Transkript

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 GÜNEŞ ENERJİLİ ADSORPSİYONLU SOĞUTUCU TASARIMLARI Bülent ORHAN, Prof. Dr. Ali GÜNGÖR Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, İzmir-Bornova ÖZET Dünyamızın doğal çevresi gün geçtikçe bozulmakta ve bu durum insanların yaşamını etkileyecek boyutlara ulaşmaktadır. Günümüzde, ortaya konulan tasarımların çevre üzerinde yaptığı olumsuz etkileri göz ardı etmek mümkün değildir. Bu nedenle, bir sistem tasarlanırken maliyet, verimlilik, kullanılabilirlik gibi tasarım faktörleri ile birlikte sistemin doğal çevreye etkisi aynı önemde düşünülmelidir. Doğal çevrenin korunması için çeşitli önlemler alınmaktadır. Alınan önlemlerle ortaya çıkan bütün değişimler mevcut soğutma sistemlerini de etkilemektedir. Ülkemizde ve dünyada, elektrik enerjisi tahrikli kompresörleri ve değişik özelliklerde soğutkanları kullanan soğutucular, gerek evsel gerekse ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tip soğutucu sistemlerin kullanılmasının, doğal çevre üzerinde dolaylı ve doğrudan olumsuz etkileri vardır. Güneş enerjisinin soğutucu tasarımlarında kullanılması oldukça çekicidir ve ülkemiz güneş enerjisi bakımından oldukça avantajlıdır. Güneş enerjisi, sorpsiyon teknolojisi ile birlikte kullanılarak çevre ile uyumlu soğutucu tasarımları yapılabilir. Güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucular bu tasarımlar için bir alternatiftir. Bu çalışmada, temel adsorpsiyon çevrimi ile çalışan tek ve iki adsorbent yatağa sahip güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucu çalışma prensipleri ve tasarımları ortaya konulmuştur. Anahtar Sözcükler : Güneş Enerjisi, Soğutucu, Adsorpsiyon, Adsorbent, Adsorbat SUMMARY Natural environment of our world is corrupted and this situation will reach levels affecting the human life. Today, the negative impact of existent design on the environment is impossible to ignore. Therefore, while a system is being designed, together with such a system design factors cost, efficiency, availability, the system impact on the natural environment should be considered with the same importance. Various measures for the protection of the natural environment are taken. All changes occurred with measures taken, affect existing cooling systems. In our country and the world, both domestic and commercial applications of refrigerators using electrical energy driven compressors and refrigerant having the different features are widely used. The use of this type of cooling system have indirect and direct negative effects on the natural environment. Solar energy used in the refrigerator design is very attractive and in terms of solar energy our country is very advantageous. Refrigerators designs compatible with the environment can be made by using solar energy with sorption technology. 1

11 Solar energy adsorption refrigerators is an alternative for these designs. In this study, the working principles and designs of solar energy adsorption refrigerator operating with the basic adsorption cycle with a single and two adsorbent beds has been presented for consideration. Keywords: Solar Energy, Refrigerator, Adsorption, Adsorbent, Adsorbate 1.GİRİŞ Dünyamızın doğal çevresi gün geçtikçe bozulmakta ve bu durum insanların yaşamını etkileyecek boyutlara ulaşmaktadır. Bu yüzden, günümüz mühendisliğinde, yapılan tasarımların çevre üzerindeki etkilerini göz ardı etmek olanaklı değildir. Gelişen çevre bilinci ve ülke yönetimlerinin doğal çevrenin korunması için aldığı önlemlerle doğal çevrenin bozulmasının önüne geçilmeye çalışılmaktadır. Çevrenin korunması için sürekli yeni önlemler alınmakta, sınırlamalar ve yasaklar her alanda artmaktadır. Dolayısıyla, tasarımcılar bir sistemi oluştururken sistem maliyeti, verimliliği, kullanılabilirliği ve benzeri faktörleri göz önünde bulundururken sistemin çevreye etkisini de artık aynı önemde düşünmek zorundadır. Gelecek yıllarda, tasarımların çevre üzerindeki etkisi daha da önemli olacaktır. Doğal çevrenin bozulması ile ortaya çıkan bütün değişimler mevcut soğutma sistemlerini etkilemektedir. Ülkemizde ve dünyada, soğutma uygulamalarında, elektrik enerjisi tahrikli kompresörler ve değişik özelliklerde soğutkanlar kullanan sistemler, gerek evsel gerekse ticari uygulamalarda yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu tip sistemlerin kullanılmasının doğal çevre üzerinde dolaylı veya doğrudan olumsuz etkileri vardır. Elektrik enerjisinin artan oranda kullanılması ile bu enerjiyi üretmek için kurulan fosil yakıt tüketen santrallerin havaya bıraktığı karbondioksit emisyonu artmaktadır. Bu da küresel ısınmaya neden olmaktadır. Bu durum elektrik tahrikli kompresörler kullanan sistemlerin doğal çevreye olan dolaylı etkisidir. Diğer bir ifade ile bu tip sistemlerin yaygın kullanımı elektrik ihtiyacını arttırmakta bu da fosil yakıt tüketen santrallerin daha çok çalışmasına neden olarak doğal çevre kirlenmektedir. Ayrıca, çok sıcak havalarda soğutma ihtiyacının ve buna bağlı olarak kullanılan elektrik enerjisi miktarının artması ile elektrik şebekelerine aşırı yük binmekte ve elektrik kesintileri olabilmektedir. Bunun yanında, geleneksel soğutma sistemlerinde kullanılan soğutkanların birçoğunun küresel ısınmaya doğrudan olarak olumsuz etkileri vardır. Bu konuda yasal düzenlemelerle önlemler alınmakta ve soğutkanların çevreye zararlı etkilerini azaltıcı çalışmalar yapılmaktadır. Ancak, geliştirilen soğutkanlar yapay maddeler olup çevreye tamamen zararsız olmaları oldukça zordur. Bununla beraber, bu yapay soğutkanlarının çevreye etkileri de tam olarak bilinememektedir. Şu anda çevreye zararının az olduğu düşünülen soğutkanların, gelecek yıllar içinde çevreye ne gibi etkileri olacağı tam belirli değildir. Çevreye zararsız doğal maddelerden oluşan soğutkanların kullanmasından dolayı sorpsiyon teknolojisinin daha da geliştirilmesine çalışılmaktadır. Mevcut durumda, absorpsiyon teknolojisi bu alanda daha yaygın kullanılmaktadır. Ancak, adsorpsiyonlu sistemler absorpsiyonlu sistemlerde bulunmayan bazı avantajlar sunmaktadır. Adsorpsiyonlu sistemler düşük kullanım maliyeti ile basit çalışma prensibi nedeniyle güvenilir ve güvenlidir. Adsorpsiyonlu sistemlerde lityum bromid veya benzeri kimyasal maddeler kullanılmamaktadır. Bunun anlamı, sistemde herhangi bir kimyasal test ihtiyacının olmayacağı, kristalleşme, korozyon ve tehlikeli kaçak olaylarının ortaya çıkmayacağıdır. Bunların yanında, gelişen çevre bilinci, enerji fiyatlarındaki artış, fosil yakıtlarının sınırsız olmadığının fark edilmesi, teşvik edici yasal düzenlemeler ile yenilenebilir enerji kaynakları üzerinde araştırmalar yoğunlaşmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş, diğer 2

12 alternatif yenilenebilir enerji kaynaklarından öne çıkmaktadır. Çünkü, güneş milyarlarca yıl tükenmeyecek en büyük enerji kaynağıdır. Güneş, öngörülebilen düzen içinde enerjisini ışıma yoluyla dünyanın her yerine ulaştırır. Bir bölgeden bir bölgeye nakil problemi yoktur. Kullanımı ile ortaya çıkabilecek atık problemi yoktur. Doğal çevre ile uyumlu ve ücretsizdir. Ülkemiz, bulunduğu konum nedeni ile güneş ışınımı açısından yüksek ışınım potansiyeli ve uzun güneşlenme süresi ile oldukça avantajlı konumdadır. Güneşin soğutma uygulamalarında kullanılması, elde edilebilir güneş enerjisinin, ortam soğutma yükünün fazla olduğu zaman dilimleriyle çakışması nedeniyle oldukça dikkat çekicidir. Güneş enerjisi ücretsiz doğal bir kaynak olduğundan üretim ve kurulum maliyetlerinin karşılamasıyla kullanım maliyeti düşük olacaktır. Güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucular, performans katsayısı (COP) değeri geleneksel buhar sıkıştırma çevrimi kullanan sistemler göre daha düşük olmasına rağmen, yakın yıllarda oldukça ilgi çekmiş ve değişik tipte tasarımları ortaya konulmuştur. Bu çalışmada, temel adsorpsiyon çevrimi ile çalışan tek ve iki adsorbent yatağa sahip güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucu tasarımları incelenmiştir. 2. TEMEL ADSORPSİYONLU SOĞUTUCU ÇEVRİMİ Temel adsorpsiyonlu çevrimde kullanılan ana elemanlar adsorbent yatağı, yoğuşturucu, buharlaştırıcı ve genleşme valfidir. Başlangıç olarak düşünülürse, düşük basınca sahip buharlaştırıcıda bulunan adsorbat ortamdan ısı çekerek buharlaşır. Ortamdan çekilen bu ısı elde edilen faydadır. Buharlaştırıcıdan çıkan adsorbat, adsorbent yatağında yutulur. Bu işlem çevrimin adsorpsiyon kısmıdır. Adsorpsiyon sırasında dışarıya ısı atılır. Adsorpsiyon halinde bulunan adsorbent yatağına toplayıcı adı verilir (Şekil 1 (a)). Bu işlemin ardından, adsorbent yatağı bir ısı kaynağı ile ısıtılır ve adsorbat, adsorbent yatağı tarafından desorbe edilir. Desorbe işlemi için ihtiyaç duyulan bu ısıya regenerasyon ısısı ve desorpsiyon halinde bulunan adsorbent yatağına üreteç adı verilir (Şekil 1 (b)). Güneş enerjili sistemlerde, kolektörde elde edilen ısı enerjisi adsorbent yatağının ısıtılmasında kullanılır. Adsorbent yatağını terk ederek yoğuşturucuya gelen adsorbat ısısını çevreye vererek yoğuşur. Sıvı adsorbat genleşme vanasından geçerek buharlaştırıcıya gelir ve temel adsorpsiyon soğutucu çevrimi tamamlanır. Şekil 1: Adsorpsiyon çevrimi temel elemanları Şekil 2 de tek adsorbent yataklı ideal adsorpsiyonlu soğutma çevrime ait Clapeyron diyagramı (ln P vs -1/T) görülmektedir. Kesintili çalışan bu sistemde buharlaştırıcıda buharlaşan adsorbat, adsorbent yatağında yutulurken yoğuşturucuda işlem olmaz. Aynı şekilde, yoğuşma esnasında 3

13 buharlaştırıcıda işlem olmaz. Kesintili adsorpsiyonlu soğutma çevrimi iki işlemden oluşur; Desorpsiyon işlemi ve Adsorpsiyon işlemi. Şekil 2: İdeal adsorpsiyon çevrimi için Clapeyron diyagramı Güneş enerjili adsorpsiyonlu sistemlerde, gün içinde güneş kolektöründe elde edilen enerji desorpsiyon işleminde kullanılır. A-B hattında, yoğuşturucu ve buharlaştırıcı ile bağlantısı kapalı olan adsorbent yatağı T A (A noktası) sıcaklığından T B (B noktası) sıcaklığına ısıtılır. Adsorbent yatağının ısınması ile adsorbent yatağı yoğuşma basıncına (P yoğ. ) yükselir. B noktasında adsorbent yatağının yoğuşturucu ile bağlantısı açılır ve sabit basınçta desorpsiyon başlatılır. B-D hattında sürekli ısıtılan adsorbent yatağında desorpsiyon olan soğutucu buharı yoğuşturucuya geçer ve ısısını atarak yoğuşur (C noktası). Sürekli devam eden ısıtma sonucu adsorbent yatağı sıcaklığı artmaya devam eder ve maksimum T D sıcaklığına ulaşılır (D hali). Maksimum sıcaklığa ulaşılması ile desorpsiyon işlemi sona erer. Adsorbent yatağının yoğuşturucu ile bağlantısı kesilir. Çevrimin desorpsiyon işlemi tamamlanmış olur. Gece şartlarında, yoğuşturucu ile bağlantısı kesilen adsorbent yatağının sıcaklığı D-F hattında T D (D noktası) sıcaklığından T F (F noktası) sıcaklığına düşer. Aynı anda, C-E hattında, sıvı adsorbat buharlaştırıcıya aktarılır. Sıcaklıktaki düşüş adsorbent yatağınının yoğuşma basıncından (P yoğ ) buharlaştırıcı basıncına (P buh. ) düşmesine neden olur. Daha sonra, adsorbent yatağının buharlaştırıcı ile bağlantısı açılır ve F-A hattında adsorpsiyon işlemi olur. Aynı anda, E-A hattında, adsorbat, buharlaştırıcıda ortamdan ısı çekerek buharlaşır. Buharlaşan adsorbat, adsorbent yatağında yutulur. Çevrimin adsorpsiyon işlemi tamamlanmış olur. Isıtma periyodu sırasında güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucu tarafından alınan toplam ısı enerjisi, Q AD ; Q AB enerjisi ve Q BD enerjisinin toplamı olacaktır. Q AB enerjisi adsorbent yatağı ve adsorbatın A noktasından B noktasına sıcaklığının yükselmesi için kullanılırken Q BD enerjisi, adsorbent yatağı sıcaklığının D noktasına ulaşması ve adsorbatın desorpsiyonu için kullanılır. Bu işlemlerin matematiksel ifadeleri Eşitlik (1), (2) ve (3) de verilmiştir [5]. 4

14 Q AD = QAB + Q (1) Q (2) AB = M ad BD ( C p + X ac )( TB TA) ad p re Eşitlik (2) de M ad adsorbent yatağı kütlesi, C p ad adsorbent yatağının özgül ısısı, X a desorpsiyondan önce adsorpsiyon kapasitesi ve C p re adsorbe edilmiş halde bulunan adsorbat özgül ısısıdır. Q (3) BD = M ad Eşitlik (3) de [ C p + ( X a + X d ) C / 2)( TD TB ) + H d M ad ( X a X d ) ad p re X d desorpsiyon sonrası adsorpsiyon kapasitesidir. H d desorpsiyon ısısıdır. Dubinin-Astakhov eşitliği kullanılarak X (kg-adsorbat/kg-adsorbent) adsorpsiyon kapasitesi Eşitlik (4) ile ifade edilebilir. T X = X 0 exp k 1 T sat (4) n Eşitlik (4) de k ve n çalışma çiftlerine ait karakteristik parametrelerdir. X 0 ; P=P sat ve T=T sat için adsorpsiyon kapasitesidir. T sat, P sat basıncındaki doyma sıcaklığıdır. T, adsorpsiyon sıcaklığıdır. Adsorpsiyon işlemi sırasında buharlaştırıcıda oluşan soğutma üretimi Eşitlik (5) kullanılarak bulunabilir. Q re (5) = M ad [ X a X d ] L re Eşitlik (5) de L re adsorbat buharlaşma gizli ısısıdır. Üretilen soğutmanın bir kısmı, yoğuşma sıcaklığında sıvı adsorbatın T E buharlaşma sıcaklığına soğutulması için harcanır. T C Q ce = M ad [ X X ] C T T ) a d p ( re C E (6) Adsorpsiyon soğutma çevriminin performans katsayısı, ifade edilir. COP (7) çevrim Qre Q = Q AD ce COP çevrim, Eşitlik (7) de verildiği gibi 5

15 Güneş kolektörünün verimliliği Eşitlik (8) ile bulunabilir. η koll. (8) Q = Q AD güneş Eşitlik (8) de Q güneş güneş kolektörüne gelen toplam güneş enerjisi ışınımıdır. Eşitlik (9) ile ifade edilebilir. Q (9) = σ A güneş güneş koll. dt Eşitlik (9) da alanıdır. σ güneş güneş kolektöründeki güneş akısı yoğunluğu ve koll. A güneş kolektör Güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucu sisteminin performansı Eşitlik (10) da verilen değeri ile ölçülebilir. COP sistem COP (10) sistem Qre Q = Q güneş ce Çevrim performansını gösteren bir diğer parametre de Eşitlik (11) ile bulunan spesifik soğutma gücü (SCP) değeridir. Bu değer, sistemin ne kadar kompak yapıda olduğunu gösteren parametredir ve belirli bir adsorbent kütlesinin ne kadar soğuk üretebildiğini gösterir. SCP = (11) Q M re e Q τ ce çevrim M e toplam adsorbent kütlesi ve τ çevrim çevrim süresidir. Adsorpsiyon çevriminde, elektrik tahrikli kompresör yerine ısıl enerji ile çalışan adsorbent yatağı kullanılmaktadır. Adsorbent yatağı, adsorpsiyonlu soğutucu sistemlerinin kalbidir. Sistemin başarılı ve verimli bir şekilde çalışması için çok önemli bir rol oynar. Sistemin verimliliğinin yüksek olabilmesi için adsorbent yatağının hem ısı toplama hem de ısı bırakma özelliğinin mümkün olduğunca iyi olması gerekmektedir [4]. Bununla birlikte, adsorbat yüksek buharlaşma gizli ısısına ve uygun kaynama noktasına sahip olmalıdır [8]. Adsorpsiyonlu sistemlerde için birbirinden farklı kimyasal yapıya ve yüzey özelliklerine sahip adsorbentler kullanılmaktadır. Bunlardan en önemlileri silika jel, zeolite ve aktif karbondur. Adsorbat madde olarak genellikle su, amonyak ve metanol kullanılmaktadır. Bu maddelerin değişik kombinasyonları bulunmaktadır. Sistemin uygun olarak çalışabilmesi için adsorbat-adsorbent çiftinin kurulacak sisteme uygun olarak dikkatli bir şekilde seçilmesi gerekir. Örneğin, amonyak/aktif karbon, metanol/silika jel, su/silika jel adsorpsiyonlu soğutma sistemlerinde yaygın olarak kullanılan adsorbat/adsorbent çiftleridir. Amonyak/aktif karbon çifti regenerasyonu için yüksek sıcaklığa (>120 o C ) sahip ısı kaynağı gerektirir. Su/silika jel, metanol/silika jel o C sıcaklığa sahip kaynaklarda dahi kullanılabilir. Ancak, su adsorbattı 6

16 sıfır derece altı uygulamalarında uygun değildir. Bu yüzden, sıfır derece altı uygulamalarda metanol/silika jel çiftleri kullanılabilir [3]. 3. GÜNEŞ ENERJİLİ ADSORPSİYONLU SOĞUTUCU TASARIMI Güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucuların değişik tasarımları bulunmaktadır. Bu tasarımlar, kullanılan adsorbent yatak sayısına ve adsorpsiyon çevrimine göre değişik kategorilere ayrılabilir. Temel adsorpsiyon çevrimi yanında, ısı ve kütle geri kazanımı prensibine dayanan ileri çevrimleri kullanan tasarımlar da kullanılabilmektedir. İleri çevrimlerdeki temel amaç sistem verimliliğini arttırmaktır. Ancak, ileri çevrimlerin kullanımıyla sistem karmaşıklığı ve maliyeti artar. Tek adsorbent yataklı sistemler basit yapıda ve düşük maliyetlidir. Ancak, bu sistemler kesintili olarak çalışır ve verimliliği düşüktür. Bu tip sistemlerde, güneş enerjisi kullanıldığında, gün içinde gelen güneş ışınımı adsorbent yatağının ısıtılarak adsorbattın desorbe edilmesi için kullanılır. Gece şartlarında ise adsorbent yatağı soğur ve buharlaştırıcıda ısı çekerek buharlaşan adsorbat, adsorbent yatağında yutulur. Bu arada oluşan soğutma etkisi ile buz veya soğuk su üretilir. Daha yüksek verimlilik ve sürekli soğutma elde edebilmek için temel çevrim kullanan ancak iki veya daha fazla sayıda adsorbent yatağı kullanan sistemler tasarlanmıştır [7]. Bu sistemlerde adsorbent yatakları birbirinden farklı çevrim halinde olacak şekilde kullanılarak sürekli bir soğutma etkisi elde edilebilmekte ve sistemin COP değeri de tek yataklı sistemlere göre daha fazla olmaktadır Tek Adsorbent Yataklı Tasarım Güneş enerjili tek adsorbent yataklı sistemlerde, gün içinde desorpsiyon, gece ise adsorpsiyon ile birlikte soğutma etkisi görülür. Bunun yanında, adsorpsiyonlu soğutucu sistemlerinde desorpsiyon/adsorpsiyon oranını etkileyen en önemli faktörlerden biri de sistemin vakum durumudur [2]. Adsorpsiyonlu sistemlerde bağlantı yerleri ve valflardan hava sızıntıları olabilir. Bu durumu ortadan kaldırmak için, bileşenler arasındaki bağlantıları kaldırarak güneş kolektörü, adsorpsiyon yatağı, yoğuşturucu ve buharlaştırıcının tek bir tüp içinde toplandığı güneş enerjili soğutma tüpleri geliştirilmiştir. Böylece, sistem içinde bağlantı ve valf ihtiyacı ortadan kaldırılmıştır. Güneş enerjili soğutucu tüpünün çizimi ve kesit görüntüsü Şekil 3 de verilmiştir. 7

17 Şekil 3: Güneş enerjili soğutucu tüp tasarımı [5] Güneş soğutma tüpü iç ve dış cam tüplere sahiptir. İki cam tüpün alt uçları kapalıdır. İç ve dış tüplerin üst uçları aynı yerde birleşmektedir. Güneş kolektörü ve adsorbent yatağı dış cam tüp içindedir. İç cam tüp adsorbent yatağı içine yerleştirilmiş olup adsorbent yatağını soğutmaktadır. Adsorbent yatağı gün içinde güneş enerjisi ile ısıtıldığından, desorbe edilen adsorbat buharı, buhar geçişlerinden yukarı ilerler ve dış cam tüpün üst ucunda yoğuşur. Yoğuşan adsorbat yerçekiminin etkisiyle dış tüpün aşağı ucuna akar. Gece şartlarında, adsorbent yatağı soğuduğunda, dış tüpün alt ucunda bulunan yoğuşmuş adsorbat dışarıdan ısı çekerek buharlaşır ve adsorbent yatağı tarafından tekrar yutulur. Dikkat edilirse, sırasıyla dış tüpün üst ve alt uçları yoğuşturucu ve buharlaştırıcı görevi yapmaktadır. Isı kaybını azaltmak ve güneş kolektörünün verimliliğini arttırmak için adsorbent yatağının ısıtılmasında vakum tüp güneş kolektörü kullanılmaktadır. Kolektörde kullanılan yutucu yüzey alanı m 2 olmak üzere kolektör toplam yüzey alanı 0.07 m 2 dir. Adsorbent yatağının uzunluğu 1400 mm, iç çapı 10 mm dış çapı 36 mm olan silindir biçimindedir. Bunun yanında, adsorbent yatağı içinde her biri 4 mm çapında ve 1400 mm uzunluğunda birbirine simetrik olarak yerleştirilmiş üç buhar geçişi bulunmaktadır. Bütün tüp, güneş ışınımı geçirgenliği yüksek borosilikat camdan yapılmıştır. Vakum tüp güneş kolektörü yutucu yüzeyi olarak güneş ışınımını yutma özelliği yüksek, yayma özelliği düşük olana seçici kaplama malzemesi alüminyum nitrür ile kaplanmış alüminyum kullanılmıştır. Adsorbat- adsorbent çifti olarak Su-Zeolite13X çifti kullanılmıştır. Tasarımla ilgili bazı teknik parametreler Tablo 1 de sunulmuştur. 8

18 Tablo 1: Güneş Enerjili Soğutma Tüpü Temel Parametreleri [5] PARAMETRE DEĞER PARAMETRE DEĞER Dış cam tüpü dış çapı 58 mm Cam tüp kalınlığı 1,5 mm Vakumlu güneş kolektör tüpü dış çapı 47 mm Yoğuşturucu uzunluğu 200 mm Vakumlu güneş kolektör tüpü iç çapı 38 mm Buharlaştırıcı uzunluğu 200 mm Adsorbent yatağı dış çapı 35 mm Güneş kolektörü/adsorbent yatağı uzunluğu 1400 mm Adsorbent yatağı iç çapı 8 mm İç cam tüpü uzunluğu 1550 mm İç cam tüpü dış çapı 8 mm Adsorbent yatağı kütlesi 1,15 kg Güneş enerjili soğutucu tüpü yoğuşturucu ucu, yoğuşma ve soğutma su tankına, buharlaştırıcı ucu da soğutulan su tankına batırılmıştır. Yoğuşma su tankı, gün içinde desorbe olmuş adsorbat buharının yoğuşma esnasında attığı ısıyı toplamak için kullanılır. Soğutucu su tankı gece süresince adsorbent yatağından açığa çıkan adsorpsiyon ısısını toplamak için kullanılır. Soğutulan su tankı gece süresince adsorbatın buharlaşması sonucunda elde edilen soğutma kapasitesinin toplanması için kullanılır (Şekil 4). Şekil 4: Güneş soğutucu tüpü su tankları [5] Soğutma tüpleri kullanılarak oluşturulan örnek bir deneysel tasarımı Resim 1 de görülmektedir. Tasarım 60 adet güneş enerjili soğutucu tüpü, yoğuşma, soğutucu ve soğutulan su tankları ve su borularından oluşmuştur. 9

19 Resim 1: Güneş enerjili soğutma tüpü deneysel kurulumu [6] Şekil 5(a), deney tasarımının adsorbent yatağı, yoğuşma suyu, ortam sıcaklıkları ve güneş ışınımı değerlerinin gün içindeki değişimini göstermektedir. Desorpsiyon işlemi sırasında, adsorbent yatağı güneş enerjisi kullanılarak 7:30-5:00 saatleri arasında ısıtılmakta ve en yüksek değer olan 210 o C sıcaklığa ulaşmaktadır. Güneş ışınımı en yüksek değerine saat 12:00 da ulaşmaktadır. Gün içinde güneş enerjili güneş tüpüne gelen güneş ışınımı 19 MJ/m 2 dir. Net güneş kolektörü alanı 2.28 m 2 dir. Ortam sıcaklığı o C arasında değişmektedir. Yoğuşma su tankı içindeki 120 kg su adsorbat buharı tarafından yoğuşma esnasında dışarı atılan ısı ile desorpsiyon işlemi sonunda 49 o C sıcaklığa ulaşabilmiştir. Şekil 5(b), soğutulan su, soğutma suyu ve ortam sıcaklığının gece boyunca olan değişimini göstermektedir. Adsorpsiyon işlemi sırasında, soğutulan su tankı içindeki 25 o C sıcaklıktaki 145 kg su 12 o C sıcaklığa düşürülmüş ve 120 kg soğutma suyu 25 o C sıcaklıktan 36 o C sıcaklığa adsorbent yatağında gerçekleşen adsorpsiyon sonucu dışarı atılan ısıyla 36 o C ısıtılmıştır. Soğutma kapasitesi 7880 kj ve COP yaklaşık olarak gerçekleşmiştir. sistem Şekil 5: Gün içinde ve gece boyunca sıcaklık değişimleri [6] 10

20 3.2. İki Adsorbent Yataklı Tasarım Tek adsorbent yataklı sistemlerin kesintili çalışmasından dolayı sürekli soğutma etkisi elde edebilmek için yatak sayısının artırılması gerekmektedir. Böylece, adsorbent yatakların birbirini izleyen hallerde olmasını sağlayarak sürekli bir soğutma etkisi yaratılmaktadır. Tasarımlarda, iki veya daha fazla sayıda adsorbent yatak kullanılabilir. Ancak, iki adsorbent yatağa sahip sistemler basit tasarımıyla dikkat çekmektedir. Ana elemanlarıyla tasarım yapısı, bir basınç kabı içindeki 4 farklı hazneden oluşmuştur. (Şekil 6). Tasarımda, yukarıdan aşağıya doğru; ilk hazne yoğuşturucu, ortadaki iki hazne üreteç/toplayıcı adsorbent yatağı, en aşağıdaki dördüncü hazne de buharlaştırıcıdır. Üreteç/Toplayıcı hazneleri üste bulunan yoğuşturucuya ve altta bulunan buharlaştırıya flap valfleri ile bağlanmıştır. Hazneler içine ısı değiştiriciler yerleştirilmiştir. Isıtılan adsorbent yatakta, yoğuşturucuya bağlı valf, adsorbatın yoğuşturucuya desorbe olmasına izin verecek şekilde açılırken buharlaştırıcıya bağlı olan valf kapalıdır. Aynı anda, diğer adsorbent yatak soğutulmakta ve buharlaştırıcıya bağlı olan valf buharlaştırıcıdan gelen adsorbatı yutmaya izin verecek şekilde açılırken yoğuşturucuya bağlı olan valf kapalıdır. Isıtılan ve soğutulan yataklar ve valf yönleri çevrim sonunda değiştirilerek sürekli soğutma etkisi elde edilebilmektedir. Şekil 6: İki adsorbent yataklı adsorpsiyonlu soğutucu şeması [1] Tasarım ile kapalı bir çevrim kullanılarak soğuk su elde edilmektedir. Adsorbat-adsorbent çifti olarak su-silika jel kullanılmaktadır. Silika jel, herhangi yapısal değişime uğramadan ve hacim artışı olmadan suyu rahatlıkla yutabilir. Aynı zamanda, sıcaklığının artması ile de suyu kolaylıkla desorbe edebilmektedir. Bunların yanında, bu işlemleri yapısını kaybetmeden çok uzun süre yapabilmektedir. Buharlaştırıcıda gerçekleşen buharlaşma, buharlaştırıcı basıncına bağlıdır. Normal atmosfer basıncında (760 mm Hg), su 100 o C sıcaklıkta buharlaşmaktadır. Bilindiği gibi, ortam basıncı düşürülürse suyun buharlaşma sıcaklığı da azalır. Sistemin buharlaştırıcısında mm Hg vakum elde edilmesiyle su düşük sıcaklıklarda buharlaşarak çevresinden ısı çekebilmektedir. Sistem tamamen otomatik olarak temel olarak 4 adımda çalışır. Sistemin çalışmasından önce basınç kabı içindeki hava bir pompa yardımıyla boşaltılır. Bu işlem sadece başlangıç çalışmasında yapılır, daha sonra sadece periyodik olarak yapılır. İlk olarak su buharlaştırıcıya 11

21 gelir ve soğutulan sudan ısı çekerek buharlaşır. İkinci adımda, buharlaşan su toplayıcı adsorbent yatağı tarafından adsorbe edilir. Üçüncü adımda adsorbe edilen su ısıl enerji kullanılarak desorbe edilir. Adsorbent yatağı toplayıcı durumundan üreteç durumuna döner. Desorbe edilen su yoğuşturucuda soğutma suyu kullanılarak yoğuşturulur. Çevrim yoğuşturucuda yoğuşan suyun buharlaştırıcıya dönüşüyle tamamlanır. Gerçekleşen çevrimin çalışma süresi 5-7 dakikadır. İki adsorbent yatağından biri üreteç görevi yaparken diğeri toplayıcı görevi yapar. Çevrim zamanının sona ermesinden sonra adsorbent yatağındaki işlemler değiştirilir. Böylece, sürekli bir soğutma elde edilmiş olur. Bu tip tasarımların verimliliği 0, arasında değişmektedir. Sistemin kontrolü buharlaştırıcıya giren soğutulan su sıcaklığı ile yapılır. Soğutulan su sıcaklığı istenilen değeri aştığında sistem adsorbent yatakları arasında üreteç/toplayıcı dönüşümünü devam ettirerek soğutma kapasitesini üst değerde tutar. Ancak, soğutulan su sıcaklığı arzu edilen sıcaklık limitinin altına düştüğünde sistem çevrim sonunda üreteç/toplayıcı dönüşümünü yapmaz. Bunun yerine, mevcut durumdaki üreteç ısıtılmaya devam edilir. Böylece, buharlaştırıcıda buhar üretimi azaltılarak soğutma kapasitesi düşürülür. 4. SONUÇ Bu çalışmada temel adsorpsiyon çevrimi kullanan tek ve iki yataklı güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucu tasarımları incelenmiştir. Sorpsiyon teknolojisi kullanarak elektrik tahrikli kompresör yerine ısıl enerji ile çalışan sistemler yapılabilir. Adsorpsiyonlu sistemler, sorpsiyon teknolojisinde iyi bir alternatiftir. Bu sistemler, adsorbent yatağının buharlaştırıcıdan gelen adsorbatı yutması ve bir ısı kaynağının adsorbent yatağını ısıtması sonucu adsorbatın desorbe edilmesi ile çalışır. Bu durum, absorpsiyonlu sistemlere benzese de soğutkanın bir pompa ile dolaştırılmasına gerek yoktur. Bu yüzden, adsorpsiyonlu ve absorpsiyonlu sistemler, çevrim ve yapı itibariyle birbirinden oldukça farklıdır. Adsorpsiyonlu soğutucular sessiz, dayanıklı, üretimi basit ve çevreyle uyumludur. Herhangi hareketli parça içermeyen, basit tasarımda, düşük işletme ve bakım maliyetine sahip sistemlerdir. Elektrik kesintilerinde adsorpsiyonlu soğutucunun zarar görme riski yoktur. Düşük ısıtma suyu sıcaklıklarında (50 o C mertebelerinde) verimli olarak çalışabilir. Tasarım içinde kristalleşme riski olmadığından soğutma suyu için alt sıcaklık sınırı yoktur. Isıtma suyu sıcaklığı 100 o C ye kadar çıkabilir. Güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucular büyük ticari potansiyelleri olmasına rağmen, ilk maliyetinin yüksek olması ve verimliliklerinin düşük olmasından dolayı elektrik tahrikli kompresör kullanan sistemlere karşı dezavantajlı görülebilir. Ancak, ilk maliyet probleminin teknolojik gelişmelerle ve sistemin yaygın kullanımı ile nispeten düşeceği öngörülebilir. Düşük verimlilik değerlerinin arttırılması için, ısı ve kütle geri kazanımı prensiplerine dayanan çevrimler geliştirilmektedir. Bununla birlikte, ileri çevrimlerin kullanılması ile basit tasarımdan belirli ölçüde uzaklaşılır. Pompaların ve ısı geri kazanım çevrimlerinin eklenmesi ile sistemin karmaşıklığı ve maliyeti artar. Buna rağmen, sistemin yenilenebilir enerji kaynaklarından güneşi kullanarak soğutma elde edebilmesi oldukça önemlidir. Güneş enerjili sistemler için genel bir problem olan sistemin yüksek oranda çevresel faktörlere (Dış hava sıcaklığı, güneş ışınımı, rüzgar hızı vb.) bağlı olması güneş enerjili soğutucular için de geçerlidir. Güneş enerjili soğutucular ile birlikte yardımcı soğutma sistemlerinin kullanılması ile bu sorunlar ortadan kaldırılabilir. Yurt dışında üretimleri gerçekleştirilen güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucular, ulusal bilgi birikimleriyle ülkemizde de tasarlanılabilir. Araştırmacıların ve üretici firmaların konuya eğilerek güneş enerjili adsorpsiyonlu soğutucu teknolojisinin ülkemize kazandırılması gerekmektedir. 12

22 KAYNAKLAR [1] Adsorption Chiller NAK GBU Technical Description, 1999, http: // smartenergy.arch.uiuc.edu / pdf/ clearinghouse / adsorption%20chiller.pdf [2] Anyanwu, E.E., 2003, Review of solar adsorption solar refrigerator I: An overview of the refrigeration cycle,energy Conversion Mangement, 44, s [3] Critoph R.E., 1988, Performance limitation of adsorption cycles for solar cooling, Solar Energy,Vol. 41, No. 1, 21-31p [4] Ho,Y.K., 2003, An optimization model for a solar hybrid water heating and adsorption icemaking system, Master of Philosopy Thesis, The University of Hong Kong. [5] Ma, X., Liu, Z. and Zhao, H., 2006, Experimental Study of A Solar-Powered Adsorption Cooling Tube, Energy&Fuels, 20, p [6] Ma, X., Liu, Z. and Zhao H., 2007, Development of solar-powered adsorption cooling tube, Energy&Fuels, 21 (1), p [7] Meunier F., 2001, Adsorptive cooling: A clean technology, Clean Production Processes, 3, 8-20p [8] Siddeye, M.A., Wang, Q. and Guangming, C., 2007, Evaluation of Adsorption and Termodynamic Performance of R-123-Activated Carcon Working Pair, Energy&Fuels, 21, p 13

23 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 AMORF Si:H P-İ-N GÜNEŞ PİLLERİNDE DOĞRU AKIM-VOLTAJ ÖLÇÜMLERİ Prof. Dr. Ruhi KAPLAN, Prof. Dr. Bengü KAPLAN Mersin Üniversitesi, Eğitim Fakültesi, Ortaöğretim Fen ve Matematik Alanlar Eğitimi Bölümü, Yenişehir Kampüsü, Mersin, Türkiye. ÖZET Yenilenebilir enerji türleri içinde fotovoltaik güneş pilleri önemli bir yer tutmaktadır. Bu piller kristal ve amorf yapıda çeşitli yarıiletken materyallerden yapılmaktadır ve güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmektedir. Günümüzde diğer güneş pilleriyle karşılaştırıldığında ekonomik yönden rekabet gücü en yüksek olan güneş pili hidrojenlenmiş amorf silikon (a-si:h) p-i-n eklemidir. Yüksek teknoloji ürünü olan bu piller, PECVD (Plasma- Enhancemet Chemical Vapour Deposition) yöntemiyle üretilmektedir. Laboratuvar koşullarında, a-si:h p-i-n güneş pillerinde % 15 lere varan verim değerleri rapor edilmiştir. Ancak kristal yapıdaki değerine (%25) göre bu değer henüz küçüktür. Verim ve kalite çalışmaları yoğun bir şekilde sürdürülmektedir. A-Si:H p-i-n güneş pillerinin veriminin ve kalitesinin arttırılması büyük ölçüde güneş pili parametrelerinin iyileştirilmesine bağlıdır. Biz bu çalşmamızda, PECVD metoduyla üretilmiş a-si:h p-i-n eklemi güneş pillerinde belli bir ışık şiddeti altında, fakat farklı sıcaklıklarda akım yoğunluğu - voltaj (J-V) karakteristik eğrilerini ölçtük. Eğrilerden, güneş pili parametreleri olan kısa-devre akım yoğunluğu J sc, açık devre gerilimi V oc, dolum faktörü FF ve verimi η yı hesapladık. Bunların sıcaklık bağımlılıklarını detaylı inceledik ve mevcut teori ve modeller çerçevesinde sonuçlarımızı yorumladık. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik, a-si:h p-i-n güneş pilleri, J-V karakteristiği, performans parametreleri, sıcaklık-bağımlılığı ABSTRACT Photovoltaic solar cells are very important within other renewable energy resources. These cells are made of several semiconductor materials in structures of crystal and amorphous, and they convert sunlight directly into electrical energy. When compared other solar cells, hydrogenated amorphous silicon (a-si:h) p-i-n junction solar cells economically have the highest competition. These cells are the high technology products, and produced by PECVD method. Up to now, a conversion efficiency of 15 % was reported for a-si:h p-i-n solar cells in the laboratory conditions..however, it is small yet, when compared crystalline counterpart (25%). Works on the cell quality and the conversion efficiency are still continuing. Mostly they depend on solar cell parameters measured. In this work, under a certain light intensity, but at different temperatures, we have measured the current density voltage (J-V) characteristic curves of a-si:h p-i-n junction solar cells produced by PECVD method. From these characteristic curves, we calculated the solar cell parameters, such as the short-circuit current density J sc, the open-circuit voltahe V oc, the fill factor FF and the efficiency η. We investigated 14

24 their temperature dependence in detail, and interpreted our results in the frame of theories and models exist. Keywords: Photovoltaic, a-si:h p-i-n solar cells, J-V characteristics, cell parameters, temperature-dependence. 1. GİRİŞ Fotovoltaik enerji dönüşümü, yüksek-teknoloji vasıtasıyla güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmektir. Güneş pilleri ise, güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürme özelliğine sahip yarıiletken cihazlardır. Elde edilen elektrik doğru akım (dc) olup, ya bu haliyle, veya alternatif akıma çevrilerek kullanılabilir, ya da daha sonraki kullanım için depo edilebilir. İlk pratik güneş pili 1954 de Bell Laboratuvarı nda geliştirildi [1]. Başlangıçta, güneş pilleri tek kristal silikon yarıiletken-ızgaralardan yapıldı ve daha çok örneğin yapay uydularda olduğu gibi uzay uygulamalarında güç kaynağı olarak kullanıldı. Çok büyük uzay programı bütçesi yanında bu piller hem ucuza mal olmakta hem de güvenilirdi lerin ilk yıllarında endüstriyel dünyadaki petrol sağlayıcıların dağılımı, karasal uygulamalar için alternatif bir güç kaynağı olarak fotovoltaik enerji dönüşümünün ciddi olarak dikkate alınmasına yol açtı. O zamandan beri güneş pili araştırma çabaları, bu pillerin performansının iyileştirilmesi, maliyetinin düşürülmesi ve pillerin güvenilirliğinin arttırılması üzerine odaklanmıştır. Geçen yıllarda araştırmacılar olağanüstü ilerlemeler kaydetse de, bu alanlar günümüzde hala ana araştırma konularıdır [2]. İnsanoğlu günümüzde kullandığı fosil ve nükleer yakıtlara dayalı geleneksel enerji kaynaklarının sınırlı oluşunun, çevreye verdiği zararların ve dolayısıyla iklim değişikliklerinin daha çok farkına varmakta; bu nedenle fotovoltaik ve foto-termal enerji gibi yenilenebilir ve çevresel enerji kaynaklarına yönelmektedir. Bu anlamda en basit biçimiyle bir fotovoltaik cihaz, bir güneş güç bataryası olup, sadece güneş ışığı tüketir ve yakıtı da güneş ışığıdır. Hareketli kısmı yoktur, çalışması çevreye zarar vermez; dış etkenlere karşı cihazın koruması sağlandığında kolay kolay eskimez. Güneş ışığı her zaman ve her yerde elde edilebilir olduğundan, güneş pilleri çok daha fazla avantajlara sahip olmakta, ve bu avantajlar onları yeryüzünde ikamet eden herkes tarafından kullanılabilir yapmaktadır. Fotovoltaik sistemler modülerdir, bu nedenle elektrik güç çıkışları pratikte herhangi bir uygulama için, örneğin düşük güçle çalışan kol saati, hesap makineleri ve küçük şarz bataryalarından büyük enerji ihtiyacı olan elektrik kullanım merkezlerine güç üreteci olarak uygundur. Ayrıca, diğer geleneksel fosil ve nükleer yakıtlardan farklı olarak, fotovoltaik sistemlerde modüler güç artışı kolayca eklenebilir. Güneş pilleri tek kristal, poli kristal ve amorf materyallerden yapılabilmektedir. En yüksek verimli tek-eklem güneş pilleri tek kristal silikon, GaAs ya da InP dan yapılmaktadır. Tek kristal silikon güneş pillerinde verim % 23, GaAs pillerde % 25 civarındadır. Güneş ışığı yoğunlaştırıcısı (odaklayıcı) kullanıldığı zaman, aynı tek kristal silikon pilde verim % 28 e, GaAs pilde % 29 a yükselmektedir. Şimdiye kadar en yüksek verim (% 34), 100-Sun yoğunlaştırıcı (karasal güneş ışık şiddetinin 100 katı) altında GaAs/GaSb çok-eklemli (stacked) pillerde elde edilmiştir. 15

25 Yüksek performans ve yüksek güvenilirlikli güneş pilleri için en yaygın olarak tek kristal silikon materyali kullanılır. Uzay uygulamaları için daha çok bu materyalden yapılan fotovoltaik sistemler tercih edilir. Ancak tek kristal üretimi için kullanılan yöntemler (Czochralski veya float cone) çok pahalıdır. Biraz daha az pahalı olan polikristal silikon güneş pillerinde ise verim % 18 civarındadır. Güneş pillerinin karasal (terrestrial) uygulamaları iki şekilde karşımıza çıkmaktadır: (i) genişyüzeyli ince film güneş pilleri, (ii) yoğunlaştırıcı sistem kullanan tek kristal piller. İnce film durumunda, maliyet nispeten düşük ve üretim kolay, ancak verim düşük; yoğunlaştırıcı sistem kullanımı durumunda ise, pahalı tek kristal güneş pili üretimi, fakat daha yüksek ışık şiddeti altında daha yüksek enerji dönüşüm verimi söz konusudur. İnce film güneş pillerinde, ışık absorplayıcı katman kalınlığı kullanılan materyalin optiksel absorpsiyon uzunluğundan birkaç kat fazla olması nedeniyle, direkt-band aralıklı güneş pilleri çok ince, genellikle birkaç mikron kalınlıkta yapılabilmektedir. Bu da pil yapımında daha az materyal kullanımı gerektireceğinden, maliyeti düşürmektedir. Ayrıca ince film güneş pilleri, geniş tabanlara depo edilebilmekte ve dolayısıyla üretim sürekliliği sağlanmaktadır. İnce film güneş pilleri, Cu 2 S/CdS, Si, CuInSe 2, Cu(InGA)Se 2 ve CdTe gibi materyallerden üretilebilmektedir. Verim arttırma çalışmaları yoğun bir şekilde sürmektedir [3]. Hidrojenlenmiş amorf silikon (a-si:h) kökenli ince film güneş pilleri, ilk olarak 1970 li yılların ortalarında rapor edildi. O yıllardan beri, teknik ilgi görmesinden dolayı yoğun araştırma konusu olmuştur. Bu tip güneş pilleri, genellikle SiH 4 (silane) in GDD (Glow Discharge Decomposition) yöntemiyle çökertilmesi sonucu elde edilmektedir. Gerçekte saf silikon fazla kusur (defects) içerdiğinden, iletkenden çok yalıtkan özellik gösterir. Ancak araştırmalar göstermştir ki, bu kusurların bir kısmı amorf silikon hidrojenlenerek giderilebilir ve dolayısıyla katkılanarak iletkenliği arttırılabilir. A-Si:H, amorf yapısı nedeniyle optiksel olarak yüksek absorplama özelliğine sahiptir. Üretimi, kristal yapıya göre nispeten daha kolay ve geniş alanlı, dolayısıyla maliyeti de daha ucuzdur. Sisteme modifikasyonu kolaydır. Amorf silikon güneş pilinin en yaygın olarak kullanılanı, cam taban (substrate) üzerine p-i-n yapıdaki fabrikasyonudur. Bu tip güneş pili, genellikle soda-kireç-silikat (soda-lime-silicate) cam taban üzerine önce ince bir silikon dioksit tampon tabakası, sonra da kalay oksit tabakası depo edilerek imal edilir. Görünür dalgaboyundaki ışığın tuzaklanımını arttırmak için, çoğu kez kalay oksit pürüzlendirilir (textured). Bu nedenle güneş pili karanlık görünür. Genellikle p- katmanı, Bor ile katkılanmış bir a-sic:h alaşımıdır. Katkısız olan i-katmanı ise, tipik olarak yaklaşık nm kalınlığında olup, ışık altında katkısız davranışı garantiye almak amacıyla çoğu kez az bir miktar Bor içerir. Yaklaşık nm kalınlıkta olan n-katmanı ise, fosfor katkılanmış a-si:h den yapılmıştır. Bu tip güneş pillerinin ışığı elektrik enerjisine dönüştürme verimi için, laboratuvar koşullarında %15 e varan verim rapor edilebilmiştir [4]. A-Si:H p-i-n güneş pillerinde verimi, dolayısıyla pil kalitesini etkileyen önemli bir sorun mevcuttur. Staebler-Wronski etkisi olarak da bilinen bu surun şudur: ışığa maruz bırakıldığında pillerin veriminde zamanla azalma gözlenmesidir. Deşiklerin (holes) tuzaklanması gibi, ışıkla üretilmiş taşıyıcıların rekombinasyonu, enerji aralığının ortasına yakın seviyelerde ara durum sarkık-bağ seviyeleri yaratır. Bu da, diffüzyon uzunluğunu azaltır, fakat i-katmanındaki uzay yük yoğunluğunu arttırır. Dolaysıyla her iki etki birden, güneş pilinin performansını azaltır. Eğer güneş pili uzun süre karanlığa bırakılırsa, ışığa maruz kalmadan önceki durumuna geri döner. Bir başka deyişle, eğer güneş pilinin maruz kaldığı ışık şiddeti artarsa, veriminde ve dolayısıyla performansında azalma gözlenir; karanlıkta pilin sıcaklığının yükseltilmesi ise, zararın giderilmesine, yani pilin önceki halini geri almasına sebep olur. 16

26 A-Si:H p-i-n güneş pilleri, diğer güneş pilleri ile karşılaştırıldığında şu an için ekonomik rekabet gücü en yüksek olanıdır. Bu pillerin verimini yükseltme çabaları günümüzde yoğun bir şekilde sürmektedir. Pillerin verimi ve dolayısıyla kalitesi, büyük ölçüde pillerin performans değerlerinin iyileştirilmesine bağlıdır. Biz bu çalışmamızda, a-si:h p-i-n güneş pilinde, ışık altında farklı sıcaklıklarda elde ettiğimiz J-V karakteristik eğrilerinden güneş pili çıkış parametreleri olan kısa devre akımı J sc, açık devre gerilimi V oc, dolum faktörü FF, ve verimi η yı hesapladık. Bunların sıcaklığa bağımlılığını detaylı inceledik ve mevcut modeller ışığında sonuçlarımızı yorumladık. 2. GÜNEŞ PİLİ ÇIKIŞ PARAMETRELERİ Bir güneş pilinin çıkışı, genellikle aşağıda verilen 4 parametre ile tanımlanır: (i) Kısa devre akım yoğunluğu, J sc (ii) Açık devre gerilimi, V oc (iii) Dolum (Fill) faktörü, FF (iv) Güneş pili verimi, η. Bu parametreler, aşağıdaki Şekil 1 de gösterilmiştir. 0 V (volts) (0,V oc ) Açık devre voltaj noktası J (ma/cm 2 ) (J sc,0) Kısa devre akım noktası (J mp,v mp ) Maksimum güç noktası Şekil 1. Güneş pili çıkış parametreleri İdeal olarak kısa devre akım yoğunluğu J sc, sıfır volt beslem altında (V=0) ışıkla üretilmiş fotoakım yoğunluğu değerine, yani J L ye eşittir. Spektrumu bilinen bir ışık kaynağı altında, özel bir güneş pili için, pilin spektral fototepkisi, 17

27 J sc = n(e) x QE(E) de (1) ile verilir. Burada QE(E), dış (external) kuvantum verimi; n(e) ise, birim zaman ve birim alan başına enerji aralığındaki (E, E+dE) var olan fotonların sayısıdır. Bu fotonların sayısı, yani n(e), n(e) = [(2π)/(c 2 h 3 )] [E 2 /exp(e/kt)-1] (2) şeklinde tanımlanır. Burada c ışığın boşluktaki hızını, h planck sabitini, k Boltzmann sabitini, T de sıcaklığı göstermektedir. Standart bir diyod denkleminden, J = J 0 [exp(qv/akt)-1]-j sc (3) yazabiliriz. Burada J 0 ön faktörü (akım için), q temel elektronik yükü, V uygulanan gerilimi, A diyod kalite faktörünü, Jsc de daha önce tanımlanan kısa-devre akımını göstermektedir. J=0 da, açık devre gerilimi için, elde edereiz. Dolum (fill) faktörü FF, aşağıdaki gibi tanımlanabilir. V oc = (AkT/q) ln (J sc / J 0 + 1) (4) FF = (P mp ) / (V oc J sc ) = (V mp J mp ) / (V oc J sc ). (5) Burada V mp ve J mp, maksimum güç noktasının sırasıyla voltaj ve akım yoğunluğu koordinatlarıdır (bakınız Şekil 1). FF, J-V eğrisi içindeki kare oluşumunun bir ölçüsüdür, ve dolayısıyla güneş pilinin kalitesini gösteren bir kriterdir. Güneş pilinin ışığı elektrik enerjisine dönüştürme verimi η, maksimum elektriksel çıkş gücünün (P çıkış ) güneş pili üzerine gelen ışık şiddetinin gücüne (P giriş ) oranı olarak tanımlanır. Yani, η = P çıkış / P giriş = (V mp J mp ) / P giriş = (V oc J sc FF) / P giriş (6) şeklinde verilir. 3. DENEYSEL DETAY Kullanılan a-si:h p-i-n güneş pilinin yapısı Şekil 2 de gösterilmiş olup, tabanı (substrate), AFG (PVTCO) tarafından imal edilmiş pürüzlü (textured) SnO 2 kaplamalı camdan yapılmıştır. Tek eklem a-si:h p-i-n katmanları, BP Solarex de PECVD tekniğiyle depo edilmiştir. P- katmanı, a-si:c dur. Eni 0,8 cm olan SnO 2 şeridi, bir ucundan In-lehim ile SnO 2 ye kontaklıdır. Güneş pili alanı 0,27 cm 2 dir. Kullanılan ölçüm sisteminin şematik diyagramı ise Şekil 3 de verilmiştir. Fotoakım yoğunluğunun sıcaklıkla değişiminin ölçülmesi, 220 K ile 400 K arasında yapılmıştır. Işık kaynağı olarak, şiddeti 100mW/cm 2 (AM 1,5) olan bir tungsten halojen lamba kullanıldı. J-V karakteristik eğrilerinin ölçümü, 4-uç (four-probes) kontak tekniğiyle ve programla otomatik olarak yapıldı. J-V verisi önce bir diske kaydedildi, daha sonra diğer analizler için ana bilgisayara transfer edildi. Güneş pili parametreleri yine programla otomatik olarak hesaplandı. 18

28 TCO/p ara yüzeyi Üst kontak SnO 2 kontak (Ag pasta) a-si:h p-i-n SnO 2 Cam λ λ λ Şekil 2. A-Si:H p-i-n güneş pilinin yapısı (yandan görünüm). Güç Kaynağı Pil Voltajı HP 7047 X-Y Çizici Işık Kaynağı Pil Odası HP6825 Güç Kaynağı Bilgisayar Kompresör / Vakum Pompası Soğuk Başlık / Isıtıcı Pil Akımı Yazıcı Sıcaklık Kontrol Ünitesi Şekil 3. Kullanılan deneysel ölçüm sistemi. 19

29 3. SONUÇLAR VE TARTIŞMA Güneş pili karakterizasyonu için J-V (akım yoğınluğu voltaj) ölçümü, deneysel teknikler içinde en yaygın kullanılan metodlardan biridir. Şekil 4, 100 mw (AM 1,5) şiddetindeki ışık altında J-V karakteristik eğrilerinin sıcaklıkla değişimini göstermektedir. 70 J (ma/cm 2 ) K 373 K 353 K 333 K 313 K 298 K 278 K 253 K 223 K ,4 0,0 0,4 0,8 1,2 1,6 2,0 V (volt) Şekil mw/cm 2 (AM 1,5) ışık şiddeti altında, a-si:h p-i-n güneş pilinin J-V karakteristik eğrilerinin sıcaklıkla değişimi. Şekil 4 den görüleceği üzere, ileri beslem durumunda sıcaklık yükseldikçe, eğriler beklendiği gibi düşey eksene, yani ideal duruma doğru yaklaşmaktadırlar. Ters beslem bölgesinde ise, eğriler hemen doyuma ulaşmaktadır. Bu da ışık altında üretilen fotoakım taşıyıcılarının (elektron ve deşikler) rekombinasyona uğramadan fotoakım üretmek için dış devreye sürüldüklerini gösterir. J-V ölçüm verisinin alalizi, J sc, V oc, FF, seri direnç R s ve şönt (paralel) direnç R sh güneş pili parametrelerini verdiği gibi, aynı zamanda akım taşıma (transport) mekanizması ve eklem özellikleri hakkında da bilgi verir [5]. Şekil 5 de, açık-devre voltajı V oc nin sıcaklık ve J 0 akımına (Denk. 4) bağlı olarak değişimi gösterilmiştir. Şekil 5 (a) dan görüleceği üzere, sıcaklık artarken V oc hemen hemen doğrusal olarak azalmaktadır. Bu da Denk.(4) den beklediğimiz bir sonuçtur. Şekil 5 (b) de ise, J 0 ın düşük değerlerinde V oc küçük bir artış gösterse de, genelde J 0 artarken V oc hızla azalmaktadır. Şekil 6 (a) da, V oc nin kısa-devre akımı J sc ye bağlılığı verilmiştir. Buradaki veri T= K aralığındaki sıcaklık bölgesinde alınmıştır. Düşük sıcaklıklarda ve V oc <0,75 V altında, J sc hızla azalmakta; orta sıcaklıklarda ve 0,75 V <V oc < 0,9 V aralığında, J sc deki azalma çok 20

30 1,1 1,0 1,0 0,9 V OC (volt) 0,9 0,8 V OC (volt) 0,8 0,7 0,7 0, (a) T (K) 0,6 1E-5 1E-4 1E-3 J 0 (ma/cm 2 ) (b) Şekil 5. A-Si:H p-i-n güneş pilinde açık devre gerilimi V oc nin, (a) sıcaklığa bağlı değişimi, (b) J 0 a göre değişimi. yavaş olmakta ve hemen hemen sabit bir değer almakta; yüksek sıcaklıklarda ve V oc >0,9 V olduğu durumlarda ise, V oc artarken J sc yine hızla azalmaktadır. 16,0 16,0 15,5 15,5 J sc (ma/cm 2 ) 15,0 14,5 J sc (ma/cm 2 ) 15,0 14,5 14,0 14,0 13,5 13,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 V oc (volt) T (K) (a) (b) Şekil 6. Kısa devre akımı J sc nin (a) V oc nin fonksiyonu olarak T= K sıcaklık aralığında değişimi, (b) direkt T sıcaklığının fonksiyonu olarak değişimi. 21

31 Şekil 6 (b) de ise J sc -T grafiği verilmiştir. Buradan da açıkça görüleceği üzere, başlangıçta sıcaklık artarken J sc hızla artmakta, K arasında hemen hemen sabit bir değer (yaklaşık 15 ma/cm 2 ) almakta, 350 K in üzerinde ise yine hızlı bir artış göstermektedir FF (%) FF (%) T (K) 48 13,5 14,0 14,5 15,0 15,5 16,0 J sc (ma/cm 2 ) (a) (b) Şekil 7. Dolum (Fill) faktörünün, (a) sıcaklıkla değişimi, (b) kısa-devre akımı J sc nin fonksiyonu olarak değişimi. Dolum faktörü FF in sıcaklığa bağlı olarak değişimi Şekil 7 (a) da; kısa-devre akımı J sc nin fonksiyonu olarak değişimi ise, Şekil 7 (b) de gösterilmiştir. Şekilden de görüleceği üzere, her iki eğri de benzer bir trend izlemektedir. Başlangıçta FF değeri, artan sıcaklıkla ve J sc ile hızlı bir artış göstererek maksimum bir değere ulaşmakta, daha sonra azalmaktadır. Şekil 8 de, açık-devre direnci R oc, seri direnci R s, ve güneş pili kalite faktörü A nın sıcaklıkla değişimi bir arada karşılaştırmalı olarak gösterilmiştir. Buradan da anlaşılacağı üzere, bu parametreler, sadece R oc başlangıcta sıcaklık artarken kısmi bir azalma göstermesine rağmen, genellikle sıcaklıktan bağımsızdırlar. Yani, sıcaklığa kuvvetli bir bağlılık göstermemektedirler. Açık-devre direnci R oc =14-16 Ω.cm 2 aralığında, seri direnç R s =6-8 Ω.cm 2 aralığında, ve güneş pili kalite faktörü ise A=2-4 aralığında hemen hemen sabit kalmaktadır. 22

32 20 R oc (Ohm. cm 2 ), R s (Ohm. cm 2 ) ve A R oc (Açık-devre direnci) R s (Güneş pili seri direnci) A (Güneş pili kalite faktörü) T (K) Şekil 8. A-Si:H p-i-n güneş pilinde, açık-devre direnci R oc, seri direnci R s, ve güneş pili kalite faktörü A nın sıcaklıkla değişimi. İntegralle Hesaplanmış Kuantum Verimi, IQE (ma/cm 2 ) ,0-1,5-1,0-0,5 0,0 0,5 1,0 Uygulanan Besleme Voltajı, V (volt) Şekil 9. İntegral yoluyla hesaplanmış (integrated) dış kuantum veriminin uygulanan voltaja göre değişimi. 23

33 Şekil 9 da fotoakımın spektral dağılımından, integral yoluyla [6] hesaplanmış dış kuantum veriminin pile uygulanan besleme voltajına göre değişimi gösterilmiştir. Şekilden de anlaşılacağı üzere, yeterince büyük ters beslem altında integre-edilmiş kuantum verimi (IQE) hemen hemen değişmemekte, bu da ters beslem altında üretilen fototaşıyıcıların herhangi bir elektriksel kayıp vermeden toplanarak dış devreye sürüldüğünü gösterir. Ancak yeterince ileri beslem voltajı altında fotoakım taşıyıcıların (elekton-deşik) hızlı rekombinasyon kaybından dolayı, voltaj artarken IQE hızla azalmaktadır. 4. YORUM PECVD tekniğiyle üretilmiş a-si:h p-i-n eklemi güneş pillerinde, dc J-V karakteristik eğrileri AM1,5 sabit ışık şiddeti uyarımında sıcaklığın fonksiyonu olarak ileri ve ters beslem altında deneysel olarak ölçüldü. Elde edilen karakteristik eğrilerden, güneş pili parametreleri, örneğin kısa-devre akım yoğunluğu J sc, açık-devre gerilimi V oc, dolum (fill) faktörü FF ve bazı sabitler, örneğin güneş pili kalite faktörü, açık-devre direnci, seri direnci ve J 0 doyum akımı program kullanılarak otomatik hesaplandı. Bunların sıcaklığa ve birbirlerine göre bağlılığı karşılaştırmalı olarak detaylı analiz edildi. Ayrıca, fotoakımın uyarıcı ışığın dalgaboyuna bağlı ölçümlerinden, integre-edilmiş dış kuantum verimi pile uygulanan besleme (bias) geriliminin fonksiyonu olarak elde edildi. Sonuç olarak, güneş pili parametrelerinin ve dolayısıyla pil veriminin büyük ölçüde pil yapısına ve dolayısıyla optimum üretim koşullarına bağlı olmasının yanında dış etkenlere de, örneğin sıcaklığa bağlılık gösterdiği anlaşılmıştır. Teşekkür Bu çalışma, Mersin Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projesi Birimi tarafından BAP-EF OFMA (RK) no lu proje kapsamında kısmen desteklenmiştir. 24

