TEMİZ ENERJİ TEKNOLOJİLERİ KURSU GÜNEŞ ENERJİSİ ISIL UYGULAMALAR Doç. Dr. Hüsamettin BULUT Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Osmanbey Kampüsü, Şanlıurfa
ÖZGEÇMİŞ Doç. Dr. Hüsamettin BULUT EĞİTİM İlk, Orta, Lise : Batman, 1989. Lisans : Çukurova Üniversitesi, i i Makina Mühendisliği iği Bölümü, 1993. Yüksek Lisans : Çukurova Üniversitesi, Makina Müh. Anabilim Dalı, 1996. Doktora : Çukurova Üniversitesi, Makina Müh. Anabilim Dalı, 2001. AKADEMİK ÜNVAN ve GÖREVLER Araştırma Görevlisi: Harran Üniversitesi Makina Müh. Böl. (1993-1998, 2001-2003) Çukurova Üniversitesi Makina Müh. Böl. (1998-2001) Yardımcı Doçent : Harran Üniversitesi Makina Müh. Böl. (2003-2005) Doçent : Harran Üniversitesi Makina Müh. Böl. (2005- ) Bölüm Başkanlığı ş ğ : Harran Üniversitesi Makina Müh. Böl. (2003-2004) Harran Üniversitesi Endüstri Müh. Böl. (2004-2007) Enerji Anabilim Dalı Başkanlığı (2003- )
GİRİŞ Güneş, hidrojen ve az miktarda helyum gazından oluşan orta büyüklükte bir yıldızdır. Güneş, yakıtı hidrojen ve ürünü helyum olan çok büyük bir fırın olarak düşünülebilir. ş Güneşş fırının içinde sıcaklık 20 000 000 o C, yüzeyinde ise 6000 o C dir. Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yüksek basınç ve sıcaklıkta hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklinde meydana gelen nükleer füzyon işlemi sonucu ortaya çıkan ışıma enerjisidir. Güneşin bir saniyede ürettiği enerji miktarı, insanlığın şimdiye kadar kullandığı enerji miktarından fazladır. Güneşten ışın olarak çıkan ve uzaya yayılan enerji çeşitli dalga boyları halinde dünyaya ulaşır. Dünya, güneşten gelen enerjinin sadece milyarda birini alır.
GİRİŞŞ Güneşten gelen enerjinin uzaya tekrar gitmesi Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzünde yatay düzlem için toplam güneş ışınımı 0-1100 W/m² değerleri arasında değişimğ ş gösterir. Yeryüzündeki herhangi bir yüzeye gelen toplam güneş ışınımı, direkt, difüz ve yansıyan ışınımlardan oluşur. Yeryüzünde bir düzleme gelen güneş ışınım çeşitleri
GİRİŞŞ Güneş ışınım şiddeti verileri, bina enerji analizi ve güneş enerjisi sistemlerinin tasarımında ve performans değerlendirmesinde gerekli temel parametrelerdir. Türkiye de güneş ışınım şiddeti ölçümlerini, Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (DMİ), Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü (EİE), Bazı üniversiteler sadece yatay düzlem için yapmaktadır. Toplam güneş ışınım şiddeti, piranometre, solarimetre, aktinograflarla ölçülür. Piranometre Toplam ışınım ölçer Pireheliyometre Direkt ışınım ş ölçer Gölge topu Difüz ışınım ölçer için) Piranometre Difüz ışınım ölçer Piranometre Güneş ş ışınımının ş tüm bileşenlerini ş ölçen sistem Güneş takip edici
GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI Güneş enerjisi uygulamaları, yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana grupta incelenebilir: 1- Güneş Enerjisi Isıl Uygulamalar : Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı enerjisi doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir. 2- Güneş Enerjisi Elektrik Uygulamaları- Güneş Pilleri: Fotovoltaik piller de denen bu yarı-iletken malzemeler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler. Güneş enerjisi uygulamaları elde edilen sıcaklık değerlerine göre; Düşük sıcaklık (20-100 C) uygulamaları, Orta sıcaklık (100-300 C) uygulamaları Yüksek sıcaklık (>300 C) uygulamaları
GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI Düşük Sıcaklık Uygulamaları Kullanım sıcak suyu eldesi Bina ısıtılması-soğutulması Sera ısıtılmasıt l Tarım ürünlerinin kurutulması Yüzme havuzu ısıtılması Güneş ocakları ve fırınları Deniz suyundan tatlı su eldesi Tuz üretimi Sulama Toprak solarizasyonu Güneş pilleri (PV) sistemler Orta Sıcaklık Uygulamaları Endüstriyel kullanım için buhar üretimi ve elektrik üretimi Büyük ısıtma-soğutmasoğutma sistemleri Yüksek Sıcaklık Uygulamaları Parabolik çanak ve merkezi alıcılarla elektrik üretimi
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ Güneş enerjisi, en çok ve yaygın olaraksıcak su üretiminde kullanılmaktadır. Güneş enerjili su ısıtma sistemleri, hazırlanacak suyun kullanma yerine, suyun ısıtılma şekline, sistemdeki suyun dolaşımına ve amacına göre değişiklik gösterirler. Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri Devre tipine göre Su dolaşımına Depo Depo sayısına Kollektör tipine göre yerleşimine i göre göre göre Açık sistem Doğal dolaşımlı Dik depolu Tek depolu Düz yüzeyli panel Kapalı sistem Zorlanmış dolaşımlı l (Pompalı ) Yatay depolu Çift Depolu Tüp kollektörlü Vakum tüplü Vakum tüplü Isı borulu Güneş enerjili su ısıtma sistemleri, güneş enerjisini toplayan kollektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısımarasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, gerekirse pompa p ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır.
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ (GESİS) Soğuk su deposu Sıcak su deposu Kollektör A- Yatay Depolu açık tip GESIS B- Dik depolu kapalı tip GESIS Tabii Dolaşımlı Sistemler: Doğal dolaşımlı sistemlerde kollektörde güneş enerjisinin ısıttığı suyun yoğunluğuazalır vesıcak su deposuna doğru hareket eder, kollektörün alt tarafından ise soğuk su gelir. Su sirkülasyonu bu şekilde devam eder.
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ (GESİS) C- Vakum tüplü GESIS D- Vakum tüplü ısı borulu GESIS E- Pompalı tip GESIS F- Tek depolu basınçlı tip GESIS
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ (GESİS) Pompalı Sistemler: Isı transfer akışkanının (su veya antifrizli su) dolaşımı pompa ile sağlanır. Deposunun yukarıda olma zorunluluğu yoktur. Pompalı sistemler otomatik kontrol devresi yardımı ile çalışırlar. Depo tabanına ve kollektör çıkışına yerleştirilen fark termostatın sensörleri; yardımıyla pompayı çalıştırılır veya durdurulur. Açık Sistemler: Açık sistemler kullanım suyu ile kollektörlerde dolaşan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre verimleri yüksek ve maliyeti ucuzdur. Suyu kireçsiz ve donma problemlerinin olmadığı bölgelerde kullanılırlar. Kapalı Sistemler: Kullanım suyu ile ısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan su bir ısı değiştiricisi vasıtasıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Donma, kireçlenme ve korozyona karşı çözüm olarak kullanılırlar. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksek, verimleri ise daha düşüktür. üktü
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ (GESİS) Açık Sistem Pompalı Sistem Kapalı Sistem Kapalı ve Pompalı Sistem
GÜNEŞ ENERJİLİ SU ISITMA SİSTEMLERİNDE KULLANILAN KOLLEKTÖR VE DEPOLAR Kollektörlerde, yutucu plaka alüminyum veya bakırdır. Sıcak su depoları yalıtımlıdır. Malzeme olarak galvanizli saç, emaye kaplı veya paslanmaz çelik olarak imal edilmektedirler.
