VAKUM TÜPLÜ KOLEKTÖRLERİYLE DÜZLEM KOLEKTÖR VE GÜNEŞ HAVUZUNDAN OLUŞAN SİSTEMİN ISITMA PERFORMANSI

Transkript

1 VAKUM TÜPLÜ KOLEKTÖRLERİYLE DÜZLEM KOLEKTÖR VE GÜNEŞ HAVUZUNDAN OLUŞAN SİSTEMİN ISITMA PERFORMANSI Heat Performans ofsystemwhichis Consisted of EvacuatedTube CollectorswithFlatPlateCollectors andsolarpond Ayhan ATIZ Fizik Anabilim Dalı Mehmet KARAKILÇIK Fizik Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışmada, güneş enerjisinden termal enerji üretmek, depolamak ve ısıtma uygulamaları yapmak için bir entegre güneş enerjisi sistemi inşa edilmiştir. Entegre sistem 0,80 m yarıçapında, 1,65 m derinliğinde bir güneş havuzuna entegre 1,90 m 0,90 m boyutlarında dört düzlem ve 1,65 m 1,55 m boyutlarında dört vakum tüplü güneş kolektöründen oluşmaktadır. Isıtma uygulamasında 67,5 m 3 hacminde yan duvarları yalıtımlı bir test odası ve 3 adet döküm radyatörden oluşan bir ısıtma sistemi kullanılmıştır. Şubat ın sonunda ısıtma deneyleri yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Vakum tüplü, düzlem kolektörle, ısı depolaması, ısı transferi ve enerji ABSTRACT In this study, an integrated solar energy system has been built in order to produce thermal energy from solar energy and for storing and heating applications. The integrated system is consisted of a solar pond having a radius of 0.80 m, a depth of 1.65 m integrated with four flat-plate solar collectors with dimensions of 1.90 m 0.90 m and four evacuated tube solar collectors with 1.65 m 1.55 m. In heating applications, a test room of volume 67.5 m 3 with insulated side walls and a heating system with 3 pieces of cast iron radiators were used. The experiments has been done at the end of February. Key Words: Evacuated tubes, flat plate collector, heat storage, heat transfer and energy Giriş Yeryüzünün en önemli enerji kaynağı Güneş tir. Güneş kendisi çok büyük potansiyele sahip bir enerji kaynağıdır. Güneş enerjisi yenilenemeyen enerjilere göre, temiz, bol ve ucuz bir enerji türüdür. Çünkü yenilenemeyen enerji kaynaklarının çevreye bıraktığı toz, duman, gaz, karbon veya kükürt gibi zararlı maddeleri içermez. Güneş enerji, tüm dünya ülkelerinin yararlanabileceği bir enerji kaynağıdır. Güneş enerjisini kullanmak için bir çok teknoloji vardır. Bunlar güneş pilleri, güneş kolektörleri, güneş havuzlar ve daha birçok teknoloji vardır. Bu sistemler hakkında bir çok çalışma yapılmıştır. Karakılçık ve ark. (2013) tarafından deneysel olarak yapılan küçük dikdörtgen bir havuzun gölgeleme etkisiyle her bir Aynı başlıklı Doktora tezinden üretilmiştir

2 bölgenin enerji dağılımı, enerji verimi ve enerji veriminin oranı araştırılmıştır. Ayrıca gölgeli ve gölgesiz bir havuzun teorik modellemesi yapılmış olup bunların enerji verimleri karşılaştırılması yapılmıştır. Bozkurt ve Karakılçık (2012), tarafından yapılan çalışmada, güneş havuzunun sıcaklığı sırasıyla 1, 2, 3 ve 4 düzlemsel güneş kolektörü kullanılarak havuzun içindeki sıcaklık değişimleri karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlar, deneysel ve teorik olarak hesaplanıp kolektör sayısının değişimine göre güneş havuzunun verimi elde edilmiştir. Güneş enerjisinden verimli bir şekilde yararlanan teknolojilerden biri de vakum tüplü kolektörlerdir. Bu sistemlerde, vakumlu cam borular ve gerekirse absorban yüzeyine gelen enerjiyi artırmak için metal ya da cam yansıtıcılar kullanılır. Düzlemsel güneş kolektörlerinden daha yüksek sıcaklıklarda ( C) su elde edilebilir fakat maliyet bakımından daha yüksek fiyata sahiptirler. (Öztürk 2012). Bu çalışmada, Çukurova koşullarında, Çukurova Üniversitesi Yenilenebilir Enerji Teknolojileri Araştırma sahasında inşa edilen ve güneş enerjisi ile çalışabilen yapay yalıtımlı silindirik model bir güneş havuzuna entegre edilmiş düzlemsel ve vakum tüplü güneş kolektörlerinden oluşan entegre bir sistemin ısı depolama ve ısıtma performansı incelenecektir. Entegre sistemin temel bileşenleri ise, çapı 1,60 m, derinliği 1,65 m ve dış kısmı (dış duvarları) 0,10 m kalınlığında cam yünü ile yalıtılmıştır güneş havuzu, yüzey alanı 1,71 m 2 olan düzlem güneş kolektörleri ve 2,22 m 2 olan vakum tüplü güneş kolektörleridir. Sistemden elde edilecek olan ısı kullanılarak 67,5 m 3 hacminde bir odanın ısıtılması planlanmıştır. Isıtma uygulamalarında bir odanın sıcaklığının bu sistem yardımıyla hangi oranda değişeceği, odanın sıcaklığının soğuk havalarda çıkabildiği en yüksek ve en düşük sıcaklık aralıkları, insan için uygun olan konfor sıcaklığında tutulma oranları belirlenerek yenilebilir güneş enerjisinden faydalanılmaya çalışılacaktır. Deneysel çalışmalardan elde edilecek veriler kullanılarak sistemin enerji ve sıcaklık dağılımı analizleri yapılacaktır. Materyal ve Metot Materyal Bu bölümde vakum tüplü güneş kolektörlerinden oluşan sistemin çalıştırılması anlatılacaktır. Kolektörler ile ısıtılacak bir test odası ve bunların arasında bağlantıyı sağlayan pompa ve radyatör arasındaki bağlantılar hakkında bilgiler verilecektir. Tüm sistemin enerji kaynağı olan vakum tüplü kolektörler ile test odasınınentegresi Şekil 1 de verilmiştir

