T.C.

GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ

MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ

ENSTİTÜSÜ

GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI

DEPOLAMA SİSTEMİNİN

TERMODİNAMİK MODELİ VE

ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI

BÜŞRA ALTINTAŞ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

KİMYA MÜHENDİSLİĞİ

GEBZE

2012

T.C.

GEBZE YÜKSEK TEKNOLOJİ ENSTİTÜSÜ

MÜHENDİSLİK VE FEN BİLİMLERİ

ENSTİTÜSÜ

GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI

DEPOLAMA SİSTEMİNİN

TERMODİNAMİK MODELİ VE

ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI

BÜŞRA ALTINTAŞ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

KİMYA MÜHENDİSLİĞİ

DANIŞMANI

PROF. DR. MAHMUT BAYRAMOĞLU

GEBZE

2012

I

ÖZET

TEZ BAŞLIĞI: GÜNEŞ ENERJİSİ DESTEKLİ ISI

DEPOLAMA SİSTEMİNİN TERMODİNAMİK MODELİ

VE ENDÜSTRİYEL UYGULAMALARI

YAZAR ADI: BÜŞRA ALTINTAŞ

Yoğun bir şekilde kullanılmakta olan fosil enerji kaynaklarının giderek

azalması, atmosferik sera gazlarının konsantrasyonlarının hızla yükselmesi sonucu

global iklim değişikliğinin ciddi bir sorun haline gelmesi rüzgar, güneş gibi temiz

enerji kaynaklarının kullanımını ön plana çıkarmaktadır.

Tezin genel amacı, güneş enerjinin etkin kullanılmasını sağlamak üzere faz

değişim maddeleri (PCM) ile gizli ısı halinde depolanma yöntemlerinin araştırılması,

sistemin tasarım modelinin geliştirilmesi bir bilgisayar programı yazıldı.

Program,yılın günü ve küresel koordinatların fonksiyonu olarak anlık güneş enerjisi

hesaplayan model, düzlemsel güneş kolektör modeli ve ısı depolama tankı

modelinden oluşmaktadır. Bu program vasıtasıyla, İstanbul ilinin meteorolojik

koşullarına ve koordinatlarına bağlı olarak simülasyon programı yazıldı ve sistemin

ısıl enerji depolama performansı araştırıldı. Bu amaçla literatürde önerilen değişik

anorganik ve organik maddelerin arasından faz dönüşüm (erime) sıcaklıkları 30-60 C

arasında olan 25 adeti seçildi, bunların erime sıcaklığı, gizli erime ısısı, sıvı ve katı

fazın yoğunluk ,özgül ısı ve ısıl iletkenlik katsayılarından oluşan termodinamik veri

paketi bilgisayar programında kullanıldı, bu özelliklerin değişik ısıl enerji depolama

başarı ölçütlerine olan etkileri incelendi.

II

SUMMARY

THESIS TITLE: THERMODYNAMIC MODEL AND

INDUSTRIAL APPLICATIONS OF THE SYSTEM OF

THERMAL STORAGE WITH SOLAR ENERGY

SUPPORTED

THESIS AUTHOR: BÜŞRA ALTINTAŞ

Rapidly decreasing supply of fossil energy sources and global climate

changes because of rapidly rising atmospheric greenhouse gas concentrations as

became a serious problem, brought about the subject of clean energy sources like

wind and sun.

The main purpose of this thesis was to investigate the latent thermal storage

methods with phase change materials (PCMs) for using solar energy effectively and

to develop a design model of the system. A computer program was coded for this

purpose. Computer program has been built on three models, one model calculating

instant solar energy based on the day of the year and global coordinates, planar solar

collector model and heat storage tank model. With the computer program, simulation

studies were conducted based on Istanbul’s meteorological conditions and global

coordinates to investigate the thermal energy storage performance of the system.

With this purpose, 25 of the suggested organic and inorganic substances which have

melting temperatures within 30 to 60 °C, have been chosen from the literature.

Thermodynamic data package consisting of melting temperatures, latent melting

heats and densities, specific heats and thermal conductivity coefficients of liquid and

solid forms of these selected substances was used in computer program and the

effects of these properties on the different thermal heat storage success rates were

investigated.

III

TEŞEKKÜR

Bu tez çalışmasında bana yol gösteren ve çalışma boyunca hiçbir desteğini

esirgemeyen danışman hocam Sayın Prof. Dr. Mahmut BAYRAMOĞLU’na

teşekkürlerimi sunarım.

