tmmobmakina mühendisleri odası

GÜNEŞ ENERJİSİSİSTEMLERİ

SEMPOZYUMU VE SERGİSİ

BİLDİRİLER KİTABI

MMO Yayın No: E/2003/321

20-21 HAZİRAN 2003MERSİN

tmmobmakina mühendisleri odası

Adres : Sümer Sokak NO: 36/1 -A Demirtepe / ANKARATel : 0(312) 231 31 59 - 231 31 64 - 231 80 23 - 231 80 98Fax : 0(312) 231 31.65E-posta : mmo@mmo.org.trWeb : http://www.mmo.org.tr

MMO Yayın No

ISBN

: E/2003/321

: 975-395-607-X

Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümüdeğiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb.yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir.

DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI MERSİN ŞUBESİ

BASKI : Dost Ajans Matbaacılık Yayıncılık ve Tanıtım Hizmetleri / MERSİN

Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞLİ SICAK SU ÜRETİM SİSTEMLERİNDEOTOMATİK KONTROL UYGULAMALARI

Doç.Dr. Necdet ALTUNTOP1 Araş.Görv. Yusuf TEKİN2

'Erciyes Üniv. Müh. Fak. Makina Müh. Bölümü Kayseri Tlf 0-352-437 4901-32102,altuntop@erciyes.edu.tr

2Erciyes Üniv. Müh. Fak. Makina Müh. Bölümü Kayseri, Tlf 0-352-437 4901-32105,ytekin@erciyes.edu.tr

ÖZET

Otomatik kontrol sistemleri (OKS) aktif güneş enerjisi uygulamalarında kullanılmaktadır. Busistemler, ihtiyaca göre basit veya çok fonksiyonludur. Güneşli sıcak su ısıtmada otomatikkontrol uygulamasının, toplam sistem maliyeti içindeki payı, sistemin boyutları ve kapasitesiküçüldükçe artmakta, büyüdükçe azalmaktadır. Bu sebeple, Büyük ölçekli güneşli sıcak suhazırlama sistemlerinde otomatik kontrol uygulamaları daha yaygındır. Küçük ölçekli güneşlisıcak su üretim sistemlerinde pahalı olduğundan OKS uygulamaları sınırlıdır. Otomatikkontrollü güneşli sıcak su ısıtma sistemlerinde, suyun dolaşımı pompalar ile yapılmaktadır.Pompalar sayesinde sıcak su depolan kolektör seviyesinden daha aşağıya konulabilmektedir.Bu durum, dış görüntü açısından caziptir. Özellikle doğal görüntünün önemli olduğu turizmbölgelerinde önem kazanmaktadır.

Bu çalışmada, güneşli sıcak su üretim sistemlerinde, uygulamada kullanılan otomatik kontroluygulamaları ve bağlantı şekilleri üzerinde duruldu. Bu uygulama şekilleri; basit güneşli sıcaksu üretim sistemi otomatik kontrolü. Güneşli sıcak su üretim sistemi ile birlikte çalışan ve güneşenerjisi sisteminin sıcak su üretiminin yanı sıra, güneş enerjisi sistemi ile birlikte çalışan sıcaksu kazanı/boyleri gibi ünitelere kumanda edilmesidir. Güneş enerjisi ile ısıtılan yüzmehavuzlarında uygulanan OKS lerin ayrıntıları üzerinde durulacaktır.

GİRİŞ

Güneş enerjisi sistemleri, aktif, pasif, ve hibrit sistemler olarak gruplandınlmaktadır. Güneşenerjisinden pasif olarak yararlanan sistemlerde, suyun dolaşımı sıcaklık farkı etkisi ile ortayaçıkan yoğunluk farkı ile ısınan akışkanın yukarı, soğuk akışkanında aşağı doğru hareket etmesiile sağlanmaktadır. Doğal dolaşımlı sistemler, merkezi bir elektrikli OKS ye sahip değillerdir.Hibrit sistemler, genelde manuel veya çok basit OKS ye sahip olabilmektedirler. Aktif sistemlerise, ihtiyaca göre basit veya çok fonksiyonlu otomatik kontrol sistemlerine sahiptirler [1].

Güneş enerjisi uygulamalarında OKS dendiğinde, genelde aktif tip ve kontrol uygulamaları içinelektrik enerjisi kullanılan sistemler akla gelmektedir. Güneş enerjisi uygulamaları içinde,otomatik kontrol uygulamalarının bedeli göreceli olarak, sıcak su ısıtma sistemlerinde, hacımısıtma sistemlerine göre daha ucuzdur. Bununla birlikte güneşli sıcak su ısıtma sistemlerindeotomatik kontrol uygulamalarının parasal maliyetinin toplam sistem maliyeti içindeki payı,sistemin boyutları ve kapasitesi küçüldükçe artmakta, büyüdükçe azalmaktadır. Bu sebeple,Büyük ölçekli güneşli sıcak su hazırlama sistemlerinde otomatik kontrol uygulamaları genel

62

olarak uygulanmaktadır. Küçük boyutlu sistemlerde ise, toplam sistem maliyeti içinde OKS ninmaliyeti toplam sistem maliyeti içinde çok yüksek orana çıktığı için, uygulaması çok nadirdir.

OKS li güneşli sıcak su ısıtma sistemlerinde suyun dolaşımı pompalar ile yapılmaktadır.Pompalar, sayesinde sıcak su depolan kollektör seviyesinden daha aşağı konulmaktadır. OKSnin ve pompanın ilavesi, güneşli sıcak su ısıtma sistemini pahalılaştırmakla birlikte, bu durum,estetik ve dış görüntü açısından güneşli sistemin daha cazip hale gelmesini sağlamaktır.Özellikle doğal görüntünün önemli olduğu ve çirkinliklerin istenmediği turistik bölgebelediyelerinin engelleme gerekçelerini de ortadan kaldıracaktır.

OTOMATİK KONTROL SİSTEMLERİ

OKS lerin çalışma prensibi, temelde iki farklı tarzda gerçekleşmektedir. Bunlar; on-off olarak,açık veya kapalı, yada oransal kontrol olarak adlandırılan kısmi açık veya kısmi kapalıtarzlardır. Güneş enerjisi, sıcak su kazanı veya boyleri gibi, sıcak su üretim sitemlerindekullanılan kontrol sistemleri ise on-off tarzda çalışmaktadır [1].

On-off tipi kontrol elemanları ucuz, oransal kontrol elemanları ise daha pahalıdır.

GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARINDA OTOMATİK KONTROL

Güneşli sıcak su üretim sistemlerinde on-off tipi kontrol sistemlerinin, güneşli sıcak su üretimsistemlerine uygulanması iki farklı şekilde gerçekleşmektedir. Bu çalışmada, güneşli sıcak suısıtma sistemlerine uygulan iki ayn tip on-off tipi otomatik kontrol uygulamasının kullanılma veayarlan hakkında bilgi verilecektir. Bunlar;

a- Basit tip olarak adlandınlan ve güneşin olduğu saatlerde, tesisattaki pompalannınçalışmasına, olmadığı saatlerde durdurulmasına kumanda eden kontrol sistemleri,

b- Çok fonksiyonlu ve basit tipe göre daha işlevsel olan OKS ler, güneş enerjisinin olmadığısaatlerde, sıcak su kazanı veya boylere kumanda ederek çalışmasını sağlayan sistemleridir.

Basit Uygulamalar

Bu gruba, sadece güneş enerjisi ile su ısıtılan cebri dolaşımlı güneşli sıcak su ısıtma sistemlerive güneşli yüzme havuzu suyu ısıtma sistemleri girmektedir.

Şekil-1 de, kullanma suyunun sadece güneş enerjisi ile ısıtıldığı ve on-off tipi basit otomatikkontrol uygulamasının yapıldığı güneşli su ısıtma sistemi görülmektedir.

Basit uygulama olarak adlandınlan sistemlerin uygulamada üç ayn tipi söz konusudur. Bunlar;şekil-İde verilen ve tesisatta sadece tek devredesirkülasyon pompası olan uygulamalardır.

Şekil-2 de ısı değiştiricisinin sıcak su tankının içine konulması yerine dış ortamda olması veyüksek basınç kayıplan olan plakalı ısı değiştiricilerinin kullanılması halinde otomatik kontroluygulaması görülmektedir.

63

Kolektördeki suyun güneş enerjisi ile ısınması sonucunda, güneş kolektörü tarafında sıvınındolaşımı gerekmektedir. Kollektör devresinde sıcak sıvının dolaşıma başlaması ile bu devredekiısıl enerji depolama tankındaki suya aktarılması gerektiğinden, depolama tankı devresindekipompanın da çalışması ve sıvının dolaşması gerektiğinden her iki devredeki pompalar aynı andaçalışmalı ve aynı anda durmalıdır.

Ototnaiik kont. ünitesi

Solo.lıl

Sıcak suboyleri

Şekil-1 Cebri sirkülasyonlu güneş enerjisi sisteminde pompaya uygulanan otomatik kontroluygulaması [4].

Kolektör sayısı az olan sistemlerde, kolektör ve kazan devrelerinde birer adet dolaşım pompasıkullanılırken, çok kolektörlü sistemlerde ise, her iki devrede de şekil-3 de görüldüğü gibi biriasil diğeri yedek olarak ikişer adet dolaşım pompası kullanılmaktadır. Bu pompalann otomatikkontrolü ise şekil-3 de görüldüğü gibi basit tip olarak adlandırılan kontrol devresi ilesağlanmaktadır.

Bu uygulamalarda en önemli husus, OKS yi harekete geçiren sıcaklık duyar elemanlanmnuygun yerlere yerleştirilmesidir. Bu sistemlerde iki adet sıcaklık duyar elemanı bulunmaktadır.

Bu elemanlardan biri güneş kolektörünün en yüksek sıcaklığa sahip üst kısmına, ikincisi isesıcak su tankının nispeten soğuk olan alt kısmına yerleştirilmesi gereklidir. Basit tip OKS lersıcaklık farkına göre çalıştıklan için, belirtilen iki sıcaklık duyar elemanının ayarlandığı farkagöre çalışacaklardır. Bu fark 8-5-IO C civannda olmalıdır.

Sıcaklık duyar elemanlanmn duyarlı uçlan ile bu uçlan otomatik kontrol cihazına bağlantı içinkullanılan uzatma kablolannın boylan mümkün olduğunca kısa kullanılmalıdır. Bu mesafemaksimum 30--40 metre civannda olmalıdır. Aradaki mesafenin çok fazla olması durumundakullanılacak olan elektrik kablolannın, sinyalin geçişine gösterecekleri direnç, gerçekdeğerlerden farklı sinyaller algılanmasına sebep olmaktadır. Bu durum; OKS lerin sağlıklıçalışmasını engellemektedir. Arada anti-kron kablolar kullanılması tavsiye edilir.

64

Güneş kollektörleriO tom atik kontrol

cihazı

Sıcak su kullanım

G Uneş en.pompa grubu

Sıcak su tankıpompa grubu

K apalıgenleşm edeposu

oğuk su şebeke girişiB oşaltm

ŞekiI-2 Güneş enerjili sıcak su temin sistemi tesisat bağlantı şeması [2-4].

Dferarsyd220V

V VcTB

PT pisliktıjtucuP porrpaÇV çekvelfM manometreT temrnTBtre

Şekil-3 Çift dolaşım devreli ve çift pompalı güneşli sıcak su üretim sisteminin tesisat şemasıve otomatik kontrol uygulaması [2-4].

65

Güneşli sıcak su ısıtma sistemlerinin çalışmadığı veya ihtiyaca cevap veremediğidurumlarda, sıcak su üretimlerinin kesintiye uğramamsı için, bu sistemlerin çıkışları bir sıcaksu üreticisine/ boylere bağlanmaktadır. Şekil-4 de, güneşli sıcak su ısıtma sisteminin yanısıra sıcak su boylerine veya kazana da kumanda edebilen çok fonksiyonlu OKS ve uygulamaşekli görülmektedir.

EKP 2 0 ElektrikBağlantıları

Şekil-4 Sıcak su ısıtma boyleri ile birlikte çalışan güneşli sıcak su ısıtma sisteminde otomatikkontrol uygulaması [2-4].

Bu sistemlerde çalışma prensibi; önceki basit otomatik kontrol sisteminde olduğu gibi yinekolektörden ve sıcak su tankının üst tarafından ayarlandığı sıcaklık farkına göre güneşenerjisi devresindeki dolaşım pompasına güneşin durumuna göre kumanda ederek, sisteminçalışması veya durması sağlanmaktadır. Bunların dışında çok fonksiyonlu otomatik kontrolsistemi olmasının bir gereği olarak, güneş enerjisi ile ısıtılan sıcak su tankında yeterlisıcaklıkta su olmadığında, yine sıcak su tankındaki ısı değiştiricisine bağlantılı olarak suısıtma amacı için sisteme entegre edilmiş olan kazanın devreye girmesini sağlayaraksistemin ihtiyaç duyduğu sıcaklıkta suyu her an temin etmeye çalışmaktadır [4].

Bu sistemde, basit otomatik kontrol uygulamalarında olduğu gibi güneş enerjisi devresindesıcaklık duyar elemanlann biri güneş kolektörünün üst kısmına, diğeri sıcak su tankının altkısmına yerleştirilmektedir. Sıcak su kazanma kumandayı sağlayan, boyler devresindekisıcaklık duyar elemanı ise sıcak su tankının üst kısmına yerleştirilmesi gerekmektedir. Sıcaksu tankına kumanda eden duyar elemanın ayarlandığı sıcaklık ise kalorifer kazanının devreyegirmesini istediğimiz ve kullanabileceğimiz en düşük su sıcaklığı olmalıdır. Uygulamada busıcaklık değeri kullanım yerlerine ve ihtiyaca göre değişmekle birlikte 40 -i- 50 C civarındaolmaktadır [4].

66

Yüzme Havuzlarında Uygulamalar;

Yüzme havuzlarında kullanılan otomatik kontrol sistemleri basit tip olarak adlandırılankontrol sistemlerinin aynısı olmakla birlikte, yüzme havuzlanndaki uygulamanın, güneşlisıcak su uygulamasından farklılığı sıcaklık duyar elemanlannm yerleştirilme yerleridir. BasitOtomatik kontrol uygulamalannda sıcaklık duyar elemanlan kolektörün üst noktası ile sıcaksu tankının alt noktasına yerleştirilirken, yüzme havuzu ısıtmada kullanılan güneş enerjisisistemlerinde, şekil-5 den de görüldüğü gibi, sıcaklık duyar elemanlanndan biri yinekolektörün üst noktasına yerleştirilirken diğeri, yüzme havuzu uygulamasında sıcak su tankıolmadığı için, havuzdan soğuk su emme hattı üzerine yerleştirilmektedir. Yüzme havuzuısıtma da her iki sıcaklık duyar elemanı arasındaki sıcaklık farkı 4 C civanndaayarlanmalıdır. İki duyar elemanın ölçtüğü sıcaklık farklan 4 C yi aştığında sirkülasyonpompasının çalışması, 4 C nin altına düştüğünde ise durması şeklinde ayarlanmaktadır.

OtomatikKontrol Cihazı

GüneşKollektörleri

Havuz

KapalıGenleşmeTankı

EmniyetVentili

By-pass

EmniyetVentili

Havuz Pompası

Havuz Filtresi

Şekil-5 Güneş enerjisi ile ısıtılan yüzme havuzu tesisat şeması ve otomatik kontrol sistemiuygulaması [2-4].

İRDELEME VE SONUÇLAR

Güneşli sıcak su üretim sistemlerinde on-off tipi kontrol sistemleri, güneşli sıcak su üretensistemlere uygulanması iki farklı şekilde gerçekleşmektedir.

Güneş enerjisi uygulamalan içinde, otomatikkontrol uygulamalannın bedeli, göreceli olarak, sıcak su ısıtma sistemlerinde, hacım ısıtmasistemlerine göre daha ucuzdur. Bununla birlikte güneşli sıcak su ısıtma sistemlerindeotomatik kontrol uygulamalannın parasal maliyeti, toplam sistem maliyeti içindeki payı,sistemin boyutlan ve kapasitesi küçüldükçe artmakta, büyüdükçe azalmaktadır. Bu sebeple,

67

Büyük ölçekli güneşli sıcak su hamlama sMter inde otoiMiK Kontrol uygulamalan ım\olarak uygulanmaktadır. Küçük boyutlu sistemlerde ise, toplam sistem maliyeti içinde OKSnin maliyeti toplam maliyet içinde çok yüksek oranlara çıktığı için uygulaması çok nadirdir.

OKS li güneşli sıcak su ısıtma sistemleri pompalı oldukları için sıcak su depolan kollektörseviyesinden daha aşağı konulabilmektedir. OKS nin ve pompanın ilavesi, güneşli sıcak suısıtma sistemini pahalılaştırmakla birlikte, bu durum, özellikle estetik ve dış görüntüaçısından daha cazip hale gelmektedir. Özellikle doğal görüntünün önemli olduğu veçirkinliklerin istenmediği turistik bölgelerde bu konu önemlidir.

Güneş enerjisi, sıcak su kazanı veya boyleri gibi, sıcak su üretim sitemlerinde kullanılankontrol sistemleri ise on-off tarzda çalışan kontrol sistemleridir.

On-off tipi kontrol elemanları ucuz, oransal kontrol elemanları ise daha pahalıdır.

Basit tip güneşli sıcak su ısıtma sistemlerinin OKS lerinde iki adet sıcaklık duyar elemanıbulunmaktadır. Bu elemanlardan biri güneş kolektörünün en yüksek sıcaklığına sahip üstkısmına, ikincisi ise sıcak su tankının nispeten soğuk olan alt kısmına yerleştirilmesigereklidir.

Basit tip OKS ler sıcaklık farkına göre çalıştıkları için, belirtilen iki sıcaklık duyarelemanının ayarlandığı farka göre çalışmaktadırlar. Bu fark 8-̂ 10 C civarında olmalıdır.

Sıcaklık duyar elemanlarının duyarlı uçları ile bu uçları otomatik kontrol cihazına bağlantıiçin kullanılan uzatma kablolarının boylan mümkün olduğunca kısa tutulmalıdır. Bu mesafemaksimum 30-r40 metre civannda olmalıdır. Aradaki mesafenin çok fazla olması durumundakullanılacak olan elektrik kablolannın, sinyalin geçişine gösterecekleri direnç, gerçekdeğerlerden farklı sinyaller algılanmasına sebep olmaktadır ve bu durum OKS lerinin sağlıklıçalışmasını engellemektedir. Otomatik kontrol ünitesi ile sıcaklığa duyarlı elemanlar arsındasinyal iletimine en az direnç gösteren antikron kablolar kullanılması tavsiye edilir.

Çok fonksiyonlu OKS lerde sıcak su tankına kumanda eden duyar elemanın ayarlandığısıcaklık, kalorifer kazanının devreye girmesinin istendiği ve kullanabilecek en düşük susıcaklığı olmalıdır. Uygulamada bu sıcaklık değeri ihtiyaca göre değişmekle birlikte 40-r50 Ccivanndadır.

Yüzme havuzlannda kullanılan otomatik kontrol sistemleri basit tip OKS olmakla birlikte,yüzme havuzlanndaki uygulamanın, güneşli sıcak su uygulamasından farklılığı sıcaklıkduyar elemanlannın yerleştirilme yerleridir. Yüzme havuzu güneşli su ısıtma sistemlerinde,sıcaklık duyar elemanlanndan biri kollektörün üst noktasına yerleştirilirken diğeri, yüzmehavuzunda sıcak su tankı olmadığı için, havuzdan soğuk su emme hattı üzerineyerleştirilmektedir.

Yüzme havuzu ısıtma da her iki sıcaklık duyar elemanı arasındaki sıcaklık farkı 4 Ccivannda ayarlanmalıdır. İki duyar elemanın ölçtüğü sıcaklık farklan 4 C yi aştığındasirkülasyon pompasının çalışması, 4 C nin altına düştüğünde ise durması şeklindeayarlanmaktadır.

68

KAYNAKLAR

[1]- Duffie J.A., and Beckman W.A., "Solar Engineering of Thermal Processes", 2. ed.Willey and Sons, 1991.

[2]- Altuntop N. ve Tekin Y., "Güneş Enerjisi tesisatı Kolektör Bağlantılarında YapılanHataların Isıl Verime Etkisinin Deneysel İncelenmesi", Yenilenebilir Enerji KaynaklanSempozyumu-YEKSOl, MMO, 11-13 Ekim 2001, Kayseri.

[3]- Altuntop N. ve Tekin Y., "Güneş Enerjisi Tesisatı Kolektör Bağlantılannda BasınçKayıplan ve Etkilerinin İncelenmesi", MMO-Tesisat Mühendisliği dergisi, Sayı 69, Mayıs-Haziran 2002.

[4]- Altuntop N., "Güneş Enerjisi ve Uygulamaları Ders Notlan - Basılmamış, ErciyesÜniversitesi Mühendislik Fakültesi, 2003 Kayseri.

69

TMMOB Makine MUkeiuUsler! Oclas.Güneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

DÜZLEMSEL TOPLAYICILARIN YUTMA-GEÇİRME ÇARPIMIHESABI İÇİN BİR BİLGİSAYAR PROGRAMI

Doç.Dr. Mustafa Güneş

Balıkesir Üniversitesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Çağış 10145 BalıkesirTel: 0266-612 11 94, Fax: 0266-612 12 57, E-Posta: mgunes@balikesir.edu.tr

ÖZET

Düzlemsel toplayıcıların ısıl analizinde bilinmesi gereken değerlerden "Toplam Yutma-GeçirmeÇarpımı"mn hesabı için geliştirilen bir bilgisayar programı tanıtıldı. Örnek hesaplamalar içinçalıştırılan bilgisayar programı yardımıyla, farklı saydam örtü malzemelerinin toplam yutma geçirmeçarpımları hesaplandı. Güneş ışınımının direkt, yay ıh ve yansıyan bileşenlerinin saydam örtüden geçenoranının cam sayısı, güneş ışınımının geliş açısı ve toplayıcı eğimi ile değişimi incelendi.

Anahtar kelimeler: güneş ışınımı,, yutma-geçirme çarpımı, düzlemsel toplayıcı, saydam örtü, optikanaliz.

GİRİŞ

Ülkemizde, kullanma sıcak su üretimi, yüzme havuzlarının ısıtılması, endüstri için gerekli sıcak suüretimi, tarımsal ürünlerin kurutulması vb uygulamalarda yaygın olarak düzlemsel toplayıcılarkullanılır.