3 Şekil1. Vakum tüplü, düzlem kolektörler ve güneş havuzunun entegresi Şekil 1 de Vakum tüplü ve düzlem kolektörler ile güneş havuzunun entegresi görülmektedir.bu deneyde dört vakum tüplü kolektör sırasıyla bir, iki, üç ve dörtlü ile buna entegre dört düzlem kolektör ve güneş havuzu kullanılmıştır. Böylece hangi deneyin odayı ne kadar ısıttığı çalıştığı anlaşılmaya çalışılmıştır. Vakum tüplü kolektör sayısı vanalar aracılığıyla kontrol edilmiştir. Yani sistemde kaç tane vakum tüplü kolektör kullanılacak bu ayarlanabilmektedir. Örneğin bir vakum tüplü kolektör ile dört düzlem kolektör ve güneş havuzunu çalıştırmak için V2, V5 ve V6 vanaları açık diğer tüm vanalar kapalıdır. Bu durumda elde edilen sıcak su, pompa yardımıyla vakum tüplü kolektörün deposundan alınarak 1 yolundan test odasına gönderilmiştir. Havuzun deposundaki su ise 3 yolunu kullanarak test odasına gönderilmiştir. Böylece sistemdeki tüm elamanlardan yararlanabilmektedir. Odaya giren ve çıkan su sıcaklığı kalorimetre yardımıyla odanın sıcaklığı ise dijital termometre ile ölçülmüştür. Metot Bu bölümde, materyal bölümünde tanıtılan sistemlerin nasıl çalıştığı, çalışma prensipleri ve alınan verilerin nasıl değerlendirildiği anlatılacaktır. İlk olarak eğik yüzeye gelen güneş enerjisi belirlenmiştir. Enerjinin ve kütlenin korunma

4 yasasından dolayı denge denklemlerini güneş kolektörleri için aşağıdaki gibi yazabiliriz; E giren = E çıkan (1) Doğal yolla kolektörün kazandığı enerji (DuffieandBeckman, 2006), tarafından aşağıdaki gibi elde edilmiştir; E KZE = A kol [I T U K (T T a )] (2) Burada A kol kolektörün güneş gelen alanı, I T, kolektörünyüzeyine gelen enerji aşağıdaki gibi verilmiştir; I T = I b χ + I d (1 + cos φ)/2 + Iρ g (1 cos φ)/2 (3) BuradaT ç kolektörün güneş enerjisi aldıktan sonra çıkış sıcaklığı, T g kolektörün içindeki suyun ilk sıcaklığı, T = (T g+t ç ) ise kolektörün içindeki suyun 2 ortalama sıcaklığı, U K kolektörün tüm yüzeylerin ısı kaybı taşınım katsayısı, φ sistemin bulunduğu yerin enlemi, I yatay yüzeye gelen güneş enerjisi, Ib yatay düzleme gelen saatlik direkt güneş ışınım ve Id ise difüze ışınımρgise yüzey yansıtma oranını ifade, χ direkt ışınım dönüşüm katsayısıdır. Odanın enerji enaliz denklemleri aşağıdaki gibi yapılmıştır: Enerjinin korunumu yasasından dolayı kapalı bir sistemdeki net enerji değişimi (artma veya azalma) sisteme giren toplam enerji ile sistemden çıkan toplam enerjiye eşittir (Schmidt, 2004); giren = çıkan + oda + T + RD KY (4) giren çıkan = m c p (T og T oç ) (5) Yukarıdaki eşitlikte ( giren çıkan) radyatöre verilen toplam enerjiyi ifade ediyor. giren; odaya giren enerjiyi çıkan; ise odadan çıkan enerji miktarını ifade ediyor. T og ; odaya giren su kütlesinin ortalama sıcaklığını T oç ; odadan çıkan su kütlesinin ortalama sıcaklığı oda,odadaki havanın ısısının yükselme miktarıdır. Aşağıdaki gibi elde edilir; oda = ρ h. V oda. c h. T (6) Burada ρh havanın yoğunluğu (kg/m 3 ), Vodaodanın hacmi (m 3 ), c h havanın özgül ısı katsayısı (J/kg C), T odanın artan sıcaklık miktarı ( C) dır

