SERA ISITMA İÇİN GÜNEŞ ENERJİLİ AKTİF ISITMA SİSTEMLERİ H. Hüseyin ÖZTÜRK Ali BAŞÇETİNÇELİK Cengiz KARACA Ç.Ü. Ziraat Fakültesi Tarım Makinaları Bölümü, 01330 ADANA ÖZET Günümüzde, sera ısıtmada güneş enerjisinden daha etkin olarak yararlanılması büyük önem kazanmış olmakla birlikte, uygulamada teknik ve ekonomik açıdan bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Sera ısıtmada uygulanan güneş enerjili ısıtma sistemleri; ısı toplama ve depolama ünitelerinin düzenlemesine bağlı olarak pasif ve aktif sistemler şeklinde incelenebilir. Güneş enerjili aktif ısıtma sistemleriyle sera ısı gereksiniminin önemli bir bölümü karşılanabilir. Bu çalışmada; güneş enerjili aktif ısıtma sistemlerinin yapısal bileşenleri, ısı toplama ve depolama ünitelerinin tasarımı ve sera ısı gereksiniminin karşılanması incelenmiş ve uygulamada bu sistemlerin kullanımında karşılaşılan sorunlar tartışılmıştır. Solar Active Heating Systems for Greenhouse Heating ABSTRACT Although the use of solar energy for greenhouse heating has gained an increasing acceptance during the last years, several problems related to technical and economical feasibility of the solar heating systems can be occurred. Solar heating systems applied to greenhouses can be investigated as passive and active solar systems, depending on the design of heat collection and storage units. Active solar heating systems can provide a high part of the greenhouse heating requirements. In the present paper, structural components of active solar systems, the design of heat collection and storage units and providing of greenhouse heating requirements are investigated. Problems related to use of the active solar systems are also discussed. 1. GİRİŞ Sera ısıtma uygulamalarında, günümüz enerji varlığını korumak ve çevre kirlenmesini önlemek amacıyla fosil enerji kaynakları yerine alternatif enerji kaynaklarından yararlanılması gereklidir. Sera ısıtmada yararlanılan alternatif enerji kaynaklarından bazıları; güneş enerjisi, jeotermal enerji ve sanayi tesislerinden elde kalan düşük sıcaklıklı atık ısı enerjisidir. Güneş enerjisi bakımından önemli bir potansiyele sahip olan ülkemizde; güneşlenme süresi en fazla Temmuz ayında 365 h/ay ve en az Aralık ayında 103 h/ay olmak üzere, 2624 h/yıl dır. Ortalama güneş ışınımı yoğunluğu yaklaşık 3.67 kwh/m 2.gün (13.6 MJ/m 2.gün) değeriyle, toplam olarak yaklaşık 1311 kwh/m 2.yıl (4.72 GJ/m 2.yıl) dır. Ülkemizin yüzeyine gelen güneş ışınımı, diğer bir deyişle toplam güneş enerjisi potansiyelimiz 3517 EJ/yıl (977 PWh/yıl) dır (1). Günümüzde, sera ısıtmada güneş enerjisinden daha etkin olarak yararlanılması büyük önem kazanmış olmakla birlikte, uygulamada 49
teknik ve ekonomik açıdan bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Geleneksel ısıtma sistemleriyle karşılaştırıldığında, güneş enerjili ısıtma sistemlerinin ilk yatırım maliyeti oransal olarak daha yüksektir. Sera ısıtmada uygulanan güneş enerjili ısıtma sistemleri; ısı toplama ve depolama ünitelerinin düzenlemesine bağlı olarak pasif ve aktif sistemler şeklinde incelenebilir. Bu çalışmada; güneş enerjili aktif ısıtma sistemlerinin yapısal bileşenleri, ısı toplama ve depolama ünitelerinin tasarımı ve sera ısı gereksiniminin karşılanması incelenmiş ve uygulamada bu sistemlerin kullanımında karşılaşılan sorunlar tartışılmıştır. 