Düzlemsel toplayıcıların ısıl analizinde bilinmesi gereken değerlerden birisi de 'Toplam Yutma-Geçirme Çarpımı"dır. Toplayıcı yutucu yüzeyi tarafından yutulan ışınım miktarına, toplayıcı üzerinegelen ışınım miktarının oranı olarak tanımlanan toplam yutma-geçirme çarpımının bulunması uzunişlemler gerektirir. Bu nedenle uygulamada, ya bu amaçla geliştirilmiş basit korelasyonlar kullanılır;ya da bilgisayar programlarından yararlanılır.

Bu çalışmanın amacı, belirli bir eğimle yerleştirilmiş düzlemsel toplayıcı üzerine gelen güneşışınımının direkt, yayılı ve yansıyan bileşenlerinin yutma-geçirme çarpımı değerlerini ve buna bağlıolarak düzlemsel toplayıcının toplam yutma-geçirme çarpımı değerlerini hesaplamak için geliştirilenbir bilgisayar programını tanıtmaktır.

TEORİ

Düzlemsel toplayıcıların toplam yutma-geçirme çarpımının teorisi üzerine ayrıntılı bilgi literatürde(Kılıç ve Öztürk (1983), Duffıe ve Beckman (1974), Kreith ve Kreider (1978), Howell et.al. (1982),Taşdemiroğlu(1988)) bulunabilir. Bu kaynaklardan derlenen denklemler aşağıda özetlenmiştir.

Saydam örtü üzerine gelen güneş ışınımının (Q) bir kısmı geriye yansıtılır (Qy), bir kısmı yutulur (Qa),kalanı ise (Qt) saydam örtünün diğer tarafına geçirilir (Şekil 1):

70

Q = Qy + Qa + Qt

Bu denklemin her iki tarafı gelen ışınıma bölünür ve

(D

(2a,b,c)Q Q Q

denilirse

1 = p + a + T (3)

elde edilir. Burada p, a ve T (sırasıyla) yansıtma, yutma ve geçirme oranı olarak adlandınlır.

Kırma indisi nı olan bir ortam (örneğin hava) ile kırma indisi n2 olan bir ortamın (örneğin cam) arayüzeyine gelen ışınımın bir kısmı diğer tarafa geçerken kalan kısmı geriye yansıtılır (Şekil 2). Arayüzeye gelen ışınımın geliş açısı (6g) ile kınlma açısı (0k) arasındaki ilişki Snell kanunundanbelirlenir:

sin 6

sin 81e n 2

— = — — = n .(4)

"•Qa Saydam örtü

Q.

Şekil 1. Saydam örtü üzerine gelen güneş ışınımının yansıtılması, yutulması ve geçirilmesi.

Gelen Yansıyan

Ara yüzey

Kınlan

Şekil 2. İki farklı kırma indisi olan ortama gelen ışınım ile yansıyan ve geçirilen ışınım arasındakiilişki (Kılıç ve Öztürk, 1983).

Hava-cam ara yüzeyinde ışınımın geriye yansıtılan kısmının dik ve yatay bileşenlerininbelirlenmesinde ise Fresnel eşitliği kullanılır:

IH =

s in 2 (9 g -e k )

sin 2 (6 g +6 k )(5a)

71

- v g kJ • (5b)y tan 2 (0 g +e k )

Eğer ışınım ara yüzeye dik geliyorsa (6g=0)

- n , ~)(5c)

«2+«ı

olur. Güneş enerjisi uygulamalan için, ışınımın geldiği ortam hava olduğundan, denklem (5c)'de nı =1 alınabilir.

Yansıtılmayan ışınım, yan-saydam ortamdan geçerken bir kısmı ortam tarafından yutulur, kalanıgeçirilir. Işınımın geçirilen bu oranı da Beer kanunundan hesaplanır:

t = exp(-(3L). (6)

Burada (3 , homojen ortamın ışınımı azaltma katsayısı, L ise optik yol uzunluğudur:

L = - ^ — (7)

cos9k

Bu denklemde 8, saydam örtünün kalınlığıdır.Buna göre, bir tabaka yan-saydam örtü üzerine gelen güneş ışınımının ara yüzeyi geçen kısmı saydamörtü üzerinde azalarak ilerler ve alt yüzeye ulaşan kısmının bir kısmı geriye yansıtılırken kalanıgeçirilir (Şekil 3). Saydam örtüde yansıtılan, yutulan ve geçirilen güneş ışınımı oranlan Stokesdenklemlerinden hesaplanır:

(8a)p'= r + r

(1-1-

( i -1-

r) 2 t

r 2 t 2

D2

r 2 t

t 2

2

(8b)

a'=l-p'-T\ (8c)

Bu denklemlerde r yerine rd alınarak sırasıyla Pd, Od ve Td hesaplanır. Aynı işlem yatay bileşen için detekrarlanarak py, ocy ve xy hesaplanır. Toplam yansıtma, yutma ve geçirme oranlan (p,a,x) ise, dik veyatay bileşenlerin aritmetik ortalamalan alınarak bulunur.

Birden fazla (j adet) saydam örtünün yutma, yansıtma ve geçirme oranlan, tek tabaka saydam örtü vebir önceki tabaka için hesaplanan özelliklerden yararlanılarak bulunabilmektedir:

(9b)J 1-P'IP'H

CC'^l-p'j-T'j (9C)

Burada 1 alt indisi, tek tabaka saydam örtü özelliklerini gösterir.

72

Çoğu güneş enerjisi uygulamalarında yüzey belirli bir eğimle yerleştirilir. Eğimi s olan düz-saydamörtüler için yayılı ve yansıyan güneş ışınımlarının yansıyan, geçirilen ve yutulan oranlarınınhesaplanması gerekir. Bu amaçla kullanılan eşdeğer geliş açılan, yayılı gök ışınımı için

e e g = 59.68 - 0.1388 s + 0.001497 s2

ve yerden yansıyan ışınım için

0ey = 90 - 0.5788 s + 0.002693s2

(10a)

(10b)

D'

rY(l-r)2

l-r\ rt2(l-r)/\r2t2(l-r)

t(l-r)2 r2t3(l-r)2 rV(l-r)2

T'

Şekil 3. Işınımın tek tabakalı bir saydam örtüden geçişi (Kılıç ve Öztürk, 1983).

olarak verilmektedir (Kılıç ve Öztürk, 1983). Bu denklemlerden hesaplanan 6 e g ve 6e y değerleri 0g

olarak alınır ve yukarıda verilen (4)-(9) denklemlerinden yayılı ve yansıyan güneş ışınımları içinyansıyan, geçirilen ve yutulan oranlar hesaplanır.

Saydam örtüyü geçerek toplayıcı levhaya gelen güneş ışınımının büyük bir oranı yüzey tarafındanyutulurken, bir kısmı da saydam örtüye geri yansıtılır. Yansıtılan ışınımın bir kısmı saydam örtünün altyüzeyinden geçerken, bir kısmı da levhaya geri yansıtılır (Şekil 4). Buna göre levha tarafından yutulanışınım oranı

(xa) = -TCCTL (11)

eşitliğinden hesaplanır. Buradaki (xa) değerine "yutma-geçirme çarpımı" denir, OCTL, toplayıcılevhanın yüzeyinin güneş ışınımını yutma oranı; pyTL ise saydam örtünün toplayıcı levhadan yansıyanışınımı geriye yansıtma oranıdır. Güneş ışınımın saydam örtüyü geçen direkt, yayılı ve yansıyanbileşenleri (Xd, xy, t y a ) bu denklemde x yerine yazılarak ayrı ayrı yutma-geçirme çarpımı değerleri((xa)d, (xa)y, (xa)ya) hesaplanmış olur.

Düzlemsel toplayıcının "toplam yutma-geçirme çarpımı", toplayıcıda yutulan ışınıma, toplayıcıüzerine gelen güneş ışınımının oranı olarak tanımlanır ve toplayıcı üzerine gelen direkt güneşışınımının yanısıra yayılı ve yansıyan güneş ışınımlarına da bağlıdır:

73

[TCC] = ( x a ) d

+ (TOC)

R1 —

ya R

I

1-coss

1 + co;IS S

RI (12)

v

^

Güneşşınımı

Saydam Örtü

Toplayıcılevha xa Taü-cOpyTL Ta(l-a)2(py T L)2

(ta)

Şekil 4. Toplayıcı levhada güneş ışınımının yutulması (Duffie ve Beckman, 1974).

Burada Rd, eğik düzleme gelen anlık direkt güneş ışınımına (Ied) yatay düzleme gelen anlık direktgüneş ışınımının (la) oranı; R, eğik düzleme gelen anlık toplam güneş ışınımına (Ie), yatay düzlemegelen anlık toplam güneş ışınımının (I) oranı; I ve Iy (sırasıyla) toplayıcı üzerine gelen anlık toplam veyayılı güneş ışınımı; s toplayıcı eğimi ve p» çevrenin yansıtma oranı katsayısıdır. Rd, R, I ve Iy hesabıüzerine aynntıh bilgi literatürde (Kılıç ve Öztürk (1983), Duffie ve Beckman (1974), Kreith ve Kreider(1978), Howell et.al. (1982), Taşdemiroğlu(1988), Atagündüz (1989), Güneş (1999)) bulunabilir.

BİLGİSAYAR PROGRAMI ve ÖRNEK HESAPLAMALAR

Matematiksel işlemlerde ve hesaplanan değerlerin eğrilerinin çiziminde sağladığı avantajlar nedeniyle,bilgisayar programının hazırlanmasında genel amaçlı bir matematik yazılımı kullanıldı.

Hazırlanan bilgisayar programı, makine mühendisliği son sınıfında seçmeli ders olarak okutulan GüneşEnerjisi Sistemleri dersine yardımcı olmak üzere geliştirildi. Derste incelenen problemler ile bilgisayarprogramının bağlantısının kurulması hedeflendiği için, bilgisayar programı menü sürücülü değil demodüler yapıda tasarlandı. Böylece hem ara işlemleri öğrencilerin izleyebilmesi hem de bilgisayarprogramlama tekniği konusunda öğrencilerin bilgilendirilmesi sağlandı.

Saydam örtü ve toplayıcı levha özellikleri literatürden (Kılıç ve Öztürk, 1983) alındı. Toplam yutma-geçirme çarpımının hesaplandığı denklem (12) için gereken güneş ışınımı verileri ya ölçüm verisindenalınır ya da Türkiye için geçerli korelasyonlar kullanılır. Türkiye'de yapılan güneş ışınımı ölçümlerive türetilen korelasyonlar üzerine incelemeler önceki çalışmalarda (Güneş, 2000, 2001, 2002)yapılmıştı. Bu çalışmada, yatay düzleme gelen aylık ortalama günlük güneş ışınımının toplam vedirekt bileşenleri için Kılıç ve Öztürk(1983)'ün verisi kullanıldı.

Tek bir geliş açısı için, yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının saydam örtüde yansıtılan, yutulanve geçirilen oranlan t o a l f a l l modülünde hesaplanır. Ara işlemlerin de verildiği bu modülden elde

74

edilen bir örnek hesaplama ekranı Şekil 5'de verilmiştir. Her bir örtü için hesaplanan 9k, L, t,py, p, Td, Ty, T ve a değerleri, giriş bilgileri ile birlikte ekrana yazılır.

ry,

t o a l f a l 2 modülünde, saydam örtünün direkt güneş ışınımını yansıtma, yutma ve geçirmeoranlannın, saydam örtü sayısı ve geliş açılanna bağlı olarak değişimlerinin eğrileri çizilir (Şekil 6). 3mm kalınlığındaki pencere camı için çalıştınlan programdan elde edilen grafiklerden geçirme oranınaait olanı Şekil 7'de verilmiştir. Görüldüğü gibi cam sayısı arttıkça geçirme oranı azalmaktadır. Aynca,pencere camının direkt güneş ışınımını geçirme oranı, geliş açısı 40° oluncaya kadar çok yavaşazalmakta, bu noktadan sonra azalma gittikçe hızlanmaktadır.

Eılı Ed« Kdmlo.

DİCSİ • K İ K

Saydan ortuAdediKalınlığıKırna indisiIhının azaltnaGelİs açısı

HESAPLANAN DEĞE

Utlp

1 • I « İ 8

katsayısı

RLER

Kırıltu açısıOptik yol uzunluğu

rdry

OrtU rod

2 9.63B*3 •.6652* «.673lı5 9.676a

r o y

1 . 3 1 5 91.3*531.362*

Pencere canı

3.M [M]1.526 [-]

3 I . İ M [1/n]75.IM [drc]

39.27 [drc]•••39 [.] (

• I.IIE• I.1K2

ro ton toy

I.*9M t . K M •.Kt161.519* •.•SH9 t.31541.5192 1 . 1 » 1.2335

-

to alH

İ.2SM 1.2595•.1tt2 1.3115•.1322 «.3480

.d

_l

Şekil 5. Saydam örtüye gelen direkt güneş ışınımının yansıtılan, geçirilen ve yutulan oranlannınhesaplandığı t o a l f a l i modülünden alınmış örnek bir hesaplama ekranı.

Şekil 6. t o a l f al 2 modülünün çalıştınlmasıyla elde edilen örnek ekran çıktısı.

75

Pencere camı

30 40 50 60Geliş Açısı [drcl

Şekil 7. Pencere camının direkt güneş ışınımını geçirme oranının cam sayısı ve geliş açısı ile değişimi(o : 1 cam, x : 5 cam).

Eğimi s olan düzlemsel saydam örtüye gelen yayılı ve yansıyan güneş ışınımlarının yansıtılan,geçirilen ve yutulan oranlan t o a l f a 2 1 modülü tarafından hesaplanır ve her bir saydam örtü tabakasıiçin ekrana yazılır (Şekil 8).

T o a l f a 2 2 modülünde, yayılı ve yansıyan güneş ışınımının yansıtma, yutma ve geçirme oranlannın,saydam örtü sayısı ve düzlemin eğimine bağlı olarak değişimlerinin eğrileri çizilir (Şekil 9). 3 mmkalınlığındaki beyaz cam için çalıştmlan programdan elde edilen grafiklerden geçirme oranına ait olanıŞekil 10'da verilmiştir. Beyaz camın yansıyan ışınımı geçirme oranı, eğimle doğru orantılıdır. Yayılıışınımı geçirme oranı ise eğimden çok az etkilenmektedir.

fite £dit »ndow U«lp

HESAPLANAN DEĞERLER

VAVILI I$INIH İÇİH -Eşdeğer gells. açısı

Kırılna açısıOptik yol uzunluğu

mry

- 56.US [drc]

33.76 (drc]«.••36 [»](.9957

I.1HH

OrtU rod tod toy to alfa

.25615**B2a6S«9*721557678»•2»43

.•••••5

.•••ut

.••••15

a.i2awa• .2(1(381.2*7368•.2788*9•.31123*

«.7295521.569622a. 463282«.3B7M5• .329*21

985665 •.8576H (.(1*312971535 (.77(578 (.(283B*

.9576(7 (.71(**5 8.M2187

.9Ua» a.665*57 a.(5569*

.93(3*9 (.629IB5 «.H8881

VANSIVAN IJINIH İÇİHEşdeğer geliş, açısı

Kırılıu açısıOptik yol uzunluğutrdry

OrtU rod

- 69.*(7 (drc]

3B.61 [drc](.(•38 [•]8.98*8

•.289B3a.83759

ro to toy

a.***ı*8«.615911(.686519(.7329(8B.761837

.871*(31.1312751.1819531.225193.262337

.2577751.368593l.*3*236I.*79K1.512(87

.S*a7861.36*21B1.269*411.289598.168827

.9133661.8385131.7731161.715*33.66*131

1.727(36 8I.6B1361 81.521278 (1.462515 (.*16(79 a

.•15189

.(3(8*6

.858*3*

.(7183*

Şekil 8. Eğimli bir düzlemsel toplayıcıya gelen güneş ışınımının yayılı ve yansıyan bileşenlerininyansıtılan, geçirilen ve yutulan oranlannın hesaplandığı t o a l f a 2 1 modülünün ekran görüntüsü.

76

D 1*1 t s.lB.1 ' I »1:8I »1 Tİ T

P* I*

09

Ol

\ :

t0 *

OJ

•; M0.1

V.

" " " S"M " " " "

01

•

- - -

BlJUCM

, • . / ' •

" " * %.m " " • "

Şekil 9. t o a l f a22 modülünün çalıştırılmasıyla elde edilen örnek ekran çıktısı.

Beyaz cam

Şekil 10. Beyaz camın yayılı ve yansıyan ışınımı geçirme oranının cam sayısı ve eğim ile değişimi(—: Yansıyan ışınım, o : 1 cam, x : 5 cam, ).

Hazırlanan t o a l f a 3 1 modülü, denklem (11) için gereken değerleri hesaplayarak eğimi s olandüzlemsel toplayıcı için direkt, yayılı ve yansıyan güneş ışınımı bileşenlerinin yutma-geçirme çarpımıdeğerlerini hesaplar. Düşük Fe2O3'lü 2 tabaka saydam örtü ve yutma katsayısı 0.95 olan toplayıcılevhadan oluşan bir düzlemsel toplayıcı için yapılan hesaplamadan elde edilen ekran görüntüsü Şekil11'de verilmiştir.

77

0 f H H H *

Ditil rl»l*M »İBİ fcl yf•İUKT If IHIN tCİH

telif « { m • W.İM {*rc|

unu. «ı» - ».«• |<rc]

••tik yal WMl««a . I.MM [•]

•rtl raa ray ra tad ta» t* alfa taalfa

i t.ıtMia t. BITIM ı.MKH «.7*«tı* •.•ui7i •.mm •.•M«r ı.TMH

t I.1S41S1 I.NM7I I.1MH1 I.SMH1 ».7KMİ •.»«•« 1.1111» I.M7M*

•KVUI IjmiN tfİHEfacfar ffltf atı» • M .$11 [*-cl•irili. *ı« - 11.11 [arc)••tik yal «iMi.*. - •-•«• I")

rri r*y ra tM ttf ta Uf» tMlf*

•.»*»*• ı.MMit a.ıtMn ı . « S M ı •.•«••M a.rruss ı . H N M ı . M M ı

I.MItM I.IMB1 |,mm I.U1MI «.IMS» LUNtt t. it MU ••••M7I

MM l|IMltt 1(İN

• M.1S7 {arc)M M t«rc)

tır ı l» *çı«

ra* r*y ra ta* tay ta mit* taalfa

•.««MSI |.HM1t a.I7*S91 t.Wm* I . M N H •.attl» a.1KM7 «.mi l i•.S711M a.ı*nıa a.K*Mt * . I « M M a.Mfm L M H H ı . ı t u u m.ttnm

\ av..; I İH*.:, II*^T M .̂.. I ilm... |

Şekil 11. Düzlemsel toplayıcının yutma-geçirme çarpımı değerlerini hesaplayan t o a l f a 3 1modülünden alınmış örnek bir hesaplama ekranı.

Denklem (12)'den düzlemsel toplayıcının toplam yutma-geçirme çarpımı değerini hesaplayabilmekiçin, yutma geçirme çarpımlarının direkt, yayılı ve yansıyan bileşenlerinin yanı sıra, eğik ve yataydüzleme gelen anlık güneş ışınımı değerlerinin de hesaplanmış olması gerekir. Bu çalışmada, anlıkgüneş ışınımı hesabı için literatürde (Güneş, 1999) tanıtılan bilgisayar programı kullanıldı. Toplamyutma-geçirme çarpımı değerini hesaplayabilmek için de t o a l f a 3 3 modülü hazırlandı. Bu modülüçalıştırmadan önce, Qel adı verilen modül çalıştırılarak denklem (12) için gerekli Rd, R, I ve Iy

değerleri hesaplanmış ve ilgili dosyaya yazılmış olmalıdır. t o a l f a 3 3 modülü, Qel modülütarafından dosyaya yazılan Rd, R, Iy, I, s ve p«, değerlerini kullanarak hesaplamaya başlar. Balıkesirili için Haziran ayında saat 11'de 45° eğimle güneye dönük olarak yerleştirilen tek saydam örtülü(pencere camı), toplayıcı levhanın yutma katsayısı 0.95 olan bir düzlemsel toplayıcı için, t o a l f a33modülünün çalıştırılmasıyla elde edilen ekran görüntüsü Şekil 12'de verilmiştir.

••tik I M I uaMlafa • #.MW~[«)

rt - •.«*/•

•rtH r«* r*f ra t*a ta» ta alfa tulfa

1 ».11154* •.•Miti •.•7717* •.?«?»•$ a.MMM •.»•MS «.Mim t.TON*

m i L I IflMlN İt İH

•.ti. «al ..-»İM. ; •-•»• {

ra - ı.issaı

1 •.!*•*» •.•M

BIVM I|IH1H İÇİN

C|«a|ar fall ı *ç>" * ••-••» l«rc]I ı n l M *f>" - M-M !**«)•attk yal uiMla«» - l.kM |a]

•rtV ra< ray ra ta* tay ta alfa tu

1 •.»mit •.•M77S a.iMrts «.«Tt*» •.wi7ia •.»•»•a a.ıa»M •.«

(•al** fttıu-Cvfirat Çaraıa» KtıaalaiHiı Ilımca

•lratt fBun ı i ı u n alla|t«İMm • •.US1MVaytlı fVacf iftaua MlaındaaM • 9.m*n* « « » > f l i a a f i f i u n Mİ»

Şekil 12, Toplam yutma-geçirme çarpımını hesaplayan t o a l f a 3 3 modülünden alınmış örnek birhesaplama ekranı.

78

S O N U Ç

Burada tanıtılan bilgisayar programı ile, eğimi s olan bir düzlemsel toplayıcının toplam yutma-geçirmeçarpımı değeri kolaylıkla hesaplanabilir. Ancak programın, toplayıcıdan olan kayıplar da göz önünealınarak tanımlanan "Efektif yutma-geçirme çarpımı-(TCc)e" hesabını yapacak şekilde genişletilmesigerekir.

Güneş enerjisi sistemleri dersinde kullanılmak üzere tasarlanan program, hem düzlemsel toplayıcıüreten firmaların ürün geliştirme aşamasında, hem de konuyla ilgilenen mühendisler tarafındandüzlemsel toplayıcıların ısıl analizi için gerekli verilerin hesaplanmasında kullanılabilir.

