Şekil-1 Yeryüzünde bir düzleme gelen güneş ışınım çeşitleri

Transkript

1 VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLLEKTÖR DENEYİ 1. DENEYİN AMACI: Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinde kullanılan vakum tüplü kollektör tiplerinin tanıtılması, boyler tankına sahip olan vakum tüplü güneş kollektör sisteminde bulunan ekipmanların incelenmesi, kollektör verimine etki eden parametrelerin ve kollektörle elde edilen enerjinin ortaya konulmasıdır. 2. GÜNEŞ ENERJİSİ VE KOLLEKTÖR ÇEŞİTLERİ Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğindeki yüksek basınç ve sıcaklıkta hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklinde meydana gelen nükleer füzyon işlemi sonucu ortaya çıkan ışıma enerjisidir. Güneşin bir saniyede üretmiş olduğu enerji miktarı, şimdiye kadar kullanılan enerji miktarından çok fazladır. Güneşten ışın olarak çıkan ve uzaya yayılan enerji çeşitli dalga boyları halinde dünyaya ulaşmaktadır. Dünya, güneşten gelen enerjinin sadece milyarda birini almaktadır. Şekil-1 Yeryüzünde bir düzleme gelen güneş ışınım çeşitleri Güneş ışınım şiddeti verileri, bina enerji analizi ve güneş enerjisi sistemlerinin tasarımında ve performans değerlendirilmesinde gerekli parametreler arasında yer almaktadır. Toplam güneş ışınım şiddeti, piranometre, solarimetre, aktinograflarla ölçülebilmektedir.

2 Şekil-2 Piranometre Güneş enerjisi, yaygın olarak sıcak su üretiminde kullanılmaktadır. Güneş enerjili su ısıtma sistemleri, suyun kullanım yerine, ısıtılma şekline, suyun dolaşım ve amacına göre farklılık göstermektedir. Sistemde, güneş enerjisini toplayan kollektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, gerekli olması durumunda pompa, sistemi oluşturan elemanlardır. Şekil-3 Güneş enerjili su ısıtma sistemleri 2.1 Vakum Tüplü Güneş Kollektörleri Çalışma prensibinden de görüldüğü gibi anular kesiti vakumlanmış iç içe geçmiş iki cam boru doğrudan bir depoya bağlanmıştır. İçteki cam borunun dış yüzeyi güneş ışınımını yutan yutucu yüzeydir. Bu cam tüpün kesitinin alt yarısından depodan gelen soğuk su aşağı doğru inerken, üst yarısından ise ısınarak yoğunluğu hafifleyen su depoya dönüş yapmaktadır. Ara kesit vakumlandığı için taşınım ve iletim ile olan ısı kayıpları yoktur, yutucu yüzey seçici özellikte olduğu için ışınım kayıpları minimum düzeydedir. Dıştaki cam tüpün iç çapını esas alan projeksiyon alanı açıklık alanı, içteki cam tüpün yüzey alanının yarısı (kesitin üst yarım dairesi) ise yutucu yüzey olarak adlandırılmaktadır.

3 Şekil-4 Vakum tüplü güneş kollektörü ve çalışma prensibi 2.2 Vakum Tüplü Isı Borulu Güneş Kollektörleri Isı borulu güneş kollektörlerinde ise, vakum tüplü güneş kollektörlerinde kullanılan anular kesiti vakumlanmış iç içe geçmiş iki cam borunun içerisine bir ısı borusu yerleştirilmiştir. Şekildeki çalışma prensibinden de görüldüğü gibi toplayıcının alt bölümünde ısı borusu akışkanı buharlaşır ve yoğunluk farkıyla yükselerek yoğuşturucu (ısı borusunun manifold içindeki ucu) bölümüne gelir, burada ısısını manifold akışkanına vererek yoğuşur ve ısı borusu iç yüzeyindeki fitil veya kılcal kanallardan tekrar alt bölüme (buharlaştırıcı) inmektedir. Şekil-5 Vakum tüplü ısı borulu güneş kollektörü ve çalışma prensibi

