Düzlemsel Güneş Kollektörlerinde Farklı Profillerdeki Emici Plakaların Deneysel İncelenmesi

Transkript

1 Politeknik Dergisi Jornal of Polytehni Cilt: 10 Sayı: 2 s , 2007 Vol: 10 No: 2 pp , 2007 Düzlemsel Güneş Kollektörlerinde Farklı Profillerdeki Emii Plakaların Deneysel İnelenmesi Msa Galip ÖZKAYA, Halil İbrahim VARİYENLİ, Mrat KORKMAZ Gazi Üniversitesi, eknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü eknikokllar, ANKARA ÖZE B alışmada, düzlemsel güneş kolektörlerinde kllanılan farklı profillerdeki emii plakalar iin verim değerleri deneysel olarak hesaplanmıştır değerleri ve güneş ışınımına göre, sistemler ısıl verim bakımından karşılaştırılmıştır Yapılan karşılaştırma sonnda, düz yüzeyli kollektörün ortalama verimi %32,9, zikzak kanallı kolektörlerden; bor birleşimi üstteki emii plakanın ortalama verimi %32,1, bor birleşimi ortadaki emii plakanın ortalama verimi %36,3, parabolik kanallı kollektörün ortalama verimi %26,7, olarak hesaplanmıştır B hesaplamalar sonnda zikzak kanallı kolektörlerden bor birleşimi ortadaki sistemin ortalama veriminin diğer sistemlerin ortalama verim değerlerinden yüksek oldğ görülmüştür Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, direkt sistem, emii plaka, verim he Experimental Investigation of Different Profile Absorber Plates in Flat Solar Colletors ABSRAC In this stdy, the performane vale have been allated for different profile absorber plates sed in flat solar olletor he systems have been ompared with the thermal performanes aording to their effiieny vales and solar radiations Reslts have showed that the average olletor performanes allated as 32,9 % for flat plate, 36,3 % for zigzag dt in whih joining of the dt is in the middle of the zigzag dt and 32,1 % for the zigzag dt in whih joining of the dt is on the zigzag dt, and 26,7 % for paraboli dt he reslts have also showed that the performane of the zigzag dt in whih joining of the dt is in the middle of the zigzag dt is higher than the performanes of others Key Words: Solar energy, diret sisytem, absorber plates, performane 1 GİRİŞ eknolojinin her geen gün ilerleyişine ve dünyadaki gelişmelere paralel olarak ülkemizdeki hızlı sanayileşme, nüfs artışı, kentleşme ve bna bağlı olarak hayat standartlarının yükselmesi son, ürkiye nin enerji ihtiyaı gittike artmaktadır Bgün ürkiye nin enerji üretimi, ne yazık ki ihtiyaın gerisindedir ve b fark ithalat yolyla kapatılmaktadır (1,3) Günden güne artan b farkı, ithalat yerine yerli kaynaklarla kapatmak ülke ekonomisi iin ok daha yararlı olaaktır Ülkemizin enerji politikası gerekli olan enerji ihtiyaını ihmal etmek yerine kendisinin üretmesi şeklinde olmalıdır B yüzden ürkiye nin alternatif enerji kaynakları araması gerekmektedir B arayış ierisinde, yenilenebilir, temiz ve evreye zarar vermeyen veya minimm düzeyde zarar veren bir enerji kaynağının blnması arz edilir ürkiye nin oğrafi konm dolayısıyla, en mantıklı doğal kaynak olarak güneş enerjisi görünmektedir Dünyanın güneş enerjisi potansiyelinin oldka yüksek olmasına rağmen, bnn yeterine değerlendirildiği pek söylenemez Dikkate alınması gereken bir diğer kon ise, b potansiyelden etkili ve randımanlı bir şekilde yararlanılması gereğidir B yüzden, imalatı ve işletimi pratik olan verimli sistemlerin geliştirilmesi ge rekmektedir B sistemlerin, zn dönemli kllanımlarındaki verimlerinin saptanması, bir standardın getirilmesi ve bna göre kendi aralarında kalite aısından sınıflandırılmaları gerekmektedir ürkiye deki kollektör üretiilerinin de mtlaka b standartlara ygn üretim yapmaları gerekmektedir Standartlara ygn üretim yapıldığında, ısınma ve sıak s temini iin güneş