Dr. Fatih AY Tel: 0 388 225 22 55 ayfatih@nigde.edu.tr www.fatihay.net
% 40 Ara Sınav (% 20 Ödev ve Sunumu) %40 Final Sınavı (Ödev Finale dahil edilecek) 2
GÜNEŞ ENERJİSİ (1. Hafta) GÜNEŞ GEOMETRİSİ ve ATMOSFER DIŞI GÜNEŞ IŞINIMI (2. Hafta) YERYÜZÜNE GELEN IŞINIM (3. Hafta) GÜNEŞ ENERJİSİ TOPLAYICILARI (4. ve 5. Hafta) ENERJİ DEPOLAMA (6. ve 7. Hafta) GÜNEŞ ENERJİLİ SICAK SU SİSTEMLERİ (8. ve 9. Hafta) GÜNEŞ PİLLERİ (10. Hafta) ÖDEV TESLİMİ ve SUNUMLAR (11. ve 12. Hafta) 3
Güneş Enerjisiyle Soğutma () Güneş Enerjisi ile Su Damıtma Sistemleri () Güneş Enerjisi ile Kurutma Sistemleri () Seraların Isıtılmasında Güneş Enerjisi () Güneş Fırınları ve Pişiriciler () Güneş Enerjisi ile Buhar ve Elektrik Üretimi () Güneş Enerjisi ile Hacim Isıtma () Güneş Havuzları () Isı Borusu () 4
Giriş Güneş ve Güneş Enerjisi Güneş Enerjisinin Tarihsel Gelişimi Güneş Enerjisinin Uygulama Alanlarının Sınıflandırılması Güneş Enerjisi Uygulamaları 5
Güneş Sabiti (The Solar Constant) ve Atmosfer Dışı Işınımın Değişimi Güneş Açıları Atmosfer Dışında Yatay Düzleme Gelen Güneş Işınımı 6
Yeryüzüne Gelen Işınım Güneş Işınım Ölçümleri Yeryüzüne Ulaşan Güneş Işınım Hesabı 7
Düzlemsel Güneş Toplayıcıları Vakumlu Güneş Toplayıcıları Yoğunlaştırıcı Sistemler Düz Toplayıcının Isıl Analizi 8
Isı Enerjisi Depolama Sistemleri Elektrik Enerjisi Depolama Sistemleri 9
Doğal Dolaşımlı Sistemler Pompalı Sistemler Güneş Enerjili Sıcak Su Sistemlerinin Projelendirilmesi Projelendirme Hesap Yöntemleri 10
Güneş Pillerinin Yapısı ve Elektrik Üretimi Güneş Pillerinin Yapımında Kullanılan Malzemeler Güneş Pilleri ve Güç Sistemleri PV Sistemleri Yardımcı Ekipmanları 11
Dr. Fatih AY Tel: 0 388 225 22 55 ayfatih@nigde.edu.tr www.fatihay.net
Giriş Güneş ve Güneş Enerjisi Güneş Enerjisinin Tarihsel Gelişimi Güneş Enerjisi Uygulama Alanlarının Sınıflandırılması Güneş Enerjisi Uygulamaları 13
İnsan ve hayat için üç önemli unsur 14
Enerji hayatın her alanında Aydınlatma Elektrik Enerjisi Isı Enerjisi 15
Enerjiyi etkin kullanma ve enerji kaynaklarına sahip olma mücadelesi Kömürün Bulunması Sanayi Devrimi Petrol Günümüz Savaşları 16
Petrol, doğalgaz ve kömür rezervleri Küresel ısınma Sera gazları Buzulların erimesi Fosil yakıtlar Çölleşme 17
18
Atmosferi en çok kirleten ülkeler Dünya nüfusunun %4 ü ABD Çin Rusya Japonya Hindistan Almanya İngiltere Sera etkisi yapan gazların %25 i 19
Yenilenebilir enerji çalışmaları için dönüm noktaları 1973 Enerji krizi Küresel ısınma 20
Türkiye de genel enerji tüketiminin kaynaklara göre dağılımı (2005) 13% 27% 22% 38% Petrol Doğal Gaz Kömür Yenilenebilir* * Hidroelektrik santraller de bu kategoriye dahil edilmiştir. 21
Toplam enerji talebinin yerli üretimle karşılanma oranı 2005 %26 2020 %24 22
2020 yılı tahminleri Jeotermal Rüzgar Enerjisi Güneş 6269 TEP 23 TEP 828 TEP Toplam üretimin sadece %10 u TEP: Ton Petrol Eşdeğeri 23
Mevcut durum itibari ile güneş enerjisinin en ekonomik ve yaygınkullanılan türü güneş enerjisi ile sıcak su ısıtma sistemleridir. 24
