Güneş ışınımını yutarak ısıyı borularda dolaşan akışkana aktaran levhalara yutucu yüzey denir. Yutucu yüzeyin güneş ışınımını yutma oranı büyük ve uzun dalga boylu (ısıl ışınım) neşrediciliği küçük olmalıdır. Işınımı yutarak ısınan yüzeyin, ısıyı temas halindeki akışkana iyi bir şekilde iletmesi için ısı iletim katsayısı yüksek, ısı geçişinin çabuk olması için de ince olması istendiğinden yutucu yüzey olarak metal levhalar kullanılır [9]. Güneş kollektörlerinde kullanılan siyah yüzeyler temelde dört çeşittir, 1. Siyah boyalı yüzeyler, 2. Siyah kaplama selektif/seçici yüzeyler, 3. Yarı selektif sayılabilen ve yüzeye sonradan yapıştırılan siyah bant veya örtüler, 4. Siyah renkli plastik esaslı malzemeler [8]. Yutucu yüzeyde istenen özellikler; imalat kolaylığı, kolay işlenebilirliği, korozyona direnci ve fiyatı. Bakır, alüminyum, çelik ve paslanmaz çelik gibi metaller en çok kullanılan yutucu yüzey malzemeleridir. Polipropilen ve akrilik gibi bazı plastikler de siyaha boyanarak kullanılır [9]. Yutucu yüzey olarak kullanılan bazı malzemeler [9], Malzeme k W/m-K Malzeme k W/m-K Bakır 386 Akrilik 0,20 Alüminyum 204 Polietilen 0,35 Çelik 50 Polipropilen 0,20 Paslanmaz çelik 24 PVC 0,16 Levha ve boruların dizaynında ısı iletim katsayısı yüksek olan bakır alüminyum gibi malzemeler kullanılarak kanattan borulara ısı geçişi sağlanır. Akışkanın dolaştığı borular arasındaki mesafe, yeterli ısı geçişini sağlayacak şekilde tespit edilir. Levha ve boruların birbiriyle iyi birleşmesi, ısıl temas yüzeyinin büyük olması gerekir [9]. Çelik borular yutucu plakaya kaynak ile Bakır borular lehim ile Alüminyum ve farklı malzemelerden yapılan boru ve levhanın ısı iletim katsayısı yüksek dolgu maddesiyle (genellikle silikon esaslı) yapıştırılması ile borular ve levha birleştirilir [9]. 1
Yutucu yüzey malzemelerinin karşılaştırılması [9], Isı ileim katsayısı W/m.K Yoğunluk kg/m 3 Bakıra göre eşdeğer Fiyatı Tl/kg Kalınlığı m/m Fiyatı Tl/m 2 Ağırlığı kg/m 2 Bakır 390 8690 1 1 1 2,24 Alüminyum 204 2707 0,55 1,9 0,33 1,30 Çelik 50 7850 0,18 7,8 1,24 15,3 Eşdeğer değerler 0,25 mm bakıra göre hesaplanmıştır. YUTUCU YÜZEYIN KAPLANMASı Uygulamada, güneş toplayıcılarında kullanılan yutucu yüzey malzemelerinin (bakır, alüminyum, çelik, vs.) yutma oranları düşüktür, üst yüzeyi güneş ışınımı yutuculuğu büyük olan bir malzeme ile kaplanmaktadır [9]. İki önemli kaplama tipi mevcuttur. seçici (selektif) kaplama siyah boyalı (seçici olmayan) kaplamadır. SEÇICI (SELEKTIF) YÜZEYLER SEÇICI (SELEKTIF) YÜZEYLER Kısa dalga boylu ışınımını yutan ve uzun dalga boylu ışınım neşrediciliği düşük olan yüzeylere seçici (selektif) yüzey denir. İdeal siyah yüzey, ışınım için gerçek yutucudur. Bütün dalga boylarındaki, her açı altında gelen ışınımın tamamını yutar. Gerçek maddeler (yüzeyler) ışınımın bir kısmını geliş açısına bağlı olarak yansıtır, tamamını yutmaz. İdeal siyah cisim aynı zamanda ısıl ışınım için ideal yayıcı. Toplayıcılarda