www.teknolojikarastirmalar.org ISSN:1304-4141 Makine Teknolojileri Elektronik Dergisi 005 (3) 59-63 TEKNOLOJİK ARAŞTIRMALAR Teknik Not Düzlemsel Güneş Kolektörlerinde Üst Yüzeyden Olan Isıl Kayıpların Azaltılmasında Çift Cam Uygulamasının Önemi Arif Emre ÖZGÜR, Ahmet ÖZSOY Süleyman Demirel Üniversitesi, Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 300 Isparta ÖZET Bu çalışmada, Isparta şartlarında kullanılan bir düzlemsel güneş enerjisi kolektörünün üst yüzeyinden olan ısıl kayıpların azaltılmasında çift cam uygulamasının önemi incelenmiştir. Kolektörün eğim açısı, Isparta için kış uygulaması olarak Enlem derecesi+15 o olarak alınmıştır. Güneş kolektörünün üst yüzeyinden olan ısıl kayıpların çift cam uygulaması ile azaltılmasının kolektör verimine etkisinin yüksek olduğu ve özellikle soğuk iklim bölgelerinde bu uygulamanın yapılması gerektiği görülmüştür. Anahtar kelimeler : Güneş Kolektörleri, Isıl kayıp, Çift cam 1. GİRİŞ Düzlemsel güneş kollektörleri evsel sıcak su hazırlama işlemlerinde ülkemizde yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş enerjili sıcak su hazırlama sistemlerinden olabildiğince yüksek verimle faydalanabilmek için montaj ve kullanım sürecinde dikkat edilecek bazı hususlar olduğu gibi, daha da önemlisi dizayn ve imalat aşamalarında verimi yükseltmek için bazı önlemlerin alınması gerekmektedir. Ülkemizde yaygın olarak alüminyum, bakır ve çelik yüzeyli kollektörler kullanılmaktadır. Verimlerinin daha yüksek olması nedeniyle son zamanlarda seçici yüzeyli kollektörler de yaygınlaşmaya başlamıştır. Ülkemizde üretilen güneş kollektörleri verim açısından oldukça farklı özellikler göstermektedir. Özellikle siyah boyalı güneş kollektörleri kabul edilebilir verim değerinin oldukça altında yer almaktadır[1]. Güneş[] tarafından yapılan bir çalışmada ülkemizde üretilen düzlemsel güneş kollektörlerinde kullanılan malzemenin cinsi, üretim yöntemleri ve üretici firma eğilimleri ile ilgili bir araştırma yapılmıştır. Çalışmada kollektör kasası, toplayıcı levha, borular, saydam örtü ve izolasyon malzemeleri ile ilgili anket çalışması yapılmıştır. Bu çalışmaya göre firmaların kullandığı absorber plaka olarak çoğunlukla (%58) alüminyumdur. Alüminyum ve bakır malzemenin kullanım oranı toplamı %70 dir. Kollektörlerde kullanılan saydam örtü olarak %96 oranında cam kullanılmaktadır (çoğunlukla 4 mm lik cam ve çok az olarak da 3 veya 5mm lik cam). Firmaların %90 ı tek saydam örtü kullanırken, %10 unun iki saydam örtü kullandığı bildirilmiştir. Güneş kollektörleri ile ilgili olarak 3 adet Türk Standardı bulunmaktadır. Bunlar TS 3680, TS 3817 ve TS 4801 dir [3-5]. Bu standartlar; güneş enerjisi toplayıcıları(düz), güneş enerjisi toplayıcıları ısıl performans deney metotları ve güneş enerjisi su ısıtma sistemlerinin yapım, tesis ve işletme kurallarını içermektedir.
