklarının kullanılması daha da önem kazanmıştır.Güneş enerjisinin pek çok uygulama alanı mevcuttur. Bu uygulama alanlarından biri de, güneşenerjisinin soğutma ve iklimlendirme sistemlerinde kullanılmasıdır. Güneş enerjisi ile soğutma veiklimlendirme uygulamaları için kullanılan metotlardan biri de absorbsiyonlu sistemlerdir.Absorbsiyonlu sistemlerde, değişik enerji kaynaklarından sağlanan ısıl enerji, soğutma etkisi üretmekiçin direkt olarak kullanılmaktadır. Absorbsiyonlu sistemlerde amonyak/su, amonyak/kalsiyum klorid,lityum bromid/su, lityum bromid/etilen glikol gibi birçok akışkan çifti kullanılmaktadır. Fakat güneşenerjili iklimlendirme sistemlerinde en yaygın olarak lityum bromid/su akışkan çifti kullanılmaktadır.

Bu çalışmada; lityum bromid/su ile çalışan güneş enerjili bir absorbsiyonlu soğutma sistemi incelenmişve İsparta'da seçilen bir uygulama alanına göre soğutma yükü hesaplanmıştır. Bu soğutma yükünükarşılayacak absorbsiyonlu sistem tasarlanmıştır. Absorbsiyonlu sistemde gerekli ısı, güneş enerjisivasıtasıyla temin edilmiştir. Bu amaçla, İsparta iklim şartları için güneş radyasyonu ve düzlemselkollektör alanı hesaplan yapılmıştır. Aynı soğutma kapasitesi için, tasarlanan güneş enerjiliabsorbsiyonlu iklimlendirme sistemi ile konvansiyonel bir iklimlendirme sisteminin maliyet analizleriyapılmıştır.

Anahtar kelimeler: Güneş enerjisi, absorbsiyonlu soğutma, güneş enerjili soğutma.

GİRİŞ

Yirminci yüzyılın ilk yıllarında absorbsiyonlu sistemler oldukça rağbet görmüş ve çeşitli uygulamaalanları bulmuştur. Ancak klasik buhar sıkıştırmalı sistemler daha ekonomik olduğu için 1930'luyıllardan sonra uzun süre bu konuda fazla çalışma yapılmamıştır. Bunun nedeni ise bu yıllardaelektriğin ucuz olması ile değişik boyut ve kapasitelerdeki kompresörlerin kullanıma girmiş olmasıdır.Çeşitli endüstriyel tesislerdeki atık ısı enerjisinin değerlendirilmesi ve tükenmez bir enerji kaynağıolan güneş enerjisinin kullanılmasına olanak sağlayan absorbsiyonlu sistemler, enerjinin pahalı vekıymetli olduğu günümüzde oldukça önem kazanmıştır [Dinçer, 1994].Bu çalışmada; güneş enerjisinden yararlanarak 290kW'lık soğutma yükünü karşılayacak lityumbromid/su ile çalışan absorbsiyonlu bir iklimlendirme sistemi tasarlanmıştır. Sistemin performanskatsayısını ve termodinamik özelliklerini belirlemek için matematiksel bir model oluşturulmuştur.Sistemde gerekli ısı, güneş enerjisi ile temin edilmiştir. İsparta ili için eğik yüzeye gelen güneş

172

radyasyonu hesaplan ve kullanılan kollektörün toplam verimi bir bilgisayar programı yardımıylahesaplanmıştır. Son olarak gerekli düzlemsel kollektör alanı bulunmuştur.

SİSTEMİN ÇALIŞMASI VE MATEMATİKSEL MODELİ

Absorbsiyonlu sistem Şekil l'de gösterildiği gibi buhar sıkıştırmalı soğutma sistemine benzemesinekarşılık burada kompresörün yerini absorber, sıvı pompası ve generatör almıştır. Çalışma akışkanınıngeneratörde buharlaşarak eriyikten ayrılması için QG generatör ısısı verilir. Buharlaşan akışkankondenserde QK ısısını vererek sıvı hale geçer. Yüksek basınçta sıvı haldeki çalışma akışkanınınbasıncı düşürülerek evaporatöre gelir ve burada ortamdan QE ısısını alarak buharlaşır. Akışkan buhandaha sonra absorbere giderek generatörden gelen zayıf eriyikle birleşerek zengin eriyiği oluşturur. Busırada absorberden QA ısısı çekilmelidir. Absorberde oluşan zengin eriyik bir sıvı pompası yardımıylaısı değiştiriciden geçirilerek bir miktar ısı alır ve generatöre gönderilir (Chua, 2000 ve Tozer, 1997).Çevrim böylece devam eder. Şekil l'de görüldüğü gibi absorbsiyonlu sistemde yüksek ve alçak basınçdeğeri ile kondenser ve absorber sıcaklıklan aynı olmak üzere üç sıcaklık değeri vardır.

P

PK

T E T A T K T G T

Şekil 1. Basit bir absorbsiyonlu soğutma çevrimi.

Absorbsiyonlu sistemin matematiksel modeli aşağıdaki kabullerle yapılmıştır.

a.) Sistem tümüyle termodinamik dengededir,b.) Sistem analizi sürekli ve üniform durum şartlan için yapılmıştır.c.) Generatör ve absorberden aynlan eriyik ile kondenser ve evaporatörden aynlan çalışma akışkanıdoymuş haldedir.

d.) Isı kayıplan ve basınç düşüşleri ihmal edilmiştir,e.) Pompa işi ihmal edilmiştir,f.) Sistemin elemanlannın sıcaklıklan ve evaporatör ısı yükü QE bilinmektedir

173

Şekil l'de verilen absorbsiyonlu sistemin matematiksel modeli yukarıdaki kabullerle oluşturulmuştur.Sonuç olarak Tablo l'de verilen enerji ve kütle balansları eşitlikleri elde edilmiştir. [Herold, 1996 veAlefeld, 1994].

Absorbsiyonlu soğutma sistemi için performans katsayısı, evaporatör ısı yükünün generatör ısı yüküneoranı olarak tanımlanır:

COP =Q G

Sistem Elemanları

Pompa

Eriyik ısıeşanjörü

Eriyik genleşmevalfi

Absorber

Generatör

Kondenser

Soğutkan genleşmevalfi

Evaporatör

Tablo 1. Kütle ve enerji balans

Kütle Balansları

riij = rh 2

Xı=X2

m 2 = m 3 x2=X3

rh 4 = m 5 X4=xs

X 5 =X 6

m ı = m 6 + m ı o

m ı x ı = m 6 x 6 + r h ı o x ı o

rh3 =rh 4+rh 7

m 3 x 3 =rh 4 x 4 +rh 7 x 7

A 7 = m 8

X7=X8

m 8 = m 9

X 8 =X 9

m 9 = m i 0

X9=Xıo

eşitlikleri.

Enerji Balansları

m ı h ı +W = m 2 h 2

m 2 h 2 + m 4 h 4 = m 3 h 3 + m 5 h 5

h5=h6

m i h l + Q A = m 6 h 6 + m i 0 h 1 0

m 3 h 3 + Q G = m 4 h 4 + m 7 h 7

r h 7 h 7 = m 8 h 8 + Q K

h8=ll9

m 9 h 9 + Q E = m 1 0 h ı 0

Şekil l'de gösterilen QE=290kW'lık soğutma yükünü karşılayacak tek etkili LiBr-su absorbsiyonlusistemin çalışma şartlan, Tablo 2'de verilmiştir. Sistemin çalışma şartları; LiBr-su eriyiğinintermodinamik özelliklerinin hesaplanması ve tüm sistem elemanlarına enerji ve kütle balansdenklemlerinin uygulanmasıyla elde edilmiştir [ASHRAE.1997 ve Chua, 2000].

GÜNEŞ RADYASYONU VE KOLLEKTÖR HESABI

Tasarlanan sistemde gereken ısı enerjisini sağlamak için düzlemsel seçici yüzeyli güneş kollektörlerikullanılmıştır. Sistemde generatör sıcaklığı 80°C olarak alındığı için düzlemsel güneş kollektörlerininkullanılmasında bir sakınca olmayacaktır.

Eğik yüzeye gelen güneş radyasyonu değeri; bölgenin enlem derecesi (İsparta ili için E=37,75°),kollektör eğim açısı, aylık atmosfer ötesi ortalama radyasyon değerleri, aylık yeryüzü ortalamaradyasyon değerleri, ışık(direkt), yayılmış(difüz) ve yansıtılmış radyasyon açı faktörleri hesaplanarak

174

bulunmuştur. Sonuç olarak İsparta'da Eylül ayında 33° eğimli kollektör yüzeyine gelen toplamradyasyon miktarı aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir [Uyarel,1987]:TRA=DİR x DİRAF + DİF x DİFAF + YYRA x YAO x YAF

Burada:TRA=Kollektör üzerine gelen toplam radyasyon miktarı (kcal/m2 gün)DİR=Direkt radyasyon miktarı (kcal/m2 gün)DİRAF=Direkt radyasyon miktarı açı faktörü.DİF=Difüz radyasyon miktan (kcal/m2 gün)DİFAF=Difüz radyasyon açı faktörü.YYRA=Yeryüzü radyasyonu (kcal/m2 gün)YAO=Yansıtma oranıYAF=Yansıtılmış açı faktörü

Tablo 2. Absorbsiyonlu sistemin çalışma şartlan.Durum

12345678910

BasınçP(bar)

0,012270,073750,073750,073750,073750,012270,073750,073750,012270,01227

Sıcaklıkt(°C)4040

62,580565680401010

Konsantrasyonx (% LiBr)

5757575959590000

Entalpih(kj/kg)

-160-160

-111,69-85

-135-135

2643,8167,45167,452519,9

Kütlesel debim(kg/s)3,6233,6233,623

3,53,53,5

0,1230,1230,1230,123

COP= 0,672 QG= 432,34 kW Wpompa= 0,1 kWQA = 417,127kW QE = 290 kW P y ü k s e k = 7,375 kPaQ K = 304,59 kW QE I E= 175 kWPdUşUk= 1,122 kPa

Kollektör yüzeyine gelen toplam güneş radyasyonu:TRA=Q= 21064,61 kj/m2gün olarak bulunmuştur.

Güneş ışınım şiddeti It , birim kollektör yüzeyinden elde edilen faydalı ısı qu ve buradan da 8.00 ile17.30 saatleri arasındaki anlık verim değerleri Pascal bilgisayar programı yardımıyla hesaplanmıştır.Sonuç olarak; tüm bu hesap yapılan saatlerdeki toplam verim değeri yine bilgisayar programıyardımıyla hesaplanmış ve 0,60 olarak bulunmuştur. Buna göre generatörde gerekli QG= 432,34kW'lık enerjiyi temin etmek için gerekli kollektör hesabı aşağıda yapılmıştır:

Gerekli toplam kollektör yüzeyi [Annç, 1988 ve Duffıe, 1991]:

_ Vgerekli^ 2— 111

Q faydalı

Kollektördeki faydalı enerji [Annç, 1988]:

175

Qfaydalı - Qtegilc A TJtop A llm A T)eQteğik = Eğik yüzeye gelen enerji=5851,27 W/m2

r|tOp = Toplayıcı verimi (Toplam toplayıcı verimi bilgisayar programı yardımıyla 0,60 olarakbulunmuştu.)nm = Boru donanımı ve depolama verimi (0,50-0,80 arasında alınabilir.)r\e = Eşanjör verimi (0,50 alınabilir)

Buna göre kollektördeki faydalı enerji:Qfaydah = 1053,2286 W/m2 olarak bulunur.

Toplam kollektör yüzeyi:

Qgerekii = QG = 432,34 kW olduğuna göre gerekli toplam kollektör yüzeyi:Fk = 410,49 m2 » 411 m2 olarak bulunur.

Toplam kollektör adedi:

Kullanılan kollektörün bir adedinin alanı 2,106 m2 olduğuna göre;

Toplam kollektör adedi = Toplam kollektör yüzeyi / Bir adet kollektör alanı -195 olarak bulunur.

Sıcak su deposu hacmi (Arınç, 1988):

V= P . F k m3

p= 0,06 m3/m2 topl.V= 24,66 m3 olarak bulunur.Tasarlanan absorbsiyonlu sistemin maliyet hesaplamalan için Bayındırlık ve İskan Bakanlığı'nın birimfiyat tablosundan faydalanılmıştır. Buna göre absorbsiyonlu sistemin maliyeti yaklaşık olarak 50000$olarak hesaplanmıştır. Aynı soğutma yükünü karşılamak için piyasada bulunan split tip kanallı klimacihazlan kullanılacak olursa sistemin maliyeti yaklaşık 40000$ olmaktadır.

Ayrıca; kompresörlü sistemlerle absorbsiyonlu soğutma sistemleri harcadıklan enerji bakımındankarşılaştınlırsa, kompresörlü sistemde 75 kW'lık bir enerjiye ihtiyaç varken absorbsiyonlu sistemdeeriyik pompasını çalıştırmak için sadece 100 W'lık bir enerjiye ihtiyaç vardır. Buradan anlaşılacağıgibi absorbsiyonlu soğutma sisteminde eriyik pompasını çalıştırmak için harcanan enerji, kompresörlüsistemlerde harcanan enerji yanında ihmal edilebilecek kadar küçüktür.

SONUÇ

çifti ile çalışan absorbsiyonlu iklimlendirme sistemi elemanların termodinamik analiz veperformansına ilişkin hesaplamalar yapılmıştır. Sistemde ısı kaynağı olarak güneş enerjisikullanılmıştır. Bunun için güneş radyasyonu ve düzlemsel güneş kollektör hesaplamalan yapılmıştır.Güneş enerjili absorbsiyonlu sistemlerin maliyet hesabında güneş kollektörü maliyetinin oldukçayüksek olduğu görülmüştür. Tasarlanan sistemde gereken ısı enerjisini sağlamak için 195 adetdüzlemsel güneş kollektörüne ihtiyaç duyulmuştur. Generatör sıcaklığı ise 80°C olarak alınmıştır.Çünkü düzlemsel güneş kollektörü kullanılması durumunda generatör sıcaklığı en fazla 85-90°C yekadar çıkabilmektedir. Bunun sonucunda da, sistem verimi daha düşük olmaktadır. Bu yüzden, büyüksoğutma kapasiteli sistemler için parabolik(yoğunlaştıncı) kollektörlerin kullanılması ile ilk yatınmmasraflan artmasına rağmen gerekli kollektör yüzeyi azalacağından avantaj söz konusudur.

176

Güneş enerjisi ile soğutma, kullanım ve ticari açıdan diğer güneş enerjili uygulamalar kadar yaygındeğildir. Absorbsiyonlu iklimlendirme sistemlerinde ilk yatırım maliyeti yüksek olmasına rağmen, busistemlerde güneş enerjisi dışında jeotemal, LPG ve atık ısı gibi enerji kaynaklarının kullanılabilmesive sistemde kullanılan akışkanların ozon tabakasına zarar vermemeleri gibi avantajları nedeniyle, busistemler günümüzde güçlü bir alternatif konumundadır.

KAYNAKLAR

Alefeld, G., Radermacher, R., "Heat Conversion Systems", CRC Press, 1994

Arınç, Ü. D., "Güneşli Su Isıtıcılarının Projelendirilmesi ", Yıldız Üniversitesi Isı Tekniği Bilim Dalı,İstanbul,1988

ASHRAE Fundamentals Handbook, 1997

Chua, H.T., Toh, H.K., Malek, A., Ng, K.C., Sirinivasan, K., "A general termodynamic framework forunderstanding the behaviour of absorption chillers", Int. J. Refrig., 23, 491-507, 2000.

Chua, H.T., Toh, H.K., Malek, A., Ng, K.C., Sirinivasan, K., "Improved thermodynamic propertyfields of LiBr-H2O solution.", Int. J. Refrig., 23, 412-429, 2000.

Dinçer, İ., Türe, İ. E., Edin, M., "R22 ve DMETEG Akışkan Çiftinin Kullanıldığı Güneş Enerjili BirAbsorbsiyonlu Soğutma Sisteminin Tasarımı" , Güneş Enerjisi Uygulamaları- GelişmeleriSempozyumu Bildiriler Kitabı, pp. 243-249, Muğla, 1994

Duffie, J. A., Beckman, W. A., "Solar Engineering of Thermal Processes", NewYork:John Wiley &Sons, 1991

Herold, K.E., Radermacher, R., Klein, S.A., "Absorption Chilles and Heat Pumps", CRC Press, 1996Tozer, R.M., James, R.W.," Fundamental thermodynamics of ideal absorption cycles", Int. J. Refrig.,20(2), 120-135, 1997.

Uyarel, A. Y., Öz, E. S., "Güneş Enerjisi ve Uygulamaları", Birsen Yayınevi, Ankara, 1987

177

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARARLANMADA PASİF SİSTEM TASARIMI

Doç. Dr. Gül KOÇLAR ORAL

İstanbul Teknik Üniversitesi, Mimarlık Fakültesi 80191 Taşkışla - Taksim - İstanbul

ÖZET

Ülkemizin yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneş enerjisi açısından zengin bir potansiyele sahipolduğu bilinmektedir. Güneş enerjisinin ısıtıcı etkisinden minimum maliyetle yararlanmak için aktifısıtma sistemlerin minimum düzeyde kullanılması ve binaların pasif ısıtma sistemleri olarak doğrutasarlanması zorunlu olmaktadır. Aktif ısıtma sistemi olmaksızın kullanılabilen bir bina, bir bütünolarak pasif ısıtma sistemidir. Pasif sistem olarak doğru tasarlanmış binalar doğal enerjikaynaklarından maksimum yarar sağlayarak iç çevrede istenen iklimsel koşullan sağlarlar. Binalarıngüneş enerjisinden yarar sağlayan pasif sistemler olarak tasarlanması binaların yönlendiriliş durumu,bina kabuğu optik ve termofıziksel özellikleri, bina biçimi, bina aralıkları, yer gibi tasarımparametreleri için uygun değerlerin belirlenmesi ile mümkün olabilir. Bu nedenle, bu bildiridebinaların pasif sistemler olarak tasarlanmasında etkili olan tasarım parametreleri için uygun değerlerinbelirlenmesinde ele alınan yaklaşımların tanıtılması amaçlanmaktadır.

GİRİŞ

Ülkemizdeki enerji açığı, enerjinin ithal edilmesi yolu ile karşılanmaya çalışılmakta, bu durumsorunun büyümesine ve enerji krizi yaşanmasına yol açmaktadır. Enerjinin etkin kullanımı içingelişmiş ülkelerde benimsenen sürdürülebilir enerji kavramının ülkemiz açısından da ele alınmasısağlanmalıdır. Sürdürülebilir enerji kavramı, ihtiyaç duyulan enerjinin minimum maliyetle sürekliolarak sağlanabilmesi için kullanılacak teknoloji ve yöntemlerin tümü olarak tanımlanabilir [1].Sürdürülebilir enerjinin sağlanmasında yenilenebilir enerji kaynaklarına dayalı teknolojiningeliştirilmesi temel hedef olmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynağı olarak ülkemizde zengin birpotansiyeli olması ve elde edilme maliyeti olmaması sebebi ile ilk akla gelen güneş enerjisidir.Ülkemizde, ısıtmanın istendiği dönemde ihtiyaç duyulan yapma ısıtma enerjisi kaynaklarının kıt vetükenebilir oluşu, çevre kirletmeyen ve elde edilme maliyeti olmayan olan güneş enerjisininkullanımına yönelmeyi gerektirmektedir. Bu nedenle, günümüzde güneş enerjisinden yararlanan binatasarımı anlayışı yeniden güncel hale gelmiştir. Gerçekte güneş enerjisinden yararlanma, insanların ilkbarınaklarını yaptıklarından bu yana benimsedikleri bir yoldur. İnsanoğlu, enerjiyi üretmeyi,depolamayı ve nakletmeyi öğrenmeye başlayarak dış iklimsel koşulları kontrol edilebildiği binalarıyapmıştır. Teknolojinin gelişimi, insanların binalarını ısıtmak için yeni yöntemlerin bulunmasına yolaçmıştır. Bu yöntemler zaman içinde gelişerek ve önceleri üretilen enerji büyük bir savurganlıklaharcanabilirken, daha sonra tükenebileceği anlaşılmıştır. Böylece yenilenebilir enerji kaynaklarınayönelmenin önemi anlaşılarak, güneş enerjisine dayalı tasarım yeniden güncel hale gelmiştir.

Güneş enerjisinden iki şekilde yararlanmak mümkündür. Birincisi, güneş enerjisini toplamak,depolamak ve dağıtmak için çeşitli elemanlardan oluşan aktif ısıtma sistemlerini kullanmaktır. İkincisiise enerji kullanan aktif sistemleri işin dışında tutarak, yönlendiriliş durumu, bina formu, bina kabuğutermofiziksel özellikleri gibi tasarım parametrelerinin güneş enerjisinden optimum yarar sağlayacak

178

şekilde belirlenmiş değerleri ile bina sistemini oluşturmaktır. Bu şekilde tasarlanmış binalar pasifsistem olarak işlev görmektedirler. Aktif ısıtma sisteminin rejime sokulmadığı bir bina pasif ısıtmasistemi olarak tanımlanmaktadır. Aktif ısıtma sistemlerinin binalardaki görevlerinin minimize edilerekyakıt ekonomisinin sağlanması, binaların ısıtıcı ajanlar olan güneş ışınımı ve dış hava sıcaklığı gibiiklim elemanlarının etkilerini optimize edecek pasif sistemler olarak tasarlanması ile olanaklıolabilmektedir. Bu görevi amaçlayan tasarımcı ve yapımcıların enerji maliyetlerini minimize etmedeönemli bir rol oynayacağı açıktır.

GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARAR SAĞLAYAN PASİF SİSTEM TASARIMINDA ETKİLİOLAN PARAMETRELER

Binaların güneş enerjisinden yararlanarak pasif sistem olarak tasarımında etkili olan tasarımparametreleri aşağıda sıralanmıştır:• yer• bina aralıkları (yerleşme yoğunluğu)• binanın yönlendiriliş durumu,• bina formu• bina kabuğu optik ve termofiziksel özellikleri.

Yer parametresi, yerey parçasının eğimi, yönü, yamaca göre konumu, güneş ışınımı yutma ve yansıtmaözellikleri gibi değişkenler ile tanımlanabilir. Binaların güneş ışınımından yarar sağlayan pasifsistemler olarak tasarlanmasında, binanın bulunduğu yer, güneş ışınımı kazançlarını arttırmakaçısından büyük önem taşımaktadır. Yörenin iklimsel karakteri göz önünde bulundurularak güneşışınımı kazançları açısından uygun bir yer seçimi, ısıtmanın istendiği dönemde güneş ışınımındanmaksimum ısı kazancı sağlayarak yakıt ihtiyacının azaltılmasını ve enerji kökenli hava kirliliğininminimize edilmesini olanaklı kılmaktadır.

