GÜNEŞ ENERJİSİ Prof. Dr. Olcay KINCAY
YATAY EĞİK YÜZEY İLİŞKİSİ Güneş rasatları yatay yüzey üzerine gelen toplam ışınımı vermektedir. Yatay yüzeye gelen ışınımın eğik yüzey üzerine çevrilmesi gerekir. Çünkü düz toplayıcılar güneşe yönelmekte ve belirli bir eğim açısı ile (S) durmaktadır. Yatay yüzeyin geliş açısı ise daha önce aşağıdaki gibi verilmişti: cosθz = sinφ sinδ + cosδ cosφ cosw
Doğru ışınımın yatay yüzeye gelen bileşeni H, ile doğru ışınım (max.) Hn arasındaki ilişki; Hn = H / cos θz Doğru ışınımın eğik yüzeye gelen bileşeni Hb ve doğru ışınım (max) Hn arasındaki ilişki ise; Hb =Hn cos θt Hb =H (cosθt / cos θz) R = Hb / H = cos θt / cos θz
R = Dönüşüm Katsayısı R = [cos (Φ-S) cosδ cosw + sin (Φ-S) sinδ] / [cosφ cosδ cosw + sinφ sinδ] Eğik yüzeyi etkileyen doğru ışınımın yüzeye dik gelen bileşeni olan Hb değeri; Hb = H. R Toplam ışınım ve yaygın ışınımdan oluşur. R sadece doğru ışınıma uygulanır. Doğru ışınım vektörel değerdir yaygın ışınım vektörel değildir.
İstanbul da R S İlişkisi
Örnek:S İstanbul da 21 Aralık saat 10.30 da güneye bakan ve 50º eğim açısı ile duran eğik yüzeyin dönüşüm katsayısını bulunuz. Formülden, δ = -23,5º Φ = + 41º w = + 22,5º (saat 10.30 için) S = + 50º R = 2,38 bulunur.
Enleme, Mevsime ve Düz Toplayıcı Eğim Açısına Göre R Değerleri z
Örnek: İstanbul Yeşilköy de güneş enerjisi kullanım suyu sistemi yapılacak bir tesis yazın kullanılacaktır. Meteorolojinin verdiği değer haziran temmuz - ağustos ortalaması 4480 kcal/m 2 gün olduğuna göre bu tesise konulacak düz toplayıcının yatayla yapacağı açıyı ve eğik konumdaki düz toplayıcı düzlemine dik gelen toplam ışınımını bulunuz. İstanbul un enlemi: 41º S = enlem - 25º = 41 25 = 16º yaklaşık 15º alınabilir. Bu değer için tablodan enterpolasyon yapılırsa R = 1,079 (ort) bulunur. Hb = H. R = 4480. 1,079 = 4833,92 kcal/m 2 gün dür.
DOĞRU YAYGIN IŞINIM İLİŞKİSİ Yatay yüzey üzerine güneş rasatlarından gelen toplam ışınım önca doğru ışınım ve yaygın ışınım olarak ayırmak gerekir. Ayırmak için bulunan yöntemlerden biri ise bir saatlik toplam ışınımın, bir günlük toplam ışınıma oranı ile gün uzunluğu arasındaki ilişkidir.
