1

GÜNEŞ ENERJİSİ

1-GENEL

Güneş sonsuz enerji kaynağıdır. Bünyesinde hem ısı hem de ışık enerjisi barındırır. Coğrafî konumu nedeniyle, ülkemiz, güneş enerjisi potansiyeli bakımından diğer birçok ülkeye göre nispeten daha şanslı durumdadır. Potansiyel belirleme çalışmaları ile ülkemizin yıllık ortalama ışınım şiddeti 308 cal/cm2-gün (3,6 Kwh/m2-gün) ve yıllık toplam güneşleme süresinin de 2640 saat olduğu 1997 yılı dünya enerji konseyi Türk Milli Komitesi raporunda belirtilmiştir. 1.1- Güneş Enerjisinin Tanımı Güneş, 1.340.000 km çapında, helyum ve hidrojen gazlarından oluşan orta büyüklükte bir yıldızdır. Çapı, dünya çapından 109 defa daha büyüktür. Yer yüzüne uzaklığı 150.000.000 km (± 2.600.000 km) olup merkez sıcaklığı 20.000.000 ºC, yüzey sıcaklığı 6.000 ºC civarındadır. Güneşteki bu yüksek sıcaklık nedeni ile elektronlar atom çekirdeklerinden ayrılır. Bu sebeple güneşte atom ve moleküller değil, serbest elektronlar ve atom çekirdekleri bulunur. Bu karışıma PLASMA adı verilir. Termonükleer reaksiyon (füzyon) sonucunda ortaya çıkan bu büyük enerji uzaya çeşitli dalga boylarında ışınımlar olarak yayılır. Güneşte sadece bir saniyede üretilen enerji insanlığın var olduğu günden bu güne kadar üretilen toplam enerjiden daha fazladır. Enerji kaynaklarını çoğunun güneşten türemiş olduğunu söylemek mümkündür. Yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlar, çağlar önce güneşten aldıkları enerji sayesinde karakteristiklerini özelliklerini değiştirmişler ve bugünkü kullanım şekillerini almışlardır. Fosil yakıtların bulunmasıyla birlikte kullanımları öyle hızlı bir şekilde artmıştır ki, yakın bir gelecekte bitirilmeleri söz konusudur. Bu nedenle, enerji ihtiyaçlarımızın büyük bir bölümünü depolanmış enerji kaynaklarından değil, güneşten elde etmeye çalışmalıyız.

1.2. Güneşin Yapısı Güneş tamamen yoğun ve çok sıcak gazlardan meydana gelmiş bir küredir ve görülen çapı 1.39x106 km ve dünyadan uzaklığı 1.5x109 km dir. Güneş yaklaşık 4 haftada bir kendi etrafında döner. Bu dönme katı cisim gibi olmaz, ekvator kısmı 27 günde, kutup bölgesi 30 günde döner. Güneşin efektif siyah cisim sıcaklığı 5777 K.1

1 Güneşin yaydığına eşdeğer ışınım enerjisi yayan siyah cismin sıcaklığına efektif siyah cisim sıcaklığı denir.

Güneş merkezindeki sıcaklık ve yoğunluk sırasıyla 8x106 – 40x106 K ve su yoğunluğunun yaklaşık olarak 100 katı şeklinde tahmin edilmektedir. Güneş aslında bir sürekli füzyon reaktörü gibidir. Güneşteki enerji üretimini açıklayan en önemli füzyon reaksiyonu hidrojenin helyuma dönüştüğü reaksiyondur. 4 hidrojen protonu birleşerek bir helyum çekirdeğini oluşturur. 1 helyum çekirdeğinin kütlesi 4 hidrojen protonunun toplam kütlesinden daha küçüktür. Aradaki kütle farkı enerjiye dönüşür. Güneş çekirdek bölgesinde milyon oC sıcaklık mertebelerinde üretilen bu enerji önce yüzeye oradan da ışınım yoluyla uzaya iletilmesi gerekir. Güneş çekirdeğindeki ışınım X ve Gamma ışınları spektrumundadır. Şekil-5.1 de güneşin şematik yapısı görülmektedir. Bu şemadan da anlaşılacağı gibi üretilen enerjinin % 90’ı yarı çapı 0.23R olan ve güneş kütlesinin %40’ını oluşturan bir bölgede meydana gelmektedir (burada R güneş yarıçapıdır). Merkezden 0.7R uzaklığında sıcaklık 130 000 K ve yoğunluk 70 kg/m3 değerlerine düşmektedir. 0.7R-1.0R aralığında bölgede konveksiyon önem kazanır. Ve bu bölgenin dış tabakasına fotoküre denir. Fotoküre solar radyasyonun en büyük kaynağıdır. Neşredilen ışınımın enerji dağılımı 5777 K sıcaklıktaki siyah cismin enerji dağılımına oldukça yakındır.

2

Şekil-5.1 Güneşin Yapısı 1.3. Güneş Sabiti Dünyanın Güneş etrafında çizdiği yörünge eksantriktir ve aralarındaki uzaklık %1.7 kadar değişir. Bu mesafe ortalama olarak Şekil-5.2 belirtildiği kadardır. Güneşten neşredilen radyasyon, dünya ile bu geometrik ilişkisinden dolayı yeryüzü atmosferi öncesinde yaklaşık olarak sabittir. Buna güneş sabiti denir ve Gsc ile gösterilir. Güneş sabiti, atmosfer öncesinde ışınım doğrultusuna dik birim alana birim zamanda güneşten gelen enerjidir ve ortalama güneş-dünya mesafesi için değeri Gsc =1367 W/m2 ‘dir. Dünya güneş mesafesinin yukarıda bahsedildiği gibi değişken olması güneş sabitinin de günlere göre ± %3 değişmesine neden olur. Bu nedenle yılın n. gününde birim alana dik gelen atmosfer öncesi radyasyon (güneş sabiti) aşağıdaki gibi hesaplanır;

+=

365360cos033.01 nGG scon (5.1)

şeklinde hesaplanır. Burada n yılbaşından itibaren gün sayısıdır. 1.2.3. Tanımlar ve Semboller Direkt Işınım Atmosferde saçılmadan güneşten direkt olarak yer yüzüne gelen ışınımdır (buna “beam radiation” da denir). Yayılı Işınım Güneş ışınımının atmosferde saçılarak yön değiştirdikten sonra yeryüzüne ulaşan kısmıdır (diffuse Radiation). Yansıyan Işınım Yeryüzü elemanlarından (toprak, çatılar, binalar vs.) yansıyan ışınımdır. Bazı önemli semboller

G: Birim alana birim zamanda gelen radyasyon akısı [W/m2], H ve I: Birim alana gelen radyasyon enerjisi [J/m2], belli bir zaman aralığında G’nin integrali alınarak bulunur. Bu zaman aralığı genellikle saat veya gündür. Eğer bir gün boyunca birim yüzeye

Çekirdek: 8-40x106 K ρ=105kg/m3 % 40 kütle %15 hacim %90 enerji

konvektif bölge 130 000 K ρ=70 kg/m3

Fotoküre ~5000 K 10-5 kg/m3 solar radyasyon kaynağı

Korona ~106 K

Krom küre ~5000 K

Soğutucu gazlar

3

Güneş enerjisi dalga boyuna göre enerji dağılımı

Birimler W/m2 dir ve herhangi verilen bir zamanda dünya girişindeki yüzey üzerine ortalama gelen enerjiyi göstermektedir Emisyon

Yansıyan

Absorbsiyon

Gizli ve Duyulur ısı

34389

220

14 20

381344

97

154 86

Tüm Güneş Işınımı Direkt ve yayılı ışınımların toplamına tüm veya global güneş ışınımı denir.

Şekil-5.2 Güneş- dünya ilişkisi

gelen radyasyon enerjisi söz konusu ise H, bir saat boyunca birim yüzeye gelen radyasyon enerjisi söz konusu ise I sembolleri kullanılır. Alt indisler G, H ve I sembolleri ile kullanılan alt indislerden o atmosfer öncesi radyasyonu, b direkt (beam) ışınımı, d yayılı (difüz) ışınımı, T eğik yüzeyi, n ise ışınım doğrultusuna dik yüzeyi

4

gösterir. Eğer yukarıdaki üç sembolle beraber T ve n alt indisleri yoksa o zaman yatay düzleme gelen radyasyon kastedilmiş olur. Güneş Zamanı Güneş saati ile yerel saat birbirinden farklıdır. Güneş saati güneşin hareketine göre ölçülür. Güneş radyasyonu hesaplarında çoğunlukla güneş saati esas alınır. Buna göre güneş zamanı ile standart saat arasında aşağıdaki ilişki söz konusudur.