Bina aralıkları veya yerleşme birimi yoğunluğu, iklim kontrolünde etkili olan bir tasarım değişkeniolması nedeniyle yerleşme birimi ölçeğindeki yapma çevreye pasif ısıtma sistemi olma niteliğinikazandırır. Bina boyutları, bina aralıkları (binalar arasındaki uzaklıklar) ve binaların birbirine görekonumlan yerleşme birimi dokusunu oluşturan bileşenlerdir. Isıtma enerjisi tasarrufu açısından değişikbina boyutlanna ve bina aralıklanna sahip yerleşme birimi dokulanndan, ısıtmanın istendiği dönemdegüneş ışınımı kazancını maksimize eden yerleşme birimi dokusunun seçilmesi gerekli olmaktadır.

Binanın yönlendiriliş durumu, güneş ışınımının direkt bileşeni yöne göre değiştiğinden güneşışınımının ısıtıcı etkisinden yararlanmada önemli bir değişkendir. Ayrıca, binalann yönlendirilişdurumlanna bağlı olarak, binayı çevreleyen kabuk elemanının dış yüzeyindeki güneş ışınımı şiddeti vedolayısıyla kabuğun birim alanından geçen ısı miktarı değişkenlik gösterir.

Bina formu; biçim faktörü (plandaki bina uzunluğunun bina derinliğine oranı), bina yüksekliği, çatıtürü (düz, beşik ve kırma çatı), çatı eğimi, cephe eğimi gibi binaya ilişkin geometrik değişkenleraracılığıyla tanımlanabilir. Taban alanlan aynı, farklı formlara sahip binalann dış cephe alanlan farklıolacağından, bu farklı formlara sahip binalann toplam ısı kayıpları ve ısıtma enerjisi ihtiyaçlan dafarklı olacaktır. Bu nedenle ısı kayıplannın azaltılmasında ve ısıtma enerjisi korunumu sağlanmasındabina formu, etkili bir tasanm parametresidir. Bina formunun ısıtmanın istendiği dönemde en az ısıkaybına yol açacak şekilde ele alınması gereklidir.

Bina kabuğu optik ve termofiziksel özellikleri; güneş ışınımına ilişkin yutuculuk (a), geçirgenlik (T),yansıtıcılık ( r) gibi optik ve toplam ısı geçirme katsayısı (U), saydamlık oranı (x) gibi termofiziksel

179

özelliklerdir. Pasif ısıtma işlevi açısından bina kabuğunun tanımı, kabuğun bu optik ve termofîzikselözellikleri ile yapılmaktadır. Bina kabuğu optik ve termofiziksel özellikleri, bina kabuğunun birimalanından, dış hava sıcaklığı ve güneş ışınımı etkileriyle, kazanılan ve yitirilen ısı miktarınınbelirleyicileridirler[2].

GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARAR SAĞLAYAN PASİF SİSTEM TASARIMINDA ETKİLİOLAN PARAMETRELER İÇİN UYGUN DEĞERLERİN BELİRLENMESİ

Binaların güneş enerjisinden yarar sağlayan pasif sistemler olarak tasarlanması yukarıda açıklanantasarım parametreleri için uygun değerlerin belirlenmesi ile mümkün olabilir. Yer ve binaaralıklan(yerleşme yoğunluğu) yerleşme birimi ölçeğinde ele alınan parametrelerdir. Binanınyönlendiriliş durumu, bina kabuğu optik ve termofiziksel özellikleri, bina formu bina ölçeğinde elealınan parametrelerdir. Bu nedenle, binaların pasif sistemler olarak tasarlanmasında etkili olan tasarımparametreleri için uygun değerlerin belirlenmesinde kullanılan yaklaşımlar, yerleşme birimi ölçeğindeve bina ölçeğinde olmak üzere iki grupta ele alınmıştır. Bu çalışmada açıklanan yaklaşımlar İTÜMimarlık Fakültesi'nde yapılan araştırmalara dayandınlmaktadır[2,3].

Yerleşme Birimi Ölçeğindeki Tasarım Parametreleri İçin Uygun Değerlerin BelirlenmesindeKullanılan Yaklaşım

Güneş ışınımı kazancı açısından uygun yerey parçasının bina aralıklarına bağlı olarak belirlenmesindeele alınan yaklaşımın adımları aşağıdaki gibidir[2]:

a. Yerey Parçalarının Güneş Işınımı Kazancı Açılarından Yerleşmeye Uygunluk DerecelerininSaptanmasıÖncelikle farklı eğim ve yönlendiriliş durumlarına sahip yüzeylerin güneş ışınımı kazançlarınınhesaplanması gereklidir. Bu hesaplamalar ısıtmanın istendiği dönemi karakterize eden 21 Ocak içinyapılmaktadır. Şekil 1, İstanbul yöresi için 21 Ocak'da farklı eğim ve yönlendiriliş durumuna sahipyüzeylerin birim alanlarından ısıtmanın istendiği dönemde kazanılan günlük ortalama güneş ışınımıdeğerlerini vermektedir[2].

ri»

1700 -I

1500

1300

1100

900

700

500

0

-s-ENE-WNW

6

-B-SSE-SSW

—1—NE-NW

12

EĞİM (°

-A-SE-SVV H

—*— NNE-NNW —

18

»-ESE-WSW

•— N

24

- » -E-W

30

Şekil 1. 21 Ocak'da İstanbul yöresi için farklı eğim ve yöne sahip yüzeylerin güneş ışınımı kazancıdeğişimi

Şekil l'de verilen grafiklerin farklı iklim bölgeleri için hazırlanarak yapılan karşılaştırma sonucunda,tüm yöreler için güneş ışınımı kazancı açısından arazi üzerinde yerleşmeye 1., 2., 3., ve 4. derecedeuygun yön sektörleri tablo l'de verilmektedir [2].

180

Tablo 1. Yerey parçalarının güneş ışınımı kazancı açısından yerleşmeye uygunluk dereceleriBölgenin yerleşmeye

uygunluk derecesi1234

Bölgenin yerleşmeye uygun sektör sınırlan

W <- 56°15' - S - 56°15 -> EN - 56°15' -> W <- 56°15' - S - 56°15' ->E <- 56°15' - N

W «- 56°15' <- 33°45' - N- 33°45' -> 56°15' -> EW <- 33°45" - N - 33°45' -> E

Sektörütanımlayan yön

SW, E

NW, NEN

b. Yerey Parçasına İlişkin Eğim ve Güneşlenme (Yön) Analizlerinin YapılmasıYerleşilebilir arazi parçası eğim açısı olarak 0°-24° arası ele alınmaktadır. Eğim açısı 24°'yi geçtiğizaman bu eğimdeki arazi üzerinde yer alacak yapının inşa edilmesi güçleşmekte ve maliyetiartmaktadır. Eğim açısı 0°-6° arasında olan arazi parçaları ise düz olarak kabul edilmektedir. Şekill'den görüldüğü gibi farklı eğime sahip yüzeylerin güneş ışınımı kazançlan da farklı olacağından eğimanalizlerinin yapılması büyük önem taşımaktadır. Güneşlenme analizleri yerey parçasının yönüne bağlıolarak güneş ışınımı kazancı açısından yerey parçalarının yerleşmeye uygunluk derecelerininbelirlenmesi için yapılmaktadır. Şekil 2, örnek olarak ele alınan bir yerey parçası için, güneş ışınımıkazancı açısından yerleşmeye uygun yön sektörlerini vermektedir.

Şekil 2. Örnek yerey parçası üzerinde, güneş ışınımı kazancı açısından yerleşmeye uygun yönsektörleri

c. Bina Aralıklannın(Yerleşme Yoğunluğunun) BelirlenmesiBinalar, aralarındaki uzaklıklara yüksekliklerine ve birbirlerine göre olan konumlarına bağlı olarak,birbirleri için güneş ışınımı kazancı açısından engel olabilmektedir. Güneş ışınımın ısıtıcı etkisininmaksimize edilmesi, tüm güneşli saatler boyunca cephelerin direkt güneş ışınımı etkisinde kalmalansağlanarak gerçekleştirilebilir. Bu durumu gerçekleştirmek, bina aralıklarının, binaların birbirleri içingüneş engelleri teşkil etmemelerini sağlayan sınır değerlerin bilinmesi ile olanaklıdır. Isıtmanınistendiği dönemde güneş ışınımın ısıtıcı etkisinin maksimizasyonu açısından bina aralıklannıbelirlemek için gölgeli alan derinliklerini belirlemek gerekir.

Gölgeli alan derinliklerinin belirlenmesinde profil açılarından yararlanılmaktadir. Bina arahklannmbelirlenmesinde, ısıtma ekonomisinin yanı sıra, arazinin daha rasyonel kullanılabilmesi de düşünülecekolursa; profil açılarının çok düşük olduğu güneş doğuşu ve güneş batışı saatleri ile gölgeli alanderinliğinin, arazinin eğimine bağlı olarak sonsuz veya çok fazla olduğu saatler dışında kalan saatlerdeoluşan profil açılan; kabul edilebilir sınır gölgeli alan derinlikleri ve bina aralıklan için uygun sınırdeğerlerin belirlenmesinde kullanılacak profil açıları olarak ele alınmıştır. Tablo 2, bu amaçla seçilen

181

profil açılarını İstanbul yöresi, (40° enlemi) için vermektedir Tablo 2'de koyu renkli olarak yazılanprofil açılan seçilen değerlerdir. Tablo 2, aracılığı ile uygun bina aralıkları; binanın etrafındakizeminde oluşturduğu gölgeli alan derinliği, binanın bulunduğu yörenin enlemi, binanın yüksekliği veısıtma ekonomisi açısından cephelerin minimum 4 saat güneş alması düşünülerek belirlenmiştir [4].Tablo 3, ise güneş ışınımı kazancı açısından uygun bina aralıklarını bina yüksekliğine bağlı olarakvermektedir [5].

Tablo 2. Güneş ışınımı kazancı açısından uygun bina aralıklarının belirlenmesinde kullanılabilecekprofil açıları enlem=40°)

21OCAKSaatler

8,009,0010,0011,0012,0013,0014,0015,0016,00

Profil Açıları ( ° )Yönler

N

---

-----

-

NNE

---

-----

-

NE

38--------

ENE

154072------

E

1024416390----

ESE

81829415678---

SE

817243239486187-

SSE

101824293235363734

S

142327293029272314

SSW

343736353229241810

sw-

876148393224178

WSW

---

78564129188

W

---

-

9063412410

WNW

---

---

724015

NW

---

-----

38

NNW

---

-----

-

Eğim0°8°16°24°

N---

-

NNE---

-

Tablo 3.NE

1,3H

1.1H0,9H0,8H

ENE1,2Hl,0H0,9H0,8H

GüneşE

2,2H1,7H

1.4H1.2H

? ışınımı kazancı açısından uygun bina aralıklarıESE1.8H1.4H1,2H1.0H

SE1,2H1.1H0,9H0,8H

SSE1,6H

1.3H1,1H0,9H

S2,0H

1.5H1.3H1.0H

ssw1.6H

1.3H1.1H0,9H

SW1.2H1.1H0,9H0,8H

wsw1,8H

1.4H1,2H1.0H

W2,2H1,7H1.4H1,1H

WNW

1.2H1.0H0,9H0,8H

NW1,3H

1.1H0,9H0,8H

NNW---

-

H:Bina Yüksekliği

d. Güneş Işınımı Kazancı Açısından Uygun Eğim, Yön ve Bina Aralığı (Yerleşme Yoğunluğu)Kombinasyonuna Sahip Yerey parçalarının BelirlenmesiÖnceki adımlarda varılan sonuçlara bağlı olarak farklı yerey parçalan arasından güneş ışınımıkazançlanna bağlı olarak ısıtma ekonomisini gerçekleştiren ve arazinin rasyonel kullanımına olanakverecek şekilde maksimum yerleşme yoğunluğunu sağlayan eğim ve yöne sahip yerey parçalanseçilmelidir.

Bina Ölçeğindeki Tasarım Parametreleri İçin Uygun Değerlerin Belirlenmesinde KullanılanYaklaşım

Aynı hacimli, farklı dış kontura, diğer bir deyişle, farklı dış cephe alanına sahip birden fazla binaformu belirlemek mümkündür. Buna bağlı olarak farklı formlardaki binalann kabuğundan kaybedilenısı miktarlan da farklı olacaktır. Bu noktada, binanın ısı kayıplarına karşı korunmuş hacmi (V) iletoplam ısı kayıp alanı (A) arasındaki oranın ele alınması ve A/V ile Q ( tüm bina kabuğundankaybedilen ısı kaybı) arasındaki ilişkinin incelenmesi zorunluluğu ortaya çıkmaktadır. Aynı A/Voranını gerçekleştiren, fakat çatı tipi, çatı eğimi, boyut ve biçim, yön olarak farklı değişken değerlerinesahip birden fazla bina belirlemek mümkündür. Yön, boyut, biçim, çatı tipi, çatı eğimi gibi geometrikdeğişkenleri birbirinden farklı binalar için de istenen toplam ısı geçirme katsayıları (Uo) birbirindenfarklı olacaktır. Binalann ısı kayıplarına neden olan tüm tasarım parametreleri ele alınarak, en az ısı

182

kaybını, dolayısıyla en az yakıt tüketimini gerçekleştiren binayı tanımlamada Uo ve A/V oranıarasındaki bağıntı kurulmalıdır. Böylece, binanın istenen toplam ısı geçirme katsayısı A/V oranınagöre belirlenmiş olacaktır. Bu düşünceden hareketle bu çalışmada binanın yönlendiriliş durumu, formve kabuğun termofiziksel özellikleri gibi bina ölçeğindeki tüm parametreler birbiri ile ilişkili olarak elealınmaktadır. Bu yaklaşımda bina cephelerinin baktığı yöne bağlı olarak saydamlık oranları ve toplamısı geçirme katsayısı kombinasyonları değerleri daha önce yapılmış bir araştırma projesininsonuçlarından alınmaktadır [2]. Yaklaşımın adımları aşağıdaki gibidir[3]:

a. Taban Alanı ve A/ V Değişim Aralıklarının Belirlenmesi ve Bina Alternatiflerinin OluşturulmasıBina alternatifleri; bina formunu tanımlayan biçim faktörü, bina yüksekliği, çatı türü ve eğimi gibideğişkenlerin değişim alan ve aralıkları, diğer bir deyişle taban alanı ve A/V değişim aralıklarınınbelirlenmesiyle oluşturulmalıdır.

b. Tüm Bina Dış Kabuğundan Kaybedilen Günlük Ortalama Saatlik Isı Miktarlarının HesaplanmasıGüneş ışınımının ısıtıcı etkisinden maksimum düzeyde yararlanan binalar, ısıtmanın istendiği dönemdetoplam ısı kaybını ve yapma ısıtma gereksinmesini minimuma indirgeyen, pasif ısıtma sistemi olarakoptimal performans gösteren binalardır. Isıtmanın istendiği dönemde kaybedilen ısı miktarları vegerekli yapma ısıtma yükünün en düşük konfor sıcaklığına göre hesaplanması ( durgun iç havakoşullarında), ısısal konfor açısından yeterli hava sıcaklığı koşulunun minimum yapma ısıtma enerjisiharcaması ile gerçekleştirilmesini olanaklı kılar. [3].Ele alınan binaya bağlı olarak yönlendirilişdurumu ve bina formuna (biçim faktörü, bina yüksekliği, çatı türü ve eğimine) ait değişim alan vearalıklarının belirlenmesi gerekir. Bu değişim alan ve aralıklarını belirlediğimiz bina alternatiflerine aitdeğişkenlerin oluşturduğu çok sayıdaki kombinasyonun tanımladığı binalar için tüm bina kabuğundan,ısıtmanın istendiği dönemin karakteristik günü olan 21 Ocak'da kaybedilen günlük ortalama saatlik ısımiktarları (Q) hesaplanmalıdır.

c. Referans Bina Formlarının (A/V Oranlarının) BelirlenmesiBir önceki adımda hesaplanan, tüm bina dış kabuğundan kaybedilen günlük ortalama saatlik ısımiktarları değişim eğrileri aracılığıyla, seçilen her bir taban alanı için en az ısı kaybını sağlayan binaformları referans bina formları olarak kabul edilmektedir. Referans bina formlarını tanımlayan A/Voranları da referans A/V oranlan olarak ele alınmaktadır. Şekil 3.a İstanbul yöresi için 21 Ocak'da, 3katlı 300m2 taban alam olan ve dört ana yöne yönlendirilmiş bir bina için tüm bina dış kabuğundankaybedilen saatlik ısı miktarlarının bina formu ve bina kabuğu özelliklerine bağlı olarak değişiminivermektedir. Bu örnekte çatı türü olarak kırma çatı ve pencere türü olarak ahşap çift camlı pencerekullanılmış olup, cephenin güneş ışınımı yutuculuk katsayısı 0.40'dır. Şekil 3.a'den görüldüğü gibi buörnek için en az ısı kaybını sağlıyor olması sebebi ile referans A/V oranı 1/ 4.5 'dir.

d. Bina Dış Kabuğunun Toplam Isı Geçirme Katsayısının Referans Bina Formuna Bağlı OlarakDüzeltilmesiFarklı taban alanlarına, farklı formlara, diğer bir deyişle farklı A/V oranlarına sahip binaların tüm dışkabuklarından kaybedilen ısı kaybı değerleri, o taban alanı için belirlenmiş referans bina formunun ısıkaybı değerine eşitlenerek, en az ısı kaybını sağlayan toplam ısı geçirme katsayısı değerleribelirlenmektedir. Dolayısıyla başlangıçta ısıtma enerjisi korunumu açısından uygun olarak belirlenenbina kabuğu toplam ısı geçirme katsayısı değerlerine bağlı olarak, minimum ısı kaybını sağlamayıolanaklı kılacak bir düzeltmiş toplam ısı geçirme katsayısı değerleri belirlenmektedir. Şekil 3.b, şekil3.a.'da ele alınan örnek bina için düzeltmiş toplam ısı geçirme katsayısı değerlerini (UOd) vermektedir[3].

183

150000,45 0,55 0.65 0,75 0,85 0.95 1,05 1.15 1.25 1.35

W/mJ°C

- A/V=1/ 4,5 - • — A/V=1/ 4 - * — A/V=1/ 3,5 -M- A/V=V 3

(a)

0,45 0,55 0,65 0,75 0,85 0,95 1,05 1,15 1,25 1,35

uoaw/m"c

-MM/4 -B-Mfc1/3,5 -*-/W=1/3

(b)

Şekil 3. Referans bina formunun belirlenmesi (a) ve düzeltilmiş Uo (UOd) değerleri (b)

Yukarıda açıklanan yaklaşımların şematik anlatımı şekil 4 ve şekil 5'de gösterilmektedir. Şekil 4.Yerleşme birimi ölçeğindeki tasanm parametreleri için uygun değerlerin belirlenmesinde kullanılanyaklaşımın şematik anlatımını vermektedir. Şekil 5 ise bina ölçeğindeki tasanm parametreleri içinuygun değerlerin belirlenmesinde kullanılan yaklaşımın şematik anlatımını vermektedir [6].

ISITMANIN İSTENDİĞİ DÖNEMİNKARAKTERİSTİK GÜNÜNÜNBELİRLENMESİ

FARKLI YÖNLENDİRİLlŞDURUMUNA SAHİPYÜZEYLERİN DİREKT GÜNEŞIŞINIMI KAZANÇLARININBELİRLENMESİ

PROFİL AÇILARININBELİRLENMESİ

YEREY PARÇALARININ GÜNEŞIŞINIMI KAZANCI AÇISINDANYERLEŞMEYE UYGUNLUKDERECELERİNİN SAPTANMASI

BİNANIN YATAY VE EĞİMLİDÜZLEMDE OLUŞTURDUĞUGÖLGELİ ALANDERİNLİKLERİNİNBELİRLENMESİ

ARAZİYE İLİŞKİN EĞİM VEGÜNEŞLENME (YÖN)ANALİZLERİNİN YAPILMASI

PROFİL AÇİLARİ VE GÖLGELİ ALANDERİNLİKLERİNİN SINIR DEÛERLERİNEBAĞLI OLARAK UYGUN YERLEŞMEYOĞUNLUĞUNUN (BlNAARALIKLARININ) BELİRLENMESİ

GÜNEŞLENME AÇISINDAN UYGUN EĞİMYÖN VE YERLEŞME YOĞUNLUĞUKOMBİNASYONLARININ BELİRLENMESİ

üYEREY PARÇASI MAXGÜNEŞ İŞINIMIKAZANCINI VE M AXYERLEŞMEYOĞUNLUĞUNUSAĞLIYOR MU ?

GÜNEŞ İŞINIMIKAZANCIAÇISINDAN UYGUNYER SEÇİMİ

Şekil 4. Yerleşme birimi ölçeğindeki tasanm parametreleri için uygun değerlerin belirlenmesindekullanılan yaklaşımın şematik anlatımı

184

BlNA KABUûU TERMOFlZlKSELÖZELLİKLERİ IÇlN UYGUNDEÛERLERKOMBİNASYONLARININ BlNAFORMUNDAN BAĞIMSIZOLARAK BELİRLENMESİ

FARKLI A/V ORANLARININ VEBlNA FOMLAR1NINBELİRLENMESİ ve BELİRLENENALTERNATİFLER İÇİN TOPLAMISI KAYBİ DEĞERLERİNİNHESAPLANMASI

REFERANS BlNA FORMLARININBELİRLENMESİ

BlNA KABUĞU U DEĞERİNİNREFERANS BlNA FORMUNABAĞLI OLARAK DÜZELTİLMESİ

BELİRLENEN KABUKALTERNATİFİPRATİKTEUYGULANABİLİR Mİ?

UYGULAMA PROJESİNEBAŞLANABİLİR

HAYIR

Şekil 5. Bina ölçeğindeki tasanm parametreleri için uygun değerlerin belirlenmesinde kullanılanyaklaşımın şematik anlatımını

SONUÇ

Bu bildiride, güneş enerjisinden yararlanan pasif sistem tasanmında etkili olan tasanm parametreleri,yerleşme birimi ve bina ölçeğinde ele alınarak, tasanm parametreleri için istenen değerlerinbelirlenmesinde kullanılan yaklaşımlar tanıtılmıştır. Bu yaklaşımlann uygulanması ile elde edilendeğerler güneş enerjisinin ısıtıcı etkisinden yarar sağlayan pasif ısıtma sistemini tanımlamaktadır.Dolayısıyla bu yaklaşımlann sonuçlan pasif sistem olarak tasarlanacak binalann projelerine girditeşkil etmektedir. Diğer bir deyişle yaklaşımlann uygulanması ile belirlenen tasanm parametrelerineait uygun değerlere dayandınlan projelendirme aşamasının çıktılan, optimum pasif ısıtma sistemiolarak işlev gören bina ya da yerleşme modelleri olacaktır. Bu modellere dayalı olarakgerçekleştirilecek binalar, işletme aşamasında temiz enerji kaynağı olarak güneş enerjisindenyararlanarak aktif enerji kaynaklannı minimum kullanabilecektir. Bu tür binalann yapım sektöründeyer alması, ihtiyaç duyulan enerjinin minimum maliyetle sürekli olarak sağlanabilmesi olarak ifadeedilen ve günümüz toplumlannın en önemli hedeflerinden biri olan sürdürülebilir enerji vesürdürülebilir çevre anlayışının gerçekleştirilmesine temel teşkil edecektir.