34 KAYNAKLAR [1] D.M. Chapin, C.S. Fuller, G.L. Pearson, J. Appl. Phys., 25 (1954) 676. [2] M. Florescu, H. Lee, I. Puscasu, M. Pralle, L. Florescu, D. Z. Ting, J.P. Dowling, Solar Energy Materials and Solar Cells, 91 (2007) [3] W.G.J.M. van Sark, A. Meijerink, R.E.I.Schropp, J.A.M. van Roosmalen, E.H.Lysen, Solar Energy Materials and Solar Cells, 87 (2005) 395. [4] S.S. Hegedus, W. N. Shafarman, Prog. Photovolt: Res. Appl., 12 (2004) 155. [5] A. Alkaya, R. Kaplan, H. Canbolat, S.S. Hegedus, Renewable Energy, 34 (2009) [6] S.S. Hegedus, R. Kaplan, Prog. Photovolt: Res. Appl., 10 (2002)

35 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 FARKLI KAPAK AÇILARINDA ÇALIŞAN PROTOTİP BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN DENEYSEL İNCELENMESİ aerkan Dikmen, bnalan Ç. Bezir, aarzu Şencan, bnuri Özek, crefik Kayalı, aengin Ebru Gökgöz asüleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 32260, Isparta bsüleyman Demirel Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü, 32260, Isparta ÖZET Bu çalışmada, yüzey alanı 1.5 x 1.5 m 2 ve derinliği 1.5 m olan deneysel tuz gradyentli bir güneş havuzu tasarlanmış ve imalatı yapılmıştır. Gece boyunca havuz yüzeyinden dışarıya olan ısı kayıplarını azaltmak ve gün boyunca güneş havuzu enerjisinin artan ısı verimliliğini saklamak için yansıtıcı özelliğine sahip katlanabilir iki kapak kullanılmıştır. Bu kapaklar elektrik motoruyla kontrollü olarak 0 ile 180 derece arasında dönebilen, yansıtma özelliğine sahip ve herhangi bir açıda otomatik olarak değişebilmektedir. Kapakların farklı açılarda çalışması durumunda havuzdan elde edilen sıcaklık değerleri ölçülmüş ve grafikler halinde verilmiştir. Böylece havuzdan elde edilecek maksimum sıcaklığı sağlayan kapak açısının değeri belirlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş Havuzu; Güneş Radyasyonu; Isı Transferi; Güneş Kollektörleri EXPERIMENTALLY INVESTIGATION OF PROTOTYPE A SOLAR POND AT DIFFERENT COVER ANGLES ABSTRACT In this study, a solar pond with salt gradient having a surface area 1.5 x 1.5 m 2 and depth of 1.5 m has been designed and made. Two covers, which are collapsible, have been used for reducing the thermal energy loses from the surface of the solar pond during the night and increasing the thermal efficiency of the pond solar energy harvesting during daytime. These covers having reflective properties can be rotated between 0 0 and by an electric motor and they can be fixed at any angle automatically. It has been measured temperature values obtained from pond in the case of work in different angles of the cover and has been given in graphics. Thus, the value of the cover angle providing the maximum temperature to be obtained from the pond has been identified. Key Word: Solar Pond; Solar Rdiation; Heat Transfer; Solar Collectors 26

36 GİRİŞ Güneş havuzlarına ilk kez Kalecsinsky tarafından doğada rastlanmıştır. Kalecsinsky Macaristan ın Karpat dağlarının eteklerindeki, tuzlu bölgede bulunan göllerin derinliklerinde, kışın soğuk aylarında bile sıcaklığın 65 0 C olduğunu gözlemiş ve bu olayın nedenini araştırmıştır. Bu göllerde ilk kez tuz yoğunluğu ölçümlerini yapmış ve derişimin yukarıdan aşağıya doğru arttığını saptamıştır (TABOR, 1981). Kalecsinsky nin doğal güneş havuzlarının keşfinden sonra, güneş havuzlarını yapay olarak oluşturma fikri ilk defa 1954 de Dr. R. Bloch tarafından ortaya atıldı ve 1958 de Tabor İsrail de bu konuda ilk ciddi araştırmayı başlattı (TABOR, 1981). Tabor un Ölü Denizin kıyılarına yakın bir yerde, m 2 alanlı ve 1m derinliğinde olan ilk tuz gradyentli deneysel yapay güneş havuzunu inşa ettiği bilinmektedir. Bu çalışmadan sonra ikinci büyük güneş havuzu da bir tuzlu su çalışma alanı olan Atlith de inşa edilmiştir (TABOR ve MATZ, 1965). Ülkemizde güneş havuzları üzerine ilk bilimsel çalışma 1978 yılında Kayalı tarafından boyutları 4,5m 4,5m 1,5 m olan yalıtımsız küçük bir güneş havuzu ile başlatılmıştır (KAYALI, 1980). Kayalı yalıtımsız güneş havuzları için geliştirmiş olduğu bilgisayar modelinde, havuzdaki sıcaklık dağılımını, güneş havuzunun fiziğini, modellemesini, ekonomik analizini ve havuzun performansını hesaplarken, Çukurova bölgesi yerel meteoroloji istasyonundan aldığı verileri kullanılarak elde ettiği saatlik hava ve günlük toprak sıcaklıklarını veren analitik fonksiyonları kullanmış ve sonuçları deneysel sonuçlarla karşılaştırmıştır (KAYALI, 1993). Modelin yalıtımlı ve yalıtımsız her çeşit güneş havuzu için geçerli olduğunu belirtmiştir (BOZDEMİR ve KAYALI, 1982). Türkiye de yapılan bir diğer çalışma ise Özek tarafından gerçekleştirilmiştir. 2.6m 2.6m 1.6 m boyutlarında bir havuz inşa etmiş ve bu havuzda yazın C ve kış aylarında da C sıcaklığa ulaşmıştır. Depolama bölgesinden şehir suyu kullanarak eşanjör sistemiyle çekilen ısı enerjisi; %17 kayıpla dışarı alınmış ve bu önerilen modelle binde altı kayıpla uyum sağlamıştır (ÖZEK, 1985) m boyutlarında yalıtımlı aynı zamanda yansıtıcı ve yalıtımlı kapakları olan bir güneş havuzu Yalvaç Meslek Yüksek Okulu kampusu içinde dericilik atölyesine sıcak su sağlamak amacıyla inşa edilmiştir. Kapakların havuzun performansına etkisi çalışılmıştır (BEZİR, 2002). Güneş havuzları çoğunlukla büyük boyutlu düzlemsel güneş enerjisi toplayıcılarıdır. Geliştirilen güneş havuzları tiplerine göre yaklaşık olarak beş gruba ayrılabilir. Bunlar tuz gradyentli güneş havuzları, zar örtülü güneş havuzları, jel örtülü havuzlar, bal peteği örtülü güneş havuzları ve sığ güneş havuzlarıdır. Bu güneş havuzlarında güneş enerjisi su tarafından doğrudan soğurulur. Sığ güneş havuzlarında depolanan enerji anında kullanılırken, diğer dört güneş havuzunda depolanan enerji uzun süre saklanıp daha sonra da kullanılabilir (SOKOLOV ve ARBEL, 1990). Bu çalışmada, yüzey alanı 1.5 m 1.5 m 1.5 m boyutlarında yalıtımlı prototip bir güneş havuzu SDU Kampus alanına kurulmuştur (BEZİR, 2008). Havuzun ısıl enerji kayıplarını önlemek için tabanı ve yan duvarları yalıtılmıştır. Ayrıca havuzun üst kısmına, üstten havaya olan ısı kayıplarını azaltmak ve havuzun ısıl verimini arttırmak amacıyla bir kapak sistemi yerleştirilmiştir. Sistem, otomatik olarak 0 ile 180 derece arasında dönebilen, yukarı aşağı hareket ederek karşılıklı açılıp kapanabilen, yalıtım ve yansıtma özelliği bulunan iki kapaktan oluşmaktadır. Kapaklar kapatıldığında yalıtım, açıldığında ise güneş enerjisini havuza yansıtma görevini yapmaktadır. Kapakların gündüz güneş ışığını havuz içine en iyi şekilde yansıtacağı konumu belirlemek için güneşin geliş açısına göre yansıtıcı kapağın yatayla yapacağı optimum açısı saptanmıştır. Havuzdaki sıcaklık dağılımını sürekli olarak ölçebilen bir data logger ve yazılım kullanılmıştır. Bu sistem ile havuzda meydana gelen sıcaklık dağılımı sıhhatli ve istenilen zaman aralıklarında (sn, dak, saat ve günlük) ölçülebilmektedir. Bu ölçümlerle birlikte havuzun bulunduğu bölgeye ait birim yüzey alana gelen güneş enerjisi, çevre sıcaklığı, güneşlenme süresi verileri de ölçülebilmektedir. Bu verileri kullanarak daha önce Kayalı tarafından geliştirilen bir bilgisayar programına yansıtıcılarında katkılarını göz önüne alan bir 27

37 alt program eklemek suretiyle havuzun performansı belirlenmiştir. Ayrıca havuzun performansını artırmak amacıyla yapılan yansıtıcılı ve yalıtımlı kapak ile ilgili bir bilgisayar programı yapılarak kapak için en optimum açı belirlenmiştir. 2. DENEYSEL YÖNTEM Bu çalışmada, yüzey alanı 1.5 m 1.5 m 1.5 m boyutlarında yalıtımlı prototip bir güneş havuzu SDU Kampus alanına kurulmuştur. Havuzun ısıl enerji kayıplarını önlemek için tabanı ve yan duvarları yalıtılmıştır. Ayrıca havuzun üzeri gece gündüz sıcaklık farklılıkları nedeniyle oluşabilecek önemli derecedeki ısı kayıplarını ortadan kaldırmak için güneşin olmadığı zamanlarda havuz yüzeyinin örtülmesi ve gündüzleri güneş ışınını havuza yönlendirerek havuza giren güneş enerjisi miktarının artırılması gibi iki amaçlı bir kapak sistemi şekilde görüldüğü gibi yerleştirilmiştir. Şekil 1. Güneş havuzunun iç yapısı ve yansıtıcı kapaklar Kapakların bir yüzü alüminyum levha ile ve yansıtıcı yüzleri de daha önce bahsedildiği gibi krom nikel levha ile kaplandı. Levhaların arasına yalıtımı sağlamak için strafor yerleştirildi. Havuz yüzeyi kapaklarının güneş ışınını havuza yansıtmak için kullanılması sırasında, Şekil 1 de görüldüğü gibi, kapakların yatayla yaptığı açı istenildiği şekilde ayarlanabilmektedir. Fakat kapaklar genellikle belli zaman aralıklarında belli açıda tutulurlar. Sistem, Şekil 1 de görüldüğü gibi, iki yansıtıcı kapağı havuza güneş ışınlarını değişik açılarla gönderen iki ayrı ışın kaynağı gibi düşünüldü ve matematiksel modelleme ona göre yapıldı. 3. TUZ YOĞUNLUKLARI VE SICAKLIK DAĞILIMI Yalıtımlı güneş havuzu modelinde tuz yoğunluğu eğiminin oluşturulması 8 Haziran 2008 tarihinde tamamlandı ve tuz yoğunluğu eğimini koruma sistemi çalıştırılmaya başlandı. Havuz çalışmaya başladıktan bir ay sonra havuzun depolama bölgesinden difüzyon yoluyla eksilen tuzu tamamlamak üzere sistemin haznesine bir hafta boyunca yeteri kadar tuz ilave edildi. Bu işleme yaz ayları boyunca devam edildi. Bu sırada yoğunluk ölçümleri yapıldı. Şekil 2 ve Şekil 28

38 3 te değişik tarihlerde yapılan yoğunluk ölçümleri verileri kullanılarak güneş havuzundaki tuz gradyentinin derinlikle değişimi verilmektedir. Şekil 2 ve 3 de görüldüğü gibi, havuzdaki tuz gradyenti eğimi oldukça iyi ve masrafsız bir şekilde korunabildiği görülmektedir. Yoğunluk(%) Tabandan itibaren derinlik(cm) Şekil 2. Haziran ayında güneş havuzunda ölçülen yoğunluk değişimi Yoğunluk(%) Tabandan itibaren derinlik (cm) Şekil 3. Eylül Ekim Kasım Aralık ayında güneş havuzunda ölçülen yoğunluk değişimi Havuz verimliliğini, nasıl çalıştığını, çeşitli parametrelerin havuzun çalışmasını nasıl etkilediğini ve birbirleri arasında nasıl bir ilişki olduğunu saptamak amacı ile havuzda sıcaklık ve yoğunluk ölçümleri sürekli olarak yapılmıştır. Havuz içi sıcaklık ölçümleri; sensörler ile alınan veriler data logger ve bilgisayar yazılımı sayesinde kolaylıkla toplanabilmiştir. Değişik zamanlarda ve değişik derinliklerde sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Bu süre içerisinde değişik tarihlerde ölçülen sıcaklığın derinliğe göre değişimini veren grafikler elde edilmiştir. Şekil 4 de kapak ve reflektör varken ÜKB, YB ve AKB bölgelerinde günlere göre sıcaklık değişimleri görülmektedir. 29

39 70 60 Üst kovektif bölge sıcaklığı Konvektif olmayan bölge sıcklığı Alt konvektif bölge sıcaklığı Sıcaklık ( 0 C) Günler Şekil 4. Kapak ve reflektör varken güneş havuzunda değişik tarihlerde değişik derinliklerdeki sıcaklıklar Şekil 5 de depolama bölgesinde tabandan 25 ve 45 cm yükseklikte bulunan noktalardaki sıcaklık değişimleri karşılaştırıldığında aralarında beklendiği gibi bir uyum bulunmaktadır. Sıcaklık ( 0 C) Depolama bölgesi(105 cm) Depolama bölgesi (125 cm) Günler Şekil 5. Havuzun depolama bölgesinde tabandan 25 ve 45 cm yükseklikte bulunan noktalardaki günlere göre sıcaklık değişimi. Sıcaklık( 0 C) Çevre sıcaklığı Üst konvektif bölge sıcaklığı Günler Şekil 6. Güneş havuzu yüzey tabakasının ve ortam sıcaklığının günlere göre sıcaklık değişimi 30

40 Şekil 6 da güneş havuzunun yüzey tabakasının (ÜKB) ve dış ortamın günlere sıcaklık değişimi görülmektedir. Şekilden görüldüğü gibi, yüzey sıcaklığı ve dış ortamın sıcaklığı arasında iyi bir uyum olduğu görülmektedir. Şekil 7 de değişik tarihlerde konveksiyonsuz bölgedeki değişik noktalarda ve değişik zamanlarda ölçülen sıcaklık verileri kullanılarak elde edilmiş eğriler görülmektedir. Şekilde görüldüğü gibi, seçilen noktalardaki sıcaklık değişimleri beklenildiği gibidir ve sıcaklıktaki yükseliş oranı yüzeyde az ve depolama bölgesine yaklaşırken daha fazladır. Bu da beklenilen sonuçtur. Şekil 7. Konveksiyonsuz bölgede değişik zamanlarda ve değişik tabakalarda sıcaklık değişimi Sıcaklık ( 0 C) Günler Deneysel değerler Teorik değerler Şekil 8. Depolama bölgesinde kapak ve yansıtıcı varken ölçülen ve teorik değerlerin karşılaştırılması Şekil 8 de kapakların yansıtıcı olarak kullanıldığı güneş havuzunun depolama bölgesindeki sıcaklık değişiminin modelden elde edilen verilerle karşılaştırılması yapılmıştır. Şekilden de görüleceği gibi depolama bölgesinde ölçülen sıcaklık değerleri ile model hesaplamaları beklenildiği gibi oldukça uyumludur günler arası havuzda sıcaklık değerleri yavaş yavaş yükselmeye başlamıştır. Ancak Şekilde günler arası havuzun sıcaklığı biraz değişkenlik göstermiştir. Bu günlerde havuz kapakları biri yatayla 89 ve diğeri de yatayla 40 derece açı yaptığı durumda çalıştırılmıştır. Yine ve günler arasında sırasıyla kapaklar ve derecede konumunda çalıştırılmışlardır. Yine bu günlerde hava şartları hemen hemen aynı olmasına rağmen depolama bölgesi sıcaklık değeri düşmeye başlamıştır. Bu 31

41 da kapakların optimum olarak sabit tutulmamasından kaynaklanmıştır. En optimum açı olan değerinde kapaklar çalıştırılmış olsaydı havuz depolama bölge sıcaklığında bu kadar fazla bir azalma olmayacaktı. Yine Şekilden de anlaşılacağı gibi günler arasında sıcaklık değerleri artmıştır. Bu günler arasında kapakların konumu derece değerine getirilmiştir , ve günler sırasıyla kapaklar bu sefer 30-40,30-50,30-60 derece değerlerine getirilmiştir. Kapaklar bu değeri aldığında depolama bölgesinin sıcaklığının hava şartlarının da etkisiyle oldukça düştüğü görülmektedir. 4. SONUÇLAR Bu çalışmada, yüzey alanı 1.5 m 1.5 m 1.5 m boyutlarında yalıtımlı prototip bir güneş havuzu SDU Kampus alanına kurulmuştur. Havuzun ısıl enerji kayıplarını önlemek için tabanı ve yan duvarları yalıtılmıştır. Yalıtımlı güneş havuzunun üzerine, üst yüzey ısı kayıplarını azaltmak ve daha fazla güneş radyasyonunu havuz yüzeyine odaklamak amacıyla yalıtımlı ve yansıtıcı özelliği olan iki tane yarım yansıtıcılı ve yalıtımlı kapak ilave edilmiştir. Depolama bölgesinde elde edilen teorik ve deneysel sıcaklık değerleri karşılaştırılmıştır. Havuzun kapaklı ve kapaksız olarak işletilmesi durumunda, kapağın havuzun performansına çok büyük bir katkı sağlamadığı görülmüştür. Ancak bu kapaklar bir yansıtıcı olarak kullanıldığında optimum bir açı değerinde tutulduğunda havuzun performansına büyük bir katkı sağladığı görülmüştür. TEŞEKKÜR Bu çalışma, 2003/23 nolu proje kapsamında Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi ve 107M636 nolu proje kapsamında TÜBİTAK Hızlı Destek Programı tarafından desteklenmiştir. Yazarlar mali destek imkanlarından dolayı, Süleyman Demirel Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Yönetim Birimi ne ve TÜBİTAK Kurumu na teşekkür eder. 32

42 KAYNAKLAR Bezir N.Ç., Şencan A., Özek N., Yakut A.K., Kayalı R., Dikmen E., Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Cilt 23, No 2, , Bezir, N.Ç.,, Güneş Havuzlarında Güneş Enerjisinin Depolanması Ve Uygulamaları, Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, (2002). Pp:125. Bozdemir, S., Ve Kayalı, R., Güneş Havuzlarının Matematik Modeli Ve Deneysel Verilerle Karşılaştırılması, Doğa Bilim Dergisi, 7(3),(1982). Kayalı, R., Derivation Of Analytic Functions For Air And Soil Temperatures And Usage Of These Functions İn A Computer Model Developed For Solar Ponds, J.Of Engineering And Environmental Sciences, 17, 65-69,(1993). Kayalı, R., Çukurova Bölgesi Şartlarında Bir Güneş Havuzu Denemesi Ve Çeşitli Paremetrelerin Gözlenmesi, Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, (1980).Pp: 63. Sokolov, M., Ve Arbel, A., Fresh Water Floating Collector Type Solar Pond, Solar Energy, 44(1), 13-21, (1990). Tabor, H., Solar Ponds, Solar Energy, 27(3), , (1981). Tabor, H., Matz, R., Solar Pond Project, Solar Energy Society Conference, 9(4), (1965). Özek, N., Bir Tuzlu Güneş Havuzu Tasarımı Ve Yapımı, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, Pp:80, (1985). 33

43 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 PARABOLİK OLUK TOPLAYICILARDA KULLANILAN ISI İLETİM YAĞLARININ AHP YÖNTEMİ İLE İNCELENMESİ Utkucan ŞAHİN 1, Asude ELTEZ 2, Muhammed ELTEZ 2 1 Muğla Üniversitesi Ula Ali Koçman Meslek Yüksek Okulu Ula, Muğla, utkucansahin@hotmail.com 2 Muğla Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Müh. Böl Kötekli/Muğla, aeltez@mu.edu.tr ÖZET Bu çalışmada, parabolik oluk kollektörlerde kullanılan Dowtherm A, Syltherm 800, Marlotherm LH, Therminol VP-1 ve Paratherm OR ısı iletim yağları çok kriterli bir seçme yöntemi olan Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) kullanılarak karşılaştırılmıştır. Parabolik oluk kollektördeki emici tüpten belirli bir debide ve sıcaklıkta geçen ısı iletim yağının boru çıkışındaki sıcaklığının hesaplanması için geliştirilen bir model çerçevesinde elde edilen sonuçlar grafikte gösterilmiştir. Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) yöntemi ikili karşılaştırma prensibine dayanmaktadır ve bu yöntemde seçenekler arasından yapılan seçimler matematiksel verilere dayanmaktadır. Değerlendirmede maliyet, verimlilik, çalışma şartı ölçütleri göz önüne alınmıştır. Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS) hesaplamaları için Expert Choice yazılımından faydalanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Parabolik oluk kolektör, Analitik Hiyerarşi Süreci, Isı iletim yağı ABSTRACT In the present study, Dowtherm A, Syltherm 800, Marlotherm LH, Therminol VP-1 and Paratherm OR heat transfer fluids which are used inside parabolic through concentrator have been evaluated and compared by using a multicriteria decision method, Analytical Hierarchy Process (AHP). A mathematical model is developed in order to calculate the exit temperature of the heat transfer fluid from receiver tube, the results are shown in the graphical form. The principle of the AHP is based on the pairwise comparision and evaluations of alternatives are also based on mathematical outputs. During the selection of the best alternative, cost, efficiency and operation conditions were regarded. Expert choice program software was used for AHP calculations. Keywords: Parabolic through concentrator, Analytical Hierarchy Process, Heat transfer fluid 34

44 GİRİŞ Fosil yakıtların tüketiminden kaynaklanan zararlı emisyonlar tüm canlıların yaşamını tehdit etmekte ve bu durum yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını kaçınılmaz hale getirmektedir. Bu nedenle yenilenebilir ve sürdürülebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinin kullanımı doğal yaşam için önem arz etmektedir. Güneş enerjisinden elektrik üretiminde yararlanmak için kullanılan temel sistemlerden birisi parabolik oluk toplayıcılardır. Bu sistemin temel çalışma prensibi, parabol biçimindeki yansıtıcıya gelen güneş ışınımının, yansıtıcının odağı boyunca uzanan borunun üzerine yoğunlaştırılmasıyla, boru içinden geçen akışkan sıcaklığının arttırılmasıdır. Odak çizgisi boyunca uzanan alıcı borunun içerisinde yüksek ısıl iletkenliğine sahip malzemeden yapılmış bir boru vardır. Alıcı borunun çevresi, ısı transfer kayıplarının azaltılması için koruyucu malzeme ile kaplıdır (Goswami vd, 2000). Bu boru üzerine yoğunlaştırılan güneş ışınımı, bakır boru içerisinden geçen ısı iletim yağının sıcaklığını arttırır. Bu sistemde kullanılacak olan ısı iletim yağlarının sıcaklık değişimine bağlı olarak, ısı iletim katsayısı, yoğunluğu, özgül ısı değeri, ısı yayılma katsayısı gibi termofiziksel özellikleri değişmektedir. Bunun yanında, sistemde kullanılacak olan yansıtıcının malzemesi, sistemin yoğunlaştırma oranı ve yansıtıcıya gelen ışınım şiddeti akışkan sıcaklığının değişmesinde önemli rol oynamaktadır. Bu çalışmada Dowtherm A, Syltherm 800, Marlotherm LH, Therminol VP-1, Paratherm OR ısı iletim yağları; yüksek sıcaklığa bağlı olarak hal değişiminin çalışma şartları açısından etkileri, boru çıkışında elde edilecek sıcaklık farkından kaynaklanan verimlilikleri ve maliyetten oluşan kriterler çerçevesinde incelenmiş ve sonuçlar AHP ( Analitik Hiyerarşi Süreci) analizine tabi tutularak değerlendirilmiştir. 1. ANALİTİK HİYERARŞİ SÜRECİNİN GENEL YAPISI İlk kez Saaty tarafından geliştirilen Analitik Hiyerarşi Süreci (AHS), çok kriterli uygulamalarda bir karar verme yöntemidir. Analitik Hiyerarşi Sürecinde önce amaç belirlenir ve bu amaç doğrultusunda kriterler ve alt kriterler oluşturularak alternatifler belirlenir. Hiyerarşik bir yapı oluşturulduktan sonra kriterlerin kendi aralarında karşılaştırılması için ikili karşılaştırma matrisi oluşturulur. İkili karşılaştırma matrisinde Tablo 1 de görülen 1-9 temel ölçeği kullanılır (Öztürk vd, 2006). Tablo 1. Temel ölçeği Önem Değerleri Değer Tanımları 1 Her iki faktörün eşit öneme sahip olması durumu 3 1. Faktörün 2. faktörden daha önemli olması durumu 5 1. Faktörün 2. faktörden çok önemli olması durumu 7 1. Faktörün 2. faktöre nazaran çok güçlü bir öneme sahip olması durumu 9 1. Faktörün 2. faktöre nazaran mutlak üstün bir öneme sahip olması durumu 2,4,6,8 Ara değerler Oluşturulan ikili karşılaştırma matrislerinden sonra gerek kriterlerin gerekse alternatiflerin ağırlıkları belirlenerek amaca uygun alternatif belirlenir. 2. HİYERARŞİK YAPI Parabolik oluk kolektörde kullanılan 5 farklı ısı iletim yağının 3 kriter açısından en uygun olanının bulunması için Şekil 1 de görülen hiyerarşik yapı oluşturulmuştur. Bu hiyerarşik yapıda en üstte amaç ve bu amaca uygun 3 adet kriter belirlenmiştir. Amaç; parabolik oluk kollektör için kullanılacak ısı iletim yağının, oluşturulan kriterler açısından en iyisinin 35

45 belirlenmesidir. Bu kriterler çalışma şartı, verimlilik ve maliyet tir (Singh, 1985). Isı iletim yağları arasından seçilen alternatifler ise Dowtherm A, Marlotherm LH, Syltherm 800, Therminol VP-1 ve Paratherm OR dir. AMAÇ ÇALIŞMA ŞARTI VERİMLİLİK MALİYET Dowtherm A Marlotherm LH Syltherm 800 Therminol VP-1 Paratherm OR Şekil 1. Hiyerarşik yapı 2.1 ÇALIŞMA ŞARTLARI Parabolik oluk kolektördeki emici tüpün içerisinde bulunan bakır borudan geçen akışkanlar, yüksek ve düşük sıcaklıklarda sıvı halde bulunabilen, özgül ısı değerleri yüksek olan sıvılar olmalıdır. Bu sistemde kullanılan ısı iletim yağlarına ait çalışma sıcaklığı aralıkları Tablo 2 de verilmiştir. Tablo 2. Akışkanlara Ait Çalışma Sıcaklığı Aralıkları Isı Transfer Yağı Donma Noktası ( ºC ) Buharlaşma Noktası ( ºC ) Dowtherm A Syltherm Marlotherm LH Therminol VP Paratherm OR Kaynak : Sistemden geçen akışkan, pompa vasıtasıyla bakır boruya basıldığı için pompaya gelen akışkanın sıvı fazında olması gerekir. Aksi durumda buhar halindeki akışkanın pompada kavitasyona neden olacağı bilinmektedir. Bu sebeple sistemde kullanılacak olan 5 farklı akışkanın çalışma şartı, kavitasyon etkisine göre değerlendirilerek, önem değeri buharlaşma sıcaklığının yüksekliğine göre belirlenmiştir. 2.2 MALİYET Maliyet, yapılan yatırımda önemli bir unsurdur. Bu hiyerarşide kullanılan maliyet değerlendirmesi varsayımı şudur; birim fiyatı düşük olan akışkan, daha yüksek önem değerine sahiptir. Bu bağlamda parabolik oluk kolektörde kullanılan 5 farklı ısı iletim yağına ait birim fiyatları Tablo 3 de verilmiştir. Tablo 3. Isı Transfer Yağlarına Ait Birim Fiyat Tablosu Isı Transfer Yağı Birim Fiyat ( Euro/kg ) Dowtherm A 8,37 Syltherm ,75 Marlotherm LH 35,42 Therminol VP-1 43,30 Paratherm OR 22,15 Kaynak : 36

46 2.3 VERİMLİLİK Parabolik oluk kolektörde emici tüpün içinden geçen akışkanın, parabolik aynaya gelen ışınımların emici boru üzerine yoğunlaştırılması sebebiyle sıcaklığı artmakta ve güç elde edilmektedir. Bu gücün, parabolik yansıtıcıya gelen toplam ışınım şiddetinden elde edilen güce bölünmesiyle, ısı iletim yağının verimliliği hesaplanmaktadır (Duffie ve Beckman, 2006). Parabolik oluk kollektöre gelen güneş ışınımından elde edilen gücün hesaplanabilmesi için parabolik oluk kolektöre ait fiziksel özelliklerin bilinmesi gerekmektedir. Parabolik oluk kolektöre ait bu özellikler Tablo 4 de belirtilmiştir. Tablo 4. Parabolik oluk kolektöre ait fiziksel özellikler Değişkenler Sembol Birim Değer Parabolik yansıtıcının genişliği w m 1.29 Konsantrasyon oranı C / 13.4 Odak uzaklığı f m Cam tüpün dış çapı Cam tüpün iç çapı Bakır borunun dış çapı Bakır borunun iç çapı Siyah bakır borunun yayma oranı Cam tüpün yayma oranı Siyah bakır borunun yutma oranı Cam tüpün yutma oranı Cam tüpün geçirme oranı Parabolik aynanın yansıtma oranı Camın ısı iletim katsayısı Bakırın ısı iletim katsayısı Kaynak: Eltez ve Aydın, D co m 0.06 D m 0.05 ci D m 0.03 o D m i ε r / 0.85 ε / 0.88 c α r / 0.85 α / c τ / c ρ / 0.88 m K W/mK 1.05 c K W/mK 385 cu Emici tüpten geçen ısı iletim yağından elde edilen gücün hesaplanabilmesi için Tablo 5 de ısı iletim yağına ait giriş koşulları ve çevre sıcaklığına ait veriler belirtilmiştir. Tablo 5. Isı iletim yağına ve çevre şartlarına ait veriler Değişkenler Sembol Birim Değer Rüzgar hızı V m/s 1.5 Çevre sıcaklığı T C 30 Isı iletim yağının giriş sıcaklığı Isı iletim yağının kütlesel debisi Kaynak: Eltez ve Aydın, a T C 25 giris. m kg/s 0.03 Parabolik oluk kollektördeki emici tüpten geçen belli bir debideki ve sıcaklıktaki ısı iletim yağının boru çıkışındaki sıcaklığının hesaplanması için bir model geliştirilmiştir (Duffie ve Beckman, 2006). Bu modelde cam borunun çevresinde oluşan ısıl kayıplar U L olarak tariflenmiş ve denklem 1 deki gibi belirtilmiştir. 37

47 U A 1 1 r L = + h hc h h.a w c r r c r c c r a (1) + + Denklem 1 deki bakır borunun yanal alanı A r, cam tüpün yanal alanı yüzeyinde oluşan taşınım katsayısı h, cam tüpten çevreye olan ışınım katsayısı borudan cam tüpe olan ışınım katsayısı katsayısı h c r c olarak ifade edilmektedir. w h r r c A c, cam tüpün dış, bakır h r c a, bakır boru ile cam tüp arasında oluşan taşınım Bu modelde emici tüpten geçen akışkandan dış çevreye kadar olan toplam ısı iletim katsayısı U, o ( D / D ) 1 1 D.ln o Do o i U o = + + (2) U L h fi. Di 2K cu biçiminde ifade edilir. Denklem 2 de h fi, emici tüpten geçen akışkanın ısı iletim katsayısıdır. Isı iletim katsayısı, emici tüpten geçen akışkanın sıcaklığının artmasına bağlı olarak değişmektedir. Denklem 1 ve 2 deki eşitliklerin çözülebilmesi için; o Gökyüzü sıcaklığı çevre sıcaklığından 6 ºC daha düşüktür (Hsieh, 1981). o Kollektör 1 mm uzunluğundaki kesitlere bölünmüştür. o Her kesitteki akışkanın giriş sıcaklığı bir önceki kesitteki akışkanın çıkış sıcaklığıdır. 3 adet kabul yapılmıştır. Yapılan kabullere bağlı olarak sistemin enerji verimliliği,.. ( T T ) Q m. Cp. e cikis giris η = = (3). Q Gdnτ cα r ρ m. Aa v. biçiminde ifade edilebilir. Denklem 3 de T giris akışkanın giriş sıcaklığı, m kütlesel debi, Cp akışkanın ortalama özgül ısı değeri, T cikis akışkanın çıkış sıcaklığıdır. Kollektöre gelen ışınım 2 şiddeti 700 W / m olarak kabul edilmiştir. Yapılan kabullere bağlı olarak denklemlerin çözümünde Visual Basic 6.0 bilgisayar programından faydalanılmıştır. İterasyon yöntemiyle Dowtherm A, Marlotherm LH, Therminol VP-1, Syltherm 800 ve Paratherm OR ısı iletim yağlarının farklı uzunluktaki köllektörden çıkış sıcaklık değerleri, elde edilen güç ve verimlilik değerleri hesaplanmış ve elde edilen sonuçlar Tablo 6 da verilmiştir. 38

48 Tablo 6. L = 3,6, 9 metre uzunluğundaki kollektörden elde edilen ısı iletim yağına ait çıkış sıcaklığı, ortalama özgül ısı değeri, elde edilen güç, verilen güç ve verimlilik değerleri L = 3 m Isı İletim Yağı o Tgiris = 25 C, m = 0.03 kg / s T cikis [ C ] Cp [ J/kg.K ] Q e [ watt ] Q v [ watt ] η [ % ] Dowtherm A Marlotherm LH Paratherm OR Therminol VP Syltherm L = 6 m L = 9 m Dowtherm A Marlotherm LH Paratherm OR Therminol VP Syltherm Dowtherm A Marlotherm LH Paratherm OR Therminol VP Syltherm Tablo 6 daki veriler göz önüne alınarak verimliliği en yüksek olan akışkanın Therminol VP-1, en düşük olan akışkanın Paratherm OR olduğu söylenebilir. Şekil 2 de 5 farklı ısı iletim yağı kullanılarak elde edilen parabolik oluk köllektörün verimlilik değeri gösterilmiştir Verim ( % ) Kollektör Uzunluğu ( m ) DOWTHERM A Marlotherm LH Paratherm OR Therminol VP-1 Syltherm 800 Şekil 2. Isı iletim yağlarının verimlilik grafiği. 39

49 Şekil 2 de akışkanların verimlilik değerlerinin farklılık göstermesinin sebebi her akışkanın kendine ait termofiziksel özelliklerinin sıcaklık değişimine bağlı olarak değişkenlik göstermesidir. 3. DUYARLILIK ANALİZİ Parabolik oluk toplayıcıda kullanılan en iyi ısı iletim yağının seçimi için oluşturulan hiyerarşide, kriterler ve seçenekler belirlendikten sonra, çalışma şartı, verimlilik ve maliyet kriterlerine ait veriler normalize edilmiştir. Seçeneklerin, maliyet kriterindeki yüksek değerinin olumsuz yöndeki etkisi göz önünde bulundurularak, Tablo 7 de seçeneklerin kriterlere göre normalize edilmiş değerleri oluşturulmuştur. Tablo 7. Seçeneklerin kriterlere göre normalize edilmiş değerleri Çalışma Şartı Verimlilik Maliyet Seçenekler Tablo Değeri Normalize Edilmiş Tablo Değeri Normalize Edilmiş Tablo Değeri Normalize Edilmiş Dowtherm A Marlotherm LH Syltherm Therminol VP Paratherm OR Kriterlerin ağırlık oranları 4 farklı biçimde oluşturularak duyarlılık analizi yapılmış, seçeneklerin kriterlere göre ağırlık oranları Expert Choice 11.5 programında çözülerek Tablo 8 de gösterilmiştir. Duyarlılık analizi sonucunda; kriterler eşit derecede önem sahibi olduğunda, seçenekler arasından en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Syltherm 800 olmaktadır. Isı iletim yağları sadece çalışma şartı kriteri açısından değerlendirildiğinde en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Syltherm 800, verimlilik kriteri açısından değerlendirildiğinde en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Therminol VP-1, maliyet kriteri açısından değerlendirildiğinde ise en yüksek orana sahip ısı iletim yağı Dowtherm A olmaktadır. Tablo 8. Kriterlerin duyarlılık analizi ÇŞ (% 33.3), ÇŞ (% 100), ÇŞ (% 0), ÇŞ (% 0), Seçenekler V (% 33.3), V (% 0), V (% 100), V (% 0), M (% 33.3) M (% 0) M (% 0) M (% 100) Oran (%) Sıra Oran (%) Sıra Oran (%) Sıra Oran (%) Sıra Dowtherm A Marlotherm LH Syltherm Therminol VP Paratherm OR

50 4. TARTIŞMA VE SONUÇLAR Bir seçme yöntemi olan Analitik Hiyerarşi Süreci yöntemiyle yapılan duyarlılık analiziyle birlikte, parabolik oluk kollektörde kullanılan 5 farklı ısı iletim yağı, çalışma şartı, maliyet ve verimlilik kriterleri açısından değerlendirilmiştir. Kriterler, kendi aralarında farklı oranlarda ağırlıklandırılarak, seçeneklerin hangi kriterde, ne kadar ağırlık oranına sahip olduğu saptanmıştır. Bu bağlamda, çalışma şartları %100 lük bir orana sahip iken Syltherm 800 en iyi ısı iletim yağıdır. Seçenekler sadece verimlilik kriteri açısından değerlendirildiğinde, Syltherm 800 ısı iletim yağının ağırlık oranı azalmakta, Therminol VP-1 ısı iletim yağının ağırlık oranı artmaktadır. Maliyet kriterinin ağırlık oranının artması Therminol VP-1 ısı iletim yağının önem değerini azaltmakta, Dowtherm A ısı iletim yağının önemini arttırmaktadır. Eğer kirterler eşit derecede öneme sahip ise Syltherm 800 diğer ısı iletim yağları arasından en yüksek orana sahip olmaktadır. Bu nedenle, parabolik oluk kollektörde kullanılan ısı iletim yağlarının seçiminde tek bir kriter belirlenmemelidir. Ayrıca, kriterlerin duyarlılık analizinin yapılmasıyla kullanılacak akışkanların tercihi konusunda daha doğru kararlar verilebilir. 41

51 5. KAYNAKLAR 1. Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering Of Thermal Processes, third ed. John Wiley & Sons, New Jersey, syf Eltez, M., Aydın M., Theoretical and experimental analysis of a parabolic through collector for steam and hot water production in textile industry under aegean climatic conditions. University of Malta. 3. Goswami, D.Y., Kreith, F., Kreider, J.F., Principles Of Solar Engineering, second ed. Taylor and Francis, Philadelphia, syf Hsieh, C. K., Thermal Analysis of CPC collectors, Solar Energy, 1981, 27, Öztürk, G., Dönmez, N., Sünerin, S., Analitik Ağ Süreci (ANP). Anahtar, 209, syf Singh, J., Heat Transfer Fluids and Systems for Process and Energy Applications, Material, syf

52 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 ÖZET SERALARDA FAZ DEĞİŞTİREN MATERYAL KULLANARAK GÜNEŞ ENERJİSİ DEPOLAMA UYGULAMALARI Doç.Dr. H.Hüseyin ÖZTÜRK Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü ADANA Tel: hhozturk@cu.edu.tr Isıtma amacıyla güneş enerjisinden yararlanılan farklı büyüklükteki birçok serada, güneş enerjili ısıtma sistemlerinin teknik ve ekonomik uygulanabilirliği açısından olumlu sonuçlar belirlenmiştir. Sera ısıtma için ısı depolama uygulamalarında, ergime sıcaklığı ºC aralığında yer alan PCM ler kullanılabilir. Sera ısıtma uygulamalarında, geçen son 20 yılda PCM olarak; organik bileşikler (özellikle parafinler), tuz hidratları ve ötektik karışımlar kullanılmıştır. Bu çalışmada, seralarda uygulanan gizli ısı depolama sistemlerinin; tasarım özellikleri, kullanılan PCM lerin termofiziksel özellikleri, etkinlikleri ve teknik/ekonomik uygulanabilirlikleri incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Sera ısıtma, Güneş enerjisi depolama, Faz değiştiren materyal Solar Thermal Energy Storage Using Phase Change Materials for Greenhouse Heating Abstract The use of solar energy for greenhouse heating has gained an increasing acceptance during the last years However, the most important candidates that melt between 15 and 65 C are of greater importance for greenhouse thermal energy storage applications. A number of researchers during the past two decades have used organic compounds (paraffin waxes), hydrated salts and eutectic mixtures as PCMs for greenhouse applications. In the present study, design parameters, the efficiencies and techno-economic feasibilities of the latent heat storage (LHS) systems and thermo chemical properties of the PCMs used in the LHS systems. Keywords: Greenhouse heating, Solar thermal storage, Phase change material GİRİŞ 1.1. Sera Isıtma Gereksinimi Bitki büyümesi ve gelişmesi ile verim ve kalitesi üzerinde önemli etkiye sahip olan ortam sıcaklığının kontrol altında tutulması, sera iklimlendirme tekniğinde önemli bir işlemdir. Bütün bitkiler, gelişebilmeleri için belirli değerlerde olan en düşük, en uygun ve en yüksek sıcaklıklara gereksinim duyarlar. En düşük hava sıcaklığı, sürekli olarak oluşan düşük sıcaklıklara ve gündüz-gece arasındaki sıcaklık farkına bağlıdır. Diğer taraftan, en yüksek hava 43

53 sıcaklığı bağıl nem değerinin değişim hızına bağlıdır. Sera iklimlendirme tekniğinde en uygun hava sıcaklığı, hızında azalma olmaksızın sürekli olarak sürdürülebilen bir fizyolojik işlem için gerekli olan en yüksek sıcaklık olarak tanımlanır. Bitki için en uygun sıcaklık, bitkinin gerçekleştirdiği fizyolojik işleme bağlıdır. Bitkilerin gelişme aşamalarında gereksinim duydukları sıcaklık değeri (Çizelge 1); ışınım düzeyi, ortam havasındaki CO 2 miktarı ve topraktaki su ve bitki besin maddeleri miktarı bağlı olarak değişir. Hava sıcaklığının; bitkilerin fotosentez, solunum ve su alımı gibi fizyolojik işlemlerine olan etkileri farklıdır. Bitkinin bulunduğu ortamdaki hava sıcaklığının, bitkinin donma noktasından daha düşük olması, bitki hücrelerinde doğrudan fiziksel zararlara neden olabilir. Bitki hücrelerinin en yüksek ve en düşük sıcaklıklara karşı toleransı, bitki türlerine bağlı olarak değişir. Düşük sıcaklıkların bitkilere olan olumsuz etkileri, soğuk ve don zararları şeklinde gerçekleşir. Bitki yetiştirme ortamlarında gerçekleşen soğuk ve don olayları, bitkilerin zarar görerek ölmesine neden olabilir. Çizelge 1. Seralarda Yetiştirilen Bazı Sebzeler İçin En Uygun İç Ortam Sıcaklıkları (Popovski, 1997) Hıyar Kavun Karpuz Domates Biber Fasulye Marul Sebzeler Çimlenme Dönemi İç Ortam Hava Sıcaklığı ( C) Gelişme Dönemi Hasat Dönemi Genç Gündüz Gece Gündüz Gece Bitkiler Yukarıda belirtilen nedenlerle, örtü altı yetiştiriciliğinde başlıca amaç, iç ortam sıcaklığını en uygun düzeyde sürdürmektir. Seralarda gerçekleştirilen bitkisel üretimden beklenen en yüksek verimin elde edilmesi için, dış ortam sıcaklığının düşük olduğu dönemlerde seranın ısıtılması gerekir. Enerji fiyatlarının yüksek olduğu günümüzde, sera ısıtma giderleri yükselmekte ve yetiştirilen ürünlerin maliyeti artmaktadır. Esas olarak sezon dışı üretim amacıyla kullanılan seralarda yetiştirilen ürünlerin kalite, miktar ve gelişme süresi bakımından en uygun ortam koşullarının sağlanması için, kışın soğuk dönemlerde ısıtma gereklidir. Akdeniz ülkelerinin çoğunda ekolojik koşulların uygun olması nedeniyle, sadece soğuk kış gecelerinde gereksinim duyulan ısıtma uygulamaları yeterince yapılmamaktadır. Bu nedenle, seralarda yetiştirilen ürünlerin kalite, miktar ve hasat zamanı açısından bazı olumsuzluklarla karşılaşılmaktadır. Bu nedenle, seraların ısıtılmasında, kurulduğu yerde bulunan en ucuz enerji kaynakları kullanılmalıdır. Bulunulan yöre, yetiştirilen ürün çeşidi ve yapılan üretim şekline göre, klasik fosil yakıtlarla yapılan ısıtma uygulamalarında, ısıtma giderleri toplam üretim giderlerinin % ine ulaşmaktadır (Popovski, 1988). Güney Avrupa koşullarında sera ısıtma giderleri, toplam işletme giderlerinin % 30 undan daha fazladır (Santamouris, 1993). Alışılagelen enerji kaynaklarından elde edilen enerji bedellerinin yüksek olması nedeniyle, sera ısıtma amacıyla, güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılmalıdır. Türkiye de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Sera Varlığı Son yıllarda örtü altı yetiştiriciliğinde enerji tüketiminin azaltılmasına yönelik olarak yapılan araştırmalar; ısıtma amacıyla yeni ve yenilenebilir doğal enerji kaynaklarının kullanılmasına ve fosil yakıtların tüketildiği geleneksel ısıtma sistemlerine alternatif olarak, düşük maliyetli ve etkinliği yüksek ısıtma sistemlerinin geliştirilmesine yönlendirilmiştir. En önemli yenilenebilir 44

54 enerji kaynağı olan güneş enerjisinden sera ısıtma amacıyla yararlanılması durumunda, sera tarımının toplam üretim giderleri içerisinde büyük yer tutan ısıtma giderleri azalacak ve buna bağlı olarak üretim maliyeti azalacaktır. Ülkemizde, 2004 yılı verilerine göre, toplam dekar alanda örtü altı tarımı yapılmaktadır. Toplam örtü altı alanlarının dekarını cam seralar, dekarını da plastik seralar oluşturmaktadır. Ayrıca, dekar yüksek tünel ve dekar alçak tünel tasarımında örtü altı yetiştiriciliği uygulanmaktadır (TUİK, 2004). Ülkemizin seracılık için uygun koşullara sahip olan Akdeniz Bölgesi nde, kış aylarındaki ısıtma döneminde, plastik seralarda 15 C iç ortam sıcaklığı sağlayabilmek amacıyla yapılan ısıtma uygulamaları için, enerji tüketimi ortalama 70 J/sm 2 olarak hesaplanmıştır (Öztürk, 2005). Sera ısıtmak için yararlanılan alternatif enerji kaynaklarından bazıları; güneş enerjisi, jeotermal enerji ve sanayi tesislerinden elde kalan düşük sıcaklıklı atık ısı enerjisidir. Güneş enerjisi bakımından önemli bir potansiyele sahip olan ülkemizde; güneşlenme süresi en fazla Temmuz ayında 365 h/ay ve en az Aralık ayında 103 h/ay olmak üzere, 2624 h/yıl dır. Ortalama güneş ışınımı yoğunluğu yaklaşık 3.67 kwh/m 2.gün (13.6 MJ/m 2.gün) değeriyle, toplam olarak yaklaşık 1311 kwh/m 2.yıl (4.72 GJ/m 2.yıl) dır. Ülkemizin yüzeyine gelen güneş ışınımı, diğer bir deyişle toplam güneş enerjisi potansiyelimiz 3517 EJ/yıl (977 PWh/yıl) dır (Ültanır, 1994). Günümüzde, sera ısıtmada güneş enerjisinden daha etkin olarak yararlanmak, büyük önem kazanmış olmakla birlikte, uygulamada teknik ve ekonomik açıdan bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Geleneksel ısıtma sistemleriyle karşılaştırıldığında, güneş enerjili ısıtma sistemlerinin ilk yatırım maliyeti oransal olarak daha yüksektir. 2. SERA ISITMAK İÇİN GÜNEŞ ENERJİSİ DEPOLAMA Sera iç ortam sıcaklığının düşük olduğu dönemlerde, sera ısıtmak amacıyla güneş enerjisinden etkin olarak yararlanabilmek için aşağıdaki iki koşulun sağlanması gerekir: 1) Güneş ışınım enerjisini ısı enerjisine dönüştürmek 2) Sera ısı gereksinimini karşılamak amacıyla ısı enerjisini depolamak Güneş enerjisi depolama uygulamalarındaki temel amaç, enerjinin fazla olduğu dönemlerdeki fazla enerjiyi, enerji gereksinimi olan dönemlerde kullanmak üzere depolamaktır. Isı depolama, uygulanan süreye bağlı olarak, iki şekilde gerçekleştirilebilir: 1) Kısa süreli (gündüzden-geceye) depolama 2) Uzun süreli (yazdan-kışa) depolama Isı depolama sisteminin boyutları, uygulanan depolama yöntemi ve ısı depolama materyaline bağlıdır. Herhangi bir uygulama için, düşük sıcaklıkta kısa veya uzun süre için ısı depolanabilir. Güneş enerjisi yoğunluğu ve gereksinim duyulan enerji miktarı arasındaki farkın az olması durumunda, kısa süreli ısı depolama uygulanır. Mevsimlik olarak gereksinim duyulan enerji miktarının güneş enerjiyle karşılanması için, uzun süreli ısı depolama uygulanarak, toplam enerji gereksiniminin karşılanmasında güneş enerjisinin katkısı artırılır. Isı depolama amacıyla kullanılan ısı toplama ünitesinin boyutları ve tüketilen enerji miktarı dikkate alınarak, enerjinin en düşük maliyetle sağlandığı süre belirlenir. Enerjinin en düşük maliyetle sağlandığı süreye bağlı olarak, kısa veya uzun süreli ısı depolamaya karar verilir. Isı enerjisinin kısa (gündüzden-geceye) ve uzun süreli (yazdan-kışa) depolanmasında; ısı depolama materyali olarak su, toprak, çakıl veya kırma taş, güneş havuzları ve faz değiştiren materyallerinden (PCM) yararlanılır. Sera ısıtma amacıyla, ısı depolama sistemlerinin tasarımında bazı etmenler dikkate alınır: Isı depolama materyali Isı depolama kapasitesi Depolanan ve geri kazanılan ısı miktarı Isı depolama etkinliği Isı deposunun yerleşimi ve boyutları 45

55 Isı depolama ve geri kazanma işlem tasarımı ve kontrolü Isıtma amacıyla güneş enerjisinden yararlanılan farklı büyüklükteki birçok serada, güneş enerjili ısıtma sistemlerinin teknik ve ekonomik uygulanabilirliği açısından olumlu sonuçlar belirlenmiştir. Sera için güneş enerjili ısıtma sisteminin tasarımında aşağıdaki etmenler dikkate alınmalıdır: Isıtma sisteminin tipi Güneş ışınımından ısıl enerjiye dönüştürülebilecek enerji miktarı Isıtma dönemi süresince saatlik güneş ışınımı Sera ısıtma için gerekli enerji miktarı Sera ısı gereksiniminin güneş enerjisiyle karşılanabilen oranı Güneş enerjili ısıtma sistemi ile iç-dış ortam arasında sağlanabilecek sıcaklık farkı Ek ısıtma sistemi gereksinimi Güneş enerjili ısıtma sisteminin ekonomikliği 3. GÜNEŞ ENERJİSİNİN GİZLİ ISI OLARAK DEPOLANMASI 3.1. Faz Değişimi ve Gizli Isı Depolama Kavramı Isı enerjisi, ısı depolayan materyalin iç enerjisindeki değişim sonucunda; duyulur ısı, gizli ısı ve bunların birleşimleri şeklinde depolanabilir. Isı depolama materyali iç enerjisinin önemli oranda değişmesi, bu materyalin faz değiştirmesine neden olur. Uygun sıcaklık sınırlarında, depolama materyalinin faz değiştirmesiyle ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Bu nedenle ısı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda ergime, buharlaşma veya diğer faz değişimlerine uğrayan ve ısı depolama kapasitesi yüksek olan materyallerden yararlanır. Gizli ısı depolama yöntemi, ısı depolama kapasitesinin yüksek olması ve ısı depolama materyali faz değiştirme sıcaklığının sabit sıcaklıkta ısı depolamak için uygun olması nedeniyle, diğer ısı depolama yöntemlerine göre istenilen bazı üstün özelliklere sahiptir. Bir materyalde faz değişimi aşağıdaki şekillerde gerçekleşebilir: Katı katı Katı sıvı Katı buhar Sıvı buhar Katı durumdaki bir materyal kristalleşerek diğer bir katı faza dönüştüğünde (katı katı değişimi), kristalleşme ısısı şeklinde ısı depolanır. Materyal ilk durumdaki katı faza yeniden dönüştüğünde, faz değişimi sırasında depolanan ısı da geri kazanılır. Katı katı faz değişimi sırasında açığa çıkan gizli ısı miktarı azdır. Sıvı buhar şeklinde gerçekleşen faz değişiminde, katı sıvı veya katı katı faz değişimlerinden daha yüksek oranda gizli ısı açığa çıkar. Ancak uygulamada gaz fazın depolanması için, basınçlı depolama kaplarının gerekli olması gibi karşılaşılan sorunlar, sıvı buhar değişiminde açığa çıkan gizli ısının depolanmasını sınırlandırır. Diğer taraftan, katı buhar ve sıvı buhar şeklinde gerçekleşen faz değişimlerinde fazla miktarda gizli ısı açığa çıkmasına karşın, hacim değişimi fazladır. Bu durum, katı buhar ve sıvı buhar faz değişimlerinin gerçekleştiği depolama sistemlerinin karmaşık ve uygulanabilir olmayan duruma gelmesine neden olur. Pratikteki uygulamalarda, sadece katı sıvı faz değişimine uğrayan materyallerden yararlanılır. Katı sıvı faz değişiminde, diğer faz değişimlerine oranla daha az hacim değişimi gerçekleşir. Katı sıvı faz değişimi geçekleşen materyaller, büyük hacim değişimi olmaksızın, sınırlı sıcaklık aralığında, kısmen fazla miktarda ısı depolayabilirler. Uygulamada hacimsel enerji depolama kapasitesi önemli olduğundan, sadece katı sıvı veya entalpi değişimleri yüksek olan olası katı katı faz değişimleri önemlidir. "Gizli ısı depolama" teriminden genellikle, istenilen sıcaklık aralığında ergiyip katılaşarak faz değiştirilebilen materyallerde (PCM) ergime gizli ısısı şeklinde ısı depolama anlaşılır. Bu nedenle gizli ısı depolama,"ergime ısısı depolama" olarak da adlandırılır. Gizli ısı depolamada, katı sıvı faz değişimi sırasında PCM tarafından soğurulan ve serbest bırakılan ısıdan yararlanılır. Güneş enerjisi uygulamalarında, güneşten kazanılan ısı 46

56 PCM'de ergime gizli ısısı şeklinde depolanarak (genellikle katı sıvı) faz değişimi gerçekleşir. Güneş toplaçlarından PCM'ye ısı gönderilmediği durumda, PCM depoladığı ısı enerjisini ergime gizli ısısı şeklinde serbest bırakarak, sıvı durumdan tekrar başlangıçtaki katı durumuna gelir (sıvı katı faz değişimi) Gizli Isı Depolama Sistemleri Diğer ısı depolama yöntemleri ile karşılaştırıldığında, gizli ısı depolama yönteminin üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: Duyulur ısı depolamayla karşılaştırıldığında, ısı depolama kapasitesi yüksektir. Daha az depolama materyali kullanıldığından, gerekli ısı deposu hacmi daha azdır. PCM birim kütlesinin ısı depolama kapasitesi yüksektir. PCM lerin faz değiştirme sıcaklıkları, sabit sıcaklıkta ısı depolama ve geri kazanma için uygundur. Sabit sıcaklıkta ısı gerektiren uygulamalar için yeterince uygundur. Büyük boyutlu ısı depolama sistemlerinde ekonomik olarak uygulanabilir. Gizli ısı depolama sistemlerinin en önemli üstünlüğü, depolama ünitesinin küçük hacimli olmasıdır. Bu nedenle, ısı depolama ünitesinden daha az ısı kaybı oluşur. Gizli ısı depolama sistemlerinden aşağıdaki uygulamalarda daha etkin olarak yararlanılabilir: Hacimsel enerji gereksinimi yüksek olan, sera veya hayvan barınakları gibi bitkisel veya hayvansal üretim yapılan tarımsal yapıların iklimlendirilmesi Sabit veya düşük sıcaklık aralığında enerji gerektiren uygulamalar Isı deposu boyutlarının önemli olduğu durumlar Herhangi bir gizli ısı depolama sistemi en az üç bileşenden oluşur: 1) İstenilen sıcaklık aralığında, katı sıvı faz değişimine uğrayan ve ergime gizli ısısı olarak ısı depolayabilen bir ısı depolama materyali (PCM) 2) PCM nin yerleştirildiği bir depolama ünitesi 3) Isı kaynağından PCM'ye ve daha sonra PCM'de depolanan ısıdan yararlanılacak ortama ısı transferi için bir ısı değiştirici Güneş enerjisi depolama uygulamalarında, PCM ler genellikle ısı toplama ünitesi olarak kullanılan güneş toplaçlarından ısı taşıyıcı akışkan olarak kullanılmayabilir. Güneş toplaçlarından PCM ye ve daha sonra PCM'den ısının yararlanılacağı ortama ısı transferi için bir ısı değiştirici kullanılır. Isı değiştirici ve PCM arasında ısı transferi için, ayrı bir ısı taşıyıcı akışkan gereklidir. Birçok PCM'nin ısı iletimi düşük olduğundan, büyük ısı değiştirici yüzeylerden yararlanılır. Gizli ısı depolama sistemlerinde kullanılacak ısı değiştiricilerin bazı gereksinimleri karşılaması gerekir: Isı depolama ve geri kazanma işlemlerinin hızlı bir şekilde sürdürülebilmesi için, ısı transferi etkinliği yüksek olmalıdır. Isı transferi etkinliği, ısı depolama ortamına ısıl iletkenliği yüksek metalik karıştırıcılar yerleştirilerek veya depolama ortamında doğal veya zorlanmış taşınım etkileri, bir başka deyişle depolama ortamının karıştırılmasıyla zorlanmış taşınım etkisi oluşturularak arttırılabilir. Isı depolama ve geri kazanmada sıcaklık farkı çok az olmalıdır. Bu durum, ısı depolama ortamında ısı transferi için geniş yüzeyler kullanılarak sağlanabilir. Isı yayma etkinliği yüksek olmalıdır. 4. GİZLİ DEPOLAMA MATERYALİ (PCM) Günümüze kadar yapılmış olan araştırmalarda gizli ısı depolama amacıyla, yaklaşık adet bileşik veya bunların karışımları dikkate alınmıştır. Gizli ısı depolamak için PCM seçiminde şu özellikler dikkate alınır: 47

57 Ergime noktası Faz diyagramları Toksik etki Kimyasal kararlılık Korozif etki Yanma özelliği Emniyet Maliyet Faz değiştiren materyaller (PCM ler), ısıtma sistemi için ısı depolamak amacıyla, depolama ünitelerinde yaygın olarak kullanılır. (-20)-(+150) C sıcaklık aralığında ergiyebilen PCM ler, güneş enerjisi, ısı pompaları vb. yardımıyla ısıtma ve soğutma sistemleri için önemlidir. Yüksek ergime ısısı ile C sıcaklık sınırlarında ergiyen çok sayıda organik ve inorganik yapılı materyaller bulunmaktadır. Bu materyallerin gizli ısı depolama sistemlerinde ısı depolama materyali olarak kullanılabilmesi için, termodinamik, kinetik ve kimyasal yönlerden belirli özellikler göstermeleri gerekir. Ayrıca materyalin maliyeti ve çok miktarlarda bulunabilir olması da dikkate alınmalıdır. Güneş enerjisiyle ısıtma uygulamaları ve sıcak su üretimi için en uygun çalışma sıcaklığı sınırları C'dir. Özel uygulamalar için bu sınır değerler C'ye kadar değiştirilebilir. Güneş enerjisiyle soğutma için ısı pompası uygulamalarında 0 C'nin altına inebilen daha düşük depolama sıcaklıkları istenir. Bu sıcaklık sınırlarında, faz değiştiren materyalleri Şekil 2'de görüldüğü gibi, organik ve inorganik bileşikler olarak sınıflandırılır. İnorganik tuzların ergime ısıları yüksektir. Organik bileşiklerin ergime sıcaklığı geniş aralıkta yer alır. Bununla birlikte, ısı depolama kapasiteleri daha düşüktür. Organik bileşiklerin birim hacimlerinin ısı depolama kapasitesi, inorganik tuzlarınkinin yaklaşık yarısı kadar olup, MJ/m 3 arasında değişir. Tuz hidratlarının ısı depolama kapasiteleri MJ/m 3 arasındadır. Şekil 1. Faz değiştiren materyallerinin sınıflandırılması (Kakaç ve Ark., 1989) Organik bileşikler, gerekli depolama hacminin fazla olması gibi olumsuz özelliklere sahip olmakla birlikte, inorganik bileşiklerle karşılaştırıldığında, ısı depolama materyali olarak bazı önemli özelliklere sahiptir. Bunların ısı depolama açısından üstünlükleri şunlardır: Uygun olarak ergime gösterirler. Kendi kendine kristalleşebilirler. Geleneksel tasarım malzemeleriyle uygun olarak kullanılabilirler. İnorganik PCM ler gurubunda bulunan tuz hidratları ısı depolama için önemli olduklarından, araştırmalar bu materyaller üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Organik yapıdaki PCM ler Şekil 1'de görüldüğü gibi, parafinler ve parafin olmayan materyaller olmak üzere iki alt guruba ayrılır. Bu durumda PCM ler; tuz hidratları, parafinler ve parafin olmayan organikler olmak üzere üç temel gurupta incelenir. 48