( ) EBBMSGS ys +−±= 4 (5.2)

Burada GS; güneş saati, MS ülke saati, Bs ve By standart ve yerel boylamı (meridyen), E ise zaman düzeltme faktörüdür. göstermektedir. Eşitliğin sağ tarafındaki ikinci terim doğu boylamları için (-) dir. Bilindiği gibi türkiye doğu boylamları içindedir.Türkiye saati içim standart boylam 45o doğu boylamı olduğuna göre denklem 5.2 aşağıdaki gibi düzenlenebilir.

60

)45(604 EBTSGS y +−−= (5.3)

Burada TS Türkiye saatidir ve dakika cinsinden E aşağıdaki korelasyondan hesaplanır.

−−

−+=

BBBB

E2sin04089.02cos014615.0

sin032077.0cos001868.0000075.02.229 (5.4)

( )3653601−= nB (5.5)

Burada n gün sayısıdır (1 ocaktan itibaren). Örnek-5.1 İstanbul’da (By=29oD) 13 Martta Türkiye saati 10:30 için güneş saatini hesaplayınız. Denklem 5.5 ten B=70.0027 ve E=-10.19 dak. bulunur. Buna göre;

( ) 26.960

19.1029456045.10 =−−−=GS eder. Bu da güneş saati ile 9:16 demektir. Buna göre

İstanbul için güneş saati ülke saatinden 1 saat 14 dakika geride olmaktadır. Bu notlarda aksi belirtilmedikçe zaman güneş saati cinsinden alınacaktır. 1.2.4. Güneş Açıları Enlem Açısı (Φ): Göz önüne alınan yerin enlemidir.

Deklinasyon Açısı (δ): Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Diğer bir ifade ile

güneş ışınlarının dünyaya geliş açılarıdır. Bu açı dünya dönme ekseninin düşeyle yaptığı 23.5o lik

açıdan ileri gelir. Bu açı mutlak değerce iki maksimumdan geçer. Bu maksimumlarda kış ve yaz

gündönümü meydana gelir. Bu açının 0o olduğu yılın iki gününe ise ekinokslar denir.

Ekinokslarda gece ve gündüz bir birine eşit ve 12 saattirler. Sonuç olarak deklinasyon açısı yıl

boyunca değişir ve aşağıdaki gibi hesaplanır.

+

=365

284360sin45.23 noδ (5.6)

5

Tablo 1.1 Ortalama deklinasyon açıları Burada n bir ocaktan itibaren gün sayısıdır. Genellikle güneş ışınımı hesapları bir ayın bütün günleri yerine, aylık ortalama değerlere göre yapılır. Diğer bir ifadeyle ortalama deklinasyon açısına tekabül eden günde yapılır. Bu nedenle aylık ortalama deklinasyon açısına ihtiyaç duyulur. Tablo-5.1 de ayın ortalama günü, karşılık gelen n değeri ve deklinasyon açısı verilmiştir. Eğim Açısı (β): Eğik yüzeyin yatayla yaptığı açıdır (Şekil-5.3). Yüzey azimut a çısı (γ): Eğik yüzeyin normalinin yatay düzlemdeki izdüşümünün güneyle doğrultusu ile yaptığı açıdır. (Şekil-5.3). Güneyden batıya doğru (+), doğuya doğru (-) alınır (Şekil-5.3). Saat Açısı (ω): Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneş ışınlarının belirttiği boylam arasındaki açıdır. Güneş öğlesi ile (saat 12) ilgili zaman arasındaki saat farkının 15 sayısı ile çarpılmasıyla bulunur. Her 15o saat açısı (boylam farkı) zaman olarak 1 saate tekabül eder. Öğleden önceleri (-), öğleden sonraları (+) alınır. Güneş geliş açısı (θ): Eğik yüzeye gelen ışın (güneş doğrultusu) ile yüzey normali arasındaki açıdır.

Şekil-5.3 Güneş açıları Zenit açısı (θz): Güneş doğrultusu ile yatay düzlemin normali arasındaki açıdır (Şekil-5.3).

Aylar Ayın Ortalama Günü

Yılın Günü, n

Deklinasyon Açısı, δ

Ocak 17 17 -20.92 Şubat 16 47 -13.29 Mart 16 75 -2.42 Nisan 15 105 9.41 Mayıs 15 135 18.79 Haziran 11 162 23.09 Temmuz 17 198 21.18 Ağustos 16 228 13.45 Eylül 15 258 2.22 Ekim 15 288 -9.6 Kasım 14 318 -18.91 Aralık 10 344 -23.05

6

Güneş yükseklik açısı (αs): Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusu) yatayla yaptığı açıdır. Güneş azimut açısı (γ s): Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusu) yatay düzlemdeki izdüşümünün (projeksiyon) güney doğrultusu ile yaptığı açıdır. (Şekil-5.3) Açı güneyden batıya doğru ise (+), doğu tarafına ise (-) alınır. Bir yüzeye güneşin geliş açısı, θ, diğer açılar cinsinden aşağıdaki gibi ifade edilir.

ωγβδ+ωγβφδ+

ωβφδ+γβφδ

βφδ=θ

sin sin sin cos cos cossinsin cos

cos cos cos cos cos sin cos sin- cos sin sincos

(5.7)

ve ( )γ−γβθ+βθ=θ szz cos sin sin cos cos cos (5.8)

Şekil-5.5 Optimum eğim ve yüzey açısı Şekil-5.4 Deklinasyon açısı Eğim açısı β olan b ir eğik yüzey tam güneye bakıyorsa güneş geliş açısı denklem (5.9) revize edilerek kuzey yarım küre için güneş geliş açısı aşağıdaki gibi yazılabilir; δβ−φ+ωδβφ=θ sin )sin(cos cos )-cos( cos (5.13) Yine tam güneye (bakan kuzey yarım kürede) eğik düzlem için gün öğlesinde güneş geliş açısı; β−δ−φ=θöğle (5.14)

Eğer eğim açısı β = 0 ise güneş geliş açısı zen it açısın a eşit olu r. Gü nbatımında ise θ z =90o olacağından günbatımında saat açısına Günbatımı saat açısı denir, ωs ile gösterilir ve aşağıdaki gibi hesaplanır; δφ−=ω tantancos s (5.15) Güneş doğuşunda ωs (-) ve batışında (+) alınır. Buna göre Gün uzunluğu aşağıdaki gibi bulunur;

s 152 N ω= (5.16)

Burada ωs derece cinsinden yerine konacaktır.

Topl

am y

ıllık

ene

rji, G

J/m

2 -gün

Topl

am y

ıllık

ene

rji, G

J/m

2 -gün

Topl

am y

ıllık

ene

rji, G

J/m

2 -gün

Eğim açısı Yüzey azimut açısı

7

1.2.5. Eğik Düzleme Gelen Radyasyon Hesabı Eğik düzleme gelen güneş ışınımını hesaplamak için atmosfer öncesi birim yatay düzleme gelen radyasyon, yeryüzünde birim yatay düzleme gelen radyasyon değerlerinin bilinmesi gereklidir. Ancak hem Atmosfer öncesi radyasyon ve hem de yeryüzü radyasyonu için anlık ve günlük değerler söz konusudur. Ancak kollektör hesabı yapılırken genellikle günlük radyasyon değerlerinin her ay için ortalamaları kullanılır. Bu parametre aylık ortalama günlük radyasyon olarak adlandırılır. 1.2.6. Maksimum Güneş Işınımı Alan Düzlem Eğimi Açık bir havada direkt güneş ışınımı daima difüz ışınımdan büyüktür, ayrıca gün öğlesinde (ω s = 0o) güneş ışınları daha dik geldiğinden eğik düzleme gelen direkt ışınımın maksimum olduğu eğim açısını dikkate almak doğru olur. Bu analizde aylık ortalama günlük radyasyonu değilde yalnızca günlük radyasyonu dikkate almak daha mantıklıdır. Günlük radyasyon için Rb değeri yani eğik düzleme gelen günlük direkt radyasyonun yatay düzleme gelen günlük direkt radyasyona oranı denklem (5.23)’e benzer olarak aşağıdaki gibi ifade edilir;

δφ+ωδφ

δβφ+ωδβ−φ=

θθ

=sin sin cos cos cos

sin )-sin( cos cos )cos(coscosR

zb (5.26)

Rb değerini maksimum yapan β açısı optimum eğim açısıdı r yani eğik düzlemin gün öğlesinde en fazla radyasyon almasını sağlayan eğim açısıdır. O halde Rb nin β ya göre türevi alınıp sıfıra eşitlenirse optimum β eğim açısı bulunur.

