Atölye Çalışması 2 Dersi 7. Ünite Özet

Güneş Kollektörü

Giriş

Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş enerjisi tükenmeyen tek enerji kaynağıdır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’lerden sonra hız kazanmıştır. Güneş enerjisi sistemleri gün geçtikçe teknolojik olarak ilerleme gösterirken maliyeti azalmaktadır.

Ülkemizin her bölgesinde güneş enerjisini verimli olarak kullanmak mümkündür. Düzlemsel güneş kollektörleri konutlarda sıcak su ihtiyacının karşılanmasında yaygın olarak kullanılmaktadır. Kullanım suyu ısıtması ile beraber ısıtma desteği sağlayan güneş enerji sistemleri de yaygınlaşmaktadır.

Güneş enerjisi uygulamalarında kullanılan sistemlerin verimi, malzemelerin doğru seçilmesine bağlıdır. Bu seçimde verimi yüksek, maliyeti düşük ve rekabet edebilir bir kollektör üretmek başlıca amaç olmalıdır. Bir kollektörün verimliliği, topladığı kullanılabilir enerji miktarının, üzerine düşen enerji miktarına oranı olarak tanımlanır. Verimli bir güneş kollektöründe, gelen güneş ışınımının çoğu absorplanmalı ve ısı kayıpları minimum düzeyde tutularak absorplanan ısı akışkana yüksek oranda iletilebilmelidir. Kollektör verimini etkileyen en önemli parametreler; absorplayıcı plaka, absorplayıcı yüzey kaplaması, kanal şekli, boru merkezleri arası uzaklık, kasa malzemesi, ısı yalıtım malzemesi, kollektör örtüsü, kollektör eğimi ve yönüdür.

Teorik Bilgi

Güneş ve çevresinde dolanan gezegenlerden oluşan güneş sistemi dünya için temel bir enerji kaynağıdır. Bugün kullanılan çeşitli enerji kaynaklarının büyük kısmı, güneşin sebep olduğu olaylar sonucu ortaya çıkar. Günlük güneş enerjisi ile dünya aydınlanabilmekte, yağışlar ile su döngüsü sağlanabilmekte ve en önemlisi de, fotosentez ile canlı yaşam sürdürülebilmektedir. Hayati önemdeki bu yıldızdan endüstriyel anlamda 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 etrafında dönmektedir. Bu dönüş, güneş ekvator bölgesinde 24 günde, kutup bölgelerinde de 30 günde tamamlanmaktadır. Merkezindeki sıcaklık 8-40 milyar kelvin olarak tahmin edilen güneşin yüzey sıcaklığı yaklaşık 6000 K’dir. Merkezindeki yüksek sıcaklık nedeniyle her bir saniyede 650 milyon ton H2’den 646 milyon ton He meydana gelmektedir. Aradaki kütle farkı karşılığında 3,86×1026 joule enerji açığa çıkmakta ve bu enerji ışınım şeklinde uzaya yayılmaktadır. Toplam enerji rezervi 1,8×1047J olan güneş daha milyonlarca yıl ışımasını sürdüreceğinden, dünya için sonsuz bir enerji kaynağıdır. Dünya hem kendi çevresinde dönmekte, hem de güneş çevresinde eliptik bir yörüngede dönmektedir. Bu nedenle, dünyaya güneşten gelen enerji hem günlük olarak hem de yıl boyunca değişmektedir. Dünyanın kendi çevresindeki dönüş ekseni güneş çevresindeki dolanma yörüngesi düzlemiyle 23,5 °lik bir açı yaptığından, yeryüzüne düşen güneş şiddeti yörünge boyunca (yıl boyunca) değişmekte ve böylece mevsimler oluşmaktadır. Güneşten saniyede yaklaşık 1018 J’lük enerji dünyaya ışınımlarla gelmektedir. Güneşin saldığı toplam enerji göz önüne alındığında bu çok küçük bir değerdir ve bugün kullandığımız toplam enerjinin yaklaşık bir kaç on katıdır. Dünya ile güneş arasındaki mesafe bir yıl boyunca 147 ile 150 milyon kilometre arasında değişir. Dünyaya gelen güneş enerjisi çeşitli dalga boylarındaki ışınımlardan oluşur. Güneş ışınları dünyaya yaklaşık 8 dakikada ulaşır (güneş ışınları saniyede 300.000 km’lik ışık hızıyla yol alırlar). Atmosfer tabakasının dış yüzeyine, güneş ışınımına dik olacak şekilde düşünülen bir metrekarelik alana bir saniyede gelen güneş ışınımı miktarına “güneş sabiti” (S) adı verilir. Güneş sabiti değeri S=1,37 kW/m2 ’dir. Bu değer, tanım gereği, yıl boyunca değişmez alınabilir. Ancak, dünyanın güneş çevresindeki yörüngesi bir çember olmayıp bir elips olduğundan, yıl boyunca bu değerde % 3,3’lük bir değişim söz konusudur. Soğurma ve yansıma olaylarından dolayı bu enerjinin 832 W/m2 ’lik kısmı yeryüzüne ulaşır.