İki adet kaliteli düzlemsel güneş kollektörünün ürettiği ısı enerjisinin karşılığı 3000 kg odun 765 kg fuel-oil 720 kg LPG 960 m 3 doğalgaz 2200 kg yerli-soma kömürü 1480 kg ithal taş kömürü 1088 kwh elektrik enerjisi 25
Ülkemizde ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi: 2640 saat Yıllık güneş enerjisi ışınım şiddeti: 1311 kwh/m 2 GÜNEŞ KUŞAĞI ÜLKESİ 26
Türkiye de aylık güneşlenme süreleri 350 308 339 322 300 250 261 269 Saat 200 150 100 107 122 170 197 201 137 96 50 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Aylar 27
Çap: 1.400.000 km Dünyanın yaklaşık 109 katı büyüklük Yoğunluk: Dünya yoğunluğunun ¼ ü kadar 28
Samanyolunda güneşin yeri 200.000.000.000 yıldızdan 1 i!!! 29
Evrende kaç galaksi vardır? Hubble Uzay Teleskopu ile yapılan ölçüm ve tahmine göre 100.000.000.000 ile 300.000.000.000 arası Alman bilim adamlarının yaptığı süper-bilgisayar simülasyon tahminine göre 500.000.000.000!!! Fatih AY ın tahminlerine göre 30
31
Güneş, hidrojen ve helyum gazlarından oluşan orta büyüklükte bir yıldızdır. Sıcaklığı merkeze doğru artar ve 20.000.000 C yi bulur. Güneş, ortalama 6000 K sıcaklıkta ışınım yapan bir cisim olarak kabul edilir. Yüksek sıcaklık nedeni ile elektronlar atom çekirdeklerinden ayrılır. Güneşte atom ve molekül değil serbest elektronlar ve atom çekirdekleri bulunur. 32
Füzyon 33
Hidrojen Bombası: 60 megatonluk (60 milyon ton) TNT patlamasına karşılık gelir. Atom Bombası: Hiroşima, 15 kilo tonluk bir patlama 34
Güneşin merkezinde bir saniyede 564 milyon ton hidrojen 560 milyon ton helyuma dönüşür. Aradaki fark? Enerjiye dönüşür ve bunun 170 milyar MW ı dünyaya ulaşır. Bu miktar şu an dünyada kullanılan enerji miktarının 15-16 bin katıdır. 35
%45 36
Dünyanın dışına, yani hava kürenin dışına güneş ışınlarına dik bir metre kare alana bir saniyede gelen güneş enerjisi, 1367 W/m 2 dir. Bu değer, tanım gereği, yıl boyunca değişmez varsayılabilir. Bu sayı «Güneş Sabiti» olarak adlandırılır. 37
Hava küre dışına gelen güneş ışınlarının dalga boyları, içinde görünür bölgeyi de kapsayacak şekilde, morötesinden kırmızı altına dek uzanmaktadır. Güneş ışınımlarının dalga boyları 100 nm ila 3000 nm arasındadır. 38
Güneş ışınımları hava küreyi geçerken belli yutulmalara uğrarlar. - Gazlar -Toz parçacıkları -Saçılmalar - Bulutlar -Su buharı ve karbondioksit tarafından emilim (Mavi renge karşılık gelen dalga boyları kırmızıya oranla daha fazla saçıldığından gökyüzü mavi görünür.) 39
Rüzgar oluşumu: Sıcak soğuk farkından dolayı meydana gelen basınç farkı Deniz dalgaları ve akıntılar: Rüzgarın etkisi ile ortaya çıkarlar. Dolayısıyla, rüzgar, deniz dalgaları ve akıntılar birer güneş enerjisi türevidir. 40
Socrates (M.Ö. 470-399) (konutların ısıl dengesi ve ısınması için güneşten faydalanılması) Xenopohon s Memorable adlı eserinden alınan prensibe göre: «Binaların güney duvarlarını, kış güneşini alacak şekilde daha yüksek, kuzey duvarlarını da soğuk rüzgarlara maruz kalmaması için alçak yapmak en iyi bir düzenlemedir.» 41