( )[ ][ ] 0sin sincoscos cos sin )-cos(-cos cos -sin 0d

dRb =δφ+ωδφδβφωδβφ⇒=β

Bu denklemin sıfır olması için ilk yada ikinci terimden en az birinin sıfır olması gerekir, ikinci terim içerisinde eğim açısı yer almadığı için birinci köşeli parantez içerisindeki terim sıfıra eşitlenmelidir. Gün öğlesinde ω = 0 olacağından cosω=1 olur ve δ−φ=β (5.27) bulunur. Tablo-5.1 den kış ayları için (Ocak, Şubat, Mart, Ekim, Kasım,Aralık) ortalama deklinasyon açısı –15o ve yaz ayları için (Nisan, Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül) ortalama deklinasyon açısı +15o olarak hesaplanır. Sonuç olarak yaz uygulaması için optimum kollektör eğim açısı 15−φ=β (5.28) ve kış uygulaması için ise 15+φ=β (5.29) olacaktır. Eğer kollektör sabit olacaksa eğim açısı φ=β olarak alınabilir. Şekil-5.5(a) da sol düşey eksende eğik düzleme bir yıl boyunca gelen tüm radyasyon sağ düşey eksende kış sezonunda (Aralık, Ocak Şubat, Mart) ayları süresince gelen tüm radyasyon yatay eksende kollektör eğim açısı görülmektedir. Grafik enlem açısı φ = 45 o olan bir yerde tam güneye dönük bir kollektör için çizilmiştir.Görüldüğü üzere bir yıl boyunca maksimum radyasyon alan eğim açısı yaklaşık olarak 45o ki bu açı ise φ=β açısına tekabül eder. Sadece kış sezonu boyunca maksimum radyasyon alan eğim açısı ise 60o olmaktadır bu ise 15+φ=β demektir. Ayrıca şekil-5.5(b) den görüldüğü üzere maksimum yıllık radyasyon alan eğik yüzeyin yüzey azimut açısı γ = 0 o

8

olmaktadır. Buna göre yukarıda belirtildiği üzere bir kollektörün bir yıl boyunca maksimum radyasyon enerjisi alması için eğim açısı φ=β ve tam güneye dönük olmalıdır. Farklı Yaklaşım: S eğim açısı; Yıllık optimum verim için; S = enlem x 0,9

• 7 aylık kış mevsimi için; S = enlem + 15º • Kış mevsiminde en soğuk üç ay için; S = enlem + 25º • Yaz mevsimi için; S = enlem - 25º şeklinde verilmektedir.

Enleme ilave edilen sayısal değerlerin nedeni Zenit açısıdır. Bu açı kışın büyümekte yazın ise küçülmektedir. İdeal konumdan 15º sapma halinde enerji kayıp oranı %6’dır. Mimari ve diğer etkenler nedeni ile ideal açı uygulanamazsa enerji kayıpları büyük olmayacaktır. Örnek-5.6: Yukarıdaki örneği (örnek-5.5) kış uygulaması için yeniden çözünüz. Veriler: φ ≈ 40o ; Tablo-1.2’den 2MJ/m 6H = ve 2

o MJ/m 3.15H = ; Tablo-5.1’den δ = -20.92o Çözüm:

Buna göre denklem (5.15)’den ω s = 71.29o ve denklem (5.20) den 392.03.15

6K T == ;

ωs<81.4o olduğu için denklem (5.22) den 2

d MJ/m 06.3H = ; diğer yandan tüm radyasyon

yayılı ve direkt ışınımın toplamı olduğuna göre; db HHH −= ve 2b MJ/m 94.2H = olarak

bulunur. Denklem (5.24) den ωs (min) = 95.87o , denklem (5.23) den 687.2Rb = , Tablo-5.3 den ρ = 0.75 alınarak denklem (5.25) aşağıdaki gibidir;

2T MJ/m 254.1195.0405.2899.7H =++= olur.

TÜRKİYE’NİN GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ

Türkiye, coğrafi konumu itibarıyla güneş kuşağı içerisinde yer almakta olup, güneş enerjisinden yararlanma potansiyeli, Doğu Karadeniz Bölgesi dışında tüm bölgelerimiz için önemle ele alınması gereken bir büyüklüktedir. Güneş enerjisinden su ısıtma, konut ısıtma, pişirme, kurutma, soğutma gibi ısıl amaçlarla yararlanılabileceği gibi elektrik enerjisine dönüştürmek de olanaklıdır. Ülkemiz, sahip olduğu yüksek güneş enerji potansiyelini, beyin gücü ve teknoloji geliştirmeye gereken önemi vererek değerlendirmeli ve yalnızca gelişmiş ülkelerin bir pazarı olmamalıdır.

Ülkemiz coğrafi konumu gereği güneş enerjisi potansiyeli açısından oldukça şanslıdır. EİE (Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü) idaresi tarafından yapılan istatistik çalışmalarına göre Türkiye’nin ortalama yıllık güneşlenme süresi 2640 saat (günlük ortalama 7.2 saat ), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/ m²- yıl’dır. Bu da günlük toplam 3.6 kWh/ m² dir. Türkiye’nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Bölgelere göre güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi aşağıdaki tabloda verilmektedir.

9

Şekil 1.1:Türkiye güneşlenme haritası

Şekil 1.2 Türkiye kuşaklara göre güneş enerjisi haritası

Tablo-1 Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli Kaynak: EİE Genel Müdürlüğü Aylar Aylık Toplam Güneş Enerjisi

(Kcal/cm2-Ay) (kwh/m2-Ay) Güneşlenme Süresi (Saat/Ay)

OCAK 4,45 51,75 103,0 ŞUBAT 5,44 63,27 115,0 MART 8,31 96,65 165,0 NİSAN 10,51 122,23 197,0 MAYIS 13,23 153,86 273,0 HAZİRAN 14,51 168,75 325,0 TEMMUZ 15,08 175,38 365,0 AĞUSTOS 13,62 158,40 343,0 EYLÜL 10,60 123,28 280,0 EKİM 7,73 89,90 214,0 KASIM 5,23 60,82 157,0 ARALIK 4,03 46,87 103,0 TOPLAM 112,74 1311 2640 ORTALAMA 308,0 cal/cm2-gün 3,6 kWh/m2-gün 7,2 saat/gün

10

Bölgelere Göre Güneş Enerjisi Potansiyeli

BÖLGELER Yıllık Toplam Güneş Enerjisi (KWh/m2.yıl)

Yıllık Toplam Güneşlenme Süresi, saat/yıl

Güneydoğu Anadolu

1460 2993

Akdeniz 1390 2956

Ege 1304 2738

İç Anadolu 1314 2628

Doğu Anadolu 1365 2664

Marmara 1168 2409

Karadeniz 1120 1971

Türkiye Ortalaması 1311 2640

Şekil… Dünya Güneş Haritası

11

2- GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARARLANMA YÖNTEMLERİ Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemlerinin Tanımı Çeşitleri ve Uygulama Şekilleri 1- Depo sayısına göre;

- Tek depolu, - Çift depolu,

2- Deponun pozisyonuna göre; - Dik depolu, - Yatık depolu,

3- Mantolu olup olmadığına veya kapalı yada açık oluşuna göre; - Mantosuz (açık sistem) depo, - Mantolu (kapalı sistem) depo,

4- İçinde bulunan serpantin sayısına göre; - Tek serpantinli, - Çift serpantinli,

5- İçinde hazne bulunmasına göre; - Hazneli sıcak su deposu, - Haznesiz sıcak su deposu,

6- Sıcak su deposundaki basınç seviyesine göre; - Basınçlı sıcak su deposu, - Basınçsız sıcak su deposu,

7- Akışkanın sirkülasyon şekline göre; - Doğal sirkülasyonlu (pompasız), - Cebri sirkülasyonlu (Pompalı)

Gibi değişik şekilde sınıflandırma ve ya gruplandırma yapmak mümkündür. Yukarıda yapılan sınıflandırmalara örnek olarak, şekilde, kapalı devre basınçlı sıcak su deposuna sahip bir sistem görülmektedir. Bu sistemlerde soğuk su deposu bulunmamaktadır.

Şekil xx Çatı eğimine uygun kollektör montajı

12

Şekil xx Çatı eğimine uygun olmayan, görüntü kirliliği oluşturan kollektör montajı

2.1. Düz Yüzeyli Güneş Kollektörleri (Toplayıcıları) Düz yüzeyli kolektörler güneş enerjisi ile sıcak su elde etmek için tasarlanan sistemlerde kullanılır. Türkiye’de güneş enerjisinin en yaygın kullanım alanı sıcak su ısıtma sistemleridir. Halen ülkemizde kurulu olan güneş kolektörü miktarı 2001 yılı için 7,5 milyon m2 civarındadır (Kaynak; EİE). Çoğu Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmakta olan bu sistemlerden, yılda yaklaşık 290 bin TEP ısı enerjisi üretilmektedir. Sektörde 100'den fazla üretici firmanın bulunduğu ve 2000 kişinin istihdam edildiği tahmin edilmektedir. Yıllık

13

üretim hacmi 750 bin m² olup bu üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Bu haliyle ülkemiz, dünyada kayda değer bir güneş kolektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır.

