GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ SEMPOZYUMU VE SERGİSİ

Transkript

1 tmmob makina mühendisleri odası GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ SEMPOZYUMU VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI MMO Yayın No: E/2003/ HAZİRAN 2003 MERSİN

2 tmmob makina mühendisleri odası Adres : Sümer Sokak NO: 36/1 -A Demirtepe / ANKARA Tel : 0(312) Fax : 0(312) E-posta : mmo@mmo.org.tr Web : MMO Yayın No ISBN : E/2003/321 : X Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir. DİZGİ BASKI : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI MERSİN ŞUBESİ : Dost Ajans Matbaacılık Yayıncılık ve Tanıtım Hizmetleri / MERSİN

3 TMMOB Makine Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi Haziran 2003 YALITIMLI VE YANSITICI ÇİFT KAPAKLI BİR SİSTEMİN MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN PERFORMANSI ÜZERİNE ETKİSİ Yrd.Doç. Mehmet KARAKILÇIK 1, Öğr.Gör. Ziya G. ALTUN 2, K. KIYMAÇ 3, M. BÖLÜKBAŞf ı>23 ' 4 Çukurova Ün. Fen Ed. Fak. Fiz. Böl. kkilcik@cu.edu.tr, zaltun@cu.edu.tr, kivmac@cu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, yüzey alanı 2 x 2 m 2 ve derinliği 1.5 m olan yalıtımlı bir güneş havuzunun üzerine kuzeye ve güneye bakan, 2x1 m 2 yüzey alanlı, 5 cm kalınlığında, açılıp kapanabilen ve yansıtma özelliği olan iki kanatlı bir kapak sistemi modeli tasarlandı. Sistem, bir elektrik motoruyla kontrollü olarak 0 ile 180 derece arasında dönebilen, karşılıklı olarak açılıp kapanabilen, yalıtım ve yansıtma özelliği bulunan iki kapaktan oluşmaktadır. Kapaklar geceleri ve kötü hava şartlarında kapatıldığında yalıtım, açıldığında ise ışığı havuzun içine doğru yansıtma görevi görmektedir. Kapakların havuzun performansı üzerinde beklenen etkileri şunlardır: i) Kapaklar kapalı iken; havuzun üst kısmından havaya iletimle ve buharlaşmayla olan ısı enerjisi kaybını en aza indirmek ve havuzun kirlenmesini kısmen önlemek; ii) Kapaklar açık iken; güneş ışığının havuz içine doğru yansıtılarak havuza giren güneş enerjisi miktarını önemli ölçüde arttırmaktır. Bilgisayarla yapılan değerlendirme sonuçlarımız gerek doğrudan ve gerekse kapaklardan yansıtılarak havuz yüzeyine ulaşan enerjinin yaklaşık % 97 sinin havuzun içine doğrudan yöneltildiğini ortaya koydu. Sonuç olarak, beklendiği gibi, kapak sisteminin güneş havuzuna hem fazladan güneş enerjisi kazandırdığı ve hem de havuzun üst kısmından olan ısı kayıplarını azalttığı için önemli katkılar sağladığı görüldü. Anahtar Kelimeler: Güneş havuzlan, Güneş enerjisi, Isı transferi, Isı enerjisi üretimi, Işığın yansıtılması ve soğurulması GİRİŞ Güneş enerjisi, kirletmeyen, tükenmeyen, en temiz ve sonsuz bir enerji kaynağıdır. Bu nedenle, alternatif temiz enerji kaynağı olarak güneş enerjisi gündemde önemli bir yer tutmaktadır. Bir çok araştırmacı, ısıtma, kurutma, saf su, buhar ve elektrik üretilmesinde güneş enerjisi ile çalışan sistemleri araştırdı[l-5]. Bu sistemlerden birisi de güneş havuzlandır. Güneş havuzlan gelen güneş enerjisinin yaklaşık %20'sini alçak sıcaklıklarda ısıl enerji biçiminde depolama bölgelerinde depolayabilen sistemlerdir. Depolanan bu enerji, yılın her mevsiminde çekilebilmektedir. Depolama bölgesinden itibaren yüzeye yaklaşıldıkça havuz sıcaklığında bir azalma olduğu görülür. Güneş havuzlan ile yapılan bir deneysel çalışmada, verimliliğin yaklaşık %16 olduğu belirtilmiştir[6]. Güneş havuzlannda güneş ışınının soğurulması, yansıması, saçılması, geçirilmesi, havuzun alt ve üst konveksiyonlu bölgelerinde konveksiyonla ve difüzyonla ısı ve tuz transferi gibi olaylar olmaktadır. Havuz yüzeyi ile atmosfer arasındaki ısı ve kütle transferi, rüzgar ve yağmur etkilerinin bilinmesi de önemlidir. Bu konularda şimdiye kadar çeşitli çalışmalar yapılmıştır[7-24]. Bu olaylann ve etkilerin belirlenmesi kadar havuz yüzeyinden içeri giren güneş enerjisinin artınlması da büyük önem taşımaktadır. Güneş havuzlannın ısıl performansının arttınlması ile ilgili daha önceki çalışmalanmızda[22] havuza giren 129