Türkiye de Güneş Enerjisi Kollektörleri ve Kullanımı Ülkemizde güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sıcak su üretme sistemleri yaygın olarak daha çok Akdeniz, Ege ve Güneydoğu Anadolu Bölgelerinde kullanılmaktadır. Halen ülkemizde kurulu olan güneş kollektörü miktarı yaklaşık 12 milyon m² olup, yıllık üretim hacmi 750 bin m²dir ve bu üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Güneş enerjisinden ısı enerjisi yıllık üretimi 2007 itibari ile 420 bin TEP civarındadır. Bu haliyle ülkemiz dünyada kayda değer bir güneş kollektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır. Güneş kollektörlerinin ürettiği ısıl enerjinin birincil enerji tüketimimize katkısı Yıl Güneş Enerjisi Üretimi (bin TEP ) 1998 210 1999 236 2000 262 2001 290 2004 375 2007 420
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI Güneş enerjisi ile hacimlerin ısıtılması, pasif ve aktif sistemlerle yapılır. Pasif sistemlerde güneş ışınları doğrudan kullanılır. Güneş ışınımı ara bir işlemden geçmez, enerjinin alınışı doğaldır. Fan ve pompalar gibi yardımcı ekipmandan yaralanılmayan güneş toplama yöntemlerinin hepsi pasif sistem olarak kabul edilmektedir. Binanın pencerelerinin güneye yönlendirilmesi ve seraların ısıtılması pasif sistemlere örnek verilebilir. 15
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI Aktif sistemlerde güneş enerjisi kollektörler vasıtasıyla başka bir akışkana aktarılmakta ve bu sıcak akışkan hacim ısıtılmasında kullanılmaktadır. Aktif sistemlerde kollektör, pompa veya fan gibi mekanik elemanlar bulunur. Güneş enerjisi ile hacimlerin ısıtılması, kollektörlerden elde edilen sıcak suyun kalorifer sistemine gönderilmesi ile yapılabilir. Güneş enerjisi ile yerden ısıtma daha çok tercih edilmektedir. Binaların yüksek ısıtma yüklerinden dolayı büyük kollektör alanlarına ihtiyaç duyulur. Güneş enerjili sıcak su ile hacim ısıtmanın prensip şeması 16
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI Kollektör grubu Isıtma boruları pompa Ek ısıtma Kontrol ünitesi pompa Sıcak su deposu Güneş enerjili yerden ısıtma sistemi
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI Havalı tip güneş kollektörleri ile hacim ısıtılmasının prensip şeması
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI 100 90 80 31 Ocak 2006 Tgiriş Tcam η Tçıkış Tkollektör 1 0.9 0.8 Sıca aklık, T [ o C] 70 60 50 40 30 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 Anlık Isıl Verim,η 20 0.2 10 0.1 0 0 13:15 13:20 13:25 13:30 13:35 Saat Şanlıurfa iklim şartlarında havalı tip güneş kollektöründe sıcaklıklar 13:40 13:45 13:50 13:55 14:00 Havalı tip güneş kollektörü
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI Dış hava karışımlı bir havalı güneş kollektörlü ısıtma sistemi Çatı tipi havalı kollektörlerle hacim ısıtılması
GÜNEŞ ENERJİSİ İLE HACİMLERİN ISITILMASI Havalı Kollektörlerle Duvardan Isıtma
Güneş Enerjili Soğutma Sistemleri Güneş enerjisi ısıl enerji olarak desisif ( Nem alıcı) ve adsorbsiyonlu (katı nem alıcı) ve absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde kullanılabilir. Veya elektrik esaslı sistemlerde, fotovoltaik piller kullanılarak, güneş ş enerjisi yardımıyla elektrik üretilmekte ve bu elektrik bir soğutma sistemini (klasik buhar sıkıştırmalı veya Peltier esaslı )çalıştırmak üzere kullanılmaktadır. Uygulamaya en yakın, üzerinde en çok çalışılan ve az da olsa kullanılan güneş enerjili soğutma sistemi absorbsiyonlu (soğurmalı) soğutma sistemleridir. Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi çalışma prensibi