58 4.1. Tuz Hidratları M n H 2 O (M, inorganik bileşik) şeklinde belirtilen tuz hidratları, C sıcaklık sınırlarında hacimsel ısı depolama kapasitelerinin yüksek olması nedeniyle inorganik PCM lerin en önemli gurubudur. Genellikle suda çözünebilen tuzlar ısı depolama amacıyla kullanılabilir. Isı depolama amacıyla kullanılabilen ve pahalı olmayan birçok tuz hidratı bulunmaktadır. Tuz hidratlarının gizli ısı depolama açısından en önemli özellikleri şunlardır: Ergime gizli ısıları yüksektir. Ergime-katılaşma sonucunda hacim değişimi azdır. Organik PCM ler ile karşılaştırıldığında, ısıl iletkenlikleri yüksektir. Yoğunlukları yüksektir, kompakt depolama üniteleri geliştirilebilir. Çizelge 2 de C sıcaklık aralığında ergiyen bazı tuz hidratlarının termo-fiziksel özellikleri verilmiştir. Maliyeti düşük olan materyaller arasında genellikle; klorit, karbonat, nitrat, sülfat veya fosfat formlarında sodyum, kalsiyum ve magnezyum bileşikleri yer alır. Tuz hidratlarının PCM olarak üstün özelliklerinin yanı sıra, uygulama alanlarını kısıtlayan bazı olumsuz özellikleri de vardır. Gizli ısı depolama materyali olarak tuz hidratlarının kullanılması durumunda, uygun olmayan ergime ve aşırı soğuma olmak üzere yaygın olarak iki sorunla karşılaşılır. Uygun olmayan ergimenin nedeni; çözünme sırasında serbest bırakılan kristalleşme suyu miktarının, toplam katı miktarının çözünmesi için yeterli olmamasıdır. Bu durumda oluşan çözelti ergime noktasında aşırı doygunluktadır. Çözelti içindeki katı kısımların yoğunluğu daha yüksek olduğundan, çözünemeyen tuz hidratı deponun dip kısmında toplanır. Aşırı soğuma durumunda tuz hidratı, ergime sıcaklığından daha düşük sıcaklıklarda bile kristalize olmaz. Aşırı soğumanın nedeni, kapalı kaplarda kullanılan tuz hidratlarının ancak bir kristal çekirdeği olduğu zaman kristalleşmeleridir. Bunu sağlamak için, aynı kristal formunda fakat çözünürlüğü daha düşük olan bir madde kullanılır. Çizelge 2. Bazı Tuz Hidratlarının Termo-Fiziksel Özellikleri (Abhat, 1983) Tuz hidratı CaCl 2.6H 2 O Kalsiyum klorit hekzahidrat Na 2 SO 4.10H 2 O Sodyum sülfat dekahidrat Na 2 HPO 4.12H 2 O Disodyum bifosfat dodekahidrat Na 2 S 2 O 3.5H 2 O Sodyum tiyosülfat pentahidrat Ba(OH) 2.8H 2 O Baryum hidroksit hidrat MgCl 2.6H 2 O Magnezyum klorit hekzahidrat Ergime sıcaklığı ( C) Ergime ısısı (kj/kg) Yoğunluk (kg/dm 3 ) (25 C) (sıvı) (katı) (katı) (sıvı) 1.73 (katı) 1.67 (sıvı) (katı) 1.57 (20 C) (78 C) Özgül ısı (kj/kg K) 1.45 (katı) 1.93 (katı) 1.70 (katı) 1.95 (sıvı) 1.46 (katı) 2.93 (sıvı) 1.17 (katı) 1.72 (katı) 2.82 (sıvı) Faz değiştiren maddelerin bazıları olumsuzluklara sahiptirler. Örneğin, tuz hidratları nemli bölgelerde akarlar ve oluşan nem değişikliği ile hidrat sayısında değişiklikler olabilir. Hidrokarbonlar, eridiğinde viskozitesi azalabilir. Bu durumda, hidrokarbonlar ısı depolama ünitesi içerisinden akabilirler. Buharlaşma ile havanın uçucu organik bileşimini sınır değerlerin üstüne yükseltebilirler. Bu sorunları önlemek amacıyla, PCM ler bir kap, diğer bir deyişle, kendilerini saran bir mikro-kapsül içerisinde kullanılır. Bu işleme mikrokapsülleme denir (Özonur, 2008). 49

59 4.2. Parafinler Parafinler petrol türevleri olup, genel olarak C n H 2n+1 şeklinde belirtilen ve "alkanlar" olarak adlandırılan önemli bir bileşen içerirler. Parafin mumlarındaki n-alkan içeriği, genellikle % 75'den fazladır ve % 100'e ulaşabilir. Yaygın olarak bilinen oktadekan (C 18 H 38 ) gibi saf parafinler, sadece alkanları içerir. Alkanların ergime sıcaklığı, karbon atomu sayısının artmasıyla artar. Karbon atomu sayısı arasında olan alkanların ergime sıcaklığı, 6-80 C aralığındadır ve genellikle parafinler olarak adlandırılırlar. Ticari parafinlerin karbon atomu sayısı 8-15 arasında olabilir (Furbo, 1980). Parafinler alkan zinciri uzunluğuna bağlı olarak n- parafin veya izo-parafin şeklinde olabilir. Isı depolama amacıyla yararlanılabilecek bir materyalde aranan uygun fiziksel, kimyasal ve termokimyasal özelliklere sahip olan parafinlerin, ısı depolama bakımından bazı önemli üstünlükleri aşağıdaki gibi sıralanabilir: Maliyeti düşük ve bol miktarda mevcuttur. Korozif ve toksik etkili değildirler. Ergime noktası sıcaklık sınırları geniştir. Ergime gizli ısıları yüksektir. Hızlı bir şekilde faz değiştirirler. Kimyasal olarak kararlıdırlar. Yoğunlukları düşüktür. Kolay bir şekilde paketlenebilirler. İhmal edilebilir düzeyde aşırı soğuma gösterirler. Kendi kendine kristalleşebilirler. Ergime sonunda hacim değişimi azdır. Parafinlerin PCM olarak en önemli olumsuz özellikleri: katı durumdaki ısıl genleşme katsayıları düşük olması ve ısıl iletkenlikleri düşük olmasıdır. Kimyasal olarak saf parafinlerin ergime ısıları 200 kj/kg gibi yüksek bir değerdedir. Ayrıca saf parafinler ergime sıcaklığında tekdüze olarak ergirler. Petrol esaslı parafinlerin ergime ısıları, saf bileşiğin yaklaşık olarak % 75'i kadardır. (Ghoneim ve Klein, 1989) Parafin Olmayan Organikler Gizli ısı depolamaya uygun materyallerin bulunduğu en geniş guruptur. Isı enerjisi depolamaya uygun birçok ester, yağ asidi, alkol ve glikol belirlenmiştir. Bu organik materyallerin bazı özellikleri şunlardır: Ergime ısıları yüksektir. Yanıcı özellikte değildir. Isıl iletkenlikleri düşüktür. Parlama noktaları düşüktür. Toksite düzeyleri değişebilir. Yüksek sıcaklıklarda kimyasal bakımdan kararsız özelliktedirler. Parafin olmayan organik materyaller, yağ asitleri ve parafin olmayan diğer organik materyaller olmak üzere iki geniş alt guruba ayrılır. Yağ asitlerinin ergime ısıları parafinlerle karşılaştırılabilir değerlerdedir. Yağ asitleri; termodinamik, kinetik, ısıl ve kimyasal kararlılık, emniyet ve maliyet bakımından, tuz hidratları, parafin ve diğer kimyasal maddelere kıyasla üstün özelliklere sahiptir. Düşük sıcaklıkta gizli ısı depolama uygulamaları için, uygun özelliklere sahip olan bazı yağ asitleri Çizelge 3 de verilmiştir. Yağ asitleri, yenilebilir ergime ve donma özelliklerine ve çok az veya hiç aşırı soğuma olmadan donma özelliğine sahip 50

60 olduklarından, PCM olarak uygun özelliklere sahiptirler. En önemli olumsuzlukları, maliyetlerinin parafinlerden kez daha yüksek olmasıdır. Çizelge 3. Bazı Yağ Asitlerinin Fiziksel Özellikleri (Abhat, 1983) Yağ Asidi Saprilik asit Saprik asit Laurik asit Palmitik asit Stearik asit Ergime Sıcaklığı ( C) Ergime Isısı (kj/kg) Yoğunluk (kg/dm 3 ) (80 C) (40 C) (50 C) (80 C) (40 C) Özgül Isı (kj/kg K) (125 C) Isı İletimi (W/m K) (20 C) (40 C) (50 C) (70 C) (70 C) 5. SERALARDA GİZLİ ISI DEPOLAMA UYGULAMALARI Sera ısıtma için ısı depolama uygulamalarında, ergime sıcaklığı ºC aralığında yer alan PCM ler kullanılabilir. Sera ısıtma için gizli ısı depolama amacıyla kullanılabilecek olan bazı PCM lerin termofiziksel özellikleri Çizelge 4 de verilmiştir. Sera ısıtma uygulamalarında, geçen son 20 yılda PCM olarak; organik bileşikler (özellikle parafinler), tuz hidratları ve ötektik karışımlar kullanılmıştır. Ötektik karışımların sera ısıtma uygulamalarında kullanımı oldukça yenidir. Bu nedenle, bu ısı depolama materyallerinin termofiziksel özelliklerine ilişkin sınırlı miktarda veri bulunmaktadır. Seralarda enerji korunumu ve yönetiminde PCM lerin kullanımı konusunda Kürklü (1998) tarafından bir araştırma yürütülmüştür. Bu çalışmada, seralarda kullanılan PCM ler, tuz hidratları, parafinler ve polietilen glikol olarak sınıflandırılmıştır. Bütün uygulamalarda kullanılan; ısı değiştirici ve ısı depolama ünitelerinin tipleri ile kullanılan PCM miktarları farklı olarak belirlenmiştir. Sethi ve Sharma (2008) tarafından yapılan bir çalışmada, sera ısıtmak için depolama uygulamalarında kullanılan PCM ler; inorganik bileşikler (tuz hidratlar), organik bileşikler ve ötektik karışımlar şeklinde üç önemli grup olarak incelenmiştir. Sera ısıtmada yararlanılmak üzere, PCM kullanılarak ısı depolamaya ilişkin olarak yapılmış olan bazı araştırmalar Çizelge 5 de özetlenmiştir İnorganik Bileşikler / Tuz Hidratları İlk uygulamalarda, kalsiyumklorit hekzahidrat (CaCl 2.6H 2 O; ergime sıcaklığı 29 ºC ve ergime gizli ısısı 191 kj/kg) kullanılan faz değişim enerjisi depolama sisteminin, ısı depolama için uygun bir şekilde kullanıldığı bildirilmektedir (Kern ve Aldrich, 1979). Jaffrin ve Cadier (1982) tarafından Fransa da (Nice) yürütülen bir araştırmada, gül üretimi yapılan 500 m 2 alanındaki bir cam serayı ısıtmak için CaCl 2.6H 2 O kullanılmıştır. Toplam 13.5 ton ısı depolama materyali, her birinde 1.5 kg materyal bulunan 9000 adet torbaya doldurularak, toprak altındaki ısı depolama ünitesine yerleştirilmiştir. Bu uygulama ile, Aralık ve Ocak aylarında, dış ortam sıcaklığının ortalama 8.4 ºC ve 7.2 ºC olduğu koşullarda, sera ısı gereksiniminin % 75 i karşılanmıştır. 51

61 Çizelge 4. Sera Isıtma Uygulamalarında Kullanılan Bazı Önemli PCM lerin Termofiziksel Özellikleri (Sethi ve Sharma, 2008) Bileşikler (a) İnorganik Bileşikler Donma/ergime sıcaklığı aralığı (ºC) Yoğunluk (kg/m 3 ) 52 Ergime ısısı (kj/kg) Isıl iletkenlik (W/mK) Özgül ısı (kj/kgk) (100 ºC de) KF. 4H 2 O (18 ºC) (katı) CaCl 2.6H 2 O (25 ºC) (38.7 ºC) 1.45 (k) Na 2 SO 4.10H 2 O (k) (38.7 ºC) 1.93 (k) Na 2 HPO 4.12H 2 O (k) (32 ºC) 1.34 (k) Zn(NO 3 ) 2.6 H 2 O (14 ºC) (k) Na 2 S 2 O 3.5H 2 O (k) (k) b) Organik Bileşikler Parafin (20 ºC) (k) 2.1 n-oktadekan (20 ºC) (k) 2.16 Parafin (20 ºC) (k) 2.1 Parafin (20 ºC) (k) 2.5 Parafin (20 ºC) (k) 2.1 Polyglycol E (38.6ºC) - Yağ asitleri Kaprilik acit (10 ºC) (20 ºC) - Kaprik asit (40 ºC) (38.6ºC) - Laurik asit (50 ºC) (50 ºC) - Myristic asit (80 ºC) Palmitik asit (80 ºC) (70 ºC) 1.6 (k) Stearik asit (40 ºC) (70 ºC) 2.35 (125 ºC) (c) Ötektik Bileşikler CaCl 2 (%41)+MgCl 2 (%10)+H 2 O (%49) CaCl 2 (%48)+NaCl(%4.3)+KCl(%0.4)+ H 2 O (%47.3) Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O(%67)+Mg(NO 3 ) 2.6H 2 O(%33) Ure(%45.3)+NH 4 NO 3 (%54.7) Propionamide (%25.1)+Palmitik asid (%74.9) 0.925Ca(NO 3 ) H 2 O+0.075CaCl H 2 O CH 3 CONH Ca(NO 3 ) 2.4H 2 O Huang ve Toksoy (1983), ABD de (Kuzey Karolina) 100 m 2 alanındaki fiberglas örtülü serada ısı depolamak için 598 kg CaCl 2.6H 2 O kullanmışlardır. Aralık ve Ocak aylarında, dış ortam sıcaklığının ortalama 8.5 ºC ve 6.5 ºC olduğu koşullarda, sera içi ortam sıcaklığı dış ortamdan 2 ºC daha yüksek olarak belirlenmiştir. İsrail de (Bet Dagan), gül üretimi yapılan, 200 m 2 alanındaki bir cam sera içerisindeki ısı değiştiricinin içine 3000 kg CaCl 2.6H 2 O doldurulmuştur. Sistem etkin bir şekilde çalışarak, ekstrem kış koşullarında bile herhangi bir ek ısıtmaya gerek kalmamıştır (Santamouris ve Ark., 1994b). Bu uygulamaya benzer bir sistem, İtalya da (Rasignanao) çiçek üretimi yapılan 200 m 2 alanındaki bir cam serada, toprak altında 2800 kg CaCl 2.6H 2 O kullanılarak denenmiştir (Balducci, 1995). Sistem, kış koşullarında seranın aylık ısı gereksiniminin % 22 sini karşılamıştır.

62 Huang ve Ark. (1986), ABD de (Kuzey Karolina) 100 m 2 alanındaki bir serayı ısıtmak için toplam 1200 kg CaCl 2.6H 2 O kullanmışlardır. Dış ortam koşulları ile karşılaştırıldığında, sera içerisindeki hava sıcaklığı 5 ºC daha yüksek olarak belirlenmiştir. Boulard ve Baille (1987), Fransa da (Avignon), domates yetiştirilen, 176 m 2 alanındaki çift kat polikarbonat örtülü deneysel bir serada, ısı depolamak için 2970 kg CaCl 2.6H 2 O kullanmışlardır. Isı depolama materyali, her birinde toplam 990 kg CaCl 2.6H 2 O olacak şekilde, 3 üniteye yerleştirilmiştir. Sistem, kış dönemi süresince seranın gece ısı gereksiniminin % 30 unu karşılamıştır. Benzer bir uygulama saksı bitkileri yetiştirilen 20 m 2 alanındaki cam serada 100 kg CaCl 2.6H 2 O kullanılarak, Avustralya (Canberra) da gerçekleştirilmiştir (Brandstetter, 1987). Sera içi ortam hava sıcaklığı, dış ortamdan (Haziran ve Temmuz aylarında ortalama 6 ºC ve 8 ºC) 2-3 ºC daha yüksek olarak belirlenmiştir. Çizelge 5. Seralarda PCM Kullanılarak Isı Depolama Uygulamaları (Sethi ve Sharma, 2008) Araştırıcı-Yıl Boulard ve Baille Brandstetter-1987 Santamouris ve Ark Jaffrin ve Cadier Jaffrin ve Makhlouf-1987 Huang ve Toksoy Huang ve Ark Paris-1981 Balducci-1985 Machida ve Ark Boulard ve Ark Öztürk-1997 Bölge-Sera alanı (m 2 ) Avignon (43.57 ºN 4.50 ºE), Fransa-176 Canberra (35.29 ºS ºE), Avustralya-20 Bet Dagan (32 ºN ºE), İsrail-200 Nice (43.65 ºN 7.20 ºE), Fransa-500, Nice (43.65 ºN 7.20 ºE), Fransa-500 Carolina (34.83 ºN 7.30 ºW), USA-100 Carolina (34.83 ºN 7.30 ºW), ABD-100 Antibes (43.34 ºN 7.06 ºE), Fransa-445 Rosignanao (43.24ºN ºE), İtalya-200 Yokohama (35.27 ºN ºE), Japonya- 352 Montfavet, Fransa- 176 Adana (37.01 ºN ºE), Türkiye- 180 Sera Sonuç Örtü PCM alanı için (ısı karşılama oranı, malzemesi ve PCM miktar kullanıla % veya sıcaklık artışı yetiştirme ı (kg) n gizli ısı ºC) (kj/m 2 ) Polikarbonat Domates CaCl 2. 6H 2 O % 30 Cam Saksı bitkileri CaCl 2. 6H 2 O Cam CaCl 2. 6H 2 O Cam Gül CaCl 2. 6H 2 O % 75 Cam Gül CaCl 2. 6H 2 O - - % 51 Fiberglas CaCl 2. 6H 2 O ºC Fiberglas CaCl 2. 6H 2 O ºC Cam NaOH + Cr 2 N Cam Çiçek CaCl 2. 6H 2 O % NA 2 SO 4.10 Cam H 2 O/0.45Na 2 CO Çiçek 3.10H 2 O/0.1NaC ºC l CaCl 2.6H 2 O+ Polikarbonat Domates Kloritler ve ºC nitratlar Çift kat PE Parafin Fransa da (Nice), gül üretimi yapılan 500 m 2 alanındaki bir cam serada ısı depolamak için CaCl 2.6H 2 O kullanılmıştır (Jaffrin ve Makhlouf, 1987). Dış ortam sıcaklığının Aralık ve Ocak aylarında ortalama 7-8 ºC olduğu koşullarda, sera ısı gereksiniminin %51 i karşılanmıştır. 53

63 Boulard ve Ark. (1990) tarafından, Fransa da (Montfavet) domates üretimi yapılan, 176 m 2 alanındaki çift kat polikarbonat örtülü bir serada, ısı depolama materyali olarak ötektik bir karışım (serrolitle) kullanılmıştır. Toplam 2105 kg PCM, her birinde 2.5 kg olacak şekilde, 842 adet paket içerisine doldurularak, seranın kuzey duvarı boyunca yerleştirilmiştir. Isı depolama uygulamasında, hava dolaşımı için güçleri 0.45 kw olan iki adet fan kullanılmıştır. Gece süresince, dış ortam sıcaklığı ile karşılaştırıldığında, sera iç ortamındaki hava sıcaklığı 7-8 ºC daha yüksek olarak belirlenmiştir Organik Bileşikler Farid ve Yacoub (1989) tarafından, sera ısıtma uygulamalarında PCM olarak parafinlerin etkin bir şekilde kullanımına ilişkin teorik bir çalışma yürütülmüştür. Lacroix (1993), PCM olarak parafin kullanılan bir ısı depolama ünitesinin ısıl davranışını belirleyen bir model geliştirmiştir. Parafinlerin düşük sıcaklıktaki uygulamalarda PCM olarak etkin bir şekilde kullanılabileceği gözlemlenmiştir. Sarı ve Kaygusuz (2001) tarafından yürütülen bir araştırmada, sera ısıtmak için ısı depolama uygulamalarında PCM olarak stearik asit kullanımı önerilmiştir. Öztürk (1997) tarafından yapılan bir araştırmada, taban alanı 180 m 2 olan bir seranın ısıtılmasında yararlanılmak üzere, güneş enerjisinin parafin kullanılarak gizli ısı depolama yöntemi ile mevsimlik olarak depolanması amaçlanmıştır. Isı toplama ünitesinde, toplam 27 m 2 alanında 18 adet düzlem toplaç kullanılmıştır. Isı depolama ünitesi, 1.7 m çapında ve 11.6 m 3 hacmindeki silindir şeklindeki çelik bir depodan tasarımlanmıştır. Isı depolama ünitesinde PCM olarak kg parafin kullanılmıştır. Isı depolama ünitesine günlük toplam 48.6 MJ ısı verilmesine karşın, 38.1 MJ ısı depolanmıştır. Geri kazanılan günlük toplam ısı miktarı 9.15 MJ olarak hesaplanmıştır. Seranın günlük ortalama toplam ısıl güç gereksinimi kw olmasına karşın, ortalama 0.38 kw ısıl güç geri kazanılmıştır Ötektik Karışımlar Ötektik karışımların sera ısıtma uygulamalarında PCM olarak kullanımı, gelişme aşamasında olup, bu konuda araştırmalar devam etmektedir. Günümüze kadar, sera ısıtma uygulamalarında, araştırma amacıyla yaygın bir şekilde kullanılmış olan PCM, ergime sıcaklığı 29 ºC olan CaCl 2.6H 2 O dır. Yapılan araştırmalarda, farklı iklim koşulları için cam seralarda sera taban alanı başına ortalama olarak 10 kg CaCl 2.6H 2 O kullanılmıştır. CaCl 2.6H 2 O kullanılarak ısı depolanan seralarda, en düşük dış ortam sıcaklığından 2-8 ºC daha yüksek sera içi ortam sıcaklıkları belirlenmiştir. Sera ısı gereksiniminin % arasında değişen bir oranının, CaCl 2.6H 2 O kullanılan ısı depolama sistemleri ile karşılanabileceği saptanmıştır. Paris (1981) tarafından Fransa da (Antibes) yürütülen bir araştırmada, 445 m 2 alanındaki bir cam serada PCM olarak sodyum hidroksit (NaOH) çözeltisi ve krom nitrit (Cr 2 N) den oluşan ötektik bir karışım kullanılmıştır. PCM, 21 adet ünite içerisine yerleştirilmiştir. Ekstrem kış koşullarında, sera içerisindeki en düşük sıcaklık 8 ºC olarak sürdürülebilmiş ve 5000 litre yakıt tasarrufu sağlandığı belirlenmiştir. Machida ve Ark (1985), gizli ısı depolama materyali olarak, 0.45 Na 2 SO 4.10 H 2 O Na 2 CO H 2 O NaCl karışımı kullanmışlardır. Japonya (Yokohama) da domates yetiştirilen, 352 m 2 alanındaki deneysel bir cam serada toplam 2500 kg materyal kullanılmıştır. Materyalin faz değiştirme sıcaklığı 24 ºC ve faz değişimi süresince serbest bırakılan ısı miktarı kj/kg dır. Sera iç ortam sıcaklığı, en düşük dış ortam sıcaklığından 8 ºC daha yüksek olarak belirlenmiştir. Marinkovic ve Ark. (1998) tarafından, yaklaşık olarak ortam sıcaklığında ergiyen ve sera ısıtma uygulamaları için uygun olabilecek; 1) Ca(NO 3 ) H 2 O CaCl H 2 O (ergime sıcaklığı 35.6 ºC) ve 2) 0.9 CH 3 CONH Ca(NO 3)2.4 H 2 O (ergime sıcaklığı 27.7 ºC) iki karışım incelenmiştir. Ergime sıcaklıkları ve ısıları DSC ölçümleri ile belirlenmiştir. Sarı ve Kaygusuz (2002), laurik asit ve stearik asitten oluşan ötektik bir karışımın ısıl özelliklerini incelemişlerdir. Ergime sıcaklıkları 37 ºC ve ergime ısısı J/kg olan bu karışımın, güneş enerjisi ile pasif ısıtma uygulamalarında etkin bir şekilde kullanılabileceği belirtilmiştir. Sarı (2003) tarafından yürütülen bir araştırmada, palmitik asit ve 54

64 myristic asitten oluşan ötektik bir karışımın ergime sıcaklığı 42.6 ºC ve ergime ısısı J/kg olarak belirlenmiştir. Bu karışımın, sera ısıtma uygulamaları gibi güneş enerjisiyle pasif ısıtma uygulamalarında ısı depolama amacıyla kullanılabileceği belirtilmiştir. Ergime sıcaklığı 35.2 ºC ve ergime ısısı J/kg olan, laurik asit (%69) ve palmitik asit (%31) ötektik karışımının, düşük sıcaklıkta sera ısıtma için kullanılabilir (Tunçbilek ve Ark., 2005). 6. SONUÇ VE ÖNERİLER Isı depolama materyali iç enerjisinin önemli oranda değişmesi, bu materyalin faz değiştirmesine neden olur. Uygun sıcaklık sınırlarında, depolama materyalinin faz değiştirmesiyle ortaya çıkan gizli ısı depolanabilir. Bu nedenle, ısı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda ergime, buharlaşma veya diğer faz değişimlerine uğrayan ve ısı depolama kapasitesi yüksek olan materyalden yararlanır. Gizli ısı depolama yöntemi, ısı depolama kapasitesinin yüksek olması ve ısı depolama materyalinin faz değiştirme sıcaklığının sabit sıcaklıkta ısı depolamak için uygun olması nedeniyle, diğer ısı depolama yöntemlerine göre bazı üstün özelliklere sahiptir. Gizli ısı depolamada, genellikle katı-sıvı faz değişimi sırasında PCM tarafından soğurulan ve serbest bırakılan ısıdan yararlanılır. Güneş enerjisinin gizli ısı depolama yöntemi ile sera ısıtma amacıyla depolanması durumunda, sera tarımının toplam üretim giderleri içerisinde büyük yer tutan ısıtma giderleri azalacaktır. Isıtma giderlerinin azalmasına bağlı olarak seralarda yetiştirilen ürünlerin üretim maliyeti de azalacaktır. Serada yetiştirilen ürünlerin üretim maliyetlerinin azalması, bu ürünlerin dış ve iç pazarlarda pazarlanmasını kolaylaştıracak, özellikle dış piyasalarda rekabet edebilirlik sağlayacaktır. Tüketicilerin serada yetiştirilen ürünleri daha ucuza alabilmeleri sonucunda toplumsal refaha katkı sağlanacaktır. Sera ısıtma için kullanılması gereken enerji miktarının azalmasına bağlı olarak, önemli oranda enerji tasarrufu sağlanacaktır. Enerji dış alımı yapan ülkemizde, enerji dış alımı için ödenecek döviz miktarı azalacağından, ulusal ekonomiye önemli katkı sağlanacaktır. 55

65 KAYNAKLAR Abhat, A., Low Temperature Latent Heat Thermal Energy Storage: Heat Storage Materials. Solar Energy, 30(4): Balducci, M., Thermal performance of a solar heat storage accumulator used for greenhouses. In: von Zabeltitz, C. (Ed.), Solar Agricultural Greenhouse Flag Brochure EEC. FAO, Roma, pp Boulard, T., Baille, J., Thermal performance and model of two types of greenhouses with solar energy storage. A.Hort. 263, Boulard, T., Razafinjohany, E., Baille, A., Jaffrin, A., Fabre, B., Performance of a greenhouse heating system with a phase change material. Agricultural and Forest Meteorology 52, Brandstetter, A., Greenhouse heating using phase change material. In: Bilgen, E., Hollands, K.G.T. (Eds.), Proceedings of ISES Solar World Congress, Hamburg, pp Farid, M.M., Yacoub, K., Performance of direct contact latent heat storage unit. Solar Energy 43 (4), Furbo, S Heat Storage with an incoungruently melting salt hydrate as storage medium based on the exstra water principle. Thermal Storage of Solar Energy, Proceedings of an International TNO-Symposium (C.Den., Ouden, editor): , 5-6 November Ghoneim, A. A., Klein, S. A The Effects of Phase-Change Materials Properties on the Performence of Solar Air-Based Heating Systems. Solar Energy, 42(6): Huang, B.K., Toksoy, M., Design and analysis of greenhouse solar systems in agricultural production. Energy in Agriculture 2 (2), Huang, B.K., Toksoy, M., Cengel, Y.A., Transient response of latent heat storage in greenhouse solar system. Solar Energy 37 (4), Jaffrin, A., Cadier, P., Latent heat storage applied to horticulture. Solar Energy 28 (4), Jaffrin, A., Makhlouf, Use of solar energy for heating of greenhouses in mild winter climates. In: Bilgen, E., Hollands, K.G.T. (Eds.), Proceedings of ISES Solar World Congress, Hamburg, pp Kern, M., Aldrich, R.A., Phase change energy storage in a greenhouse solar heating system. ASAE Paper No Kreith, F., J. Kreider, Principles of solar engineering. Hemisphere-McGraw-Hill, New York. Kürklü, A., Energy storage applications in greenhouses by means of phase change materials (PCMs): A Review. Renewable Energy 13 (1): Machida, Y., Kudoh, Y., Takeda, T., Use of phase change materials for greenhouse heating. In: Proceedings of Symposium on Thermal Applications of Solar Energy, Kobe, Japan, ISES, pp Marinkovic, M., Nikolic, R., Savovic, J., Gadzuric, S., Zsigrai, I., Complex compounds in phase change materials: possible application in an agricultural greenhouse. Solar Energy Materials and Solar Cells 51 (3 4), Kakaç, S., Paykoç, E., Yener, Y Storage of Solar Thermal Energy. Energy Storage Systems. Energy Storage Systems (Edited by; KILKIŞ, B. and KAKAÇ, S.), NATO ASI Series; Series E: Applied Sciences,167: , Kluwer Academic Publishers. Kenisarin, M.M Short Therm Storage of Solar Energy. 1.Low Temperature Phase- Change Materials. Geliotekhnika, 29(2): Konuklu Y., Mikrokapsüllenmiş Faz Değiştiren Maddelerde Termal Enerji Depolama ile Binalarda Enerji Tasarrufu. Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Kimya Anabilim Dalı, Adana. 56

66 Öztürk H. H., Sera Isıtma İçin Güneş Enerjisinin Faz Değiştiren Materyalde (PCM) Depolanması Üzerine Bir Araştırma. Doktora Tezi (Yayınlanmamış). Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı, Adana. Öztürk, H.H Experimental determination of the overall heat loss coefficient for energy requirement of greenhouse heating. International Journal of Energy Research, 29: Öztürk, H.H., Isı Depolama Tekniği. Teknik Yayınevi, Kızılay/Ankara, ISBN Paris, V., Eutectic mixture for greenhouse heating. Proceedings of Second Conference on Solar Greenhouses, Perpignan, pp Petela, R Exergy of Undiluted Thermal Radiation. Solar Energy 74: Popovski, C Greenhouse Energetics. Compact Course on Greenhouse Energetics. Popovski, K Greenhouse Climate Factors. Geo-Heat Center Quarterly Bulletin Vol. 18, No.1, pp Santamouris, M.I Active Solar Agricultural Greenhouses. The State of Art. Solar Energy, 14, Santamouris, M., Balaras, C.A., Dascalaki, E., Vallindras, M Passive solar agricultural greenhouses: a worldwide classification and evaluation of technologies and system used for heating purposes. Solar Energy, 53(5): Sarı, A., Kaygusuz, K., Thermal energy storage system using stearic acid as phase change material. Solar Energy 72 (1), Sarı, A., Kaygusuz, K., Thermal performance of a eutectic mixture of lauric and stearic acid as phase change material encapsulated in the annulus of two concentric pipes. Solar Energy 72 (6), Sethi, V.P., Sharma, S.K., Survey and evaluation of heating technologies for worldwide agricultural greenhouse applications. Solar Energy, 82(9), Suzuki, A A Fundamental Equation for Exergy Balance on Solar Collectors. Trans. ASME Journal Solar Energy Eng., 110: Ültanır, M.Ö Potential of new and renewable energy sources in long-term utilization for Turkish rural areas. Proceedings of AGENG 94 International Conference on Agricultural Engineering : , 29th August-1st September Italy. Tunçbilek, K., Sari, A., Tarhan, S., Erguneş, G., Kaygusuz, K., Lauric and palmitic acids eutectic mixture as latent heat storage material for low temperature heating applications. Energy 30(5), TUİK, Türkiye İstatistik Kurumu, Tarımsal Yapı ve Üretim, Ankara. 57

67 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 GÜNEŞ PİLİ İLE ÇALIŞAN TARIMSAL SULAMA SİSTEMLERİ İÇİN TASARIM ÖLÇÜTLERİNİN BELİRLENMESİ ÖZET Doç.Dr. H.Hüseyin ÖZTÜRK Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü ADANA Tel: hhozturk@cu.edu.tr Güneş pili (PV) sistemlerinin ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması, bu sistemlerin olabildiğince doğru bir şekilde boyutlandırılmasını gerektirmektedir. Güneş enerjisi ile çalışan tarımsal sulama sistemlerinin tasarımında; suyun pompalanacağı toplam yükseklik, gereksinim duyulan günlük su ve bölgedeki ortalama güneş enerjisi miktarlarının önceden hesaplanması veya tahmin edilmesi gerekir. Bu çalışmada, meyve bahçelerinde damla sulama amacıyla, su pompalama sistemi için gerekli PV tesisatın tasarım ölçütlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla; ürün su gereksinimi, toplam sulama gereksinimi, belirli bir yüksekliğe belirli bir hacimde su pompalamak için günlük olarak gerekli hidrolik enerji, PV panellerin sağlaması gereken en yüksek enerji miktarı, PV panellerin gücü ve güneş pili gereksinimi gibi tasarım ölçütlerinin belirlenmesi için izlenecek yöntemler açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisiyle sulama, tasarım ölçütleri DETERMINATION OF DESIGN PARAMETERS FOR OPTIMAL SIZING OF PHOTOVOLTAIC IRRIGATION WATER PUMPING SYSTEMS ABSTRACT Photovoltaic water pumping (PWP) systems are particularly suitable for water supply in remote areas where no electricity supply is available. Since the high initial costs of the PWP systems, it necessary to dimension photovoltaic installations as accurately as possible. Some design parameters, such as total height that water pumped, daily water requirement and main solar energy, should be calculated or estimated in design of the PWP. The main objective of this paper is to present procedure to estimate the design requirements of a PWP system to power the drip irrigation of orchards. The methods to determine design parameters such as the crop water requirement, hydraulic energy for pumping the water and energy gain from PV panels, are revived in this paper. Keywords: Photovoltaic water pumping, design parameters 58

68 1. GİRİŞ Uzun bir geçmişi olan sulama işlemi için en az çaba ile su pompalama amacıyla birçok yöntem geliştirilmiştir. Su pompalama için uygulanan bu yöntemlerde, insan enerjisi, hayvan gücü, rüzgar, güneş ve fosil yakıtlar gibi değişik güç kaynaklarından yararlanılmaktadır. Güneş pili (PV) sistemleri, özellikle elektriğin ulaştırılamadığı yerlerde su temini ve tarımsal sulama amacıyla tasarımlanmaktadır. Özellikle Türkiye gibi, çok fazla güneş ışınımı alan ülkelerde, PV sistemlerin en ümitvar uygulama alanlarından birisi de, belirli bir ürünün sulanması için, gerekli suyun pompalanması amacıyla güç kaynağı olarak kullanılmalarıdır. Güneş enerjili sulama (GES) sistemlerinin tasarımında, sistemin çalıştığı süre boyunca, sistemdeki doğal etmenler de (iklim, hidroloji, kuyu, pompalama sistemi, sulama, tarım ve güç kaynağı) dahil olmak üzere sistemi oluşturan bütün bileşenler ayrıntılı olarak dikkate alınır. GES sistemlerinin, içten yanmalı motorlar ile çalıştırılan sulama sistemlerine kıyasla başlıca üstünlükleri; pratik olarak bakım gereksinimlerinin olmaması, kullanım sürelerinin uzun olması, yakıt gerektirmemeleri ve dolayısıyla çevreyi kirletmemeleridir. Diğer önemli bir üstünlükleri de, enerji kaynağı olarak güneşten yararlanmalarıdır. Sulama uygulamalarında, suya en fazla gereksinim duyulan zaman, güneş ışınımının en fazla olduğu zamandır. Bu durum, bu sistemler için bir üstünlük olarak değerlendirilebilir. Bu sistemlerin başlıca olumsuzlukları ise; başlangıç maliyetlerinin yüksek olması ve PV panel verimlerinin geçerli hava koşullarına bağlı olarak değişmesidir. Güneş pili (PV) sistemlerinin maliyetlerinin yüksek olması, bu sistemlerin olabildiğince doğru bir şekilde boyutlandırılmasını gerektirmektedir. GES sistemlerinin tasarımında; suyun pompalanacağı toplam yükseklik, gereksinim duyulan günlük su ve bölgedeki ortalama güneş enerjisi miktarlarının önceden hesaplanması veya tahmin edilmesi gerekir. Bu çalışmada, meyve bahçelerinde damla sulama amacıyla, su pompalama sistemi için gerekli PV tesisatın tasarım ölçütlerinin belirlenmesi amaçlanmıştır. Bu amaçla; ürün su gereksinimi, toplam sulama gereksinimi, belirli bir yüksekliğe belirli bir hacimde su pompalamak için günlük olarak gerekli hidrolik enerji, PV panellerin sağlaması gereken en yüksek enerji miktarı, PV panellerin gücü ve güneş pili gereksinimi gibi tasarım ölçütlerinin belirlenmesi için izlenecek yöntemler açıklanmıştır. 2. GÜNEŞ ENERJİLİ SULAMA SİSTEMLERİ PV sistemler bağımsız uygulamalar için yaygın bir şekilde kullanılır. Bağımsız PV sistemleri için başlıca üç farklı düzenleme vardır (Şekil 1). Su pompalama uygulamaları, PV sistemlerin başlıca uygulama alanıdır. Su pompalama uygulamalarında, güneş ışınımının bulunduğu sürelerde su pompalanır veya daha sonra kullanılmak üzere depolanır. Güneş ışınımının olmadığı sürelerde kullanılmak üzere akülerde güç depolanabilir. Akü dolum sistemi kullanılması durumunda, sistemin kontrolü için elektronik kontrol üniteleri gereklidir. GES sistemleri; 1) PV paneller, 2) motor-pompa (M-P) ünitesi ve 3) dönüştürücü olmak üzere başlıca üç bileşenden oluşur. Sistem tasarımın bağlı olarak, depolama aküleri ve şarj regülatörü (dolum kontrolörü) kullanılabilir. Aküler, bulutlu günlerde güneş ışınım şiddetinin düşük olması durumunda, sistemin çalışmasına olanak sağlar. Bununla birlikte, akü kullanılmayan sistemler daha ucuz ve daha basittirler, bakım gereksinimleri pratik olarak yoktur. Elektrik motoru, güç gereksinimi ve akım tipine bağlı olarak seçilmelidir. Alternatif akım (AC) ile çalışan motor kullanılması durumunda, sisteme DC/AC dönüştürücü yerleştirilmesi gerekir. 59

69 PV dizi Motor Pompa PV dizi Dolum kontrolörü DC Yük PV dizi Dolum kontrolörü DC/AC Dönüştürü ü AC Yük Akü Akü DC Yük a) Akü kullanılmayan düzenleme b) Akü kullanılan düzenleme c) Akü ve dönüştürücü kullanılan düzenleme Dolum kontrolörü PV dizi Fazla enerji Eksik enerji Dönüştürücü AC yük Akü Şekil 1. Güneş pili (PV) sistemlerinin düz enlenmesi Doğrudan bağlantılı bir GES sisteminin başlıca bileşenleri Şekil 2 de şematik olarak verilmiştir. Güneş pilleri dizisi, bir doğru akım (DC) motoru çalıştırmak için yeterli miktarda elektriksel güç üretir. Elektrik motoru, elektriği mekanik enerjiye dönüştürür ve bir su pompasını çalıştırır. Mekanik enerji, daha sonra pompa aracılığıyla su kaynağından su çıkarmak için hidrolik enerjiye dönüştürülür. Güneş pilleri dizisi, DC motor-pompa ünitesi ile doğrudan bağlantılı olduğu için, bu tip düzenleme doğrudan bağlantılı PV su pompalama sistemi olarak tanımlanır (Yeşilata ve Fıratoğlu, 2008). Güneş enerjisi DC motor Hidrolik enerji Elektrik Mekanik enerji DC motor Pompa PV dizi Şekil 2. Doğrudan bağlantılı PV su pompalama sisteminin başlıca bileşenleri (Yeşilata ve Fıratoğlu, 2008) Doğrudan bağlantılı GES sistemlerinde pompalanan su miktarı birçok etmene bağlı olarak değişir. Bu etmenler aşağıdaki gibi guruplandırılabilir (Yeşilata ve Fıratoğlu, 2008): Meteorolojik etmenler: Işınım şiddeti, hava sıcaklığı PV dizinin özellikleri: Akım-gerilim (I-V) çıktıları, dönüşüm etkinliği, eğim DC motor-pompa-hidrolik sistem özellikleri: Boru hattının yüksekliği İşletme noktaları, motor-pompa ünitesi ve PV dizinin her ikisinin de akım-gerilim (I-V) özelliklerine bağlıdır. I-V özellikleri, güneş ışınımı, hava sıcaklığı ve DC motor tarafından çekilen akıma bağlı olarak, doğrusal olmayan bir şekilde değişir (Yeşilata ve Fıratoğlu, 2008) Sistem Tasarımı GES sistemlerinin tasarımında, sistemin çalıştığı süre boyunca, sistemdeki doğal işlemler de (iklim, hidroloji, kuyu, pompalama sistemi, sulama, tarımsal özellikler ve güç kaynağı) dahil olmak üzere, sistemi oluşturan bütün bileşenler ayrıntılı olarak dikkate alınır (Şekil 3). Su ile ilgili en önemli bileşenler; iklim ve hidrolojidir. İklim özellikleri, sulama amacıyla su gereksinimleri için nem/su girdisi ve güneş ışınımı değerlerini etkiler. Toprak ve jeolojik 60

70 özellikleri, toprağın su depolama kapasitesinde etkilidir. İklim verilerinin bütün dönem boyunca dikkatli bir şekilde incelenmeleri gerekir. Bir GES sistemi; PV pompalama sistemi, su kaynağı ve sulama sistemi olmak üzere başlıca üç alt sistemden oluşur. PV pompalama sistemi Sulanan alan Şekil 3. Güneş enerjili sulama sisteminin başlıca bileşenleri (Glasnovic ve Margeta, 2007) Güneş Enerjili Pompalama Sistemi GES sistemi aşağıdaki bileşenlerden oluşur: Fotovoltaik (PV) üreteç (P el ): Nominal elektrik gücüdür. Motor ve pompa ünitesi (M-P): Motor ve pompa bileşiminden oluşur. Dönüştürücü (INV): PV üreteç için güç koşullandırıcıdır Fotovoltaik (PV) Üreteç Fotovoltaik Yunanca, ışık anlamına gelen photo ve elektrik akımını geliştiren makinayı tasarlayan Alessandra Volt dan esinlenerek gerilim anlamına gelen voltaic kelimelerinin birleşmesinden oluşur. Güneş pilleri (fotovoltaik piller), ilk kez 1839 yılında Becquerel tarafından araştırılmıştır. Güneş pilleri, güneş ışınlarını doğrudan elektriğe dönüştürebilen, hareketli mekanik parçaları olmayan, bakımı kolay ve ömürleri uzun olan elektronik sistemlerdir. Güneş pilleri, üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş ışınım enerjisini doğrudan elektriğe çeviren düzeneklerdir. Bu enerji çevriminde, herhangi bir hareketli parça bulunmaz. Güç üretimi amacıyla kullanılan güneş pilleri fotovoltaik ilkeye bağlı olarak çalışırlar. Diğer bir deyişle, üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektriğin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Fotovoltaik etki, fotovoltaik bir hücre tarafından güneş ışınımının elektriğe dönüştürüldüğü temel bir fiziksel işlemdir. Güneş ışınımındaki fotonların, silikon gibi yarı iletken malzemelerin yüzeyine çarparak, atomlardan elektronları serbest bırakmaları ile oluşur. Güneş pilleri, genel olarak yüzeylerine gelen güneş ışınımını doğrudan elektriğe dönüştüren yarı iletken malzemelerden tasarımlanır. Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar; silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Yarı iletken teknolojisi, gelişmiş olan ileri bir teknoloji olmakla birlikte, bu teknoloji ile elektrik üretim maliyeti, elektrik üretimi için uygulanan diğer yöntemlere kıyasla daha pahalıdır. Yüzeyleri; kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise mm arasındadır. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. Verimi % 10 un altında olan güneş pilleri, uygulamada verimli ve ekonomik değildir. Yarı iletken güneş pillerinin verimi; laboratuar koşullarında % 10 30, uygulamada ise %

71 arasında değişir. Uygulama koşullarında verimi % 15 olan güneş pili iyi olarak değerlendirilir (Köse ve Ark., 2006). Güç çıkışını artırmak amacıyla, çok sayıda güneş pili birbirine paralel veya seri bir durumda bağlanarak bir yüzey üzerine yerleştirilir. Bu yapıya güneş pili modülü veya fotovoltaik (PV) modül adı verilir. Güç gereksinimine bağlı olarak modüller birbirlerine seri veya paralel bir durumda bağlanabilir. Seri bağlama durumunda gerilim, paralel bağlama durumunda ise akım artırılır. Böylece, güçleri bir kaç Watt'tan megawatt'lara kadar değişen büyüklükte sistemler oluşturulabilir. Bir adet PV pil 0.6 V gerilim üretir. 20 adet PV pil seri bağlanarak 1 modül oluşturulabilir. Bu durumda, 1 modül tarafından V 10 A= 120 W elektrik üretilebilir. PV sistemlerin çoğunda, güneş ışınımından kazanılan enerji, modüller aracılığıyla toplanır. Daha sonra, kullanılmak üzere kimyasal enerjiye dönüştürülerek akülerde depolanır. PV uygulamalarında, istenilen enerji miktarına bağlı olarak modül tipi ve sayısı, bağlantı şekilleri ve akü sayısı belirlenir. Güneş enerjili sulama (GES) sistemlerinde elektrik, PV diziden alınır. PV dizinin akım-gerilim (I-V) özellikleri önemlidir. PV diziden alınabilecek güç miktarı; güneş ışınımı, sıcaklık ve bağlı yük gibi bazı önemli özelliklere bağlı olarak değişir. Belirli miktarda güç üretebilmek için gerekli PV dizinin büyüklüğü güneş pilinin verimine bağlıdır. Güneş pilleri, üretimlerinde kullanılan kristal malzemenin yapısına bağlı olarak; tek kristal, çok kristal ve amorf olmak üzere üç guruba ayrılırlar. Amorf, çok kristal ve tek kristal malzemeden tasarımlanmış olan güneş pilleri için verim düzeyleri yaklaşık olarak sırasıyla, % 7, % 15 ve % 17 dir (Meah ve Ark., 2008) Motor ve Pompa Ünitesi Elektrik Motoru GES sistemlerindeki elektrik motorları, su pompasını çalıştırabilmek için gerekli mekanik güç sağlamak amacıyla elektriği mekanik enerjiye dönüştürmek için kullanılır. Elektrik motorları aşağıdaki özelliklerine göre sınıflandırılabilir: Akım tipi Yol verme düzeni Rotor tipi Çatı şekli Korunma biçimi Uygulama alanı Güç çıktısı Faz sayısı Yukarıda belirtilen sınıflandırma ölçütlerine bağlı olarak; DC/AC, sabit/değişken mıknatıslı, fırçalı/fırçasız ve senkron/asenkron olmak üzere değişik tip ve özelliklerde elektrik motorları vardır. Elektrik motorları, akımın dönen kısımdaki bobinlere iletilme şekline göre doğru akım (DC) motorları ve alternatif akım (AC) motorları olmak üzere iki gruba ayrılırlar. Uygulamanın özelliğine göre, bir DC motorun kullanılması gereken durumda, PV dizi motora doğrudan bağlanabilir. Diğer taraftan bir AC motorun kullanılması gereken durumda ise, PV dizi ve motor arasında genellikle kontrol birimi olarak adlandırılan bir dönüştürücü yerleştirilir. Dalgıç ve yüzer pompa sistemleri için, motor ve pompa ünitesi birlikte tasarımlanmaktadır. Bu tür uygulamalar için, kullanıcının motor ve pompa ünitelerini ayrı ayrı seçme olanağı yoktur. Yüzey pompalarının kullanılması durumunda, motor ve pompa ünitelerini birbirinden bağımsız olarak seçmek olanaklıdır. Pompa GES sistemlerinde kullanılan pompalar, uygulama özelliklerine göre 3 gruba ayrılırlar: 1) Dalgıç pompa : Derin kuyulardan su çıkarmak için kullanılır. 2) Yüzey pompası : Sığ kuyular, göller ve nehirlerden su çıkarmak için kullanılır. 3) Yüzer pompa : Yüksekliği ayarlanabilir su kaynaklarından su çıkarmak için kullanılır. Pompalar, çalışma ilkelerine bağlı olarak da gruplandırılabilir: 1) Santrifüj pompa : Su, çark tarafından oluşturulan santrifüj kuvvetin etkisi ile emilir. Pompa gövdesi, suyu çıkışa doğru yönlendirir. Su, pompaya girişinden daha yüksek basınç ve hızda pompadan ayrılır. 2) Çarklı pompa : Çark, pompa gövdesinin emme tarafında suyu alır ve çıkışa doğru iter. 62

72 3) Pistonlu pompa : Su, pistonun hareketi ile giriş vanası bulunan taraftan çekilir ve çıkış vanası bulunan taraftan çıkarılır. Güneş Enerjili Sulama Sisteminin Düzenlenmesi GES sistemleri esas olarak 5 farklı şekilde düzenlenebilir (Şekil 4): 1) Dalgıç-çok kademeli santrifüj pompa ve motor ünitesi (Şekil 4a): Bu tip düzenleme, köylere su temini için en yaygın olarak uygulanan düzenleme şeklidir. Plastik düz borular ile kolay bir şekilde tasarımlanabilmesi ve M-P ünitesinin, olası zararların önlenmesi için yarı gömülü durumda olması bu tip düzenlemenin başlıca üstünlükleridir. Pompa ünitesi için AC veya DC motorlar kullanılabilmekle birlikte, AC sistemler için bir dönüştürücü gereklidir. Fırçalı DC motorların kullanılması durumunda, fırçaların yenilenmesi için, ekipmanın yaklaşık her iki yılda bir kuyudan çıkarılması gerekecektir. Diğer taraftan, fırçasız DC motorların kullanılması durumunda ise, elektronik komütasyon (çevirme) gereklidir. Yaygın olarak kullanılan bu tip bir GES sistemi; bir adet AC motor, bir adet dönüştürücü ve 1500 W dan daha düşük güçte PV diziden oluşur. 2) Yüzeye yerleştirilmiş motor ve dalgıç pompa ünitesi (Şekil 4b): Bu tip düzenleme, türbin pompalar ile birlikte 1970 li yıllarda Afrika da yaygın olarak uygulanmıştır. Motor yüzeye yerleştirildiği için, fırça değişimi ve diğer bakım işlemleri çok kolaydır. Bu tip düzenlemenin olumsuzlukları şunlardır: 1) Şaft dişlilerindeki güç kaybı nedeniyle etkinliği düşüktür. 2) Tesisatın maliyeti yüksektir. Genel olarak bu tip GES düzenlemesi, dalgıç motor ve pompa seti ile birlikte yaygın olarak kullanılmaya başlanmıştır. 3) Pistonlu pozitif yer değiştirmeli pompa düzenlemesi (Şekil 4c): Bu tip pompalar, yüksek basınç ve düşük debili uygulamalar için çok uygundurlar. Verimleri pompanın hızı ile orantılıdır. Yüksek basınçlarda, sürtünme kuvvetleri hidrostatik kuvvetlerden düşük oluğundan, bu tip pompalar santrifüj pompalardan daha verimlidir. Bu tip pompalar, motor üzerinde dairesel bir yük oluşturur. Etkin bir çalışma için bu yükün dengelenmesi gerekir. Pompanın toprak yüzeyinde oluşan bileşenleri, genellikle ağır ve hacimlidir. 4) Kablo Su düzeyi PV dizi Su çıkışı Pompa Motor Kablo PV dizi Motor Su çıkışı Pompa şaftı Pompa Su çıkışı Pompa şaftı a) b) c) d) e) Şekil 4. Güneş enerjili sulama (GES) sistemlerinin düzenlenmesi (ITDG, 2007) Kablo Motor ünitesi Dalgıç pompa Motor Taşınabilir PV dizi Pompa Kablo Su çıkışı Kablo Motor Pompa PV dizi Emme borusu 5) Yüzer motor pompa ünitesi (Şekil 4d): Yüzer motor pompa üniteleri çok yönlü olarak uygulanabilirler. Bu nedenle bu tip üniteler, kanallar ve açık kuyulardan sulama işlemi için ideal durumdadırlar. Pompa ünitesi kolay bir şekilde taşınabilir. Bu tip düzenlemelerin bir çoğunda, tek kademeli santrifüj pompalar kullanılır. Bu tip düzenlemede yaygın olarak fırçasız DC motoru kullanılır. PV dizinin yerleşimi taşınabilir özelliktedir. 6) Yüzeyden emmeli pompa ünitesi (Şekil 4e): Tek yönlü vanalar kullanılarak, kayıplar önlenebilmekle birlikte, uygulamada bazı sorunlarla karşılaşılmıştır. 8 m den daha fazla olan mesafelerden su emmek pratik değildir. 63

73 Güneş Enerjili Sulama Sisteminin Verimi GES sistemlerinde kullanılan pompalar ile 200 m yüksekliğe kadar 250 m 3 /gün debi ile su pompalanabilmektedir. Güneş enerjisiyle sulama teknolojisi sürekli olarak gelişmektedir li yılların başlangıcında, PV dizi etkinliğinin % 6 8 ve M-P ünitesi etkinliğinin % 25 olması durumunda, güneş enerjisinin hidrolik enerjiye dönüşme etkinliği, yaklaşık olarak % 2 düzeylerinde idi. Günümüzde verimli pompaların, ortalama günlük güneş enerjisini hidrolik enerjiye dönüştürme verimi % 4 den daha fazladır. Tek kristal tipindeki PV modüllerin verimleri % 12 den daha yüksektir. Yüksek verimli M-P üniteleri mevcuttur. Motor pompa güç dönüştürücü ünitelerinden oluşan iyi bir sistemin otalama günlük enerji verimi % civarında olmaktadır (ITDG, 2007) Dönüştürücü GES sisteminde bir AC motoru kullanılması durumunda, bir dönüştürücüye gereksinim vardır. Dönüştürücünün işlevi, PV diziyi M-P ünitesinden etkin bir şekilde ayırmak ve uygulama koşullarına uygun (I-V) özelliklerine sahip M-P ünitesi sağlamaktır. Dönüştürücü aynı zamanda M-P ünitesini sürekli olarak kuru kalmaktan korur ve su deposu dolduğunda sistemi kapatarak su tasarrufu sağlar. Dönüştürücü, yapısında çok incelikli elektronik devreler yer aldığından ve çok değişik ortam koşullarında çalıştığından, GES sistemindeki en duyarlı bileşenlerden birisidir Su Kaynağı Su kaynağından olan toplam yükseklik, yaklaşık olarak aşağıdaki eşitlik ile belirlenebilir (Narvarte ve Ark., 2000). HDT HST HTE = HOT + HST + QAP + HF(QAP)..(1) Q Burada; AP Q d max Q = ϑ (2) H TE H OT H ST H DT H F Q AP Q max ϑ Q d = Toplam manometrik yükseklik (m), = Su kaynağında suyun dinamik yüksekliği (m), = Statik yükseklik (toprak suyu düzeyi) (m), = Suyun çıkarıldığı nokta ile toprak yüzeyi arasındaki düşey yükseklik (m), = Sulama kayıpları (bölgesel ve lineer kayıplar) (m), = Görünür akış olarak adlandırılan ortalama su debisi (m 3 /h), = Su kaynağının en yüksek boşaltma kapasitesi (m 3 /h), = Ortalama su akışı hesaplama katsayısı ve = Günlük ortalama olarak pompalanan su miktarıdır (m 3 /gün). Su kaynağının boşaltma kapasitesi ve pompalanan su miktarı, PV pompalama sisteminin gücü açısından önemlidir. Belirli bir süre boyunca su kaynağından günlük olarak pompalanan su miktarı için aşağıdaki koşul dikkate alınmalıdır. Qd Qmax t r.(3) Burada; t r = Günlük ortalama güneşlenme süresidir (h) Sulama Sistemi Tarımsal uygulamalar için, birçok sulama sistemi mevcut olmakla birlikte, maliyet açısından daha uygun özellikte olduğundan damlama sulama yöntemi dikkate alınır. Bu yöntemin sulama etkinliği (η N ) % 85 tir (Glasnovic ve Margeta, 2007). Damla sulama yöntemi uygulanırsa, suyun potansiyel enerjisini depolamak için kullanılan depolama üniteleri, sulama başlıklarında akış ve basınç düzenleyicisi olarak işlev yapabilir. Bit çok PV sulama sistemi uygulamasında belirtilen bu yaklaşım uygulanmaktadır. 64

74 Akdeniz bölgesi gibi güneş enerjisinin fazla ve su gereksinimi çok aşırı yüksek olmayan (damla sulama için m 3 /gün) bölgeler için, GES sistemlerinin etkin bir şekilde uygulanabileceği önerilmektedir (Cuadros ve Ark., 2004). Dünyanın belirli bir bölgesindeki ürün su gereksinimleri (CWR), jeolojik koordinatlar ve toprak özelliklerine bağlı olarak belirlenebilir. Bu durumda, su pompalama yüksekliği ve tesisatın toplam verimi dikkate alınarak güç gereksinimleri belirlenebilir. Başlıca sulama yöntemlerinin GES sistemleri için uygunluğu Çizelge 1 de verilmiştir. Çizelge 2. Sulama Yöntemlerinin GES Sistemleri İçin Uygunluğu ITDG, 2007 Sulama Yöntemi Tipik Uygulama Güneş Pompalarının Tipik Yükseklik (m) Etkinliği (%) Kullanımı için Uygunluk Açık kanallar Uygun Yağmurlama sulama Uygun değil Damla sulama Uygun Karık sulama Uygun değil Ürün için evapotranspirasyon (ET), topraktan oluşan buharlaşma (E) ve üründen oluşan transpirasyon (T) olmak üzere iki bölüme ayrılabilir. Karık sulama yöntemi ile karşılaştırıldığında, damla sulama yönteminde toprağın sadece bir bölümü ıslanır. Bu nedenle, E nin değeri düşük olacak ve su kullanımından tasarruf sağlanacaktır. Bununla birlikte, toprağın sadece bir bölümü ıslatıldığı için, transpirasyon düzeyi yüksek olacaktır. Toprak yüzeyi daha fazla ısınacak ve toprak uzun dalga kızılötesi ışınım yayacaktır. Toprak tarafından yayılan bu ışınımın bir bölümü, bitki yaprakları tarafından tutulduğundan, transpirasyonun artmasına neden olacaktır. Bununla birlikte, özellikle ağaçların genç ve aralıklı olması durumunda, damla sulama için net denge (ET=E+T) açık bir şekilde tercih edilir. Gerçekte, damla sulamanın asıl özelliği su tasarrufu sağlamasıdır. Damla sulamanın etkinliği, yağmurlama sulama (% 70) ve karık sulamadan (% 40) daha yüksek olup, % 90 lara ulaşabilir. Günümüz dünyasında, damla sulama yöntemi, sulama uygulamalarında etkin su kullanılması ve su güvenliği sorunu açısından büyük önem taşımaktadır. 3. SU İLE İLİŞKİLİ SİSTEM BİLEŞENLERİ 3.1. Su Dengesi Eşitliği Sulanan alan, su kaynağı bakımından kısıtlı bir alan olabilir. Bu durumda, sadece bitkinin suyu etkin olarak aldığı belirli derinlikteki toprak katmanı önemlidir. Su kaynağı olarak toprak katmanları Şekil 5 de verilmiştir. Toprak içerisine doğru olan su akışı; yağış (R e ), sulama sistemi (Q PV ) ve dip katmanlardan olası bir kapilar kaldırma kuvveti ile gerçekleşir. Diğer taraftan, topraktan oluşan su akışı ise; infiltrasyon (INF) ve evapotranspirasyon (ET r ) ile gerçekleşir. Toprak nem içeriği W ile belirtilir. Yatay su akımı = 0 Toprağın yüzey katmanı (yaklaşık 30 cm derinlikte) Topraktaki su (Hacmen % 35 veya 105 mm veya 1050 m 3 /ha) Toprağın kalın katmanı Şekil 5. Su deposu olarak toprağın yüzey katmanları (Glasnovic ve Margeta, 2007) 65