Yine bu çalışmada bana yardım ve desteklerini esirgemeyen arkadaşım, Arş. Gör.

Ömür ARAS ‘a çok teşekkür ederim.

Ayrıca bu çalışma boyunca sürekli özveride bulunan ve çalışabilmem için gerekli

ortamın oluşması için elinden geleni yapan sevgili aileme çok teşekkür ederim.

Büşra ALTINTAŞ

Mart 2012

IV

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET I

SUMMARY

TEŞEKKÜR

II

III

İÇİNDEKİLER DİZİNİ IV

SİMGELER VE KISALTMALAR DİZİNİ VII

ŞEKİLLER DİZİNİ X

TABLOLAR DİZİNİ XIII

1.GİRİŞ 1

1.1. GÜNEŞ 2

1.1.1. Güneşten Gelen Enerji 5

1.1.2. Güneş Işınları Dağılımı 6

1.2. GÜNEŞ SABİTİ 7

1.3. YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI VE GÜNEŞ ENERJİSİ

8

2.TEORİK KISIM 12

2.1. GÜNEŞ ENERJİSİ NEDİR? 12

2.1.1 Teknik gelişmelerle güneş enerjisinin geçmişi 13

2.1.2 Güneş enerjisinin geleceği 16

2.1.3 21. Yüzyılda güneş enerjisinin önemi 17

2.1.4 Türkiye’nin güneş enerjisi potansiyeli 19

2.1.5 Güneş enerjisinden yararlanan sistemler 21

2.1.5.1. Isıl Uygulamalar 22

2.1.5.2 Fotovoltaik Sistemler 23

2.1.6 Güneş enerjisinin kullanım alanları 24

2.2. GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEPOLANMASI 25

2.2.1 GENEL 25

2.2.1.1 Kimyasal Enerji Depolama 25

2.2.1.2. Mekanik Enerji Depolama 26

2.2.1.3. Elektrik Enerjisi Depolama 26

V

2.2.2 ISIL ENERJİ DEPOLAMASI 26

2.2.3 HİSSEDİLİR ISI DEPOLANMASI 27

2.2.3.1. Su ile Isıl Enerji Depolaması 28

2.2.3.2 Çakıl Taşlarıyla Isıl Enerji Depolanması 29

2.2.4 GİZLİ ISI DEPOLAMASI 32

2.3.GÜNEŞ AÇILARI VE ATMOSFER DIŞINDA GÜNEŞ IŞINIMI 41

2.3.1. GÜNEŞ AÇILARI 41

2.3.1.1. Esas Güneş Açıları 42

2.3.1.2. Türetilen Güneş Açıları 44

2.3.1.3. Eğik Yüzeyin Açıları 46

2.3.2. İKLİM PARAMETRELERİ 54

2.4. GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ 57

2.4.1. GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE İLGİLİ TANIMLAR 57

2.4.2. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ 60

2.4.3. VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ 70

2.4.4. HAVALI GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ 71

2.5. GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ ISIL ANALİZİ 72

2.5.1. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN ISIL

ANALİZİ

72

2.5.1.1. Kolektörün Toplam Isı Kayıp Katsayısı 74

2.5.1.2. Kolektör Kanat Verimi 75

2.5.1.3. Kolektör Verim Faktörü 76

2.5.1.4. Kolektör Isı Kazanç Faktörü ve Akış Faktörü 77

2.5.1.5. Kolektör Yutucu Yüzeyden Geçen Faydalı Enerji 77

2.5.1.6. Akışkanın Kolektörden Çıkış Sıcaklığı 77

2.5.1.7. Kolektör Anlık Verimi

78

3. MATEMATİKSEL MODELLEME 80

3.1. GÜNEŞ AÇILARININ HESAPLANMASI 80

3.2. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLEKTÖRÜ DİZAYNI 83

3.3. DEPONUN MODELLENMESİ

3.3.1. Analitik formülasyon

3.3.1.1 Kürenin katılaşması

84

84

84

VI

3.3.1.2 Kürenin erimesi

87

4. BULGULAR VE TARTIŞMA 88

4.1 PERFORMANS ÖLÇÜTLERİ ÜZERİNE PCM ÖZELLİKLERİNİN

ETKİLERİ 90

4.1.1 Volumetrik ısı kapasitesinin etkisi 90

