Güneş enerji termik sistemi nasıl çalışır?

Transkript

1 Güneş Enerji Termik sistem elemanları Güneş enerji termik sistemi nasıl çalışır? Güneş ışınlarının ( kısa dalgalı ışınlar) kollektörler üzerinde bulunan cam dan içerisi girmesi ile, giren ışın ( kısa dalgalı ışınlar) ısıya ( uzun dalga boylu ışınlar) dönüştürülür. Yani, diğer bir deyişle, kollektörler, güneş ile Sıcak su kullanıcıları arasındaki bağlantıyı sağlarlar. Absorber: Isı, güneş ışınlarının siyah renkli metal platin den geçmesi ile oluşur. Isının oluşmasındaki en büyük görevi siyah renkli metal platin üstlenmiştir ve bir kollektörün en önemli bölümüdür. Absorber altında absorbere kaynatılmiş, küçük borucuklar içinde hareket eden sıvı, absorber tarafından oluşturulan ısıyı alarak, sıcak su toplama tankı içerisinde bulunan ejanşörlere geçerek, tank içerisindeki suyu ısıtır. Bu sırada tekrar soğuyan sıvı kollektörlere pompa yardımı ile basılarak, ısınması sağlanır. Sıcak su tankı: Sıcak su tankı içerisindeki su, alta taraftan ısınmaya başlaması ile, suyun yoğunluğu azalacağından, tank içerisindeki sıcak su tankın üstüne doğru harekete geçer ve tankın üst bölümünde toplanır. Bu Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 1

2 bölümden alınan sıcak su evin sıcak su tesisatına verilir. Tankın üst bölümünden alınan sıcak su miktarı kadar soğuk su, tankın alt tarafından tank içerisine hareket eder. Sistem kontrol cihazı: Sistem kontrol cihazı, kollektörlerdeki sıcaklığın, tank içindeki sıcak sudan bir kaç derece fazla olduğunu algıladığı anda, pompa grubunu devreye alarak, borular içerisinde hareket eden sıvının kollektörlere doğru hareketini sağlar. Tersi, yani, kollektörlerdeki sıcaklığın tank içerisinde bulunan sıcak sudan daha düşük olması durumunda ise, kontrol cihazı pompa gurubunu durdurarak, sıvının hareketini engeller. Böylece tank içerisindeki sıcak suyun soguması önlenmiş olur. Çok genel olarak ( göz kararı sistemi ile) söylenebilinir ki, kurulması düşünülen bir sıcak su sisteminde kişi başına 1,2 ile 1,5 m 2 lik bir kollektör alanına ve litrelik bir sıcak su tankına ihtiyaç duyulur. Yıllık güneş enerji verimliliği: Yıllık güneş enerji verimliliği (sıcak su kullanımı için gerekli olan enerjinin ne kadarının güneş enerjisi ile sağlanabilineceğidir), sıcak su kullanımlarında Türkiye için %80-90 civarlarındadır ( Bu değer sistemin kurulacağı bölgedeki güneş enerji değerlerine bağlıdır)geri kalan %20-10 gibi bir miktar enerji başka bir kaynaktan sağlanmalıdır. İhtiyaç duyulan bu enerji, herhangi bir enerji kaynagının ( yoğunlaştırıcı kombi, LPG yada Motorin yakıtlı ısıtıcıların), sıcak su tankının üst bölümündeki ejanşöre bağlanması ile sağlanmaktadır. Böylece sadece tankın üst kısmının ısıtılması gerçekleştirilmektedir. Bu durumda, kullanılacak sıcak suyun maksimum ısı değeri düşürülürse ( örneğin 70 C den 45 C ye) güneş enerji sisteminin yıllık verimliliği de artırılmış olacaktır. Page 2

3 4.1. Kollektörler Güneş enerji sistemlerinde kollektörlerin görevi, kollektör yüzeyine düşen güneş ışınlarını ( direk /diffüse) mümkün olduğunca kayıpsız ve en yüksek miktarda ısı enerjisine dönüştürerek, bu enerjiyi sisteme vermesidir. Su an piyasa da bulunan çok değişik kollektörler bulunmaktadır. Bir çok üretici tarafından kollektörlere ait geometrik alan değerleri farklı verilmektedir ki, bunların birbirleri ile karıştırılmaması gerekmektedir. Kısaca açıklamaya çalışırsak; Brüt yüzey: Kollektörün yüzeyidir ( uzunluk*genişlik) Apertür yüzeyi: Güneş ışınlarının kollektörler içerisine girebileceği alandır. Absorber yüzeyi: Kollektörlerin verimlilik alanıdır. Kollektör içerisinde bulunan siyah renkli metalik Absorbenin toplam yüzeyidir. Kullanıcı mutlaka, kollektörlerin Absorber yüzey alanlarını dikkate almalıdır Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 3