4 enerjinin artırılması VÖ havuzun üst yüzeyinden ve yan duvarlarından olan ısısal enerji kayıplarının en aza indirilmesinin önemli olduğu görüldü. Bu konudaki çabalarımızın bir parçası olarak bu çalışmada ise, üst yüzey alanı 4 m olan bir havuzun kuzeyine ve güneyine 2x1 m 2 yüzey alanlı gerektiğinde güneş ışınlarını havuz içine doğru yansıtan ve gerektiğinde de havuz yüzeyinden olan ısı kaybını önleyen yani, yalıtım görevi gören hareketli iki kapak tasarlandı. Kapaklardan havuza yansıtılan güneş enerjisinin maksimum olabilmesi için kapakların eğim açılarının optimum değerlerini veren eşitlikler çıkarıldı ve bu eşitlikleri çözebilen bir bilgisayar programı yazılarak sonuçlar elde edildi. MATERYAL VE METOT Güneş Işınlarının Yatay ve Eğimli Yüzeylere Geliş Açıları Güneş ışınının geliş açısı, 6, güneşten gelen doğrusal ışın ile dikkate alınan yüzeyin normali arasındaki açıdır ve Cos d = [Sin(S d )Sin(<t>)Cos(y/) - Sin(S d )Cos(<p)Sin(y/)cos(y) + Cos{ö d )Cos{f)Cos{y/)Cos{w s ) + Cos(S d )Sin(0)SinQy)Cos(y) cos(w s ) + Cosö d )sm(ty)sm(y)sin(w s )] ^ eşitliği ile verilir[25]. Burada; 8d eğiklik (deklinasyon) açısı, enlem açısı, y/ dikkate alman yüzeyin yatay düzlemle yaptığı eğim açısı, w s güneş saat açısı, y yüzeyin azimut açısı olup yerel boylamdan yüzey normalinin sapmasıdır ve güneye bakan yüzey için sıfırdır. Doğu için pozitif, batı için negatif değerler alır. Buradan güneşin geliş açısı (gelen ışının yatay düzlemin normali ile yaptığı açı) yatay yüzey için ı// =0 olduğundan, 6 Z Zenith açısına eşit olup, 6 Z = Cos' 1 [Sin(S d )Sin{</)) + Cos(S d )Cos{(/))Cos{w s)] (2) eşitliğine göre hesaplanır. Deklinasyon açısı, Dünyanın kendi ekseni etrafında ve güneşin çevresinde dönüşünden ötürü oluşur. Deklinasyon açısının yaklaşık değeri Cooper eşitliği ile bulunabilir, S d = 23.45Sm d 365 (3) Burada n yılın herhangi bir günüdür ve l<n<365. Deklinasyon açısı, aylara ve mevsimlere göre güneş ışınlarının dünyaya geliş açılandır. Bu açı en büyük değerine yaz ve kış gündönümlerinde ulaşır ve o zamanki değeri ±23.45 dir. Bu açının oluşumundan dolayı güneş ışınlan, kış gündönümünde, 21 Aralıkta güney enlemine, yaz gündönümünde, 21 Haziranda kuzey enlemine diktir [26]. Güneye bakan kapak için y =0 6 ZG = Cos - ı [Sin{S d )Sin{</)-y/ G ) + Cos {ö d )Cos {(/> -y/ G )Cos (w,)] (4) ve ^=l o -180 arasında değişmektedir. Buna göre güneye bakan kapak için geliş açısı,eşitliği ile verilir. Kuzeye bakan kapak için ise y =-180 ve yine ^=l -180 arasında değişmektedir. Buna göre kuzeye bakan kapak için geliş açısı, d ZK = Cos~ ı [Sin(ö d )Sin(0 + y/ ) + Cos(ö )Cos(0 + ıy )Cos(\v K d K s )] (5) 130

5 eşitliği ile bulunur. Yansıtıcı Kapaklann Optimum Eğim Açıları ve Yansıtılan Güneş Enerjisini Veren Eşitlikler Daha fazla güneş ışığının havuza girmesi için kapakların optimum eğim açılarını veren eşitliklerin belirlenmesi gerekmektedir. Doğal olarak, havuza giren toplam güneş radyasyonu, doğrudan havuza gelen güneş enerjisi ve yansıtıcı kapaktan havuzun içine yansıyan güneş enerjilerinin toplamına eşit olur. Burada havuza kapaklardan yansıtılan enerji, kapaklann eğim açısına, yansıtıcılık katsayısına, kapaklann ve havuzun boyutlanna bağlı olarak değişmektedir. Bu çalışmada sözü edilen bu parametrelerden kapaklann optimum eğim açılannı ve bu açılara bağlı olarak suya girme oranlannı veren eşitlikler elde edildi ve bu eşitlikleri çözebilen bir bilgisayar programı yazıldı. Güneş enerjisinden daha fazla yarar sağlayabilmek için tasarlanan yansıtıcı kapaklann optimum eğim açılannın belirlenmesiyle kapaklardan havuza yansıtılan enerji oranlan belirlenebilecektir. Bu açılann, yılın her günü ve saati için belirlenmesi ile de havuza yansıtılan saatlik veya günlük enerji katkılan saptanabilecektir. Şekil-1'de havuzun güneye ve kuzeye bakan kapaklanndan yansıtılan ışınlar görülmektedir. Kuzeye bakan kapak Güneye bakan kapak Sekili. Yalıtımlı ve yansıtıcı kapaklı bir güneş havuzu modeli Güneş ışınlannın kapaklann yansıtıcı yüzeylerinden en verimli bir şekilde yansıtılabileceği optimum eğim açılan " y/ " belirlenmeye çalışılacaktır. Kapaklann optimum eğim açılan, yansıtılan ışığın suya geliş veya kınlma açılanna göre belirlenebilir. Güney ve kuzey kapaklardan yansıyarak havuza ulaşan ışınlann kınlma açılannı eğim açılan ve 6 Z ' ler cinsinden veren eşitlikler, sırasıyla, d kg = Sin (6) 131

