1-GENEL GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş sonsuz enerji kaynağıdır. Bünyesinde hem ısı hem de ışık enerjisi barındırır. Coğrafî konumu nedeniyle, ülkemiz, güneş enerjisi potansiyeli bakımından diğer birçok ülkeye göre nispeten daha şanslı durumdadır. Potansiyel belirleme çalışmaları ile ülkemizin yıllık ortalama ışınım şiddeti 308 cal/cm 2 -gün (3,6 Kwh/m 2 -gün) ve yıllık toplam güneşleme süresinin de 2640 saat olduğu 1997 yılı dünya enerji konseyi Türk Milli Komitesi raporunda belirtilmiştir. 1.1- Güneş Enerjisinin Tanımı Güneş, 1.340.000 km çapında, helyum ve hidrojen gazlarından oluşan orta büyüklükte bir yıldızdır. Çapı, dünya çapından 109 defa daha büyüktür. Yer yüzüne uzaklığı 150.000.000 km (± 2.600.000 km) olup merkez sıcaklığı 20.000.000 ºC, yüzey sıcaklığı 6.000 ºC civarındadır. Güneşteki bu yüksek sıcaklık nedeni ile elektronlar atom çekirdeklerinden ayrılır. Bu sebeple güneşte atom ve moleküller değil, serbest elektronlar ve atom çekirdekleri bulunur. Bu karışıma PLASMA adı verilir. Termonükleer reaksiyon (füzyon) sonucunda ortaya çıkan bu büyük enerji uzaya çeşitli dalga boylarında ışınımlar olarak yayılır. Güneşte sadece bir saniyede üretilen enerji insanlığın var olduğu günden bu güne kadar üretilen toplam enerjiden daha fazladır. Enerji kaynaklarını çoğunun güneşten türemiş olduğunu söylemek mümkündür. Yaygın olarak kullanılan fosil yakıtlar, çağlar önce güneşten aldıkları enerji sayesinde karakteristiklerini özelliklerini değiştirmişler ve bugünkü kullanım şekillerini almışlardır. Fosil yakıtların bulunmasıyla birlikte kullanımları öyle hızlı bir şekilde artmıştır ki, yakın bir gelecekte bitirilmeleri söz konusudur. Bu nedenle, enerji ihtiyaçlarımızın büyük bir bölümünü depolanmış enerji kaynaklarından değil, güneşten elde etmeye çalışmalıyız. 1.2. Güneşin Yapısı Güneş tamamen yoğun ve çok sıcak gazlardan meydana gelmiş bir küredir ve görülen çapı 1.39x10 6 km ve dünyadan uzaklığı 1.5x10 9 km dir. Güneş yaklaşık 4 haftada bir kendi etrafında döner. Bu dönme katı cisim gibi olmaz, ekvator kısmı 27 günde, kutup bölgesi 30 günde döner. Güneşin efektif siyah cisim sıcaklığı 5777 K. 1 Güneş merkezindeki sıcaklık ve yoğunluk sırasıyla 8x10 6 40x10 6 K ve su yoğunluğunun yaklaşık olarak 100 katı şeklinde tahmin edilmektedir. Güneş aslında bir sürekli füzyon reaktörü gibidir. Güneşteki enerji üretimini açıklayan en önemli füzyon reaksiyonu hidrojenin helyuma dönüştüğü reaksiyondur. 4 hidrojen protonu birleşerek bir helyum çekirdeğini oluşturur. 1 helyum çekirdeğinin kütlesi 4 hidrojen protonunun toplam kütlesinden daha küçüktür. Aradaki kütle farkı enerjiye dönüşür. Güneş çekirdek bölgesinde milyon o C sıcaklık mertebelerinde üretilen bu enerji önce yüzeye oradan da ışınım yoluyla uzaya iletilmesi gerekir. Güneş çekirdeğindeki ışınım X ve Gamma ışınları spektrumundadır. Şekil-5.1 de güneşin şematik yapısı görülmektedir. Bu şemadan da anlaşılacağı gibi üretilen enerjinin % 90 ı yarı çapı 0.23R olan ve güneş kütlesinin %40 ını oluşturan bir bölgede meydana gelmektedir (burada R güneş yarıçapıdır). Merkezden 0.7R uzaklığında sıcaklık 130 000 K ve yoğunluk 70 kg/m 3 değerlerine düşmektedir. 0.7R-1.0R aralığında bölgede konveksiyon önem kazanır. Ve bu bölgenin dış tabakasına fotoküre denir. Fotoküre solar radyasyonun en büyük kaynağıdır. Neşredilen ışınımın enerji dağılımı 5777 K sıcaklıktaki siyah cismin enerji dağılımına oldukça yakındır. 1 Güneşin yaydığına eşdeğer ışınım enerjisi yayan siyah cismin sıcaklığına efektif siyah cisim sıcaklığı denir. 1