4 ( kollektörler arası karşılaştırma yapılması durumunda). Bir çok üretici, absorber alanı olarak kollektörlerin Brüt yüzey değerlerini vermektedir. Oysa bu değer DIN nolu Kollektör test standartları nın 1. ve 2. bölümlerinde çok açık bir şekilde tarif edilmiştir. Sadece reflektörlü Vakum kollektörlerinde, reflektör yüzeyi Apertür yüzeyi olarak belirlenebilir. Vakum Kollektörlerinde Absorber yüzeyi = İç boruların yüzeyi * Absorber uzunluğu * Boru sayısıdır Yüzeyin camla kaplanmamış kollektörler Bu tip kollektörlerde sadece absorbe kullanılmakla birlikte, absorbe üzeri cam ile kaplanmaz. a.) Plastik Absorberler: Bu tip plastik absorberler daha çok yüzme havuzlarının ısıtılmasında kullanılır. b.) Paslanmaz metal absorberler: Kullanım sıcak sularının ön ısıtılmasında kullanılırlar. Bu tip kollektörlerin verimlilikleri oldukça düşüktür. Avantajları: Bu tip kollektörlerin çatı üstlerine montajlarında, çatıların kiremit ile kaplanmalarına gerek kalmaz. Bu sayede kiremit maliyeti sıfırlanmış olur. Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 4

5 Dezavantajları: Oldukça düşük verimlilikleri nedeni ile, yüksek miktarda kollektör yüzeyine ihtiyaç duyulur Düz Kollektörler Piyasa da var olan hemen hemen tüm kollektörler, genelde metal absorber içerirler ve dikdörtgen şeklindedirler. Kollektörlerin arka kısımları izole edilmiş, ön yüzeyleri ise ( güneş ısınlarının geldiği yüzey) transparent bir yüzey ile kaplıdır. Kollektörler içerisinde iki ana toplayıcı bulunmaktadır. Bunlardan birisi solar sıvının kollektöre girmesini diğeri ise, kollektörden çıkmasını sağlar. Camsız kollektör ağırlığı 8-12 kg/ m2, camlı kollektörler ise kg/m2 arasında bir ağırlığa sahiptirler. 1,5 m2 den 12,5 m2 kadar çok değişik boyutlarda kollektörler üretilmektedir. 2 m2 boyutuna sahip bir kollektörün ağırlığı yaklaşık 40 kg civarındadır. Absorber: Bir düz kollektörün kalbi absorberdir. En önemli özelliği, çok iyi ısı iletim katsayısına sahip olan bir metal den ( örneğin, bakır, alüminyum), üretilmiş olmasıdır. Siyah renkli absorber ince bakır borucuklara kaynatılmış olması gerekir. Güneş ısınlarının absorber yüzeye düşmesi ile, absorber güneş ışınlarından almış olduğu ışığı ısı enerjisine çevirerek, bu enerjiyi kendi alt yüzeyine kaynatılmış ince bakır borucuklara iletir. Bakır borucuklara iletilen bu ısı, bakır borucuk içerisinde hareket halinde olan solar sıvıya iletilerek, bu enerjinin sıcak su toplama tankına ulaştırılması sağlanır. Kollektörlerin görevi, yüzeylerine düşen güneş ışınlarını mümkün olan sıfır kayıp ile ısı enerjisine çevirmektir, bu nedenle absorber olarak Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 5