Güneş Enerjili Soğutma Sistemleri Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde düz yüzeyli kollektörler kullanıldığında büyük kollektör alanlarına ihtiyaç duyulmaktadır. Güneş enerjisi ile birlikte ek enerji kaynağı gerekmektedir. Günümüzde büyük soğutma yükleri için yapılmış absorbsiyonlu soğutma sistemleri mevcuttur. Gerekli ısı güneş enerjisinden panel tip güneş kollektörleri yerine parabolik kollektörlerden alınabilmektedir. Parabolik kollektörlü ktö lü güneş enerjili absorbsiyonlu b soğutma ğ sistemi i
Güneş Enerjisi ile Kurutma Kurutma, özellikle gıda, kimya, seramik, kağıt, tekstil ve deri sanayilerinin temel işlemlerinden birisidir. Gıda endüstrisinde kurutma ile, meyve ve sebzelerin besin değerlerini kaybetmeden uzun süre saklanabilmesi ve korunabilmesi amaçlanmaktadır. Güneş enerjisi ile kurutma, kurutulacak malzemeyi direkt güneş ışınımı etkisinde bırakarak veya güneşle ısıtılan havayı doğal veya zorlanmış dolaşımla malzemenin üzerinden veya içinden geçirerek sağlanır. Güneş enerjili kurutucular gıda ve orman üü ürünlerin kurutulmasında kullanılmaktadır. Güneş enerjili kurutma sistemleri: 1- Sera tipi güneşli kurutucular 2- Hava kollektörlü güneşli kurutucular
Güneş Enerjisi ile Kurutma Güneş enerjili kurutma işlemleri ve kurutucu tipleri
Güneş Enerjisi ile Damıtma Güneş enerjisinden yararlanarak deniz suyundan tatlı su üretimi yapılmaktadır. Sera tipi güneşli damıtıcılarda havuzda ısınan su buharlaşır ve cam örtüye çarpınca tekrar yoğuşur, camın altındaki yoğuşan su oluklardan alınarak filtrelerden geçirildikten sonra kullanılır. Sera tipi güneş enerjili damıtma sistemleri
Güneş Enerjisi ile Havuz Suyu Isıtma Havuz suyunun güneş enerjisi ile ısıtılması, direkt ve endirekt olarak yapılabilir. Direkt sistemde havuz suyu güneş kollektörlerinde dolaşım yaparken endirekt sistemlerde kollektör çevresinde güneş enerjisi ile ısıtılan su bir ısı değiştirici yardımıyla havuz suyunu ısıtmaktadır. Ayrıca güneş enerjisi ek ısıl kaynak olarak da havuz ısıtmasında kullanılmaktadır. Bu durumda havuz suyu kollektörlerden geçmemekte bir ısı değiştiricisi vasıtasıyla kollektörlerde ısınan su ısısını havuz suyuna vermektedir. Su ısısı yeterli olmadığında ğ d esas ısıtmat sistemi i devreded olmaktadır. Bu tür sistemler havuz ısıtma maliyetini önemli oranda düşürmektedir. HavuzH ısıtmasıt içini yeterli kollektör ktöalanının olması gerekmektedir.
Güneş Enerjisi ile Havuz Suyu Isıtma
Güneş Enerjisi ile Havuz Suyu Isıtma Güneş Kollektörleri Güneş Kollektörleri
TOPRAK SOLARİZASYONU Solarizasyon, toprağın güneş enerjisi ile ısıtılmasıdır. Uygulama yaz mevsimi sıcak geçen bölgelerde, sıcaklığın yüksek ve güneş ışığının şiddetli olduğu aylarda ve uygulama yapılacak alanın ekili olmadığı durumlarda, nemli toprağın mümkün olduğu kadar ince şeffaf polietilen örtü ile bir ile bir kaç hafta ya da ay arasında değişen bir sürede kapatılması işlemidir. Bu uygulama ile topraktaki hastalık etmenleri, yabancı otlar ve zararlıların zayıflatılması veya öldürülmesi amaçlanmaktadır. Solarizasyon özellikle seralar gibi küçük alanlarda, açıkta ve örtü altında sebze, çilek, fidancılık ve fidelik alanlarında uygulanabilir. Solarizasyon, günümüzde toprak dezenfeksiyonunda, yaygın olarak kullanılan kimyasal ilaçlara çevre kirliliği ve maliyet açısından önemli bir alternatiftir. Yapılan araştırmalarda toprak sıcaklıkları 10 cm derinlikte 45-50 C ve 20 cm de 38-45 C' ye kadar çıktığı belirtilmektedir. Yaklaşık 50-60 cm derinliğine kadar topraklarda yükselen sıcaklık zararlıları ve yabancı otları öldürmek için genellikle yeterli olmaktadır.