Bilgisayar programında ayrıca, kullanıcıya arkadaşça bir menü tasannu yapılmalı, modüller arasındabağlantı kurulmalı, malzeme seçimi ve hesaplamada gerekli bilgilerin kolaylıklaseçilebileceği/girilebileceği bir veri giriş modülü eklenmeli, Türkiye'de düzlemsel yüzeylere gelengüneş ışınımının hesabının yapıldığı diğer modüllerle bağlantısı tam olarak kurulmalıdır.

Semboller ve TerimlerI Anlık güneş ışınımı şiddeti (W/m2)L Optik yol uzunluğu (m)n Kırma indisiQ Düzlemsel toplayıcı üzerine gelen günlük ortalama güneş ışınımı (MJ/m2-gün)R Eğik düzleme gelen anlık toplam güneş ışınımına, yatay düzleme gelen anlık toplam güneş

ışınımının oranı (=ljl)r Hava-cam ara yüzeyinde ışınımın geriye yansıtılan kısmının dik veya yatay bileşeniRd Eğik düzleme gelen anlık direkt güneş ışınımına, yatay düzleme gelen anlık direkt güneş

ışınımının oranı (=Ied/Id)s Toplayıcı eğimi (°)t Işınımın saydam örtüde geçirilen oranıa Yutma oranıP Homojen ortamın ışınımı azaltma katsayısı (l/m)8 Saydam örtü kalınlığı (m)0g Geliş açısı (°)0k Kırılma açısı (°)0 e g Yayılı gök ışınımı için eşdeğer geliş açısı (°)0 e y Yerden yansıyan ışınım için eşdeğer geliş açısı (°)p Yansıtma oranıp y T L Saydam örtünün toplayıcı levhadan gelen ışınımı geriye yansıtma oranıT Geçirme oranı(TOC) Yutma-geçirme çarpımı[xoc] Toplam yutma-geçirme çarpımı

Alt indisler

a Yutuland Direkt, dike Eğiked Eğik ve direktj Saydam örtü sayısı

79

t GeçirilenTL Toplayıcı levhay Yay ılı, yatayya Yansıyan00 Çevre

1 İlk saydam örtü özelliği

Üst indisler

Işınımın saydam örtüde yansıtılan, yutulan ve geçirilen oranının dik veya yatay bileşeni

KAYNAKLAR

[1] Atagündüz G., 1989. "Güneş Enerjisi Temelleri ve Uygulamaları", Ege Üniversitesi Basımevi,İzmir.

[2] Duffıe J.A. ve Beckman W.A., 1974. "Solar Energy Thermal Processes", John Wiley & Sons, NewYork.

[3] Güneş M., 1999. "Soğutma yükü hesabı için yapı elemanlarına gelen güneş ışınımınınbelirlenmesi", Tesisat Mühendisliği Dergisi, Cilt 7, Sayı 49, 24-28.

[4] Güneş M., 2000. "Türkiye'de yapılan güneş ışınım ölçümleri ve türetilen korelasyonlar üzerine birinceleme", 12. Ulusal Isı Bilimi ve Tekniği Kongresi Bildiriler Kitabı, Sakarya, 448-452.

[5] Güneş M., 2001. "Analysis of daily total horizontal solar radiation measurements in Turkey",Energy Sources, Cilt 23, 563-570.

[6] Güneş M., 2002. "Comparison of total horizontal solar radiation measurements with some existingmodels for Turkey", Energy Sources, Cilt 24, 735-742.

[7] Howell J.R., Bannerot R.B.ve Vliet G.C., 1982. "Solar-Thermal Energy Systems", McGraw-Hill,New York.

[8] Kılıç A. ve Öztürk A., 1983. "Güneş Enerjisi", Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul.

[9] Kreith F. ve Kreider J.F., 1978. "Principles of Solar Engineering", McGraw-Hill, Washington.

[10] Taşdemiroğlu E., 1988. "Solar Energy Utilization: Techical and Economic Aspects",ODTÜBasımevi, Ankara.

80

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ BUHAR-JET SOĞUTMA SİSTEMİNİNİKLİMLENDİRMEDE UYGULANABİLİRLİĞİNİN ARAŞTIRILMASI

Yrd.Doç.Dr. Reşat SELBAŞ1, Yrd.Doq.Dr. İbrahim ÜÇGÜL2,Arş.Gör. Arzu ŞENCAN1, Arş.Gör. Önder KIZILKAN1

'S. Demirel Ün. Tek. Eğ. Fak. Mak. Eğ. Bölümü, 32260 İSPARTA2S. Demirel Ün. Müh. Mim. Fak.Teks. Müh. Bölümü, 32260 İSPARTA

GİRİŞ

İklimlendirme proseslerindeki soğutma ihtiyacının güneş enerjisi ile karşılanması, güneş enerjisinin en ilgiçekici uygulamalarından biridir. Çünkü güneş enerjisinin en yoğun olduğu zamanlarda soğutma ihtiyacı damaksimum olur. Böylece ilkbahardan sonbahara kadar güneş enerjisi soğutma maksadıyla kullanılabilir.

Buhar-jet soğutma sistemi 2-10 atm basınç ve 120 180 °C sıcaklık aralıklarında su buharı kullanmaktadır. Güneşenerjisi ile elde edilmiş olan su buharı, bir ejektörden geçirilerek yüksek hıza ivmelendirilir. Böylece ejektörünbağlı olduğu evaperatörde düşük basınçta buharlaşma meydana gelir. Bu durum, evaperatördeki suyunsıcaklığının düşmesine neden olur. Bu düşük sıcaklıktaki su, İklimlendirme prosesleri için iyi bir kaynak olarakdüşünülebilir.

Bu sistemlerde soğutucu akışkan olarak su kullanılmasının çevresel avantajlarının yanında, güvenilirlik, uzunömür, düşük ilk yatırım ve çalıştırma maliyeti, basitlik gibi birçok avantajı vardır.

Bu çalışmada, güneş enerjisi desteğiyle çalışan buhar-jet soğutma sisteminin İklimlendirme amacıylakullanılabilirliği araştırılmış, sistemin performansı incelenmiş ve sistem üzerinde ikinci yasa analizi yapılmıştır.

SİSTEM MODELİ

Ejektör

KondenserEvaporatör

/BuharIjeneratörü

Güneş enerjitoplayıcı sistemi

Şekil 1. Güneş enerjisi destekli buhar-jet soğutma sistemi

Sistem, güneşten buhar üretimi çevrimi ve buna bağlı olarak ejektörlü soğutma çevrimi olmak üzere iki aynçevrimden oluşmaktadır. Güneş enerjili ejektörlü soğutma sistemi atmosferik basınçta çalışan güneş enerjisitoplayıcı sistemi, atmosferik basınç altında çalışan buhar jeneratörü, ejektör, soğutma yükünü karşılayacak olanbir evaperatör ve kondenserden oluşmaktadır.

81

Güneş enerjisi toplayıcı sisteminde üretilen ısı, buhar jeneratöründe Tg ve Pg şartlarında doymuş buhar üretiminigerçekleştirir. Jeneratörde üretilen buhar, ejektör içerisinden yüksek hızla geçirildiğinde evaperatör içerisindevakum oluşmakta ve alçak basınçta (Pe) buharlaşma meydana gelerek evaperatör içerisindeki suyun sıcaklığınınTc değerine düşmesine neden olmaktadır. Evaperatörde oluşan Pe başmandaki buhar ile jeneratörden gelenbuhar ejektörde karışarak Tc ve Pc şartlarındaki kondensere geçmektedir. Kondenserde meydana gelen ısı, ortamhavası kullanılarak sistemden dışan atılmakta ve kondenserde yoğuşan su ise çevrimi tamamlamak amacıylaevaperatör ve jeneratöre yeniden gönderilerek çevrim tamamlanmaktır.

SİSTEM TERMODİNAMİĞİ

I. Yasa Analizi

c Ejektör

Kondenser

g Tg, Pg, mg

EvaperatörJeneratör

^Qe

T c s , P c , Iîlc

Şekil 2. Güneş enerjisi destekli buhar-jet soğutma sisteminin termodinamik modeli

Şekil 3. Buhar-jet soğutma sistemi entalpi-entropi diyagramı

Şekil 2'de verilen buhar-jet soğutma sisteminin termodinamik modelinde belirtilen noktalar Şekil 3'te entalpi-entropi diyagramında görülmektedir. Kararlı halde sistem elemanlarının temel denge denklemleri aşağıdaverilmiştir.

Jeneratöre verilen ısı:

Qg=rng(hg-hcs)

Evaperatörde çekilen ısı:

Kondenserde atılan ısı:

82

Enerji dengesi:

m g h g + m e h e = m c h c

Kütle dengesi:

m c = rng + m e

Buhar oranı:

m e ı i ••= olmak üzere;

rnc

rtig

G = -| r elde edilir.h - h

Ayrıca sistemin soğutma performans katsayısı;

Qe

COP = G ' h e h c s

Çevrimin maksimum (Carnot) COP değeri

COP = Te (Tg - T c s )/Tg (Tcs - T e ) şeklinde hesaplanır

II. Yasa Analizi

Ekserji Kavramı

Süreçlerin ekserji analizinin temelini oluşturan yaklaşım, ısı, entalpi gibi değişik enerji türlerinin biri faydalı,

diğeri faydasız iki değişik bsmı olduğunun kabul edilmesidir.: J

Enerji = Ekserji + Anerji

tşe yarar tşe yaramaz

83

Herhangi bir enerji türünün (ısı, entalpi, vb.) ne kadarının işe yarayan ekserji olduğunun belirlenmesi için,ekserjinin tanımlanması gereklidir. Ekserjinin ilk tanımı Baehr tarafından verilmiştir.

"Ekserji, enerjinin diğer enerji türlerine dönüştürülebilen kısmıdır. "

Ekserjinin bu tanımı nitel olup, nicel hesaplar kullanılamaz. Daha ayrıntılı ve nicel hesaplar için kullanılabilecekbir tanım ise Bosnjakovic tarafından yapılmıştır:"Ekserji, tersinir bir süreç sonunda çevre ile denge sağlandığı takdirde kuramsal olarak elde edilebilecekmaksimum iş miktarıdır."

Bosnjakovic'in tanımına uygun olarak ekserjinin hesaplanabilmesi için ;

i) çevrenin sıcaklık, basınç ve kimyasal kompozisyonunun kesinlikle belirtilmesi veii) tersinir bir sürecin var olduğunun kabul edilmesi gereklidir.

Diğer tüm termodinamik analizler gibi, ekserji analizi için de tersinir sürecin nasıl olduğunun bilinmesi gereklideğildir. Sadece sürecin başlangıç-giriş noktalan ile bitiş-çıkış noktalan için geçerli olan koşullann bilinmesiyeterlidir.

Ekserji analizi yapılırken tüm ünitelerde aşağıdaki temel denklemler kullanılır.

Süreklilik denklemi:

çıkan giren

Termodinamiğin I. Kanunu (Enerji denklemi):

çıkan V l J giren

Yukandaki eşitlikte kinetik enerji ve potansiyel enerji değişimleri, entalpi değişimleri yanında çok küçükolduğundan ihmal edilerek hesaplamalarda enerji denklemi aşağıdaki şekilde kullanılmıştır:

Q_W=çıkan giren

Burada h özgül entalpiyi göstermektedir.

Ekserji denkliği:

E Q - E W =

çıkan giren

Burada EQ ve Ew sırasıyla ısı transferi ve mekanik enerjiye karşılı gelen birim zamandaki ekserjileri, e özgül

ekserjiyi ve I ise sistemden birim zamanda kaybolan ekserjiyi yani tersinmezliği ifade etmektedir, çıkan indisi

çıkışı, giren indisi ise girişi göstermektedir. EQ (ısının ekserjisi) ve Ew (işin ekserjisi) aşağıdaki gibi

tanımlanmıştır:

84

Ew=W

Burada T yüzey sıcaklığını göstermektedir. Ekserji genellikle termomekaniksel ve kimyasal ekserjilerintoplamıdır. Termomekaniksel ekserji, herhangi bir durum (T, P) ile çevrenin sadece sıcaklığı (To) ve basıncı (Po)ile dengede olan bir durum arasındaki ekserjidir. To, Po çevre şartlanndaki bir durumun çevreyle kimyasal olarakdengede olduğu durum arasındaki ekserjiye kimyasal ekserji adı verilmektedir. Termomekaniksel ekserji ifadesiaşağıdaki şekilde tanımlanmıştır:

Termomekaniksel ekserji (em) (entalpinin ekserjisi):

E m = h - h o T o ( s - s o )

Burada "0" indisi (To, Po) çevre şartlarındaki özelikleri ifade etmektedir.

EKSERJİ ANALİZİ

Jeneratör Ekserji Analizi:

Og•Tr

es

Tcs, Pc, mg

Jeneratör ekserji dengesi aşağıdaki gibi yazılır:

Egiren + EQ = Eçıkan + Ew + I

Buradaki ekserji terimleri;

= ^ m £ = m g e c s (Giren ekserji)

giren = m g £ c

Burada;

1mg = pVA ve Pg için û' —» — = p 'den hesaplanır.

E Q = Q (Isının ekserjisi)

85

Eç.kan = mge

e g =(hg-T o s;)-(h o -T o s o )

E w = 0

(Tersinmezlik)

Ekserjetik performans katsayısı COPex ise aşağıdaki formülden hesaplanır.

COP = E e =

M EEg (h g-Tos gHho-Toso)

Ejektör Ekserji Analizi:

gH >

Tg, Pg, mg

Tc, Pc,

e--T e,P e,ın e

4. 5»

Ejektör için ekserji dengesi:

giren

E g =

E g +

EQ =Ew =

: m g E g

Ee = E

çıkan

c + I

giren

çıkan

Ee = me 6e (Evaporator ekserjisi)

Ee = ( h e ~ T O S e ) ~ ( h O ~ T O S o )

86

Ee = mg e (jeneratör ekserjisi)

eg=(h;-Tos;)-(h0-ToS0)

Ec = m c e c (kondenser ekserjisi)

çıkan giren R

S U r = m c s c - m g s + m c s e

ıo nic s r — nig s o + nie s .*• s c

Enerji verimi:

_ alman enerji _ Qc m c ( h e - h c s )

verilen enerji ^ /. L» ,• \ /,- , • \J Qg + Qe m g ^ h g - h c s ) + m e ( h e - h c s j

Ekserji verimi

_ alınan ekserji _ Ec

verilen ekserji Eg + Ee

„ mc(hQ-T o s^)-(h o -T o s o )

m g((h g-T os g)-(h o-T os o)) + me((h e-Tos e)-(ho-Toso))

Kondenser Ekserji Analizi:c1 1

Tc, Pc, nic

^-Vc

es

87

EKserji dengesi :

giren çıkan

E w = 0

E g i r e n = E c

Eç,kan = E c s olduğuna göre;

E c = E Q + E c s +1 dir.

Burada

E c = m c Ec

E c s = rtic ec

Tosc s j - ( h 0 - T o s o

ve

Burada

Tersinmezlik ise aşağıdaki şekilde belirlenir.

= T 0 S ü r

- m c s r

Evaporator Ekserji Analizi:

•j-Tc, Pe, me

- - T c s, P e, m,.

m,. T c s, P c, m c

88

Ekserji dengesi:

Z E + EQe=giren çıkan

E w = 0

giren

çıkan

E c s + E Q e = Ee +1 şeklinde yazılır.

E c s = m e e c s

e C s = ( h c s - T o s c s ) - ( h o - T o s o )

E e = ine ee

e e = ( h e - T o s e ) - ( h o - T o s o )

I = T0Sü r

SUr = me se - me scs + —£-

Buradan Qe aşağıdaki şekildedir.

Q e = m e ( h e - h c s )

Güneş Enerjisi Isıl ve Ekserji Verimleri

Güneş koUektörü ısıl verimi aşağıdaki şekilde bulunur.

Güneş koUektörü ekserji verimi ise,

lnT , - T 2 T 2

l_ilo.(ı_o.281n/)3T/ '

şeklindedir. Sistem verimleri ise;

TlexsiS = % COP e x

şeklinde hesaplanır.

89

ÖRNEK BIK UYGULAMA

İsparta ilinde Nisan ayı için güneş enerjisi verileri ve,

( T a )KİRT ıTA

To/T5

= 0.85= 4 W/m2K (ısı transfer katsayısı)= 700 W/m2K (güneş ışını şiddeti)= 348.15, 358.15 K ve 368.15 K için hesaplanmıştır.

= 308.15 K (ortam sıcaklığı)= 298.15 K (referans sıcaklığı)= 1.3.10"5 (bulanıklık faktörü)= 5777 K (Güneş ısısı)

parametreleri kullanılarak gerekli hesaplamalar yapılmış ve Tablo l'de verilen değerler elde edilmiştir.

Tablo 1. Çeşitli jeneratör sıcaklıkları için hesaplanan değerlerG0.580.8571.12

T e

708090

Pe31.19847.41270.180

0.62140.56420.507

Tin0.0780.0820.083

CoP0.270.821.06

CoPex

0.150.20.24

Tlsis

0.170.470.54

Tlexsis

0.01170.01640.0199

SONUÇLAR

Bu çalışmada güneş enerjisi destekli buhar-jet soğutma çevrimi elemanlarının ısıl ve ekserji analizleriyapılmıştır. Sistemin performansını belirleyen sistem verimi ifadeleri türetilmiştir. Sonuçlar tablo l'deverilmiştir. Tablodan anlaşılacağı üzere jeneratör sıcaklığı arttıkça sistem verimini de artmaktadır. Aynızamanda 90 °G jeneratör sıcaklığında sistem veriminin 0.54 olduğu görülmektedir. Buradan güneş enerjisidestekli buhar-jet soğutma sistemlerinin İsparta'da iklimlendirme sistemlerinde kullanılabileceği sonucunavarılmıştır.

SEMBOLLER

Q

mhGEWIePVAV)

sTlK

/İR

ısı

kütle akısıentalpiBuhar oranıEkserji

İŞtersinmezliközgül ekserjiyoğunlukhacimkesitözgül hacimentropiverimtoplam ısı transfer katsayısıbulanıklık faktörü(güneş ışını şiddeti)

90

Alt indislergesecgirişçıkış0AexürsisRIII

jeneratörejektörevaperatörkondensergirişçıkışreferans noktasıortamekseniüretimsistemreferans1. yasa2. yasa

Üst indislerbuharsıvı

KAYNAKLAR

El-Dessouky H., Ettouney H., Alatiqi I., Al-Nuwaibit G., "Evaluation of Steam Jet Ejectors", ChemicalEngineering and Processing, Vol. 41, pp. 551-561, 2002

Khattab N. M., Barakat M. H., "Modeling The Design And Performance Characteristics Of Solar Steam-JetCooling For Comfort Air Conditioning", Solar Energy, Vol. 73, No. 4, pp. 257-267, 2002

Arıkol M., "Ekserji Analizine Giriş", Tübitak Projesi, Proje No: 0630048401, Gebze, 1985 Kopaç M., "BirEnerji Santraline Enerji ve Ekserji Analizinin Uygulanması", Isı Bilimi ve Tekniği Dergisi, Sayı:20, sayfa 3-4,2000

You Y., Hu E. J., "A Medium-Temperature Solar Thermal Power System and Its Effciency Optimisation",Applied Thermal Engineering, Vol. 22, pp. 357-364, 2002

Yamankaradeniz R., Horuz İ., Coşkun S., "Soğutma Tekniği ve Uygulamaları", Uludağ ÜniversitesiGüçlendirme Vakfı, Yayın no: 203, Bursa, 2002

Yakut A.K., Fişek S., Selbaş R., Üçgül 1., "Isı Geri Kazanım Sistemlerinin Enerji Korunum Potansiyelleri veİsparta İlinde Kombine Bir Uygulama", Energy Effıciency 2000 Projesi Çerçevesinde Uluslararası Sempozyum,Sayfa 762-770, 28-30 Nisan 1994

91

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

SERA ISITMASI İÇİN GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEPOLANMASI

Prof. Dr. Ali BAŞÇETİNÇELİK, Yrd. Doç. Dr. H. Hüseyin ÖZTÜRK

Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinalan Bölümü 01330 ADANA

ÖZET

Sera ısıtmada güneş enerjisinden daha etkin olarak yararlanmak son yıllarda artarak önemkazanmaktadır. Seralarda uygulanan güneş enerjili ısıtma sistemleri esas olarak, pasif ve aktifsistemler şeklinde incelenebilir. Bu çalışmada; güneş enerjili pasif ısıtma sistemleri, kullanılan ısıdepolama materyali ve ısı depolama ünitelerinin özelliklerine göre incelenmiştir. Isıtma sistemlerininetkinlikleri; sera boyutları, yerleşimi ve örtü malzemesine, yetiştirme şekline, gündüz ve gecesürelerinde sera iç ortamında istenilen sıcaklık değerlerine ve dış ortam koşullarına bağlı olarakdeğerlendirilmiştir. Farklı büyüklükteki bir çok serada, güneş enerjili pasif ısıtma sistemlerinin teknikve ekonomik uygulanabilirliği açısından belirlenen sonuçlar verilmiştir.

Anahtar Kelimeler : Sera, Güneş enerjisi, Pasif ve aktif ısıtma

SOLAR ENERGY STORAGE FOR GREENHOUSE HEATING

ABSTRACT

The use of the solar energy for greenhouse heating has gained an increasing acceptance during the lastyears. There are primarily two types of the heating system that utilize solar energy: active and passivesystems. in this paper, the passive and active solar systems are classifıed according to thecharacteristics of the heat storage materials and units. The efficiencies of the solar systems areevaluated depending on the size and cover material of the greenhouse, the type of cultivation, thedesired day and night temperatures inside the greenhouse, and the outdoor conditions. Availableresults on the performance of the each system in different greenhouses are given for the technical andeconomical feasibilities of the passive and active solar heating systems.

Keywords : Greenhouse, Solar energy, Passive and active heating

GİRİŞ

Esas olarak sezon dışı üretim amacıyla kullanılan seralarda yetiştirilen ürünlerin kalite, miktar vegelişme süresi bakımından en uygun ortam koşullarının sağlanması için, kışın soğuk dönemlerdeısıtma ve yazın sıcak dönemlerde havalandırma gereklidir. Kuzey Avrupa ülkelerinde sera ısıtmaamacıyla kış ve yaz mevsimlerinde fazla miktarda enerjiye gereksinim duyulmasına karşın, Akdenizülkelerinin çoğunda ekolojik koşulların uygun olması nedeniyle, sadece soğuk kış gecelerindegereksinim duyulan ısıtma uygulamaları yeterince yapılmamaktadır. Bu durumda, yetiştirilen ürünlerinkalite, miktar ve hasat zamanı açısından bazı olumsuzluklarla karşılaşılmaktadır.