6 kullanılan malzemenin absorbsiyon derecesi ( α )nın yüksek, emisyon derecesinin ise ( є) düşük olması gerekmektedir. Bu değerler absorbenin selektiv yüzey kaplanması ile ulaşılır. Bu kaplama ile güneş ışınlarının, ısı erejisine dönüştürülmesi optimumlaştırılarak, dönüşen ısı enerjisinin ( uzun dalga boylu) absorber altından dışarıya verilmesi azaltılmıştır. Selektiv yüzey kaplamada genel olarak siyah nikel yada siyah krom kullanılmaktadır. Bazı firmalar tarafından ise, vakumlama yöntemi ile de selektiv kaplamalar gerçekleştirilmektedir. Bu tip kaplamaların diğer kaplamalara göre avantajı, kaplama işleminin vakum altında yapılmasından dolayı, ortaya çıkan kaplama, çok düşük güneş ısınlarında bile diğer kaplama yöntemlerine göre oldukça yüksek verimlilik göstermeleridir. Güneş ışınları ve malzemenin etkileşimi: Kısa dalga boylu güneş ısınlarının ( dalga boyu 0,3-3,0 µm) herhangi bir yüzeye düşmesi ile birlikte, düşen yüzeyin yapısına bağlı olarak ( yüzeyin düz, puslu, renkli) güneş ışınlarının bir kısmı geriye yansıyacaktır. Açık renkli yüzeylerde bu yansıma daha fazla olacaktır. Geriye yansıyan ışınlar aynı zamanda ( özellikle camlarda) düşen ısının düşme açısına da bağlıdır (Fresnel yasası) yansımadan geriye kalan ışınlar yüzey tarafından absorbe edilir. Sonuç olarak absorbe edilen ışınlar, ısıya, uzun dalga boylu ( 3,0-30 µm) ışınlar olarak dönüştürülür. Bu reaksiyon fizik de, malzemenin yansıma, absorbsiyon ve geçergenlik, emisyon değerleri ile açıklanır. Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 6

7 Yansıma derecesi ρ= yansıyan ışın/ yüzeye düşen ışın Absorbsiyon derecesi α= Absorbe edilen ısınım/ yüzeye düşen ısın Geçirgenlik derecesi τ= Geçen ışın/ yüzeye düşen ışın Emisyon derecesi = Emisyona uğrayan ışın/ absorbe edilen ışın ρ, α, τ ve değerleri malzemenın yapısına ve dalga boylarının karekterine bağlı değerlerdir ρ, α ve τ nin toplamı 1 ( %100) dir. Stefan Bolzmann Yasası: q 1 = * σ* T 4 dür. Bu formül de q 1 = Dönüştürülen ısı enerjisi ( W/ m2) σ = Srefan- Bolzmann- sabiti 5, (W/(m2.k4)) T= Yüzey sıcaklığı = 273+t ( C) (K) = Emisyon derecesi ( - ) Formülden de anlaşılabilineceği gibi, bir kollektörün verimliliğini artırmak için emisyon derecesini düşürmek gerekmektedir. Bunu sağlamak için günümüzde üçüncü nesil diye atlandırılan absorberler üretilmeye başlanmıştır. Absorber malzemeleri ve bunların bakır borucuklara kaynaklanması Absorber olarak kullanılan bakır oldukça yüksek bir ısı iletim değerine sahiptir ( λ= 380 W/(m.K) Son zamanlarda ise alüminyum absorberler üretilmektedir ( λ= 200 W/(m.K) Karşılaştırılması açısından demir in ısı iletim değeri - - à λ= 60 W/( m.k) Page 7

8 Absorber üzerinde oluşan ısının, alt borucuklara geçişini sağlamak için ısı iletimi oldukça yüksek kaynak teknikleri kullanılmaktadir.( laser, ultra dalga gibi) Isı Izolasyonu Kollektör içerisindeki ısı kaybını en az düzeylerde tutabilmek için, kollektör alt bölümünün mutlaka izole edilmesi gereklidir. Kollektörler içerisinde sıcaklığın 200 C ve üzerine çıkacağı gözönüne alındığında, izolasyon için en uygun malzeme Taş yünü izolasyon malzemesidir. Ancak Taş yününde kullanılan bağlayıcı malzemenin özelliğine dikkat etmek gerekmektedir, çünkü bu bağlayıcı yüksek sıcaklıklarda buharlaşmaya başlayabilir. Geçirgen ( Transparent) yüzey Taş yünü izolasyon malzemesi ve absorber kollektör içerisine yerleştirildikten sonra, kollektör yüzeyinin geçirgen bir malzeme ile kaplanması gerekemektedir. Genel de bu malzeme camdır. (Türkiye de bir çok üretici tarafından flexiglass da kullanılmaktadır) cam olarak genel de içinde, oldukça düşük demir bulunan ( böylece geçirgenliği yükseltilen) 3-4 mm kalınlığında kırılmaz cam kullanılır. Bu tip camların ışın geçirgenliği maksimum %91 dir. Geçirgen yüzeyin sağlaması gereken özellikler a.) Kollektörün kullanım ömrü boyunca yüksek ışın geçirgenliğine sahip olması b.) Düşük ışın yansıma değeri c.) UV- ışınına karşı yüksek dayanım d.) Kollektörü rüzgarlı, yağmurlu, karlı hava şartlarında koruması e.) Kollektörü mekanik darbelere karşı ( dolu yağması vb) koruması Page 8