4.1.2 Gizli erime ısısının etkisi 94

4.1.3 Erime sıcaklığının etkisi 98

4.2 UYGUN KOLEKTÖR ALANININ SEÇİLMESİ 102

4.2.1 Kolektör alanının etkisi 103

4.2.2 Erime sıcaklığının etkisi 105

4.3 UYGUN ÇAPIN SEÇİLMESİ

109

5. SONUÇ

111

KAYNAKLAR

ÖZGEÇMİŞ

113

115

EKLER 116

EK 1 116

EK 2 117

VII

SİMGELER DİZİNİ

Ф : Enlem açısı

δ : Deklinasyon açısı

: Eğim

: Yüzey azimut açısı

: Saat açısı

: Güneş geliş açısı

: Zenit açısı

: Güneş yükseklik açısı

: Güneş azimut açısı

: Güneş sabiti; W/

: Güneş batış saat açısı

: Atmosfer dışında yatay yüzeye bir gün boyunca gelen güneş ışınımı

H : Aylık ortalama günlük güneş ışınımı

: Aylık ortalama güneşlenme süresi

N : Aylık ortalama gün uzunluğu

: Yatay yüzeye gelen difüz güneş ışınımı

: Yatay yüzeye bir saatte gelen toplam güneş ışınımı

: Difüz güneş ışınımı

: Saatlik bulutluluk faktörü

: Atmosfer dışına bir saatte gelen güneş ışınımı

: Eğik yüzeye bir günde gelen güneş ışınımı

R : Eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye gelen toplam

güneş ışınımına oranıdır

: Yerin yansıtma oranı, ortalama 0,2 mertebesindedir

: Eğik düzlemin eğimi.

: Yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme gelen direkt

güneş ışınımına oranıdır

: Eğik yüzeye herhangi bir anda gelen toplam güneş ışınımı

: Yatay düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme bir

anda gelen direkt güneş ışınımına oranıdır

N : Cam örtü sayısı

: Kolektör eğim açısı

VIII

: Kolektör alanı ( )

: Alt yalıtım malzemesinin kalınlığı; (m)

h : Kolektörün yan kenar yüksekliği; (m)

: Yan izolasyon kalınlığı; (m)

W : Boru merkezleri arası uzaklık (m)

: Boru iç çapı (m)

D : Boru dış çapı (m)

: Levha kalınlığı (m)

: Yutucu plakanın kalınlığı; (m)

: Yutucu plakanın genişliği (m)

S : Güneş kolektörü tarafından yutulan güneş ışınımı; (W/ )

I : Toplayıcı üzerine gelen güneş ışınımı

: Güneş doğuş saat açısı

: Güneş batış saat açısı

: Düzlemsel güneş kolektöründen elde edilen yararlı ısı; (J/s)

Ortalama yutucu yüzey sıcaklığı; (K)

m : Güneş kolektörünün borularında dolaşan akışkanın debisi; (kg/s)

: Akışkanın kolektöre giriş sıcaklığı; (K)

: Akışkanın kolektörden çıkış sıcaklığı; (K)

: Çevre sıcaklığı; (K)

: Rüzgar hızı; (m/s)

: Kolektör verim faktörü

: Kolektör ısı kazanç faktörü

: Kolektör anlık verimi

:

ϒ :

R :

P :

Re :

Θ :

Pr :

Boyutsuz hız

Boyutsuz zaman

Radyal yön boyunca boyutsuz koordinat

Boyutsuz basınç

Reynold number

HTF’nin boyutsuz sıcaklığı

Prandtl sayısı

Tm:

T :

Erime sıcaklığı (°K)

Sıcaklık (°K)

IX

:

χ :

:

α :

𝝵 :

χf :

α f :

Giriş sıcaklığı (°K)

Boyutsuz entalpi

HTF’nin kinematik viskozitesi ( /s)

Konvektif ısı transfer katsayısı (W/ K)

Uzaysal değişken (m)

HTF’nin ısıl iletkenliği (W/mK)

HTF’nin ısı yayınımı ( /s)

H :

:

:

q :

Hacim entalpisi(j/m3)

Katı PCM’nin yoğunluğu (kg/m3)

Katı PCM’nin özgül ısısı (j/kgK)

Gizli ısı kapasitesi(J/kg)

