T.C. DÜZCE ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ MAKİNE MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ MM- 4 5 8 G Ü N E Ş E N E R J İ S İ 2017-2 0 1 8 G Ü Z D Ö N E M İ
Güneş kollektörü kullanarak tüketim veya ısıtma amaçlı sıcak su üreten sistemlerdir. Yaygın olarak iki tip tasarım mevcuttur. 1. Doğal sirkülasyonlu sistemler 2. Basınçlı Sistemler 9.12.2017 2
1. Doğal sirkülasyonlu sistemler Donma riskinin olmadığı küçük kapasiteli uygulamalar için uygun sistemlerdir. Bir sonraki slaytta böyle bir sistemin şeması görülmektedir. Doğal sirkülasyonun olabilmesi için deponun kollektör seviyesinden en az 45 cm yukarıda olması gerekir. Suyun sistemde dolaşımı, kollektörde ısınan su ile daha soğuk olan deponun altındaki suyun özgül ağırlıkları nedeniyle olur. Üzerine güneş düştüğü zaman kollektör içindeki su ısınarak genleşir. Genleşen suyun özgül ağırlığı azalacağından yükselerek üstten depoya girer. Kollektörde ısınarak depoya giden suyun yerine, deponun altındaki daha soğuk olan su gelir ve oda ısınarak depoya gider. Kollektör güneş gördüğü sürece bu olay devam eder. Suyun bu şekilde hareketine termosifon olayı denir. Depodaki su sıcaklığı ile kollektördeki su sıcaklığı eşit oluncaya kadar dolaşım devam eder. 9.12.2017 3
9.12.2017 4
Tabii dolaşımlı sistemde, suyun sistemde dolaşımını sağlayan basınç değeri aşağıdaki gibi hesaplanır. Aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi sıcak-soğuk su kolonu yüksekliği H, P bu borulardaki sıcak ve soğuk suyun statik basınçları; Psıcak = H x ρsıcak ve Psoğuk = H x ρsoğuk olacaktır ve buna göre sirkülasyonu sağlayan etkin basınç; şeklinde olacaktır. 9.12.2017 5
Tabii dolaşımlı sistemlerde kollektörün şebeke basıncı altında kalmaması için şekil-2 deki gibi bir tasarım düşünülebilir. Ancak bu durumda kollektöre devamlı şebeke suyu gireceğinden kireçlenme olur. Bunun önüne geçebilmek için şekil-3 te görülen tasarım tercih edilmelidir. Bu konfigürasyonda kollektörde devreden su, kapalı devredir. Kollektörde ısınan su, depo içerisindeki eşanjör vasıtasıyla depoyu dolduran kullanım suyuna ısı aktararak soğur ve termosifon etkisiyle tekrar depoya döner. Böyle bir sistem endirekt ısıtmalı sistem olarak adlandırılır. Bu tasarım donma tehlikesi olan yerlerde kullanılabilir. Bu durumda kollektör devresi antifrizli su ile doldurulur. Deponun soğuması veya donmasını önlemek için çok iyi bir izolasyon yapılmalıdır. 9.12.2017 6
Sistem kapasitesi büyüdükçe daha büyük bir depo kullanmak icap eder. Bu durumda depoyu kollektör üzerine koymak doğru olmaz. Böyle durumlarda depoyu çatı arasına veya bodrum kata koymak daha iyidir. Bu tasarım şekil-4 te görülmektedir. Bu tip bir uygulamada kollektör devresinde sirkülasyon bir pompa vasıtasıyla sağlanır. Pompanın start/stop kontrolü ise bir diferansiyel termostat vasıtasıyla sağlanır. Diferansiyel termostat kollektör yüzey sıcaklığı ile depo sıcaklığı arasındaki farkı ölçer. Bu fark belli bir değerden (örneğin 5 C) küçükse pompa durur. Bunun anlamı kollektör soğuk (gece veya hava kapalı) demektir. Kollektöre güneş düşünce sıcaklık farkı artar ve pompa tekrar çalışır. Bu tip sistemler soğuk bölgeler için çok uygundur. Kollektör devresinde antifirizli su dolaştırılarak donma önlenir. Depo ise çatı arasında veya bodrumda olduğundan donma tehlikesi yoktur. Fakat ısıl kayıpları azaltmak için mutlaka izole edilmelidir. Depo tarafı direkt olarak şebekeye bağlandığı için bu devrede pompaya gerek yoktur. 9.12.2017 7