Saatlik Günlük Işınım İlişkisi
DOĞRU YAYGIN IŞINIM İLİŞKİSİ Diğer bir yöntem ise değişik enlemlerdeki atmosfer dışı günlük toplam ışınım ilişkisinden yararlanmaktır. Dünya üzerindeki günlük toplam (ort.) ışınım, atmosferin yapısından ve bulutlardan etkilenmektedir. Işınım perdelenmesi olayı bulut endeksi kavramı ile açıklanır. Bulut Endeksi = Günlük toplam ışınım / Atmosfer dışındaki (aylık ort.) günlük ışınım
Atmosfer Dışı Günlük Işınım (yatay yüzeye gelen)
Yaygın -Toplam Işınım İlişkisi
Örnek: İstanbul da, aralık ayında, saat 10-11.00 arasındaki yaygın ışınım ve doğru ışınımı bulunuz. Aralık ayında atmosfer dışındaki toplam ışınım 3.000 kcal/m 2 dir (Şekil-atmosfer dışı ışınımdan). Ölçülen günlük toplam (yatay yüzey üzerine gelen aylık ortalama) ışınım 1.150 kcal/m 2 dir. Bulut Endeksi = 1.150 / 3.000 = 0,38 dir. Günlük yaygın günlük toplam oranı 0,48 olarak (Şekil-yaygın-toplam ışınım ilişkisinden) bulunur. Günlük toplam (ort) yaygın ışınım = 1.150 x 0,48 = 552 kcal/m 2 olur. Aralık ayındaki gün uzunluğu 9 saat olup saat 10-11.00 de öğle saatine uzaklık 1,5 saattir. Yatay yüzeydeki saatlik ışınım / günlük ışınım oranı 0,15 olarak (Şekilsaatlik günlük ışınım ilişkisinden) bulunur. Saatlik yaygın ışınım = 552 x 0,15 = 82,8 kcal/m 2 Saatlik toplam ışınım = 180 kcal/m 2 (Aralık ayı saat 10-11.00 arasındaki) Saatlik doğru ışınım = 180 82,8 = 97,2 kcal/m 2 dir.
kkkkk
İSTANBUL DA AYLIK ORTALAMA GÜNEŞLENME DEĞERİ (Göztepe Meteoroloji İstasyonu 2003 ve 2004 yılları verileri)
İSTANBUL DA AYLIK ORTALAMA GÜNEŞLENME SÜRESİ (Göztepe Meteoroloji İstasyonu 2003 ve 2004 yılları verileri)
EĞİK YÜZEYE GELEN TOPLAM IŞINIM Eğik yüzeye üç kaynaktan ışınım gelir: Doğru ışınım, yaygın ışınım ve yansıyan ışınım. Doğru ışınım: Vektörel değerdedir. Hb = H. R şeklinde bulunur. Yaygın ışınım: Gökten ve her yönden gelir, vektörel değildir. Yatay yüzey gökten gelen bütün ışınımı, eğik yüzey ise bir kısmını görür. Yatay yüzeye gelen yaygın ışınım (Hd) değeri eğik yüzeyin göğü görme değeri olan [ (1+ cos S) / 2 ] ile çarpılarak eğik yüzeyi etkileyen yaygın ışınım değeri bulunur.
EĞİK YÜZEYE GELEN TOPLAM IŞINIM Yansıyan ışınım: Topraktan yansıyan doğru ve yaygın ışınımdır. Eğik yüzeyin gördüğü toprak bölümü (1 cos S) ρ / 2 ile belirtilir. Burada ρ, toprağın yansıma katsayısıdır (toprak için 0,2 kar örtüsü için 0,7 değeri kullanılır). Eğik yüzeyi etkileyen yansıyan ışınım; [ (H + Hd). (1 cos S) ρ / 2 ] olur. Eğik yüzeyin aldığı toplam ışınım HT değeri ise doğru, yaygın ve yansıyan ışınımların toplamıdır. HT = H.R + [Hd (1 + cos S) / 2] + [(H + Hd). (1 cos S) ρ /2 ]
BAZI İLLERİN H (kcal/m 2 -gün) DEĞERLERİ
BAZI İLLERİN 1 m DERİNLİKTEKİ TOPRAK SICAKLIKLARI (ºC) T şebeke suyu = T toprak - 5ºC alınmalıdır.