Teknolojik Araştırmalar : MTED 005 (3) 59-63 Düzlemsel Güneş Kolektörlerinde Üst Yüzeyden Olan Isıl Kayıplar Güneş enerjisi kolektörlerinden olan ısıl kayıplar, kolektör verimini azaltır. Özellikle kış aylarında güneş enerjisi sistemlerinden istenilen sıcaklıkta su alınabilmesi için kolektör veriminin azalmasını engellemek önem arz eder. Hava kirliliğinin oluşması açısından bakıldığında, sıcak su üretimi için güneş enerjili su ısıtıcılarının yerine konvansiyonel sistemlerin kullanılmasıyla oluşan baca gazlarının da diğer kirleticilerle birlikte önemli miktarda etkisi olmaktadır. Dolayısıyla hem ülke ekonomisi açısından yenilebilir enerji kaynaklarından daha çok yararlanmak, hem de hava kirliliğinin azaltılması açısından güneş enerjisi kolektörlerinin verimlerinin arttırılması gerekir. Bu amaç için ilk uygulanacak işlemlerin başında güneş enerjisi kolektöründen olan ısıl kayıpların azaltılması gelir.. MATERYAL VE METOT Güneş enerjisi kolektörlerinden olan ısıl kayıplar, kolektörün üst yüzeyinden olan kayıplar ve kolektörün taban ve yan yüzeylerinden olan kayıplar olarak iki kısımda incelebilir. Bu çalışmada, kolektörün taban ve yan yüzeylerinden olan kayıpların etkisi dikkate alınmamıştır. Sadece saydam tabakadan olan kayıplar incelenmiştir. Bir güneş enerjisi kolektöründen olan ısı kayıpları qk = K t (Tp Th ) (1.1) ifadesi ile hesaplanabilir [1]. Burada; T p : Emici plaka sıcaklığı ( ), T h : Dış ortam sıcaklığı ( ), K t : Toplam ısı geçiş katsayısı (W/m ) olarak tanımlanır. Toplam ısı geçiş katsayısı; K t Kü + K y = (1.) şeklinde tanımlanabilir. Burada kolektörün üst yüzeyinden olan ısı geçiş katsayısı K ü, kolektörün taban ve yanlarından olan ısı geçiş katsayısı K y olarak tanımlanmıştır [6]. Güneş enerjisi kolektörünün üst yüzeyinden olan kayıplar için ısı geçiş katsayısı şu formülden hesaplanabilir. Kü = N 0. 33 T p Th p N + f C T 1 1 + + hd σ(t + T )(T + T p h p h ) + [ ε + ε ] N f 0. 05 N( 1 ) 1 + N p p εc (1.3) ifadesi ile hesaplanmıştır [6]. Bu ifade içinde yer alan bazı değişkenler; C = 50 [1 0.0044 (EA 90)] f = (1 0.04 h d + 0.005 h d ) (1+0.091 N) h d = 5.7 + 3.8 V r ifadeleri ile hesaplanabilir [7]. Burada plakanın yayma oranı ε p =0.9 ve camın yayma oranı ε c = 0.88 olarak alınmıştır [6]. 60
Özgür, A.E., Özsoy, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 005 (3) 59-63 Güneş enerjisi kolektörlerinde verimin hesaplanabilmesi için kolektörün absorbe edebildiği ısı miktarının bilinmesi gerekir. Bu miktardan kolektörden olan ısı kayıplarının çıkarılmasıyla faydalı ısı değeri bulunabilir. Bu değer; qf = qs qk (1.4) ifadesi ile hesaplanabilir. Bu ifade de yer alan kollektörün absorbladığı ısı miktarı q s ; qs = ( τα) c,p It ( 1 β)( 1 γ) (1.5) ifadesi ile elde edilir [6]. Burada; ( τ α) c,p : Cam ve plakanın düzeltilmiş geçirme ve yutma oranı, β : Gölgeleme faktörü (0,0 0,03), γ : Tozlanma faktörü (0,0 0,03) olarak tanımlanır. Cam ve plakanın düzeltilmiş geçirme ve yutma oranları tek cam için 0,88 ve çift cam için 0,79 olarak alınmıştır. Bu değerler 5,4 o (Isparta için Enlem + 15 o ) kolektör eğim açısı için alınmıştır [7]. Gölgeleme ve tozlanma faktörü değerleri 0,05 olarak alınmıştır. 3. BULGULAR Düzlemsel güneş kolektörlerinin üst yüzeyinden gerçekleşen ısı kayıplarının değerleri çift camlı üst yüzey uygulaması ve tek camlı üst yüzey uygulaması durumlarına göre Şekil 1 de verilmiştir. Şekil 1 de düz çizgiler tek camlı saydam tabaka uygulamasını ve kesik çizgiler ise çift camlı saydam tabaka uygulamasını göstermektedir. Her iki uygulama durumunda kollektörün üst yüzeyinden gerçekleşen ısı kayıp katsayısı değerleri, plaka sıcaklığı ile dış hava sıcaklığı arasındaki farkın artmasıyla beraber artış göstermektedir. Tek camlı ve çift camlı uygulamalarda oluşan üst yüzey ısı kayıp katsayıları değerleri birbirinden Şekil 1 den de görüldüğü gibi % 50 ila % 60 oranında farklıdır. 8 7 KÜ (W/m K) 6 5 4 Vr = m/s, N = 1 Vr = m/s, N = Vr = 3 m/s, N = 1 Vr = 3 m/s, N = Vr = 4 m/s, N = 1 Vr = 4 m/s, N = Vr = 5 m/s, N = 1 Vr = 5 m/s, N = 3 0 30 40 50 60 70 80 90 T p T h ( ) Şekil. Kollektör üst yüzeyinden gerçekleşen ısı kayıp katsayısının tek camlı ve çift camlı saydam tabaka uygulamalarına göre karşılaştırılması. 61