konvektif bölge 130 000 K ρ=70 kg/m 3 Çekirdek: 8-40x10 6 K ρ=10 5 kg/m 3 % 40 kütle %15 hacim %90 enerji Fotoküre ~5000 K 10-5 kg/m 3 solar radyasyon kaynağı Korona ~10 6 K Krom küre ~5000 K Soğutucu gazlar Şekil-5.1 Güneşin Yapısı 1.3. Güneş Sabiti Dünyanın Güneş etrafında çizdiği yörünge eksantriktir ve aralarındaki uzaklık %1.7 kadar değişir. Bu mesafe ortalama olarak Şekil-5.2 belirtildiği kadardır. Güneşten neşredilen radyasyon, dünya ile bu geometrik ilişkisinden dolayı yeryüzü atmosferi öncesinde yaklaşık olarak sabittir. Buna güneş sabiti denir ve G sc ile gösterilir. Güneş sabiti, atmosfer öncesinde ışınım doğrultusuna dik birim alana birim zamanda güneşten gelen enerjidir ve ortalama güneş-dünya mesafesi için değeri G sc =1367 W/m 2 dir. Dünya güneş mesafesinin yukarıda bahsedildiği gibi değişken olması güneş sabitinin de günlere göre ± %3 değişmesine neden olur. Bu nedenle yılın n. gününde birim alana dik gelen atmosfer öncesi radyasyon (güneş sabiti) aşağıdaki gibi hesaplanır; 360n Gon = Gsc 1 + 0.033cos (5.1) 365 şeklinde hesaplanır. Burada n yılbaşından itibaren gün sayısıdır. 1.2.3. Tanımlar ve Semboller Direkt Işınım Atmosferde saçılmadan güneşten direkt olarak yer yüzüne gelen ışınımdır (buna beam radiation da denir). Yayılı Işınım Güneş ışınımının atmosferde saçılarak yön değiştirdikten sonra yeryüzüne ulaşan kısmıdır (diffuse Radiation). Yansıyan Işınım Yeryüzü elemanlarından (toprak, çatılar, binalar vs.) yansıyan ışınımdır. Bazı önemli semboller G: Birim alana birim zamanda gelen radyasyon akısı [W/m 2 ], H ve I: Birim alana gelen radyasyon enerjisi [J/m 2 ], belli bir zaman aralığında G nin integrali alınarak bulunur. Bu zaman aralığı genellikle saat veya gündür. Eğer bir gün boyunca birim yüzeye 2
Güneş enerjisi dalga boyuna göre enerji dağılımı Birimler W/m 2 dir ve herhangi verilen bir zamanda dünya girişindeki yüzey üzerine ortalama gelen enerjiyi göstermektedir Emisyon Absorbsiyon 343 89 220 14 20 Yansıyan Gizli ve Duyulur ısı 97 154 86 381 344 Tüm Güneş Işınımı Direkt ve yayılı ışınımların toplamına tüm veya global güneş ışınımı denir. Şekil-5.2 Güneş- dünya ilişkisi gelen radyasyon enerjisi söz konusu ise H, bir saat boyunca birim yüzeye gelen radyasyon enerjisi söz konusu ise I sembolleri kullanılır. Alt indisler G, H ve I sembolleri ile kullanılan alt indislerden o atmosfer öncesi radyasyonu, b direkt (beam) ışınımı, d yayılı (difüz) ışınımı, T eğik yüzeyi, n ise ışınım doğrultusuna dik yüzeyi 3
gösterir. Eğer yukarıdaki üç sembolle beraber T ve n alt indisleri yoksa o zaman yatay düzleme gelen radyasyon kastedilmiş olur. Güneş Zamanı Güneş saati ile yerel saat birbirinden farklıdır. Güneş saati güneşin hareketine göre ölçülür. Güneş radyasyonu hesaplarında çoğunlukla güneş saati esas alınır. Buna göre güneş zamanı ile standart saat arasında aşağıdaki ilişki söz konusudur. GS = MS ± 4 B B (5.2) ( ) E s y + Burada GS; güneş saati, MS ülke saati, B s ve B y standart ve yerel boylamı (meridyen), E ise zaman düzeltme faktörüdür. göstermektedir. Eşitliğin sağ tarafındaki ikinci terim doğu boylamları için (-) dir. Bilindiği gibi türkiye doğu boylamları içindedir.türkiye saati içim standart boylam 45 o doğu boylamı olduğuna göre denklem 5.2 aşağıdaki gibi düzenlenebilir. GS = TS 4 (45 B ) E y + (5.3) 60 60 Burada TS Türkiye saatidir ve dakika cinsinden E aşağıdaki korelasyondan hesaplanır. 0.000075 + 0.001868cos B 0.032077 sin B E = 229.2 0.014615cos 2B 0.04089sin 2B (5.4) 360 B = n 1 (5.5) ( ) 365 Burada n gün sayısıdır (1 ocaktan itibaren). Örnek-5.1 İstanbul da (B y =29 o D) 13 Martta Türkiye saati 10:30 için güneş saatini hesaplayınız. Denklem 5.5 ten B=70.0027 ve E=-10.19 dak. bulunur. Buna göre; 4 10.19 GS = 10.5 ( 45 29) = 9. 26 eder. Bu da güneş saati ile 9:16 demektir. Buna göre 60 60 İstanbul için güneş saati ülke saatinden 1 saat 14 dakika geride olmaktadır. Bu notlarda aksi belirtilmedikçe zaman güneş saati cinsinden alınacaktır. 1.2.4. Güneş Açıları Enlem Açısı (Φ): Göz önüne alınan yerin enlemidir. Deklinasyon Açısı (δ): Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Diğer bir ifade ile güneş ışınlarının dünyaya geliş açılarıdır. Bu açı dünya dönme ekseninin düşeyle yaptığı 23.5 o lik açıdan ileri gelir. Bu açı mutlak değerce iki maksimumdan geçer. Bu maksimumlarda kış ve yaz gündönümü meydana gelir. Bu açının 0 o olduğu yılın iki gününe ise ekinokslar denir. Ekinokslarda gece ve gündüz bir birine eşit ve 12 saattirler. Sonuç olarak deklinasyon açısı yıl boyunca değişir ve aşağıdaki gibi hesaplanır. o 284 + n δ = 23.45 sin 360 (5.6) 365 4