75 Toprak katmanlarına doğru ve topraktan oluşan su akımlarına ilişkin su miktarları ve toprak nemi, toprağın birim alanındaki toplam su miktarı olarak (1 mm = 10 m 3 /h) dikkate alındığında, bir su deposu işlevindeki toprak için su dengesi eşitliği aşağıdaki gibi yazılabilir (Doorenbos, 1975). W( i) = W(i 1) + (10QPV(i) /A) + R e(i) ETr(i) INF(i) (4) Burada; i = 1 den N e kadar artış değerleri (N = zaman dilimleri sayısı), = (i 1) periyodunda topraktaki su içeriği (mm), = i periyodunda pompalama sisteminden çıkan ve sulama ile toprağa verilen su miktarı (m 3 ), R e = toplam etkin yağış (mm), R e(i) =R (i) L (i) R (i) =toplam yağış (mm), L (i) = drenaj nedeniyle oluşan kayıplar (mm), ET (i) = i periyodunda gerçek evapotranspirasyon için kullanılan su miktarı (mm), A = sulanan alan (ha) ve = i periyodunda infiltrasyondur (mm). W (i-1) Q PV(i) INF (i) 3.2. Toprak ve Toprak Nemi Toprak ve toprağın özellikleri, su depolama kapasitesi ve toprak yüzeyinden dip katmanlara ve topraktan atmosfere doğru oluşan su akışı işlemlerini (evapotranspirasyon) belirler. Toprak nemi, sistem içerisindeki koşulları ve su gereksinimlerini belirleyen önemli bir karar değişkenidir. Toprak nemi değeri, yağış ve evapotranspirasyon gibi doğal işlemlere ve toprak özelliklerine bağlıdır. Doğal işlemler sonucunda gerçekleşen nem düzeyi yetersiz ise, sulama uygulanır. Optimum ürün veriminin gerçekleştiği toprak nemi düzeyi aşağıdaki gibi tanımlanır (Glasnovic ve Margeta, 2007). 0.6FC W( i) FC..(5) Burada; FC = Tarla kapasitesidir. Su rezervuarının kapasitesi, toprak katmanı tarafından alınabilen en fazla su miktarı ile belirlenir. Bu kapasite, tarla kapasitesi olarak tanımlanır. Belirli bir alan için tarla kapasitesinin karakteristik değeri % 35 dir. Bunun anlamı şudur: 1000 mm derinlikteki toprakta 350 mm su vardır. Kök bölgesi derinliği (D r ) 0.3 m olan domates gibi ürünler için, toprağın bitki kök bölgesi derinliğinde mm olarak bulunan su içeriği şu şekilde belirlenir. FC = = 105 mm Bu değeri, belirli bir alanda m 3 hacim olarak belirtmek için, A = 0.5 ha alan dikkate alındığında, toprak katmanı tarafından alınabilen en fazla su miktarı = m 3 /ha 0.5 ha = 525 m 3 olarak belirlenir Ürün Su İlişkileri Evapotranspirasyon, potansiyel (ET o ) ve gerçek (ET r ) evapotranspirasyon olmak üzere iki türlüdür. Potansiyel evapotranspirasyon (ET o ); en uygun yetiştirme koşullarında, bitkilerin topraktan ve bitki organlarının yüzeylerinden kullandıkları su miktarıdır. Gerçek evapotranspirasyon (ET r ) ise, birim alan başına ürünün gerçek su tüketimidir. Uzun bir zaman dönemindeki potansiyel evapotranspirasyon, sabittir ve sadece bölgenin iklim özelliklerine bağlıdır. Bu nedenle, bölgenin iklim özellikleri bilinirse, potansiyel evapotranspirasyon belirlenebilir. ET o ve ET r arasındaki ilişkinin, ürün su gereksinimlerinin tanımlanmasında önemli bir işlevi vardır. Bu durumda, ürün katsayısı (K c ) dikkate alınır. Bu katsayı, gelişme periyodundaki ürünün kendi özelliklerine, vejetasyon dönemi süresince ürünlere su sağlama derecesine ve bölgenin iklim özelliklerine bağlıdır. Bu nedenle, belirli bir i periyodunda gerçek evapotranspirasyon aşağıdaki gibi tanımlanır. 66

76 ET = K ET.(6) r(i) c(i) o(i) Gerçek evapotranspirasyon Turc eşitliği ile belirlenebilir. Bu eşitlikte, aynı zamanda GES sisteminin giriş değişkenleri olan güneş ışınımı ve sıcaklık olmak üzere iki temel değişken de yer alır. On yıllık bir dönem için, Turc eşitliğinin orijinal halinden aşağıdaki eşitlik elde edilebilir (Glasnovic ve Margeta, 2007). Ta(i) ETr(i) = 0.13 (86.4ES(i) + 50)...(7) Ta(i) + 15 Burada; ET r(i) E S(i) T a(i) = Gerçek evapotranspirasyonun on yıllık ortalama değeri (mm/on yıl), = Yatay yüzeyde toplam güneş ışınım enerjisinin on yıllık ortalama günlük değeri (kwh/m 2 gün) ve i periyodunda gerçek evapotranspirasyon için kullanılan su miktarıdır (mm). Toprak su içeriğinin bitkilerden oluşan transpirasyon kayıplarını karşılayabilmek için yetersiz olması durumunda, üründe su eksikliği oluşacaktır. Bu durumda, ürün verimi olumsuz olarak etkilenecektir. Yarı-kurak iklimlerde toprak yüzeyinden buharlaşma ile fazla miktarda oluşan su kaybı çok önemlidir. Buharlaşma esas olarak, iklim ve toprak özelliklerine bağlıdır. Bitki tarafından transpirasyon işleminde tüketilen ve topraktan buharlaşan suyun toplamı evapotranspirasyon (ET) olarak adlandırılır. Potansiyel ürün miktarının etkilenmemesi için, ET nin yağmur veya sulama ile tamamen karşılanması gerekir. Bu durum, belirli bir iklim rejiminde belirli bir ürün için sulama uygulamasının planlanmasında dikkate alınması gereken en önemli değişkendir. ET nin hesaplanması, CWR nin belirlenmesi için ilk aşamadır. Ürün evapotranspirasyonunun (mm/ay) belirlenmesi için, FAO tarafından önerilen aşağıdaki yöntem yaygın olarak uygulanır (Doorenbos and Pruitt, 1997). ET=ET o K c K r (8) Burada; ET o = esas olarak iklime bağlı olan potansiyel evapotranspirasyon (mm/ay), K c = dikkate alınan bitki türünü betimleyen ürün katsayısı ve K r = bitki gölgesi tarafından örtülen arazinin yüzdesini dikkate alan ürün büyüme katsayısıdır. ET o değeri, denge evapotranspirometreleri veya drenaj lizimetreleri kullanılarak deneysel olarak belirlenebilir. Bununla birlikte, bu yöntemler güç ve maliyetlidir. Bu nedenle, ET o amprik formüle bağlı olarak dolaylı bir şekilde tahmin edilmektedir yılında Roma da FAO tarafından, Dünya Meteoroloji Organizasyonu ile birlikte, ET o nin hesaplanması için değişik yöntemleri değerlendirmek amacıyla bir uzmanlar toplantısı organize edilmiştir. Bu toplantıda, potansiyel evapotranspirasyon için FAO Penman Monteith eşitliğinin kullanılması önerilmiştir (Smith ve Ark., 1996). FAO Penman Monteith eşitliğinden ET o hesaplayabilmek için, FAO nun Su ve Toprak bölümü tarafından MS-DOS için geliştirilen Cropwat version 7 programı kullanılabilir. Climwat veri tabanı, 144 ülkedeki 3262 meteorolojik gözlem istasyonunu kapsamaktadır. Climwat dan, herhangi bir bölgeye ait, yılın her ayı için iklim verileri elde edilebilir. Bu değerlere bağlı oalrak, Cropwat programı ile potansiyel evapotranspirasyon (ET o ) kolay bir şekilde hesaplanabilir. Bir sonraki aşama, K c ve K r katsayılarının belirlenmesidir. Sulama uygulamalarında, uygulanacak yöntem ve ölçeğin belirlenmesi kararlaştırılırken, bölgenin toprak ve iklim özelliklerini dikkate almak esastır. Yağışlı bir dönem boyunca toprakta biriken su, kurak dönemde ürün tarafından kullanılabilir. Toprağın belirli bir derinliğinde depolanan su miktarı, toprağın su tutma kapasitesine ve yağış miktarına bağlıdır. Yağışlı dönem süresince, etkin yağış miktarı (Pe), toprağın su rezervleri tekrar doldurulduğundan, evapotranspirasyondan fazladır. Etkin yağış miktarı, bitki tarafından 67

77 kullanılabilen yağış miktarı olarak tanımlanır. Genellikle toplam yağış miktarının (Pr) belirli bir oranı olarak hesaplanır. Topraktaki aylık su rezervi (R m ; mm/ay), yağışlı ayların su dengesinin ortalamasıyla belirlenebilir: R m =Pe ET...(9) Yağışlı dönem süresince biriken aylık su rezervlerinin toplamı, kurak sezonun başlangıcında topraktaki su içeriğini belirtir. R m in sadece bir bölümü bitkiler için kullanılabilir. Bu değer, toprak tarafından kullanılmasına izin verilebilen düzeyden (PEL) fazla olmayabilir (R m PEL). Zeytin ağaçları için PEL değerine ilişkin olarak aşağıdaki eşitlik kullanılır (Cuadros ve Ark., 2004): PEL=0.75Z r (CC PWP)..(10) Burada; Z r = bitki köklerinin ulaşabildiği derinlik (1000 mm de belirlenen), CC= tarla taşıma kapasitesi ve PWP= sürekli solma noktasıdır. Sulama programları, her toprak tipi için belirli koşullara göre her yıl yeniden uyarlanmalıdır. Tasarım değişkenlerindeki küçük bir değişiklik, gereksinim duyulan su miktarının çok fazla değişmesine neden olabileceğinden, nehir havzalarındaki meyve bahçeleri için genel bir sulama programı yoktur. Diğer ürünlerin sulama programları için geleneksel olarak uygulanan ilk yöntem, ET nin, Pe den daha yüksek olduğu kurak dönemler süresince oluşan farka (ET Pe) eşdeğer miktarda su uygulamaktır. Bununla birlikte, bu yöntemde, su fazlalığı olan aylar süresince toprakta biriken su miktarı göz ardı edilmekte, toprağın teorik olarak sürekli bir kapasitede olduğu kabul edilmektedir. Bu durumun şu üstünlüğü vardır: su girişinde emniyet payı olarak ayrılan miktar, kurak yıllarda (ET Pe) farkının her fazlalığında soğurulabilir. Diğer taraftan, suyun atık kalması ve fazla su akışı gerekli olması olumsuzlulukları da vardır. Daha çekici olan diğer bir alternatif de, kurak dönem süresince sulamayı tamamlayıcı olarak, topraktaki aylık su rezervlerinin (R m ) toplamı olan ve toplam yıllık değer (ARm) olarak adlandırılan, yağışlı dönem süresince biriken mevcut rezervi kullanmaktır. Bu durumda, birim alan için gerekli su debisi ve buna bağlı olarak da güç gereksinimi azalacaktır. Böylece, belirli bir su debisi ile daha fazla alan sulanabilecektir. Bu durumda, yıllık ürün su gereksinimi (ACWR) aşağıdaki gibi hesaplanır (Cuadros ve Ark., 2004): ACWR=A(ET Pe) ARm..(11) Burada; A(ET Pe)= evapotranspirasyon (ET) ve etkin yağış (Pe) arasındaki yıllık farktır. Örneğin, A(ET Pe)=374.3 mm ve ARm=102.5 mm değerleri dikkate alındığında, ACWR=271.8 mm olarak hesaplanır. Bu durumda, sulama gereksinimi 2718 m 3 /ha yıldır. Bu yıllık gereksinimin, sulama gereksinimi olan aylara (Nisan-Ekim dönemi süresince 7 ay) bölünmesi durumunda, net sulama gereksinimi NIR = mm/7 ay=38.8 mm/ay=388 m 3 /ha ay olarak belirlenebilir. Aydaki gün sayısı ve meyve bahçeleri için hektardaki ağaç sayısına (100) bağlı olarak, net sulama gereksinimi 129 L/ağaç gün olarak belirlenir. Uygulamanın toplam etkinliği (η s ) de dikkate alınarak, damla sulama programı için toplam sulama gereksinimi (GIR) aşağıdaki gibi hesaplanır. GIR= NIR/η s..(12) η s için, % değerlerinin kullanılması önerilmektedir (Cuadros ve Ark., 2004). η s = % 80 değerinin kullanılması durumunda, toplam sulama gereksinimi (GIR) ortalama 161 L/ağaç gün olarak hesaplanır. Sulama tesisatının yerleşimi, ağaç başına 2 damlatıcı olarak düzenlenir. Bununla birlikte, özellikle kurak yıllarda üretimin artmasıyla birlikte, ağaç başına 4 6 damlatıcı kullanılması önerilir (Cuadros ve Ark., 2004). Meyve bahçesi uygulamaları için, 10 ha büyüklüğünde bir alan seçilebilir. Sulama gereksinimi 161 L/ağaç gün ve ağaç miktarı 100 ağaç/ha olduğundan, 10 ha lık bir alan için gerekli toplam su debisi 161 m 3 /gün olacaktır. Ağaç başına, her biri 10 L/h debiye sahip 4 damlatıcı kullanılabilir. Sulanacak alan (10 ha), her biri 4 saatlik sulama süresine karşılık gelecek şekilde 3 bölüme ayrılabilir. Bu durumda, toplam sulama süresi her 68

78 gün için 12 saat olacaktır. Bu programa bağlı olarak alan başına gerekli su debisi 0.37 L/s ha olarak belirlenir. 4. GÜNEŞ ENERJİSİYLE SULAMA SİSTEMİ İÇİN ENERJİ GEREKSİNİMİ 4.1. Gerekli Hidrolik Enerji Belirli bir hacimdeki suyu iletmek için gerekli hidrolik enerji aşağıdaki gibi belirlenir: E H =ρ w g Q H m.(13) Burada; E H = gerekli hidrolik enerji (kwh/gün), ρ w = suyun yoğunluğu (1000 kg/m 3 ), g = yerçekimi ivmesi (9.81 m/s 2 ), Q = gerekli su miktarı (m 3 /gün) ve H m = toplam manometrik yüksekliktir (m). Belirli bir i zamanında GES sistemi çıkışında hidrolik enerji aşağıdaki gibi belirlenir. 2.72Qd(i) HTE(i) EH(i) =.(14) 1000 Burada; E H(i) Q d(i) H TE(i) = hidrolik enerji (kwh/gün), = günlük ortalama pompalanan su miktarı (m 3 /gün) ve = toplam manometrik yüksekliktir (m) PV Üretecin Elektrik Gücü GES sistemlerindeki PV dizi için güç gereksinimi aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır: EH PPV =.(15) E η F sr Burada; P PV = PV dizinin gücü (kw), E sr = ortalama günlük güneş ışınım enerjisi (kwh/m 2 gün), F = PV dizi uyuşumsuzluk faktörü ve η = sistemin günlük verimidir. Modern GES sistemleri elektronik olarak kontrol edilmektedir. Bu nedenle, uyuşumsuzluk faktörü (F= ortalama 0.85) yerine, dönüştürücü etkinliği (η I ) dikkate alınır. Bu durumda, GES sisteminin elektrik gücü aşağıdaki gibi belirlenir HDT(i) HST(i) Pel(i) = X{H 0T + HST(i) + ϑqd(i) + HF( ϑqd(i) )} Q.(16) d(i) [1 α c(tcell(i) T0 )] ηmpi ηn ES(i) Qmax Burada; η MPI = motor-pompa ünitesi ve dönüştürücü etkinliği (%) ve η N = sulama etkinliğidir (%). PV üreteçten sağlanılan en yüksek güç miktarı aşağıdaki etmenlere göre hesaplanır: 1) Sulama sisteminde suyun sürtünmesi nedeniyle oluşan enerji kayıpları (R) 2) Güneş ışınımının, pompanın çalışmaya başlaması için eşik değer olan değerden daha yüksek bir değerde olduğu günlük sürenin oranı (G d >G eşik ) 3) PV üretecin verimi (μ G ) 4) AC/DC dönüştürücünün verimi (μ I ) 5) Pompanın verimi (μ MB ) P el =(E H +R)/(G d μ G μ I μ MB )...(17) AC motoru kullanılması durumunda, DC/AC dönüştürücü yerleştirilmesi gerekir. R için kabul edilebilir optimize edilmiş değerler, E H in yaklaşık olarak % 10 nudur. Eşitlik (17) deki 69

79 değişkenler için; G d = 0.95, μ G =0.85, μ I =0.90 ve μ MB =0.43 değerleri kullanılabilir (Cuadros ve Ark., 2004). Bu verim değerlerine bağlı olarak, PV üreteç-pompa bağlantısının toplam verimi belirlenir (μ=% 31.26). PV üretecin gücü (P el ) aşağıdaki gibi belirlenir. P el =(E el /h) (18) Burada; E el = gerekli elektrik miktarı (kwh) ve h = gün içindeki etkin olarak güneşli saatler sayısıdır (gün içinde standart ışınım düzeyi olan 1000 W/m 2 düzeyinin üstündeki saat sayısı). Bu değer, belirli bir bölge için enerji şiddetinin (kwh/m 2 ) günlük ortalama değerine eşittir. Son olarak, panellerin 23 C standart sıcaklığın üzerinde çalışması durumunda, güç kayıplarının da dikkate alınması gerekir. Bu değer, P el in yaklaşık olarak % 10 u olarak alınabilir. Bu durumda, gerekli en yüksek PV güç P (kw); P= P el (1+0.1)...(19) Eşitlik (13), eşitlik (15) de yerine konulduğunda, GES sisteminde pompalanan su miktarına ilişkin olarak aşağıdaki eşitlik elde edilir. PPV Esr η F Q =..(20) E g H H 5. GÜNEŞ ENERJİLİ SULAMA SİSTEMİNİN EKONOMİK ANALİZİ Meah ve Ark. (2008) tarafından yapılan bir araştırmada, gücü 1 kw ve toplam yüksekliği 50 m olan bir GES sistemi ile gücü 2 kw ve yüksekliği 50 m olan dizel jeneratörlü bir sulama (DJS) sistemi, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerin ekonomik koşulları esas alınarak karşılaştırılmıştır. Gelişmiş ülkeler için ABD ve gelişmekte olan ülkeler için Bangladeş örnekleri dikkate alınmıştır. GES ve DJS sistemlerinin maliyetlerine ilişkin değerler Çizelge 2 de verilmiştir. Çizelge 2. GES ve DJS Sistemlerinin Maliyetleri (Meah ve Ark. 2008) Güneş Enerjili Sulama (GES) Sistemi Gelişmiş Gelişmekte Maliyet etmenleri ülke olan ülke (ABD) (Bangladeş) ($) ($) PV modül Destek iskeleti Dizel Jeneratörlü Sulama (DJS) Sistemi Maliyet etmenleri Gelişmi ş ülke (ABD) ($) Gelişmekte olan ülke (Bangladeş) ($) Jeneratör Dönüştürücü Yıllık yakıt gideri Yıllık taşıma giderleri Yıllık taşıma giderleri Motor-pompa ünitesi Motor-pompa ünitesi Tasarım giderleri Tasarım giderleri Yıllık işletme/bakım giderleri Yıllık işletme/bakım giderleri Yardımcı donanım Yardımcı donanım Toplam yatırım gideri Toplam yatırım gideri GES sistemindeki PV modül maliyeti 4.5 $/W olarak dikkate alınmıştır. GES ve DJS sistemlerinde kullanılan orijinal ekipmanların maliyetleri, gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde aynıdır. İnsan işgücü ve ulaşım giderleri, gelişmekte olan ülkelerde daha ucuzdur. DJS sistemindeki dizel jeneratörün, açma/kapatma ve yakıt doldurulması amacıyla her gün kontrol edilmesi gereklidir. Diğer taraftan, GES sisteminin haftada bir kez kontrol edilmesi yeterlidir. GES ve DJS sistemlerinin işletme ve bakım maliyetleri proje süresince sabit olarak dikkate 70

80 alınmıştır. Her iki sistemdeki M-P ünitelerinin 10 yılda bir, DJS sistemindeki jeneratörün 5 yılda bir yenilenmesi öngörülmüş ve bunların maliyetleri proje süresince sabit olarak dikkate alınmıştır. Dizel yakıtı fiyatlarında her yıl % 10 artış öngörülmüştür. PV modül kullanım süresine bağlı olarak projenin 25 yıllık ömrü boyunca, M-P ünitesi ve dönüştürücünün 2 kez, jeneratörün ise 4 kez yenilenmesi gereklidir. Her iki sistem için yenileme maliyetlerinin tamamı dikkate alınarak 25 yıl için toplam yatırım giderleri Çizelge 2 de verilmiştir. GES sisteminin toplam yatırım giderleri DJS sisteminin giderleri ile karşılaştırılabilir değerlerdedir. Bununla birlikte, GES sistemi ile karşılaştırıldığında, DJS sisteminin yakıt ve işletme/bakım maliyeti çok yüksektir (Meah ve Ark. 2008). GES sisteminin net şimdiki değeri, ABD için 3777 $, Bangladeş için 166 $ olarak belirlenmiştir. Bu sistemin iç karlılık oranı (IRR), ABD için % 11.47, Bangladeş için % 7.24 olarak hesaplanmıştır. Bu ekonomik değerlendirme ölçütleri, GES sisteminin gelişmiş ve gelişmekte olan ülkeler için ekonomik olarak uygulanabilir olduğunu göstermektedir. Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde, DJS sisteminin ilk yatırım giderleri düşüktür. Fakat, birkaç yıl sonra yenileme giderleri ve değişken giderler, bu sistemin daha maliyetli duruma gelmesine neden olmaktadır. Gelişmiş ve gelişmekte olan ülkelerde, DJS sisteminin maliyeti 10 yıldan daha az bir sürede GES sisteminin maliyetini geçer. Yapılan ekonomik analiz sonucunda, GES sisteminin uzun yıllık çalışma için tercih edilebilir olduğu belirlenmiştir (Meah ve Ark. 2008). Günde 25 m 3 suyu 20 m yüksekliğe basan bir GES sistemi için yaklaşık 800 W güç gereklidir. Bu özelliklerdeki bir sistemin maliyeti yaklaşık $ dır. GES sistemlerinin maliyetlerine ilişkin ayrıntılı bilgiler Çizelge 2 de verilmiştir. Sistemin toplam maliyeti; PV modüller, pompa, motor, boru şebekesi, kontrol sistemi, destek sistemi gibi diğer alt sistemlerin maliyetinden oluştuğu için, GES sistemlerinin maliyeti geniş bir aralıkta değişir. Büyük dizilerden oluşan bir sistemin birim güç başına maliyeti daha düşüktür. Motor pompa ünitelerinin maliyeti uygulama ve bakım işlemlerine bağlı olarak değişir. Emme yüksekliği, düşük olan bir pompanın maliyeti 800 $ dan düşük iken, dalgıç pompaların maliyeti 1500 $ dan daha yüksektir (ITDG, 2007). Çizelge 3. PV Sulama Sisteminin Özellikleri (ITDG, 2007) Motor ve Pompa Düzenlemesi Debi (m 3 /gün) Yükseklik (m) PV Güç (W) Sistem Maliyeti ($) Dalgıç sondaj delikli Motor-pompa Motor yüzeyde / Dalgıç pompa Pozitif yer değiştirmeli pompa Yüzücü motor / pompa Yüzeyden emmeli pompa SONUÇ VE ÖNERİLER GES sistemlerinde yıl boyunca sulama suyu için gereksinim duyulan su miktarının değişimi dikkate alınır. Su dağıtma sistemi ve sulanacak ürününün özelliklerine özel önem verilmesi gerekir. Su dağıtım sistemi, pompalama sistemi için ek bir yükseklik oluşturmadan su kayıplarını en aza indirmeli ve maliyeti düşük olmalıdır. GES sistemlerinin tasarımında; bölgenin iklim verileri, bitki su tüketimine ilişkin özellikler, sulama sisteminin özellikleri ve su kaynağına ilişkin özellikler dikkate alınmalıdır. GES 71

81 sisteminde kullanılacak olan elektrik motoru, güç gereksinimi ve akım tipine bağlı olarak seçilmelidir. Sulama sistemi ve PV üretecin enerji ve maliyet etkinliği için aşağıdaki etmenlerin dikkate alınması gerekir: 1) Su kaynağı etkin bir şekilde kullanılmalıdır. Sadece ürün için gereksinim duyulan su miktarı dikkate alınmalıdır. Bu miktar, yağış döneminde toprağın yağmursuyu tutma kapasitesine bağlı olarak belirlenir. 2) Ürün için gereksinim duyulan su miktarı, sulama başlıklarındaki basıncı dengeleyebilmek için toprak seviyesinin üstünde gerekli en düşük yükseklikte sağlanmalıdır. 3) Belirli bir ürün için en etkin sulama yöntemi uygulanmalıdır. Meyve ağaçları için en etkin sulama yöntemi, gömülü damlatıcılardan oluşan damla sulama yöntemidir. 72

82 KAYNAKLAR Cuadros, F., Rodrıguez, F.L., Marcos, A., Coello, J., A procedure to size solar-powered irrigation (photoirrigation) schemes. Solar Energy 76, Doorenbos, J., Crop water requirements. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO), Rome. Doorenbos, J., Pruitt, W.O., Guideline for predicting crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage. Paper 24, Rome. Glasnovic, Z., Margeta, J., A model for optimal sizing of photovoltaic irrigation water pumping systems. Solar Energy 81, ITDG, Intermediate Technology Development Group. Solar (photovoltaic) water pumping. Köse, S., Zor, M., Atay, F., Bilgin, V., Akyüz, İ Yarıietken güneş pillerinin verimliliğine etki eden doğal ve teknolojik etmenler. VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu-UTES 2006 Bildiri Kitabı: 76-83, Mayıs 2006, Isparta. Meah, K., Ula, S., Barrett, S., Solar photovoltaic water pumping opportunities and challenges. Renewable and Sustainable Energy Reviews 12, Narvarte, L., Lorenzo, E., Caamano, E., PV pumping analytical design and characteristics of boreholes. Solar Energy 68 (1), Smith, M., Allen, R., Pereira, L., Revised FAO methodology for crop water requirements. Paper presented to ASAE International Conference on Evapotranspiration and Irrigation, San Antonio, USA. Yeşilata, B., Fıratoglu, Z.A., Effect of solar radiation correlations on system sizing: PV pumping case. Renewable Energy 33,

83 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 GÜNEŞ BACASINDA PERFORMANS ARTIRICI İŞLEMLER R. ŞENOL 1, Z.R.YABUZ 2, K. DELİKANLI 3, İ.ÜÇGÜL 1, M.ACAR 3, A.KOYUN 4 *1 SDÜ YEKARUM, ISPARTA, rsenol@sdu.edu.tr, *2 Makinae Mühendisi *3 SDÜ MÜH.MİM.FAK. Makine Müh.Böl. ISPARTA *4 SDÜ MÜH.MİM.FAK. Bilgisayar Müh.Böl. ISPARTA ÖZET Güneş enerjisinden faydalanma da çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak sıcak su üretimi, endüstriyel prosesler için buhar eldesi, elektrik üretimi gösterilebilir.. Ancak bu teknolojiler içinde en yaygın olarak kullanılanı gün ısı sistemleri ile sıcak su ihtiyacının karşılanmasıdır. Güneş enerjisi sistemleri ısı ve elektrik üretim sistemleri olarak iki gruba ayrılabilir. Isıl sistemler kendi arasında düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık uygulamaları olarak ayrılabilir. Elektrik sistemleri ise güneş gözeleri ile elektrik üretimidir. Isıl sistemlerden düşük sıcaklık uygulamalarına örnek olarak da gün ısı sistemlerini ve güneş bacaları verilebilir. Yalnız güneş bacaları aynı zamanda ısıl sistem olup elektrik üretiminde kullanılmaktadırlar. Orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları ise odaklamalı sistemlerdir ve silindirik parabolik sistemler, güneş güç kuleleri, Dish/stirling sistemleri gibi uygulamaları vardır. Bu çalışmada Güneş Bacası ile elektrik üretiminde performans artırmak amacıyla uygulanabilecek çeşitli yöntemler üzerinde durulmuştur. Bu yöntemler arasında zeminin ısıl emiciliğinin artırılması, ısıl tutuculuk kapasitesinin artırılması, sera alanının artırılması, pomza uygulaması, ilave yerden ısıtma vb., sayılabilir. Bahsi geçen bu uygulamalar mevcut SDÜ güneş bacası prototipinde uygulanmış ve sonuçlar geçmiş verilerle kıyaslanmıştır. Bu çalışmada baca zemininde daha iyi ısı tutumu için tüm zemin siyah renge boyanması incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Bacası. GİRİŞ Son yıllarda yapılan çalışmalar, dünyadaki fosil yakıt rezervlerinin hızla azalmasına karşın, enerji ihtiyacının daha da hızla arttığını işaret etmektedir. Artan bu ihtiyacın karşılanması ve dünya üzerindeki sera gazları etkilerinin azaltılması için fosil yakıt kaynaklarına alternatif olacak yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelinmiştir. Yapılan çalışmalar yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasını sağladığı gibi verimlerinin arttırılması için de yapılan araştırmalara hız kazandırmıştır. Gelişmiş ve gelişmekte olan tüm dünya ülkeleri kendi imkânları doğrultusunda yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiş, finansal kaynaklarından 74

84 ciddi paylar ayırmaya başlamıştır. Özdamar (2000), Görülüyor ki bu eğilim gittikçe artarak devam edecektir. Örneğin, 2050 yılında dünya enerji tüketiminin %50 sinin yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacağı tahmin edilmektedir. (Kara, 2002) Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan Güneş Enerjisi tükenmez ve çevreye duyarlı bir enerji kaynağıdır. Dünya yüzeyine gelen yıllık ortalama güneş enerjisi miktarı, metrekare başına ısınma ihtiyacı için kullanılacak 100 litre petrole eşittir ve herhangi bir zararlı emisyona sahip değildir. Ayrıca Akdeniz coğrafyasında bulunan yerleşim merkezleri için bu değer 120 ile 160 litre arasında değişmektedir. Bu enerji bedavadır ve herhangi bir şekilde ithal edilmesine gerek duyulmamaktadır. En önemli nokta ise çevreyi kirletmemektedir. Güneş enerjisinden faydalanmak için çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak sıcak su üretimi, endüstriyel prosesler için buhar eldesi ve elektrik üretimi gösterilebilir. Ancak bu teknolojiler içinde en yaygın olarak kullanılanı gün ısı sistemleri ile sıcak su ihtiyacının karşılanmasıdır. Güneş enerjisi sistemleri ısı ve elektrik üretim sistemleri olarak iki gruba ayrılabilir. Isıl sistemler kendi arasında düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık uygulamaları olarak ayrılabilir. Güneş enerjisinden elektrik üretim prosesi ise güneş gözeleri (PV) ile sağlanmaktadır. Isıl sistemlerden düşük sıcaklık uygulamalarına örnek olarak gün ısı sistemleri ve güneş bacaları verilebilir. Yalnız güneş bacaları aynı zamanda ısıl sistem olup elektrik üretiminde de kullanılmaktadırlar. Güneş bacasında kollektör alanı içerisi sıcaklık artışı ile ısı enerjisi elde edilir. Elde edilen bu ısı enerjisi baca konstrüksiyonu sayesinde kollektör içerisindeki havanın bacaya yönlenerek yukarı yönlü hareketini oluşturur. Bu sayede ısıl enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Böylece içerideki havanın kinetik enerjisi bacaya ilişkilendirilmiş türbini çevirerek mekanik enerjiye ve alternatör vasıtasıyla da elektrik enerjisine dönüşür. Yani düşük sıcaklık ısıl sistemlerden olan güneş bacası aslında elektrik üretim amaçlı kullanılmaktadır. Orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları ise odaklamalı sistemlerdir. Silindirik parabolik sistemler, güneş güç kuleleri, Dish/stirling sistemleri gibi uygulamaları vardır. Güneş Bacası Bu sistem için yapılan ilk tanımlamalardan biri 1931 yılında Alman yazar Hanns Gunther e aittir yılı başlarında Robert E. Lucier A.B.D., Kanada, İsrail ve Avustralya da geçerli olmak üzere ilk patent başvurusunu yapan kişi olarak tarihe geçmiştir. Sonrasında ise 1980 yılında bir inşaat mühendisi olan J. Schlaich, Bergerman and Partner önderliğinde İspanyanın Madrid kenti yakınlarında Manzanares adı altında bir güneş bacası prototipini geliştirmişlerdir. (Disabledartistsnetwork, 2007) Sistem üç temel prensip üzerinde çalışmaktadır. Bunlar sera etkisi, yoğunluk ve sıcaklık farkı ile akışkan hareketi ve kinetik enerjidir. Sistem dairesel ya da dairesel kesite yakın bir kesitte oluşmuş sera alanından ve bu alanın merkezine konumlandırılmış bacadan oluşmaktadır. Kollektör içerisinde bulunan hava güneş ışınımı ile ısınır ve hareket kabiliyeti kazanarak kolektörün merkezine doğru hareket eder. Kollektör dışında bulunan hava ise kolektör merkezine hareket etmiş ısınmış havanın yerini alır ve ışınım ortamdaki havayı ısıtarak işlemin tekrarlanmasını sağlar. Kollektör merkezine doğru hareket etmiş olan hava bacanın çekiş etkisiyle yukarı yönlü hareket yaparak bacanın içerisine yerleştirilmiş türbini çevirerek elektrik enerjisinin üretimini gerçekleştirir Bir güneş bacası şekli ise aşağıda görülmektedir. 75

85 Şekil Güneş bacası şekli (Disabledartistsnetwork, 2007). Şekil 1. 2 Bir güneş bacasının enerji dönüşüm aşamaları (Pastohr, 2004). Çalışmada kullanılacak güneş bacası olarak SDÜ YEKARUM tarafından 2004 yılında DPT destekli olarak tamamlanan prototip kullanılmıştır. Çalışma güneş bacasının performans değerlerini arttırmaya yönelik olduğundan öncelikle mevcut güneş bacasının, zemin, baca, kollektör gibi temel bileşenlerine ait kurulum şekilleri aşağıda verilmiştir. Mevcut güneş bacası kollektör alanı yarı çapı 8 m dir. Sera alanının zeminini oluşturmak için 200,96 m 2 lik bir dairesel alana beton kaplanmıştır (Şekil 3.2.). Bacanın yüksekliği 15 m olup çapı 1,2 m dir (Üçgül, 2004). Bacaya ait görüntü aşağıda Şekil 3.3. de görülmektedir. Baca kısmının dirsekten sonraki yaklaşık 2 metrelik kısmı 6 mm kalınlığında saç malzemeden geri kalan kısımları ise 4 mm kalınlığında saç malzemeden oluşmaktadır. İki kısım ayrı ayrı olup bir flanş ile birbirine bağlanmıştır. Baca monte edildikten sonra rüzgâr kuvvetinin etkisini azaltmak amaçlı baca tepesinde 3 noktadan gergili halat sistemi ile toprak zemine sabitlenmiştir. 76

86 Şekil Güneş bacası sistemine bacanın montaj görüntüsü (Koyun, 2006). Baca kollektör alanı giriş ağzı yüksekliği 65 cm olup bu değer bacaya doğru baca merkezinde 2,5 m olmaktadır. Bu sayede kollektör içerisinde ısınan havanın yukarı yönlü hareketinde radyal olarak oluşacak sürtünme kayıpları azaltılması amaçlanmıştır. Güneş bacası prototipinde kollektör geçirgen örtü malzemesi olarak cam kullanılmıştır. Cam hem sistemin uzun ömürlü olmasını sağlarken, hem de uzun dalga boyuna sahip ışınımı geçirgen kısa dalga boyuna sahip ışınımı ise absorbe etme özelliğine sahiptir. Baca konstrüktif olarak 12 ayrı dilime bölünmüştür. Geçmiş yıllardaki ölçümler ve analizler sonucu literatür incelendiğinde baca içerisinde ısınan hava ile soğuk havanın yer değiştirmesiyle türbülans oluştuğu görülmüş ve bunu engellemek amacıyla bu mevcut 12 dilim birbirinden saç levhalar ile ayrılmıştır (Şekil 3.6). Şekil Güneş bacası kollektör alanın konstrüksiyonu (Üçgül, 2005). Şekil yılı itibari ile güneş bacasından bir görüntü (Yekarum, 2008). 77

87 Şekil Kollektör alanının dilimlere ayrılmış hali. Yapılması Öngörülen Çalışmalar Sistem kollektörünün kuzey bölümünün diğer bölümlere göre gün boyu daha az ısındığı ve içeride bir akış bozukluğuna yol açtığı geçmiş yıllardaki analizlerle ortaya konulmuştur. Ayrıca kollektör alanının arttırılması ile performansın artacağı ve zeminin ısı tutumunun arttırılması ile yine performansın artacağı öngörülmüştür. Bu amaçla aşağıdaki düzenlemelerin yapılması düşünülmüştür. Baca zemininde daha iyi ısı tutumu için tüm zemin siyah renge boyanmıştır. Baca performansını artırmak ve güneş etkisini yitirdikten sonra ya da gece boyu da bacanın elektrik enerjisi üretimine devam edebilmesi için gün boyu daha az ısınan (önceki yıllara ait ölçüm verilerine dayanarak) kollektör dilimleri içerisine su taşıyan borular döşenmiştir. Kollektör içerisindeki su sistemine ısı sağlamak amaçlı gün ısı sistemi ilave edilmiştir. Güneş bacası kollektör alanı kuzeyden güneye, batı taraflı olarak birinci dilimden beşinci dilime kadar uzunluğu 4 m daha arttırılmış ve zemin malzemesi olarak pomza taşı ile kaplanmıştır. Bu çalışmada baca zemininde daha iyi ısı tutumu için tüm zemin siyah renge boyanması incelenmiştir. Ölçüm Noktaları Ve Sensör Yerleşim Şekilleri Deneyler esnasında sensörlerin ölçüm yaptığı konumlar aşağıdaki şekillerde verilmiştir. 78

88 Şekil Güney ölçüm bölgesi 1 numaralı dilim sensör yerleşim şekli. Kollektör girişi, ortam, zemin ve kollektör cam altı sıcaklıkları farklı bölgelerde farklı sıcaklık karakteristikleri göstereceğinden ölçüm noktaları 6 numaralı dilimde aşağıda Şekil de görüldüğü gibidir. Şekil numaralı dilim sıcaklık sensörleri. 79

89 Şekil Baca içi merkezinde mil üzerinde hava hızı sensörü konumlandırılması. ARAŞTIRMA BULGULARI Yapılan çalışmada deney günleri , , , , , tarihleri olup yine eylül ayının on birinci gününden itibaren ayın yirmi beşine kadar güneş bacası içerisinde hava hızı ölçüm kayıtları alınmıştır. Bu çalışma içerisinde alınan değerler , ve tarihlerinde yapılmış deney çalışmaları ile karşılaştırılarak elde edilen sonuçlar irdelenmiştir. Yapılan deneylerde 30 ayrı noktada sıcaklık sensörleri, 3 ayrı noktada hava hızı sensörleri, iki ayrı nem sensörü ve 2 aynı ışınım sensörleri kullanılarak ölçümler alınmıştır. Güneş bacası sistemleri konstrüksiyon boyutlarının büyütülmesi ile ısıl ve performans değerleri aynı büyüklükte artmaz yani Manzanares Prototipi üzerinde yapılan simülasyon çalışmaları ile sistem daha da büyütülse de baca içerisinde oluşan hava hızı değerlerinin çok farklı artmadığı görülmüştür (Schlaich, ve Partner, 2004). Gün içerisinde güneş ışımasının etkisini yitirmesi ile güneş bacasında oluşan hava hızı düşüşleri dolayısıyla güç düşüşlerini önlemek amacıyla çeşitli performans arttırıcı yöntemler bu çalışmada uygulanmıştır. Geçmiş dönemlerde alınan ölçümlerde sıcaklık hava hızı ve ışınım gibi parametrelerde kaydedilen veriler onar dakikalık aralıklarla ortalama değerler olup, 2008 yılında bu çalışma ile alınan ölçüm değerleri beşer dakikalık aralıklarla olup geçmiş yıllarla karşılaştırılabilinmesi için tekrar ortalama değerler alınmıştır. Bunun yanında ayrıca geçmiş dönemlere ait ölçümlerde alınan ölçüm aralıkları ile bu yüksek lisans çalışmasında alınan ölçüm aralıkları birbirine eşitlendirilmiştir. Aşağıda Şekil 4.1. de 2005 yılında mil üzerinde alınan hava hızı ölçüm değerleri ile hiçbir iyileştirme yapılmadan baca içerisinde alınmış mil üzeri hava hızı ölçüm değerleri bulunmaktadır. Değerlerin birbirine yakın olması sistemin kararlı bir şekilde çalıştığının göstergesidir. hava hızı (m/s) te alınan hava hızı ölçümü mil üzeri hava hızı ölçümü 0 11:55:25 12:09:44 12:24:46 12:39:46 12:54:46 13:09:46 13:24:46 13:39:46 13:54:46 14:09:46 14:24:46 14:39:46 14:54:46 15:09:46 15:24:46 15:39:46 15:54:46 16:09:46 16:24:46 16:39:46 16:54:46 17:09:46 17:24:46 17:39:46 zaman H Şekil ve hava hızı ölçümü (Yabuz, 2009). 80

90 sıcaklık C :49:18 12:04: güney dilimde bacadan dışarı doğru 3m'de yapılan ölçüm güney dilimde dışarıdan içeri doğru 3,7m'de yapılan ölçüm zaman H 12:19:18 12:34:18 12:49:18 13:04:18 13:19:18 13:34:18 13:49:18 14:04:18 14:19:18 14:34:18 14:49:18 15:04:18 15:19:18 15:34:18 15:49:18 16:04:18 16:19:18 16:34:18 16:49:18 17:04:18 17:19:18 17:34:18 Şekil ve güney dilim sıcaklık ölçümü (Yabuz, 2009). Yukarıda görüldüğü üzere 2005 yılı ile tarihinde yapılan güneyde 1 numaralı dilimin gün boyu ölçülen sıcaklıkları bulunmaktadır zaman H mil üzeri hava hızı* mil üzeri hava hızı* dilim 400cm de dilim 400cm de ışınım/ ışınım/ :25:46 12:35:46 12:45:46 12:55:46 13:05:46 13:15:46 13:25:46 13:35:46 13:45:46 13:55:46 14:05:46 Şekil ve hava hızı, ışınım ve teorik hız grafiği (Yabuz, 2009). Yukarıda Şekil 4.7. üzerinde güneş bacası üzerinde hiçbir yenilik yapmadan alınan ölçümler ile zemin üzerine siyah boya uygulandıktan sonraki baca içerisinde teorik hava hızı, mil üzerinde oluşan hava hızları, ışınım ve 10 numaralı doğu dilimde elde edilen sıcaklık değerleri görülmektedir. Siyah zemin uygulaması ile elde edilen hava hızlarında ve zemin sıcaklıklarında artış görülmektedir. Yapılan ölçümlere göre hava hızının zeminin siyaha boyanmasının ardından %8 lik bir artış gösterdiği görülmektedir (Şekil 4.8.). Sabah 03:00 ile gece 22:30 zaman dilimi için 10 numaralı dilimde böceklerin sıcaklık değerleri görülmektedir. Siyah zemin etkisi ile ısınan zeminin sıcaklık yüksekliği yine aşağıda Şekil de görüldüğü gibi güneş etkisini kaybetse de sürdürmektedir. 10 numaralı dilim için siyah zemin uygulaması ile 2006 yılı zemin sıcaklıkları karşılaştırıldığında %17,5 lik bir artış ortaya çıkmıştır. sıcaklık C :13:01 04:03: S3 no lu böcek dışta 2m de nolu böcek 2mde en dışta 04:53:01 05:43:01 06:33:01 07:23:01 08:13:01 09:03:01 09:53:01 10:43:01 11:33:01 12:23:01 13:13:01 zaman H 14:03:01 14:53:01 15:43:01 16:33:01 17:23:01 18:13:01 19:03:01 19:53:01 20:43:01 21:33:01 22:23:01 Şekil ve tarihlerinde batıda 4 numaralı dilimde böcek sıcaklıkları grafiği (Yabuz, 2009). 81

91 TARTIŞMA VE SONUÇ Bu çalışmada güneş bacalarıyla elektrik üretim sistemlerinde konstrüktif düzenlemeler yapılarak sistem performansının artırılmasına yönelik çalışmalar incelenmiştir. Güneş bacasında verim artışı hala güncelliğini koruyan önemli bir konudur. Bu amaçla aşağıda sayılan iyileştirmeler yapılabilir. Baca kollektör zemininin siyaha boyanması. Baca kollektör zemini üzerine sıcak su tesisatı döşenmesi. Kollektör giriş ağızlarına kapak uygulamasının yapılması. Baca tepesine atomize su sistemi uygulanması. Kollektör alanı altına pomza serilerek ilave kollektör alanı artırım uygulaması. Güneş bacası ile güneş güç kulesi sistemlerinin bir araya getirilerek hibrid sistem uygulamasının yapılması. Yapılan iyileştirmelerden önemli biri olan baca kollektör zemininin siyaha boyanması bu çalışmada temel olarak incelenmiştir. Diğer iyileştirmeler ayrı ayrı çalışmalarda sunulacaktır. Yapılan iyileştirme neticesinde sistem performansında % 9,5 oranında bir artış sağlanmıştır. Çalışmaya verdiği destekten ötürü DPT na, SDÜ BAPYB ne ve TÜBİTAK a teşekkürlerimizi sunarız. 82

92 KAYNAKLAR: Kara, Ö., Yükselen hava akımlı rüzgar türbinleri İzmir uygulaması, E.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 81s, İzmir. Disabledartists.net, İnternet sitesi. Erişim Tarihi: Pastohr, H., Thermodynamische Modellierung eines Aufwindkraftwerkes, der Bauhaus Universität Weimar, 161s, Weimar. Üçgül, İ., Güneş Bacası ile Elektrik Enerjisi Üretilmesi. DPT Proje No:2003K Koyun, A., Güneş bacası ile enerji üretiminin incelenmesi. SDÜ. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, 142s, Isparta. Yekarum, 2008, İnternet sitesi. Erişim Tarihi: Schlaich, J., Partner., 2004, Das Aufwindkraftwerk Wasserkraftwerk der Wüste. Nova Acta Leopoldina NF 91, Nr. 339, S YABUZ, Z.R., 2009, Güneş Bacasında Konstrüktif İyileştirme Çalışmaları Ve Performans Artırıcı Yöntemlerin Araştırılması, Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Isparta. 83

93 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI İLE EKO-EV MODELİ Hakan S. Soyhan 1,2, Sami Toksöz 1,2, Yalçın Topaçoğlu 1,2, Burak Gökalp 3, Gökhan Coşkun 1,2, Abdullah Demir 2 1 Sakarya Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Esentepe Kampüsü, 54187, Sakarya, Türkiye 2 Yerli Enerji Teknolojileri Araştırma Derneği, YETA, Türkiye 3 Kocaeli Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitusu, Kocaeli, Turkiye. [hsoyhan@sakarya.edu.tr, samitoksoz@gmail.com, yalcin.topacoglu@yeta.org.tr, burak.gokalp1@kocaeli.edu.tr@kocaeli.edu.tr, gokhancoskun09@hotmail.com, abdullah.demir@yeta.org.tr ] ÖZET Bu çalışmada, sürdürülebilir ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanan, enerjiyi etkin ve verimli kullanan bir Eko-Ev in uygulama metotları açıklanmıştır. Bu bağlamda yenilenebilir enerjiler, özellikle güneş enerjisi ve toprak kaynaklı ısı pompaları hakkında bilgiler verilmiş ve Eko-Ev için önemi açıklanmıştır. Eko-Ev tasarımı için güneş kollektörü, güneş pili ve toprak kaynaklı ısı pompası sistemleri kullanılması düşünülmüş ve bu sistemlerin nasıl çalıştığı ve uygulandığı konusunda bilgiler verilmiştir. Ayrıca Eko-Ev in diğer yapılarla karşılaştırılması ve değişik çalışma koşulları altında nasıl sonuçlar elde edilebileceğini görebilmek için DOE-2 yazılımı kullanılması öngörülmüştür. Anahtar Kelimeler: Sürdürülebilir ve Yenilenebilir Enerji, Eko-Ev, Güneş Pilleri, Toprak Kaynaklı Isı Pompası, Güneş kolektörü SUMMARY In this study, who use sustainable and renewable energy sources, energy efficient and effective use of an Eco-Home's application method are described. In this context, renewable energy, particularly solar energy and ground source heat pumps and provide information about the importance of the Eco-House is open. Eco-house design for the solar collector, solar and ground source heat pump systems and battery use, and think how this system works and are given information about the application. Moreover, comparison with other structures of Eco-House, and under different working conditions to see how the results can be obtained using DOE-2 software has been envisaged. Keywords: Sustainable and Renewable Energy, Eco-House, Solar Panels, Ground Source Heat Pump, Solar Collector 84

94 GİRİŞ Çağımızda enerjinin sağlanması insanlığın temel sorunlarından biri olmuştur. Gelişen teknoloji ile paralel olarak enerji ihtiyacı da artmaktadır. Gelişmişliğin bir ölçüsü olarak görülen enerji tüketimi arttıkça fosil kökenli yakıtlara olan talebi de beraberinde arttırmaktadır [1]. Fosil kökenli yakıtlara talebin Ülkemizde ve dünyada küresel ısınmanın etkilerinin giderek arttıracağı kaçınılmaz hale gelmiştir arası incelemeler temel alınarak yapılan tahminlere göre ise, 2100 yılına kadar 1,8 ila 4,0 C arasında bir sıcaklık artışı beklenmektedir. Dünya genelinde fosil kökenli yakıtların küresel ısınmaya olan etkileri, sürdürülebilir olmayışları ve maliyetlerindeki sürekli artış nedeniyle her geçen gün daha fazla endişe yaratmaktayken, birincil enerji kaynağı olarak yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının yaygınlaştırılmasına yönelik çalışmalar da devam etmektedir [2]. Hızla artan nüfusun ve gelişen sanayinin enerji ihtiyacının kısıtlı kaynaklarla karşılanamamakta olması, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki açığın giderek artması ve mevcut yenilenemeyen kaynakların çevreye ve insan sağlığına olumsuz etkilerinin önlenememesi gibi olgular gelecek konusunda bizleri karamsarlığa sürüklemektedir. Küresel enerji tüketiminin, 2035 yılına gelindiğinde 1998 yılında tüketilen enerji miktarının iki katı, 2055 yılında ise üç katı olacağı tahmin edilmektedir. Buna karşılık halen bu ihtiyacı karşılamakta olan fosil yakıt rezervi ise çok daha hızlı bir şekilde tükenmektedir. Şu anki enerji kullanım koşulları göz önüne alınarak yapılan en iyimser tahminlerde bile en geç 2030 yılında petrol rezervlerinin büyük ölçüde tükeneceği ve ihtiyacı karşılayamayacağı görünmektedir. Kömür için şu anki rezervlerle yaklaşık yıl, doğalgaz içinse yine yaklaşık yıllık bir kullanım süresi tahmin edilmektedir [3]. Geleneksel enerji kaynaklarının, konut, ulaşım ve sanayi sektöründe yaygın olarak kullanılması, sorunu daha da kompleks bir hale getirmektedir. Ülkemizdeki enerjinin büyük bir bölümünün sanayi ve konutlarda tüketildiği, konutlarda tüketilen enerjinin de büyük bir kısmının ısınma için kullanıldığı bilinmektedir. Her geçen gün enerji üretimimiz ile tüketimimiz arasındaki fark daha da açılmaktadır. Sektörlere göre enerji tüketim istatistikleri şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1. Sektörlere göre enerji tüketim istatistikleri [5] Enerji kaynaklarını üç ana başlıkta incelemek mümkündür. Bunlardan ilki kaynağından çıkarıldıktan sonra hiçbir işleme uğramadan tüketilen kömür, doğal gaz ve petrol gibi kaynaklar olup, 'birincil enerji kaynağı olarak tanımlanmaktadır. Birincil enerji kaynağının dönüşümünden elde edilen elektrik, kok, havagazı vb enerji kaynakları ise 'İkincil enerji kaynağı' olarak adlandırılmaktadır. Üçüncüsü ise tükenmeyen, eksilmeyen 'yenilenebilir' enerji kaynaklarıdır. Şekil 2'de görüldüğü gibi, 21. yüzyılda tüketilmesi beklenen birincil enerji kaynakları için yapılan öngörülere göre, doğalgaz, kömür, petrol gibi fosil yakıtların, kullanımının azalacağı ve hatta biteceği beklenmektedir. Çok uzak olmayan bir gelecekte, fosil bazlı enerji kaynaklarında ciddi bir darboğaz oluşumu ve bunun paralelinde fiyat artışı olasıdır. Buna karşın, rüzgâr, 85

95 güneş, su, hava vb yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının son yıllarda hızla artacağı düşünülmektedir [2]. Şekil 2 de 2100 yılına kadar birincil enerji kaynağı kullanımında beklenen değişimler verilmektedir. Şekil yılına kadar birincil enerji kaynağı kullanımında beklenen değişim [2]. 2. YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAĞI OLARAK TOPRAK VE GÜNEŞ ENERJİSİ Yenilenebilir enerji kaynağı "Doğanın kendi çevrimi içinde bir sonraki gün aynen mevcut olabilen enerji kaynağı" olarak tanımlanmaktadır. Bu bağlamda güneş, bizim en büyük enerji kaynağımızdır. Fuel oil, gaz, kömür, bio enerji ve rüzgârın hepsi, güneş enerjisinden türer. Güneş enerjisinin yayılma ve kararsız yapısı nedeniyle, doğrudan tutulması pahalı ve güçtür. Ama bu yapının temiz, gider bakımından etkin bir çözüm sağladığı da göz ardı edilmemelidir. Yer, masif (iri) bir yapıya sahip olduğu için, yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin hemen hemen yarısı jeokütlede yutulur ve depolanır. Toprak; ısıtma sezonunda dış havadan daha yüksek sıcaklıkta bir kaynak ve yazın soğutma için, havadan daha düşük bir sıcaklık sağlayarak, tüm yıl göreceli olarak sabit sıcaklıkta kalır [4]. Şekil 3 de görüldüğü gibi ısı pompalarının enerji kaynağı elektrik ve doğal enerji kaynaklarıdır. Isı pompaları kaynak olarak toprak, hava ve su gibi doğal kaynakları kullanılır[10]. Şekil 3. Isı pompalarının enerji kaynağı [10] Ülkemiz, coğrafi konumu sebebiyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Aylara göre Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri ise Tablo 1'de verilmiştir. Şekil 4 te ise illere göre toplam güneş radyasyon (kwh/m2-yıl) değerleri verilmiştir. Tabloya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresinin saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddetinin kwh/m2.yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m2) olduğu tespit edilmiştir. Ülkemizde yıllık ortalama toplam ışınımın en küçük ve en büyük değerleri sırasıyla kwh/m2.yıl ile Karadeniz bölgesinde, kwh/m2.yıl ile Güneydoğu Anadolu bölgesinde gerçekleşmektedir [2]. 86

96 Şekil 4. İllere göre toplam güneş radyasyon değerleri[5] Tablo 1 Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli [5] AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ (kwh/m2ay) GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/ay) AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ (kwh/m2ay) GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/ay) OCAK 51, AĞUSTOS 158,40 343,0 ŞUBAT 63,27 115,0 EYLÜL 123,28 280,0 MART 96,65 165,0 EKİM 89,90 214,0 NİSAN 122,23 197,0 KASIM 60,82 157,0 MAYIS 153,86 273,0 ARALIK 46,87 103,0 HAZİRAN 168,75 325,0 TOPLAM TEMMUZ 175,38 365,0 ORTALAMA 3,6 kwh/m2-gün 7,2 saat/gün 3. YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI İLE EKO-EV TASARIMI Eko-Ev modellemesi ile konutlarda kullanımı kolay hale gelen yenilenebilir enerji kaynaklarının esnek yapısı sayesinde her türlü konutta montajı mümkün olan bir sistem geliştirilmesi hedeflenmektedir. Çalışma, enerji üretimi ve tüketimi arasındaki açığın giderek artması, hızla artan nüfusun ve gelişen sanayinin enerji gereksinimlerinin kısıtlı kaynaklarla karşılanamamakta olması ve mevcut yenilenemeyen kaynakların çevreye ve insan sağlığına olumsuz etkilerinin önlenememesi gibi olumsuzluklara karşın bir çözüm üretmesi açısından önem teşkil etmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları ile Eko-Ev Modellemesi çalışmasının birincil amacı, konutlarda ısıtma-soğutma enerjisi ve elektrik enerji maliyetini minimum seviyelere çekmek, enerjide dışa bağımlılığı azaltmak ve çevre dostu enerji kullanımını artırmak, yaymak ve cazip hale getirmektir. Bu çerçevede çalışmanın en önemli özellikleri: Yerli enerji kaynakları kullanılarak enerjide dışa bağımlılığın azaltılması, Karbondioksit emisyonlarını azaltarak çevrenin korunmasına yardımcı olmaları, Yerli imalatın teşviki ile ilgili sektörde istihdamın artmasına katkıda bulunulması, Kamuoyundan yaygın ve güçlü destek alınılması olarak sıralanabilir. 87

97 3.1 EKO-EV TASARIMINDA İZLENEN ADIMLAR Eko-Ev tasarımında elektrik ihtiyacını karşılayabilmek için evin güney yönüne bakan çatısına güneş pilleri monte edilir. Eko-Ev de kullanım sıcak suyu için çift serpantinli boyler tasarlanmıştır. Çift serpantinli boylerin bir serpantininde ısı pompası dolaşarak tankı ısıtmaktadır. Diğer serpantinde ise Güneş enerjisi dolaşabilecektir. Bu durumda tankı Güneş enerjisi ısıtacaktır. Evin ısıtma ve soğutma ihtiyacını karşılayabilmek için toprak kaynaklı ısı pompası monte edilmesi düşünülmüştür. Kaynak tarafında polietilen kaynaklı borular yatay veya dikey olarak evin bahçesine döşenebilir. Güneş kolektörlerinin sıcak su ihtiyacını karşılamada yetersiz kalması durumunda ise ısı pompasının, devreye girmesi sağlanır. Evde kullanılan elektrikli aletlerin tükettikleri enerjiyi, güç ve enerji ölçüm cihazları ile ölçülebilir. Evin çatısında yatay ve eğimli yüzeye gelen ortalama güneş ışınımı değerleri ve güneşlenme süreleri piranometre ölçüm cihazı kullanılarak ölçülür. Maliyet ve verimlilik açısından farklı yapılara sahip tek kristal silisyum, çok kristal silisyum ve ince film amorf silisyum güneş pillerinden oluşan güneş sistemlerinin ürettikleri enerji eldeleri karşılaştırılır. Elde edilen değerler kullanılarak güneş pili, invertör, solar akü ve şarj regülatörü seçilir. Elektrik enerjisi üretiminin yetersiz olduğu durumlar ortaya çıkarsa şebekeden elektrik alınır. Evin ısı kayıp ve kazançları termal kamera ile fotoğraflanarak, ihtiyaç duyulan bölgelerde izolasyon yapılır. Yaz koşullarında soğutma ve kış koşullarında ısıtma yapabilmemizi sağlayan toprak kaynaklı ısı pompası düzeneği monte edilir. Sistemin tasarlanabilmesi için evin ısı kayıp ve kazanç değerleri hesaplanması gerekir. Toprak altı sıcaklı değişim değerleri kaydedilecek ve toprak özelliklerinin belirlenmesi için toprak analizi yapılır. Kaynak tarafı ısı değiştiricilerinde özel polietilen boru kullanılmalıdır. Yük tarafında ise hava kanalları, yerden ısıtma, fan-coil, radyatör vb. yöntemler kullanılabilir. Araştırmanın verimliliği aşağıdaki sorular ile sorgulanmalıdır; 1. Evin özellikleri toplam enerji tasarrufuna nasıl katkıda bulunur? 2. Aynı boyuttaki standart bir Türk Yapı sı ile karşılaştırıldığında ne kadar enerji tüketir? 3. Enerji tasarruf verimliliğinin geliştirilmesi için denenmesi gereken yollar nelerdir? Bu soruların cevaplarını ulaşabilmek için kısa ve uzun vadeli testler yapılmalı ve elde edilen veriler bilgisayarda modellemesi yapılarak analiz edilmelidir EKO-EV TASARIMINDA KULLANILAN SİSTEMLER GÜNEŞ PİLLERİ ( FOTOVOLTAİK PİLLER ) Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2 0,4 mm arasındadır. Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. (Güneş pillerinin yapısı ve çalışması) Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. [5]. Bunun yanında güneş pilinin ürettiği elektrik enerji daha sonra kullanmak üzere depo edilebileceği gibi, şebekeye direkt olarak çift yönlü sayaç sayesinde satılabilmektedir. Şekil 5 de şebekeye bağlı fotovoltaik sistem şeması ve Şekil 6 da ise şebekeden bağımsız fotovoltaik sistem şeması görülmektedir [2]. 88

