Güneş Enerjisiyle Konut Isıtma Sistemleri

Transkript

1 Hacettepe Ankara Sanayi Odası 1.OSB Meslek Yüksekokulu Güneş Enerjisiyle Konut Isıtma Sistemleri Öğr. Gör. Dr. Ġlker AY 2013

2

3

4 Atomik kütle birimi, (sembol akb) a da dalton (Da), çok ufak kütleli maddelerin, özellikle atom ve moleküllerin kütlelerini hesaplamak için kullanılan ölçü birimidir. Bir karbon 12 (C 12 ) atomunun kütlesinin tam olarak 1/12'sine eşittir. Bunun sebebi, karbonun en kararlı ve en kolay bulunabilen elementlerden biri olmasıdır. 1 akb = 1/N A gram = 1/ (1000 N A ) kg (N A Avogadro sayısıdır.) 1 akb (83) kg (23) MeV/c 2 Örneğin; 1 tane C atomu 12 akb'dir, 1 tane Al atomu 27 akb'dir, 1 tane Na atomu 23 akb'dir. 1 mol oksijen 6,02x10 23 tane oksijen atomu içerir (veya 16 gr oksijen 6,02x10 23 tane oksijen atomu içerir). Benzer şekilde, 56 gr Fe (1 mol Fe) 6,02x10 23 tane Fe atomu içerir.

5

6

7

8

9

10 Kollektör/Toplaç/Panel

11 Verimliliği az Kurutma Küçük bina ve işyerlerinde Havalı toplaçta hava ile soğurucu plakanın sıcaklıkları birbirinde farklıdır DT=15 o C -20 o C Neden? Max sıcaklık 70 o C-100 o C Sıvılı Kollektör Verimliliği yüksek Büyük bina ve işyerlerinde Isınma, soğutma ve sıcak su ihtiyacını gidermek için kullanılır. Yüzme havuzlarında suyun ısıtılmasında Sıvılı toplaçta sıvı ile soğurucu plakanın sıcaklıkları birbirine çok yakındır DT=1 o C -5 o C Neden?

12 Sıvılı Kollektör Saydam Örtü Yalıtım Malzemesi Yutucu Yüzey Akışkanın Dolaştığı Borular Kasa

13 Üst Örtü Meteorolojik etkilerden soğurucu tabakayı korumalı Gelen ışınları en az şekilde soğurarak soğurucu plakaya iletmeli Düşük demir konsantrasyonlu cam Soğurucu plakadan yansıyan ışınları dış ortama bırakmaz cama asit banyosu uygulanır, Fresnel merceği kullanılır Tamperlenmiş cam kullanılmalı Neden? Kalınlık (mm) Geçirme % Yansıtma % Soğurma % Max Sıcaklık Direnci O C Gerilme Direnci (MPa) Levha cam Akrilik ,4 Polikarbonat Cam elyaflı polyester Film PVF (teflon) 0, ,2 FEB (teflon) ,0025- PVC 0,3 85 PETB 0, ,

14 Akrilik Polikarbonat Cam elyaflı polyester Film PVF FEB (teflon) PVC PETB

15 SOĞURUCU PLAKA Alışkanın geçtiği borular ve soğurucu yüzeyden oluşur Akışkan sıvı: Alevlenme sıcaklığı yüksek Kaynama sıcaklığı yüksek Donma sıcaklığı düşük Korozif etkisi olmamalı/ az Özgül ısısı yüksek Viskozitesi düşük Soğurucu yüzey Boyalı yüzey Seçici yüzey olarak iki farklı tip vardır

16 Soğurucu plaka Yutuculuğu / Soğurması fazla, yansıtıcılığı az olmalı Güneş ışınımını yutma oranı yüksek olmalıdır. Uzun dalga boylu ısıl ışınımı yayma oranı küçük olmalı o C dayanabilmeli Uzun ömürlü olmalı Maliyeti düşük olmalı Isı iletim katsayısı büyük olmalı. Korozyona karşı dirençli olmalı. Levha ince imal edilmelidir. Ġyi işlenebilmeli. Boyalı Yüzeyler Güneşe dayanıklı mat siyah boya kullanılır Ucuzdur Ġmalatı kolaydır. Bu yüzeyler kısa dalga boylu ışınımları yutma oranı büyük Isıl ışınımı yayma oranları ise yüksektir