6 e kk =sin - [ \ e kk 1.33 sin(\m-(e ZK+v K )) (7) ile verilirler. Bu açılar kullanılarak kapaklann yansıtıcı yüzeylerine gelen, buradan havuza yansıtılan güneş enerjisi hesaplanacak ve bunun havuzun verimine olan katkısı belirlenmeye çalışılacaktır. Eğik yüzeye gelen doğru ışın, vektörel olduğu için kapaklann dönüşüm katsayılan hesaplanabilir. Güney ve kuzey yansıtıcı eğik kapaklann dönüşüm katsayılan, sırasıyla, ve _ Cos{(/) - y/ G )CosS d Cosw s + Sin(^> - y/ G )SinS d Cos0CosS d Cosw s + Sin0SinS d (8) _ Cos(<p + y/ K )CosS d Cosw s + Sin(</> + y/ K )SinS d Cos0CosS d Cosw s + Sin$SinS d (9) eşitlikleri ile verilir. Güneye ve kuzeye bakan eğik yüzeylere gelen yaygın ışınım enerjileri, l + Cosy/^ (10) ve H YK = (11) bağıntılanndan hesaplanabilir. Burada; p yansıtıcılık katsayısı, H y yatay yüzeye gelen yaygın (diffuse) ışınımdır. Yansıtıcılık katsayılan dikkate alınmak suretiyle kapaklardan havuz yüzeyine yansıyan doğru ışınım enerjisi, güneye ve kuzeye bakan kapaklar için, sırasıyla, H G =P (12) ve Cosy/ K (13) eşitlikleri ile hesaplanır. Şimdi, havuz yüzeyine doğrudan gelen (direk+yaygın) güneş enerjisinin yanı sıra, güneye ve kuzeye bakan yansıtıcı kapaklardan havuz yüzeyine yansıtılan ışınım da dikkate alınarak güneş havuzuna giren toplam güneş enerjisi, H T, H T =(H d +H y )+p (2 + Cosi// G +Cosy/ K i (14) 132

7 eşitliği ile verilebilir. Burada [H d +H y ) havuzun yatay yüzeyine ulaşan direk ve yaygın güneş enerjilerinin toplamıdır. Bu enerji piranometre ile deneysel olarak ölçülebilir. Deneysel olarak yapılmış olan güneş enerjisi ölçümlerinde, piranometre'nin yüzeyine doğrudan gelen güneş enerjisi ölçüldüğü için burada bulutsuzluk endeksine gerek yoktur. Kuramsal hesaplamalarda ise bunun dikkate alınması gerekmektedir. Doğru H d ve yaygın H y ışınım değerlerinin eğik yüzeylere gelen güneş enerjisi hesaplamalarında da dikkate alınması gerekir. Bunların (10-14) eşitliklerinde dikkate alındığı görülebilir. Güneş enerjisinden en fazla yarar elde edebilmek için yansıtıcı kapakların eğim açılannın yılın her günü ve saati için belirlenmesi gerekmektedir. En fazla güneş ışınını havuz yüzeyine gönderebilen eğim açılannın belirlenmesiyle de havuzun veriminde önemli bir artış sağlanabilecektir. Bunun için yansıtıcı kapaklann eğim açılan, güneşin doğuşundan batışına kadar olan zaman içinde her saat başı 1 derece aralıklarla 0 dan 180 'ye kadar değiştirilmek suretiyle ve havuzun içine doğru kırılan güneş ışınlannın geliş ve kınlma açılan da değiştirilecektir. Kınlma açılannın minimum olduğu durum havuza giren toplam güneş enerjisinin maksimum ve kapaklann eğim açılannın optimum olduğu duruma karşılık gelir. Havuz yüzeyine gelen ışınımlar, geliş ve kınlma açılanna ve suda soğurulma fonksiyonuna bağlı olarak değişik oranlarda soğurulmaktadır. Suda soğurulma fonksiyonu, H(x) = n[(;c - J)l00] (15) eşitliği ile verilir.burada, JC suyun derinliği, S yüzeye gelen uzun dalga boylu güneş enerjisinin soğurulduğu bölgenin kalınlığıdır. Bu çalışmada, kapaklardan havuz yüzeyine gelen ışınlann geliş açılanna göre suya girme oranlan " /? " da belirlenmeye çalışıldı: Suya girme oranlan ise, (Sin(û e -a k )) 2 (Tan{d e -6 k \\ = U U\ -0.4 U k M (16) [Sin(e g +e k )) {Tan(0 g+ 0 k )) eşitliği ile hesaplanmaktadır[8]. Burada, Şekil-1'de görüldüğü gibi 6 g ve 6 k 'lar sırasıyla, havuz yüzeyine doğrudan ya da kapaklardan yansıyarak gelen ışınlann suya, geliş ve kınlma açılandır. Bu açılar, güneş ışınının ve kapaklann eğim açılanna göre saatlik değişmektedir, fi değerleri hesaplanırken y/ 'nin optimum değerlerine karşılık gelen 6 değerleri kullanıldı. SONUÇLAR ve YORUMLAR Havuz yüzeyine gelen toplam güneş enerjisinin, güney-kuzey yansıtıcı kapaklan da dikkate alınarak önemli miktarlarda artınlabileceği kanısındayız. Yalıtımlı ve yansıtıcı kapaklann optimum eğim açılannın belirlenmesi için gereken eşitlikler, güneye ve kuzeye bakan kapaklar için sırasıyla, (6) ve (7) bağıntılandır. Bu eşitliklerde görülen 6 Z değerleri (4) ve (5) bağıntılan ile verilir. Eğim açılan y/ bir yıl boyunca saat 9-15 arasında her saat başı 0 ile 180 arasında birer derece değiştirilerek (6) ve (7) deki kınlma açılan 0 k 'lan minimum yapan y/ değerleri saptandı. Çünkü, bilindiği gibi gelen ışının havuz yüzeyinden kınlma açısının minimum olduğu değer havuza giren güneş enerjisinin maksimum olduğu değere karşılık gelir. Sonuçlar Şekil-2 ve 3 'de verilmektedir. Şekilden açıkça görüldüğü gibi, optimum eğim açılannın, güneye ve kuzeye bakan kapaklar için sırasıyla, örneğin, 21 Ocak'ta 106 ve 62, 21 Haziran'da 96 ve 85 ve 21 Aralık' da ise, 119 ve 60 olduklan görüldü. 133