enerjisi kllanımının yoğnlaşması ile b ihtiyaların temininde kllanılan ve büyük miktarının ithalat yolyla karşılandığı diğer enerji kaynaklarından tasarrf edilmiş olaaktır (4,6) ürkiye de b enerji kaynağının halkımıza sevdirilmesi ve benimsetilmesi iin, b sistemlerin ekonomik oldğnn gösterilmesi gerekir Yapılan b alışmada, farklı profillerdeki emii plakalara sahip güneş kollektörlerinin verimlerinin nasıl değiştiği ve hangisinin daha yüksek verimde alıştığı inelenmiştir Kollektörlerin verim değerleri hesaplanarak kendi aralarında karşılaştırma yapılarak, tüketiilerin kollektörler hakkında üretiminde bilinlendirilmesi hedeflenmektedir Digital Objet Identifier /

2 Msa Galip ÖZKAYA, Halil İbrahim VARİYENLİ, Mrat KORKMAZ / POLİEKNİK DERGİSİ, CİL 10, SAYI 2, SİSEMLERİN HAZIRLANMASI Deney setleri, doğal dolaşımlı ve direkt ısıtma sistemi olmak üzere dört ayrı sistemden olşmaktadır B dört sistemin alışma düzenleri ve şartları aynı olmakla birlikte, sadee emii yüzeyleri profillerin yapılışları bakımından farklıdır Sistemler imal edilirken her dört sistem iinde aynı özelliklere sahip malzemeler kllanılmıştır Sistemler, 50 x 80 m kollektör yüzey alanına sahip olp, düz olarak imal edilmiştir Kollektördeki kasa malzemesi olarak 0,5 mm lik galvanizli sa, yt plaka olarak 1 mm lik siyah sa, kollektör bors olarak 1/2" siyah bor, kolektör toplayıı bors olarak 3/4" siyah bor, örtü malzemesi olarak 3 mm am ve emii plaka ile kasa arasında izolasyon malzemesi olarak 3 m strafor kllanılmıştır Sistemlerin depoları 2 mm lik siyah sadan imal edilmiş, izolasyon malzemesi olarak 5 m am yünü kllanılmıştır Hazırlanan sistemlerin imalat şeklinin iki boytl izimi aşağıdaki Şekil 21 de gösterilmiştir Çizilen b şekilde, ölüm yapılan sıaklık değerlerinin hangi noktalardan alındığı da belirtilmiştir Şekil 21 de 1 Dış hava sıaklığı ( a ) 2 Kollektör ıkış sıaklığı ( ) 3 Kollektör giriş sıaklığı ( g ) 4 Yt yüzey sıaklığı ( y ) Havalık Bağlantı borları 3/4" bor ve fittings malzemesi olarak, rakor, redüksiyon, körtapa kllanılmıştır Depolar kolektörden 40 m yüksekliğe yerleştirilmiştir Depolar ve kolektörler 16 m dairesel profillerden yapılan tezgâhlar üzerine yerleştirilmiştir Kollektörler kış şartlarına ve kllanılan bölgenin enlem şartına göre 45 eğimli olarak tezgâhlara, tezgâhlarda yerden 1,5 m yükseklikte güney yönüne bakan bir platform üzerine yerleştirilmiştir Sistemlerin s doldrma, boşaltma ağızları ve kollektör giriş ve ıkışları aynı şekilde ve aynı yerlerden yapılmıştır Sistemlerin bor boyları ve bağlantı şekilleri aynı özellikte yapılmıştır Sistemlerin sıaklık ölümlerini kollektörlerin, giriş noktasından, ıkış noktasından, emii plakadan ve ortam sıaklığı olmak üzere dört noktadan alınarak belirlenmiştir B noktalar Şekil 21 de gösterilmiştir Sistemleri birbirlerinden farklı kılan sadee emii plakalarıdır 1-Sistemde emii plaka düz olarak imal edilmiştir ve kesiti aşağıdaki Şekil 22 de gösterilmiştir Şekil 22 Düz yüzeyli emii plakanın kesiti 2-Sistemde emii plaka parabolik kanallı olarak imal edilmiştir ve kesiti Şekil 23 de gösterilmiştir Şekil 23 Parabolik kanallı emii plakanın kesiti 3-Sistemde emii plaka zikzak kanallı olarak imal edilmiştir ve kolektör borları zikzak kanallı plakanın üst birleşim yerlerine monte edilmiş kesiti Şekil 24 de gösterilmiştir Depoya s girişi Sıak s Boşaltma vanası 2 Kollektör Şekil 24 Bor birleşimi üstteki zikzak kanallı emii plakanın kesiti 4-Sistemde emii plaka zikzak kanallı olarak imal edilmiştir ve kolektör borları zikzak kanallı plakanın orta birleşim yerlerine monte edilmiş kesiti Şekil 25 de gösterilmiştir Boşaltma vanası 4 Şekil 21 Düzlemsel güneş kollektörlerinin