Şekil xx. Çatı eğimine uygun ve uygun olmayan farklı kollektöruygulama şekilleri Güneş kollektörleri, güneş radyasyonunu toplayıp bir akışkana (sıvı veya hava) aktaran elamanlardır. Üç değişik biçimde olabilir. Birinci grup düz yüzeyli tipler güneş ışığını odaklamazlar ve genel olarak sabit çalışırlar ve ulaşılan sıcaklık seviyesi genellikle 95 oC nin altındadır. İkinci grup odaklamalı tiplerdir. Güneş ışınlarını sürekli olarak bir odak noktasına toplarlar. Sadece direkt radyasyondan yararlanırlar. Üçüncü grup ise vakumlu-boru kollektörlerdir (Şekil-5.6-a). Bu tip kollektörlerde vakumlu bir cam boru (absorber) içerisine bir ısı borusu yerleştirilmiştir. Isı borusunda kolayca faz değiştiren akışkan bulunur. Güneş radyasyonu etkisiyle ısı borusundaki akışkan buharlaşarak yükselir ve ısı eşanjörüne (kondenser) gelir. Burada kollektör akışkanına (su) ısısını aktararak yoğuşur. Düz güneş kollektörleri (Şekil-5.6(a) ve (b)) basitçe saydam örtü, yutucu yüzey, akışkanın dolaştığı borular, izolasyon ve kasadan oluşur. Saydam örtüye gelen güneş ışınlarının güneşin geliş açısına bağlı olarak bir kısmı yansırken büyük bir kısmı saydam örtüyü geçerek yutucu yüzeye (veya seçici yüzey) ulaşır. Gelen ışınım bu yüzey tarafından absorbe edilerek depolanır. Depolanan bu ısı enerjisi iletim ve taşınım yoluyla yutucu yüzeye kaynatılmış olan borular içerisinden geçen suya aktarılır. Yutucu yüzeyin çevreye ısı kaybetmesini önlemek için içerisi yalıtılmış bir kasa içine yerleştirilir. Böylece kollektörün alt ve yan yüzeylerinden olan ısı kaybı en aza indirilmiş olur. Ayrıca saydam örtü de yine yutucu yüzeyin üst tarafından olan ısı kayıplarını azaltır. Çünkü saydam örtü ile yutucu yüzey arasındaki boşlukta hava mevcuttur. Bu bölge sera etkisi ile sıcak kalır ve ayrıca hava kötü bir iletken olduğundan yutucu yüzeyin üst tarafa ısı kaybetmesi azaltılmış olur.

Şekil-5.6. Düz güneş kollektörü

14

2.1.1 Saydam örtü Saydam örtünün amacı, güneş ışınımını içeri alıp çevreye olan ısı kayıplarını azaltmaktır. Özellikle, rüzgarlı bölgelerde taşınımla olan ısı kaybı çok fazladır ve saydam örtü kullanılmaması halinde yutucu yüzey ile çevre arasındaki ısı taşınım katsayısı çok büyük olacağından faydalı ısı kazanımı azalır. Saydam örtü taşınımla çevreye olan ısı kaybını önlediği gibi yutucu yüzeyi yağmur ve toz gibi dış etkilerden de korur.

Şekil-5.6. Düz güneş kollektörü

Şekil-5.6(b) Düz Güneş Kollektörü

15

2.1.1 Saydam Örtü Malzemeleri Kollektörlerin üstten olan ısı kayıplarını en aza indirgeyen ve güneş ışınlarının geçişini engellemeyen bir maddeden olmalıdır. Cam, güneş ışınlarını geçirmesi ve ayrıca absorban plakadan yayınlanan uzun dalga boylu ışınları geri yansıtması nedeni ile örtü maddesi olarak son derece uygun bir maddedir. Yutucu yüzey absorbe ettiği radyasyon nedeniyle sıcaklığı yükselir ve kendisi de ışınım neşreder (Şekil-5.7. ve Şekil-5.8). Neşrettiği ışınım miktarı tamamen yutucu yüzey malzemesine bağlıdır. Neşredilen ışınım uzun dalga boylu (3-50 μm) ışınımdır. Öte yandan güneş radyasyonu ise kısa dalga boyuna (0.3-3 μm) sahiptir. Dolayısıyla kollektörlerde kullanılan saydam örtülerin kısa dalga boylu güneş ışınımı geçirme oranı büyük ve yutucu yüzeyin neşrettiği uzun dalga boylu ışınımı geçirme oranı ise düşük olmalıdır. Kırılmaya karşı mukavim olmalı ve güneş ışınımına dayanıklı olmalıdır. Pratikte saydam örtü olarak genellikle camlar ve plastik esaslı saydam malzemeler kullanılmaktadır. Camlar 0.3-3 μm dalga boyundaki ışınımın büyük bir kısmını geçirirken 3-50 μm dalga boyundaki ışınımı ise geçirmezler. Camların geçirme oranı bileşimindeki demir-oksit oranı arttıkça azalır. Dolayısı ile saydam örtü için demir-oksit miktarı % 0.05’ten küçük olan camlar seçilmelidir. Kenarından bakıldığında yeşil görünen camlarda bu oran fazladır ve pencere camlarında demir oksit oranı % 0.1 mertebesindedir. Su-beyazı tipi camlarda bu oran yaklaşık % 0.015 mertebesindedir. Tablo-5.4 de bazı saydam örtülerin geçirgenlikleri verilmiştir. Örneğin su-beyazı cam için güneş ışınımını geçirme oranı 0.92 iken uzun dalga boylu ışınımı (yutucu yüzeyden neşredilen ışınım) geçirme oranı 0.02 dir. Ayrıca camların yansıtma oranını düşürmek için camın bir veya iki yüzeyi yansıtma önleyici malzemelerle (metalik florid) kaplanabilir. Bundan başka camın ısıl mukavemetini arttırmak için genelde temperlenmelidir.

Şekil-5.7 Işığın kollektörlerde yutulması, yansıması ve kırılması

Bilinen pencere camının geçirme katsayısı 0.88’dir. Son zamanlarda özel olarak üretilen düşük demir oksitli camlarda bu değer 0.95 seviyesine ulaşmıştır. Bu tür cam kullanılması verimi % 5 mertebesinde arttırır.

2.1.2. Yutucu Yüzey

Absorban plaka kollektörün en önemli bölümüdür. Güneş ışınları, absorban plaka tarafından yutularak ısıya dönüştürülür ve sistemde dolaşan sıvıya aktarılır. Absorban

16

plaka tabanda ve üstte birer manifold ile bunların arasına yerleştirilmiş akışkan boruları ve yutucu plakadan oluşur. Yutucu plaka ışınları yutması için koyu bir renge genellikle siyaha boyanmıştır. Kullanılan boyanın yutma katsayısının (absorptivite) yüksek uzun dalga boylu radyasyonu yayma katsayısının (emissivite) düşük olması gerekmektedir. Bu nedenle de bu özelliklere sahip seçici yüzeyler kullanılmaktadır. Mat siyah boyanın yutuculuğu 0. 95 gibi yüksek bir rakam iken yayıcılığı da 0.92 gibi istenmeyen bir değerdedir. Yapılan seçici yüzeylerde yayma katsayısı 0.1’in altına inmiştir. Seçici yüzey kullanılması halinde kollektör verimi ortalama % 5 artar.

Düz Toplayıcının Kurulduğu Çevrenđn Sıcaklığı (Günlük Ortalama Sıcaklık)

Absorban plaka, borular ile sıkı temas halinde olmalıdır. Alüminyumda olduğu gibi, akışkan borularının kanatlarla bir bütün teşkil etmesi en iyi durumdur. Bakır ve sacda bu mümkün olmadığı için akışkan boruları ile plakanın birbirine temas problemi ortaya çıkmaktadır. Bu problem ya tamamen yada belli aralıklarla lehim veya kaynak yapmakla çözülebilir.