8 Hesaplarımız güneş havuzlarına yerleştirilen kapaklara optimum eğim açılan verilmek suretiyle havuza ulaşan güneş ışınlarının arttınlabileceğini ortaya koydu. 130 M &5Ş8j=8 Gün sayısı (R) Şekil-2. Güneye bakan kapağın optimum eğim açılarının yılın günlerine karşı değişimi 50 Gûn sayısı(n) Şekil-3 Kuzeye bakan kapağın optimum eğim açılannın yılın günlerine karşı değişimi Bir yıl boyunca optimum eğim açılarında güneş ışının suya girme oranlan günlük olarak da elde edildi. Güneye ve kuzeye bakan kapaklar için fi değerleri bu açılar dikkate alınarak (16) eşitliği yardımıyla ayn ayn hesapladı. Çünkü, kapak açılan birbirlerinden bağımsızdır. Şekil-4 ve Şekil-5'de güneye ve kuzeye bakan kapaklar için optimum eğim açılannda ışığın suya girme oranlannın günlük dağılımları verilmektedir. Şekillerden görüldüğü gibi her iki kapak için de ışının suya girme oranlannın beklenildiği gibi l'e çok yakın değerler de (= 0.97) olduğu saptandı. Yani,/?'nın yaklaşık 0.97 civannda dalgalandığı görülmektedir. Bu demektir ki kapaklardan havuz yüzeyine ulaşan enerjinin ortalama %97 sini havuz içine yöneltmek olasıdır. Bu sonuç, bu tür yansıtıcı kapaklann havuzun verimini ne ölçüde artıracağını ortaya koymaktadır. Öte yandan havuz yüzeyine doğrudan gelen enerjisinin de yaklaşık 0.97'sinin havuz içine kırılarak yöneltildiğini, daha önceki çalışmalanmızda saptamıştık[22]. Dolayısıyla havuz yüzeyine ulaşan toplam ışınım enerjisinin yaklaşık 0.97'sinin havuza girdiğini söyleyebiliriz./?'nm maksimum (l'e yakın) olduğu durum havuzda soğurulan enerjinin de maksimum olduğu durumdur. Çünkü, H soğ = 0H(X)H T ile verilebilir. Dolayısıyla,/?hesaplanarak x derinliğinde soğurulan enerji H soğ 'da hesaplanabilir. Bundan sonraki çalışmalanmızda (14) eşitliği ile verilen H T hesaplanmak suretiyle H soğ 'un da elde edilmesi planlanmaktadır. 134

9 jj 1 0, < 0, , a s s s s * s s ş g g şs R g g g Gün sayısı (n) Şekil-4. Güneye bakan kapaktan havuza yansıyan ışığın suya girme oranlan 0,97996 KAYNAKLAR 0, a s s s g 9 s s g s a g g g g g Gün sayısı (n) Şekil-5 Kuzey bakan kapaktan havuza yansıyan ışığın suya girme oranlan 1. Rabl, A., Nielsen, C.E., (1975). Solar Ponds for Space Heating. Solar Energy,17,1, Styris, D. L., Harling, O.K., Zavvorski, R.Z. And Leshuk, J., (1976). The Nonconvecting Solar Pond Applied To Building And Process Heating. Solar Energy, 18, Tabor, H., (1981). Solar Ponds. Solar Energy, 27, 3, Gar, H.P., Solar Ponds- As an Energy Storage Device. Workshop on the Physics of Non- Convectional Energy Sources and Material Science for Energy, Trieste, Italy, (1985). 5. Kayalı, R., (1986). Kullanılabilir Boyutlarda Bir Güneş Havuzunun Fiziksel Parametrelerinin İncelenmesi ve Matematiksel Modellemesi. Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana. 6. Kayalı, R., (1980). Çukurova Bölgesi Şartlannda Bir Güneş Havuzu Denemesi.Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana. 7. Akbarzadeh, A., and Ahmadi, G., (1980). Computer Simulation of the Performance of a Solar Pond in the Southern Part of Iran. Solar Energy, 24, Havvlader, M.N.A., (1980). The Influence of The Extinction Coefficient on The Effectiveness of Solar Ponds. Solar Energy, 25, Bansal, P.K., and Kaushik, N. D., (1981). Salt Gradient Stabilized Solar Pond Collector. Energy Conv. And Mgmt., 21, Akbarzadeh, A., and Macdonald R.W.G., (1982). Introduction of A Passive Method for Salt Replenishment in the Operation of Solar Ponds. Solar Energy, 29,1, Wang, Y.F., Akbarzadeh, A., (1983). A Parametric Study on Solar Ponds. Solar Energy, 30, 6,

10 12. Akbarzadeh, A,, (1984). Effcct of Sloping Walls on Salt Concentration Profile in a Solar Pond. Solar Energy, 33, 2, Karakılçık, M., (1992). Yalıtımlı ve Yahtımsız Güneş Havuzlarının Performansını Etkileyen Etmenler. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana. 14. Cengel, Y.A., and Özışık, M.N., (1984). Solar Radiation Absorption in Solar Ponds, Solar Energy, 33,6, Reddy, T.A., Jumpa, S. and Saunier, G.Y., (1986). Effective Daily Mean Position Of The Sun for Solar Ponds. Solar Energy, 37,1, Benivval, S., Singh, R., Saxena, N.S., And Bhandari, R.C., (1987).Thermal Behaviour of Salt Gradient Solar Ponds. J. Phys. D: Appl. Phys., 20, Zangrando (1991). On The Hydrodynamics Of Salt-Gradient Solar Ponds. Solar Energy, 46, 6, Subhakar, D., Murthy, S.S., (1993a). Saturated Solar Ponds: 1. Simulation Procedure. Solar Energy, 50, 3, Subhakar, D., Murthy, S.S., (1993b). Saturated Solar Ponds: 2. Parametric Studies. Solar Energy, 50,4, Taşdemiroğlu, E., (1993). Energy Portrait Of Turkey: Achievable Savings Through Renewable Energies And Conservation Technologies. Energy Sources, 15, Sreenivas, K.R., Arakeri, J.H. And Srinivasan, J., (1995). Modeling The Dynamics Of The Mixed Layer in The Solar Ponds. Solar Energy, 54, 3, Karakılçık, M., Yalıtımlı Prototip Bir Güneş Havuzunun Performansının Saptanması, Doktora Tezi, Adana (1998). 23. Özek, N., Karakılçık, M., Çiçek Bezir, N And Kıymaç, K. (2001), Determination of Optimum Angle of Refleflection of The Cover Having Insulated and Reflective Surface That Can Be Opened and Closed Över an Insulated Solar Pond, Proceedings ITEC2001,The Fourth International Thermal Energy Congress, pp , 8-12 July 2001, Çeşme, Turkey 24. El-Sabell, A. A., Thermal Performance of a Box-Type Solar Cooker With Outer-İnner Reflectors, Energy, 22, 10, , (1997). 25. Duffıe, J.A. and Beckman, W.A., (1980). Solar Engineering of Thermal Proceses. John Wiley and Sons, New York, Deriş, N. Güneş Enerjisi ve Sıcak Su ile Isıtma Tekniği, Sermet Matbaası, İstanbul (1979). 136