Teknolojik Araştırmalar : MTED 005 (3) 59-63 Düzlemsel Güneş Kolektörlerinde Üst Yüzeyden Olan Isıl Kayıplar Kollektörlerde üst saydam tabaka olarak tek veya iki cam kullanılması emici plaka tarafından absorbe edilebilecek enerji miktarını etkilemektedir. Saydam tabaka sayısı arttıkça absorbe edilebilen enerji miktarı da azalmaktadır. Bu çalışmada dikkate alınan 5.4 o eğim açısındaki kollektörün tek camlıdan çift camlı üst yüzey uygulamasına dönüştürülmesinde emici plaka tarafından absorbe edilen ışınım miktarında % 11.3 lük azalma olduğu hesaplanmıştır. Bu azalma değerinin oranı, üst yüzeyden olan ısı kayıplarına oranla yaklaşık 5 kat daha azdır. Dolayısıyla çift camlı üst yüzey uygulamasının kolektör verimi üzerindeki etkisi, verimi arttırıcı yönde olmaktadır. 0,9 Verim 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0, 0,1 N=, Tp-Th=30 N=1, Tp-Th=30 N=, Tp-Th=40 N=1, Tp-Th=40 N=, Tp-Th=50 N=1, Tp-Th=50 N=, Tp-Th=60 N=1, Tp-Th=60 N=, Tp-Th=70 N=1, Tp-Th=70 N=, Tp-Th=80 N=1, Tp-Th=80 N=, Tp-Th=90 N=1, Tp-Th=90 0,5 3 3,5 4 4,5 5 Vr (m/s) Şekil. Tek camlı ve çift camlı üst yüzey uygulamaları ile elde edilen kollektör verimi değerlerinin değişik T ve değişik dış hava hızı (V r ) değerlerine göre değişimi Şekil de güneş enerjisi kolektör veriminin değişik dış hava hızları ve değişik T = (T p T h ) değerleri ile değişimleri, çift cam ve tek cam uygulaması için verilmiştir. Bu şekilden de görüldüğü gibi dış hava hızının kollektör verimi üzerindeki etkisi azdır. Kollektör verimini en çok etkileyen faktörler, kolektör üst yüzeyindeki cam sayısı ve kolektör plaka sıcaklığı ile dış hava sıcaklığı arasındaki fark ( T) dır. Kollektör verimi T değeri arttıkça azalmaktadır. Örnek olarak T = 50 ve V r = 3 m/s değerleri için tek camlı kolektör verimi % 59.9, çift camlı kolektör verimi % 75.1 olmaktadır. Bu iki verim değeri arasındaki fark T değeri arttıkça artmaktadır. 4. SONUÇLAR Güneş enerjisi kolektörlerinde oluşan ısı kayıplarının azaltılması için çift camlı kolektör üst yüzey uygulaması önemlidir. Özellikle dış hava sıcaklığı ile kolektör plakası sıcaklığı arasındaki fark arttıkça bu önem daha da artmaktadır. Ülkemiz coğrafi açıdan geniş bir bölgedir ve dış hava sıcaklıkları yöresel olarak çok değişkendir. Dolayısıyla yıl içinde oluşan düşük dış hava sıcaklıklarında güneş enerjisi kolektörlerinin verimleri azalmaktadır. Bu verim azalması güneş enerjisi sistemlerinden faydalanma süresini azaltmaktadır. Bu durum fosil yakıt tüketimini arttırıcı bir etkidir. Bu sebeple güneş enerjisi kolektörler verimlerinin çift cam uygulaması ile arttırılması hem çevre açısından hem de ülke ekonomisi açısından önemlidir. 6
Özgür, A.E., Özsoy, A. Teknolojik Araştırmalar: MTED 005 (3) 59-63 5. KAYNAKLAR 3. F. Kadırgan, F., Çizenel Z., Seçici Yüzeyli Güneş Kollektörleri ve Bunların Etkin Kullanımı İçin Öneriler Güneş Günü Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, s.167-170, Kayseri, 1999. 4. Güneş M., Düzlemsel Kollektör Üretimi üzerine Bir İnceleme, Güneş Günü Sempozyumu, Bildiriler Kitabı, s.37-4, Kayseri, 1999. 5. TS 3680 Güneş Enerjisi Toplayıcıları-Düz Türk Standartları Enstitüsü, Ankara,1994. 6. TS 3817 Güneş Enerjisi-Su Isıtma Sistemlerinin Yapım, Tesis ve İşletme Kuralları Türk Standartları Enstitüsü,, Ankara 1994. 7. TS 4801 Güneş Enerjisi Toplayıcıları-Isıl Performans Deney Metotları Türk Standartları Enstitüsü, Ankara, 1986. 8. Öz, E.S., Uyarel A.Y., Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Emel Matbacılık, Ankara,1987. 9. Kılıç A., Öztürk A. Güneş Enerjisi, Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983 Simgeler C : Denklem (1.3) de tanımlanmış katsayı EA : Kolektör eğim açısı ( o ) f : Denklem (1.3) de tanımlanmış katsayı q : Birim alan başına düşen ısı enerjisi (W/m ) h d : Dış ortam ısı taşınım katsayısı (W/m K) I t : Birim alan başına düşen toplam ışınım enerjisi (W/m ) N : Cam örtü sayısı V r : Rüzgar hızı (m/s) ε p : Plakanın yayma oranı ε c : Camın yayma oranı τ : Stefan-Boltzman sabiti (5.67 10-8 W/m K 4 ) (τα) c,p : Cam ve plakanın düzeltilmiş geçirme ve yutma oranı β : Gölgeleme faktörü γ : Tozlanma faktörü İndisler f : Faydalı s : Absorbe k : Kayıp 63