Kollektörlerde güneş ışınımını absorbe eden (yutan) ve ısıyı borulardaki akışkana aktaran kısımdır. Yutucu yüzeyin herşeyden önce güneş ışınımını (kısa dalga boylu ışınım) yutma oranının büyük ve ışınım (uzun dalga boylu) yayma oranının küçük olması gerekir. Ayrıca yuttuğu ısıyı borulara iyi iletebilmesi için ısı iletim katsayısının yüksek olması gerekir. Yutucu yüzey olarak genellikle bakır veya çelik kullanılır. Yutma özelliğinin iyi olması için yutucu yüzeyin rengi siyah olmalıdır. Fakat siyah cisimler iyi bir ışınım yutucu olmakla beraber yüzey sıcaklığı arttığı zaman iyi bir ışınım yayıcı olurlar. Oysaki kollektörde kullanılan yutucu yüzeyin yutma özelliğinin yüksek ışınım yayma özelliğinin ise düşük olması istenir. Tablo –5.5 de bazı yüzeylerin yutma (α) ve ışınım neşretme (ε) oranları görülmektedir. Örneğin siyah boyanın yutma oranı 0.94 iken yayma oranı ise 0.88 dir. Bu yayma oranı oldukça yüksektir. Siyaha boyanmış bir yutucu yüzey bu durumda yüksek oranda ışınım yayarak enerji kaybedeceği için kollektör verimini azaltır. Diğer yandan galvanizli çelik için yutma oranı 0.8 ve yayma oranı ise 0.28 dir. Kısa dalga boylu ışınımın (güneş ışınımı) tamamına yakınını yutan ve uzun dalga boylu ışınım neşrediciliği az olan yüzeylere “seçici yüzey” veya “selektif yüzey” denir. Seçici yüzey elde edilmesi metalin uygun bir malzeme ile kaplanmasıyla olmaktadır. Kaplama tekniği genellikle elektro

17

kaplama biçimindedir. Kaplama malzemesi metal üzerine çok ince bir şekilde emdirilir. Tablo-2.3 de alt tabaka metali ve kaplama malzemesi çiftleri görülmektedir. Örneğin galvanizli çelik plaka nikel ile kaplanırsa yutma oranı 0.93 ve yayma oranı ise 0.08 olmaktadır. Yani böyle bir yüzey gelen güneş ışınımını %93 oranında yutarken kendisi hemen hiç ışınım yaymaz. Böylece ışınım yoluyla yutucu yüzey ısı kaybetmemiş olur.

Isı Yalıtım: Kollektörün arkadan olan ısı kayıplarını minumuma indirmek için absorban plaka ile kasa arası uygun bir yalıtım maddesi ile yalıtılmalıdır. Absorban plaka sıcaklığı, kollektörün boş kalması durumunda 150 °C’a kadar ısınması nedeniyle kullanılacak olan yalıtım malzemesinin sıcak yalıtım malzemesi olması gerekmektedir. Isı iletim katsayıları düşük ve soğuk yalıtım malzemesi olarak bilinen poliüretan kökenli yalıtım malzemeleri tek başına kullanılmamalıdır. Bu tür yalıtım malzemeleri, absorban plakaya bakan tarafı sıcak yalıtım malzemesi ile takviye edilerek kullanılmalıdır.

Kollektör Kasası: Kasa, yalıtkanın ıslanmasını önleyecek biçimde yapılmalıdır. Özellikle kollektör giriş ve çıkışlarında kasanın tam sızdırmazlığı sağlanmalıdır. Kasanın her yanı 100 kg/m2 (981 Pa=N/m2) basınca dayanıklı olmalıdır (TSE-3680).

Sıvılı kollektörlerde sızdırmazlığın yüzde yüz sağlanamadığı durumlarda camda yoğunlaşan su buharını dışarıya atmak amacıyla kasanın iki yan kenarına tam karşılıklı ikişer adet 2-3 mm çapında delik açılmalıdır.

Bir Düz Güneş Kollektörü Teknik Özellikleri

Kasa Düşük silisyumlu aluminyum

Boyu 2037 mm

Eni 1034 mm

Yükseklik 121 mm

Brüt alan 2,106 m2

Net ağırlık 41 kg.

Cam Tabaka Düşük demirli temperlenmiş özel cam

Kalınlık 3 mm

Geçirgenlik %92

Seçici Özellikli Yutucu Plaka Nikel pigmentasyonlu Al203 kaplı seçici yüzeye sahip yüksek vasıflı aluminyum ektrüzyon plaka

Plaka kalınlığı 1,25 mm

Su kanallarındaki et kalınlığı 2,1 mm (min)

Absorpsiyon (güneş ışınını yutma) %96 +/- 2

Emisivite (geri ışınımı yansıtma oranı) % 15 +/- 2

İzolasyon

Yanlar 24 mm poliüretan (40 kg/m3 yoğunlukta) + aluminyum folyo

Alt 0,4 mm gofrajlı aluminyum + 40 mm poliüretan sert köpük + 25 mm kaya yünü + aluminyum folyo

18

Kollektör Enerji Dengesi

Kollektör üzerine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüde yansır, bir kısmı yine saydam örtüde yutulur ve geri kalan kısmı absorban plakaya (yutucu yüzeye) ulaşır. Absorban plakaya gelen enerjinin, bir kısmı ısı taşıyıcı akışkana geçerken bir kısmı absorban plakada depolanır, geri kalan kısmı ışınım, taşınım, ve iletimle çevreye gider. Işınım taşınım ve iletimle olan ısı kayıplarının toplamı Qk, depolanan enerji Qd, akışkana geçen enerji Qf, olmak üzere, düzlemsel kollektörler için enerji dengesi:

I.A.(τ.α) = Qf+Qk+Qd

Şeklinde yazılabilir. Burada (τ.α) kollektör yutma geçirme çarpımı, I kollektör üzerine gelen güneş enerjisi ve A faydalı yüzey alanı olmak üzere I.A.(τ.α) çarpımı absorban plaka üzerine gelen güneş enerjisini verir.

Kollektör Verimi:

Kollektörlerde ısı taşıyıcı akışkanda toplanan güneş enerjisinin, kollektöre gelen güneş enerjisine oranına kollektör verimi denir. Kollektör giriş suyu sıcaklığı arttıkca verim düşme eğiliminde olacağından genel bir verim yerine anlık verimden yani verim eğrisinden bahsetmek daha doğru olacaktır. Kollektör verimi ısı taşıyıcı akışkanın giriş, çıkış sıcaklıkları ve debi değerlerinin sağlıklı ölçülebildiği durumlarda ve en önemlisi çevre sıcaklığının sabit olduğu durumlarda

η = [m.Cp.(Tçık-Tgir)] / (A.I)

bağıntısıyla hesaplanabilir. Fakat verim eğrisi oluşturulurken çevre sıcaklığı da değişeceğinden verim bağıntısında Tç çevre sıcaklığı da değişken parametre olarak bulunmalıdır. Buna bağlı olarak verim,

Tablo … Bazı Yutucu Levhaların Yutma ve Neşretme Katsayıları

Qk=-k.A.dt/dx genel ısı transfer denklemi kullanılarak ve Qg kollektöre gelen toplam güneş enerjisi olmak kaydı ile

19

η = Qf/Qg = [Qg.(τ.α)-Qk] / Qg = (τ.α)-(Qk / Qg) = (τ.α)-[K.A.(Tort-Tçev)] / (I.A)

η = (τ.α)-K(Tort-Tçev)/I

formülüyle hesaplanması daha mantıklıdır. Burada kullanılan K kollektör için ısı kayıp katsayısıdır.

‘K’ Kollektör Isı Kayıp Katsayısı; Düzlemsel kollektörlerde çevreye olan ısı kaybı kollektörlerin üst, alt ve yan yüzeylerinden olur ve

K= Küst + Kalt + Kyan

şeklinde yazılabilir. Kollektör alt ve yan yüzeylerinden olan ısı kayıpları yalıtım malzemesinin kalınlığına ve ısı transfer katsayısına bağlıdır. Değeri ‘Küst’ parametresine göre oldukça küçüktür. Çünkü kollektör üst yüzeyi saydam örtüden dolayı izolasyon yapılamamaktadır ve toplam ısı kayıplarının % 70’ i bu yüzeyden olmaktadır. ‘k’ yalıtım malzemesi ısı transfer katsayısı, L yalıtım malzemesi kalınlığı h konveksiyon ısı kayıp katsayısı olmak üzere

Kalt=1/[(1/h)+(L/k)] bağıntısıyla hesaplanabilir.

Üstten olan ısı kayıp katsayısının iteratif metotlarla hesaplanması uzun işlemleri gerektirmektedir. Pratikte basit bağıntılar tercih edilir. Agarwal ve Larson (1981), Küst değerinin

Bağıntısı ile maksimum ±0,25 W/m2°K hata ile bulunabileceğini belirtmektedir. Burada,

htd=5,7+3,8V

f=(1-0,04.htd+0,0005.h2td)(1+0,091N)

C=250.(1-0,0044.(s-90))

Olup, V (m/s) rüzgar hızı, s(drc) kollektör eğimi, N saydam örtü sayısı, εL yutucu yüzeyin ışınım neşretme oranı,εS saydam örtünün ışınım neşretme oranı TY ve Tçev sırası ile yutucu yüzey ve çevre sıcaklıklarıdır. Saydam örtü sayısının birden fazla olduğu durumlarda yukarıdaki denklemin kullanılabilmesi için saydam örtülerin aynı tip olması gerekir. Fiziksel özellikleri farklı saydam örtü kullanılması durumunda iteratif metotlar kullanılmalıdır.