11 TMMOB Makine Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi Haziran 2003 GÜNEŞ ENERJİLİ HAVA TOPLAYICILARINDAKİ GELİŞMELER ve TASARIM PARAMETRELERİNİN ARAŞTIRILMASI ÖZET Prof. Dr. Necdet ÖZBALTA 1,Prof. Dr. Ali GÜNGÖR 2, Ar. Gör. Gökhan GÜRLEK 3 Uı3 Ege Ün. Müh. Fak. Mak. Müh. Bölümü nozbalta@bornova.ege.edu.tr, agungor@bornova.ege.edu.tr, gokgurlek@yahoo.com Güneş enerjisi sistemlerinin en yaygın uygulamalarından biri de düzlemsel toplayıcılardır. Düzlemsel toplayıcılar, kullanılan ısı transfer akışkanı türüne göre sivili ve güneş enerjili hava toplayıcılan olmak üzere iki grupla sınıflandınlırlar. Sivili ve güneş enerjili hava toplayıcılannın yapılan, ısı transfer akışkanlannın özellikleri nedeniyle oldukça farklıdırlar. Bu yazıda hava toplayıcılannın özellikleri, kullanılan malzeme tipleri, verim değerlendirmeleri geliştirilen bir güneş enerjili hava toplayıcısı için verilmiştir. GÜNEŞ ENERJİLİ HAVA TOPLAYICILARI Güneş enerjili hava toplayıcılan yutucu yüzey ile ısı transfer akışkanı hava yardımıyla güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir (Şekil 1). Havalı Güneş Toplayıcısı Sıcak Hava Çıkışı Soğuk Hava Girişi Şekil 1. Güneş enerjili hava toplayıcısı şematik gösterimi [1]. Güneş enerjili hava toplayıcılan özellikle tanm ve orman ürünlerinin kurutulması ile hacim ısıtılması için uygundur. Uygulamada ısıtılan hava doğrudan kullanılacağı gibi ışınım olmayan saatlerdeki gereksinimi karşılamak üzere ısı enerjisi depolanabilir. 137

12 Sıcak su üretimi için oldukça yaygın olarak kullanılan sivili toplayıcılar ile güneş enerjili hava toplayıcılarının temel çalışma prensipleri aynı olmakla birlikte kullanılan ısı transfer akışkanlarının termodinamik ve transport özelliklerindeki farklılıklar nedeniyle birbirlerine karşı bazı avantaj ve dezavantajları bulunmaktadır (Tablo 1)[2,3,4,5]. Tablo 1. Güneş Enerjili Hava Toplayıcılarının avantaj ve dezavantajları [6], Güneş Enerjili Hava Toplayıcıları Avantajları Dezavantajları Sadece mekan ısıtmada ve kurutma sistemlerinde Donma problemi yoktur. kullanılır. Basit ve güvenilirdir. Kanallar için geniş alana ihtiyaç vardır. Kuru havada iç korozyon problemi yoktur. Kaçaklar küçük boyuttadır. Toplayıcı ile bina arasında ısı değiştirici yoktur. Kaynama ve basınç problemi yoktur. Kolaylıkla yapılabilir. GÜNEŞ ENERJİLİ HAVA TOPLAYICI TİPLERİ Güneş enerjisi ile havanın ısıtılması için kullanılan toplayıcılar iki grupta toplanabilir. Birinci grupta gözenekli olmayan toplayıcılar olup hava yutucu yüzeyin içinden geçmez. Hava yutucu yüzeyin altından, üstünden veya her iki tarafından gönderilir. İkinci grup ise gözenekli toplayıcılardır [7,8,9,10]. Gözenekli Olmayan Toplayıcılar Çalışma akışkanı hava, yutucu yüzeyin iki tarafından geçirilebileceği gibi sadece bir yüzeyi ile temas edecek şekilde de geçirilmektedir (Şekil 2). Güneş enerjisinin örtüden geçişi ve yutucu yüzeyde tutulması sivili toplayıcılarınkine benzemektedir. Yutucu Yüzey Geçirgen örtü Hava Akışı Yalıtım Şekil 2. Güneş enerjili hava toplayıcılarının yutucu yüzeye göre hava akış şekilleri[l 1]. 138

13 Geçirgen örtü Yutucu Yüzey Hava Akışı Yalıtım Şekil 2.a. Yutucu yüzey üzerinden akış. Geçirgen örtü Yutucu Yüzey Yalıtım Kasa Şekil 2.b. Yutucu yüzey altından akış. Bu akım modellerinde kullanılan yutucu yüzeyler düzlemsel yapıda olabileceği gibi oluklu yapıda veya kanatçık eklenerek tasarlanabilir (Şekil 3 ve Şekil 4). Geçirgen örtü r- Oluklu Yüzey (İM Yalıtım Şekil 3. Oluklu Yüzey[6]. Yutucu yüzeye kanatçık eklenmesiyle yutucu yüzey ile ısı transfer akışkanı arasındaki ısı transfer hızı arttırılacağından yutucu yüzey sıcaklığı düşer. 139

14 Geçirgen örtü Hava kanalı / / \ ' \ i : \ ' / \ J \ î /. J Yalıtım Şekil 4. Kanatçıkh Yüzey[6]. Kanatçık eklenmesiyle ısı transfer hızı arttırıldığı gibi yutucu yüzeyden çevreye ısıl kayıplar azaltılır. Kanatçık boyut ve sayısının dikkatli hesaplanması gereklidir. Aksi halde verimde istenen iyileşme sağlayamayacağı gibi fan gücü de artar. Hem yutucu yüzeyin etkinliğini hem de ısı transfer yüzeyini arttırmak için uygulanacak diğer bir yöntem de oluklu yutucu yüzey kullanmaktır. Gözenekli Toplayıcılar Gözenekli olmayan toplayıcılann en önemli eksikliği, üzerlerine gelen güneş enerjisinin tümünün yeterli düzeyde yutulmasını sağlayacak yüzey alanına sahip olamamalarıdır. Kanatçık ilavesi ve yüzey pürüzlülüğü ısıl verimi yükseltirken basınç kayıplarında da artmaya neden olur. Tasarımda bu zıt faktörlerin dengelenmesi gerekir. Bu amaçla gözenekli tip toplayıcılar seçenek oluşturmaktadır. Gözenekli toplayıcılarda güneş ışınlan yutucu yüzeyin yapısı nedeniyle daha derine nüfuz ederler ve yutucu yoğunluğuna bağlı olarak kademeli bir şekilde yutulurlar. Bu tip toplayıcılarda çalışma akışkanı hava gözenekli ortam içinden geçer. Gözenekli yüzey oluşturmada ince alüminyum tel, talaş, değişik artık malzamaler (fındık kabuğu, cam kırığı) v.b. malzemeler kullanılmaktadır. Şekil 5'te gözenekli tip güneşli hava toplayıcısı ve havanın gözenek içinden geçişi gösterilmektedir. Şekil 5. Gözenekli tip güneş enerjili hava toplayıcısı. 140

15 sa Çevre Hava Delikli Yutucu Şekil 6. Delikli yutucu yüzeyli hava toplayıcısı. Son uygulamalarda rastlanan delikli yutucu yüzeyli hava toplayıcısında geçirgen örtü de kullanılmamıştır (Şekil 6). Hava akışı direkt olarak koyu renkli yutucu yüzeye gelip gözeneklerden geçer. Bu geçiş esnasında ısınan hava, kanallar yardımıyla sisteme dağıtılır. Bu tip delikli yutucu yüzeyli hava toplayıcıları endüstriyel tesislerde, spor salonlarında, havaalanları hangarlarında, okullarda ve tahıl ambarlarında başarıyla kullanılmıştır. Sistem yapının güneye bakan dış cephesine uygulanır [20]. GÜNEŞ ENERJİLİ HAVA TOPLAYICILARI TEMEL ELEMANLARI Yutucu Yüzey Güneş enerjili hava toplayıcılarının en önemli elemanı, güneş enerjisini toplayan ve bu enerjiyi çalışma akışkanına aktararak faydalı enerjiye dönüştüren yutucu yüzeydir. Yutucu yüzey topladığı güneş enerjisini çalışma akışkanına büyük ölçüde aktarmalıdır. Isıl kapasitesi yüksek yutucu yüzeyler güneş enerj isindeki ani değişmelere daha yavaş cevap verirler. Ayrıca toplanan enerjinin bir kısmı yüksek ısıl kapasite nedeniyle kullanılmadan kalacağından sistem için bu enerji kayıptır [7,8,12]. Güneş enerjili hava toplayıcılarında yutucu yüzey ile hava arasında ısı transfer katsayısı küçük olduğundan, seçilen malzemenin ısı transfer alanı/hacim oranının büyük olması gereklidir. Bu şekilde ısı transfer alanı artacağı için havaya aktanlan enerji miktan da artar. Büyük ısı transfer alanı/hacim oranına sahip yutucu yüzeylerde güneş ışınlan derinliğine yutulur. Bu şekilde yutulan ışınım miktan artar. Isı transfer alanı/hacim oranı büyük yutucularda ısı kayıplan daha az olur. Yutucu yüzeyin pürüzlü olması ısı transferinde artışa neden olur [7]. Pürüzlülük ısıl verimi olumlu yönde etkilerken toplayıcıda oluşacak basınç kaybını dolayısıyla fan gücünü arttınr. Yutucu yüzeyin güneş ışınlannı yutma oranının büyük ve uzun dalga ışınım yaymasının ise küçük olması gerekir. Aynca üretim kolaylığı, kolay işlenebilirliği, çalışma süresince oluşacak sıcaklık değişimlerine direnci, özelliklerinin zamanla değişmemesi ve ucuz olması da dikkate alınmalıdır. 141