Şekil-5 de kollektörün merkezi ısıtma sistemine entegrasyonu görülmektedir. Merkezi ısıtma sisteminin boyleri çift serpantinlidir. Serpantinlerin birinde kollektörde ısınan antifirizli su dolaşırken diğer serpantin ise kazana bağlıdır. Kollektörden sağlanan ısı boylerdeki suyu ısıtmaya yetmediği kış aylarında kazandan takviye yapılır. Kışın güneşli havalarda kollektör boyleri suyunu belli bir değere kadar ısıtacaktır. Örneğin Erzurum da yapılan bir çalışmada şubat ayında gün öğlesinde boyler suyunun sıcaklığı kollektör vasıtasıyla güneşli havalarda 40 C ye kadar ısıtmak mümkün olmuştur. Kullanım sıcaklığı olan 60 C ye ise kazandan ısı takviyesi yapılarak ulaşılmıştır. Bu durumda kazan sadece 20 C lik bir sıcaklık farkına tekabül eden ısıyı sağlamaktadır. Aksi halde şebeke suyu sıcaklığını 10 C kabul edersek en az 50 C lik bir sıcaklık farkına tekabül eden ısı yükü kazandan çekilmiş olacaktı. 9.12.2017 8
2. Basınçlı Sistemler Basınçlı sistemler, ısı taşıyıcı akışkanının pompa ile dolaştırıldığı sistemlerdir. Deponun yukarıda olma zorunluluğu yoktur (Şekil 8 ve 9). Büyük sistemlerde su hatlarındaki direncin artması, doğal dolaşımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorluğu nedeniyle pompa kullanma zorunluluğu doğmuştur. Basınçlı sistemler, otomatik kontrol devresi yardımı ile çalışır. Depo tabanına ve kollektör çıkışına yerleştirilen diferansiyel termostatın algılayıcıları; Kollektörlerdeki suyun, depodaki sudan 10 C daha sıcak olması durumunda, pompayı çalıştırarak sıcak suyu depoya alır. Bu fark 3 C olduğunda ise, pompayı durdurur. Pompa ve otomatik kontrol devresinin zaman zaman arızalanması nedeniyle, işletilmesi doğal dolaşımlı sistemlere göre daha zordur. Pompalı sistemlerin projelendirilmesi kolaydır. Otomatik kontrol sayesinde yüksek konfor ve verim elde edilir. Sistem yaz-kış çalışabilir. 9.12.2017 9
9.12.2017 10
Açık Devre Sistemler Açık devre sistemlerde, kullanım suyu ile kollektörlerde dolaşan su aynıdır (Şekil 20). Kapalı sistemlere göre, verimleri yüksek ve maliyeti ucuzdur. Bu tip sistemlerin; hijyen başta olmak üzere buharlaşma, kireçlenme ve buna bağlı çap daralması, korozyon, kısa ömür, enerji kaybı gibi olumsuzlukları vardır. Suyu kireçsiz ve donma sorunu olmayan bölgelerde kullanılırlar. 9.12.2017 11
Açık devre sistemlerin özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir: Kollektörlerde ısınan su, doğrudan kullanıma hazırdır. Çok kısa sürede sıcak su elde edilir. Şebeke suyunun kesilmesi halinde besleme deposu devreye girer. Don olayının görülmediği bölgelerde kullanılır. Diferansiyel kontrollü sistemlerde (Şekil 22), pompa depodaki suyu alır ve kollektörlere basar. Daha sonra kollektörlerdeki su, depoya geri gelir. Soğuk bölgelerde dondan korunma amacıyla, geri boşaltmalı sistemler kullanılır (Şekil 23). Bu tip sistemlerde, kollektör ve borulardaki su, yalıtımlı bir boşaltma tankına boşaltılır. Kollektörlerin tam olarak boşaltılabilmesi için, biraz eğimli olarak yerleştirilmeleri gerekir. Sistemde damıtık su kullanılması durumunda, ısı transferi özellikleri iyileşir ve olası mineral birikimleri önlenir. 9.12.2017 12
9.12.2017 13
Kapalı Devre Sistemler Kapalı devre sistemlerde, kullanım suyu ile ısıtma suyu birbirinden farklıdır. Kollektörlerde ısınan su, bir ısı değiştirici aracılığıyla ısısını kullanım suyuna aktarır (Şekil 24). Kapalı devre sistemlerin özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir: Kollektörlerde ısınan su doğrudan kullanılmaz. Kollektörde dolaşan su, ısı değiştiriciden geçer ve depodaki suyu ısıtır. Isı değiştirici nedeniyle verimleri daha düşüktür. Donma, kireçlenme ve korozyon sorunlarıyla karşılaşılmaz. Soğuk bölgelerde suyun donmasını önlemek için antifrizli su konur. Kapalı devre sistemler için bakır veya alüminyum kollektör önerilir. Açık devre sistemlere göre daha uzun ömürlüdür. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksektir. 9.12.2017 14
Güneş enerjisiyle su ısıtma için kullanılan aktif sistemlerde, pompanın enerji gereksinimi, fotovoltaik (PV) panellerle karşılanabilir (Şekil 25). 9.12.2017 15
9.12.2017 16
YİNE GELDİK BİR DERSİN SONUNA! 9.12.2017 17