Salama de Caus (1564-1626) Güneş Enerjisi ile çalışan ilk su pompası Ericsson Güneş enerjisinden buhar elde ederek makine işletmiş Sir John Herschel Güneş ışınımı ölçen ilk aleti icat etmiştir. 42
1954 yılında Bell laboratuvarlarında güneş pilleri üretilmiştir. İlk büyük ölçekli kullanım uzay alanında 43
44
Güneş Enerjisi Uygulamaları I. Düşük Sıcaklık (20-100 C) II. Orta Sıcaklık (100-300 C) III. Yüksek Sıcaklık (>300 C) 45
I. Düşük Sıcaklık Uygulamaları Kullanım sıcak suyu elde edilmesi Konut ısıtılması soğutulması Sera ısıtılması Kurutma Yüzme havuzu ısıtılması Güneş ocakları ve fırınları Deniz suyundan tatlı su elde edilmesi Tuz üretimi 46
II. Orta Sıcaklık Uygulamaları Endüstriyel kullanım için buhar üretimi Büyük ısıtma-soğutma sistemleri Elektrik üretimi 47
III. Yüksek Sıcaklık Uygulamaları Güneş fırınları Güç santralleri 48
Bir diğer sınıflama I. Aktif Sistemler II. Pasif Sistemler III. Fotovoltaik Uygulamalar 49
I. Aktif Sistemler Aktif Güneş sistemleri, Güneş enerjisini istenilen biçimdeki enerjiye dönüştürmek amacıyla kullanılan çeşitli mekanik ve elektronik sistemlerin bütünüdür. Bu sistemler sayesinde güneş ışınımı istenilen seviyede ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülmektedir 50
II. Pasif Sistemler 1.Toplama Güneşin ışınlarının geliş yönünde açılan pencereler, seralar v.s yardımıyla güneş enerjisinin yapıt içerisine alınmasıdır. 2.Depolama Yapıt içerisine alınan ısının fazlasının daha sonra kullanılmak üzere zemin ve duvarlara depo edilmesidir. 3.Dağıtma Depolanan ısının ihtiyaç duyulduğunda yapıta tekrar aktarılmasıdır. Bu işlem ısısın yayılmasıyla olabileceği gibi fanlarda kullanılabilir 51
III. Fotovoltaik Uygulamalar 52
Güneş enerjisinden yararlanılan evler güvenli ve ucuz bir şekilde ısıtılabilir. Aktif ve pasif sistemler beraber kullanılabilir. İdeal olarak güneş kollektörleri ile üretilen sıcak hava veya su, güneş pilleri ile üretilen elektrik ve ısı tutucu pasif sistemler birlikte kullanılır. Hacim Isıtma 53
Evlerde ve Sanayide Su Isıtma Sistemleri Kullanım suyuiçingüneş enerjili sıcak su sistemleri en yaygın kullanılan güneş enerjisi sistemleridir. Teknolojisi oldukça basit olduğundan gelişmiş ülkelerde olduğu gibi gelişmekte olan ülkelerde de güvenilir güneşli su ısıtıcıları yapılmaktadır. 54
Güneş kollektörlü sistemler Doğal Dolaşımlı Sistemler Pompalı Sistemler Açık Devreli Kapalı Devreli Açık Devreli Kapalı Devrel 55
Doğal dolaşımlı sistemler, ısı transfer akışkanının sıcaklıkla yoğunluğunun azalması dolayısıyla kaldırma kuvvetiyle sirkülasyonun sağlandığı sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan suyun yoğunluğunun azalması ve yükselmesi özelliğine dayanmaktadır. Deponun alt seviyesinden kendi ağırlığı ile aşağıda bulunan kollektörlere giren soğuk (ağır) su, kollektörlerde ısınarak hafifler ve deponun üst seviyesine yükselir. Ucuzdur ve küçük sistemlere uygundur. 56
57