Sf : Stefan numarası

X

ŞEKİLLER DİZİNİ

Şekil Sayfa

1.1 Güneşin yapısı 4

1.2 Güneş ışınları dağılımı 6

1.3 Dünya Güneş ilişkisi 7

2.1 Belidor Güneş pompası 14

2.2 Güneş enerjisinden faydalanma şekilleri 21

2.3 Enerji Dengesi 29

2.4 Gök küre üzerinde önemli güneş açıları 42

2.5 Yatay koordinat sisteminde türetilen Güneş açıları 45

2.6

2.7

Eğik yüzey açıları

Eğik düzleme güneş ışınlarının ilk gelişi ve son düşüşü

47

48

2.8 Farklı kolektör tiplerinin uygulama alanları ve çalışma parametreleri 58

2.9 Düzlemsel ve vakum tüplü güneş kolektörlerinde güneş ışınımının

izlediği yol

58

2.10 Kolektör yüzeyine gelen güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak

dağılımı

59

2.11 Farklı güneş kolektörlerinde geliş açısı düzeltme faktörünün

değişimi

59

2.12 Farklı kolektörler için alan tanımları 60

2.13 Düzlemsel Güneş kolektörü 60

2.14 Düzlemsel plakanın bölümleri 61

2.15 İki farklı kırılma indisine sahip bir yüzeyde gelen, yansıyan ve geçen

ışın arasındaki ilişkisi

63

2.16 Yutucu olmayan örtüde geçirgenlik 64

2.17 Kırılma indisi 1,526 olan 1,2,3 ve 4 katlı cam örtüde geçirgenliğinin

güneş ışınımının geliş açısı ile değişimi

64

2.18 Işınımın normal geliş açısında 6 mm kalınlığında farklı oranlarda

demir oksit içeren camların geçirgenliğinin dalga boyuna göre

değişimi

65

2.19 Yutucu yüzeye gelen ışınım yutulması ve yansıması 67

2.20 Düzlemsel Güneş kolektöründe optik ve ısıl kayıplar 73

XI

2.21 Kolektör kanat kesiti 75

2.22 Optik ve ısıl kayıpların kolektör verimine etkisi 78

2.23 Kolektör veriminin Güneş ışınımı ile değişimi 79

3.1

4.1

4.2

4.3

4.4

4.5

4.6

4.7

4.8

4.9

4.10

4.11

4.12

4.13

4.14

4.15

4.16

4.17

4.18

4.19

Dairesel kapsüllü PCM’nin katılaşma alanı

Panel verimi ile I parametresi arasındaki ilişki

Paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile I

parametresi arasındaki ilişki

Isı depolama ortalama hızı ile I parametresi arasındaki ilişki

Tankın enerji depolama kapasitesi ile I parametresi arasındaki ilişki

PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile I parametresi

arasındaki ilişki

PCM ‘nin kürelerde ortalama erime oranı ile I parametresi arasındaki

ilişki

Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile I parametresi

arasındaki ilişki

Panel verimi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki

Paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile gizli

erime ısısı arasındaki ilişki

Isı depolama ortalama hızı ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki

Tankın enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki

PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı

arasındaki ilişki

PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı oranı ile gizli erime ısısı

arasındaki ilişki

Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile gizli erime ısısı

arasındaki ilişki

Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime

sıcaklığı arasındaki ilişki

Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Tankın enerji depolama kapasitesi ile gizli erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı

85

90

90

91

91

92

92

93

94

94

95

95

96

96

97

98

98

99

99

XII

4.20

4.21

4.22

4.23

4.24

4.25

4.26

4.27

4.28

4.29

4.30

4.31

4.32

arasındaki ilişki

PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile erime sıcaklığı

arasındaki ilişki

Isı depolama ortalama hızı ile alan arasındaki ilişki

Tankın enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki

PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki

Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranı ile alan arasındaki

ilişki

Alan ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Panelde absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime

sıcaklığı arasındaki ilişki

Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Tankın enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı

arasındaki ilişki

Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranı ile erime sıcaklığı

arasındaki ilişki

100

100

101

103

104

105

105

106

106

107

107

108

108

109

XIII

TABLOLAR DİZİNİ

Tablo Sayfa

1.1 Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli 10

2.1 Türkiye’nin toplam Güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı 20

2.2 Türkiye’nin yıllık toplam Güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre

dağılımı

20

2.3 Bazı maddelerin 20⁰C’deki ısıl özellikleri 27-28

2.4 Düşük sıcaklıkta faz değiştiren bazı maddeler 33

2.5 İnorganik maddeler 34-37

2.6 Organik maddeler 38-39

2.7 Ticari maddeler 39-40

2.8 Isı depolama için organik ve inorganik maddelerin karşılaştırılması 41

2.9 Deklinasyon açısının ölçülen ve hesaplanan değerleri 43

2.10 Aylık ortalama deklinasyon açısını veren günler 44

2.11 Eğik düzleme Güneş’in ilk geliş ve son düşüş saat açıları 49

4.1 Bazı inorganik ve organik maddelerin termofiziksel özellikleri 88

4.2 PCM ile maddelerinin enerji depolama performans göstergeleri 89

4.3 Farklı alanların performans ölçütlerine etkisi 102

4.4

4.5

4.6

PCM’nin kürelerde %100 erimenin gerçekleştiği andaki verileri

Yağ asitlerinin birim alan başına enerji depolama kapasitesi

Capric acid ve kalsiyum klorür hekza hidratın çap değişikleri sonucu

elde edilen veriler

103

110

110

1

1.GİRİŞ

Termodinamikte enerji, “bir tesir meydana getirebilme kapasitesi, kabiliyeti”

olarak tarif edilir. Enerji maddenin bir özelliğidir ve madde enerjiye sahiptir. Günlük

hayatımızda “enerji” terimi ile genellikle enerjinin geçebilen şekilleri olan iş ve ısı

kastedilmektedir.

İnsanlar önce ısınmak için enerjiye ihtiyaç duymuşlardır, sonra da teknolojinin

gelişmesi ile enerjiye olan ihtiyaçları artmıştır ve artmaktadır. Isınma için ihtiyacımız

olan ısı enerjisi genellikle çeşitli yakacakların yakılması neticesinde kimyasal

enerjiden elde edilir. Teknolojinin ihtiyacı olan ısı enerjisinin temini de benzer

şekildedir. Isı enerjisinden termodinamiğin ikinci kanununa göre ancak belirli bir

verimle mekanik enerji elde edilebilir. Nakil ve kullanma kolaylığı sebebiyle

mekanik enerji elektrik enerjisine ve sonrada kullanılacak maksada göre diğer enerji

şekillerine (başta mekanik enerji, ısı, kimyasal) dönüştürülür. Bu arada ısı enerjisinin

ve kimyasal enerjinin direkt elektrik enerjisine dönüştürüldüğü makineler

(termoelektrik jeneratör, yakıt hücresi, v.s.) da yapılmakta ve geliştirilmelerine

çalışılmaktadır. Enerji şekillerinden birinin diğerine dönüştürülmesinde kullanma

kolaylığı yanında depolama özelliği de göz önüne alınır. Birinin diğerine

dönüştürülmesi tersinmezlik ve kayıplar sebebiyle belli bir verimle

gerçekleştirilebilirler.

Enerji üretimi ve tüketimi, çağımızda milletlerin refah seviyesini gösteren bir

ölçü olmuştur ve ekonomik gelişme enerji tüketimiyle aşağı yukarı orantılı olarak

değişmektedir. 1976 da Amerika Birleşik Devletleri’nde kişi başına tüketilen enerji

11,5 TET (Ton Eşdeğer Taşkömürü- 7 kcal) iken, bu miktar, Kanada’da 10.0,

Belçika, İsveç ve Batı Almanya’da 6.0, İngiltere, Norveç, Sovyetler Birliği ve

Polonya’da 5.3, İsviçre ve İtalya’da 3.3, İspanya ve Yunanistan’da 2.2, Türkiye ve

Suriye’de 0.74, Pakistan’da 0.2 ve Nijerya, Bengaldeş, Etopya ve Mali gibi ülkelerde

0.01 den daha azdır.

İnsanların kullandığı enerji kaynağı teknolojik gelişmelere göre değişmiştir.

Önceleri, enerji kaynağı olarak sadece odun ve benzeri yakacaklar kullanılırken,

uzun süre sonra kömür ve yakın tarihte de petrol tabii gaz bulunup kullanılmaya

başlanmıştır. Günümüzde insanlığın ihtiyacı olan enerji çoğunlukla yakacaklardan,

2

hidroelektrik enerjiden ve çok küçük bir payı da nükleer enerjiden temin

edilmektedir.