Aylar Ayın Ortalama Yılın Günü, Deklinasyon Günü n Açısı, δ Ocak 17 17-20.92 Şubat 16 47-13.29 Mart 16 75-2.42 Nisan 15 105 9.41 Mayıs 15 135 18.79 Haziran 11 162 23.09 Temmuz 17 198 21.18 Ağustos 16 228 13.45 Eylül 15 258 2.22 Ekim 15 288-9.6 Kasım 14 318-18.91 Aralık 10 344-23.05 Tablo 1.1 Ortalama deklinasyon açıları Burada n bir ocaktan itibaren gün sayısıdır. Genellikle güneş ışınımı hesapları bir ayın bütün günleri yerine, aylık ortalama değerlere göre yapılır. Diğer bir ifadeyle ortalama deklinasyon açısına tekabül eden günde yapılır. Bu nedenle aylık ortalama deklinasyon açısına ihtiyaç duyulur. Tablo- 5.1 de ayın ortalama günü, karşılık gelen n değeri ve deklinasyon açısı verilmiştir. Eğim Açısı (β): Eğik yüzeyin yatayla yaptığı açıdır (Şekil-5.3). Yüzey azimut açısı γ): ( Eğik yüzeyin normalinin yatay düzlemdeki izdüşümünün güneyle doğrultusu ile yaptığı açıdır. (Şekil-5.3). Güneyden batıya doğru (+), doğuya doğru (-) alınır (Şekil- 5.3). Saat Açısı (ω): Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneş ışınlarının belirttiği boylam arasındaki açıdır. Güneş öğlesi ile (saat 12) ilgili zaman arasındaki saat farkının 15 sayısı ile çarpılmasıyla bulunur. Her 15 o saat açısı (boylam farkı) zaman olarak 1 saate tekabül eder. Öğleden önceleri (-), öğleden sonraları (+) alınır. Güneş geliş açısı θ): ( Eğik yüzeye gelen ışın (güneş doğrultusu) ile yüzey normali arasındaki açıdır. Şekil-5.3 Güneş açıları Zenit açısı (θ z ): Güneş doğrultusu ile yatay düzlemin normali arasındaki açıdır (Şekil-5.3). 5
Güneş yükseklik açısı (α s ): Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusu) yatayla yaptığı açıdır. Güneş azimut açısı γ ( s): Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusu) yatay düzlemdeki izdüşümünün (projeksiyon) güney doğrultusu ile yaptığı açıdır. (Şekil-5.3) Açı güneyden batıya doğru ise (+), doğu tarafına ise (-) alınır. Bir yüzeye güneşin geliş açısı, θ, diğer açılar cinsinden aşağıdaki gibi ifade edilir. cosθ = sin δ sinφ cosβ - sinδ cosφ sinβ cosγ + cosδ cosφ cosβ cosω + cosδ sin φsin βcos γ cosω + cosδ sinβ sinγ sinω ve θ = cosθ cosβ + sinθ sinβ cos( γ γ) z z s (5.7) cos (5.8) Toplam yıllık enerji, GJ/m 2 -gün Toplam yıllık enerji, GJ/m 2 -gün Toplam yıllık enerji, GJ/m 2 -gün Eğim açısı Şekil-5.5 Optimum eğim ve yüzey açısı Yüzey azimut açısı Şekil-5.4 Deklinasyon açısı Eğim açısı β olan bir eğik yüzey tam güneye bakıyorsa güneş geliş açısı denklem (5.9) revize edilerek kuzey yarım küre için güneş geliş açısı aşağıdaki gibi yazılabilir; cos θ = cos( φ - β) cosδ cosω + sin( φ β) sinδ (5.13) Yine tam güneye (bakan kuzey yarım kürede) eğik düzlem için gün öğlesinde güneş geliş açısı; θ öğle = φ δ β (5.14) Eğer eğim açısı β = 0 ise üneş g geliş açısı zenit açısına eşit olur. Gü nbatımında ise θ z =90 o olacağından günbatımında saat açısına Günbatımı saat açısı denir, ω s ile gösterilir ve aşağıdaki gibi hesaplanır; cosω s = tan φ tanδ (5.15) Güneş doğuşunda ω s (-) ve batışında (+) alınır. Buna göre Gün uzunluğu aşağıdaki gibi bulunur; 2 N = ωs (5.16) 15 Burada ω s derece cinsinden yerine konacaktır. 6