İnsanoğlunun güneş enerjisinden yararlanması ilk insandan günümüze kadar çeşitli yollarla sağlandığı yapılan çalışmalardan anlaşılmaktadır. Güneş ışınları yardımıyla tohumların kurutulması, ışınların parlak yüzeylerden yansıtılarak haberleşmede kullanılması bu yolların ilklerinden sayılabilir. Teknolojinin gelişmesiyle güneş enerjisinden yararlanma yolları çeşitlenmiştir. Güneş enerjisinden faydalanma yollarından bazıları:

  • Sıcak su elde edilmesi,
  • Konutların ısıtılması ve serinletilmesi,
  • Kurutma,
  • Güneş fırınları ve güneş ocakları,
  • Tuz elde edilmesi,
  • Deniz suyundan saf su elde edilmesi,
  • Yüzme havuzlarının ısıtılması,
  • Isı pompası,
  • Elektrik elde edilmesi,
  • Yapma fotosentez,
  • Tarımda faydalanma,
  • Soğutma sistemlerinde güneş enerjisinden yararlanma,
  • Güneş pompaları, olarak karşımıza çıkar.

Güneş enerjisi uygulamaları yöntem, malzeme ve kullanılan teknoloji açısından çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir:

  • Güneş enerjisi ısıl uygulamaları : Güneş kollektörleri adını verdiğimiz bu sistemlerde güneş enerjisinden ısı enerjisi elde edilir. Bu enerji doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilir.
  • Güneş enerjisi elektrik uygulamaları-Güneş pilleri : Fotovoltaik piller de denen bu yarıiletken malzemeler güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirirler.

Güneş Kollektörleri

Güneş ışınları ile bir akışkanın sıcaklığının artmasını sağlayan sistemlere güneş kollektörleri adı verilir. Başka bir ifadeyle güneş kollektörleri, güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştürürler. Güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren güneş kollektörlerini üç grupta inceleyebiliriz. Bunlar düzlem, parabolik ve silindirik-parabolik kolektörlerdir. Düşük sıcaklık uygulamalarında düzlem kollektörler ve yüksek sıcaklık uygulamalarında diğer kollektör modelleri tercih edilir.

Düzlemsel Güneş Kollektörleri

Düzlemsel güneş kollektörleri, güneş enerjisinin toplandığı ve herhangi bir akışkana aktarıldığı çeşitli tür ve biçimlerdeki aygıtlardır. Güneş enerjisinden yararlanarak akışkan sıcaklığının 100°C’den düşük olabileceği sistemlerde (sıcak su elde edilmesi ve konut ısıtması gibi) düzlemsel kollektörler kullanılır. Bu tip kollektörleri ülkemizin hemen hemen her yerinde görebiliriz. Kollektör modeli faydalanılan enerji türüne göre belirlenir. Akışkanlı kollektörler sıcak su temininde ve havalı kollektörler evlerin ısıtmasında kullanılır.