2. GÜNEŞ ENERJİLİ AKTİF ISITMA SİSTEMLERİ Güneş enerjili aktif ısıtma sistemlerinde (Şekil 1), seradan bağımsız durumda tasarımlanan ısı toplama ve depolama ünitelerinden yararlanılır. Sera örtüsüyle güneş ışınımından kazanılan ısı enerjisiyle birlikte, aktif ısıtma sistemindeki ısı toplama ünitesiyle toplanılan ısı enerjisi uygun şekilde depolanarak, ısı gereksiniminin önemli bir bölümü karşılanabilir. Bununla birlikte, bu sistemlerdeki özellikle ısı toplama ünitelerinin fazla alan kaplaması, ilk yatırım ve daha sonraki işletme giderlerinin yüksek olması, bu sistemlerin ekonomik uygulanabilirliğini önemli ölçüde kısıtlamaktadır. FAN A 1 2 3 ISI DEPOLAMA UNITESI 4 5 ISI TOPLAMA UNITESI FAN B ISI DEPOLAMA HATTI ISI GERI KAZANMA HATTI PLASTIK SERA Şekil 1. Sera ısıtma için güneş enerjili aktif ısıtma sistemi (2) Son yıllarda güneş enerjili aktif ısıtma sistemlerine ilişkin araştırma ve geliştirme çalışmalarıyla uygulamada karşılaşılan bu tür sorunların giderilmesine yönelik belirli teknik çözümler sağlanmıştır. Seralarda uygulanan güneş enerjili aktif ısıtma sistemleri; 50
ısı toplama ünitesi (güneş toplacı), ısı toplama ünitesinin yerleşimi, ısı taşıyıcı akışkan ve ısı depolama materyallerine bağlı olarak incelenebilir. 2.1. Isı Toplama Ünitesi Güneş enerjili aktif ısıtma sistemlerinde ısı toplama ünitesi olarak genellikle; soğurucu yüzeyi metal veya plastik malzemelerden oluşan, örtüsüz veya (plastik veya cam) örtülü düzlem toplaçlar kullanılmaktadır. Bununla birlikte, yoğunlaştırıcı toplaçlar ve güneş havuzlarından da ısı toplama ünitesi olarak yararlanılmaktadır. Sistemde ısı taşıyıcı akışkan olarak hava, su veya tuzlu su gibi akışkanlardan yararlanılır. Isı toplama ünitesinin seçiminde; ilk yatırım ve işletme giderleri, sıcaklık düzeyi ve seranın ısı gereksinimi dikkate alınır. Toplaçların güneş enerjisi toplama etkinliği; toplaç üzerine gelen güneş ışınımı, toplaç örtü malzemesi ve soğurucu yüzeyin optik özelliklerine bağlıdır. Aktif ısıtma sistemleri için gerekli toplaç alanının belirlenmesinde aşağıdaki etmenler dikkate alınır (3): Yıllık ısı gereksinimi Yöresel iklim koşulları (güneş ışınımı, sıcaklık, rüzgar hızı) Güneş enerjisiyle karşılanması gereken toplam ısı gereksinimi Toplaç etkinliği ve İlk yatırım ve işletmebakım giderleri Isı toplama ünitesi olarak kullanılan güneş toplaçları, sera dışına yerleştirilebildiği gibi, sera çatısına da yerleştirilebilir. Toplaçların sera çatısına yerleştirilmesi durumunda sera içerisine ulaşan güneş ışınımı önemli oranda azalır. Cam örtülü sulu toplaçlarla, sera ısı gereksiniminin büyük bir bölümü karşılanabilmesine karşın, ilk yatırım ve daha sonraki işletme giderlerinin yüksek olması, bu sistemlerin ekonomik uygulanabilirliğini önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Sistemlerin ekonomik analizine ilişkin yapılan çalışmalarda, geri ödeme süresinin 1520.2 yıl arasında değiştiği belirlenmiştir (4). 2.2. Isı Depolama Ünitesi Sera ısıtma amacıyla ısı depolama sistemlerinin tasarımında; ısı depolama materyali, ısı depolama kapasitesi, depolanan ve geri kazanılan ısı miktarı, ısı depolama etkinliği, ısı deposunun yerleşimi ve boyutları ve depolama ve geri kazanma işlemlerinin düzenlenmesi önemlidir. 51
Isı depolama ünitesinin boyutları; sera alanı, işletme sıcaklığı, ısı değiştirici tipi ve kullanılan ısı toplama ünitesinin boyutlarına bağlıdır. Isı depolama sisteminin boyutları, uygulanan depolama yöntemi ve ısı depolama materyallerine bağlı olarak düşük sıcaklıkta kısa veya uzun süre için ısı depolanabilir. Bulunulan bölgedeki güneş enerjisi yoğunluğu ve gereksinim duyulan enerji miktarı arasındaki farkın az olması durumunda, kısa süreli ısı depolama uygulanır. Mevsimlik olarak gereksinim duyulan enerji miktarının güneş enerjiyle karşılanması için uzun süreli ısı depolama uygulanarak, toplam enerji gereksiniminin karşılanmasında güneş enerjisi katkısının artmasına olanak sağlanır. 