1.2.5. Eğik Düzleme Gelen Radyasyon Hesabı Eğik düzleme gelen güneş ışınımını hesaplamak için atmosfer öncesi birim yatay düzleme gelen radyasyon, yeryüzünde birim yatay düzleme gelen radyasyon değerlerinin bilinmesi gereklidir. Ancak hem Atmosfer öncesi radyasyon ve hem de yeryüzü radyasyonu için anlık ve günlük değerler söz konusudur. Ancak kollektör hesabı yapılırken genellikle günlük radyasyon değerlerinin her ay için ortalamaları kullanılır. Bu parametre aylık ortalama günlük radyasyon olarak adlandırılır. 1.2.6. Maksimum Güneş Işınımı Alan Düzlem Eğimi Açık bir havada direkt güneş ışınımı daima difüz ışınımdan büyüktür, ayrıca gün öğlesinde ω( s = 0 o ) güneş ışınları daha dik geldiğinden eğik düzleme gelen direkt ışınımın maksimum olduğu eğim açısını dikkate almak doğru olur. Bu analizde aylık ortalama günlük radyasyonu değilde yalnızca günlük radyasyonu dikkate almak daha mantıklıdır. Günlük radyasyon için R b değeri yani eğik düzleme gelen günlük direkt radyasyonun yatay düzleme gelen günlük direkt radyasyona oranı denklem (5.23) e benzer olarak aşağıdaki gibi ifade edilir; cosθ cos( φ β) cosδ cosω + sin( φ - β) sinδ R b = = (5.26) cosθ z cosφ cosδ cosω + sinφ sinδ R b değerini maksimum yapan β açısı optimum eğim açısıdı r yani eğik düzlemin gün öğlesinde en fazla radyasyon almasını sağlayan eğim açısıdır. O halde R b nin β ya göre türevi alınıp sıfıra eşitlenirse optimum β eğim açısı bulunur. dr b = 0 [ sin( φ - β ) cos δ cos ω - cos( φ - β ) sin δ ][ cos φ cos δ cos ω + sin φ sin δ ] = 0 dβ Bu denklemin sıfır olması için ilk yada ikinci terimden en az birinin sıfır olması gerekir, ikinci terim içerisinde eğim açısı yer almadığı için birinci köşeli parantez içerisindeki terim sıfıra eşitlenmelidir. Gün öğlesinde ω = 0 olacağından cosω=1 olur ve β = φ δ (5.27) bulunur. Tablo-5.1 den kış ayları için (Ocak, Şubat, Mart, Ekim, Kasım,Aralık) ortalama deklinasyon açısı 15 o ve yaz ayları için (Nisan, Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül) ortalama deklinasyon açısı +15 o olarak hesaplanır. Sonuç olarak yaz uygulaması için optimum kollektör eğim açısı β = φ 15 (5.28) ve kış uygulaması için ise β = φ +15 (5.29) olacaktır. Eğer kollektör sabit olacaksa eğim açısı β = φ olarak alınabilir. Şekil-5.5(a) da sol düşey eksende eğik düzleme bir yıl boyunca gelen tüm radyasyon sağ düşey eksende kış sezonunda (Aralık, Ocak Şubat, Mart) ayları süresince gelen tüm radyasyon yatay eksende kollektör eğim açısı görülmektedir. Grafik enlem açısı φ = 45 o olan bir yerde tam güneye dönük bir kollektör için çizilmiştir.görüldüğü üzere bir yıl boyunca maksimum radyasyon alan eğim açısı yaklaşık olarak 45 o ki bu açı ise β = φ açısına tekabül eder. Sadece kış sezonu boyunca maksimum radyasyon alan eğim açısı ise 60 o olmaktadır bu ise β = φ + 15 demektir. Ayrıca şekilo 5.5(b) den görüldüğü üzere maksimum yıllık radyasyon alan eğik yüzeyin yüzey azimut açısı γ = 0 7
olmaktadır. Buna göre yukarıda belirtildiği üzere bir kollektörün bir yıl boyunca maksimum radyasyon enerjisi alması için eğim açısı β = φ ve tam güneye dönük olmalıdır. Farklı Yaklaşım: S eğim açısı; Yıllık optimum verim için; S = enlem x 0,9 7 aylık kış mevsimi için; S = enlem + 15º Kış mevsiminde en soğuk üç ay için; S = enlem + 25º Yaz mevsimi için; S = enlem - 25º şeklinde verilmektedir. Enleme ilave edilen sayısal değerlerin nedeni Zenit açısıdır. Bu açı kışın büyümekte yazın ise küçülmektedir. İdeal konumdan 15º sapma halinde enerji kayıp oranı %6 dır. Mimari ve diğer etkenler nedeni ile ideal açı uygulanamazsa enerji kayıpları büyük olmayacaktır. Örnek-5.6: Yukarıdaki örneği (örnek-5.5) kış uygulaması için yeniden çözünüz. Veriler: φ 40 o 2 2 ; Tablo-1.2 den H = 6 MJ/m ve H o = 15.3 MJ/m ; Tablo-5.1 den δ = -20.92 o Çözüm: Buna göre denklem (5.15) den ω s = 71.29 o 6 ve denklem (5.20) den K T = = 0. 392; 15.3 ω s <81.4 o 2 olduğu için denklem (5.22) den H = 3.06 MJ/m ; diğer yandan tüm radyasyon yayılı ve direkt ışınımın toplamı olduğuna göre; bulunur. d H b = H H ve d 2 H b = 2.94 MJ/m olarak Denklem (5.24) den ω s (min) = 95.87 o, denklem (5.23) den R b = 2. 