Havalı Kollektörler: Havalı güneş kollektörleri absorplayıcı yüzey ve sistemdeki akışkan olan hava yardımıyla güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Absorplayıcı yüzeye gelen güneş ışınlarının büyük bir kısmı absorplanır ve taşınımla sistemde dolaştırılan havaya aktarılır. Havalı güneş kollektörlerinde, gelen güneş ışınımını yüksek oranda geçiren, buna karşın kollektörden çevreye taşınımlı ısı akışının ve uzun dalga boylu ışının geçişine engel olan levha veya film türünde saydam malzemeler kullanılır. Havalı toplayıcılar uzun ömürlü, kararlı bir verime sahip, konutların ısıtması için uygun, donma ve korozyon gibi problemleri olmayan sistemlerdir. Havalı güneş kollektörleri genellikle tarımsal ürünlerin kurutulması ve seraların ısıtılmasında kullanılır.

Akışkanlı Kollektörler: Düzlemsel güneş kollektörleri, üst yüzeyden aşağıya doğru, camdan yapılan üst örtü, cam ile absorplayıcı plaka arasında yeterince boşluk, akışkanın geçeceği taşıyıcı ve ana borular, kollektörün en önemli parçası olan absorplayıcı plaka, yalıtım tabakası ve bunları içine alan bir kasadan oluşmuştur.

Akışkan olarak su kullanılan kolektörlerde korozyon ve donma dikkate alınması gereken iki önemli husustur. Normal musluk suyu oldukça korozif olduğundan korozyona karşı bazı tedbirler alınmalıdır. Sistemde kullanılan suyun antifrizli olması donmayı, dolayısıyla donmadan meydana gelecek zararları önler. Antifrizli su kullanıldığında, sistemde bir ısı değiştirgeci kullanma zorunluluğu vardır.

Düzlemsel Güneş Kollektörlerinin Temel Elemanları

Saydam Örtü : Kollektöre güneş ışınımının girişinin sağlanması, kollektörden taşınımla çevreye olan ısı kaybının azaltılması ve absorplayıcı yüzeyin toz, yağmur ve dolu gibi olumsuz hava şartlarından korunması saydam örtünün görevidir. Güneş ışınımı saydam örtü yüzeyi üzerine düştüğü zaman, yüzey tarafından bir kısmı yansıtılır, bir kısmı absorplanır ve büyük bir kısmı geçirilir. Kullanılan saydam örtünün kısa dalga boylu güneş ışınımını geçirme oranı büyük, absorplayıcı yüzeyden geri yansıyan uzun dalga boylu güneş ışınımlarının dışarı çıkmaması için de uzun dalga boylu ışınımları geçirme oranının küçük olması istenir.

Absorplayıcı Plaka : Absorplayıcı plaka kollektörün en önemli kısmıdır. Güneş enerjisi absorplayıcı (emici) plaka tarafından absorplanarak (emilerek) büyük bir kısmı faydalı ısı enerjisine dönüştürülür, sistemdeki borulardan geçen sıvıya aktarılır ve böylece akışkanın sıcaklığı artar. Sıcaklığı artan akışkan kullanım amacına uygun olarak ya depolanıp gerektiği zaman kullanılır ya da kapalı sistemde dolaşır. Güneş enerjisinin geriye kalan kısmı ışınım, taşınım ve iletim yoluyla çevreye yayılır. Aynı zamanda bir miktarı da kollektörde depolanarak kollektör sıcaklığının artmasına yol açar.