REFERANSLAR

[11 www.tubitak.gov.tr/btpd/btsp/platform/enerii/bolum3.html[2] Berköz, E.,ve diğerleri, 'Enerji Etkin Konut ve Yerleşme Tasannu', TÜBİTAK, İNTAG 201,

İstanbul.[3] Yılmaz, Z. , Koçlar Oral G., Manioğlu, G., " Isıtma Enerjisi Tasarrufu Açısından Bina Kabuğu Isı

Yalıtımı Değerinin Bina Formuna Bağlı Olarak Belirlenmesi ", İTÜ Araştırma Fonu Proje no.985, s.34-54, 2000, İstanbul.

185

j

[4] Koçlar Oral, O, Akşit, Ş.F., 'Güneş Enerjisinden Yararlanma Açısından Uygun Yer Seçimi', III.Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, İstanbul, 2000, s. 1-8.

[5] Koçlar Oral, G., Akşit, Ş.F., 'Energy Effıcient Settlement Unit Design to Reduce Urban AirPollution' Livenarch 2001, Congress Proceedings,4-7 July, Trabzon, p.214-220.

[6] Koçlar Oral G., Yılmaz, Z., 'The Limit U values for Building Envelope Related to Building Formin Temperate and Cold Climatic Zones', Building and Environment, Pergamon Press, 2002, vol.37, p.l 174-1180.

186

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

Zn l xCd xS FİLMLERİNİN FOTOVOLTAİKGÜNEŞ PİLLERİNDEKULLANILABİLİRLİKLERİNİN ARAŞTIRILMASI

Arş.Gör. İdris Akyüz, Yrd.Doç.Dr. Salih Köse,Yrd.Doq.Dr. Ferhunde Atay, Arş.Gör. Vildan Bilgin

Os. Ün. Fen Ed. Fak. Fiz. Böl. 26480 Eskişehir

ÖZET

Fotovoltaik güneş pilleri, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren basit ve çevre dostusistemlerdir. Bu sistemlerde, çalışma ilkesi fotovoltaik olayına dayanan güneş pilleri kullanılır. 1974yılında ortaya çıkan petrol bunalımını izleyen yıllarda güneş pillerine olan ilgi artmaya başlamıştır. Sitek kristal güneş pillerine alternatif olarak, çok daha az yarıiletken malzeme kullanılarak daha ucuzaüretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalar da hız kazanmıştır. Bu çalışmada,fotovoltaik heteroeklem ince film güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılabilecek Znı.xCdxS(0 < x < 0,4) filmleri, basit ve ekonomik bir teknik olan Ultrasonik Kimyasal Püskürtme (UKP) tekniğiile elde edilmiştir. ZnS filmleri içerisine farklı oranlarda Cd elementi katılarak Znı_xCdxS alaşımlarıoluşturulmuştur. Elde edilen filmlerin optiksel, elektriksel ve yüzeysel özellikleri incelenerek ince filmgüneş pillerindeki kullanılabilirlikleri araştırılmıştır. ZnS direkt ve geniş bant aralıklı bir malzemedir.Bu özelliği ile farklı elementlerle katkılanmış ZnS filmleri güneş pillerinde pencere materyali olarakkullanılabilir. Çalışmamızda Znı_xCdxS içerisindeki Cd konsantrasyonu (x) 0,2 olduğunda, filmlerinyüzeylerindeki dağılımın daha homojen olduğu ve özdirenç değerlerinde azalma olduğu görülmüştür.Bu durum filmlerin güneş pillerinde kullanımları için olumlu bir özelliktir. n-CdS / P-G12S güneşpillerinde bu iki materyal arasındaki latis uyuşmazlığını azaltmak için CdS tabakası yerine Znı.xCdxStabakası kullanılmaktadır. Çünkü latis uyuşmazlığı da pil verimini etkileyen bir faktördür. Böylecehem latis uyuşmazlığı hem de pencere absorpsiyon kayıpları azaltılmış olur ve kısa devre akımı daartırılmış olur. Sonuç olarak; UKP tekniği ile elde edilen Znı_xCdxS filmlerinin güneş pilleri için uygunbir pencere materyali olduğu ve deney parametreleri değiştirilerek bu materyalin güneş pillerinde dahayüksek verim sağlayacak şekilde kullanılabileceği düşünülmektedir.

Anahtar Sözcükler: Ultrasonik Kimyasal Püskürtme, ZnS:Cd filmleri, pencere materyali, fotovoltaikgüneş pilleri.

GİRİŞ

Son yıllarda çeşitli tekniklerle elde edilen yarıiletken filmler; katıların yapılan, elektriksel ve optiközellikleri, yüzey durumları ve kimyasal bileşimleri hakkında bilgi edinmede kullanılmaktadırlar.Teknolojinin gelişimi ile de yaniletken filmler için bir çok yeni kullanım alanı doğmaktadır. Özelliklegünümüzde, yaşadığımız dünyanın en önemli sorunlarından birisi olan fosil enerji kaynaklannıngiderek azalması, maliyetinin her geçen gün artması ve çevre kirliliği oluşturması araştırmacılannçalışmalannı yaniletken ince film güneş pilleri üzerinde yoğunlaştırmasına neden olmuştur.

187

Son zamanlarda II-VI tipi yarıiletken filmlerden olan CdS ve ZnS ince filmleri mikroelektronikte,yarıiletken güneş pillerinde ve çeşitli optoelektronik aygıtlarda geniş bir uygulama alanı bulmuşlardır[1].Günümüzde elektronik cihazların yaygın olarak kullanılması, bu cihazların temeli olan yarıiletkenmalzemelerin ucuz ve kolay bir metotla elde edilmesine bağlıdır. Son kırk beş yıldır bilim adamları vebu sahada çalışan kuruluşlar bu cihazlarda kullanılan tek elementli kristaller yerine ikili, üçlü, dörtlü veson zamanlarda da beşli yarıiletken filmler üzerindeki çalışmalarını yoğunlaştırmışlardır. Bütün buçalışmaların asıl amacı, basit ve ekonomik bir metot kullanarak geniş yüzeyli (birkaç cm2) polikristalyarıiletken ince filmlerin elde edilmesi ve bu malzemelerin elektronik cihazlarla güneş pillerindekullanılması olmuştur. Başlangıçta laboratuar çalışmalarından ibaret olan bu çalışmalara 1974yılındaki petrol krizinden sonra hız verilmiştir.

Günümüzde yarıiletken ince filmlerin elde edilmesinde kullanılan bir çok teknik vardır. Bunlararasında en basit ve ekonomik olan tekniklerden birisi de Kimyasal püskürtme tekniğidir. Kimyasalpüskürtme tekniği ile elde edilen filmler genellikle polikristal yapıdadırlar. Son zamanlardapolikristaller tek kristallerin yerine tercih edilmektedirler. Bunun nedeni; tek kristallerin eldeedilmesinin zor ve pahalı olmasıdır. Polikristallerin elde edilmesinde kullanılan metotlar ise daha basitve ekonomiktir. Ancak polikristal yarıiletken güneş pillerinin verimlilikleri tek kristallerinkine göredaha düşüktür. Polikristal filmler; güneş pilleri, lazerler, diyotlar, infrared ve fotodedektörlerde genişkullanım alanlarına sahiptirler [2].

Znı_xCdxS; yüksek özdirençli bir malzemedir. Elde edilen filmlerin renkleri, x'in artan değerlerine görebeyazdan altın şansına doğru bir kayma gösterir. Znı_xCdxS'ün yasak enerji aralığı teorik olarak ZnSile CdS'in enerji aralıkları arasında bir değer alır [3]. Hem kübik hem de hegzagonal yapıdabulunabilir, direkt bant geçişli ve n-tipi bir malzemedir. Znı_xCdxS polikristal ince filmleri O12S ilebirlikte düşük fiyatları ve yüksek verimlilikleri nedeni ile güneş pili uygulamalannda önemli bir yeresahiptirler. Aynca bu filmler ışık yayan ve fotoiletken aygıtlarda kullanımlanndaki uygunluklannedeni ile de özel bir ilgi alanı olmuşlardır [4]. Znı-xCdxS içerisindeki kadmiyum miktan azaltılırsamalzemenin yasak bant aralığı genişler ve bu durum da malzemeyi güneş pili uygulamalan için dahaçekici bir hale getirir. Gerçekten de en iyi CdS güneş pilleri Znı.xCdxS tabanlar üzerine hazırlanır [5].Znı_xCdxS ince filmleri çoğunlukla üç teknikle elde edilir. Bu teknikler; Vakumda Buharlaştırma,R.F.Sputtering, Kimyasal püskürtme gibi metotlardır [6]. Bu tekniklerle elde edilen filmlerde; Znatomlarının homojen olmayan dağılımı ve zayıf kristallik gibi bazı dezavantajlar gözlenir [4]. Znı-

xCdxS ince filmleri heteroeklem güneş pillerinde geniş bant aralıklı pencere malzemesi olarakkullanılırlar.

DENEYSEL İŞLEMLER

II-II-VI grubu, üçlü yaniletken bileşiklerinden olan Znı-xCdxS filmleri, UKP metodu kullanılarak,farklı kadmiyum (Cd) konsantrasyonlarında elde edilmiştir. Bu üçlü malzemeyi oluşturan elementleriiçeren kimyasal maddelerin çözeltileri belirli molaritelerde hazırlanmıştır. Çözeltilerin hazırlanmasıesnasında çözücü olarak deiyonize su kullanılmıştır. Hazırlanan çözeltilerde thiourea(CS(NH2)2) çözeltisinin hacmi sabit kalacak şekilde ayarlanmıştır. Toplamı 100 mi olan çözeltiler,250°C taban sıcaklığında payreks cam tabanlar üzerine püskürtülmüştür. Püskürtme zamanı yaklaşıkolarak 20 dakika sürmüştür. Püskürtme hızı flowmetre ile yaklaşık 5 ml/dk olarak ölçülmüştür.

188

Znı_xCdxS filmleri aynı taban sıcaklığında ve farklı kadmiyum konsantrasyonlarında yukarıdakiişlemler yapılarak elde edilmiştir. x = 0, 0.2 ve 0.4 olmak üzere toplam üç adet film çöktürülmüştür.Burada x indisi, başlangıç püskürtme çözeltisi içerisindeki Cd konsantrasyonunu göstermektedir.

Tablo 1. Znı-xCdxS filmlerinin elde edilmesinde kullanılan çözelti miktarları ve PH değerleri.Malzeme

ZnS

Zno.8Cdo.2S

Zno.6Cdo.4S

CdCl2.H2O (mi)-

1020

CS(NH2)2 (mi)50

5050

ZnCl2 (mi)

50

40

30

PH

6.78

6.70

6.82

Elde edilen filmlerin bazı elektriksel özellikleri incelenmiş, optik metot kullanılarak yasak enerjiaralıkları bulunmuş, taramalı elektron mikroskobu (SEM) kullanılarak yüzey yapılan hakkında bilgiedinilmiş ve enerji dağılımlı x-ışınlan spektroskopisi (EDS) ile mikroanalizleri yapılarak, başlangıçpüskürtme çözeltisi içerisindeki elementlerin miktarı ile karşılaştınlmıştır.

SONUÇLAR ve BULGULAR

Elektriksel Özellikler

Znı.xCdxS filmlerinin akım-voltaj karakteristikleri incelenmiş ve iki uç metodu kullanılarak her birnumune için özdirenç ve iletkenlik değerleri hesaplanmıştır. Filmlerin akım-voltaj ölçümleri HevvlettPackard 4140B pA Meter / DC Voltage Source ve Hewlett Packard 16055A Test Fixture cihazlankullanılarak alınmıştır. Tüm metal kontaklar vakumda buharlaştırma tekniği kullanılarak altın ileyapılmıştır. Filmlerin kalınlıklan Elcometer 345 Thickness Gauge Cihazı ile ölçülmüştür.

Şekil 1-3' de filmlerin akım-voltaj grafikleri görülmektedir. Elde edilen materyallere 0,01 V danbaşlayarak artan voltajlar uygulanmıştır. Grafiklerde ölçüm sonuçlan incelenmiş ve ohmik iletiminetkin olduğu bölgeler belirlenmiştir. Bu bölgelerde yapılan incelemeler sonucunda, filmlerinözdirençleri 2,08xl07 Q.cm, 9,6xlO5 Q.cm ve l,64xlO8 Q.cm olarak bulunmuştur. Bu değerlerTablo 2'de verilmektedir. Bu tablo incelendiğinde Zno.8Cdo.2S filmlerinin en iyi iletkenliğe sahipolduklan belirlenmiştir.

Tablo 2. Znı_xCdxS filmlerine yapılan altın kontaklann uzunluklan (1), kontaklar arası mesafeler (L),film kalınlıklan (w), özdirenç (p) ve iletkenlik değerleri (a).

MateryalZnS

Zno.8Cdo.2S

Zno.6Cdo.4S

1 (mm)474

L (mm)2

1,51,5

p (£2.cm)2,08 xlO7

9,60 xlO5

1,64 xl0 8

a (ilcm)"1

4,80 xl0*1,04 xl0"6

6,1 x!0"y

W (um)9,1011,0510,45

189

-T 1.00E-09 i

8. '

-. 1,OOE-1O

100

Şekil 1. ZnS filminin akım-voltaj grafiği.

1.00E-11

o,oı o,ı ı ıo ıooV(volt)

Şekil 2. Zno,8Cdo,2S filminin akım-voltaj grafiği.

190

l.OOE-08

1.00E-09

8. l.OOE-10

1,OOE-11

1.00E-12 J

0,01 0,1 1 10

V ( volt)

j

I

100

Şekil 3. Zno,6Cdo,4S filminin akım-voltaj grafiği.

Optiksel Özellikler

Elde edilen Znı.xCdxS filmlerinin temel absorpsiyon spektrumlan 200-1100 nm aralıklı Perkin ElmerUV / VIS Spectrometer Lambda 2S cihazı kullanılarak alınmıştır. Bu spektrumlardan faydalanılarak,her bir filmin yasak enerji aralığı optik metot ile hesaplanmıştır.

Şekil 4-6'da filmlerin (cchv)2~hv değişim grafikleri verilmektedir. Bu grafiklerde lineer kısmın enerjieksenini kestiği noktalardan filmlerin yasak enerji aralıkları 3,51, 3,07 ve 2,98 eV olarak bulunmuştur.

Elde edilen absorpsiyon spektrumlannın değerlendirilmesi sonucunda, yapıya giren Cd elementininmiktarı arttıkça yasak enerji aralıklarında bir azalma olduğu görülmüştür. Bu değişim Tablo 3'degörülmektedir.

Tablo 3. Elde edilen Znı.xCdxS filmlerinin yasak enerji aralıkları.MATERYAL

ZnSZno.8Cdo.2SZno.6Cdo.4S

EB (eV)3.513.072.98

191

10

İ 8-O)

ö 6F—1

i 4~2 -

0

m

"••»•.....

•

2,9

4,5 T

4

3,5

<V 3

q 2,5

% 2

X? 1,5

S ,0,5

0

3,4 3,9 4,4

hv (eV)

Şekil 4. ZnS filminin (ahv)2~hv değişimi.

. •/" Eg = 3,07 eV

2,7 2,9 3,1 3,3 3,5 3,7 3,9

hv (eV)

Şekil 5. Zno,8Cdo,2S filminin (ochv)2~hv değişimi.

192

7 -T—.

6

1

f1

oEg = 2,98 eV

2,7 2,8 2,9 3 3,1

hv (eV)

3,2 3,3

Şekil 6. Zno,6Cdo,4S filminin (ahv) ~hv değişimi.

Elde edilen Znı.xCdxS filmlerinin absorbans spektrumlarından yararlanılarak filmlerin geçirgenlikkatsayıları, yansıtma katsayıları ve kırılma indisleri hesaplanmıştır.

Burada hesaplanan geçirgenlik katsayısı (T), absorbans (A), lineer absorpsiyon katsayısı (k), yansıtmakatsayısı (R) ve kırılma indisleri (n) ortalama değer olarak hesaplanmıştır. Bu değerler Tablo 4'deverilmektedir.

Tablo 4. Znı-xCdxS filmlerinin bazı optik özellikleri.Materyal

ZnSZno.8Cdo.2SZno.0Cdo.4S

T(%)0,1350,1420,127

A1,1281,0491,269

k (xlO4)362944

R0,3540,3630,328

n3,9374,0313,610

Yüzey Özellikleri

Elde edilen Znı.xCdxS filmlerinin SEM mikrografları JEOL SEM 5600 LV cihazında ve EDSmikroanalizleri Noran VOYAGER EDS 3050 cihazında alınmıştır. SEM'de mikro yapısal olarakincelenen filmlerin uygun büyütme oranları ile çekilen fotoğraflanndan ve EDS spektrumlanndanfaydalanılarak Cd konsantrasyonuna göre yüzeylerde meydana gelen değişimler incelenmiştir. Şekil7'de ZnS filminin 1500 kez büyütülmüş SEM görüntüsü verilmektedir. Bu şekilde film yüzeyi üzerinegelişigüzel dağılmış farklı büyüklüklerde beyaz lekeler görülmektedir. Film yüzeyi tam olarakhomojen olmayıp, farklı çaplarda yığılmalar bulunmaktadır. Tablo 5'de ise ZnS filminin EDSmikroanaliz sonuçlan verilmektedir. Bu tabloda filmin içerisinde bulunan Zn ve S elementlerininatomik ve elemental ağırlıklan verilmiştir. Bu mikroanaliz sonuçlanna göre numunede Zn elementinindaha baskın olduğu görülmektedir. Şekil 8'de Zn0.gCd0.2S filminin 1000 kez büyütülmüş SEMgörüntüsü verilmektedir. Bu fotoğraftan film yüzeyine homojen olarak dağılmış büyüklükleri 1-4 pimarasında değişen beyaz lekeler görülmektedir. Ayrıca görüntünün sol tarafında filmin oluşumuesnasında oluşabileceğini düşündüğümüz bir çizgisel kusur görülmektedir. Bu görüntü Şekil 7'deverilen ZnS filminin SEM görüntüsü ile kıyaslandığında, lekelerin film yüzeyine dağılımının daha

193

homojen olduğu söylenebilir. Tablo 6'da Zno.8Cdo.2S filminin EDS mikroanaliz sonuçlanverilmektedir. Bu sonuçlara göre Cd elementinin yapıya girdiğini görmekteyiz. Lekelerin dağılımınındaha homojen olduğu söylenebilir Cd elementinin yapıya girmesinden kaynaklandığıdüşünülmektedir.Zno.6Cdo.4S filminin 1500 kez büyütülmüş SEM görüntüsü Şekil 9'da görülmektedir.Bu şekilde büyüklükleri birbirinden farklı olan lekeler görülmektedir. Bir yığılma şeklinde görülen bubeyaz lekelerin, filmin üretimi esnasında püskürtme şartlarına bağlı olarak oluştuğu düşünülmektedir.Tablo 7'de Zno.6Cdo.4S filmlerinin EDS mikroanaliz sonuçlan görülmektedir. Başlangıç püskürtmeçözeltisinde Zn elementinin hacimsel oranı daha fazla olmasına rağmen , EDS mikroanalizinden Zn veCd elementlerinin atom yüzdelerinin hemen hemen aynı olduğu görülmektedir. Bu durum , Znelementinin düşük sıcaklıklarda tabana zor tutunmasından kaynaklanmış olabilir.

Şekil 7. ZnS filminin SEM görüntüsü.

Tablo 5. ZnS filminin EDS mikro analiz sonuçları.Element

S-K

Zn-K

Toplam

ZAF

1.422

1.070

Atom%

51.25

48.75

100.00

Element Ağ.%

34.02

65.98

100.00

Ağ.% hata

+/- 0.72

+/- 2.33

194

Şekil 8. Zno.8Cdo.2S filminin SEM görüntüsü.

Tablo 6. Zno.8Cdo.2S filminin EDS mikroanaliz sonuçları.Element

Cd-L

S-K

Zn-K

Toplam

ZAF

1.012

1.122

1.027

Atom %

8.55

55.74

35.71

100.00

Element Ağ.%

8.86

28.18

62.96

100.00

Ağ.% hata

+/-3.91

+/- 0.65

+/- 2.33

Şekil 9. Zno.0Cdo.4S filminin SEM görüntüsü.

Tablo 7. Zno.6Cdo.4S filminin EDS mikroanaliz sonuçlanElement

Cd-L

S-K

Zn-K

Toplam

ZAF

1.286

1.214

1.028

Atom%

23.42

52.61

23.97

100.00

Element Ağ.%

44.73

28.65

26.62

100.00

Ağ.% hata

+/-1.99

+/- 0.70

+/- 1.98

195

TARTIŞMA VE ÖNERİLER

Bu çalışmada UKP metodu ile 250 ± 5°C taban sıcaklığında ve farklı Cd konsantrasyonlarında Znj.

xCdxS (0<x<0,4) filmleri elde edilmiş ve bu filmlerin bazı fiziksel özellikleri incelenmiştir. Yapılanincelmeler sonucunda, Znı-xCdxS filmlerinin özelliklerinin ZnS ve CdS filmlerinin özellikleri arasındaoldukları belirlenmiştir. Znı-xCdxS filmlerinin yasak enerji aralıklarının 2,98-3,51 eV arasında değiştiğihesaplanmıştır. ZnS içine Cd elementinin girmesi ile filmlerin yasak enerji aralıklarında bir azalmagözlenmiştir. Düşük Cd konsantrasyonlarında absorpsiyon kenarı daha küçük dalga boylarında iken,artan Cd konsantrasyonu ile temel absorpsiyon kenarında büyük dalga boylarına doğru kaymaolmuştur. Znı_xCdxS filmlerinin özdirençlerinin 9,60xl05- l,64xlO8 Q cm arasında değiştiğigörülmüştür. Yapılan incelemeler sonucunda filmlerin yüksek özdirenç değerlerinin Cd katkısı iledeğiştiği görülmüştür. Sıcak uç tekniği kullanılarak tüm filmlerin elektriksel iletkenlik türlerinin n-tipiolduğu belirlenmiştir. Elde edilen SEM görüntülerinden, en homojen dağılımın Şekil 8'de verilenZno.8Cdo.2S filmine ait olduğu belirlenmiştir. Znı_xCdxS filmleri geniş bant aralıklı materyallerdir. Butip materyaller için düşük özdirenç bunların hetero-eklem güneş pillerinde kullanımları açısındanönem taşır. Fakat bu çalışmada elde edilen Znı_xCdxS filmlerinin özdirençleri yüksektir. Bu yüzden budeğerin azaltılması gerekir. Özdirenç; (a) filmlere indiyum katkılayarak (b) filmleri H2 ortamındatavlayarak düşürülebilir [7]. UKP metodu geniş yüzeyli polikristal filmler elde etmek için ideal birmetottur. En önemli iki özelliği basit ve ekonomik olmasıdır. Bu metodun bir dezavantajı ise homojenfilmler elde etmekteki zorluktur. CdS/Cu2S fotovoltaik güneş pilleri için CdS tabakası yerine Znj.

xCdxS tabakası yerleştirmek fikri üzerindeki ilgi son zamanlarda artmıştır [8]. Çünkü CdS ile O12Stabakaları arasında latis uyuşmazlığı vardır. CdS yerine Znı_xCdxS tabakaları kullanıldığında latisdüşmesi kısmen azaltılabileceği düşünülmektedir. Sonuç olarak; UKP tekniği ile elde edilen ZnS:Cdfilmlerinin güneş pilleri için uygun bir pencere materyali olduğu ve deney parametreleri değiştirilerekbu materyalin güneş pillerinde daha yüksek verim sağlayacak şekilde kullanılabileceğidüşünülmektedir.

REFERANSLAR

[1] Guseinov, E., Jafarov, M., Nasibov, I., 1997, "Noise characteristics of CdxZnı_xS films depositedfrom solution", Tr. J. of Physics, 21, 1255-1259.

[2] Streatman, B.G., 1980, "Solid State Electronic Devices", Second Edition Prentice-Hall, Inc.,07632.

[3] Nag, B.R., 1980, "Electrontransport in Compound Semiconductors", Springer Verlag BerlinHeildelberg, New york.

[4] Raignahngam, R., Chong, C.S., Chong, H.Y. and Jamel Basha, M., 1986, "Photocurrent and decaytime studies of solution-sprayed Cdo,8Zno,2S films from liquid nitrogen to room temperature", ThinSolid Films, 144, 159-164.

[5] Kwok, H.L., Chau, Y.C., 1980, "Carrier density and mobility in CdxZnı_xS chemically sprayedfilms", Thin Solid Films, 66, 303-309.

[6] Burton, L.C., 1979/80, "The ZnxCdı.xS /Cu2S heterojunction: Review and recent measurements,solar Cells", 1,159-174.

[7] Padam, G.K., Malhotra, G.L., Rao,S.U.M., 1988, "Studies on solution-grown thin films ofZnxCdı.xS", J. Appl. Phys., 63 (3), 770-774.

[8] Duchemin, S., Bougnot, J., Kaka, M., Cadene, M., 1986, "Crystalographic and morphologicalcharacterization of sprayed Cdı_yZnyS thin films", 136, 289-298.

196

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİLİ SİSTEMLERDE EKSERJİ ANALİZİNİNGEREKLİLİĞİ VE UYGULAMASI

Doç.Dr. Arif Hepbaşlı

Ege Ün. Müh. Fak. Mak. Müh. Bölümü, E-Posta: hepbasli@bornova.ege.edu.trTel: 232 388 40 00/1899

ÖZET

Ülkemizde, güneş enerjili sistemler (GES'ler)in performansının değerlendirilmesinde, termodinamiğinbirinci yasasının, başka bir deyişle, enerji denkliliğinin uygulama alışkanlığı yaygındır. Oysa, ekserjianalizi, bir sistemin enerji analizinden farklıdır. Ekserji analizinin sonuçları, genellikle, bir sistemdekiproseslerin daha fazla anlamlı ve duyarlı gösterilmesini sağlamak için göz önüne alınmaktadır. Buçalışmada, öncelikle, enerji ve ekserji kavramları karşılaştırıldı. Daha sonra, bunlarla ilgili temelbağıntılar verildi. Son olarak, örnek bir güneş ısıl güç sisteminin enerji ve ekserji analizleri sonuçlansunularak, tartışıldı.

Anahtar Sözcükler: Ekserji, kullanılabilirlik, ekserji analizi, güneş enerjisi, yenilenebilir enerji

GİRİŞ

Yenilenebilir enerji kaynaklan (YEK'ları) ve teknolojilerinin kullanılması, sürdürülebilir gelişme içinanahtar bir bileşendir. Bunun, aşağıda açıklandığı gibi, üç ana nedeni vardır [1]:a) Diğer enerji kaynaklanyla kıyaslandığı zaman, YEK'larının daha az çevresel etkileri vardır. Çünkü,sıfır çevre etkili herhangi bir enerji kaynağı yoktur.b) YEK'lan, fosil yakıt ve uranyum kaynaklarından farklı olarak tüketilemezler. Şayet uygun veverimli uygulamalarda akıllı bir şekilde kulanılırlarsa, daima sınırsız olarak güvenilir ve sürdürülebilirbir enerji temini sağlarlar.c) YEK'lan, güç sisteminin merkezleştirilmesini ve ulusal şebekeden az ya da çok bağımsız olarakyerel uygulanabilir çözümleri desteklerler. Böylece, sistemin esnekliği arttırılabilir ve küçük merkezigüç yerlerine ekonomik güç temini mümkün olabilir. Kentsel alanlarda birçok farklı yenilenebilirenerji teknolojisinin kullanım bakımından potansiyel olarak mevcut olmasının da nedeni budur.

YEK'ları içinde yer alan güneş enerjisi, çok eski zamanlardan beri, tarımsal ürünlerin kurutulması,soğuk mevsimlerde hacim ısıtması veya evlere havalandırma sağlaması amacıyla kullanılmaktadır.İkibin yıldan daha fazla öncesi, güneş enerjisiyle tahrik edilen basit bir su pompası yapıldı ve M.Ö.214' de odaklı güneş aynalan kullanıldı [2]. Ülkemizdeki güneş enerjisi çalışmalar ise, 196O'lı yıllarauzanır. Bu yıllann başlannda, güneş enerjisi ülkemizde alternatif bir enerji kaynağı olarakgerçekleştirildi. Bazı meraklı araştırmacılar ve lisansüstü öğrencileri, güneş enerjisiyle ilgilenmeyebaşladı. 1975'den beri, güneş enerjili su ısıtma sistemleri yaygın olarak kullanılmaya başladı. Buradakısaca belirtilen tarihsel gelişim, başka yerde [3,4] geniş kapsamlı olarak verilmiştir.

197

Ülkemi2de güneş enerjisi; su ısıtma, pişirme, kurutma, Alanya'daki bir otelde absorsiyonlu birsoğutma için buhar üretimi, pasif ısıtma, fotovoltaik gibi uygulamalarla geniş bir yelpazeye sahip olup,bugüne kadar uygulamalar daha çok, sıcak su eldesi üzerinde yoğunlaşmıştır. Bu uygulamalarda,güneş kolektörleri önemli yer tutmaktadır. Ülkemizdeki güneş kolektörlerinin yıllık üretim miktarı1985-1994 yıları arasında, 110000 m2 ' den 250000 m2'ye değişmiştir. Bunun yanı sıra, 1985-1994yıllan arasında ise, 700000-1000000 m2 aralığında gerçekleşmiştir. 2001 yılı sonu itibariyle, kurulankolektörlerin yüzey alanının 8.2 milyon m2 olduğu tahmin edilmektedir [3].

Ülkemizde, güneş enerjili sistemlerin performansının değerlendirilmesinde, yaygın olarak birinci yasaverimine dayalı analizler yapılmaktadır. Oysa, ikinci yasa analize dayalı, yani ekserji verimininin gözönüne alındığı analizler, sistemdeki tersinmezlikleri yansıtması bakımından büyük önem taşımaktadır.Bu çalışmada, öncelikle, ekserji konusu genel hatlarıyla ele alınacaktır. Daha sonra, güneş enerjilisistemlerinin bazı uygulamalarından derlenen ekserji analizleri verilecektir. Son olarak, elde edilensonuçlar tartışılacaktır.

ENERJİ VE EKSERJİ

Başka yerde [5] geniş kapsamlı olarak ele alındığı gibi, ekserji; enerji, çevre ve sürdürülebilirgelişmenin bir karışımı olarak karşımıza çıkar. Bu bölümde, sadece enerji ve ekserji arasındaki ilişkiele alınacaktır. Enerji, genellikle iş ya da iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanır. Bunun yerine,hareket ya da hareket üretme yeteneği olarak tanımlanmalıdır. Bu, şüphesiz daha az belirgindir, amadaha fazla doğru tanımlamadır. Ekserji ise, iş (=düzenli haraket) ya da iş üretebilme kabiliyetidir.Hareket, sık sık belirli bir yönü olmayan, yani anlamsız iştir [6,7]. Başka bir bakış açısından, yanienerji verimliliği bakış açısından enerji; yaşamı konforlı kılan paradır [8]. Özetle, enerjinin para, hattapeşin para olarak tanımlanmasını önerebiliriz [9,10].

Termodinamik bakış açısından ekserji; bir referans çevreyle denge haline gelirken, bir sistem ya damadde veya enerji akışıyla üretilebilecek maksimum miktarda iş olarak tanımlanır. Ekserji, referansçevreye göre tamamen kararlı dengede olmamanın sonucu olarak, değişime neden olan akış ya dasistemin potansiyelinin bir ölçüsüdür. Enerjiden farklı olarak, ekserji; korunum yasasına uğramaz(ideal veya tersinir prosesler hariç olmak üzere). Ekserji daha çok, gerçek proseslerdeki tersinmezliklernedeniyle, tüketilir ya da yok edilir. Bir proses boyunca ekserji tüketimi, prosesle ilişkilitersinmezlikler nedeniyle ortaya çıkan entropiyle orantılıdır. Enerji ve ekserji kavramları, Tablo 1' deaçık olarak kıyaslanmaktadır [11].

Enerji ile ekserji kıyaslandıktan sonra, ekserji analizi yapmanın önemini aşağıdaki şekildesıralayabiliriz [11]:

a) Enerji kaynakları kullanımının çevreye olan etkilerinin en iyi şekilde belirlenmesinde ana bir araçtır.

b) Enerji sistemlerinin tasarımı ve analizi için termodinamiğin ikinci yasasıyla birlikte kütle veenerjinin korunumu prensiplerini kullanan etkin bir yöntemdir.

c) Daha fazla verimli kaynak kullanılma amacını destekleyen uygun bir tekniktir. Belirlenmesi gerekenatık ve kayıpların yerleri, tipleri ve gerçek büyüklükleri ortaya çıkarılır.

d) Mevcut sistemlerdeki verimsizlikleri azaltarak, daha verimli enerji sistemlerini tasarlamanın nasılmümkün olup- olamıyacağını gösteren etkin bir tekniktir.

e) Sürdürülebilir gelişmenin elde elde edilmesinde anahtar bir bileşendir.

f) Enerji politikaların oluşturulmasında kullanılabilecek önemli bir araçtır.

198

Tablo 1. Enerji ve Ekserji Kavramlarının Karşılaştırılması [11]Enerji

Sadece madde ya da enerji akışparametrelerine bağlıdır ve çevresel

parametrelere bağlı değildir.Sıfırdan farklı değerleri vardır (Einstein'ın

bağıntısına göre, rac2 ye eşittir).

Tüm prosesler için termodinamiğin 1.yasasıyla gösterilir.

Tüm prosesler için termodinamiğin ikinciyasasıyla sınırlıdır (tersinir olanlar da dahil).

Hareket ya da hareketi üretme kabiliyetidir.

Bir proseste her zaman korunur; ne vardanyok olur, ne de yoktan var edilir.

Miktarın (niceliğin) bir ölçüsüdür.

Ekserji

Madde veya enerji akışı ve çevresel parametrelerinher ikisine bağlıdır.

Sıfıra eşittir (Çevreyle dengede olarak ölüdurumda)

Sadece tersinir prosesler için termodinamiğinbirinci yasasıyla gösterilir (Tersinmez proselerde,

kısmen ya da tamamen yok olur).Termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle tersinir

proseler için sınırlı değildir.

İş ya da iş üretme kabiliyetidir.

Tersinir proseslerde her zaman korunur, amatersinmez proseslerde her zaman tüketilir.

Niceliğin ve entropi nedeniyle niteliğin (kalitenin)bir ölçüsüdür.

EKSERJİ TANIMLARI

Ekserjetik, ekserji kavramına dayalı mühendislik bilimi için kullanılan uygun bir genel terimdir.Aşağıda, ekserji kayıpları ve verimleri kısaca açıklanacaktır [12].

Bir Sistem İçin Giren ve Çıkan Ekserjiler

Gerçek prosesler için giren ekserji (Exg), çıkan ekserjiden (Ex9) daima fazladır. Bu denksizlik, ekserjiyok oluşu olarak da adlandıırılan tersinmezlikler nedeniyledir. Şekil 1' de gösterildiği gibi, çıkanekserji, ürünün (Exu) ve atığın (Exa) ekserjisi olmak üzere, iki kısımdan oluşur. Ekserji kaybının veatık ekserjinin her ikisi, ekserji kayıplarını gösterir. Ama, tanımlama olarak, tersinmezliklerin hiçbirekserjisi yoktur ve bu yüzden, doğrudan hiçbir çevresel etkisi yoktur. Bununla beraber, büyükmiktarda bir ekserji yok oluşu, çevresel zarara yol açabilen giren ekserjinin fazla miktarda kullanımıanlamına gelebilir.

Ekserji Verimleri

Ekserji verimi basit olarak, kullanılan ekserji olarak tüm ekserji girişi ve yararlanılan ekserji olarak datüm giren ekserjiyi tanımlar. Yani,

Exç

Bununla beraber, çoğu proselerde çıkanın bir kısmı atık olup,

p -

(D

(2)

bağıntısı yazılabilir. Böylece, ekserji verimi,

199

Exe

ExB

Sistemveyaproses

Exge

Exu

Exa

Exc

Şekil 1. Bir Sistem İçin Giren ve Çıkan Ekserjiler [12]

_ Exç-Exa _ Eü _Ex^

""* Exg Eg~Vexl Exg

(3) '

şeklinde elde edilebilir. Bazen ekserjinin bir kısmı sistemden etkilenmeden geçer, yani geçen ekserji(Exge) söz konusu olur. Bu durumda,

_ Exç-Exa-Exge = Exu-Exge

Exg-Exge Exg-Exge

(4)

elde edilir.

DENKLİLİK (BALANS) BAĞINTILARI

Enerji sistemlerin ya da bu çalışmada ele alınan güneş enerjili sistemlerin tasarımında, çoğunlukla,optimum tasarımlar elde etmek için, bilimsel disiplinleri (esas itibariyle termodinamik) ekonomikdisiplinlerle (esas itibariyle maliyet muhasebesi) kombine eden teknikler kullanılır. Bu bağlamda,ekserjekonomik (exergoeconomic), termoekonomik (thermoeconomics) gibi, bazı ekserji bazlıekonomik analiz yöntemlerinden yararlanılır [13]. Aşağıda, bununla ilgili bazı bağıntılar kısacaverilecektir.

Temel Bağıntılar

Bir sistemdeki bir miktar için genel denklilik aşağıdaki gibi yazılabilir:

Giren+Üretilen-Çıkan-Tüketilen=Depolanan (5)

Burada; giren ve çıkan, sırasıyla, sistem sınırlarına giren ve sınırlarından çıkan miktarları, üretilen vetüketilen, sırasıyla, sistem dahilinde üretilen ve tüketilen miktarları ve depolanan ise, sistemdahilindeki miktarın gelişimini (pozitif ya da negatif) gösterir. (5) bağıntısı, miktarlar olarak, integralşeklinde ve akımsal olarak (birim zamanda)diferansiyel şeklinde ifade edilebilir. Diferensiyel denklilik, belirli bir zaman aralığında bir sistemde neolduğunu açıklar ve integral balans, iki zaman arasında bir sistemde ne olduğunu belirtir. Diferansiyeldenklilikler genellikle sürekli proseslere uygulanırken, integral denklilikler yığın (batch) proseslereuygulanır. Sürekli akışlı-sürekli açık sistemler için depolanan akım terimi diferensiyel denklilikte

200

sıfırdır.

Termodinamik Denklilik Bağıntıları

Korunum yasasına (nükleer reaksiyonları ihmal ederek) uğrayan enerji, ne üretilebilir ne detüketilebilir. Ekserji ise, tersinmezlikler nedeniyle bir proses boyunca tüketilir ve bu yüzdenkorunamıyan bir yasayla karşı karşıya kalır. Sonuç olarak, genel denklilik bağıntısı (eşitlik 5) bumiktarlar için aşağıdaki gibi yazılabilir:

Giren Enerji - Çıkan Enerji = Depolanan Enerji (6)

Giren Ekserji - Çıkan Ekserji - Tüketilen Ekserji = Depolanan Ekserji (7)

(6) ve (7) no'lu çıkan bağıntıları, eşitlik (2)'de verildiği gibi, iki bileşene ayrılabilir. Yani,

Çıkan Enerji = Çıkan Ürün Enerjisi + Çıkan Atık Enerji (8)

Çıkan Ekserji = Çıkan Ürün Ekserjisi + Çıkan Atık Ekserji (9)

Ekonomik Denklilik Bağıntıları

Maliyet (gider); artan, korunamayan bir miktardır. Eşitlik (5) ile verilen genel denklilik bağıntısı, gideriçin aşağıdaki gibi yazılabilir:

Giren Maliyet + Üretilen maliyet - Çıkan Maliyet = Depolanan Maliyet (10)

Burada, giren, çıkan ve depolanan maliyetler sırasıyla, sistem için tüm giren, çıkan ve depolananlar ile•ilişkili maliyeti gösterir. Üretilen maliyet ise, bir sistemin meydana getirilmesi ve bakımı ile ilişkiliolan uygun sermaye ve diğer maliyetlere karşı gelir. Yani,

Üretilen Maliyet = Ekipmanın Sermaye Maliyeti + Tüm Diğer Meydana Getirme ve Bakım Maliyetleri(11)

ÖRNEK UYGULAMA

Bu bölümde, elektrik temini için geleceği parlak seçeneklerden birini oluşturan, güneş ısıl güç sistemi(GIGS), güneş enerjili sistemlerde ekserji analizine bir örnek olarak ele alınacaktır. Sistemin enerji veekserji analizi başka yerde [14,15] geniş kapsamlı olarak verilmiş olup, burada sadece elde edilensonuçlar sunulacaktır. Bunun yanı sıra, bazı güneş enerjili sistemlerin ekserji analizi, ilgilireferanslarda [16-19] mevcuttur.

Sistemin Açıklanması

GIGS' nin genel olarak, Şekil 2'de gösterildiği gibi, kolektör-alıcı ve ısı makinası olmak üzere, iki altsistemden meydana geldiği söylenebilir. Kolektör-alıcı çevrimi; izleme modunda çalışan modüllerdenoluşan bir sürü parabolik (tekne şeklinde) kolektörlerden (I) meydana gelmiştir. Bir Rankine çevrimiolan ısı makinası devresi ise, bir ısıtıcı (ısı değiştiricisi II), alçak (III) ve yüksek (IV) basınç kademelibir türbin, bir kondenser (V), pompa (VI) ve rejeneratör (VII) den oluşmuştur. Soğuk akışkan,kolektöre 230.4 °C sıcaklıkta girer ve 288.5 °C de çıkar. Sıcak akışkan, ısı değiştiricisine girer ve

201

burada ısı makinasının çevrim akışkanı (amonyak) ısısını verir. Amonyak, ısı değiştiricisine 185 °C degirip, 245 °C de çıkar.

Sistemin Bazı Değerleri

• Kolektör devresindeki akışkanın kütlesel debisi: 0.02134 kg/s• Rejeneratörün etkinliği: 0.65• Isı değiştiricisinin etkinliği: 0.56• Rankine çevrimindeki akışkanın kütlesel debisi: 1 kg/s• Yoğuşturucu basıncı ve sıcaklığı: 100 kPa ve 100 °C• Çevre sıcaklığı: 30 °C• Buharın basıncı ve sıcaklığı: 3.43 MPA ve 245 °C• Kolektör özellikleri; Adet: 42, genişliği: 1.5 m , uzunluğu: 5 m, absorberin iç ve dış çapı: 3.8 ve 4cm

Sistemin Teorik Ekserji Analizi

Kolektör-alıcı alt sisteminin ekserji analizi, kolektörün ve alııcının olmak üzere, iki kısımdan oluşur.Bu sistemin toplam ekserji verimi, eşitlik (1)' e benzer olarak,

rjexM=Exy/Exg (12)

şeklinde tanımlanabilir. Yararlı (çıkan) ekserji, Exy

Ex= N[m(haç-hag)-T0(saç-sag)] (13)

o

bağıntısından bulunabilir. Burada, N: kolektör sayısı, m : akışkanın kütlesel debisi, haç ve hag: çevresıcaklığındaki akışkanın ve giren akışkanın entalpileri, saç ve sag: çevre sıcaklığındaki akışkanın vegiren akışlarım entropileri ve To: çevre sıcaklığıdır.

Kolektörle alınan (giren) ekserji, Exg ise,

Exg=Qgu[l-(T0-Tgu)] (14)

şeklindedir. Burada, Qg u: transfer edilen güneş ısısı ve Tg u: gün boyunca değişen güneş sıcaklığıdır. Isımakinası alt sisteminin toplam ekserji verimi, benzer şekilde, ısı değiştiricisi ve ısı makinasındanoluşur. Yani:

(15)

şeklinde tanımlanabilir. Burada, Wnet: ısı değiştiricisiyle üretilen net iş ve Exy,ç: ısı makinası çevrimakışkanının kullanılabilir ekserjisi olup,

Exy=Qy[\-{T0-TRç)} (16)

bağmtısıyla bulunabilir. Burada, Qy: yararlı transfer edilen ısı ve TRIÇ: Rankine çevriminin çevre

202

sıcaklığıdır. Sistemin toplam ekserji verimi, alt sistemlerin iki ayn ekserji verimlerinin çarpımı olup,

rjtop=WJExg (17)

şeklinde yazılabilir.

Sistemdeki her bir bileşenin ekserji kaybı, Exkayıp, giren (Exg) ve çıkan (Ex9) arasındaki ekserji farkıolup, yüzdesel olarak aşağıdaki bağıntıdan bulunabilir:

Sistemdeki her bileşenin ekserji verimi (%) ise,

(18)

Güneş Kolektoru Toplayici Çevrini

Şekil 2. Güneş Isıl Güç Sistemi Akış Şeması [14]

203

(19)

olarak hesaplanabilir.

Sistemin Ekserji Analizi Sonuçları

Yukarıda verilen bağıntılar ve ilgili termodinamik özellikler kullanılarak, GIGS' nin herbir bileşenininve toplam ekserji verimi hesaplanabilir. Tablo 2' de, ilgili referanslarda [14,15] verilen ekseni (ikinciyasa) verimi sonuçlan gösterilmiştir. Güneş kolektörlerinin ekserji verimi, göreceli olarak düşüktür.Çünkü, bu kolektörler, yüksek kaliteli güneş (ışınımı) enerjisini, ısıtıcı akışkanın düşük kaliteli entalpiartışının sağlanması için transfer ederler. Tablo 3' den de görüleceği üzere, kolektör-alıcı sistemindekiekserji kaybı en fazladır (% 70.96).

Tablo 4'de, her bir sistem bileşeninin enerji (birinci yasa) ve ekserji verimlerinin kıyaslamasıyapılmıştır. Buradan, ısı makinası devresindeki yüzde enerji kaybı (% 72.37), kolektörünkinden (%32.65) ve üstelik kolektör-alıcı ünitesinden (% 56.30) daha fazladır. Bu değerler, açık olarak, ekserjianalizi sonucunun farklı bir davranış sergilediğini göstermektedir.

Tablo 3. Güneş Isıl Güç Sisteminin Ekserji Analizi Sonuçlan

Alt sistemKolektör (K)Alıcı A)K-AIsı değiş.Isı makinasıToplam Sistem

Alınan ekserji(kW)270.82

78.63270.82

53.7751.845270.82

Sağlanan Ekserji(kW)78.63

53.76853.76851.84534.51134.511

Ekserji kaybı(kW)

192.1924.862210.05

1.9217.334236.30

Ekserji kaybı(%)70.96

31.61880.146

3.57733.43487.254

Ekserji

(%)29.0368.3819.8596.4266.5712.74

Tablo 4. Güneş Isıl Güç Sisteminin Enerji ve Ekserji Analizi Sonuçlannın KıyaslanmasıAlt sistem

Kolektör (K)Alıcı A)K-AIsı değiş.Isı makinasıToplam sistem

Tersinmezlik

(kW)192.1924.862

217.0521.923

17.334236.30

Enerjikaybı

(%)32.6535.1256.30

0.072.3787.93

EkserjiKaybı

(%)70.9631.6280.15

3.5833.4387.25

Enerji(Birinci yasa)verimi(%)

67.3564.8843.70

100.0027.6312.07

Ekserji(İkinci yasa)verimi(%)

29.0368.3819.8596.4266.5712.74

Tablo 4'den, aynca, kolektör ve alıcıdaki tersinmezliklerin en fazla olduğu görülmektedir. Bukısımdaki ekserji kayıplannın azaltılması için çabalann harcanması gerektiği ortaya çıkmaktadır.Burada, malzeme sınırlamalannın önemli bir rol oynadığı ve bu yönde çalışmalann yürütülmesiningerektiği sonu ucuna vanlabilir [14].

Güneş kolektörlerinde, enerji veriminin ve ısıtıcı akışkanın ortalama sıcaklığının arttınlmasıyla, ekserjiverimi arttınlabilir [20].

204

SONUÇLAR

Enerji (birinci yasa) analizi, ısıl sistemlerin analizinde yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.Termodinamiğin birinci yasası, sadece enerjinin korunumu ile ilişkilidir ve sistemin performansınınnasıl, nerede ve ne kadar azaltıldığı hakkında hiçbir bilgi vermez. Buna karşın ekserji analizi, enerjisistemlerinin tasannu, optimizasyonu ve performansının değerlendirilmesinde yararlı bir araçtır.Ekserji analizi genellikle, sistemin maksimum performansını belirlemek ve ekserji kaybı yerlerinisaptamak amacıyla yapılır [21].

Ülkemizde, güneş enerjili sistemlerin ekserji analizi ile sınırlı çalışmalar mevcuttur. Bu çalışmada, biryandan ekserji genel hatlarıyla verilmeye çalışıldı, öte yandan da literatürdeki mevcut bir analizverilerek, konu çok yönlü tartışıldı.

Ülkemizde, güneş enerjili sistemlerde, maalesef, enerji analizinin bile tam olarak yapılmadığı birsüreçte, burada sunalan ekserji analizi belki de farklı (lüks olarak) algılanabilir. Ancak, enerji, çevre vesürdürülebilir gelişmenin mükemmel bir karışımı olan ekserjinin, gerek tasarım gerekse de işletmeaşamasında ele alınmasın, enerji verimliliği sağlamada ve hatta ülkelerin enerji politikalarınınoluşturulmasında [11] anahtar bir rol oynadığı göz ardı edilmemelidir. Burada sunulan çalışmanın,uygulayıcı mühendislere farklı bir bakış açısı kazandıracağı, yazar tarafından beklenmektedir.

REFERANSLAR

[I] I. Dincer, "On Energy Conservation Policies and Implimentation Practices", Interm".'. jnal Journalof Energy Research, Cilt 27, 2003, s. 687-702.

[2] P. Vanderhulst, H. Lanser, P. Bergmeyer, F. Foeth, R. Albers, "Solar Energy: Small ScaleApplications in Developing Countries", Amsterdam, Holanda. http://www.wot.utwente.nl, 1990.

[3] A. Hepbasli, K. Ulgen, R. Eke, "Solar Energy Applications in Turkey", Energy Sources, 2003(Baskıda).

[4] A. Hepbasli, O. Ozgener, "Turkey's Renewable Sources. Part 1: Historical Development, EnergySouırces, 2003 (Baskıda).

[5] M.A. Rosen, I. Dincer, "Exergy as the Confluence of Energy, Environment, aıv1 ^ustainableDevelopment", Exergy Int. J., Cilt 1, No. 1, 2001, s. 3-13.

[6] G. Wall, "Exergy Conversion in the Japanese Society", Energ, Cilt 15, No. 5,1990, s. 4:5-444.

[7] G. Wall, "Exergy, Society and Morals", Journal of Human Values, Cilt 3, No. 2,1997, s. 193-206.

[8] N. Shinkawa, "An Outlook for Energy in Energy Conservation Point of VIJ.V", KyushuInternational Center, JICA ve KITA, Kitakyushu, Japan, 1998.

[9] EEO, Energy Effıciency Office, "Energy, Environment and Profits", Making a CorporateCommitment, Department of the Environment, England, 1993.

[10] A. Hepbasli, N. Özalp, "Development of Energy Effıciency and Management Imp' ^ntation inthe Turkish Industrial Sector", Energy Convers. Mgmt., Cilt 44, No. 2, 2003, s. 231-49.

[II] I. Dincer, "The Role of Exergy in Energy Policy Making", Energy Policy, Cilt 30, ..u..2, s. 137-149.

[12] G. Wall, "Conditions and Tools in the Design of Energy Conversion and Managem .: Systems ofa Sustainable Society", Energy Convers. Mgmt., Cilt 43, 2002, s. 1235-1248.

[13] M. A. Rosen, I. Dincer, "Exergoeconomic Analysis of Power Plants Operating on Vaıious Fuels",Applied Thermal Engineering, Cilt 23, 2003, s. 643-658.

205

[14] N. Singh, S.C. Kaushik, R.D. Misra, "Exergetic Analysis of a Solar Thermal Power System",Renewable Energy, Cilt 19, 2000, s. 135-143.

[15] C. Koroneos, T. Spachos, N. Moussiopoulos, "Exergy Analysis of Renewable Energy Sources",Renewable Energy, Cilt 28, 2003, s. 295-310.

[16] N. Eskin, "Performance Analysis of a Solar Process Heat System", Energy Convers. Mgmt., Cilt41,2000, s. 1141-1154.

[17] J.G. Cervantes, E. Torres-Reyes, "Expriments on a Solar-Assisted Heat Pump and an ExergyAnalysis of the System", Applied Thermal Engineering, Cilt 22, 2002, s. 1289-1297.

[18] E. Torres-Reyes, J.G. Cervantes-de Gortari, B.A. Ibarra-Salazar, M. Picon-Nunez, "A DesignMethod of Flat-Plate Solar Collectors Based on Minimum Entropy Generation", Exergy Int. J.,Cilt 1, No. 1, 2001, s. 46-52.

[19] E. T. Reyes, M. P. Nunez, J. Cervantes De G., "Exergy Analysis and Optimization of a Solar-Assisted Heat Pump", Energy, Cilt 23, No. 4,1998, s. 337-344.

[20] J. Szargut, D.R. Morris, F.R. Steward, "Exergy Analysis of Thermal, Chemical, and MetallurgicalProcess", Hemisphere Publishing Corporation, Nwe York, 1988, s. 332.

[21] R. Yumrutas, M. Kunduz, M. Kanoglu, "Exergy Analysis of Vapor Compression RefrigerationSystems", Exergy Int. J., 2003.

206

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİLİ SICAK SU HAZIRLAMA SİSTEMLERİNDEISI TRANSFER YAĞININ KULLANILABİLİRLİĞİ

Öğr.Gör. Ahmet ÖZSOY

S. Demirel Ün.Tek. Eğ. Fak. Mak. Eğ. Bölümü, e-mail: aozsov@tef.sdu.edu.tr

ÖZET

Bu çalışmada güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemlerinde ara akışkan olarak özel ısı transferyağının kullanılabilirliği deneysel olarak incelenmiştir. Doğal ortamda yapılan deneylerde araakışkan olarak su ile ısı transfer yağı kullanan iki sistem aynı koşullarda eş zamanlı olarakdenenmiştir. Deney sonuçlarında ısı transfer yağının doğal sirkülasyonlu sistemlerdekullanılabileceği görülmüştür. Özellikle 100 °C'nin üzerinde akışkan sıcaklığı istenildiğidurumlarda kaynama nedeniyle su kullanılamayacağı için ısı transfer yağının kullanılabileceğidüşünülmektedir. Örneğin absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde yüksek verimli kollektörlerle buyağ kullanılabilecektir.

GİRİŞ

Enerji toplumların gelişmişlik seviyelerinin bir ölçüsü olması yanında, insanların daha rahat birşekilde yaşamaları için gerekli bir hizmet aracıdır. Enerji, petrol ve türevlerinden sağlandığı gibigüneş, rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından da sağlanmaktadır. Güneş enerjisi, ömüraçısından sonsuz olması, ülke sınırları ile sınırlandınlmaması, dışa bağımlı olmaması gibiavantajlannın yanında birim alana düşen enerji miktarı olarak tanımlanan enerji yoğunluğunun azolması, kesikli olması ve benzeri dezavantajları da vardır. Ülkemiz coğrafi konumu itibariyle güneşenerjisi yoğunluğu bakımından diğer ülkelerle kıyaslandığında şanslı ülkeler arasındadır.

Devlet İstatistik Enstitüsü (DİE) tarafından yapılan bir araştırmaya göre, ülkemizde enerjitüketiminin %35'lik kısmı konutlarda tüketilmektedir. Bu tüketim ısınma, aydınlatma, sıcak sukullanımı ve benzeri gereksinimler için kullanılmaktadır. Konutlarda sıcak su sağlamak amacıyla,%42,6'sında şofben, %33,6'sında soba, %10,1'inde güneş kollektörü, %7,1'inde elektriklitermosifon, %4,7' sinde kombi ve % 1,3'ünde de apartman ortak sıcak su sistemikullanılmaktadır [ 1 ].

Güneş enerjili sistemlerle sıcak su elde edilmesinde, güneşten gelen güneş ışınlarını ısı enerjisinedönüştürerek doğrudan veya dolaylı olarak bir ara akışkan yardımıyla kullanma suyunaaktarılmakta ve bir sıcak su deposunda depolanmaktadır. Güneş ışınlarının ısı enerjisinedönüştürüldüğü kollektörlerden sağlanabilecek enerji, kollektör verimine bağlıdır. Verimözellikleri; güneş enerjisi miktarı, dış ortam sıcaklığı, rüzgar hızı gibi meteorolojik parametrelerle,kollektör tasarım parametrelerine (yutucu yüzey ve cam özellikleri, izolasyon cinsi ve kalınlığı,kullanılan akışkan özellikleri vs.) bağlıdır [2].

207

Güneş Enerjili Sistemlerde Kullanılan Ara Akışkanlar

Güneşten elde edilen enerjinin kullanma suyuna aktarılması, direk sistemlerde doğrudan suya,indirek sistemlerde ise bir ara akışkan yardımıyla yapılmaktadır. Ara akışkan olarak su, antifirizlisu, inhibitörlü su, madeni yağlar, hidrokarbonlar, silikon yağlan ve değişik kimyasallarkullanılmaktadır [3-9].

Sistemde kullanılacak ısı transfer akışkanlannın kimyasal özelliklerinin yeterli düzeyde olması,toplayıcı, ısı değiştirici, bağlantı elemanlan ile zararlı bir etkileşiminin olmaması önemlidir.Kullanım sırasında çeşitli sorunlar yaşanmaması için kullanılan akışkanlann ömrü, zehirliliği,donma ve kaynama sıcaklıklan, korozif özellikleri, yoğunluğu ve benzeri termodinamiközelliklerinin bilinmesi gerekmektedir. Bazı önemli ısı transfer akışkanlannın bu özellikleriliteratürde verilmektedir.

Güneş tarafından yapılan bir araştırmada [10], ülkemizde güneş enerjisi sistemleri imalatçılantarafından koUektörde kullanılan akışkan olarak çoğunlukla donmayı önlemek amacıyla su-antifirizkanşımı (imalatçılann %70'i), bazılannca su (imalatçıların %21'i) ve bazen de (imalatçılann%9'unun) her ikisinin de kullanıldığı saptanmıştır. Yapılan bu araştırmaya göre ülkemizde dahadeğişik akışkanlan kullanan firmalar bulunmamaktadır. Özellikle soğuk iklimlerde sistemde suyundonmasını önlemek amacıyla antifıriz+su kanşımmın kullanılması çok yaygındır. Ancak antifırizsuyun donma noktasını düşürmesi gibi olumlu bir etkisinin yanında ısı kapasitesini azaltıcı yöndede bir etkisi de olmaktadır [6].

Su ve antifirizli su haricinde değişik akışkanlar henüz ülkemizde kullanılmamasına rağmen değişikakışkanlann araştınlması ve kullanılmasına yönelik çalışmalar devam etmektedir. Örneğin özellikledüşük sıcaklık uygulamalannda (T<100 °C) kullanılmak üzere Thermogenl693, Antifrogen N %52,Antifrogen L %52, Antifrogen KA gibi akışkanlar mevcuttur [7]. Bu tip akışkanlann kullanımı ilemaliyet artışına karşın; ömür, işletme ve kuruluş maliyetlerinde azalma ve sistem seçimindekarmaşık çözümlerden ziyade basit sistemlerle çalışma amaçlanmaktadır.

Durmuş ve Kurtbaş tarafından değişik akışkanların güneş enerjili sıcak su sistemlerindekullanılması ile ilgili olarak yapılan deneysel bir çalışmada [6] ısı transfer akışkanı olarak antifirizlisu olarak su+etilen glikol, su+propilen glikol ile trafo yağı ve dişli yağı kullanılmıştır. Trafo yağıtransformatörlerde ve devre kesicilerde elektrik izolasyonu ve soğutma amacıyla kullanılmaktadır.Dişli yağı olarak Tork Fluid 175 kullanılmıştır. Bu yağ hidrolik tork konvertörlerde vetransmisyonlarda kullanılmaktadır. Yapılan deneysel çalışmalarda denenen ısı transferakışkanlannın Reynold sayılanna karşılık gelen Nusselt sayılan araştınlmış, verimlilik yönünden eniyi ara akışkanın sırasıyla propilen glikol-su kanşımı, etilen glikol su kanşımı, trafo yağı ve dişliyağı verilmiştir.

Isı Transfer Akışkanı Olarak Kullanılan Bazı Akışkanların Genel Özellikleri

Güneş enerjili sıcak su ısıtma sistemlerinde kullanılan bazı akışkanlann genel özellikleriliteratürden alınarak aşağıdaki şekilde özetlenmiştir [4,5,11].

Su : Düşük viskozitesi yüksek yoğunluğu ve özgül ısısı, nispeten yüksek kaynama noktası zehirsizolması, ucuzluğu ile ideal bir ısı transfer akışkanıdır. Bazı metallere korozif olması, donmanoktasının yüksek oluşu ve bazı bölgelerdeki sulann içerikleri nedeniyle sertliklerinin yüksekolması ve kabuklaşmaya neden olması olumsuz özelliklerindendir.

208

Madeni Yağlar : Geniş bir sıcaklık aralığında kullanılabilir. Ömürleri 10 yılın üzerindedir. Ancakviskozitelerinin yüksek olmaları büyük basınç kayıplarını doğurur. Özgül ışılan da suya nazarandaha küçüktür. Kaynama noktalarının yüksek olması nedeniyle suya nazaran çok daha yükseksıcaklıklarda da kullanılabilmektedirler. Özellikle ısı transferi amacıyla imal edilmiş olan madeniyağlar açık sistemlerde 200 °C ve kapalı sistemlerde ise 315 °C sıcaklıklara kadar emniyetlekullanılabilmektedir.

Hidrokarbonlar : Donma noktalan suya nazaran çok daha düşük, kaynama noktalan ise dahayüksektir. Viskoziteleri düşük sıcaklıklarda daha yüksek olduğu için sistem özel pompa gerektirir.Isıl iletkenliklerinin düşük olması ve kolaylıkla oksitlenebilmeleri ise bir başka dezavantajıdır.

Silikon Yağlan : Donma noktaları çok düşük olup güneş enerjili sitemlerde kullanılan metallerdekorozyona neden olmazlar. Ömürleri uzundur. Diğer organik esaslı yağlar gibi yüksek viskoziteyeve düşük ısıl kapasiteye sahiptir.

Su ve Glikol Kanşımlan : Tahmini ömürleri üç yıl olduğundan belli aralıklarla değiştirilmelerigerekir. %50 etilen glikol ihtiva eden -36 °C ye, %50 propilen glikol ihtiva eden -33 °C 'ye kadardonmaz. Yüksek sıcaklıklarda zehirli olabilecekleri gibi korozyona da neden olabilmektedirler.Kaynama noktası suya nazaran yüksek olup ısıl etkinlikleri de yüksektir.

DENEYSEL ÇALIŞMA VE METOD

Bu çalışmada doğal sirkülasyonlu güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemlerinde ara akışkan olarakısı transfer yağının (Petrol Ofisi Isı Transfer Yağı) kullanılabilirliği deneysel olarak araştınlmıştır.Deneyler İsparta'da Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Makina Atölyesiönüne kurulan deney standında doğal ortamda yapılmıştır. Deneylerle ilgili ölçümler 2003 yılıNisan ayı içinde yapılmıştır. Deneysel çalışmada yan yana iki sistem güney yönüne dönük olarak veİsparta için enlem derecesine yaklaşık eşit olarak, yatayla 35 ° açı yapacak şekilde kurulmuştur.Sistem doğal sirkülasyonlu olup indirek ısıtmalı kapalı çevrimdir. Her iki sistem de atmosfereaçıktır. Sistemlerden birisine ısı transfer akışkanı olarak Petrol Ofisinin özel ısı transfer yağı,diğerine ise ham şebeke suyu konulmuştur. Su ile kıyaslanacak olan ısı transfer akışkanı ile ilgiliözellikler Tablo l'de verilmiştir.

Tablol. Petrol Ofisi Isı Transfer yağının bazı özellikleri [11]Özellik

Yoğunluk (15 °C'de)Alevlenme noktası

Kinematik Viskozite 40 °C ' de100 °C de200 °C 'de300°C'de

Isıl iletkenlik 40 °C de100 °C de200 °C 'de300 °C 'de

Özgül ısı kapasitesi 40 °C de100 °C de200 °C 'de300 °C 'de

Tipik Değer0,8776 g/ml

230 °C44,59 cSt6,88 cSt1,67 cSt0,84 cSt

0,131 W/m°K0,128 W/m°K0,120 W/m°K0,113 W/m°Kl,89kJ/kg°K2,16kJ/kg°K2,52 kJ/kg °K2,88 kJ/kg °K

209

Isı değiştirici olarak galvanizli sacdan gömlekli tip boyler kullanılmıştır. Boyler sıcak sukapasiteleri her iki sistem için aynı olup yaklaşık 120 litredir. Gömlek kısmı, güneş kollektörü vebağlantı borulanndaki toplam ara akışkan miktarı ise yaklaşık 24 litredir. Kullanılan güneşkollektörleri düz tip, siyaha boyalı alüminyum malzemeden yapılmıştır. Her bir kollektörün netalanı 1,66 m2'dir. Kollektör üzeri 4 mm normal camla kaplıdır. Kollektör ile depo arasındakibağlantı boruları 25 mm PPRC tip.3 borulardan yapılmıştır. Galvanizli boru yerine bu borularınseçilmesinin nedeni sirkülasyonun doğal olması nedeniyle sürtünme kayıplarının azaltılmasıamacıyladır. Kollektörlerin en üst seviyesi ile sıcak su deposu arasında 25 cm'lik bir yükseklik farkıvardır. Sıcak su deposu, kollektör ve bağlantı boruları cam yünü ile yalıtılmıştır.

T7

T3

Yağlı sistem Sulu sistem

Şekil 1 Deney düzeneğinin şematik görünümü

Sıcaklık ölçmelerinin yapılmasında termo eleman sıcaklık algılayıcıları (LM 35) kullanılmıştır.Ölçmeler algılayıcılardan gelen sinyaller yardımıyla dijital veri seçiciden sıcaklık olarakokunmuştur. Sıcaklık algılayıcıların akışkanla temasını önlemek amacıyla 12mm çapında bakırtüpler içerisine yerleştirilip arka kısımlan kapatılarak ölçülecek olan noktalara yerleştirilmiştir.Ölçmeler esnasında sistemden hiç su alınmamıştır. Ölçmelerin yapıldığı mevsimin ilkbahar olmasınedeniyle çoğu günler parçalı bulutlu yada yağmurlu olarak geçmiştir. Deneylerde her iki sistemiçinde kollektör girişi, kollektör çıkışı ve depo sıcaklıkları ile dış hava sıcaklığı ölçülmüştür (Ti, T2,...,T7). Ölçmeler her gün üç defa olmak üzere yerel saatle (güneş saati-mahalli saat) 10.00, 12.00 ve14.00'te (tam güneş öğlesinde, güneş öğlesinden 2 saat önce ve 2 saat sonra olarak) yapılmıştır.Deney düzeneğinin şematik görünümü Şekil l'de verilmiştir.

210

SONUÇLAR VE TARTIŞMA

Güneş enerjili indirek sıcak su hazırlama sistemlerinde ısı transfer akışkanı olarak özel ısı transferyağının kullanılabilirliğini tespit etmek amacıyla doğal ortamda bir dizi deney yapılmıştır. Yapılandeneylerde ısı transfer yağının da ara akışkan olarak su ile benzer bir davranış gösterdiğigörülmüştür. Suyun ısı iletim katsayısı, özgül ısısı yağa oranla daha yüksek ve viskozitesinin dedaha düşük olmasına rağmen ısı değiştiricide hazırlanan kullanftıa suyu sıcaklığı yağlı ve sulusistemlerde aynı mertebelerdedir. Bununla ilgili olarak deney sonuçlan Şekil 2'de grafiksel olarakverilmiştir. Şekilde depo sıcaklıklarının 2, 3, 6 ve 7. günlerdeki sıcaklık düşümlerinin nedeni bugünlerde havanın kapalı ve yağışlı olmasındandır.