687, Tablo-5.3 den ρ = 0.75 alınarak denklem (5.25) aşağıdaki gibidir; 2 H = 7.899 + 2.405 + 0.95 = 11.254 MJ/m olur. T TÜRKİYE NİN GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ Türkiye, coğrafi konumu itibarıyla güneş kuşağı içerisinde yer almakta olup, güneş enerjisinden yararlanma potansiyeli, Doğu Karadeniz Bölgesi dışında tüm bölgelerimiz için önemle ele alınması gereken bir büyüklüktedir. Güneş enerjisinden su ısıtma, konut ısıtma, pişirme, kurutma, soğutma gibi ısıl amaçlarla yararlanılabileceği gibi elektrik enerjisine dönüştürmek de olanaklıdır. Ülkemiz, sahip olduğu yüksek güneş enerji potansiyelini, beyin gücü ve teknoloji geliştirmeye gereken önemi vererek değerlendirmeli ve yalnızca gelişmiş ülkelerin bir pazarı olmamalıdır. Ülkemiz coğrafi konumu gereği güneş enerjisi potansiyeli açısından oldukça şanslıdır. EİE (Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü) idaresi tarafından yapılan istatistik çalışmalarına göre Türkiye nin ortalama yıllık güneşlenme süresi 2640 saat (günlük ortalama 7.2 saat ), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kwh/ m²- yıl dır. Bu da günlük toplam 3.6 kwh/ m² dir. Türkiye nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Bölgelere göre güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi aşağıdaki tabloda verilmektedir. 8
Şekil 1.1:Türkiye güneşlenme haritası Şekil 1.2 Türkiye kuşaklara göre güneş enerjisi haritası Tablo-1 Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli Kaynak: EİE Genel Müdürlüğü Aylar Aylık Toplam Güneş Enerjisi Güneşlenme Süresi (Kcal/cm 2 -Ay) (kwh/m 2 -Ay) (Saat/Ay) OCAK 4,45 51,75 103,0 ŞUBAT 5,44 63,27 115,0 MART 8,31 96,65 165,0 NİSAN 10,51 122,23 197,0 MAYIS 13,23 153,86 273,0 HAZİRAN 14,51 168,75 325,0 TEMMUZ 15,08 175,38 365,0 AĞUSTOS 13,62 158,40 343,0 EYLÜL 10,60 123,28 280,0 EKİM 7,73 89,90 214,0 KASIM 5,23 60,82 157,0 ARALIK 4,03 46,87 103,0 TOPLAM 112,74 1311 2640 ORTALAMA 308,0 cal/cm 2 -gün 3,6 kwh/m 2 -gün 7,2 saat/gün 9
Bölgelere Göre Güneş Enerjisi Potansiyeli BÖLGELER Yıllık Toplam Güneş Enerjisi (KWh/m 2.yıl) Yıllık Toplam Güneşlenme Süresi, saat/yıl Güneydoğu Anadolu 1460 2993 Akdeniz 1390 2956 Ege 1304 2738 İç Anadolu 1314 2628 Doğu Anadolu 1365 2664 Marmara 1168 2409 Karadeniz 1120 1971 Türkiye Ortalaması 1311 2640 Şekil Dünya Güneş Haritası 10
2- GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARARLANMA YÖNTEMLERİ Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemlerinin Tanımı Çeşitleri ve Uygulama Şekilleri 1- Depo sayısına göre; - Tek depolu, - Çift depolu, 2- Deponun pozisyonuna göre; - Dik depolu, - Yatık depolu, 3- Mantolu olup olmadığına veya kapalı yada açık oluşuna göre; - Mantosuz (açık sistem) depo, - Mantolu (kapalı sistem) depo, 4- İçinde bulunan serpantin sayısına göre; - Tek serpantinli, - Çift serpantinli, 5- İçinde hazne bulunmasına göre; - Hazneli sıcak su deposu, - Haznesiz sıcak su deposu, 6- Sıcak su deposundaki basınç seviyesine göre; - Basınçlı sıcak su deposu, - Basınçsız sıcak su deposu, 7- Akışkanın sirkülasyon şekline göre; - Doğal sirkülasyonlu (pompasız), - Cebri sirkülasyonlu (Pompalı) Gibi değişik şekilde sınıflandırma ve ya gruplandırma yapmak mümkündür. Yukarıda yapılan sınıflandırmalara örnek olarak, şekilde, kapalı devre basınçlı sıcak su deposuna sahip bir sistem görülmektedir. Bu sistemlerde soğuk su deposu bulunmamaktadır. Şekil xx Çatı eğimine uygun kollektör montajı 11
Şekil xx Çatı eğimine uygun olmayan, görüntü kirliliği oluşturan kollektör montajı 2.1. Düz Yüzeyli Güneş Kollektörleri (Toplayıcıları) Düz yüzeyli kolektörler güneş enerjisi ile sıcak su elde etmek için tasarlanan sistemlerde kullanılır. Türkiye de güneş enerjisinin en yaygın kullanım alanı sıcak su ısıtma sistemleridir. Halen ülkemizde kurulu olan güneş kolektörü miktarı 2001 yılı için 7,5 milyon m 2 civarındadır (Kaynak; EİE). Çoğu Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmakta olan bu sistemlerden, yılda yaklaşık 290 bin TEP ısı enerjisi üretilmektedir. Sektörde 100'den fazla üretici firmanın bulunduğu ve 2000 kişinin istihdam edildiği tahmin edilmektedir. Yıllık 12