İstanbul da ortalama ışınım değerleri (cal/cm 2 h) (Kandilli Rasathanesi)
Örnek: İstanbul da, mart ayında 50º eğim açısı ile duran düz toplayıcıya, saat 12-13.00 arasında gelen toplam ışınımı bulunuz. Tablo ve Şekillerden alınan değerler: δ = + 1º, Gün uzunluğu = 12 saat, Atmosfer dışı günlük ışınım = 6.400 kcal/m 2, Günlük toplam ışınım = 2.530 kcal/m 2, ρ = 0,2 Yapılan hesaplar ve Şekillerden alınan değerler: Bulut endeksi = 2.530 / 6.400 = 0,395 Yaygın toplam oranı = 0,46 (şekilden) Günlük yaygın ışınım = 2.530 x 0,46 = 1.164 kcal/m 2 Günlük yaygın ışınım için saat - gün oranı = 0,13 (şekilden) 12-13.00 arası yaygın ışınım = Hd = 1.164 x 0,13 = 151 kcal/m 2 h 12-13.00 arası toplam ışınım = 360 kcal/m 2 h 12-13.00 arası doğru ışınım = H = 360-151 = 209 kcal/m 2 h
Örnek Dönüşüm katsayısı = R = 1,33 Doğru ışınım = H. R = 209 x 1.33 = 278 kcal/m 2 h Yaygın ışınım = Hd (1 + cos S) / 2 = 151 (1 +cos 50) / 2 = 124 kcal/m 2 h Yansıyan ışınım = (H + Hd). (1 cos S) ρ /2 = (209 + 124). ( 1 cos 50) 0,2 / 2 = 13 kcal/m 2 h Toplam ışınım = H T = 278 + 124 + 13 = 415 kcal/m 2 h
İSTANBUL DA EĞİK YÜZEYE GELEN TOPLAM IŞINIM (H T )
İSTANBUL DA ORTALAMA RÜZGAR RASATLARI (Göztepe Meteoroloji İstasyonu 2003 ve 2004 yılları verileri)
TÜRKİYE DE AYLARA GÖRE HAVANIN ORTALAMA SICAKLIK DAĞILIMI (1971-2000 yılları arasındaki ortalama değerle 2007 ve 2008 yıllarının mukayesesi)
DÜZ TOPLAYICININ KURULDUĞU ÇEVRENİN SICAKLIĞI (Günlük Ortalama Sıcaklık)
Meteoroloji Müdürlüğü nde Yapılan Günlük Sıcaklık Ölçümleri Günlük sıcaklık ölçümleri saat 7.00, 14.00 ve 21.00 de yapılır. Günlük ortalama sıcaklık T 7 + T14 + 2 ( T 21 ) G. O. S. = 4 Aylık ortalama sıcaklık T1 + T 2 +... + T 30 A. O. S. = 30 Maksimum Termometre Minimum Termometre
İSTANBUL DA HAVANIN ORTALAMA SICAKLIK RASATLARI (ºC) Yıllık Ort. Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran 14 5 5 7 12 16 21 Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık 23 23 20 16 11 7 Not: Saat 6-18.00 arasındaki ortalama değerlerdir.
TEMEL BİLGİLER
KAVRAMLAR Yutma (α): Yüzeye gelen ışınımın bir bölümü yüzey tarafından yutulur. Yüzeyin yutma olanağı, yutma katsayısı tarafından belirlenir, boyutsuzdur. Yayma (ε): Isınan yüzey, sıcaklık derecesine ve yüzeyin fiziksel özelliklerine bağlı olarak, ışınım yayar. Kuramsal olarak siyah cisimlerin yayma olanağı idealdir ve bir birime eşittir. Gerçekte, yüzeylerin yayma olanağı birimden azdır ve yayma katsayısı ile belirtilir, boyutsuzdur. Geçiş (τ): Saydam ve yarı saydam yüzeylere gelen ışınımın bir bölümü yüzeyin diğer tarafına geçer. Geçiş oranı ile belirtilir, boyutsuzdur.
KAVRAMLAR Yansıma (ρ): Yüzeyin aldığı ışınımın bir bölümü yansır. Yansıyan ışınların oranı, yansıma katsayısı ile belirtilir, boyutsuzdur. Siyah cisim: Işınımları yutma ve yayma olanağı ideal olan yüzeye siyah cisim denir. Tanımlamaya göre siyah cisimde yutma olanağı birime eşittir. Gerçekte ise siyah cisme en yakın gelen madde is karasıdır, α=0,99. Tanımlamaya göre siyah cisimde yayma olanağı birime eşittir. Gerçekte beyaz ZnO bu duruma en yakın gelen maddedir ve ε =0,93 dir.