2.3. Isı Depolama Materyali Isı enerjisi, ısı depolayan materyalin iç enerjisindeki değişim sonucunda; duyulur ısı, gizli ısı ve bunların birleşimleri şeklinde depolanabilir. Genel olarak, birim hacimdeki iç enerji değişiminin fazla olduğu ısı depolama materyalleri kullanılması durumunda, ısı depolama için gerekli hacim azalır. Isı depolama yönteminin seçimi esas olarak; ısı depolama süresi (günlük veya mevsimlik), ekonomik uygulanabilirlik ve işletme koşullarına bağlıdır. Duyulur ısı depolama yönteminde, ısı depolanan materyalin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan duyulur ısıdan yararlanılır. Isı depolama materyali olarak, sıcaklığı arttırıldığında duyulur ısı şeklinde ısı depolayabilen katı ve sıvı materyaller kullanılır. Bir çok sıvı materyal bol miktarda bulunduğundan, ısı depolama için ekonomik olarak kullanılabilir ve ayrıca bu materyallerden ısı depolama amacıyla yararlanılmasında izlenen teknoloji de basittir. Sıvı materyaller içerisinde su, ucuz ve bol miktarda bulunduğundan güneş enerjisinin duyulur ısı olarak depolanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Suyun özgül ısısı yüksek olduğundan, uygun bir yalıtım sağlanarak birim hacimde oldukça yüksek miktarda ısı depolanabilir. Katı materyallerin ısı depolama kapasiteleri genellikle daha düşük olduğundan, sıvı materyallere oranla daha fazla katı materyal kullanılması gerekir. Duyulur ısı depolama için bol miktarda bulunan ve ekonomik olarak rekabet edebilir durumda olan, bir çok katı materyal bulunmaktadır. Isı depolama için kullanılacak materyalde, ısının materyal içerisine hangi hızda yayıldığının göstergesi olan ısıl yayılım değeri mümkün olduğunca yüksek olmalıdır. Gizli ısı depolama yöntemi, uygun sıcaklık sınırlarında, depolama materyalinin faz değiştirmesiyle ortaya çıkan gizli ısının depolanması ilkesine dayanır. Bu nedenle ısı depolama amacıyla, belirli sıcaklıklarda ergime buharlaşma veya diğer faz değişimlerine uğrayan ve ısı depolama kapasitesi yüksek olan materyallerden yararlanır. Gizli ısı depolamada, katısıvı faz değişimi sırasında faz değiştiren materyal (PCM) tarafından soğurulan ve 52
serbest bırakılan ısıdan yararlanılır. Güneş enerji uygulamalarında, güneşten kazanılan ısı PCM'de ergime gizli ısısı şeklinde depolanarak (genellikle katısıvı) faz değişimi gerçekleşir. Güneş enerjisiyle ısıtma uygulamaları ve sıcak su üretimi için en uygun çalışma sıcaklığı sınırları 4060 C'dir. Özel uygulamalar için bu sınır değerler 2080 C'ye kadar değiştirilebilir. Bu sıcaklık sınırlarında PCM olarak, organik ve inorganik bileşiklerden yararlanılabilir. İnorganik PCM ler gurubunda bulunan tuz hidratları ısı depolama için önemli olduklarından, araştırmalar bu materyaller üzerinde yoğunlaştırılmıştır. Organik yapıdaki PCM ler parafinler ve parafin olmayan materyaller olmak üzere iki alt guruba ayrılır (2). 2.4. Sera Isı Gereksiniminin Karşılanması Güneş enerjili aktif ısıtma sistemleriyle gece 17 C ve gündüz 25 C iç ortam sıcaklığı için sera ısı gereksiniminin % 4090 ı karşılanabilir ve geleneksel ısıtma sistemlerinin uygulandığı seralara göre ürün verimi artar (5). Katı materyal kullanılarak ısı depolanan sistemlerde depolama ünitesi olarak, genellikle içerisinde ısı taşıyıcı akışkan dolaşabilen çakıl veya kırma taş dolgulu yataklardan yararlanılır. Serada ısı depolama ünitesi olarak yararlanılan çakıl yatağı, genellikle sera tabanındaki toprak altına yerleştirilir. Birim (m 2 ) sera alanı için toplaç alanı 0.080.46 m 2 ve ısı deposu hacmi 0.050.28 m 3 