kullanılan yutucu yüzeylerin ise, güneş ışınımını yutma oranının büyük olması ve neşrediciliğinin olmaması istenir [9]. SEÇICI (SELEKTIF) YÜZEYLER kısa dalga boylu ışınım ( 0,2 2,5 μm ) uzun dalga boylu ışınım ( 2,5 50 μm ) Seçici yüzeyler emici plakanın sıcaklığını daha fazla arttırarak, akışkana daha fazla ısı iletimi sağlanmış olur. Seçici yüzeyler sıcaklık yükselmesinde daha az ışınım geri yayarlar, Seçici yüzeyler kollektör verimi yüksektir. Işınım yutma oranı / Işınım yayma oranı Bu oran 4 ün üzerinde olduğunda yüzey selektif (seçici) yüzey olarak kabul edilir. 2-4 arası olan yüzeyler semi selektif (yarı seçici) yüzey olarak adlandırılır. 2
SEÇICI YÜZEY MALZEMELERI Siyah Krom Nikel Üzerine Siyah Krom Siyah Nikel Nikel Üzerine Siyah Nikel Siyah Bakır Alüminyum Oksit Demir Oksit SEÇICI YÜZEY OLUŞTURMA Seçici (selektif) yüzeylerdeki yutma ve yayma Seçici yüzey oluşturmak için [9], kaplanacak yüzey temizlenir, asit banyosuna tabi tutulur. güneş ışınımını yutma oranı büyük olan bir madde ile ince bir film halinde kaplanır. Kaplamalar, kimyasal banyo, püskürtme ve elektro kaplama ile gerçekleştirilir. Bazı seçici yüzey ve özellikleri aşağıda tabloda verilmiştir. Bazı seçici yüzeylerin özellikleri [9] Güneş KAPLAMA ALT Işınımı Neşretme Çalışma Neme TABAKA Yutma Oranı Oranı Sıcaklığı C Direnci SİYAH KROM Bakır 0,95-0,97 0,08-0,14 316 İyi çelik 0,91-0,97 0,07-0,16 427 Zayıf NİKEL ÜZERİNE Bakır, çelik 0,90-0,95 0,09-0,15 427 Çok iyi SİYAH KROM Alüminyum 0,95 0,50 Çok iyi SİYAH NİKEL Çelik 0,89-0,96 0,07-0,17? NİKEL ÜZERİNE Çelik, bakır 0,87-0,96 0,07-0,10 288 Değişken SİYAH NİKEL SİYAH BAKIR ALÜMİNYUM OKSİT, AMA Bakır 0,85-0,95 0,10-0,15 200 Zayıf Al, Nikel 0,81-0,93 0,11-0,34? - 0,85-0,95 0,11-0,34 900? DEMİR OKSİT Çelik 0,85 0,08 427 İyi 3
SIYAH BOYALı YÜZEYLER SIYAH BOYALı YÜZEYLER Boyama işleminde boyanın kalınlığı 20-30 mikrometre civarındadır. Işınım yutma oranı / Işınım yayma oranı 2 nin altında olan yüzeyler siyah boyalı yüzeyler olarak adlandırılır [8]. SIYAH BOYALı YÜZEYLER Yutucu yüzeyin güneşe dayanıklı mat siyah boya ile boyanması ile elde edilen yüzeylerdir. Ucuzdur ve imalatı kolaydır. Siyah boyaların güneş ışınımını yutma oranlan yüksek Işınım yama oranları da yüksektir. Mat siyah yüzeylerin ışınım yutma oranları 0,90-0,98, Uzun dalga boylu ışınımı yayma oranları 0,85-0,92 [9]. SIYAH BOYALı YÜZEYLERIN KULLANıM ALANı [9] Düşük çalışma sıcaklıklarında, konutlar için sıcak su temini, yüzme havuzu ısıtması vb. yaygın olarak kullanılmaktadır, Siyah mat boyalar olarak genellikle, polyester akrilik epoksi reçine esaslı ve alüminyum esaslı ürünler kullanılmaktadır SIYAH BOYALı YÜZEYLERIN KULLANıM ALANı [9] En yaygın kullanılan boya türleri; karbon siyahı, demir oksit, amorf grafit, yanık kemik (bone black) asfalt esaslı ürünler 4
SIYAH BOYALı YÜZEYLERIN ÖZELLIKLERI Siyah boyalı kaplamaların ömürleri seçici yüzeylere göre daha fazladır. Düz güneş toplayıcılarında, durgun halde ulaşılan 200 C yutucu yüzey sıcaklığına kadar dayanıklıdırlar. Uzun sürede, sıcaklık ve güneş ışınımının tesiriyle optik özelliklerindeki değişim çok küçüktür. Alüminyum esaslı boyaların ışınım neşretme oranları 0,38 mertebesindedir ve daha yüksek sıcaklıklara (525 C a kadar) dayanıklıdırlar [9]. SIYAH BOYALı YÜZEYLER IMALATı Siyah boyalı yüzeyler kompresör ile kollektör boyası diye adlandırılan siyah mat boyanın paneller üzerine püskürtülmesi ile elde edilirler. Boyama işlemi ile yüzey üzerinde 1,3 2,5 mikron değerinde siyah ince bir film tabakası oluşturur. Bu boyalarda kullanılan dolgu malzemeleri ve bağlayıcılardaki organik kökler, yüzeyin seçici özellik kazanmasına engel olurlar. Düşük çalışma sıcaklıklarında seçici olmayan siyah boyalı kaplamalar daha uygun görülmektedir. Fakat yüksek sıcaklık çalışmalarında seçici yüzeylerin verimleri daha yüksektir [8]. Kollektör yalıtım levhası Toplayıcıların güneş almayan alt ve yan kısımlarından olan ısı kaybını azaltmak için, Strafor (polistiren köpük) Poliüretan köpük Taşyünü Cam yünü kullanılmaktadır. Kollektör yalıtım şiltesi Poliüretan köpük ve strafor 5
Yalıtım malzemesi için [9]; ısı iletim katsayısının düşüklüğü, yüksek sıcaklığa (200 C) dayanıklılığı, neme direnci, mukavemeti, yoğunluğu, yanma ve genişleme özellikleri, kararlılığı, fiyatı ve elde edilebilme imkanı göz önüne alınır. Poliüretan köpüğün ve polistiren köpüğün (strofor) ısı iletim katsayıları cam yününün ısı iletim katsayısından, Daha düşüktür. Ağırlıkça da daha hafiftir. Stroforun sıcaklık dayanıklılığı maksimum 74 C, Poliüretan köpüğün sıcaklık dayanıklılığı 100 C. Oysa durgun halde yutucu yüzey sıcaklığı 180-200 C a kadar çıkabilmektedir. Bunun için strofor ve poliüretan köpüğü kullanılan toplayıcılarda, yutucu levha tarafına cam yünü kullanılması gerekmektedir [9]. Yutucu yüzey ile yalıtım malzemesi arasında bir hava boşluğu bırakılmalı Yalıtım malzemesinin üzerinin ışınım yansıtma oranı büyük (alüminyum gibi) bir folyo ile kaplanmalı Poliüretan kökenli yalıtım malzemeleri tek başına kullanılmamalı [9]. Bu durumunda Yalıtım malzemesi yüksek sıcaklığa çıkmaz Aradaki havanın ısıl direnci ve folyonun yansıtıcılığı sebebiyle alt kısımdan olan ısı kaybı daha az olur. Tablo da bazı yalıtım malzemeleri ve çalışma sıcaklıkları görülmektedir [9]. YALıTıM MALZEMELERININ ÖZELLIKLERI [9] Isı iletim katsayısı Çalışma sıcaklığı C Yoğunluğu kg/m 3 W/m-K Cam yünü 0,032 250-500 15-120 Taş yünü 0,036-0,055 650-1050 Polystrene köpük 0,029 70-80 20 Poliüretan köpük 0,023 104 35 PVC 0,035 100-130 40-80 Kalsiyum silikat 0,055 650 Perlit 0,048 820 İkocyanurate 0,025 121 Fenolik köpük 0,033 135 Gözenekli plastik 0,040 100 kollektörlerin ısı yalıtımında levhaları birlikte kullanılır. kollektör şiltesi ve Yutucu yüzeyden gövde içine doğru ışıma ile meydana gelen ısı kayıplarını önlemek ve seçici yüzeye geri yansıtmak amacı ile alüminyum folyo kaplı camyünü levhaları kullanmak da mümkündür. 6