KAVRAMLAR Dalga uzunluğu (λ): Işınların dalgalar halinde yayıldığına dair kuram bazı olaylar karşısında yetersiz kalınca, ışınların parçacıklar (foton) şeklinde yayıldığı kuramı geliştirilmiştir. Güneş enerjisi ile ilgili çalışmalarda dalga kuramı geçerliliğini korumaktadır. Elektromanyetik ışınımın boşluk içinde, ışık hızı ile ve dalgalar halinde ilerlediği ve her ışınımın kendine özgü bir dalga uzunluğu bulunduğu kabul edilmektedir.
KAVRAMLAR Efektif yayma (ε E ): Sıcaklığı nedeni ile ışınım yayan bir yüzeyden çıkan ışınlar ikinci bir yüzeyle karşılaşırsa, ikinci yüzey ısınarak geri ışınım meydana getirecek ve bu iki yüzey arasında sürekli olarak ışınım ve geri ışınım olayı devam edecektir. Bu durumda her iki yüzeyin yayma katsayıları bir denklemde birleştirilerek efektif yayma katsayısı bulunur: ε E = 1 ε 1 1 1 + ε 2 1
STEFAN BOLTZMAN KANUNU İdeal bir siyah cisim, T sıcaklığına kadar ısıtıldığında birim alanda qr değerinde ışınım yayar. Bu Stefan Boltzman ifadesi ile belirtilir; q = r σ.t 4 T [K] ve σ Stefan-Boltzman sabiti olup 5,6697.10-8 W/m 2 K 4 değerine eşittir. Gerçek cisimler daha az enerji yayarlar; q = r ε.σ.t 4 Işınım yayan cisimler çevrelerinden ışınım alırlar. Çevre sıcaklığı T s ve iki yüzey arasındaki efektif yayma ε E olduğunda yüzeyin ışınım enerji kaybı; q r = ε. σ.(t E 4 T 4 S )
KIRCHOFF KANUNU Belirli bir dalga uzunluğundaki ışınım için monokromatik yutma, monokromatik yaymaya eşittir ve Kirchoff Kanunu ile belirtilir; Yutma, geçiş ve yansıma toplamı birime eşittir. Saydam olmayan madde için yutma ve yansıma toplamı birime eşittir. Bu durumda; yazılabilir. ε λ = α λ αλ + τλ + ρλ = 1 αλ + ρλ = 1 ε λ = α λ = 1 ρ λ
q = PLANCK KANUNU σ.t 4 r ile açıklanan siyah cismin ışımasıdır. Bu, bir siyah cisim tarafından yayılan maksimum radyasyondur. Siyah cisim ideal bir objedir (ε =1). Siyah cismin ışıması Planck yasası ile ifade edilir. Işınım spektrumu, dalga boyuna bağlıdır ve enerji dağılımı aşağıdaki gibidir; c1.λ qλ = ελ (C2/ λt) e 5 1 q λ = belirli bir dalga boyu için monokromatik ışınım enerjisi C 1 = 3,7405. 10-16 W/m 2 C 2 = 0,0143879 m K
WIEN KANUNU Sıcak bir cisim enerjiyi dalga uzunluğunun yoğunluğunun değişimine bağlı olarak yayar. Işıma aralığı dalga uzunluğunun tepe noktası kaynak ısı ile ilişkilidir. Bir cisim ısınmaya başladıkça dalga boyu kısalmaya başlar ve içerdiği tüm enerjiyi dışarıya verir.
Aşağıdaki şekilden de görüleceği üzere ısı arttıkça enerji yoğunluğu da artmaktadır. 500 K de kırmızı görünen obje 5000 K de sarıya dönüşür. Güneş de siyah cisim gibi 6000 K de ışıma yapar ve maksimumu yeşil bölgede bulunacak şekilde bütün renkleri kapsar.
Buradan iki önemli kural ortaya çıkar: a) Sıcak cisimler çok enerji yayarlar, b) Cisimler ısındıkça renkleri maviye dönüşür. Spektral ışımanın en üst düzeyde olduğu dalga uzunluğu Wien Yer Değiştirme Kanunu ile tanımlanır: λ max = A T burada; λmax : Işımanın maksimum olduğu dalga uzunluğu (μm) A : 2898 (μm K) ve T : Sıcaklık (K) dir. Bu formülden artan sıcaklık ile ışımanın maksimum olduğu dalga uzunluğunun azaldığı görülür.