17 Seçici yüzeyler Kısa dalga boylu ışınımın tamamına yakını yutan ve uzun dalga boylu ışınımı çok az yayan yüzeylere seçici yüzey denir. Seçici kaplamalar yutma %90 yayma %0-20 Yarı seçici kaplamalar yutma %90 yayma %20-50 Seçici olmayan kaplamalar yutma %90 yayma % Seçici yüzeyler alüminyum, çelik, bakır gibi malzemelerin üzerine siyah nikel, siyah bakır, siyah krom gibi kaplamalar yapılarak elde edilir. İs te iyi bir seçici yüzeydir Kaplamalar kimyasal banyo, püskürtme yöntemi elektro kaplama Seçici yüzeye bakıldığında koyu renkli görünmesine rağmen gerçekte siyah bir yüzey olmadığı için ışınım yayma oranı küçüktür Neden?

18 Isı yalıtımı Yalıtım yutucu plakaya bakan kısmı alüminyum folyo kaplanır. Neden? Yalıtım yağmur rüzgârı gibi atmosfer şartlarından etkilenmemeli. Yalıtımın yan ve alt yüzeylerinin kaplama malzemesi sıcaklığa dayanıklı, Nem ve yağmura karşı dirençli, Zamanla şekil değiştirmemeli Yanmaya karşı dirençli olmalı. Neden? Isıl iletim katsayısı küçük olmalıdır. Isıl iletkenlik (W/mK) En yüksek kulanım sıcaklığı ( o C) Cam yünü 0, Mineral lifli 0,036-0, Kalsiyum Silikat 0,055 (90 o C) 649 Perlit 0,048 (90 o C) 816 Polistiren köpük 0,029-0, Poliüretan köpük 0, Ġsosiyanür köpük 0, Fenolik köpük 0, Formaldehit köpük 0,

19 Cam yünü Mineral lifli Kalsiyum Silikat Perlit Polistiren köpük Poliüretan köpük Fenolik köpük

20 Toplaç kasası Kasa sızdırmaz ve dayanıklı olmalı min. 100 kğ/m 2 basınca dayanmalı Kasanın kenarında 2-3 mm çapında delikler olmalı. Neden? Yüksek sıcaklığa dayanmalı Mor ötesi ışınlardan zarar görmemeli Eklem yerlerinde conta kullanılmalı ve bu conta sıcaklığa dayanmalı. Neden?

21 Toplaçlarda Sıvı Akışı Ters yönlü paralel akış Aynı yönlü paralel akış Serpantin borularda akış Panel şeklinde tam akış

22 Su Isıtma Sistemlerinin Projelendirilmesi Pompa Seçimi Boru Çapı Sıcak Su Enerji Gereksinimi Toplaç Yüzey Alanı Depolama Tankı Hacmi

23 Pompa Seçimi Pompanın debisi 1 m 2 lik toplaçtan saate l su geçebilmeli Pompanın gücü (W) toplaç ile depolama tankı arası yükseklik (m) pompanın debisi (l/s) akışkanın sürtünme kayıpları ( Yüksekliğin %10-15 olarak alınabilir.) Yerçekimi ivmesi Motorun Verimliği

24 Boru Çapı Borulardan geçecek su miktarı Boru sürtünme katsayısı Borulardaki basınç kaybı Pompanın debisi

25 Sıcak Su Enerji Gereksinimi Isıtılacak su miktarı (kg/gün) (Kişi başına 50kg/gün) Suyun özgül ısısı (kj/kg 0 C) Kullanılan suyun sıcaklığı ( 0 C) Suyun sisteme giriş sıcaklığı ( 0 C)

26 Toplaç Yüzey Alanı Sıcak su enerji gereksinimi (kj/gün) Toplaç yüzeyine gelen güneş enerjisi miktarı (kj/m 2 gün) Toplaç verimi Ortalama 50 l/gün sıcak su için 1-1,5 m 2

27 Depolama Tankı Hacmi Kullanılacak sıcak su miktarı (l/gün) Kullanılan suyun sıcaklığı ( 0 C) Suyun sistem giriş sıcaklığı ( 0 C) Suyun en yüksek sıcaklığı ( 0 C) Ortalama birim toplaç yüzey alanı başına l dir.