soğurucu yüzey ile alt yüzey yalıtımı arasında 10-20 mm boşluk bırakılmalıdır. Kollektörlerin havalandırılması için, yağmur sularının giremeyeceği yerlere 2-3 mm lik delikler açılmalıdır. Aksi halde, su buharı geceleri camlarda yoğuşarak kollektörün verimsiz çalışmasına neden olabilir [8]. 10-20mm ISI YALITIM MALZEMELERININ DEZAVANTAJLARı Polimerik köpükler içinde bulunan florokarbonlar zamanla bozulur ve hücreler dağılararak ısı iletim katsayıları büyütür. Cam yünü nemden etkilenir ve neme ve suya maruz kalan cam yününün ısıl iletkenliği artar. Yüksek sıcaklıklarda yalıtım malzemelerinin gaz kusmasıdır. Yüksek sıcaklıklarda polimerik köpüklerin içindeki florokarbonlar ve cam yününü kalıplaştırmak için kullanılan kimyasal maddeler buharlaşır, Saydam örtünün iç yüzeyinde yoğuşarak yutucu yüzey üzerine düşer ve yüzeyi tahrip eder. Bunu önlemek için yalıtım malzemesi sıcaklığa dayanıklı bir folyo ile ambalajlanmalıdır [9]. TOPLAYICI KASASI Düzlemsel güneş toplayıcılarının kasaları, Alüminyum Galvanizli çelik Paslanmaz çeliktir PVC Cam takviyeli plastik (GRP) Polipropilen Uygulamada en çok alüminyum kasalar kullanılmaktadır. TOPLAYICI KASASI Toplayıcı kasası olarak kullanılan ekstrüzyon (veya levha) alüminyum ve paslanmaz çeliğin mekanik özellikleri ve atmosfer şartlarına dayanıklılıkları iyidir. Çeliğin mekanik özellikleri de iyi olmasına rağmen atmosfer şartlarına dirençli değildir. Korozyon sebebiyle tahrip olmaktadırlar. Galvanizli sac (iyi kalite sıcak çekilmiş) kuru çevre şartlarında 20 yıl kadar kullanılabilmektedir. Toplayıcıların konulduğu çatı gibi yüksek yerler olduğundan bakım gerektiren malzemeler tavsiye edilmemektedir. PVC TOPLAYICI KASASI Polimerik malzemelerin birçoğu alüminyum ve paslanmaz çelikten daha ucuzdur, fakat atmosferik şartlara dayanıklılıkları tam olarak belirsizdir. Isıl genişleme katsayılarının yüksek olması, morötesi güneş ışınımından bozulmaları ve yanıcı olmaları önemli eksiklikleridir. Propilen, PVC ve ABS ye göre cam takviyeli plastik daha dayanıklıdır, fakat pahalıdır. Tahta ve tahta esaslı malzemeler daha ucuz olmalarına karşın dış şartlara dayanıklı olmadıklarından dolayı nadir kullanılmaktadır. En uygun ve en çok kullanılan kasa malzemelerinin alüminyum, paslanmaz çelik ve cam takviyeli plastik olduğu söylenebilir. 7
KAYNAKLAR [1] Anonim, World Energy Outlook 2010, International Energy Agency, Paris, 2010. [2] Ertürk, F. U., Yoğuşmalı Kombi Teknolojilerinin Çevresel, Ekonomik Kazanımları Ve Yeni Hedefler, Yüksek Lisans Tezi, Trakya Üniversitesi, Edirne, 2010. [3] Anonim, World Energy Investment Outlok, International Energy Agency, Paris, 2014. [4] Ünalan, S., Alternatif Enerji Kaynakaları. [5] Algül, E., Hava kirliliği ve küresl ısınma. [6] Dünyada ve Türkiye de enerji görünümü, ETKB. [7] Kayfeci, M., Alternatif enerji kaynakları, 2011. [8] Abuşka, M., Güneş enerjisi ve ygulamaları ders notları. [9] Altınışık, K., Güneş enerjisi ders notları. 8