iki boytl izimi 3 1 Şekil 25 Bor birleşimi ortadaki zikzak kanallı emii plakanın kesiti 3 DENEYLERİN YAPILIŞI VE DENEY DÜZENEKLERİ Gazi Üniversitesi eknik Eğitim Fakültesi esisat Anabilim Dalı bahesinde ışın toplayıı yüzeyler (kollektör) yerden 1,5 m yükseklikteki bir platform üzerine güneye bakaak şekilde yerleştirilmiştir (Şekil 51) Havanın güneşli oldğ ile tarihleri arasında 5 gün süreyle deneyler yapılmıştır Sistemlerin sları aynı anda saat 09:00 da doldrlmştr Ölümler saat 1000 da alınmaya başlayıp saat 1500 a kadar her on beş dakikada bir değer alınmıştır Sıaklıklar Demir-Konstant ısıl iftler 174

3 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKÖRLERİNDE FARKLI PROFİLLERDEKİ EMİCİ / POLİEKNİK DERGİSİ, CİL 10, SAYI 2, 2007 (termo kpllar) ile ölülmüştür Sıaklık ölü aleti olarak ELİMKO firmasının ürettiği 12 kanallı elektronik sıaklık ölüm aleti kllanılmıştır ve b ölüm aleti ile termo kpların kalibreleri kllanılan malzemeler kısas alınarak üretii firma tarafından yapılmıştır 4 DENEYSEL SONUÇLAR 41 Düzlemsel Güneş Kollektörünün Performansı Düzlemsel güneş kollektörünün tamamı bir aık sistem olarak ele alınıp enerji dengesi, sürekli rejim şartlarında ş şekilde ifade edilir; Q = A G ( τα) U ( )] (41) Brada; [ ef L y a Q : Kollektörden alınan kllanılabilir enerji (W) A : Kollektör alanı (m 2 ) G : ( τα ) ef Kollektör yüzeyine dik olarak gelen ışınım miktarı (W/m 2 ) : Efektif ytma-geirme arpımı U L : Kollektörün ısı kayıp katsayısı (W/m 2 o C) : Yt yüzeyin ortalama sıaklığı ( o C) y : Dış hava sıaklığı ( o C) Sürekli rejim şartlarında kollektör ierisindeki yt plakalarda ısı depolanmaz Eş 61 de görüldüğü gibi, alışma sıaklığının artması ısı kayıplarının artmasına ve b da toplanan enerji miktarının azalmasına neden olr B da toplayııdan daha az kllanılabilir enerji alımına sebep olr FR ısı kazan faktörü gerekte kollektörden alınan faydalı enerjinin, yt plakaların yüzey sıaklığının her noktada ortalama hava sıaklığına eşit olması halinde (ideal drm) toplanaak olan faydalı enerjiye oranıdır g : Syn kollektöre giriş sıaklığı ( o C) : Syn kollektörden ıkış sıaklığı ( o C) dır Faydalı enerji akışkanın giriş ve ıkış sıaklığına bağlı olarak Q = m p ( ) şeklinde de yazılabilir Brada; m : Syn kütlesel debisi (kg/s) g p : Syn sabit basıntaki özgül ısısı (J/kgK) (44) dır Kollektörün en önemli özelliği verimidir kollektörden toplanan kllanılabilir enerjinin, aynı sürede kollektör yüzeyine dik olarak gelen güneş enerjisine oranı olarak tarif edilir Q / η = (45) G A Eş 43 de dikkate alınarak verim ifadesini veren Eş 45 dir η = F ( ) Δ R τα ef U L (46) G şeklinde yazılır Eş 44 dikkate alınmak sretiyle Eş 45 deki verim ifadesi ( ) m p g η = (47) G A biiminde de ifade edilebilir Brada, η verimi göstermektedir (5,6) Gerekte toplanan faydalı enerji F R = (42) Kollektör ierisindeki yt yüzey sıaklığının her noktada, ortalama akışkan sıaklığına eşit olması halinde, toplanabileek enerji B tanımın yapılmasındaki temel ama kollektör performansı hakkında detaylı bilgi edinmek ve ortalama yüzey sıaklığı tanımı ihtiyaını ortadan kaldırmaktır FR ısı kazan faktörü dikkate alınarak Eş 41 de yerine yazılır g + Q = AFR G ( τα ) U ef L a (43) 2 şeklinde yazılabilir Brada; 175