28

29

30

31 1 m 2 toplaç alanı için 4 l

32

33

34

35 Havalı Güneş Toplaçları Dezavantajları Verimlilikleri azdır. Hava iyi bir taşıyıcı değildir Isı transferi azdır Sorunlar nasıl giderilir. Isı transfer alanı/hacim oranı büyük yapılır (Yutucu yüzey kanatlı/girintili çıkıntılı yapılır) Böylece havaya aktarılan enerji artar Kollektörde dolaştırılan havanın debisi hava kanallarının boyutları artırılarak artırılır Avantajları Havanın korozif etkisi yoktur. Hava donmaz, kaynamaz Hava sızıntısının olumsuz etkileri yoktur Kanatların altta olması radyasyon kayıplarını küçültür. Basit Güvenli ve Ucuzdur

36 Havalı Toplaç Yutucu yüzey çeşitleri

37 Havalı Toplaçlarda Hava Akışı Tek akışlı hava kollektörleri Çift akışlı hava kollektörleri Zıt Yönlü Aynı Yönlü Az sıcak çok miktar Hava akışı yutucu yüzey ile yalıtkan yüzey arasında olur. Sıcak az miktar Soğurucu yüzeyin alanı iki kat artar

38 Havalı Toplaçlarda Dolgu Malzemesi Kullanımı Neden dolgu? Dolgu nereye konur? Dolgunun özellikleri ne olmalıdır? Dolgunun yaratığı sorunlar nelerdir? Dolgu çeşitleri Folye Tel örgü Cam parçaları Taş Demir Alüminyum folye

39

40 Vakum Borulu Sıvı Akışkan Toplaçlar Verimlilikleri yüksektir Sıvı sıcaklığı C Soğuk iklimlerde kullanılabilinir Tüpler vakumludur (5x10-3 Pa) Taşınım ve Ġletimle ısı kaçakları az dır Suyun olmaması ve ya sıcak boruya aniden soğuk su girişi tehlikelidir. Neden?

41 Vakum Borularının Temel Yapısı Borosilikat cam Vakumun sürekliliği için Baryum

42 Vakum Boru Çeşitleri Cam vakum boru Isı borulu vakum boru Süper iletken metal vakum boru

43 Cam Vakum Boru Çalışma Prensibi vakum Acık Sistemdir Sıcak su çıkışı Soğuk su girişi

44 Isı borulu vakum borusunu çalışma prensibi Kapalı Sistem %90 su %10 ısı transferini artırıcı madde

45

46 Verimliliğin artırılması

47 Güneş Toplacı Seçimi Dönüşüm faktörü=optik etkinlik= Üst Örtü Soğurucu Yüzey Isı kayıpları (W/m 2 0 C) Optik kayıplar T dış >> veya << T toplaç Artar Ġyi bir seçimde optik etkinlik 1 ve kayıplar az olmalı

48 Güneş Toplacı Seçiminde Dikkate Alınacak Unsurlar Ġstenen sıvı sıcaklığı Ortamın sıcaklığı Güneş ışınım miktarı Rüzgar Alan Maliyet

49 Güneş Havuzları Sıcaklık aralığı C Kullanım alanları Isı enerjisini Toplama Depolama Konut ısıtma/soğutma Yiyecek/Kağıt Kurutma Elektrik enerjisi üretimi Avantaj/Dezavantaj Tasarımı basit Maliyeti ucuz Geniş alanlar olmalı Sıcaklık yoğunluk ve derinlikle ilişkilidir

50 Güneş Havuzları Nasıl Çalışır Tabanına seçici yüzey yerleştirilmiş havuz Kızıl ötesi ışınlar havuzun yüzeyinde soğrulur Taşınımla ısı transferi = kayıp Görünür bölge ve mor ötesi ışınımlar dalga boylarına göre farklı derinliklerde soğrulur. Seçici yüzeye gelen ışınlar max. Soğrulur. Seçici yüzey Sıvının taban sıcaklığı yüksek, yoğunluk düşük Sıvının yüzey sıcaklığı düşük, yoğunluğu yüksek Öğr. Gör. Dr. Ġlker AY ders notları Ġstenmeyen Durum

51 Isı Transferi Nasıl Yok Edilir? MgCl 2 ve NaCl tuz kullanılarak farklı yoğunluklar oluşturulur Depolama bölgesi Seçici yüzey Öğr. Gör. Dr. Ġlker AY ders notları Yüzey bölgesi Tuzsuz su bulunur. Kızıl ötesi ışınlar soğrulur Taşınımla ısı kayıpları oluşturur. Yalıtım Bölgesi Tuz yoğunluğu en fazla olan bölgedir. Tuz yoğunluğu sabittir Mor ötesi ve görünür bölge ışınları soğrulur Yalıtım bölgesi sayesinde taşınımla yüzeye ısı transferi olmaz Tuz yoğunluğu alt sınırdan üst sınıra doğru azalan tabakadır. Gradient yeterli miktarda ise taşınım olmaz. Az miktarda iletim olur.