Enerji kaynakları, üretildiği miktarlar göz önüne alınarak, “birincil (alışılmış)

enerji kaynakları” ve “ikincil (alışılmamış) enerji kaynakları olarak iki grupta

incelenmektedir. Ayrıca potansiyeli mevcut olan ve teknolojik güçlükler sebebiyle

yeni faydalanılabilen enerji kaynaklarına “yeni” ve eksilmeyen kaynaklara da

“yenilenebilir” enerji kaynakları denilmektedir. Alışılmış enerji kaynakları, fosil

kaynaklar (kömür, petrol, vs…), hidroelektrik enerji ve nükleer enerji, alışılmamış

enerji kaynakları ise güneş enerjisi, jeotermal enerji, gel-git enerjisi, dalga enerjisi,

rüzgar enerjisi, fizyon enerjisi vs… dir.

Dünyada tüketilen enerjinin %90’nına yakını fosil kaynaklardan temin

edilmektedir. Fosil kaynaklar içerisinde de en çok kullanılanı petroldür. Yapılan

tahminlere göre fosil yakacaklar, bugünkü oranda kullanılmaya devam edilirse, yakın

gelecekte tükenmeye başlayacaktır. Dünya hidrolik potansiyelinin sadece %3

kadarından faydalanılmasına rağmen hidrolik santrallerin ilk tesis masrafları fazladır

ve yapımı için uzun gerekmektedir. Nükleer enerjinin üretilen toplam enerjiye katkısı

son yıllarda artmaya başlamıştır. Birim enerji maliyeti düşüktür, ancak yakıtın temin

edilebilme ve nükleer radyasyon problemleri mevcuttur.

Türkiye’nin enerji ihtiyacının büyük kısmı, halen, petrolle karşılanmaktadır.

Tahminlere göre enerji açığı her geçen yıl artmaktadır. Bu sebeple de, bir taraftan

enerji tasarrufuna gidilirken, diğer taraftan yenilenebilir enerji kaynaklarına

yönelinecektir.

1.1 GÜNEŞ

Güneş, kendisini oluşturan maddelerin birbirlerini çekmeleri sonucu

oluşmuştur. Evrensel toz bulutlarındaki parçacıkların birbirlerini kütle çekimiyle

çekmesi sonucu oluşan yoğuşma ile birbirlerine doğru yaklaşan ve yaklaşırken de

hızlanan parçacıklar, kütle çekim enerjisini kinetik (hız) enerjiye dönüştürerek güneş

sıcaklığının (15-16 milyon ⁰C) artmasına yol açmıştır. Bu sıcaklıklardaki çekirdeksel

tepkimeler sonucu oluşan ışınımların ortaya çıktığı basınç, güneşin daha fazla

yoğunlaşarak çökmesini engellemiş ve güneşin bugünkü boyutlarını

oluşturmuştur(8).

3

Güneş, 1,39 m çapında yoğun sıcak gazlar içeren bir küredir ve

dünyadan ortalama 1,5 m uzaklıktadır. Güneş her dört haftada bir kez kendi

ekseninde döner. Ancak katı bir cisim gibi dönmez; ekvatorda yaklaşık 27 gün ve

kutuplarda yaklaşık 30 gün sürer.

Yüzey sıcaklığı 5777 K’dir. Bu sıcaklık merkeze doğru iç kısımlarda 8 K

ile 40 K arasında tahmin edilir ve yoğunluğu yaklaşık suyun 100 katından fazla

olduğu tahmin edilir. Güneşten gelen radyan enerji çeşitli füzyon reaksiyonlara

uğramaktadır. Güneşteki yüksek sıcaklıktan dolayı elektronlar atom çekirdeklerine

ayrılır. Bu sebeple, güneşte serbest elektron ve atom çekirdekleri bulunur. Dört

hidrojen çekirdeği birleşerek, bir helyum çekirdeğini oluşturur. Füzyon adı verilen bu

reaksiyon çok yüksek sıcaklıkta oluşur. Güneşte oluşan helyum miktarı, harcanan

hidrojen miktarından daha azdır. Aradaki fark güneş ışınımı ile oluşan enerjiyi verir.

Bu enerji çeşitli dalga boylarında ışınlar halinde dünyaya ulaşır. Güneşten dünyaya

ışınlar 32⁰ açı ile gelir.

Birçok milyon derece sıcaklığında olan güneş kürenin iç kısmında üretilen

enerji dış yüzeye transfer edilmeli ve ondan sonrada uzay içine yayılmalıdır.

Arkasından emisyon, yeniden ışıma ve absorpsiyon ile ışınım ve taşınım süreci

meydana gelir; güneşin çekirdeğindeki radyasyon büyük radyal mesafelerde sıcaklık

düşer gibi artan radyasyon dalga boyları ile, x-ray ve spektrumun gama ışını

bölümünden oluşmaktadır.