üretim hacmi 750 bin m² olup bu üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Bu haliyle ülkemiz, dünyada kayda değer bir güneş kolektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır. Şekil xx. Çatı eğimine uygun ve uygun olmayan farklı kollektöruygulama şekilleri Güneş kollektörleri, güneş radyasyonunu toplayıp bir akışkana (sıvı veya hava) aktaran elamanlardır. Üç değişik biçimde olabilir. Birinci grup düz yüzeyli tipler güneş ışığını odaklamazlar ve genel olarak sabit çalışırlar ve ulaşılan sıcaklık seviyesi genellikle 95 o C nin altındadır. İkinci grup odaklamalı tiplerdir. Güneş ışınlarını sürekli olarak bir odak noktasına toplarlar. Sadece direkt radyasyondan yararlanırlar. Üçüncü grup ise vakumluboru kollektörlerdir (Şekil-5.6-a). Bu tip kollektörlerde vakumlu bir cam boru (absorber) içerisine bir ısı borusu yerleştirilmiştir. Isı borusunda kolayca faz değiştiren akışkan bulunur. Güneş radyasyonu etkisiyle ısı borusundaki akışkan buharlaşarak yükselir ve ısı eşanjörüne (kondenser) gelir. Burada kollektör akışkanına (su) ısısını aktararak yoğuşur. Düz güneş kollektörleri (Şekil-5.6(a) ve (b)) basitçe saydam örtü, yutucu yüzey, akışkanın dolaştığı borular, izolasyon ve kasadan oluşur. Saydam örtüye gelen güneş ışınlarının güneşin geliş açısına bağlı olarak bir kısmı yansırken büyük bir kısmı saydam örtüyü geçerek yutucu yüzeye (veya seçici yüzey) ulaşır. Gelen ışınım bu yüzey tarafından absorbe edilerek depolanır. Depolanan bu ısı enerjisi iletim ve taşınım yoluyla yutucu yüzeye kaynatılmış olan borular içerisinden geçen suya aktarılır. Yutucu yüzeyin çevreye ısı kaybetmesini önlemek için içerisi yalıtılmış bir kasa içine yerleştirilir. Böylece kollektörün alt ve yan yüzeylerinden olan ısı kaybı en aza indirilmiş olur. Ayrıca saydam örtü de yine yutucu yüzeyin üst tarafından olan ısı kayıplarını azaltır. Çünkü saydam örtü ile yutucu yüzey arasındaki boşlukta hava mevcuttur. Bu bölge sera etkisi ile sıcak kalır ve ayrıca hava kötü bir iletken olduğundan yutucu yüzeyin üst tarafa ısı kaybetmesi azaltılmış olur. Şekil-5.6. Düz güneş kollektörü 13
2.1.1 Saydam örtü Saydam örtünün amacı, güneş ışınımını içeri alıp çevreye olan ısı kayıplarını azaltmaktır. Özellikle, rüzgarlı bölgelerde taşınımla olan ısı kaybı çok fazladır ve saydam örtü kullanılmaması halinde yutucu yüzey ile çevre arasındaki ısı taşınım katsayısı çok büyük olacağından faydalı ısı kazanımı azalır. Saydam örtü taşınımla çevreye olan ısı kaybını önlediği gibi yutucu yüzeyi yağmur ve toz gibi dış etkilerden de korur. Şekil-5.6. Düz güneş kollektörü Şekil-5.6(b) Düz Güneş Kollektörü 14
2.1.1 Saydam Örtü Malzemeleri Kollektörlerin üstten olan ısı kayıplarını en aza indirgeyen ve güneş ışınlarının geçişini engellemeyen bir maddeden olmalıdır. Cam, güneş ışınlarını geçirmesi ve ayrıca absorban plakadan yayınlanan uzun dalga boylu ışınları geri yansıtması nedeni ile örtü maddesi olarak son derece uygun bir maddedir. Yutucu yüzey absorbe ettiği radyasyon nedeniyle sıcaklığı yükselir ve kendisi de ışınım neşreder (Şekil-5.7. ve Şekil-5.8). Neşrettiği ışınım miktarı tamamen yutucu yüzey malzemesine bağlıdır. Neşredilen ışınım uzun dalga boylu (3-50 μm) ışınımdır. Öte yandan güneş radyasyonu ise kısa dalga boyuna (0.3-3 μm) sahiptir. Dolay ısıyla kollektörlerde kullanılan saydam örtülerin kısa dalga boylu güneş ışınımı geçirme oranı büyük ve yutucu yüzeyin neşrettiği uzun dalga boylu ışınımı geçirme oranı ise düşük olmalıdır. Kırılmaya karşı mukavim olmalı ve güneş ışınımına dayanıklı olmalıdır. Pratikte saydam örtü olarak genellikle camlar ve plastik esaslı saydam malzemeler kullanılmaktadır. Camlar 0.3-3 μm dalga boyundaki ışınımın büyük bir