92

Ülkemizde toplam 422 130 dekar alanda örtü altı tarımı yapılmaktadır. Toplam örtü altı alanlarının 56558 dekarını cam seralar, 148 242 dekarını da plastik seralar oluşturmaktadır. Ayrıca, 44 885 dekaryüksek tünel ve 172 445 dekar alçak tünel de örtü altı yetiştiriciliği uygulanmaktadır [1]. Güney iklimkoşullarında sera ısıtma giderleri, toplam işletme giderlerinin % 30'undan daha fazladır. Güneş enerjisibakımından önemli bir potansiyele sahip olan ülkemizde; güneşlenme süresi en fazla Temmuz ayında365 h/ay ve en az Aralık ayında 103 h/ay olmak üzere, 2624 h/yıl'dır. Ortalama güneş ışınımıyoğunluğu yaklaşık 3.67 kWh/m2.gün (13.6 MJ/m2.gün) değeriyle, toplam olarak yaklaşık 1311kWh/m2.yıl (4.72 GJ/m2.yıl)'dır. Ülkemizin yüzeyine gelen güneş ışınımı diğer bir deyişle toplamgüneş enerjisi potansiyelimiz 3517 EJ/yıl (977 PWh/yıl)'dır [2]. Günümüzde, sera ısıtmada güneşenerjisinden daha etkin olarak yararlanılması büyük önem kazanmış olmakla birlikte, uygulamadateknik ve ekonomik açıdan bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır. Geleneksel ısıtma sistemleriylekarşılaştırıldığında, güneş enerjili ısıtma sistemlerinin ilk yatırım maliyeti oransal olarak dahayüksektir.

SERALARDA GÜNEŞ ENERJİLİ ISITMA SİSTEMLERİ

Sera iç ortam sıcaklığının düşük olduğu dönemlerde sera ısıtmada güneş enerjisinden etkin olarakyararlanılması için; güneş ışınımının ısıl enerjiye dönüştürülmesi ve iç ortam sıcaklığı düşükolduğunda, ısı gereksiniminin karşılanması amacıyla ısıl enerjinin depolanması gerekir. Isıtmaamacıyla güneş enerjisinden yararlanılan farklı büyüklükteki bir çok serada, güneş enerjili ısıtmasistemlerinin teknik ve ekonomik uygulanabilirliği açısından olumlu sonuçlar belirlenmiştir. Seralariçin güneş enerjili ısıtma sistemlerinin tasarımında aşağıdaki etmenler dikkate alınmalıdır [3]:

• Isıtma sisteminin tipi• Güneş ışınımından ısıl enerjiye dönüştürülebilecek enerji miktarı• Isıtma dönemi süresince saatlik güneş ışınımı• Sera ısıtma için gerekli enerji miktarı• Sera ısı gereksiniminin güneş enerjisiyle karşılanabilen oranı• Güneş enerjili sistem ile iç-dış ortam arasında sağlanabilecek sıcaklık farkı• Ek ısıtma sistemi gereksinimi• Güneş enerjili ısıtma sisteminin ekonomikliğiSera ısıtmada uygulanan güneş enerjili ısıtma sistemleri; ısı toplama ve depolama ünitelerinindüzenlemesine bağlı olarak pasif ve aktif sistemler şeklinde incelenebilir.

Güneş Enerjili Pasif Isıtma Sistemleri

Pasif ısıtma sistemlerinde, ısı toplama ünitesi sera içerisindedir veya sera güneş ışınımından en yüksekoranda enerji kazanımına uygun olarak tasarımlandığından, seranın kendisinden bir toplaç olarakyararlanılır. Güneş enerjili pasif ısıtma sistemlerinde; sera iç ortamında gündüz süresince güneşışınımından kazanılan ısı, bir akışkan aracılığıyla ısı depolama materyalinde depolanır ve ısıtmagereksinimi duyulan gece sürelerinde geri kazanılır. Isı depolama ünitesi bulunmayan bazı pasif ısıtmasistemlerinde, sera ısı gereksiniminin karşılanması için etkin özellikte olmayan yöntemler uygulanır.Güneş ışınımından en yüksek oranda enerji kazanılması için seranın geometrik yapısından yararlanılırveya soğuk dönemlerde sera ortamında güneş ışınımından enerji kazancı için yansıtıcı yüzeylerkullanılır. Pasif ısıtma sistemlerinde ısı depolama materyali olarak; su, toprak, çakıl veya kırma taş vefaz değişim materyalleri (PCM) gibi değişik özellikte materyaller kullanılır. Bu sistemler kullanılan ısıdepolama materyali ve depolama ünitesinin özelliklerine bağlı olarak incelenebilir.

93

Su Kullanılarak Isı Depolanan Pasif Isıtma Sistemleri

Bu tip sistemlerde; içerisinde ısı depolama materyali olarak su bulunan ısı depolama ünitesi seranındışına veya içerisine yerleştirilebilir. Isı depolama ünitesinin sera içerisine yerleştirilmesi durumunda,iç ortam havası ve depolama ünitesi arasında doğrudan ısı geçişi gerçekleşmesine karşın, depolamaünitesinin sera dışında bulunduğu sistemlerde ısı taşıyıcı akışkan kullanılmalıdır. Gündüz süresinceseraya ulaşan güneş ışınımından kazanılan fazla ısı, soğuk dönemlerde yararlanılmak üzere ısı taşıyıcıbir akışkan yardımıyla depolama ünitesinde depolanır. Isı depolama ünitesi, sera içerisindeki bitkisıralan arasındaki toprak yüzeyine yerleştirilebilen plastik su tüpleri şeklinde (Şekil 1) veya seranınkuzey kenarı boyunca yerleştirilen güneş enerjisi toplacı ve ısı deposu işlevindeki su depolan şeklinde(Şekil 2) tasanmlanabilir. Bu tip güneş enerjili pasif ısıtma sistemlerinde, gündüz süresince serayaulaşan güneş ışınımı soğurularak ısı depolanır ve depolanan ısı gece süresince doğal taşınım ve ısılışınımla sera ortamında geri kazanılır. Sera çatısı ve kenarlanndan oluşan ısı kayıplannın azaltılmasıiçin, serada uygun bir şekilde yalıtım sağlanarak sistemin etkinliği arttınlabilir.

GÜNDÜZ SÜRESİNCEISI KAZANIMI

GECE SÜRESİNCEISI GERİ KAZANIMI

T, > T U

Şekil 1. Serada plastik su tüpleri ile güneş enerjili pasif ısıtma uygulamalan [4,5,6]

Serada bitki sıralan arasındaki toprak yüzeyine yerleştirilen plastik su tüpleri, genellikle 180 [imkalınlıktaki şeffaf polietilen (PE) malzemeden yapılır. Plastik su tüplerinin güneş ışınımı soğurmaözelliğini arttırmak için, su tüpleri bitki sıralan arasındaki toprak yüzeyine serilen 50 ı̂m kalınlıktakisiyah PE örtü üzerine yerleştirilmelidir. Su tüplerinin çapı, uzunluğunun her metresinde 60-70 1 subulunacak şekilde 23-35 cm arasında olabilir. Sera taban alanının % 20-40 arasında değişen biroranının su tüpleri ile kaplanacak ve taban alanı için 20-40 l/m2 arasında su bulunacak şekildedüzenleme yapılır [4,5,6]. Suyun ısı depolama kapasitesini arttırmak için su tüpleri içerisinde çokdüşük basınçla su dolaşımı sağlanabilir. Bu tip uygulamalarda sistemin ısıl etkinliği daha yüksektir vesera iç ortamında en düşük dış ortam sıcaklığından 2.5-4 ° C daha yüksek sıcaklık artışı sağlanır [7].Serada gece süresince toprak ve ısıtma borulanndan ışınımla oluşan ısı kayıplannı azaltmak için, ısıperdeleri kullanılarak sistemin etkinliği arttınlabilir. Su tüplerinin kullanıldığı güneş enerjili pasifısıtma sistemlerine ilişkin olarak uygulamada karşılaşılan en önemli olumsuzluk, su tüplerinin seradayetiştiricilik için kullanılamayan fazla miktarda toprak yüzeyi kaplamasıdır. Sera içerisinde kuzeykenar boyunca su depolan yerleştirilerek yapılan pasif ısıtma uygulamalannda, özellikle güneşışınımın yetersiz olduğu kış aylannda seranın güney tarafından gelen ışınım doğrudan ısı depolamamateryali tarafından soğurulur ve su depolan aynı zamanda kuzey kenann yalıtımını arttınr. Bu tipuygulamalann maliyeti, su deposu olarak siyah renkli basit çelik variller kullanılarak azaltılabilir.

94

N

TsSu

' «

GÜNDÜZ SÜRESİNCEISI KAZANIMI

GÜNEŞ IŞINIMI

'7

SÜRESİNCEISI GERİ KAZANIMI

>T

Şekil 2. Serada su depoları ile yapılan pasif ısıtma uygulamaları [4,5,6].

Güney bölgelerdeki plastik seraların ısı gereksinimi, taban alanı için 0.05 m /m su tüpü uygulamasıile karşılanabilir. Sera içerisinde ısı depolama ünitesi olarak su tankları veya variller kullanıldığında,taban alanı başına ortalama olarak plastik seralar için 0.06 m3/m2 ve cam seralar için 0.12 mVm2

değerleri önerilir. Araştırma sonuçlarına göre; seralarda içerisi su doldurulmuş variller kullanılmasıdurumunda, dış ortam sıcaklığından ortalama olarak 2-10 °C arasında değişen değerlerde daha yüksekiç ortam sıcaklığı sağlanarak, yıllık ısı gereksiniminin % 70-75'inin karşılanabileceği belirlenmiştir[4,5,6].

Sera Tabanındaki Toprakta Isı Depolanan Pasif Isıtma Sistemleri

Sera tabanındaki toprak yüzeyinden sadece belirli bir miktar derinlikteki toprak sıcaklığı, kışın seraortamındaki hava sıcaklığından 2-3 °C daha yüksektir. Bu nedenle sera tabanındaki toprak ısıdepolama materyali olarak değerlendirilebilir. Soğuk dönemlerde sera tabanındaki toprak altına, belirliderinlik ve aralıklarla değişik malzemelerden yapılmış belirli çapta borular yerleştirilerek, seraortamındaki fazla ısı toprakta depolanır (Şekil 3). Serada yapılan üretim işlemlerine engel olmamasıbakımından, toprak altına yerleştirilen borular genellikle seranın uzun kenarı boyunca düzenlenir.Toprak altında ısı dönüştürücü olarak kullanılan borular, genellikle iki farklı derinlikte yerleştirilir veboruların çevresinde ısı depolama materyali olarak çakıl taşları kullanılabilir.

Sıcaklık farkına bağlıolarak toprağa veyatopraktan ısı geçişi

Şekil 3. Sera tabanındaki toprakta ısı depolanan pasif ısıtma sistemi [4,5,6]

Bu tip sistemlerde, gündüz süresince sera ortamındaki ılık hava seranın üst bölümünden çekilerek,toprak altına yerleştirilen borular içerisinden dolaştırılır. Sera ortam havasıyla taşınan ısı borumalzemesine geçer ve boruların çevresindeki toprak sıcaklığı yükselir. Gece süresince seraortamındaki soğuk hava borular içerisinde dolaştırılarak, gündüz süresince toprakta depolanmış olan

95

ısının, zorlanmış taşınımla borular içerisinde dolaşan havaya geçmesi sağlanır. Toprakta depolanmışolan ısının geri kazanımı; topraktan pasif şekilde olan ısı iletimi ve daha sonra sera toprak yüzeyindenhavaya ısıl ışınım ve ısı taşınımıyla gerçekleşir. Isı depolama etkinliğinin arttırılması için, toprak altınayerleştirilen borular güneş toplaçlarıyla birlikte düzenlenebilir. Bu tip sistemler sıcak yaz günlerindesera ortamının serinletilmesi amacıyla da kullanılabilir.

Tek katlı PE örtülü 835 m2 alanındaki seradan bir toplaç gibi yararlanılarak ısı depolanmıştır. Isdepolama için 0.5 m derinlik ve 1 m aralıklarla gömülü PVC ve kil dren borular kullanılmıştır. Her birsera bölmesinin ortasına yerleştirilmiş 0.37 kW gücündeki fanlar ile, sera ortamındaki hava gündüzleritoprak altındaki borulardan dolaştırılarak ısı depolanmış ve depolanan ısıdan gece sürelerinde seranınısıtılmasında yararlanılmıştır. Gece sürelerinde iç ve dış ortam arasında en yüksek 5°C sıcaklık farkıbelirlenmiş ve serada herhangi bir ek ısıtma yapılmadan don zararı önlenebilmiştir [8].

Seraların bu tip sistemlerle ısıtılmasına yönelik olarak yapılmış olan bir çok uygulamada, toprak vehava arasında ısı dönüştürücü olarak kullanılan borular, 50-200 cm arasında değişen derinliklerde ve40 cm aralıklarla düzenlenmiştir. Isı değiştirici borular, 10-20 cm çaplarındaki plastik alüminyum veyabeton borulardan tasarımlanmaktadır. Yapılan araştırmalarda çoğunlukla plastik borular kullanılmışolup, boru yerleşim derinliği 0.3-2.1 m arasında değişmektedir. Bu tip sistemlerin en düşük dış ortamsıcaklığında 3-10 °C arasında değişen değerlerde daha yüksek iç ortam sıcaklıkları sağladığı veseraların yıllık ısı gereksiniminin % 30-62'i arasında değişen oranlarını karşılayabildiği belirlenmiştir[4,5,6].

Çakıl veya Kırma Taş Kullanılarak Isı Depolanan Sistemler

Bu sistemlerde, gündüz süresince sera iç ortamında oluşan fazla ısı, sera tabanındaki toprak altınayerleştirilen ve içerisinde ısı depolama materyali olarak çakıl veya kırma taş bulunan ısı deposundadepolanır (Şekil 4). Gece süresince sera iç ortamındaki soğuk hava ısı deposu içerisindendolaştırılarak, gündüz süresince çakıl veya kırma taşlarda depolanan ısı seranın ısıtılması için gerikazanılır.

ÇakılYatağı Çakıl Yatağına

veyaÇakıl Yatağından

Isı Geçişi

Şekil 4. Çakıl veya kırma taş kullanılarak ısı depolanan güneş enerjili pasif ısıtma [4,5,6]

Isı deposu sera tabanından 40-50 cm derinliğe yerleştirilir ve çevresi betonla yalıtılır. Isı depolamamateryali olarak 20-100 mm arasında değişen çaplarda çakıl veya kırma taş kullanılır. Isı deposundanhava dolaşımı sağlamak amacıyla, sera tabanının her m2'si için 5 m3/dak. verdi sağlayan bir fan

96

kullanılabilir. Sera taban alanı için gerekli ısı deposu hacmi ortalama olarak 0.3 m3/m2'dir. Araştırmasonuçlarına bağlı olarak; bu tip sistemlerin en düşük dış ortam sıcaklığından 4-10 °C arasında değişendeğerlerde daha yüksek iç ortam sıcaklığı sağladığı ve yıllık ısı gereksiniminin % 20-70 arasındadeğişen bir oranının karşılanabileceği belirlenmiştir [4,5,6].

Faz Değişim Materyali (PCM) Kullanılan Pasif Isıtma Sistemleri

Bu tip sistemlerde, faz değişim materyalleri sera tabanındaki toprak altına veya seranın kuzey kenannayerleştirilen yalıtımlı bir ısı deposu içerisine doldurulur. Sera iç ortamındaki sıcak ve nemli hava,gündüz süresince ısı deposu içerisinden dolaştırılır. Sera ortamındaki hava ile taşman ısı, depoiçerisindeki faz değişim materyali tarafından soğutularak gizli ısı şeklinde depolanır. Isı deposuiçerisinden sıcak hava dolaşımı süresince, ısı depolama materyali (PCM) faz değiştirir. Gece süresincesera ortamındaki soğuk hava, ısı deposu içerisinden dolaştmlarak, faz değişim materyalinde depolanangizli ısı seranın ısıtılması için geri kazanılır (Şekil 5). Isı geri kazanımı süresince, ısı depolamamateryali (PCM) başlangıçtaki durumuna döner. Isı geri kazanım işlemi süresince, sera ortamhavasının nem oranı artabilir. Yüksek nem oranının bitkilerde neden olduğu olumsuzlukları önlemekiçin, ısı deposu genellikle havadan-havaya bir ısı pompasıyla birlikte düzenlenerek, nem oranıazaltılmış olan hava sera ortamına gönderilebilir.

Faz DeğişimMateryali

Sıcaklık Farkına Bağlı OlarakDepolama Materyaline veyaDepolama MateryalindenIsı Geçlti

Şekil 5. Faz değişim materyali kullanılan pasif ısıtma sistemi [4,5,6]

Isı deposunun toprak altına yerleştirildiği uygulamalarda, faz değişim materyallerinin gerektiğindeyenilenmesi işlemi oldukça güçtür. Sera ortamından taşınan hava ve PCM arasında ısı geçişi içinkullanılan ısı dönüştürücü yüzeylerine faz değişim materyalinin yapışarak tutunması ısı geçişinigüçleştirdiğinden, ısı dönüştürücü yüzeylerinin düzenli olarak temizlenmesi gerekir. Faz değişimmateryalleri kullanılarak ısı depolanan güneş enerjili pasif ısıtma sistemleri, sadece sera ortam havasısıcaklığının ısı depolama materyalinin faz değişim sıcaklığından daha yüksek olması durumunda etkinolarak işletilebilir.

Seralarda PCM kullanılarak ısı depolama amacıyla yapılmış olan bir çok araştırmada, ergime sıcaklığı25 °C ve gizli ısısı 154 900 kJ/m3 olan CaCb.öîbO kullanılmıştır. Özellikle cam seralar için kullanılanPCM miktarı, taban alanı başına yaklaşık olarak 9 kg/m2)dir. Sera ve ısı deposu boyutları, örtümalzemesi ve uygulanan yetiştirme şekline bağlı olarak, yıllık ısı gereksiniminin % 20-75 arasındadeğişen bir oranının bu tip bir uygulama ile karşılanabileceği belirlenmiştir [4,5,6].

97

Güneş Enerjili Aktif Isıtma Sistemleri

Aktif sistemlerde (Şekil 6), seradan bağımsız durumda tasarımlanan ısı toplama ve depolamaünitelerinden yararlanılır. Sera örtüsüyle güneş ışınımından kazanılan ısıl enerjiyle birlikte, aktif ısıtmasistemindeki ısı toplama ünitesiyle toplanılan ısı uygun şekilde depolanarak, ısı gereksiniminin önemlibir bölümü karşılanabilir. Bununla birlikte, aktif sistemlerdeki özellikle ısı toplam ünitelerinin fazlaalan kaplaması ve ilk yatırım ve daha sonraki işletme giderlerinin yüksek olması, bu sistemlerinekonomik uygulanabilirliğini önemli ölçüde kısıtlamaktadır. Son yıllarda güneş enerjili aktif ısıtmasistemlerine ilişkin araştırma ve geliştirme çalışmalarıyla uygulamada karşılaşılan bu tür sorunlarıngiderilmesine yönelik belirli teknik çözümler sağlanmıştır. Aktif ısıtma sistemleri aşağıdakiözelliklerine bağlı olarak incelenebilir [6,9,10,11]:

• Isı toplama ünitesi (güneş toplacı)• Isı toplama ünitesinin yerleşimi• Isı taşıyıcı akışkan• Isı depolama materyali, kapasitesi ve yerleşimi

Seralarda güneş enerjili aktif ısıtma sistemleri, yıllık ısı gereksiniminin belirli bir oranını karşılamakiçin tasarımlanır. Sera iç ortamında istenilen sıcaklığa bağlı olarak oluşan ısı kayıpları dikkatealınarak, seranın yıllık ısı gereksinimi hesaplanır. Yıllık ısı gereksiniminin belirli bir oranınıkarşılamak için gerekli enerji miktarı belirlendikten sonra, bu enerjinin toplanması için gerekli toplaçalanı hesaplanır. Toplaçların güneş enerjisi toplama etkinliği; toplaç üzerine gelen güneş ışınımına,toplaç örtü malzemesi ve soğurucu yüzeyin optik özelliklerine bağlıdır.

Aktif ısıtma sistemleri için gerekli toplaç alanının belirlenmesinde aşağıdaki etmenler dikkate alınır[9,10,11]:

• Yıllık ısı gereksinimi• Yöresel iklim koşullan

• Güneş ışınımı• Dış ortam sıcaklığının değişimi• Rüzgar hızı

• Güneş enerjisiyle karşılanması gereken toplam ısı gereksinimi• Toplaç etkinliği• İlk yatırım ve işletme-bakım giderleri

Güneş enerjili aktif ısıtma sistemlerinde ısı toplama ünitesi olarak genellikle; soğurucu yüzeyi metalveya plastik malzemelerden oluşan, örtüsüz veya (plastik veya cam) örtülü düzlem toplaçlarkullanılmaktadır. Bununla birlikte, yoğunlaştıncı toplaçlar ve güneş havuzlarından da ısı toplamaünitesi olarak yararlanılmaktadır. Sistemde ısı taşıyıcı akışkan olarak hava, su veya tuzlu su gibiakışkanlardan yararlanılır. Isı toplama ünitesinin seçiminde; ilk yatınm ve işletme giderleri, sıcaklıkdüzeyi ve seranın ısı gereksinimi dikkate alınır. Isı toplama ünitesi olarak kullanılan güneş toplaçları,sera dışına yerleştirilebildiği gibi, sera çatısına da yerleştirilebilir.

98

ISI TOPLAMA ÜNİTESİ

ISI DEPOLAMA HATTI

ISI GERİ KAZANMA HATTI

Şekil 6. Güneş enerjili aktif ısıtma sistemi [10,11]

Toplaçların sera çatısına yerleştirilmesi durumunda sera içerisine ulaşan güneş ışınımı önemli orandaazalır. Bu tip sistemlerde de pasif ısıtma sistemlerindeki gibi; su, çakıl-kırma taş veya tuğla, toprak vefaz değiştiren materyaller (PCM) gibi ısı depolama materyallerinden biri veya bir kaç tanesi birliktekullanılır. Isı depolama ünitesinin boyutları; sera alanı, işletme sıcaklığı, ısı değiştirici tipi vekullanılan ısı toplama ünitesinin boyutlarına bağlıdır.