9 Güneş ışınlarının yansımasını önleyen özel kaplamalar; Şu an piyasa da bulunan normal kollektör camları, yüzeylerine düşen güneş ışınlarının yaklaşık %8 ni geriye yansıtmakta ve %1 lik bir bölümünü de kendi içerisine absorbe etmektedir. Dolayısı ile normal bir kollektör camının geçirgenliği %91 dir. Wagner&Co tarafından geliştirilen Anti yansımalı kollektör camları sayesinde bu katsayı %91 den %96 e çıkartılmıştır. Montaj için hazırlanan camlar montaj öncesi sol- gel yöntemi ile yüzeyleri kaplanarak yaklaşık 650 C temperlenmektedirler. Böylece camın kırılma endeksi 1,53 den 1,3 e düşürülerek, cam yüzeyinde oluşan yansıma en düşük düzeylere çekilmektedir. η 0 değerinin yükseltilmesi= Bu yöntemle optik verimlilik değeri 0,8 den 0,86 ya yükseltildiği için kollektörün toplam verimliliğide yükseltilmiş olur (yaklasik olarak %15) yapılan testler anti yansıma kaplaması ile kaplanan kollektörlerin kullanım ömürlerinin daha da arttığını göstermiştir. Bu tip kollektörler fiyat olarak, diğer kollektörlere oranla metrekaresinde Avro kadar daha pahallıdırlar. Page 9

10 Kollektör kasası Kollektör kasalarının üretiminde kullanılan malzeme genelde elokse edilmiş alüminyumdur ( Galvaniz değil!!) Kollektör sızdırmazlık elemanları Kollektör yüzeyinde bulunan sızdırmazlık elemanları kollektörler içerisine su, toz gibi kollektör ömrünü etkileyecek malzemelerin girmesini engeller. Kollektör yüzeyinde bulunan camın, kasaya monte edilmesi sonunda bu bölümün mutlaka sızdırmazlık elemanları ile kaplanması gerekmektedir. Burada kullanılan malzeme genelde EPDM den üretilen malzemeler ile silikon kavcuktur ( bu tip elemanların, UV- ışınlardan etkilenmemesi ve olumsuz hava şartlarına karsı iyi bir direnç göstermesi gerekmektedir) Isı Algılayıcılar Isı algılayıcıların monte edileceği yer, bir çok firma tarafından kollektör üretiminde hazırlanarak kullanıcıya sunulur. Bazı üreticiler ısı algılayıcılarını, üretim sırasında direk absorbere monte ederlerken, bazı üreticiler de ısı algılayıcılar yerine, kollektörlerine ışın ölçerler monte etmektedirler. Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 10

11 Düzlemsel bir kollektörün fonksiyon şekli Güneş ışınları önce kollektör camı üzerine düşerler (ışın kuvveti E) Cam üzerine düşen ışınların bir kısmı geriye yansır ( E1) Cam dan absorber üzerine düşen ışınların yine küçük bir kısmı, absorber tarafından geriye yansıtılır (E2) ve geriye kalan güneş ışınları ışı enerjisine dönüştürülür. Absorber altında kalan yanma özelliği olmayan, izolasyon ( taş yünü) malzemesi sayesinde ısı kaybı minimize edilir. Kollektör yüzeyine düşen güneş enerjisinden, sonuçta değişik nedenlerle ortaya çıkan enerji kayıpları ( E1, E2, Q1 Q2) sonucunda kalan net enerji Q dur Q (net enerji) Kollektör verimlilik derecesi Genel anlamda kollektör verimlilik derecesi, kollektör yüzeyine düşen enerjinin, net- kullanılabilinir enerjiye oranıdır. η= qn / E Bu derleme tümü ile Lemsolar- Tütkiye ye aittir. Derlemenin bir kismi ya da tümü, Lemsolar- Türkiye nin yazili izni olmadan kullanilamaz yada cogaltilamaz. Page 11