4 Msa Galip ÖZKAYA, Halil İbrahim VARİYENLİ, Mrat KORKMAZ / POLİEKNİK DERGİSİ, CİL 10, SAYI 2, 2007 Sıaklık farkı :00 10: :00 11:30 12:00 12:30 Zaman 13:00 13:30 14:00 14:30 15:00 Şekil Günü yapılan ölümlere göre sıaklık farkları zaman grafiği 0,45 0,425 0,4 0,375 0,35 0,325 0,3 0,275 0,25 0,225 0,2 1Sistem 2Sistem 3Sistem 4Sistem 1Sistem 2Sistem Gün 4Sistem 3Sistem Şekil Günü yapılan hesaplara göre sistemlerin verim grafiği 0,45 0,425 0,4 0,375 0,35 0,325 0,3 0,275 0,25 0,225 0,2 1 Sistem 2 Sistem 3 Sistem 4 Sistem 1 Sistem 2 Sistem 3 Sistem Gün 4 Sistem Şekil 43 Sistemlerin 5 günlük ortalama verim grafiği 5 SONUÇ B alışmada, farklı emii plakalı kollektörlerin verimlerini, yapılan deneylerden elde edilen ölüm değerleri hesaplamalar da kllanılarak dört farklı sistemden hangisinin performansının daha iyi oldğ tespit edilmeye alışılmıştır Deneyler sonnda sistemlerin ortalama verimler; 1 Düz kolektör %32,9 2 Zikzak kanallı (bor birleşimi üstte) kolektör %32,1 3 Zikzak kanallı (bor birleşimi ortada) kollektör%36,3 4 Parabolik kanallı kolektör %26,7 olarak tespit edilmiştir Sistemlerin verimleri karşılaştırıldığında; yapılan hesaplamalar sonnda, sistemlerin günlük verimlerinde bazı günler değişkenlik görülmüştür Bnn sebepleri, verim hesabında kllanılan ıkış sıaklığını farklı zaman aralıklarında yakaladığından ve güneş radyasyon değerleri her gün farklı değerlere laştığından sistemlerin günlük verimleri aynı oranda değişmemektedir Belirtilen nedenlerden dolayı 1 Sistem ve 3 Sistem bazı günler verim grafiğinde farklılaşmalar göstermektedir Yapılan hesaplamalarda bor birleşimi ortadaki zikzak kanallı kolektörün ortalama verimi diğer ü kollektörün ortalama verimlerinden yüksek ıktığı görülmüştür Kollektör üzerine düşen güneş ışınından maksimm yaralanmak iin siyah mat boya yerine, seii yüzey olarak adlandırılan ytlğ yüksek, yayıılığı düşük emii yüzeyler kllanılması gerekir Isıya dönüştürülen enerjinin kayıplara ğramaması iin, kollektörde yeterli kalınlıkta ve ısı iletimi düşük yalıtım malzemeleri kllanılması gerekir Böylee elde edilmiş ısı enerjisinin evreye kaybı asgariye indirgenmiş olr 176

5 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKÖRLERİNDE FARKLI PROFİLLERDEKİ EMİCİ / POLİEKNİK DERGİSİ, CİL 10, SAYI 2, 2007 Güneş kolektörlerinin verimlerini artırmak iin kllanılan malzemeler ve geliştirilmiş imalat teknikleri, ürünün fiyatını aşırı şekilde etkilememelidir Ürünün fiyatı ile verimi arasındaki oran her zaman kornmalıdır 6 SİMGELER B alışmada kllanılmış bazı simgeler, aıklamaları ile birlikte aşağıda snlmştr (τα) ef 7 KAYNAKLAR Efektif ytma-geirme arpımı 1 ırıs, M, ırıs, Ç, Varol, HS, üre, İE, Gebze de Güneş Enerjisi Potansiyelinin Belirlenmesi: Uzn Dönemli ( ) Ölümler Ve eorik Analizler, übitak-mam Matbaası, Koaeli, 1-50 (1994) 2 ırıs, Ç, Seii Yüzeyli Düzlemsel Güneş Kolektörlerine Birleştirilmiş Güneş Enerjili Damıtma Sisteminde Deneysel Çalışmalar, Doktora ezi, Ege Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İzmir, (1997) Simgeler Aıklama A Kolektör alanı, m 2 C p Akışkanın özgül ısısı, J / kg K F 3 ırıs, Ç, ırıs, M, Düzlemsel Güneş Kolektörlerinin R Kollektör ısı kazan faktörü ini Artıran Parametreler, MMO esisat G Kollektör üzerine düşen güneş ışınım Mühendisliği Dergisi, Ankara, 26, (1994) miktarı, W / m 2 4 Erdoğan, P, Güneş Enerjili Sistemlerin Performansının m Akışkanın debisi, kg / sn İnelenmesi, Yüksek Lisans ezi, İstanbl Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbl,62-63 (1999) Q Kollektörden alınan kllanılabilir enerji, 5 rgt, O, Güneş enerjisinden aktif olarak yararlanan W dikey jalzili penere tasarımı ve deneysel olarak a Dış hava sıaklığı, C inelenmesi, Yüksek Lisans ezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1-50 (1995) g Akışkanın kollektöre giriş sıaklığı, C Akışkanın kollektörden ıkış sıaklığı, C 6 ezan, M, Düzlemsel Güneş Kollektörleri Ve y Yt plaka sıaklığı, C Hesaplamaları, Yüksek Lisans ezi, İstanbl U L Kollektörün ısı kayıp katsayısı, W / m 2 C Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbl, 87 (2002) η 177