Serada ısı depolama ünitesi olarak yararlanılan çakıl yatağı, genellikle sera tabanındaki toprak altınayerleştirilir. Birim (m2) sera alanı için toplaç alanı 0.08-0.46 m2 ve ısı deposu hacmi 0.05-0.28 m3

arasında değişirken, birim (m2) toplaç alanı için depo hacmi 0.17-3.5 m3 arasında değişir [9,10,11].Aktif ısıtma uygulamalarında ısı toplama ünitesi olarak, metal soğurucu yüzeyi cam örtülü veyaörtüsüz olan güneş toplaçları, toprakta veya çakıl dolgulu ısı depolarında ısı depolama amacıyla1970'li yılların başlangıcından bu yana kullanılmaktadır. Seralardaki ilk güneş enerjili aktif ısıtmauygulamalarında kullanılan bu tip toplaçlardan kazanılan ısı, doğrudan sera ortamına verilebildiği gibi,gece veya ısı gereksiniminin olduğu dönemlerde kullanılmak üzere depolanmaktadır. Isı toplamaünitesi olarak metal soğurucu yüzeyi üzerinde örtü bulunmayan havalı güneş toplaçları ile Bowers veArk. (1975) [12] tarafından yapılan bir araştırmada; toplaçlardan çıkan sıcak hava, doğrudan serayaveya ısı depolama materyali olarak çakıl taşları bulunan ısı deposuna gönderilmiştir. Sera ısıgereksiniminin % 38'i bu sistemle karşılanmıştır. Sera iç ortamında güneye bakacak şekildeyerleştirilmiş ve metal soğurucu yüzeyi üzerinde örtü bulunmayan havalı toplaçlarla toplanılan ısı,çakıl yatağından oluşan ısı deposunda depolanmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, sistem sera ısıgereksiniminin % 30'unu karşılamıştır [13].

Deneysel olarak tasarımlanmış 33 m2 alanındaki serada; plastik örtülü toplaç ve 1.3 m3 hacminde çakıldeposundan oluşan sistemle yıllık ısı gereksiniminin % 23'ünü karşılanmıştır [14]. Loey ve Ark.(1985) [15], tarafından yapılan bir araştırmada; taban alanı 160 m2 (ısıtılan hacim 230 m3) olan bir camserada, toprak içerisine yerleştirilmiş çakıl dolgulu yataktan oluşan ısı deposunda ısı depolanmıştır.Güneş enerjisi toplamak için siyah boyalı alüminyum soğurucu yüzeyi olan, havalı düzlem toplaçkullanılmıştır. Seranın ısıtılmasında % 56 oranında enerji tasarrufu sağlanmıştır. Deneysel (küçük) veticari (büyük) seralarda yürütülmüş olan araştırma sonuçlarına göre; toplaç/sera alanı 0.05-0.32 m2, ısı

99

deposu hacmi/sera alanı 0.02-0.08 m , depo kacmı/toplaç alanı 0.05-0.8/ m ve sera ısı gereksinimininkarşılanma oranı % 30-60 arasında değişmektedir. Serada yardımcı ısıtma sistemi kullanıldığında, seraısı gereksiniminin güneş enerjili aktif ısıtma sistemiyle karşılanabilen oranı önemlidir [9,10,11].

SONUÇ VE ÖNERİLER

Sera ısıtmada güneş enerjili pasif ısıtma sistemleriyle, gündüz sürelerinde depolanan ısıdan gecesürelerinde sera ısı gereksiniminin önemli bir bölümü karşılanabilir. Güneş enerjili pasif ısıtmasistemleri, kullanılan ısı depolama materyali ve ısı depolama ünitelerinin özelliklerine bağlı olarakincelenebilir. Bazı seralarda güneş enerjisinden daha etkin olarak yararlanabilmek için serageometrisinden yararlanılabilir. Pasif ısıtma sisteminin etkinliği; seranın boyutları, yerleşimi ve örtümalzemesine, uygulanan yetiştirme şekline, gündüz ve gece sürelerinde sera iç ortamında istenilensıcaklık değerlerine ve dış ortam koşullarına bağlıdır. Seralarda su tüplerinden yararlanılan pasif ısıtmasistemleriyle, en düşük dış ortam sıcaklığından 2-4 °C daha yüksek iç ortam sıcaklığı sağlanır. Seratabanındaki toprak altına bir veya iki sıra halinde 0.3-2.1 m arasında değişen derinliklerde ısıtmaboruları yerleştirilerek, en düşük dış ortam sıcaklığından 3-10 °C iç ortam sıcaklığı sağlanır ve yıllıkısı gereksiniminin % 30-60'ı karşılanabilir. Çakıl veya kırma taş yataklarından yararlanılan pasifısıtma sistemleriyle yapılan araştırmalarda; en düşük dış ortam sıcaklığından 4-10 °C daha yüksek içortam sıcaklığı sağlanarak, sera yıllık ısı gereksiniminin % 20-70 arasında değişen bir oranınınkarşılanabileceği belirlenmiştir. Gizli ısı depolama materyallerinden yararlanılan pasif ısıtmasistemlerinde, ısı depolama materyali olarak başlıca tuz hidratları kullanılmaktadır. Sera ve depoboyutları, örtü materyali ve yetiştirme şekline bağlı olarak, sera ısı gereksiniminin % 20-75'i bu türuygulamalarla karşılanabilir.

Güneş enerjili aktif sistemlerle karşılaştırıldığında pasif sistemlerin ilk yatırım ve işletme giderleridaha düşüktür. Aktif sistemlerdeki; güneş toplaçlarının maliyeti, ısı toplama ve depolama ünitelerininyerleştirilmesinde karşılaşılan güçlükler nedeniyle,özellikle küçük boyutlu seralar için güneş enerjilipasif ısıtma uygulamaları daha uygundur. Pasif ısıtma sistemlerinin bir bütün olarak yararlılığınıarttırmak için, yardımcı ısıtma sistemiyle birlikte uygulanmalı ve sistemlerin önemli birer alt ünitesiolan ısı toplama ve depolama ünitelerinin çalışma ve kontrolüne gerekli önem verilmelidir. Güneşenerjili aktif ısıtma sistemleriyle sera ısı gereksiniminin önemli bir bölümü karşılanmakla birlikte,uygulamada bu sistemlerin kullanımında bazı sorunlarla karşılaşılmaktadır:

• Isı toplama ünitesi olarak özellikle soğurucu yüzeyi cam örtülü toplaçların kullanılmasıdurumunda, sistemin ilk yatırım maliyeti yüksektir. Maliyetin azaltılması için daha ucuz olan değişiktip plastik toplaçlardan yararlanılmakla birlikte, plastik toplaçlar kolay bir şekilde yıprandığındanbakım giderleri yükselir.• Toplaçlar sera dışına yerleştirildiğinde fazla alan kapladığından, sera iç ortamına veya çatısınayerleştirilmektedir. Toplaçların sera çatısına yerleştirilmesi durumunda sera içerisine ulaşan güneşışınımı önemli oranda azalır. Bu nedenle güneş ışınımının fotosentez için gerekli bölümüne karşıgeçirgen olan toplaçlardan yararlanılmalıdır.• Güneş enerjili ısıtma sisteminin yardımcı ısıtma sistemiyle birlikte kullanılması durumunda, bazıteknik sorunlarla karşılaşılabilir. Yardımcı ısıtma sisteminin uygun olmaması durumunda, güneşenerjili sistemin yararlanılabilirliği önemli oranda azalır. Bu sorunun giderilmesi için güneş enerjiliısıtma sisteminde bir ısı pompasından yararlanılabilir.• Sistemin bir bütün olarak yararlılığını arttırmak için, yardımcı ısıtma sistemiyle birlikte güneşenerjili ısıtma sistemlerinin önemli birer alt ünitesi olan ısı toplama ve depolama ünitesi

100

kapasitelerinin belirlenmesine ve sistemin etkin olarak çalışma ve kontrolüne gerekli önemverilmelidir.

KAYNAKLAR

[ 1 ] DİE, 2000. Devlet İstatistik Enstitüsü[2] Ültanır. M.Ö. 1994. Potential of New and Renewable Energy Sources in Long-Term Utilization

Planning for Turkish Rural Areas. AGENG 94 International Conference on AgriculturalEngineering, 29th Proceedings, 822-828. August-lst September, Milano-Italy.

[3] Zabeltitz, C.V. 1988. Solar Energy. Energy Conservation and Renewable Energies forGreenhouse Heating (Edited by: C.V. Zabeltitz), FAO-Reur Technical Series 3: 122-128.

[4] Santamouris, M., Balaras, C.A., Dascalaki, E., Vallindras, M. 1994. Passive SolarAgricultural Greenhouses: A Worldwide Classification and Evaluation of Technologies andSystems Used for Heating Purposes, Solar Energy,53(5): 411-426.

[5] Öztürk, H.H., Başçetinçelik, A. 1996. Seralarda Güneş Enerjili Pasif Sistemlerle Isıtılması. 4.Ulusal Soğutma ve İklimlendirme Tekniği Kongresi Bildiriler Kitabı: 199-209, 10-12 Nisan1996, ADANA.

[6] Öztürk, H.H., Başçetinçelik, A. 2003. Güneş Enerjisiyle Sera Isıtma. TZOB Yayın No.240,ISBN:975-8629-28-X

[7] Farah, J. 1987. Palliage Radiant Solar Heating System (Lebanon). FAO-Reur Technical Series1: 177-181.

[8] Başçetinçelik, A. 1987. Greenhouse Solar Collection With Heat Storage System (Turkey).FAO-Reur Technical Series 1: 175-176.

[9] Santamouris, M.I. 1993. Active Solar Agricultural Greenhouses: The State of Art. Solar Energy,14:19-32.

[10] Öztürk, H. H. 1997. Sera Isıtma İçin Güneş Enerjisinin Faz Değiştiren Materyalde (PCM)Depolanması Üzerine Bir Araştırma. Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinalan AnabilimDalı, ADANA.

[11] Öztürk, H.H., Başçetinçelik, A., Karaca, C. 2001. Sera Isıtma İçin Güneş Enerjili Aktif IsıtmaSistemleri. 6. Seracılık Sempozyumu, 3-5 Eylül 2001, Fethiye-MUĞLA.

[12] Bowers , C.G., Huang, B.K., Abrams, C.F., 1975. Solar Energy Utilization in a Bulk Curing /Greenhouse System. ASEA Paper 75-3504.

[13] Loeij, J.V. 1984. Solar Energy System in order to Control the Micro-climate from theHorticulture in Greenhouses. Proceedings of l s t EEC Solar Thermal Conference: 781-785,Amsterdam.

[14] Connelan, G.J., Maghsood, J., Charters, W., Angus, D.E. 1988. Solar Thermal Studies on theBurnley Low Energy Greenhouse. Solar'88-ANZSES Conference: 43-52.

[15] Loey, J.V., Perre, R,V., Leskens, E. 1985. Simulation and Experiments in Moderate ClimateConditions on the Behavior of Greenhouses, Fitted out with a Short-term Rock-bed ThermalStorage. Proceedings of 3 th International Conference on Energy Storage for Building Heatingand Cooling: 504-507.

101

TMMOB MaUne MJIUJUU 0 < UGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİSİ DEPOLAMA ETKİNLİĞİNİNENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİYLE BELİRLENMESİ

Yrd.Doç.Dr. H. Hüseyin ÖZTÜRK, Prof.Dr. Ali BAŞÇETİNÇELİK

Çukurova Üniversitesi Ziraat Fakültesi Tarım Makinalan Bölümü 01330 ADANA

ÖZET

Isı depolama sistemi etkinliğinin belirlenmesi için, enerji ve ekserji analizleri dikkate alınmıştır.Ekserji analiziyle ısı depolama etkinliğinin değerlendirilmesi ve karşılaştırılması için, basityöntemlerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Depolama ünitesine ısı yüklenmesi, verilen ısınındepolanması ve geri kazanılması aşamaları bireysel olarak incelenmekle birlikte, bu aşamalarıntümünün birlikte dikkate alındığı toplam bir ısı depolama çevrimi de incelenmiştir.

Anahtar Kelimeler : Isı depolama, Enerji etkinliği, Ekserji etkinliği

ENERGY AND EXERGY ANALYSES FOR THE EVALUATION OFTHE EFFICIENCY OF SOLAR THERMAL ENERGY STORAGE SYSTEMS

ABSTRACT

The use of exergy analysis, rather than energy analysis, for the evaluation of the effıciency of thermalenergy storage systems is discussed. The energy and exergy relationships for a simple thermal energystorage system are given. A complete storing cycle, as well as the individual charging, storing anddischarging periods are considered. The work reported is preliminary to the task of developingsimplified conventions for the evaluation and comparison of the performance of thermal storages usingexergy analysis methods.

Keywords : Thermal energy storage, Energy effıciency, Exergy efficiency

GİRİŞ

Termodinamiğin birinci yasasına, göre, kapalı bir çevrimde değişik enerjilerin toplamları sabittir.Enerjinin niceliği ile ilgili olan bu yasa, enerjinin biçim değiştirmesine karşın, yok edilemeyeceğini veyoktan da var edilemeyeceğini belirtir.

Potansiyel, kinetik ve elektrik vb., enerjiler, tersinir bir değişime uğratıldıklarında tamamen başka birenerji türüne veya işe dönüştürülebilmektedir. Buna karşın; iç enerji, ısı enerjisi ve kimyasal enerji vb.,enerjiler tersinir bir değişime uğratıldıklarında, son konumda çevre koşullarında denge durumunagelirler. Bu denge durumunda hala belirli bir enerjide oldukları halde, enerjilerinin tamamını işedönüştürmek mümkün olmamakta ve enerjinin ancak bir kısmı kullanılabilmektedir [1].

102

Enerjinin bir biçimden diğerine dönüşmesi sırasında, az yada çok bir enerji kaybı olduğu bilinir. Birdönüşüme uğrayan enerjinin ne kadarının kullanılabilir veya ne kadarının kullanılamaz olduğu,termodinamiğin ikinci yasası ile belirtilir. Bu yasa, dönüştürülecek ısı miktarını sınırlandırmaktadır.Enerjinin niteliği ile ilgili olan termodinamiğin ikinci yasasına göre, verilen bir ısı miktarını bütünüyleişe çevirmek olanaksız olmakta, çevrim işleminde enerjinin derecesi düşmekte veya yararlılığıazalmakta, böylece iş yapma yeteneği zayıflamaktadır. Termodinamiğin ikinci yasası, yararlı(kullanılabilir) enerji kavramını getirmekte ve tersinmezlik sonucunu ortaya koymaktadır.

Isıl sistemlerde ısı kayıpları, termodinamiğin birinci yasasından bir başka deyişle, enerji dengesindenhesaplanır. Bununla birlikte, enerjinin hangi ünitelerde ne kadarhk bir kısmının verimsiz kullanıldığını, birbaşka deyişle tersinmezlikleri hesaplamak için ikinci yasadan yararlanılır [2]. Değişik mühendislikuygulamaları için enerji değerlerini belirleyen esas etmen, iş yapabilme kapasitesidir ve bunun bir ölçütüde enerji kaynağının ekserjisidir. Ekserji; mevcut çevre koşullarında ısı kaynağı ile ideal koşullardakieffektif çalışma sırasında değiştirilebilen yararlı enerjiyi belirtir [3] ve verilen koşullardaki bir sisteminçevresiyle aynı koşullara getirilmesinde elde edilen en büyük iştir [1]. Termodinamiğin birinci yasasınagöre değişik enerji türlerinin toplamı sabit kalır, buna karşılık ekserji harcanır. Diğer bir deyişle, sisteminiş yapma kapasitesi azalır. Ekserji kavramı esas alınarak, değişik enerji türlerinin iş yapabilme açısındankalite farklılıkları, enerji dönüşümlerinin gerçek verimliliğini ve verimsizliğini oluşturan süreç ve/veyaekipmanlar saptanabilir [4].

Bu çalışmada; ısı depolama sistemlerinin etkinliklerinin belirlenmesi için, enerji ve ekserji analizleriuygulanmıştır. Ekserji analiziyle ısı depolama etkinliğinin değerlendirilmesi ve karşılaştırılması için,basit yöntemlerin geliştirilmesi amaçlanmıştır. Depolama ünitesine ısı yüklenmesi, verilen ısınındepolanması ve geri kazanılması aşamaları bireysel olarak incelenmekle birlikte, bu aşamalarıntümünün birlikte dikkate alındığı toplam bir ısı depolama çevrimi de incelenmiştir.

ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ

Enerji Analizi

Geleneksel olarak uygulanan enerji analizinde;

• enerjinin korunumu ile ilgili olan termodinamiğin birinci yasası dikkate alınır,

• kullanılan enerjinin miktarı ve enerji işleminin etkinliği incelenir ve

• fiziksel ve/veya kimyasal işlemlerde verimli olarak kullanılabilen enerji potansiyelinin azalmasıihmal edilir [5].

Genel olarak bir sistem veya işlem için enerji dengesi aşağıdaki gibi yazılabilir:

YaEnerİ[Giren =Y,EnerJı'Depolanan +Y,Enei~JİÇ'kan

Kararlı haldeki bir akış işleminin başlangıç (i) ve son (f) durumlarına bağlı olarak enerji dengesiaşağıdaki gibidir.

Q = [(mh)f-(mh)i\+W [1]

İşin tamamı teorik olarak ısı enerjisine dönüştürülebilirken, ısı enerjisinin işe dönüşümü sıcaklıklasınırlıdır. Bu sınırlama Carnot çevrimi için açık bir şekilde tanımlanmıştır. Kararlı haldeki bir sistemveya işlemin enerjetik etkinliği aşağıdaki gibi tanımlanır.

103

w(%) [2]

Enerji analizi esas olarak aşağıdaki işlemler için uygundur:• Enerji kaynağının seçimi, alternatiflerin değerlendirilmesi ve enerji korunumu yöntemlerininkarşılaştırılması• Yararlanma etkinliğinin sadece enerji miktarına bağlı olduğu uygulamaların incelenmesi

• Sadece belirli bir tür enerji kullanılan sistemlerin incelenmesi ve boyutlandırılması

Ekserji Analizi

Termodinamiğin birinci yasası dikkate alınarak işletilebilir sistemler tasarımlanmakla birlikte, enuygun sistemler tasarımlanamaz. Termodinamiğin birinci yasasına bağlı olarak yapılan analizlerinistenilmeyen olumsuz özellikleri, birinci yasada işlemin enerji miktarının dikkate alındığı, fakat enerjikalitesinin ihmal edildiği gerçeğinden kaynaklanır. Belirli bir miktardaki enerjinin kalitesi,termodinamik yararlılık veya ekserji olarak adlandırılan enerjini başarabileceği yararlı işin, mümkünolabilen en yüksek miktarına dayanılarak ölçülür [6,7]. Ekserji analizi, ekserji veya yararlılık olarakadlandırılan kullanılabilir enerji ve tersinmezlik olarak adlandırılan kullanılamayan enerjininbelirlenmesine dayanır. Ekserji analizinde;• termodinamiğin birinci ve ikinci yasası dikkate alınır,• enerji kullanımının daha etkin olarak değerlendirilmesine olanak sağlayan enerjinin kalitesi esasalınır,• sıcaklık düzeyi nedeniyle ısı enerjisi, basınç düzeyi nedeniyle mekanik enerji, aydınlatma içinelektrik enerjisi ve madde birleşimi nedeniyle kimyasal enerjinin etkinliklerindeki belirli farklılıklarincelenir ve• sıcaklık düzeyi ve deniz seviyesinden yükseklik veya basınç kaybındaki değişiklikler ile ilgili olantersinmezlik artışı veya enerji etkinliğinin azalması dikkate alınır [5]. Bir işlem veya sistem için ekserjidengesi genel olarak;

Z Ekserjiciren = ZEkserjiDepOıanan + Z EkserjiÇıkan + Tersinmezlik

eşitliği ile tanımlanır. Başlangıç ve son durumları tanımlanmış bir sistem için ekserji akış dengesiaşağıdaki gibi yazılabilir.

^ İ [3]

e = (h-hr)-Tr(s-sr) [4]

Ekserjetik etkinlik; ekserjiye bağlı olarak belirtilebilen bir etkinlik sağlayan bir tesis veya tesisbileşeninde gerçekleşen herhangi bir kararlı durumdaki işlem için tanımlanabilen genel bir etkinlikölçütüdür. Ekserjetik etkinlik, sistemden çıkan toplam ekserjinin sisteme verilen gerekli toplamekserjiye oranıdır.Termodinamiğin ikinci yasası nedeniyle I > 0 olduğundan;

104

2^ı ^ÇIKAN0< ±^ J"" <i'dir ve rasyonel (oransal) etkinlik olarak bilinen ekserjetik etkinlik (y/), aşağıdaki

2^ sGIREN

gibi tanımlanabilir.

[ 5 1iıGİREN

Ekserji etkinliğinin tanımlanmasında, enerji değeri ile ilgili olan tersinmezlik artışları veya ekserjikayıpları dikkate alınır. Bu şekildeki bir tanımlama, enerji kullanım etkinliği için daha uygundur.Ekserji analizi:• Entropi üretiminin en aza indirilmesine dayanan sistem tasanm yöntemlerinin geliştirilmesineyardımcı olur [8].• Termodinamik kayıpları sadece birinci yasaya göre değil, hem birinci hem de ikinci yasayadayanarak değerlendiren bir termodinamik analiz yöntemidir [9].• Herhangi bir enerji dönüşümü sisteminin uygun olarak tasarımlanması ve işletilmesine olanaksağlar [10].• Termodinamiğin ikinci yasasının analizini kolaylaştırma ve bir termodinamik sistemdeki kayıplarıyorumlama olanağı sağlar [11].• Farklı tür ve kalitede fazla miktarda enerji gerektiren (sıcak su elde edilmesi, düşük ve yükseksıcaklıkta buhar üretimi ve soğutma vb.,) uygulamalann ve enerji dönüşümü işlemlerinin tasanmı veetkin olarak işletilmesi için uygundur [5].