5 T; ise yukarıda verilen odanın belli bir sıcaklıkta belli bir zamanda alması gereken ısıdır. Aşağıdaki gibi elde edilir. T = 0 + s ( i + f + b) (7) Burada, 0; bir ortamdan diğer ortama geçen ısı miktarı, s; sızıntıyoluylaısıkaybı, i;bir insanın bir saatte odaya verdiği ısıyı, f;bir lambanın saatte yaydığı ısı miktarı, b; bir bilgisayarın yaydığı saatlik ısıyı göstermektedir.radyatörün odaya vermediği ısı ( RD KY) aşağıdaki gibi elde edilir (Yıldız ve Göngür, 2009); RD KY = T ( 1 η rad 1) (8) Burada ηrad radyatörün termal verimidir. Sistemdeki dışarıdaki kayıpları belirlemek için dağıtım sisteminde ne kadar ısı olduğu bilinmelidir. Dağıtımdaki ısı kayıpları aşağıdaki gibi elde edilir (Balta, 2012); D,KY = ( T + RD KY) ( 1 η d 1) (9) Burada η d dağıtım sisteminin termal verimidir Araştırma Bulguları Bu bölümde, vakum tüplü güneş kolektör sayısını artırarak ona entegre dört düzlem kolektör ve güneş havuzundan oluşan sistem ile yapılan ısıtma deneyleri sonucunda elde edilen sistemin enerji ve sıcaklık dağılımları belirlenmiştir. Adana koşullarında kış ayları için güneşli günlerde yapılan deneylerde sistemin ortam ısıtmasına nasıl bir katkı sağlayacağı gösterilmiştir. Şekil 2 de dört vakum tüplü kolektörün yüzeyine gelen güneş enerjisi verilmiştir

6 Şekil 2. Entegre sistemde vakum tüplü kolektör sayısı artırıldığında sisteme gelen enerji dağılımları Şekil 2 de bir, iki, üç ve dört vakum tüplü kolektör ile dört düzlem kolektör ve havuzun entegresi ile yapılan deneyde eğik düzlem üzerine gelen enerji miktarı 211 MJ, 255 MJ, 299 MJ, 344 MJ güneş enerjisi gelmiştir. Gelen güneş enerjisi havanın berraklığında ve kolektör sayısının artışında değişmiştir. Şekil 3. Bir vakum tüplü kolektör ile entegre sistemde (dört düzlem kolektör ve güneş havuzu) odaya giren-çıkan suyun ve odanın sıcaklık dağılımları

7 Şekil 3 te görüldüğü gibi odaya giren suyun maksimum ve minimum gelen sıcaklık değerleri 44,5 C den 30,3 C ye düşmüştür. Odadan çıkan suyun sıcaklık değerleri ise, maksimum ve minimum 37 C den 26 C ye düşmüştür. Odanın sıcaklığı 21 C den 23,5 C ye kadar çıkmış, deney sonunda 22,5 C ye düşmüştür. Bu deney 3,75 saat sürmüştür Şekil 4. İki vakum tüplü kolektör ile entegre sistemde (dört düzlem kolektör ve güneş havuzu) odaya giren-çıkan suyun ve odanın sıcaklık dağılımları Şekil 4 te görüldüğü gibi odaya giren suyun maksimum sıcaklık değeri 51 C ye çıkarak deney sonunda 29,3 C ye düşmüştür. Odadan çıkan suyun maksimum sıcaklık değeri 42,4 C ye çıkarak deney sonunda 28,3 C ye düşmüştür. Odanın sıcaklığı 21 C den 24 C ye kadar çıkmış, deney sonunda 23 C ye düşmüştür. Odanın ortalama sıcaklığı deney boyunca 23,11 C de kalmıştır. Bu deney 5,25 saat sürmüştür