-Yağlı sistemiçin deposıcaklığı

- Sulu sistemiçin deposıcaklığı

- Dış havasıcaklığı

Şekil 2. Depo sıcaklıklarının günlere göre değişimi (Güneş öğlesi olarak Saat 12:00 ölçümleri)

-Yağlı sistemdepo sıcaklığı

- Sulu sistemdepo sıcaklığı

- Dış havasıcaklığı

009:30 10:30 11:30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:30

Saatler

Şekil 3. Gün boyunca her iki sistemdeki depo sıcaklıklarının değişimi

211

Şekil 3'te ise her iki sistemin bir gün boyunca davranışı görülmektedir. Yağ kullanan sisteminilk ölçümde depo sıcaklığının sulu sisteme oranla daha düşük sıcaklıkta güne başlamasınarağmen saat 12:30 civarında (Burada kullanılan saat gerçek saattir. Yani Türkiye saatidir)sıcaklıkların eşitlendiği, saat 13:30'dan sonra da çok az da olsa yağ ile çalışan sistemin deposıcaklığının arttığı gözlenmiştir. Bu ölçüm esnasında saat 14:30'dan sonra bulutlanma başlamışve daha sonra hava tamamen kapanmıştır. Yapılan gözlemler esnasında yağlı sistemde yağınviskozitesinin yüksek olması nedeniyle ilk devreye girmede, yani yağ sirkülasyonununbaşlamasında bir yavaşlık gözlenmiştir. Bu sonuç, yağ ile çalışan sistemin direk güneşradyasyonunun az olduğu durumlarda sistemin suya oranla daha yavaş olduğunugöstermektedir. Sulu sistemde ise böyle bir durum gözlenmemiştir. Yağın viskoz olmasınedeniyle kollektör giriş ve çıkış sıcaklık farklılıkları da suya nazaran daha yüksek olmaktadır.Bu durum Şekil 4'te görülmektedir.

llekt

örd

e g

iriş

ve

%

Akı

şka

caki

ık f

arkı

ıkış

sı

40 ı

35

30

25

20

15 ı

5

009

/

A-

1

/

<

• — — '

30 10:30 11

' ,

r—J

•—>

\

1

\

30 12:30 13:30 14:30 15:30 16:30 17:3

Zaman

- * -

0

Yağlı

Sulu

sistem

sistem

Şekil 4. Gün boyunca kollektöre giren ve çıkan akışkan sıcaklık farkları

Yağ ile çalışan sistemde kollektör giriş ve çıkışları arasındaki sıcaklık farkı saat 14:30'da 35,7 °C'aulaşmasına rağmen sulu sistemde bir kararlılık içerisinde yaklaşık 13 °C'lik bir sıcaklık farkıgözlenmiştir. Saat 14:30'dan sonra sıcaklık farkının azalmasının nedeni havanın bulutlanmasıdır.

Sonuç olarak;

• Güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemlerinde ara akışkan olarak su veya antifirizli su yerineısı transfer yağının kullanılabileceği görülmüştür.

• Isı transfer yağı kullanılan sistemlerde donmaya karşı ayrıca bir önlem alınmasına gerek yoktur.• Maliyet olarak ısı transfer yağı, su veya antifirizli suya nazaran daha pahalıdır. Ancak korozyon

sorunu yağlı sistemlerde yaşanmamaktadır. Ayrıca ısı transfer yağının ömrü antifirizli suyaoranla üç katı daha fazladır. Bu da olumlu bir etkidir.

• Özellikle yüksek sıcaklık istenen durumlarda (T>100 °C) ısı transfer yağı başka akışkanlaryerine kullanılabilir. Örneğin absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde güneş enerjili çalışmada

212

yüksek verimli, seçici yüzeyli kollektörlerin kullanılmasında ara akışkan olarak ısı transferyağının kullanılmasının daha uygun olacağı düşünülmektedir.Akışkanın sirkülasyonu pompa ile sağlanan zorlanmış dolaşımlı sistemler aynca incelenmelidir.

KAYNAKLAR

[1]. DİE Devlet İstatistik Enstitüsü Başkanlığı, "Konutların Enerji Tüketim Karakteristikleri, 1998Anket Sonuçlan" www.die.gov.tr.

[2]. Tms Ç., Söhmen M., "Türkiye'de Üretilen Güneş enerjili Su Isıtma Sistemlerinde KullanılanGüneş Kollektörleri " Güneş Günü Sempozyumu, s.30-36, Kayseri, 1999.

[3]. Duffy J.A., Beckman W.A., "Solar Engineering of Thermal Processes" John Wiley & Sons,1991.

[4]. Özbalta N., Güngör A., "Güneş Enerjisi Toplayıcılarında Kullanılan Isı Transfer Akışkanlan"Güneş Enerjisi Enstitüsü Dergisi, C.l, S.l, s.65-76, 1989.

[5]. Tırıs Ç., Söhmen M., Erdallı Y., "Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri" Tübitak MAM, EnerjiSistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Kocaeli, 1997.

[6]. Durmuş A., Kurtbaş İ., "Investigation of Usable Interphase Materials in a Closed-Loop EnergySystems" 12 th International THERMO Conference, s.97-102, Budapest, Hungary, 2001.

[7]. Güngör A., Özbalta N., "Güneş Enerjili Sıcak Su Hazırlama Sistemlerindeki Gelişmeler" ÇevreEnerji Kongresi Antalya Sempozyumu, s.121-128, Antalya, 1997.

[8]. Kılıç A., Öztürk A., "Güneş Enerjisi" Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983.[9]. TSE , "TSE 3817 Güneş Enerjisi Su Isıtma Sistemlerinin Yapım, Tesis ve İşletme Kurallan",

Ankara, 1994.[10]. Güneş M., "Düzlemsel Güneş Kollektör Üretimi Üzerine Bir İnceleme" Güneş Günü

Sempozyumu, s.37-42, Kayseri, 1999.[11]. Petrol Ofisi A.Ş., "Madeni Yağlar ve Petrol Ofisi Ürünleri" Ankara, 1996.

213

TMMAB MaUne MilkenJUerî ÛJas,Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

BİR KONUTUN GÜNEŞ ENERJİSİ KAYNAKLI ABSORPSİYONLUSİSTEM İLE SOĞUTULMASININ İNCELENMESİ

Arş. Gör. İbrahim ATMACA, Arş. Gör. Ömer KAYNAKLI, Prof.Dr. Abdulvahap YİĞİT

Uludağ. Ün. Müh. Mim. Fak. Mak. Müh. Bölümü, 16059 Görükle BURSA

ÖZET

Gelişen teknoloji ve Dünya nüfusundaki hızlı artış ile enerji ihtiyacı sürekli olarak artmaktadır. Klasikenerji türlerinin, sürekli artan bu ihtiyacı ileride karşılayamaz duruma geleceği açıktır. Bu durumdayenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmak oldukça önem kazanmaktadır. Yenilenebilir enerjikaynağı olan güneş enerjisini ve atık ısı enerjisini kullanabilen absorpsiyonlu soğutma sistemi, elektrikenerjisiyle çalışan mekanik kompresörlü buhar sıkıştırmak soğutma sistemi yerine, soğutma yapmakiçin kullanılabilir.

Bu çalışmada, LiBr - su akışkan çiftiyle çalışan, tek kademeli, güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlusoğutma sistemi simüle edilmiştir. Yapılan simülasyonda, Antalya'da bulunan, soğutma yükü 10.5 kWolan bir konutun soğutulması incelenmiştir. Sistemin devreye giriş saati sabah saat 08.00 ve devredençıkış saati gece saat 01.00 olarak günde 17 saat çalıştığı düşünülmüştür. İnceleme, Mayıs ayındanEylül ayına kadar olan 5 aylık periyot için yapılmıştır. Kollektör tipi, depo tankı boyutları ve soğutmasisteminin çalışması için belirlenen referans sıcaklık değiştirilerek, güneş enerjisinden yararlanmaoranının (FNP), kullanılan yedek enerji kaynağı gücü ve depo tank sıcaklığının değişimi elde edilengrafikler ile incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Absorpsiyonlu Soğutma, Simülasyon.

GİRİŞ

Son zamanlarda, özellikle elektriğin pahalı veya kısıtlı olduğu yerlerde soğutma sistemleri içinalternatif bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi cazip hale gelmektedir. Absorpsiyonlu soğutma sistemigüneş enerjisinin kullanımı için uygun bir sistemdir. Absorpsiyonlu soğutma sisteminin bir ısıkaynağına ihtiyacı vardır ve bu sistemlerin üretimi genellikle direkt gaz yakıtlı uygulamalar halindeolmaktadır. Bu sistemlerde güneş enerjisinin kullanımı ile geleneksel enerji kaynaklarının tüketimi vebunların pik ihtiyaçları azaltılabilir.

Güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sistemi ile ilgili çeşitli çalışmalar bulunmaktadır.Ghaddar vd. (1997) Beirut için güneş enerjili absorpsiyonlu soğutma sisteminin performansınıincelemişlerdir. İleri (1995 ve 1997) ve Ergül (1991) güneş enerjisiyle çalışan absorpsiyonlu ısıpompasını simüle ederek çeşitli çalışma ve performans parametrelerinin değişimini ele almışlardır.Yiğit (1990) yaptığı simülasyon ile absorpsiyonlu soğutma sisteminin tüm elemanlarının boyutlarınıbelirlemiş ve absorberi detaylı olarak incelemiştir. Atmaca (2002, 2003) Antalya için 8 saatlik çalışmaperiyodunda güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sistemini simüle ederek çeşitli çalışmaparemetrelerinin sistem üzerine etkisini incelemiştir. Halen güneş enerjisinin daha verimli kullanımıiçin çeşitli çalışmalar devam etmektedir.

214

Bu çalışmada, depo tank hacminin, kollektör tipinin ve sistemin çalışması için gerekli olan minimumsıcaklık olarak belirlenen referans sıcaklığın güneşten yararlanma oranı FNP üzerine etkisiincelenirken çalışma saatleri içerisinde depo sıcaklığı, toplanabilen faydalı enerji miktarı, yardımcıenerji kaynağı ısıl gücü ve kollektör anlık verimleri de oluşturulan grafikler ile ele alınmıştır.

GÜNEŞ ENERJİSİ KAYNAKLI ABSORPSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİ MODELİ

Güneş enerjisi kaynaklı tek kademeli absorpsiyonlu soğutma sisteminin şematik diyagramı Şekil 1. deverilmiştir. Bilindiği üzere absorpsiyonlu soğutma sistemini meydana getiren başlıca elemanlaryoğuşturucu, buharlaştırıcı, kaynatıcı, absorber ve eriyik eşanjörü olarak tanımlanır.

Şekil 1. de gösterilen LiBr - su çifti ile çalışan absorpsiyonlu soğutma sisteminin çalışma prensibi şuşekilde özetlenebilir. Absorberde bulunan LiBr bakımından fakir eriyik, eriyik eşanjöründe bir miktarısınarak kaynatıcıya gelir. Kaynatıcıda verilen ısı ile, soğutucu akışkan buharı buharlaşarak eriyiktenayrılır. Buharlaşarak kaynatıcıyı terkeden soğutucu buharı yoğuşturucuya girer. Kaynatıcıda, içindensoğutucu buharının ayrılması ile LiBr bakımından zenginleşen eriyik, ısı değiştiricisinden geçip fakireriyiğe ısı verdikten sonra absorbere geri döner. Yoğuşturucuya giren soğutucu buharı buradayoğuşarak dışarıya ısı atar. Yoğuşturucudan tamamen yoğuşmuş olarak çıkan soğutucu akışkan birkısılma vanasından geçerek buharlaştıncıya girer. Buharlaştıncıya kısılarak giren soğutucu akışkan,burada buharlaşarak, buharlaşma için gerekli ısıyı iklimlendirme işleminde kullanılan soğutulan sudançeker. Buharlaştıncıdan doymuş buhar veya kızgın buhar fazında çıkan soğutucu akışkan absorberegirer. Absorberde, kaynanadan dönen zengin eriyik buharlaştıncıdan gelen soğutucu buharını yutar.Yutma işlemi esnasında ısı açığa çıkar. Absorber içinde tekrar LiBr bakımından fakir hale gelen eriyik,bir pompa vasıtasıyla tekrar kaynatıcıya gönderilir ve döngü aynı şekilde devam eder.

Şekil 1. Güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sisteminin şematik diyagramı

Güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sisteminde, güneş enerjisi ile ısıtılan sıcak su, sistemelemanlarından kaynatıcıda LiBr - su eriyiğinden soğutucu akışkan olarak kullanılan suyu ayırmakiçin kullanılır. Sistemde, kaynatıcıda gerekli ısı güneş enerjili sistemden sağlandığı için, sisteme ekolarak kollektör, depolama tankı ve yardımcı enerji kaynağı gelmiştir.

215

Güneş enerjisi sistemi, Kaynanada kullanılan sıcak suyu depolayan, depo tank sıcaklığının anlık olaraktayini esas alınarak modellenmiştir.Depo tank sıcaklığının bulunabilmesi için, belli bir bölgede birimyüzeye düşen anlık ışınım miktarı ve buna bağlı olarak koUektörlerde toplanan faydalı enerji miktarıve yardımcı enerji kaynağı ısıl gücünün hesaplanması gerekmektedir.Bu çalışmada incelenen il, birim eğik yüzeye düşen güneş ışınımı miktarı oldukça yüksek olanAntalya'dır. Birim eğik yüzeye düşen anlık güneş ışınımı miktarı (Kılıç vd.,1983)'ün tavsiye ettiği gibihesaplanmıştır. Antalya için birim eğik yüzeye (35°) düşen anlık güneş ışınımı miktarı Tablo l.'deverilmiştir.

Tablo 1. Antalya için birim eğik yüzeye (35°) düşen anlık tüm güneş ışınımı miktarı Ie (W/m2)

SAAT7.008.009.0010.0011.0012.0013.0014.0015.0016.0017.00

Mayıs198371526636701728701636526371198

Haziran218396551663729756729663551396218

Ie (W/m

2)

Temmuz216401566684753780753684566401216

Ağustos195393574707784814784707574393195

Eylül143341533675757787757675533341143

KoUektörlerde toplanan faydalı enerji;

Q f = A t I e î l t (!)

şeklinde yazılabilmektedir. Bu denklemde, At; toplayıcı yüzey alanı, Ie; birim eğik yüzeye düşen anlıkışınım miktarı, Tit; kollektör anlık verimi olarak tarif edilmiştir. Anlık toplayıcı verimi;

T t g " T Ç (2)

ifadesiyle bulunabilmektedir. Bu ifadede, F t; toplayıcı ısı kazanç faktörü, (xa)e; efektif yutma -geçirme katsayısı, K; toplayıcı toplam ısı kayıp katsayısı, Ttg; suyun toplayıcıya giriş sıcaklığı, Tç;çevre sıcaklığı olarak tarif edilmiştir. (2) denklemi (1) denkleminde yerine yazılırsa;

(3)Qf = At • Ft • ( ta) e • I e - Ft • K • (T tg -T ç )

ifadesi elde edilir. Daha öncede belirtildiği gibi, depoda bulunan su koUektörlerde ısıtılmakta ve bu sukaynatıcıda ısıtıcı akışkan olarak kullanılmaktadır. Bu depoya koUektörler vasıtasıyla bir enerji girişiolurken aynı zamanda depolanan enerjinin bir kısmı kaynatıcıda kullanılmakta, bir kısım enerji dedepo cidarından çevreye kayıp olarak transfer olmaktadır. Deponun enerji dengesini;

216

şeklinde yazabiliriz. Bu denklemde, m; depo su kütlesi, Qf; denklem (3) ile hesaplanan faydalı enerji,QL; ihtiyaç için depodan çekilen ısı, Qj<; depo cidarlarından çevreye olan ısı kaybı olaraktanımlanmıştır.

t

Belli bir andaki depo sıcaklığı, deponun At süre önceki sıcaklığı ve bu At zaman aralığı boyunca fsisteme enerji giriş ve çıkış miktarlarının bilinmesi ile;

Td.yeni = Td>eski + (m ^ • [<2f " Q L -(K • A)d • (Td -T?)J (5)

şeklinde hesaplanabilmektedir. Bu denklemde depodan çekilen ısı miktarı olan QL değeri, Tdî deposıcaklığı, Ty; kaynatıcıda kullanılarak ısısını eriyiğe verip soğuyan ve depoya dönen ısıtma suyusıcaklığı, rh ;kaynatıcıda kullanılan sıcak akışkan debisi olmak üzere;

QL=(m-Cp)L'(Td-Ty) (6) f

şeklinde hesaplanabilmektedir.Absorpsiyonlu soğutma sisteminin çalışması için referans sıcaklıklartayin edilmiştir. Referans sıcaklık sistemin çalışması için gerekli minumum sıcaklıktır. Bu çalışmadareferans sıcaklık incelenen değişkene göre 80 - 90 °C arasında alınmıştır. Kaynatıcıda sıcak akışkanolarak kullanılan suyun sıcaklığı 80 °C'nin altına düşerse kaynatıcıda eriyikten yeterli miktardasoğutucu buharı ayrılamamaktadır. 90 °C'nin üzerindeki sıcaklıklarda ise suyun buhar faza geçmetehlikesi bulunmaktadır. Depodaki su sıcaklığı belli saatlerde bu referans değerlere ulaşamamaktadır.Bu durumda depo çıkışına yerleştirilen bir yardımcı enerji kaynağı ile su referans sıcaklığa kadarısıtılıp kaynatıcıya gönderilmektedir. Yardımcı enerji kaynağı ısıl gücü; .

Qy=(m-cp)L-(T r ef-Td) (7)

denklemiyle bulunmuştur. Güneşten yararlanma oranı FNP (the fraction of the total load met by non -purchased energy) şu şekilde tanımlanmıştır;

FNP = l—-^L (8)

Qkay

Bu formülde, Qy; yardımcı enerji kaynağı ısıl gücü, Qkay; kaynatıcı ısıl gücü olarak tanımlanmıştır. 4

SİMÜLASYON ve ÇÖZÜM

Yazılım FORTRAN programlama dilinde yapılmıştır. Yapılan program ile enlem açısı (e), denizseviyesinden yüksekliği (Z) ve izafi güneşlenme süresi (t/to) bilinen her bölge için sonuçalınabilmektedir.

Çalışmada, soğutma yükü yaklaşık 10.5 kW olan bir konutun soğutulması incelenmiştir. Sistemindevreye giriş saati sabah saat 08.00 ve devreden çıkış saati gece saat 01.00 olarak günde 17 saatçalıştığı düşünülmüştür. İnceleme, Mayıs ayından Eylül ayına kadar olan 5 aylık yaz mevsimi için jyapılmıştır. \:

Bu çalışmada kullanılan bölge olan Antalya'nın enlem açısı (e) 36.5°, deniz seviyesinden yüksekliği(Z) 42 m'dir. Antalya için izafi güneşlenme süresi (t/to) Mayıs ayından Eylül ayına kadar sırasıyla

217

0.73, 0,82, 0,8ö, 0.88 ve 0.83 değerlerini almaktadır. Simülasyonda kollektör eğim açısı 35° olarakalınmış, çevre sıcaklığı sürekli olarak 30 °C kabul edilmiştir. Bu çalışmada simülasyonu yapılan sistemkış aylarında kullanılmayacaktır. Fakat sistem, yaz aylarının yanında Mayıs ve Eylül gibi baharaylarında da kullanılacağı için kollektör eğim açısı enlem açısından küçük olacak şekilde 35° olarakseçilmiştir.

Tablo 2. 70 m kollektör kullanılarak depo hacmi için belirlenen simülasyon değerleriİt depo hacmi / Depo hacmi . . 2-, ^,™, 2T^ /«- AN mın^

2, i, ,... , n.y A (m) K (W/m K) (K.A)d [W/K]m kollektör alanı (İt) ' v ' v ' L J

50 3500 12.86 0.72 9.2675 5250 16.93 0.72 12.2

100 7000 20.41 0.72 14.7125 8750 23.62 0.72 17.0

Bu çalışmada, kollektör yüzey alanı başına 50, 75, 100 ve 125 İt depo hacmi alınarak simülasyonyapılmıştır. Bu duruma göre belirlenen depo hacimleri ve buna bağlı olarak hesaplanan depo yüzeyalanı ve denklem 5'de kullanılan (K.A)d değeri Tablo 2.'de sunulmuştur. Doğal konveksiyondüşünülerek depo için toplam ısı transfer katsayısı (K) değeri 0.72 W/m2K olarak kabul edilmiştir.

Çalışmada 3 tip kollektör incelenmiştir. Denklem (3)'de verilen toplayıcı ısı kazanç faktörüyle efektifyutma - geçirme katsayısının çarpımının (Ft. (Tcc)e) ve yine toplayıcı ısı kazanç faktörüyle toplayıcıtoplam ısı kayıp katsayısının çarpımının (Ft.K) çeşitli kollektör tiplerine göre değerleri (Ergül,1991)'de verilmiştir. Bu çalışmada, Tablo 3'de verilen bu kollektör tipleri incelenmiştir.

KollektörABC

Tablo 3. Kollektör cinslerine göreKolektör TipiTek camlı, seçici yüzeyli kollektörÇift camlı kollektörTek camlı kollektör

kollektörF,.(TO)e

0.700.750.90

parametreleriFt.K3.36.510.0

Yapılan simülasyon çalışmasında çeşitli alt programlar da mevcutdur. Kaynatıcıda çekilen ısıl yük biralt program vasıtasıyla bulunmuştur. Kaynatıcı ısıl yükü, absorpsiyonlu soğutma sisteminintermodinamik analizi sonucu debiler ve entalpiler cinsinden elde edilen denklem ile bulunmuştur.Çeşitli noktaların termodinamik özellikleri yine alt programlar ile elde edilmiştir. Termodinamikanalizin yapıldığı alt programda buharlaştıncı sıcaklığı 7 °C, yoğuşturucu sıcaklığı 33 °C olarakalınmıştır. Kaynatıcı sıcaklığı ise, kaynatıcıda kullanılan sıcak akışkan sıcaklığından 10 °C düşükolarak alınmıştır. Eğer depo tank sıcaklığı belirlenen referans sıcaklığın üzerinde ise bu sıcak su direktolarak kaynatıcıda kullanılmıştır. Aksi durumda depo tankdan alınan su referans sıcaklığa kadaryardımcı enerji kaynağında ısıtılarak kaynatıcıda kullanılmıştır.

Yapılan program algoritmasının basamaklarını şu şekilde sıralıyabiliriz;a) Programın başında yılın kaçıncı günü olduğu, enlem açısı, güneşlenme süresi, bölgenin denizseviyesinden yüksekliği, kollektör eğim açısı, çevre sıcaklığı ve toplayıcı alanı girilmiştir.b) Çeşitli güneş açısı değerleri ve atmosfer dışına, atmosfer içinde yatay ve eğik düzlemlere gelengünlük toplam ışınım değerleri hesaplatılmıştır.c) Saat 01.00'dan sistemin çalışma saati başlangıcı olan 08.00'a kadar depo sıcaklığı l'er saatlikperiyotlarla hesaplatılmış ve yazdınlmıştır.

218

d) Saat 08.00'dan sistemin çalışma saatinin sonu olan 01.00'a kadar anlık ışınım değerleri, faydalıenerji, depo sıcaklığı, yardımcı enerji kaynağı ısıl gücü ve kollektör anlık verimleri ile çalışmanın anaamacı olan güneşten yararlanma oranı FNP hesaplatılarak yazdınlmıştır.