Ekserji analizinin esas amacı, ısıl ve kimyasal işlemlerin termodinamik hatalannın sebeplerini miktarolarak değerlendirmek ve meydana çıkarmaktır. Bu analiz, proseslerin geliştirilmesi için olasılıklangösterir, fakat olasılıklann uygulanabilirliği üzerinde karar vermez [12]. Rosen ve Dinçer [13], ısıdepolama sistemlerinin değerlendirilmesi ve karşılaştınlması için ekserji analizini incelemişlerdir.Ekserji analizi, genel olarak termodinamik sistemlerin ve özellikle ısı depolama sistemlerininkarşılaştınlması için yararlı bir yöntemdir. Isı depolama sistemlerinin değerlendirilmesi vekarşılaştınlmasına ilişkin yapılan bir çok çalışmada ekserji analizinden yararlanılmıştır [14-23].Ekserji kavramı enerjinin gerçek mühendislik değerini ortaya koyduğundan, enerji sistemlerininekonomik analizinde de ekserjiden yararlanılabilir. Ekserjiye dayalı ekonomik analiz veya kısaca "eksergoekonomi"; değişik türde enerjiler üreten veya farklı tür ve miktarda enerjiler harcayantesislerde ürünlerin gerçek maliyetlerinin belirlenmesi ve bu ürünlerin değer bazında fiyatlandınlması,yapılabilirlik analizleri ve ön tasanm, tasanmlann en iyilenmesi ve işletme parametrelerinin seçimi veişletme ekonomisi konulannda önem kazanmıştır [4].

ISI DEPOLAMA SİSTEMLERİ İÇİN ENERJİ VE EKSERJİ ANALİZİ

Aşağıdaki bölümlerde sera ısıtma amacıyla mevsimlik ısı depolama sistemi etkinliğinin belirlenmesiiçin, enerji ve ekserji analizinin uygulanması açıklanmıştır. Sistemin enerji ve ekserji analizindeizlenecek yöntem, Şekil l'de akış diyagramı olarak verilmiştir.

105

1. Isı Toplama Ünitesinin Analizi

1.1. Isı Toplama Ünitesi İçin Enerji Analizi

Isı Toplama Ünitesinden Enerji Kazancının HesaplanmasıIsı toplama ünitesinden anlık enerji kazancı; toplama ünitesine giren akışkanın kütlesel debisi, özgülısısı ve çıkış-giriş arasındaki sıcaklık farkına bağlı olarak aşağıdaki gibi hesaplanabilir.

= m}.ph.cph{Tç(t)-Tg(t)\ [6]

ıssar*

Şekil 1. Isı depolama sisteminin enerji ve ekserji analizi için akış diyagramı

Isı Toplama Ünitesi Enerji Etkinliğinin BelirlenmesiIsı toplama ünitesinin toplam enerji etkinliği; toplama ünitesinden kazanılan enerjinin, toplama ünitesiüzerine gelen güneş ışınımına oranı olarak tanımlanarak belirlenir.

T}t(t)= Ut

rhı.ph.cnı,.\rr(t )-Tp(t )\! x!00= i y h p h \ ç 8

At.It(t) At.It(t)xlOO [7]

Isı taşıyıcı akışkanın, ısı toplama ünitesinde dolaşımı için kullanılan elektrik motorunun gücü dikkatealındığına, ısı toplama ünitesinin net enerji etkinliği aşağıdaki eşitlikten belirlenebilir.

Qt(t)

A,.lt(t) + y•xlOO [8]

106

1.2. Isı Toplama Ünitesi İçin Ekserji Analizi

Isı Toplama Ünitesinden Kazanılan Ekserji Miktarının HesaplanmasıIsı toplama ünitesinden kazanılan ekserji; toplama ünitesi girişindeki hava sıcaklığı, toplama ünitesiçıkışındaki hava sıcaklığına yükselirken, ısı taşıyıcı akışkan olarak kullanılan hava tarafından aktarılanekserji olarak tanımlanır. Isı toplama ünitesinden kazanılan ekserji miktarı aşağıdaki eşitliktenhesaplanabilir [3, 24].

5t(t) = Qt(t)-Tdjhj.ph.cph inTç(t)

Tç(t)-Tg(t)-TdlnTç(t)

Tg(t)[9]

Güneş Işınımından Ekserji Akışının HesaplanmasıGüneş ışınımından gelen ekserji akışı, doğrudan ve yaygın ışınım bileşenlerine bağlı olarak aşağıdakigibi belirlenebilir [25].

~r=Ib[l-4To/3Ts] + Id[l-4To/3Tedr] [10]

Bununla birlikte, aşağıdaki eşitlik [11] güneş ışınım ekserjisinin belirlenmesi için yaygın olarakkullanılmaktadır.

Sr=It[l-4T0/3Ts] [11]

Güneş ışınımından kazanılan ekserji akışı; anlık toplam güneş ışınımı, dış ortam sıcaklığı ve etkingüneş sıcaklığına bağlı olarak aşağıdaki ilişkiyle de hesaplanabilir [26].

1- [12]

Güneş ışınım spektrumunun 0.3-3.0 fim dalga boylan arasında, güneşin siyah cisim sıcaklığı 5762 Kolarak kabul edilir [27]. Güneş yüzey sıcaklığı, yeryüzünde spektral dağılım nedeniyle değişmeklebirlikte, etkin güneş sıcaklığı olarak, 5800 K değeri kullanılabilir.

Isı Toplama Ünitesi Ekserji Etkinliğinin BelirlenmesiIsı toplama ünitesinin toplam ekserji etkinliği, toplama ünitesinden kazanılan ekserji akışının güneşışınımından kazanılan ekserji akışına oranı olarak tanımlanır. Bu durumda, ısı toplama ünitesinintoplam ekserji etkinliği aşağıdaki gibi belirlenebilir.

Qt(t)-Td.m}.ph.cphlnTç(t)

TP(t)

At.İt(t). 1-Td(t)

-xlOO [13]

Isı taşıyıcı akışkanın, ısı toplama ünitesinde dolaşımı için gerekli güç tüketimi dikkate alındığına, ısıtoplama ünitesinin net ekserji etkinliği aşağıdaki gibi belirlenir.

107

^tt net)(t) = ^-^ xlOO [14]t(net)\ At.Sr(t) + W}

2. Isı Depolama Ünitesinin Analizi

2.1. Isı Depolama Ünitesi İçin Enerji Analizi

2.1.1. Isı Depolama Dönemi İçin Enerji Dengesi

Isı depolama ünitesinde ısı depolama dönemi için enerji dengesi, Şekil 2'de tanımlanan modele göreoluşturulmuştur.

Şekil 2. Isı depolama dönemi için enerji dengesi modeli

Isı depolama dönemi için enerji dengesi; ısı toplama ünitesinden ısı depolama ünitesine verilen ısı,depolama ünitesinde depolama materyali tarafından depolanan ısı ve ısı kaybına bağlı olarak aşağıdakigibi yazılabilir.

Verilen ısı = Depolanan ısı + Isı kaybı

Qg=Qd+Qk

Isı Depolama Ünitesine Verilen Isı Miktarının HesaplanmasıIsı toplama ünitesinden çıkan sıcak akışkan ile ısı depolama ünitesine verilen ısıl güç miktarı, aşağıdakieşitlikten hesaplanır.

Qg(t) = m3.ph.cph{Tdg(t)~Tdç(t)\ [15]

Isı Deposunda Depolanan Isı Miktarının HesaplanmasıIsı depolama ünitesinde depolanan ısıl güç miktarı, ısı deposuna verilen ısı miktarı ve ısı deposundanoluşan ısıl güç kaybına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.

Qd(t) = Q8(t)-Qk(t) [16]

Isı Depolama Ünitesinden Isı Kayıplarının HesaplanmasıIsı depolama ünitesinin yan ve taban yüzeylerinden dış ortama olan toplam ısıl güç kaybı aşağıdakieşitlikten hesaplanır.

t) [17]

108

Isı depolama ünitesinin yan ve taban yüzeylerinden oluşan ısıl güç kayıpları, belirtilen sıra ile [18] ve[19] nolu eşitliklerden belirlenebilir.

= ky.Fy[Tp(t)-Td(t)\

= 2kt.Ft\rp(t)-Td(t)\.

[18]

[19]

Isı Depolama Ünitesi Enerji Etkinliğinin BelirlenmesiIsı depolama ünitesinin toplam enerji etkinliği, depolama ünitesinde depolanan ısıl güç miktarının, ısıtoplama ünitesinden depolama ünitesine verilen ısıl güç miktanna oranı olarak tanımlanır.

T}d(t)=(Depolanan ısıl güç /Depoya verilen ısıl güç)xlOO

[20]

Isı toplama ve depolama üniteleri arasında ısı taşıyıcı akışkan dolaşımı için enerji tüketimi dikkatealındığında, ısı depolama ünitesinin net enerji etkinliği aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.

[21]net)(*)= . Q d ( t ) xlOO} Qg(t) + Wj

2.1.2. Isı Geri Kazanma Dönemi İçin Enerji Dengesi

Isı depolama ünitesinden ısı geri kazanma dönemi için enerji dengesi, Şekil 3'de tanımlanan modelegöre oluşturulmuştur. Isı geri kazanma dönemi için enerji dengesi; depolama ünitesinde depolanan ısımiktan, seranın ısıtılması için geri kazanılan ısı miktan ve ısı kayıplanna bağlı olarak aşağıdaki gibiyazılabilir:

Depolanan ısı = Geri kazanılan ısı + Isı kaybıQd = Qgk + Qk

Şekil 3. Isı geri kazanma dönemi için enerji dengesi modeli

109

Idl Depolama Ünitesinden Geri Kazanılan Isı Miktarının HesaplanmasıSera ısıtmada yararlanılmak üzere ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç miktan; seradan ısıdepolama ünitesine giren ve depolama ünitesinden çıkan akışkan sıcaklığı, depolama ünitesinden çıkanakışkan debisi ve özgül ısısına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.

= rh6.ph.cph[Tdç(t)-Tdg(t)\ [22]

Isı Geri Kazanımında Enerji Etkinliğin BelirlenmesiIsı geri kazanma süresince enerji etkinliği; depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç miktarının, ısıgeri kazanma işlemi için tüketilen güç miktarına oranı olarak tanımlanabilir.

(t) = (Depolama ünitesinden geri kazanılan ısıl güç/Geri kazanma için enerji tüketimi) x 100

w2

2.1.3. Isı Depolama ve Geri Kazanma İçin Toplam Enerji Dengesi

[23]

Isı depolama ve geri kazanma için toplam enerji dengesi Şekil 4'de tanımlanan modele göreoluşturulmuştur. Isı depolama ve geri kazanma için toplam enerji dengesi; ısı toplama ünitesindendepolama ünitesine verilen ısı, depolama ünitesinde depolanan ısı, geri kazanılan ısı ve ısı kayıplarınabağlı olarak aşağıdaki gibi yazılabilir.

Depolanan ısı = Verilen ısı-fGeri kazanılan ısı + Isı kaybı]

Qd = Qg-[Qgk

Td

FANA

W1

Şekil 4. Isı depolama ve geri kazanma için enerji dengesi modeli

Isı Depolama Ünitesinde Depolanan Toplam Isı Miktarının HesaplanmasıIsı depolama dönemleri süresince depolanan toplam ısı miktan, depolama ünitesine verilen toplam ısımiktarı ve depolama ünitesinden oluşan toplam ısı kaybına bağlı olarak belirlenir. Belirli bir zamanaralığında depolanan toplam ısı miktarı aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir.

110

t=t t

= \Qg(t)-Qk(t)dt [24]t='o

Isı depolama ünitesine verilen toplam ısı miktarı ve depolama ünitesinin yan ve taban yüzeylerindenoluşan toplam ısı kaybı, depolama ünitesine giren ve çıkan akışkan sıcaklıkları, dış ortam sıcaklığı veısı depolama materyali sıcaklığının zamanla değişimine bağlı olarak aşağıdaki eşitliklerdenhesaplanabilir.

t=t

\Tdg(t)-Tdç(t)dt [25]

t=t t

YJQk = JQky(t)-Qkt(t)dt [26]t=to tB

t=tttYJQky=ky.FyJTp(t)-Td(t)dt [27]

t=tn

t=ttt

YJQkt=2kt.Ft\Tp(t)-Td(t)dt [28]

Depolama Ünitesinden Geri Kazanılan Toplam Isı Miktarının HesaplanmasıIsı geri kazanma dönemi süresince, belirli bir zaman aralığında geri kazanılan toplam ısı miktarı,seradan ısı depolama ünitesine giren ve depolama ünitesinden çıkan akışkan sıcaklıklarının zamanladeğişimine bağlı olarak aşağıdaki eşitliklerden hesaplanır.

t=t\ [29]

t=t t

=>n6-Ph-Cph \Tdç(t)-Tdg(t)dt [30]

' = ' « t0

2.2. Isı Depolama Ünitesi İçin Ekserji Analizi

2.2.1. Isı Depolama Dönemi İçin Ekserji Dengesi

Isı depolama dönemi için ekserji dengesi; ısı toplama ünitesinden çıkan sıcak akışkanla depolamaünitesine verilen ekserji, depolama ünitesinde depolanan ekserji ve ekserji kaybına bağlı olarakaşağıdaki gibi yazılabilir.

Verilen ekserji — Depolanan ekserji + Ekserji kaybıEg = Ed + Ek

111

Isı Depolama Ünitesine Yerilen Ekserji Miktarının HesaplanmasıIsı toplama ünitesinden çıkan sıcak akışkanla depolama ünitesine aktarılan ekserji miktarı,

Eg(t) = Qg(t)-Td(Sdg-Sdç) [31]

eşitliği ile hesaplanır. Bu eşitlikte, TJSdg-Sdç) ısı toplama ünitesinden depolama ünitesine gönderilenısı enerjisinin yararlanılamayan bölümünü belirtir. Sabit özgül ısıya sahip sıkıştınlamayan bir akışkaniçin özgül entropi değişimi,

8 8 dT Tsdg ~ Sdç = j dS = J m.cp in— = m.cp ln-^- [32]

şeklinde belirlenir. Bu durumda, ısı depolama süresince depolama ünitesine verilen ekserji miktarıaşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir.

TdJt)E (t) = Q (t)-Td.m3.ph£phln-±— [33]

Isı Depolama Ünitesinde Depolanan Ekserji Miktarının HesaplanmasıIsı depolama ünitesinde depolanan ekserji miktarı; depolama ünitesine verilen ekserji ve depolamaünitesinden oluşan ısı kaybına ilişkin ekserji kaybına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikten hesaplanır.

Sd(t) = Eg(t)-Sk(t) [34]

Isı Depolama Ünitesinden Ekserji Kaybının HesaplanmasıIsı depolama ünitesinden oluşan ısı kayıplarına ilişkin ekserji kaybı, dış ortam hava sıcaklığı vedepolama ünitesi içerisindeki ısı depolama materyali sıcaklığına bağlı olarak aşağıdaki eşitliktenbelirlenir.

1-Tp(t)

[35]

Isı Depolama Ünitesi Ekserji Etkinliğinin BelirlenmesiIsı depolama ünitesinin toplam ekserji etkinliği, depolama ünitesinde depolanan ekserji miktarının,toplama ünitesinden depolama ünitesine verilen ekserji miktarına oranı olarak tanımlanabilir.

Wd (t) = (Depolanan ekserji / Verilen ekserji) xlOO

[36]

Isı toplama ve depolama üniteleri arasında ısı taşıyıcı akışkan dolaşımı için gerekli enerji tüketimidikkate alındığında, ısı depolama ünitesinin net ekserji etkinliği aşağıdaki gibi hesaplanır.

112

2.2.2. Isı Geri Kazanma Dönemi İçin Ekserji DengesiIsı

geri kazanma dönemi için ekserji dengesi; depolanan ekserji, geri kazanılan ekserji ve ekserji kaybınabağlı olarak aşağıdaki gibi yazılabilir.

Depolanan ekserji =Geri kazanılan ekserji + Ekserji kaybı

Isı Depolama Ünitesinden Geri Kazanılan Ekserji Miktarının HesaplanmasıIsı depolama ünitesinden geri kazanılan ekserji miktarı, depolama ünitesinde geri kazanılan ısımiktarına bağlı olarak aşağıdaki eşitlikten hesaplanabilir.

[ 3 8 ]6.ph.cphln^ıdg\ t '

Isı Geri Kazanma Süresince Ekserji Etkinliğin BelirlenmesiIsı geri kazanma süresince ekserji etkinliği; ısı depolama ünitesinden geri kazanılan ekserji miktarının,geri kazanma işlemi için tüketilen enerji miktarına oranı olarak tanımlanabilir.

f/gk(t) = (Geri kazanılan ekserji / Enerji tüketimi) xl00

[39]

SONUÇ VE ÖNERİLER

Isı depolama sistemlerinin enerji etkinliği, sistemden geri kazanılan ısı enerjisinin sisteme verilen ısıenerjisine oranı olarak tanımlanabilir. Geri kazanılan ısı miktarı, sistemde oluşan ısı kayıplarınedeniyle, verilen ısı miktarından daha azdır. Isı depolama etkinliğinin bu şekilde tanımlanmasıyla,termodinamiğin birinci yasasına göre sistemin sadece enerji dengesi dikkate alınmaktadır. Depolananısı enerjisinin mekanik enerji veya diğer yüksek kaliteli enerji türlerine dönüştürülmesi durumunda,verilen veya geri kazanılan enerjinin sadece miktarı değil, kalitesi de dikkate alınmalıdır. Bu durumda,termodinamiğin ikinci yasasına göre ısı depolama etkinliği; sistemden geri kazanılan yararlı enerjinin,başlangıçta sisteme verilen yararlı enerjiye oranı şeklinde tanımlanabilir. Isı depolama sisteminden gerikazanılan ısı enerjisinin, başlangıçta sisteme verilen ısı enerjisine oranı olarak tanımlanan enerjietkinliği, ideal bir etkinlik ölçütü olarak uygun değildir. Enerji etkinliği hesaplamalarında; ısınındepolandığı zaman uzunluğu, verilen ve geri kazanılan ısının sıcaklığı ve ortam sıcaklığı dikkatealınmamaktadır. Ekserji analizi, genel olarak termodinamik sistemlerin ve özel olarak da ısı depolamasistemlerinin termodinamik ve ekonomik etkinliklerinin değerlendirilmesi için yararlı bir yöntemdir.

113

KAYNAKLAR

[I] Onat K. 1990. Kullanılabilir Enerji Kaybının Azaltılması. Termodinamiğin İkinci KanunuÇalışma Toplantısı, Erciyes Univ.-T.I.B.T.D., 27-30/8/1990, Kayseri. Bildiriler Kitabı 11:29(1)-29(9).

[2] Kolip A, Çelik V. 1990. İçten Yanmalı Motorlarda Optimum Çalışma Aralığının Ekserji AnaliziYöntemi ile Belirlenmesi. Termodinamiğin İkinci Kanunu Çalışma Toplantısı Bildiriler Kitabı,Cilt II:32(1)-32(11), Erciyes Univ.-T.I.B.T.D., 27-30/8/1990, Kayseri.

[3] Dayıoğlu MA, Ültanır MÖ. 1992. Termodinamiğin İkinci Yasasının Güneş KollektörlerineUygulanması. IV. Türk Alman Enerji Sempozyumu "Güneş Enerjisi ve Çevre" Bildirileri: 115-127,2-4 Mayıs 1991, İzmir.

[4] Eğrican N, Özdoğan S. 1990. Enerji Sistemlerinin Ekserji Analizine Yönelik Bazı ÇalışmalarınDerlenmesi. Termodinamiğin İkinci Kanunu Çalışma Toplantısı, Erciyes Univ.-T.I.B.T.D., 27-30/8/1990, Kayseri, Bildiriler Kitabı, Cilt II:34(1)-34(12).

[5] Larson DL, Cortez LAB. 1995. Exergy Analysis: Essential to Effective Energy Management.Transactions ofthe ASAE 38(4): 1173-1178.

[6] Moran MJ. 1981. Availability Analysis: A Guide to Efficient Energy Use. Prentice-Hall,Englevvood Cliffs, NJ.

[7] Bejan A. 1982 . Second Law Analysis in Heat Transfer and Thermal Design. Advances in HeatTransferl5:l-5S, Accademic Press, New York.

[8] Bejan A. 1987. The Thermodynamic Design of Heat and Mass Transfer Processes and Devices.International Journal of Heat a.d Fluid Flow 8(4):258-276.

[9] Kotas TJ. 1986. Exergy Method of Thermal and Chemical Plant Analysis. Chem. Eng. Res.D^.64:212-229.

[10] Krane RJ. 1987. A Second Law Analysis of the Optimum Design and Operation of ThermalEnergy Storage Systems. International Journal of Heat Mass Transfer 30(1): 43-57.

[II] Dayıoğlu MA. 1991. Seralar İçin Alçak Enerji Sistemlerine İlişkin Güneş KollektörlerininOptimal Modellenmesi. Yüksek Lisans Tezi, Ankara Üniversitesi Fen Bilimleri EnstitüsüTarımsal Mekanizasyon Anabilim Dalı: 173s, Ankara.

[12] Morris RD, Szargut J. 1986. Standart Chemical Exergy of Some Elements and Compounds onthe Planet Earth. Energyll(S):733-155.

[13] Rosen MA, Dincer I. 2003. Exergy Methods for Assessing and Comparing Thermal EnergyStorage Systems. International Journal of Energy Research 27:415-430.

[14] Dincer I, Dost S, Li X. 1997. Performance Analysis of Sensible Heat Storage Systems forThermal Applications. International Journal of Energy Research 21:1157-1171.

[15] Dincer I. 1999. Evaluation and Selections of Energy Storage Systems for Thermal Applications.International Journal of Energy Research 23:1017-1028.

[16] Dincer I. 2002. Thermal Energy Storage Systems as a Key Technology in Energy Conservation.International Journal of Energy Research 26:568-588.

[17] Gunnewiek LH, Nguyen S, Rosen MA. 1993. Evaluation of the Optimum Discharge Period forClosed Thermal Energy Storages Using Energy and Exergy Analyses. Solar Energy 51:39-43.

[18] Rosen, MA, Hooper FC, Barbaris LN. 1988. Exergy Analysis for the Evaluation of thePerformance of Closed Thermal Energy Storage Systems. ASME Journal of Solar EnergyEngineering 110:255-261.

[19] Rosen MA. 1992. Appropriate Thermodynamic Performance Measures for Closed Systems forThermal Energy Storage. ASME Journal of Solar Energy Engineering 114:100-105.

114

[20] Rosen MA. 1999. Second Law Analysis: Approaches and Implications. International Journal ofEnergy Research 23(5):415-429.

[21] Rosen MA, Dincer 1.1999. Thermal Storage and Exergy Analysis: the Impact of Stratification.Transactions on the CSME, 23(1B):173-186.

[22] Rosen MA, Pedinelli N, Dincer I. 1999. Energy and Exergy Analyses Cold Thermal StorageSystems. International Journal of Energy Research 23(12): 1029-1038.