20

Teorik olarak hesaplanması çok zor olan K kollektör kayıp katsayısı, kollektör test çalışması sonucunda elde edilen verim eğrisinden kolayca tespit edilebilmektedir. Kollektörün verimi, giriş suyu sıcaklığı, çevre sıcaklığı, debi ve radyasyon değerlerine bağlı olarak değişmektedir. Toplam ısı kayıp katsayısı da bu parametrelere bağlı olarak değişim gösterir. Pratik olarak verim eğrisinin eğimi toplam ısı kayıp katsayısı değerini verir. Toplam ısı kayıp katsayısı ve bu eğrinin verim eksenini kestiği noktadaki maksimum verime (ısı yalıtım katsayısının 0 kabul edildiği yani hiç ısı kaybının olmadığı durum) göre kollektörlerin iyi veya kötü olduğuna karar verilmektedir.

Şekil-6’da toplam ısı kayıp katsayısı (4,16 W/°Cm2) düşük ve yutma geçirme katsayısı (0,82) büyük olan iyi kabul edilebilecek bir verim eğrisi görülmektedir.

2.3. GÜNEŞLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ Güneş kollektörü kullanarak tüketim veya ısıtma amaçlı sıcak su üreten sistemlerdir. Yaygın olarak doğal ve cebri (zorlanmış) dolaşımlı olarak iki tip tasarım mevcuttur. Bunlar aşağıda anlatılmıştır. 2.3.1. Doğal sirkülasyonlu sistemler: Donma riskinin olmadığı küçük kapasiteli uygulamalar için uygun sistemlerdir. Şekil-5.9 ve şekil-5.10 da böyle bir sistemin şeması görülmektedir. Doğal sirkülasyonun olabilmesi için deponun kollektör seviyesinden en az 45 cm yukarıda olması gerekir. Suyun sistemde dolaşımı, kollektörde ısınan su ile daha soğuk olan deponun altındaki suyun özgül ağırlıkları nedeniyle olur. Üzerine güneş düştüğü zaman kollektör içindeki su ısınarak genleşir. Genleşen suyun özgül ağırlığı azalacağından yükselerek üstten depoya girer. Kollektörde ısınarak depoya giden suyun yerine, deponun altındaki daha soğuk olan su gelir ve oda ısınarak depoya gider. Kollektör güneş gördüğü sürece bu olay devam eder. Suyun bu şekilde hareketine “termosifon olayı” denir. Depodaki su sıcaklığı ile kollektördeki su sıcaklığı eşit oluncaya kadar dolaşım devam eder. Tabii dolaşımlı sistemde, suyun sistemde dolaşımını sağlayan basınç değeri aşağıdaki gibi hesaplanır. Şekil-5.11 ten görüldüğü gibi sıcak-soğuk su kolonu yüksekliği H ise bu borulardaki sıcak ve soğuk suyun statik basınçları; Psıcak = H x ρsıcak ve Psoğuk = H x ρsoğuk olcaktır ve buna göre sirkülasyonu sağlayan etkin basınç; ( )sısoe HP ρ−ρ= şeklinde olacaktır. Tabii dolaşımlı sistemlerde kollektörün şebeke basıncı altında kalmaması için şekil-5.10 daki gibi bir tasarım düşünülebilir. Ancak bu durumda kollektöre devamlı şebeke suyu gireceğinden kireçlenme olur. Bunun önüne geçebilmek için şekil-5.12 de görülen tasarım tercih edilmelidir. Bu konfigrasyonda kollektörde devreden su kapalı devredir. devresi antifirizli su ile doldurulur. Deponun soğuması veya donmasını önlemek için çok iyi bir izolasyon yapılmalıdır.

21

a- Doğal dolaşımlı sistem b- Besleme depolu doğal dolaşımlı Şekil-5.9 Güneş Enerjili sıcak su ısıtma üretim sistemleri

Şekil … Doğal sirkülasyonlu sistemler

2.3.2. Pompalı Dolaşımlı (Cebri Sirkülasyonlu) sistemler: Sistem kapasitesi büyüdükçe daha büyük bir depo kullanmak icap eder. Bu durumda depoyu kollektör üzerine koymak doğru olmaz. Böyle durumlarda depoyu çatı arasına veya bodrum kata koymak daha iyidir. Böyle bir tasarım şekil-5.13 de görülmektedir. Bu tip bir uygulamada kollektör devresinde sirkülasyon bir pompa vasıtasıyla sağlanır. Pompanın start/stop kontrolü ise bir diferansiyel termostat vasıtasıyla sağlanır. Diferansiyel termostat kollektör yüzey sıcaklığı ile depo sıcaklığı arasındaki farkı ölçer. Bu fark belli bir değerden (örneğin 5 Co) küçükse pompa durur. Bunun anlamı kollektör soğuk (gece veya hava kapalı) demektir. Kollektöre güneş düşünce sıcaklık farkı artar ve pompa tekrar çalışır. Bu tip sistemler soğuk bölgeler için çok uygundur. Kollektör devresinde antifirizli su dolaştırılarak donma önlenir. Depo ise çatı arasında veya bodrumda olduğundan donma tehlikesi yoktur. Fakat ısıl kayıpları azaltmak için mutlaka izole edilmelidir. Depo tarafı direkt olarak şebekeye bağlandığı için bu devrede pompaya gerek yoktur.

22

Cebri Sirkülasyonlu Kapalı devre Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri Çok kollektörlü ve büyük miktarda sıcak su ısıtabilen sistemin tesisat şeması ve sistemde yer alan kolektör, sıcak su deposu, otomatik kontrol ünitesi, boru tesisatı ve diğer elemanların görünüşü verilmektedir. Şekil-7 ve 8 de tesisat şeması verilen bireysel sistemler ve Şekil.11 de görülen büyük ölçekli sistemlerde, sistemde bulunan pompaların çalışması için gerekli komutlar, tesisattaki otomatik kontrol ünitesinden verilir. Otomatik kontrol üniteleri iki ayrı sıcaklık probundan gelen sıcaklık değerleri arasındaki farka göre çalışırlar. Sıcaklık propları bir diferansiyel termostat görevi yaparak sistemin çalışması ve durması için alt ve üst sıcaklık seviyelerini belirlerler. Güneş enerjili sıcak su ısıtma sistemleri için bu sıcaklık farkı 8 – 10 oC civarındadır.

Cebri dolaşımlı güneşli su ısıtma sisteminim tesisat şeması.

23

Kullanım suyuna karışma halinde sağlık açısından sakıncalı olacağından kollektör devresinde antifirizli su kullanılmak istenmiyorsa şekil-5.14 deki tasarım uygulanabilir. Burada kollektör devresi de su ile doludur. Pompa durduğu zamanlarda kollektör devresindeki su çatı arasına konabilecek bir küçük depoya (şekilde kollektör altındaki dairesel olarak gösterilmiştir.) kendiliğinden dolar ve kollektör devresi tamamen boşalır. Böylece kollektörde geceleri su kalmaz. Şekil-5.15 de kollektörün merkezi ısıtma sistemine entegrasyonu görülmektedir. Merkezi ısıtma sisteminin boyleri çift serpantinlidir. Serpantinlerin birinde kollektörde ısınan antifirizli su dolaşırken diğer serpantin ise kazana bağlıdır. Kollektörden sağlanan ısı boylerdeki suyu ısıtmaya yetmediği kış aylarında kazandan takviye yapılır. Kışın güneşli havalarda kollektör boyleri suyunu belli bir değere kadar ısıtacaktır. Örneğin Erzurum’da yapılan bir çalışmada şubat ayında gün öğlesinde boyler suyunun sıcaklığı kollektör vasıtasıyla güneşli havalarda 40 oC ye kadar ısıtmak mümkün olmuştur. Kullanım sıcaklığı olan 60oC ye ise kazandan ısı takviyesi yapılarak ulaşılmıştır. Bu durumda kazan sadece 20oC lik bir sıcaklık farkına tekabül eden ısıyı sağlamaktadır. Aksi halde şebeke suyu sıcaklığını 10 oC kabul edersek en az 50 oC lik bir sıcaklık farkına tekabül eden ısı yükü kazandan çekilmiş olacaktı.