BULGULAR ve TARTIŞMA

Bu kısımda, bir önceki bölümde giriş datalan ve temel algoritma basamakları verilen programdan eldeedilen bulgular üzerinde durulmuştur. Depo tank hacminin, kollektör tipinin ve referans sıcaklığın fgüneşten yararlanma oranı FNP üzerine etkisi incelenirken çalışma saatleri içindeki depo sıcaklığının,elde edilen faydalı enerjinin ve yardımcı enerji kaynağı ısıl gücünün bu parametrelere bağlı değişimide ele alınmıştır.

Depo tank hacminin güneş enerjisinden yararlanma oranı FNP üzerine etkisi incelenirken Tablo 2.'degiriş datalan detaylı olarak verilen 4 tip depo boyutu kullanılmıştır. Bu incelemede yüksek verimesahip kollektör A kullanılmış ve kollektör yüzey alanı 70 m2 olarak alınmıştır.

Referans sıcaklığın 85 °C olarak alınması durumunda depo hacminin güneş enerjisinden yararlanmaoranı FNP üzerine etkisi Tablo 4.'de verilmiştir. Tablodan görüleceği üzere bu sistem için çok büyük jdepo hacimleri bir fayda sağlamamaktadır. Mayıs ayı haricinde tüm çalışma aylarında en yüksek FNPdeğeri 5250 İt depo hacmi için elde edilmiştir. 5250 İt depo hacminin üzerindeki depo hacimlerindeFNP değeri düşmektedir. Referans sıcaklığın 90 °C alınması durumunda depo hacminin FNP üzerineetkisi Tablo 5.'de verilmiştir. Tablodan görüleceği üzere artan depo hacmi ile FNP düşmektedir.Bunun sebebini çalışma saatleri içndeki depo sıcaklığını inceleyerek görebiliriz.

Tablo 4. 85 °C referans sıcaklık için depo hacminin FNP üzerine etkisi

Depo Hacmi (İt)

3500525070008750

Tablo 5.90

Depo Hacmi (İt)3500525070008750

Mayıs55.7455.7255.0654.12

°C referans

Mayıs52.0251.7450.8449.22

Haziran60.0560.2059.5458.58

sıcaklık için

Haziran56.3256.1755.3053.87

FNP (%)Temmuz62.7563.0262.3961.36

depo hacmininFNP (%)

Temmuz59.0359.0358.1156.77

Ağustos65.1465.5464.9563.87

FNP üzerine

Ağustos61.4461.5960.6359.32

Eylül59.0959.3958.7657.78

etkisi

Eylül55.3555.3454.4853.12

Ağustos ayı içinde herhangi bir günde depo sıcaklığının depo hacmine bağlı olarak değişimi 85 °C ve90 °C referans sıcaklıklar için sırası ile Şekil 2. ve Şekil 3. de verilmiştir. Grafikler incelenirse düşükdepo hacimlerinde depo sıcaklığı sistemin çalışma saati başlangıcı olan 08.00'dan itibaren çok dahaçabuk yükselmekte ve daha büyük depo hacimlerine göre daha yüksek değerlere ulaşabilmektedir.Fakat düşük depo hacimlerinde sıcaklıktaki yükselme hızlı olduğu gibi belli bir saatten sonrasıcaklıktaki düşüş de büyük depo hacimlerine göre daha yüksek olmaktadır. Her 4 depo boyutu içindedepo sıcaklığı yaklaşık 19.00 gibi eşitlenmektedir. Grafikler incelenirse çalışma saatleri sonundaki endüşük depo sıcaklığı en düşük depo hacmi olan 3500 İt için gerçekleşmektedir. Grafiklerdengörülebileceği gibi düşük depo hacimlerinde belirlenen referans sıcaklık daha fazla çalışma saatinde

219

aşılmakta ve böylece bu saatlerde yardımcı ısıtıcıya ihtiyaç duyulmamakta ve FNP yükselmektedir.Sistemin mukavemeti ve kaçakların çokluğu nedeniyle depo içindeki suyun buhar faza geçmesiistenilmemektedir. Bu nedenle depo sıcaklığının 95 °C'yi aşmamasına özen gösterilmiştir. Şekil 3.incelenirse 3500 İt depo hacminde depo sıcaklığının 95 °C'yi aştığı gözlenmektedir. Bu nedenle busistem için en uygun depo hacminin 5250 İt olacağı söylenebilir.

3500 İt

5250 İt

7000 İt

- x - 8 7 5 0 İt

78 •£s=&=$=2x^zzz

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Saat

Şekil 2. Ağustos ayında bir günlük periyot içinde depo sıcaklığının depo hacmine bağlı olarakdeğişimi (referans sıcaklık 85 °C)

3500 İt

-o-5250 İt

-ü- 7000 İt

- x - 8750 İt

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Saat

Şekil 3. Ağustos ayında bir günlük periyot içinde depo sıcaklığının depo hacmine bağlı olarakdeğişimi (referans sıcaklık 90 °C)

220

MAY HAZ AĞUS EYLTEM

AYLARŞekil 4. Aylara bağlı olarak, koUektör tipinin değişimi ile FNP'nin değişimi

KoUektör tipinin güneş enerjisinden yararlanma oranı FNP üzerine etkisi incelenirken depo hacmi5250 İt, koUektör alanı 70 m2 ve referans sıcaklık 80 °C olarak alınmıştır.Tablo 3.'de verilen 3 tip koUektör için yapılan simülasyon sonucunda bulunan FNP değerleri Şekil4.'de verilmiştir. Şekilden görüleceği üzere, seçici yüzeyli koUektör A'nin kullanılması durumundadiğer koUektör tiplerine göre daha yüksek FNP değeri elde edilmiştir.

0 . 6

KoUektör AKoUektör BKoUektör C

~ı 1 1 1 1 r-

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Saat

Şekil 5. Ağustos ayında, gün içinde çalışma saatlerinde anlık koUektör veriminin koUektör cinsinebağlı olarak değişimi

Şekil 5.'de Ağustos ayında gün içinde çalışma saatlerinde anlık koUektör veriminin koUektör tipinebağlı olarak değişimi verilmiştir. KoUektör A, diğer koUektör çeşitlerine göre daha yüksek bir verimesahiptir. Şekil 6.'da kollektörlerde toplanan faydalı enerji miktarı verilmiştir. Grafikten görülebileceğiüzere, daha yüksek verime sahip koUektör A'nın kullanılması durumunda daha fazla faydalı enerjitoplanabilmekte ve Şekil 7.'den incelenebileceği gibi daha yüksek depo sıcaklıkları eldeedilebilmektedir. Yüksek verime sahip koUektör A'nın kullanılması durumunda Şekil 7.'den de

221

görülebileceği üzere çalışma saatlerinin çoğunda belirlenen referans sıcaklık aşılmış yani yardımcıısıtıcı gereksinimi doğmamıştır. Bu nedenle elde edilen FNP değeri diğer kollektör tiplerine göreoldukça yüksektir.

Kollektör AKollektör BKollektör C

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24Saat

Şekil 6. Ağustos ayında, gün içinde çalışma saatlerinde koUektörierde toplanan faydalı enerjininkollektör tipine bağlı olarak değişimi

90

68

Kollektör AKollektör BKollektör C

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

SaatŞekil 7. Ağustos ayında, gün içinde çalışma saatlerinde depo sıcaklığının kollektör tipine bağlı olarak

değişimi

Absorpsiyonlu soğutma sisteminde güneş enerjisinin kullanılması durumunda, ilk yatırım maliyetiniarttırmasına rağmen mutlaka verimi yüksek seçici yüzeyli bir kolektör kullanılmalı, gerekirse bazı

222

durumlarda toplanan faydalı enerjinin kullanılabilirliğinin çok yüksek olduğu vakum tüplü veyayoğunlaştıncılı kollektörler dahi düşünülmelidir.

Belirlenen referans sıcaklığın güneş enerjisinden yararlanma oranı FNP üzerine etkisini incelemek içindepo hacmi 5250 İt, kollektör alanı 70 m2 alınarak ve kollektör tipi olarakta kollektör A kullanılaraksimülasyon yapılmıştır. Şekil 8. incelendiğinde bu şartlar altında FNP'nin aylara göre referanssıcaklığa bağlı olarak değişimi görülebilmektedir. Şekil 8.'e bakılırsa, düşük referans sıcaklıklardadaha yüksek FNP değeri elde edilebileceği görülecektir.

Şekil 9.'da Ağustos ayında, referans sıcaklığa bağlı olarak gün içinde çalışma saatlerinde deposıcaklığının değişimi gösterilmiştir. Grafik incelenirse, referans sıcaklık arttıkça depo sıcaklığınınyükseldiği görülebilmektedir. Artan kaynatıcı sıcaklığı ile kaynatıcıda çekilen ısıl yük azaldığından veyüksek referans sıcaklıklarında düşük referans sıcaklıklara göre daha fazla yardımcı enerji kaynağıkullanıldığı ve bu nedenle depodan daha az ısı çekildiği için artan referans sıcaklığı ile depo sıcaklığıdaha yüksek değerler almaktadır.

Fakat artan referans sıcaklık ile kullanılan yardımcı enerji kaynağı kapasitesinin bir miktar arttığı Şekil10.'dan görülmektedir. Yüksek referans sıcaklıklarda yardımcı enerji kaynağı ısıl gücünün artmasınabağlı olarak FNP'nin düşmesi normaldir.

Ağustos ayı için, çalışma saatleri içinde sistemin soğutma tesir katsayısı COP, Şekil 11.'deincelenmiştir. Referans sıcaklık arttıkça, artan kaynatıcı sıcaklığına bağlı olarak sistem COP değerininarttığı görülecektir. Artan kaynatıcı sıcaklığı ile, kaynatıcıdan absorbere dönen zengin eriyiğinkonsantrasyonu artacak, bu da dolaşım oranını düşürecek ve düşen dolaşım oranına bağlı olarakkaynatıcıda çekilen ısıl güç azalacaktır. Bu durumda COP'nin yükselmesi normaldir.

0MAY HAZ AĞUS EYLTEM

AYLARŞekil 8. Aylara bağlı olarak, referans sıcaklığın FNP üzerine etkisi

Yaptığımız son analizden şu sonuç çıkarılabilir ki, yüksek referans sıcaklıklarında, yüksek ve hemenhemen sabit soğutma tesir katsayıları elde edilmesine rağmen düşük referans sıcaklıklarda daha yüksekoranda güneş enerjisinden yararlanıldığı için güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sistemindedüşük referans sıcaklıklar kullanılmalıdır.

223

72 470

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Saat

Şekil 9. Ağustos ayında, gün içinde çalışma saatlerinde referans sıcaklığa bağlı olarak deposıcaklığının değişimi

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Saat

Şekil 10. Ağustos ayında, gün içinde çalışma saatlerinde referans sıcaklığa bağlı olarak kullanılanyardımcı enerji kaynağı ısıl gücü

224

û-ou

0.72

7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24

Saat

Şekil 11. Ağustos ayında, gün içinde çalışma saatlerinde referans sıcaklığa bağlı olarak sisteminsoğutma tesir katsayısı COP'nin değişimi

SONUÇ

Bu çalışmada şu sonuçlar çıkarılabilir;1. Absorpsiyonlu soğutma sisteminde ısı kaynağı olarak güneş enerjisinin kullanılabileceği

görülmektedir.2. Büyük depo hacimlerinin sistemi iyileştirme üzerine bir etkisinin olmadığı görülmüştür. Mevcut

17 saatlik çalışma periyodu için en uygun depo hacminin m2 kollektör yüzey alanı başına 75 İtdepo hacmi olmak üzere 5250 İt olacağı söylenebilir.

3. Güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sistemi için kollektör tipi oldukça önemlidir.Mutlaka seçici yüzeyli koUektörler kullanılmalı, hatta gerektiğinde yoğunlaştırıcılı veya vakumtüplü koUektörler dahi düşünülmelidir. Bu çalışma için en uygun kollektör tipi kollektör A'dır.

4. Sistemin COP değeri üzerinde etkin olmasına rağmen daha yüksek FNP değerleri elde edilebilendüşük referans sıcaklıklar tercih edilmelidir. Bu çalışma için en uygun referans sıcaklık 80 °C'dir.

SEMBOLLER

At : Toplayıcı alanı (m2)cp : Özgül ısı (kj/kg.K)Ft : Toplayıcı ısı kazanç fasktörüFNP : Güneşten yararlanma oranı (%)Ie : Birim eğik yüzeye düşen anlık tüm güneş ışınımı (W/m2)K : Toplayıcı toplam ısı kayıp katsayısı (W/m2K)m : Depo su kütlesi (kg)m : Debi (kg/s)Qf : Faydalı enerji (kW)Qk : Depodan olan ısı kaybı (kW)Qkay : Kaynatıcı ısıl yükü (kW)

225

QL

Qy

TçTd

T r ef

Ttg

TyAtT),

(TO)e

: Depodan çekilen enerji (kW): Yardımcı enerji kaynağı ısıl gücü (kW): Çevre sıcaklığı (°C): Depo sıcaklığı (°C): Referans sıcaklık (°C): Toplayıcı su giriş sıcaklığı (°C): Depoya dönen ısıtma suyu sıcaklığı (°C): Zaman aralığı (h): Toplayıcı anlık verimi: Efektif yutma - geçirme katsayısı

KAYNAKLAR

[1] İ. Atmaca, A. Yiğit. Simulation of Solar - Povvered Absorption Cooling System. RenevvableEnergy, 28, 2003, 1277-1293.

[2] İ. Atmaca. Güneş Enerjisi Kaynaklı Absorpsiyonlu Soğutma Sisteminin Simülasyonu. YüksekLisans Tezi, U.Ü., Bursa, 2002, 138 s.

[3] J. A. Duffie, W. A. Beckman. Solar Engineering of Thermal Processes. A Wiley - IntersciencePublication, University of Wisconsin - Madison, 1980, p. 326 - 349.

[4] E. Ergül. Simulation of a Solar - Aided R 22 - DEGDME Absorption Heat Pump System. Master'sThesis, Ankara, 1991, p. 109.

[5] N. K. Ghaddar, M. Shihab, F. Bdeir. Modeling and Simulation of Solar Absorption SystemPerformance in Beirut. Renewable Energy, 10(4), 1997, 539-558.

[6] A. İleri. Yearly Simulation of Solar - Aided R 22 - DEGDME Absorption Heat Pump System.Solar Energy, 55(4), 1995, 255 - 265.

[7] A. İleri. A Discussion on Performance Parameters for Solar - Aided Absorption Cooling Systems.Renevvable Energy, 10(4), 1997, 617 - 624.

[8] A. Kılıç, A. Öztürk. "Güneş Enerjisi". Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983, 331 s.[9] A. Yiğit. Absorpsiyonlu Soğutma Sisteminin Simülasyonu. Doktara tezi, İstanbul, 1990,104 s.

226

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİSİ KAYNAKLI ABSORPSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİNİNEKSERJİ ANALİZİ

Arş. Gör. Ömer KA YNAKLI, Arş. Gör. İbrahim ATMACA, Prof. Dr. Muhsin KILIÇ f

Uludağ Ün. Müh.-Mim. Fak., Mak. Müh. Bölümü, 16059 Görükle / BURSA

ÖZET

Bu çalışmada, termodinamik sistemlerin tasarımı, optimizasyonu ve performans analizinde önemli biraraç olan ekserji analizi, güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sistemine uygulanmıştır.Sistem, güneş kolektörü, depo, yardımcı ısıtıcı ve absorpsiyonlu soğutma kısmından oluşmaktadır.Yardımcı ısıtıcı, depo ile kaynatıcı arasında bulunmakta ve kaynatıcıya gönderilen suyun sıcaklığınıbelli bir değerde tutmak için kullanılmaktadır. Çalışmada enerji ve ekserji analizi için izlenen prosedür ftanıtılmış ve sistemi oluşturan kaynatıcı ve depo için enerji kaybı ve ekserji verimi ifadeleriçıkarılmıştır.

Kaynatıcı ve depodaki ısı kayıplarının, sistemin ekserji kaybına etkisi incelenmiş ve her elemandakiekserji kaybı sayısal olarak ifade edilerek ekserji kayıplarının yüksek olduğu elemanlar tespitedilmiştir. Bu analiz, muhtemel iyileştirmeler için öncelik sırası verdiği gibi iyileştirme potansiyelinive bunların önem sırasını da dolaylı olarak ortaya koymaktadır. Kaynatıcı ve depodaki ısı kayıplarının,sistemin ekserji kaybına ve Yardımcı Isıtıcıdan Faydalanma (YIF) değerine etkisi karşılaştmlmış vesonuçlar tartışılmıştır.

iAnahtar Kelimeler : Güneş enerjisi, Absorpsiyonlu soğutma sistemi, Ekserji analizi

GİRİŞ

Günümüzde enerji maliyetlerinin artması ve çevre kirliliğinin önem kazanması nedeniyle ucuz vetemiz enerji kaynaklarının araştırılması ve halen kullanılan sistemlerde enerji tasarrufuna yönelikçalışmaların yapılması önem kazanmaktadır. Güneş ve rüzgar enerjisi gibi bir çok alternatif enerjikaynaklarından yararlanma amacıyla çalışmalar sürdürülmektedir.

Termodinamiği I. yasası, enerjinin bir şekilden diğer bir şekle dönüşümü veya bir sistemden diğer bir jsisteme transferi sırasında toplamının sabit kalacağını ifade eder. Termodinamiği II. yasası ise, ı.-prosesin gerçekleşme yönünü ve bütün bu süreçlerin tersinmez olduğunu, enerjinin bir şekilden diğerbir şekle dönüşümünde veya bir sistemden diğer bir sisteme transferinde faydalanılabilecek kısmınınazalacağını vurgular. Yani, enerjinin faydalı iş yapabilme potansiyeli her dönüşüm veya transferişlemlerinde azalır.

Ekserji analizi, termodinamik kayıpları sadece birinci yasaya göre değil hem birinci hem de ikinciyasaya dayanarak değerlendiren bir termodinamik analiz metodudur. Ekserji analizinin esas amacı, ısılveya kimyasal proseslerin tersinmezliklerini miktar olarak belirlemek ve değerlendirmektir. Bu analiz,proseslerin geliştirilmesi için ihtimalleri gösterir ancak ihtimallerin uygulanabilirliği üzerine karar jvermez. t.

227

Bu çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı tek kademeli absorpsiyonlu soğutma sistemine enerji ve ekserjianalizinin uygulanması için izlenen prosedür tanıtılmış ve Antalya bölgesi ağustos ayı için birsimülasyon çalışması yapılmıştır. Absorpsiyonlu soğutma sisteminde kullanılan akışkan çifti olarakLiBr/t^O eriyiği alınmıştır. Çevrimin çeşitli noktalarında akışkanların özellikleri verilerek kaynatıcıve depodaki ekserji kaybı bulunmuştur. Bu elemanlardaki ekserji kaybının ve Yardımcı IsıtıcıdanFaydalanma (YIF) oranının ısı kayıplanyla değişimi incelenmiştir.

GÜNEŞ ENERJİSİ KAYNAKLI ABSORPSİYONLU SOĞUTMA SİSTEMİ

Güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sisteminin şematik gösterimi Şekil l'de verilmiştir.Sistemdeki temel elemanlar arasında kollektör, depo, yardımcı ısıtıcı, kaynatıcı, absorber, eriyikeşanjörü, yoğuşturucu, buharlaştıncı, pompa, eriyik ve soğutucu akışkan tarafındaki kısılma vanalarısayılabilir.

Sistemin devreye saat 10:00'da girdiği ve 8 saat çalıştıktan sonra saat 18:00'de devreden çıktığıvarsayılmıştır. Hesaplamalar Antalya bölgesi için ağustos ayı referans alınarak yapılmıştır.

Yoğuşturucu

13i

KısılmaVanası

Şekil 1. Güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sisteminin şematik gösterimi

Absorpsiyonlu soğutma sisteminin performansının (COP) gün içindeki sıcaklık değişimlerindenetkilenmemesi için depodan çıkan suyun, kaynatıcıya girmeden önce 85°C'ye kadar ısıtıldığıvarsayılmıştır. Dolayısıyla kaynatıcıya gönderilen suyun sıcaklığı 85°C'de sabitlenmiştir. Yoğuşturucusıcaklığı 33°C ve buharlaştıncı sıcaklığı suyun donma riskinden dolayı 7°C alınmıştır.

EKSERJİ ANALİZİ

Termodinamiğin birinci yasası enerjinin niceliği, ikinci yasası ise niteliği (yani iş yapabilme yeteneği)ile uğraşır. İkinci yasa analizi sistemlerin performansını ekserjiyi referans alarak hesaplar.Termodinamik tersinmezliklerden dolayı ekserji sürekli olarak azalır. Ekserji temel olarak aşağıdaverilen nedenlerden dolayı azalır.

228

• Sürtünme r.• Sonlu sıcaklık farkında ısı geçişi• Kısılma

Açık sistemler için akışın kullanılabilirliği şu şekilde tanımlanabilir,

y = {h-ho)-TQ{s-so) (1)

burada ho ve So terimleri, çevre sıcaklığındaki (To) akışkanın sırasıyla entalpi ve entropi değerleridir.Hesaplamalarda çevre sıcaklığı 30°C alınmıştır. LiBr ve suyun karışımı olan eriyiğin özelikleri LiBr \konsantrasyonuna bağlı olarak değişir. LiBr/H2O eriyiğinin ekserjisi aşağıda verilen ifadeyle t.bulunabilir,

^ = [/ı(r,x)-^o]-roKr,x)-Jo] (2)

burada h(T,X) ve s(T,X) terimleri, kaynatıcı-absorber arasında dolaşan zengin ve fakir eriyiğin sıcaklıkve konsantrasyonuna bağlı olarak sırasıyla entalpi ve entropi değerleridir. Sistemde bulunan herelemandaki ekserji kaybı ise en genel anlamda aşağıdaki şekilde hesaplanabilir,

W (3) I

Eşitliğin sağ tarafındaki ilk iki terim sırasıyla elemana giren ve çıkan toplam ekserjiyi, üçüncü terimsabit T sıcaklığında transfer olan ısının ekserjisini göstermektedir. Son terim ise sistemin sınırlarındangeçen iştir.Sistemdeki toplam ekserji kaybı ise her elemandaki ekserji kayıplanmn toplanmasıylabulunabilir.

SİMÜLASYON

Isı transferi işlemleri doğal olarak tersinmez (entropi üreten), yararlı enerjiyi yani ekserjiyi azaltanişlemlerdir. Bu nedenle ısı transferi işlemlerinin yararlı enerjiyi nasıl israf ettiği ve bu israfı en aza f.indirmek için nelerin yapılması gerektiğinin bilinmesi gerekir.

Isı kaybının doğal taşınımla gerçekleştiği varsayıldığında, depo ve kaynatıcı için ortalama ısı transferkatsayısı 0.72 W/m K alınabilir (Duffie and Beckman 1980). Bu durumda depo ve kaynatıcıdançevreye olan ısı kaybı 600 W civanndadır. Ancak kaynatıcı, depo, çevre sıcaklıklan ve rüzgarfaktörüne bağlı olarak bu ısı kayıplan önemli ölçüde değişebilir. Bu nedenle, kaynatıcı ve depodaki ısıkayıplanmn, sistemin güneş enerjisinden faydalanılan kısmının ekserji kaybına etkisini incelemek içinbu elemanlardan 0, 500, 1000, 1500 ve 2000 W değerinde ısı kaybının olduğu 5 farklı durum elealınmıştır.