12 Kollektör verimlilik derecesi, kolektörlerin yapımı sırasında kullanılan malzemelerin kalitesine (örneğin, spesifik optik ( E 1, E 2 ) ve termik (Q 1,Q 2 ) kayıplarına ) bağlıdır. Optik kayıplar: Optik kayıpları, absorber tarafından alınamayan enerji kayıpları olarak algılayabiliriz. Bu kullanılan camın geçirgenlik katsayısına (τ) ve absorber yüzeyin absorbsiyon yeteneğine (α) bağlıdır. Optik verimlilik değeri- à η 0 = τ.α formülü ile hesaplanır. Örneğin: Camın geçirgenlik katsayısı= %90 (τ = 0,90) Absorbenin absorbsiyon derecesi= %90 (α = 0,90) olsun Optik verimlilik => η 0 = 0,9x0,9 = 0,81 dir Termik kayıplar: Termik kayıplar absorber ile diş havanın sıcaklık farklarına ve kollektörün konstruksiyonuna bağlıdır. Kollektör konstruksiyonunun etkisi ısı kayıp sabitleri yardımı ile tarif edilebilinir ( c 1 ( W/ (m 2.K)) ve c 2 (W/(m 2.K 2 )) Sabit güneş ısınımı altında absorber ile dış hava sıcaklığı arasındaki fark büyüdükçe, kollektörün verimlilik derecesi de azalır, tersi durumda verimlilik derecesi artar. Tanınma eğrisi eşitliği, ısı kayıp sabiti, açı düzeltme faktörü Genel anlamda bir kollektörün verimlilik değeri η= q N / E formülü ile tanımlanır. q N = Kullanılan ısı verimliliği (W/m 2 ) absorber yüzey baz alınır E= Cam yüzeye düşen toplan güneş ısınım şiddeti ( W/m 2 ) Net kullanılabilinir enerjiyi hesap etmek için, absorber tarafından ısı enerjisine dönüştürülen enerjiden, termik kayıpları çıkartılması gerekmektedir. Page 12

13 q N = E N - Q N ya da q N = E N - q N dir E N = kullanılabilinir ışınmiktarı ( W/m 2 ) q N = termik kayıplar (W/m 2 ) Kullanılabilinir ısınım değeri de, matematiksel olarak, cam üzerine düşen güneş ışınları ( E), camın geçirgenlik değeri( τ) ve absorbenin absorbsiyon derecesine bağlıdır. E N = E. τ.α Termik kayıplar absorbenin üzerindeki ortalama sıcaklık ( tm) ile dış sıcaklık ( ta) farkı DT na bağımlıdı ve efektif ısı kayıp sabiti ile ifade edilebilinir. q N = k eff. T η = E.τ.α- k eff. T / E à = η 0 - k eff. T / E Tanınma eğrisi eşitliği η = η 0 - c 1. T /E c 2. T 2 / E C 1 = Doğrusal ısı kayıp sabiti (W/(m 2.K)) C 2 = yüzeysel ısı kayıp sabiti ( W/(m 2.K )) C 1 ve c 2 değerlerinin bilinmesi durumunda efektiv ısı kayıp sabiti k eff. Aşağıdaki formülden hesaplanabilinir k eff. = c 1 +c 2 ( t m - t a ) Page 13

14 T m = ortalama absorber sıcaklığı ( C) T a = çevre ( dış) sıcaklıgı ( C) Açı düzeltme faktörü Genel anlamda, bir kollektördeki optik kayıp, kollektör yüzeyine düşen güneş ışınlarının geri yansıması ile ilintilidir denilebilinir. Yansımanın yoğunluğu kollektör yüzeyine düşen güneş ışınlarının düşme açıları ile ilintilidir. Bu açı düzeltme faktörüne bağlı olup K θ simgesine ile belirtilir ( ya da IAM = Indicent Angle Modifier olarak da bilinir) K θ = η 0 (θ) / η 0 η 0 (θ) = ışığın düşme açısı sırasındaki optik verimlilik derecesi η 0 = dikey düşen ışında ki optik verimlilik derecesi Verimliliği yüksek bir düzlemsel kollektörde: * Optik verimlilik derecesi η 0 >0,8 * k eff < 3,5 W/ ( m 2.K) * Kollektör sıcaklığı 200 C Gerçekleşmelidir. Düzlemsel kollektörlerin Vakum kollektörlerine göre avantaj ve dezavantajları Avantajları Düzlemsel kollektörler daha ucuzdur Düzlemsel kollektörlerde sistemin durma sırasında termik baskı daha azdır Düzlemsel kollektörler çatı ve cephe kaplamaları için uygundur Page 14

15 Dezavantajları Düzlemsel kollektörlerin vakumlu kollektörlere göre verimlilikleri daha düşüktür ( daha yüksek c 1 ve c 2 değerleri) Vakumlu kollektörler cephe montajina uygun değildir Bölüm sonu Page 15