[23] Rosen MA, Dincer I, Pedinelli N. 2000. Thermodynamic Performance of Ice Thermal EnergyStorage Systems. ASME Journal of Energy Ressources Technology 122(4):205-211.

[24] Kar AK, Shaahid M. 1989. Optimum Exergy Effıciencies of Solar CoUectors. InternationalJournal of Energy Research 13:405-409.

[25] Onyegegbu SO, Morhenne J. 1993.Transient Multidimensional Second Law Analysis of SolarCoUectors Subjected to Time-Varying Insolation With Diffuse Components. Solar Energy50(l):85-95.

[26] Suzuki A. 1988. A Fundamental Equation for Exergy Balance on Solar CoUectors. Trans. ASMEJournal Solar Energy Eng. 110:102-106.

[27] Kreith F, Kreider J. Principles of Solar Engineering. Hemisphere-McGraw-Hill,New York, 1978.

AçıklamaIsı toplama ünitesi yüzey alanıSabit basınçta havanın özgül ısısıDepolama ünitesi taban yüzey alanıDepolama ünitesi yan yüzey alanıÖzgül entalpi kJ/kgReferans sıcaklık ve basınçta özgül entalpiTersinmezlik hızı kJ/kgDoğrudan ışınım W/m2

Yaygın ışınım W/m2

Anlık toplam güneş ışınımı W/m2

Depolama ünitesi taban yüzeyleri için toplam ısı geçişi katsayısı W/m2 °CDepolama ünitesi yan yüzeyleri için toplam ısı geçişi katsayısı W/m2 °CKütle akış hızı kg/sIsı toplama ünitesine giren akışkan debisi m3/sIsı depolama ünitesine giren akışkan debisi m3/sIsı depolama ünitesinden çıkan akışkan debisi m3/sToplam ısı geçişi WIsı depolama ünitesine verilen ısıl güç WIsı depolama ünitesinde depolanan anlık ısıl güç WIsı depolama ünitesine verilen anlık ısıl güç W

Isı depolama ünitesinden geri kazanılan anlık ısıl güç WIsı depolama ünitesinden anlık ısıl güç kaybı WIsı depolama ünitesinin taban yüzeylerinden anlık ısıl güç kaybı WIsı depolama ünitesinin yan yüzeylerinden anlık ısıl güç kaybı WIsı toplama ünitesinden kazanılan anlık ısıl güç WÖzgül entropi kJ/kg KReferans sıcaklık basınçta özgül entropiDepolama ünitesinden çıkan akışkanın entropisi kJ/kg KDepolama ünitesine giren akışkanın entropisi kJ/kg K

115

î Zaman sT M u t l a k sıcaklık KTç Akışkanın çıkış sıcaklığı KT d D ı ş o r t a m hava sıcaklığı KTedr Etkin yaygın ış ınım sıcaklığı KTg Akışkanın giriş sıcaklığı KTo O r t a m sıcaklığı KTp Isı d e p o l a m a materyal i sıcaklığı KTr Referans sıcaklığı KTs G ü n e ş sıcaklığı KT it) Dış o r t a m hava sıcaklığı KTdç(t) Isı d e p o l a m a ünites inden çıkan akışkan sıcaklığı KTdg(t) Isı depolama ünitesine giren akışkan sıcaklığı KWı Isı toplama ünitesinde kullanılan elektrik motorunun gücü WW2 Isı geri kazanma için kullanılan elektrik motorunun gücü WW Çıkan güç veya iş kJ/sE EkserjiSd (t) Isı d e p o l a m a ünites inde depolanan anlık ekserji WE g Isı d e p o l a m a ünites ine veri len ekserji WEg (t) Isı d e p o l a m a ünites ine veri len anlık ekserji WSgk (t) Isı d e p o l a m a ünites inden geri kazanı lan anlık ekserji WEk (t) Isı d e p o l a m a ünites inden anlık ekserji kaybı WE r G ü n e ş ı ş ınımından gelen ekserji akışı W/m 2

E t (t) Isı top lama ünites inden kazanı lan anlık ekserji We Özgül ekserji kJ/kg7] Enerji etkinliği %T]d(t) Isı d e p o l a m a ünitesinin top lam enerji etkinliği %JJd(net) I s ı d e p o l a m a ünitesinin net enerji etkinliği %î]gk(t) Isı geri k a z a n m a süresince enerji etkinliği %r]t (t) Isı top lama ünitesinin toplam enerji etkinliği %T}t(net) I s ı t o p l a m a ünites inin net enerji etkinliği %PIJ Havanın yoğunluğu kg/m 3

yr Ekserji etkinliği %y/d(t) Isı d e p o l a m a ünitesinin top lam ekserji etkinliği %Wd(net) Isı d e p o l a m a ünitesinin net ekserji etkinliği %y/gk(t) Isı geri k a z a n m a süresince ekserji etkinliği %y/t (t) Isı top lama ünitesinin top lam ekserji etkinliği %ı//,(net) Isı toplama ünitesinin net ekserji etkinliği %

116

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞ ENERJİSİNDEN FAYDALANARAKDAMITIK SU ELDE EDİLMESİ

Prof.Dr. Mahmut AYDINOL

Dicle Ün. Fen-Ed. Fak. Fiz. Bölümü

ÖZET

Güneş enerjisinden faydalanarak damıtık su elde edilen bir sistem tasarlanıp denendi. Sistem birbirineparalel bağlı iki düzlem toplayıcı ve bunlara seri bağlı dört elemanlı bir silindiro-paraboloid ayna tipitoplayıcı bataryası ile su buharının yoğunlaştınldığı ısı eşanjöründen oluşmaktadır. Sistemin verimhesapları ümit vericidir.*

GİRİŞ

Daha önceleri üzerinde fazla durulmayan güneş enerjisinden faydalanarak damıtık su elde edilmesikonusunda da deneysel ve teorik çalışmalar yapılmaya başlanmıştır. Bütün bu çalışmaların ortak amacıgüneş enerjisini en verimli ve en ekonomik şekilde toplayarak, damıtma sisteminin veriminiartırmaktır (1,5 ve 8). Güneş enerjisinden faydalanan su veya başka bir sıvı için yapılmış damıtmasistemleri tek veya çok kademeli olarak iki grupta toplanabilir. Bunlardan birinci tipte olanlarda enerjibir kere kullanılıp atılır. Çok kademeli sistemlerde ise atılan enerjinin bir kısmı verimi artıracakşekilde tekrar kullanılır. Verimi artırmak amacıyla yapılacak ekler maliyeti artırır ve sisteminrandımanlı çalışmasını zorlaştırabilir (2).

Bu çalışmanın ana amacı, çok basit ve çok ucuz bir yöntemle çok sınırlı şartlar altında çalışarak,Fakültemizde gereksinilen saf su ihtiyacını karşılamak ve bu konuda kullanılan aletlerlere bağımlılığıazaltmaktır. Çalışmanın başka bir amacı da henüz Türkiye'de teorisi ve uygulaması iyi bilinmeyenodaklı toplayıcıları da Diyarbakır şartlarında yaparak kullanıp, konu ile ilgili kamuoyu oluşturmaktır.

Çalışmada, Türk Standartları Enstitüsü tarafından belirlenen özellikleri tam karşılayamayan iki düzlemtoplayıcı kullanıp bunların özellikleri verimlilikleri araştırılmıştır. İkinci safhada ise dört tane birbirineözdeş olarak kendi olanaklarımız ile imal ettiğimiz silindiro-paraboloid tipi aynalar denenip, ikidüzlem toplayıcı ile seri bağlandıklarında elde edilen sistemin özellikleri ve verimliliği araştırılmıştır.Daha sonra, bunlara eklenen eşanjör ile birlikte ortaya çıkan sistemin özellikleri gözden geçirilmiştir.Dicle Üniversitesi Araştırma Fonunca DÜAP-87-FF-no.73 numaralı proje olarak ilk üç senesindedesteklenmiştir. Bağlantı boruları bir yana, sistemin ana parçalan, iki adet düzlem, dört adetparaboloid ayna tipi toplayıcılar ile bir adet eşanjördür (Şekil. 1).

* Bu çalışma, Dicle Üniversitesi Araştırma Fonunca DÜAP-87-FF-no.73 numaralı proje olarak ilk üçsenesinde maddi olarak desteklenmiştir.

117

Şekil. 1. Sistemin ana parçalan, iki adet düzlem, dört adet paraboloid ayna tipi toplayıcılar ile bir adeteşanjör (san düşey bidon) ve bağlantı borulan..

DÜZLEM TOPLAYICILAR

Bu kısımda güneş ışınlan ile gelen enerji toplanır ve ısı enerjisi şeklinde suya aktanlır. Genel olarakçalışmasının ana prensibi sera etkisi şeklindedir. Güneye bakar şekilde yatayla 38 derecelik açıyapacak şekilde yerleştirilmişlerdir. Güneş ışınlan 3 mm lik pencere camı dış yüzeyine hemen hemendik olarak düşerek is ile siyaha boyanmış yassı bakır levhalara çarpar. İşte bu yüzeylerde ışık enerjisiısıya çevrilir. Meydana gelebilecek çok az geri yansıma ve ısı kaçışı bu levhalan örten cam tarafındanönlenir. Tıpkı, güneş altında siyah bakır levhalann, yan duvarlann sınırladığı kapalı bölgelerdesıcaklık giderek yükselir. Burada, diğer tip düzlem toplayıcılan bir yana bırakıp sadece kullandığımız'yassı levhalı (panel) tipi1 düzlem toplayıcılann incelenmesini ve özelliklerini vereceğiz. Butoplayıcılar sabit bir konumda profil ayaklar üzerine monte edilmişlerdir. Fakat istenildiğinde eğim 5dereceye kadar kolaylıkla değiştirilebilir. Güneş enerjisini toplayan pano, 10 adet 10 mm çaplı bakırborular üzerine gümüşlü bakır kaynak teli ile kaynatılmış 10x53 cm2 yüzeyli ve 0.5 mm kalınlığındaki30 adet bakır levhalardan oluşmuş ve hepsi siyaha boyanmıştır. Levhalar ve bunlarla temasta olanbakır borulann hemen altına çok ince alüminyum levha siyaha boyanarak serilmiştir. Alüminyumlevhanın altı ile tutucu kasa arasındaki arka boşluk 5 cm. kalınlığında cam yünüyle yalıtılarak ısıkayıplan azaltılmaya çalışılmıştır. Birbirine özdeş olarak yapılan iki düzlem toplayıcılardan birininboyutlan: 9x100x159 cm3 seçilmiştir. Yan duvarlar alüminyum, taban kısım ise galvanizli saç ilekapatılmıştır. Tutucu kasa perçinlerle sağlamlaştınlmıştır. Kışlan dondan zarar görmemesi içinsistemin suyu boşaltılmıştır Böylece beş yıllık bir süre içinde düzlem toplayıcıda su sızıntısı, herhangibir yerinde sıcak veya soğuktan etkilenme sonucu bozulma veya şekil değişikliği olmamıştır.

-118

Düzlem Toplayıcı Teorisi

Güneş enerjisini toplayan toplayıcıların anlık ve uzun dönem verimleri birbirinden farklıdır. Bütün biryıl boyunca toplayıcılar farklı şartlar altında çalışırlar. Sıcaklığın yüksek olduğu anlarda çok ısınır,alçak verimle çalışırlarken düşük sıcaklıklarda daha yüksek verimde çalışıp faydalı enerjiyi suyaaktarırlar. Bu nedenle toplayıcı verimini etkileyen meteorolojik parametreler ve çalışma sıcaklığınıntoplanabilecek faydalı enerjiyi ne şekilde etkilediğini iyi bilmek gerekir. Diyarbakır'da 1987, 1988 ve1989 yıllarında ölçülen aylık ortalama sıcaklıklar ile Meteoroloji Genel Müdürlüğü Bültenlerindenalınan uzun yıllar(on yıllık) sıcaklık ortalamalan (°C)olarak ve aynı yıllara ait aylık ortalama rüzgarhızları (m/sn) olarak sırasıyla Tablo. 1 ve 2 de görülmektedir(7).

Tablo.l Diyarbakır'da 1987, 1988 ve 1989 yıllannda ölçülen aylık ortalama sıcaklıklar ileMeteoroloji Genel Müdürlüğü Bültenlerinden alınan uzun yıllar(on yıllık) sıcaklık ortalamaları

(°C)olarak.Not: (1) ortalama, (2) maksimum ve (3) minimum sıcaklıklar sütunudur(7).

Aylar

Ocak

Şubat

Mart

Nisan

Mayıs

Haziran

Temmuz

Ağustos

Eylül

Ekim

Kasım

Aralık

1

2,9

5,7

4,6

12,8

20,9

26,7

31,7

29

24,6

15,4

8

4,6

1987

2

10,9

16,4

17,4

31,4

33,3

39

41,3

43,2

36,8

35,7

19,9

15

3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

-5,3

1

1,5

4,4

7,6

12,7

18,4

24,4

30,6

29,6

23,4

15,7

6

3,71

1988

2

11,4

135

18

26

31,8

36,4

40,3

40

36,4

31

19,1

15,3

3

-7,1

-5,5

-5,4

-1

5,8

11,2

14,2

14

10,8

3,4

-7,8

-18

1

1,8

2,3

9,9

17,9

21,2

27

1989

2

11,7

21,3

21,4

31,7

35,3

41

3

-15

-11

-1,4

2,1

5,2

12,5

1

1,5

3,5

8,2

13,8

19,3

25,9

31

30,4

24,9

17,3

9,9

4,2

Uzun

2

16,9

21,1

26

33

39,8

41,8

46,2

45,9

42

35,4

28,4

23,4

Yıl Ort.

3

-24

-19

-12

-6,1

0,8

6

9,1

8,4

4

-8

-13

-18

Tablo.2 Diyarbakır'da 1987-1989 da ölçülen aylık ortalama rüzgar hızlan (m/sn) ile Meteoroloji GenelMüdürlüğü Bültenlerinden rüzgar hızı ortalamalan (7).

AylarMayıs

Haziran

Temmuz

Ağustos

1987NW1,8

NW3,3

NW3,8

NW3,8

1988NW3,0

NNW 4,2

NNW 4,9

NNW4,0

1989WNW 2,6

SW3,2

SE3,2

NW3,3

Aynca düzlem toplayıcı ve yapı malzemesinin fiziksel özellikleri ile ilgili aşağıdaki verilerle; 3, 4 ve 9numaralı kaynaklardaki bilgilerden de yararlanılmıştır (3,4 ve 9):

Q u : Toplanan faydalı enerji miktan W (watt/m2 cinsinden),Toplayıcının faydalı alanı: Ac = 3.18 m 2 ,Toplayıcının yapısı: Bakır sac+bakır boru

119

Ejanjör ısı Yerimi; FR = 0.976Boru çapı: D = 20 mmBoru eksen aralığı: W = 150 mmBakırın ısı iletim katsayısı: X = 383,3 W/m °CBakır sac kalınlığı: 1.5 mmSacın yüzey kaplaması: siyah isSac yüzey yayma katsayısı ep= 0.17Sac yüzey yutma katsayısı a = 0.9Toplayıcı üst örtüsü N =1 camAlt örtü(cam yünü) kalınlığı: L = 50mmCam yünü ısı iletim katsayısı: X = 0.0407 W/mToplayıcı Eğim açısı: S = 53 °Rüzgar hızı = 3.3 m/sn( NW yönünde)Kullanılan sıvı: suSiyah bakır borunun yutma katsayısı a = 0.9Bakır boru- su( sıvı) arası film katsayısı af, = 1512 W/m/ °CBakır boru-su arası ısı geçiş katsayısı hf, = 1300kcal/m2 saat °CToplayıcı levha(plaka) sıcaklığı T p = 75 °COrtalama dış sıcaklık Ta = 30.4 °CSu debisi: G = 0.015kg/m2snSu giriş sıcaklığı Tfi = 18 °CSu çıkış sıcaklığı T ç ı k ı ş = 70 °CSuyun özgül ısısı cp = 1 kcal/kg °CEnlem = 38°

Tablo.3 D.Bakır'da yatay düzleme gelen(YYRA) ve Atmosfer öncesi(AÖRA) aylık ortalamaradyasyon değerleri(kJ/m2.gün), Güneşlenme süresi(G.S), Toprak sıcaklığı (T.S) (°C) (D.Bakır DMİ).

-2 ev

Aylar

MayısHaziranTemmuzAğustosEylül

YYRA

2086923897234482105217392

AÖRA

3952341328403273366230618

G.S(saat-dak.)

9.4512.2812.4312.5310.23

T.S(°C)(lmde)17.921.825.527.626.8

Tablo.3 den Ağustos ayı için: YYRA = 21052 kj/m2 gün ve AÖRA = 33662 kj/m2 gün denBulanıklık Faktörü(BUF) = Yeryüzü Rad. Değeri(YYRA)/Atm. Öncesi Rad. Değeri(AÖRA)BUF = 0.625 bulunur. Güneşlenme süresini yaklaşık 13 saat kabul edersek, Ağustos ayı için saat 12-13arası için YYRA = 21052/12 = 1619 kj/m2 saat veYaygın(Difüz) radyasyon ve direkt radyasyon sırasıyla;

DİF = (1.0 - 1.097BUF).YYRA = (1 - 1.09*0.625)* 1619 = 516 kj/m2 saat,DİR = YYRA - DİF = 1619 - 516 = 1103 kj/m2 saat bulunur.

Sistem, kirli beyaz renkli karo kaplı Fakültemiz balkonunda ve yerden on metre yüksekliktekurulmuştu. Bu nedenle yüzey yansıtıcılığı(YAO) %0.60 kabul edilebilir.

120

Tablo.4 Yaygın ve yansıtılmış radyasyon açı faktörüToplam Eğim Açısı

30

40

5060

DIFAF

0,97

0,880,82

0,75

YAF

0,07

0,12

0,180,25

Tablo.4 den 38° enlemi için, difüz radyasyon miktarı açı faktörü (DİFAF) = 0.80 ve yansıtılmış açıfaktörü (YAF) = 0.20 olur. Kaynak (9 velO) dan direkt radyasyon açı faktörü (DIRAF) = 2.47 dir.Eğik yüzeylerin birim alanına gelen saat başı radyasyon değeri;

HT = DİR. DİRAF + DÎF.DÎFAF + YYRA.YAO.YAF den

= 1103*2,47 + 516*0.80+1619*0.60*0.20 = 3331,5 kj/m2saat = 796 kcal/m2 saat bulunur.

Yararlı Isının Hesabı

Toplayıcı üst örtüsünün ısı geçiş katsayısı hesabı Ut;

Örtü sayısı N =1, rüzgar hızı v = 3.3 m/s için,Rüzgar için ısı kayıp katsayısı değeri; h w = (5.7 + 3.8v) = 5.7 + 3.8*3.3 = 12.54 ye eşittir.Rüzgar ve cam örtü nedeniyle oluşan güneş radyasyonu azalım katsayısı(f) de;

f = [1.0 - 0.04 hw + 5.104 (hw)2] (1 + 0.058N) = [1.0 - 0.04*3.3 + 5A0A 10.89] (1 + 0.058*1) = (0.868+ 0.54.10-2)*0.058 = 0.87*0.058 = 0.050 bulunur.

Cam örtüye ait yayma katsayısı, eg = 0.88Isı yutucu bakır levhaların yayma katsayısı ep= 0.1Ağustos ayı ortalama dış sıcaklığı Ta = 30.4 °C,Soğurucu bakır levhanın sıcaklığı Tp = 75°CStefan Boltzman sabiti değeri o = 5.67.10"8 W/m2 °C = 4.875.10"8 kcal/m2 saat °C dir.Toplayıcının toplam ısı geçiş katsayısı UL aslında iki sayının toplamı olarak;:

UL = 0.98 Ut + Ub

den bulunur(4,5,6 ve 9).Bu sayılardan Ub = k/L = 0.035/0.05 = 0.70kcal/m2 saat °C olurN = 1 tek cam için,

U,= l/{(344/Tp)[(Tp - Ta)/(l+f)]°-31} + (l/hw)} + [o(Tp + Ta)(Tp

2 + Ta

2)]

/[(EP+0,0425(1 - Ep)]-1 + ü+f)/eg] - 1

Ut ={ l/(344/75)[(75 - 30.4)/(l + (1 - 0.04(5,7 + 3,8.3,3 - S.IO

1/(5,7 + 3,33,S)Tı +[4,87.10"8(75 +30,4)(5625 + 924)] / [(0.17 - 0.0425(1 - 0.17)]"1 + {1+ [1-

0.4(5,7 + 3,3.3,8) + 5.10-4 (5,7 + 3,8 3,3)2]1,058/0.84}-1

Gerekli kısaltmalar ve aritmetik işlemler yapılarak,

J + 3,3.3,8)2 (1 + 0.058)] }0 3 1

121

Ut = 8,13 kcal/m2saat °C bulunur.UL = 0.98.8,13 + 0.70 = 8,83kcaV m2saat °C

olur. Toplayıcı bakır levhalardan(kanatlar) ve bunlar üzerine gümüş kaynakla tutturulmuş bakırboruların içinden akan suya ışın enerjisinin aktarımını düşünelim: Birbirine paralel bakır borulararasındaki bakır levhalar ile bakır boru arasındaki ısı aktarımındaki etkinliği kanat verimi olarak,

F = tanh m(W - D)/2) şeklinde verilmiştir.

Burada m = (Ui/k)ı/2 dir. Bakır levhalar(kanatlar) verimi F ve diğer fiziksel büyüklüklere bağlı olarak,toplayıcı verim katsayısı F' şu denklemle ifade edilir:

F' = (l/UL)/{ [d/(UL(D + (W - D)F) + (1/cb) + (1/ Dhfi)]}

Buradaki Cb kullanılan kaynak malzemesinin ısı geçiş direnci olup ihmal edilebilir. Bakır için ısı iletimkatsayısı k = 0.33 kcal/mm saat °C dir. hfi = 1300 kcal/m2 saat °C , Bakır boruyla bakır levhaarasındaki ısı geçiş katsayısıdır. Toplayıcı Eşanjör ısı verimi katsayısı(FR); F' değerine, kullanılan suözgül ısısı cp ve toplayıcının birim alanına düşen su debisi G(kg/m2 saat)'ne şu şekilde bağlıdır:

FR = (Gcp/UL)[1 - e -<U

L

F 7 G CP) ] = 0.97

olur. Diyarbakır'da (17.8.1989 günü saat 12.0 - 13.0 arasında) düzlem toplayıcı ile elde edilen yararlıısı; yapı özellikleri, geometrik ve meteorolojik parametrelere bağlı olarak aşağıdaki gibihesaplanmıştır.