24

Şekil-5.13 Güneş destekli merkezi sıcak su sistemi

25

2.3.2. Güneş Enerjisi ile Konutların Isıtılması Konutların günes enerjisi kullanılarak ısıtılmasında iki çesit uygulama yaklaşımı vardır. Bunlar pasif ve aktif ısıtmadır. Pasif ısıtmadan kasıt, günesle ilgili mimari bir kavramdır. Binalar için gerekli güneş enerjisi kullanımının yöntemini pasif ısıtma açıklamaktadır. Pasif ısıtmada, konutun enerji giderleri yalıtım, pencere yerlesimi ve tasarımla azaltılır (Güngör, 1993). Bu amaçla, pencereler mümkün oldugu kadar günes güneyine yönlendirilmelidir. Kısın maksimum günes kazancı saglamak amacıyla binanın uzun aksı günes güneyine dönük olacak sekilde yerlestirilmelidir. Ayrıca bina, kısın ısıtma ihtiyacını azaltmak amacıyla düsük ısıtma ve aydınlatma gerektirecek sekilde tasarlanmalı, günes ısınlarını sogurmak için termal kütleler kullanılmalıdır (Çakmanus ve ark., 2001). Aktif sistemde güneş enerjisi toplayıcıları depolama birimleri, enerji transfer mekanizmaları ve enerji dagıtım sistemleri (pompa, fan) kullanılır. Bu tip bir sistemde genelde bir veya daha çok çalısma akıskanı, toplanan günes enerjisinin transfer, depolama veya dagıtımında kullanılır. Çalısma akıskanları fan ve/veya pompaların yardımıyla dolastırılır (Güngör, 1993). Bu tip bir uygulamada günes enerji sistemi yalnızca; ısıtma sistemi dönüs suyu sıcaklıgı, günes enerjisi sıcaklıgından daha düsük oldugu zaman ısı verir. Bu sebeple, düsük isletme sıcaklıklarına göre tasarlanmıs, genis ısıtma yüzeyli radyatör tesisatlarında kullanımı idealdir. Günes enerjisi sistemleriyle, kullanım suyu ısıtması ve ısıtma destegi için gerekli olan toplam yıllık ısı ihtiyacının %30’u karsılanabilmektedir (Anonim, 2003). Günes enerjisi sistemleri ile mahal ısıtması destegini saglanabilmek amacıyla kombi boyler veya ısı pompası kullanılabilmektedir. Sekil 1.10.’da kombi boyler kullanılarak yapılmıs bir tesisat örnegi görülmektedir. Burada, kombi boyler içerisinden geçen tesisat suyunun günes kollektörleri ile ön ısıtması gerçeklesir. Ön ısıtmadan sonra tesisat suyu kazana gönderilir. Günes enerji destekli ısıtma sisteminde senaryo su sekilde cereyan etmektedir. Günes enerji sistemi öncelikli olarak kombi boyleri üzerinden su hacmini ısıtmaktadır. Boyler yapısı itibariyle öncelikle kullanma suyu olmakla beraber aynı zamanda ısıtma

26

destegi saglamak amacıyla da sıcak su hazırlamaktadır. Soguk su sebeke suyu kombi boylere baglanmıstır. Isıtma sisteminde tesisat dönüs suyu sıcaklıgına göre dönüs suyunun kombi boyler üzerinden veya dogrudan kazana gidisi kumanda modülünün üç yollu vanaya verdigi komut ile yapılır. Tesisat dönüs suyu sıcaklıgının kombi boyler suyu sıcaklıgının üzerinde olması durumunda üç yollu vana üzerinden dogrudan kazana dönüs yapılırken, kombi boyler suyu sıcaklıgının yüksek olması durumunda tesisat suyu boyler üzerinden kazana döner (Anonim,2003). Isı pompası ve günes kollektörlü bir sistem de ise mahal ısıtması ısı pompası tarafından yapılmakta ve günes kollektörleri ile desteklenmektedir. Kullanma suyu ısıtması da yine yaz aylarında kollektörler ile, kıs aylarında ve geçis dönemlerinde ise ısı pompası ile yapılmaktadır. Sekil 1.11 bu tarz bir sisteme örnek teskil etmektedir.

Şekil 1.10. Güneş enerjisi ile mahal ısıtması destegi (Anonim, 2007b).

27

Şekil 1.11. Güneş kollektörleri ve ısı pompasından yararlanılarak sıcak hava ile ısıtma

Yapılması (Dagsöz, 1993).

28

Şekil 2.11:Çift serpantinli boyler bağlantı şeması

Sistem Elemanları A- Soğuk su şebeke girişi B- Güneş enerjisi bağlantısı (soğuk) C- Güneş enerjisi bağlantısı (sıcak) D- Kazan bağlantısı (soğuk) E- Kazan bağlantısı (sıcak) F- Kullanım suyu (sıcak) 1- Güneş kolektörleri 2- Çift serpantinli boyler 3- Güneş enerjisi pompa grubu 4- Otomatik kontrol ünitesi 5- Boşaltma 6- Boyler emniyet ventili 7- Açma-kapama vanası 8- Çek valf 9- Basınç düşürücü 10- Soğuk su filtresi 11- Yaylı çek valf 12- Sirkülasyon pompası (kullanım) 13- Manometre 14- Emniyet ventili 15- Kapalı genleşme tankı 16- Termometre 17- Magnezyum anot 18- Elektrikli ısıtıcı bağlantısı 19- Elektrik şebeke bağlantısı 20- Otomatik pürjör 21- Kollektör sıcaklık sensörü 22- Boyler sıcaklık sensörü (alt) 23- Boyler sıcaklık sensörü (üst) 24- Yaylı çek valf 25- Sirkülasyon pompası (kazan) 26- Kazan sıcaklık sensörü

29

Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemlerinin Hesabı ve Kurulumunda Dikkat Edilmesi gereken Hususlar

1- Kollektör ile sıcak su deposu ve gidiş-dönüş boru uzunluğu ve basınç kaybının eşit olması, 2- Tesisattaki boru çapları, minimum basınç kaybı oluşturacak büyüklükte olmalıdır. Kollektör giriş-çıkış boru çaplarının en az ¾” parmak olmalıdır. Tesisattaki boru çaplarının mümkün oldukça yüksek seçilmelidir. 3- Tesisatlarda, basınç kayıplarının düşük olması için, vana, çekvalf, dirsek vb. bağlantı elemanların minimum sayıda kullanılması, 4- Özellikle kış aylarında, yüksek sıcaklıkta su elde etmek için kollektörlerin seri olarak ikili bağlanmasından kaçınılması, 5- Güneş enerjili sıcak su boru tesisatlarında oluşan havanın sistemden kolayca tahliyesi için, borulara akış yönünde yukarıya doğru yeterli eğim verilmelidir, 6- Sistemde, seçici yüzeyli kollektörler sıcaklıktan etkilenebilen plastik parçalar içeren elemanların kullanımından kaçınılmalıdır. 7- Sistemde, kullanılan kollektör sayısı üç ten fazla ise gömlekli ısı değiştiricisi kullanılmamalıdır. 8- Kollektörler yan yana geçişli seri bağlandığında, kollektörden kollektöre akışkan aktarıldığında, yüksek debilerde yüksek basınç kayıpları meydana gelmektedir.

30

9- Kollektörler yan yana 3 den fazla bağlanmamalıdır. Belirtilen hatalarından kaynaklanan yüksek basınç kayıpları, düşük sıcak su üretimi ve ısıl verime sebep olmaktadır. Bu nedenle tesisatların özellikle Tichelman bağlantısına göre yapılması gerekmektedir.

Şekilde ilk kollektörde yüksek, diğer kollektörlerde yetersiz akışkan dolaşımı sebebi ile ilk kollektörden sonraki kollektörlerde düşük sıcak su eldesi gerçekleşecektir. Son kollektörlerde, oldukça zayıf bir şekilde düşük debide akışkan dolaşımı, su sıcaklığının aşırı yükselmesi ile kollektör verimini düşmekte ve elde edilen ısıl enerji miktarı azalmaktadır.