98 Şekil 5. Şebekeye bağlı fotovoltaik sistem şeması [2] Şekil 6. Şebekeden bağımsız fotovoltaik sistem şeması [2] FOTOVOLTAİK SİSTEMLERİNİN BİNALARA UYGULANMASI Folovoltaik paneller binalara iki şekilde uygulanabilir. Önceden yapılmış olan binaların çatılarına ya da cephelerine, hazır montaj setleri ile kurulabilir. Yeni yapılan binalarda, paneller aynı zamanda yapı malzemesi olarak kullanılabilir ŞEBEKEYE BAĞLI BİR FOTOVOLTAİK SİSTEMİN MALİYET DAĞILIMI Aşağıdaki dağılım fikir vermesi amacıyla kullanılabilir. - %50 - Fotovoltaik paneller - %15 - AC/DC dönüştürücü - %15 - Kablolar ve çeşitli elektrik malzemeleri - %10 - Kurulum montaj setleri - %10 - Kurulum işçiliği Bağımsız sistemlerde, yukarıda belirtilen harcamaların yanı sıra akü maliyetleri vb maliyetler devreye girmektedir. Dolayısıyla ilk yatırım maliyetleri şebekeye bağlı sistemlere göre daha yüksek olmaktadır[2] FOTOVOLTAİK SİSTEMLERİN AVANTAJLARI - Yenilenebilir enerji kullanımı - Eski ve yeni binalara kurulum imkânı - Binaya entegre sistemlerde, azalan çatı kaplama maliyeti - Ülkeye bağlı olarak değişen ve devlet tarafından verilebilen teşvikler ve yapılan vergi indirimleri sayesinde, kısalan geri ödeme süreleri - 25 ile 30 sene arasında değişen uzun kullanım ömürleri - Şebekenin olmadığı yerlerde bağımsız elektrik üretimi - Ülke bazında azalan, enerjide dışarıya bağımlılık - Panellerin çok düşük bakım ve onarım ihtiyacı - Güneş takip sistemleri ile artırılabilen enerji kazancı - Sürekli gelişen teknoloji ISI POMPASI Isı geçişinin her zaman sıcaklığın azaldığı yönde olduğu bilinen bir gerçektir, başka bir deyişle, ısı geçişi yüksek sıcaklıktaki ortamdan düşük sıcaklıktaki ortama olur. Bu doğal bir olgudur, kendiliğinden gerçekleşir. Bu olgunun tersi kendiliğinden gerçekleşemez. Düşük sıcaklıktaki bir ortamdan yüksek sıcaklıktaki bir ortama ısı geçişi ısı pompalarının kullanımıyla gerçekleşebilir. Isı pompaları, soğutma çevrimini esas alarak çalışır. Soğutma çevriminde kullanılan akışkana soğutucu akışkan denir. Bu akışkan farklı makinelerde, kullanım yerine 89

99 göre değişiklik gösterebilir. Her bir farklı akışkanın birbirlerine göre kullanım avantajları ve dezavantajları bulunmaktadır. Isı pompalarında kullanılan çevrim, buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimidir. Çevrim şekil 7 de gösterilen elemanlarla gerçekleştirilir: kompresör, yoğuşturucu, kısma vanası ve buharlaştırıcı[10]. Tablo 2 de görüldüğü gibi ısı pompaları değişik kaynaklar kullanabilmektedirler ve kullandıkları kaynaklara göre adlandırılırlar. Örneğin, hava kaynak olarak kullanıldığı takdirde hava kaynaklı ısı pompası, su kaynak olarak kullanıldığı takdirde su kaynaklı ısı pompası diye adlandırılmaktadır. Kullanılan kaynaklar sistemin toplam verimini ve doğal olarak işletim maliyetlerini direkt olarak etkilemektedirler[8]. Şekil 7. Isı pompasının çalışma prensibi [10] Tablo 2. Isı pompalarında kullanılan kaynak ve yük çeşitler [8] Kaynak Yük Hava Su (Yerüstü Suları) Su (Yer altı Hava: Hava Suları) Kanalları Su (Kazan / Kule) Toprak Güneş Enerjisi Jeotermal Enerji Atık Isı Kaynakları Su: Fan coil, yerden ısıtma, radyatör Şekil 8 de gösterilen örnek şemada ısı pompasına ait örnek bir enerji analizi yapılmıştır. Isı pompası 1 kw lık elektrik enerjisi tüketerek 4 kw lık elektrik enerjisi elde etmemizi sağlar. 3 kw lık kısmı doğadan yani yenilenebilir enerji kaynaklarından elde eder. Isı pompasının etkinlik katsayısını alınan enerjiyi, verilen enerjiye bölerek hesaplanabilir. Isı pompasının COP değeri 4 olarak bulunur. Bu değer ısı pompalarının yüksek COP (etkinlik katsayısı) ile düşük işletme maliyetleri sunduğunu göstermektedir[10]. Şekil 8. Isı pompasının etkinlik katsayısı (COP) [10] 90

100 Hava çok kolay bulunabilen ancak sıcaklığı yazdan kışa çok fazla değişen bir kaynaktır. Isıtmada kaynak sıcaklığının olabildiğince yüksek, soğutmada ise olabildiğince düşük olması istenir. Hava ise yazın yani soğutmanın yapılması istendiğinde en yüksek değerlerine, kışında ısıtmanın ihtiyaç olduğu durumda en düşük değerine ulaşır. Bu durumda sağlanan soğutma ve ısıtma oldukça düşük verimlidir Toprak kaynaklı ısı pompalarında, toprak ısı kaynağı olarak kullanılır. Toprak, sıcaklığı yıl boyunca oldukça az değişen, sabit sıcaklıklı sayılabilecek bir kaynaktır [6].Şekil 9 da Toprağın derinlikle sıcaklık değişimi görülmektedir. Şekil 9. Toprağın derinlikle sıcaklık değişimi [7] Şekil 10 da yer ısı değiştiricilerinin farklı uygulamaları verilmektedir, sırasıyla bu uygulamalar şu şekilde açıklanabilir; Yatay borulama: Kepçe ya da kazı ile yapılan hafriyat sonucunda açılacak toprakta 1 metreden daha derin bir yerleşimle borular yatay olarak döşenir. Isıtma öncelikli sistemlerde tercih edilir. Dikey borulama: Sondaj makineleri ile açılan kuyulara borular dikey olarak sarkıtılır. Arazinin yatay borulamaya müsait olmadığı yerlerde uygulanır. Göl nehir deniz uygulaması: Göl-Nehir-Deniz uygulamasında kuyu veya göle borular helezonik şekilde yerleştirilir. 2 metre derinliğe ihtiyaç vardır. Isı transferinin en verimli ve en ekonomik sağlandığı borulama sistemidir. Açık sistem: Yeraltındaki su kaynağından alınan su, ısı pompası tarafından kullanılarak yer altı kaynağına veya başka bir su kaynağına gönderilir. Yüksek verimlidir Yatay borulama 10.2 Dikey borulama 10.3 Göl nehir deniz uygulaması Şekil 10. Yer ısı değiştiricilerinin farklı uygulamaları [8] 10.4 Açık sistem Sistemin avantajları şu şekilde sıralanabilir; tek bir cihaz ve yatırım ile ısıtma-soğutma ve sıcak su elde etme imkanı, bilinen en verimli ısıtma-soğutma sistemi olması, ısıtmada LPG ye göre % 70, motorin e göre % 75 ekonomik kullanım sağlaması, soğutmada split klimadan % 40 ekonomik kullanımı sağlaması, baca, yakıt tankı, dış ünite kullanımı olmaması ve minimum bakım ihtiyacı gerektirmesidir[9] GÜNEŞ KOLEKTÖRLÜ SICAK SU SİSTEMLERİ 91

101 Güneş kolektörlü sıcak su sistemleri, güneş enerjisini toplayan düzlemsel kolektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, pompa ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır. Güneş kolektörlü sistemler tabii dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılırlar. Her iki sistem de ayrıca açık ve kapalı sistem olarak tasarlanırlar. Güneş kolektörlerinin sıcak su ihtiyacını karşılamada yetersiz kalması durumunda ise ısı pompasının, devreye girmesi sağlanacaktır [5]. 3.3 ENERJİ PERFORMANSININ SİMULE EDİLMESİ Bilgisayar modelleri test edilerek veya gözlem yapılarak elde edilemeyen yararlı bilgileri ve model evdeki genelleştirilmiş enerji performansını simule eder. Model aynı zamanda ya olursa senaryoları için kullanılarak farklı bina tekniklerinde ve enerji teknolojilerinde evin nasıl bir performans göstereceğini görmek içinde kullanılacaktır. Bu özellikler evin performansını anlamak için modeli bir güçlü araç haline getirmektedir. Bu çalışmada konutlardaki enerji performansını tespit etmek için bilgisayar modelleme, test etme ve gözlemlemeden oluşan 3 lü kombinasyon kullanılacaktır. DOE 2 enerji simulasyon yazılımı kullanılarak Eko-Ev in enerji performansı analiz edilecektir. DOE 2 yazılımı Birleşik Devletler tarafından geliştirilmiş olan bir enerji-analiz programıdır. Yazılım da Eko-Ev in gerçek boyut, şekil, gölgelendirme, mekanik sistemler v.b durumlara bağlı olarak evin sanal bir modeli tasarlanacaktır. Bu sanal model evin saatlik enerji tüketimini hesaplamak için kullanılacak ve evin yerleşim alanı üzerine saatlik hava verilerini modelleyecektir. Daha sonra enerji tüketimi Eko-Ev e benzeyen fakat Eko-Ev in tüm enerji tasarrufu özelliklerine sahip olmayan diğer sanal modeller ile karşılaştırılacaktır. Bu bilgilere göre Eko-Ev in bulunduğu aynı bölgede farklı standart ev modelleri oluşturulacaktır. 4. SONUÇ Enerjisinin %70 ini yurt dışından sağlayan ülkemiz için özellikle yenilenebilir enerji kaynakları sektöründe yapılacak olan çalışmalar enerjide dışa bağımlılığı azaltmada büyük bir pay sahibi olacaktır. Türkiye, güneş enerjisi verimliliğinde dünyada ilk 4 ülke içinde yer almaktadır. Güneş görme ortalaması günde 7,2 saat olmasına rağmen Türkiye genelinde alternatif enerji sistemlerinin kullanımı yaygınlaşmamıştır. Eko-Ev lerin pratikte gerçekleştirilmesi alternatif enerjilerin kullanılması yaygınlaştırılarak ulusal kaynakların ortaya çıkarılmasına katkı sağlanacaktır. Eko-Ev lerde fosil yakıtlar, yerini güneş ve doğal enerjilere bırakmaktadır. Elektriği güneş enerjisinden, ısıtma ve soğutma için gerekli olan enerjiyi tamamen doğal kaynaklardan sağlanacaktır. Bu nedenle konutlarda fosil yakıtlara bağımlılık söz konusu olmayacaktır. Karbondioksit emisyonlarını azaltarak çevrenin korunmasına yardımcı olmaları ve yerli imalatın teşviki ile ilgili sektörde istihdamın artmasına katkıda bulunulmasını sağlayacaktır. 92

102 KAYNAKÇA [1] Reay, D.A., Mac Michael, D.B.A., Heat Pumps, June, [2] Isısan çalışmaları No: 375 Yenilenebilir enerjiler alternatif sistemler [3] [4] MCNEIL, C.S.L. ve CRAWFORD, T.K. Vertical Borehole Ground loop Heat Pump Installation, Advanced Buildings, Newsletter, 1995 Royal Architectural Institute of Canada, Vol. 1, No. 8, 11 Sayfa, Haziran 1995 ( [5] EİE Genel Müdürlüğü [6] IGSHPA International Ground Source Heat Pump Association, Closed Loop / Ground - Source Heat Pump Systems Instalation Guide, Oklahoma State University Division of Engineering Technology Stillwater, Oklahoma [7] Isısan ısı pompaları kataloğu [8] ISIMAS A.Ş., Yer Kaynaklı Isı Pompası Uygulamaları, 2004 [9] [10] VIESSMANN Heat Pumps Tecnical Information Vitocal reliably heating into the future with nature s energy 93

103 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 GÜNEŞ ENERJİLİ DAMLA SULAMA SİSTEMLERİNDE MODELLEME VE PERFORMANS ANALİZİ Ümran ATAY 1, Yusuf IŞIKER 2 ve Bülent YEŞİLATA 2 1 GAP Toprak Su Kaynakları ve Tarımsal Araştırma Enstitüsü Müdürlüğü, Şanlıurfa 2 Harran Üniversitesi Makina Mühendisliği Bölümü, Osmanbey Kampüsü, Merkez, Şanlıurfa. umranatay@hotmail.com 1, yusuf47@harran.edu.tr 2, byesilata@harran.edu.tr 2 ÖZET Bu çalışmada; Şanlurfa ilinde kurulumu planlanan bir güneş enerjili (fotovoltaik) damla sulama sistemi uygulaması göz önüne alınmıştır. Sistemi oluşturan bileşenlerin doğru seçimi ve dolayısıyla sistemden beklenen verilerin sağlanabilmesi için, sulama dönemini kapsayan (Mayıs Eylül arası) aylara yönelik bir performans analizi gerçekleştirilmiştir. Şanlıurfa ili uzun yıllar meteorolojik verileri ve PVSYST V4.36 yazılımı kullanılarak; sistemden günlük, aylık ya da mevsimsel bazda sulama amaçlı pompalanacak su miktarını belirlenebilmiştir. Mevcut sistemle sağlanan sulama performansı, tasarımda hedeflenen su debisini karşılayacak düzeyde bulunmuştur. Anahtar kelimeler: güneş enerjisi, fotovoltaik, damla sulama, modelleme, performans analizi ABSTRACT In this study, a solar energy (photovoltaic) driven drip irigation system to be installed in Sanliurfa is considered. Performance analysis of the system for irrigation season (between months of May and September) is carried out to accurate selection of the system components and to reach desired outputs from the system. The amount of pumped water for daily, monthly and seasonal use is calculated by using long-term meteorological data of Sanliurfa and PVSYST V4.36 software. It is found from the analysis that irrigation performance of the system can satisfy with water flow rate of design criteria. Keywords: solar energy, photovoltaic, drip irrigation, modeling, performance analysis 1. GİRİŞ Günümüzde, güneş enerjisine dayalı fotovaltaik (PV) sistemlerin enerji kaynağı olarak en fazla tercih edildiği uygulamalar arasında su pompalama sistemleri bulunmaktadır. Güneş enerjisi ya da diğer bir ifadeyle PV güç ile çalışan su pompalama uygulaması özellikle şehir su ve elektrik şebekesine bağlı olmayan kırsal yörelerde kuyu veya kanallardan su temininde veya zirai amaçlı arazilerde sulama kanallarından araziye su dağıtımında ekonomik olarak kullanılabilmektedir. Çünkü bu tür bölgelere yeni enerji hattının çekilmesi nedeniyle ortaya çıkan ilk yatırım maliyeti genellikle çok yüksek meblağlar oluşturmaktadır. Tarım arazileri gibi 94

104 geniş alanlarda sabit enerji noktasından veya sulama kanallarından arazinin tüm bölgelerine su dağıtımı ekstra kablo düzeni gerektirmektedir. En önemlisi sulama döneminde tüketilen ve genellikle tükenmeye yüz tutmuş enerji kaynaklarıyla elde edilen elektrik enerjisi çok yüksek maliyetle kullanılmaktadır. Bu düşünceler ışığında, Amerika başta olmak üzere birçok gelişmiş ülkede sulu tarım ve hayvancılıkta PV sistemlerinin kullanımına son çeyrek asırda hızlı bir yönelme başlamıştır. Bu eğilim son on yılda gelişmekte olan ülkelere de (örneğin Hindistan, Meksika ve Güney Kore) yansımıştır [9]. Şekil 1 de şematik olarak gösterilen; güneş enerjili ya da PV destekli damla sulama sistemleri (PV-DSS), enerji ve su kullanımında sağladığı verimlilik nedeniyle, GAP Bölgesi nde aşırı enerji ve su tüketimine yönelik sorunları gidermede en uygun çözümlerden biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Ancak, ilk yatırım masraflarının yüksekliği ve toplam sistem verimlerinin düşüklüğü gibi, önemli dezavantajları da söz konusudur. Bu dezavantajların azaltılması için seçilen konfigürasyonların maksimum kullanılabilirliği sağlayacak şekilde optimize edilmesi gerekmektedir [10]. PV-DSS tercihinde göz önüne alınması gerekli birçok faktör söz konusudur. Bu faktörler kullanım yerindeki günlük su ihtiyacı, su kalitesi, pompa statik ve dinamik yükleri, kullanılma sezonunu kapsayan aylar ve bu aylardaki güneş ışınım şiddeti olup, uygulama öncesi bu faktörlerin detaylı olarak analizi gerekmektedir [1]. Şekil 1. PV-DSS temel bileşenleri PV-DSS kullanımına karar verildikten sonra uygulama ile ilgili mevcut verilerden yararlanılarak sistem elemanlarının seçimi ve boyutlandırılması mümkündür. Sistem boyutlarının, performansının ve sistem maliyetinin hassas bir şekilde tespiti karmaşık hesaplar gerektirmektedir. DSS projelendirilmesi yapılırken, sulama için gerekli debi referans alınarak, su kaynağından itibaren son dağıtıcıya kadar hattaki tüm elemanlardaki basınç kayıpları dikkate alınır ve pompanın sağlaması gereken toplam basınç bulunur. Bu hesaplamaların yapılabilmesi için, sulanacak arazi ve sulama hatlarına yönelik tüm boyutların ve elemanların belirlenmiş olması gereklidir [2]. Pompanın sağlaması gereken toplam basınç ve debi değerlerini sulama sezonu boyunca karşılayacak elektriksel güç dikkate alınarak PV sistem elemanlarının boyutlandırılması yapılır. PV pompa uygulamalarında, sistem bileşenlerinin doğru seçimi ve uzun dönem performans analizlerinin yapılmasında ciddi seviyede zorluklar söz konusudur. Öncelikle; panellerin ışınım şiddetine bağlı olarak lineer olmayan tarzda değişen akım ve voltaj çıktılarının belirlenmesi çalışma noktalarının tespiti için yeterli olmayıp, sistemde kullanılan motor-pompa ikilisinin yük direncine bağlı yine lineer olmayan bir tarzda değişim gösteren (I- V) karakteristiklerinin birlikte değerlendirilmesi gerekliliğidir. Bunun yanında PV sistem çıktısı ve performansı, Şekil 2 de gösterilen çok sayıda dış ortam parametresinin fonksiyonudur [4]. 95

105 Şekil 2. PV sistem performansını etkileyen dış ortam parametreleri Belirtilen bu zorluklardan dolayı, PV-DSS uygulaması ile ilgili literatürde çok az sayıda çalışma bulunmakta olup, söz konusu bu çalışmalar da [2,5,7,8] son yıllarda gerçekleştirilmiştir. Bu çalışmada; öncelikle PV-DSS matematik modellemesine yönelik temel denklemler verildikten sonra, Şanlıurfa ilinde kurulumu planlanan bir PV-DSS uygulamasının performans analizinden elde edilen sayısal sonuçlar sunulmaktadır. 2. PV- DSS bileşenlerinin matematiksel modeli Şekil 1 de gösterildiği üzere; PV-DSS için gerekli enerjiyi temin eden ve dönüştüren elemanlar PV panel, DC motor ve su pompasından oluşmakta olup, bu bileşenlerin matematiksel modellenmesine yönelik denklemler aşağıda verilmiştir. Söz konusu elemanların çalışma karakteristiklerini belirleyen bu denklemler bilindiği sürece PV-DSS ni oluşturan diğer bileşenlerin (kontrol ve depolama elemanları ile DSS tesisat elemanları) seçimi ve hesabı kolaylıkla yapılabilmektedir. Örneğin; DSS projelendirilmesi yapılırken, sulama için gerekli debi referans alınarak, su kaynağından itibaren son dağıtıcıya kadar hattaki tüm elemanlardaki basınç kayıpları dikkate alınır ve pompanın sağlaması gereken toplam basınç (ΔP) bulunur. Bu hesaplamaların yapılabilmesi için, sulanacak arazi ve sulama hatlarına yönelik tüm boyutların ve elemanların belirlenmiş olması gereklidir. Sulama sistemindeki basınç bilançosu şematik olarak Şekil 3 te gösterilmiş olup, sulamanın tam anlamıyla gerçekleştirilebilmesi için son dağıtıcıdaki basıncın atmosfer basıncından yeteri kadar ( bar) yüksek olması sağlanmalıdır [2]. Şekil 3. DSS tesisatı basınç bilançosunun şematik gösterimi. 96

106 2.1. PV Panel Sistemin uzun dönem enerji analizinin yapılabilmesi için ışınım şiddetinin ve çevre sıcaklığının bir fonksiyonu olan panel karakteristiklerinin matematiksel modellerle tanımlanması gerekir. Literatürde kristal silikon hücre ile ilgili geliştirilmiş bir çok model bulunmakla birlikte; panel karakteristiklerin tanımlanmasında, R sh >>R s varsayımıyla elde edilen aşağıdaki matematiksel model yaygın olarak kullanılmaktadır [4-5]. V + IRs I = I L I kr exp 1 (1) A Denklemlerdeki I L yüzeye ışınım düştüğünde üretilen akımı, I kr karanlık devre akımı, R s seri direnci, A termal voltajı, I ve V sırasıyla çalışma akımını ve voltajını göstermektedir. Bu modelin en büyük özelliği, beş olan parametre sayısının dörde düşürülmesi sonucu üretici firma katalog verileriyle çözüm yapılabilmesidir DC-Motor DC motorlar uyarılma alanlarına göre; kendinden uyarılı, seri, şönt ve kompunt olmak üzere dört tipte sınıflandırılırlar. PV su pompalarında sürücü olarak kendinden uyarılı fırçasız DC motor kullanımı yaygındır. Kendinden uyarılı DC motorlarda; diğer tip DC motorların aksine, manyetik alan statore yerleştirilen elektrik sargıları üzerinden akım geçilerek değil, mıknatıslar vasıtasıyla üretilir. Ayrıca akım değişimini sağlayan fırçalar yerine elektronik bir cihaz kullanılır. Böylece statordeki sarımlardan geçen akım ve fırçalar dolayısıyla meydana gelen kayıplar önlenmiş olur. Tüm DC motorlar için genel gerilim ve moment (tork) bağıntıları: V = E + V = K ω + I R (2) m a v a a M m = Pm / ω = K M I a (3) η = P / P = ( M ω / VI) (4) m m pv m şeklinde tanımlanmaktadır [4]. Denklemlerde; V m motora uygulanan gerilimi, E elektro-motor kuvveti, I a motor armatür akımını, R a motor armatür direncini, K v motor gerilim sabitini, ω, motor şaftının açısal hızını, P m motor şaft gücünü, M m motor elektromanyetik torkunu, K M tork sabitini, η m motor verimini göstermektedir Su pompası PV sistemlerin su pompası uygulamasında en çok kullanılan pompa tipi santrifüj prensibine göre çalışan pompalardır. Bunun en büyük nedeni; bu tip pompaların PV kaynaklı güce uyumlu yük profiline sahip olmalarıdır [4]. Ayrıca diğer pompalara göre daha basit bir yapıya sahip olması, ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin düşük olması ve dizayn açısından geniş seçenek sunmaları diğer önemli avantajlarıdır. Bu tip pompalarda, enerji dönüşümü pompa çarkı üzerindeki kanatçıklar boyunca gerçekleşir. Su pompa eksenine paralel V 1 hızıyla pompaya girip, pompayı radyal veya yine eksensel yönde V 2 hızıyla terk eder. Suyun pompaya giriş ve çıkışı arasında oluşan V kadar hız farkından dolayı (sürtünmeler ve kot farkı ihmal edildiğinde), 2 2 V 2 V1 Δ P = ρ (5) 2 kadar basınç farkı oluşur. Oluşan basınç farkı sonucunda su daha yüksek kotlara pompalanır. Denklemdeki ρ akışkan yoğunluğunu göstermektedir. DC motorun pompaya sağlaması gerekli güç ise; Pm = Q.ΔP / η P (6) şeklindedir. 97

107 3. PV- DSS için performans analizi çalışması 3.1. Materyal ve yöntem PV sulama uygulaması için seçilen arazi ve DSS tesisatı ile ilgili boyutlar Şekil 4 de gösterilmiştir. DSS boyutları belirlenirken arazide yetiştirilecek test bitkisi olarak yerli biber seçilmiştir [1]. Yerli biberin sıra araları 70 cm, sıra üzeri 40 cm olacak şekilde tarlaya dikilmesi planlanmıştır. Sistemin Şanlıurfa ilinde kurulması ve Mayıs Eylül ayları arasında sulama yapılması öngörülmüştür. Şekil 4. PV-DSS uygulaması yapılacak arazi ve tesisat boyutları ile sistemin performans analizi aşamaları Gerekli debiyi hesaplamak için öncelikle parsel alanından (25 m x 11,2 m = 280 m 2 ) yola çıkılmıştır. Daha sonra bir damlatıcının saatlik debisi (2 L/h) seçilerek yapılan hesaplamalar sonucunda; Lateral boru hatları sayısı= Parsel genişliği / sıra arası mesafe= 11,2/0,70=16 Bir sıradaki damlatıcı sayısı = Parsel uzunluğu/ Damlacıklar arası mesafe = 25 /0,33= 75 Bir lateral için gerekli debi = damlatıcı sayısı x bir damlatıcı debisi= 75x2=150 L/h, Toplam su debisi= Lateral boru hatları sayısı x Bir hat için gerekli debi= 2400 L/h, olarak bulunmuştur. Bu veriler ışığında her bir sistem için gerekli pompa debisi en az 2.4 m 3 /h olmaktadır. Ancak, güneş ışınımındaki günlük değişken davranış göz önüne alınarak, yaklaşık %25 seviyesinde bir emniyet katsayısı uygulanmıştır. Bu şartlarda debi için 3 m 3 /h değeri seçilmiştir. Su kaynağı ile dağıtım hattı arası mesafe ve toplam boru sürtünme kayıpları hesaplandıktan sonra; ΔP değeri belirlenmiştir [2]. Mevcut yük ve debiyi karşılayabilecek 98

108 özelliklere en yakın pompa-dc motor ikilisi seçimi yapılmıştır. Daha sonra; DC motor için gerekli gücü temin edebilecek PV panel sistemi ile maksimum panel gücünde çalışmayı temin eden kontrol elemanı (MPPT) seçimi yapılmıştır (Bknz: Şekil 4) Sayısal sonuçlar Seçilen sistem bileşenleri ile elde edilecek çıktıların belirlenebilmesi amacıyla, sulama dönemini kapsayan aylara yönelik sayısal bir performans analizi gerçekleştirilmiştir. Şanlıurfa ili uzun yıllar meteorolojik verileri ve PVSYST V4.36 yazılımı [6] kullanılarak, sulama dönemi olarak seçilen Mayıs Eylül ayları için yapılan hesaplamalar ile; sistemden günlük, aylık ya da mevsimsel bazda sulama amaçlı pompalanacak su miktarı belirlenebilmiştir. Sulama sezonunu oluşturan aylar için PV panellerin en uygun yerleştirme açısı olarak, [3] tarafından önerilen sezonluk optimum açı değeri olan α opt =10º değeri kullanılmıştır. Belirtilen koşullarda, sistemden seçilen bir gün (15 Temmuz günü) süresince elde edilen su debisinin zamana göre değişimini gösteren grafik Şekil 5(a) da gösterilmiştir. Anlık su debisindeki bu değişimler PV pompalama sisteminin çalışma mantığı açısından beklenen bir sonuçtur. Sabit debili çalışmak istendiğinde sisteme bir batarya ya da su deposu ilavesi gerekecek ve tasarım debisi olan 3 m 3 /h üzerindeki güç ya da su, batarya ya da su deposunu şarj etmede kullanılacaktır. Sistemden günlük pompalanan su miktarının seçilen bir aya (Temmuz ayı) ait değişimi Şekil 5(b) de gösterilmiştir. Tasarım sırasında seçilen MPPT elemanının etkisiyle, günlük pompalanan su miktarında ciddi bir dalgalanma olmamakta ve ortalama günlük değer 22 m 3 değerini bulmaktadır. Tasarım debisi olan 3 m 3 /h göz önüne alındığında, günde en az 7 saat sulamanın sorunsuz yapılabileceği ortaya çıkmaktadır. (a) (b) 99

109 Şekil 5. (a) Seçilen bir günde anlık su debisinin değişimi, (b) Seçilen bir aya ait günlük pompalana su miktarları. Sulama dönemi (1 Mayıs 30 Eylül) boyunca saatlik ve günlük elde edilen verilerin birlikte değerlendirilmesi sonucunda; panel yüzeyindeki anlık toplam güneş ışınım şiddeti ile araziye pompalanan anlık su debisi arasındaki ilişki belirlenerek, Şekil 6(a) da gösterilmiştir. Benzer şekilde, panel yüzeyine ulaşan günlük toplam güneş ışınım gücü ile araziye pompalanan günlük toplam su miktarı arasındaki ilişki belirlenerek, Şekil 6(b) de gösterilmiştir. Tasarım için belirlenen anlık debinin sağlanabilmesi için, güneş ışınım şiddetinin 600 W/m 2 ve üzerinde olması gerekmektedir. Pompalanan su miktarı ile güneş ışınım gücü arasındaki ilişki ise temel olarak iki farklı kategoride ele alınabilmektedir. Günlük güneş ışınım gücünün 5 kwh/m 2 ve altı olması durumunda, pompalanan su miktarı, güneş ışınım gücündeki artıştan önemli oranda etkilenmektedir. Diğer taraftan 5 kwh/m 2 değerinin üzerinde, bu değişim hızı çok düşmektedir. Diğer bir önemli nokta ise; günlük 20 m 3 ve üzeri miktarda suyun pompalanabilmesi için, günlük ışınım gücünün 5 kwh/m 2 ve üzeri olması gerekmektedir. (a) (b) 100

110 Şekil 6. Sulama sezonu boyunca elde edilen verilerden oluşturulan grafikler; (a) panel yüzeyindeki anlık toplam güneş ışınım şiddeti ile araziye pompalanan anlık su debisi arasındaki ilişki, (b) günlük toplam güneş ışınım gücü ile araziye pompalanan günlük toplam su miktarı arasındaki ilişki. 4. SONUÇ Bu çalışmada; Şanlurfa ilinde kurulumu planlanan bir güneş enerjili (fotovoltaik) damla sulama sistemi uygulaması göz önüne alınmıştır. Sistemi oluşturan bileşenlerin doğru seçimi ve dolayısıyla sistemden beklenen verilerin sağlanabilmesi için, sulama dönemini kapsayan aylara yönelik bir performans analizi gerçekleştirilmiştir. Çalışmada, öncelikle PV-DSS matematik modellemesine yönelik temel denklemler verildikten sonra, performans analizinden elde edilen sayısal sonuçlar sunulmuştur. Elde edilen sayısal sonuçlar; sistemin anlık debisinde zamana bağlı değişimler olduğunu, günlük pompalanan toplam su miktarında ise ay içerisinde nispeten istikrarlı bir profil oluştuğunu göstermektedir. Ayrıca; tasarım için hedeflenen anlık debinin belli bir ışınım seviyesinin üzerinde kolaylıkla sağlanabildiğini, ihtiyaç fazlası güç ya da suyun, batarya ya da su tankı kullanılarak depolanması halinde, anlık debideki dalgalanmalara karşı önlem alınabileceğini göstermektedir. TEŞEKKÜR Bu çalışma TAGEM (Proje No: TAGEM-BB J1) tarafından desteklenmektedir. 101

111 KAYNAKLAR [1] Atay Ü, Işıker Y. Yeşilata B., 2009, Fotovoltaik Güç Destekli Mikro Sulama Sistemi Projesi-1: Genel Esaslar, V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu bildiriler kitabı, Diyarbakır. [2] Atay Ü, Işıker Y. Yeşilata B., 2009, Fotovoltaik Güç Destekli Mikro Sulama Sistemi Projesi-2: Simülasyon Çalışması V. Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu bildiriler kitabı, Diyarbakır. [3] Fıratoğlu ZA, Yeşilata B., 2001, Sabit Güç Üreten Fotovoltaik Panellerin Optimizasyonu ve Dalgıç Pompalı Hidrolik Sistemlerde Kullanımı" Tesisat Mühendisliği, sayı 62, sayfa [4] Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B., 2004, New Approaches On The Optimization Of Directly- Coupled Photovoltaic Water-Pumping Systems, Solar Enery, v77, n1, pp [5] Hamidat A, Benyoucef B, 2008, Mathematic Models of Photovoltaic Motor-Pump Systems, Renewable Energy, v 33, pp [6] [7] Kavlak, İ. ve Güngör H., 2006, Fotovoltaik Piller ve Fotovoltaik Pillerin Tarımsal Sulamada Kullanılması I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi Bildiriler Kitabı,sy , Eskişehir. [8] Pande P.C., Singh A.K., Ansari S., Vyas S.K., Dave B.K., Design Development And Testing of A Solar PV Pump Based Drip System For Orchards, Renewable Energy, v28, pp , [9] Yeşilata, B., ve Aktacir, A., 2001, Fotovoltaik Güç Sistemli Su Pompalarının Dizayn Esaslarının Araştırılması. Mühendis ve Makina Dergisi, 42 (493): [10] Yeşilata B., Aydın M., Işıker, Y., 2006, Küçük Ölçekli Bir PV Su Pompalama Sisteminin Deneysel Analizi, Mühendis ve Makina, cilt 47, sayı 553, sy

112 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 AKDENİZ KIYI BÖLGESİ İÇİN ADSORBSİYONLU GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ İKLİMLENDİRME SİSTEMİ Ertaç HÜRDOĞAN, Tuncay YILMAZ, Orhan BÜYÜKALACA Çukurova Üniversitesi Müh.-Mim. Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü, ADANA ÖZET Bu çalışmada, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Laboratuarında tasarlanıp kurulmuş olan nem almalı (desisif) bir iklimlendirme sistemi ele alınmış ve güneş enerjisinin tasarlanan desisif iklimlendirme sisteminde kullanımı Türkiye nin Akdeniz kıyı bölgeleri için araştırılmıştır. Bu amaçla Devlet Meteoroloji İşleri (DMİ) tarafından yılları arasında ölçülen saatlik iklim verileri (kuru termometre sıcaklığı, rölatif nem ve güneş ışınımı) kullanılarak, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği sıcaklık artışı 21 yıl boyunca saatlik bazda hesaplanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Desisif soğutma, İklimlendirme, Güneş enerjisi, İklim verileri ABSTRACT In this study, a desiccant based air-conditioning system that is located in the Laboratory of Mechanical Engineering Department of Çukurova University is considered. A model of the system is formed to investigate the use of solar energy for Turkey s Mediterranean coastal regions. Meteorological data measured by State Meteorological Affairs (DMİ) between years for these regions is used in calculations and results are discussed. Keywords: Desiccant cooling; Air-conditioning; Solar energy; Meteorological data 1. GİRİŞ Son yıllarda iklimlendirme teknolojisinde hızlı gelişmeler yaşanmaktadır. Bunun birçok sebebi bulunmaktadır. Bu sebeplerin başında artan enerji talebi ve fosil kökenli enerji kaynaklarının gittikçe azalması sonucunda enerjinin çok önemli hale gelmesidir. Diğer bir unsur ise iklimlendirme sistemlerinde kullanılan CFC esaslı soğutucu akışkanların ozon tabakasına verdiği zararların anlaşılması üzerine, bu akışkanlar yerine ozon tabakasına zarar vermeyen veya daha az zarar veren yeni akışkanların kullanılması veya ozon tabakasına zarar veren gazlar ihtiva etmeyen yeni iklimlendirme teknolojilerinin hayata geçirilmesidir. Bu teknolojilerin bazıları yeni olmayıp, eskiden beri bilinmekte, ancak günümüzde yaygın olarak 103

113 kullanılmamaktadır. İnsanoğlunun konfor ihtiyacının artması ve iklimlendirmenin lüks olmaktan çıkıp, gerek konfor gerekse üretim açısından bir gereklilik olduğunun anlaşılması üzerine iç hava kalitesinde istenen şartların ağırlaşması da iklimlendirme teknolojilerindeki değişikliği zorlayan parametrelerden birisidir. Bu arayış içerisinde düşünülen sistemlerden birisi de nem almalı (desisif) iklimlendirme sistemleridir. Bu sistemlerde, iklimlendirilecek mahale gönderilen hava, nem alıcı (kurutucu) madde (katı veya sıvı) üzerinden geçirilerek nemi düşürülmekte ve daha sonra istenilen konfor sıcaklığına kadar buharlaştırmalı soğutma veya konvansiyonel buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi tarafından soğutulmaktadır. Nem alıcı üzerindeki nem ise rejenerasyon havası olarak bilinen ikincil bir sıcak hava akımı tarafından uzaklaştırılmaktadır [5]. Bu çalışmada, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Laboratuarında tasarlanıp kurulmuş olan nem almalı (desisif) bir iklimlendirme sistemi ele alınmış ve güneş enerjisinin tasarlanan desisif iklimlendirme sisteminde kullanımı Adana, Mersin ve Antalya bölgeleri için araştırılmıştır. Bu amaçla Devlet Meteoroloji İşleri (DMİ) tarafından bu bölgelerde yılları arasında ölçülen saatlik iklim verileri (kuru termometre sıcaklığı, rölatif nem ve güneş ışınımı) kullanılarak, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği sıcaklık artışı 21 yıl boyunca saatlik bazda hesaplanmış ve sonuçlar değerlendirilmiştir. 2. SİSTEMİN TANITIMI Şekil 1 de tasarlanıp, kurulan nem almalı iklimlendirme sisteminin genel görünüşü verilmiştir. Sistemde temiz, atık ve rejenerasyon olmak üzere üç adet hava kanalı bulunmaktadır. Temiz hava kanalı, tamamı dışardan alınan taze havayı iklimlendirerek mahale iletmek için kullanılır. Atık hava kanalı yardımıyla, mahal içerisinden emilen hava dışarı atılmaktadır. Rejenerasyon hava kanalı ise nem alma ünitesinde emilen nemi uzaklaştırmak için kullanılır. Bu kanallara, kullanılan havayı sistemin amacına uygun olarak şartlandırmak ve kontrol etmek amacıyla çeşitli elemanlar (nem alma ünitesi, ısı değiştiricisi, fan, soğutma grubu, ısıtıcı ünitesi, vb.) yerleştirilmiştir [6,7]. Temiz hava kanalına 1 noktasında alınan havanın nemi, nem alma ünitesinde (döner tip) düşürülmekte (1 2) ve kuru ancak daha yüksek sıcaklıkta bir hava elde edilmektedir (2). Aynı anda bir miktar sıcak hava (rejenerasyon havası) ters yönden nem alıcıya gönderilerek (14) taze havadan çekilen nem, nem alma ünitesinden uzaklaştırılmaktadır (14 15). Nem alma ünitesinden sonra, temiz hava 1 ve 2 numaralı ısı değiştiricisinden geçirilerek (2 4), ön soğutma işlemine tabi tutulmakta ve sıcaklığı düşürülmektedir. Temiz havanın sıcaklığı, son olarak buhar sıkıştırmalı bir soğutma grubu tarafından soğutulan su yardımıyla kuru soğutucu serpantinde (3 numaralı ısı değiştiricisi) üfleme sıcaklığına kadar düşürülmektedir. Burada temiz havanın içerisindeki su buharının yoğuşmaması için sisteme gerekli otomatik kontrol elemanları ve sensörler yerleştirilmiştir. Tasarlanan bu sistemde mahale gönderilen temiz havadan nem alma işlemi sadece döner nem alıcıda gerçekleşmekte, diğer hiç bir ünitede (3 numaralı serpantin dahil) nem alma işlemi gerçekleşmemektedir. İklimlendirilen mahalden (7) atık hava kanalına emilen hava, soğu geri kazanımı amacıyla kullanılan 2 numaralı ısı değiştiricisine gelmeden önce, bir nemlendirme ünitesinde nemlendirilerek sıcaklığı düşürülmekte ve 2 numaralı ısı değiştiricisi üzerinden geçirilerek dışarı atılmaktadır. Rejenerasyon kanalına 11 noktasında emilen dış hava, 1 ve 4 numaralı ısı değiştiricilerinden geçirilerek ön ısıtma işlemine tabi tutulmakta ve daha sonra, nem alma ünitesindeki nemi uzaklaştırmak için gerekli olan sıcaklığa (rejenerasyon sıcaklığı) kadar elektrikli ısıtıcılar kullanılarak ısıtılmaktadır (13 14). 14 noktasında nem alma ünitesine giren rejenerasyon havası, nem alıcıdaki nemi içine alarak soğumakta (15) ve 4 numaralı ısı değiştiricisinden geçirilerek (15 16) dışarı atılmaktadır (17). 104

114 KOMPRESÖR SOGUK SU DEPOSU EVAPORATÖR KONDENSER GENLESME VANASI ÜÇ YOLLU VANA TEMIZ HAVA 15 NEM ALICI ROTOR ELEKTRIKLI ISITICI ISI DEGISTIRICISI ISI DEGISTIRICISI 2 ISI DEGISTIRICISI NEMLENDIRICI 5 6 FAN FAN 7 IKLIMLENDIRILEN MAHAL ISI DEGISTIRICISI 4 17 FAN REJENERASYON HAVASI ATIK HAVA 3. MODEL Şekil 1. Tasarlanıp kurulan nem almalı iklimlendirme sisteminin genel görünüşü Kurulan iklimlendirme sisteminde nem alıcı üzerindeki nemi uzaklaştırmak için kullanılan sıcak hava (rejenerasyon havası) son olarak elektrikli ısıtıcılarla elde edilmektedir. Desisif iklimlendirme sistemlerinde sıcak hava, genelde elektrikli ısıtıcılar veya ucuz enerji kaynakları (güneş enerjisi, atık ısı, doğal gaz, vb.) kullanılarak elde edilmektedir [4,8]. Güneş enerjisi kullanılması durumunda, kolektörler kullanılarak sıcak su üretilmekte ve bu sıcak su bir ısı değiştiricisine gönderilerek rejenerasyon havasının ısınması sağlanmaktadır. Bu çalışmada, güneş enerjisinin kurulan desisif iklimlendirme sisteminde kullanımının Adana, Mersin ve Antalya bölgeleri için olabilirliği aşağıda detaylı bir şekilde anlatılan model kullanılarak araştırılmıştır. Kurulan sistemde güneş enerjisinin avantajlı olabilmesi için, rejenerasyon havasında meydana getireceği ısıtmanın kabul edilebilir bir seviyede olması gereklidir. Güneş enerjisiyle ısıtılan suyun kullanıldığı ısı değiştiricisinden havaya olan ısı transferi, ısı değiştiricisi etkinliğinin yanında, büyük oranda dış hava şartlarına bağlıdır. Bu sebeple, güneş enerjisinin faydasını değerlendirebilmek için sadece tasarım değerlerindeki durum yerine, bütün bir soğutma sezonundaki davranışına bakmak gereklidir. Bu amaçla Adana, Mersin ve Antalya için Devlet Meteoroloji İşleri (DMİ) tarafından yılları arasında ölçülen iklim verileri (kuru termometre sıcaklığı, rölatif nem ve güneş ışınımı) kullanılarak, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği ısıtma 21 yıl boyunca hesaplanmıştır. Sistemin yaz koşullarındaki çalışma durumu analiz edileceğinden, hesaplamalarda, mayıs ile ekim ayları arasında 06:00-19:00 saatlerinde ölçülen iklim verileri kullanılmıştır. Nem almalı iklimlendirme sistemlerinde, güneş enerjisinden kolektörler kullanılarak yararlanılmaktadır. Kolektörlerde elde edilen sıcak su bir ısı değiştiricisine gönderilerek havanın ısınması sağlanmaktadır (Şekil 2). 105

115 T wg T wg Kolektör T ag T aç T wç θ Isı Değiştiricisi T wç Şekil 2. Kurulan sistemde güneş enerjisi kullanımının şematik resmi Güneş enerjisi sistemlerindeki kolektörler eğimli olarak yerleştirildiklerinden, tasarım aşamalarındaki ısıl hesaplamalar ve sistem simülasyonu için eğik düzleme gelen güneş ışınımının bilinmesi gerekmektedir. Yatay düzleme gelen güneş ışınımı ölçülmesine ve kolaylıkla bu değerlere ulaşılmasına rağmen, eğik yüzeye gelen güneş ışınımı deneysel amaçlar dışında doğrudan ölçülmemekte ve yerleşim yerleri için bu değerler mevcut olarak bulunmamaktadır. Eğik düzleme gelen güneş ışınımı, yatay düzleme gelen ölçüm değerleri kullanılarak farklı güneş ışınım modelleri yardımı ile tespit edilmektedir [3]. Bu çalışmada, eğik düzleme gelen güneş ışınımı, Liu ve Jordan tarafından geliştirilen model [10,11] ve DMİ tarafından ölçülen toplam ışınım değerleri kullanılarak hesaplanmıştır. Güneş enerjili su ısıtma sistemleri kolektörlerinin, yaz sezonunda sıcak suyun istenildiği işletme durumunda, bulunulan yerin enlem derecesinden 15 o eksik bir açı ile yerleştirilmesi önerilmektedir [2]. Dolayısıyla yapılan hesaplamalarda yaklaşık 37 o enleme sahip Adana, Mersin ve Antalya için kolektör eğim açısı 22 o olarak alınmıştır. Kurulan sistemde, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği sıcaklık artışının (T aç -T ag ) belirlenebilmesi için, öncelikle ısı değiştiricisine giren havanın sıcaklığının (kurulan sistemde (şekil 1) 13 noktası, T 13, model çalışmasında ise T ag olarak ifade edilmiştir (T 13 = T ag )) bilinmesi gerekmektedir. Bu sıcaklığı belirlemek için, kurulan deney düzeneği ile yapılan deneyler [12] ayrıntılı bir şekilde incelenmiştir. Bu incelemeden, ısı değiştiricisine giren hava sıcaklığının (T 13 ), bu sıcaklıkla dış hava kuru termometre sıcaklığı arasındaki farka (T 13 - T 11 ) dolayısıyla dış hava kuru termometre sıcaklığına (T 11 veya T a ) ve dış hava rölatif nemine (RH 11 ) bağlı olduğu anlaşılmıştır (Şekil 3). Deneylerden elde edilen verilere en küçük kareler metodu yardımıyla (R 2 =0.86) bir eşitlik uydurulmuş ve hesaplamalarda aşağıda verilen bu eşitlik (Eşitlik 1) kullanılmıştır. T T = *RH * RH (1) 106

116 24 Günlük Ortalama Sıcaklık Farkı (T13-T11, o C) Deney Verileri Eşitlik Günlük Ortalama Dış Hava R.Nem (%) Şekil 3. Yapılan deneylerden elde edilen veriler Isı değiştiricisine gelen su sıcaklığı (T wg ), kolektör verimine ( η ), kolektör yüzey alanına (F), kolektör eğim açısına (θ), eğik kolektör yüzeyine güneşten gelen ışınım miktarına ( q e ) ve kolektör dönüş suyu sıcaklığına (T wç ) bağlıdır. Kolektör dönüş suyu sıcaklığı ise, ısı değiştiricisine giren su (kolektörden çıkan su) sıcaklığına, ısı değiştiricisine giren hava sıcaklığına (kurulan sistemde 13 noktası (şekil 1), T ag ) ve kullanılan ısı değiştiricisinin etkinliğine ( η ID ) bağlıdır. Güneş kolektörlerinin verimi, dış hava sıcaklığına (DMİ datası, T a ), toplam güneş ışınımına (DMİ datası,. q ) ve kolektöre giren-çıkan su sıcaklığının ortalamasına (T m ) bağlıdır. Yapılan çalışmada güneş kolektörü olarak EZİNÇ marka seçici yüzeyli güneş kolektörlerinin kullanıldığı düşünülmüştür. Üretici firmadan temin edilen performans verilerine (Şekil 4) en küçük kareler metodu yardımıyla (R 2 =1) bir eşitlik uydurulmuş ve hesaplamalarda aşağıda verilen bu eşitlik (Eşitlik 2) kullanılmıştır. 2 T T T T * m a m a K 3,4165* η = + 0,728 (2).. q q K Üretici verileri Eşitlik η Κ (T m-t a)/q (m 2 K/W) Şekil 4. Üretici firmadan temin edilen performans verileri Hesaplamalarda, kolektörden transfer 107

117 . edilen ısı miktarı (Q kol., kw) eşitlik 3 kullanılarak belirlenmiştir. Qkol. = ηk *F* qe (3) Bu eşitlikte F, kolektör yüzey alanını ifade etmekte olup hesaplamalarda toplam kolektör yüzey alanı 50 m 2 olarak alınmıştır. Güneş enerjisi hesaplamalarında ayrıca ısı değiştiricilerinin etkinliği (ε) için aşağıda verilen eşitlikler kullanılmıştır [9]: Q& ε = Q& (4) max Q & = C *(T T ) (5) C C max h c h min ph hg cg = m& * c (6) = m& * c (7) c pc Bu eşitliklerde (Eşt. 4-7), Q. ; transfer edilen gerçek ısıyı (kw), Q max ; transfer edilebilecek en yüksek ısıyı, T hg ve T cg ; sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanların giriş sıcaklıklarını ( o C), C min ; sıcak ve soğuk akışkanların ısı kapasitelerinden (C h, C c ) küçük olanını (kw/s), mh ve m c ; sırasıyla sıcak ve soğuk akışkanların kütle debilerini (kg/s), c ph ve c pc ise sıcak ve soğuk akışkanların özgül ısılarını (kj/kg K) ifade etmektedir. Hesaplamalarda, güneş enerjisi için kullanılan ısı değiştiricisinin etkinliği %70 olarak alınmıştır. Ayrıca ısı değiştiricisi su giriş-çıkış sıcaklıkları arasında 5 o C lik fark olduğu ve ısı değiştiricisi üzerinden akan havanın kütlesel debisinin 0.55 kg/s olduğu kabul edilmiştir. Kurulan sistemde, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği sıcaklık artışının belirlenebilmesi için, FORTRAN programlama dili kullanılarak tüm hesaplamaların yapıldığı bir bilgisayar programı yazılmıştır. 4. BULGULAR VE TARTIŞMA DMİ tarafından ölçülen kuru termometre sıcaklığı ve güneş ışınımı (toplam güneş ışınımı) verileri gün boyunca saatlik olarak kaydedilmektedir. Ölçülen rölatif nem verileri ise gün boyunca sadece 07:00, 14:00 ve 21:00 saatlerinde kaydedilmektedir. Analizler 06:00-19:00 saatleri arasında yapılacağından, ölçülmeyen diğer saatlerdeki rölatif nemlerin de belirlenmesi gerekmektedir. Dış hava nem oranı (mutlak nem) gün boyunca çok fazla değişim göstermemekte ve yaklaşık sabit kabul edilmektedir [1,13]. DMİ tarafından saat 07:00, 14:00 ve 21:00 de ölçülen rölatif nem ve kuru termometre sıcaklık verileri kullanılarak o saatlerdeki mutlak nem değerleri hesaplanmış ve her gün için ortalama mutlak nem belirlenmiştir. Hesaplanan günlük mutlak nem ve saatlik kuru termometre sıcaklıkları kullanılarak her saat için rölatif nem değerleri belirlenmiştir. Soğutma sezonunun (mayıs-ekim ayları) her günü için Adana, Mersin ve Antalya da farklı saatlerde (06:00-19:00 saatleri) DMİ tarafından ölçülen (kuru termometre sıcaklığı, güneş ışınımı) ve hesaplanan (rölatif nem) verilerin 21 yıllık ortalaması alınmış ve hesaplamalarda bu değerler kullanılmıştır. Kurulan sistemde, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği sıcaklık artışı, ayrıntıları yukarıda verilen model kullanılarak soğutma sezonundaki her gün için 06:00-19:00 saatleri arasında Adana, Mersin ve Antalya bölgeleri için hesaplanmıştır. Şekil 5 te Adana da farklı saatler için elde edilen sonuçlar verilmiştir. Şekillerden, rejenerasyon havasında elde

118 edilen sıcaklık artışının (ısı değiştiricisine giren-çıkan hava sıcaklıkları arasındaki fark), dış hava sıcaklığı ve ışınım miktarına bağlı olarak öğle saatlerinde (12:00-14:00) o C lere kadar çıktığı, diğer saatlerde ise 9-10 o C mertebesinde olduğu görülmektedir. Benzer sonuçlar Mersin (Şekil 6) ve Antalya (Şekil 7) bölgeleri için de elde edilmiştir. 110 Saat Saat Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş 10 Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş Gün Gün (a) (b) 110 Saat Saat Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş 10 Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş Gün (c) Gün (d) Şekil 5. Adana için farklı saatlerde dış hava, ısı değiştiricisi hava giriş-çıkış ve su giriş sıcaklığının, soğutma sezonundaki günlere göre değişimi (a: saat 10:00-11:00, b: saat 12:00-13:00, c: saat 14:00-15:00, d: saat 16:00-17:00) 110 Saat Saat Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş 10 Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş Gün (a) Gün (b) 109

119 110 Saat Saat Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş 10 Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş Gün (c) Gün (d) Şekil 6. Mersin için farklı saatlerde dış hava, ısı değiştiricisi hava giriş-çıkış ve su giriş sıcaklığının, soğutma sezonundaki günlere göre değişimi (a: saat 10:00-11:00, b: saat 12:00-13:00, c: saat 14:00-15:00, d: saat 16:00-17:00) 110 Saat Saat Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş 10 Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş Gün Gün (a) (b) 110 Saat Saat Sıcaklık ( o C) Sıcaklık ( o C) Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş 10 Dış Hava Isı Değiştiricisi Hava Giriş Isı Değiştiricisi Hava Çıkış Isı Değiştiricisi Su Giriş Gün (c) Gün (d) Şekil 7. Antalya için farklı saatlerde dış hava, ısı değiştiricisi hava giriş-çıkış ve su giriş sıcaklığının, soğutma sezonundaki günlere göre değişimi (a: saat 10:00-11:00, b: saat 12:00 13:00, c: saat 14:00-15:00, d: saat 16:00-17:00) Şekil 8 de ise Adana, Mersin ve Antalya bölgelerinde, güneş enerjisi sisteminden rejenerasyon havasına aktarılabilecek günlük (Saat 06:00-19:00) toplam ısıl enerji miktarı verilmiştir. Sezon başından yaklaşık 260. güne kadar (eylül ayının son günleri) transfer edilen ısı miktarı tüm bölgeler için belirli bir band içerisinde ( kj ile kj) dalgalanmakta, 260. günden sonra ise bir miktar düşmektedir. 110

120 Günlük (Saat 06:00-19:00) Toplam Transfer Edilen Isıl Enerji (kj) Adana Mersin Antalya Gün Şekil 8. Adana, Mersin, Antalya bölgeleri için günlük (Saat 06:00-19:00) transfer edilen ısının, soğutma sezonundaki günlere göre değişimi 5. SONUÇ Bu çalışmada, Çukurova Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Laboratuarında tasarlanıp kurulmuş olan nem almalı (desisif) bir iklimlendirme sistemi ele alınmış ve güneş enerjisinin tasarlanan desisif iklimlendirme sisteminde kullanımı Türkiye nin Akdeniz kıyı bölgeleri (Adana, Mersin, Antalya) için araştırılmıştır. Bu amaçla Devlet Meteoroloji İşleri (DMİ) tarafından yılları arasında ölçülen saatlik iklim verileri (kuru termometre sıcaklığı ve güneş ışınımı) kullanılarak, güneş enerjisinin rejenerasyon havasında meydana getireceği ısıtma 21 yıl boyunca saat saat hesaplanmıştır. Yapılan çalışma sonunda tasarlanıp kurulan sistemde güneş enerjisi kullanımının Adana, Mersin, Antalya bölgeleri için avantajlı olduğu görülmüştür. 6.TEŞEKKÜR Bu çalışma, TÜBİTAK tarafından 106M094 nolu proje kapsamında desteklenmiştir. Desteklerinden dolayı TÜBİTAK a teşekkür ederiz. 111

121 7. KAYNAKLAR [1] Al-Rabghi OM, Hittle DC., 2001, Energy simulation in buildings: overview and BLAST example. Energy Conversion & Management, Sayı 42, Sayfa: [2] Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, 1984, Güneşli Su Isıtıcıları. Teknik El Kitapları 3, Bayındırlık ve İskan Bakanlığı, Yapı işleri Genel Müdürlüğü. [3] Bulut, H., 2008, Adana İlinde Eğik Yüzeye Gelen Güneş Işınım Değerlerinin Belirlenmesi, Ç.Ü. Müh-Mim Fakültesi 30. yıl Sempozyumu Bildiriler Kitabı, Sayfa: , Adana. [4] Dai Y.J., Wang R.Z.ve Xu Y.X., 2001, Study of a solar powered solid-adsorption-desiccant cooling system used for grain storage, Renewable Energy, 25, Sayfa: [5] Daou K., Wang R.Z. ve Xia Z.Z., 2006, Desiccant cooling air conditioning: a review, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 10/2, Sayfa: [6] Hürdoğan, E., Büyükalaca, O., Yılmaz, T., Kara, O., 2008, Desisif Bir İklimlendirme Sisteminin Psikrometrik Analizi, I.Soğutma Teknolojileri Sempozyumu ve Sergisi Bildiriler Kitabı, Sayfa: , İzmir. [7] Hürdoğan, E., Büyükalaca, O., Yılmaz, T., Uçkan, İ., 2009, Pilot bir desisif iklimlendirme sisteminde ilk ölçüm sonuçlarının değerlendirilmesi, IX. Ulusal Tesisat Mühendisliği Kongresi Bildiriler Kitabı, Sayfa : , İzmir. [8] Kabeel, A.E., 2007, Solar powered air conditioning system using rotary honeycomb desiccant wheel, Renewable Energy, 32/11, Sayfa: [9] Kreider J. F., ve Rabl A., 1994, Heating and Cooling of Buildings, McGraw Hill. [10] Liu, B.Y.H., Jordan, R.C., 1960, The Interrelationship and Characteristic Distribution of Direct, Diffuse and Total Solar Radiation, Solar Energy, 4,3,1. [11] Liu, B.Y.H., Jordan, R.C., 1961, Daily Insolation on Surfaces Tilted Towards the Equator, ASHRAE Journal, 3, Sayfa: [12] Tübitak, 2009, Sonuç Raporu, Proje No: 106M094. [13] Yılmaz T, Özgeren M, Gürçınar Y., 1995, Daily and yearly variation of humidity ratio, Proceedings of 10th National Thermal Science and Technique Conference, Ankara. 112

122 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 PARABOLİK OLUK TİPİ GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİN PERFORMANS ANALİZİ Doç. Dr. Harun Kemal ÖZTÜRK, Yrd. Doç.Dr. Ahmet YILANCI, Görkem ŞANLI Pamukkale Üniversitesi Enerji Araştırma ve Uygulama Merkezi Temiz Enerji Evi, Kınıklı, Denizli ÖZET Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlilerinden birisi güneş enerjisidir. Güneş dünyanın en büyük enerji kaynağıdır. Emisyonu yoktur dolayısıyla çevre kirliliği yaratmaz. Son yıllarda güneş enerjisi konusunda birçok araştırma yapılmaktadır. Teknolojinin gelişmesiyle güneş enerjisinin uygulama alanları da artmış; ısıtma, kurutma, soğutma, sıcak su elde etme, buhar ve elektrik üretimi gibi birçok alanda güneş enerjisi kullanılmaya başlanmıştır. Güneş enerjisinden elektrik üretilmesi konusunda da çalışmalar yoğunlaşmış ve özellikle güneş enerjisinden yüksek sıcaklıklarda buhar elde ederek elektrik üretimi yaygınlaşmaya başlamıştır. Buhar ve buhar türbinleri kullanarak elektrik üretimi için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları için yoğunlaştırıcılı güneş sistemleri kullanılmaktadır. Bu sistemlerin başında da parabolik oluk tipi güneş kollektörleri gelmektedir. Sistem güneş ışınlarını yansıtıcı yüzey sayesinde parabolik oluk tipi güneş kollektörünün odak noktasında yer alan alıcı boruya yansıtarak yoğunlaştırma yapmaktadır. Sistemin en önemli kısmı yansıtıcı yüzeyleri ve toplayıcı kısmıdır. Bu çalışmada farklı yansıtıcı yüzeyler kullanılacak. Her yansıtıcı yüzey için sistemin performansı incelenecektir. Anahtar Kelimeler: Parabolik Oluk Tipi Kollektör, Güneş Enerjisi, Elektrik Üretimi 1. GİRİŞ Günümüzde enerji tüketimi oldukça artmıştır. Dünya nüfusunun hızlı artması, teknolojik gelişmeler, yaşam standartlarının artması bu durumu tetiklemiştir. Enerji ihtiyacı daha çok konvansiyonel kaynaklar olan kömür, petrol, doğal gaz gibi yakıtlarla sağlanmaktadır. Bu yakıtların kullanımının birçok zararı vardır. Rezervlerinin sınırlı ve dünyanın belirli bölgelerinde bulunması nedeni ile enerjide ülkeleri dışa bağımlı hale gelmektedir. Ayrıca emisyonlarını sayesinde küresel ısınma ve çevre kirliliğine yol açmaktadırlar. Büyün bu nedenlerle yenilebilir enerji kaynakları ön plana çıkmıştır. Yenilebilir enerji kaynaklarının en başında hidrojen enerjisi, güneş enerjisi, nükleer enerji ve rüzgâr enerjisi gelmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları içinde en çok kullanılan güneş enerjisidir. Güneş dünyanın en büyük enerji kaynağıdır. Emisyonu yoktur dolayısıyla çevre kirliliği yaratmaz ve bulunması kolaydır. Şekil 1 de dünya güneş enerjisi kullanılmasına uygun yerler gösterilmiştir. 113

123 Şekil 1. Güneş enerjisinin dünyada uygulanabileceği uygun yerler [1] Güneş enerjisi üzerindeki ilk çalışmalar, ısıtma, kurutma, sıcak su elde etme ve pişirme üzerine olmuştur. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte buhar üretimi, elektrik üretimi güneş enerjisinin uygulama alanları olmuştur. Özellikle güneş enerjisinden elektrik üretilmesi konusunda çalışmalar yoğunlaşmış ve güneş enerjisinden yüksek sıcaklıklarda buhar elde ederek elektrik üretimi yaygınlaşmaya başlamıştır. Buhar ve buhar türbinleri kullanarak elektrik üretimi için yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Güneş yoğunlaştırıcıları, güneşten gelen ışınları belirli bir bölgeye yoğunlaştıran sistemlerdir. Güneş yoğunlaştırıcıları, güneş ışınlarından yüksek sıcaklıklarda yararlanmak için kullanılmaktadır. İki tip güneş yoğunlaştırıcısı mevcuttur. Bunlar eksen boyunca yoğunlaştırıcılar ve noktasal yoğunlaştırıcılar. Parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcılarla eksen boyunca yoğunlaştırma yapılmaktadır. Parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcılar, odak ekseni boyunca yerleştirilmiş emici boru içerisinden geçen akışkan, emilen enerjiyi alarak sıcaklığı yükselir. Parabolik şeklinde dizayn edilmiş yansıtıcı yüzeyler, güneş ışınımlarını odak ekseninde yer alan ve eksen boyunca olan emici boruya yansıtır. Emici boru üzerine gelen enerji, boru içindeki akışkana verilerek akışkanın sıcaklığı arttırılmış olur. Emici boru üzerine yansıtıcılığı düşük, soğurması yüksek olan selektif malzeme ile kaplanır. Böylece yoğunlaştırılmış enerjinin çoğunun boruda soğurulması amaçlanır. Yoğunlaştırma işlemi neticesinde borunun sıcaklığı yükselmektedir. Emici borudan çevreye oluşan sıcaklık farkından dolayı ısı transferi olmaktadır. Bu durum emici boruda sıcaklığı düşüreceğinden istenmemektedir. Bu yüzden emici borunun çevresi cam örtüyle kaplanmıştır. Cam örtü ile emici boru arası vakumlamıştır. Böylece ortamdan daha sıcak emici borudan çevreye olan ısı kayıpları azaltılması sağlanmıştır. 114

124 1.1. Literatür Araştırması Quasching ve ark. (2002), direkt ışınımdaki değişimin parabolik oluk tip kollektör alanı üzerindeki etkileri üzerinde durulmuş, konu teknik ve ekonomik simülasyonlarla irdelenmiştir. Üçgül ve ark. (2003), parabolik yoğunlaştırıcıların optik, enerjetik ve ekserjetik verimliliklerinin analizi yapmışlardır. Bu çalışmada parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcıların optik ve enerjetik analizleri sonunda elde edilen tüm alıcı yüzeye gelen toplam enerji miktarını veren; L R E= e * dx (1.1) R X denklemin yansıtıcı ve alıcı boyut parametreleri verilen tüm parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcılara kolaylıkla uygulanabileceği sonucuna varılmıştır. Tasarım parametreleri verilmiş olan parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcının Mayıs, Haziran, Temmuz ve Ağustos aylarına ait Isparta güneşlenme verileri kullanılarak enerjetik analizi yapılmıştır. Ecevit ve Goshtaspour (1985), ısı üretimi için kullanılacak parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcıların optik ve ısıl özelliklerini irdelemişler ve bu yoğunlaştırıcılar için malzeme seçimini yapmışlardır. Elde ettikleri sonuçlara göre yoğunlaştırıcıyı tasarlayıp imal etmişlerdir. Çolak (2003), çalışmasında yüksek sıcaklık güneş ışıma enerjisi uygulamaları ile ilgili teknik, ekonomik ve çevresel yönden uygun parabolik oluk tipi güneş kolektörlerinin tasarımını ve prototip imalatını ve geliştirilmesini tasarlamıştır. Bu amaçla güneş enerjisi ile ilgili optik ve ısı transferi mekanizmalarının parabolik oluk tipi güneş yoğunlaştırıcılarına yönelik olarak matematiksel modelleri türetmiştir. Bu sayede güneş kolektörlerini hesaplanır biçime dönüştürmüştür. Valan Arasu ve Sornakumar (2007), sıcak su üreten parabolik oluk kollektörler için fiberglasla güçlendirilmiş parabolik oluğun dizayn ve üretimini yapmışlardır. Çalışmalarında toplam parabol kalınlığı 7 mm olmuştur. Fiberglasla güçlendirilmiş parabolik oluk 34 m/s hızla esen rüzgârın uygulayacağı kuvvete denk bir yük altında test edilmişler rüzgâr yükünden dolayı paraboldeki biçim bozukluğunun kabul edebilir olduğunu bulmuşlardır. Bu kolektörün ısıl performansı ASHRAE Standard 93 e göre yapmışlar. Bu teste göre parabol yüzey hatalarındaki dağılımın standart sapmasını olarak tahmin etmişlerdir. Genç (1998), güneşi tek eksende takip eden 3.70 m boyunda ve 40 mm çapındaki parabolik oluk tipi güneş yoğunlaştırıcısının tasarımını ve imalini yapmıştır. Yoğunlaştırıcının güneşi fotosel yardımıyla tek eksende takip etmesini sağlamıştır. Sistemin performans deneylerini Ankara iklim şartlarında incelemiştir. Bu çalışmada, gün boyu yapılan testlerde 75 ºC kolektör çıkış sıcaklığı elde edilmiş ve yaklaşık 7 ºC giriş çıkış sıcaklık farkı için %65 verim elde edilmiştir. Cope ve Tully (1982), yoğunlaştırıcıların güneşi izleme stratejilerini güneş konumunun hesaplanabileceği denklemlerle incelemiş ve mevcut yoğunlaştırıcılar üzerindeki izleme hatalarını deneysel değerlerle karşılaştırmışlardır. 115

125 Jeter (1983), parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcı yüzeyinin üzerine gelen güneş ışınımının sonlu elemanlar yardımıyla analizini yapmış, bu modeli kullanarak yoğunlaştırıcının yoğunlaştırma oranını ve verimini hesaplamışlardır. Espana ve Rodriguez (1987), kararsız şartlarda, parabolik tipi güneş yoğunlaştırıcılarının lineer olmayan diferansiyel denklemlerine yaklaşık analitik çözümler elde ettiler. Karaduman (1989), çalışmasında parabolik güneş yoğunlaştırıcısının etkinliğini belirlemek için, pompalı ve doğrudan akışkanı ısıtan sistemle çalışan bir parabolik güneş yoğunlaştırıcısının tasarımı, imali ve performans deneylerini gerçekleştirmişlerdir. Yoğunlaştırıcıda 145,5 cm uzunluğunda cam kılıflı ve seçici yüzey kaplamalı bir boru, toplayıcı olarak kullanılmıştır. Yansıtıcı parabolik yüzeyin boyu 145,5 cm, eni 114 cm, çevresel uzunluğu 134 cm ve odak uzaklığı 28,5 cm olacak şekilde planlanmıştır. Çalışmada yansıtıcı olarak iki farklı malzeme incelenmiş ve karşılaştırılması yapılmış, kolektör verimine etki eden tasarım parametreleri incelenmiştir. Yeşilata (1990), güneşin hareketini izleyen parabolik oluk tipi güneşin yoğunlaştırıcısının tasarımını ve imalini gerçekleştirmiştir. Yoğunlaştırıcının ısıl veriminin belirlemesinde kullanılacak bir deney düzeneği oluşmuştur. Bu deney düzeneğini kullanarak imal edilen güneş yoğunlaştırıcısının ısıl verimini hesaplamıştır. Pinazo ve ark. (1992), parabolik oluk tipi yoğunlaştırıcıda güneş ışınımının gelme açısının analizlerini yaptılar. θ 1 ve θ 2 geliş açıları için analitik bağıntılar elde ettiler. Parabolik oluk tipi güneş yoğunlaştırıcılardan elektrik üretmek için dünyada pek çok santral kurulmuştur. Bunların başında; Amerika California Mojave çölündeki SEGS yaklaşık 20 yıldır çalışmaktadır. 9 tane santralleri bulunmaktadır. Tablo 1 de SEGS deki 9 santralin özellikleri verilmektedir. Santral Kuruluş Yılı Tablo 1. SEGS santrallerinin özellikleri [2] Kuruluş Yeri Net Türbin Kapasitesi (MW) 116 Kapladığı Alan (m 2 ) Akışkan Sıcaklığı ( 0 C) Ortalama Elektrik Üretimi (MWh) SEGS I 1984 Daggett 14 82, ,500 SEGS II 1985 Daggett , ,500 SEGS III 1986 Kramer Jtc , ,555 SEGS IV 1986 Kramer Jtc , ,278 SEGS V 1987 Kramer Jtc , ,879 SEGS VI 1988 Kramer Jtc , ,758 SEGS VII 1988 Kramer Jtc , ,048 SEGS VIII 1989 Harper Like , ,990 SEGS IX 1990 Harper Like , ,036 Acciona Nevada Solar One 260 milyon Amerikan doları bütçesiyle kuruldu. Nominal kapasitesi 64 MW maksimum kapasitesi 75 MW tır. İspanyada bulunan Andasol ise 50 MW kapasitedir. AB raporuna göre yılda 3589 saatte toplam 179 GWh üretim yapmaktadır. Sistem güneş olmadığı zaman geceleri de erimiş tuz sayesinde çalışmaktadır. 7.5 saat yetecek erimiş tuz deposu vardır.