Yeryüzüne gelen güneş enerjisi atmosfer tarafından soğurulma (yutulma), dağıtılma (saçınma) ve yansıtılma gibi işlemler sonucu değiştirilmektedir. Soğurulmanın nedeni, çok atomlu moleküllerin titreşim ve dönmelerinin değişik enerji seviyelerine geçişi olduğu kadar atom ve moleküle bağlı elektronların farklı enerji seviyesine geçişindendir.
S a ç ı n m a Eğer parçacıkların büyüklüğü parçacığın dalga boyundan küçük ise bu tür saçınmaya Rayleigh Saçınması adı verilir. Oksijen ve nitrojen gibi hava molekülleri küçük moleküllerdir ve ışığın çok kısa dalga boylarında saçınırlar (mavi ve mor). Açık güneşli bir günde gökyüzünü mavi görmemizin nedeni de budur. Güneş Işığı
Saçınımın diğer bir türü de Mie Saçınımıdır. Bulutları oluşturan damlacıklar 20 μm çapında olup boyutları görünen dalga boyuna eşittir. Bunun anlamı ise bulutlara giren tüm ışığın her zaman saçındığıdır. Öğlen vakti güneş ışınlarının yolu en kısadır ve gökyüzü beyaz gözükür. Bu saçınma atmosferin alt tabakalarında meydana gelir (0 4500 m).
Atmosferik Yutulma Atmosferik yutulma (soğurulma) atmosferi meydana getiren bileşenlerin etkin enerjilerinin yutulması ile sonuçlanır. En etkin yutucular su tanecikleri, karbondioksit ve ozondur. Atmosferik pencereler atmosferin kısmi olarak geçirebildiği enerjinin dalga boyu genişlikleridir. Atmosferde en baskın pencere görünür bölge ve radyo dalgalarıdır. Buna karşılık X ışınları ve mor ötesi ışınlar çok keskin bir şekilde yutulmuşlardır. Gamma ve kızıl ötesi ışınlar buna göre daha az yutulmuşlardır.
Geçirgenlik Uzun dalga boylarında atmosfer temel olarak 30 μm dalga boyuna kadar geçirgendir. Buna karşın kısa dalga boylarında; uzak ve orta kızılötesi yakın kızılötesi ve görünür bölgede geçirgen değildir. Aşağıdaki genelleştirilmiş diyagramda farklı dalga boylarının göreceli olarak atmosfer geçirgenliği gösterilmiştir. Su gibi bazı yüzey maddeler radyasyonun bir kısmını doğrudan geçirir.
Geçirgenlik Mavi bölgeler gelen ve/veya giden radyasyonun minimal geçiş alanını gösterirken, beyaz bölgeler hava molekülleri ile radyasyonun birbiri ile etkileşimde olmadığı atmosferik pencereleri göstermektedir. Bir başka deyişle beyaz bölgede radyasyon emilmez. Atmosfer EM-radyasyonu mid-ir de ve tüm far-ir bölgelerinde neredeyse geçirmez. Mikrodalga bölgesinde bunun tam tersine radyasyonun çoğu geçer, böylece radar dalgalarının çoğu yüzeye ulaşır.
SEÇİCİ YÜZEY Güneşin ışınım spektrumu ile bu ışınımın ısıttığı düşük sıcaklıktaki düz toplayıcı yüzeyinin ışınım spektrumu çakışmamaktadır. Yaklaşık 2 μm ve daha küçük dalga uzunluklarında güneş enerjisini çok miktarda yutan ve yaklaşık 3 μm ve daha büyük dalga uzunluklarında (uzun dalga ısı ışınımı) geri ışınımı az miktarda yayan, yani dalga uzunluğunu yararlı şekilde seçen yüzeyler güneşten gelen enerjiden maksimum yarar sağlar.