Güneş Enerjisi ile Sera Isıtma
GÜNEŞ FIRINLARI ve OCAKLARI Yapı olarak üç farklı güneş ocağı vardır. 1- Isı kutulu tip 2- Parabolik tip 3- Katlanabilir levhalı l Güneş enerjisinin kullanıldığı uygulamalardan biri de yemek pişirilmesidir. Daha çok gelişmekte olan ülkelerdeki araştırıcılar tarafından geliştirilen modeller ticari olarak da kullanım potansiyeli bulmuştur. Ayrıca kamplarda ve pikniklerde kullanılmak üzere katlanabilir, yansıtıcılı, kolay taşınabilirş yapıda güneş ocakları geliştirilmiştir. Çin, Hindistan ve Pakistanda yaygın kullanılmaktadır.
Isı Kutulu Güneş Ocakları
Katlanabilir Levhalı Tip Güneş Ocakları
Parabolik Tip Güneş Ocakları
GÜNEŞ HAVUZLARI Güneş havuzları, büyük miktarda güneş enerjisini, düşük maliyetle doğrudan depolayan tuzlu su havuzlarıdır. Güneş havuzları, ısı üretme, elektrik üretme, sudan tuzun giderilmesi ve ısıl enerji depolama amaçlı kullanılmaktadır. Güneş havuzu, yapı olarak bahçe havuzlarına benzemekle beraber alt kısmı güneş ışınımını absorbe etmesi için siyah boya ile boyanmakta ve etrafı iyi yalıtımlıdır. Sıcaklık ve tuz konsantrasyonu alt kısımdan üst kısma doğru azalmaktadır. Havuzdaki ısının dağılımı suya eklenen tuz konsantrasyonu ile düzenlenir, tuz konsantrasyonu en üstten alta doğruğ artar. Böylece en üstte soğuk su yüzeyi bulunsa bile havuzun alt kısmında doymuş tuz konsantrasyonu bulunan bölgede sıcaklık yüksek olur. Bu sıcak tuzlu su bir eşanjöre pompalanarak doğrudan ısı olarak yararlanılabileceği gibi Rankine çevrimi ile elektrik üretiminde de kullanılabilinir.
GÜNEŞ HAVUZLARI Güneş ş havuzu ile elektrik enerjisi üretimi Güneş havuzları konusunda en fazla İsrail'de çalışma ve uygulama yapılmıştır. Bu ülkede 150 kw gücünde 5 MW gücünde iki sistemin yanında Avustralya'da 15 kw ve ABD'de 400 kw gücünde güneş ş havuzları bulunmaktadır.
ÖZET Güneş enerjisi aşağıdaki ısıl uygulamalarda kullanılmaktadır. Kullanım sıcak suyu üretiminde, Hacim ve sera ısıtılmasında Havuz suyunun ısıtılmasında Çeşitli ş ürünlerin kurutulmasında Hacim iklimlendirilmesinde ve madde soğutulmasında Deniz suyu damıtımında Yemek pişirilmesinde iil i Zirai amaçlı toprağın dezenfekte edilmesinde.
TEŞEKKÜRLER Doç. Dr. Hüsamettin BULUT Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Osmanbey Kampüsü, ü Şanlıurfa l f hbulut@harran.edu.tr http://eng.harran.edu.tr/~hbulut/