kısmını geçirirken 3-50 μm dalga boyundaki ışınımı ise geçirmezler. Camların geçirme oranı bileşimindeki demir-oksit oranı arttıkça azalır. Dolayısı ile saydam örtü için demir-oksit miktarı % 0.05 ten küçük olan camlar seçilmelidir. Kenarından bakıldığında yeşil görünen camlarda bu oran fazladır ve pencere camlarında demir oksit oranı % 0.1 mertebesindedir. Subeyazı tipi camlarda bu oran yaklaşık % 0.015 mertebesindedir. Tablo-5.4 de bazı saydam örtülerin geçirgenlikleri verilmiştir. Örneğin su-beyazı cam için güneş ışınımını geçirme oranı 0.92 iken uzun dalga boylu ışınımı (yutucu yüzeyden neşredilen ışınım) geçirme oranı 0.02 dir. Ayrıca camların yansıtma oranını düşürmek için camın bir veya iki yüzeyi yansıtma önleyici malzemelerle (metalik florid) kaplanabilir. Bundan başka camın ısıl mukavemetini arttırmak için genelde temperlenmelidir. Şekil-5.7 Işığın kollektörlerde yutulması, yansıması ve kırılması Bilinen pencere camının geçirme katsayısı 0.88 dir. Son zamanlarda özel olarak üretilen düşük demir oksitli camlarda bu değer 0.95 seviyesine ulaşmıştır. Bu tür cam kullanılması verimi % 5 mertebesinde arttırır. 2.1.2. Yutucu Yüzey Absorban plaka kollektörün en önemli bölümüdür. Güneş ışınları, absorban plaka tarafından yutularak ısıya dönüştürülür ve sistemde dolaşan sıvıya aktarılır. Absorban 15
plaka tabanda ve üstte birer manifold ile bunların arasına yerleştirilmiş akışkan boruları ve yutucu plakadan oluşur. Yutucu plaka ışınları yutması için koyu bir renge genellikle siyaha boyanmıştır. Kullanılan boyanın yutma katsayısının (absorptivite) yüksek uzun dalga boylu radyasyonu yayma katsayısının (emissivite) düşük olması gerekmektedir. Bu nedenle de bu özelliklere sahip seçici yüzeyler kullanılmaktadır. Mat siyah boyanın yutuculuğu 0. 95 gibi yüksek bir rakam iken yayıcılığı da 0.92 gibi istenmeyen bir değerdedir. Yapılan seçici yüzeylerde yayma katsayısı 0.1 in altına inmiştir. Seçici yüzey kullanılması halinde kollektör verimi ortalama % 5 artar. Düz Toplayıcının Kurulduğu Çevrenđn Sıcaklığı (Günlük Ortalama Sıcaklık) Absorban plaka, borular ile sıkı temas halinde olmalıdır. Alüminyumda olduğu gibi, akışkan borularının kanatlarla bir bütün teşkil etmesi en iyi durumdur. Bakır ve sacda bu mümkün olmadığı için akışkan boruları ile plakanın birbirine temas problemi ortaya çıkmaktadır. Bu problem ya tamamen yada belli aralıklarla lehim veya kaynak yapmakla çözülebilir. Kollektörlerde güneş ışınımını absorbe eden (yutan) ve ısıyı borulardaki akışkana aktaran kısımdır. Yutucu yüzeyin herşeyden önce güneş ışınımını (kısa dalga boylu ışınım) yutma oranının büyük ve ışınım (uzun dalga boylu) yayma oranının küçük olması gerekir. Ayrıca yuttuğu ısıyı borulara iyi iletebilmesi için ısı iletim katsayısının yüksek olması gerekir. Yutucu yüzey olarak genellikle bakır veya çelik kullanılır. Yutma özelliğinin iyi olması için yutucu yüzeyin rengi siyah olmalıdır. Fakat siyah cisimler iyi bir ışınım yutucu olmakla beraber yüzey sıcaklığı arttığı zaman iyi bir ışınım yayıcı olurlar. Oysaki kollektörde kullanılan yutucu yüzeyin yutma özelliğinin yüksek ışınım yayma özelliğinin ise düşük olması istenir. Tablo 5.5 de bazı yüzeylerin yutma (α) ve ışınım neşretme (ε) oranları görülmektedir. Örneğin siyah boyanın yutma oranı 0.94 iken yayma oranı ise 0.88 dir. Bu yayma oranı oldukça yüksektir. Siyaha boyanmış bir yutucu yüzey bu durumda yüksek oranda ışınım yayarak enerji kaybedeceği için kollektör verimini azaltır. Diğer yandan galvanizli çelik için yutma oranı 0.8 ve yayma oranı ise 0.28 dir. Kısa dalga boylu ışınımın (güneş ışınımı) tamamına yakınını yutan ve uzun dalga boylu ışınım neşrediciliği az olan yüzeylere seçici yüzey veya selektif yüzey denir. Seçici yüzey elde edilmesi metalin uygun bir malzeme ile kaplanmasıyla olmaktadır. Kaplama tekniği genellikle elektro 16