arasında değişirken, birim (m 2 ) toplaç alanı için depo hacmi 0.173.5 m 3 arasında değişir (4). Isı taşıyıcı akışkan olarak su kullanılan ve soğurucu yüzeyi metal olan toplaçlarla yapılmış bazı araştırmalar Çizelge 1 de özetlenmiştir. Çizelge 1. Seralarda Güneş Enerjili Aktif Isıtma Sistemlerine İlişkin Yapılmış Olan Bazı Araştırmalar (4) Toplaç alanı (m 2 ) 300 520 171 240 60 8 45 39 125 Depo hacmi (m 3 ) 260 10 42.6 3 2 6.7 4 0 Toplaç/ sera alanı 0.09 0.05 0.32 0.13 0.24 0.23 0.21 0.27 0.25 Depo hacmi/ sera alanı 0.08 0.02 0.02 0.01 0.06 0.03 0.03 0.00 Depo hacmi/ toplaç alanı 0.866 0.058 0.175 0.050 0.250 0.160 0.100 0.000 Isı gereksinimini karşılama oranı (%) 44 48 30 37 61 Çizelge 1 de belirtilen (küçük) deneysel ve (büyük) ticari seralarda yürütülmüş olan araştırma sonuçlarına göre; toplaç/sera alanı 0.050.32 m 2, ısı deposu hacmi/sera alanı 0.020.08 m 3, depo hacmi/toplaç alanı 0.050.87 m 3 ve sera ısı gereksiniminin karşılanma oranı % 3060 arasında değişmektedir. 53
3. SONUÇ VE ÖNERİLER Isıtma amacıyla güneş enerjisinden yararlanılan farklı büyüklükteki bir çok serada, güneş enerjili ısıtma sistemlerinin teknik ve ekonomik uygulanabilirliği açısından olumlu sonuçlar belirlenmiştir. Güneş enerjili aktif ısıtma sistemleriyle sera ısı gereksiniminin önemli bir bölümü karşılanmakla birlikte, uygulamada bu sistemlerin kullanımında bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır: Isı toplama ünitesi olarak özellikle soğurucu yüzeyi cam örtülü toplaçların kullanılması durumunda, sistemin ilk yatırım maliyeti yüksektir. Maliyetin azaltılması için daha ucuz olan değişik tip plastik toplaçlardan yararlanılmakla birlikte, plastik toplaçlar kolay bir şekilde yıprandığından bakım giderleri yükselir. Toplaçlar sera dışına yerleştirildiğinde fazla alan kapladığından, sera iç ortamına veya çatısına yerleştirilmektedir. Toplaçların sera çatısına yerleştirilmesi durumunda sera içerisine ulaşan güneş ışınımı önemli oranda azalır. Bu nedenle güneş ışınımının fotosentez için gerekli bölümüne (PAR) karşı geçirgen olan toplaçlardan yararlanılmalıdır. Güneş enerjili ısıtma sisteminin yardımcı ısıtma sistemiyle birlikte kullanılması durumunda, bazı teknik sorunlarla karşılaşılabilir. Yardımcı ısıtma sisteminin uygun olmaması durumunda, güneş enerjili sistemin yararlanılabilirliği önemli oranda azalır. Bu sorunun giderilmesi için güneş enerjili ısıtma sisteminde bir ısı pompasından yararlanılabilir. Sistemin bir bütün olarak yararlılığını arttırmak için, yardımcı ısıtma sistemiyle birlikte güneş enerjili ısıtma sistemlerinin önemli birer alt ünitesi olan ısı toplama ve depolama ünitesi kapasitelerinin belirlenmesine ve sistemin etkin olarak çalışma ve kontrolüne gerekli önem verilmelidir. 4. KAYNAKLAR 1. Ültanır, M. Ö., 1994. Potential of New and Renewable Energy Sources in Long Term Utilization for Turkish Rural Areas. Proceedings of the AGENG 94 International Conference on Agricultural Engineering, MilanoItaly, 822828. 2. Öztürk, H. H., 1997. Sera Isıtma İçin Güneş Enerjisinin Faz Değiştiren Materyalde (PCM) Depolanması Üzerine Bir Araştırma. Doktora Tezi. (Yayınlanmamış) Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı, Adana. 3. Sharma, S. P., Saini, J. S., Varma, H. K., 1991. Thermal Performance of PackedBed Solar Air Heaters Solar Energy, 47(2): 5967. 4. Santamouris, M. I., 1993. Active Solar Agricultural Greenhouses. The State of Art. Int. J. Solar Energy, Vol. 14, pp. 1932. 5. Fuller, R. J., Cooper, P. I., Sale, P. J. M., Speed, R. E. W., 1983. Crop Yield Use in a Solar Greenhouse. Solar Word Congress, 12221226. 54