126 2. PARABOLİK OLUK TİPİ GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ Parabolik oluk tipi güneş kollektörleri yoğunlaştırıcı sistemler içinde en yaygın olarak kullanılanıdır. Sistem parabolik bir yüzey, parabolün odak noktasında yer alan emici boru, emici boru çevreleyen cam örtü, takip sistemi, parabol yüzeyi taşıyan taşıyıcı sistem ve emici boru içerisinden geçen ısı transfer akışkanından oluşmaktadır. Güneşten gelen ışınlar parabol şeklindeki yansıtıcı yüzey ile emici boruya yoğunlaştırılır. Gelen ışınlardan dolayı emici boruda oluşan ısı da içinden geçen akışkana aktarılır. Sistemin hedefi güneşten gelen ışınların büyük bir bölümünün emici boruya yansıtılarak en az kayıpla ısı transferi akışkanına geçirilmesi. Bu yüzden parabolik yansıtıcı olarak kullanılacak yüzey malzemesinin yansıtıcılık katsayısı yüksek, tutuculuk katsayısının düşük olmalıdır. Parabolik oluk tipi güneş kolektörlerinde yansıtıcı yüzey olarak daha çok aynalar kullanılmaktadır. Bunun yanında gümüş, altın ve alüminyum yansıtıcı yüzey malzemesi olarak kullanılmaktadır. Bu malzemeler içinde gümüş çok pahalıdır ancak yansıtıcılık oranı yüksektir. Altının yansıtıcılık değerleri düşük ve pahalıdır, bu yüzden pek tercih edilmez. Alüminyum yüzey malzemelerinin yansıtıcılık değeri ortalama seviyelerdedir, diğer malzemelere göre daha ucuzlardır ve toz, dolu taş gibi dış etkilere karşı daha hassastırlar. Aynaların yansıtıcılık değerleri de orta seviyelerde olmasına karşın şekil verilme kabiliyetleri daha zor, kırılganlıkları yüksek ve ağırlardır. Tablo 2. Bazı yansıtıcı malzemeler ve yansıtma oranları [3] Yansıtıcı Yüzey Malzemesi Yansıtıcılık ( ρ ) Gümüş 0,94 ± 0,02 Altın 0,76 ± 0,03 Alüminyum kaplı akrilik 0,86 Alüminyum 0,82 ± 0,05 Bakır 0,75 Arkası gümüş kaplı su beyazı cam 0,88 (Ayna) Özel cilalanmış ince alüminyum tabaka 0,88 (Alanod) 2.1. Matematiksel Formüller Parabolik kollektörlerin performans hesapları yapılmadan önce sistemin boyutlandırılması gerekmektedir. Parabolik kollektörlerin iki boyutlu görünümü ve önemli değerleri Şekil 2 de gösterilmiştir. 117

127 Şekil 2. Parabolik oluk tipi güneş kollektörü Parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinin genel parabolik yüzey denklemi aşağıda verilmiştir. 2 x y = (2.1) 4 f x ve y eksenlere olan uzaklıklar, f ise odak uzaklığıdır. Kenar açısı[4]; f 8( ) 1 W k 1 Wk θ r = tan = sin ( ) f 2 2r 16( ) 1 r W k olarak tanımlanır. (2.2) Yansıtıcı yüzeyin herhangi bir noktasındaki yerel yansıtıcı yarıçapı aşağıdaki gösterilmiştir[4]. r = 2 f 1+ cosθ (2.3) 118

128 Parabolik yüzeyin uzunluğunu bulmak için, parabolün orta noktasını 0,0 olarak kabul edersek, aşağıdaki eşitliğe göre hesaplarız. b L PYU = 2 ' + ( ) a 1 y 2 dx (2.4) Eşitlik a yerine 0, b yerine W k /2 konularak çözülür. Emici boru için gerekli minimum çap[4]; Wk D min = sin( θ s + δ / 2) (2.5) sinθ olarak hesaplanır. r Güneşten çıkan ışınlar atmosferde kayıplara uğrayarak dünyaya gelir. Atmosferi geçen ışınlar iş akışkanına gelene kadar sırasıyla, yansıtıcı yüzey, cam örtü ve emici boruda optik kayıplara uğrarlar. GI= sabit güneş ısı akısı ise, Yansıtıcı yüzeyden cam örtüye yansıtılan güneş ışınımı: ρ y *GI YY Emici borudan çevreye olan ısı kaybını Q k olarak tanımlarsak, emici boru ile cam tüpün iç yüzeyi arasındaki ışınım ve iletim ısı transferi toplamına eşit olmaktadır. [4] Q k = 2πk ln( D eöi eff L / D ebd ( T ) eb, ort 4 4 πdebd Lσ ( Teb, ort Tcöi ) Tcöi ) + (2.6) 1 1 ε cö Debd + ( ) ε ε D eb cö cöi Eşitlik 2.6 sade bir biçimde yazarsak[4]; Q k = (h ebt +h ebı )(T eb,ort -T cöi ) (2.7) Yatay emici boru ile eşmerkezli cam örtü arasındaki halka şeklinde çevrilmiş doğal taşınım ısı transfer katsayısı h ebt, Raithby ve Hollands a ait korelasyon kullanılarak aşağıdaki gibi tanımlanır. [5] h ebt = D ebd 2* k * ln( D eff cö / D ebd ) (2.8) k eff etkin iletim katsayıdır. Literatürde emici boru ile cam örtü arasındaki alanda eğer hava tam boşaltılmışsa taşınımla ısı transferi olmaz. Ancak içeride hava bulunursa, hava hareketsiz olacağından iletimle ısı transferi olacağı söylenmektedir. Bundan dolayı iletimle ısı transferi doğal taşınımın da etkisi düşünülerek hesaba alınır. Bu yüzden hesaplama da ısı iletim katsayı k yerine k eff katsayısı kullanılır. [5] 119

129 k eff = 0,317(Ra * ) 1/4 (2.9) k (Ra * ) 1/4 = b 3 / 4 (1/ D g * β * ΔT * L Ra= α * υ ln( D 3 ebd 3 / 5 ebd / D + 1/ ) cöi 3 / 5 5 / 4 Dcöi ) Ra 1/ 4 (2.10) (2.11) Eşitlik 2.7 deki h ebı katsayısı[4]; σ ( Tebd h ebı = 1 ε ε eb 2 eb + Tcöi )( T 1 ε + ( ε cö ebd cö + T D ) D ebd cöi cöi ) (2.12) şeklinde tanımlanır. Cam örtüye yoğunlaştırılan güneş ışın enerjisinden de ısıl kayıpları çıkardığımızda, ısı transfer akışkanına aktarılan net enerji bulunmuş olunur. Q INE = Q G -Q k (2.13) 2.2. Kullanılan yansıtıcı yüzey malzemeleri Yansıtıcı yüzey malzemesi olarak gümüşlenmiş cam ve alüminyum plaka kullanılması durumunda sistemin performansı incelenmiştir. Gümüşlenmiş cam(ayna) kimyasal yöntemlerle camın bir yüzeyinin gümüşle kaplanması neticesinde elde edilir. Yansıtma oranları %94 den fazladır. Her gümüşlenmiş cam için bu değer farklılık gösterir. Bunun nedeni de cam içindeki demir oranıdır. Alüminyum plaka, yansıtıcılığı arttırmak için mekanik ve kimyasal yollarla parlatılırlar ve dış koşullara karşı dayanıklıdır. Yansıtma oranları % 88 civarındadır. Parabolik kollektörün karakteristik bilgileri tablo 3 de gösterilmiştir. Tablo 3. Parabolik kolektörün karakteristik bilgileri Toplam Kollektör Uzunluğu 48 m Açık Alan 180 m² Modül Sayısı Her olukta 3 modül Modül Açıklığı 5 m Modül Uzunluğu 12 m Odak Uzaklığı 1.75 m Parabol Boyu m Minimum Gerekli Emici Boru Çapı m Kabul Edilmiş Isıl Verim %65 Kenar Açısı Yoğunlaştırma Oranı Denizli ili için örnek bir hesaplama yapılmıştır. Yansıtıcı yüzeylerin sisteme etkileri inceleneceğinden ısıl hesaplara girilmemiştir. Isıl verim %65 olarak kabul edilmiştir. Nisan, Mayıs ve Haziran ayları için gümüşlenmiş cam ve alüminyum plaka kullanılması durumda ısı 120

130 transfer akışkanına aktarılan net enerji hesaplanmıştır. Belirtilen aylar için gün içindeki gerekli güneş ışınım ve dış hava koşulları değerleri Pamukkale Üniversitesi Temiz Enerji Evinde bulunan Vantage Pro2 Station cihazından alınmıştır. Bu değerler neticesinde kullanılan yansıtıcı yüzey malzemesine göre ısı transfer akışkanına aktarılan enerji grafikler halinde aşağıda verilmiştir. İlk 3 grafikte yatay eksene gelen güneş ışınımı, sonraki 3 grafikte ise güneşin takip edilmesi durumunda kollektöre gelen direk güneş ışınım değerleri hesaba alınmıştır. Aktarılan enerji W/hm Arkası Gümüş Kaplı Cam Alüminyum Plaka Gün Şekil 3. Nisan ayı için güneşin takip edilmemesi durumunda ısı transfer akışkanına aktarılan enerji Aktarılan enerji W/hm Arkası Gümüş Kaplı Cam Alüminyum Plaka Günler Şekil 4. Mayıs ayı için güneşin takip edilmemesi durumunda ısı transfer akışkanına aktarılan enerji 121

131 Aktarılan enerji W/hm Arkası Gümüş Kaplı Cam Alüminyum Plaka Günler Şekil 5. Haziran ayı için güneşin takip edilmemesi durumunda ısı transfer akışkanına aktarılan enerji Aktarılan enerji W/hm Arkası Gümüş Kaplı Cam Alüminyum Plaka Gün Şekil 6. Nisan ayı için güneşin takip edilmesi durumunda ısı transfer akışkanına aktarılan enerji 7000 Aktarılan enerji W/hm Arkası Gümüş Kaplı Cam Alüminyum Plaka Günler Şekil 7. Mayıs ayı için güneşin takip edilmesi durumunda ısı transfer akışkanına aktarılan enerji 122

132 Aktarılan enerji W/hm Arkası Gümüş Kaplı Cam Alüminyum Plaka Günler Şekil 8. Haziran ayı için güneşin takip edilmesi durumunda ısı transfer akışkanına aktarılan enerji 3.SONUÇ Yapılan çalışmada tasarlanan parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinin, yansıtıcı yüzey malzemesi olarak arkası gümüş kaplanmış ayna ve alüminyum plaka kullanılmıştır. Nisan, Mayıs ve Haziran ayları için ısı transfer akışkanına aktarılan enerji hesaplanmıştır. Nisan ayı için güneşlenme süresi 13 saat iken, Mayıs ayı için 14, Haziran ayı için 15 saattir. Sistemde parabolik yansıtıcı malzeme olarak alüminyum plaka kullanıldığında Nisan ayı için ortalama ısı transfer akışkanına aktarılan enerji 489 kw/m 2,Mayıs ve Haziran ayları içinse 587 kw/m 2 dir. Parabolik yansıtıcı malzeme olarak arkası gümüş kaplı cam kullanıldığında ise Nisan ayı için ortalama ısı transfer akışkanına aktarılan enerji kw/m 2,Mayıs ve Haziran ayları içinse kw/m 2 dir. Görülmektedir ki gümüş kaplı cam kullanıldığında alüminyuma göre ısı transfer akışkanına daha fazla enerji aktarılmaktadır. Bunun nedeni hem aynanın yansıtıcılığının yüksek olması hem de üzerine düşen güneş ışınlarını alüminyum plakaya göre daha az soğurmasıdır. Ayrıca sistemin izlenmesi durumunda belirtilen aylarda ısı transfer akışkanına yaklaşık ortalama % 60 civarında daha fazla enerji aktarılmıştır. 123

133 Semboller SEGS: Solar Energy Generating Systems AB: Avrupa Birliği ρ : Parabolik yüzey olarak kullanılan yansıtıcı malzeme yansıtma katsayısı f: Odak uzaklığı (m) r r : Yansıtıcı yüzey kenar yarıçapı (m) θ r : Kenar açısı ( ) θ: Parabolik yüzeyin herhangi bir noktasındaki kenar açısı ( ) θ s : Güneşsel ışın konisi yarım açısı ( ) W k : Kollektör genişliği (m) L PYU : Parabol uzunluğu (m) L: Kollektör uzunluğu (m) b: Parabolün x eksenindeki yarım uzunluğu (m) a: Parabolün x ekseninin başlangıç noktası uzunluğu D min : Emici boru için gerekli minimum çap (m) D ebi : Emici boru iç çapı (m) D ebd : Emici boru dış çapı (m) D cö : Cam örtü çapı (m) δ : Yayılım açısı ( ) GI: Atmosferden geçip kollektöre düşen ışınım (W/m 2 ) ρ y: Yansıtıcı yüzey yansıtma katsayısı GI YY : Parabolik yansıtıcı yüzey düşen güneş ışınımı k eff : Hareketli hava ile aynı miktarda ısıyı iletmesi gereken boşluktaki hareketsiz havanın etkin ısıl iletkenliği k: Isı iletim katsayısı T eb,ort : Emici boru ortalama sıcaklığı (ºC) T cöi : Cam örtü iç sıcaklığı (ºC) T ebd : Emici boru dış sıcaklığı (ºC) Δ T : Emici boru ile cam örtü iç yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı ( Δ T =T ebd -T cöi ) σ : Stefan-Bolztman sabiti (W/m 2 K 4 ) ε : Cam örtü ısı yayıcılık katsayısı cö ε eb : Emici boru ısı yayıcılık katsayısı h emt : Cam örtü ile dış hava arasındaki rüzgâra bağlı zorlanmış ısı taşınım transfer katsayısı h ebı : Emici boru yüzeyi ile cam örtü arasındaki ışınıma eşdeğer ısı taşınım katsayısı Ra: Rayleigh sayısı Ra * : Düzeltilmiş Rayleigh sayısı g : Yer çekimi ivmesi (m/s 2 ) β : Hacimsel genleşme katsayısı (β= 1/T eb,cö ) α : Emici boru ile cam örtü arasındaki havanın T eb,cö sıcaklığındaki ısı yayılım hızı υ : Emici boru ile cam örtü arasındaki havanın T eb,cö sıcaklığındaki kinematik viskozitesi Q INE : Isı transfer akışkanına aktarılan net enerji (W/m 2 ) Q G : Cam örtüye gelen güneş ışınımı (W/m 2 ) Q k : Isı enerji kaybı (W/m 2 ) 124

134 KAYNAKLAR 1. Schott Memorandum on Solar Thermal Power Plant Technology 2. Songür, E., 2008, Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi. 3. Çolak, L., 2003, Güneşi takip eden parabolik oluk tipi güneş kolektörlerinin matematiksel modellemesi, tasarımı ve teknik optimizasyonu, Gazi Üniversitesi, Ankara, Duffie J.A., Beckman w.a., 2006, Solar Engineering of Thermal Processes Third Edition. 5. Kıncay, O., Onan, C., 2008, Yoğunlaştırıcı Güneş Enerjisi Sistemleri. Quaschning V., Kistner, R., Ortmanns, W., 2002, Journal of Solar Energy Engineering,124. Üçgül, İ., Öztürk, M., Özek, N., 2003, Parabolik kollektörlerin optik, enerjetik ve ekserjetik verimliliklerinin analizi, Mühendis ve Makine, 47: Ecevit, A., Goshtaspour, M., 1985, Güneş enerjisinde yoğunlaştırıcı toplaç, Türkiye Bilimsel ve Teknik Araştırma Kurumu, Temel Bilimler Araştırma Grubu, 86, Ankara. Çolak, L., 2003, Güneşi takip eden parabolik oluk tipi güneş kolektörlerinin matematiksel modellemesi, tasarımı ve teknik optimizasyonu, Gazi Üniversitesi, Ankara, 268. Valan Arasu, A., Sornakumar, T., 2007, Design, manufacture and testing of fiberglas reinforced parabola trough for parabolic trough solar collectors, Solar Energy, 81: Genç, A., 1998, Güneşi tek eksende takip eden parabolik oluk tipi güneş yoğunlaştırıcısının performans deneyleri, Gazi üniversitesi, Ankara, 98. Cope, A.W.G., Tully, N., 1982, Simple tracking strategies for solar concentrations, Solar Energy, 25,5. Jeter, M.S., 1923, Geometrical effect on the performance of trough collectors, Solar Energy,30,2. Espena D.M., Rodriguez, L., 1987, Apprroximate steady-state modelling of solar trough collectors, Solar Energy, 38,6. Karaduman, A., 1989, Parabolik Güneş kollektörü sisteminin tasarımı ve yapımı, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, ODTÜ, Ankara. Yeşilata, B., 1990, Güneş hareketini izleyen parabolik yoğunlaştırıcı tip güneş kolektörlerinin tasarımı, dizaynı ve ısıl veriminin araştırılması, Yüksek Lisans Tezi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Fırat Üniversitesi, Elazığ. Pinazo, A.M., Canada, J., Arago, F., 1992, Analysis of the incidence angle of the beam radiation on CPC, Solar Energy,49,3. 125

135 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 TARIM ÜRÜNLERİNİN KURUTULMASINDA GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARARLANMA OLANAKLARI Bekir YELMEN 1, Zeynep İSKAN 2, Menderes ÜSTÜNER 3 1 Aksaray Üniversitesi Ortaköy Meslek Yüksekokulu AKSARAY byelmen@aksaray.edu.tr 2 Aksaray Üniversitesi Aksaray Meslek Yüksekokulu AKSARAY zeynepiskan@aksaray.edu.tr 3 Çağ Üniversitesi MERSİN mustuner@cag.edu.tr ÖZET Kahramanmaraş ili sınırları içerisinde kırmızıbiber üretimi yoğun olarak yapılmaktadır. Kırmızıbiber hasat edildikten sonra taze tüketim dışında kalan kısmının, nitelik ve niceliğinden en az kayıpla depolanabilmesi için uygulanan yöntemlerden biriside kurutmadır. Kurutmada, toplam giderin önemli bir kısmını enerji gideri oluşturduğu için, alternatif enerji kaynaklarından faydalanmak önemli bir unsurdur. Kahramanmaraş ta güneş enerjisinden faydalanılarak kırmızıbiber kurutmanın hem ekonomik hem de teknik temeli mevcuttur. Kahramanmaraş ilinde yetiştirilen SENA çeşidi kırmızıbiber örnekleri ön işlemlerden geçirilerek güneş enerjili zorlamalı akışlı raflı tip kurutucuda ve eşzamanlı olarak açık havada ayaklı tel örgülü kurutma sehpasında kurutulmuştur. Kurutulan ürünler kuruma zamanı, ürün yoğunluğu ve yüzde ağırlık kaybı açısından karşılaştırılmıştır. Bu örneklere ait ürün yoğunluklarının kuruma zamanı sırasıyla 5 kg, 7.5 kg, 10 kg ve 12.5 kg için 26, 32, 33 ve 34 saat olarak bulunmuştur. 5 kg lık ürün yoğunluğuna ait ağırlık kayıpları yüzdesi sırasıyla; en üst raf ve açık havada kurutulan ürünler için %81.54 ve %77.53 olarak bulunmuştur. Açık havada kurutulanlara göre kıyaslandığında ağırlık kaybı yaklaşık %4 oranında artış göstermiştir kg lık ürün yoğunluğuna ait ağırlık kayıpları yüzdesi sırasıyla; en üst raf ve açık havada kurutulan ürünler için %80.21 ve %77.43 olarak bulunmuştur. Açık havada kurutulanlara göre kıyaslandığında ağırlık kaybı yaklaşık %2.78 oranında artış göstermiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, raflı kurutucu, kırmızıbiber, kurutma. UTILIZING PROPRETIES FROM SOLAR ENERGY IN DRYING AGRICULTURAL PRODUCTS ABSTRACT Red pepper is grown intensivly in city of Kahramanmaraş. Drying is one of the processes for minimizing the losses during storage in terms of quality and quantity. Since energy costs compose the big amount of total costs, it is important to use alternative energy resources in drying. In this point of view, the technical and economical facilities are avaliable in Kahramanmaraş. In this work, SENA variety of red pepper was dried in energy forced flowing type dryer with shelves and naturally on screen table simultaneously. Dried samples were 126

136 compared in terms of drying time, material density and loss percantage in weight. The drying time of samples was found as 26, 32, 33 and 34 hours for material densities of 5, 7.5, 10 and 12.5 kg, respectively. The loss in weight of 5 kg material density was obtained as 81.54% and 77.53% for dried samples on highest shelf and naturally, respectively. Loss weight increased approximately 4 % compared with naturally dried. For material density of 12.5 kg, the loss in weight was found as 80.21% and 77.43% for dried samples on highest shelf and naturally, respectively. Loss weight increased approximately 2.78% compared with naturally dried. Keywords: Solar Energy, Dryer, Red Pepper, Drying, 1. GİRİŞ Tarımsal ürünlerin muhafazasında kurutma tekniğinin önemli bir yeri vardır. Bu teknik, uygulama alanı en yaygın ve ekonomik bir yöntemdir. Birçok tahıl, meyve ve sebze kurutulduktan sonra saklanabilir. Tarımsal ürünlerin kurutulmasında en önemli konu, nem oranını belli bir seviyeye getirmek ve güvenli depolamayı sağlamaktır. Kurutulmuş tarımsal ürünler ülkemiz için önemli bir gelir kaynağı durumundadır. Türkiye nin güneş kuşağında yer alması ve güneşlenme bakımından avantajlı olması, ayrıca tarımsal ürünlerin kurutma sezonunun güneş enerjisinin yoğun olduğu dönemlere rastlaması bu enerjinin kurutmada kullanımını olumlu yönde etkilemektedir (Ergüneş ve Gerçekçioğlu,1999). Güneş enerjisi ile kontrollü kurutma uygulamaları, bu amaçla geliştirilmiş farklı tip güneşli kurutucular kullanılarak yapılabilir(eissen ve ark., 1984) Bunlar içerisinde, kurutma sezonunda atıl durumda bulunan yetiştirme seraları ya da bu amaçla özel olarak geliştirilmiş kurutma seraları da yer almaktadır (Kara ve ark., 1992; Ertekin ve Yaldız,1998). Endüstriyel bir proses olan kurutma işlemi kimya, tekstil, seramik, inşaat, kereste, kâğıt ve gıda sektörlerindeki ürünlerin kurutulmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Bu sektörlerde kurutma için tüketilen enerji toplam enerji tüketimi içinde önemli bir paya sahiptir. Bu oran kimya sektöründe %6, tekstil sektöründe %5, seramik ve inşaat sektöründe % 11, kereste sektöründe %11, gıda sektöründe %12 ve kâğıt sektöründe %33 düzeylerine ulaşmaktadır (Majumdar, 1987). Kurutma, gıda maddelerinin korunmasında başvurulan en önemli yöntemlerden biridir. Kurutma ile sürecin bir sonraki adımında işlenecek veya pazara sunulacak ürünün istenilen şartlara getirilmesi, gıda maddelerinin bozulmadan uzun süre saklanması ve sterilize edilmesi sağlanmaktadır (Özbalta ve Güngör, 1998). Güneydoğu Anadolu Bölgesi nde yaygın olarak kullanılan güneş altında kurutma yönteminde, kurutulacak ürün toprak veya beton zemin üzerine serilerek kurutulmaktadır. Bu tip açıkta yapılan kurutmada, kuruma esnasında böcekler, kuşlar ve rüzgarın olumsuz etkileri sebebiyle ürün kayıpları ortaya çıkmaktadır. Ayrıca hava koşullarının uygun olmaması nedeniyle ürün neminin kısa sürede uzaklaştırılamadığı durumlarda mikrobiyel aktiviteler sonucu üründe küflenme ve verim kayıpları ortaya çıkmaktadır (Garg ve ark., 1998; Mumba, 1995; Ong,1999). Açıkta güneş altında kurutmanın bu dezavantajlarını azaltmak mümkündür. Kurutmada kullanılacak havanın ısıtılarak kurutulacak ürün üzerinde kapalı bir ortamda dolaştırılması açıkta kurutma ile karşılaştırıldığında daha kontrollü bir kurutma sağlamaktadır. Kurutma havasının güneş enerjisi ile ısıtıldığı yöntem, havanın uygun bir güneş kolektörü üzerinden geçirilerek ısıtılması ve ürün üzerine doğal konveksiyon veya zorlamalı konveksiyon yolu ile iletilmesi esasına dayanmaktadır (Scanlin, 1997; Tiris ve ark., 1996; Mumba, 1996). Koyuncu ve Pınar (2001), kırmızıbiber kurutmada kullanılmak üzere düşük maliyetli kabin tipi doğal konveksiyonlu bir kurutucu tasarlamıştır. Ancak bu tip bir kurutucuda kapalı bir kurutma ortamı sağlanmasına karşın, ürünün yoğun olarak direk güneş ışınlarına maruz bırakılması vitamin ve renk (Öztekin ve ark., 1999) gibi kalite özelliklerinde kayıplara yol açmaktadır. 127

137 Sıcak hava ile ürün kurutma işleminde kurutma havası belli bir sıcaklığa kadar ısıtılarak nem alabilme özelliği artırılmakta, doğal veya zorlamalı olarak kurutulacak ürün üzerine belli bir hızda gönderilmektedir. Ürün ile temas eden sıcak hava ürünün nemini alır. Bu işlem ürün istenilen nem oranına gelene kadar devam eder. Kontrollü ortamda kurutulan ürünler açıkta güneş altında kurutulan ürünlere göre, daha temizdir ve kuruma sonunda doğal renk, tat, koku ve besin maddelerinde daha az değişim olmaktadır. Kontrollü kurutma ile ürün olumsuz çevre şartlarından korunmaktadır (Ertekin ve ark., 2001). Kurutma sıcaklığı, kurutma işleminin en önemli faktörlerinden biridir. Kurutma sıcaklığı; ürünün kuruma süresine ve ürün bileşimine etki etmektedir. Ürünün en yüksek kuruma sıcaklığı ile yanma sıcaklığı birbirine yakın değerlerdir. Bu nedenle kurutma havası sıcaklığının iyi ayarlanması kaliteli bir kurutma için gereklidir. Yüksek kurutma sıcaklığı ürünün renk, tat ve koku gibi özelliklerini etkilemektedir (Cemeroğlu ve Acar, 1986). Başarılı bir kurutmada ürünün sahip olduğu nemi absorbe etmek için yeterli kurutma havası sıcaklığına ve absorbe edilen nemi kurutma ortamından uzaklaştırmak için yeterli hava sirkülasyonuna gereksinim duyulmaktadır (Madhlopa ve ark., 2002). Youcef-Ali ve ark., (2001), yaptıkları cebri taşınımlı ve düzlem yüzeyli bir kurutucuda, güneş kollektörü ile ısıtılan havayı, kurutma bölümüne konulan 3, 6 ve 9 mm boyutlarında dilimlenmiş patatesleri kurutmak amacı ile kullanmışlardır. Başlangıçtaki ilk iki saat için yarım saatte bir, daha sonraki saatlerde ise saatte bir ağırlık ölçümü alarak kuru madde elde edinceye kadar ağırlık ölçümü yapmışlardır. Kurutma işlemi başlatılmadan önce, su ile yıkanarak kimyasal kalıntılardan ve topraktan temizlenerek tohum evleri ve sapları alındıktan sonra, kesilen biberler kurutmaya bırakılır. Tarımsal ürünlerin dışarıda güneşe serilerek kurutulması ve korunması çok ekonomik bir yöntem olmakla birlikte, ürünlerin kirletici dış etkilere açık olması nedeniyle sağlığa uygun ürün elde edilememektedir. Açık havada yapılan kurutma işlemi dış hava koşullarına bağlı olmaktadır. Bu durum, ürün kalitesine olumsuz yönde etki etmektedir. Ayrıca, değişen meteorolojik koşullar nedeniyle, sürekli olarak aynı kuruma kalitesi elde edilememektedir. Güneşe serilerek yapılan kurutma işlemi uzun zaman aldığından, kurutulan ürün çevredeki kirletici etmenlerden etkilenmekte ve ayrıca besin değerini de önemli oranlarda yitirebilmektedir. Bu nedenle, ürünün kuruma süresini kısaltmak, istenilen nem içeriğinde ürün elde etmek, ürünlerin daha temiz ve kaliteli kurutulabilmesi için öncelikle güneş enerjili kurutucular büyük öneme sahiptir. Güneş enerjisi ile çalışan ve kapalı ortamda doğal veya zorlamalı konveksiyon yolu ile kurutma sağlayan birçok kurutucu tasarımı literatürde mevcuttur. Bu kurutucuların pek çoğu küçük kapasiteli ve ticari olmayan kurutma işlemlerinde kullanılmak üzere tasarlanmıştır. Büyük çaplı güneş enerjili kurutmaya olanak veren kurutucular genellikle sera tipi kurutuculardır. Ağustos-Eylül-Ekim ayları arasında Kahramanmaraş ilinde kırmızıbiber yoğun bir şekilde açıkta kurutulmaktadır. Kurutma denemesinin yapıldığı Kahramanmaraş ili yıllık toplam güneşli gün sayısı ve güneş radyasyon yoğunluğu bakımından Türkiye nin zengin yörelerinden biridir. Bu çalışmada amaç, Kahramanmaraş ilinde yoğun olarak üretimi yapılan baharatlık kırmızıbiberin kurutulması amacıyla güneş enerjili sera tipi raflı zorlamalı konveksiyonlu bir kurutucunun tasarımı yapılmış ve kırmızıbiber kurutmada test edilmiştir. 2. MATERYAL VE METOT Kırmızıbiber denemelerinde Kahramanmaraş Tarımsal Araştırma Enstitüsü ne ait arazilerde yetiştirilen SENA çeşidi kırmızıbiberler kullanılmıştır. Tasarımı Prof. Dr. Gazanfer HARZADIN, imalatı TARTES firması tarafından gerçekleştirilen sera tipi bir kurutucu Kahramanmaraş a getirilmiş ve bu ildeki Tarımsal Araştırma Enstitüsü nün araştırma alanına 128

138 kurulmuştur. Ağustos ayında kurulumu tamamlanan sera tipi kurutucunun montaj resimleri Resim 1 de görülmektedir. Resim 1. Sera tipi güneş enerjili kurutucunun montaj resimleri. Sera tipi kurutucu 8x6x2.86 m boyutlarında bir ana çatıdan ibaret olup, düşey yönde 30 cm aralıklı 5 adet rafı taşımaktadır. Ürün sera orta kısmına yerleştirilen bir kurutma tünelindeki üst üste konumlandırılmış raflar üzerinde kurutulmuştur. Her raf 250x100 cm boyutlarındaki bir dikdörtgen çıta arasına gerilmiş ince plastik sineklik örtü malzemesi ile kaplanmıştır. Seranın ön kısmında 6x6 m boyutlarındaki bir güneş kollektörü mevcuttur. Kolektörde bulunan hava 97.5x95 cm boyutlarında 0,3675 kw gücünde, 8500 m 3 /h maksimum hava debisine sahip Alfan marka bir fan ile emilerek, sera içine iletilmektedir. Açık havada yapılan şahit kurutma denemelerinde de ahşap malzemeden imal edilen, yerden yüksekliği 60 cm, boyutları 250x100 cm olan ince tel elekle kaplı kurutma sehpaları kullanılmıştır. Kurutma süresince dış ortamda ve güneş enerjili raflı kurutucunun girişinde sıcaklık ve bağıl nem değerleri elektronik kaydedicilerle 60 dakika aralıklarla ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Bu amaçla kullanılan kaydediciler, 0.6 C sıcaklık ve % 0.5 bağıl nem hassasiyetinde olup, Box Car Pro 3.7 programıyla çalıştırılmaktadır. Kurutma işleminden önce başlangıç neminin belirlenmesi amacıyla 3 er tane 20 gramlık ürünlerin başlangıç nem içerikleri ortalamaları, laboratuar koşullarında kurutma dolabında (etüv) kurutularak ölçülmüştür. Kurutma işlemine başlamadan önce sapları ve iç çekirdekleri çıkarılmış kırmızıbiber yıkanmıştır. Daha sonra tartılmış ve darası alınmış alüminyum folyo üzerine 20 şer gramlık örnekler konularak 105 C sıcaklığındaki etüvde 24 saat bırakılmıştır. Tekrar tartılan örneklerin ilk ve son ağırlıkları kullanılarak yaş baza göre nem içerikleri hesaplanmıştır. Üründeki nem değişimini belirlemek için, deneme başlangıcından itibaren kırmızıbiber örnekleri belirli aralıklarla kurutma ortamından alınarak tartılmıştır. Bu amaçla, ± 0.01 g duyarlılıkta ölçüm yapabilen dijital teraziden (Sartorious BL 15005) yararlanılmıştır. Kurumakta olan kırmızıbiber örneklerinin yüzde ağırlık değişimlerini belirlemek amacıyla aşağıdaki eşitlikten yararlanılmıştır. 129

139 Wo - Wt Wy = 100 ( 1 ) Wo Burada; Wy = Kurumakta olan kırmızıbiber örneklerinin yüzde ağırlık değişimlerini (%), Wo =Örneklerin kuruma öncesindeki ağırlığı (g), Wt =Örneklerin kuruma sırasında tartım anlarındaki ağırlığı (g) Denemeler üç tekerrürlü ve tesadüf parselleri deneme deseni kullanılarak yapılmıştır. Kurutma ortamlarının ürünlerin kurumasına olan etkilerini belirlemek için yapılan varyans analizlerinde yüzde ağırlık değişim verileri bağımlı değişken olarak kullanılmıştır. Varyans analizi, SPSS 13.0 istatistik programı yardımıyla yapılmış, verilerin işlenmesi ve grafiklerin çiziminde ise Microsoft Excel programından yararlanılmıştır. Kurutulacak kırmızıbiberler parçalara ayrılmadan önce yıkanarak temizlenmiştir. Kırmızıbiberlerin sap ve tohum evi kısımları çıkarıldıktan sonra kesme işlemi gerçekleştirilmiştir. Kırmızıbiberler parçalandıktan sonra kurutma rafları üzerine serilmiştir. Denemelerde ürün yoğunluğuna bağlı olarak kuruma süresi ölçümleri yapılmıştır. Kırmızıbiberler parçalandıktan sonra her rafa birinci denemede 5 kg, ikinci denemede 7,5 kg, üçüncü denemede 10 kg ve dördüncü denemede 12,5 kg materyal iç yüzeyleri yukarı bakacak şekilde tek tabaka halinde kurutma raflarına serilmiştir. Aynı miktarlarda kırmızıbiberler karşılaştırma amacıyla dış ortamda doğrudan güneş altında kurutulmak üzere kurutma sehpasına serilmiştir. Kırmızıbiberlerin kurutma odası içerisine yerleştirilmesi ve sergiye serilmesi işlemlerinden sonra kurutma işlemi başlatılmıştır. Kurutma işlemi sırasında raflardaki ve doğrudan güneş altındaki ürün kütlelerindeki azalmalar uzun süren kuruma evresi nedeniyle iki veya üç saatte bir ölçülmüştür. Dış hava sıcaklığı, oransal nemi, rüzgar hızı, ışık şiddeti ve radyasyon değerleri, kollektör çıkışı hava sıcaklık ve oransal nemi, kurutma odası çıkışı hava sıcaklık ve oransal nemi ölçülmüştür. Kurutma işlemi her bir raftaki kırmızıbiber kütlesi yaklaşık 1/5 oranında azalıncaya kadar sürdürülmüştür. Kurutulmuş kırmızıbiberler, üzerine deneme numarası ve raf numarası yazılı etiketler yapıştırılmıştır. 3. BULGULAR VE TARTIŞMA Bu araştırmada, Kahramanmaraş yöresinde güneş enerjili sera tipi raflı kurutucuda, kırmızıbiber örnekleri değişik çalışma koşullarında kurutulmuştur. Aynı çevre şartlarında eşzamanlı olarak açık havada da denemeler yürütülmüştür. Kurutulan kırmızıbiberler, kuruma zamanı, yüzde ağırlık kaybı ve ürün yoğunluğu açısından karşılaştırılmıştır. Çalışmada kullanılan SENA çeşidi kırmızıbiberlerin ilk nem içeriği % 89.5 bulunmuştur. Kırmızıbiberde kuruma süresini etkileyen temel faktörler; kurutma havasının sıcaklığı ve bağıl nemidir. Kırmızıbiberdeki nem oranı azaldıkça kuruma süresi artmıştır. Özellikle biberdeki nem oranının %20 ve daha düşük değerleri için harcanan enerji miktarı artmakta dolayısıyla kurutma maliyeti yükselmektedir. En hızlı kurutma, saatleri arasında ve sıcaklığın C olduğu durumlarda elde edilmiştir. 65 C 'nin üzerindeki kurutma işlemlerindeki biberlerin renklerinde siyahlaşma olduğu. 130

140 3.1 DENEME SONUÇLARI Sera tipi raflı kurutucu ile kırmızıbiber kurutma denemeleri tarihleri arasında yapılmıştır. 5 kg ürün yoğunluğu için kuruma süresince raflı kurutucuda 1, 2, 3, 4 ve 5. raflardaki ve kontrol örneklerindeki yüzde ağırlık kaybı değişimi Şekil 1 de gösterilmiştir. Kurumanın başlamasından sonraki kırmızıbiber ağırlık kaybı verileri üzerinde yapılan varyans analizi ve Duncan testi sonuçları Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1 de soldan başlayarak verilen ikinci sütun en üstteki rafı (1 nolu raf) temsil etmektedir. Satırlarda ise farklı tartım saatleri verilmiştir. Deneme başlangıcında yani sıfırıncı saatte herhangi bir ağırlık değişimi meydana gelmediği için varyans analizi yapılmamıştır. Deneme materyalleri arasında belirli bir zamana kadar farklı raflardaki ve açık havadaki kırmızıbiberlere ait yüzde ağırlık değişim değerleri arasında istatistiksel bir farklılığın olduğu görülmektedir (p<0,05). Bu istatistiksel fark 26. saatteki tartıma kadar devam etmiş daha sonra ise aralarındaki fark kaybolmuştur. 100 Ağırlık Kaybı Değişimi(%) R1 R2 R3 R4 R5 Kontrol Zaman(saat) Şekil 1. Kurutucudaki kırmızıbiberlerin 5 kg ürün yoğunluğu için zaman içerisindeki ağırlık kaybı değişimi. Tablo 1 de görüldüğü gibi, 2. saat sonunda en hızlı ağırlık kaybı 1. rafta görülmüş, en yavaş ağırlık kaybı ise 5. rafta olmuştur. Fakat yapılan çoklu karşılaştırma testine göre, 3, ve 4.cü raflardaki kırmızıbiberlerin yüzde ağırlık kaybı ile 5. raftaki kırmızıbiberlerin yüzde ağırlık kaybı değişiminin aynı olduğu bulunmuştur. İlk 2 saatlik kuruma süresince; 1. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının yaklaşık % 22 sini kaybederken 5. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının % 19 unu kaybetmişlerdir. Birinci raftaki kırmızıbiberler yaklaşık % 3 daha fazla nem kaybetmişlerdir. Açık havada kuruyan kırmızıbiber örneklerinde ise 2 saatlik kuruma süresi sonunda % 19,60 lık bir ağırlık kaybı olmuştur. Bu değer 5. raftaki değerle istatistiki açıdan aynıdır. Dolayısıyla ilk raftaki kırmızıbiberler dış ortama göre % 2.4 lük daha fazla ağırlık kaybetmişlerken 5. raftaki kırmızıbiberler ise yaklaşık % 1 daha az ağırlık kaybına uğramışlardır. 6 saatlik kuruma sonunda birinci raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % iken, 5. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % olmuştur. Birinci raftaki kırmızıbiberler 5. raftaki kırmızıbiberlere göre % 7.88 daha fazla ağırlık kaybına uğramışlardır. Tablo 1. Kurutulan Kırmızıbiberlerin 5 kg ürün yoğunluğu için Zaman İçerisinde Nem Kaybına Bağlı Olarak Yüzde Ağırlık Değişimlerine Ait Varyans ve Duncan Analiz Sonuçları 131

141 Raf Sıraları Saat Kontrol p ,76 a 20,62 ab 19,48 bc 19,02 bcd 18,90 cde 19,60 bc 0, ,77 a 38,76 b 37,66 bc 36,30 cd 35,22 de 36,72 cd 0, ,16 a 52,52 bc 50,88 c 48,26 cde 47,28 def 44,88 ef 0, ,22 a 61,94 bc 60,21 cd 57,80 de 56,90 ef 53,02 ef 0, ,88 a 67,72 bc 66,64 cd 62,68 d 62,76 de 57,52 ef 0, ,54 80,09 80,04 79,97 79,912 77,53 1,00 a-e Aynı satırda farklı harfleri taşıyan gruplar arasındaki farklılıklar istatistiki olarak önemlidir.(p<0,05) Aynı periyot sonunda açık havadaki örnekler ise % lik ağırlık kaybına uğramışlardır. Bu değer 1. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybından % daha azdır. 2 saatlik kuruma dönemindeki değerler ile kıyaslandığında 1. raf ile 5. raf arasındaki farkın hala devam ettiği görülmektedir. Yani her iki raftaki kırmızıbiber örneklerinin kuruma eğrilerinin farklı noktalarında yer aldığı söylenebilir. Denemenin 26. saatinde 1. raftaki örnekler ağırlıklarının % ünü kaybederken 5. raftaki kırmızıbiberler % lik ağırlık kaybına uğramışlardır. Açık havada kurutulan kırmızıbiberler ise % lük ağırlık kaybına uğramışlardır. Yalnız bu farklılık istatistiki açıdan önemsizdir. Bu sonuçlar dikkate alındığında 1.raftaki ve 5.raftaki kırmızıbiber örnekleri birinci denemede 26 saat sonra kururlarken, açık havadaki örnekler 26 saatten daha fazla kuruma süresine ihtiyaç duymuşlardır. 7,5 kg ürün yoğunluğu için kuruma süresince raflı kurutucuda 1, 2, 3, 4 ve 5. raflardaki ve kontrol örneklerindeki yüzde ağırlık kaybı değişimi Şekil 2 de gösterilmiştir. Ağırlık kaybı verileri üzerinde yapılan varyans analizi ve Duncan testi sonuçları Tablo 2 de verilmiştir. Güneş enerjili raflı kurutucuda, belirli bir zamana kadar farklı raflar ve kontrol örneklerindeki kırmızıbiberlere ait yüzde ağırlık değişim değerleri arasında istatistiksel bir farklılığın olduğu görülmektedir (p<0,05). Bu istatistiksel fark 32. saatteki tartıma kadar devam etmiştir. 100 Ağırlık Kaybı Değişimi(%) Zaman(saat) R1 R2 R3 R4 R5 Kontrol Şekil 2.Kurutucudaki kırmızıbiberlerin 7,5 kg ürün yoğunluğu için zaman içerisindeki ağırlık kaybı değişimi. Tablo 2 de görüldüğü gibi, 32. saat sonunda en hızlı ağırlık kaybı 1. rafta görülmüş, en yavaş ağırlık kaybı ise 5. rafta olmuştur. İlk 2 saatlik kuruma süresince; 1. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının yaklaşık % ünü kaybederken 5. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının % sini kaybetmişlerdir. Birinci raftaki kırmızıbiberler yaklaşık % 3.12 daha fazla nem 132

142 kaybetmişlerdir. Açık havada kuruyan kırmızıbiber örneklerinde ise 2 saatlik kuruma süresi sonunda % lik bir ağırlık kaybı olmuştur. Bu değer 5. raftaki değerle istatistiki açıdan aynıdır. Dolayısıyla ilk raftaki kırmızıbiberler dış ortama göre % 1.62 lük daha fazla ağırlık kaybetmişlerken 5. raftaki kırmızıbiberler ise % 1.5 daha az ağırlık kaybına uğramışlardır. 6 saatlik kuruma sonunda birinci raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % 38,89 iken, 5. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % olmuştur. Birinci raftaki kırmızıbiberler 5. raftaki kırmızıbiberlere göre % 7.18 daha fazla ağırlık kaybına uğramışlardır. Tablo 2. Kurutulan Kırmızbiberlerin 7,5 kg Ürün Yoğunluğu İçin Zaman İçerisinde Nem Kaybına Bağlı Olarak Yüzde Ağırlık Değişimlerine Ait Varyans ve Duncan Analiz Sonuçları Raf Sıraları Saat Kontrol p ,04 a 13,30 ab 11,99 abc 11,23 bcd 10,92 bce 12,42 bc 0, ,84 a 23,81 b 21,75 bc 20,78 cd 19,80 de 23,47 bc 0, ,89 a 35,76 bc 34,67 cd 33,71 cde 31,71 def 36,59 ab 0, ,75 a 46,69 bc 44,66 c 42,69 de 41,71 ef 45,97 bc 0, ,09 a 50,01 bc 48,95 cd 46,01 d 45,00 de 49,71 cd 0, ,73 a 56,64 bc 54,44 cd 52,47 de 51,47 e 57,84 ab 0, ,51 a 63,41 bc 62,34 cd 61,26 def 60,36 ef 63,67 bc 0, ,35 71,24 71,26 68,13 69,15 69,91 0, ,18 80,05 80,04 79,89 79,84 78,17 1,00 a-e Aynı satırda farklı harfleri taşıyan gruplar arasındaki farklılıklar istatistiki olarak önemlidir.(p<0,05) Aynı periyot sonunda açık havadaki örnekler ise % luk ağırlık kaybına uğramışlardır. Bu değer 1. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybından % 2.3 daha azdır. 2 saatlik kuruma dönemindeki değerler ile kıyaslandığında 1. raf ile 5. raf arasındaki farkın hala devam ettiği görülmektedir. Yani her iki raftaki kırmızıbiber örneklerinin kuruma eğrilerinin farklı noktalarında yer aldığı söylenebilir. Denemenin 32. saatinde 1. raftaki örnekler ağırlıklarının % ini kaybederken 5. raftaki kırmızıbiberler % 79,84 lük ağırlık kaybına uğramışlardır. Açık havada kurutulan kırmızıbiberler ise % 78,17 lik ağırlık kaybına uğramışlardır. Yalnız bu farklılık istatistiki açıdan önemsizdir. Bu sonuçlar dikkate alındığında 1.raftaki ve 5.raftaki kırmızıbiber örnekleri birinci denemede 32 saat sonra kururlarken, açık havadaki örnekler 32 saatten daha fazla kuruma süresine ihtiyaç duymuşlardır. 10 kg ürün yoğunluğu için kuruma süresince raflı kurutucuda 1, 2, 3, 4 ve 5. raflardaki ve kontrol örneklerindeki yüzde ağırlık kaybı değişimi Şekil 3 de gösterilmiştir. Ağırlık kaybı verileri üzerinde yapılan varyans analizi ve Duncan testi sonuçları Tablo 3 de verilmiştir. Güneş enerjili sera tipi raflı kurutucuda, belirli bir zamana kadar farklı raflar ve kontrol örneklerindeki kırmızıbiberlere ait yüzde ağırlık değişim değerleri arasında istatistiksel bir farklılığın olduğu görülmektedir (p<0,05). Bu istatistiksel fark 33. saatteki tartıma kadar devam etmiştir. 133

143 Ağırlık Kaybı Değişimi(%) R1 R2 R3 R4 R5 Kontrol Zaman(saat) Şekil 3. Kurutucudaki kırmızıbiberlerin 10 kg ürün yoğunluğu için zaman içerisindeki ağırlık kaybı değişimi. Tablo 3 de görüldüğü gibi, 2. saat sonunda en hızlı ağırlık kaybı 1. rafta en yavaş ağırlık kaybı ise 4. rafta olmuştur. İlk 2 saatlik kuruma süresince; 1. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının yaklaşık % sını kaybederken 4. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının % sini kaybetmişlerdir. Birinci raftaki kırmızıbiberler yaklaşık % 2 daha fazla nem kaybetmişlerdir. Açık havada kuruyan kırmızıbiber örneklerinde ise 2 saatlik kuruma süresi sonunda % 11,08 lik bir ağırlık kaybı olmuştur. ilk raftaki kırmızıbiberler dış ortama göre % 2.78 lik daha fazla ağırlık kaybetmişlerken 4. raftaki kırmızıbiberler ise % 0.78 daha fazla ağırlık kaybına uğramışlardır. 9 saatlik kuruma sonunda birinci raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % 46,10 iken, 4. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % olmuştur. Birinci raftaki kırmızıbiberler 4. raftaki kırmızıbiberlere göre % 3.99 daha fazla ağırlık kaybına uğramışlardır. Tablo3. Kurutulan Kırmızbiberlerin 10 kg Ürün Yoğunluğu İçin Zaman İçerisinde Nem Kaybına Bağlı Olarak Yüzde Ağırlık Değişimlerine Ait Varyans ve Duncan Analiz Sonuçları Raf Sıraları Saat Kontrol p ,86 a 12,84 ab 12,22 bc 11,82 cd 11,84 cd 11,08 de 0, ,95 a 22,93 b 21,95 bcd 20,89 cde 21,17 cd 21,16 cd 0, ,34 a 33,3 bc 32,27 cd 32,24 de 31,75 ef 32,23 def 0, ,10 a 42,03 bc 41,96 c 42,11 bc 40,01 def 41,71 cde 0, ,47 a 45,43 bc 44,35 cd 44,04 d 43,37 de 44,14 cd 0, ,28 a 56,22 bc 55,14 cd 54,11 de 53,13 e 51,51 ef 0, ,71 a 64,96 bc 63,87 cd 62,83 de 61,84 ef 60,84 f 0, ,78 72,71 71,62 70,56 71,58 69,82 0, ,89 80,08 80,01 79,91 79,93 77,69 1,00 a-e Aynı satırda farklı harfleri taşıyan gruplar arasındaki farklılıklar istatistiki olarak önemlidir.(p<0,05) Aynı periyot sonunda açık havadaki örnekler ise % lik ağırlık kaybına uğramışlardır. Bu değer 1. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybından % 4.39 daha azdır. 2 saatlik kuruma dönemindeki değerler ile kıyaslandığında 1. raf ile 4. raf arasındaki farkın hala devam ettiği görülmektedir. Yani her iki raftaki kırmızıbiber örneklerinin kuruma eğrilerinin farklı 134

144 noktalarında yer aldığı söylenebilir. Denemenin 33. saatinde 1. raftaki örnekler ağırlıklarının % unu kaybederken 4. raftaki kırmızıbiberler % lik ağırlık kaybına uğramışlardır. Açık havada kurutulan kırmızıbiberler ise % luk ağırlık kaybına uğramışlardır. Yalnız bu farklılık istatistiki açıdan önemsizdir. Bu sonuçlar dikkate alındığında 1.raftaki ve 4.raftaki kırmızıbiber örnekleri birinci denemede 33 saat sonra kururlarken, açık havadaki örnekler 33 saatten daha fazla kuruma süresine ihtiyaç duymuşlardır. Bu sonuçlar dikkate alındığında sera tipi raflı güneşli kurutucunun açık havada kırmızıbiber kurutmaya kıyasla kısmen bir kuruma avantajı sağladığı görülmektedir kg ürün yoğunluğu için kuruma süresince raflı kurutucuda 1, 2, 3, 4 ve 5. raflardaki ve kontrol örneklerindeki yüzde ağırlık kaybı değişimi Şekil 4 de gösterilmiştir. Kurumanın başlamasından sonraki kırmızıbiber ağırlık kaybı verileri üzerinde yapılan varyans analizi ve Duncan testi sonuçları Tablo 4 de verilmiştir. Deneme materyalleri arasında belirli bir zamana kadar farklı raflardaki ve açık havadaki kırmızıbiberlere ait yüzde ağırlık değişim değerleri arasında istatistiksel bir farklılığın olduğu görülmektedir (p<0,05). Bu istatistiksel fark 34. saatteki tartıma kadar devam etmiş daha sonra ise aralarındaki fark kaybolmuştur. 100 Ağırlık Kaybı Değişimi(%) R1 R2 R3 R4 R5 Kontrol Zaman(saat) Şekil 4. Kurutucudaki kırmızıbiberlerin 12.5 kg ürün yoğunluğu için zaman içerisindeki ağırlık kaybı değişimi. Tablo 4 de görüldüğü gibi, 2. saat sonunda en hızlı ağırlık kaybı 1. rafta görülmüş, en yavaş ağırlık kaybı ise 4. rafta olmuştur. Fakat yapılan çoklu karşılaştırma testine göre, 3, ve 5.ci raflardaki kırmızıbiberlerin yüzde ağırlık kaybı ile 4. raftaki kırmızıbiberlerin yüzde ağırlık kaybı değişiminin aynı olduğu bulunmuştur. İlk 2 saatlik kuruma süresince; 1. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının yaklaşık % ünü kaybederken 4. raftaki kırmızıbiberler ilk ağırlıklarının % ini kaybetmişlerdir. Birinci raftaki kırmızıbiberler % 2.45 daha fazla nem kaybetmişlerdir. Açık havada kuruyan kırmızıbiber örneklerinde ise 2 saatlik kuruma süresi sonunda % 11 lik bir ağırlık kaybı olmuştur. 1. raftaki kırmızıbiberler dış ortama göre % 1.83 lük daha fazla ağırlık kaybetmişlerken 4. raftaki kırmızıbiberler ise yaklaşık % 0.62 daha az ağırlık kaybına uğramışlardır. 9 saatlik kuruma sonunda birinci raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % iken, 4. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybı % olmuştur. Birinci raftaki kırmızıbiberler 4. raftaki kırmızıbiberlere göre % 3.85 daha fazla ağırlık kaybına uğramışlardır. Tablo 4. Kurutulan Kırmızbiberlerin 12.5 kg Ürün Yoğunluğu İçin Zaman İçerisinde Nem Kaybına Bağlı Olarak Yüzde Ağırlık Değişimlerine Ait Varyans ve Duncan Analiz Sonuçları 135