SEÇİCİ YÜZEY Gelen güneş radyasyonu için yüksek soğurganlık (yutma) (α) ve yansıyan radyasyon için düşük yayma (ε) değerleri veren soğurucu plaka yüzeyleri seçici yüzey olarak adlandırılır. Bu yüzeylerin seçiciliği, temizlenmiş ve parlatılmış metal yüzeyin üzerine büyük dalga boylarında saydam, küçük dalga boylu güneş radyasyonları için yüksek soğurganlık gösteren ince yüzey tabakası oluşturulması ile elde edilir. Yüzey tabakası 1 µm den daha ince kalınlıktadır ve değişik metotlarla elde edilir. Bu metotlar arasında elektro-kaplama, kimyasal dönüşüm, anodsal oksidasyon sayılabilir.
SEÇİCİ YÜZEY Cu O ve siyah Ni yüzey tabakaları pratik açıdan bakıldığında ilk uygun seçici yüzeylerdir: Cu O tabaka temizlenmiş ve parlatılmış Cu plakanın sıcak NaOH ve NaClO 2 solüsyonunda belirli bir süre bekletilmesi ile kimyasal dönüşüm metoduyla elde edilir. Bu yüzeyde α = 0,89 ve ε = 0,17 dir. Su ısıtma gibi düşük sıcaklık uygulamaları için uygundur. Galvanize edilmiş demir levha; nikel sülfat, çinko sülfat, amonyum sülfat ve sitrik asitten oluşan sulu elektrik banyosuna daldırılıp elekro-kaplama ile siyah Ni levha elde edilir. Bu yüzeyde α = 0,81 ve ε = 0,16-0,8 dir. Siyah Ni in Cu ve hafif çelik üzerine elektro-kaplama ile elde edilmesi de araştırılmıştır. Bu çalışma sonucunda ise α = 0,89 ve ε = 0,09-0,15 değerlerine ulaşılmıştır.
SEÇİCİ YÜZEY En başarılı seçici yüzeylerden bir tanesi siyah Cr dur. Cu veya çelik zemin üzerine önce Ni kaplanır. Sonra bu kaplamanın da üzerine Cr parçacıkları veya Cr2O3 alaşımları elektro-kaplama yöntemi ile kaplanır. Siyah Cr için α = 0,868 ve ε = 0,088 değerleri bulunmuştur. İleri saflık derecelerinde α = 0,92-0,97 ve ε = 0,04-0,06 değerlerindedir. Siyah Cr mükemmel seçici yüzey özelliklerine ilave olarak son derece mukavemetli bir malzemedir. Anotsal oksitlenme ile oluşturulan metal-yalıtkan çok dayanıklı bir kaplama geliştirilmiştir. Bu kaplama 0,7 µm kalınlığındaki gözenekli Al 2 O 3 tabakasının içine konmuş Ni tanelerinden meydana gelmektedir. α = 0,92-0,97 ve ε = 0,1-0,26 aralığındadır.
Bazı Yutucu Levhaların Yutma ve Neşretme Katsayıları
ÜST ÖRTÜNÜN GEÇİŞ KATSAYISI Üst örtü genellikle camdır. Cam üzerine gelen ışınımın bir kısmı yansır, bir kısmı yutulur ve geri kalan kısmı camdan geçer. Cam tarafından yutulan ışınım enerjisi, sönme katsayısı, K, ile cam kalınlığı, L, tarafından etkilenir. K kristal = 0,04 / cm K adi cam = 0,32 / cm Geliş açısı büyük olursa yansıma fazla, geçiş az olur.
TOPLAYICI SACIN YUTMA KATSAYISI Geliş açısı θ, toplayıcı sacın yutma katsayısı α üzerinde etki yapar. Geliş açısı 0ºC olduğu zaman (yüzeye dik gelen ışınım) düzeltme katsayısı, D, birdir ve yutma katsayısı, αn, ile gösterilir. α = D αn
GEÇİŞ YUTMA KATSAYISI Düz toplayıcıya gelen ışınım, önce cam örtüde geçiş kaybına sonra seçici yüzey üzerinde yutma kaybına uğrar ve toplayıcı saca ulaşır. Bu olgu, yansıma, yutma ve geri yansıma olaylarının gerçekleştiği karmaşık bir olaydır. Net geçiş-yutma katsayısı: (τ α) net = τ α / [1 - (1 α) ρd] ρd = Yaygın yansıma katsayısı ρd, tek cam = 0,16 ρd, iki cam = 0,24 ρd, üç cam = 0,29 değerini alır.