4 2.3 U-Tube Güneş Kollektörleri Şekil 6 da U-Tube güneş kollektörü ve çalışma prensibi görülmektedir. U borunun üzerinde yutucu bir plaka bulunmaktadır. Böylece bakır boru içerisinde dolaşan su yutucu plakadan ısı alarak ısınır. Resimde de görüldüğü gibi U bakır borular birbirlerine seri olarak bağlanmıştır. Şekil-6 U-Tube güneş kollektörü ve çalışma prensibi 3. HESAPLAMALAR Kollektörden elde edilen faydalı ısı [Watt]1 nolu denklemden hesaplanmaktadır. Q = m cp (T ç T g ) (1) Burada m iş gören akışkanın debi miktarını, c p iş gören akışkanın özgül ısı değerini, T ç kollektör çıkışındaki akışkanın sıcaklığını, T g ise kollektör girişindeki akışkanın sıcaklığını ifade etmektedir. Kollektörün anlık verimi ise 2 nolu denklem yoluyla hesaplanmaktadır. η = Q A abs I (2) Bu denklemde I ifadesi güneşten gelen anlık ışınımı [Watt/m 2 ], A abs ise kollektörde bulunan tüplerin absorber (yutucu) alanını ifade etmektedir.

5 T av = T g+t ç 2 (3) Bu denklemde T av değeri ortalama sıcaklık değerini ifade etmektedir. Şekil 7 Düz güneş kollektörleri için tipik verim eğrisi Yukarıdaki grafikte grafiğin eğimi F R U L değerini, grafiğin verim ekseninde kestiği nokta ise F R (τα) n K τα değerini vermektedir. (τα) n : Güneş ışınlarını yutma katsayısı çarpımı (-) F R :Kollektör ısı kazanç faktörü (-) U L :Kollektör toplam ısı kayıp katsayısı (W/(m 2 C)) K τα :Geliş açısı düzeltme faktörü (-) Geliş açısı düzeltme faktörü 4 nolu denklem ile çözülmektedir. K τα = 1 b ( 1 1) (4) cosθ Denklemde bulunan b değeri saydam örtü ve yutucu yüzey özelliklerine bağlı parametredir ve aşağıdaki tabloda verilmiştir. θ ise eğik yüzeye gelen ışın ile yüzeyin normali arasındaki açıdır.

6 Tablo 1: Normal yönde gelen ışınım için b değerleri Cam sayısı Düşük demir oksitli cam (δβ=0.0125) 1 2 Pencere camı (δβ=0.0125) 1 2 b DENEY ÜNİTESİ

7 5. DENEYDEN İSTENİLEN BİLGİLER Deney düzeneğinden elde edilen veriler kullanılarak kollektör giriş ve çıkış arasında elde edilen faydalı ısı miktarı, aşağıda teknik özellikleri verilen kollektörün anlık verimi hesaplanacaktır. Elde edilen faydalı ısı miktarı ve kollektör çıkış sıcaklığı aynı grafikte (sol eksen sıcaklık-sağ eksen ısı) olacak şekilde gün içerisindeki değişimi ve anlık verimin gün içerisindeki değişiminin de grafiği çizilecektir. Ayrıca Şekil 7 de düz güneş kolektörü için verilen grafik (tipik verim eğrisi), deney odasında bulunan vakum tüplü güneş kolektörü için de çizilecektir. Çizilen grafikten F R U L ve F R (τα) n değerleri elde edilerek tabloya işlenecektir. Kollektör teknik bilgileri: L = 1,5 m (Kollektör tüp uzunluğu) D dış = 45,3 mm (Vakum tüpü dış çapı) D iç = 31,6 mm (Vakum tüpü iç çapı) n= 24 (Kollektör adedi) a=3,2 mm (Kollektör tüpünün et kalınlığı)

8 tarihi için örnek sonuçlar aşağıdaki gibidir; NOT: DENEY 412 NUMARALI ODADA YAPILACAKTIR.