145 Raf Sıraları Saat Kontrol p ,83 a 11,39 ab 10,93 bc 10,38 cd 11,16 bc 11,00 bc 0, ,77 a 23,78 b 22,75 bc 21,73 cde 22,41 cd 22,09 cde 0, ,53 a 33,54 bc 32,48 bcd 32,46 cd 31,45 def 32,41 cde 0, ,71 a 43,70 bc 42,67 c 41,86 cde 41,96 cd 41,19 def 0, ,41 a 46,4 bc 45,38 cd 44,35 d 44,30 de 44,96 cde 0, ,82 a 54,88 bc 52,85 cde 51,81 def 52,77 e 51,74 ef 0, ,80 a 62,86 bc 60,82 cde 60,76 de 60,73 ef 59,67 f 0, ,66 70,73 68,66 67,61 68,56 66,01 0, ,59 75,45 75,38 75,30 75,26 72,92 0, ,21 80,06 80,00 79,90 79,86 77,43 1,00 a-e Aynı satırda farklı harfleri taşıyan gruplar arasındaki farklılıklar istatistiki olarak önemlidir.(p<0,05) Aynı periyot sonunda açık havadaki örnekler ise % luk ağırlık kaybına uğramışlardır. Bu değer 1. raftaki kırmızıbiberlerin ağırlık kaybından % 4.52 daha azdır. 2 saatlik kuruma dönemindeki değerler ile kıyaslandığında 1. raf ile 4. raf arasındaki farkın hala devam ettiği görülmektedir. Yani her iki raftaki kırmızıbiber örneklerinin kuruma eğrilerinin farklı noktalarında yer aldığı söylenebilir. Denemenin 34. saatinde 1. raftaki örnekler ağırlıklarının % ini kaybederken 4. raftaki kırmızıbiberler % lık ağırlık kaybına uğramışlardır. Açık havada kurutulan kırmızıbiberler ise % lük ağırlık kaybına uğramışlardır. Yalnız bu farklılık istatistiki açıdan önemsizdir. Bu sonuçlara göre 1.raftaki ve 4. raftaki kırmızıbiber örnekleri 34 saat sonra kururlarken, açık havadaki örnekler 34 saatten daha fazla kuruma süresine ihtiyaç duymuşlardır. Bu sonuçlar dikkate alındığında güneş enerjili sera tipi raflı güneşli kurutucunun açık havada kırmızıbiber kurutmaya kıyasla kısmen bir kuruma avantajı sağladığı görülmektedir. Bu avantaj gündüz saatlerinde kurutucuda daha yüksek kurutma sıcaklığı sağlayarak kırmızıbiber kurutma denemesinin ilk döneminde üst raflarda hızlı bir ağırlık kaybı sağladığı gözlemlenmiştir. Ayrıca, raflı güneşli kurutucuda olası olumsuz çevre şartlarından (yağmur, toz, vb.) kırmızıbiberleri koruduğu gerçeği dikkate alındığında, güneşli kurutucunun avantaj sağladığı söylenebilir. Ancak, raflı tip kurutucularda gece veya güneşin olmadığı günlerde de kurumanın devam edebilmesi için kurutma odasına ek bir ısıtıcı yerleştirilebilir. Şekil 5 den anlaşılacağı üzere, kırmızıbiberdeki nem oranı azaldıkça kuruma süresi artmıştır. Özellikle biberdeki nem oranının daha düşük değerleri için harcanan enerji miktarı ve kuruma süresi artmaktadır. Kurutmanın ilk 6 saati ürün yoğunluklarının zaman içerisinde nem kaybına bağlı olarak yüzde ağırlık değişimleri oldukça fazladır. Kurutulan ürünler, kuruma zamanı, ürün yoğunluğu ve yüzde ağırlık kaybı açısından karşılaştırıldığında; 5 kg, 7.5 kg, 10 kg ve 12.5 kg lık ürün yoğunluklarına göre kuruma zamanı sırasıyla 26, 32, 33 ve 34 saat olarak bulunmuştur. 136

146 100 Ağırlık Kaybı Değişimi(%) kg 7,5kg 10kg 12,5kg Zaman(saat) Şekil 5. Kurutulan kırmızıbiberlerin çeşitli ürün yoğunluğu için zaman içerisindeki ağırlık kaybı değişimi. 5 kg ürün yoğunluğu için yüzde ağırlık değişimi % 55.16, 7.5 kg ürün yoğunluğu için yüzde ağırlık değişimi %38.89, 10 kg ürün yoğunluğu için yüzde ağırlık değişimi % ve 12.5 kg ürün yoğunluğu için yüzde ağırlık değişimi ise % olarak bulunmuştur. En hızlı ağırlık kaybı değişimi 26 saat olarak 5 kg ürün yoğunluğunda elde edilirken en yavaş ağırlık kaybı değişimi ise 34 saat olarak 12.5 kg ürün yoğunluğunda bulunmuştur. 4. SONUÇLAR Kahramanmaraş ilinde yetiştirilen kırmızıbiber güneş enerjili sera tipi raflı kurutucuda kurutulmuş ve aynı ışınım şartlarında eşzamanlı olarak açık havada ayaklı, ince tel elekle kaplı kurutma sehpalarında kurutulan ürünlerin kuruma zamanı, yüzde ağırlık kaybı ve ürün yoğunluğu açısından karsılaştırılmıştır. Güneş enerjili sera tipi raflı kurutucunun açık havada kırmızıbiber kurutmaya kıyasla kısmen bir kuruma avantajı sağladığı görülmüştür. Bu avantaj gündüz saatlerinde kurutucuda daha yüksek kurutma sıcaklığı sağlayarak kırmızıbiberin kurutma denemelerinde üst raflarda hızlı bir ağırlık kaybı sağladığı gözlenmiştir. Kurutucu oda içerisinde alttaki raflar üstteki raflara göre daha yavaş kurumuştur. Bu durum homojen kurumayı önlemektedir. Bunun için rafların kurutucu içerisinde hareketli olması sağlanmalı veya belirli zaman aralıklarında rafların yönü ve yeri değiştirilmelidir. Kırmızıbiber kurutma denemelerinde, kurutma işleminin ilk altı saatinden sonra, kollektör çıkışı sıcaklık değeri ile nem değeri, kurutucu oda çıkışı sıcaklık ve nem değerlerine çok yakındır. Bu durum ısıtılan havadan yeterince yararlanılmadığını göstermektedir. Bu nedenle kurutma havasında daha fazla faydalanmak için, kurutucu oda çıkışından sonra havayı tekrar kullanmanın yolları aranmalı veya kurutucu oda uzunluğu artırılmalıdır. Güneş enerjili sera tipi raflı kurutucuda kurutulan kırmızıbiberlerin, olumsuz çevre şartlarından (yağmur, toz, vb.) kırmızı biberleri koruduğu gerçeği dikkate alındığında hijyen açısından da, açık alanda kurutulanlardan daha hijyenik olduğu gözlenmiştir. Kurutulan kırmızıbiberlerin renk açısından incelendiğinde kuruma süresinin uzaması ile birlikte renkteki değişim de artmıştır. Sonuç olarak güneş enerjili sera tipi raflı kurutucular Kahramanmaraş ili şartlarında kullanılması tavsiye edilmektedir. 137

147 5. KAYNAKLAR [1] Cemeroğlu, B., Acar, J., Meyve ve Sebze İşleme Teknolojisi. Gıda Teknolojisi Derneği Yayınları. Yayın No: 6. Ankara. [2] Eissen,W., Muhlbaver, W., Kutzbach, H.D., Solar Drying of Grapes Drying Technology3 (1). Pp [3] Ergüneş, G., Gerçekçioğlu, R., Sera Tipi Kurutucuda Kütahya Vişne Çeşidinin Kuruma Özellikleri ve Kuru Ürün Kalitesine Etkileri, Türkiye III Ulusal Bahçe Bitkileri Kongresi Ankara. [4] Ertekin,C., Yaldız, O., Bazı Sebze, Meyve ve Baharlı Bitkilerin Kurutma Yöntemleri ve Kullanılan Güneş Enerjili Kurutucular, Tarımsal Mekanizasyon 18. Ulusal Kongresi. Tekirdağ. [5] Ertekin, C., Yaldız, O., Mühlbauer, W İncirin kuruma karakteristiklerinin belirlenmesi ve kuruma davranışının modellenmesi. Tarımsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi, Eylül, Şanlıurfa, [6] Garg, H.P., Kumar, R., Data, G Simulation model of the thermal performance of a natural convection-type solar tunnel dryer. International Journal of Energy Research, 22, [7] Kara, Z., Ergüneş, G., Ağaoğlu, Y.S., Tokat Yöresinde yetiştirilen Kuş Üzümünün Kurutma Tekniği Üzerinde bir Araştırma Türkiye I. Ulusal Bahçe Bitkileri Kongresi; Cilt 2 s Ekim 1992, İzmir. [8] Koyuncu, T., Pınar, Y., Kırmızı biber için bir güneşli kurutucu tasarımı. Tarımsal Mekanizasyon 20. Ulusal Kongresi, Eylül, Şanlıurfa, [9] Madhlopa, A., Jones, S.A., Kalenga, S., A solar air heater with composite absorber systems for food dehydration. Renewable Energy, 27, [10] Mujumdar, A.S., Handbook of Industrial Drying.Marcel Dekker Inc., New York, 28-32p [11] Mumba, J., Economic analyses of a photovoltaic, forced convection solar grain dryer. Energy, 20(9), [12] Mumba, J., Design and development of a solar grain dryer incorporating photovoltaic powered air circulation.energy Concers. Mgnt, 37(5), [13] Ong, K. S., Solar dryers in the asiapacific region. Renewable Energy, 16, [14] Özbalta, N., Güngör, A., Kurutma Sistemlerinde Isı Pompası Kullanım Potansiyeli. Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü, İzmir, 5-6s [15] Öztekin, S., Başçetinçelik, A., Soysal, Y., Crop drying program in Turkey. Renewable Energy, 16, [16] Scanlin, D., Design, construction and use of an indirect, through-pass, solar food dryer. Home Power, 57, [17] Tiris, C., Tiris, M., Dincer, I., Experiments on a new small-scale solar dryer. Applied Thermal Engineering,16(2), [18] Youcef, A.S., Messaoudi, H., Desmons, J.Y., Abene, A., Le Ray, M., Determination of the average coefficient of the internal moisture transfer during the drying of a thin bed of potato slices. Journal of Food Engineering, 48:

148 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 MİMARİDE GÜNIŞIĞI KULLANIMI VE SİMÜLASYON PROGRAMLARINDA GÜNIŞIĞININ YERİ İTÜ Araştırma Görevlisi Feride ŞENER ÖZET: Bu bildiri kapsamında mimaride günışığı kullanılmasının tasarım ve enerji etkinlik açısından önemi vurgulanarak aydınlatma tasarımının gerçekleştirilmesine yönelik olarak geliştirilen simülasyon araçlarının tanıtılması hedeflenmektedir. Yapılan çalışmada çeşitli günışığı simülasyon programları yardımıyla mimaride günışığına yönelik değerlendirmeler farklı bina tipolojileri için örneklenerek gerçekleştirilmiş, programların kullanımına ve programlardan elde edilen görsel veya sayısal çıktılara yönelik karşılaştırmalar yapılmıştır. Anahtar sözcükler: Aydınlatma, Günışığı Simülasyon Programları, Enerji Etkinlik. Abstract: The aim of this paper is to introduce lighting simulation tools by highlighting the daylight usage in architecture from architectural design and energy efficiency points of view. As part of this study, evaluations about daylight use in architecture is performed for different building typologies by using varioust lighting simulation tools and comparisions due to the visual and numeric outputs of the simulain tools were performed. Keywords: Lighting, Daylight Simulation Tools, Energy Efficiency 1. GİRİŞ Mimaride günışığı kullanımı, doğal ışığın iç mekan tasarımına olan katkısı nedeniyle mimarinin önemli bir tasarım bileşenini oluşturmaktadır. Doğal aydınlatma ile gerçekleştirilen görsel ve psikolojik konforun sağladığı olumlu etkilerin yanı sıra günışığının aydınlatmada tercih edilmesi, sürdürülebilirlik ve enerji etkinlik açısından da son derece önemlidir. Mimaride enerji etkinlik ve sürdürülebilirlik, doğaya zarar vermeyen yaşam alanlarının yaratılmasını ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasını hedefleyen kavramlar olarak tanımlanabilir. Enerji bilinçli tasarım yaklaşımlarında güneş enerjisinden maksimum düzeyde yararlanabilen sistemlerin seçimi, binaların enerji tüketimlerinin minimize edilebilmesi açısından son derece önem kazanmıştır. Binaların aydınlatma sistemleri için harcanan enerji dikkate alındığında günışığının etkin olarak kullanılmasının gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu bildirinin amacı, mimaride günışığının kullanımına yönelik farklı yaklaşımları tanıtmak ve günümüzde aydınlatma tasarımında yaygın olarak kullanılan bilgisayar programlarının günışığı simülasyonu açısından incelenmesini sağlamaktır. 139

149 2. MİMARİDE GÜNIŞIĞI KULLANIM YÖNTEMLERİ Doğal aydınlatma, iç mekanda yarattığı psikolojik etki ve görsel konfor koşullarının en etkin şekilde gerçekleştirilebilmesi amacıyla tarih öncesi çağlardan itibaren mimaride kullanılmakta ve gelişen teknolojik yenilikler, mimariyle doğal aydınlatmanın entegrasyonunu, farklı açılımlar getirerek sağlamaktadır. Günışığı, mekan detaylarının daha iyi şekilde algılanmasını sağlayarak mekan algısını zenginleştirici bir öğe olarak tasarımın parçası olarak değerlendirilebilmektedir. Mimaride sürdürülebilirlik bağlamında doğal aydınlatmanın tercih edilmesi, enerji giderlerinin azaltılması açısından önemlidir. Sürdürülebilir binaların tasarlanması amacıyla, aydınlatma sistemlerinin görsel konfor koşullarını sağlayacak ve enerji tüketimini en aza indirecek biçimde tasarlanmaları gerekmektedir. Mimarların, tasarımlarını enerji etkin ölçütleri temel alarak gerçekleştirebilmeleri bina tasarımı sürecinde çeşitli ölçeklerde alınan kararlara bağlı olarak enerji tüketiminin ve çevresel etkilerin belirlenmesiyle olanaklıdır [1]. Binalar, dünyadaki toplam enerjinin % 40 lık bir bölümünü tüketmekte ve aydınlatma için harcanan elektrik enerjisi, bu oranın içinde önemli bir yer tutmaktadır [2]. Binalarda tüketilen aydınlatma enerjisi miktarı, bina tipolojilerine göre farklılık göstermekte, örneğin konutlarda %28, servis sektöründe % 48, endüstride % 16 ve dış aydınlatmada %8 lik bir bölümünü oluşturmaktadır [3]. Aydınlatma için harcanan elektrik enerjisinin minimize edilebilmesine yönelik olarak günışığının iç mekana kontrollü bir şekilde alınması gerekmektedir. Mekanda doğal aydınlatma sağlanırken günışığına bağlı olarak kamaşmanın oluşmamasına özen gösterilmeli, günışığı açıklığının konumu, formu, boyutu ve malzeme seçimi dikkatle ele alınmalıdır. Binalarda günışığından yararlanmak açısından kullanılan sistemler, geleneksel pencereler, çatı ışıklıkları, ışık tüpleri, optik ışık toplayıcı ve yayıcıları, ışık rafları gibi çeşitli uygulama başlıkları altında toplanmaktadır. Şekil 1 de günışığının iç mekana alınma yöntemleri, bir yapı kesiti üzerinde örneklenmiştir. Çatı Fenerleri Işık Tüpü Çatı Işıklığı Optik toplama ve yayma sistemi Geleneksel Pencereler Işık Rafları Şekil 1. Günışığının iç mekana alınma yöntemleri 140

150 3. AYDINLATMA SİMÜLASYON PROGRAMLARI VE GÜNIŞIĞI Tasarlanan doğal aydınlatma sistemlerinin etkinliğinin belirlenebilmesi amacına yönelik olarak günümüzde çeşitli aydınlatma simülasyon programları kullanılmaktadır. Bu programların binaların tasarım aşamasından itibaren kullanılmasıyla iç mekanda oluşacak günlük veya mevsimsel aydınlık düzeyi değerlerinin saptanması, doğal aydınlatmaya bağlı olarak yapma aydınlatma sistemlerinin tasarlanması, mekanlarda aydınlatma enerjisinin minimize edilmesinin sağlanması, farklı gölgeleme stratejilerinin denenmesi yoluyla kamaşma problemlerinin ortadan kaldırılması ve görsel konfor koşullarının gerçekleştirilmesi mümkün olmaktadır [4]. Günümüzde günışığını dikkate alan aydınlatma tasarımı programlarının kullanımı sayesinde mimari projenin ilk aşamasından itibaren aydınlatmaya ilişkin doğru kararların alınması ve günışığının mimaride aydınlatma açısından doğru kullanılmasının sağlanması mümkün olmaktadır. Radiance, Daysim, Ecotect, Relux, Dialux gibi çeşitli simülasyon programlarının her biri kullanıcılarına aydınlatma tasarımına yönelik aydınlık düzeyi ve parıltı dağılımın hesaplanması, güneş kontrolü elemanlarının etkisi, aydınlatma enerjisi tüketiminin belirlenmesi gibi farklı alanlarda veriler sunmaktadır. Aynı zamanda görsel konforu olumsuz yönde etkileyebilecek direkt güneş ışığının kontrol edilmesi amacıyla güneş kontrolü elemanlarının tasarımı ve bu elemanların iç mekandaki aydınlık düzeyine etkisi, bu araçlar sayesinde belirlenebilmektedir. Aşağıda çeşitli aydınlatma simülasyon programları tanıtılmış ve programların kullanım amaçları özetlenmiştir Radiance Programı Bir yapının doğal aydınlatma simülasyonunun gerçekleştirilmesi, tasarım değişkenlerine, yapı formuna, engellere, ve bulunulan coğrafi koşullara bağlı olarak gerçekleştirilmektedir. Bu amaçla oluşturulmuş aydınlatma simülasyon programlarından olan Radiance programı, Kalifornia Lawrence Berkeley Labratuvarları tarafından geliştirilmiş bir programdır. Radiance programı aydınlatma simülasyonu, gerçek fizik temellerine dayandırılan ve izleyici bakış açısından iç mekanın ayınlatma koşullarını ve ışığın yansımalarını dikkate alan bir araç olarak geliştirilmiştir. Radiance programının ana hedefleri, aydınlık düzeyinin hesaplanması, yapma ve doğal aydınlatmanın ayrı ayrı hesaplanması, komplike yapı geometrileri ile entegre olarak çalışabilmesi, CAD uzantılı mimari çizim sistemleri ile etkileşimin sağlanabilmesi olarak tanımlanabilmektedir [5]. Bilindiği gibi dış ortamdaki temel ışık kaynakları güneş ve göktür. Atmosferik koşullara, bulutluluk oranlarına, havanın kirliliğine bağlı olacak şekilde dış aydınlık düzeyi de değişmektedir. Bu nedenle doğal aydınlatma hesaplarında gerçeğe yakın değerler elde edilebilmesi amacıyla farklı gök modelleri oluşturulmuştur. RADIANCE simülasyon programı, gensky gök modeli derleyicisi üzerinden dört adet gök modeli seçeneğini kullanmaktadır. Genksy derleyicisinin baz aldığı dört temel gök modeli CIE uniform gök modeli, CIE kapalı gök modeli, CIE açık gök modeli ve Matsuura ortalama gök modelidir. Radiance Programına veri girişi gerçekleştirilirken, hesaplamanın yapılacağı mekanın modellenmesi gerekmektedir. Mekan malzemelerinin gerçeğe uygun olarak seçilmesi ve dış çevrenin, bina dış engellerinin doğru olarak tanımlanması önemlidir. Bu amaçla Radiance programı içerisinde yer alan malzeme ve tefriş kütüphanesinden yararlanılabilmektedir. Radiance modelinin istenen coğrafi koşullar için uygulanmasına ilişkin bir örnek olarak Şekil 2 de yer alan İTÜ Taşkışla Mimarlık Fakültesi Kütüphanesi simülasyonu verilmiştir. Örneklenen mekanın, ortalama gök modeli kullanılarak farklı zaman dilimleri için doğal aydınlatma simülasyonları yapılmış, elde edilen veriler iç mekanın görsel konfor koşullarının değerlendirilmesi amacıyla kullanılmıştır [6]. Verilen örnek üzerinde yer alan renk skalası, farklı aydınlık düzeylerini ifade etmek için kullanılmaktadır. Gerçekleştirilen görsel çıktı 141

151 örneğinde mavi renk 50 lx- 250 lx, yeşil renk lx ve kırmızı renk ise 650lx 950 lx değer aralığını ifade etmektedir. (a) (b) Şekil 2. İTÜ Taşkışla Mimarlık Fakültesi Kütüphanesi 15 Ocak 09:00 (a) ve 15 Temmuz 09:00 (b) aydınlık düzeyini ifade eden program çıktıları 3.2. Ecotect Programı Ecotect programı, bina tasarım aşamasından itibaren yapının aydınlatma, akustik, gölge analizi, termal analiz gibi hesaplamalarını gerçekleştirebilmek amacıyla Dr. Andrew Marsh tarafından tasarlanan bir yazılımdır [7]. Aydınlatmaya yönelik olarak bu program, günışığı faktörü hesabı, gölge konisi hesabı ve Radiance ve Daysim programları ile entegre olacak şekilde aydınlık düzeyi ve aydınlatma enerjisi hesabının gerçekleştirilebileceği bir simülasyon aracıdır. Ecotect programında yıllık ve günlük güneş diyagramlarından yararlanılarak iç mekana alınan direkt güneş ışığının mekandaki gölge etkisini saptamak mümkündür. Bu özellik sayesinde dış engellerin ve komşu binaların, tasarlanan mekana etki edeceği gölgeleme durumları, günlük ve saatlik olarak öngörülebilmektedir. Şekil 3 de İstanbul da bir yerleşim yeri için 15 Mart tarihinde gün saatlerinde gerçekleştirilmiş gölge konisi analizi örnek olarak verilmiştir. Ecotect programı sayesinde bina tasarımcılarının gölge analizlerini pratik bir şekilde gerçekleştirmesi ve tasarım kararlarını elde edilen değerlendirmelere göre vermeleri sonucunda iç mekanda görsel konforun sağlanması ve aydınlatma enerjisi tüketiminin minimize edilmesi mümkün olmaktadır. 142

152 Şekil 3. Ecotect programı ile gerçekleştirilmiş bir yerleşim yeri gölge konisi analizi Ecotect programı, binalarda güneş kontrolü amacıyla gölgeleme araçları tasarlamaya yönelik özelliklere sahiptir. Program sayesinde iç mekanda direkt güneş ışığının etkin olacağı zaman aralıkları belirlenerek uygun güneş kontrolü araçlarının tasarlanabilmesi ve kamaşma problemlerinin önlenmesi mümkün olmaktadır. Özellikle müze binaları gibi direkt güneş ışığının iç mekana alınmasının istenmediği yapı tipolojileri için gerekli önlemler alınabilmektedir. Şekil 4 de Stuttgart Sanat Müzesi için yapılan bir simülasyon örneğinde direkt güneş ışığının duvarlarda yer alan eserleri etkilediği bir durum örneklenmiştir [8]. Şekil 4. Stuttgart Sanat Müzesi 15 Şubat 09:00 için gerçekleştirilmiş bir simülasyon örneği 143

153 3.3 Relux Programı Relux aydınlatma tasarımı programı, 1998 yılında Almanya da çeşitli aydınlatma firmalarının kuruluşu olan Relux Informatik AG tarafından geliştirilmiş bir simülasyon programıdır [9]. Programa tasarımı yapılacak olan mekanın bulunduğu coğrafi konumun ve simülasyonun gerçekleştirilmesi öngörülen tarih bilgilerinin girilmesi koşulu ile yapma ve doğal aydınlatma simülasyonu radiocity-yayılım yöntemine göre gerçekleştirilmektedir. Relux programında genel olarak elde edilebilecek veriler, yapı yüzeylerinde veya çalışma düzleminde oluşan aydınlık değerlerinin sayısal tablolar, renkler veya eşaydınlık düzeyi eğrileri şeklinde ifadesi, mekanın tümünde veya mekandan alınmış bir kesit üzerinde aydınlık düzeyinin değişikliklerini ifade eden grafikler, mekanın gerçeğe yakın olarak modellenebilmesi sonucu elde edilen görselleştirmeler olarak gruplanabilmektedir. Relux programı ile gerçekleştirilen simülasyonlarda doğal ve yapma aydınlatmayı ayrı ayrı ele almak veya her ikisini birden kullanmak mümkündür. Relux programı, günışığı hesaplamalarında CIE kapalı gök ve CIE açık gök modeli olmak üzere iki farklı gök modeli kullanmaktadır. Kapalı gök modeline göre yapılan hesaplamalarda yaygın gök ışığının aydınlatmaya olan etkisi hesaba katılırken açık gök modelinde ise güneşin bulunduğu konuma ve güneş ışığının geliş açısına göre hem direkt hem de yaygın ışığın etkisi hesaplanmaktadır. Şekil 5 de Relux Smart programında simüle edilmiş bir toplantı odası hacminin kapalı ve açık gök koşullarında, 21 Mart günü saat10:00 da İstanbul koşulları için elde edilmiş çalışma düzlemi üzerindeki eşaydınlık eğrilerini gösteren plan ve iç mekan perspektifleri örnek olarak verilmiştir. 21 Mart, 10:00- Kapalı gök 21 Mart, 10:00- Açık gök 144

154 Şekil 5. Kapalı ve Açık gök koşulları ile modellenmiş bir toplatı odası hacminin karşılaştırmalı örneği 1. Dialux 4.7 Programı Dialux programı, aydınlatma tasarımı için kullanılabilecek bir diğer simülasyon programıdır. Programın içinde yer alan malzeme ve farklı aydınlatma firmalarına ait aydınlatma elemanlarının kütüphaneleri sayesinde aydınlatma uygulamaları geliştirilip görselleştirilebilmekte, aydınlatmanın niteliği ve niceliği ile ilgili olarak sayısal ve görsel çıktılar elde edilebilmektedir. Programda dış engellerin işlenmesi ve dış engellerin iç mekanda elde edilebilecek aydınlık düzeyine etkisini saptayabilmek amacıyla hazırlanmış farklı nesnelerin kullanılması mümkündür. Programın kütüphanesinde yer alan farklı yapı tipolojileri ve peyzaj öğeleri, dış engeller olarak kullanılabilmektedir. Dialux programda günışığına dayalı aydınlatma tasarımı yapılırken, mekanların yer aldığı coğrafi konum, enlem ve boylam bilgileri, yapının yönlenişi bilgileri programa veri olarak girilebilmekte, ülkelerin kullanmış oldukları zaman dilimleri seçilebilmekte ve yaz saati uygulamasının zaman aralıkları belirtilebilmektedir. Çıktı özellikleri açısından Dialux programı, Relux ile benzerlik taşımaktadır ancak günışığı hesaplamaları açısından Relux programından farklı olarak Dialux de CIE açık, CIE kapalı ve CIE ortalama gök modeli olmak üzere üç adet gök modeli kullanmaktadır. Pencerelerin programa tanıtılmasında saydam bileşenlerin malzemelerine göre değişen ışık geçirgenlik katsayıları, iç mekanın kullanılma durumuna ve işlevine bağlı olarak kirlilik katsayıları ve çerçevelerin malzeme, sabit- hareketli durumda olmalarına göre değişen çerçeve katsayıları seçilerek hesaplamalara katılabilmekte, böylelikle seçilen malzemelerin ve çerçeve türlerinin kullanılması durumunda elde edilen değerlerin karşılaştırılması yapılabilmektedir. Şekil 6 da Dialux programı kullanılarak simüle edilmiş İstanbul koşullarındaki bir ofis hacminin 15 Mart saat 12:00 için çalışma düzlemi üzerinde hesaplanmış günışığı aydınlığının hesaplama sonucu (a) ve iç mekandan alınmış bir görselleştirmeye (b) yer verilmiştir. Şekil 6. Bir ofis hacminin Dialux programı ile gerçekleştirilmiş günışığı aydınlığının hesaplama sonucu (a) ve ve iç mekan perspektifi (b) 145

155 3.5 Daysim Programı Daysim aydınlatma simülasyon programı, Radiance tabanlı olarak geliştirilmiş bir yazılım olup binaların aydınlatma için tükettikleri enerji miktarının saptanmasına yönelik olarak tasarlanmıştır. Daysim programı ile iç mekan aydınlatma simülasyonunun gerçekleştirilebilmesi için simüle edilecek hacmin ve yapı malzemelerinin tanımlanması gerekmektedir. Yapı geometrisi, Ecotect, Sketch-up gibi programlarda hazırlanmış modeller kullanılarak oluşturulabilmektedir ancak bina modeline ilişkin veriler, Radiance programı veri dosyalarının formatına uygun olarak programa tanıtılmalıdır. Aydınlatma hesaplamalarının gerçekleştirilmesi için sensör noktaları tanımlanarak aydınlatma sistemlerinin etkin olduğu zaman aralıklarının belirlenmesi gerekmektedir. Daysim programı, kullanıcı davranışlarına ilişkin olarak geliştirilmiş Lightswitch isimli kullanıcı kontrol modelini kullanmaktadır. Bu model sayesinde farklı kullanıcı ve aydınlatma sistemlerinin seçilmesi sonucunda elde edilebilecek enerji kazancının belirlenebilmesi mümkün olmaktadır. Daysim programında çalışma zaman aralıkları programa veri olarak girilmekte ve aydınlatma için harcanan elektrik enerjisi tüketiminin hesaplamasında bu değerler dikkate alınmaktadır. Gerçekleştirilen hesaplamalarda kullanıcıların mekanı kullanım şekilleri ve mevcut güneş kontrol elemanlarının aktif veya pasif olması durumları da değerlendirmeye katılmaktadır. İç mekanda görsel konfor koşullarının sağlanabilmesine yönelik olarak istenen aydınlık düzeyi belirtilmekte ve hesaplamalar tanımlanan düzey dikkate alınarak gerçekleştirilmektedir. Şekil 7 de Daysim Programın arayüzüne ilişkin bir görsele yer verilmiştir [10]. Şekil 7. Daysim programı arayüzü Daysim programında gerçekleştirilen bir aydınlatma simülasyonunun sonuçları kullanıcılara raporlar olarak sunulmakta, metrekare başına düşen aydınlatma enerjisi ve mekanın toplam 146

156 aydınlatma yükü hesaplanmakta, sensör noktalarında elde edilen günışığı faktörü, günışığı otonomisi ve yıllık ışığa maruz kalma durumu her bir nokta için listelenmektedir. Ecotect ve Radiance programları ile entegre olarak çalışan bu program, aydınlatma enerjisinin hesaplanmasına yönelik olarak hazırlanan ve dünyada yaygın olarak kullanılan simülasyon programları arasındadır. 4. SONUÇ Bu bildiri kapsamında 5 adet aydınlatma simülasyon programı incelenmiş ve her bir program kullanım alanlarına göre değerlendirilmiştir. İncelenen programlardan Radiance, Ecotect ve Daysim, veri alış verişi yapabilmeleri ve entegre olarak çalışabilmeleri açısından tercih edilirken Relux ve Dialux sadece CAD dosyalarından veri alınmasını desteklemektedir. Radiance, Ecotect, Relux ve Dialux programlarında tasarlanan hacmin coğrafi konum bilgileri enlem ve boylam olarak programlara tanıtılırken Daysim programı Energy Plus programı iklim verileri dosyalarındaki enlem, boylam, deniz seviyesinden yükseklik, saatlik direkt ve yaygın ışınım verilerini Daysim iklim dosyalarına dönüştürmekte ve günışığı hesaplamalarında bu verileri kullanmaktadır. Doğal aydınlatma simülasyonlarında kullanılan gök modelleri, mevcut duruma en yakın sonuçlara ulaşmak amacıyla önem taşımakta, her bir doğal aydınlatma simülasyon programı farklı gök modeli seçenekleri sunmaktadır. Gerçekleştirilen incelemelerde programların baz aldığı gök modeli çeşitlerine yer verilmiştir. Günışığının iç mekanda yarattığı görsel ve psikolojik etki sebebiyle mimaride doğal aydınlatmaya dayalı sistemler geliştirilmekte ve kullanılmaktadır. Günümüzde enerji bilincinin artması ve enerji bilinçli yaklaşımların önem kazanması sebeplerinden dolayı doğal aydınlatmaya dayalı stratejilerinin geliştirilmesi önem kazanmıştır. Bir mekanın aydınlatma tasarımı gerçekleştirilirken doğal ve yapma aydınlatma sistemlerin doğru tasarımı için aydınlatma simülasyon programlarının gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Mimaride aydınlatmanın ve görsel konfor koşullarının simüle edilebilmesi, aydınlatma tasarımı programları ile mümkün olmaktadır. Günümüzde mimari aydınlatma konusunda yer alan simülasyon programlarının çeşitliliği, mimarlara ve aydınlatma tasarımcılarına kolaylıklar sağlamakta ve binaların aydınlatma için tükettikleri enerji miktarını önceden belirlemek için yardımcı olmaktadır. Aynı zamanda mimari tasarım aşamasından itibaren bu programların kullanılması sonucu ileride görsel konfor koşullarının sağlanmasına yönelik olarak oluşabilecek aksaklıkların önlenmesi mümkün olabilmekte ve tasarım kararlarını enerji tüketimi ile ilişkilendirilip doğru seçeneklerin kullanılması sağlanabilmektedir. 147

157 KAYNAKLAR 1- Yener A. K., Uyan F., Şener F., 2009, Binaların Sürdürülebilirliklerinin Belirlenmesinde Aydınlatma Sistemlerinin Değerlendirilmesi, 5.Ulusal Aydınlatma Sempozyumu, pp: IEA Annex 45, Reinhart C. F., Herkel S., 1999, The Simulation of Annual Daylight Illuminance Distributions,a state of the art Comparison of Six Radiance-Based Methods, Energy and Buildings, 32, pp: Ward, G.,1994; The RADIANCE Lighting Simulation and Rendering System, Lawrence Berkeley Laboratory, Kaliforniya. 6- Şener F., Yener A. K., 2008, Kütüphanelerde Aydınlatma İlkeleri ve bir Örnek İncelemesi, 7.Ulusal Aydınlatma Kongresi, pp: Ecotect Programı İnternet Sayfası: < 8- Şener F., 2009, Lighting in Museum Buildings and Investigation of a Case Study, İTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi. 9-Relux Programı İnternet Sayfası: Reinhart C. F., 2006, Tutorial on the Use of Daysim Simulations for Sustainable Design, Institute for Research in Construction, National Research Council,Canada. 148

158 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 MUĞLA TOKİ EVLERİNDE GÜNEŞ ENERJİSİNİN SICAK SU, ISITMA SİSTEMİ VE ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİNDE UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI VE EKONOMİK ANALİZİ Mehmet TAN a, Ali KEÇEBAŞ b ve Mustafa ACAR c a Muğla Üniversitesi, Ula Ali Koçman Meslek Yüksek Okulu, MUĞLA b Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, AFYON c Süleyman Demirel Üniversitesi, Makine Mühendisliği, ISPARTA m_tan76@hotmail.com, alikecebas@aku.edu.tr, m.acar@mmf.sdu edu.tr ÖZET Ülkemizin coğrafi konumun da Muğla ili güneş radyasyonu potansiyeli açısından oldukça önemli bir değere sahiptir. Enerji kaynağının yerinde değerlendirilmesi açısından Muğla ilinde inşa edilen Toplu Konut İdaresi (TOKİ) evlerinde güneş enerjisi teknolojilerinin kullanılması araştırılmıştır. TOKİ evlerinde ihtiyaç duyulan temiz sıcak suyun iki farklı güneş kollektörüyle sağlanması ve bu iki tip kollektörün birbirleri arasında karşılaştırılması yapılmıştır. TOKİ evlerinde elektrik üretiminin güneş pili fotovoltaik teknolojisiyle yapılması ve ulaşılan son noktadaki fotovoltaik pillerin ürettikleri elektrik enerjisi miktarları karşılaştırılmıştır. Güneş pilleri ile elektrik üretiminin yapılmasının uygulanabilirliği ve ekonomik analizi yapılarak maliyeti çıkarılmıştır. Enerji bakanlığının yürüttüğü güneş pilleri ile elektrik üretimi yapılmasının TOKİ evlerinde uygulanması ve üretilen elektriğin artan kısmının şebekeye satılması konularındaki son bilgiler ve teşviklerin neler olduğu sunulacaktır. Anahtar Kelimeler: Muğla TOKİ evleri, Güneş Enerjisi, Sıcak su eldesi, Isıtma, Elektrik enerjisi üretimi. 1. GİRİŞ Günümüzde artık her kesimden insanın kabul ettiği enerji tasarrufu, enerjinin verimli ve etkin kullanımı ekonomik kriz ortamında toplu yaşanılan bu tür konutlarda enerji verimliliği konusunun göz ardı edilmemesi gerektiği ve toplumsal bir bilinç oluşturması açısından büyük bir önem taşımaktadır. Binalarda yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının artırılması ve denetlenmesi ulusal ekonomimize ve çevremize sağlayacağımız yüksek önem arz eden konuların başında gelmektedir. Enerji verimliliği kanunu kapsamı içerisinde yer alan başlıklarda binalarda enerji verimliliğinin artırılması ve desteklenmesi, toplum genelinde enerji bilincinin geliştirilmesi ve yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanılması gerektiğini bildirmektedir. 149

159 Kanun kapsamında yer alan bu konuların kamu ve toplu konut binalarında uygulanabilirliği konusunda örnek bir adım atılmasının sağlayacağı faydalar Muğla Toplu Konut İdaresi (TOKİ) evlerinde incelenmiştir. Muğla TOKİ evleri mülk sahiplerine teslim edildikten sonra konutlarda enerji verimliliği açısından kanunun çizdiği kapsama pek de uymayan durumlar olduğu tespit edilmiştir. Enerji verimliliği kanununda merkezi ısıtma sistemine sahip binalarda, merkezi ve lokal ısı ve sıcaklık kontrol cihazları ile ısınma maliyetlerinin ısı kullanım miktarına bağlı olarak paylaşımını sağlayan sistemler kullanılır [1]. Maalesef bu madde içeriği de Muğla TOKİ evlerinde uygulanmamıştır. Buna ilaveten TOKİ evlerinde merkezi olarak boylerli temiz sıcak su üretimi sağlayacak sistem düşünülmeyerek mülk sahiplerinin temiz sıcak su ihtiyaçlarını tekil bağımsız sistemle sağlamaları istenmektedir. Güneş radyasyonu potansiyeli açısından hem Türkiye hem de bölgesel ortalamanın üzerindeki değerleriyle bir güneş şehri olan Muğla da güneşli sıcak su hazırlama sistemleri yılın 10 ayında ihtiyacı karşılayacağı bilinmektedir. Bu potansiyeli kullanarak bu tür toplu konut uygulama alanlarında yenilenebilir enerji kaynakları kullanılarak verimli sistemler kurmak konfor ve ekonomik açıdan üstün faydalar sağlamaktadır. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı imzalama hazırlığı içerisinde olduğu yeni bir protokolle Toplu Konut İdaresi binalarına güneş pili koymaya hazırlanırken bu kapsamda dar ve sabit gelirli vatandaşa bedava elektrik kullandırmak hedeflenmektedir [2]. Enerji Bakanlığı nın binalarda enerji tasarrufu, enerji verimliliğinin artırılması yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma çalışmalarının hızla sürüyor olması da ülkemiz açısından sevindirici bir durumdur. Bu hedefin uygulama alanları içerisinde yer alabilecek Muğla da güneş pilleri yardımıyla elektrik üretilmesi imkanı da mevcuttur. Bu tür uygulamalar da artık yönetmeliklerle, kanunlarla, makine, elektrik, tesisat mühendisleri odalarının yaptığı çalışmalarda binaların enerji ihtiyaçlarının karşılanması yöresel temiz enerji kaynaklarının öncelikli olarak düşünülmesi ve planlanması gerektiği vurgulanmaktadır. Binalarda enerji verimliliğini artırılması için, bu tür toplu konut uygulamaları yapılırken enerji yöneticisi atanması gerekliliği doğmaktadır. Proje onaylama noktasında bu tür eksikliklerin giderilmesi gerektiğinin Enerji yöneticisi tarafından bildirilmesi daha uygundur. Proje bitiminde farkına varmanın bir anlam ifade etmediği ve fayda sağlamayacağı bilinmelidir. Bu çalışmada güneş enerjisi potansiyeli açısından oldukça zengin Muğla ilinde 2007 yılında inşa edilen 860 konutluk TOKİ evlerinin güneş enerjisinden istifade ederek temiz sıcak su, ısıtma sistemi ve elektrik enerjisi üretimi sağlanmasının uygulanabilirliği araştırılmaktadır. Buradaki binalarda ısıtma amaçlı olarak mevcut katı yakıtlı kalorifer sistemi işletilmekte ve temiz sıcak su hazırlama amaçlı bir sistem bulunmamaktadır. Farklı tip güneş enerjisi kolektörleri ile sistemlere sıcak su sağlanacak ve güneş pilleri ile de elektrik üretimi yapılmasının koşulları araştırılarak çevreye olan yararlar, enerji verimliliğine ve ekonomiye olan etkilerinden bahsedilmektedir. 2. MUĞLA TOKİ EVLERİNDE GÜNEŞTEN SICAK SU ELDESİ VE ISITMA Güneş enerjisinden faydalanmanın en basit ve en başta gelen yöntem temiz sıcak su elde edilmesidir. Sonraki ise ısıtma için kullanılmasıdır. Büyük bir binada yaşayan insanların ihtiyacını karşılayabilecek güneş sistemlerinin güvenilir ve verimli işletme şartlarına sahip 150

160 olduğu kolayca garanti edilebilir ve bu potansiyele de sahiptir. Çünkü güneş doğduğu ve ışıdığı sürece bu enerji tükenmeyecektir. Evlerde kullanım ve ısıtma amaçlı sıcak su üretimi için kullanılan güneş sistemlerinin önemli avantajlarının bulunduğunu belirtmekte fayda vardır. Bunlar: İşletme aşamasında her hangi bir yakıt maliyeti olmadığından kullanıcıya önemli bir işletme tasarrufu sağlamaktadır, Sıcak su sürekli olarak mevcuttur, Sistem güneşin temiz ve kirleticisi bulunmayan enerjisini kullandığından karbon dioksit (CO 2 ) emisyonun düşürülmesine katkıda bulunacaktır. Karbon dioksit bilindiği üzere sera etkisi nedeniyle küresel ısınmaya neden olmaktadır [3]. Güneşle sıcak su hazırlama esasları içerisinde mevcut binalarımızın yerleşimlerine göre güneş kolektörleri yerleştirilir. Güneş enerjili su ısıtma sistemleri, güneş enerjisini toplayan kolektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, pompa ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır. Enerji, toplayıcılardan ısı deposuna oradan da temiz sıcak su için kullanılacak yere iletilir. Isıtma da ise ısıtılacak yere herhangi bir sıvı veya hava yoluyla tamamen kontrollü olarak aktarılır. Güneşli su ısıtma sistemi oluştururken güneş ışınlarını ısı taşıyıcı sıvıya aktaran ısı değiştirici en önemli parçası kolektörlerdir. Günümüzde güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan düz yüzeyli ve vakum tüplü güneş kolektörleri en bilinen çeşitleridir. Düz yüzeyli kollektörlerin tasarımları basittir, pompalı veya pompasız çalışırlar. Özellikle pompasız çok rağbet görmektedir. Otomatik kontrol sistemi (eğer varsa) basit bir düzenektir. Isı toplama devresine ısı değiştirgeci koymaya gerek yoktur. Kapalı tip sistemlerde dolaşım suyuna antifiriz eklenerek kışın olabilecek donma tehlikesi ortadan kalkar ve sistemin kullanım ömrü artar. En önemli avantajı maliyetinin düşük olmasıdır. Ama dezavantajları ise pompasız olanlar don tehlikesi olmayan veya çok az olan bölgelerde kullanılabilir. Ayrıca pompa eklenince maliyet ve verim düşmektedir. Vakum tüplü güneş kollektörleri iç içe geçmiş iki cam tüpten oluşmaktadır. Tüpler arasındaki hava, vakumlama teknolojisi sayesinde boşaltılmış, böylece ısı kaybı azaltılmıştır. Dıştaki özel yapılmış cam her türlü hava koşuluna dayanıklıdır. İçteki cam tüpün yüzeyi güneş ışınlarını en iyi şekilde toplamak için üretilmiş, siyah renkli bir maddeyle kaplanmıştır. Cam tüpler yuvarlak yapısı sayesinde günün her saati güneş ışınlarını dik olarak alır. İki cam tabaka arasındaki vakum izolasyonundan dolayı kış aylarında donma riski yoktur ve antifiriz gerektirmez. Dezavantajları ise bu sistemler düz kollektörlü sistemlere göre daha pahalıdır. Özellikle bulutlu havalarda ve kış aylarında yüksek verim beklentisinin gerçekleşmemesi pahalı olan bu sistemlere olan talebi azaltmaktadır. Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinin projelendirilmesi ve boyutlandırılmasında genellikle iki yöntem kullanılır. Bunlar f-chart yöntemi ve kollektör yüzey alanı tespit yöntemidir [4]. f chart yöntemi ile ilgili çalışmalar literatürde bulunmaktadır [5, 6]. Bu çalışmada kollektör yüzey alanı tespit yöntemi kullanılarak değerlendirilmiştir. Güneşli su ısıtma sistemi için iki farklı tipteki düz yüzeyli ve vakum tüplü kolektörlerden oluşan sistemler düşünülerek hesaplamalar yapılmıştır. Muğla ili 28.4 doğu boylamı ve 37.2 kuzey enlemin yer almaktadır. Ayrıca bu hesaplamalarda kullanılan değerler Tablo 1 de sunulmuştur. Hesaplamalar tüm yıl sistemden faydalanma oranı % 50 nin altına düşmeyecek ve sistemi bu şekliyle çalıştıracak şekilde hesaplanmıştır. 151

161 Tablo 1. Hesaplamalarda kullanılan değerler. Kullanım sıcak suyu için Binadaki kişi sayısı 64 kişi İstenilen su sıcaklığı 50 C Aylık ortalama şebeke suyu sıcaklığı 17 C Su tüketimi (lt/gün) 3200 Isıtma için Güneş enerjisi desteği %40 Fuel-oil yakıtlı kazan desteği %60 İnsanların günlük tüketeceği sıcak su miktarı toplumsal, kültürel ve yaşam kalitelerine göre farklılıklar göstermesi çok doğaldır. 860 konutluk Muğla TOKİ evlerinde yaşayan insanların çoğunluğu kamu görevlisi ve üniversite öğrencilerinin oluşturduğu ve yaşam kalitesi ülke şartlarına göre üst sayılabilecek bir pozisyondaki topluluktur. Bu açıdan binalarda yaşayan insanlar aile olarak düşünülerek asgari 4 kişilik bir ailenin ihtiyaç duyacağı azami sıcak su ihtiyacı kişi başına 50 lt/gün olarak belirlenmiştir. Hesaplamalar bir bina için yapılmıştır Vakum Tüplü Kolektör kw/m² Düz Yüzeyli kolektör kw / m² ocak şubat mart nisan mayıs haziran temmuz ağustos eylül ekim kasım aralık Şekil 1. Düz ve vakum tüplü kolektörlerin ürettiği enerji eğrileri. Güneşli su ısıtma sistemi için düz yüzeyli ve vakum tüplü kolektörlerden oluşan sistemler düşünülerek karşılaştırılmaları yapılmış ve Şekil 1 de gösterilmiştir. Şekil 1 de vakum tüplü kollektör yıl boyunca daha iyi vermiştir. Güneşlenme süresi ve güneş ışınımı şiddetinin yüksek olduğu Güneydoğu Anadolu, Akdeniz ve Ege Bölgelerinde, genel olarak düz kolektörlü açık sistemler tercih edilmektedir. Hem düşük maliyetli olması hem de bölgenin güneşlenme açısından zengin olması tüketicinin verimlilik ve kaliteden çok, düşük fiyata önem verdiğini göstermektedir [5]. Bu yüzden Muğla da da düz yüzeyli kollektör kullanılabilecektir. 152

162 Tablo 2. Hesaplama sonuçları. Kullanım sıcak suyu için Isıtma için Düz yüzeyli Düz yüzeyli kollektör Vakum tüplü kollektör kollektör Adet 20 Adet 134 Adet 22 Verim 0.74 Verim 0,85 Verim 0.74 Net alanı 2,1 m² Absorber yüzeyi 13,4 m² Net alanı 2,1 m² Brüt alanı 2,1 m² Açıklık yüzeyi 14,33 m² Brüt alanı 2,1 m² Toplam net Yerleştirme Toplam net 42 m² 19,56 m² alan alanı alan 46,2 m² Hesaplama sonuçlarından Muğla TOKİ evlerinde bir konut için kullanım sıcak suyu ve ısıtma için kollektör adetleri ve yaklaşık yerleştirme alanları Tablo 2 de verilmiştir. Muğla TOKİ konutlarında bir bina için açık sistem düz yüzeyli kolektörlü güneşli su hazırlama sistemi hesabı yapılan değerler ve karşılama oranlarını sağlayacak şekildeki sistem üretici firmalardan alınan teklifler sonucunda sistem kurulumu yapılabilir. Hangi sistem seçilirse seçilsin Muğla TOKİ evlerinde güneşten sıcak su elde edilmesi ekonomik açıdan büyük bir rahatlık ve kolaylık sağlayacaktır. Sistemin ısıtma tesisatına da destek olacağı düşünüldüğünde bu da yakıt giderlerinin azalmasına ve CO 2 gazı emisyonlarının da düşmesi anlamına gelecektir. 4. MUĞLA TOKİ EVLERİNDE GÜNEŞ PİLLERİ İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı imzalama hazırlığı içerisinde olduğu yeni bir protokolle TOKİ binalarına güneş pili koymaya hazırlanırken bu kapsamda dar ve sabit gelirli vatandaşa bedava elektrik kullandırmak hedeflenmektedir [2]. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı nın çıkarttığı Yenilenebilir Enerji Yasası ve bu yasa sayesinde güneş enerjisinden elektrik üretimi yaparak evlerin çatı ve duvarlarındaki güneş pilleri sayesinde, 500 kw a kadar izin almadan üretebilecekler ve ürettiğinin fazlasını ise devlete yani şebekeye satabileceklerdir. Muğla Üniversitesi güneş pilleri ile elektrik üretimi konusunda gösterdiği öncü çalışmalarla Muğla ilindeki yüksek güneş enerjisi potansiyelin değerlendirilebileceğini uygulama örnekleri ile ortaya koymaktadır. Bu veriler ışığında güneş pilleri ile Muğla TOKİ evlerinde elektrik üretimi yapılabilmesinin uygulanabilirliği, maliyeti ve bu uygulamanın kanun kapsamına alınarak üretilen fazla elektriğin şebekeye satılması araştırıldı. Günlük bir bina için elektrik sarfiyatını belirlemek oldukça uygun değerler alarak mümkün olacaktır. Bir daire için tüketim değerini tespit etmek için Tablo 3 teki değerler kabul edilmiş ve toplamda 5 kw lık gücü beslenmesi istenmektedir. 153

163 Tablo 3. Günlük Puant elektrik yükü. Cihazlar Harcadığı enerji Çalışma süresi Birim tüketimi (W) (saat) (W) Buzdolabı Televizyon Çamaşır makinesi Bilgisayar Klima TOPLAM 5000 Daire başına 5 kw/gün güç gereksinimi toplam 16 daire için 80 kw/gün tüketim öngörülmüştür. Tabii ki bu yükün hepsi aynı anda çekilmeyecektir. Elektrik projelerinde toplam yükün % 40 nın aynı anda çekileceği düşünüldüğünde üretilecek elektrik miktarı gereksinimi karşılamaktadır. RETScreen [7] adlı internet sitesinin sunduğu güneş paneli seçim programı yardımıyla yapılan 16 dairelik bir bina için güneş pili proje bilgileri Şekil 2 de verilmiştir. Ayrıca hesaplamalarda kullanılan Muğla için aylık iklim bilgileri Tablo 4 te verilmiştir. PROJE BİLGİLERİ Proje adı Proje yeri TOKİ Muğla / Türkiye Hazırlatan Teskon 2009 Hazırlayan Mehmet TAN - Ali KEÇEBAŞ - Mustafa ACAR Proje tipi Teknoloji Şebeke tipi Elektrik Fotovoltaik Merkezi şebeke Analiz türü Yöntem 1 Isıl değer referansı Üst Isıl Değer (ÜID) SAHA REFERANS KOŞULLARI İklim verisi yeri Muğla Birim İklim verisi yeri Proje yeri Enlem N 37,2 37,2 Boyla m E 28,4 28,4 Rakım M Şekil 2. Güneş pili proje bilgileri. 154

164 Ay Hava sıcaklığ ı Bağıl nem Tablo 4. Muğla ili iklim verileri. Günlük güneş radyasyon u - yatay Atmosferi k basınç Rüzga r hızı Yer sıcaklığ ı Isıtma derecegün Soğutm a derecegün C % kwh/m²/d kpa m/s C C-d C-d Ocak 5,4 77,9 2,36 95,2 2,0 5, Şubat 5,6 75,5 3,18 95,1 2,2 6, Mart 8,1 72,9 4,43 95,0 2,1 10, Nisan 12,5 68,6 5,37 94,8 2,0 16, Mayıs 17,9 61,3 6,71 94,8 2,1 23, Haziran 23,2 50,2 7,80 94,7 2,4 28, Temmuz 26,4 45,2 7,77 94,5 2,7 32, Ağustos 26,3 47,6 6,93 94,6 2,5 31, Eylül 22,0 53,0 5,70 94,9 2,2 26, Ekim 16,1 64,8 4,00 95,2 1,8 19, Kasım 10,0 75,7 2,63 95,3 1,9 11, Aralık 6,5 81,3 2,01 95,2 1,9 6, Yıllık 15,1 64,4 4,92 94,9 2,1 18, Tablo 5. Güneş pili sistem karakteristikleri. Sistem karakteri Fotovoltaik Tip mono-si Güç kapasietsi kw 80,04 İmalatçı GE Model mono-si - AP birim Verimlilik % 12,3 Nominal çalışma hücresi sıcaklığı C 45 Sıcaklık katsayısı % / C 0,40 Güneş kollektörü alanı m² 650 Kontrol yöntemi Çeşitli kayıplar % 5,0 İnverter Verimlilik % 90,0 Kapasite kw 72,0 Çeşitli kayıplar % 0 Özet Kapasite faktörü % 18,3 Sağlanan elektrik Şebekeye verilen elektrik MWh 128,

165 Tablo 6. Elektrik sistemi verileri Önerilen durum ve elektrik sistemi Teknoloji Fotovoltaik Analiz türü Yöntem 2 Kaynak değerlendirmesi Güneş izleme modu Sabit Eğim 30,0 Azimut Verileri göster Evet Ay Günlük güneş radyasyonu - yatay Günlük güneş radyasyonu - eğimli Elektrik ihracat fiyatı Şebekeye verilen elektrik kwh/m²/d kwh/m²/d $/MWh MWh Ocak 2,36 3,56 162,0 7,588 Şubat 3,18 4,23 162,0 8,101 Mart 4,43 5,19 162,0 10,829 Nisan 5,37 5,59 162,0 11,087 Mayıs 6,71 6,42 162,0 12,794 Haziran 7,80 7,14 162,0 13,386 Temmuz 7,77 7,25 162,0 13,807 Ağustos 6,93 7,01 162,0 13,347 Eylül 5,70 6,50 162,0 12,223 Ekim 4,00 5,22 162,0 10,497 Kasım 2,63 3,86 162,0 7,803 Aralık 2,01 3,09 162,0 6,591 Yıllık 4,92 5,43 162,00 128,054 Yıllık güneş radyasyonu - yatay MWh/m² 1,79 Sistemde üretilen elektriğin kullanılmayan kısmı şebekeye satılacaktır. Şu anda bu mümkün olmamasına rağmen bu tür bir uygulama sistemin geri kazanım sağlaması açısından önem arz etmektedir. Güneş pili sisteminin karakteristikleri Tablo 5 te verilmiştir. Sistemde mono-si tip fotovoltaik kullanılmış ve kapasite faktörü %18, 3 dür. Analiz sonucunda güneş pili sisteminin aylık olarak elektrik enerjisi verileri Tablo 6 da verilmiştir. Burada en fazla elektrik üretimi 13,807 MWh ile Temmuz ayında ve yıllık ise 128,054 MWh üretilebilecektir. Yıllık olarak yatayda güneş radyasyonu 1,79 MWh olarak bulunmuştur. 156

166 Emisyon analizi Baz durum elektrik sistemi (Temel) Tablo 7. Çevre emisyon analizi. Seragazı emisyon faktörü (nakliye ve dağıtım hariç) İ&D kayıpları Seragazı emisyon faktörü Ülke - bölge Yakıt türü tco 2 /MWh % tco 2 /MWh Türkiye Tüm tipler 0,537 10,0 0,597 Şebekeye verilen elektrik MWh 128 İ&D kayıpları 4,0% Sera gazı emisyonu Baz durum tco 2 76,4 Önerilen durum tco 2 3,1 Brüt yıllık sera gazı emisyonu azalması tco 2 73,3 Sera gazı kredileri işlem ücreti % 0,0 Net yıllık sera gazı emisyonu azalması tco 2 73,3 Eş değeri 14,9 Sera gazı azaltma geliri Sera gazı azaltma kredi oranı $/tco 2 Çevre sorunları büyük ölçüde enerji üretim ve tüketiminin bir sonucu olarak ortaya çıkmıştır. Güneş kaynaklı enerji üretim sistemlerinde atmosfere herhangi bir direkt kirletici (zehirli ve sera gazlar vb.) emisyonu bulunmadığı Tablo 7 den de görülmektedir. Dolaylı olarak yapılan kirletici emisyonları hesaba katıldığında bile emisyon miktarı çok düşük olmaktadır [8]. 157

167 Tablo 8. Finansal analiz. Finansal analiz Finansal parametreler Enflasyon oranı % 12,0 Proje ömrü yıl 25 Borç oranı % 80 Borç faiz oranı % 10,0 Borç vadesi yıl 10 İlk maliyetler Elektrik sistemi $ ,3% Diğer $ ,7% Toplam ilk maliyetler $ ,0% Teşvikler ve hibeler $ - 0,0% Yıllık maliyetler ve borç ödemeleri İşletme ve Bakım (tasarrufları) maliyetleri $ Yakıt maliyeti - önerilen durum $ 0 Borç ödemeleri - 10 yıl $ Toplam yıllık maliyetler $ Yıllık tasarruflar ve gelir Yakıt maliyeti - baz durum $ 0 Elektrik ihracat geliri $ Toplam yıllık tasarruflar ve gelir $ Finansal sürdürülebilirlik Vergi öncesi İGO - öz sermaye % 6,6% Vergi öncesi İGO - varlıklar % 2,6% Basit geri ödeme yıl 44,7 Öz sermaye geri ödeme yıl 18,5 Tablo 8 den de anlaşıldığı gibi, ilgili yıla ait finansal parametreler (Bu parametreler Türkiye İstatistik Kurumu nun belirlediği makro ekonomik göstergelerden alınmıştır [9]) içerisinde en dikkat çekici olanı borç oranıdır. Proje için yaklaşık % 80 oranında dış kaynak kullanılmaktadır. Kullanılan dış kaynağın proje tutarının nerdeyse tamamını karşılıyor olması ve borcun yükümlülüğü olan faiz oranının yüksekliği bunlara ek olarak projenin geri dönüşüm süresinin uzunluğu projeyi ekonomik olmaktan çıkarmaktadır. Alınan borcun geri ödemesinin 10 yıl olması borcun tutarı ve projenin geri dönüşümü dikkate alınarak tekrar değerlendirildiğinde bu sürenin kısa olduğu ve projenin karlılık oranının da düşük olduğu sonucuna varılabilir. Proje için geçerli maliyetlerin toplam tutarı $ olarak hesaplanmıştır. Ancak bu tutarın bir merkezi sistem için yapıldığı ve bunun da 16 daireyi içerdiğinin söylenmesi gerekmektedir. Proje için gerek kamu kurumlarından gerekse özel kurumlardan herhangi bir teşvik ve hibe talep edilmemiş dolayısıyla da alınmamıştır. Projeye 158