16 Güneş enerjili hava toplayıcılarında kullanılan yutucu yüzeyler metal, cam, polimer esaslı malzemeler olabilir. Güneş enerjili toplayıcılarda plastik filmler örtü malzemesi olarak kullanıldığı gibi, yutucu yüzey şeklinde de bazı araştırmacılar tarafından test edilmiştir. Polimerik malzemeler doğrudan uygulandığı gibi [12], bazı sentetik tekstil ürünleri de [8] yutucu yüzey amacıyla kullanılmışlardır. Yutucu yüzey ve örtü malzemesi olarak polimer kullanımı maliyetin düşüklüğü, oldukça yeterli kullanım süreleri nedeniyle diğer alternatiflere göre ilginç olmaktadır. Fazla yüksek olmayan sıcaklıklardaki çalışmalarda, polimer esaslı yutucular yeterli ısı transfer hızlarını sağlayarak toplayıcı verimini kabul edilebilir düzeye çıkarırlar [8]. Toplayıcılarda kullanılan metalik yutucu yüzeyler alüminyum, çelik, paslanmaz çeliktir. Bu malzemeler güneş ışınlarını kuvvetli şekilde absorplayamazlar. Zayıf absorplama özellikleri, yüzeylerini uygun örtü malzemeleri ile kaplayarak iyileştirilir. Seçici yüzey örtü malzemelerinin pahalı, üretim ve yüzeye uygulanmasının zorluğu kullanımlarını önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Güneş enerjili hava toplayıcılarında ısı transfer yüzeyini arttırmak amacıyla düzlemsel yutucu yüzey siyah metalik veya plastik elek ile örtülmüştür [7]. Bu tür yapı ile gelen ışınımın yarıya yakın kısmı elekten geçerek hava kanalının alt yüzünde tutulur. Elek ile akışta türbülansta artış sağlanır. Tüm bu etkiler taşınımla ısı transfer katsayısının yaklaşık iki kat artmasına neden olur. Diğer bir deyişle toplayıcı ısıl verimi %10-15 artar. Düzlemsel yutucu yüzeyin elek ile kaplanmasının getirdiği maliyet artışı dikkate alınmayacak kadar küçüktür [7]. Örtü Malzemesi Toplayıcı örtüsü, gelen güneş ışınını yaklaşık tümünü geçiren buna karşın toplayıcıdan çevreye taşınımla ısı transferine ve uzun dalga boylu ışınım enerjisi geçişine engel olarak sera etkisini oluşturan levha veya film türünde saydam malzemelerdir. Toplayıcılarda verimi büyük ölçüde etkileyen ısıl kayıplar arasında taşınım ve ışınım yoluyla gerçekleşen üst kayıplar önemli yer tutar. Üst kayıplara neden olan taşınımla ısı transferi örtü malzemesi yardımıyla azaltılabilir. Yutucu yüzeyin yayınladığı uzun dalga boylu ışınımın örtü tarafından geçirilen kısmı ışınımla kaybı oluşturur. Örtü malzemesi ayrıca yutucu yüzeyi dış etkilerden korur. Bazı örtü malzemelerinin optik özellikleri Tablo 2 ve Tablo 3'de verilmiştir.[13,14] Örtü malzemesinin geçirgenliğindeki azalmalar toplayıcı verimi büyük ölçüde etkiler. Bu nedenle güneş ışınlan geçirgenliğinin yüksek, ısıl ışınımı geçirgenliğinin ise küçük olması istenir. Cam, akrilik, polikarbonat, cam yünü katkılı polyester çok iyi optik özelliklere sahip iken, PVF, FEP filmler güneş ışınlarını yüksek oranda geçirirken, uzun dalga boylu ışınım geçirgenliği oldukça yüksektir. Filmler selektif örtü uygulanmış yutucu yüzeylerle birlikte kullanılır. 142

17 Malzeme Levha Cam Akrilik Polikarbonat Cam yünü katkılı polyester Film PVF (teflon) FEB (teflon) PVC PETP Tablo 2. Toplayıcı örtü malzemelerinin optik özellikleri. Güneş Işınımı Uzun dalga boylu ışınım Kalınlık Geçirgenlik Yansıtma Yutma Geçirgenlik Yansıtma Yutma (mm) % % % % % % ,1 0, ,3 0, ,2 0, Malzeme Akrilik Polikarbonat Cam yünü katkılı polyester Tedlar Teflon Polietilen Cam Tablo 3. Güneş enerjisi uygulamalarında kullanılan malzemelerin özellikleri. Maksimum Isıl Gerilme Elastite Kalınlık Yoğunluk Ağırlık sıcaklık genleşne direnci modülu (mm) (kg/m 3 ) (kg/m 2 ) direnci katsayısı (MPa) (GPa) ( C) (10" 5 / C) 3,2 3,2 1,0 0,1 0,05 0,025 3, ,7 3,8 1,5 0,14 0,1 0,034 8, , ,1 2,1-2,4 7,6 1,8 3,4 3, ,0-9,0 6,6 3,6-4,4 4,8 8,3-11 3,0 0,85 Isıl kapasite (Wh/km 2) 1,534 1,260 0,361 0,049 0,036 0,059 1,659 Kırma indisi 1,490 1,586 1,540 1,460 1,343 1,500 1,5 Yalıtım Malzemeleri Toplayıcıların arka veya yan yüzeyleri yalıtılarak çevreye olan ısıl kayıplar azaltılır. Yalıtımla sistemin ısı tutma kapasitesi korunur. Yalıtım malzemesi düşük ısıl iletkenliğe sahip olmalıdır, aynca toplayıcının çalışması süresince oluşacak yüksek sıcaklık ve gerilimlere dayanıklı olmalıdır. Toplayıcılarda kullanılan ısı yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlikleri Tablo 4' te görülmektedir. Cam lifli, mineral lifli, polistiren köpük, poliüretan köpük gibi yalıtım malzemelerinin ısıl iletkenlikleri ve maksimum dayanım sıcaklıkları karşılaştırılmaktadır. 143

18 Malzeme Cam yünü Mineral lifli Kalsiyum silikat Perlit Polistiren köpük Poliüretan köpük Isosiyanür köpük Fenolik köpük Formaldehit köpük Sızdırmazlık Malzemeleri Tablo 4. Bazı yalıtım malzemelerinin ısıl özellikleri. Isıl iletkenliği (W/mK)(24 C de) 0,032 0,036-0,055 0,055 (90 C de) 0,048 (90 C de) 0,029-0,039 0,023 0,025 0,033 0,032 Maksimum kullanım sıcaklığı ( C) Güneş enerjili hava toplayıcılarında, hava akış kanalı ile örtü arasındaki bağlantı kaçakların önlenmesi büyük önem taşır. Bu amaçla en yaygın kullanılan sızdırmazlık malzemeleri silikon lastik, neopren, akriliktir. Sızdırmazlık malzemeleri önceden kullanıma uygun şekilde verilmiş elastik malzeme olabileceği gibi macun türünde de olabilir. Macun şeklindeki sızdırmazlık malzemeleri kullanımdan kısa bir süre sonra sertleşerek esnek bir yapı kazanır. Sızdırmazlık malzemesinin sertleşmesi, yapısındaki çözgenin buharlaşmasıyla gerçekleşir. Buharlaşan çözgen örtü üzerinde veya yutucu yüzeyde yoğuşabilir. Bu durum örtünün ışık geçirgenliğinde azalmaya, yutucu yüzeyde yoğuşma halinde ise yüzeyde bazı bozulmalara neden olabilir. Sızdırmazlık malzemelerinin bazı önemli özellikleri yüksek sıcaklıklara dayanım, atmosferik koşullara direnç ve mekanik nitelikleri olup Tablo 5'te bu özellikleri verilmektedir. Tablo 5. Bazı sızdırmazlık malzemelerinin önemli özellikleri. Malzeme Çalışma Basınca Esnemeye sıcaklığı ( C) dayanım dayanım Mak Min İyi iyi Çok iyi iyi Zayıf iyi Zayıf Orta İyi Orta İyi Orta İyi iyi Silikon Neopren (kloropren) Uretan Hypalon Butyl Akrilik Flor katkılı elastomer Hava koşullarına dayanım Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Çok iyi Yağmur suyuna dayanım İyi İyi Orta İyi iyi Zayıf Çok iyi 144