Pompalı sistemler, ısı transfer akışkanının pompa ile dolaştırıldığı sistemlerdir. Büyük sistemlerde basınç kaybının artması sonucu doğal dolaşımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorunluğu nedeniyle pompalı sistemler kullanılmaktadır. Depo tabanına ve kollektör çıkışına yerleştirilen diferansiyel termostatın sensörleri; kollektörlerdeki suyun depodaki sudan 10 C daha sıcak olması durumunda pompayı çalıştırarak sıcak suyu depoya alır, bu fark 3 C olduğunda ise pompa durur. Pompa ve sistem arızaları dolayısıyla işletme maliyetleri yüksektir. 58
59
Açık devreli sistemler, kullanım suyu ile kollektörlerde dolaşan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre verimleri yüksek ve ucuzdur. Suyu kireçsiz ve donma problemlerinin olmadığı bölgelerde kullanılır. 60
Kapalı sistemler, kullanım suyuileısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan su depo içindeki bir eşanjör vasıtasıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Donma kireçlenme ve korozyona karşı çözüm olarak kullanılırlar. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksek verimleri ise eşanjör nedeniyle düşüktür. 61
+100 o C'ta suyun yoğunluğu 958,4 kg/m 3 +40 o C'ta suyun yoğunluğu 992,2 kg/m 3 +20 o C'ta suyun yoğunluğu 998,2071 kg/m 3 +4 o C'ta suyun yoğunluğu 999,9720 kg/m 3 0 o C'ta suyun yoğunluğu 999,8395 kg/m 3-10 o C'ta suyun yoğunluğu 998,117 kg/m 3 Not: Su özelliği gereği 4 o C üzerinde yoğunluğu azaldığı için sıcak su üst kısımda yer alır. Su 4 o Caltındadayoğunluğu azalmaktadır. 62
63
Hacim Soğutma Güneşli Pişirme Sistemi Su Pompalama Sistemi Elektrik Üretim Sistemi Merkezi Alıcı Güç Santralleri 64
Pasif Isıtma Sistemleri Doğrudan Kazanım Sistemleri Isı Toplayan Duvar Sistemleri Birleşik Sistemler Isı Toplayan Çatı Sistemleri 65
Doğrudan kazanım sistemleri, güneşin uygun yönlendirilmiş pencereden doğrudan içeriye geçmesini sağlar. 66
Isı toplayan duvar sistemi, öncelikle üzerindeki dış ısı kaybını azaltmak için şeffaf bir dış örtü ile kaplanmış dikey bir duvarın karartılmış dış yüzeyinde enerji soğurulur. Soğurulan ısı daha sonra içeriye taşınımve ışınım olmak üzere iki yolla verilebilir. 67
Birleşik sistemler, uygun yönlendirilmiş bir sera ile uygun yönlendirilmiş duvarın bir araya getirilmesi ile oluşturulur. Arkadaki duvar bu amaçla yalıtılarak rüzgarın soğutucu etkisinden korunmuştur. Bu sistem hacim ısıtmada kullanılabilir. 68
Isı toplayan çatı sistemleri, uygun kuru iklimlerde hem ısıtma hem de soğutma amacıyla kullanılabilir. Çatı depolama aracı içerecek şekilde tasarlanmıştır. Bu araç, kışları güneşte kalmakta, geceleri de hareketli kaplayıcılarla izole edilmektedir. Sıcak havalarda ise çatı gecenin soğutucu etkisine açık tutularak gündüzleri güneşekarşı yalıtılmaktadır. 69
Su Arıtma Sistemleri, sistemi sığ bir havuzdan ibarettir. Havuzun üzerine eğimli şeffaf cam yüzeyler kapatılır. Havuzda buharlaşan su bu kapaklar üzerinde yoğunlaşarak toplanırlar. Sera Isıtması, güneş enerjisinin tarım alanındaki uygulamasıdır. Bu tür sistemler ilkel pasif yapıda olabileceği gibi, hava hareketini sağlayan aktif bileşenler de içerebilir. 70
Bu ders ve içeriği oluşturulurken «Güneş Enerjisi» kitabı (Prof.Dr.Abdulvahap YİĞİT ve Yrd. Doç. Dr. İbrahim Atmaca) ders kitabı olarak kullanılmıştır. 71