Tesisat Bağlantılarında Boru Uzunlukları

31

Güneş Kollektörlerinin eşit Basınç kaybı oluşturması için tek tek bağlanması

32

Güneş Kollektörlerinin yerleştirilmesi ve uygun açıların verilmesi

33

34

Sıcak su depolama tanklarının kapasitelerinin belirlenmesi Depolama tanklarının kapasiteleri kollektör tipine ve kollektörün m2 sine göre belirlenir;

• Bakır üzerine selektif yüzeyli; 60 litre/m2 • Bakır üzerine siyah boyalı; 55 litre/m2 • Alüminyum üzerine siyah boyalı; 50 litre/m2 • Galvanizli sac üzerine siyah boyalı; 40 litre/m2

Diyagram yardımı ile sıcak su depolama hacminin belirlenmesi

35

Örnek güneş enerjili su ısıtma tesisatı bağlantı şeması (Thickelman sistemine göre)

Gereksiz Tesisat Elemanları Pompalı güneş enerjisi sistemlerinde, vana, çek valf, dirsek, manşon, nipel, rekor, kruva, ınguva gibi tesisat elemanları, sistemin çalışması için değişik sayılarda kullanılmaktadır. Tesisatlarda toplam basınç kaybı;

36

Şeklinde ifade edilmektedir. Burada; ΣRL; düz borularda meydana gelen yerel sürtünme kayıpları ve ΣZ; vana, dirsek, ayrılma birleşme gibi özel bağlantılardan meydana gelen özel basınç kayıpları olup aşağıdaki gibi ifade edilmektedir;

ΣZ = ξ. (v2/2g).ρ (2) Burada; v; su hızı, g; yerçekimi ivmesi, ρ; suyun yoğunluğu, ρ; özel tesisat elemanlarında meydana gelen basınç kaybını ifade eden özel dirençdir. Bu değerin küçük olması için bağlantı elemanlarının minimum sayıda kullanılması gereklidir. Yetersiz Boru Çapları Standart tip olarak anılan 930 x 1930 mm boyutlarındaki kollektörlerde saatte dolaşması tavsiye edilen su debisi, pompalı sistemlerde 120 kg/h, Geniş kasa yani 1210 x 1930 mm boyutlarındaki geniş kasa kollektörlerde ise 155 kg/h dir. Güneşli sıcak su üreten tesisatlarda dolaşan suyun hızı ana borularda maksimum 0.75-0.80 m/s ve uç kısımlardaki borularda ise 0.1-0.2 m/s civarında olması tavsiye edilmektedir. Uç kısımlardan ana borulara doğru hızın mümkünse lineer olarak artması gerekmektedir. KOLLEKTÖRLERİN SERİ BAĞLANMASI Kış aylarında, gün uzunluğu ve güneşlenme süresinin azalması ile birlikte, dış ortam ve şebeke suyu sıcaklığının düşmesinden dolayı, kollektörlerin enerji kayıpları arttığından istenen sıcaklıklarda su elde edilememektedir. Kış aylarında, yüksek sıcaklıkta su eldesi için güneş kollektörleri şekil-4 deki gibi seri bağlanmaktadır. Bu bağlantı ile daha sıcak su elde edilmekle birlikte, özellikle ikinci kollektörün veriminde önemli ölçüde düşme meydana gelmektedir. Şekilde a ve b kollektörlerinin ısıl verimlerinin karşılaştırılması verildi. Şekilden de görüldüğü üzere b kollektörünün verimi a kollektörüne göre büyük oranda düşüktür.

Şekil-4 Kollektörlerinin seri bağlanması Şekil-5 Kollektörlerinin seri bağlanmasında kollektör ısıl veriminin değişimi

37

Tesisatta Havanın Tahliyesi Güneş enerjisi sistemlerinde gün içinde suyun yüksek sıcaklık farkından dolayı hacimdeğişimi ile su soğuk iken bünyesine aldığı hava, ısındığında ayrılmaktadır. Bu hava, kapalı sistemde otomatik hava tahliye cihazları yardımı ile dışarı atılmaktadır. Sistemin kendinden kaynaklanan havanın tahliyesi için kollektör-boru bağlantıları yukarıya eğimli olmalı ve tahliye cihazı sisteme yerleştirilmelidir.

Kollektörlerde Basınç Düşümü

• Kollektörlerde basınç düşümü, dolaşan akışkan debisi ve hız a bağlıdır. • Hız arttıkça kollektördeki basınç kaybının artmaktadır. • Şekilde görüldüğü gibi 150 kg/h debide 0.25 kPa olan basınç kaybı, 400 kg/h debide

2 kPa değerine ulaşmaktadır. • Basınç kayıplarının artması, sistem için güçlü pompa gerektirdiğini göstermektedir.

38

2.2. Düz yüzeyli vakum tüplü kolektörler Vakum tüplü sistemler diğer düzlemsel kollektörlere nazaran daha pahalı olmasına karşın daha verimli oldukları ispatlanmıştır. Özellikle kış aylarında daha verimlidirler, bunun temel nedeni vakumlu tüpler kollektörlere nazaran daha çabuk ısınırlar ve suyunun daha çabuk ısınmasını sağlar.

Borcamdan üretilen (temel maddesi ülkemizde bol olan bor ve silisyumdur) bu tüpler yurtdışından, özellikle Çin'den ithal edilmektedir. Oldukça sert bir yapıda olan, yüksek sıcaklığa ve darbelere karşı (25 mm çapında dolu yağışına) dayanıklıdırlar. İç içe Zorlanmış sistem yerine, pompasız ve deposu üstünde yer alan bir sistem;

Şekil 2.2. Vakum tüplü kolektörün çalışma prensibi

geçmiş olan tüplerin arasında ki havanın emilmesi (vakumlanarak) ile yüksek sıcaklıkta ağız kısmı birleştilir. İç tüpün içerisinde bakır bir boru yer alır, boru içerisinde iletkenliği yüksek bir sıvı ile borulardan emilen enerji manifolda, oradan da depoya gönderilir, bu tip tüpler zorlanmış (cebri, pompalı) sistemlerde kullanılır.

39

Doğal Dolaşımlı Vakum Tüplü Güneş Enerji Sistemi

Vakum Tüp Borcam (borosilicate glass)

Vakum Tüp Boyutları (Dış, mm) Ø/58 X 1800

Vakum Tüp Boyutları (İç, mm) Ø/47 X 1800

Cam kalınlığı (mm) 1,6

Vakum Tüp sayısı 20 Vakum <0,005Pa

Emici Yüzey Al-N/Al (alüminyum nitrür)

Güneş ışını emiciliği > %93

Kollektör Boyutu 2000 x 1600 x 80

Sıcaklık dayanımı -18oC Yüzey Alanı 2,88 m2 Emici Yüzey Alanı 2,99 m2 Boyler Hacmi 165 lite

Boyler Isı İzolasyonu 50 mm Poliüretan

Boyler Malzemesi Krom-Çelik Antifriz Gerek yoktur

Toplam Boş Ağırlığı 90 kg

Fiyatı ~1.100 TL + KDV

40

Resim 2.2. Düz yüzeyli vakum tüplü kolektör

2.2.3. Isı Borularında Kullanılan Akışkanlar Isı borularında kullanılan akıskanlar düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık akışkanlar olarak sınıflandırılabilir. Düşük sıcaklıklarda kullanılan akıskanlar; hidrojen, neon, azot, oksijen ve metandır. Orta sıcaklıkta freon, amonyak, su gibi akışkanlar, yüksek sıcaklıkta ise cıva, potasyum, lityum, gümüş gibi akışkanlar kullanılabilir. Isı borularında yüzey gerilimleri, kılcal pompalama miktarına, buharlasma gizli ısısına, verimli ısı iletimine, buharlastırıcıda ve yoğusturucuda fitil boyunca küçük sıcaklık düsümüne ve yüksek ısı iletkenliğine karşılık gelir. Buna karşın kaynama oluşumu, ilk çalışmaya başlama ve akışkan-malzeme uygunlukları gibi konular ısı borusu tasarımında ve imalatında önceden bilinmesi gerekli olan parametrelerdir. Uygun bir çalışma akıskanının belirlenmesinde ilk dikkate alınacak konu buharlaşma sıcaklığıdır. Ancak bu akışkanlardan herhangi birinin seçilmesinden önce uygulamanın niteliğine uygun olarak akışkanda bazı özelliklerin aranması gerekir. Bunlardan baslıca olanları; yeterli pompalama yüksekliği elde edebilmek için yüksek yüzey gerilim katsayısı ve iyi derecede yüzey ıslatma özelliğinin olmasıdır. Akışı kolaylaştırabilmek için düşük viskozite, yüksek eksenel ısı akıları elde edebilmek için büyük buharlaşma gizli ısısı, daha iyi bir ısı transferi sağlamak amacıyla yüksek bir ısıl iletkenlik, işletme sartlarına uygun bir donma ve kaynama noktası, fitil ve hazne malzemesinin birbiriyle uyumlu olması ve kimyasal kararlılıktır. Sonuç olarak akışkan seçimi fiyat, kullanılabilirlik, uygunluk ve yukarıda belirtilen özelliklerin dikkate alınmasıyla ısı borusunda kullanılacak olan akıskan ve miktarı bulunur. Birçok akışkan ısı borularında kullanılabilir ve bu akışkana bağlı olarak ısı borusunun malzemesi seçilir (Alkaç, 1996).

41

Projelendirme (VİZE SON)