19 ISIL VERİM Güneş enerjili hava toplayıcılannın anlık verimi, çalışma akışkanından elde edilen yararlı ısınım toplayıcı yüzeyine gelen güneş enerjisine oranı olarak tanımlanır [2,15]. ri = Q u fag, (1) Burada r\ ısıl verim, Q u yararlı ısı, A toplayıcı alanı (genelde brüt alan), G t toplayıcı düzlemine gelen toplam güneş ışınımıdır. Yararlı ısı ise çalışma akışkanı kütlesel debisi, akışkan çıkış ve giriş sıcaklıklarınnın kullanımıyla: Q u = m C p (T o - T) (2) eşitliği ile belirlenir. Burada m çalışma akışkanı kütlesel debisi, C p çalışma akışkanı özgül ısısı, T o ve TI çalışma akışkanın çıkış ve giriş sıcaklıklarıdır. Düzlemsel toplayıcı verim deneylerinde alınan ölçüm değerleri kullanılarak gelen güneş enerjisi, yararlı ısı ve çevreye olan ısı kayıpları belirlenir. Kararlı hal koşullarında çalışan bir düzlemsel toplayıcının ısıl verimi T] =TJ 0 - U(T P -T a )l G, (3) olarak tanımlanır. Burada r\ verim, G t toplayıcı düzlemine gelen toplam güneş ışınımı, U toplam ısı kayıp katsayısı, T p yutucu yüzey ortalama sıcaklığı, T a çevre sıcaklığıdır. T o ise optik verim olup örtü geçirgenliği (T) ile yutucu yüzeyin absorpsiyonuna (a) bağlıdır ve aşağıdaki eşitlikle tanımlanır. rj O =T a (4) Yutucu yüzey sıcaklığının ölçümü güç olduğundan ısıl verim ifadelerinde akışkan sıcaklığı kullanımı tercih edilir. Toplayıcıda çalışma akışkanı sıcaklığındaki artış küçük ise akışkanın ortalama sıcaklıkta olduğu varsayılır: Bu koşullarda ısıl verim 2 (5) rı = F u (m)-f m u(t m -T m )lg, (6) olarak tanımlanır. Burada F m toplayıcıda gerçekte elde edilen yararlı ısının, tüm toplayıcı yüzeyinin akışkan ortalama sıcaklığında olması durumunda alınabilecek yararlı ısıya oranı olarak tanımlanır ve toplayıcı verim faktörü olarak isimlendirilir. İlgili Türk standardında verim tanımlamalarında toplayıcıda çalışma akışkanın ortalama sıcaklığı esas alınmaktadır [16,17]. Bazı uygulamalarda ise ortalama akışkan sıcaklığı yerine akışkan giriş sıcaklığını kullanmak daha uygundur [18]. Bu durumda verim eşitliği V = F i {ra)-f i u{t i -T a )lg, (7) 145

20 olarak tanımlanır. Bu eşitlikteki Fj terimi ısı kazanım faktörü olarak isimlendirilir ve toplayıcıdan gerçekte elde edilen yararlı ısının, tüm toplayıcı yüzeyinin akışkan giriş sıcaklığında olması durumunda alınabilecek yararlı ısıya oranı olarak tanımlanır. GÜNEŞ ENERJİLİ HAVA TOPLAYICISI VERİMİ Ege Üniversitesinde yürütülen çalışmada, güneş enerjili hava toplayıcısında yutucu yüzey olarak ince alüminyum tel kullanılmıştır. Akış kanalının tabanına yerleştirilen alüminyum teller siyaha boyanmıştır. Alüminyum telin yapısı nedeniyle büyük (ısı transfer alanı/hacim) oranı sağlanır. Bu yapı nedeniyle güneş ışınlan derinliğine yutulur. Aynca yutucu yüzeyden çalışma akışkanına ısı transfer hızı arttınlır. Geçirgen örtü olarak cam yünü katkılı polyester kullanılmıştır. [19] Deney sonuçlan değerlendirilerek verim denklemleri akışkan giriş sıcaklığı ve akışkan ortalama sıcaklığına göre tanımlanmıştır. Akışkan giriş sıcaklığı esas alındığında verim denklemi T] = (Ti-T.)/G t (8) olarak elde edilmiştir. Bu yaklaşımda FI (xa) = 1,15296, FjU = 17,2904, değerlerini almıştır. Elde edilen denklem için S= 0, ,R 2 = %94,7,R 2 (adj) = %94,1 olarak bulunmuştur. 1,0 0,9 0,8 0,7 Regression Plot Verim = 1, ,2904 (Ti-Ta)/Gt S = 0, R-Sq = 94,7% R-Sq(adj) = 94,1 % Verim 2 S g 0,3 0,2 0,1 0,0 T 0,02 T 0,03 ^ * ^. I 0,04 0,05 (Ti-Ta)/Gt ^ Regression... O^A a 95% p Şekil 6. Güneş Enerjili Hava Toplayıcısı Verim Eğrisi (Akışkan Giriş Sıcaklığına Göre). Akışkan ortalama sıcaklığı esas alındığında verim denklemi Tl = (T m -T.)/G, (9) 146