4

Şekil 1.1 Güneşin yapısı (Solar Engineering of Thermal Processes, John A. Duffıe,

William A. Beckman)

Güneşin şematik yapısı Şekil 1.1’de gösterilmektedir. Güneşin kütlesinin

%40’ını içeren 0 ile 0,23 R bölgelerinde üretilen enerjinin %90 olduğu tahmin

edilmektedir (burada R güneşin yarıçapıdır). Merkezden 0,7 R uzaklığında sıcaklık

130,000 K’e yoğunluk ise 70 kg/ ’e düşmüştür, burada konveksiyon proses önemli

olmaya başlar ve 0,7 ile 1,0 R bölgesi arası konvektif bölge olarak bilinir. Bu

bölgede sıcaklık 5000 K’e yoğunluk ise kg/ ’e düşer.

Güneşin yüzeyinde 3000 ile 1000 km boyutları arasında granüller (düzensiz

konveksiyon hücreleri) oluşur gibi görünür. Güneş yüzeyinin diğer özellikleri

konvektif hücrelerle büyüklükleri aynı olan, gözenek olarak adlandırılan küçük

karanlık bölgeler ve boyutları değişebilen, güneş lekeleri olarak adlandırılan büyük

koyu alanlar vardır. Konvektif bölgenin dış katmanı fotosfer olarak adlandırılır.

Fotosfer kenarı düşük yoğunlukta olsa bile kesin bir şekilde tanımlanır. O aslında

kuvvetle iyonize olan, absorblayabilen ve sürekli radyasyon yayan gazlar gibi

saydam değildir (yani şeffaf olmayan ışık geçirmeyen).

5

Fotosferin dışında güneş daha az saydamdır, güneş tutulmasını yada gerekli

ekipmanlarla güneş diskini incelemek mümkündür. Fotosferin üstünde birkaç yüz

kilometre derinde geri tabaka (reversing layer) diye adlandırılan soğutucu bir gaz

tabakası vardır. Bu tabaka dışında ise yaklaşık 10,000 km derinlikte kromosfer olarak

adlandırılan bir katman vardır. Kromosfer, fotosferden biraz yüksek sıcaklığa ama

düşük yoğunluğa sahip bir gaz tabakasıdır. Daha da dışarısı korona tabakasıdır. Bu

tabaka çok düşük yoğunluk ve çok yüksek sıcaklığa ( K) sahiptir (9).

1.1.1 Güneşten Gelen Enerji

Dünyaya çarpan güneş gücünün büyüklüğünü algılayabilmek için bazı

karşılaştırmalar yapılabilir; insanlığın yıllık ticari gereksiniminin güç Güneş enerjisi

uygulamalarına ilişkin bilimsel çalışmalar arasında, güneş pillerinin geliştirilmesi

önemli bir yer kapsamaktadır. Bunun yanında, güneş-ısı dönüşümlerinde toplaç

tasarımları ve seçici yüzeyler üzerinde de çalışmalar sürdürülmektedir. Yapılan

çalışmalar, genelde, güneş enerjisinin daha verimli dönüştürümüne yönelik yöntem,

tasarım ve malzeme geliştirme çalışmaları olarak sürmektedir. Günümüzde Güneş

teknolojisi genç bir teknolojidir ve gelişme çağına hızla sürdürerek olgunluk çağına

doğru ilerlemektedir.

Güneş enerjisinin türevleri olan rüzgar, okyanus dalgaları, okyanus sıcaklık-

farkı, biokütle uygulamaları da göz önüne alındığında, bu alanlardaki gelişmelerin de

hızla ilerlediği görülmektedir.

Endüstri devrimi ile enerji tüketiminin durağan olmaktan çıkıp, devingen

özyapı kazanmasından sonra, tabanında teknik-teknolojik gelişimlerin yer aldığı beş

ekonomik dalgalanma görülmüştür. Her ekonomik dalgalanmada başat olan bir enerji

kaynağı vardır. 1750 – 1825 yılları arasındaki birinci dalganın enerji kaynağı

kömürdür. 1825 – 1860 dönemini kapsayan ikinci dalgada elektrik enerjisi yer alır.

1860 – 1910 yılları arasında üçüncü dalga petrolü ortaya çıkarmıştır. 1910 – 1970

dönemi arasında teknik ve ekonomik dalgada yeni kaynak nükleer enerjidir.