Sistemdeki ekserji kaybının oranını ifade için aşağıda verilen denklem kullanılabilir,

(4)

burada Ai(/xı göz önüne alınan elemanda ısı kaybının olmadığı durumda sistemin toplam ekserji kaybı,A\|/j2 ısı kaybının olması durumda sistemin toplam ekserji kaybıdır. Bu oran, sistemin ideal (ısı

i229

kaybının olmadığı) şartlara yaklaşımının bir ölçüsüdür ve İcaynatıcı veya depodan çevreye olabilecekısı kaybı, sistemin toplam ekserjisini azaltacağından daima l'den küçük bir değer alacaktır.

Kaynatıcı ve depodaki ısı kaybı arttıkça yardımcı ısıtıcıdan suya aktanlması gerekli ısıl enerji de doğalolarak artması gerekmektedir. Ancak yardımcı ısıtıcı kullanımının artması, sistemin güneş enerjisindenfaydalanma oranını azalttığından mümkün olan minimum seviyede tutulması gerekir. Yardımcıısıtıcıdan çekilen maksimum ısı, bu ısıtıcıya giren akışkanın çevre sıcaklığında olması durumundagerçekleşir,

Qyl,maX=rh3[h{T4)-h{T0)] (5)

burada h(T4) ve h(To) suyun sırasıyla T4 ve To sıcaklığındaki entalpi değerleridir. Sistemin çalışmasıesnasında yardımcı ısıtıcıdan çekilen gerekli ısı QYı olmak üzere, Yardımcı Isıtıcıdan Faydalanma(YIF) oranı aşağıda verilen denklem yardımıyla hesaplanabilir,

y// ( 6 )Q-Yl,max

YIF değerinin 1 olması depodan gelen suyun çevre sıcaklığında geldiğini yani güneş enerjisindenfaydalanılamadığını, 0 olması ise yardımcı ısıtıcının kullanılmadığını yani depodan gelen suyun 85°Cveya daha yüksek bir sıcaklıkta olduğunu ifade etmektedir. Bu nedenle YIF oranı O'dan uzaklaştıkçagüneşten faydalanma oranı azalmakta yani daha fazla dışarıdan ilave ısı girişi olmaktadır.

BULGULAR VE TARTIŞMA

Bu çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sisteminde bulunan elemanların enerji veekserji analizi yapılmış ve sistemin performansı teorik olarak incelenmiştir. Sistemdeki elemanlaragiren ve çıkan akışkanların (su, buhar ve eriyik) entalpi, entropi ve ekserji değerleri hesaplanmıştır(Tablo 1).

Tablo 1. Çevrimin çeşitli noktalannda akışkanların özellikleriKonum

12345678

T(°C)91.5680.3280.3285.0076.2475.0054.5975.00

m (kg/s)

0.20.20.40.40.40.442 W 2

4.806 10"2

4.364 10"2

X (%LiBr)------

53.454.6

h (kJ/kg)

384.22337.06337.06356.69319.99

2635.76119.58178.32

s (kJ/kgK)

1.21221.08101.08101.13621.03348.28060.36170.4403

V (kJ/kg)22.6715.2915.2918.2012.66

131.4315.8650.76

Kaynatıcı ve depodaki ısı kayıpları, sistemin güneş enerjisinden faydalanılan kısmını ve YIF değerinietkilediğinden simülasyon sonuçlarının 1-8 noktaları arası verilmiştir. Tablo l'deki değerler saat13:00'deki değerlerdir ve burada kaynatıcı ve depodaki ısı kayıpları 1 kW alınmıştır.

Çevrimin 6 numaralı noktasındaki ekserji değerinin diğer noktalara göre daha büyük olmasının nedeni,bu kısımdaki akışkanın kızgın buhar oluşudur. Sıcaklığı, çevre sıcaklığına göre yüksek ve özelliklebuhar fazında olması kullanılabilir enerjisini arttırmaktadır.

230

Tablo 2'de depo, yardımcı ısıtıcı ve kaynatıcıdaki ekserji dağılımları verilmiştir. Buradaki değerlersaat 13:00 için geçerlidir ve kaynatıcı ve depodaki ısı kayıp oranlan % 10 alınmıştır. % 10, kaynatıcıda1.37 kW, depoda ise 1.02 kW'lık ısı kaybına eşdeğerdir.

üiemanDepoYardımcı ısıtıcıKaynatıcıToplam

Tablo 2. BirimBirim zamanda girenekserji (kW)

10.707.289.41

27.39

zamandaki ekserji dağılımıBirim zamanda Birim zamandaçıkan ekserji (kW) tersinmezlik (kW)

9.496.327.81

23.62

1.210.961.603.77

/o Jvayıp

32.125.442.5

100.0

Ekserji terimi için enerjide olduğu gibi korunum söz konusu değildir. Giren ve çıkan ekserjilerarasında mutlaka bir fark vardır. Bu fark, eleman içerisindeki çeşitli prosesler esnasında kullanılabilirenerjinin azalmasından kaynaklanır. Verilen şartlarda Tablo 2'den görüldüğü gibi en fazla ekserjikaybının olduğu eleman kaynatıcıdır. Kaynatıcıdan çevreye olan ısı kayıpları ve kaynatıcı ile çevrearasındaki sıcaklık farkının yüksek oluşu bu sonucu doğurur.

Kaynatıcı ve depodaki ısı kayıplarının değişmesinin sistemin performansına etkisi Şekil 2 ve 3'deverilmiştir. Şekil 2'de kaynatıcıdan, Şekil 3'de ise depodan çevreye olan ısı kayıplarının etkisigörülmektedir. Doğal olarak ısı kayıplan arttıkça sistemdeki kullanılabilir enerji azaldığından verimdüşmekte yani ideal şartlardan uzaklaşılmaktadır.

Eo

0.5 1 1.5 2

Birim zamanda kaynatıcıdaki ısı kaybı (kW)2.5

Şekil 2. Birim zamanda kaynatıcıdaki ısı kaybı ile tersinmezlik veriminin değişimi

Şekil 4'de ise karşılaştırmanın rahat yapılabilmesi için kaynatıcı ve depodaki ısı kayıp oranlannınverime etkisi aynı grafik üzerinde görülmektedir. Kaynatıcıdaki ısı kaybı ısıl kapasitesinin % 5'iolduğunda verim % 77'ye inmekte, depodaki ısı kaybı ısıl kapasitesinin % 5'i olduğunda ise verim %83'e inmektedir. Sonuçlardan görüldüğü gibi kaynatıcıdaki ısı kayıplarının sistemin performansınaetkisi çok daha fazla önemlidir.

231

0.30.5 1 1.5 2

Birim zamanda depodaki ısı kaybı (kW)

2.5

Şekil 3. Birim zamanda depodaki ısı kaybı ile tersinmezlik veriminin değişimi

O 5 10 15

Isı kaybı oranı (%)

Şekil 4. Kaynatıcı ve depodaki ısı kaybı oranlanyla tersinmezlik veriminin değişimi

Şekil 5'de kaynatıcı ve depodaki ısı kayıplanyla YIF oranının değişimi görülmektedir. Isı kayıplanarttıkça yardımcı ısıtıcıdan çekilmesi gerekli ısı da arttığından YIF değeri artmaktadır. Bu esnadasistemin güneş enerjisinden faydalanma oranı azalmaktadır. 1 kW'lık ısı kaybı değerine kadarkaynatıcıdaki ısı kayıplan yardımcı ısıtıcıyı daha fazla etkilemekte ancak 1 kW'dan sonra depodaki ısıkayıplan önemli konuma geçmektedir. Bu nedenle 1 kW ısı kaybından sonra YIF değeri, kaynatıcıdakiısı kayıplanndan elde edilen değerlere göre daha yüksektir.

Ancak 1 kW'lık ısı kaybının kaynatıcının ısıl kapasitesine oranı % 7.3 iken deponun ısıl kapasitesineoranı % 9.8'dir. Aynı ısı kaybı oranlan için elde edilen veriler ise Şekil 6'da görülmektedir. Verimgrafiğinde (Şekil 4) olduğu gibi burada da kaynatıcıdaki ısı kayıplan daha önemlidir. Kaynatıcıdaki ısıkayıplan, yardımcı ısıtıcıyı daha fazla kullanılmasını gerektirmektedir.

232

0.5 1 1.5 2

Birim zamandaki ısı kaybı (kW)

2.5

Şekil 5. Birim zamanda kaynatıcı ve depodaki ısı kayıplanyla YIF değerinin değişimi

10.0

10 15

Isı kaybı oranı (%)

Şekil 6. Kaynatıcı ve depodaki ısı kaybı oranlarıyla YIF değerinin değişimi

SONUÇ

Bu çalışmada, güneş enerjisi kaynaklı absorpsiyonlu soğutma sisteminin enerji ve ekserji analiziyapılmıştır. Çevrimin çeşitli noktalarında akışkanlann özellikleri bulunarak kaynatıcı ve depodakiekserji kaybı bulunmuştur. Kaynatıcı ve depodaki ısı kayıplarının 0 ile 2000 W arasında değişmesidurumlarında termodinamiğin birinci yasa analizinden YIF oranının, ikinci yasa analizinden sisteminekserji kaybının değişimi elde edilmiştir. Isı kayıplarının artışıyla YIF oranın artması ve sisteminveriminin azalması grafiklerle açıklanmıştır. Isı kaybı oranlan açısından incelendiğinde, kaynatıcıdakiısı kayıplannın sistemin verimine ve YIF değerine etkisi, depodaki ısı kayıplanna göre daha fazlaolmaktadır.

SİMGELER

COP :h :

Soğutma tesir katsayısıEntalpi (kJ/kg)

233

m : Debi (kg/s)Q Y ı

QYI,rr

S

TWXYIF

A\|/

Tl

A\|/T2

Alt indisler

Çgo1-15

Yardımcı ısıtıcı gücü (kW)Yardımcı ısıtıcıdan çekilebilecek maksimum güç (kW)Entropi (kJ/kg.K)Sıcaklık (°C)Güç (kW)LiBr konsantrasyonuYardımcı ısıtıcıdan faydalanma oranıVerimBirim kütle başına akış ekserjisi (kJ/kg)Birim zamanda ekserji kaybı (kW)Isı kayıplannm olmadığı durumda birim zamanda toplam ekserji kaybı (kW)Isı kayıplannm olduğu durumda birim zamanda toplam ekserji kaybı (kW)

çıkangirenölü şartlarçevrimdeki noktalar

KAYNAKLAR

1. A. Bejan, "Advanced Engineering Thermodynamics" John Wiley & Sons Interscience, New York,1988, s.111-145

2. A.R. Büyüktür, "Termodinamik" Cilt 1, Uludağ Üniversitesi Basımevi, 1982, s. 145-229

3. Y. Çengel and M.A. Boles "Thermodynamics: an Engineering Approach" Fourth edition,McGraw-Hill Companies, 1989.

4. J.A. Duffıe and W.A. Beckman "Solar Engineering of Thermal Process" A Wiley - IntersciencePublication, University of Wisconsin - Madison, 1980, p.386

5. A. Kolip ve V. Çelik "İçten Yanmalı Motorlarda Optimum Çalışma Aralığının Ekserji AnalizYöntemi İle Belirlenmesi" Termodinamiği İkinci Kanunu Çalışma Toplantısı, Böl.32, Kayseri,1990, s. 1-6

6. M.I. Millan, F. Hernandez and E. Martin "Available Solar Exergy in An Absorption CoolingProcess" Solar Energy, Vol. 56, No. 6, 1996, pp.505-511

7. W.F. Stoecker, J.W. Jones "Refrigeration and Air Conditioning" McGraw-Hill, InternationalEditions, Singapore, 1982.

8. M.M. Talbi and B. Agnew "Exergy analysis: an absorption refrigerator using lithium bromide andwater as the working fluids" Applied Thermal Engineering, Vol. 20, 2000, pp. 619-630

234

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

ÖLÇÜLEBİLEN METEOROLOJİK VERİLERLE GÜNEŞ RADYASYONUNUNYAPAY SİNİR AĞLARI METODUYLA TAYİNİ

tArş.Gör. Arzu Şencan * Yrd.Doç.Dr. Nalan Çiçek Bezir2

'SDÜ Tek. Eğ. Fak. Mak. Eğ. Bölümü, İSPARTA e-mail: sencan@tef.sdu.edu.tr2SDÜ Fen Ed. Fak. Fiz. Bölümü, İSPARTA e-mail: cicek@fef.sdu.edu.tr

Tel.: +90-246-2111365; Fax: +90-246-2371283

ÖZET

Güneş enerjisi yardımıyla çalışan sistemlerin dizaynında, güneş radyasyonu ölçümlerinin doğru vegüvenilir bir biçimde yapılması büyük önem taşır. j

Bu çalışmada; İsparta'nın Yalvaç İlçesi'nin rüzgar hızı, relatif nem, buhar basıncı, hava basıncı, havasıcaklığı,güneşlenme saati gibi meteorolojik verilerinden yararlanarak aylık güneş radyasyonudeğerleri Yapay Sinir Ağlan (YSA) metoduyla tahmin edilmiştir. Yukarıda verilen meteorolojikverilerin, güneş radyasyonunun tahmin edilmesi üzerindeki etkisi ve doğruluğu regrasyon analiziyöntemi ile ortaya konmuştur. Sonuç olarak; güneş radyasyonunun, YSA metodu yardımıyla, yaklaşık%98 oranında bir doğrulukla tahmin edilebileceği görülmüştür. Ayrıca; YSA ile tahmin edilen güneşradyasyonu değerleri, gerçek ölçüm değerleri ile karşılaştınlmıştır.

Anahtar kelimeler: Güneş radyasyonu, Yapay Sinir Ağları. •

GİRİŞ

Alternatif enerji kaynaklan arasında tükenmeyen ve çevre kirletmeyen enerji kaynağı olarak ilk aklagelen enerji güneş enerjisidir. Dünyanın yüzeyinde, yatay bir düzleme gelen güneş enerjisi yılıngününe, günün hangi saati olduğuna ve atmosferik şartlara bağlı olarak değişir. Güneş enerjisidoğrudan ve difüze olmak üzere iki bileşenden oluşur (Kılıç, 1984). Güneş enerjisi tayfı; kızılötesi,görünür ve ultraviyole bölgelerini kapsar (Weinberger, 1964). Yatay yüzeye gelen tüm güneşradyasyonu bazı meteoroloji istasyonlanndan sağlanabilmesine rağmen birçok meteorolojiistasyonunda bu veriler sağlıklı olarak elde edilememektedir.

tGüneş enerjisi uygulamalannda sistemin verimliliği ve maliyeti açısından, toplam güneşradyasyonunun doğru olarak tespit edilmesi büyük önem taşır. Güneş radyasyonu ölçümlerindekullanılan pironometre cihazı birçok yerleşim yerinde ya sınırlı sayıdadır ya da mevcut değildir. Fakat,birçok yerleşim bölgesinde rüzgar hızı, relatif nem, buhar basıncı, hava basıncı, havasıcaklığı,güneşlenme saati gibi meteorolojik veriler ölçülebilmektedir. Bu meteorolojik verilerin, güneşradyasyonu değerinin doğru olarak hesaplanmasında oldukça etkili olduğu, yapılan araştırmalarsonucunda ortaya çıkmıştır (Al-Alawi, 1998). Güneş radyasyonunun belirlenmesi konusunda çeşitliçalışmalar yapılmış ve değişik matematiksel ifadeler türetilmiştir (Fakıoğlu, 1998 ve Duffıe, 1980).

Bu çalışmada, bazı meteorolojik veriler yardımıyla güneş radyasyonu değerleri Yapay Sinir Ağlan imetoduyla tahmin edilmiştir. Yapay sinir ağlan, lineer olmayan kompleks problemlerin çözümünde

235

özellikle son yıllarda kullanılmaya başlanan alternatif bir çözüm metodudur. Bu metot, eksik verilerintamamlanması ve enerji sistemlerinin modellenmesi konularında oldukça geniş bir uygulama alanınasahiptir (Kalogirou, 2001 ve Kalogirou, 1999). Bu yeni metotla tahmin edilen güneş radyasyonudeğerleri, ölçülen güneş radyasyonu değerleriyle karşılaştırılmıştır. Sonuç olarak; YSA metoduylabulunan değerlerin, ölçüm değerleriyle uyum gösterdiği görülmüştür.

YAPAY SİNİR AĞLARI

Yapay sinir ağları, insan beyni esas alınarak modellenmiş bir sistemdir. Klasik yöntemlerleçözülemeyen problemleri insan beyninin çalışma sistemine benzer yöntemlerle çözmeye çalışır. Yapaysinir ağlannın iki türlü çalışma şekli vardır. Biri eğitme diğeri test (kullanma) aşamasıdır. Bir yapaysinir ağlannın kullanılabilmesi için önce eğitilmesi gerekir. Yapay sinir ağlan Şekil la'dan görüldüğüüzere temel olarak girdi, gizli ve çıktı tabakalan olmak üzere üç tabakadan oluşmakta ve her tabakadabir çok nöron (düğüm) bulunmaktadır. Yapay bir sinir hücresi Şekil lb'de görülmektedir. Buradanöronun görevi; girişindeki sayılan kendi ağırlık değerleri ile çarpmak, daha sonra çarpımlantoplamak ve toplamı bir yumuşatma fonksiyonundan (genelde sigmoid veya tanh) geçirdikten sonraçıkışa vermektir (Tsoukalas, 1997 ve Fu, 1994 ). Bir nöronun çıkışındaki değerlerin genelde 0-1(sigmoid) veya -1-1 (tanh) arasında olması istenir (Efe, 2000).

Ol

O2

On

Girdi Gizli Çıkütabakası tabaka tabakası

Şekil la. Üç tabakalı bir yapay sinir ağı

Şekil lb. Yapay sinir hücresi.

236

UYGULAMADA KULLANILAN YSA MODELİ

Bu çalışmada; İsparta'nın Yalvaç İlçesi'nin aylık güneş radyasyonu değerleri, farklı meteorolojikverilerden yararlanarak YSA modeli yardımıyla tahmin edilmiştir. Modelde; aylar, ortalama rüzgarhızı, ortalama hava basıncı, ortalama hava sıcaklığı, ortalama relatif nem, ortalama buhar basıncı veortalama güneşlenme süresi girdi değerlerini, güneş radyasyonu ise tahmin edilmek istenen çıktıdeğerini ifade etmektedir. Uygulamada kullanılacak YSA modeli, farklı tabaka ve nöron sayılan içindenenmiştir. Sonuç olarak en iyi çözüm mimarisini, 1000 iterasyon sonucu Şekil 2'de görülen tek gizlitabaka ve 10 nörona sahip ileri beslemeli YSA modeli sağlamıştır. Yapay sinir ağını eğitmek içingeriye yayılma algoritması ve eşik (sigmoid) aktivasyon fonksiyonu seçilmiştir.

Yalvaç ilçesinde bütün meteorolojik ölçümler 2001 yılı için yapılmış ve yıl boyunca devam etmiştir.Bu çalışmada YSA'yı eğitmek için kullanılan veriler, Yalvaç İlçesi Meteoroloji Istasyonu'ndan teminedilmiştir. YSA ile eğitilen modelden elde edilen güneş radyasyonu değerleri, ölçülen gerçek güneşradyasyonu değerleriyle uyum göstermiş ve regrasyon değeri (R2) 0.98 olarak bulunmuştur. Bu sonuç;değişik meteorolojik veriler yardımıyla (girdi değerleri), güneş radyasyonu (çıktı değerleri)değerlerinin yaklaşık %98 oranında bir doğrulukla tahmin edilebileceğini göstermiştir. YSA ile tahminedilen güneş radyasyonu değerlerinin, gerçek ölçüm değerleri ile karşılaştırılması Şekil 3'tegörülmektedir.

Aylar

Ort.rüzgarhızı

Oithavabasıncı

Ort. havasıcaklığı

Ort. relatifnem

Ort. buharbasıncı

Ort.güneşlenme

süresi

•Güneşradyasyonu

Şekil 2. Uygulamada kullanılan YSA modeli.

237

2 3 4 5 6 7

Şekil 3. Yalvaç İlçesi için YSA ile tahmin edilen güneş radyasyonu değerlerinin, gerçek ölçümdeğerleri ile karşılaştırılması.

SONUÇLAR

Bu çalışmada; İsparta'nın Yalvaç ilçesinde aylık güneş radyasyonu değerleri; ortalama rüzgar hızı,ortalama hava basıncı, ortalama hava sıcaklığı, ortalama relatif nem, ortalama buhar basıncı veortalama güneşlenme süresi gibi meteorolojik verilerden yararlanarak Yapay Sinir Ağlan (YSA)metoduyla tahmin edilmiştir. Çalışmada, gerçek değerler ile YSA metodu kullanılarak hesaplanmışdeğerler arasındaki regrasyon değeri (korelasyon katsayısı) 0.98 olarak bulunmuştur. Çalışmadan eldeedilen sonuçlar, YSA metodunun güneş radyasyonu değerlerinin tahmin edilmesinde oldukça başarılıbir şekilde kullanılabileceğini göstermektedir. Ayrıca bu metot; güneş radyasyonu ölçümü direktolarak yapılamayan farklı yerleşim bölgelerinin güneş radyasyonunun tespit edilmesinde de rahatlıklakullanılabilecektir.

KAYNAKLARAl-Alawi, S.M., Al-Hinai, (1998), H.A., An ANN-Based Approach for Predicting Global Radiation inLocations with No Direct Measurement Instrumentation, Renewable Energy, 14,199-204.

DuffıeJ.A., ve Beckman, W.A., (1980), Solar Engineering of thermal processes, John Wiley& Sons,New York.

Efe, Ö., Kaynak, O., (2000), Yapay Sinir Ağlan ve Uygulamaları, Boğaziçi Üniversitesi, İstanbul.

Fakıoğlu, T., Ecevit, A.., (1998), Türkiyede'ki Çeşitli İstasyonlarda Toplam ve Saatlik Güneş IşımaHesap Değerleri , Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, Cilt: 19, No: 1-2, pp. 27-32.

Fu, L.M., (1994), Neural Netvvorks in Computer Intelligence, McGraw-Hill International Editions.

Kalogirou, S. A., (2001), Artificial neural netvvorks in renevvable energy systems applications: areview, Renevvable and Sustainable Energy Revievvs, 5, 373^01.

238

Kalogirou, S.A., (1999), Applications of artifîcial neural networks in energy systems A revievv, Energy |Conversion & Management, 40, 1073-1087.

Kılıç, A., Öztürk, A., (1984), Güneş ışınımı ve düz toplayıcılar. İ.T.Ü. Mühendislik Fakültesi, pp 1-135s.

Tsoukalas, L.H., Uhrig, R.E., (1997), Fuzzy and Neural Approaches in Engineering, John Wiley &Sons Inc.

Weinberger, H., (1964), The physics of the solar pond. Solar Energy, Vol 8, No, 2.

239