168 ek olarak yapılacak yıllık maliyetler bulunmamaktadır. Projenin dış kaynağının yıllık ödemesi ise yaklaşık $ olarak hesaplanmıştır. Bununla birlikte projeye ek gelir sağlayacak tasarruf kalemleri ise yıllık olarak $ olarak hesaplanmıştır. Bu tutarın düşük olmasının sebebi ise üretilen elektriğin fazlasının 1 kwh nin $ dan satılmasıdır. Bu da proje için bir sınırlılık olarak görülmektedir. Projenin vergi öncesi yani faaliyet öncesi varlık ve öz sermaye kalemleri incelendiğinde ise bu oranların ne kadar düşük olduğu görülmektedir. Sonuç olarak %80 i dış kaynakla finanse edilen ve faiz oranı %10 olarak belirlenen ilgili projenin, 25 yıllık geri ödeme süresi ve yıllık tasarruf miktarları göz önüne alındığında ekonomik bir proje niteliği taşımadığı açıkça görülmektedir. 6. SONUÇ Güneş enerjisi potansiyelinin ülkemiz ortalamasının üzerinde olduğu Muğla da güneş enerjisi kullanımının artık vazgeçilemezliği kabul edilmektedir. Yapılan ısıl hesaplamalar da ortaya koymaktadır ki düz yüzeyli veya vakum tüplü kolektörler topladıkları yüksek güneş radyasyonu sayesinde yüksek verimli sıcak su üretimi sağlamaktadırlar. Bu sonuçlar ortaya koymaktadır ki Muğla TOKİ evlerinde güneş enerjisinden sıcak su elde etme ve ısıtma sistemi destekli bir sistem kurulmasının sağlayacağı faydalar kesinlikle göz ardı edilemez ve uygulanması konusunda tereddüt edilmemelidir. Muğla TOKİ evlerinin yönetiminin konutlar da güneşten sıcak su elde etme amaçlı sistem kurmak için çalışma içerisinde olduğu ve bu eksikliğin giderilmesi konusunda çalışma yürütmektedirler. Güneş pilleri teknolojisinin pahalı olması ve bu konuda devlet ya da hibe yoluyla destek olunacak olursa uygulanması açısından sistemi besleyecek yeterli güneş ışınımı yörede yeterli düzeyde mevcuttur. Bir bina için gerekli olan güneş pili paneli alanı 650 m² olarak hesaplanmış olup bu alanı bina çatısını kullanarak temin etmek güç gözükmektedir. Bina tasarımının güneş pili kullanımına uygun yapılması gerekmektedir. Yapılan ekonomik analizde belirtildiği üzere ekonomik açıdan projenin uygun görülmediği geri ödeme süresinin 25 yıl sürmesi ve ek gelir olarak elektrik üretiminin fazlasının Enerji Bakanlığı na satılacak olması ve bu konuda ki ilgili düzenlemelerin halen yapılmamış olması da dezavantajdır. Çevre ve sera gazı emisyonları açısından bakıldığında güneşten sıcak su ve elektrik üretmek tabiî çevre ye zarar vermeyen temiz enerji kaynağı olması sebebiyle emisyon analizi sonuçları da sera gazı emisyonunun düşüklüğünü ortaya koymaktadır. 159

169 KAYNAKLAR [1] Enerji Verimliliği Kanunu, Kanun No: 5627 madde 7/c, [Erişim tarihi: ]. [2] [Erişim tarihi: ]. [3] European SOLAR RADIATION Atlas, Volume I: Horizontal Surfaces, Commission of the European Communities, VERLAG TÜV RHEINLAND, [4] Uyarel A. ve Öz E.S., Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen Yayınevi, İstanbul, [5] Bulut, H., Şahin, H. ve Karadağ, R., Güneş enerjili su ısıtma sistemlerinin termoekonomik analizi, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Tesisat Mühendisliği Dergisi, 101, 23-33, [6] Yıldız, A., Gürlek, G., Güngör, A. ve Özbalta, N., Güneş enerjisi destekli su ısıtma sisteminin tasarımı ve ekonomik analizi, Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, Haziran 2005, İçel. [7] RETScreen Sürüm 4 Hesaplama Programı, [Erişim tarihi: ]. [8] Varınca, K.B. ve Varank, G., Güneş kaynaklı farklı enerji üretim sistemlerinde çevresel etkilerin kıyaslanması ve çözüm önerileri, Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi, Haziran 2005, İçel. [9] Türkiye İstatistik Kurumu (TİK), [Erişim tarihi: ]. 160

170 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ BİYOGAZ SİSTEMLERİNDE EKSERJİ ANALİZİ YAKLAŞIMI Prof.Dr. Günnur KOÇAR 1, Özben ERSÖZ 1, Yrd.Doç.Dr. Ahmet ERYAŞAR 1, Şefik ARICI 1 1 Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü Bornova-İzmir TÜRKİYE Tel: ; Faks: ; E-posta: gunnur.kocar@ege.edu.tr, ozbenkutlu@mail.ege.edu.tr, ahmet.eryasar@ege.edu.tr, sefikarici@mail.ege.edu.tr ÖZET Biyogaz sistemleri, dünyada, hem gelişmiş hem de gelişmekte olan ülkeler tarafından yoğun şekilde kullanılan, ekonomik ve teknik yönden yetkinliklerini kanıtlamış sistemlerdir. Güneş ışınımı yüksek ve organik atıklar yönünden büyük bir potansiyele sahip ülkemizde de kurulabilecek bu sistemlerin, ısıtma ihtiyacının güneş enerjisi desteği ile sağlanması ekonomik yönden uygulanabilir olmaktadır. Enerjinin verimli kullanımının günümüz koşullarında önem kazanması, sistemler üzerinde yapılan enerji denkliklerinin yanında termodinamiğin ikinci kanununun uygulanmasını da arttırmakta, böylece kullanılan enerjinin niteliği de belirtilmeye çalışılmaktadır. Bu çalışmada, güneş enerjisi destekli biyogaz sistem elemanları tanıtılmış, ekserjetik modelleme yapılarak, bu sistemler için ekserji verim bağıntıları türetilmiştir. Böylece ekserji analizi yaklaşımı ile bütünsel biyogaz sisteminde düşük ekserji verimli elemanlar ve akışlar araştırılmış, enerjiyi daha verimli kullanabilmek için öneriler sunulmuştur. Anahtar Sözcükler: biyogaz, güneş enerjisi, ekserji, anaerobik fermentasyon 1. GİRİŞ Biyogaz, anaerobik fermentasyon sonucu oluşan, ısıl değeri yüksek, yanıcı bir gazdır. Özellikle kırsal kesimde hem konvansiyonel enerji kaynaklarına alternatif oluşturmakta, hem de toprak verimliliğinde artışa neden olan fermente gübre üretimini sağlamaktadır. Gelişmiş ve gelişmekte olan birçok ülkede çok sayıda biyogaz tesisinin bulunması ve değişik kökenli organik atıkların ekonomiye bir değer olarak kazandırılması, ülkemizde de bu konuya önem verilmesinin gerekliliğini ortaya koymaktadır. Biyogaz sistemlerinin en çok enerji tüketen birimi reaktördür. Sistemlerin hem tasarımında hem de işletilmesinde reaktör sıcaklığı önemli parametrelerden biridir. Reaktörde sıcaklık seviyesini sağlayabilmek için dışsal bir ısı kaynağına ve reaktör ısıtma sistemine ihtiyaç vardır. Biyogaz 161

171 sistemlerinde reaktör ısıtmasında güneş enerjisi desteğinin kullanımı, Türkiye gibi güneş ışınımı yüksek olan ülkelerde enerji tüketimini azaltmak için ekonomik yönden uygulanabilir olmaktadır (Koçar vd., 2007). Günümüzde fosil enerji kaynaklarının kısıtlı olması, yenilenebilir enerji kaynaklarına ve kaynağın daha verimli kullanımına yönlendirmekte, herhangi bir prosesin veya sistemin değeri genellikle, teknik performans ve verimlilik, ekonomik açıdan yaşayabilirlik, sağlık ve güvenlik gibi kavramları içeren ticari parametrelere dayanarak tanımlanmaktadır. Tasarım aşamasında, sistemin değerini belirlemek için, enerji denkliği geleneksel metot olarak kullanılmaktadır. Enerji analizi yapmak, sistem geliştirme aşamasında kilit rol oynamakta, ekserji analizinin de temelini oluşturmaktadır. Sistem parçaları üzerinde yapılan enerji analizi sonucunda, kullanılan enerjinin verimi açığa çıkartılmakta, bu verimin ve parametrelerin benzer sistemlerle karşılaştırılması sağlanmaktadır. Sistemler üzerinde yapılan enerji denkliklerinden elde edilen veriler, sadece miktar bildirmekte, enerji kaynağının niteliği hakkında bilgi vermemektedir. Bu nedenle, günümüzde termodinamiğin iki yasasını da kapsayan ekserji analizi, enerjinin tüketildiği sistemlerde sıklıkla kullanılarak, enerji kaynağının kalitesini de açıklamaya çalışmaktadır (Kutlu, 2009). Ekserji analizi, çevre koşullarından farklı bir durumda bulunan sistemden elde edilebilecek maksimum kullanılabilir iş olarak tanımlanmakta, bu nedenle, sistemin ve çevrenin kalitesini ortaya çıkarmaktadır. Rosen ve Dincer (2003), sadece termodinamiğin birinci kanununu kapsayan enerji analizinin, kayıpları ve atıkları tespit ettiğini, diğer taraftan ekserji analizinin entropiyi içermesi ile tersinmezliği de göz önüne aldığını işaret etmektedir. Bu noktada, kaynağın çevreye bağlı gerçekleştirebilecek maksimum olası işini ifade eden ekserji kavramı, enerji analizinin sınırlarını genişletmektedir. Günümüzde fosil yakıtların sıklıkla kullanıldığı ısıl sistemlerde yapılmış ekserji analizleri ile biyokütlenin termokimyasal dönüşüm yöntemlerinin ekserji çalışmaları literatürde, çok sayıda bulunmaktadır. Genellikle, direk yakma, gazlaştırma ve piroliz gibi dönüşüm yöntemleri, CHP ve gaz türbini gibi sistemlerle birleştirilerek, elektrik ve ısı üretimi gerçekleştirilmiş, sistemlerde farklı biyokütle kaynakları kullanılarak toplam ekserji verimleri fosil kaynaklar ile karşılaştırılmıştır (Nilsson, 1997; Zhong et.al., 2002; Raoa et.al., 2004; Bilgen et.al., 2004; Franco and Giannini 2005; Prins et.al., 2006; Panopoulos et.al., 2006; Ptasinski et.al., 2007). Bu çalışmalarda, genellikle odun ve bitkisel atıkların değerlendirilmesi ile modellemeler oluşturulmuş, eksergoekonomik açıdan sistem parametreleri iyileştirilmiştir. Ekserji analizinin güneş enerjisi sistemlerinde de sıklıkla uygulandığı literatürde gözlenmiştir. Xiaowu ve Ben (2005), evlerde kullanılan güneş enerjili su ısıtma sistemlerini ekserji analizi ile değerlendirmişler, ekserji kayıplarından kaynaklanan maliyetleri düşürmeyi ve verimi istenilen seviyede tutmayı amaçlamışlardır. Düzlemsel güneş kolektörü ve 196,4 kg kapasiteli sıcak su deposunu içeren sistemde, düşük kaliteli enerji çıkışı olduğu için düşük ekserji verimi hesaplanmış, ancak sıcak su deposunda yüksek ekserji kaybı gözlenmiştir. Sıcak su deposundaki ekserji kaybının azaltılması için, kolektör yüzey alanının genişletilmesi ve deponun izolasyonunun sağlanması gerektiği rapor edilmiştir. Günerhan ve Hepbaşlı (2007), binalarda kullanılan güneş enerjili su ısıtma sisteminin performansını geliştirmek için tasarladıkları ekserjetik modellemeyi deneysel çalışmalar ile desteklemişlerdir. Çalışmada, güneş kolektörü, sirkülasyon pompası ve ısı değiştirgeci olarak belirlenen temel sistem parçalarının ekserjileri deneysel verilerle hesaplanmış, ekserji kayıplarının güneş kolektöründe en fazla olduğu, sırasıyla ısı değiştirgeci ve sirkülasyon pompasının onu takip ettiği gözlenmiştir. 162

172 Farahat v.d. (2009), düzlemsel güneş kolektörlerinin ekserjetik optimizasyonu üzerine çalışmışlar ve optimum performans ile maksimum ekserji verimi için dizayn parametrelerini belirlemişlerdir. Tasarlanan modelde, yüzey alanı, kolektör boyutları, boru çapı, kütlesel debi, ısı transfer katsayısı, akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıkları, dış hava sıcaklığı ve güneş ışınım şiddeti gibi parametreler göz önüne alınmış, ışınım şiddetinin ve akışkanın giriş sıcaklığının artmasıyla ekserji veriminin arttığı, dış hava sıcaklığı ve rüzgar şiddetinin artmasıyla ekserji veriminin düştüğü belirtilmiş ve deneysel sonuçlar ile uyum içerisinde olduğu gözlenmiştir. Bununla beraber, akışkanın giriş sıcaklığının 315 K nin üzerinde olmasının, ekserji verimi üzerinde olumsuz yönde etki ettiği rapor edilmiştir. Bu çalışmada, güneş enerjisi destekli bir biyogaz sistemi elemanları tanıtılmış, ekserjetik modelleme yardımıyla bu sistemler için ekserji verim bağıntıları türetilmiştir. Böylece bütünsel biyogaz sisteminde düşük ekserji verimli elemanlar ve akışlar araştırılmıştır. 2. MATERYAL VE YÖNTEM Ekserji analizinde baz alınan çevrenin, sistemlerden ve tersinmezlikten bağımsız, homojen, prosesler sonucu değişmeyen sabit parametrelere sahip olduğu kabul edilmektedir. Genellikle T o = 25 C ve P o = 1 atm olarak varsayılan çevre parametreleri gerçek uygulamalarda, ortalama dış hava sıcaklığı ve basıncı olarak referans alınabilmektedir (Bejan et.al., 1996; Günerhan and Hepbaşlı, 2007). Sistemin çevre ile mekanik, termal ve kimyasal dengede bulunması, iş üretebilecek bir enerjinin bulunmadığını ifade eder ve ölü hal olarak tanımlanmaktadır. Diğer bir ifadeyle, sistem ile çevrenin basınç, sıcaklık ve kimyasal potansiyel değerleri eşittir (Hepbaşlı, 2008). Çevreye göre durağan bir sistem, ilk halinden (T, P, μ) ölü hale (T o, P o, μ o ) geçerken kinetik ve potansiyel ekserjilerinde değişim olmaz. Fiziksel ekserjisi sıcaklık ve basınçla yapabileceği, kimyasal ekserjisi ise kimyasal potansiyelindeki değişim ile elde edebileceği maksimum teorik işi kapsamaktadır. Fiziksel ekserji, kontrol hacimli bir sistem için; & E ph = ( H& H& 0 ) T0 ( S& S& 0 ) olarak ifade edilmekte, U &, V &, S & ve H & sırasıyla, iç enerji, hacim, entropi ve entalpiyi, alt simge 0 ise referans çevre koşullarını göstermektedir. Saf bir gazın kimyasal ekserjisi ise, bileşenin referans konsantrasyonuna diffüzyonu ile elde edilebilen iş ile oluşturulmakta; e ch = RT oin P P o olarak ifade edilmektedir. P ve P o sırasıyla maddenin çevre şartlarındaki kısmi basıncı ile çevre basıncını göstermektedir. Gaz karışımının kimyasal ekserjisi de; ch = ch e xkek + RTo xk Inx k (3) olarak ifade edilmekte ve karışım içindeki k bileşeninin standart kimyasal ekserjisi ( ) için literatürden yararlanılmaktadır (Ahrendts, 1980; Szargut et.al., 1988). Uygun çalışma parametrelerindeki biyogaz reaktöründe elde edilen gaz, % 50 % 70 CH 4, % 30 % 45 CO 2, az miktarda H 2 S ve H 2 O bileşimine sahiptir (Anon., 1999). Çevre şartlarında bulunmayan maddelerin standart kimyasal ekserjisi, standart kimyasal ekserjisi bilinen maddeler ile ideal reaksiyonunun dikkate alınması ile bağıntı (4) den hesaplanabilmektedir (Bejan et.al., 1996). (1) (2) ch e k 163

173 e ch = ΔG f vke ch k Formülde ΔG f reaksiyonun gibbs enerjisini, ν k ise k bileşeninin reaksiyondaki stokiometrik katsayısını göstermektedir. Kömür, çar ve fuel oil gibi yüksek hidrokarbonlara sahip ve molekül formülü tam olarak belirlenemeyen komplex yakıtlarda karşılaşılan bu durum, yakıtın yanması sonucu oluşan reaksiyon ısısından yararlanarak, yakıtın standart kimyasal ekserjisi aşağıdaki formül ile modellenmiştir (Bejan et.al., 1996). e ch kuru ( cc + hh + oo + nn + ss) + v = ( HHV ) + v O2 CO2 O 2 CO 2 + v H 2O H O( l) + v ch ch ch ch ch [ v e + v e + v e + v e v e ] v v O2 CO2 CO2 kuru CO2 = c s T0 H 2O v kuru H 2O H 2O + v O2 = c + 1/ 4h + s 1/ 2o s SO2 O2 = 1/ 2h v SO2 v CO2 SO2 s N2 CO2 = s N2 v 2 H 2O O2 v s H 2O O2 N2 v SO2 SO2 v SO s N2 = 1/ 2n Reaksiyonda gösterilen c, h, o, n, s ve ν i sırasıyla karbon, hidrojen, oksijen, azot, sülfür ve i bileşeninin mol bazındaki stokiometrik katsayısını (kmol/kg kuru yakıt), (HHV) kuru yakıtın üst ısıl değerini ifade etmektedir. Formülün kuru bazda yakıtın elementlerinden türetildiğine dikkat edilmeli, yakıtın yaş bazdaki standart kimyasal ekserjisi; ch ch e vh OeH 2O ch = v yakıtekuru + 2 (6) şeklindeki karışım formülünden bulunabilmektedir. Literatürde, yakıtların kimyasal ekserjilerinin hesaplanmasında farklı yöntemlerde kullanılmıştır. Kimyasal ekserjisinin alt ısıl değeri ile belli bir oranda olduğu kabul edilmiş, β ile tanımlanan bu oran çok sayıda çalışmada baz alınmıştır. ch kuru e = β * LHVorg (7) Yakıtın bileşenlerine bağlı olarak türetilen β, katı biyoyakıtlar için; H / C O / C[ H / C] N / C β = O / C (8) sıvı bitkisel yağlar için; β = H / C O / C (9) kömür için; β = Z H Z O Z 2 2 N Z Z Z C C şeklinde gösterilmektedir (Szargut and Styrylska, 1964; Ptasinski et.al., 2007). Tablo 2.1 de, Ptasinski et.al. (2007) tarafından hesaplanmış değişik biyokütle materyalleri için β değerleri ve ekserjileri örnek olarak verilmiştir. C (4) 2 SO2 s N2 + v (5) N2 N 2 (10) 164

174 Tablo 2.1 Değişik biyokütle materyalleri için β değerleri ve ekserjileri ch Yakıt LHV org β (-) e Kömür , Bitkisel yağlar , Saman , İşlenmiş odun , İşlenmemiş odun , Çimen , Çamur , Gübre , Ekserji verimi İkinci kanun verimi olarak da adlandırılan ekserji verimi bir sistem için, ürünlerin ekserjilerinin toplamının, yakıt olarak giren maddelerin ekserjilerinin toplamına oranı olarak tanımlanmaktadır. E& ürün E& kayıp η = = 1 E& yakıt E& yakıt (11) Ekserji Bağıntıları Ekserji, enerji gibi sistemden ısı, iş ve kütle akışı olmak üzere üç farklı şekilde transfer edilebilir. Bir sistemin ekserji değişimi ise, sistem sınırları boyunca transfer edilen net ekserjinin kaybolan ekserjiden farkına eşittir. ( Toplam ekserji girişi) ( Toplam ekserji çıkışı) ( Toplam ekserji kaybı) = ( Sistemdeki toplam ekserji değişimi) Kontrol hacimli bir sistemde ekserji değişimi; To dv 1 Q& [ W& Po ( T dt sistem )] + m& e i i, giriş m& e 165 i i, çıkış T S& 0 gen de = dt şeklinde gösterilmekte, kararlı haldeki sistemin ekserji bağıntıları yazıldığında sistemdeki kayıp ekserji hesaplanabilmektedir (Çengel and Boles, 1998). T & E& T = o 1 Q W& + m& iei giriş m&, iei, çıkış 3. BULGULAR VE TARTIŞMA kayıp sistem (12) (13)

175 Tek fazlı, sürekli beslemeli ve güneş enerjisi destekli bir biyogaz reaktörü ekserji analizinde örnek alınacak olursa, akışların ekserjileri, bağıntı (1) ile (10) arasında gösterilen fiziksel ve kimyasal ekserji bağıntılarından uygun olanlarının seçilmesi ile hesaplanabilmekte, kinetik ve potansiyel ekserjilerin olmadığı kabul edilmektedir. E & & + & ph ch i = E E (14) Şekil 2.1 Tek fazlı, sürekli beslemeli, güneş enerjisi destekli bir biyogaz üretim sistemi akış şeması 166

176 E 1 W pompa E 4 Kollektör Pompa2 E ısı,b W resistans E 2 E 3 Boyler E 5 W pompa3 E 7 E ısı,r W karıştır W pompa1 Reaktör E 8 E 9 E 10 8 E 6 Pompa3 Pompa1 E 11 Şekil 2.2 Biyogaz sistemi akış şeması Sistem ünitelerinin ekserji verimleri ise, akışların ekserjilerinden hesaplanmış, üretilen biyogaz ideal gaz olarak kabul edilmiştir. Şekil 2.1 ve 2.2 de verilen akış şemalarında görüldüğü gibi sistem, reaktör, boyler, kolektör, 1 adet besleme pompası ve 2 adet sirkülasyon pompası olmak üzere 6 üniteden oluşmaktadır. Ekserji bağıntıları kontrol hacimli sistem olarak kabul edilmiş ve reaktör ekserji bağıntısı, ( E& E& ) + ( E& E& E& ) E& ısı R W& karıştırma E & + kayıp, R = , (15) ekserji verimi ise, η reaktör = ( E& E& ) [ E& + E& E& ) + W& ] 9 ( 6 7 karıştırma olarak formulize edilmiştir. Boyler yani biyogaz sisteminin ısı değiştirgeci üzerinde yapılan ekserji bağıntısı ve verimi ise, & & ( E& 2 E& 3 ) ( E& 5 E& 7 ) E& ısı B E kayıp, B = Wresis tan s +, η boyler = ( E& E& ) 5 7 ( E& 2 E& 3 + W& resis tan s şeklinde ifade edilmiş ve kolektör için, E& η & ( E& &) kayıp, K = E1 2 E4 kollektör = ( E& E& ) 2 E& 1 4 ) (16) (17) (18) (19) (20) 167

177 formülleri oluşturulmuştur. Burada E 1 olarak ifade edilen güneş enerjisinin ekserjisi, I T ışınım şiddeti, A kolektör alanı, T g güneş ışınım sıcaklığı olmak üzere, E& = A* I 1 T 1 T 1+ 3 T 0 g 4 4 T 3 T 0 g formülünden hesaplanabilmektedir. T g sıcaklığı değeri literatürde değişkenlik göstermiş ancak 6000 K değeri sıkça kullanılmıştır (Petela, 2003; Kalogirou, 2004; Günerhan and Hepbaşlı, 2007). A, olarak ifade edilen kullanılan toplam kolektör alanıdır. Ancak bazı araştırmacılar (Reyes et.al., 2003; Kalogioru, 2004; Ucar and Inalli, 2006), kolektör ekserji verim hesaplamalarında, termik randıman sayısı (F R ) ile kolektör yüzeyi ortalama soğurma katsayısını (τα) ışınım şiddetinde dikkate almışlar, bağıntı (21) e göre daha yüksek kolektör ekserji verimleri elde etmişlerdir. Bağıntı (15) ve (17) de, E ısı,r ve E ısı,b olarak ifade edilen reaktör ile boylerin ısı kayıpları ekserjisi bağıntı (13) ün içerdiği ısı ile transfer edilen ekserji teriminden hesaplanmaktadır. Bağıntının içerdiği Q & i ise reaktör ve boyler yüzeylerinden kaybolan ısıyı ifade eder ve her biri, Q& = A.* U * ΔT i i i i formülünden hesaplanmıştır. Bu formülde toplam reaktör veya boyler yüzey alanı A i (m 2 ), toplam ısı geçiş katsayıları U i (W/m 2 C), reaktör veya boyler çalışma sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki fark ΔT i ( C) olarak verilmiştir. U i, hesaplanırken yüzeylerde bulunan malzeme katmanlarının kalınlıkları l n (m) ve ısı iletim katsayıları λ n (W/m C) göz önüne alınır. Reaktörün veya boylerin bulunduğu ortamın ısı taşınım katsayısı α dış,i (W/m 2 C) ve reaktör içindeki besleme materyalinin veya boyler içindeki suyun ısı taşınım katsayısı α iç,i (W/m 2 C) yardımıyla toplam ısı geçiş katsayısı; 1 1 l1 l2 1 = U α iç λ1 λ2 α dış (23) eşitliğiyle hesaplanabilmektedir (Koçar vd., 2007). Besleme pompası, reaktör ısıtma hattı pompası ve boyler ısıtma hattı pompası için kurulan ekserji bağıntılarından elde edilen ekserji kayıpları ve verimleri sırasıyla, ( E& E & 9 E& 8 ) kayıp, P1 = ( E& 9 E& 8 ) + W& η pompa1 = P1 ( W& ) P1 (24) ( E& E & 4 E& 3 ) kayıp, P2 = ( E& 4 E& 3 ) + W& η pompa1 = P2 ( W& ) P2 (25) E & kayıp, P3 = ( E& 6 E& 5 ) + W& ( E& ) P3 6 E& 5 η pompa3 = (26) ( W& P3) şeklinde kurulmuştur. Akışların ekserji hesabında, akışkanın oluşum ısısı ve entropilerinden yararlanılmaktadır. Tüm biyogaz sistemi göz önüne alındığında toplam ekserji verimi; (21) (22) 168

178 & ι Eç k ι ş η toplam = (27) E& giriş olarak hesaplanabilmektedir. 4. SONUÇ VE ÖNERİLER Biyogaz sistemleri, dünyada önemli bir yenilenebilir enerji kaynağı olarak kabul edilmektedir. Çin, Hindistan, Danimarka gibi birçok ülke bu teknolojiye önem vermekte ve sistem verimliliğini yükseltmeye yönelik çalışmaları desteklemektedir. Yüksek sistem verimlerine ulaşmak, enerjinin verimli kullanımına yönlendiren ekserji analizinin önemini arttırmaktadır. Yapılan çalışmalar doğrultusunda, ülkemiz koşullarında biyogaz sistemlerinin güneş enerjisi ile desteklenmesi, enerji analizi açısından ekonomik yönden uygulanabilir olmakta, bu çalışma ile ekserji analizi ile sistemin hangi noktalarına dikkat edilebileceği belirtilmeye çalışılmaktadır. Biyogaz sistemlerinin ekserji analizinde, biyokütlenin molekül formüllerinin tam olarak belirlenemeyen kompleks yapılardan oluşması sebebiyle gerekli olan ısıl değer tayini ve elementel analiz sonuçları büyük önem taşımaktadır. Bütünsel sisteme bakıldığında, ısı transferinin ve akışkan sirkülasyonlarının daha uzun süreli gözlenebileceği sıcak su akümülasyon tankı ve kolektör arasındaki hatta dikkat edilmesi gerektiği belirtilebilmektedir. Gelen yüksek ışınımın kolektör tarafından tamamen kullanılamaması ve gelen düşük ışınımda boylerin dışsal kaynaktan desteklenmesi durumunda, boyler ve kolektör ekserji verimlerinin bütünsel sistemin verimini düşürebileceği öngörülebilmektedir. Sürekli beslemeli bir reaktörde ise, hem biyogazın hem de fermente gübrenin istenilen çıkış akışları olarak düşünülmesi sebebiyle, reaktör ekserji verimini yükseltebileceği, reaktör karıştırma süresinin ve hammaddenin giriş sıcaklığının çıkış akışlarına göre verimi değiştirebilen daha etkili parametreler olduğu öngörülmektedir. Biyogaz sistemlerinde, gerek verim arttırma amacıyla gerekse kullanılan atığa göre tasarlanan farklı tipte reaktörler kullanılmaktadır. Tek fazlı, dikey tip ve hidrolik karıştırmaya sahip bir reaktörün baz alındığı bu çalışma, diğer biyogaz sistemlerinde yapılabilecek ekserji analizlerine de temel oluşturması amacıyla gerçekleştirilmiştir. Yapılan ekserji analizlerinin daha yararlı bir sonuç oluşturması açısından ekonomik analiz ile birleştirilmesi önerilmektedir. 169

179 5. KAYNAKÇA [1]. Ahrendts, J., 1980, Reference states, Energy, 5, pp [2]. Anon., 1999, Biogas Digest Volume I- Biogas Basics, Information and Advisory Service on Appropriate Technology [3]. Bejan A., Tsatsaronis G., Moran M.J. 1996, Thermal Design and Optimization, John Wiley, pp [4]. Bilgen S., Kaygusuz K., Sari A. 2004, Second law analysis of various types of coal and woody biomass in Turkey, Energy Sources, 26, pp [5]. Çengel, Y.A., Boles, M.A., 1998, Thermodynamics an Engineering Approach, Third Edition, Mc Graw Hill, pp [6]. Farahat S., Sarhaddi F., Ajam H. 2009, Exergetic Optimization Of Flate Plate Solar Collectors, Renewable Energy, 34, pp [7]. Franco A, Giannini N. 2005, Perspectives For The Use Of Biomass As Fuel In Combined Cycle Power Plants, International Journal of Thermal Science, 44, pp [8]. Günerhan, H., Hepbaşlı, A. 2007, Exergetic Modelling And Performance Evaluation Of Solar Water Heating Systems For Building Applications, Energy and Buildings, 39, pp [9]. Hepbasli, A. 2008, A Key Review on Exergetic Analysis And Assessment of Renewable Energy Resources For A Sustainable Future, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 12, pp [10]. Kalogirou 2004, Solar Thermal Collectors and Applications, Progress in Energy and Combustion Science, 30, pp [11]. Koçar, G., Eryaşar, A., İlleez, B., Kutlu, Ö., Arıcı, Ş., 2007, Biyogaz Reaktörlerinde Yaz ve Kış Şartlarına Göre Dizayn Edilen Güneş Enerjisi Destekli Isıtma Sistemlerinin Ekonomik Açıdan Karşılaştırmalı Olarak İncelenmesi, Güneş Enerjisi Sistemleri Sem. ve Sergisi, Bil. Kitabı, Haziran, Mersin. [12]. Kutlu, Ö., 2009, Bir Biyogaz Üretim Prosesinin Ekserji Analizi, Yüksek Lisans Tezi, Danışman: Prof.Dr. Günnur KOÇAR [13]. Nilsson D. 1997, Energy, Exergy and Emergy Analysis of Using Straw as Fuel in District Heating Plants, Biomass Bioenergy, 13(l/2), pp [14]. Panopoulos KD, Fryda L, Karl J, Poulou S, Kakaras E. 2006, High Temperature Solid Oxide Fuel Cell Integrated With Novel Allothermal Biomass Gasification: Part II: Exergy Analysis, Journal of Power Sources, 159(1), pp [15]. Petela R. 2003, Exergy of Undiluted Thermal Radiation, Solar Energy 74, pp [16]. Prins MJ, Ptasinski KJ, Janssen FJJG. 2006, More efficient biomass gasification via torrefaction, Energy, 31(15), pp [17]. Ptasinski KJ, Prins MJ, Pierik A. 2007, Exergetic evaluation of biomass gasification, Energy, 32, pp [18]. Raoa MS, Singh SP, Sodhaa MS, Dubeyb AK, Shyamb M. 2004, Stoichiometric, Mass, Energy and Exergy Balance Analysis of Countercurrent Fixed-Bed Gasification of Post- Consumer Residues, Biomass Bioenergy, 27, pp

180 [19]. Reyes E.T., Gonzalez J.J.N., Aguilar A.Z., Gortari J.G.C., 2003, Optimal Process of Solar To Thermal Energy Conversion and Design of Irreversible Flat-Plate Solar Collectors, Energy, 28, pp [20]. Rosen, M., Dincer, I., 2003, Exergy-Cost-Energy-Mass Analaysis of Thermal Systems And Processes, Energy Conversion and Management, 44, pp [21]. Szargut J. and Styrylska T. 1964, Approximate Evaluation of the Exergy of Fuels, Brennstoff Waerme Kraft, 16(12), pp [22]. Szargut J., Morris D.R., Steward F.R., 1988, Exergy Analysis of Thermal, Chemical and Metallurgical Processes, Hemisphere Publishing Corporation, New York [23]. Ucar A., Inalli M. 2006, Exergoeconomik analysis and optimization of a solar-assisted heating system for residential buildings, Building and Environment, 41, pp [24]. Xiaowu W, Ben H. 2005, Exergy Analysis of Domestic-Scale Solar Water Heaters, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 9, pp [25]. Zhong C, Peters CJ, de Swaan Aron J. 2002, Thermodynamic modeling of biomass conversion processes, Fluid Phase Equilibria, , pp

181 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 AKTİF DOĞAL AYDINLATMA SİSTEMLERİ İLE YAPILARDA GÜNEŞ IŞIĞININ ETKİN KULLANIMI İLE VERİMLİLİĞİN ARTTIRILMASI Ruhi Bayık (İnş. Müh.) RSB YAPI Taahhüt Mühendislik Mimarlık Ticaret ve Sanayi Ltd. Şti. Atatürk Cd. 25 Erciyas Ap. 1/ Mersin ÖZET Dünyada enerji tüketimi hızla artmakta, fosil yakıtların tüketilmesi sonucunda atmosfere salınan CO 2 ve diğer gazlar küresel ısınma ve iklim değişikliklerine neden olmaktadır. Geleceğimizi tehdit eden bu durum karşısında, ekolojiyi ihmal etmeyen ekonomi yaratma zorunluluğu doğmuştur. Konut dışı binaların %90 ında flüoresan lambanın ana aydınlatma kaynağı olarak kullanıldığı ve insanların büyük çoğunluğunun günde 7,5 saati işte geçirdikleri dikkate alınırsa, güneş ışığını yeterince almadığımız için hepimizin değişen oranlarda yapay aydınlatma nedeniyle sıkıntı çektiğimiz söylenebilir. Mevcut ışıklıklar, güneşin değişen açılarına göre düzensiz aydınlatma, sıcak bölgeler ve kamaşmaya neden olan, beklentimizi karşılayamayan etkiye sahiplerdir. Aydınlatma ihtiyacını azaltmalarından doğan enerji tasarrufunu, klima yükünü arttırarak gerçekte sıfırlarlar. Aktif doğal aydınlatma sistemi ise binaların içerisine, mümkün olan en etkili şekilde güneş ışığını getiren inovatif teknoloji ürünüdür. Pasif sistemlere göre 9 kata kadar daha fazla ışığı, 2 kat uzun süre ile bina içerisine getirir. Günde 12 saate kadar lambalar kapalı aydınlık yaratıp, termal bariyeriyle güneşten kaynaklanan ısı transferini asgariye indirirken yayınık, konforlu, doğal ışık sağlar. İklimlendirilmiş binalarda etkinliği en üst noktaya çıkarırken ısıtma ve soğutma yüklerini de etkili şekilde azaltır. Aktif doğal aydınlatma sistemi, gündüz kullanılan, tek katlı veya çatısı güneş gören binalarda aydınlatma ve iklimlendirme enerji tasarrufu sağlamakta, verimliliği arttırmakta ve bu sayede kaynakların etkili kullanımını sağlamaktadır. 1. GİRİŞ Doğal aydınlatma, insanoğlunun yerleşik düzene geçmesinden bu yana barınakların dış kabuklarında açılan pencerelerle başlayan bir süreçtir. Elektrikle aydınlatan lambalar, 19. yüzyılın sonlarında ve 20. yüzyılın başında yaygın olarak kullanılması ile doğal aydınlatmanın yerini almaya başlamıştır. Zamanla daha alçak tavanlar ve dış kabuk/hacim oranı daha düşük olan yapılan yeni binalarda artık doğal ışıktan gereği gibi faydalanılmamaktadır. Eski binalarda sıklıkla asma tavan yapılmakta, pencerelerden gelen ısı kazancını azaltmak için renkli camlar ve izolasyon panelleri kullanılmaktadır. Sonuç olarak son yarım yüzyılda okullarımızda ve işyerlerimizde doğal ışık kullanımında dramatik bir azalma meydana gelmiştir. 172

182 Doğal aydınlatmanın bize sağladığı iki temel fayda vardır; birincisi ve kolay ölçülebilir olanı, enerji tasarrufu- karbon ayak izi azaltma, ikincisi ve ölçülmesi özel istatistiksel çalışmalar gerektiren performans artışı: 1. Perakendede %40 a kadar satış artışı ( 1 ), 2. Üretimde ortam konforu geliştirme ile verimlilik ve kalite artışı, devamsızlıkta %45 e kadar düşüş, şikayetlerde 5 kat azalma, hatalı imalat ve iş kaza oranlarında çarpıcı düşüş, kaynakların daha iyi kullanımı yanında karbon salınımını enerji tasarrufu ile birlikte daha da azaltma ( 5 ), 3. Ofiste moral, takım performansı ve stresle baş edebilme yeteneğinde gelişme ( 4 ), 4. Okullarda doğal ışık kullanılmayan sınıflara göre matematikte %20, okumada %26 ya kadar gelişme ( 2 ), 5. Sağlık tesislerinde %11 e kadar daha hızlı hasta iyileşmesi ( 3 ). Carnegie Mellon Üniversitesi'nin Akıllı İşyeri Tasarım Stüdyosuna göre, tipik bir binada enerji kullanımını yarı yarıya azaltmak genellikle m 2 başına 11$ tasarruf yaratmaktadır. Aynı binada üretkenliği %5 arttırmak m 2 başına 110$'dan fazla tasarruf yaratmaktadır. Bu da üretkenliğe neden önem verdiğimizi açıkça ortaya koyuyor. Bütün bunlara bakarak doğal aydınlatmaya hayatımızda (uygun şekillerde) olabildiğince yer vermek için konu üzerinde fazla düşünmeye gerek yoktur. Dahası, gelişmiş ekonomilerde doğal aydınlatmanın konut dışı yapılarda kullanımını zorunlu kılan kanunlar mevcuttur. Yaşamsal vücut fonksiyonlarımızı 24 saate bağlayan doğal ışık, önemli bir unsurdur. İnsanın biyolojik ritmi uyuma, sindirme, uyanıklılık, depresyon ve genel sağlık gibi fizyolojik fonksiyonları belirler. Beynimizin bu fonksiyonları düzenleyen bölümü, gözlerdeki retina vasıtasıyla doğal ışık uyarısına ihtiyaç duyar. Işık seviyeleri az ise, bu vücutsal fonksiyonlar yavaşlar ve uyanık olma seviyesi düşer. Ulusal Uyku Bozuklukları Komisyonu, ABD'deki işyerlerinin, çalışan yorgunluğuna bağlı olarak yılda 150 milyar $'dan daha fazla kayba uğradıkları tahmininde bulunmaktadır. Bu konuda ülkemizde henüz sonuçlanmış bir çalışma bulunmamasına rağmen, benzer kayıplardan bahsetmemiz mümkündür. Hastanelerde, doğal ışığa erişimi olan hastaların, %11'e kadar daha hızlı iyileşme süreleri kaydedilmiştir. Çalışanın üretkenliği konusunda olduğu gibi, bu önemli konuda her yıl çalışmalar yayınlanmaktadır, fakat günümüzün tamamını yapay ışık altında geçirmemizin sağlığımıza zararı açıktır. Çalışan insanlar zamanlarının %85-95'ini bina içerisinde geçirmektedirler. Ticari binaların %90 dan fazlasında flüoresan lambanın ana aydınlatma kaynağı olarak kullanıldığı ve insanların büyük çoğunlukla günde 7,5 saat işte geçirdikleri dikkate alınırsa, güneş ışığını yeterince almadığımız için hepimizin değişen oranlarda "yanlış-aydınlatma" nedeniyle sıkıntı çektiği söylenebilir. Doğru aydınlatma, yalnızca görsel işlerin yerine getirilmesi açısından değil, binada bulunanların iyi hissetmeleri ve performanslarının artırılması açısından da önem taşımaktadır. Bu nedenle bu tür binalarda fizyolojik ve psikolojik konforun sağlanması tasarımcının en önemli sorumluluklarından bir tanesidir. Bu binalarda gerçekleştirilmesi gereken konfor koşulları ulusal ve uluslar arası literatürde üzerinde sıklıkla durulmakta olan bir konudur. Doğal aydınlatma, tüm teknolojik gelişmelere rağmen, halen insanoğlu için en kaliteli aydınlatmayı sağlamaktadır. Günümüzde doğal aydınlatmaya dönüşün iki temel etkeni vardır: Birincisi, tüm bina enerji denklemi içerisinde ısıtma ve soğutma ile birlikte aydınlatma enerjisi de düşünüldüğünde doğal aydınlatma net bir enerji tasarrufu, böylece karbon ayak izinin azalmasını sağlar. Doğal aydınlatma aslında herhangi bir elektrik kaynağından daha verimlidir 173

183 çünkü her lümene karşılık daha az ısı yaratır. Eğer yapay aydınlatma yerine uygun tekniklerle doğal aydınlatma kullanılırsa aydınlatma ve soğutma tasarrufu çarpıcı olabilir. İkincisi, doğal aydınlatmanın sağlık ve verimlilik üzerindeki potansiyel faydaları, iç ortamın sağlık ve verimliliğe etkisine olan artan ilgi. Bu konuda birçok ülkede yapılmış ve yayınlanmış araştırmalar mevcuttur. Etkili bir doğal aydınlatma sistemi yapı tasarımcıları, sahipleri ve kullanıcılarının ihtiyaçlarını karşılamak için birkaç engeli ve değişkeni aşmak zorundadır. Birinci engel, direkt güneş ışığının getirdiği sıkıntılardır. Diğer engellerin arasında iki ışık kaynağından-güneş ve yapay aydınlatma- gelen ışığın dengelenmesi, ışık kalitesinin korunması, güneş ısısı geçirgenliği ve toplam ısı geçirgenliği sayılabilir. Değişkenler de güneş ışığının gün boyunca sürekli olarak, ayrıca coğrafya ve bina tasarımına göre değişmesi, aydınlık seviyesi ve enerji tasarrufudur. 2. AKTİF DOĞAL AYDINLATMA SİSTEMİ Binaların elektriğe bağımlılığını azaltmak ve kullanıcıların konforunu arttırmak için doğal ışığı kullanmak isteyen tasarımcılar ve işletmeler, pencere ve ışıklıklara yöneliyorlar. Hal bu ki aktif doğal aydınlatma, en büyük yeni trendlerden biridir. Bu teknoloji, enerjisini güneşten sağlayan bir motor, GPS ve bilgi işlemcinin bağlı olduğu, gün boyunca güneşi takip eden bir ayna ile dağınık güneş ışığını toplar ve bir ışıklıktan 9 kat daha fazla ışığı iki kat uzun süreyle sağlayabilir, daha geniş bir alana daha düzgün bir şekilde yayar. Şekil 1. Aktif ve Pasif doğal aydınlatma sistemlerinin yıl boyunca yarattığı lambalar kapalı aydınlık sürelerinin karşılaştırma grafiği Yapay aydınlatma ile karşılaştırıldığında, aktif doğal aydınlatma sistemi 800 watt flüoresan veya 1000 watt üzerinde metal halide lambanın verdiği aydınlığı sağlar. Elektrik kullanmadığı için, binayı aydınlattığı ortalama 10,5 saat boyunca aydınlatma enerji giderleri sıfıra düşer. Lümen performansı (her bir ünite, lm max.) düşük işletme maliyeti ve uzun ömrü bu teknolojiyi verimli yapar ve çeşitli konut dışı projelerde cazip hale getirir. Sistem kusursuz renk ayrımı sağlar ve ürün renklerini UV filtresi ile korur. Tam spektrumlu ışık okumayı kolaylaştırır. Tavana monte edilen aktif doğal aydınlatma teknolojileri genellikle tek katlı yapılara veya çok katlı binaların en üst katına uygulanır. Aktif doğal aydınlatma sistemi-suntracker şu bileşenlerden oluşur: 174

184 Şekil 2. Aktif doğal aydınlatma sistemi SunTracker 1. Akrilik kubbe 2. Alüminyum çerçeve 3. Kontrol mekanizması 4. Termal bariyer 5. Dağıtıcı (alt) lens Şekil 3. Aktif doğal aydınlatma sistemi SunTracker uygulama kesiti Tüm sistem su baskınlarına karşı bir bordürün üzerine oturur ve çatıda sızdırmazlık sağlanır. Şeffaf bir akrilik kubbe tüm bileşenleri dış etkilerden korur ve 126 cm lik bir çerçeveye oturur. Kubbe yüksekliği 66 cm dir. GPS mikroişlemci gün boyunca ve mevsimlere göre güneşin nerede olduğunu bilir. Aynayı her 10 dakikada bir hareket ettirir, gündoğumundan günbatımına kadar güneşi takip eder. Teknoloji enerji açısından verimlidir, elde edilen doğal ışık, elektrikle aydınlatmaya göre her lümen başına 2,5 kat daha az ısı üretir. Şekil 4. SunTracker ve diğer aydınlatma sitemlerinin ısı akısı karşılaştırması Ek olarak, güçlendirilmiş iki akrilik lens, güneş ısısını dışarıda tutar-sızdırmaz olarak imal edilmiş ve ışık kuyusunun üzerine monte edilen üst lens ve dipte yerleştirilen ve sızdırmaz olarak monte edilen alt lens. 3. ETKİNLİĞİ SAĞLAYAN TEKNİKLER Aktif doğal aydınlatma sistemi, yapı firmalarının, bina sahiplerinin ve kullanıcıların istediği faydaları sağlamak için birçok teknik engeli aşarak tasarlanmıştır. 175

185 Aktif doğal aydınlatma kamaşmaya neden olan, direk güneş ışığı değildir-çalışma alanlarını aydınlatmayı optimize eden dağınık (yayınık) ışıktır. SunTracker ile güneşin açısına göre yeri süpüren bir ışık spotu göremezsiniz. Şekil 5.a. Yapay aydınlatma sistemi ile aydınlatılmış spor salonu Şekil 5.b. Aktif doğal aydınlatma sistemi Suntracker ile aydınlatılmış spor salonu Güneş ışığı gün boyunca değişir ve coğrafya ve bina yapısına göre de değişim gösterir. Çok fazla çeşitlilik gösteren doğal ışık koşulları etkili bir yönetim gerektirir. Burada anlatılan aktif teknoloji, dağınık güneş ışığının zorluklarının üstesinden gelir ve güneşin doğrultusu değişirken yüksek aydınlık seviyelerini korur. Şekil 6. Greensboro NC de Office Depot mağazasında 2007 kışında farklı saatlerde lambalar kapalı elde edilen aydınlık seviyeleri Aydınlık seviyesi de diğer bir değişkendir. Doğal aydınlatma, tavandaki lambalar ve çalışma lambaları toplam seviyeyi belirler. Ne kadar ışık yeterlidir? SunTracker Aktif doğal aydınlatma teknolojisi elektrik kullanmadığı için, aydınlık seviyeleri tasarım standartlarındaki (gerçekte uygulanmayan ve çalışan ortam konforunu olumsuz etkileyen) minimumların üzerine elektrik tüketimini arttırmadan çıkabilir. Uygun doğal aydınlatma sistemi tasarımı için harcanan çaba sonuca değerdir. Görsel estetiği, yapılarda iç çevresel kaliteyi ve enerji maliyetlerini etkiler. 176

186 Şekil 7. Aktif doğal aydınlatma sisteminin aydınlatma simülasyonu ve uygulanmış örneği Aktif doğal aydınlatma sistemine ek olarak sunulan otomatik aydınlık kontrol sistemleri, lambaları dimmer ile kısarak hatta güneş ışığının güçlü olduğu saatlerde tamamen kapatarak iki ışık kaynağından-güneş ve yapay aydınlatma- gelen ışığı dengeler. Bu, çalışma ortamında düzenli bir aydınlatma sağlar ve önemli miktarda enerji tasarrufu yapar. Uygun tasarlanıp etkili bir şekilde entegre edildiğinde, doğal aydınlatma sistemleri, flüoresan aydınlatma yükünü %75 e kadar düşürebilir. Işık kalitesini korumak ta önemlidir. Yapay aydınlatma, insanların kaynaklar arasındaki geçişleri hissetmemesini sağlamak için doğal ışığa yakın olmalıdır. Güneşle gelen ısı kazanımları ve sonucunda artan iklimlendirme enerji yükleridir. Fark yaratan termal bariyeri ile aktif doğal aydınlatma sistemi SunTracker, tasarımcı ve mimarların, güneş ısısını binaların dışında tutmak ve kışın ısıl kayıpları minimize etmek gibi değişkenlerin üstesinden gelmelerine olanak sağlar. SunTracker güneş kaynaklı ısı transferini geleneksel ışıklıklara göre 20 kat daha etkin olarak bloke eder. SHGC SunTracker = 0,032 SHGC Işıklık = 0,700 U SunTracker = 0,35 W/m 2 K U Işıklık = 0,50 W/m 2 K Şekil 8. TescoKipa Bornova SunTracker ısıl performans karşılaştırması Şekil 9. SunTracker ve pasif sistemlerin ısıl performans karşılaştırması TÜRKİYE DE DOĞAL IŞIKTAN FAYDALANMA Bazıları günışığı aydınlatmanın verimli olarak sadece düşük paralellerde, yeterli, parlak güneş olan yerlerde çalıştığına inanır. Aktif doğal aydınlatma, güneş ufkun sadece 8,5 derece üzerindeyken bile bol ışık yakalayarak bu inanışın efsane olduğunu açığa çıkarıyor. 177

187 Türkiye nin kuzey enlemlerindeki birçok ilimiz doğal aydınlatma için uygun olabilir-gri, bulutlu bilinen yerler de genellikle binaların içerisini aydınlatmaya yetecek kadar yaygın ışığa sahiptir. Türkiye de SunTracker ile yıllık 2500 saatten (Artvin, Rize) 4200 saate (Hakkari) kadar lambalar kapalı aydınlık yaratılabilmektedir. Kuzeydeki kışları soğuk ve yazları sıcak yerleşim bölgelerinde ve çok sıcak yaz aylarına sahip güney bölgelerinde aktif doğal aydınlatma teknolojisi yaz-kış ısı kaybını ve güneşle gelen ısı artışını minimize eder. 4. SUNTRACKER YATIRIM GERİ DÖNÜŞ SÜRESİ İlk yatırım maliyeti, asgari veya uzun geri dönüş süresi ve göz kamaşması gibi doğal ışığa yapılan diğer itirazlar, SunTracker kullanıcıları için sorun değildir. SunTracker, sistemindeki iki termal bariyerle yaratılan boşluğun sonucu olarak ısı kazanımı veya kaybını önleyen yayınık, konforlu, doğal ışık yaratır, iklimlendirilmiş binalarda etkinliği en üst noktaya çıkarırken ısıtma ve soğutma yüklerini de etkili şekilde azaltır. Sadece enerji tasarrufu açısından bakıldığında, yatırımın geri dönüşü, birkaç etkene bağlı olarak (güneşli gün sayısı, enlem, kwh enerji maliyeti, çalışılan gün sayısı, vergi oranı, teşvikler veya kamu hizmetleri indirim/iadeleri, pik kwh tarifesi, vb.) tipik olarak %15-35 arasındadır. Bunun yanında, yapay aydınlatma sistemi bakım giderleri ve iklimlendirme enerji giderlerindeki tasarruflar da yatırım geri dönüşüne katkıda bulunur. Şekil 10. Çeşitli spor salonlarında SunTracker uygulama örnekleri SunTracker, etkin bir şekilde güneşi içeriye getirir, daha başarılı ve sağlıklı nesillere yardımcı olur. SunTracker, Energy Star etiketi ile ABD Çevre Koruma Ajansı ve Enerji Bakanlığının enerji açısından verimli ürünler ve uygulamalarla tasarruf etmek ve çevreyi korumak için ortak programları katı kurallarına uygunluğunu kanıtlamıştır. Evrensel olarak anlaşılan ve kabul edilen araçlar ve performans kriterleri ile sürdürülebilir yapıların küresel uygulamalarını teşvik eden ve hızlandıran Leadership in Energy and Environmental Design (LEED) Yeşil Bina Derecelendirme Sisteminde SunTracker, sertifika almak için puanlara katkıda bulunur. 178

188 SONUÇ Güneş ışığın binalara aktif doğal aydınlatma sistemi ile getirilmesi, konfor, enerji tasarrufu, performans artışı getirmektedir. Güneş ve yapay ışıkların birlikte kullanıldığı bütünleşik aydınlatma sistemlerinin kullanılması, yapay aydınlatma için harcanan enerjiyi büyük ölçüde azaltmaktadır. Türkiye de doğal aydınlatma tasarımı yıllık ortalama getirileri açısından artık bilinmez değildir. Hava şartlarına göre ve yıllık güneşlenme sürelerine göre enerji tasarrufları gerçekçi olarak hesaplanabilmektedir. Cari açığımızın önemli kısmı ithal edilen enerjiden kaynaklanmaktadır. Enerjimizin büyük kısmı fosil kaynaklıdır ve bu da atmosfere saldığımız sera gazlarını arttırmaktadır. Doğanın bize sunduğu en güçlü enerji kaynağını etkili şekilde kullanarak, sürdürülebilir bir çevre için yenilenebilir kaynaklarımızdan en üst düzeyde faydalanmak ve karbon salınımı konusunda ülkemizin üzerine düşeni yerine getirme sorumluluğu paylaşılmalıdır. İş dünyası, maliyetleri etkin bir şekilde kontrol altına almak için, verimliliği, bunun bileşeni olan ve rekabetçi avantajı yaratan etkenlerin en önemlilerinden birisi olan çalışanların konforu ile performans arasındaki doğru orantılı ilişkiyi büyük bir güç olarak düşünmelidir. 179

189 KAYNAKLAR 1. Heschong Mahone Group, Inc., Daylight and Retail Sales-Technical Report for California Energy Commission, October Heschong Mahone Group, Inc., Daylighting In Schools-An Investigation into the Realtionship Between Daylighting and Human Performance, Detailed Report, August 20, Joonho Choi, and Liliana o. Beltran, Ph.D. Texas A&M Univ., College of Architecture, Study of the Relationship between Patient's Recovery and Indoor Daylight Environment of Patient Rooms in Healthcare Facilities October 17-20, Kalle Hashmi, Swedish Energy Agency, Daylight vs Artificial Light, 2003 Rocky Mountain Institute, Economics of Daylighting and Occupant Productivity, presentation,

190 tmmob makina mühendisleri odası GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ SEMPOZYUMU VE SERGİSİ POSTER BİLDİRİ ÖZETLERİ 6 7 Kasım

191 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 DALYAN KANALLARI TUR TEKNELERİ İÇİN GÜNEŞ ENERJİSİ İLE TAHRİK SİSTEMİ M. Necat Özgür (İnş. Yüksek Müh.) Özel Çevre Koruma Kurumu, Ankara ÖZET Biyo-çeşitlilik zenginliği, kültürel ve tarihi değerleri açısından önemli bulunarak Bakanlar Kurulu tarafından belirlenen özel çevre koruma bölgelerinin çevre koruma etkinlikleri, bu doğrultuda araştırmalar, fiziki planlama ve altyapı yapımı ile tüm kuruluşların yatırımlarının denetlenmesi yetkisine sahip olan Özel Çevre Koruma Kurumunun yönetimindedir. Köyceğiz-Dalyan özel çevre koruma bölgesinin turizm baskısı altındaki nadir coğrafyası, önemli bir kirlilik tehdidi altındadır. Köyceğiz Gölü ile Ege denizini birleştiren ve Dalyan Kanalları olarak bilinen suyolları, hemen hemen yıl boyunca yaklaşık 500 adet teknenin gezginleri doğa ve tarih hazinesi içinde gezdirdiği bir etkinliğe sahne olur. Tekne yakıtı kaynaklı gaz ve sıvı atıklar, kaya mezarlarının da zarar gördüğü hava, su, toprak kirliliğine yol açmaktadır. Bölgedeki fosil yakıt kirliliğinin önüne geçilmesi amacıyla Özel Çevre Koruma Kurumuna önerilen ve başlatılması Kurum tarafından kararlaştırılan Güneş Enerjisi Projesi, yenilenebilir enerji ve çevre koruma kavramlarının örtüştüğü çok özel bir örnek oluşturmuştur. Proje ile tekneler üzerinde elektrik motoru ile çalışan bir tahrik düzeni konulması ve enerjinin bir batarya takımında bulundurulması esas alınmaktadır. Bataryaların şarjı için ise merkezi bir Güneş santralinin kurularak şarj işleminin bu birimden gerçekleştirilmesi düşünülmüştür. Bildiride, projenin kapsamında yapılması gereken araştırmalar ile projenin çeşitli aşamaları içinde öngörülen -yapılabilirlik gibi- çalışmaların neler içereceği ile idari ve yasal altyapıdaki zorunlu değişiklikler sunulmaktadır. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, Köyceğiz-Dalyan, özel çevre koruma bölgesi 182

192 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 ISPARTA ŞARTLARINDA ÇALIŞAN DENEYSEL GÜNEŞ HAVUZUNUN TERMODİNAMİK ANALİZİ * Arzu Şencan, ** Nalan Çiçek Bezir, * Erkan Dikmen, ** Nuri Özek, * İsmail İlke Köse * Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Makine Eğitimi Bölümü, 32260, Isparta ** Süleyman Demirel Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü, 32260, Isparta sencan@tef.sdu.edu.tr, cicek@fef.sdu.edu.tr, erkan@tef.sdu.edu.tr, nozek@fef.sdu.edu.tr, il35@hotmail.com ÖZET Güneş enerjisi; yapıların ısıtılması ve soğutulması, sıcak su temini, seraların ısıtılması, tarım ürünlerinin kurutulması ve yüzme havuzlarının ısıtılması gibi birçok alanda kullanılmaktadır. Güneş enerjisinin uygulamalarından biri de, ekonomik yönden ucuz ve verimli bir şekilde toplama ve depolama sağlayan güneş havuzlarıdır. Buna ek olarak güneş havuzları çektikleri ısıyı uzun süre depolama özeliğine sahip olmakla diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına üstünlük sağlamaktadır. Yapılan bu çalışmada, yüzey alanı 1.5 x 1.5 m 2 ve derinliği 1.5 m olan yalıtımlı bir güneş havuzunun üzerinde açılıp kapanabilen ve yansıtma özelliği olan iki kanatlı bir kapak sistemi tasarlanmıştır. Sistem, bir elektrik motoruyla otomatik olarak 0 ile 180 derece arasında 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 yapmaktadır. Çalışma ile elde edilen bu veriler ışığında kurulan sistemin Isparta iklim şartlarında ısıl performansı ve ekserji analizi incelenmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş havuzu, güneş radyasyonu, termodinamik analiz. 183

193 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 KONUTLARDA GÜNEŞ ENERJİSİ KULLANIMI VE ESKİŞEHİR BÖLGESİ İÇİN BİR UYGULAMA 1 Taner YILMAZ 2 Mehmet KURBAN 3 Ümmühan BAŞARAN FİLİK 1,2,3 Anadolu Üniversitesi İki Eylül kampusü Mühendislik-Mimarlık Fakültesi 26555, ESKİŞEHİR 1 e-posta: tanery@anadolu.edu.tr 2 e-posta: mkurban@anadolu.edu.tr 3 e-posta: ubasaran@anadolu.edu.tr ÖZET Fosil enerji kaynaklarının çevreye verdiği zararların yanında hızla tükendiği günümüzde; enerjinin verimli ve etkili bir biçimde kullanımı giderek büyük önem kazanmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları bakımından oldukça yüksek bir potansiyele sahip olan ülkemizde kaynakların değerlendirilmesi ve verimli bir şekilde kullanılmasına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalışmada, ilk önce başlıca yenilenebilir enerji kaynakları hakkında kısaca bilgi verilecek. Daha sonra, Eskişehir bölgesindeki yenilenebilir enerji kaynakları potansiyeli, ilgili kurumlardan elde edilen veriler dikkate alınarak değerlendirilecek ve bu bölgede yenilenebilir enerji kaynaklarının konutlarda (evsel) verimli bir şekilde kullanımı konusunda bir uygulama yapılacaktır. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji Kaynakları, Enerji Kaynakları 184

194 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 FOTOVOLTAİK SU POMPALAMA ÇÖZÜMLERİ Engin Özdemir (1), Fatih Kavaslar (2) (1) Kocaeli Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi, Umuttepe Kocaeli (2) Mavisis Teknoloji En. San. Tic. A.S. GOSB Teknopark High Tech Binası Kat.1, 41480, Gebze, Kocaeli (1) (2) ÖZET Son yirmi yıldır solar elektrik güç sistemlerine olan talep hızla artmıstır. Günümüzde kullanılan fotovoltaik elektrik üretim sistemleri su pompalama amaçlı olarak da kullanılabilmektedir. Bu çalısmada günümüzde uygulanmakta olan solar fotovoltaik su pompalama çözümleri sunulmakta alternatif teknolojiler sıralanmaktadır. Farklı su pompalama çözümlerinin avantaj ve dezavantajları verilmektedir. Solar sulama uygulamalarında özellikle 3kW ve altındaki güç uygulamalarında tek faz sebeke ve akü destekli çözümler, 6 kw ve üzeri güç uygulamalarında ise 3 faz sebeke ve akü destekli uygulamalar tercih edilmektedir. Elektrik sebekesinin bulunmadığı durumlarda ise sebeke ve akü desteksiz sulama çözümleri öne çıkmaktadır. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik elektrik üretimi, su pompalama 185

195 TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi 6-7 Kasım 2009 GÜNEŞ ENERJİSİYLE SU ISITMA SİSTEMLERİNİN YAŞAM DÖNGÜSÜ ANALİZİ Ömer EREN, Hasan Hüseyin ÖZTÜRK Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, ADANA cu.edu.tr, cu.edu.tr ÖZET Güneş enerjisiyle su ısıtma (GESI) sistemi, yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinden yararlanmak için kullanılan sistemlerden birisidir. Sürdürülebilir bir gelişme için, enerji sistemlerinin çevresel etkilerini belirlemek amacıyla yaşam döngüsü analizinden (YDA) yararlanılır. YDA kapsamında, uygulanan üretim ve tüketim süreçlerinin çevresel, ekonomik ve toplumsal sonuçları belirlenir. Bu çalışmada, GESI sistemlerinin çevresel etkilerinin değerlendirilmesi için, YDA nin uygulanması incelenmiştir. Örnek bir doğal dolaşımlı GESI sistemi, YDA ile irdelenmiştir. Doğal dolaşımlı GESI sistemi için yapılan YDA sonucunda, asıl çevresel etki kategorisinin % gibi bir oran ile asitleşme olduğu belirlenmiştir. Asitleşme etkisini, hava kirliliği ve küresel ısınma etkileri izlemektedir. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisiyle Su Isıtma Sistemi, Yaşam Döngüsü Analizi 186

196

197

198

199

200

201

202

203

204

205

206

207

208