8 Şekil 5. Üç vakum tüplü kolektör ile entegre sistemde (dört düzlem kolektör ve güneş havuzu) odaya giren-çıkan suyun ve odanın sıcaklık dağılımları Şekil 5 te görüldüğü gibi odaya giren suyun sıcaklık değeri 42,5 C ye kadar çıkıp deney sonunda 30,8 C ye düşmüştür. Odadan çıkan suyun sıcaklık değeri 35,5 C ye kadar çıkıp 27,5 C ye düşmüştür. Odanın sıcaklığı 19 C den 22 C ye kadar çıkmış, deney sonunda 21 C ye düşmüştür. Odanın ortalama sıcaklığı deney boyunca 21,09 C de kalmıştır. Bu deney 5,45 saat sürmüştür. Tüp sayısı artınca gelen sıcaklık azalmasına rağmen deneyin uzun sürmesi devam etmiştir Şekil 6. Bir vakum tüplü kolektör ile entegre sistemin (dört düzlem kolektör ve güneş havuzu) odaya giren-çıkan suyun ve odanın sıcaklık dağılımları

9 Şekil 6 da görüldüğü gibi odaya gelen suyun sıcaklık değeri maksimum 45,2 C ye kadar çıkıp deney sonunda ise 29,5 C ye düşmüştür. Odadan çıkan suyun sıcaklık değeri ise, 40,3 C ye kadar çıkıp 27,8 C ye düşmüştür. Odanın sıcaklığı 20,5 C den 24 C ye kadar çıkmış, deney sonunda 22,5 C ye düşmüştür. Odanın ortalama sıcaklığı deney boyunca 22,94 C de kalmıştır. Bu deney 7 saat sürmüştür. Şekil 7. Entegre sistemde (dört düzlem ve güneş havuzu) vakum tüplü kolektör sayısınını artışı ile oluşan enerji akışı Şekil 7 de görüldüğü gibi dört düzlem kolektör ile havuzun oluştuğu entegre sisteme bir, iki, üç ve dört vakum tüplü kolektör sırasıyla birleştirilerek oda ısıtılmıştır. Bir, iki, üçvedörtvakumtüplükolektörentegresistemlebirleşinceeldeedilenenerjiakışısırasıyla şuşekildedir.sistemdenalınanenerjiakışı 6475, 8288, 8456 ve W, odayaverilenenerjiakışı 4746, 6299, 6427 ve 7603 W odanınısıihtiyacı 4508, 5984, 6072 ve 7226 W, dağıtımkayıpları 1729, 1989, 2029 ve 2569 W olmuştur. Entegre sisteme verilen vakum tüplü kolektör artırıldığında sistemden daha fazla enerji çekilmiştir. Böylece odanın daha rahat ısıtılması sağlanmıştır. Tartışma ve Sonuçlar Adana koşullarında Şubat ayı için güneşli günlerde yapılan deneyler sistemin ortam ısıtmasına büyük katkı sağlayacağını göstermiştir. Güneş havuzu ve güneş kolektörlerinden oluşan entegre sistem ile güneş havuzunda daha fazla ısı enerjisi depolanabilmektedir

10 Küçük boyutlu güneş havuzunun kış aylarında ısıtma için yeterli olamadığı fakat, güneş kolektörleri ile entegre edildiğinde ise ısıtma yapılabileceği görülmüştür. Güneş enerjisiyle yapılan ısıtma çalışmalarında güneşli günlerde elde edilen ısı enerjisinin ısıtma için yeterli iken bulutlu günlerde kısmen yeterli olduğu görülmüştür. Eğer sistem bulutlu günlerde ısı pompası gibi sistemlerle entegre olarak çalıştırılırsa odanın ısıtılmasına önemli ölçüde katkı sağlayacağı belirlenmiştir Yapılan deneysel çalışmalar sonucunda havanın açık olduğu Şubat ayında güneş enerjisiyle ısıtma yapılabileceği görülmüştür. Fakat, entegre sistem çok yer kapladığından müstakil evlere daha uygun olacağı anlaşılmaktadır

11 Kaynaklar BALTA M.T., ExergeticCost Analysis AndSustainabilityAssessmentof VariousLowExergyHeatingSystems. EnergyandBuildings. 55: BOZKURT, I., KARAKILCIK, M., The Daily Performanceof A Solar Pond IntegratedwithSolar Collectors. Solar Energy, 86: KARAKILÇIK, M., DİNCER I, BOZKURT I, ATIZ A., 2013 Performance Assessment of a SolarPondWithandWithoutShadingEffect. Energy Conversion And Management. 65: ÖZTÜRK H., Güneş enerjisi ve uygulamaları. Birsen Yayınevi. İstanbul. SCHMİDT D., Design of lowexergybuildings-methodand a pre-designtool. International Journal of LowEnergyandSustainableBuildings YILDIZ A, GUNGOR A., EnergyandExergyAnalyses of Space Heating in BuildingAppliedEnergy. 86: