Upload
cem-ceylan
View
211
Download
4
Embed Size (px)
Citation preview
T.C.
GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ
MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ
ENSTİTÜSÜ
GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI
DEPOLAMA SİSTEMİNİN
TERMODİNAMİK MODELİ VE
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI
BÜŞRA ALTINTAŞ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ
GEBZE
2012
T.C.
GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ
MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ
ENSTİTÜSÜ
GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI
DEPOLAMA SİSTEMİNİN
TERMODİNAMİK MODELİ VE
ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI
BÜŞRA ALTINTAŞ
YÜKSEK LİSANS TEZİ
KİMYA MÜHENDİSLİĞİ
DANIŞMANI
PROF. DR. MAHMUT BAYRAMOĞLU
GEBZE
2012
I
ÖZET
TEZ BAŞLIĞI: GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI
DEPOLAMA SİSTEMİNİN TERMODİNAMİK MODELİ
VE ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI
YAZAR ADI: BÜŞRA ALTINTAŞ
Yoğun bir şekilde kullanılmakta olan fosil enerji kaynaklarının giderek
azalması, atmosferik sera gazlarının konsantrasyonlarının hızla yükselmesi sonucu
global iklim değişikliğinin ciddi bir sorun haline gelmesi rüzgar, güneş gibi temiz
enerji kaynaklarının kullanımını ön plana çıkarmaktadır.
Tezin genel amacı, güneş enerjinin etkin kullanılmasını sağlamak üzere faz
değişim maddeleri (PCM) ile gizli ısı halinde depolanma yöntemlerinin araştırılması,
sistemin tasarım modelinin geliştirilmesi bir bilgisayar programı yazıldı.
Program,yılın günü ve küresel koordinatların fonksiyonu olarak anlık güneş enerjisi
hesaplayan model, düzlemsel güneş kolektör modeli ve ısı depolama tankı
modelinden oluşmaktadır. Bu program vasıtasıyla, İstanbul ilinin meteorolojik
koşullarına ve koordinatlarına bağlı olarak simülasyon programı yazıldı ve sistemin
ısıl enerji depolama performansı araştırıldı. Bu amaçla literatürde önerilen değişik
anorganik ve organik maddelerin arasından faz dönüşüm (erime) sıcaklıkları 30-60 C
arasında olan 25 adeti seçildi, bunların erime sıcaklığı, gizli erime ısısı, sıvı ve katı
fazın yoğunluk ,özgül ısı ve ısıl iletkenlik katsayılarından oluşan termodinamik veri
paketi bilgisayar programında kullanıldı, bu özelliklerin değişik ısıl enerji depolama
başarı ölçütlerine olan etkileri incelendi.
II
SUMMARY
THESIS TITLE: THERMODYNAMIC MODEL AND
INDUSTRIAL APPLICATIONS OF THE SYSTEM OF
THERMAL STORAGE WITH SOLAR ENERGY
SUPPORTED
THESIS AUTHOR: BÜŞRA ALTINTAŞ
Rapidly decreasing supply of fossil energy sources and global climate
changes because of rapidly rising atmospheric greenhouse gas concentrations as
became a serious problem, brought about the subject of clean energy sources like
wind and sun.
The main purpose of this thesis was to investigate the latent thermal storage
methods with phase change materials (PCMs) for using solar energy effectively and
to develop a design model of the system. A computer program was coded for this
purpose. Computer program has been built on three models, one model calculating
instant solar energy based on the day of the year and global coordinates, planar solar
collector model and heat storage tank model. With the computer program, simulation
studies were conducted based on Istanbul’s meteorological conditions and global
coordinates to investigate the thermal energy storage performance of the system.
With this purpose, 25 of the suggested organic and inorganic substances which have
melting temperatures within 30 to 60 °C, have been chosen from the literature.
Thermodynamic data package consisting of melting temperatures, latent melting
heats and densities, specific heats and thermal conductivity coefficients of liquid and
solid forms of these selected substances was used in computer program and the
effects of these properties on the different thermal heat storage success rates were
investigated.
III
TEŞEKKÜR
Bu tez çalışmasında bana yol gösteren ve çalışma boyunca hiçbir desteğini
esirgemeyen danışman hocam Sayın Prof. Dr. Mahmut BAYRAMOĞLU’na
teşekkürlerimi sunarım.
Yine bu çalışmada bana yardım ve desteklerini esirgemeyen arkadaşım, Arş. Gör.
Ömür ARAS ‘a çok teşekkür ederim.
Ayrıca bu çalışma boyunca sürekli özveride bulunan ve çalışabilmem için gerekli
ortamın oluşması için elinden geleni yapan sevgili aileme çok teşekkür ederim.
Büşra ALTINTAŞ
Mart 2012
IV
İÇİNDEKİLER
Sayfa
ÖZET I
SUMMARY
TEŞEKKÜR
II
III
İÇİNDEKİLER DİZİNİ IV
SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ VII
ŞEKİLLER DİZİNİ X
TABLOLAR DİZİNİ XIII
1.GİRİŞ 1
1.1. GÜNEŞ 2
1.1.1. Güneşten Gelen Enerji 5
1.1.2. Güneş Işınları Dağılımı 6
1.2. GÜNEŞ SABİTİ 7
1.3. YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI VE GÜNEŞ ENERJİSİ
8
2.TEORİK KISIM 12
2.1. GÜNEŞ ENERJİSİ NEDİR? 12
2.1.1 Teknik gelişmelerle güneş enerjisinin geçmişi 13
2.1.2 Güneş enerjisinin geleceği 16
2.1.3 21. Yüzyılda güneş enerjisinin önemi 17
2.1.4 Türkiye’nin güneş enerjisi potansiyeli 19
2.1.5 Güneş enerjisinden yararlanan sistemler 21
2.1.5.1. Isıl Uygulamalar 22
2.1.5.2 Fotovoltaik Sistemler 23
2.1.6 Güneş enerjisinin kullanım alanları 24
2.2. GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEPOLANMASI 25
2.2.1 GENEL 25
2.2.1.1 Kimyasal Enerji Depolama 25
2.2.1.2. Mekanik Enerji Depolama 26
2.2.1.3. Elektrik Enerjisi Depolama 26
V
2.2.2 ISIL ENERJİ DEPOLAMASI 26
2.2.3 HİSSEDİLİR ISI DEPOLANMASI 27
2.2.3.1. Su ile Isıl Enerji Depolaması 28
2.2.3.2 Çakıl Taşlarıyla Isıl Enerji Depolanması 29
2.2.4 GİZLİ ISI DEPOLAMASI 32
2.3.GÜNEŞ AÇILARI VE ATMOSFER DIŞINDA GÜNEŞ IŞINIMI 41
2.3.1. GÜNEŞ AÇILARI 41
2.3.1.1. Esas Güneş Açıları 42
2.3.1.2. Türetilen Güneş Açıları 44
2.3.1.3. Eğik Yüzeyin Açıları 46
2.3.2. İKLİM PARAMETRELERİ 54
2.4. GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ 57
2.4.1. GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE İLGİLİ TANIMLAR 57
2.4.2. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ 60
2.4.3. VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ 70
2.4.4. HAVALI GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ 71
2.5. GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ ISIL ANALİZİ 72
2.5.1. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN ISIL
ANALİZİ
72
2.5.1.1. Kolektörün Toplam Isı Kayıp Katsayısı 74
2.5.1.2. Kolektör Kanat Verimi 75
2.5.1.3. Kolektör Verim Faktörü 76
2.5.1.4. Kolektör Isı Kazanç Faktörü ve Akış Faktörü 77
2.5.1.5. Kolektör Yutucu Yüzeyden Geçen Faydalı Enerji 77
2.5.1.6. Akışkanın Kolektörden Çıkış Sıcaklığı 77
2.5.1.7. Kolektör Anlık Verimi
78
3. MATEMATİKSEL MODELLEME 80
3.1. GÜNEŞ AÇILARININ HESAPLANMASI 80
3.2. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLEKTÖRÜ DİZAYNI 83
3.3. DEPONUN MODELLENMESİ
3.3.1. Analitik formülasyon
3.3.1.1 Kürenin katılaşması
84
84
84
VI
3.3.1.2 Kürenin erimesi
87
4. BULGULAR VE TARTIŞMA 88
4.1 PERFORMANS ÖLÇÜTLERİ ÜZERİNE PCM ÖZELLİKLERİNİN
ETKİLERİ 90
4.1.1 Volumetrik ısı kapasitesinin etkisi 90
4.1.2 Gizli erime ısısının etkisi 94
4.1.3 Erime sıcaklığının etkisi 98
4.2 UYGUN KOLEKTÖR ALANININ SEÇİLMESİ 102
4.2.1 Kolektör alanının etkisi 103
4.2.2 Erime sıcaklığının etkisi 105
4.3 UYGUN ÇAPIN SEÇİLMESİ
109
5. SONUÇ
111
KAYNAKLAR
ÖZGEÇMİŞ
113
115
EKLER 116
EK 1 116
EK 2 117
VII
SİMGELER DİZİNİ
Ф : Enlem açısı
δ : Deklinasyon açısı
: Eğim
: Yüzey azimut açısı
: Saat açısı
: Güneş geliş açısı
: Zenit açısı
: Güneş yükseklik açısı
: Güneş azimut açısı
: Güneş sabiti; W/
: Güneş batış saat açısı
: Atmosfer dışında yatay yüzeye bir gün boyunca gelen güneş ışınımı
H : Aylık ortalama günlük güneş ışınımı
: Aylık ortalama güneşlenme süresi
N : Aylık ortalama gün uzunluğu
: Yatay yüzeye gelen difüz güneş ışınımı
: Yatay yüzeye bir saatte gelen toplam güneş ışınımı
: Difüz güneş ışınımı
: Saatlik bulutluluk faktörü
: Atmosfer dışına bir saatte gelen güneş ışınımı
: Eğik yüzeye bir günde gelen güneş ışınımı
R : Eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye gelen toplam
güneş ışınımına oranıdır
: Yerin yansıtma oranı, ortalama 0,2 mertebesindedir
: Eğik düzlemin eğimi.
: Yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme gelen direkt
güneş ışınımına oranıdır
: Eğik yüzeye herhangi bir anda gelen toplam güneş ışınımı
: Yatay düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme bir
anda gelen direkt güneş ışınımına oranıdır
N : Cam örtü sayısı
: Kolektör eğim açısı
VIII
: Kolektör alanı ( )
: Alt yalıtım malzemesinin kalınlığı; (m)
h : Kolektörün yan kenar yüksekliği; (m)
: Yan izolasyon kalınlığı; (m)
W : Boru merkezleri arası uzaklık (m)
: Boru iç çapı (m)
D : Boru dış çapı (m)
: Levha kalınlığı (m)
: Yutucu plakanın kalınlığı; (m)
: Yutucu plakanın genişliği (m)
S : Güneş kolektörü tarafından yutulan güneş ışınımı; (W/ )
I : Toplayıcı üzerine gelen güneş ışınımı
: Güneş doğuş saat açısı
: Güneş batış saat açısı
: Düzlemsel güneş kolektöründen elde edilen yararlı ısı; (J/s)
Ortalama yutucu yüzey sıcaklığı; (K)
m : Güneş kolektörünün borularında dolaşan akışkanın debisi; (kg/s)
: Akışkanın kolektöre giriş sıcaklığı; (K)
: Akışkanın kolektörden çıkış sıcaklığı; (K)
: Çevre sıcaklığı; (K)
: Rüzgar hızı; (m/s)
: Kolektör verim faktörü
: Kolektör ısı kazanç faktörü
: Kolektör anlık verimi
:
ϒ :
R :
P :
Re :
Θ :
Pr :
Boyutsuz hız
Boyutsuz zaman
Radyal yön boyunca boyutsuz koordinat
Boyutsuz basınç
Reynold number
HTF’nin boyutsuz sıcaklığı
Prandtl sayısı
Tm:
T :
Erime sıcaklığı (°K)
Sıcaklık (°K)
IX
:
χ :
:
α :
𝝵 :
χf :
α f :
Giriş sıcaklığı (°K)
Boyutsuz entalpi
HTF’nin kinematik viskozitesi ( /s)
Konvektif ısı transfer katsayısı (W/ K)
Uzaysal değişken (m)
HTF’nin ısıl iletkenliği (W/mK)
HTF’nin ısı yayınımı ( /s)
H :
:
:
q :
Hacim entalpisi(j/m3)
Katı PCM’nin yoğunluğu (kg/m3)
Katı PCM’nin özgül ısısı (j/kgK)
Gizli ısı kapasitesi(J/kg)
Sf : Stefan numarası
X
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil Sayfa
1.1 Güneşin yapısı 4
1.2 Güneş ışınları dağılımı 6
1.3 Dünya Güneş ilişkisi 7
2.1 Belidor Güneş pompası 14
2.2 Güneş enerjisinden faydalanma şekilleri 21
2.3 Enerji Dengesi 29
2.4 Gök küre üzerinde önemli güneş açıları 42
2.5 Yatay koordinat sisteminde türetilen Güneş açıları 45
2.6
2.7
Eğik yüzey açıları
Eğik düzleme güneş ışınlarının ilk gelişi ve son düşüşü
47
48
2.8 Farklı kolektör tiplerinin uygulama alanları ve çalışma parametreleri 58
2.9 Düzlemsel ve vakum tüplü güneş kolektörlerinde güneş ışınımının
izlediği yol
58
2.10 Kolektör yüzeyine gelen güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak
dağılımı
59
2.11 Farklı güneş kolektörlerinde geliş açısı düzeltme faktörünün
değişimi
59
2.12 Farklı kolektörler için alan tanımları 60
2.13 Düzlemsel Güneş kolektörü 60
2.14 Düzlemsel plakanın bölümleri 61
2.15 İki farklı kırılma indisine sahip bir yüzeyde gelen, yansıyan ve geçen
ışın arasındaki ilişkisi
63
2.16 Yutucu olmayan örtüde geçirgenlik 64
2.17 Kırılma indisi 1,526 olan 1,2,3 ve 4 katlı cam örtüde geçirgenliğinin
güneş ışınımının geliş açısı ile değişimi
64
2.18 Işınımın normal geliş açısında 6 mm kalınlığında farklı oranlarda
demir oksit içeren camların geçirgenliğinin dalga boyuna göre
değişimi
65
2.19 Yutucu yüzeye gelen ışınım yutulması ve yansıması 67
2.20 Düzlemsel Güneş kolektöründe optik ve ısıl kayıplar 73
XI
2.21 Kolektör kanat kesiti 75
2.22 Optik ve ısıl kayıpların kolektör verimine etkisi 78
2.23 Kolektör veriminin Güneş ışınımı ile değişimi 79
3.1
4.1
4.2
4.3
4.4
4.5
4.6
4.7
4.8
4.9
4.10
4.11
4.12
4.13
4.14
4.15
4.16
4.17
4.18
4.19
Dairesel kapsüllü PCM’nin katılaşma alanı
Panel verimi ile I parametresi arasındaki ilişki
Paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile I
parametresi arasındaki ilişki
Isı depolama ortalama hızı ile I parametresi arasındaki ilişki
Tankın enerji depolama kapasitesi ile I parametresi arasındaki ilişki
PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile I parametresi
arasındaki ilişki
PCM ‘nin kürelerde ortalama erime oranı ile I parametresi arasındaki
ilişki
Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile I parametresi
arasındaki ilişki
Panel verimi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki
Paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile gizli
erime ısısı arasındaki ilişki
Isı depolama ortalama hızı ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki
Tankın enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki
PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı
arasındaki ilişki
PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı oranı ile gizli erime ısısı
arasındaki ilişki
Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile gizli erime ısısı
arasındaki ilişki
Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime
sıcaklığı arasındaki ilişki
Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Tankın enerji depolama kapasitesi ile gizli erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı
85
90
90
91
91
92
92
93
94
94
95
95
96
96
97
98
98
99
99
XII
4.20
4.21
4.22
4.23
4.24
4.25
4.26
4.27
4.28
4.29
4.30
4.31
4.32
arasındaki ilişki
PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile erime sıcaklığı
arasındaki ilişki
Isı depolama ortalama hızı ile alan arasındaki ilişki
Tankın enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki
PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki
Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranı ile alan arasındaki
ilişki
Alan ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Panelde absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime
sıcaklığı arasındaki ilişki
Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Tankın enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı
arasındaki ilişki
Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranı ile erime sıcaklığı
arasındaki ilişki
100
100
101
103
104
105
105
106
106
107
107
108
108
109
XIII
TABLOLAR DİZİNİ
Tablo Sayfa
1.1 Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli 10
2.1 Türkiye’nin toplam Güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı 20
2.2 Türkiye’nin yıllık toplam Güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre
dağılımı
20
2.3 Bazı maddelerin 20⁰C’deki ısıl özellikleri 27-28
2.4 Düşük sıcaklıkta faz değiştiren bazı maddeler 33
2.5 İnorganik maddeler 34-37
2.6 Organik maddeler 38-39
2.7 Ticari maddeler 39-40
2.8 Isı depolama için organik ve inorganik maddelerin karşılaştırılması 41
2.9 Deklinasyon açısının ölçülen ve hesaplanan değerleri 43
2.10 Aylık ortalama deklinasyon açısını veren günler 44
2.11 Eğik düzleme Güneş’in ilk geliş ve son düşüş saat açıları 49
4.1 Bazı inorganik ve organik maddelerin termofiziksel özellikleri 88
4.2 PCM ile maddelerinin enerji depolama performans göstergeleri 89
4.3 Farklı alanların performans ölçütlerine etkisi 102
4.4
4.5
4.6
PCM’nin kürelerde %100 erimenin gerçekleştiği andaki verileri
Yağ asitlerinin birim alan başına enerji depolama kapasitesi
Capric acid ve kalsiyum klorür hekza hidratın çap değişikleri sonucu
elde edilen veriler
103
110
110
1
1.GİRİŞ
Termodinamikte enerji, “bir tesir meydana getirebilme kapasitesi, kabiliyeti”
olarak tarif edilir. Enerji maddenin bir özelliğidir ve madde enerjiye sahiptir. Günlük
hayatımızda “enerji” terimi ile genellikle enerjinin geçebilen şekilleri olan iş ve ısı
kastedilmektedir.
İnsanlar önce ısınmak için enerjiye ihtiyaç duymuşlardır, sonra da teknolojinin
gelişmesi ile enerjiye olan ihtiyaçları artmıştır ve artmaktadır. Isınma için ihtiyacımız
olan ısı enerjisi genellikle çeşitli yakacakların yakılması neticesinde kimyasal
enerjiden elde edilir. Teknolojinin ihtiyacı olan ısı enerjisinin temini de benzer
şekildedir. Isı enerjisinden termodinamiğin ikinci kanununa göre ancak belirli bir
verimle mekanik enerji elde edilebilir. Nakil ve kullanma kolaylığı sebebiyle
mekanik enerji elektrik enerjisine ve sonrada kullanılacak maksada göre diğer enerji
şekillerine (başta mekanik enerji, ısı, kimyasal) dönüştürülür. Bu arada ısı enerjisinin
ve kimyasal enerjinin direkt elektrik enerjisine dönüştürüldüğü makineler
(termoelektrik jeneratör, yakıt hücresi, v.s.) da yapılmakta ve geliştirilmelerine
çalışılmaktadır. Enerji şekillerinden birinin diğerine dönüştürülmesinde kullanma
kolaylığı yanında depolama özelliği de göz önüne alınır. Birinin diğerine
dönüştürülmesi tersinmezlik ve kayıplar sebebiyle belli bir verimle
gerçekleştirilebilirler.
Enerji üretimi ve tüketimi, çağımızda milletlerin refah seviyesini gösteren bir
ölçü olmuştur ve ekonomik gelişme enerji tüketimiyle aşağı yukarı orantılı olarak
değişmektedir. 1976 da Amerika Birleşik Devletleri’nde kişi başına tüketilen enerji
11,5 TET (Ton Eşdeğer Taşkömürü- 7 kcal) iken, bu miktar, Kanada’da 10.0,
Belçika, İsveç ve Batı Almanya’da 6.0, İngiltere, Norveç, Sovyetler Birliği ve
Polonya’da 5.3, İsviçre ve İtalya’da 3.3, İspanya ve Yunanistan’da 2.2, Türkiye ve
Suriye’de 0.74, Pakistan’da 0.2 ve Nijerya, Bengaldeş, Etopya ve Mali gibi ülkelerde
0.01 den daha azdır.
İnsanların kullandığı enerji kaynağı teknolojik gelişmelere göre değişmiştir.
Önceleri, enerji kaynağı olarak sadece odun ve benzeri yakacaklar kullanılırken,
uzun süre sonra kömür ve yakın tarihte de petrol tabii gaz bulunup kullanılmaya
başlanmıştır. Günümüzde insanlığın ihtiyacı olan enerji çoğunlukla yakacaklardan,
2
hidroelektrik enerjiden ve çok küçük bir payı da nükleer enerjiden temin
edilmektedir.
Enerji kaynakları, üretildiği miktarlar göz önüne alınarak, “birincil (alışılmış)
enerji kaynakları” ve “ikincil (alışılmamış) enerji kaynakları olarak iki grupta
incelenmektedir. Ayrıca potansiyeli mevcut olan ve teknolojik güçlükler sebebiyle
yeni faydalanılabilen enerji kaynaklarına “yeni” ve eksilmeyen kaynaklara da
“yenilenebilir” enerji kaynakları denilmektedir. Alışılmış enerji kaynakları, fosil
kaynaklar (kömür, petrol, vs…), hidroelektrik enerji ve nükleer enerji, alışılmamış
enerji kaynakları ise güneş enerjisi, jeotermal enerji, gel-git enerjisi, dalga enerjisi,
rüzgar enerjisi, fizyon enerjisi vs… dir.
Dünyada tüketilen enerjinin %90’nına yakını fosil kaynaklardan temin
edilmektedir. Fosil kaynaklar içerisinde de en çok kullanılanı petroldür. Yapılan
tahminlere göre fosil yakacaklar, bugünkü oranda kullanılmaya devam edilirse, yakın
gelecekte tükenmeye başlayacaktır. Dünya hidrolik potansiyelinin sadece %3
kadarından faydalanılmasına rağmen hidrolik santrallerin ilk tesis masrafları fazladır
ve yapımı için uzun gerekmektedir. Nükleer enerjinin üretilen toplam enerjiye katkısı
son yıllarda artmaya başlamıştır. Birim enerji maliyeti düşüktür, ancak yakıtın temin
edilebilme ve nükleer radyasyon problemleri mevcuttur.
Türkiye’nin enerji ihtiyacının büyük kısmı, halen, petrolle karşılanmaktadır.
Tahminlere göre enerji açığı her geçen yıl artmaktadır. Bu sebeple de, bir taraftan
enerji tasarrufuna gidilirken, diğer taraftan yenilenebilir enerji kaynaklarına
yönelinecektir.
1.1 GÜNEŞ
Güneş, kendisini oluşturan maddelerin birbirlerini çekmeleri sonucu
oluşmuştur. Evrensel toz bulutlarındaki parçacıkların birbirlerini kütle çekimiyle
çekmesi sonucu oluşan yoğuşma ile birbirlerine doğru yaklaşan ve yaklaşırken de
hızlanan parçacıklar, kütle çekim enerjisini kinetik (hız) enerjiye dönüştürerek güneş
sıcaklığının (15-16 milyon ⁰C) artmasına yol açmıştır. Bu sıcaklıklardaki çekirdeksel
tepkimeler sonucu oluşan ışınımların ortaya çıktığı basınç, güneşin daha fazla
yoğunlaşarak çökmesini engellemiş ve güneşin bugünkü boyutlarını
oluşturmuştur(8).
3
Güneş, 1,39 m çapında yoğun sıcak gazlar içeren bir küredir ve
dünyadan ortalama 1,5 m uzaklıktadır. Güneş her dört haftada bir kez kendi
ekseninde döner. Ancak katı bir cisim gibi dönmez; ekvatorda yaklaşık 27 gün ve
kutuplarda yaklaşık 30 gün sürer.
Yüzey sıcaklığı 5777 K’dir. Bu sıcaklık merkeze doğru iç kısımlarda 8 K
ile 40 K arasında tahmin edilir ve yoğunluğu yaklaşık suyun 100 katından fazla
olduğu tahmin edilir. Güneşten gelen radyan enerji çeşitli füzyon reaksiyonlara
uğramaktadır. Güneşteki yüksek sıcaklıktan dolayı elektronlar atom çekirdeklerine
ayrılır. Bu sebeple, güneşte serbest elektron ve atom çekirdekleri bulunur. Dört
hidrojen çekirdeği birleşerek, bir helyum çekirdeğini oluşturur. Füzyon adı verilen bu
reaksiyon çok yüksek sıcaklıkta oluşur. Güneşte oluşan helyum miktarı, harcanan
hidrojen miktarından daha azdır. Aradaki fark güneş ışınımı ile oluşan enerjiyi verir.
Bu enerji çeşitli dalga boylarında ışınlar halinde dünyaya ulaşır. Güneşten dünyaya
ışınlar 32⁰ açı ile gelir.
Birçok milyon derece sıcaklığında olan güneş kürenin iç kısmında üretilen
enerji dış yüzeye transfer edilmeli ve ondan sonrada uzay içine yayılmalıdır.
Arkasından emisyon, yeniden ışıma ve absorpsiyon ile ışınım ve taşınım süreci
meydana gelir; güneşin çekirdeğindeki radyasyon büyük radyal mesafelerde sıcaklık
düşer gibi artan radyasyon dalga boyları ile, x-ray ve spektrumun gama ışını
bölümünden oluşmaktadır.
4
Şekil 1.1 Güneşin yapısı (Solar Engineering of Thermal Processes, John A. Duffıe,
William A. Beckman)
Güneşin şematik yapısı Şekil 1.1’de gösterilmektedir. Güneşin kütlesinin
%40’ını içeren 0 ile 0,23 R bölgelerinde üretilen enerjinin %90 olduğu tahmin
edilmektedir (burada R güneşin yarıçapıdır). Merkezden 0,7 R uzaklığında sıcaklık
130,000 K’e yoğunluk ise 70 kg/ ’e düşmüştür, burada konveksiyon proses önemli
olmaya başlar ve 0,7 ile 1,0 R bölgesi arası konvektif bölge olarak bilinir. Bu
bölgede sıcaklık 5000 K’e yoğunluk ise kg/ ’e düşer.
Güneşin yüzeyinde 3000 ile 1000 km boyutları arasında granüller (düzensiz
konveksiyon hücreleri) oluşur gibi görünür. Güneş yüzeyinin diğer özellikleri
konvektif hücrelerle büyüklükleri aynı olan, gözenek olarak adlandırılan küçük
karanlık bölgeler ve boyutları değişebilen, güneş lekeleri olarak adlandırılan büyük
koyu alanlar vardır. Konvektif bölgenin dış katmanı fotosfer olarak adlandırılır.
Fotosfer kenarı düşük yoğunlukta olsa bile kesin bir şekilde tanımlanır. O aslında
kuvvetle iyonize olan, absorblayabilen ve sürekli radyasyon yayan gazlar gibi
saydam değildir (yani şeffaf olmayan ışık geçirmeyen).
5
Fotosferin dışında güneş daha az saydamdır, güneş tutulmasını yada gerekli
ekipmanlarla güneş diskini incelemek mümkündür. Fotosferin üstünde birkaç yüz
kilometre derinde geri tabaka (reversing layer) diye adlandırılan soğutucu bir gaz
tabakası vardır. Bu tabaka dışında ise yaklaşık 10,000 km derinlikte kromosfer olarak
adlandırılan bir katman vardır. Kromosfer, fotosferden biraz yüksek sıcaklığa ama
düşük yoğunluğa sahip bir gaz tabakasıdır. Daha da dışarısı korona tabakasıdır. Bu
tabaka çok düşük yoğunluk ve çok yüksek sıcaklığa ( K) sahiptir (9).
1.1.1 Güneşten Gelen Enerji
Dünyaya çarpan güneş gücünün büyüklüğünü algılayabilmek için bazı
karşılaştırmalar yapılabilir; insanlığın yıllık ticari gereksiniminin güç Güneş enerjisi
uygulamalarına ilişkin bilimsel çalışmalar arasında, güneş pillerinin geliştirilmesi
önemli bir yer kapsamaktadır. Bunun yanında, güneş-ısı dönüşümlerinde toplaç
tasarımları ve seçici yüzeyler üzerinde de çalışmalar sürdürülmektedir. Yapılan
çalışmalar, genelde, güneş enerjisinin daha verimli dönüştürümüne yönelik yöntem,
tasarım ve malzeme geliştirme çalışmaları olarak sürmektedir. Günümüzde Güneş
teknolojisi genç bir teknolojidir ve gelişme çağına hızla sürdürerek olgunluk çağına
doğru ilerlemektedir.
Güneş enerjisinin türevleri olan rüzgar, okyanus dalgaları, okyanus sıcaklık-
farkı, biokütle uygulamaları da göz önüne alındığında, bu alanlardaki gelişmelerin de
hızla ilerlediği görülmektedir.
Endüstri devrimi ile enerji tüketiminin durağan olmaktan çıkıp, devingen
özyapı kazanmasından sonra, tabanında teknik-teknolojik gelişimlerin yer aldığı beş
ekonomik dalgalanma görülmüştür. Her ekonomik dalgalanmada başat olan bir enerji
kaynağı vardır. 1750 – 1825 yılları arasındaki birinci dalganın enerji kaynağı
kömürdür. 1825 – 1860 dönemini kapsayan ikinci dalgada elektrik enerjisi yer alır.
1860 – 1910 yılları arasında üçüncü dalga petrolü ortaya çıkarmıştır. 1910 – 1970
dönemi arasında teknik ve ekonomik dalgada yeni kaynak nükleer enerjidir.
21. yüzyılın neresinde son bulacağı henüz kestirilmeyen yeni bir teknik-
ekonomik dalga içindeyiz. Yeni dalganın oluşumunda Güneş enerjisi ve onun
türevleri yer almaktadır. Bu dalgalanmanın dünya enerji bütçesini ne denli
6
değiştireceğini 21. Yüzyıl gösterecektir. Kısacası, Güneşli parlak bir Dünyaya doğru
yürüyoruz. Bu aşamada önemli olan, teknolojik gelişmeleri geri kalmaksızın
izleyebilmektir.
Gelecek için yeryüzü güneş santrallerinden başka, uzaya yerleştirilecek toplaç
uydusu ve dünya bağlantılı güneş santralleri kurulması amaçlanmaktadır. Dünyadan
36 000 km uzaklıkta ve 10 000 MW güçlü bir uzay santralinden üretilecek elektrik
enerjisi, santralin 1 km çaplı anteninden mikrodalgalarla dünyaya iletilecek,
dünyadaki 7 kim çaplı bir anten bu enerjiyi % 55 – 75 verimle alıp, doğru akım
verebilecektir. Bu proje Amerika Apollo uzay programında yer almıştır. Karşılığı
şimdilik 11 TW kadardır. Güneşten gelen güç, bu istemin 16 000 katından çoktur.
Dünyanın kurulu elektrik santrallerinin toplam gücü 2,9 TW olup Güneşten gelen
gücün 61 000 de birinden azdır. Tartışılan nükleer santrallerin dünyadaki kurulu
güçleri toplamı 0,4 TW’a yakındır. Güneşten gelen güç bu nükleer gücün 527 000
katıdır.
1.1.2 Güneş Işınları Dağılımı
Şekil 1.2 Güneş ışınları dağılımı
Güneşin enerjisi uzaya ve gezegenlere elektromanyetik dalga da denilen
ışınımlar olarak yayılır. Güneşten gelen ışınımların spektrumu üç ana bölgeden
oluşur. Dalga boyu 0,4 (mikro-metre) den küçük olan morüstü (ultraviyole)
kesimin güneş ışınımındaki payı % 9 dur. Dalga boyu 0,4 ile 0,7 arasındaki
bölge görünür ışıktır. Görünür ışık, güneş ışınımı içinde % 45 yer kapsar. Dalga
boyu 0,7 den büyük olan kızılaltı (infrared) bölgenin payı ise % 46 dır. Dalga
boyu açısından bakıldığından Güneş, 6 000 K sıcaklıkta ışınım yayan bir kara –
cisim gibidir.
7
Dünya’nın havaküresinin (atmosferin) üzerine ulaşan güneş ışınımı akısı, bir
başka değişle güneş sabiti 1367 W/ dir. Yeryüzüne ulaşan en fazla (maksimum)
güneş ışınımı akısı ise 0,3 – 2,5 dalga boyları arasında 1000 W/ kadardır.
Dünyanın yaşanılabilir alanlarına gelen güneş enerjisi yere, zamana ve iklime bağlı
olarak 3 – 30 MJ/ arasında değişir. Güneş enerjisi, güneş toplaçlarıyla
(kolektör) toplanır. Yaklaşık bir ev çatısına eşit 100 alanlı toplaç 70 kW’ lık güç
kaynağı demektir ki, bu kolektörden bir günde sağlanabilecek yararlı enerji, %40
verimle 180 kW- saat ya da 55 litre petrol eşdeğeridir.
1.2 GÜNEŞ SABİTİ
Şekil 1.3 Dünya Güneş ilişkisi
Şekil 1.3’de güneş ve dünya ilişkisi şematik olarak gösterilmektedir. Dünyanın
yörüngesinden dolayı güneş ve dünya arasındaki mesafede %1,7 oranında değişir.
Astronomik birimlere göre Dünya Güneş arası mesafe yaklaşık 1,495 m ve
güneş açısı 32’ dir. Güneşin yaydığı radyasyon ve dünyanın atmosfer dışındaki güneş
radyasyonu, dünyanın uzayla ilişkisi sonucu neredeyse aynıdır. Güneş sabiti, ,
atmosfer dışındaki ortalama dünya güneş arasındaki mesafede, radyasyon yayılım
yönüne dik, birim yüzey alanda alınan güneş enerjisidir.
Roket ve uzay araçlarından önce, atmosferin bileşenleri tarafından dağılan ve
emilen güneş radyasyonu atmosferde yayıldıktan sonra, güneş sabiti tahminleri
yapılırdı. Yüksek dağlardan yapılan karasal ölçümlerdeki değerlendirmeler, güneş
spektrumunun çeşitli bölümlerindeki atmosferik iletimlerin tahminlerine dayanır.
Öncü çalışmalar C.G Abbot ve onun arkadaşı Smithsonian Institution tarafından
yapıldı. Bu çalışmalar ve roketlerden sonraki ölçümler Johson (1954) tarafından
8
özetlenmiştir; Abbot’un 1322 W/ olan güneş sabiti değeri Johnson tarafından 1395
W/ olarak değiştirildi.
Çok yükseğe ulaşabilen uçak, balon ve uzay aracı ile dünyanın atmosferinin
tümünün veya dışındaki güneş radyasyonun ölçülmesine doğrudan izin verildi. Bu
ölçümler çeşitli dokuz ayrı deneysel programlarla yapıldı. %1,5 lik bir hatayla güneş
sabitinin değerini 1353 W/ olarak hesapladılar. Bu deneyleri tartışmak için
Thekaekara(1976) ve Drummond (1971) gördü. Bu standart değer NASA(1971)
tarafından ve American Society of Testing and Materials tarafından kabul edildi.
1353 W/ olan bu değer Frohlich (1977) tarafından tekrar incelendi ve
mutlak radyometre ile enstrümanların karşılaştırmalarına dayanan yeni bir
pyrheliometrik ölçeğe indirgendi. Nimbus ve Mariner’in uydudan verileri de analize
dahil edilmiştir ve 1978’den itibaren Frohlich, güneş sabiti ( ) için %1,2’lik bir
hatayla 1378 W/ olan yeni bir değer önermiştir. Bu değer önceki %1,5 luk
hatadan daha az bir hataya sahip olduğu için spektral ölçüm entegrasyonuyla güneş
sabitinin en iyi belirlenmiş değeri olarak kabul edildi. Uzay araçlarının ölçümlerine
ek olarak güneş sabiti değerini Hickey 1373 W/ ve Willson 1368 W/ olarak
raporlama yaptı. Üç roket uçağından alınan ölçümlere göre Duncan tarafından güneş
sabiti 1367, 1372 ve 1374 W/ olarak raporladı. Dünya Radyosyon Merkezi (WRC
World Radiation Center) güneş sabitini %1 lik bir hatayla 1367 W/ olarak kabul
etmiştir.
1.3 YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI VE GÜNEŞ
ENERJİSİ
Yenilenebilir enerji kaynakları (güneş, hidroelektrik, biyomas, rüzgar, okyanus
ve jeotermal) tükenmeyen ve konvansiyonel enerji kaynaklarından çevreye en az
zarar veren kaynaklardır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının her biri çeşitli
uygulamalar için özel avantajlara sahiptir. Bu kaynakların hiçbiri işlemleri boyunca
ne sıvı ne de gaz olarak kirlilik oluşturmazlar. Yenilenebilir enerji kaynaklarının bir
diğer önemli yanı, yeni iş alanları yaratmasıdır.(5)
Yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi, ülkelerin potansiyeline göre değişir.
Gel-git enerjisinden, gel-git olayının sık rastlandığı Fransa, A.B.D. , Kanada ve
9
Avustralya gibi ülkelerde yararlanılırken, jeotermal enerji uygulamaları İzlanda,
Yeni Zelanda, A.B.D. Japonya ve Sovyetler Birliği’nde mevcuttur. Türkiye’de de
jeotermal enerjiden faydalanılmaya başlanmıştır. Türkiye, daha çok, ısıtma (konut,
sera, v.s.) için uygun olan 100 C civarında sıcak su elde edilebilecek jeotermal enerji
potansiyeli bakımından zengindir. Rüzgar enerjisinden faydalanabilme için yoğun
çalışmalar yapılmasına rağmen henüz diğer enerji türlerine göre daha pahalıdır.
Elektrik enerjisi üretiminde rüzgar hızının 3 m/s den daha büyük olması istenir ve
zemine yakın mesafelerde çevrintili estiğinden, genellikle 10-100 m yükseklikten
esen rüzgarlardan yararlanılır. Türkiye’de ortalama rüzgar hızı 1.7 m/s ile 5.1 m/s
arasındadır ve rüzgar enerjisi bakımından fakir sayılmasına rağmen zenginde
sayılmamakta ve dünya rüzgar enerji kuşağının dışında kalmaktadır. Dalga
enerjisinden çok az ülkede faydalanılmaktadır. Biyogaz enerjisi ise küçük çaptaki
enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmektedir. Gerek dalga enerjisi için, gerekse biyogaz
enerjisi için uygun bölgeler sınırlıdır. Kuşkusuz yenilenebilir enerji kaynakları
içerisinde en güncel olanı ve en çok uygulama alanı bulunan güneş enerjisidir.
Güneş dünyamıza ve diğer gezegenlere enerji veren sonsuz denebilecek güce
sahip tek enerji kaynağıdır. Canlılar yaşamlarını güneşe borçludurlar. Bitkiler canlı
doku üretmek için güneş ışınımından faydalanır. Kömür, petrol, su potansiyeli,
rüzgar v.s. güneş ışınımının maddeler üzerindeki fiziksel ve kimyasal etkisinden
meydana gelir. Termonükleer bir reaktör olan güneşin birim alalından birim zamanda
çeşitli dalga boylarında 62 MW/ enerji yayılmakta ve güneşin bütün yüzeyinden
yayılan enerjinin sadece iki milyarda biri yeryüzüne gelmektedir. Buna rağmen bir
yıl boyunca yeryüzüne gelen enerji, dünya enerji tüketiminin milyonlarca katıdır.
Güneş ışınımının yeryüzüne dağılımı ülkelere göre büyük farklılık
göstermektedir. Yeryüzünde birim düzleme gelen ortalama güneş ışınımı şiddeti 0-
1000 W/ arasında değişir. Türkiye’nin bir bölümü de güneş kuşağı adı verilen
bölgede bulunmaktadır ve güneş enerjisi bakımından orta zenginliktedir.
Türkiye yenilenebilir enerji kaynakları bakımından bol ve kapsamlı kaynağa sahiptir.
Yenilenebilir enerji üretim miktarları toplam enerji ihtiyacının yaklaşık %14,4’ü
kadardır. Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli Tablo 1.1’ de verilmiştir.
10
Tablo 1.1 Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli.(6)
Türkiye, dünyadaki jeotermal ısı kullanımı ve kaplıca uygulamalarında, Çin,
Japonya, ABD ve İzlanda’nın ardından 5. Sırada gelmektedir. Termal kapasitesi
3173 MW, muhtemel potansiyeli ise 31500 MW dolayındadır(6). Türkiye’deki
jeotermal enerji kullanımı; şehir, konut, termal tesis, sera vb. uygulamalardaki
toplam 665 MW’lık 61 000 konut eşdeğeri merkezi ısıtma ve 327 MW’lık 195 adet
kaplıca kullanımı olmak üzere, toplam 992 MW doğrudan ısı kullanımı ve 17,5
MW’lık elektrik üretimi şeklindedir(7).
Türkiye, 36 -42⁰ N enlemleri arasında yer alan coğrafi konumuyla, güneş
kuşağı ( ) içerisinde bulunmaktadır. Yüzeyine yılda düşen güneş enerjisi miktarı
kWh değerindedir. Teknik potansiyeli 500 MTEP/yıl, ekonomik
potansiyeli ise 25 MTEP/yıl olarak tahmin edilmektedir. Güneş enerjisinden
toplayıcılar vasıtasıyla ısı üretiminde önde gelen ülkeler arasındadır. Ancak bu
potansiyel, elektrik üretiminde henüz kullanılmamaktadır.(7)
Türkiye’nin rüzgar enerjisi açısından yaklaşık 400 milyar kWh/yıl brüt ve 120
milyar kWh/yıl teknik potansiyele sahip olduğu tahmin edilmektedir. Halen, Çeşme,
Çeşme Alaçatı ve Çanakkale-Bozcaada’da kurulu toplam 19 MW gücünde 3 adet
rüzgar türbini çiftliği bulunmaktadır. 2002 yılı sonu itibariyle Türkiye’de rüzgar
enerjisinden elektrik üretimine yönelik yapılan başvuru sayısı 62 olup, bunların
toplam kurulu gücü yaklaşık 1,8 GW’dır.(7)
Türkiye’de biyokütle enerjisinin kullanımı, ağırlıklı olarak klasik yöntemlerle
gerçekleştirilmektedir. Modern yöntemlerin bu alandaki payının artırılmasına
çalışılmaktadır.
11
Türkiye’nin teknik olarak değerlendirilebilir hidrolik enerji potansiyeli 216
milyar kWh’dir. Bunun 126 milyar kWh’ı ekonomik olarak değerlendirilebilir
durumdadır (6). Bu potansiyelin %35’i değerlendirilmiştir. 2001 yılı sonu itibariyle
elektrik enerjisi kurulu gücünün %41’ini (12241 MW) hidrolik enerji
oluşturmaktadır. 2002 yılı uzun dönem elektrik planlama çalışması sonuçlarına göre,
2020 yılında hidrolik enerji potansiyelinin %90’dan fazlasının değerlendirilmesi
beklenmektedir(7).
Güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda avantajı mevcuttur:
Her şeyden önce, bol ve tükenmeyen tek enerji kaynağı güneştir.
Temiz enerji türüdür; çevreyi kirletici, duman, gaz, karbonmonoksit, kükürt
ve radyasyon gibi artıkları yoktur.
Yerel uygulamalar için elverişlidir. Enerjiye ihtiyaç duyulan, hemen hemen
her yerde güneş enerjisinden yararlanmak mümkündür: Bir çakmağın, bir
saatin, bir hesap makinesinin veya bir deniz fenerinin, bir orman gözetleme
kulesinin enerji ihtiyacı yerinde karşılanabilir.
Dışa bağlı olmadığından, doğabilecek ekonomik bunalımdan bağımsızdır.
Birçok uygulaması için karmaşık teknolojiye gerek duyulmamaktadır.
İşletme masrafları çok azdır.
Güneş enerjisinin yukarıda belirtilen üstünlüklerine rağmen günümüzde
uygulamalarının az oluşunun sebepleri vardır:
Birim düzleme gelen güneş ışınımı az olduğundan büyük yüzeylere ihtiyaç
olmaktadır.
Güneş ışınımı sürekli olmadığından depolama gerekmektedir. Depolama
imkanları sınırlıdır.
Enerji ihtiyacının fazla olduğu kış aylarında güneş ışınımı az ve geceleri de
hiç yoktur.
Güneş ışınımından faydalanan sistemin güneş ışığını sürekli alabilmesi için
çevresinin açık olması, gölgelenmemesi gerekir.
Güneş ışınımından yararlanılan birçok tesisatın ilk yatırım masrafları
fazladır ve hali hazırda ekonomik değildir.
Günümüzde, özellikle petrol fiyatlarının çok hızlı artması, güneş enerjisini
gittikçe cazip kılmakta ve güneş enerjisinden yararlanan sistemlerin sayısı her geçen
gün artmaktadır.
12
2.TEORİK KISIM
2.1 GÜNEŞ ENERJİSİ NEDİR?
Güneş ve çevresinde dolanan gezegenlerden oluşan güneş sistemi dünya için,
temel bir enerji kaynağıdır. Özellikle, dünyada yaşayan canlılar için vazgeçilmez bir
kaynaktır. Bugün kullanılan çeşitli enerji kaynaklarının büyük kısmı, güneşin sebep
olduğu olaylar sonucu ortaya çıkar. Günlük güneş enerjisi ile dünya
aydınlatılabilmekte; yağışlar ile su döngüsü sağlanabilmekte ve en önemlisi de,
fotosentez ile canlı yaşam sürdürülebilmektir. Hayati önemdeki bu yıldızın
endüstriyel manada enerji üretimi de mümkündür.
Güneş yarıçapı 700.000 km (dünya yarıçapının yaklaşık 109 katı), kütlesi
2×1030 kg (dünya kütlesinin yaklaşık 330.000 katı) olan bir yıldızdır. Güneş kendi
ekseni çevresinde dönmektedir. Bu dönüş, güneş ekvator bölgesinde 24 günde, kutup
bölgelerinde de 30 günde olmaktadır. Güneşin merkezinde, temelde hidrojen
çekirdeklerinin kaynaşmasıyla füzyon reaksiyonu meydana gelir. Güneşin
merkezinde ve yaklaşık 15-16 milyon derecedir. Güneşin yaklaşık %90’ı hidrojendir.
Güneşin korunda hidrojen çekirdekleri füzyon yaparak helyum çekirdekleri
oluşmakta ve bu tepkimeler sonucu büyük bir enerji ortaya çıkmaktadır. Güneşin
toplam ışıması 3,8x1026 J/sn olduğundan, güneşte bir saniyede yaklaşık 600 milyon
ton proton, yani hidrojen tüketilmektedir.
Bu sayı ilk bakışta ürkütücü gibi gelse de, güneşin kütlesi ve bu kütlenin
%90’ına yakın kısmının protonlar olduğu düşünülürse, güneşteki hidrojen yakıtının
tüketilmesi için daha, yaklaşık 5 milyar yıllık bir süre olduğu ortaya çıkar. Bu
yönüyle güneş, insanlık için tükenmez bir enerji kaynağıdır. Dünyaya ulaşan güneş
enerjisi, güneşin daha serin (yaklaşık 6000K) ve birkaç yüz kilometrelik dar bir
bölgesinden gelmektedir. Bu bölge, düşük yoğunlukta (yaklaşık deniz yüzeyindeki
hava yoğunluğunun 10-4 katı) iyonlanmış gazlardan oluşur ve görünür ışığı pek
geçirmeyen bir bölgedir. Bu bölgedeki atomlar, sıcaklıklarıyla orantılı olarak ışıma
yaparlar ve böylece bu bölgenin ışımasına yol açarlar.
13
Dünya, güneşten yaklaşık 150 milyon km. uzakta bulunmaktadır. Dünya hem
kendi çevresinde dönmekte, hem de güneş çevresinde eliptik bir yörüngede
dönmektedir. Bu yönüyle, dünyaya güneşten gelen enerji hem günlük olarak
değişmekte, hem de yıl boyunca değişmektedir. İlave olarak, Dünyanın kendi
çevresindeki dönüş ekseni, güneş çevresindeki dolanma yörüngesi düzlemiyle 23.5º
lik bir açı yaptığından, yeryüzüne düşen güneş şiddeti yörünge boyunca (yıl
boyunca) değişmekte ve mevsimler de böylece oluşmaktadır.
Dünyaya, güneşten saniyede, yaklaşık 4×1026 J’lük enerji, ışınımlarla
gelmektedir. Güneşin saldığı toplam enerji göz önüne alındığında bu çok küçük bir
kesirdir; ancak bu tutar Dünyada insanoğlunun bugün için kullandığı toplam
enerjinin 15-16 bin katıdır. Dünyaya gelen güneş enerjisi çeşitli dalga boylarındaki
ışınımlardan oluşur ve güneş-dünya arasını yaklaşık 8 dakikada aşarak dünyaya
ulaşır.(ışınımlar saniyede 300.000 km’lik bir hızla, yani ışık hızıyla yol alırlar)
Dünyanın dışına, yani havakürenin (atmosfer) dışına güneş ışınlarına dik bir
metrekare alana gelen güneş enerjisi, Güneş Değişmesi (S) olarak adlandırılır ve
bunun değeri S=1373 W/ dir. Bu değer, tanım gereği, yıl boyunca değişmez
alınabilir. Çünkü her zaman, gelen güneş ışınlarına dik yüzey göz önüne alınmalıdır.
Ancak, dünyanın güneş çevresindeki yörüngesi bir çember olmayıp bir elips
olduğundan, yıl boyunca bu değerde %3,3’lük bir değişim söz konusudur. Yeryüzüne
bu enerjinin soğurma ve yansıma olaylarından dolayı 832 W/ ’lik kısmı ulaşır.
2.1.1 Teknik gelişmelerle güneş enerjisinin geçmişi
İlk insanlar güneşi doğaüstü görerek, ona tapmışlardır. Güneş, mitolojilerde
yaşam tanrısı adını alır. Eski mısır tanrısı Ra Güneşti. Hintliler Güneş tanrıçası
Arinna, Japonların güneş tanrıçası Amarasu’dur. Eski Yunanistan’da da Güneş, tanrı
olarak kabul edilmiştir, buna Helious-Apollo denilmişti. Helios-Apollo parlaklık ve
ısının simgesi idi. M.ÖM 714 – 671 arasında yaşayan Roma imparatoru Numa
Pomplius zamanında, konik metalik kaplarla odaklandırılmış Güneş ışınımına ateş
tanrıçasının kutsal ateşi diye bakılıyordu. Günümüzdeki bazı inanışlarda -örneğin
Japonya’da olduğu gibi- Güneşe kutsal yer verilir. M.Ö. 212’de Yunanlı fizikçi
Archimed, aynalarla odaklandığı Güneş ışınları ile 30 – 40 m uzaklıktan Romalıların
14
gemilerini yakarak, Siraküza savunmasının başarıya ulaşmasını sağladığı söylenir.
Bu olay, Güneş enerjisinin bilinen en eski teknik uygulamasıdır. Güneş enerjisi
konusundaki çalışmalar 1600 yılında Galile’nin merceği bulmasıyla artmıştır. İlk
defa Fransa’da, 1725 de, Belidor tarafından güneş enerjisi ile çalışan bir pompa
yapılmıştır. Belidor güneş pompasında, gündüzleri Şekil 2.1’de görülen kap içindeki
hava ısınarak genişlemekte bunun sonucu suya bir kuvvet uygulanmakta, tek yollu A
valfı açılarak, su depoya dolmaktadır. Kap geceleri soğuduğu veya gündüzleri
soğutulduğu zaman, kap içindeki basınç atmosfer basıncının altına düşmekte be B
valfı açılmakta su kaba dolmaktadır.
Şekil 2.1 Belidor Güneş pompası
M.S. ki uygulamalara baktığımızda bunların 17. yüzyıldan sonra giderek
arttığını görürüz Fizikçi A. Kircher’in (1601-1680) Archimed’in yakıcı aynalar
işleminin odun yığınlarını tutuşturarak deneysel biçimde kanıtlaması, güneş enerjisi
için yeni bir başlangıç noktası oldu 18. yüzyılın sonlarına dek yakıcı aynalar ve
mercekler ile metalleri ergitmeye dek uzanan pek çok deney görülmüştür.1744’ de
Joseph Prietley, civa-oksit üzerine odaklandığı Güneş ışınımıyla oksijeni
bulgulamıştır. Yakıcı ayna ve mercekler dışında bir uygulama olarak, N.Saussure
(1740-1799), ısı kutusu denilen ilk Güneş pişiricisini ortaya çıkarmıştı. 1837’de
gerçekleştirilen Ümit Burnu gezisinde de John F. Herschel güneşli pişirici ile yemek
pişirmişti. Çelik endüstrisinin ünlü ismi Sir Henry Bessemer (1813-1893) demir
ergitebilmek için güneş fırını yapmıştı. Fransız bilim adamı Mouchot 1860 da
parabolik aynalar yardımıyla güneş ışınımını odaklamış ve küçük bir buhar makinesi
yapmış, güneş pompaları ve güneş ocakları üzerinde deneyler yapmıştır. Güneş
enerjisi ile ilgili ilk kitap da 1869 da “La Chaleur Solaire et Ses Aplication
Industrielles” ismiyle Mouchot tarafından hazırlanmıştır. Mouchot 1878 yılında yine
ilk defa güneş enerjisi ile çalışan bir soğutucuda bir blok buz üretmeyi başarmıştır.
15
Güneş enerjisi ile çalışan, iş yapan akışkanın hava olduğu bir makine 1868 de
Ericsson tarafından geliştirilmiştir. Bu yıllarda güneş enerjisi konusundaki çalışmalar
yoğunlaşmış, tatlı su elde edilmesi ve güneş ocakları konusunda çok sayıda çalışma
yapılmıştır. Adanıs, Hindistan’da yedi askerin yemeğini, en soğuk ay sayılan Ocak
ayında, konik yansıtıcı güneş ocağıyla iki saatte pişirmiştir.1870 yılında John
Ericson güneşli sıcak hava motorunun patentini almıştır. 1872’de Kuzey Şili’de 4700
alan kapsayan güneşli su damıtma tesisi kurulmuştur. Tesisten günde 23 tatlı
su elde olunmuştur. Asıl amacı sudaki nitrat mineralini elde etmek olan bu tesis,
nitrat minerali tükeninceye dek 40 yıl kullanılmıştır. 19. yüzyılda buhar üretmek için
Güneş enerjisi kullanımına girişiliyordu. 1878 yılında Paris’de buharlı matbaa
makinesi güneşle çalıştırılmıştı. 1901 yılında Amerika Güneş-ısıl santrallerinde,
Güneşin olmadığı zamanda buhar üretmek için doğal gazdan yararlanan karma
(hibrid) türleri yapılmıştır. Güneş enerjisinin kesintili yapısından kaynaklanan
alternatif çalışma sakıncasının giderilmesi için aynı güçte ikiz bir hidroelektrik
santralden yararlanılabileceği gibi, santralin enterkonnekte şebeke ile bağlantılı
olması sorunu çözmektedir. Fosil yakıtlı ısıl santrallerle yardımcı kaynak olarak
Güneş enerjisinin eklenmesi, ele alınan tasarımlardandır. Amerika’da 500 ve 800
MW’lık santraller için hazırlanmış bu tür projeler bulunmaktadır. Tasarlanan fosil-
güneş karma santrallerinde suyun buharlaştırılmasından kızdırılmasına, besleme suyu
ısıtılmasından hava ön ısıtmasına dek, çeşitli kanallardan Güneş enerjisi girdi olanağı
vardır.
Birinci dünya savaşı ve sonrasında, petrolün önem kazanmasıyla güneş
enerjisine yönelik çalışmalar araştırma düzeyinde kalmıştır. 1930 yılından sonra
pasif sistemlerle ilgili çalışmalar yapılmaya başlanmışsa da araştırma kurumlarının
dışına çıkamamıştır. Araştırmalarla ilgili ilk önemli toplantı 1954 de Yeni Delhi’de
yapılmış ve “Uluslar arası Güneş Enerjisi Derneği – International Solar Energy
Society”nin kurulması kararlaştırılmıştır.
Güneş enerjisinin önem kazanması daha çok 1973 deki dünya enerji kriziyle
olmuştur. Günümüzde, güneş enerjisinden birçok alanda yararlanılmakta ve her
geçen gün faydalanma alanı artmaktadır.
Türkiye’de güneş enerjisi konusundaki çalışmalar yenidir. Özellikle 1973
petrol krizinden sonra ülkemizde de güneş enerjisi ile ilgili çalışmalar yoğunlaşmış
ve 1975 yılından sonra güneş enerjisi ile sıcak su temin edilen sistemler
yaygınlaşmıştır. Halen, yüzün üzerinde güneş toplayıcısı imal eden firma
16
bulunmaktadır. Güney ve batı sahillerinde çok sayıda güneş enerjili sıcak su sistemi
mevcuttur. Belirtmek gerekir ki, Türkiye’de imalatı yapılan güneş toplayıcılarının
birçoğunun özellikleri dünya standartlarının altındadır. Isıl hesapları kolay
olduğundan Türkiye şartlarına uygun güneş toplayıcılarının geliştirilip yapılması
mümkün olmasına rağmen, birçoğu yabancı ülke patenti ile imal edilmekte,
genellikle de toplayıcı boyutları benzetilerek seçilmektedir.
2.1.2 Güneş enerjisinin geleceği
Gelecek için güneşle ısıtma ve elektrik üretme, yani kombine ısı-güç üretimi
(veya birlikte üretim “kojenerasyon”) uygulamaları üzerinde çalışılmaktadır.
Konutların ısı ve elektrik gereksinimini karşılamayı amaç edinen bu projelerde
uzunlamasına silindirikal odaklı kolektörler, yüksek sıcaklıklı su deposu,
turbojenaratörler, alçak sıcaklıklı su deposu, ısı dağıtım ve elektrik dağıtım sistemleri
yer almaktadır. Sistemdeki toplaçlar, güneş-ısıl-elektrik santrallerinde olduğu gibi bir
kollektör tarlası biçiminde tasarlanmaktadır.
Güney Pasadena’da Güneşli buhar makinasıyla çalışan su pompası tesisi
yapılmıştı. 1902-1911 yılları arasında bu tür tesislerin Amerika’da birbirini izlediği
görülmektedir. 1913’de Mısır Meadi’de Nil Nehri’nin suyunu pompalamak için
kurulu gücü 74 kW (üretilebilir maksimum gücü 44 kW) olan güneşli pompa tesisi
kurulmuştu. Amerika’da Massachusetts Institute of Technology (MIT) bünyesinde
güneş enerjisinin çeşitli pratik uygulamalarının yanı sıra, evlerin güneşle ısıtılması
çalışmalarına girişilmiş, önce 1949’da Dover’de ilk güneş evi yapılmıştır. Bunu
1953’te New Mexico’da ve 1955’te Arizona’da yapılan evler izlemiştir. Isıtmadan
öte, Güneşli iklimleme (klima) sistemlerine de girişiliyordu. 1953 yılında Sovyetler
Birliği Krzhihanovsky Güç Enstitüsünde buhar üretimini amaçlayan rejeneratif
damıtma birimleri üzerinde çalışmalar yapılıyor, aynı yıllarda Taşkent Helioteknik
Laboratuvarında soğurmalı (absorpsiyonlu) Güneşli soğutucular geliştiriliyordu.
1954’de Amerika’da Bell Telefon Laboratuvarlarında ilk fotovoltaik güneş pilleri
yapılmıştı. 1957’ye kadar Amerika’da yüksek sıcaklık elde etmek için 21 güneş fırını
kurulduğu bilinmektedir.
1950’li yıllarda Güneş enerjisi kullanımının yaygınlaşmaya başladığı yıllar
olma özelliğini taşır. 1950 yılında Florida Miami’de 50 000 güneşli su ısıtıcısı
saptanmıştır. 1955 yılında Japonya’da 30 000 güneşli su ısıtıcısı kullanıldığı
17
bilinmektedir. Bu dönemde Londra yakınlarında bile kullanıma uygun güneşli su
ısıtıcılar yapılmasına girişilmiş, Akdeniz kuşağında, başta Fransa ve İtalya olmak
üzere güneşli su ısıtıcı kullanımı başlamıştır. Bu dönemde Fransa Pireneler’de
kurulan 1 MW güçlü Mont-Louis Güneş Fırını, gelişmiş ve örnek bir teknolojiyi
göstermektedir. Ancak, kullanıma aktarılan Güneş enerjisi teknolojisinin, ilk yatırım
maliyetinin yüksekliğinden ötürü ucuz petrol ve doğal gaz karşısında rekabet olanağı
sınırlı idi. 1974-1978 döneminde petrol fiyatları zincirleme artışına dayalı yapay
enerji bunalımları, güneş enerjisi çalışmalarını ivmelendirmiştir.
2.1.3 (21.) Yüzyılda güneş enerjisinin önemi
Dünyanın tüm yüzeyine bir yıl boyunca düşen Güneş enerjisi 1,22 TET
(ton eşdeğer taşkömürü) veya 0,709 TEP (ton eşdeğer petrol) kadardır. Bu
değer, dünyanın bilinen rezervinin 157 katı, bilinen petrol rezervinin 516 katıdır.
Güneş enerjisi bilinçli kullanımı, yerel, tükenmez ve çevre dostu kaynak
olmasından önem kazanmaktadır. Güneş enerjisinin üstünlükleri arasında ısısal ve
ışıksal özyapıda olması, taşıma, iletim ve dağıtım sorununun olmayışı yer almaktadır.
Zaman zaman Güneş enerjisi bedava kaynak olarak tanıtılmasına karşın, bedava
değildir. Çünkü, denetimli kullanım amacıyla toplanması için değişik sistemler
gerekmekte, bu sistemlerin bir maloloşu bulunmaktadır. Ancak, fosil yakıtların
oluşturdukları çevresel zararların mal oluşunun yanında, güneş enerjisinin toplanması
ve kullanılması daha çekici olabilmektedir.
Güneş enerjisinin en çok tanınmış uygulaması olan güneşli su ısıtıcılar (ya da
güneş şofbenleri), klasik düz yüzeyli topaçlı, pompalı dolanımlı veya termosifon
sistemli, ısı değiştiricili (eşanjörlü) veya ısı-değiştiricisiz depolu olanlardır. Dolaplı
türde yada zorlanmış hava akımlı depolu biçimde yapılan tarımsal kurutucularda düz
yüzeyli toplayıcılar kullanılır. Güneş imbikleri de denilen, deniz suyundan yada acı
sulardan tatlı su ve tuz mineral üreten güneş damıtma düzenekleri, yine düz yüzeyli
kolektörlü alçak sıcaklık uygulamalarıdır.
Güneşli kaynatıcılar ve yemek pişiriciler, güneşli sterilizörler ise genelde
odaklı kolektörlü olup, güneş ışınlarının yoğunlaştırılmasıyla elde olunan yüksek
sıcaklıklı ısıyı kullanırlar. Bu toplaçlar çoğu kez çanak biçimindedir. Ancak,
pişiricilerin düz yansıtıcılı plakalarla donatılmış ısı kutusu türleri vardır.
18
Havuzun tabanında çok tuzlu, orta kesiminde tuzlu ve üstünde tatlı su bulunur.
Havuz tabanı ısı soğuracak yapıdadır. Bu ısı bir ısı-değiştiricisi ile dışarı çekilerek
kullanılır. Böyle bir güneş havuzu Israil Ein Borek’de ısıl elektrik üretimi amacıyla
kullanılmaktadır. Bu tür güneş havuzlarının dışında, bir de sığ güneş havuzları
vardır. Bunlar birkaç cm kalınlıkta su dolu plastik döşek olarak ve 50-200 lik
modüller biçiminde kurulmaktadır.
Güneş enerjisinin depolanması, bir dönüşüm ya da çevrimle elde olunan ikincil
enerjinin depolanması biçiminde gerçekleşmektedir. Depolama işlemleri ısıl,
mekaniksel, kimyasal, elektriksel yöntemlerle yapılır. Isıl depolamada özgül ısı
sığası yüksek ve kolay bulunur ucuz malzemeler kullanılır. Su, yağ, çakıl taşı
yatakları bunlar arasındadır. Isıl depolama için gizli ısı kapasiteli, parafin gibi faz
değişim malzemelerinden de yararlanılır. Mekaniksel depolamada güneşle çalıştırılan
bir pompa ya da kompresör ile basılan yüksek basınçlı akışkan, uygun bir ortamda
toplanır. Kimyasal depolamada hidrat tuzlardan yararlanılır. Elektriksel depolama
bataryalarla yapılır. Bu amaçla kurşun-asitli akümülatörler, nikel-kadmiyum tipi kuru
bataryalar ve sodyum-sülfür bataryaları kullanılır.
Önümüzdeki 50 yıllık süreçte, bugüne göre 1,4 kat daha artırma olasılığı
vardır. 1992 de yapılan RIO Konferansında, Dünyada karbondioksit salınımının 1990
düzeyinde korunması üzerindeki görüşler benimsenmiştir. Bu demektir ki, fosil
yakıtlar yerine temiz ve tükenmez enerji kaynaklarının kullanılmalarına daha çok yer
verilmesi gerekecektir. Atmosferdeki karbon-dioksitin neden olduğu sera etkisi, son
yüzyıl içinde dünya ortalama sıcaklığının 0,7 K yükseltmiştir. Bu sıcaklığın 1 K
yükselmesi dünya iklim kuşaklarında görünür kaymalara, 3 K düzeyine varacak
artışlar kutuplardaki buzulların erimesine, denizlerin yükselmesine, göllerde
kurumalara ve tarımsal kuraklığa neden olabilecektir. Enerji vazgeçilmez girdi
olduğuna göre, insanlık bu gidişe alışılmış kaynaklar yerine güneş gibi doğal
alternatif enerjileri kullanarak dur diyecektir.
Giderek artan genel enerji tüketimi % 85-90 oranlarında tükenir fosil yakıtlara
dayalıdır. Fosil yakıtların var olan rezervlerinin kullanılabilme süreleri ise sınırlıdır.
Yapılan hesaplamalarda değişik değerler verilmekle birlikte, yaygın görüş şudur:
Yaklaşık yüz yıldır kullanılan petrolün üretimi 1995-2005 yılları arasında tepe
değerinden geçerek azalacak, doğal gazın üretimi 2000 yılından sonra bir süre
değişmez kalacak ve sonra azalacaktır. Kömür için yaklaşık 200 yıllık bir üretim
süresi hesaplanmaktadır. Fosil yakıtların endüstriyel hammadde olduklarını
19
unutmamak ve onları başıboş tüketmeden gelecek kuşaklara da bırakmak gerekir.
Özellikle, 45⁰ kuzey ve güney enlemleri arasında kalan ve güneş kuşağı denilen
dünya kuşağında, güneş enerjisi kullanımının geliştirilmesi, 21. yüzyılın temel
gelişimlerinden biri olacaktır. Fosil yakıtların sınırlı rezervleri ve oluşturdukları
çevre sorunları bu gelişimin değiştirici öğesidir.
2.1.4 Türkiye’nin güneş enerjisi potansiyeli
Coğrafya olarak 36-42⁰ kuzey enlemleri arasında bulunan Türkiye, güneş
kuşağı içerisindedir. Ancak, güneş kuşağının bu kesiminde iyi bir güneşlenme
görülmekle birlikte, mevsim değişiklikleri alt sınırda az, üst sınırda çok etkili
olmaktadır.
Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerji potansiyeli
açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Güneşten dünyaya saniyede yaklaşık
olarak 170 milyon MW enerji gelmektedir. Türkiye’nin yıllık enerji üretiminin 100
milyon MW olduğu düşünülürse bir saniyede dünyaya gelen güneş enerjisi,
Türkiye’nin enerji üretiminin 1,700 katıdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel
Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme
süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel
Müdürlüğü (EİE) tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye’nin ortalama yıllık
toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat)olup en büyük değer
362 saat ile temmuz ayında ve en küçük değer 98 saat ile aralık ayında
gerçekleşmektedir . Ortalama toplam ışınım şiddeti 1,311 (günlük
toplam 3,6 ) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye, 110 gün gibi yüksek bir
güneş enerjisi potansiyeline sahiptir ve gerekli yatırımların yapılması halinde
Türkiye yılda birim metre karesinden ortalama 1,100 kWh’lik güneş enerjisi
üretebilir(2). Tablo 2.1’de Türkiye güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi
değerleri aylara göre dağılımı verilmiştir.
20
Tablo 2.1 Türkiye’nin toplam güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı (EİE
resmi internet sayfası, www.eie.gov.tr, Şen, Z., “Türkiye’nin Temiz Enerji
İmkanları”, Mimar ve Mühendis Dergisi, Sayı:33)
Türkiye’nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güneydoğu Anadolu Bölgesi
olup, bunu Akdeniz bölgesi izlemektedir. Tablo 2.2’de Türkiye güneş enerjisi
potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı verilmiştir.
Tablo 2.2 Türkiye’nin yıllık toplam Güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre
dağılımı.
Buna göre Türkiye’nin en çok ve en az güneş enerjisi üretilecek ayları sırası ile
haziran ve aralık olmaktadır. Bölgeler arasında ise öncelikle Güneydoğu Anadolu ve
Akdeniz sahilleri gelmektedir. Güneş enerjisi üretiminin yok denecek kadar az
olduğu Karadeniz bölgesi dışında yılda birim metre kareden 1,100 kWh’lik enerji
21
üretilebilir ve toplam güneşli saat miktarı ise 2,640 saattir. Buna göre Türkiye’de
toplam olarak yıllık alınan enerji miktarı ise yaklaşık kW saat kadardır.(2)
Ancak, bu değerlerin, Türkiye’nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha
sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır. 1992 yılından bu yana EİE ve DMİ, güneş
enerjisi değerlerinin daha sağlıklı olarak ölçülmesi amacıyla enerji amaçlı güneş
enerjisi ölçümleri almaktadır. (1)
EİE’nin ölçü yaptığı 8 istasyondan alınan yeni ölçümler ve DMİ verileri
yardımı ile 57 ile ait güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri değerleri hesaplanarak bir
kitapçık halinde basılmış ve EİE’nin internet sitesinde satışa sunulmuştur.
2.1.5 Güneş enerjisinden yararlanan sistemler
Hemen hemen bütün enerji kaynakları güneş ışınımının maddeler üzerindeki
fiziksel ve kimyasal tesirinden meydana gelmektedir. Hidrolik enerji, rüzgar enerjisi,
dalga enerjisi v.s. güneş ışınımından dolaylı (endirekt) olarak oluşan enerjilerdir.
(Şekil 2.2) Burada, güneş ışınımından direkt enerji elde edilmesi üzerinde duracağız
ki, bu da güneşin ışınım enerjisinin diğer enerji şekillerine (elektrik, mekanik, ısı)
dönüştürülmesi şeklinde olmaktadır.
Güneş ışınımının teknolojik toplama ile faydalı enerjiye dönüştürülmesinde ısıl
veya fotovoltaik esasdan yararlanılır. Isıl esasa dayanan sistemlerin daha geniş
uygulama alanı mevcuttur.
Şekil 2.2 Güneş enerjisinden faydalanma şekilleri.
22
Her teknolojinin kullanım ve uygulamalarına bağlı olarak avantaj ve
dezavantajları vardır. Güneş enerjisi sistemlerinin başlıca tipleri şunlardır:
a- Isıl Uygulamalar
b- Fotovoltaik sistemler
2.1.5.1 Isıl Uygulamalar
Güneş ışınımının faydalanılacak enerji türüne ısıl çevrimlerle dönüştürüldüğü
sistemlerin sayısı çok fazladır. Genel olarak bu sistemler,
• Düşük sıcaklık uygulamaları( 20-100 C )
• Orta sıcaklık uygulamaları (100-300 C)
• Yüksek sıcaklık uygulamaları (> 300 C)
olarak gruplandırılabilir.
Düşük sıcaklık uygulamalarında daha ziyade düz toplayıcılar kullanılır. Bu
uygulamalardan bazıları:
• Konutların sıcak su temini
• Konut ısıtması
• Sera ısıtması
• Tarım ürünlerinin kurutulması
• Konut soğutması
• Yüzme havuzu ısıtması
• Güneş ocakları ve güneş fırınları
• Arı su elde edilmesi (güneş inbikleri)
• Tuz üretimi
• Güneş pompaları.
Yukarıda belirtilen uygulamalarda güneş ışınımı bir ısı değiştiricisi (genellikle
düz toplayıcı) arayıcılığıyla bir akışkana (su, hava, halojenli hidrokarbonlar v.s.)
aktarılır ve sıcaklığı artan akışkan faydalanma amacına göre depolanır veya sisteme
gönderilir. Düşük sıcaklık uygulamalarından sıcak su temini, konut ısıtması ve sera
ısıtması diğerlerine göre daha ekonomiktir.
Orta sıcaklık uygulamalarında, güneş ışınımının yansıtılarak veya kırılarak bir
noktaya veya eksene yoğunlaştırıldığı odaklı toplayıcılar kullanılır. Sanayi için
gerekli sıcak su veya buharın temini, büyük, soğutma ve ısıtma sistemleri, odaklı
toplayıcıların uygulama alanlarından bazılarıdır. Genellikle güneşi takip eden
mekanizmalara ihtiyaç vardır.
23
Güneş ışınımından yararlanılarak 300 C’nin üzerindeki yüksek sıcaklık elde
edilen sistemlerde “heliostat” adı verilen, geniş bir alana gelen güneş ışınımını,
güneşi izleyerek bir noktaya odaklayan sistemlerden yararlanılır. Güneş fırınları ve
güneşsel güç sistemlerinde yansıtıcı olarak aynalardan yararlanılmakta ve 3500 C
sıcaklığa kadar çıkabilmektedir. Fransa’da ve Amerika Birleşik Devletleri’nde
bulunan güneş fırınlarında metallerin eritilmesi, kesilmesi ve kalıplanması
yapılmaktadır. Yüksek sıcaklıkta buhar elde edilerek bir türbin aracılığıyla elektrik
üretilen güneşsel güç sistemlerinin uygulamaları da mevcuttur ve üzerinde yoğun
çalışmalar yapılmaktadır.
2.1.5.2 Fotovoltaik Sistemler
Bu sistemlerin temelini, yüzeyine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik
enerjisine çevirme özelliğine sahip güneş pili denen yarı iletken maddeler oluşturur.
Güneş pilleri, birbirlerine seri ya da paralel olarak bağlanmış ve bir yüzey üzerine
monte edilmiş olarak kullanıma sunulurlar. Hücreler birbirine seri ve paralel
bağlanarak akım şiddeti ve gerilim arttırılır. Güneş pili modülü ya da fotovoltaik
(PV) modül denilen bu yapılar fotovoltaik sistemlerin (güneş pili sistemlerinin) temel
elemanıdırlar. Fotovoltaik sistemler elektrik enerjisinin gerekli olduğu her
uygulamada kullanılabilirler. Uygulamaya bağlı olarak sistemde akümülatörler,
invertörler, denetim cihazları ve çeşitli elektronik destek birimleri kullanılır. Bu
sistemler ya bağımsız (stand-alone) olarak özellikle yerleşim yerlerinden uzak,
elektrik şebekesi olmayan yerlerde kullanılırlar; ya da şebeke bağlantılı olarak
çalıştırılırlar.
Güneş pillerinin verimleri %3-25 arasında değişir. Uzay programları için
geliştirilmeye başlanmış 1955 yılından sonra uzay araçlarında ve daha sonraki
yıllarda da genellikle fazla güç gerektirmeyen ve bilinen diğer yollardan elektrik
üretimi zor olan güç merkezlerinden uzak yerlerde kullanılmaya başlanmıştır.
Fotovoltaik sistemler haberleşme aktarıcı istasyonlar(telefon ,telsiz, vs…),
aydınlatma, yelkenli botlar, demir ve karayolu geçitleri, orman gözetleme kuleleri,
sinyalizasyon ve alarm sistemleri, deniz fenerleri, petrol boru hatlarının katodik
koruması, ilaç ve aşıların soğutulması, hidrojen üretimi, bahçe aydınlatma setleri,
kırsal yörelerde su pompalamada kullanılmakla birlikte son yıllarda şebekeye bağlı
uygulamaların kullanımı da hızla yaygınlaşmaktadır.
24
İstenilen yerde ve istenilen güçte elektrik üretilebilmesi, gürültüsüz çalışması,
artıklarının olmayışı ve uzun ömürlü oluşu, güneş pillerinin avantajlarından
bazılarıdır. Fakat, teknolojisi zor, maliyetleri yüksek ve verimleri düşüktür.
2.1.6 Güneş enerjisinin kullanım alanları
Güneş enerjisinin kullanım alanları özel amaçlara göre değişebilmektedir. Bu
enerjinin kullanımındaki temel amaç, ekonomik rekabet koşullarında olabildiğince
fosil yakıtların yerini almasıdır. Amaçlanan ve uygulanan kullanım alanları şöyle
sıralanabilir:
Konutlarda, işyerlerinde ve gündelik yaşam yapısının çeşitli kesimlerinde ısı
ve elektriğe dayalı bir bölüm enerji isteminin karşılanması,
Endüstriyel enerji isteminin bir bölümünün, ısı ve elektriğin birlikte üretim
teknolojisiyle karşılanması,
Kırsal yörelerde ve tarımsal teknolojide enerji isteminin olabildiğince
karşılanması,
Kara, deniz ve hava taşıtlarının bir bölümünde devitici olarak kullanılması.
İletişim araçlarında (radyo, tv, telefon), sinyalizasyon ve otomasyonda bir
bölüm enerji isteminin karşılanması.
Elektrik sektörünün birincil kaynakları arasına güneş enerjisinin de girmesi.
Askeri alanda özel amaçlarla güneş enerjisinin kullanılması
Uzay çalışmalarında enerji gereksiniminin karşılanması.(4)
25
2.2. GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEPOLANMASI
2.2.1 GENEL
Güneş enerjisi doğrudan ışınım enerjisi olarak depolanmadığından, bu enerji
çeşidini kullanabilmek için mutlaka diğer enerji türlerine dönüştürülmesi gereklidir.
Güneş enerjisi; soğrulma, ısıl dönüşüm ve fotovoltaik sistemler ile diğer enerji
şekillerine dönüştürülebilir. Özel dönüşüm şekli ve cihazlarına bağlı olarak dönüşüm
sonucunda elde edilen enerji; ısı veya elektrik enerjisi şeklinde olabilir. Dönüştürülen
enerji hemen kullanılabilir veya daha sonra yararlanılmak üzere özel yöntemlerle
depolanabilir. Enerjinin depolanması mühendisliğin en önemli konularından birisidir
ve bu konuda çok geniş çalışmalar yapılmaktadır. Burada daha ziyade güneş
enerjisinin depolanması ele alınacaktır.
Güneş ışınımı bir gün boyunca sürekli gelmez. Geceleri hiç gelmediği gibi
gündüzleri de saatlere göre farklılık gösterir. Havanın kapalı olduğu zamanlarda ise
çoğu kez yeterli miktarda değildir. Oysa, enerji tüketimi süreklidir. Günün saatlerine
ve aylara göre değişimi azdır. Hatta, güneş ışınımının olmadığı veya az olduğu
zamanlarda, enerji tüketimi daha fazladır. Depolama yapılmadığı takdirde, güneş
enerjisinden sadece güneş ışınımının olduğu saatlerde faydalanılır ve fazla enerji
atılırken, güneş ışınımının olmadığı zamanlarda yardımcı enerji kaynağından
faydalanılır.
Genel olarak enerji depolama şekilleri:
• Kimyasal enerji depolama (termokimyasal,elektrokimyasal)
• Mekanik enerji depolama (hidroelektirik, volan v.s.)
• Elektrik enerji depolama (magnetik alanla)
• Isıl enerji depolama (hissedilir ısı, gizli ısı)
olarak gruplandırılabilir.
2.2.1.1 Kimyasal Enerji Depolama:
Enerjinin kimyasal olarak depolanması termokimyasal ve elektrokimyasal
şekilde gerçekleştirilir. Termokimyasal enerji depolaması, enerji endotermik
reaksiyonlarla alkol, metan veya hidrojen gibi yakıtların üretilmesidir. Enerji
ihtiyacının olduğu yerde ve zamanda, bu ürünlerden ekzotermik reaksiyonlarla
enerjileri geri çekilir. Enerjinin bataryalarla depolanması elektrokimyasal
26
depolamadır. Elektrik enerjisi bataryaya doğru akım olarak girer, kimyasal enerjiye
dönüşür, boşaltma sırasında yeniden doğru akıma çevrilir. İki tip batarya mevcuttur.
Birinci tipleri tersinmezdir, yeniden doldurulamazlar. İkinci tipleri tersinirdir yeniden
doldurmak mümkündür.
2.2.1.2 Mekanik Enerji Depolama:
Fazla enerji mekanik enerjiye ve sonrada kinetik veya potansiyel enerjiye
dönüştürülerek depolanır. Maksada göre, bir pompa ile suya manometrik yükseklik
kazandırılır veya bir kompresörle hava sıkıştırılarak basıncı artırılır veya bir volanla
kinetik enerji depolanabilir. Mesela, güneş enerjisinden yararlanılarak bir pompanın
çalıştırılması ve suyun yüksek seviyede pompalanması, ışınım enerjisinin mekanik
enerjiye ve sonra da potansiyel enerjiye dönüştürülerek depolanmasıdır.
2.2.1.3 Elektrik Enerjisi Depolama:
Elektrik enerjisinin diğer bir enerji şekline dönüştürülmeden depolanmasıdır.
Elektromanyetik sargıdan elektrik akımı geçirilerek manyetik alanda depolanır.
Sargıdaki direnç nedeniyle güç kayıpları olduğundan, bobin sargılarının süper iletken
(noibyum,titanyum, kurşun gibi) malzemelerden olması ve dirençlerinin giderilmesi
gerekmektedir. Sargılar mutlak sıcaklığa yakın, çok düşük sıcaklığa kadar
soğutulduğunda direnç kayıpları sıfıra inmektedir.
Konutlardaki ve endüstrideki, güneş enerjili sıcak su ve ısıtma sistemlerinde
daha ziyade ısıl enerji depolaması kullanılır.
2.2.2 ISIL ENERJİ DEPOLAMASI
Isıl enerji depolayan ve faz değiştiren; yani katı halden sıvı hale veya sıvı
halden katı hale geçen bir sistemde, kimyasal yapıda bir değişiklik yoksa
termodinamiğin birinci kanununa göre sabit basınçta ısıl enerji depolaması aşağıdaki
gibi yazılabilir.(Termodinamiğin birinci kanunu: Enerjinin korunumunu ifade eder.
Bu kanun bir termodinamik süreç sırasında bir enerji türünün farklı bir enerji türüne
dönüşebileceğini fakat toplam miktarının sabit kalacağını belirtir. Bir başka ifadeyle
enerji yoktan var edilemez veya var olan enerji yok edilemez.)
∫
∫
(2.1)
şeklinde yazılabilir. Burada, sıra ile katı ve sıvının sabit basınçtaki özgül ısıları,
erime sıcaklığı ve erime gizli ısısıdır.
27
Yukarıdaki denkleme göre, ısıl enerji;
a-) Maddenin ısı kapasitesiyle sıcaklığı artarak
b-) Maddenin erime ısısıyla sabit sıcaklıkta
depolanmaktadır. Isının, maddenin ısı kapasitesi dolayısıyla depolanmasına
“hissedilir (duyulur) ısı depolanması”, erime ısısıyla depolanmasına da “gizli ısı
depolanması” denilmektedir. Gizli ısı depolanması faz değişimiyle olmaktadır. Bu
arada, buharlaşma ısısı ve gazlarda hissedilir ısı depolaması da düşünülebilir, fakat
sabit basınçta hacim çok arttığından tercih edilmezler.
2.2.3 HİSSEDİLİR ISI DEPOLANMASI
Sıcaklığı ve kütlesi m olan bir madde sıcaklığına yükseltilirse, ısı
kapasitesi dolayısıyla depolanan hissedilir ısı
( ) (2.2)
şeklinde yazılabilir. Burada, V maddenin hacmi, ρ yoğunluğu ve sabit basınçtaki
özgül ısısıdır. Son bağıntıdan görüldüğü gibi, bir ∆T sıcaklık farkında ve belli bir
hacimde depolanan ısıl enerjinin fazla olması için maddenin hacimsel özgül ısısı
(ρ ) büyük olmalıdır. Bazı maddelerin ısıl özellikleri Tablo 2.3’de verilmiştir.
Tablo 2.3 Bazı maddelerin 20⁰C’deki ısıl özellikleri
Madde Yoğunluk Erime
Sıcaklığı
Kaynama
Sıcaklığı
Özgül
Isısı
Isı İletim
Kats.
cp
kg/m3 ⁰C ⁰C J/kg-K W/m-K MJ/m
3-K
Taş 2640 880 1.7-4.0 2,32
Dökme Demir 7280 1200 2300 540 29-50 3,93
Betonarme 2240 1130 0.9-1.3 2,53
Saf Bakır 8954 1083 2330 383 386 3,43
Su 997 0 100 4179 0.604 4,18
Motor Yağı 888 1880 0.145 1,67
Gliserin 1264 18 290 2386 0.286 3,02
Etilen Glikol 1117 -12 197 2382 0.249 2,66
Sodyum 760 98 880 1206 67 0,96
28
Suyun hacimsel özgül ısısı diğer maddeler göre daha büyüktür.
Hissedilir ısı depolamasında faydalanılan maddenin hacimsel özgül ısısının
büyük olması yanında, yanma ve alevlenme özelliğinin olmaması, maddeden uzun
süre (10-15 yıl) özelliklerini muhafaza etmesi, toksit ve korozyon tesirinin
bulunmaması, istenir. Tabi ki, her şeyden önce maddenin kolay temin edilebilir ve
ucuz olması gerekir. Pratikte, temin edilebilme kolaylığı ve ucuzluğu sebebiyle, daha
çok su ve çakıl taşı tercih edilir.
2.2.3.1 Su ile Isıl Enerji Depolaması:
Duyulur ısı depolama uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan madde
sudur. Su ile duyulur ısı depolamanın birçok üstünlüğü vardır.
Su, ucuzdur ve kolay temin edilebilir.
Toksitlenme ve alevlenme özelliği yoktur.
Fiziksel, kimyasal ve termodinamik özellikleri iyi bilinmektedir.
Enerji depolamasında faydalanılırken aynı zamanda enerji toplayıcı akışkan
olarak da kullanılabilir.
Isı depolama özelliği iyidir (hacimsel özgül ısısı büyüktür).
Isıtma ve soğutma sistemleri için gerekli sıcaklık aralığında kararlı bir sıvı
buhar dengesine sahiptir.
Isı geçişi ve akışkan dinamiği iyi bilinmektedir.
Korozyon etkisini azaltan inhibitör teknolojisi gelişmiştir.
Suyun, hissedilir ısı depolamasındaki bu avantajlarının yanında bazı
dezavantajları da bulunmaktadır.
Donduğu zaman genişlediğinden, donmaya karşı tedbir alınmalıdır.
Korozyon yapıcı özelliğinden dolayı depo içerisine inhibitör ilave
edilmelidir.
Ayrıca, suyun erime ve kaynama sıcaklıkları arasındaki fark küçüktür.
Yüksek sıcaklıklarda enerji depolaması yapmak da zordur.
Genel olarak su dolu bir tank sistem olarak göz önüne alınırsa enerji dengesi
( )
(2.3)
29
Şekil 2.3 Enerji dengesi
şeklinde yazılabilir. Burada; toplayıcıdan gelen ısı miktarı, ihtiyaç için çekilen
ısı miktarı ve depo çevresine ısı kaybıdır. Son denklemden görüldüğü gibi,
depodaki suyun sıcaklığının değişimi, depodaki suyun ısı kapasitesi ile depoya gelen,
depodan çekilen ve kayıp olan ısı miktarlarına bağlıdır. Pratikte, depodan çevresine
ısı kaybı sürekli olmasına (depo sıcaklığı çevre sıcaklığına ininceye kadar) rağmen,
depodan çekilen ve toplayıcıdan gelen enerji miktarları günün saatlerine göre
kesintilidir. Toplayıcıdan depoya verilen enerji ve çekilen enerji aynı anda olduğu
gibi farklı saatlerde de olabilir veya kayıp enerji dışında enerji girişi ve çıkışı
olmayabilir.
Depo içindeki suyun sıcaklığı da her noktada aynı değildir. Üst ve alt kısımları
arasında sıcaklık gradyeni vardır. Depo sıcaklığının uniform olması için
karıştırılması gerekir.
2.2.3.2 Çakıl Taşlarıyla Isıl Enerji Depolanması
Çakıl tasları ile ısı depolama, hava akışkanlı ısıtma sistemlerinde ve güneş
enerjisi depolamak için kullanılır. Çakıl taşı kullanmanın bazı avantajları şunlardır.
Çakıl taşları ucuzdur ve kolay temin edilebilirler.
Alevlenme ve toksitlenme özellikleri yoktur.
Yüzey alanları büyük olduğundan hava ile çakıl taşları arasındaki ısı geçişi
iyidir.
Taşların birbirine temas yüzeyi küçük olduğundan taşlar arasında iletimle ısı
geçişi küçük, dolayısıyla depo kenarlarından çevresine ısı kaybı azdır.
Isıtma ve soğutma sistemlerinin her ikisine uygulanabilir olmasıdır.
Geceleri, dış hava depodan dolaştırılarak depo sıcaklığı düşürülebilir ve
gündüzleri oturma mahallinin sıcak havası depodan geçirilerek soğutulabilir.
Çakıl taşlarının ısıl enerji depolamasındaki, bu avantajlarının yanında bazı
dezavantajları da bulunmaktadır.
30
Hacimsel özgül ısıları küçük olduğundan belli bir miktardaki ısı enerjisinin
depolanabilmesi için suya göre daha büyük hacim gerekmektedir.
Çakıl taşları arasında havanın dolaştırılabilmesi için gerekli güç, su ile
depolamada suyun dolaştırılabilmesi için gerekli güçten daha fazladır.
Isı deposuna enerjinin hava dolaşımıyla verildiği veya çekildiği sistemlerde,
toplayıcı devresi ve ısıl yük devresi aynı anda çalıştırılamazlar. Başka bir
deyişle, depoya ısı verilmesi ve çekilmesi aynı anda olamaz. Depolanan
enerji miktarına, toplanabilen enerji miktarına ve ısı ihtiyacına göre
devrelerden birisi kapatılır diğeri açılır.
Çakıl taşlarıyla hava arasındaki ısı geçişi miktarı, depo içindeki basınç düşüşü
ile ters orantılı olarak değişir. Basınç düşüşünün az olması için, havanın akış
doğrultusundaki depo uzunluğunun kısa, parçacıklar arasındaki boşlukların fazla ve
parçacıkların üniform büyüklükte olması gerekir. Isı geçişinin fazla olması için ise,
ısı taşınım yüzeyinin büyük, yani belli bir hacimdeki depoda bulunan parçacıkların
sayısı fazla ve havanın depo içindeki akış mesafesi büyük olmalıdır. Pratikte, basınç
düşüşünün 3-12 mm su sütünü aralığı için, 2 cm ila 4 cm çapında çakıl taşları
kullanılır. Yüksekliği 1,5-2 m olan silindirik depolar seçilir. Hava debisi 0,6 ile 4
/s- mertebesindedir.
Çakıl taşı depolarında, akışın ve ısı taşınım katsayısının analizi, daha ziyade,
küresel parçacıklar göz önüne alınarak yapılır. Depo hacmi ve parçacıkların toplam
hacmi sıra ile ve olmak üzere, boşluk oranı (boşluk hacminin depo hacmine
oranı)
(2.4)
ve parçacıkların toplam yüzey alanı
( )
(2.5)
yazılabilir. Burada, d parçacıkların çapıdır.
Handley ve Heggs (1968), depo içindeki ısı taşınım katsayısının tayininde,
küresel parçacıklar için Nusselt sayısını
( )
(2.6)
bağıntısıyla vermişlerdir. Löf ve Hawley (1948), farklı şekillerdeki N adet parçacık
için eşdeğer küresel çap
{
}
(2.7)
31
ve deponun kesit alanı olmak üzere, hacimsel ısı taşınım katsayısı (W/ )
için, (kg/s) havanın debisi olmak üzere,
{
}
(2.8)
şeklindeki ampirik bağıntıyı teklif etmişlerdir.
Depo içindeki basınç düşüşü ise, depo yüksekliği (akış doğrultusunda) L
olmak üzere
( )
(
) (2.9)
bağıntısından hesaplanabilmektedir (Kreith ve Kreider, 1978). Burada, ρ havanın
yoğunluğu ve havanın debisidir.
Çakıl taşlı ısı deposundaki sıcaklığın değişimi, radyal yöndeki sıcaklık
gradyeni ihmal edilerek, karıştırılmamış su depolarında olduğu gibi, depo K adet
bölmeye ayrılarak her bölme için nümerik çözümle bulunabilir. Bir bölmenin
yüksekliği ise, k ıncı bölmede çakıl taşları için enerji dengesi
( )
( ) (2.10)
şeklinde yazılabilir. Burada, göz önüne alınan bölmedeki çakıl taşı kütlesi, ve
sıra ile havanın ve çakıl taşlarının sıcaklığıdır. Diğer taraftan havanın ısı
kapasitesi ihmal edilerek, hava için enerji dengesi
( ) ( ) ( ) (2.11)
yazılabilir ki, buna göre (3.10) denkleminden
( )
( ) ( ) (2.12)
elde edilir.
Isı taşınım katsayısının büyük değerlerinde havanın sıcaklığıyla çakıl
taşlarının sıcaklığı birbirine çok yakındır. Biot sayısının (Bi k,k çakıl
taşlarının ısı iletim katsayısı) 0,1 den küçük değerlerinde alınabilmektedir.
Böylece, (2.12) denklemi yerine yaklaşık
( )
( ) ( ) (2.13)
denklemi yazılabilmektedir. Son denklemin zamana bağlı nümerik çözümü, (2.1)
denklemlerine benzer şekilde yazılarak, yapılabilir.
Hissedilir ısı depolamasının çok geniş uygulamaları alanları mevcuttur. Çakıl
taşı ve su dışında, bakır parçacıkları, talaşlar ve matris tipi elemanlarla da yapılan ısı
depolarına rastlamak mümkündür.
32
2.2.4 GİZLİ ISI DEPOLAMASI
Maddelerin, faz değişimi sırasında iç enerjilerindeki artış ile sabit sıcaklıkta ısı
depolamasıdır. Bütün maddeler faz değiştirebilir, fakat birçok maddenin faz değişimi
arzulanan sıcaklıkta değildir. Gizli ısı depolamasında kullanılan maddelerin;
Fiyatı ucuz,
Kolay temin edilebilir,
Yanıcı, alevlenici ve korrozif değil,
Faz değiştirme sıcaklığı arzulanan mertebede,
Gizli ısısı yüksek,
Isıl genleşme katsayısı küçük,
Isı yayılım ve ısı iletim katsayıları yüksek,
Faz değişiminde hacim değişimi az, olmalıdır.
Faz değiştiren maddelerle belli bir miktardaki ısının depolanabilmesi için
gerekli hacim, aynı ısıyı su ve çakıl taşlarıyla depolamak için gerekli hacimden çok
küçüktür. Diğer bir avantajı da, depodan ısı çekilmesi sırasında depo sıcaklığının
yaklaşık sabit kalmasıdır. Fakat, çakıl taşı ve suya göre çok daha pahalıdır.
Sıvı-Buhar faz değişiminde, sabit basınçta hacim çok arttığından veya sabit
hacimde basınç çok arttığından, ısı depolamasında fazla tercih edilmez. Bu tür ısı
depolamasına daha ziyade soğutma sistemlerinde rastlanmaktadır ve çift depo
kullanılmaktadır. Madde, deponun birisinde sıvı fazında diğerinde buhar fazında
bulunur. Yutmalı-soğutma sistemindeki su-amonyak karışımı bu tip depolamaya
örnek olarak gösterilebilir.
Gizli ısı depolamasında, daha ziyade, katı-sıvı faz değişiminde yararlanılır.
Güneş enerjisinin depolandığı, düşük sıcaklıkta faz değiştiren bazı maddeler ve ısıl
özellikleri Tablo 2.4’de verilmiştir.
33
Tablo 2.4 Düşük sıcaklıkta faz değiştiren bazı maddeler
Te hks ρk ρS cpk cps kk ks
(C) kJ/kg k/m3 kJ/kg-K U/m-K
Buz 0 335 920
1000
5.27 4.22 0.62 0.26
Glauber Tuzu 32 225 1460
1330
1.76 3.30 2.25
CaCl2.6H2O 27 190 1800
1560
1.46 2.13 1.09 0.54
Parafin(Mum) 47 209 820
770
2.89 2.51 0.14
Na2S2O4.5H2O 48 209 1650 1.46 2.38 0.57
MgCl2.6H2O 120 169 1560 1.59 2.24
Polietilen 132 230 960
900
2.50 2.50 0.36 0.36
NaNO3 307 181 2260
1900
1.88 1.84 0.57 0.61
NaOH 318 315 2030
1760
2.00 2.09 0.92 0.92
Eriyerek faz değiştiren maddelerle, gizli ısı depolaması yanında hissedilir ısı
depolaması da yapılır. Eritme sıcaklığı olan bir maddenin katı haldeki sıcaklığı
ve sıvı haldeki sıcaklığı ise, katı halden sıvı hale geçen bir maddenin depoladığı
ısı miktarı,
( ) ( ) (2.14)
dir. Burada, m maddenin kütlesi, erime gizli ısısıdır.
Su düşük sıcaklıkta eridiğinden, gizli ısı depolamasından fazla yararlanılmaz.
Kalsiyum ve sodyum tuzlarının erime sıcaklıkları 30 ila 50⁰C arasındadır. Kalsiyum
klorid hekzahidrat ( ), sodyum karbonat dekahidrat ( ),
sodyum sülfat dekahidrat ( ) ve disodyum fosfat dodekahidrat
( ) ve sodyum disülfat pentahidrat ( ) en çok
bilinenlerdendir. Bunlar içerisinde de en çok kullanılan Glauber tuzu olarak tanınan
sodyum sülfat dekahidrat ( ) dır. Glauber tuzunun tercih edilmesinin
34
sebebi, gizli ısısının yüksek ve diğerlerine göre çok ucuz olmasındandır. 32⁰C
sıcaklıkta,
şeklinde ve ya ayrışır. Katılaşırken 225 kj/kg ısı açığa çıkar. İçerisine
% 3-4 oranında boraks ilavesiyle erime sıcaklığı 1-2⁰C düşürebilmektedir.
Gizli ısı depolamasında yaygın kullanılan maddelerden birisi de parafinlerdir.
Erime sıcaklığı arzulanan mertebelere indirilebilmesine rağmen yanıcı olması
sebebiyle özel tedbirler alınarak kullanılabilmektedir. Plastik ve bakır gibi bazı
maddelere korozyon etkisi vardır. Eridiği zaman hacmi % 20 oranında artar.
Düşük sıcaklıkta ısı depolamasında kullanılan faz değiştiren maddelerin ısı
iletim katsayıları küçük olduğundan depoya uygun şeklin verilmesine dikkat
edilmelidir. Depo içindeki maddenin iç kısmının eriyebilmesi ( veya katılaşabilmesi)
için depo kesitinin çok küçük ve yüzeyinin büyük olması gerekir. Ayrıca korozyona
ve sızdırmaya karşıda tedbir alınmalıdır. Glauber tuzu için plastik depolar uygundur.
Diğer taraftan, depo hacmi hesaplanırken, maddenin katı ve sıvı haldeki özellikleri
göz önüne alınmalıdır.
Tablo 2.5 İnorganik maddeler
BİLEŞİK ERİME
SICAKLIĞI (⁰C)
FÜZYON ISISI
(kj/kg)
ISIL İLETKENLİK (W/m K)
YOĞUNLUK (kg/m³)
ÖTEKTİK
H₂O 0 333 0,612 (sıvı, 20⁰C) 998 (sıvı, 20⁰C)
334 0,61 (30⁰C) 996 (30⁰C) Hayır
917 (katı, 0⁰C)
LiCIO₃ . 3H₂O 8,1 253 ? 1720 Hayır
ZnCI₂ . 3H₂O 10 ? ? ? Hayır
K₂HPO₄ . 6H₂O 13 ? ? ? Hayır
NaOH . 3⅟₂H₂O 15 ? ? ? Hayır
15,,4
Na₂CrO₄ . 10H₂O 18 ? ? ? Hayır
KF . 4H₂O 18,5 231 ? 1447 (sıvı, 20⁰C)
1455 (katı, 18⁰C) Hayır
1480
Mn(NO₃)₂ . 6H₂O 25,8 125,9 ? 1738 (sıvı, 20⁰C)
1728 (sıvı, 40⁰C) Hayır
1795 (katı, 5⁰C)
CaCI₂ . 6H₂O 29 190,8 0,540 (sıvı, 38,7⁰C) 1562 (sıvı, 32⁰C)
29,2 171 0,561 (sıvı, 61,2⁰C) 1496 (sıvı)
29,6 174,4 1,088 (katı, 23⁰C) 1802 (katı, 24⁰C) Hayır
35
29,7 192 1710 (katı, 25⁰C)
30 1634
29-39 1620
LiNO₃ . 3H₂O 30 296 ? ? Hayır
Na₂SO₄ . 10H₂O 32,4 254 0,544 1485 (katı)
32 251,1 1458 Hayır
31-32
Na₂CO₃ . 10H₂O 32-36 246,5 ? 1442 Hayır
33 247
CaBr₂ . 6H₂O 34 115,5 ? 1956 (sıvı, 35⁰C) Hayır
2194 (katı, 24⁰C)
Na₂HPO₄ . 12H₂O 35,5 265 ? 1522
36 280 Hayır
35 281
35,2
Zn(NO₃)₂ . 6H₂O 36 146,9 0,464 (sıvı, 39,9⁰C) 1828 (sıvı, 36⁰C)
36,4 147 0,469 (sıvı, 61,2⁰C) 1937 (katı, 24⁰C) Hayır
2065 (katı, 14⁰C)
KF . 2H₂O 41,4 ? ? ? Hayır
K(CH₃COO) . 1⅟₂H₂O 42 ? ? ? Hayır
K₃PO₄ . 7H₂O 45 ? ? ? Hayır
Zn(NO₃)₂ . 4H₂O 45,5 ? ? ? Hayır
Ca(NO₃)₂ . 4H₂O 42,7 ? ? ? Hayır
47
Na₂HPO₄ . 7H₂O 48 ? ? ? Hayır
Na₂S₂O₃ . 5H₂O 48 201 ? 1600 (katı)
48-49 209,3 1666 Hayır
187
Zn(NO₃)₂ . 2H₂O 54 ? ? ? Hayır
NaOH . H₂O 58 ? ? ? Hayır
Na(CH₃COO) . 3H₂O 58 264 ? 1450 Hayır
58,4 226
Cd(NO₃)₂ . 4H₂O 59,5 ? ? ? Hayır
Fe(NO₃)₂ . 6H₂O 60 ? ? ? Hayır
NaOH 64,3 227,6 ? 1690 Hayır
Na₂B₄O₇ . 10H₂O 68,1 ? ? ? Hayır
Na₃PO₄ . 12H₂O 69 ? ? ? Hayır
Na₂P₂O₇ . 10H₂O 70 184 ? Hayır
Ba(OH)₂ . 8H₂O 78 265,7 0,653 (sıvı, 85,7⁰C) 1937 (sıvı, 84⁰C)
267 0,678 (sıvı, 98,2⁰C) 2070 (katı, 24⁰C) Hayır
280 1,255 (katı, 23⁰C) 2180 (katı)
AIK(SO₄)₂ . 12H₂O 80 ? ? ? Hayır
Kal(SO₄)₂ . 12H₂O 85,8 ? ? ? Hayır
36
AI₂(SO₄)₃ . 18H₂O 88 ? ? ? Hayır
AI(NO₃)₃ . 8H₂O 89 ? ? ? Hayır
Mg(NO₃)₂ . 6H₂O 89 162,8 0,490 (sıvı, 95⁰C) 1550 (sıvı, 94⁰C)
90 149,5 0,502 (sıvı, 110⁰C) 1636 (katı, 25⁰C) Hayır
0,611 (katı, 37⁰C) 1640
0,669 (katı,
55,6⁰C)
(NH₄)AI(SO₄) . 6H₂O 95 269 ? ? Hayır
Na₂S . 5⅟₂H₂O 97,5 ? ? ? Hayır
CaBr₂ . 4H₂O 110 ? ? ? Hayır
AI₂(SO₄)₃ . 16H₂O 112 ? ? ? Hayır
MgCI₂ . 6H₂O 117 168,6 0,570 (sıvı, 120⁰C) 1450 (sıvı, 120⁰C)
115 165 0,598 (sıvı, 140⁰C) 1442 (sıvı, 78⁰C) Hayır
0,694 (katı, 90⁰C) 1569 (katı, 20⁰C)
0,704 (katı, 110⁰C) 1570 (katı, 20⁰C)
Mg(NO₃) . 2H₂O 130 ? ? ? Hayır
NaNO₃ 307 172 0,5 2260
308 174 2257 Hayır
199
KNO₃ 333 266 0,5 2,11 Hayır
336 116
KOH 380 149,7 0,5 2,044 Hayır
MgCI₂ 714 452 ? 2140 Hayır
NaCI 800 492 5 2160 Hayır
802 466,7
Na₂CO₃ 854 275,7 2 2,533 Hayır
KF 857 452 ? 2370 Hayır
K₂CO₃ 897 235,8 2 2,29 Hayır
66,6% CaCI₂ . 6H₂O + 25 127 ? 1590 Evet
33,3% MgCI₂ . 6H₂O
48%CaCI₂ + 4,3%NaCI + 26,8 188 ? 1640 Evet
0,4%KCI + 47,3%H₂O
47%Ca(NO₃)₂ . 4H₂O + 30 136 ? ? Evet
33%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O
60%Na(CH₃COO) . 3H₂O + 31,5 226 ? ? Evet
40%CO(NH₂)₂ 30 200,5
61,5%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O + 52 125,5 0,494 (sıvı, 65,0⁰C) 1515 (sıvı, 65⁰C)
38,5%NH₄NO₃ 0,515 (sıvı, 88,0⁰C) 1596 (katı, 20⁰C) Evet
0,552 (katı,
36,0⁰C)
58,7%Mg(NO₃) .6H₂O + 59 132,2 0,510 (sıvı, 65,0⁰C) 1550 (sıvı, 50⁰C)
41,3MgCI₂ . 6H₂O 58 132 0,565 (sıvı, 85,0⁰C) 1630 (katı, 24⁰C) Evet
0,678 (katı,
38,0⁰C)
37
0,678 (katı,
53,0⁰C)
53%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O + 61 148 ? ? Evet
47%AI(NO₃)₂ . 9H₂O
14%LiNO₃ + 72 >180 ? 1590 (sıvı) Evet
86%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O 1610 (katı)
66,6%urea + 33,4%NH₄Br 76 161 0,331 (sıvı, 79,8⁰C) 1440 (sıvı, 85⁰C)
0,324 (sıvı, 92,5⁰C) 1548 (katı, 24⁰C) Evet
0,649 (katı,
39,0⁰C)
0,682 (katı, 65⁰C)
11,8%NaF + 54,3%KF + 449 ? ? 2160 (sıvı) Evet
26,6LiF + 7,3%MgF₂
35,1%LiF + 38,4%NaF + 615 ? ? 2225 (sıvı) Evet
26,5%CaF₂ 2820 (katı)
32,5%LiF + 50,5%NaF + 632 ? ? 2105 (sıvı) Evet
17,0%MgF₂ 2810 (katı)
51,8%NaF + 34,0%CaF + 645 ? ? 2370 (sıvı) Evet
14,2%MgF₂ 2970 (katı, 25⁰C)
48,1%LiF + 51,9%NaF 652 ? ? 1930 (sıvı) Evet
2720 (katı, 25⁰C)
63,8%KF + 27,9%NaF + 685 ? ? 2090 (sıvı) Evet
8,3%MgF₂
45,8%LiF + 54,2%MgF₂ 746 ? ? 2305 (sıvı) Evet
2880 (katı, 25⁰C)
53,6%NaF + 28,6%MgF₂ + 809 ? ? 2110 (sıvı) Evet
17,8%KF 2850 (katı, 25⁰C)
66,9%NaF + 33,1%MgF₂ 832 ? ? 2190 (sıvı) Evet
2940 (katı, 25⁰C)
H₂O + polyacrylamid 0 292 0,486 (30⁰C) 1047 (30⁰C) Hayır
%50Na(CH₃COO) . 3H₂O + 40,5 255 ? ? Hayır
50%HCONH₂
Mg(NO₃)₂ . 6H₂O / 55,5 ? ? ? Hayır
Mg(NO₃)₂ . 2H₂O
KOH . H₂O / KOH 99 ? ? Hayır
68,1%KCI + 31,9%ZnCI₂ 235 198 ? 2480 Hayır
38,5%MgCI + 61,5%NaCI 435 328 ? 2160 Hayır
Salt-ceramics NaCO₃ - 500-850 415,4 5 2,6 Hayır
BaCO₃ / MgO
38
Tablo 2.6 Organik maddeler
BİLEŞİK ERİME
SICAKLIĞI (⁰C)
FÜZYON ISISI (kj/kg)
ISIL İLETKENLİK (W/m K)
YOĞUNLUK (kg /m³)
ÖTEKTİK
Parafin C₁₄ 4,5 165 ? ? Hayır
Parafin C₁₅-C₁₆ 8 153 ? ? Hayır
Polyglycol E400 8 99,6 0,187 (sıvı,
38,6⁰C) 1125 (sıvı, 25⁰C) Hayır
0,185 (sıvı,
69,9⁰C) 1228 (katı, 3⁰C)
Dimethyl-sulfoxide (DMS) 16,5 85,7 ?
1009 (katı ve sıvı ) Hayır
Parafin C₁₆-C₁₈ 20-22 152 ? ? Hayır
Polyglycol E600 22 127,2 0,189 (sıvı,
38,6⁰C) 1126 (sıvı, 25⁰C) Hayır
0,187 (sıvı,
67,0⁰C) 1232 (katı, 4⁰C)
Paraffin C₁₃-C₂₄ 22-24 189 0,21 0,760 (sıvı,
70⁰C) Hayır
0,900 (katı,
20⁰C)
1-Dodecanol 26 200 ? ? Hayır
Paraffin C₁₈ 28 244 0,148 (sıvı, 40⁰C) 0,774 (sıvı,
70⁰C)
27,5 243,5 0,15 (katı) 0,814 (katı,
20⁰C) Hayır
0,358 (katı, 25⁰C)
1-Tetradecanol 38 205 Hayır
Paraffin C₁₆-C₂₈ 42-44 189 0,21 (katı) 0,765 (sıvı,
70⁰C) Hayır
0,910 (katı,
20⁰C)
Paraffin C₂₀-C₃₃ 48-50 189 0,21 (katı) 0,769 (sıvı,
70⁰C) Hayır
0,912 (katı,
20⁰C)
Paraffin C₂₂-C₄₅ 58-60 189 0,21 (katı) 0,795 (sıvı,
70⁰C) Hayır
0,920 (katı,
20⁰C)
Paraffin wax 64 173,6 0,167 (sıvı,
63,5⁰C) 790 (sıvı, 65⁰C)
266 0,346 (katı,
33,6⁰C) 916 (katı, 24⁰C) Hayır
0,339 (katı,
45,7⁰C)
Polyglycol E6000 66 190 ? 1085 (sıvı, 70⁰C) Hayır
1212 (katı, 25⁰C)
39
Paraffin C₂₁-C₅₀ 66-68 189 0,21 (katı) 0,830 (sıvı,
70⁰C) Hayır
0,930 (katı,
20⁰C)
Biphenyl 71 119,2 ? 991 (sıvı, 73⁰C) Hayır
1166 (katı, 24⁰C)
Propionamide 79 168,2 ? ? Hayır
Naphthalene 80 147,7 0,132 (sıvı,
83,8⁰C) 976 (sıvı, 84⁰C)
0,341 (katı,
49,9⁰C) 1145 (katı, 20⁰C) Hayır
0,310 (katı,
66,6⁰C)
Erythritol 118 339,8 0,326 (sıvı,
140⁰C) 1300 (sıvı,
140⁰C) Hayır
0,733 (katı, 20⁰C) 1480 (katı, 20⁰C)
HDPE 100-150 200 ? ? Hayır
Trans-1,4-polybutadiene 145 144 ? ? Hayır
(TPB)
37,5%Urea + 63,5% 53 ? ? ? Evet
acetamide
67,1%Naphthalene + 67 123,4 0,136 (sıvı,
78,5⁰C) ?
32,9%benzoic acid 0,130 (sıvı,
100⁰C) Evet
0,282 (katı, 38⁰C)
0,257 (katı, 52⁰C)
Tablo 2.7 Ticari maddeler
FAZ DEĞİŞTİREN MADDELER
ÜRÜN CİNSİ ERİME
SICAKLIĞI (⁰C)
FÜZYON ISISI (kj/kg)
YOĞUNLUK (kg/m³)
KAYNAK
SN33 Tuz Solüsyonu -33 245 1,24 Cristopia
TH-31 bilinmiyor -31 131 ? TEAP
SN29 Tuz Solüsyonu -29 233 1,15 Cristopia
SN26 Tuz Solüsyonu -26 268 1,21 Cristopia
TH-21 bilinmiyor -21 222 ? TEAP
SN21 Tuz Solüsyonu -21 240 1,12 Cristopia
STL-21 Tuz Solüsyonu -21 240 1,12 Mitsubishi Chemical
SN18 Tuz Solüsyonu -18 268 1,21 Cristopia
TH-16 bilinmiyor -16 289 ? TEAP
STL-16 bilinmiyor -16 ? ? Mitsubishi Chemical
SN15 Tuz Solüsyonu -15 311 1,02 Cristopia
SN12 Tuz Solüsyonu -12 306 1,06 Cristopia
40
STLN10 Tuz Solüsyonu -11 271 1,05 Mitsubishi Chemical
SN10 Tuz Solüsyonu -11 310 1,11 Cristopia
TH-10 bilinmiyor -10 283 ? TEAP
STL-6 Tuz Solüsyonu -6 284 1,07 Mitsubishi Chemical
SN06 Tuz Solüsyonu -6 284 1,07 Cristopia
TH-4 bilinmiyor -4 286 ? TEAP
STL-3 Tuz Solüsyonu -3 328 1,01 Mitsubishi Chemical
SN03 Tuz Solüsyonu -3 328 1,01 Cristopia
ClimSel C 7 bilinmiyor 7 130 ? Climator
RT5 Paraffin 9 205 ? Rubitherm GmbH
ClimSel C 15 bilinmiyor 15 130 ? Climator
ClimSel C 23 Tuz Hidrat 23 148 1,48 Climator
RT25 Paraffin 26 232 Rubitherm GmbH
STL27 Tuz Hidrat 27 213 1,09 Mitsubishi Chemical
S27 Tuz Hidrat 27 207 1,47 Cristopia
RT30 Paraffin 28 206 ? Rubitherm GmbH
TH29 Tuz Hidrat 29 188 ? TEAP
ClimSel C 32 Tuz Hidrat 32 212 1,45 Climator
RT40 Paraffin 43 181 ? Rubitherm GmbH
STL47 Tuz Hidrat 47 221 1,34 Mitsubishi Chemical
ClimSel C 48 bilinmiyor 48 227 1,36 Climator
STL52 Tuz Hidrat 52 201 1,3 Mitsubishi Chemical
RT50 Paraffin 54 195 ? Rubitherm GmbH
STL55 Tuz Hidrat 55 242 1,29 Mitsubishi Chemical
TH58 bilinmiyor 58 226 ? TEAP
ClimSel C 58 bilinmiyor 58 259 1,46 Climator
RT65 Paraffin 64 207 Rubitherm GmbH
ClimSel C 70 bilinmiyor 70 194 1,7 Climator
PCM72 Tuz Hidrat 72 ? ? Merck KgaA
RT80 Paraffin 79 209 ? Rubitherm GmbH
TH89 bilinmiyor 89 149 ? TEAP
RT90 Paraffin 90 197 ? Rubitherm GmbH
RT110 Paraffin 112 213 ? Rubitherm GmbH
41
Tablo 2.8 Isı depolama için organik ve inorganik maddelerin karşılaştırılması
ORGANİK İNORGANİK
Avantajları Avantajları
Korozif değildir. Entalpi faz değişimi fazladır.
Düşük ve aşırı soğuma.
Kimyasal ve termal kararlılık.
Dezavantajları Dezavantajları
Entalpi faz değişimi düşüktür. Aşırı soğuma.
Isıl iletkenliği düşüktür. Korozyon.
Yanabilir. Faz ayrışması.
Faz ayrımı, termal kararlılık yok.
2.3 GÜNEŞ AÇILARI VE ATMOSFER DIŞINDA GÜNEŞ IŞINIMI
2.3.1 GÜNEŞ AÇILARI
Dünya üzerindeki bir noktaya nazaran güneşin gökyüzündeki konumu gün ve
yıl boyunca değişir. Gökteki yıldızların ve güneşin konumunu tayin etmekte, çok
büyük yarıçaplı bir küre üzerinde noktalar şeklinde bulundukları kabul edilerek, “gök
küre” denilen bu küreden faydalanılır. Burada, güneşin yeryüzünde bir noktaya
nazaran hareketini takip etmekte, dünya merkezinin merkez olduğu gök küre-ekvator
sistemi kullanılacaktır Şekil 2.4’de Gök küre üzerinde güneşin yeri ve yeryüzündeki
noktaya göre hareketi “güneş açıları ile tayin edilir.
42
Şekil 2.4 Gök küre üzerinde önemli görüş açıları.
2.3.1.1 Esas Güneş Açıları:
Yeryüzündeki bir N noktasına gelen direkt güneş ışınımı doğrultusu, eğer o
yerin enlemini (ф), saat açısı (ω) ve güneşin deklinasyon açısı (δ) biliniyorsa tayin
edilebilir. Bu açılara esas güneş açıları denir.
Enlem açısı, ф: Göz önüne alınan yeri (N) dünya merkezine (M) birleştiren
doğrunun dünyanın ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Şekil 2.4’de NMN’ açısıdır.
Ekvatordan itibaren kuzeye doğru (+) işareti ve güneye doğru (-) işareti ile ölçülür.
Tabii ki kuzey kutbu için +90⁰ (K), güney kutbu için -90⁰ (G) olur. Bu kitapta, ayrıca
K ile kuzey yarımküre ve G ile güney yarım küre belirtilecektir.
Saat açısı, ω: Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneşi dünya merkezine
birleştirilen doğrunun, yani güneş ışınlarının belirttiği boylam (güneş boylamı
denilebilir) arasındaki açıdır. Tabii ki güneşin ve göz önüne alınan noktanın ekvator
düzlemindeki izdüşümleri alınırsa; Şekil 2.4’de NMG’ açısı saat açısıdır. Saat açısı,
güneş boylamının göz önüne alınan yerin boylamı ile aynı olduğu “güneş öğlesi”
nden itibaren ölçülür; öğleden önceleri (-), öğleden sonraları (+) işareti alınır.
Bilindiği gibi, her 15 saat açısı (boylam farkı) zaman olarak 1 saate tekabül eder.
43
Deklinasyon açısı, δ: Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Şekil
2.4’de GMG’ açısıdır. Bu açı dünyanın dönme ekseninin, yörünge düzlemine
normali ile yaptığı açı 23⁰ 27’ lık açıdan ileri gelir. Ekinoks noktalarında (21 Mart
ilkbahar ekinoksu (K), 22 Eylül sonbahar ekinoksu (K)) deklinsayon açısı sıfır olur
ve gün dönümü noktalarında (21 Haziran yaz gündönümünde 23.45⁰ ve 22 Aralık kış
gündönümünde -23.45⁰) mutlak değerce maksimum olur. Deklinasyon açısının yıl
boyunca değişimi Şekil 2.4’de görülmektedir. Dünyanın güneş etrafındaki dönmesi
bir yılda (365 günde) tamamlanmadığından deklinasyon açısı aynı bir günde seneden
seneye çok az değişirse de pratik olarak belirli bir günde sabit kabul edilebilir.
Deklinasyon açısının belirli bir yıldaki tam değerleri yıllıklarda verilir. Tablo 2.9’de
deklinasyon açısının değişik yıllarda aynı günlerdeki değerleri görülmektedir.
Deklinasyon açısı, n, 1 Ocaktan itibaren gün sayısı olmak üzere
(
) (2.15)
ampirik Cooper (1969) formülü ile büyük bir doğrulukta bulunabilir. Lunde (1980)
ise (2.15) denklemi yerine deklinasyon açısının
(
) (2.16)
denklemi ile daha doğru hesaplanacağını ileri sürmektedir. Yine Tablo 2.9’de her iki
denklemle her ayın 1 i için hesaplanan değerlerde görülmektedir. Deklinasyon
açısının hesaplanabileceği başka ampirik denklemlerde vardır.
Tablo 2.9 Deklinasyon açısının ölçülen ve hesaplanan değerleri
ÖLÇÜLEN HESAPLANAN
1950
Coffari(1977)
1976
Thekaekara (1977)
(2.15)
denk.
(2.16)
denk.
Ocak -23,07 -23,09 -23,01 -22,84
Şubat -17,32 -17,4 -17,52 -17,07
Mart -7,88 -7,62 -8,29 -7,81
Nisan 4,23 4,51 4,02 4,35
Mayıs 14,83 15,04 14,9 15,04
Haziran 21,97 22,04 22,04 22,04
Temmuz 23,17 23,12 23,12 23,15
Ağustos 18,14 18,04 17,91 18,12
Eylül 8,58 8,32 7,72 8,17
Ekim -2,53 -3,15 -4,22 -3,57
Kasım -14,11 -14,4 -15,36 -14,73
Aralık -21,41 -21,79 -22,11 -21,76
44
Çoğu zaman aylık ortalama deklinasyon açısına ihtiyaç duyulur. Her ayın
belirli bir gününde aynı denklemlerle hesaplanan deklinsayon açısı iyi bir yaklaşımla
aylık ortalama değerleri verir. Genellikle güneş ışınımı hesapları, bir ayın bütün
günleri yerine, aylık ortalama değeri için, ortalama deklinsayon açısına tekabül eden
günde yapılır. Bunun içinde aylık ortalama deklinsayon açısının bilinmesi gerekir.
Her iki denklem için ortalama güne tekabül eden günler, gün sayıları ve
ortalama deklinasyon açıları Tablo 2.10’de verilmiştir.
Tablo 2.10 Aylık ortalama deklinasyon açısını veren günler
(2.15) denk. için (2.16) denk. için
gün n δ gün n δ
Ocak 17 17 -20,92 17 17 -20,57
Şubat 16 47 -13,29 15 46 -12,8
Mart 16 75 -2,42 17 76 -1,59
Nisan 15 105 9,41 15 105 9,66
Mayıs 15 135 18,79 15 135 18,85
Haziran 11 162 23,09 11 162 23,08
Temmuz 17 198 21,18 18 199 21,12
Ağustos 16 228 13,45 17 229 13,46
Eylül 15 258 2,22 15 258 2,78
Ekim 15 288 -9,6 15 288 -8,93
Kasım 14 318 -18,91 14 318 -18,37
Aralık 10 344 -23,05 12 346 -23
2.3.1.2 Türetilen Güneş Açıları:
Yatay ve eğik bir düzleme gelen güneş ışınımının hesaplanmasında düzlemle
ve güneş ışınlarının doğrultusu ile ilgili açılardan yararlanılır. Zenit açısı (z), güneş
yükseklik açısı (y), güneş azimut açısı ( ) gibi açılara türetilen güneş açıları
denilmektedir.
Zenit açısı, ( ): Direkt güneş ışınlarının (güneşin doğrultusunun) yatay düzlemin
normali ile yaptığı açıdır (Şekil 2.4). Diğer bir deyişle güneş ışınlarının yatay
düzleme geliş açısıdır. Yatay düzleme güneş ışınları dik geldiği zaman =0⁰ dir
(güneş zenitte iken) ve güneşin doğuşunda ve batışında =90⁰ olur. Şekil 2.5’de
yatay koordinat sisteminde de zenit açısı ayrıca gösterilmiştir.
45
Güneş yükseklik açısı, ( ): Direkt güneş ışınlarının yatay düzlemle yaptığı açıdır.
Açıkça görüldüğü gibi, yükseklik açısı zenit açısını 90⁰ ye tamamlar, böylece sin
=cos olur.
Güneş azimut açısı, ( ): Güneşin doğrultusunun tam bilinmesi için, kutupsal
kordinat sisteminde, azimut açısına da ihtiyaç duyulur. Güneşin azimut açısı burada
güneyden batıya doğru (+), doğu tarafına (-) olarak alınacaktır (Şekil 2.5).
Şekil 2.5 Yatay koordinat sisteminde türetilen Güneş açıları.
Böylece yatay koordinat sistemince zenit (veya yükseklik) açısı ile güneş
doğrultusu tayin edilebilir. Bu bakımdan bu açıların esas güneş açıları cinsinden
bilinmesi gereklidir.
Koordinat sistemi (kutupsal koordinat sistemi), Şekil 2.4’de gök kürede
görüldüğü gibi, ve eksenleri, sıra ile, ekvator düzleminde göz önüne alınan
yerin boylamı doğrultusunda olmak üzere dünyanın merkezinde alınarak bu
bağıntılar kolaylıkla bulunabilir.
Bir yerdeki yatay düzlemin normalinin doğrultu kosinüsleri
ve güneş ışınlarının doğrultu kosinüsleri
olduklarına göre, zenit açısının kosinüsü
46
(2.16)
olarak elde edilir.
Güneş azimut açısının bulunmasında küresel üçgenlerin kullanılması uygun
olur. Böylece
(2.17a)
veya trigonometrik bağıntıları kullanarak
(2.17b)
bulunur. Azimut açısının maksimum mutlak değeri, güneş doğuşunda ve batışında
deklinasyon açısına bağlı olarak 90⁰ civarında 90⁰ den büyük veya küçük olabilir.
Doğru değerlerin bulunmasına ve işaretine dikkat etmelidir.
Güneşin doğduğu ve battığı anlarda ışınlar yatay düzleme paralel gelir.
( =90⁰) ve cos 90⁰=0 olduğunda güneş doğuş (-) ve batış (+) saat açısı ω
(2.18)
denkleminde bulunur. Kutup dairelerinde güneşin batmadığı veya doğmadığı
zamanlarda (-tan ф tan δ) nin mutlak değeri 1 den büyük olur. Kuzey yarımkürede,
deklinasyon açısı negatif ve (-tan ф tan δ) 1 için güneş doğmaz ve, deklinasyon
açısı pozitif ve (-tan ф tan δ) 1 için güneş batmaz.
Gün uzunluğu, | | olduğundan (15⁰ saat açısı 1 saat zamana eşit)
( )
( )
( ) (2.19)
bağıntısından bulunabilir. Gün uzunluğu, ekvatorda (ф=0⁰) daima 12 saat olduğu
gibi δ=0⁰ olduğunda da her yerde 12 saattir. Kuzey yarımkürede deklinasyon açısının
pozitif değerlerinde kuzeye gidildikçe gün uzunluğu artar, deklinasyon açısının
negatif değerlerinde gün uzunluğu azalır.
2.3.1.3 Eğik yüzeyin açıları:
Eğik bir yüzeyin konumu yatay düzlemle yaptığı eğim açısı ( ) ve yüzeyin
normalinin yatay düzlemdeki izdüşümünün güneyden batıya doğru (+) ölçüldüğü
yüzey azimut açısı ( ) ile belirlenir (Şekil 2.6). Eğik düzlemin normalinin yatay
düzleminin normali üzerindeki izdüşümü cos ve yatay düzlem üzerindeki
izdüşümü sin dir. Buna göre, yatay koordinat sistemindeki (xyz) doğrultu
kosinüsleri,
olur. Kutupsal koordinat sisteminde, eğik düzlemin normalinin doğrultu kosinüsleri,
47
elde edilir.
Şekil 2.6 Eğik yüzey açıları
Güneş geliş açısı, : güneş doğrultusunun herhangi bir eğik düzlemin normali ile
yaptığı açıdır. Güneş ışınlarının kutupsal koordinatlara göre doğrultu kosinüsleri
olduğuna göre,
(2.20)
bulunur. Bu son denklemde =0 alınırsa, olur ve (2.17) denklemi elde edilir.
Yüzey azimut açısı =0 alınırsa güneye doğru eğik düzleme güneş ışınımının geliş
açısı
( ) ( ) (2.21)
bulunur. Diğer bir durumda =90⁰ olan dik düzlem için,
(2.22)
ve buradan da güneye bakan dik düzlem için ( =0) için
(2.23)
neticesine varılır.
48
Herhangi bir düzleme güneş ışınlarının ilk gelişi, gün doğuşu veya düzleme
paralel geldiği ilk an, son gelişi ise gün batışı veya paralel geldiği son andır (Şekil
2.7).
Şekil 2.7 Eğik düzleme güneş ışınlarının ilk gelişi ve son düşüşü
Güneş ışınları yüzeye paralel geldiği zaman g=90⁰ olduğundan (2.20) denkleminden
( )
( ) (2.24)
olmak üzere,
yazılabilir. Diğer taraftan alıp
şeklinde tanjant dönüşümü yapılarak elde edilen
( ) ( ) (2.25)
denkleminde
( ) (2.26)
ve son denklemden
(2.27)
çözümleri elde edilir. Böylece güneş ışınlarının yüzeye paralel geldiği saat açıları
olmak üzere
(2.28a)
(2.28b)
olarak bulunur. Güneş ışınının düzleme paralel geldiği güneş doğmadan önce veya
güneş battıktan sonra olabilir. Bu sebeple güneş ışınının eğik düzleme paralel geliş
saat açısı mutlak değerce gün doğuşu saat açısından daha büyükse, ilk geliş saat açısı
49
gün doğuşunda olur. Güneş öğlesinde (ω=0⁰) güneş geliş açısı ın kosinüsü (2.20)
denkleminden
(2.29)
bulunduğuna göre Tablo 2.11’de görüldüğü şekilde herhangi bir düzleme güneş
ışınının ilk geliş ve son düşüş saat açıları özetlenebilir.
Tablo 2.11 Eğik düzleme güneşin ilk geliş ve son düşüş saat açıları
Kuzey yarımkürede güneye bakan (a=0) eğik düzlem için (2.21) denkleminden
[ ( )] (2.30)
bulunur ki, buna göre güneye bakan eğik düzleme güneş ışınının ilk geliş ve son
düşüş saat açıları sırasıyla
( ) ( ) (2.31)
bulunur. Son denklemlerde δ için , ve δ için ,
yani kuzey yarımkürede güneye dönük eğik yüzeye güneş ışını kış
aylarında (δ ) gün doğuşu ve gün batışı arasında, yaz aylarında (δ ) yüzeye
paralel geldiği (gün doğuşu ve gün batışı arasında) zamanlarda gelmekte, eğik
düzleme güneş ışınının gelme süresi δ için
( ( )) (2.32)
ve δ için (2.19) bağıntısından verilen
( )
denkleminden bulunabilmektedir.
Güneş enerjili sistemlerin dizaynında, eğimli yüzeye gelen güneş ışınımı
önemli bir parametredir. Bu parametrenin hesaplanabilmesi için yatay yüzeye gelen
toplam, difüz ve direkt güneş ışınımı değerlerinin bilinmesi gereklidir.
Eğik yüzeye bir günde gelen güneş ışınımı ( );
(2.33)
Burada R faktörü, eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye
gelen toplam güneş ışınımına oranıdır. Liu ve Jordan tarafından difüz ve yansıyan
50
güneş ışınımı fonksiyonu olarak isotropic bir model geliştirilerek R faktörü aşağıdaki
şekilde tanımlanmıştır:
(
)
( )
( )
(2.34)
Yerin yansıtma oranı ( ), bitki örtüsüne, topografik yapıya ve kar durumuna
bağlı olarak değişir, ortalama 0,2 mertebesindedir. ise eğik düzlemin eğimidir.
faktörü ise yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme gelen
direkt güneş ışınımına oranıdır ve güneye dönük düzlemler için aşağıdaki şekilde
tanımlanır:
( )
( )
(2.35)
Burada;
{
( ( ) )} (2.36)
( ) (2.37)
olmaktadır.
Eğik yüzeye herhangi bir anda gelen toplam güneş ışınımının ( )
hesaplanması için aşağıdaki yöntem izlenir:
(2.38)
Burada;
(
)
( )
( )
(2.39)
olmaktadır. faktörü yatay düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımının, eğik
düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımına oranıdır. Güneye dönük yüzeyler için
aşağıdaki şekilde tanımlanır.
( ) ( )
(2.40)
Atmosfer Dışı Güneş Işınımı
Atmosfer dışında güneş ışınlarına dik birim alana bütün dalga boylarında bir
anda gelen güneş ışınımının değeri dünya-güneş mesafesi değiştiğinden sabit
değildir. Bunun için ortalama dünya-güneş uzaklığındaki güneş ışınımı değerinin
kullanılması hesaplamalarda kolaylık sağlar. Bu değere güneş sabiti denir. Bu değer
son yıllarda yapılan ölçümler ve hesaplamalar sonucunda %1 hata ile 1367 W/
olarak kabul edilmiştir.
51
Yeryüzüne gelen güneş ışınımı, atmosfer dışına gelen güneş ışınımı miktarına
dayanılarak bulunur. Güneş sabitinin günlere göre düzeltme faktörü (f), n yıl içindeki
gün sayısı (1-365) olmak üzere:
(
)
şeklinde tanımlanır.
Buna göre atmosfer dışında yatay yüzeye bir gün boyunca gelen güneş ışınımı
aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilmektedir.
(
) (
)
(2.41)
Burada:
W/ ,
, güneş batış saat açısı (cos tanф tanδ’dan bulunabilir),
Ф, hesaplama yapılan yerin enlem derecesi,
δ, deklinasyon açısı (dünya güneş doğrultusunun yerin ekvator düzlemi ile yaptığı
açı)’dır. Dünya güneş doğrultusu ekvator düzleminin kuzey tarafında ise deklinasyon
açısı pozitif kabul edilir. Deklinasyon açısı Cooper formülü ile hesaplanabilmektedir.
(
) (2.42)
Atmosfer dışında yatay yüzeye belli bir zaman aralığında gelen güneş ışınımı
aşağıdaki eşitlikle tanımlanır. Burada ve tanımlanan zaman aralığındaki saat
açılarıdır( ).
(
) [ ( )
( )
)] (2.43)
Yeryüzüne Ulaşan Güneş Işınımı
Güneş ışınları dünyaya gelirken morötesi, gamma ve x ışınlarını da ihtiva
ederek ulaşır. Fakat dünya atmosferini geçerken zararlı olan bu ışınların çoğu
yutulur. Atmosfer dışına gelen güneş ışınımı atmosferi geçerken atmosferde bulunan
parçacıklar tarafından tutularak azalır. Kalan güneş ışınımı (atmosferik ışınım)
atmosfer içindeki partikül, toz ve havadaki moleküller vasıtasıyla yansımaya uğrar ve
yönünün değişmesi ile saçılır ve binalar, dağlar, su yüzeylerinden yansımaya uğrar.
Güneş ışınımının bu bölümüne difüz güneş ışınımı, doğrudan yeryüzüne ulaşan
kısmına da direkt güneş ışınımı denir.
52
Güneş ışınımının enerji yoğunluğu oldukça düşüktür. Güneşli bir yaz gününde
optimum yöndeki 1 alana gelen enerji miktarı hemen, hemen 1 litre petrolün
verebileceği enerji miktarına eşittir. Bununla beraber yalnız dünyanın kara alanlarına
düşen güneş ışınımı ile elde edilecek enerji miktarı, dünyanın yıllık enerji
tüketiminden yaklaşık 2900 kat daha fazladır.
Güneş Işınımı Ölçümleri
Güneş ışınımı bileşenlerinin ölçümü için çeşitli cihazlar geliştirilmiştir. Bu
cihazlardan direkt, difüz ve yansıyan güneş ışınımı bileşenlerinin tümünü birden
ölçen cihazlara pirradyometre, toplam (direkt ve difüz) güneş ışınımı ölçen cihazlara
ise piranometre adı verilir. Sadece difüz güneş ışınımı ölçülmek isteniyorsa,
piranometrenin üzerine gelen direkt güneş ışınımı ölçer hale getirilir. Direkt güneş
ışınımını ölçmek için pirheliometre denilen cihazlar kullanılmaktadır.
Piranometrelerin çoğu yüzeylerin ışınım, yutma ve yansıtma özelliği dikkate alınarak
geliştirilmiştir. Işınımın düştüğü kısımda biri siyah, diğeri beyaz iki yüzey
bulunmakta, siyah yüzeyin sıcaklığı yutulan ışınım sebebiyle artmakta ve yüzeyler
arasındaki sıcaklık farkı ölçülmektedir.
Türkiye’de Meteoroloji istasyonlarında, toplam güneş ışınımı ölçülmektedir.
Direkt ve difüz güneş ışınım ölçümleri genellikle yapılmamaktadır.
Toplam Güneş Işınımının Hesaplanması
Yatay düzleme gelen toplam güneş ışınımının ölçülmediği bölgelerde, ölçüm
yapılan bölgelerin verileri yardımı ile türetilen eşitlikler kullanılabilmektedir.
Toplam güneş ışınımı bağıntılarında; güneşlenme süresi, izafi nem, atmosferik
basınç, sıcaklık, bulutluluk oranı gibi meteorolojik verilerin biri veya birkaçı
kullanılır. En yaygın olarak kullanılan eşitlik aşağıda verilmektedir.
(2.44)
Burada H, aylık ortalama günlük güneş ışınımı, , aylık ortalama atmosfer
dışı güneş ışınımı, ayrıca (H/ ) oranı bulutluluk indeksi, n, aylık ortalama
güneşlenme süresi, N, ise aylık ortalama gün uzunluğu olarak tanımlanır. Burada a
ve b sabitleri güneş ışınımı ve güneşlenme süresi ölçümlerine dayanılarak
istatistiksel yöntemlerle belirlenmektedir. Sabitler bölgenin iklim durumu, topografik
yapısı ve bitki örtüsüne bağlı olarak değişim göstermektedir. Burada kullanılan
ölçüm değerlerinin, uzun yıllar ortalaması olması gereklidir.
53
Örnek olarak; 1984-1992 yılları arasında Gebze-Kocaeli’de yapılan ölçümler
sonucunda a ve b sabitleri aşağıdaki şekilde saptanmıştır.
a=0,226 b=0,418
Türkiye genelinde yapılan hesaplamalar sonucunda ise a=0,18 ve b=0,62 olarak
bulunmuştur.
Yatay Yüzeye Gelen Difüz Güneş Işınımı
Güneş enerjisi uygulamalarında, özellikle sistem tasarımında, bilinmesi
gereken en önemli parametrelerden biri yatay yüzeye gelen difüz güneş ışınımıdır.
Türkiye genelinde uzun dönemli toplam güneş ışınımı ölçümleri bulunmasına
karşılık, difüz güneş ışınımı ölçümleri yapılmamaktadır. Difüz güneş ışınımı ise eğik
yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanmasında kullanılmaktadır. Yatay yüzeye bir
günde gelen toplam güneş ışınımının (H), atmosfer dışına bir günde delen güneş
ışınımına ( ) oranı bulutluluk faktörü ( ) olarak tanımlanır. Bu parametreler
arasındaki ilişki (korelasyon) aşağıdaki gibi tanımlanmıştır.
(Liu ve Jordan, 1960),
(2.45)
(Page, 1964),
(2.46)
(Iqbal,1978),
(2.47)
(Tuller,1976),
(2.48)
(Vignola ve McDanials,1984),
=1,155-1,388 (2.49)
Eğik yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanmasında, difüz güneş ışınımı ile
ilgili ölçüm değerleri bulunmadığında, yukarıda verilen korelasyonlar
kullanılmaktadır. Bu korelasyonların rastgele kullanılması durumunda, hesaplanan
difüz güneş ışınımının, ölçümdeğerlerinden önemli sapmalar gösterdiği saptanmıştır.
Bundan dolayı, bölgeye en yakın istasyondaki verilere dayanarak türetilmiş
korelasyonlar kullanılmalıdır.
Tubitak-M.A.M. Gebze’de 1984-1992 yılları arasında yapılan ölçümlere
dayanarak aşağıdaki korelasyonlar çıkarılmıştır:
54
(Tırıs,1995),
(2.50)
(2.51)
Ayrıca Gebze’de 1984-1992 yılları arasındaki, saatlik toplam güneş ışınımı ( )
ve difüz güneş ışınımı ( ) verilerin değerlendirilmesi sonucunda aşağıdaki
korelasyon çıkarılmıştır:
(Tırıs,1996),
( aralığında) (2.52)
Burada , saatlik bulutluluk faktörüdür. Yatay yüzeye bir saatte gelen toplam
güneş ışınımının ( ), atmosfer dışına bir saatte gelen güneş ışınımına ( ) oranı olarak
tanımlanır.
2.3.2 İKLİM PARAMETRELERİ
Aktif ve pasif güneş enerjisi uygulamalarında, sistemin verimli
kullanılabilmesi, genel iklimsel koşullara ve güneş ışınımı potansiyeline bağlıdır. Bu
nedenle güneş enerjili sistemlerin tasarımında, enerji dengesinin kurulmasında
iklimsel parametrelerin bilinmesi gereklidir. Özellikle pasif güneş enerjisi
uygulamalarında, iklimsel faktörlerin değişiminden dolayı enerji ihtiyacında değişim
gözlenmektedir. Mevsimlere bağlı olarak pozitif iklimsel faktörlerden yararlanmak
(ısıtma ve aydınlatma için güneş ışınımı, soğutma için rüzgar) negatif iklimsel
parametrelerinin (düşük çevre sıcaklığı ve yüksek rüzgar hızından dolayası ile oluşan
ısı kayıpları, yüksek güneş ışınımından dolayı fazla ısınma ve ışık sorunu) etkisini
azaltmak gerekmektedir.
Dünyanın makroklimatik bölgeleri, iklimsel faktörler yardımıyla
tanımlanmaktadır. Bu faktörler; coğrafi enlem, boylam, hava akımları, atmosferik
basınç ve okyanus akımlarıdır.
Avrupa birliğine dahil ülkeler, dört farklı iklim bölgesine ayrılmıştır.
1. Kuzey Avrupa Sahil İklimi: Kışlar çok soğuk ve düşük güneş ışınımı, yazlar
orta ılık.
2. Merkez Avrupa Sahil İklimi: Kışlar serin ve düşük güneş ışınımı, yazlar ılık.
3. Karasal İklim: Kışlar soğuk ve yüksek güneş ışınımı, yazlar sıcak.
55
4. Güney Avrupa ve Akdeniz İklimi: Kışlar ılık ve yüksek güneş ışınımı, yazlar
sıcak. Türkiye’de bu bölgede değerlendirilebilir.
İklimsel parametrelerin genel karakteristiklerinin belirlenmesinde,
meteorolojik veriler veya istatistiksel eşitlikler yetersiz kalmaktadır. Planlanan
sistemlerde bölgesel ölçümler ve aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır:
Topografya özellikleri (vadiler, dağlar, ovalar)
Büyük su alanları (nehir, göl, deniz) ve orman alanları
Uzun nehir boyunca sis profilinin artışı
Vadilerin ve dağların eğimindeki rüzgarın değişimi
Kırsal ve kentsel iklimler arasındaki rüzgar hızı ve çevre sıcaklık farkları
Büyük şehirler üzerindeki hava kirliliği
Güneşli ısıtma sistemlerinin enerji dengesi belirlenirken, mikroklimatik
parametreler dikkate alınmamaktadır. Bu parametrelerden bazıları; sistemin
kurulduğu yerin çevresindeki bitki örtüsü, toplam güneş ışınımı miktarı, gölgeleme
ve yansıma yüzdeleri, alıcı ortamlar (pencere, duvar, kolektör), günışığının ulaşan
miktarı ve rüzgar hızının yatay ve düşey bileşenleridir.
Büyük su alanlarının da çevre sıcaklığını birkaç derece düşürdüğü göz önünde
bulundurulmalıdır. Özellikle pasif güneş enerjisi sistemlerinin uygulandığı binaların
çevresinde ve içinde doğal hava sirkülasyonu, uygun dizayn ile doğal ventilasyon
oluşturarak temin edilmeli, binanın çevresindeki gölgeleme etkisi azaltılmalıdır.
Güneş enerjisi uygulamalarındaki en önemli parametre şüphesiz güneş
ışınımının günlük ve mevsimsel değişimidir. Güneşin pozisyonunun değişimi
nedeniyle yıl boyunca kolektör yüzeyine gelen ışınımın belirlenmesi gerekmektedir.
Diğer önemli parametre ise çevre sıcaklığının günlük ve mevsimsel değişimidir.
Güneş kolektörlerindeki ısı kayıpları, kolektör ile çevre sıcaklığı arasındaki
sıcaklık farkının artışı ile fazlalaşmaktadır. Güneş kolektörlerinin verimi, çevre
sıcaklığı ile kolektörün çalışma sıcaklığı arasındaki farkın ve güneş ışınımının
fonksiyonudur. Bölgenin rüzgar hızı, güneş kolektörlerinin enerji dengesini de
etkilemektedir. Örtüsüz güneş kolektörlerinde ve yetersiz izolasyon durumunda
rüzgardan dolayı iletimle ısı kaybı büyük olmaktadır.
56
Güneş Işınımı
Bir yüzeye gelen güneş ışınımı, güneşin pozisyonu ve coğrafik enlem derecesi,
bulutluluk vb. faktörler nedeniyle, günden güne, yıldan yıla değişim gösterir. Yatay
yüzeye gelen toplam güneş ışınımını, birinci derecede coğrafik enlem derecesine
bağlı olarak gün uzunluğu etkilemektedir. Dizayn edilecek sistemin sadece yaz
aylarında kullanılması düşünülüyorsa, kolektör eğim açısı; (enlem-15), sadece kış
aylarında kullanılması düşünülüyorsa (enlem+15), yıl boyunca kullanılacak ise
(enlem) derecesine eşit alınmalıdır.
Çevre Sıcaklığı
Yıllık güneş ışınımının değişimi, yıllık çevre sıcaklığı profilini de
etkilemektedir. Gün boyunca hava sıcaklığının değişimi, birinci derecede bulutlar
yardımıyla belirlenir (gün boyunca dünya yüzeyine düşen güneş ışınımının miktarı
bulutluluk miktarı ile değişmektedir).
Çevre sıcaklığı, güneş ışınımı gibi enlem derecesine bağlıdır. Aylık ortalama
dış ortam sıcaklığının değişimi coğrafik alanlara ve olaylara göre değişir. Büyük su
kütleleri, hava sıcaklığını düşürür. Deniz seviyesinden yüksekliğin çevre sıcaklığının
üzerinde önemli bir etkisi vardır. Genel bir kurala göre; deniz seviyesinden her 1000
m yükseklikte çevre sıcaklığında 6,5 K lik bir düşüş olmaktadır. Ayrıca hava
sıcaklığı, yöresel koşullara bağlı olmaktadır. Örneğin, kış aylarında şehir dışı, şehir
merkezine göre 2 ile 4 K arasında daha yüksek değerler almaktadır. Yaz mevsiminde
ise yollar veya binaların bulunduğu alanlar, yeşillik alanlara göre 8-10 K daha
fazladır.
Rüzgar
Bir yerin rüzgar durumu, rüzgar yönü ve hızı ile tanımlanır. Gün boyunca
rüzgar hızının değişimi, genellikle çevre sıcaklığı veya güneş ışınımının
değişiminden daha azdır. Farklı yüksekliklerde rüzgar hızı değişim göstermektedir.
Bu değişime neden olan faktörler:
Bölgenin topografyası ve yapay rüzgar kesiciler (binalar v.b.)
Yüzeydeki pürüzlülük (bitkiler v.b.)
Sıcaklık ve basınç farkı
olarak sıralanabilir.
57
2.4.GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ
2.4.1 GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE İLGİLİ TANIMLAR
Güneş ışınımı ile bir akışkanın sıcaklığının artmasını sağlayan gereçlere “güneş
toplayıcıları (kolektörü)” adı verilir. En basit anlamda, bir yüzeye düşen güneş
ışınlarından bir kısmı yüzey tarafından yutulur ve akışkana doğru iletim ve taşınımla
ısı geçişi olurken, dış yüzeyden de çevreye, yüzey sıcaklığına ve ısı taşınım
katsayısına bağlı olarak taşınımla ısı geçişi olur. Yutulan ışınımla çevreye olan ısı
kaybının farkı faydalanılan güneş enerjisidir ve ısıtılarak istenen akışkana geçer.(11)
Düzlemsel ve vakum tüplü kolektörler evsel sıcak su temininde ve yardımcı
ısıtma kaynağı olarak 20 yıldır kullanılmaktadır. Avrupa pazarında yıllık olarak 0,5
milyon kollektör üretilmekte ve bu pazar sürekli büyümektedir. Türkiye’de de
benzeri durum yaşanmaktadır ve yıllık 200 000 ’lık düzlemsel kolektör
üretimine ulaşılmıştır.
Buna paralel olarak üretici sayılarında da artış söz konusudur. Güneş enerjili su
ısıtma sistemleri konusunda uzmanlaşmış küçük firmalara artan sayıda büyük
firmalar yeni ürünleriyle katılmaktadır. Avrupa’da düzlemsel kolektörler de ek
olarak, değişik tipte asal gaz kullanan vakum tüplü ürünler de piyasaya
sunulmaktadır. Modül ebadı 1,5 ile 8 arasında değişmektedir. Pazar eğilimi
daha büyük ebatlara doğru yönelmektedir. Bunların temel avantajı, daha düşük
sayıda boru bağlantısı gerekliliği ve kenar alanının düşük olması nedeniyle daha
düşük ısı kaybı oluşmasıdır.
Uygulama alanlarına bağlı olarak farklı tiplerde geliştirilen güneş kolektörleri Şekil
2.8’de verilmektedir. Kolektörlerin çalışma sıcaklığı yükseldikçe, optik verim ve ısı
kayıp katsayısında (dizayna bağlı olarak) düşme gözlenmektedir.
58
Şekil 2.8 Farklı kollektör tiplerinin uygulama alanları ve çalışma parametreleri
Optik Performans
İki farklı kolektör tasarımı için güneş ışınımının kolektör üzerinde izlediği yol
Şekil 2.9’de gösterilmektedir. Kolektör üzerine düşen güneş ışınımı, başta yansıma
ve iletim kayıplarından dolayı azalmaya uğrar. Daha sonra yutucu yüzeye çarpar ve
bir kısmı yutulur, kalan kısmı yansır. Bu şekilde birçok yansıma meydana gelebilir.
Böylece, geçirgenlik ve yutma oranlarının çarpımından ( ), %1 ile %5 kadar daha
fazla olan bir parametre; efektif geçirgenlik-yutma çarpımı ( ) tanımlanabilir.
Yutucu yüzey tarafından yutulan güneş ışınımı ısıya dönüştürülür ve ısı
transfer ortamına aktarılır. Isı transferi, yutucu yüzeyde kullanılan malzemenin
cinsine göre değişim gösterir. Boru ile ısı transferinde kullanılan sıvı arasındaki ısı
transferi temel olarak sıvı hareketlerine (türbülans-laminer akım) bağlı olarak değişir.
Şekil 2.9 Düzlemsel ve vakum tüplü Güneş kolektörlerinde Güneş ışınımının izlediği
yol
59
Güneş ışınımının geliş açısına ( ) bağlı olarak kolektördeki yansıma, yutma ve
geçirgenlik değerleri değişim göstermektedir. Buna bağlı olarak geliş açısı düzeltme
faktörü (IAM), geliş açısındaki kolektörün optik veriminin, normal geliş açısındaki
( ) optik verimine oranı olarak tanımlanmaktadır.
( ) ( )
( ) (2.53)
Şekil 2.10’da güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak, düzlemsel güneş
kolektöründe güneş ışınımının dağılımı görülmektedir.
Şekil 2.10 Kolektör yüzeyine gelen güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak
dağılımı
Güneş kolektörlerinin geometrisine ve bileşenlerine bağlı olarak, güneş
ışınımının dağılımı değişim göstermektedir. Şekil 2.11’de farklı geometrilere sahip
güneş kolektörlerinin geliş açısı ile geliş açısı düzeltme faktörü arasındaki değişimi
görülmektedir.
Şekil 2.11 Farklı Güneş kollektörlerinde geliş açısı düzeltme faktörünün değişimi; a)
Düzlemsel Güneş Kollektörü, b) Vakum Tüplü Kollektör, c)Parabolik Toplayıcı
Vakum Tüplü Kollektör
Güneş kolektörlerinde üç tip referans alan tanımlanır:
Yutucu alan : Güneş ışınımının yutulup, ısıya dönüştürüldüğü alanın tamamıdır.
Giriş Alanı : Yoğunlaştırılmamış güneş ışınımlarının kolektöre ulaşırken içinden
geçtiği en büyük iz düşüm alanıdır.
Brüt Alan : Kolektörün varsa, tespit malzemesi ile birlikte tamamının iz düşüm
alanıdır.
60
Şekil 2.12 Farklı Kolektörler İçin Alan Tanımları:
a) Düzlemsel güneş kolektörü
b) Vakum tüplü kolektör
c) Parabolik toplayıcılı vakum tüplü kollektör
2.4.2 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ
Şekil 2.13 Düzlemsel Güneş Kolektörü
Şekil 2.13’da tipik bir düzlemsel güneş kolektörü görülmektedir. Güneş ışını
ilk olarak saydam örtü üzerine gelir. Oradan da absorplama özelliği yüksek olan
siyah renkli kısma yansıdığı zaman, bu enerjinin büyük bir kısmı plaka tarafından
absorblanır ve ondan sonra akışkan tüpe transfer edilerek ya kullanılmak ya da depo
edilmek üzere saklanır. Yutucu plaka ve kasanın yan tarafları ve yutucu tabakanın alt
kısmı, iletim kayıplarını azaltmak için iyice yalıtılmıştır. Akışkan tüpler, yutucu
tabakanın ayrılmaz birer parçası olarak kabul edilebilir. Akışkan tüpler, büyük çaplı
tüplerle her iki uçtan bağlıdır.(10)
Saydam örtünün amacı, güneş ışınımını içeri alıp çevreye olan ısı kayıplarını
azaltmaktadır. Özellikle rüzgarlı bölgelerde taşınılma olan ısı kaybı çok fazladır ve
saydam örtü kullanılmaması halinde, yutucu yüzey ile çevre arasındaki ısı taşınım
katsayısı çok büyük olacağından faydalı ışınım azalır. Saydam örtü taşınımla çevreye
olan ısı kaybını önlediği gibi yutucu yüzeyi yağmur, dolu ve toz gibi dış etkilerde de
korur.(11)
61
Düzlemsel güneş kolektörleri genellikle kalıcı pozisyonda sabittir ve güneşi
takip etmesine gerek yoktur. Kolektörler, kuzey yarımkürede güneye bakan ve güney
yarım kürede kuzeye bakan yani doğrudan ekvatora doğru odaklayıcı olmalıdırlar.
Kolektörün optimum eğim açısı uygulamaya göre 10-15 daha fazla veya daha az açı
ile bölgenin enlemine eşittir.(12)
Bir düzlemsel plaka genellikle aşağıdaki kısımlardan oluşur.
Şekil 2.14 Düzlemsel Plakanın Bölümleri
Glazing; (cam) Bir veya daha fazla cam katmanından oluşan kollektör örtüsü.
Taşınımla çevreye olan ısı kaybını azaltır.
Tubes, fins or passages; (tüpler, paletler veya geçirgenler) Direkt veya doğrudan sıvı
akışkana giriş ve çıkışta ısı transferini sağlar.
Absorber plates; (yutucu plaka) Toplayıcılarda güneş ışınımını yutan ve ısıyı,
borulardaki akışkana aktaran kısımdır.
Header or manifolds; (başlık) Akışkanın alımının ve boşaltımının yapılmasını sağlar.
İnsulation; (yalıtım) Kolektörün arka ve yan kısımlarındaki ısı kayıplarını minimize
eder.
Container or casing; (kap veya kasa) Söz konusu bileşenleri çevreleyen ve onları toz
ve nemden arınmış tutan kısımdır.
Birçok farklı malzemeden çeşitli tasarımları yapılmıştır. Onlar su, antifiriz
katkılı su gibi sıvıları ısıtmak ya da havayı ısıtmak için kullanılmıştır. En büyük
amacı, mümkün olduğu kadar düşük maliyette güneş enerjisini toplamaktır.
Kollektör ayrıca uzun ömürlü olmalı, güneşin ultraviyole radyasyonunun,
korozyonun olumsuz etkilerine rağmen, asidite nedeniyle tıkanma, ısı transfer
62
sıvısının sert veya alkalite olması, suyun donması, yada cam üzerinde nem veya toz
birikimi, ısıl genleşme nedeniyle camda kırılma gibi nedenlere dayanıklı olmalıdır.
Sertleştirilmiş cam kullanılarak bu gibi nedenleri en aza indirebiliriz.(10)
Kolektör Örtüsü
Kolektör örtüsü, taşınımla çevreye olan ısı kaybını azaltmasının yanında,
kolektöre güneş ışınımının girişinin sağlanması ve yutucu yüzeyin yağmur, dolu ve
toz gibi sış etkenlerden de korunması görevini de yerine getirir. Kullanılan saydam
örtünün; kısa dalga boylu güneş ışınımını geçirme oranı büyük (ısı kazancı büyük),
yutucu levhadan yayılan uzun dalga boylu ışınımlarının dışarı çıkmaması içinde uzun
dalga boylu ışınımları geçirme oranının küçük olması istenir. Ayrıca kullanılan örtü
malzemesi yüksek geçirgenlik oranına sahip olmalı, yutma ve yansıtma oranları
minimum tutulmalıdır. Kolektör örtüsü olarak genellikle cam veya plastik esaslı
malzemeler kullanılmaktadır. Camın avantajı, optik ve mekanik özelliklerinin uzun
dönem kararlılığıdır. Plastik malzemeler ise cama göre daha dayanıklı ve
elastiklerdir. Ancak çizilmeye ve aşınmaya karşı relatif olarak daha düşük
dirençlidirler ve hava koşullarından çabuk etkilenebilirler.
Kolektör örtü malzemelerinin optik özelliklerinin dışında, mekanik özellikleri de test
edilmelidir. Dolu hasarı ve kar yüküne direnci belirlenmelidir. Yüksek miktarlarda
kar yağışının olduğu bölgelerde, minimum 30 lik eğim açısı tavsiye edilir. Kar
yüksek eğim açısı yardımıyla kolektörün üzerinden atılabilir.
Gelen güneş ışınımının bir fonksiyonu olan yansıma, geçirgenlik ve yutma değerleri
örtü malzemesinin kalınlığına, kırılma indisine ve azaltma katsayısına bağlı olarak
değişir. Güneş ışınımı kolektör örtüsü üzerine düştüğü zaman yüzey tarafından bir
kısmı yansıtılır, bir kısmı yutulur ve büyük bir kısmı ise geçirilir. Belirli bir dalga
boyunda gelen ışınım için cismin yansıtma (r), yutma (α) ve geçirme ( ) oranlarının
toplamı 1’dir.
(2.54)
Yüzeyin Yansıtma Oranı
Kırma indisi olan ortamda ilerleyen ışınım, kırma indisi olan bir ortama
geldiğinde, gelen ışınımın bir kısmı geliş açısına bağlı olarak yansıtılır, diğer kısmı
ikinci ortama geçer. Ara yüzeye gelen ışınım geliş açısı ve kırılma açısı olmak
üzere polarize olan ışınımın dik ve yatay bileşenlerinin yansıtılma oranları, Fresnel
eşitliğine göre, aşağıdaki formülle tanımlanır:
Polarize olmuş ışınımın yatay bileşeni;
63
( )
( ) (2.55)
Polarize olmuş ışınımın dik bileşeni;
( )
( ) (2.56)
Yüzeydeki ortalama yansıtma oranı;
( ) (2.57)
şeklinde yazılır.
Gelen ışınımın yüzey normali ile yaptığı açılar Şekil 2.15’de görüldüğü gibi sırasıyla
ve ’dır. Bu açılar Snell kanunu ile verilen birinci ortamın kırılma indisi ,
ikinci ortamın indisi ile ilişkilidir.
(2.58)
Şekil 2.15 İki farklı kırılma indisine sahip bir yüzeyden gelen, yansıyan ve geçen ışın
arasındaki ilişki
Işın yüzeye dik (normal açıda) geldiği zaman yüzeyin yansıtma oranı;
( )
(
)
(2.59)
Birinci ortam hava ise eşitlik (2.59) aşağıdaki şekilde düzenlenebilir (havanın kırılma
indisi alınır):
( )
(
)
(2.60)
Yüzeyin Geçirme Oranı
Güneş enerjisi uygulamalarında, kolektör örtüsünün geçirgenliğinin yüksek
olması verimi arttıran parametrelerden biridir. Şekil 2.16’dan yutuculuk özelliği
olmayan bir tabakada geçirgenlik ve yansıma arasındaki ilişki görülmektedir.
64
Şekil 2.16 Yutucu olmayan örtüde geçirgenlik
Tek kolektör örtüsünün olduğu durumdaki geçirgenlik;
(
) (2.61)
şeklinde yazılabilir. Aynı eşitlik N adet kolektör örtüsü için düzenlenirse;
[
( )
( ) ] (2.62)
olur.
Düzlemsel güneş kolektörlerinde kullanılan cam örtünün geçirme oranı, güneş
ışınımının geliş açısı büyüdükçe, 50 ye kadar çok yavaş daha sonra hızla
azalmaktadır.
Şekil 2.17’de cam örtü sayısı ve güneş ışınımının geliş açısına göre cam
örtünün geçirgenliğinin değişimi görülmektedir. Örtü malzemesinin sayısı arttıkça,
kolektörde ısı kayıpları ve alabileceği güneş ışınımı azalır.
Şekil 2.17 Kırılma indisi 1,526 olan 1,2,3 ve 4 katlı cam örtüde geçirgenliğin Güneş
ışınımının geliş açısı ile değişimi
Camda güneş ışınımının yutulması, öncelikle camın içerdiği demir oksit
( ) oranına bağlıdır. Şekil 2.18’de 6 mm kalınlığındaki değişik oranlarda demir
oksit içeren camların, ışınımın (normal geliş açısına göre) dalga boyuna bağlı olarak
geçirgenliğinin değişimi görülmektedir.
65
Fazla demir içeren camlar, kenarlarından bakıldığında daha yeşil görünür. Demir
oksit miktarı düşük olan camlar, kolektör verimliliğini yükseltir.
Şekil 2.18 Işınımın normal geliş açısında 6 mm kalınlığında farklı oranlarda demir
oksit içeren camların geçirgenliğinin dalga boyuna göre değişimi
Yüzeyin Yutma Oranı
Gelen güneş ışınımı, saydam örtünün giriş yüzeyinde yani hava-cam ara
yüzeyinde yansıtılmaz, bu yüzeyden geçerken ışınımın bir kısmı yutulur. Bu yutulan
miktar aşağıda verilen Bouguer kanunu kullanılarak hesaplanabilir:
(2.63)
Burada I: Gelen ışınımın şiddeti, (W/ ),
X: Işınımın direkt geldiğinde aldığı mesafe (m),
K: Malzemenin ışınım azaltma katsayısı (l/m) olarak tanımlanmıştır.
Eşitlik (2.63), L kalınlığındaki bir ortam boyunca integre edilirse, yutma miktarına
göre geçirgenlik;
(
) (2.64)
olarak hesaplanmaktadır.
Saydam Örtünün Optik Özellikleri
Tek saydam örtünün geçirme, yutma, yansıtma oranının hesaplanabilmesi için
öncelikle polarize edilmiş ışınların paralel ve dik bileşenlerine göre tanımlanan
geçirgenliğinin, yansımanın ve yutma miktarının bulunması gerekir. Ancak,
literatürde, kolektörler de kullanılan saydam örtü malzemeleri için hesaplanan değer
ile polarize edilmiş ışının dik bileşeni için hesaplanan değerler benzerlik
66
göstermektedir. Bundan dolayı örtünün optik özellikleri hesaplanırken, polarize
edilmiş ışınların dik bileşeni için hesaplanan geçirgenlik ( ), yansıma ( ) ve
yutma ( ) değerleri kullanılmaktadır:
( )
( )
(
( ) ) (2.65)
( )
( ) ( ) (2.66)
( ) (
) (2.67)
Eşitlik (2.61), tek örtülü sistem için basitleştirilerek yazılırsa, geçirgenlik miktarı;
(2.68)
Eşitlik (2.67), güneş kolektörleri örtü malzemelerinin ortalama absorpsiyon miktarı
için yaklaşık olarak yazılırsa, yutma miktarı;
(2.69)
olur.
Tek saydam örtü için yansıma miktarı; eşitliği ile hesaplanabilir.
Ayrıca aşağıdaki eşitlikte kullanılabilir:
( ) (2.70)
Yutucu Yüzey
Güneş kolektörlerinin en önemli kısmını yutucu yüzey oluşturmaktadır.
Kolektörün verimi, yutucu yüzey kaplamasına, geometrisine ve yüzey için seçilen
malzemenin özelliğine bağlı olarak değişir. Bu yüzey, sıvılı düzlemsel güneş
kolektörlerinde, bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, saç, plastik vb. ısıl iletkenliği
uygun herhangi bir malzemeden imal edilebilir. Akışkan kanalları, roll-bond,
ekstrüzyon, presleme veya benzeri işlemlerden biri ile doğrudan plaka içinde,
üstünde veya altında meydana getirilebilir.
Saydam kolektör örtüyü geçerek yutucu yüzeye gelen ışınımın büyük bir kısmı
yüzey tarafından yutulur ve geri kalan kısmı yansıtılır. Yansıtılan ışınım saydam
örtünün alt kısmına gelir ve bir kısmı yeniden yüzeye yansıtılırken bir kısmı saydam
örtüye geçer ve bu olay Şekil 2.19’da görüldüğü gibi devam eder.
67
Şekil 2.19 Yutucu yüzeye gelen ışınım yutulması ve yansıması
Yutucu yüzey tarafından yutulan ışınım kesri;
( ) ∑ [( ) ]
( )
(2.71)
elde edilir. Burada; ( ) değerine kolektörün optik verimi veya yutma ve geçirme
çarpımı denilmektedir. yutucu yüzeyin ışınım yutma oranı ve ise saydam
örtünün, yutucu yüzeyden yansıtılan ışınımı yansıtma oranıdır.
Yutucu Yüzey Kaplamaları
Güneş kolektörlerinin verimini artıran en önemli parametre yutucu yüzeye
uygulanan kaplamanın özelliğidir. Yutucu yüzey kaplamalarının görevi güneş
ışınımının mümkün olduğu kadar yutması ve ısıya dönüştürülmesidir. Yutucu yüzey
kaplaması olarak siyah mat boya ve seçici yüzey kaplamaları kullanılır.
Siyah Boya
Siyah mat boyanın güneş ışınımını yutma miktarı (%90-98) yüksektir. Buna
karşılık, yayıcılığı da çok yüksek (%85-92) boyutlardadır. Siyah boya olarak
genellikle polyester, akrilik ve epoksi reçine esaslı mat boyalar kullanılır. Mat siyah
boyalarda kullanılan dolgu malzemeleri ve bağlayıcılardaki organik kökler, yüzeyin
seçici özelliklerini tahrip etmektedir. Dolayısıyla boyalar, yalnızca atmosferik
şartlara karşı koruyucu olmaktadır.
Boyalarda pigment malzemesi, kuruma sırasında polimerize olan organik bir
yapıştırıcı ve boya filminin kolay sürülmesini sağlayan çözücülerden oluşur. Kuruma
sırasında çözücü uçar ve pigment yapıştırıcı 0,025 mm – 0,0075 mm kalınlığında bir
film oluşturur. Yapıştırıcının uzun ömürlü ve çalışan sıcaklıklara dayanıklı olması
istenir. Güneş enerjisi uygulamalarında yüksek performans gösteren böyle bir
yapıştırıcı satılmaktadır. Siyah pigment olarak genellikle karbon siyahı
kullanılmaktadır. Karbon siyahı, renk, ucuzluk ve dayanıklılık açısından birçok
avantajlara sahiptir. Bunlar, güneş ışınımını iyi yutmasına karşılık, boya filminin
seçicilik özelliği taşımamasından dolayı yayma oranları da yüksektir (
).
Boyalar 0,0013 – 0,0025 mm kalınlığındaki çok ince filmler şeklinde
sürüldüklerinde güneş ışınımını iyi absorbe eder, bunun yanında ısıl ışınıma karşı
saydam bir malzeme gibi davranırlar. Böyle bir yüzey parlak alüminyum üzerine
kaplanırsa, pigment malzemesinin yüksek yutma özelliği, alüminyumun düşük
yayma özelliği ile birleşerek seçici yüzey türünde bir davranış gösterir. Bunların en
68
iyileri krom, bakır, demir, mangan’ın kalsine oksitlerinin karışımı şeklinde
oluşturulmuştur. Elde edilen en iyi optik değerler olarak
verilmektedir. Bu tür boyaların, bu incelikte sürülmesi de ayrı bir uygulama sorunu
teşkil etmektedir.
Seçici Yüzey Kaplamaları
Seçici yüzey çalışmalarındaki temel amaç, kısa dalga boylu ışınımın tamamına
yakının yutulması, buna karşılık uzun dalga boylu ışınım yayıcılığının en aza
indirilmesidir. Böylece plakanın sıcaklığı daha fazla artırılarak, akışkana daha fazla
ısı iletimi sağlanır. Seçici yüzeyler sıcaklık yükselmesinde daha az ışınım yayarlar,
dolayısıyla kolektör verimi yükselir.
Güneş kolektörlerinde, toplam enerji kazancını artırmak iki yolla mümkün olabilir:
3 ’den büyük dalga boylarında ışınımı yansıtan kaplamaya sahip bir cam
örtü kullanılması (böylece yutucu yüzeyden yayılan ışınım aynı yüzeye geri
gönderilir).
Isıl yayınımı düşük olan bir seçici yüzey kaplaması.
Seçici yüzey kaplamaları, 0,3 – 2,5 spektrum aralığında %90’ın üzerinde
yutuculuk ve 2,5 – 50 infrared bölgede %10 civarında yayıcılık özelliği gösterir.
seçici yüzey olarak siyah nikel, siyah krom, siyah bakır, siyah demir, kobalt oksit
kullanılmaktadır. Yutucu kaplamalar üç sınıfa ayrılırlar:
Seçici kaplamalar
Yarı seçici kaplamalar
Seçici olmayan kaplamalar 0
Seçici yüzeyleri hazırlamak için, sputtering, kimyasal buhar depozisyonu,
metal spreyi, kimyasal oksidasyon ve elektroliz gibi çeşitli teknikler kullanılır. Bu
teknikler arasında, elektroliz işlemi, gerekse ekonomik olması nedeniyle yaygın
olarak kullanılmaktadır.
Kolektör Kasası
Kolektör kasası olarak alüminyum, paslanmaz çelik, galvenize çelik, plastik ve
tahta gibi değişik malzemeler kullanılmaktadır. Kullanılan malzemeye göre, gövde
tasarımı değişiklik gösterir. Birçok modül kolektör ekstrüze alüminyum profilden
yapılmıştır. Ekstrüze alüminyum profil hafitir, modül boyutlarında mümkün olan en
yüksek esnekliğe sahiptir. Daha karmaşık şekiller profile entegre edilebilir.
Maliyetleri de oldukça düşüktür. Galvanize veya paslanmaz çelik uygulamalı
69
gövdelerin kullanımıyla ağırlığı oldukça yüksek kasalar elde edilmektedir. Kasa
yalıtkanın ıslanmasını önleyebilecek sızdırmazlıkta olmalıdır. Özellikle kolektör giriş
ve çıkışlarında kasanın tam sızdırmazlığı sağlanmalıdır. Yapımda kullanılan
malzemelerin ısıl genleşmeleri dikkate alınarak boyutlandırılmalıdır.
Yalıtım Malzemeleri
Yalıtım malzemesi olarak cam yünü, taş yünü, poliüretan köpük veya levha
kullanılmaktadır. Cam yünü veya taş yünü kullanılması durumunda dış gaz akımı
incelenmelidir. Mineral yünlerin bağlayıcı malzemelerden çıkan gazlar gereken
tedbir alınmazsa saydam örtüye birikebilir.
Kasanın yan yüzleri ve arkasındaki yalıtım, cam yünü ise sırasıyla 20 – 50 mm
ve 50 – 100 mm, poliüretan levha ise 8,5 cm, poliüretan köpük ise en az 9,5 cm
alınmalıdır. Ayrıca yutucu plaka ile arka yalıtım arasında 1 – 2 cm boşluk bırakılarak
yalıtımın yutucu plakaya bakan kısmı alüminyum folyo ile kaplanarak uzun dalga
boylu ışınları plakaya geri dönüşü ve yalıtımın sızdırmazlığı sağlanmalıdır.
Conta malzemeleri
Değişik amaçlarla çeşitli conta malzemeleri kullanılmaktadır. Kolektör için en iyi bir
conta, kolektörün ömrünü uzatan en önemli faktörlerden biridir. Düşük kalitedeki
conta malzemeleri kolektörlerin erken bozulmasında etkilidir.
Isı transfer akışkanı giriş ve çıkışta kullanılan contalar: Geniş sıcaklık bölgesi (-
20 C - 200 C)’nde kullanılan kolektörlerde, giriş ve çıkışta conta malzemelerine
büyük gereksinim vardır. Contaların bir bölümü hava şartlarından etkilenir.
Gövde profil köşelerinin contalanması: Gövde profil köşeleri plastik macunla
contalanır. Bu contalar uzun vadede su geçirmezliğini sağlamalıdır.
Arka duvarların contalanması: Gövdenin arka duvar bağlantısından kaynaklanan
hatalar kontrol edilemeyen infiltrasyona ve yüksek ısı kayıplarına neden olmaktadır.
Bazı hava şartlarında, gövde profili hatalarından dolayı kolektöre su girebilmektedir.
2.4.3 VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ
Bu tip kolektörlerin başlıca özellikleri:
Kolektör her zaman cam tüp grubundan oluşur.
Tüp içinde yapılan vakum işlemi ile konveksiyon ve kondüksiyon yolu ile
olabilecek ısı kayıpları azaltılır.
70
Kullanılan camlar vakum nedeniyle oluşan basınç farkına dayanabilecek
mukavemettedir.
Bağlantı borularının tüpe bağlanabilmesi için bir veya iki manifold bulunur.
Vakum tüplü kolektörler ısı transferi metodlarına göre iki temel gruba ayrılır.
Isı transferinin borular aracılığıyla direkt akışkana iletildiği sistemlerdir.
Isı borulu sistemler.
Isı borulu güneş kolektörlerinde, yutucu yüzey ısındığında, çalışma ortamı (su,
alkol) buharlaşır. Bu akışkan vakum tüp dışındaki kondensere yükselir ve ısısını
transfer ettikten sonra geri akar. Isı borusunun çalışabilmesi için kolektör tüp
aksamının en az 20 eğimle yerleştirilmesi gerekir. Isı borulu güneş kolektörünün
avantajı ilk çevrimde maksimum durgunluk (stagnasyon) sıcaklığına ulaşmasıdır.
Çalışma ortamına ve basınca bağlı olarak, absorber içeriğinin tümünün buharlaşma
sıcaklığına ulaşması mümkündür. Bu sıcaklık 130 150 C arasında değişir. Bu
nedenle glikol temelli ısı transfer akışkanlarının bozulma tehlikesi yoktur (etilen
glikol be propilen glikol için maksimum çalışma sıcaklığı > 170 C). Tüplü kolektör
direkt dolaşımla 300 C ye kadar yükselen sıcaklıklara ulaşabilir. Bu tip kolektörlerde
aşırı ısınmayı önleyecek ek koruma bulunması gerekmektedir. Evsel sıcak su
devrelerinde vakum tüplü kolektörlerin kullanımda, kolektörün maksimum
sıcaklığını 100 C’de sınırlamak önemlidir.
Yutucu Yüzey
Vakum tüplü güneş kolektörlerinde iki tip absorber yüzey kullanılmaktadır.
U şekilli borulu (kanatlı),
Koaksial borulu (kanatlı).
İki tipinde avantaj ve dezavantajları vardır. U şekilli borular vakum contalı ve iki
çıkışlı olup, daha yüksek verimlidir. Koaksiyal borular ucuz ve basittir.
Vakum tüplü kolektörün performansında, optikal özellikler, özellikle yüzeyin
yayıcılığı çok önemlidir. Bu tip kolektörlerden ısı kaybı genellikle, yutucu yüzeyden
yayılan IR ışınımdan kaynaklanmaktadır. Yutucu yüzey olarak –Ni pigmentli
alüminyum oksitin emisitivitesinin yüksek olması nedeniyle ( ) –
genellikle siyah krom kullanılır. Siyah krom kaplamalar ara katman olarak nikel
tabakaya sahip olduğundan %8’lik minimum yayıcılığa sahiptir. Bazı üreticiler ara
katmandaki nikel tabakayı ihmal ederek, yayıcılığı %5’e kadar düşürebilmektedirler.
71
Buna karşılık, bu kaplamanın kullanım ömrü düşmekte ve bazı uygulamalarda
kullanılamamaktadır.
Cam Tüpler
Vakum tüplü kolektörlerin üretiminde cam tüplerin iyi optik özelliklere ve
mekanik stabiliteye sahip olması ön şarttır. Kullanılacak cam tüplerin çapına göre
malzeme seçimi yapılır. Cam tüp çapı 100 mm ya da daha büyük olduğunda;
borasilikat camlar kullanılabilir. Bu tüp camlar, yüksek mekanik ve termal stabiliteye
sahip olduğundan dolayı kolektör tüpleri darbe ve ısıl şoklara dayanıklıdır. Optik
özellikleri demir içermeyen camlara yakındır. Dezavantajı fiyatının yüksek
olmasıdır.
Cam tüp çapı 50 mm olduğunda ise cam tüpler, demir içermeyen camlardan
yapılmıştır. Mekanik stabilitesi orta seviyededir. Şoklara maruz kalacak ortamlarda
kullanılması uygun değildir. Avantajı ise fiyatının düşük olmasıdır.
Bağlantılar ve Ekler
Düzlemsel güneş kolektörlerine göre bu tip kolektörlerde bağlantılar ve ekler
daha yüksek ısıl gerilimlerle karşılaşırlar. Silikon lastik tüplerin kullanım imkanı
yoktur. 300 C ye kadar yükselebilen durgunluk sıcaklıklarında, çelik ya da bakır
esnek boruların uygulanması tek çözümdür.
2.4.4 HAVALI GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ
Havalı güneş kolektörleri, yutucu yüzey ile çalışma akışkanı hava yardımıyla
güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Yutucu yüzeye gelen güneş
ışınlarının büyük bir kısmı yutulur ve taşınımla sistemde dolaştırılan çalışma
akışkanı havaya aktarılır. Kolektörden elde edilen yararlı ısı; kolektörden geçirilen
çalışma akışkanının giriş ve çıkış entalpileri farkına eşittir.
Havalı güneş kolektörleri, farklı tasarımlarda üretilmektedir. Yutucu yüzey
olarak kanatçıklı metal levhalar, V-şekli verilmiş metaller, düz metal levhalar,
içinden çalışma akışkanın geçtiği ağ şeklindeki malzemeler ile yarılmış ve açılmış
metaller, sentetik ve doğal kürkler kullanılmaktadır. Ayrıca birden fazla yutucu
yüzey kullanılması da mümkündür. Kolektör üzerine metal veya plastik elek şeklinde
ikinci bir yutucu yüzey yerleştirilmesi gibi değişik modeller geliştirilmiştir.
72
Havalı güneş kolektörlerinde, gelen güneş ışınımını yüksek oranda geçiren
buna karşın kolektörden çevreye taşınımla ısı transferine ve uzun dalga boylu ışınım
geçişine engel olan levha veya film türünde saydam malzemeler kullanılır.
Havalı güneş kolektörlerinde, yutucu yüzey ile çalışma akışkanı arasında ısı
transfer katsayısı küçük olduğundan, seçilen malzemenin (ısı transfer alanı / hacim)
oranının büyük olması gerekmektedir. Bu şekilde ısı transfer alanı artacağından
çalışma akışkanına aktarılan enerji miktarı da artar. Yutucu yüzeyin pürüzlü olması
ısı transferinde artışa neden olur. Pürüzlülük ısıl verimi olumlu yünde etkilerken,
kolektörde oluşacak basınç kaybını dolayısıyla fan gücünü artırır.
Havalı güneş kolektörleri, tarımsal ürünlerin kurutulması, bina ve seraların
ısıtılmasında kullanılmaktadır.
2.5. GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİNİN ISIL ANALİZİ
2.5.1 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN ISIL ANALİZİ
Kolektör yüzeyine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüden yansır, bir
kısmı yutulur ve geri kalan kısmı yutucu yüzeye ulaşır. Yutucu yüzeye gelen
ışınımın, bir kısmı taşıyıcı akışkana geçerken, bir kısmı ise yüzeyde depolanır, geri
kalan kısmı çevreye kaybolmaktadır.
Kolektörlerde meydana gelen ısı kayıpları çok sayıda değişkene bağlıdır. Güneş
ışınımı şiddeti, çevre sıcaklığı, rüzgar hızı, kolektörün konstrüksiyonu, saydam örtü
özellikleri, yutucu yüzeyin ışınım yutma, yayma değeri, ısı iletim katsayısı, kalınlığı,
yalıtım malzemesinin cinsi ve kalınlığı bu değişkenlerden bazılarıdır. Tüm
değişkenler göz önünde tutularak kolektörün ısıl analizi yapılmaktadır.
Kolektör üzerinde enerji akışı iki bölümde tanımlanmaktadır. İlk bölümde
kolektörün optik performansı, ışınım, yansıma ve iletim kayıpları ile yutucu plaka
tarafından yutulan ışınım miktarını kapsar. Kolektörün ısıl performansı ise, ısı
transfer ortamı ile güneş ışınımının ısı transfer ortamına ulaştığı noktadaki ısı
kayıplarını kapsar. Şekil 2.20’ de kolektör’de meydana gelen optik ve ısıl kayıplarla
faydalı ısı arasındaki ilişki görülmektedir.
73
Şekil 2.20 Düzlemsel Güneş kolektöründe optik ve ısıl kayıplar
Uygulama alanına bağlı olarak, kolektörde meydana gelen kayıplar imalat
sırasında azaltılabilmektedir. Optik ve ısıl kayıplar birbirine zıt yönlerde artmaktadır.
Cam örtü ısıl kayıpları azaltmasına karşılık optik kayıpları arttırmaktadır.
Kolektör verim faktörü ( ) ısı transferinin etkisini tanımlar. Fiziksel anlamda
akışkan ile ortam arasındaki sıvı transferi katsayısına oranı olarak tanımlanır. Bu
parametreleri tek başına tanımlamak çok güçtür bundan dolayı her iki parametre,
optik verim ( ) adı altında tanımlanır.
( ) (2.72)
Isıl performans
Kolektör üzerine düşen güneş ışınımının, bir kısmı konveksiyon, kondüksiyon
ve ışınımla kaybolur. Büyün bu kayıplar kolektörün etkin ısıl kaybı değeriyle
tanımlanır. Isıl kayıplar, ortalama yutucu yüzey sıcaklığı ile çevre sıcaklığı
arasındaki farkın artmasıyla büyümektedir. Toplam ısı kayıp katsayısı ( ), yutucu
yüzey sıcaklığı temel alınarak tanımlanmaktadır. Ölçüm zorluğu nedeniyle ortalama
akışkan sıcaklığı, ortalama yutucu yüzey sıcaklığı yerine ısı kayıplarını tanımlamakta
kullanılmaktadır. Ortalama akışkan sıcaklığı akışkan giriş ve çıkış sıcaklıklarının
ortalaması alınarak hesaplanmaktadır. Etkin ısı kayıp katsayısı; kolektör verim
faktörü ile toplam ısı kayıp katsayısı çarpımına eşittir:
(2.73)
Düzlemsel güneş kolektöründen elde edilen yararlı ısı, kararlı hal koşullarında
aşağıdaki eşitlikle tanımlanmaktadır.
[ ( )] (2.74)
Burada S, güneş kolektörü tarafından yutulan güneş ışınımını göstermektedir.
, kolektörün toplam ısı kayıp katsayısı, yutucu yüzey sıcaklığı , çevre
sıcaklığı ve kolektör alanı olarak tanımlanmaktadır.
74
2.5.1.1 Kolektörün Toplam Isı Kayıp Katsayısı ( )
Kolektörde çevreye olan ısı kaybı, kolektörün üst, alt, yan yüzeylerinden olur.
Toplam ısı kayıp katsayısı kolektörün üstü ile taban ve yanlardan olan ısı
kayıplarının toplamıdır.
(2.75)
Üst Isı Kayıp Katsayısı ( )
Kolektör üst yüzeyinden olan toplam ısı kayıp katsayısı, konveksiyon ve ışınım
kayıpları ile meydana gelmektedir. Kolektör üst ısı kayıp katsayısının hesaplanması
için oldukça uzun bir hesaplama yöntemi izlenmektedir. Bu hesaplamalar
basitleştirilerek aşağıdaki eşitlikle tanımlanmıştır.
{
[( )
( )]
}
( )(
)
( )
(2.76)
Burada;
N= Cam örtü sayısı
f= ( )( )
C= ( ) alınır.
e= (
)
Kolektör eğim açısı
Camın yayma katsayısı (0,88)
Yutucu plakanın yayma katsayısı
Çevre sıcaklığı (K)
Ortalama yutucu plaka sıcaklığı (K)
Rüzgar hızı (m/sn)
Stefan- Boltzman sabiti ( ) olmaktadır.
Alt Isı Kayıp Katsayısı ( )
(2.77)
k : Yalıtım malzemesinin ısı iletim katsayısı
: Alt yalıtım malzemesinin kalınlığı olmaktadır.
Yan Isı Kayıp Katsayısı ( )
75
(
) (2.78)
Burada,
c = Kolektör çevresi
h = Kolektörün yan kenar yüksekliği
= Kolektör alanı
= Yan izolasyon kalınlığı olmaktadır.
2.5.1.2 Kolektör Kanat Verimi
Yutucu yüzey sıcaklığı, akışkanın toplayıcıya giriş sıcaklığına, kolektör
yüzeyine gelen güneş ışınımına, kolektör boyutlarına ve yutucu yüzeyde kullanılan
malzeme özelliklerine bağlı olarak değişim gösterir. Akış yönünde ve akışa dik
doğrultuda değişir.
Boruların yutucu levhanın altına yerleştirildiği Şekil 2.21’de verilen güneş
kolektörü kesiti incelendiğinde:
Burada W, boru merkezleri arası uzaklık, , boru iç çapı, D, boru dış çapı,
levha kalınlığı δ, olarak verilmiştir.
Şekil 2.21 Kollektör kanat kesiti
Bir borunun diğerinden bağımsız olduğu ve borular arası levhanın orta
noktasında sıcaklığın maksimum olduğu kabul edilirse, levhanın yarısı ucu yalıtılmış
bir kanat olarak düşünülebilir. Kanat üzerindeki dx kalınlığındaki eleman, sistem
olarak göz önüne alınır ve termodinamiğin 1. Kanunu uygulanırsa;
( ) (
)|
(
)|
(2.79)
Eşitlik (2.79) sınır koşullarında çözüldüğünde, kanat verimi aşağıdaki eşitlikle
hesaplanmaktadır.
[ (
)]
[ (
)]
(2.80)
Burada,
(
)
(2.81)
76
yutucu plakanın ısıl iletkenlik katsayısı
yutucu plakanın kalınlığı olmaktadır.
Kanat verimi, yutucu yüzeyin ısı iletim katsayısına, yutucu yüzeyin kalınlığına ve
borular arasındaki mesafeye bağlı olarak değişir.
2.5.1.3 Kolektör Verim Faktörü
Kolektör verim faktörü; gerçek haldeki faydalı enerjinin yutucu yüzeyin her
noktasının akışkan sıcaklığında olması halindeki faydalı enerjiye oranıdır. Farklı
şekillerde dizayn edilmiş kolektör tipleri için verim faktörü ifadesi değişiklik
gösterir. Bunlar:
Akışkan taşıyıcı boruların yutucu yüzeyin ortasında olduğu durum:
( )
(2.82)
Akışkan taşıyıcı boruların yutucu yüzeyin üstünde olduğu durum:
( )
(2.83)
Akışkan taşıyıcı boruların yutucu yüzeyin altında olduğu durum:
( )
(2.84)
( = Akışkan boru ile yutucu plakayı birleştirmek için kullanılan malzemenin ısı
geçiş katsayısı).
Boru iç yüzeyindeki ısı taşınım katsayısı ( ), akışkanın fiziksel özelliklerine,
sıcaklığına ve akış hızına bağlı olarak değişir. Boru iç yüzeyindeki ısı taşınım
katsayısı, akışkanın laminer (doğal) veya türbülans (zorlanmış) akım olmasına göre
100-1500 W/ K arasında değişir. Sıvının akış rejimi Reynolds sayısı kriter alınarak
belirlenir.
Re ise ( ) ( ) : Laminer akım
Re ise ( ) ( ) : Türbülanslı akım olarak alınır.
Burada;
(
)
(2.85)
(2.86)
77
(2.87)
olarak hesaplanır.
Güneş kolektörünün borularında dolaşan akışkanın debisi m, hızı V, vizkozitesi
, yoğunluğu , özgül ısısı , ısıl iletkenliği k, indisleri ile verilmektedir.
Hesaplamalarda boru içindeki akışkanın ortalama sıcaklığındaki fiziksel değerler
kullanılır.
2.5.1.4 Kolektör Isı Kazanç Faktörü ( ) ve Akış Faktörü ( )
Akışkana geçen faydalı enerji, yutucu yüzey ve akışkan sıcaklığına bağlı olarak
ifade edilebilir. Ayrıca (akışkan sıcaklığının akış doğrultusunda değişmesi ve
ortalama değerinin tahmininin zor olması nedeniyle), kolektör giriş sıcaklığına bağlı
olarak da ifade edilebilir. Kolektör ısı kazanç faktörü; kolektör tarafından toplanan
faydalı enerjinin, yutucu yüzeyin her yerinin akışkanın giriş sıcaklığında olması
durumundaki toplayacağı enerjiye oranı olarak tanımlanır.
[ (
)] (2.88)
Kolektör akış faktörü, kolektör ısı kazanç faktörünün, kolektör verim faktörüne
oranı olarak tanımlanmaktadır:
[ (
)] (2.89)
2.5.1.5 Kolektör Yutucu Yüzeyden Akışkana Geçen Faydalı Enerji ( )
Kararlı hal koşullarında, alanındaki bir kolektörden alınan faydalı enerji,
[ ( )] (2.90)
(
( ) ) (2.91)
Burada, S; kolektör tarafından yutulan güneş ışınımı miktarı, ; akışkanın
kolektöre giriş sıcaklığı, ; camın güneş ışınımını geçirme oranı, ; yutucu plakanın
güneş ışınımını yutma oranı ve ; camın güneş ışınımını yansıtma oranıdır. Bu
değer tek cam için 0,16, çift cam için 0,24 alınabilir.
2.5.1.6 Akışkanın Kolektörden Çıkış Sıcaklığı ( )
Akışkanın giriş sıcaklığı ile çıkış sıcaklığı arasındaki fark, kolektör alanına,
birim alana düşen güneş ışınımına, akışkan debisine ve kolektörden oluşan ısı
kayıplarına bağlı olarak değişmektedir. Aşağıda verilen eşitlikle hesaplanabilir:
( ( ))
(2.92)
78
2.5.1.7 Kolektör Anlık Verimi ( )
Bir düzlemsel güneş kolektörünün anlık verimi, çalışma akışkanından elde
edilen yararlı ısının kolektör üzerine gelen güneş ışınımına oranı olarak tanımlanır.
[ ( ( ))]
(2.93)
Pratikte daha çok günlük ortalama verime gerek duyulur. Bir gün boyunca
toplanan ışınımın kolektör üzerine gelen günlük ışınıma oranı şeklinde tarif edilen
günlük kolektör verimi, anlık verimin pozitif olduğu değerler için aşağıdaki şekilde
yazılabilir.
∫
∫
(2.94)
Burada ve güneşin doğuş ve batış saat açıları veya deneyin başlangıç ve
bitiş zamanları olarak alınabilir.
Kolektör veriminin ortalama akışkan sıcaklığı ile değişiminde, optik kayıplar,
ısıl kayıplar ve kolektörden elde edilen faydalı ısının sıcaklıkla değişimi Şekil
2.22’de görülmektedir. Kolektör optik kayıpları sıcaklıkla değişim göstermezken, ısıl
kayıplar sıcaklık ve güneş ışınımına bağlı olarak değişim gösterir. Farklı güneş
ışınımı miktarlarında, kolektör veriminin ortalama akışkan sıcaklığı ile değişimi
Şekil 2.23’de verilmektedir. Kolektör verimi, güneş ışınımının artışı ile
yükselmektedir.
Şekil 2.22 Optik ve ısıl kayıpların kolektör verimine etkisi
79
Şekil 2.23 Kolektör veriminin Güneş ışınımı ile değişimi
80
3. MATEMATİKSEL MODELLEME
3.1 GÜNEŞ AÇILARININ HESAPLANMASI
Deklinasyon açısı; (δ) Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.
(
) (3.1)
Saat açısı; ( ) Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneşi dünya merkezine
birleştirilen doğrunun, yani güneş ışınlarının belirttiği boylam (güneş boylamı
denilebilir) arasındaki açıdır.
( ) (3.2)
Enlem açısı; (ф) Ekvator düzlemi ile yerden dünyanın merkezine olan radyal çizgi
arasındaki açıdır.
Kuzey kutbu için +90⁰ (K), güney kutbu için -90⁰ (G) olur.
Zenit açısı; ( ) Direkt güneş ışınlarının (güneşin doğrultusunun) yatay düzlemin
normali ile yaptığı açıdır.
(3.3)
Güneş azimut açısı; ( ) Güneşin doğrultusunun tam bilinmesi için, kutupsal
kordinat sisteminde, azimut açısına da ihtiyaç duyulur. Güneşin azimut açısı burada
güneyden batıya doğru (+), doğu tarafına (-) olarak alınacaktır.
(3.4)
Güneş yükseklik açısı, ( ): Direkt güneş ışınlarının yatay düzlemle yaptığı açıdır.
Açıkça görüldüğü gibi, yükseklik açısı zenit açısını 90⁰ ye tamamlar, böylece sin
=cos olur.
Geliş açısı; ( ) Eğik yüzeyin dikeyi ile ışın arasındaki açıdır.
(3.5)
Yatay yüzey için;
Güneye bakan eğik yüzey için;
(3.6)
Güneye bakan dik yüzey için;
81
Bulutluluk oranı; ( )
(3.7)
H= aylık ortalama günlük güneş ışınımı,
= aylık ortalama atmosfer dışı güneş ışınımı,
Atmosfer dışında yatay yüzeye bir gün boyunca gelen güneş ışınımı; ( )
(
) (
)
( ( )) güneş batış saat
açısı.
( =1367 W/ ) güneş sabiti.
( (
)) deklinasyon açısı. (3.8)
Aylık ortalama günlük güneş ışınımı;(H)
(3.9)
Türkiye genelindeki hesaplamalarda a=0,18 b=0,62 bulunmuştur.
= aylık ortalama güneşlenme süresi
N= aylık ortalama gün uzunluğu olarak tanımlanır.
( )
Yatay yüzeye gelen difüz güneş ışınımı; ( )
Bununla ilgili bazı eşitlikler türetilmiştir. Bunlardan bazıları;
(Liu ve Jordan, 1960),
(3.10)
(Page, 1964),
(Iqbal,1978),
(Tuller,1976),
(Vignola ve McDanials,1984),
=1,155-1,388
82
Tubitak-M.A.M. Gebze’de 1984-1992 yılları arasında yapılan ölçümlere
dayanarak aşağıdaki korelasyonlar çıkarılmıştır:
(Tırıs,1995),
(Tırıs,1996),
( aralığında)
( )= Yatay yüzeye bir saatte gelen toplam güneş ışınımı
( )= difüz güneş ışınımı
= saatlik bulutluluk faktörü
( )= atmosfer dışına bir saatte gelen güneş ışınımı
Eğik yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanması; ( )
(3.11)
R= Eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye gelen toplam güneş
ışınımına oranıdır.
(
)
( )
( )
= yerin yansıtma oranı, ortalama 0,2 mertebesindedir.
= eğik düzlemin eğimi.
= yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme gelen direkt
güneş ışınımına oranıdır. Güneye dönük düzlemler için;
( )
( )
{
( ( ) )}
( )
Eğik yüzeye herhangi bir anda gelen toplam güneş ışınımının hesaplanması;
( )
(3.12)
( )
( )
( )
83
= yatay düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme bir anda
gelen direkt güneş ışınımına oranıdır. Güneye dönük yüzeyler için;
( ) ( )
saatlik bulutluluk faktörü.
3.2 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRÜ DİZAYNI
Düzlemsel güneş kolektöründen elde edilen yararlı ısı; ( )
[ ( )] (3.13)
Kolektörün toplam ısı kayıp katsayısı; ( )
(3.14)
Üst ısı kayıp katsayısı; ( )
{
[( )
( )]
}
( )(
)
( )
(3.15)
Alt ısı kayıp katsayısı; ( )
(3.16)
Yan ısı kayıp katsayısı; ( )
(
) (3.17)
Kollektör kanat verimi; ( )
[ (
)]
[ (
)]
(
)
(3.18)
Kollektör kanat verim faktörü; ( )
[
[ ( ) ]
]
(3.19)
Kollektör ısı kazanç faktörü ( ) ve akış faktörü ( );
84
[ (
)] (3.20)
[ (
)] (3.21)
Kollektör yutucu yüzeyinden akışkana geçen faydalı enerji; ( )
[ ( )] (
( ) ) (3.22)
Akışkanın kolektörden çıkış sıcaklığı; ( )
( ( ))
(3.23)
Kollektör anlık verimi; ( )
[ ( ( ))]
günlük kolektör verimi;
∫
∫
(3.24)
Ortalama yutucu yüzey sıcaklığı; ( )
( ) (3.25)
3.3 DEPONUN MODELLENMESİ
3.3.1. Analitik Formülasyon
3.3.1.1. Kürenin Katılaşması
Küresel kapsüllerin hareket sınırı davranışı özellikleri tahmin etmek üzere
analizi için tek kapsül ele alınır. Aniden T0 < TL-S sıcaklığına soğutulmuş, dış yüzeyi
𝝵= R koordinatında bulunan PCM’li küresel koordinat sistemi, Şekil 3.1’de
gösterildiği şekilde tanımlanmıştır. Küre, başlangıçta Ti erime noktası
sıcaklığındadır.
Her iki fazdaki geçerli ısı dengesi eşitlikleri:
(
)
(3.26)
(
)
(3.27)
Boyutsuz değişkenler kabul edilir, geçerli denklem, sınır koşulları, başlangıç
koşulları ve ara yüz enerji denge eşitliği boyutsuz biçimde oluşturulur. Boyutsuz
miktarlar:
( )
(3.28)
85
( )
( )
Geçerli eşitliklerin boyutsuz biçimi:
(3.29)
(3.30)
Benzer şekilde, boyutsuz sınır ve başlangıç koşulları:
(1) ( )
(2) ( )
(3) ( ) ( )
(4)
Şekil 3.1 Dairesel Kapsüllü PCM’nin Katılaşma Alanı.
(5) ( )
(6)
( )
Boyutsuz ara yüz enerji eşitliği:
( ( )
( )
)
(3.31)
Burada Ste Stefan numarası olup ( )
olarak tanımlanır.
Geçici terimler ihmal edilerek, Eşitlik (3.29) ve (3.30)’in doğrudan integrali alınarak,
ilgili başlangıç ve sınır koşulları uygulanarak katı ve sıvı fazın sıcaklık dağılım
çözümü elde edilir:
( )
( )
( )
( )
(3.32)
( )
(3.33)
86
Eşitlik (3.32) ve (3.33)’in integrali alınarak, Eşitlik (3.31) ara yüz eşitliğinde yerine
yerleştirilerek ve s (F0 = 0) = 1 başlangıç koşulunun uygulanması sonucunda:
∫
( )
(
)
(3.34)
Yukarıdaki integral β <6,0, β = 6,0 ve β> 6,0 olmak üzere üç durumda
değerlendirilmelidir. Seçilen PCM için β değeri 6,0’dan küçüktür. Bu durumda
toplam katılaşma, kararlı duruma ulaşmadan gerçekleşir. İstisnai β = 6.0 durumunda
toplam katılaşma kararlı durumda, ancak silindir için β = 4,0 ve slab için β = 2,0
durumunda gerçekleşecektir.
β <6,0 için arayüzün geçici konumları:
( )
√
[ (√
) (√
)]
( )
(3.35)
Saf malzemenin katılaşması sırasında, sıvının sıcaklık değişimleri nedeniyle katı-sıvı
arayüzünde ısı akışını arttıran doğal konveksiyona yol açan kaldırma kuvvetleri
ortaya çıkabilir. Doğal konveksiyon önemli etkileri katılaşma oranının azalması ve
katı mikroyapısının değişmesidir (Hanumanth, 1990). Doğal konvektif etkiler arayüz
enerji denkleminde sıvı PCM’nin ısı iletkenliğinin yerine etkili ısı iletkenlik katsayısı
konularak modele dahil edilir.
PCM tarafından açığa çıkarılan boyutsuz kümülatif enerji:
[
( )
√
[ (√
) (√
)]
( )
]
(3.36)
Kapsülün dış yüzeyinde boyutsuz ısı akışı:
|
|
( )
(3.37)
87
3.3.1.2 Kürenin Erimesi
PCM’nin iç kısmındaki erime sorunu eşmerkezli kürelerin içerisinde doğal
konveksiyon sorunu olarak ele alınabilir. Yoğunluk farkı nedeniyle katı faz hareketi
ihmal edilir. Doğal konveksiyon tamamen boşluk genişliği (RaL) karşılığında
Rayleigh sayısına bağlıdır (Chu ve Lee, 1993). Bu sorun, kondüksiyon ısı iletiminin
baskın modu olarak tanımlanarak ve konvektif etkiler sıvının ısı iletkenliği içerisine
eklenerek çözülebilir (Raithby ve Hollands, 1975). PCM’nin etkili ısı iletkenliği
Scanlan ve ekibinin korelasyonundan (1970) elde edilir.
(
)
(3.38)
Burada: keff - Etkili ısı iletkenliği, W/m K; kL - Sıvı PCM’nin ısı iletkenliği.
Boyutsuz formülasyonda ısı üretimi parametresi olan β, Stefan sayısı olan Ste ve
boyutsuz sıcaklık olan ϴL şu şekillerde yeniden tanımlanır:
( )
( )
( )
(3.39)
Boyutsuz ısı eşitliği, sınır ve başlangıç koşulları:
( )
( )
( ) (3.40)
Ara yüz enerji eşitliği:
( )
( )
(3.41)
Burada, γ, karışımdaki sıvının kütle oranının karışımın toplam kütlesine oranıdır.
Boyutsuz arayüz enerji eşitliği:
|
( )
(3.42)
Geçici sıcaklık değişimlerine geçerli eşitlikler çözülerek, sınır ve başlangıç koşulları
uygulanarak ulaşılır. Bu çözüm, Eşitlik (3.42) içerisine yerleştirilerek eritme için
geçici ara yüzü konumu eşitliği şu şekilde elde edilir:
(
)( ) (3.43)
Bu analitik çözüm, konveksiyon, doğal konveksiyon ve ısı üretiminin ısı iletiminin
baskın modu olmasına dayanılarak türetilmiştir.
88
4. BULGULAR VE TARTIŞMA
Bu çalışmada, İstanbul ilinde kurulacak bir gizli ısı depolama sisteminde
kullanılabilecek uygun PCM maddelerinin seçilmesi için gerekli performans ölçütleri
yazılan bir MATLAB programı vasıtasıyla hesaplandı. Çalışmada, PCM maddesi
olarak kullanılan inorganik ve organik maddelerin termofiziksel özellikleri Tablo 4.1
de verilmiştir.
Tablo 4.1 Bazı inorganik ve organik maddelerin termofiziksel özellikleri
Bileşik
Te (ºC) Cp (katı) CP (sıvı) ρk ρs k (W/m.K) h (kJ/kg) I=e
(kJ/kg.K) (kJ/kg.K) (kg/m3) (kg/m3)
(ısıl
iletkenlik)
(gizli erime
ısısı) (k.ρ.cp)1/2
J.m-2
.K-
1.s
-1/2
CaCI2.6H2O 29 1,46 2,13 1800 1560 1,088 190 1690,93
Na2SO4.10H2O 32,5 1,95 3,55 1485 1300 0,544 250 1255,11
Na2CO3.10H2O 33 1,485 2,345 1460 1304 0,75 246,5 1275,18
NaHPO4.12H2O 35 1,7 1,63 1520 1492 0,75 274,22 1392,12
Na2HPO4. 12H2O 36 1,69 1,94 1520 1446 0,514 280 1149,07
Zn(NO3)2.6H2O 36 1,34 1,78 1937 1828 0,464 146,9 1097,43
CaBr2.6H2O 34 0,962 1,046 2194 1956 0,75 115,5 1258,16
Paraffin Wax 32 1,92 3,26 900 830 0,514 251 942,44
n-octadecane C18H38 27,5 2,15 2,18 814 774 0,358 244 791,54
Paraffin C18 28 2,75 2,2 814 774 0,15 244 579,46
Paraffin Wax C25H52 28 2,9 2,1 860 780 0,24 210 773,67
RT-25 26,6 1,413 1,798 785 749 0,19 232 459,07
Glycol(PEG900) 34 2,26 2,26 1200 1100 0,188 150,5 714,04
n-eicosone C20H42 36,4 1,92 2,46 815 780 0,15 247,3 484,48 Suntech P116
Paraffin wax 43 2,95 2,51 818 760 0,24 266 761,02
Na2SiO3. 5H2O 48 3,83 4,57 1450 1280 0,103 267 756,31
Ca(NO3)2.4H2O 45 1,29 1,31 2500 1820 0,75 153 1555,23
1-Tetradecanol 37 1,81 1,72 823 752 0,75 205 1056,99
Capric Asid 30,1 1,95 1,6 893 782 0,75 150,6 1142,81
Lauric Acid 44,2 1,76 2,27 1007 862 0,195 211,6 587,88
Parafin (Mum) 47 2,89 2,51 820 770 0,14 209 576
Na2S2O3.5H2O 48 1,46 2,38 1650 1554 0,14 205 580,74
NaC2H3O2.3H2O 58 2,79 4,57 1450 1280 0,63 267 1596,45
Myristic asid 51,5 2,8 2,42 862 753 0,75 204,5 1345,44
Paraffin 53 53 2,13 2,62 987 795 0,28 164 767,23
Stearic asid 55 2,83 2,38 1080 1150 0,18 186,5 741,72
Palmitic acid 60 1,87 2,73 989 850 0,162 185,4 547,36
89
.
Bu maddelerin program ile elde edilen performans ölçütleri Tablo 4.2 de
gösterilmiştir. Tablo 4.2’deki bazı maddelerimizin Cp değerleri “Prediction of Heat
Capacities of Solid Inorganic Salts from Group Contributions.” , “ The properties of
gases and liquids”, “a review of materials, heat transfer and phase change problem
formulation for latent heat thermal energy storage systems” referanslarıyla
hesaplanmıştır.
Tablo 4.2 PCM ile maddelerinin enerji depolama performans göstergeleri
Bileşik
Panel
verimi
Panelde
aborb.güneş Isı tankın
PCM
kürelerinin PCM'nin Isı depolamada
enerjisinin
depolanma depolama
enerji
depolama
enerji
depolama
kürelerde
ort.
PCM den
faydalanma
Verimi
ort. Hızı
(kw)
kapasitesi
(kJ/dm3)
kapasitesi
(kJ/kg)
erime oranı
(%) oranı (%)
CaCI2.6H2O 0,623 0,945 0,8 96,1 224,2 100 70,9
Na2SO4.10H2O 0,616 0,943 0,789 94,8 285,6 100 75,6
Na2CO3.10H2O 0,609 0,93 0,77 92,5 274,5 100 73,3
NaHPO4.12H2O 0,602 0,928 0,759 91,2 270 89,5 76,2
Na2HPO4. 12H2O 0,595 0,92 0,744 89,4 257,7 82,8 74,2
Zn(NO3)2.6H2O 0,586 0,901 0,718 86,3 174,7 100 66,2
CaBr2.6H2O 0,582 0,888 0,703 84,5 137,9 100 60,4
Paraffin Wax 0,58 0,88 0,695 83,4 314,1 100 57,1
n-octadecane C18H38 0,567 0,889 0,685 82,3 303,4 100 50,6
Paraffin C18 0,571 0,881 0,684 82,1 307,1 100 51,3
Paraffin Wax C25H52 0,565 0,872 0,67 80,5 273,3 100 49,2
RT-25 0,552 0,89 0,668 80,2 283 100 46,5
Glycol(PEG900) 0,565 0,866 0,666 80 207,7 100 52,5
n-eicosone C20H42 0,561 0,852 0,65 78,1 300,1 100 52,7 Suntech P116
Paraffin wax 0,548 0,845 0,629 75,6 307,9 91,4 56,1
Na2SiO3. 5H2O 0,539 0,858 0,629 75,5 139,8 14,3 45,6
Ca(NO3)2.4H2O 0,541 0,848 0,624 75 90,9 39,4 51,3
1-Tetradecanol 0,548 0,831 0,62 74,5 252,7 100 47
Capric Asid 0,544 0,823 0,609 73,2 200,9 100 41,1
Lauric Acid 0,539 0,827 0,606 72,8 223 86,2 51,9
Parafin (Mum) 0,527 0,811 0,581 69,8 221 70 43,7
Na2S2O3.5H2O 0,524 0,81 0,577 69,3 101,7 30,7 41
NaC2H3O2.3H2O 0,515 0,797 0,558 67 83,4 0 30,7
Myristic asid 0,51 0,779 0,54 64,9 129,6 22,4 29,1
Paraffin 53 0,503 0,762 0,521 62,6 87,2 12,7 23,1
Stearic asid 0,504 0,753 0,517 62,1 87,7 77,5 23,7
Palmitic acid 0,491 0,734 0,49 58,8 58,8 0 16,8
90
4.1 PERFORMANS ÖLÇÜTLERİ ÜZERİNE PCM ÖZELLİKLERİNİN
ETKİLERİ
4.1.1Volumetrik ısı kapasitesisin etkisi
İlk olarak, Tablo 4.2 deki performans ölçütlerinin volumetrik hız kapasitesi (I) ile
ilişkisi araştırıldı.
Şekil 4.1 Panel verimi ile I parametresi arasındaki ilişki
Şekil 4.1 de, Panel verimlerine karşılık inorganik ve anorganik maddelerin
volumetrik hız kapasitesine göre değerleri grafik edildi. Bu grafikten volumetrik hız
kapasitesi artınca panel veriminin de arttığı görülmüştür.
Şekil 4.2 Paneldeki absorblanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile I parametresi
arasındaki ilişki
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0 500 1000 1500 2000
Pan
el v
erim
i
I (J.m-2K-1s-1/2)
0.6
0.65
0.7
0.75
0.8
0.85
0.9
0.95
1
1.05
1.1
0 500 1000 1500 2000
Pan
eld
eki a
bs.
gü
neş
en
erjis
inin
d
epo
lan
ma
veri
mi
I (J.m-2K-1s-1/2)
91
Şekil 4.2 de ise paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimine
karşılık, volumetrik hız kapasitesi çizildi. Buradan da volumetrik hız kapasitesi
arttıkça lineer olarak paneldeki absorblanan güneş enerjisinin depolanma veriminde
de bir artış meydana geldiği görüldü.
Şekil 4.3 Isı depolama ortalama hızı ile I parametresi arasındaki ilişki
Şekil 4.3 de ise yine aynı şekilde volumetrik hız kapasitesi arttıkça ısı
depolama ortalama hızında da lineer bir artış görülmektedir.
Şekil 4.4 Tankın enerji depolama kapasitesi ile I parametresi arasındaki ilişki
Şekil 4.4 de, tankın enerji depolama kapasitesine karşılık volumetrik hız
kapasitesi çizildiğinde ise lineer bir şekilde doğru orantılı olarak bir artış olduğu
görüldü.
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 500 1000 1500 2000
Isı d
epo
lam
a o
rtal
ama
hız
ı (kw
)
I (J.m-2K-1s-1/2)
10
30
50
70
90
110
130
0 500 1000 1500 2000
Tan
kın
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi
(kJ/
dm
3)
I (J.m-2K-1s-1/2)
92
Şekil 4.5 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile I parametresi arasındaki
ilişki
Şekil 4.5 de ise, PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde ise
volumetrik hız kapasitesi arttıkça zamanla bir düşüş meydana gelmektedir.
Şekil 4.6 PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile I parametresi arasındaki ilişki
Şekil 4.6 da; PCM’ nin kürelerde ortalama erime oranı ise PCM kürelerinin
enerji depolama kapasitesinde olduğu gibi volumetrik hız kapasitesi arttıkça düşmeye
başlamıştır.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 500 1000 1500 2000
PC
M k
üre
leri
nin
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi (
kJ/k
g)
I (J.m-2K-1s-1/2)
0
20
40
60
80
100
120
0 500 1000 1500 2000
PC
M'n
in k
üre
lerd
e o
rt. e
rim
e o
ran
ı (%
)
I (J.m-2K-1s-1/2)
93
Şekil 4.7 Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile I parametresi arasındaki
ilişki
Şekil 4.7 de ise, Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranına
baktığımızda ise volumetrik hız kapasitesi arttıkça arttığı gözlemlendi.
Sistemde volumetrik hız kapasitesi artınca;
1. Panel veriminde artış,
2. Paneldeki absorplanan güneş enerji depolama veriminde artış,
3. Isı depolama ortalama hızında artış,
4. Tankın enerji depolama kapasitesinde artış,
5. PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde azalma,
6. PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında azalma,
7. Isı depolanmada PCM’den faydalanma oranında artış meydana gelmiştir.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
0 500 1000 1500 2000
Isı
dep
ola
mad
a P
CM
'den
fay
dal
anm
a o
ran
ı (%
)
I (J.m-2K-1s-1/2)
94
4.1.2 Gizli erime ısısının etkisi
Şekil 4.8 Panel verimi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki
Şekil 4.8 de ilk olarak panel verimi üzerine gizli erime ısısının etkisine
baktığımızda, gizli erime ısısı arttıkça panel veriminde bir artış olduğu gözlemlendi.
Şekil 4.9 Panelde absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile gizli erime
ısısı arasındaki ilişki.
Şekil 4.9 da, aynı şekilde gizli erime ısısı arttıkça panelde absorplanan güneş
enerjisinin depolanma veriminde de bir artış olduğu görüldü.
0.3
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
0.75
50 100 150 200 250 300 350
Pan
el v
erim
i
h (kJ/kg)
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
50 100 150 200 250 300 350
Pan
eld
e ab
s. g
ün
eş e
ner
jisin
in
dep
ola
nm
a ve
rim
i
h (kJ/kg)
95
Şekil 4.10 Isı depolama ortalama hızı ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki
Şekil 4.10 da ise ısı depolama ortalama hızına göre inorganik ve organik
maddelerin gizli erime ısıları dikkate alınarak grafik edildi, gizli erime ısısı arttıkça,
ısı depolama ortalama hızında da lineer bir artış olduğu gözlemlendi.
Şekil 4.11 Tankın enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki
Şekil 4.11 de, aynı şekilde gizli erime ısısı arttıkça, tankın enerji depolama
kapasitesinde de bir artış olduğu görülmektedir.
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
50 100 150 200 250 300 350
Isı
dep
ola
ma
ort
. hız
ı (kw
)
h (kJ/kg)
0
20
40
60
80
100
120
50 100 150 200 250 300 350
Tan
kın
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi
(kJ/
dm
3 )
h (kJ/kg)
96
Şekil 4.12 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı arasındaki
ilişki
Şekil 4.12 de, PCM kürelerinin enerji depolama hızı da gizli erime ısısıyla
doğru orantılı olarak artmaktadır.
Şekil 4.13 PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile gizli erime ısısı arasındaki
ilişki
Şekil 4.13 de ise; PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında ise çok az bir lineer
artış görülmektedir.
0
50
100
150
200
250
300
350
50 100 150 200 250 300 350
PC
M k
üre
leri
nin
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi (
kJ/k
g)
h (kJ/kg)
0
20
40
60
80
100
120
50 100 150 200 250 300 350
PC
M'n
in k
üre
lerd
e o
rt. e
rim
e o
ran
ı (%
)
h (kJ/kg)
97
Şekil 4.14 Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile gizli erime ısısı arasındaki
ilişki
Şekil 4.14 de ise ısı depolama da PCM den faydalanma oranına karşılık gizli
erime ısısı grafik edildiğinde ise gizli erime ısısı arttıkça lineer bir artış olduğu
görüldü.
Sistemde gizli erime ısısı artınca;
1. Panel veriminde artış,
2. Paneldeki absorblanan güneş enerjisi depolanma veriminde artış,
3. Isı depolama ortalama hızında artış,
4. Tankın enerji depolama kapasitesinde artış,
5. PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde artış,
6. PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında artış,
7. Isı depolamada PCM’den faydalanma oranında artış meydana gelmiştir.
Daha sonra, Tablo 4.2 deki diğer parametreleri, inorganik ve organik maddelerin Te
sıcaklıklarıyla karşılaştırıldı. Buna göre;
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
50 100 150 200 250 300 350
Isı d
epo
lam
ada
PC
M'd
en f
ayd
alan
ma
ora
nı (
%)
h (kJ/kg)
98
4.1.3 Erime sıcaklığının etkisi
Şekil 4.15 Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
İnorganik ve organik maddelerimizin erime sıcaklıklarının panel verimine
etkisine şekil 9.15 de baktığımızda; sıcaklık arttıkça azalma olduğu görülmektedir.
Buna göre en iyi çalışma sıcaklığı en düşük erime sıcaklığına sahip olan madde
olduğu bu grafikten söylenebilir.
Şekil 4.16 Panelde absorblanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime
sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.16 da ki grafiğimizden ise sıcaklığın artması ile panelde absorplanan
güneş enerjisinin depolanma veriminin düştüğü görülmektedir.
0.35
0.4
0.45
0.5
0.55
0.6
0.65
0.7
10 20 30 40 50 60 70
Pan
el v
erim
i
Te (°C)
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
1.1
1.2
10 20 30 40 50 60 70
Pan
eld
e ab
s. g
ün
eş e
ner
jisin
in
dep
ola
nm
a ve
rim
i
Te (°C)
99
Şekil 4.17 Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.17 de, Isı depolama ortalama hızı da inorganik ve organik maddelerin
erime sıcaklığının artmasıyla birlikte azaldığı görüldü.
Şekil 4.18 Tankın enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.18 de görüldüğü gibi tankın enerji depolama kapasitesi, erime
sıcaklığı değerleri arttıkça lineer bir şekilde azaldı.
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
10 20 30 40 50 60 70
Isı d
epo
lam
a o
rt. h
ızı (
kw)
Te (°C)
10
30
50
70
90
110
130
10 20 30 40 50 60 70
Tan
kın
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi
(kJ/
dm
3 )
Te (°C)
100
Şekil 4.19 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
Şekil 4.19 daki grafiğe baktığımızda ise PCM kürelerinin enerji depolama
kapasitesi yine aynı şekilde inorganik ve organik maddelerin erime sıcaklığı arttıkça
azaldığı görüldü.
Şekil 4.20 PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
Şekil 4.20 de, PCM’nin kürelerde ortama erime oranının sıcaklıkla ilişkisine
baktığımızda ise erime sıcaklığı arttıkça PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı da
azaldı.
0
50
100
150
200
250
300
350
10 20 30 40 50 60 70
PC
M k
üre
leri
nin
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi (
kJ/k
g)
Te (°C)
0
20
40
60
80
100
120
140
10 20 30 40 50 60 70
PC
M'n
in k
üre
lerd
e o
rt. e
rim
e o
ran
ı (%
)
Te (°C)
101
Şekil 4.21 Isı depolamada PCM den faydalanma oranı ile erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
Şekil 4.21 de ise, ısı depolamada PCM den faydalanma oranı da yine
yukarıdaki grafiklerdeki gibi aynı şekilde erime sıcaklığı arttıkça azalmıştır.
Sistemde inorganik ve organik maddelerin erime sıcaklıkları artınca;
1. Panel veriminde azalma,
2. Paneldeki absorplanan güneş enerjisi depolanma verimin de azalma,
3. Isı depolama ortalama hızın da azalma,
4. Tankın enerji depolama kapasitesinde azalma,
5. PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesin de azalma,
6. PCM’nin kürelerde ortalama erime oranın da azalma,
7. Isı depolamada PCM’den faydalanma oranın da azalma meydana gelmiştir.
Bu sonuçlara göre I (volumetrik hız kapasitesi), Te (inorganik ve organik maddelerin
erime sıcaklıkları) ve h (gizli erime ısısı) ‘ın sistem üzerindeki etkileri incelendi.
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
10 20 30 40 50 60 70
Isı d
epo
lam
ada
PC
M'd
en f
ayd
alan
ma
ora
nı (
%)
Te (°C)
102
4.2 UYGUN KOLEKTÖR ALANININ SEÇİLMESİ
Beş adet benzer maliyeti olan yağ asidi için en uygun kolektör alanının
hesaplaması yapıldı ve değerler Tablo 4.3 deki gibi çıkmıştır.
Tablo 4.3 Farklı alanların performans ölçütlerine etkisi
Panel
verimi
Panelde
aborb.güneş Isı tankın
PCM
kürelerinin PCM'nin Isı depolamada
enerjisinin
depolanma depolama
enerji
depolama
enerji
depolama
kürelerde
ort.
PCM den
faydalanma
verimi
ort. Hızı
(kw)
kapasitesi
(kJ/dm3)
kapasitesi
(kJ/kg)
erime
oranı (%) oranı (%)
Palmitic acid
Ac kolektor alanı
2,74 0,491 0,73 0,49 58,8 58,8 0 16,8
3,42 0,491 0,82 0,63 76,2 101 15,5 22
3,99 0,468 0,82 0,71 84,7 149 41,3 29,2
4,56 0,452 0,82 0,78 93,5 197 65,9 34,8
5,7 0,424 0,82 0,91 109,5 269 100 40,6
Steraic asid
Ac kolektör alanı
2,74 0,517 0,85 0,65 77,5 139 23,6 32,9
3,42 0,492 0,85 0,76 91,6 211 61 42,1
3,99 0,482 0,86 0,86 103,7 264 87,2 46,4
4,25 0,475 0,85 0,9 108,5 284 96,2 47,6
4,56 0,46 0,85 0,94 113,3 295 100 47,5
Lauric acid
Ac kolektör alanı
2 0,565 0,87 0,54 65,1 169 60,5 44,4
2,25 0,56 0,87 0,6 72,4 208 78 48,9
2,5 0,557 0,88 0,66 79,4 240 91,6 51,2
2,65 0,553 0,88 0,69 83,3 255 98 52
2,75 0,542 0,87 0,71 85,3 261 100 52
Myristic acid
Ac kolektör alanı
2,5 0,527 0,85 0,61 72,8 176 44,4 35,3
2,75 0,518 0,85 0,65 78,5 213 61,7 39,5
3 0,512 0,85 0,7 84,5 248 78,4 42,8
3,25 0,509 0,85 0,75 90,3 278 91,2 44,7
3,5 0,493 0,84 0,79 94,6 298 100 45,8
103
Capric acid
Ac kolektör alanı
0,45 0,671 1,29 0,22 26,5 81,4 42,3 46,6
0,5 0,67 1,24 0,23 28,2 92,8 49,8 49,9
0,63 0,666 1,14 0,27 32,5 122 69,3 56,9
0,75 0,67 1,11 0,31 37,6 151 87,8 60,7
1 0,654 1,02 0,38 45,1 174 100 58,2
PCM’ nin kürelerde erime oranı dikkate alınarak, %100 erimenin gerçekleştiği
veriler Tablo 4.4 de görülmektedir.
Tablo 4.4 PCM’nin kürelerde %100 erimenin gerçekleştiği andaki verileri
Bileşikler Te Ac Panel
verimi
Panelde
aborb.güneş Isı tankın
PCM
kürelerinin Isı depolamada
enerjisinin
depolanma depolama
enerji
depolama
enerji
depolama
PCM den
faydalanma
verimi
ort. Hızı
(kw)
kapasitesi
(kJ/dm3)
kapasitesi
(kJ/kg) oranı (%)
Capric acid 30,1 1 0,65 0,999 0,376 45,1 174 58,2
Lauric acid 44,2 2,75 0,54 0,867 0,71 85,3 261 52
Myristic
acid 51,5 3,5
0,49 0,843 0,788 94,6 298 45,8
Stearic acid 55 4,56 0,46 0,848 0,943 113 295 47,5
Palmitic
acid 60 5,7
0,42 0,821 0,912 110 269 40,6
4.2.1 Kolektör alanının etkisi
Tablo 4.4 de sırasıyla kolektör alanına karşılık diğer parametreleri grafik
ettiğimde aşağıdaki grafikler oluşmuştur.
Şekil 4.22 Isı depolama ortalama hızı ile alan arasındaki ilişki
Şekil 4.22 de, ısı depolama ortalama hızına karşılık alan değerlerini grafik
ettiğimde çıkan sonuca baktığımda, genel olarak kolektör alanı arttıkça, ısı depolama
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 1 2 3 4 5 6
Isı d
epo
lam
a o
rtal
ama
hız
ı (kw
)
Ac (m2)
104
ortalama hızı artmıştır. Ama grafikten de görüldüğü üzere 4,56 kolektör
alanından sonra kolektör alanını arttırmaya devam ettiğimde, ısı depolama ortalama
hızı azalmaktadır. Çünkü palmitik asidin erime noktası yüksek olduğu için tanktaki
su 60°C çok geç saatlerde ulaşıyor. Bu da ısı depolama ortalama hızının azalmasına
neden olmuştur.
Şekil 4.23 Tankın enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki
Şekil 4.23 de, Tankın enerji depolama kapasitesine karşılık, kolektör alan
grafiğimize baktığımızda ise, yine belli bir miktara kadar artış gözlendiği ve 4,56
kolektör alan değerinden sonra aynı şekilde azalma gözlenmiştir. Bu da yine
aynı şekilde sıcaklığın 60°C ye çıkmasından dolayı gerçekleştiği söylenebilir.
Şekil 4.24 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki
0
20
40
60
80
100
120
0 1 2 3 4 5 6
Tan
kın
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi
(kj/
dm
3 )
Ac (m2)
0
50
100
150
200
250
300
350
0 1 2 3 4 5 6
PC
M k
üre
leri
nin
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi (
kj/k
g)
Ac (m2)
105
Şekil 4.24 de, PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ve kolektör alan
değerlerine göre çizilen grafiğe baktığımızda ise bu grafikten de en iyi çalışma
kolektör alanı 3,5 olarak görülmüştür.
Şekil 4.25 Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranı ile alan arasındaki ilişki
Şekil 4.25 de, Isı depolamada PCM ‘lerden faydalanma oranını kolektör alan
değerlerine göre grafik edildiğinde ise, yukarıdaki grafiklerin tersine alan arttıkça
PCM’lerden faydalanma oranı azalmıştır. Şekil 4.25’e göre en uygun alan 1
seçilmiştir.
4.2.2 Erime sıcaklığının etkisi
Daha sonra alana karşılık yapılan grafikleri aynı şekilde bu sefer Te sıcaklığı
dikkate alınarak yapıldı ve çıkan sonuçlar incelendi.
Şekil 4.26 Alan ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
0
10
20
30
40
50
60
70
0 1 2 3 4 5 6
Isı d
epo
lam
ada
PC
M'le
rden
fay
dal
anm
a o
ran
ı (%
)
Ac (m2)
0
1
2
3
4
5
6
0 10 20 30 40 50 60 70
Ac
(m2 )
Te (°C)
106
Tablo 4.4 deki kolektör alan değerlerine karşılık yağ asitlerinin erime
sıcaklıkları dikkate alınarak yapılan, Şekil 4.26 da ise; sıcaklıkla alanın doğru orantılı
olarak değiştiği gözlemlenmiştir.
Şekil 4.27 Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.27 de ise, panel verimine karşılık, yağ asitlerinin erime sıcaklıkları
dikkate alınarak oluşturulmuştur. Burada ise, sıcaklık arttıkça panel veriminde bir
düşüş gözlenmiştir. Yani panel verimiyle yağ asitlerin erime sıcaklıkları arasında bir
ters orantı vardır.
Şekil 4.28 Panelde absorblanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime
sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.28 de, aynı şekilde yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ile panelde
absorplanan güneş enerjisinin depolanma veriminde bir ters orantı olduğu
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0 10 20 30 40 50 60 70
Pan
el v
erim
i
Te (°C)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
0 10 20 30 40 50 60 70
Pan
eld
e ab
s. g
ün
eş e
ner
jisin
in
dep
ola
nm
a ve
rim
i
Te (°C)
107
görülmüştür. Sıcaklık arttıkça, panelde absoplayacağımız güneş enerjisinin
depolanma verimi azalmıştır.
Şekil 4.29 Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.29 da ise, ısı depolama ortalama hızına karşılık, yağ asitlerinin erime
sıcaklık değerlerine göre çizilmiştir. Burada ise en iyi ısı depolama ortalama hızına
ulaşılan sıcaklık 55°C olarak görülmüştür. Bu değerden sonra düşüş olmasının
nedeni ise; sistemin bu sıcaklık değerinden sonra daha yüksek sıcaklığa erişmesi çok
zaman almaktadır bu da ısı depolama ortalama hızının düşmesine neden olmuştur.
Şekil 4.30 Tankın enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki
Şekil 4.30 da ise; yine aynı şekilde ısı depolama ortalama hızıyla aynı olduğu
görüldü. Burada da en iyi enerji depolama kapasitesini en yüksek değerde sağlayan,
sıcaklığı 55°C olan stearic acid görülmüştür.
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
0 10 20 30 40 50 60 70
Isı d
epo
lam
a o
rt. h
ızı (
kw)
Te (°C)
0
20
40
60
80
100
120
0 10 20 30 40 50 60 70
Tan
kın
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi
(kJ/
dm
3)
Te (°C)
108
Şekil 4.31 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
Şekil 4.31 de ise en iyi sonucun 51,5°C olan myristic acidin sağladığı
görülmüştür.
Şekil 4.32 Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile erime sıcaklığı arasındaki
ilişki
Şekil 4.32 de ısı depolamada PCM ‘lerden faydalanma oranına kaşılık, erime
sıcaklık değerleri dikkate alınarak çizilmiştir. Burada ise sıcaklık ne kadar artarsa
PCM’lerden faydalanma oranı düşmektedir yani ters orantılıdır. Sistemde ne kadar
düşük sıcaklık olursa o kadar iyi olur, yani sistem daha çabuk ısınır böylece daha
fazla PCM’lerden faydalanıp daha fazla ısı depolanabilir.
0
50
100
150
200
250
300
350
0 10 20 30 40 50 60 70
PC
M k
üre
leri
nin
en
erji
dep
ola
ma
kap
asit
esi (
kJ/k
g)
Te (°C)
0
10
20
30
40
50
60
70
0 10 20 30 40 50 60 70
Isı d
epo
lam
ada
PC
M'd
en f
ayd
alan
ma
ora
nı (
%)
Te (°C)
109
Bu sonuçlardan da görüldüğü üzere en iyi yağ asidi erime sıcaklığı 30,1°C
olan capric asittir. Düşük erime sıcaklığı olan bir yağ asidi seçilirse düşük kolektör
alanında yüksek panel verimi sağlanır buda maliyet açısından uygun olur. Diğer bir
şekilde panel verimi yüksek olacak bunun sonucu olarak da panelde absorplanan
güneş enerjisinin depolanma verimi yüksek olacak, aynı şekilde ısı depolamada
PCM’ lerden faydalanma oranı yüksek olacaktır. Bu sebeplerden dolayı, bu 5 yağ
asidinden en uygun olarak capric acidi seçilmiştir.
Bu 5 yağ asidinin birim alan başına PCM kürelerinin enerji depolama
kapasitesi fazla olanı belirlemek için aşağıdaki Tablo 4.5 oluşturuldu. Buradan da en
uygunun capric acid olduğu görülmüştür.
Tablo 4.5 Yağ asitlerinin birim alan başına enerji depolama kapasitesi
BİLEŞİKLER Te
ρk
(kg/m3) m (kg)
PCM kürelerinin
enerji depolama
kapasitesi (kJ/kg) Ac J/m2
Capric acid 30,1 893 251,38 174,2 1 43,79
Lauric acid 44,2 1007 283,47 260,9 2,75 26,9
Myristic acid 51,2 862 242,65 298,4 3,5 20,69
Stearic acid 55 1080 304,02 295,4 4,56 19,7
Palmitic acid 60 989 278,4 269 5,7 13,14
4.3 UYGUN ÇAPIN SEÇİLMESİ
Tablo 4.5’den capric acid seçilip kalsiyum klorür hekza hidrat ( )
ile sistemin hangi çapta daha iyi performans sağladığına bakıldı. Burada
( ) ‘ın seçilme nedeni piyasada en çok kullanılan PCM maddesi
olmasıdır.
110
Tablo 4.6 Capric acid ve kalsiyum klorür hekza hidratın çap değişikleri sonucu elde
edilen veriler
Bileşikler Çap Panel
verimi
Panelde
aborb.güneş Isı tankın
PCM
kürelerinin PCM'nin Isı depolamada
enerjisinin
depolanma depolama
enerji
depolama
enerji
depolama
kürelerde
ort.
PCM den
faydalanma
verimi
ort. Hızı
(kw)
kapasitesi
(kJ/dm3)
kapasitesi
(kJ/kg)
erime
oranı (%) oranı (%)
Capric acid
0,04 0,57 0,88 0,652 78,3 206 100 39,3
0,045 0,57 0,89 0,659 79,1 205 100 39,4
0,05 0,57 0,89 0,662 79,5 204 100 39,4
0,055 0,57 0,89 0,664 79,7 204 100 39,5
0,06 0,57 0,89 0,666 79,7 203 100 39,6
0,065 0,57 0,89 0,667 80,1 203 100 39,6
0,07 0,57 0,89 0,668 80,3 203 100 39,7
0,075 0,57 0,9 0,67 80,5 202 100 39,7
CaCI2.6H2O
0,04 0,63 0,97 0,817 98,2 226 100 70
0,045 0,64 0,97 0,821 98,7 225 100 70,3
0,05 0,64 0,97 0,823 98,8 225 100 70,6
0,055 0,63 0,97 0,824 99 224 100 70,8
0,06 0,63 0,97 0,824 99 224 100 71
0,065 0,63 0,97 0,824 99 223 100 71,1
0,07 0,63 0,97 0,825 99 222 100 71,3
0,075 0,63 0,97 0,824 99 222 100 71,5
Tablo 4.6 ya baktığımızda ise PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesini
dikkate alırsak buna göre en uygun çap 0,04 m olarak seçilmesi uygun görülmüştür.
111
5. SONUÇ
Bu çalışmada İstanbul ili için tasarlanan, güneş enerjisinin gizli ısı ile
depolanmasında kullanılan inorganik ve organik PCM maddelerinin termofizksel
özelliklerinin, sistemdeki parametrelerin performans ölçütleri üzerine etkileri
belirlendi. Buradan çıkan sonuçlara göre volumetrik ısı kapasitesi artınca; panel
veriminde, paneldeki absorplanan güneş enerjisi depolama veriminde, ısı depolama
ortalama hızında, tankın enerji depolama kapasitesinde, ısı depolamada PCM’lerden
faydalanma oranında artış meydana gelmiştir. Gizli erime ısısı artınca; panel
veriminde, paneldeki absorplanan güneş enerjisi depolanma veriminde, ısı depolama
ortalama hızında, tankın enerji depolama kapasitesinde artış, PCM kürelerinin enerji
depolama kapasitesinde artış, PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında artış, ısı
depolamada PCM’lerden faydalanma oranında artış meydana gelmiştir. Erime
sıcaklığının etkisine bakıldığında ise; panel veriminde, paneldeki absorblanan güneş
enerjisi depolanma veriminde, ısı depolama ortalama hızında, tankın enerji depolama
kapasitesinde, PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde, PCM’nin kürelerde
ortalama erime oranında, ısı depolamada PCM’den faydalanma oranında azalma
meydana gelmiştir.
Bunlar içerisinden seçilen beş adet yağ asidi için uygun kolektör alan
hesaplaması yapıldı. Bu hesaplamaya göre bizim için en uygun PCM maddesi olarak
capric asit seçildi. Çünkü capric asidin %100 erimenin gerçekleştiği zamanki
kolektör alanı 1 m2
olarak çıktı. Buda kolektörümüzün tasarımında maliyet analizi
için önemlidir. Diğer bir neden ise capric asidin birim alan başına enerji depolama
kapasitesi diğer 5 adet yağ asidinden fazla çıktığı için capric asid PCM maddesi
olarak seçilmiştir. Çalışma sıcaklığımızda capric acidin erime sıcaklığını dikkate
aldığımızda 30,1 °C olarak belirlenmiştir.
Daha sonrada günümüzde en çok güneş enerjisi depolama malzemesi olarak
kullanılan kalsiyum klorür hekza hidrat ile capric acid karşılaştırıldı. Bu iki PCM
maddesi için en uygun çapın belirlenmesi yapıldı. Bu çıkan sonuçlara göre PCM
kürelerinin enerji depolama kapasitesine göre kıyasladığımızda en uygun çapımız
0,04 m olarak belirlenmiştir.
Gizli ısı depolama teknolojisinde önemli gelişmeler sağlanmış olmakla
birlikte, ayrıntılı olarak incelenmesi gereken bazı teknik sorunlar bulunmaktadır.
112
Genel olarak gizli ısı depolama kavramını ekonomik bir şekilde uygulanabilir
duruma getirebilmek için, istenildiği gibi giderilemeyen sorunların bazıları aşağıdaki
gibi özetlenebilir:
8. PCM’ler doğası gereği ısı taşıyıcı olarak kullanılamaz.
9. PCM’nin ergime ve katılaşma süresince genleşme gerçekleşebilir.
10. PCM’lerin ısı yayma özelliği genellikle düşük olduğundan, sistemde özel bir
ısı değiştiricisi kullanılması gerekir.
11. PCM’lerin depoda korozyona neden olması durumunda, sistemin etkinliği
azalabilir.
12. Isı geri kazanılması sırasında, ısı değiştirici yüzeyi ile katı durumundaki PCM
arasında, boşluk oluşması veya film katılaşması nedeniyle ısı geçişi azalabilir.
13. Isı geri kazanma durumunda, PCM’nin katılaşması süresince ısı geçişinin
azalmaması için ısı değiştiricilerin tasarımına özen gösterilmelidir.
14. Isı depolama sıcaklığı ortam sıcaklığından önemli düzeyde farklı olduğunda,
PCM’nin özel olarak yalıtılmış depolarda depolanması gerekebilir.
15. Depodan oluşan ısı kayıpları yüzey alanıyla orantılı olduğunda, sistemin
boyutları ısı depolama maliyetinde önemli bir etmendir.
16. PCM’lerin basıları toksik etkilidir ve emniyetle ilgili önlemlerin alınması
gerekir.
17. PCM’ler genellikle pahalıdır.
18. Isı geçişinin önemli düzeyde azalmaması için, korozyonu önleyici kimyasal
katkı maddeleri ve koruyucu kaplama konusunda araştırmalar yapılmalıdır.
19. Çevresel etki değerlendirmesi konusunda ortaya çıkan sorunlarla ilgili
çalışmalar sürdürülmelidir.
113
KAYNAKLAR
(1) Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü Resmi internet sayfası, 2006
nisan erişimi www.eie.gov.tr.
(2) Şen, Z., 2004 “Türkiye’nin Temiz Enerji İmkanları”,Mimar ve Mühendis
Dergisi, Sayı 33.
(3) Türkiye Çevre Vakfı, 2003 “Türkiye’nin Çevre Sorunları 2003”, Ankara.
(4) Becker, M., 1993. Solar Thermal Energy Utilization., Springer Verlag, New
York.
(5) Boyle, G.,2004. Solar Photovoltaics Renewable energy power for a
sustainable future, ed. Oxford University Press, New York, 66-83.
(6) Kılıç, F., Kaya, D.,2007. Energy production, consumption, policies, and
recent developments in Turkey. Renewable & Suistainable Energy Reviews,
11:1312-1320
(7) Tuncay, N.,2003. Enerji ve doğal kaynaklar paneli raporu. TUBİTAK,
Ankara 9-12.
(8) Acaroğlu, M.,2003. Alternatif Enerji Kaynakları. Nobel Yayınevi, Ankara,15.
(9) Duffie, A., J., Beckman W., A., 2006. Solar Engineering of Thermal
Processes. 3rd. ed, Canada.
(10) Soteris A. Kalogirou, 2004. Solar Thermal Collectors and
Applications. Progress in Energy and Combustion Science 231-295.
(11) Kılıç A., Öztürk A., 1983. Güneş enerjisi. İstanbul Teknik
Üniversitesi Makine Fakültesi. Kipaş dağıtımcılık. 2rd.-6rd. Edition. İstanbul.
(12) Kaloqirou, S.,2003. The potential of solar industrial process heat
applications. Appl Energy. 76:337-61.
(13) Muneer T., Maubleu S. Asif M,.2006. Prospects of solar water heating
for textile industry in Pakistan, Renewable and Sustainable Energy Reviews;
10(February (1)):1-23
(14) Randolph J., 2007. Solar Energy, Rosen Publishing Group. Newyork.
(15) Kalogirou Soteris, A.,2004. Solar thermal collectors and applications.
Progress in Energy and Combustion Science. 30 (3): 231-95.
114
(16) Trp , A., 2005. An experimental and numerical investigation of heat
transfer during technical grade parafin melting and solidification in a shell-
and-tube latent thermal energy storage unit. Solar energy, 79, 648-660.
(17) Cengel, Y.A.,2003. Heat Transfer A Pratical Approach (Second
Edition), McGraw-Hill.
(18) Dincer, Đ.,2002. "Thermal energy storage and phase-change
materials", Course on Porous Media, 17-21 Evora, Portugal.
(19) Stephen L.Y.,1996. “Prediction of Heat Capacities of Solid Inorganic
Salts from Group Contributions.” Los Alamos National Laboratorty, Los
Alamos New Mexico 87545.
(20) Bruce E.P., John M.P., John P.O., 2001. “The properties of gases and
liquids” (fifth edition), McGraw-Hill.
115
ÖZGEÇMİŞ
Büşra Altıntaş 1985’te İstanbul’da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Eczacıbaşı
İlköğretim Okulunda tamamladı. Lise öğrenimini Kartal Lisesinde tamamladı. Üniversite
öğrenimini 2003-2007 yılları arasında Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya
Mühendisliği Bölümünde yaptı. 2008 yılında Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Kimya
Mühendisliği Proses ve Reaktör Anabilim Dalında Yüksek lisansa başladı.
116
EKLER
EK 1
Sistemin simulasyon modeli
117
EK 2
Sistemin programı:
clear all;
global yer G0 sinT cosT sing cosg sinD cosD sinL cosL tanL T global qsu Lc Hc Wc Ac Ng D DI Ltup W Lb Le Lp Cbond etap etag kb
ke kp ktup C hw f Ube global Vtank Dtank dt hktank Atank Tcev voidf Re1 global dkaps tkaps kkaps yogpcmk Tpcm kpcm Hpcm Nkaps Nkapsx Nkapsr
a1 a2 a3 b1 b2 b3
%% cografi bilgileri
yer.boylam = 28.97; % İstanbul boylam
(28:58: doğu derece) yer.enlem = 41.02; % İstanbul enlem
(41:01 Kuzey derece) yer.yukseklik = 0; % istanbul yükseklik
(km)
%% meterolojik-iklimsel bilgiler (İstanbul haziran ayı)
Tbas = 21+273.2; % gün baslangıc
sıcaklıği C DeltaT = 8; Vr = 2.4; % rüzgar hızı (m/s) Berindeks = 0.74; % atmosferik
berraklık indeksi %% takvim bilgileri
aygunleri= [31,29,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31]; aysay = 6; aygun = 21; gunsay = sum(aygunleri(1:aysay-1))+aygun; dt = 1/60; %
saat
%% Kolektor tasarım verileri
T = yer.enlem-20; % Panel yüzeyinin yatayla
yaptığı açı (derece)
BÜTÜN YIL = ENLEM * 0.9 g = 0; % Kuzey-Güney yönünden dönme
açısı
Lc = 2.40; % kolektor boyu m Hc = 0.08; % derinliği m Wc = 1.14; % genişliği m Ac = Lc*Wc; % alanı m2 Ng = 1; % cam kapak sayısı
118
D = .018; % boru dış capı m DI = .016; % iç capı m Ltup= Lc*.9; % uzunluğu m Ntup= 10; W = (Wc-D)/(Ntup-1); % boru merkezleri arası mesafe
Lb = .040; % alt izolasyon kalınlığı m Le = .040; % yan izolasyon kalınlığı m Lp = .0002; % sogurucu plaka kalınlığı m
qsu = 0.05; % su sirkulasyon kütlesel
debisi kg/saniye %% ısı depolama tankı özellikleri Dtank = 0.6; % Tank çapı m Htank = 1.6; % genişliği m Vtank = pi*Dtank^2*Htank/4; % hacmı m3 Atank = pi*Dtank*Htank; % yan alanı m2 hktank = 4; % Tanktan çevreye ısı
transfer katsayısı (W/m2C)
% PCM küre özellikleri dkaps= 0.075; % polietilen kapsül dış çapı m tkaps= 0.001; % kapsul et kalınlığı m kkaps= 0.35; % kapsul ısıl iletkenlik kat W/mK ykaps= 950; % yogunluk
% Lc = 2.40; % kolektor etkin boyu % Hc = 0.08; % yüksekliği m % Wc = 1.14; % genişliği m % Ac = Lc*Wc; % alanı m2 % Ng = 1; % cam kapak sayısı % % D = .018; % boru dış capı
m % DI = .016; % iç capı
m % Ltup= Lc*.9; % uzunluğu
m % Ntup= 10; % W = (Wc-D)/(Ntup-1); % boru merkezleri arası mesafe % % Lb = .040; % alt izolasyon kalınlığı m % Le = .040; % yan izolasyon kalınlığı m % Lp = .0002; % sogurucu plaka kalınlığı m % % qsu = 0.05; % su sirkulasyon kütlesel
debisi kg/saniye % %% ısı depolama tankı özellikleri % Dtank = 0.6; % Tank çapı m % Htank = 1.6; % genişliği m % Vtank = pi*Dtank^2*Htank/4; % hacmı m3 % Atank = pi*Dtank*Htank; % yan alanı m2 % hktank = 4; % Tanktan çevreye ısı
transfer katsayısı (W/m2C) % % % % PCM küre özellikleri
119
% dkaps= 0.040; % polietilen kapsül dış çapı m % tkaps= 0.001; % kapsul et kalınlığı m % kkaps= 0.35; %kapsul ısıl iletkenlik kat W/mK % ykaps= 950; %yogunluk % % *********************** PCM özellikleri
******************************** % % Glober tuzu % yogpcmk=1485; % PCM yog katı kg/m3 % yogpcml=1300; % sıvı % cpcmk=1950; % katı J/kgC % cpcml=3550; % sıvı % Tpcm = 32.5+273.2; % faz değim sıcaklık C % kpcm=0.544; % ısıl iletk kat. W/mK katı % Hpcm=250e+3; % gizli erime ısısı J/kg % ------------------------------------------------------------------
------- % CaCl2.6H2O % yogpcmk=1800; % PCM yog katı kg/m3 % yogpcml=1560; % sıvı % cpcmk=1460; % katı J/kgC % cpcml=2130; % sıvı % Tpcm = 29+273.2; % faz değim noktası C % kpcm=1.088; % W/mK katı % Hpcm=190e+3; % gizli ewrime ısısı J/kg % ------------------------------------------------------------------
------- % palmitic acid % yogpcmk=980; % PCM yog katı kg/m3 % yogpcml=850; % sıvı % cpcmk=1870; % katı J/kgC % cpcml=2730; % sıvı % Tpcm = 60+273.2; % faz değim noktası C % kpcm=0.162; % W/mK katı % Hpcm=185.4e+3; %gizli ewrime ısısı J/kg % steraic acid yogpcmk=1800; % PCM yog katı kg/m3 yogpcml=1560; % sıvı cpcmk=1460; % katı J/kgC cpcml=2130; % sıvı Tpcm = 29+273.2; % faz değim noktası C kpcm=1.088; % W/mK katı Hpcm=190e+3; % gizli ewrime ısısı J/kg
%% malzemelerin optiksel özellikleri
etag = 0.88; % camın yayınım katsayısı taug = 0.89; % camın optik geçirgenliği alfap= 0.88; % sogurucu plakanın sogurma
katsayısı etap = 0.95; % sogurucu plaka yayınım
katsayısı
%% fizikokimyasal-termal veriler
kb = 0.04; % alt yalıtım maddesi ısıl
iletkenlik katsayısı(fiberglas)W/mC
120
ke = 0.04; % yan yalıtım maddesi ısıl
iletkenlik katsayısı kp = 385; % sogurucu plaka ısıl
iletkenlik katsayısı (bakır) ktup = 385; % boru malzemesinin ısıl
iletkenlik katsayısı (bakır) Cbond = 400; % boru bağlayıcı iletkenliği
%% ön hesaplamalar % **************************
kolektor************************************** C = 520*(1-5e-5*T^2); hw = 5.7+3.8*Vr; f = (1+0.089*hw-0.1166*hw*etap)*(1+0.0786*Ng); Ub = kb/Lb; Ue = (ke/Le)*2*Hc*(Wc+Lc)/Ac; Ube = Ub+Ue;
% ***************************** tank
************************************* voidf = 0.4272-4.516e-3*(Dtank/dkaps)+7.881e-
5*(Dtank/dkaps)^2; Vkaps = (1-voidf)*Vtank; Nkaps = round(3*Vkaps/(4*pi*dkaps^3)); Mpcm = Nkaps*4*(dkaps-2*tkaps)^3*yogpcmk/3; % PCM
miktarı kg Mkaps = Nkaps*4*dkaps^3*tkaps*ykaps/3 + Mpcm; Nkapsx = round(Htank/dkaps); Nkapsr = Nkaps/Nkapsx; Re1 = 4*qsu*dkaps/(pi*Dtank^2*voidf);
a1 = Nkapsx*qsu*dt*3600/(voidf*Vtank); a2 = Nkaps*dt*3600/(voidf*Vtank); a3 = hktank*Atank*dt*3600/(voidf*Vtank); b1 = dt*3600*Nkaps/(Mpcm*cpcmk); b2 = dt*3600*Nkaps/(Mpcm*cpcml); b3 = dt*3600*Nkaps/(Mpcm*Hpcm);
% **************** enerji-cografi hesaplamalar
***************************
sinT=sind(T);cosT=cosd(T); sing=sind(g);cosg=cosd(g); sinL=sind(yer.enlem);cosL=cosd(yer.enlem);tanL=tand(yer.enlem);
%% Enerji yükleme % ********************** başlangıc durumu
******************************* [gunesd gunesb gunuz hs DECL] = takvim(gunsay,yer); sinD=sind(DECL); cosD=cosd(DECL); tanD=tand(DECL); G0 = 1367 * (1 + 0.034*cosd(360*(gunsay-3)/365)); T1=Tbas*ones(Nkapsx,1); T1k=T1; kalite=zeros(Nkapsx,1); Totrad=0;Totr=0;Qtot=0; %
********************************************************************
**
121
for t=gunesd:dt:gunesb T0 = T1;T0k=T1k;kalite0=kalite; h = hs*(2*(t-gunesd)/gunuz-1)*pi/180;
% hourangle of sun (radian) G = Berindeks*solar_enerji(h); S = taug*alfap*0.97*G; Tcev = Tbas +DeltaT* sin(pi*(t-gunesd)/gunuz); [Qu T2]=kolektorm(S,Tcev,T1(Nkapsx)); [T1 T1k kalite Qtr]=pcmtank(T0,T0k,T2,kalite0); Totr=Totr+G;Totrad=Totrad+Qu;Qtot=Qtot+Qtr; plot(t,mean(T1)-273,'m--') xlabel(' Günün saati') ylabel(' Sıcaklık C') title('Tank içi(su ve PCM) ve guneş paneli çıkıs
sıcaklıkları') hold all plot(t,mean(T1k)-273,'r-.') plot(t,T2-273,'k-.') if T2< mean(T1), break;end end %
********************************************************************
***** %% Kumulatif enerji hesapları Ttanksu=mean(T1);Tmpcm=mean(T1k); Qd1 = 0.001*Mpcm*((min(Tmpcm,Tpcm)-Tbas)*cpcmk+
mean(kalite)*(Hpcm +(Tmpcm-Tpcm)*cpcml)); Qd2 = 0.001*Vtank*voidf*XSteam('rho_pT',1,Ttanksu-
273)*1000*XSteam('Cp_pT',1,Ttanksu-273)*(Ttanksu-Tbas); Qd = Qd1+Qd2; H1 = 1e-03*Totr*dt*3600*Ac; H2 = 1e-03*Totrad*dt*3600; Qtot= abs(Qtot*Nkapsr*dt*3600/1000);
%% Güneş enerjisi depolama performans kriterleri fprintf(' panel verimi
: %7.3f\n',H2/H1); fprintf(' panelde aborb.guneş enerjisinin tankta depolanma
verimi: %7.3f\n',Qd/H2); fprintf(' ısı depolama ortalama hızı kW
: %7.3f\n',Qd/(gunuz*3600)) fprintf(' ısı tankının enerji depolama kapasitesi kJ/dm3
: %7.1f\n',Qd*0.001/Vtank) fprintf(' PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi kJ/kg
: %7.1f\n',Qtot/Mkaps) fprintf(' PCM nin kürelerde ortalama erime oranı (yüzde)
: %7.1f\n', 100*mean(kalite)) fprintf(' Isı depolamada PCM den faydalanma oranı (yüzde)
: %7.1f\n',100*Qd1/Qd);
%%