Toplayıcı alanı (A) : 3.18 m2

Toplayıcı eşanj orü yapısı : bakır levha-bakır boruBoru çapı ve boru eksenleri aralığı : D 10 mm, W 100 mm,Bakırın ısı iletim katsayısı (k) : 0.33 kcal/mm saat °CBakır levha kalınlığı( d) : bir milimetreSiyah boyalı bakırın yayma katsayısı ep ...: 0.17Siyah boyalı bakırın yutma katsayısı a : 0.90üst örtü : bir tek 3mm kalınlığında pencere camıAlt örtü cinsi ve kalınlığı : 5 cm. cam yünüCam yününün ısı iletim katsayısı (k) : O.O35kcal/m saat°CEğim açısı : 38°Rüzgar hızı (v)(Tablo.2 den) : 3.3m/sn NW yönündeAğustos da ortalama dış sıcaklık (Ta) :30.4°C (Tablo.2den).Tablo.5 den 53° derecelik eğim açısı için Ut düzeltme katsayısı = 0.98Yalıtım malzemesi camyünü için ısı iletim katsayısı = 0.047 W/m °CToplayıcı altı ısı kayıpları için ısı geçiş katsayısı Ub = 0.7 W/m2 °C

EğimAçısı(°)£D =0.95eD=0.10

Tablo.5 Toplam351.0151.03

ısı geçiş katsayısı için40

1.011.02

451.01.0

düzeltme katsayısı50

0.990.983

550.9850.975

122

Toplayıcının toplam ısı geçişi katsayısı ise;

UL = (0.98.8.13 + 0.70) = 8.83 kcal/m2oC saat

olur. 17 Ağustosta deklinasyon açısı -23° dır. Öğle zamanı, zaman saat açısı SAA12 = 0 dir,Geliş açısı(B) = Cos"I[Cos(DK)Cos(ENL- S)CosSSA + Sin(DK)Sin(ENL-S) = 8°Geliş açısının bu değeri için geçiş katsayısı x = 0.76 olarak bulunur.Yutma katsayısı içinde düzeltme katsayısı gereklidir. = 8° lik geliş açısı için D =1 alınabilir. an = 0.9olarak verilmiştir. 8° lik geliş açısının yutma katsayısı;

(a) = Don=l*0.9 = 0.9N= 1 ve pd = 0.24 için; Geçiş yutma katsayısı (xa);

(xa) = ( t a )/[l - (1 - a) pd ] = 0.9 ve tek camlı toplayıcılar için (xa ort)/( ta )n = 0.96 değerikullanılabilir. Eğik düzlem toplayıcının birim yüzeyine Ağustos ayında saat 12-13 arası için gelenradyasyon değeri,HT = 796 kcal/m2 saat veH T (ta) = 796*0.7 = 557 kcal/m2 saatolarak bulunur. Toplayıc yüzeyi A = 3.18m2 olduğundan, toplayıcıya gelen miktar içindeHT(T(X ) = 557*3.18 = 1772 kcal/saat

bulunur. Verilen özelliklere göre eşanjör ısı verimi katsayısı FR = 0.976 dır.UL = 8.83 kcal/m2 °C saat

Hesaplanmıştı. Yararlı ısı;Qu = ACFR [HT(TC0 - UL(Tfi - Ta)] = 3,18*0.97*[557 - 8,83*(18 - 30.4)] = 996 kcal/saat

bulunur.Toplayıcılarda toplanan Qu enerjisi, belirli bir debi ile toplayıcıdan geçirilen suya da iletilir.Qu = mc s (T ç -T g )

İstenilen su miktarı ve toplayıcı çıkışı su sıcaklığı bu bağıntı yardımıyla hesaplanır. Örneğin, çıkış susıcaklığı 70°C isteniyorsa, bu düzlem toplayıcılarla bir saatte ısıtılan su miktarı: tg = 18°C ise;msu = Qu /cs(Tç - Tg) = 996000/1 *(70-18) = 19153 gram/saat

olur.Bu denklemin içerdiği büyüklüklerin anlamlan ise :T g : Toplayıcıya giren suyun sıcaklığı (°C)T ç : Toplayıcıdan su çıkış sıcaklığı(°C)c: özgül ısı, m:kütle.

DÜZLEM TOPLAYICININ VERİMİ

Toplayıcının verimi de toplanan enerji miktarının toplam alana gelen güneş enerjisi miktarına oranıolarak tanımlayabiliriz: enemenin yapıldığı saat için anlık verim;

n = QU/Ht= 996/1772 = 0.56

olur. akışkanın toplayıcıya giriş sıcaklığını kullanabilmek için Whillier tarafından yeni bir FR terimiparametresi tanımlanmıştır(4). Buna göre:

123

Qu = F R H t (Ta) e -U L (t g -t a t )Tj = F r(Ta) e-F rUL(t s-t a t)/H t

bir doğru denklemi şeklini alır. Burada, (tg - tat)/Ht bağımsız ve r\ de bağımlı değişken olarakdüşünülürse; FrUL doğrunun eğimine ve Fr(xa) de doğrunun r\ eksenini kestiği noktadaki verimindeğerine eşit olur. Şekil.2de tek camlı düzlem toplayıcının teorik verim eğrisi görülmektedir(3,4)

0.8

0.6

0.4

0.2

i

\

\

\

\

\

•

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 (ts-tat)/Ht

Şekil.3 Tek camlı, düzlem toplayıcılar için verim eğrisi.

Denenen toplayıcıya ait verim değeri Whillier'in bu teorik grafiği ile uyuşmaktadır (4).

ODAKLI TOPLAYICILAR

Aslında az yoğun bir enerji olarak yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinin, yutucu yüzey üzerine düşenmiktarını, optik sistemler kullanarak yoğunlaştırmak mümkündür. Güneş enerjisini çok amaçlıkullanabilmek için, güneş ışınlarını belirli bir yerde odaklayıp toplayabilen odaklı toplayıcılar(incekenarlı mercek, çukur ayna, kırıcı, yansıtıcı gibi) kullanmak gerekir. Güneşten gelen enerjininodaklanması ile daha az bir toplayıcı(yutucu) alanına ihtiyaç duyulur. Çevresine göre çok sıcak olacakolan bu alanın küçülmesi ile de ısı kayıpları azalır. Böylece odaklı toplayıcılar kullanarak, düzlemtoplayıcılar ile erişilemeyen sıcaklıklara erişmek mümkündür. Ancak ısı kayıplannın azalması avantajıyanında, odaklı toplayıcılarda, düzlem toplayıcılarda görülmeyen iki çeşit dezavantaj belirginleşir.Bunlardan birincisi, kullanılan yoğunlaştırma sisteminin veriminden ötürü meydana gelen optik kayıp,diğeri ise odaklı toplayıcılann sadece güneşten direkt olarak üzerlerine gelen enerjiyi kullanabilmeözelliğinden dolayı olan kayıptır. Oysa, düzlem toplayıcılar direkt ışıma ile birlikte, yansıma vekınlmalarla çevrede saçılmış bulunan 'yaygın radyasyon' adı da verilen enerjiyi belirli oranlardafaydalı enerjiye çevirebilirler. Kapalı ve bulutlu havalarda düzlem toplayıcılann belirli bir miktardaenerjiyi tutabilmelerine rağmen, odaklı toplayıcılar direkt ışımanın bulut gibi bir engelle kesilmesisonucu enerji üretemezler. Sadece direkt ışımadan faydalanabilme özelliği odaklı toplayıcılann

124

maliyetini artıran en önemli faktörlerden biridir. Çünkü, toplayıcının verimini yüksek tutmak için,güneşin gün boyunca hareketini odaklı toplayıcıların takip etmesi gereklidir. Bu nedenle kullanılacak,gerekli toplayıcıyı güneşe doğru yönlendirip döndürme mekanizması, maliyeti artırıcı bir unsurdur.Odaklı toplayıcıları yansıtıcı yüzeylerinin düzlem toplayıcılarınla ile birlikte genellikle aynı eğimlitutulması ve birbirlerine yakın monte edilmeleri büyük avantaj sağlar. Odaklı toplayıcı tek bir aynaveya mercekten olabileceği gibi birkaç ayna veya mercekten de oluşabilir. Odaklı toplayıcılar dakullanılan aynalar düzlem, silindirik, parabolik, silindiro-paraboloid, konik veya çukur (yarı küresel)olabilir. Her ayna birçok parçadan oluşabildiği gibi tek bir parçadan ibaret de olabilir. Yansıtıcı yüzeyolarak parlatılmış metaller; alüminyum, paslanmaz çelik, kalaylanmış bakır levhalar, paslanmaz çinkove gümüş levhalar kullanılabilir. Odaklayıcı aynanın geometrisine göre odaklama, bir noktada, bireksenel doğru boyunca veya bir eğri boyunca, ya da bir düzlem üzerine olur. Odaklı toplayıcılar henüzTürkiye'de ticari amaçla yapılmamaktadır. Bu çalışmada 4 adet (paraboloid tip) silindiro-paraboloidaynalar kullanılmıştır. Kısaca bu tip aynaların ve odak noktalarından geçen is ile boyanmış borularınoluşturduğu düzeneğe SP- toplayıcılar adını vereceğiz(Şekil.l).

Silindiro-Paraboloid Toplayıcılar

Toplayıcının toplam ayna kısmı için, boyutları 0.04x100x100 cm3 olan nikelajlı, dört adet paslanmazçelik levha ayrı ayrı kullanılarak dört adet toplayıcı yapılmıştır. Metal saçtan yapılan bir örnek açıklıkrehberi(mastar) parça ile aynaların değişik noktalarında açıklıkları kontrol edilerek özdeşliksağlanmıştır. Her bir aynanın etrafına iki milimetre kalınlığında yirmilik lama demirle aynalarıneğriliğini sabitleştirici çerçeveler yapılmıştır. Ayna başına üç tane olan bu çerçeveler, aynaların anasehpaya montajını kolaylaştırdığı gibi odaklarından geçen bakır boruların ayarlı tutucu ayaklan ile debirleştirilmiştir. Her bir aynanın iç kısmında ayarlandığında o aynanın geometrik odağı ileçakıştınlabilen ısı yutucu birer bakır boru vardır. Bu bakır borular siyah boyalı olup, dış çapı 25 mm.ve boylan da yüzer santimetredir. Borulan her iki uçlanndaki ortası yank ayaklar üzerinde kaydırarak,ait olduğu ayna gövdesine göre hareket ettirip, aynanın geometrik odak ekseni ile çakıştırmakmümkündür. Bu ayarlama işi bir tornavida ile veya pense ile yapılabilir. Aynadan yansıyan güneşışınlan da bu eksen ile çakıştınlınca göz alıcı çok parlak bir odak çizgisini bakır boru üzerinde tutmakmümkündür. Böylece ayna yardımı ile toplanan ışın enerjisinin bakır boru içinden geçen su tarafındanyutulması sağlanır. Dört paraboloid aynanın bir araya gelmesi ile oluşan ayna grubu, otuzluk profildenyapılı, kuzey-güney doğrultusunda 38° meyilli tutucu bir sehpa üzerine yerleştirilmiştir. SP-toplayıcılara ait borulann girişi düzlem toplayıcılardan gelen ve kısmen ısınmış sulan taşıyan suborulanna bağlıdır. Dört bakır borunun üst taraftaki çıkış uçlan da oluşan buharlan toplayıpgörebilmek için ortak bir boruya bağlanmıştır. Ortak boru istenildiğinde cam boru ile değiştirilebilir.Bu borunun diğer ucu yoğunlaştmcı girişine bağlanmıştır. SP toplayıcılara belirli bir sıcaklıkta giren

| suyun buharlaşma miktan, SP toplayıcılan yardımı ile suya aktanlan faydalı enerji ile doğru1 orantılıdır. Sistemle ilgili Şekil. 1 de SP- toplayıcılann konumu ve giriş çıkış bağlantılan

görülmektedir.I

\ Silindiro-Parababoloid Toplayıcılarda Isısısal Analiz

J1 SP- toplayıcılarda enerji dengesini belirlemek için temel ısı prensiplerine dayalı olarak toplayıcı! sisteminde oluşan önemli ısı akışlannın hepsini hesaplamak gerekir. Örneğin, ışın yutucu içinden\ ısıtılacak sıvı geçen borulara ya da aynanın üzerini örten saydam maddeyle ilgili akışlann hepsi ısı' denge denkleminde bir araya getirilir. Isı yutucu bakır borulann yüzeyi Ar bir birim esas alınarak

aşağıdaki makro ölçekli ısı akışlan analize dahil edilmelidir:

1.Direkt veya indirekt yollardan yutucuya gelerek yutulan güneş ışınlan:qb.r

125

2.Direlct veya indirekt yollardan ayna örtüsüne ulaşıp(yutucu bakır borulardan yansıdıktan sonra)yutulan radyasyon:qt,.a

3.Difüz radyasyonun yutucu tarafından yutulması:qd.r

4.Difüz radyasyonun ayna örtüsünce yutulması:qd.a

5.Kırmızı ötesi dalga boylu radyasyonla yutucu ile örtü arasında oluşan ısı alış-verişi:qi.r

ö.Yutucu ile çevresi arasında oluşan ısı alış-verişi:qc,7.Yutucu ile örtü arasındaki konvektif değişim:qcra

8.Ayna örtüsünden çevreye dışarı doğru konvektif kayıp:qce

9.Ayna sisteminden alınan faydalı ısı enerjisi:qu

Özel izolasyon maddeleri kullanılarak yutucudan ve ayna gövdesinden çevreye doğru olan ısı kayıplarıminimum kılınabilir. Böylece kaba bir yaklaşımla yapılan analizde yukarıda sayılan dokuz ısı akışınınbazıları ihmal edilebilir. Bu ısı akışlarıyla ilgili bağıntılar sırası ile aşağıda verilmiştir:

qb.r = I b,c-Ta(İ) pm " d r( 1 + p r a

2" pr pa)(Aa/Ar) (1)

qt,a = I b.c[aa(i) + xa(i)pm 2n p ra J(Aa/A r) (2)

qd.r = I d , c x a p m

n a r * (3)

q d.a = Id,c aa(Aa/Ar) (4)

qi.r = 6ef f a(T r

4 -T a

4 ) (5)

q Çev = sa,ir a (Ta

4 - T ç e v

4 )( Aa/Ar) (6)

ç.ra = h ç , r a ( T r - T a ) (7)

ç.e = h ç , e (T a -T a ) )(A a /A r ) (8)

Ib.c: aynaya düşen ışın demeti radyasyonu,Id.c: aynaya düşen yaygın ışın radyasyonu,(i): ayna üzerine ışın düşüş açısı,T ç e v . : etkin çevre sıcaklığı,hçe ve hç,ra: konveksiyon katsayıları,a r ve a a: yutucu ve örtü için yutuculuk katsayıları,Pr, pa: yutucu ve örtü için yansıtıcılık katsayıları,

eeff=(er"ı + ea"1-1)"1

da örtünün etkin geçirgenliğidir. Buradaki aa(i) ve xa (i) örtünün absorpsiyonu ve geçirgenliği olup,direkt güneş ışınlan için Stokes denkleminden hesaplanmış ve geliş açısına bağlıdırlar. Yukarıdaki birqbr, üç qd.r ve dokuz numaralı qu ısı akışları dışındaki, diğerleri çok küçük olduğundan ihmal edersek,SP-toplayıcılardaki yutucu borular için kararlı enerji korunum denklemi:örtülü durumda:qbr + qd.r = qU + q c,ra + qir (9)

ve örtüyü de kaldırırsak, yani örtüsüz durumda faydalı enerji;

126

1

q u = qbr + qd.r (10)

olur. m = dm/dt ısı yutucu boru içinden geçen sıvı akış hızı olmak üzere; ısı yutucu boru içinden geçensıvı için, (h0 ve hj entalpi olmak üzere) enerji taşınım denklemi de

ho - hj = (qu Ar )/(dm/dt) (11)

olur. SP- toplayıcının herhangi bir andaki verimi r\, î

r| = toplayıcıdan alınan faydalı enerji / toplayıcı üzerine düşen toplam radyasyon

T1 = quA I/Aa(Ib.c + Id.c) (12)

yutucunun birim yüzeyi başına kazanılan faydalı enerji;

qu = [CR x.(i)I b,c + xa(i) I d,c ] Pm" a r - Uc(Tr -T.) (13)

SP- TOPLAYICILARIN ANLIK VERİMLERİNİN BELİRLENMESİ '•

SP-toplayıcılann ani verimi için, daha basit olarak;

Ani verim = x]c = qu A,/Ic Aa = GCp(Tçlkış - Tgiriş)/Ic (14)

bağıntısını kullanabiliriz: Burada,

G: kg/sn.m2 toplayıcının birim yüzeyi başına birim zamanda toplayıcı borularından ısı emerek geçen

su kütlesi akış hızı, •Ac: m2 cinsinden toplayıcı yüzey alanı, f.Ar :m

2 cinsinden ısı yutucu borunun yüzeyiIc: W/m2 saat cinsinden toplayıcıya gelen toplam güneş radyasyon enerjisic p : J/kg. °K cinsinden suyun özgül ısısılann Anlık verimlerinin Belirlenmesi

ve Tginş °K cinsinden suyun giriş ve çıkış sıcaklıklarıdır.

Kullanılan SP- toplayıcılardan birinin ışın kabul etme açıklık alanı Aa = 62*100 = 6200 cm2 ve odakçizgilerinde ışın yutan siyah bakır borunun yüzeyi;

A r= 2OT.L = 2*3.14*1.25*100 = 785 cm2 dir.

Buna göre konsantrasyon oranı CR = AJAT = 6200/785 = 7.89 dir. Ağustos ayında, uzun yıllar günlükgüneş radyasyonu ortalaması 5100 kcal/m2 gün dür. 38° eğimli bir m lik yüzey için günlük direkt veyaygın radyasyon miktarı 5100 +2040 = 7140 kcal/m2 gün olur. Bir gün boyunca güneşradyasyonunun alınabildiği süre 12 saat kadardır. Eğik yüzeye bir saatte gelen toplam radyasyon Ir =

| 7140/12 = 595 kcal/m2 saat olur. Test esnasında, SP-toplayıcılarda kısa süreler için, örneğin 5-6I dakika, odaklanmayı yutucu borular üzerinde tutmak mümkün olmaktadır. Bu nedenle, altı dakikada1 toplayıcıdan yutucuya aktanlan ısıyı anlık verim hesabına dahil etmeliyiz. SP- toplayıcılann toplam1 ayna yüzeyi 4*10000 = 40000 cm2 olup ancak bunun Ac = 24800 cm2 olan kısmına gelen radyasyon

127

= 147.5 kcal olur. Bu süre içerisinde toplanan distile su miktarı m = 110 gram dır. Bunagöre,

Ani verim = nc = qu Ar/Ic A a= [mc(Tgiriş - Tçıkiş) + m L)]Ar/Ic Aa

= (110*1*30 + 110*540)*3140/147500*24800 = 0.167

dır. Burada, SP-toplayıcı çıkışı ile ejanjör arası bağlantı borulanndaki kayıp ihmal edilmiştir.

Bu çalışmada ancak çok kısa süreler için SP- toplayıcılar için verimlilik veya etkinlik değeri eldeedilmiştir. Bu durum tüm sistemin uzun süreler için verimlilik çalışmalarını zorlamaktadır. Odaklıtoplayıcıların dezavantajlanndan biri kendilerine doğru gelen yaygın enerjinin çok azınıtoplamalarıdır. Bu özellik, odaklı toplayıcıların etkin kullanımlarında coğrafık sınırlamaları belirlemekiçin önemli bir kriterdir. Odaklı toplayıcıların hepsinde olduğu gibi SP- Odaklı toplayıcılar içindeoptiksel ve termodinamiksel limitler vardır. İyi bir modelleme de bu sınırlamalar da göz önündebulundurulmalıdır. Yaklaşık olarak sadece düzlem ve SP-Odaklı toplayıcıların verimini hesaba katarakoluşan sistemin verimliliği %9 kadardır:

"sistem = "düzlem * "odaklı = 0.56*0.167 = 0.09 OİUr.

Teşekkür:Bu çalışma için olanak sağlayan, Dicle Üniversitesi Araştırma Fonu yetkililerine ve düzlemtoplayıcılar konusunda yardım aldığım, Dicle Üniversitesi Müh. Mim. Fakültesi Öğr.Gör.Dr. ZekiArgunhan'a teşekkür ederim.

KAYNAKLAR

1. Dağsöz Alpin Kemal, Güneş Enerjisinden Yararlanma, B1.3, İTÜ Matbaası, Gümüşsuyu-İstanbul,1978.

2. Cooper P.I.,SolarDistillation-State of the Art and Future Prospects, First Arab International SolarEnergy Conference, Kuwait, Aralık-1983, Pergamon Press,1984.

3. Kreith F., Kreider J.F., Principles of Solar Engineering, McGrawhill,1978.4. Duffıe J.A.,Beckman W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, Bölüm:7 ve 8, J.Wiley Sons

Inc., 1980.5.Yamankaradeniz Recep, Güneş Enerjisi Kaynaklı Isı Pompasının Deneysel Olarak İncelenmesi,

Mühendis ve Makine, Cilt.28, Sayı.327, 16-21,1987.6. Güneş Kollektörlü Su Isıtıclan I, Teknik Uygulama (TMMOB) Makine Mühendisleri Odası

Yayını), sayı.9, 3-5, 1987.7. Ortalama ve Ekstrem Kıymetler Meteoroloji Bülteni, Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü,

Bakanlıklar,Ankara, 1988. (Türkiye Işınım Değerleri Bilgi Bankası Bülteni, Elektrik İşleri Etütİdaresi, Ankara, 1984.)

8. Balkaya M.Emin, M.K.E. Kurumu Fabrikalarında Güneş Enerjisinden Faydalanarak Buhar Üretimive Enerji Tasarrufu İçin Yapılan Çalışmalar, Enerji Sempozyumu Tebliğler Kitabı, sayfa.450 ve486, Mayıs-1985, Anadolu Üniversitesi, Eskişehir, 1985.

9. Argunhan Zeki, Yüksek Lisans Tezi, Güneş Enerjisi ile Konutlarda Isıtma ve Sıcak Su SağlamaTasarımı, Fen Bilimleri Enstitüsü, Harran Üniversitesi 1997, Ş. Urfa.

128