Isı Yalıtım Tabakası : Kollektörün arka ve yan yüzeylerden olan ısı kayıplarını en aza indirmek için absorplayıcı plaka ile kasa arası uygun bir ısı yalıtım maddesi ile kaplanmalıdır. Kollektördeki akışkan boruların boş kalması durumunda absorplayıcı plakanın sıcaklığının yaklaşık 150 °C’ye ulaşması nedeniyle kullanılacak olan yalıtım malzemesinin bu sıcaklığa dayanması gerekir.

Kollektör Kasası: Kollektör kasası ısı yalıtım malzemesinin su ve yağmurdan dolayı ıslanmasını önleyecek biçimde yapılmalıdır. Kollektör kasası olarak alüminyum, paslanmaz çelik, galveniz çelik, ve plastik gibi çeşitli malzemeler kullanılmaktadır. Kollektör yapımında kullanılan malzemelerin ısıl genleşme katsayıları dikkate alınarak kasalar boyutlandırılmalıdır.

Güneş Kollektör Sistemleri

Güneş kollektör sistemleri tabii dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılırlar. Her iki sistemde ayrıca açık ve kapalı sistem olarak tasarlanmaktadır.

Doğal Dolaşımlı Sistem

Isı aktarımında kullanılan akışkan kollektör sisteminde kendiliğinden dolaşır. Bu dolaşım kollektörde ısınan suyun yoğunluğunun azalması ve sonra artması özelliğinden kaynaklanmaktadır. Bu tür sistemlerde su deposu kollektörün üst seviyesinden yukarıda olması gerekmektedir. Deponun alt seviyesinden alınan soğuk su kollektörlerde ısınarak yoğunluğu azalır ve deponun üst seviyesine yükselir. Gün boyu devam eden bu olay sonunda depodaki su ısınmış olur. Kendiliğinden dolaşımlı sistemler daha çok küçük miktarda sıcak su ihtiyaçları için kullanılır.

Pompalı Sistem

Isı aktarımında kullanılan akışkan güneş kollektöründe pompa yardımı ile dolaştırılır. Böyle bir sistemde su deposunun kollektörden yukarıda olma zorunluluğu yoktur. Büyük sistemlerde su hatlarının uzunluğundan EİD108U-ATÖLYE ÇALIŞMASI II Ünite 7: Güneş Kollektörü 3 dolayı suyun akmasına karşı direncin artması sonucu tabii dolaşımın sağlanamaması ve büyük bir deponun kollektörden daha yukarıda tutulmasının kolay olmamasından dolayı pompa kullanma zorunluluğu doğmuştur. Pompalı sistemler otomatik kontrol devresi yardımı ile çalıştırılırlar.

Açık Sistem

Açık sistemler kullanım suyu ile kollektörlerde dolaşan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre verimleri yüksek ve maliyeti ucuzdur. Açık sistem güneş kollektörleri suyun az kireçli ve donma problemlerinin olmadığı bölgelerde tercih edilirler. Kapalı Sistem Kullanım suyu ile ısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kollektörde ısınan su bir eflanjör vasıtasıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Kapalı sistem güneş kollektörleri donma, kireçlenme ve korozyon problemlerinin olduğu yerlerde tercih edilirler.

Güneş Kollektör Verimini Etkileyen Faktörler

Güneş enerjisi uygulamalarında kullanılan kollektörlerin verimi malzemelerin doğru seçilmesine bağlıdır. Bu seçimde verimi yüksek ve maliyeti düşük olmakla birlikte rekabet edebilir bir kollektör üretmek başlıca amaç olmalıdır. Bir kollektörün verimliliği, topladığı faydalı enerji miktarının, üzerine gelen enerji miktarına oranı olarak tanımlanır. Kollektör verimini etkileyen en önemli parametreler; absorplayıcı plaka, absorplayıcı yüzey kaplaması, akışkanın kanat şekli, akışkan boru merkezleri arası uzaklık, kollektör kasasında kullanılan malzeme, ısı yalıtım malzemesi, kollektör örtüsü, kollektörün eğimi ve yönüdür.


Yaz Okulu Sınavı
4 Eylül 2021 Cumartesi