52 Bu teknoloji ile 1 kg. tuz, 1 kg. kömürün verdiğinden üç kat daha fazla ısı vermektedir. Ġlk güneş havuzu doğal olarak 1902 yılında Macar ilim adamı Kalecsinky tarafından Romanya'daki Medve gölünde bulunmuştur. Göl sathının birkaç metre aşağısında sıcaklığın 84 C'ye ulaştığını ve bu sıcaklığın gölün çevresinde hiçbir yerde olmadığını bulmuştu Derin kısımlar, günlük ve mevsimlik sıcaklık değişmelerinden etkilenmez Az masrafla sıcak su depolar. Enerji gündüz de gece de sabittir. Avustralya, Meksika, Hindistan, Portekiz, Ġsrail, ABD, Kolombia, Brezilya ve Suudi Arabistan'da bu havuzlar inşa edilmiştir. Ġsrail'de Lut golü sahillerinde 7000 metrekarelik Ein Bökek milli elektrik şebekesi yazları ortalama 35, kışları 15, en fazla ise 150 kilowattlık elektrik enerjisi istihsal etmektedir.

53

54

55

56

57

58

59 Kutu tipi Yoğunlaştırıcı tip Pişiriciler

60

61

62

63 Enerji performansını değerlendirmek için performans katsayısı (COP) anahtar parametre olarak kullanılır. Isıl enerji tahrikli iklimlendirme sistemlerinde enerjisinin derecesini gösterir ve Eşitlik 1 de verildiği gibi formüle edilebilir. ısı soğ ısıl Q Q COP (1) COPısıl değeri sıcaklık seviyesi değerleri, soğutma yükü gibi soğutucu çalışma şartlarına göre değişir. Bu nedenle biribirinden farklı sistemlerin COP değerlerini aynı çalışma şartları altında iken karşılaştırmak gerekir.

64 COP ısıl soğuk üretmek için harcanan ısı Tc düşük sıcaklık seviyesindeki soğutulan kaynak sıcaklığı, TH yüksek sıcaklık seviyesindeki sistemin tahrikini sağlayan ısı kaynağı sıcaklığı, TM orta sıcaklık seviyesindeki ısı kuyusu sıcaklığıdır

65 kaynatıcı sıcak su deposu yoğuşturucu eriyik pompası ısı değiştirici kısılma vanası kısılma vanası Absorber ısıtma serpantini soğutma serpanti

66

67 Referanslar Güneş diye bir yıldız, 1991, G.Gamow Yenilenebilir Enerji Kaynakları, T.C. Anadolu Üniversitesi Yayını No:2927 Açık öğretim Fakültesi yayını no:1884 Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Doç. Dr. H. Hüseyin Öztürk, Çukurova Üni. Ziraat Fak. Tarım Makineleri Böl., Birsen Yayınevi, İstanbul 2008 Güneş Enerjisi slaytları, Prof. Dr. Olcay KINCAY Vaillant, Güneş Enerjisi Sistem Çözümleri Güneş Enerjisi Uygulamaları Prof. Dr. Doğan İbrahim, bileşim yayınevi, İstanbul 2006 Güneş Enerjisi Su Isıtma Sistemleri, Doç. Dr. Mustafa TIRIS, Dr. Çiğdem TIRIS, TÜBİTAK, MAM Enerji Sistemleri ve Çevre Araştırma Enstitüsü, Gebze-Kocaeli, 1997 Doç. Dr. Hüsamettin BULUT, Temiz Enerji Teknolojileri Kursu, 9-13 Şubat 2009, Gaziantep İlker SUGÖZÜ, Güneş enerjisiyle çalışan iki farklı güneş duvarının (solar wall) Elazığ şartlarında uygulanabilirliğinin araştırılması, Fırat Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makine eğitim anabilim dalı Yüksek Lisans Tezi 2005.