kaplama biçimindedir. Kaplama malzemesi metal üzerine çok ince bir şekilde emdirilir. Tablo-2.3 de alt tabaka metali ve kaplama malzemesi çiftleri görülmektedir. Örneğin galvanizli çelik plaka nikel ile kaplanırsa yutma oranı 0.93 ve yayma oranı ise 0.08 olmaktadır. Yani böyle bir yüzey gelen güneş ışınımını %93 oranında yutarken kendisi hemen hiç ışınım yaymaz. Böylece ışınım yoluyla yutucu yüzey ısı kaybetmemiş olur. Isı Yalıtım: Kollektörün arkadan olan ısı kayıplarını minumuma indirmek için absorban plaka ile kasa arası uygun bir yalıtım maddesi ile yalıtılmalıdır. Absorban plaka sıcaklığı, kollektörün boş kalması durumunda 150 C a kadar ısınması nedeniyle kullanılacak olan yalıtım malzemesinin sıcak yalıtım malzemesi olması gerekmektedir. Isı iletim katsayıları düşük ve soğuk yalıtım malzemesi olarak bilinen poliüretan kökenli yalıtım malzemeleri tek başına kullanılmamalıdır. Bu tür yalıtım malzemeleri, absorban plakaya bakan tarafı sıcak yalıtım malzemesi ile takviye edilerek kullanılmalıdır. Kollektör Kasası: Kasa, yalıtkanın ıslanmasını önleyecek biçimde yapılmalıdır. Özellikle kollektör giriş ve çıkışlarında kasanın tam sızdırmazlığı sağlanmalıdır. Kasanın her yanı 100 kg/m 2 (981 Pa=N/m 2 ) basınca dayanıklı olmalıdır (TSE-3680). Sıvılı kollektörlerde sızdırmazlığın yüzde yüz sağlanamadığı durumlarda camda yoğunlaşan su buharını dışarıya atmak amacıyla kasanın iki yan kenarına tam karşılıklı ikişer adet 2-3 mm çapında delik açılmalıdır. Bir Düz Güneş Kollektörü Teknik Özellikleri Kasa Düşük silisyumlu aluminyum Boyu 2037 mm Eni 1034 mm Yükseklik 121 mm Brüt alan 2,106 m 2 Net ağırlık 41 kg. Cam Tabaka Düşük demirli temperlenmiş özel cam Kalınlık 3 mm Geçirgenlik %92 Seçici Özellikli Yutucu Plaka Plaka kalınlığı Su kanallarındaki et kalınlığı Nikel pigmentasyonlu Al 20 3 kaplı seçici yüzeye sahip yüksek vasıflı aluminyum ektrüzyon plaka 1,25 mm 2,1 mm (min) Absorpsiyon (güneş ışınını yutma) %96 +/- 2 Emisivite (geri ışınımı yansıtma oranı) % 15 +/- 2 İzolasyon Yanlar 24 mm poliüretan (40 kg/m 3 yoğunlukta) + aluminyum folyo Alt 0,4 mm gofrajlı aluminyum + 40 mm poliüretan sert köpük + 25 mm kaya yünü + aluminyum folyo 17
Kollektör Enerji Dengesi Kollektör üzerine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüde yansır, bir kısmı yine saydam örtüde yutulur ve geri kalan kısmı absorban plakaya (yutucu yüzeye) ulaşır. Absorban plakaya gelen enerjinin, bir kısmı ısı taşıyıcı akışkana geçerken bir kısmı absorban plakada depolanır, geri kalan kısmı ışınım, taşınım, ve iletimle çevreye gider. Işınım taşınım ve iletimle olan ısı kayıplarının toplamı Qk, depolanan enerji Qd, akışkana geçen enerji Qf, olmak üzere, düzlemsel kollektörler için enerji dengesi: I.A.(τ.α) = Q f +Q k +Q d Şeklinde yazılabilir. Burada (τ.α) kollektör yutma geçirme çarpımı, I kollektör üzerine gelen güneş enerjisi ve A faydalı yüzey alanı olmak üzere I.A.(τ.α) çarpımı absorban plaka üzerine gelen güneş enerjisini verir. Kollektör Verimi: Kollektörlerde ısı taşıyıcı akışkanda toplanan güneş enerjisinin, kollektöre gelen güneş enerjisine oranına kollektör verimi denir. Kollektör giriş suyu sıcaklığı arttıkca verim düşme eğiliminde olacağından genel bir verim yerine anlık verimden yani verim eğrisinden bahsetmek daha doğru olacaktır. Kollektör verimi ısı taşıyıcı akışkanın giriş, çıkış sıcaklıkları ve debi değerlerinin sağlıklı ölçülebildiği durumlarda ve en önemlisi çevre sıcaklığının sabit olduğu durumlarda η = [m.c p.(t çık- T gir )] / (A.I) bağıntısıyla hesaplanabilir. Fakat verim eğrisi oluşturulurken çevre sıcaklığı da değişeceğinden verim bağıntısında T ç çevre sıcaklığı da değişken parametre olarak bulunmalıdır. Buna bağlı olarak verim, Tablo Bazı Yutucu Levhaların Yutma ve Neşretme Katsayıları Qk=-k.A.dt/dx genel ısı transfer denklemi kullanılarak ve Q g kollektöre gelen toplam güneş enerjisi olmak kaydı ile 18