21. yüzyılın neresinde son bulacağı henüz kestirilmeyen yeni bir teknik-

ekonomik dalga içindeyiz. Yeni dalganın oluşumunda Güneş enerjisi ve onun

türevleri yer almaktadır. Bu dalgalanmanın dünya enerji bütçesini ne denli

6

değiştireceğini 21. Yüzyıl gösterecektir. Kısacası, Güneşli parlak bir Dünyaya doğru

yürüyoruz. Bu aşamada önemli olan, teknolojik gelişmeleri geri kalmaksızın

izleyebilmektir.

Gelecek için yeryüzü güneş santrallerinden başka, uzaya yerleştirilecek toplaç

uydusu ve dünya bağlantılı güneş santralleri kurulması amaçlanmaktadır. Dünyadan

36 000 km uzaklıkta ve 10 000 MW güçlü bir uzay santralinden üretilecek elektrik

enerjisi, santralin 1 km çaplı anteninden mikrodalgalarla dünyaya iletilecek,

dünyadaki 7 kim çaplı bir anten bu enerjiyi % 55 – 75 verimle alıp, doğru akım

verebilecektir. Bu proje Amerika Apollo uzay programında yer almıştır. Karşılığı

şimdilik 11 TW kadardır. Güneşten gelen güç, bu istemin 16 000 katından çoktur.

Dünyanın kurulu elektrik santrallerinin toplam gücü 2,9 TW olup Güneşten gelen

gücün 61 000 de birinden azdır. Tartışılan nükleer santrallerin dünyadaki kurulu

güçleri toplamı 0,4 TW’a yakındır. Güneşten gelen güç bu nükleer gücün 527 000

katıdır.

1.1.2 Güneş Işınları Dağılımı

Şekil 1.2 Güneş ışınları dağılımı

Güneşin enerjisi uzaya ve gezegenlere elektromanyetik dalga da denilen

ışınımlar olarak yayılır. Güneşten gelen ışınımların spektrumu üç ana bölgeden

oluşur. Dalga boyu 0,4 (mikro-metre) den küçük olan morüstü (ultraviyole)

kesimin güneş ışınımındaki payı % 9 dur. Dalga boyu 0,4 ile 0,7 arasındaki

bölge görünür ışıktır. Görünür ışık, güneş ışınımı içinde % 45 yer kapsar. Dalga

boyu 0,7 den büyük olan kızılaltı (infrared) bölgenin payı ise % 46 dır. Dalga

boyu açısından bakıldığından Güneş, 6 000 K sıcaklıkta ışınım yayan bir kara –

cisim gibidir.

7

Dünya’nın havaküresinin (atmosferin) üzerine ulaşan güneş ışınımı akısı, bir

başka değişle güneş sabiti 1367 W/ dir. Yeryüzüne ulaşan en fazla (maksimum)

güneş ışınımı akısı ise 0,3 – 2,5 dalga boyları arasında 1000 W/ kadardır.

Dünyanın yaşanılabilir alanlarına gelen güneş enerjisi yere, zamana ve iklime bağlı

olarak 3 – 30 MJ/ arasında değişir. Güneş enerjisi, güneş toplaçlarıyla

(kolektör) toplanır. Yaklaşık bir ev çatısına eşit 100 alanlı toplaç 70 kW’ lık güç

kaynağı demektir ki, bu kolektörden bir günde sağlanabilecek yararlı enerji, %40

verimle 180 kW- saat ya da 55 litre petrol eşdeğeridir.

1.2 GÜNEŞ SABİTİ

Şekil 1.3 Dünya Güneş ilişkisi

Şekil 1.3’de güneş ve dünya ilişkisi şematik olarak gösterilmektedir. Dünyanın

yörüngesinden dolayı güneş ve dünya arasındaki mesafede %1,7 oranında değişir.

Astronomik birimlere göre Dünya Güneş arası mesafe yaklaşık 1,495 m ve

güneş açısı 32’ dir. Güneşin yaydığı radyasyon ve dünyanın atmosfer dışındaki güneş

radyasyonu, dünyanın uzayla ilişkisi sonucu neredeyse aynıdır. Güneş sabiti, ,

atmosfer dışındaki ortalama dünya güneş arasındaki mesafede, radyasyon yayılım

yönüne dik, birim yüzey alanda alınan güneş enerjisidir.

Roket ve uzay araçlarından önce, atmosferin bileşenleri tarafından dağılan ve

emilen güneş radyasyonu atmosferde yayıldıktan sonra, güneş sabiti tahminleri

yapılırdı. Yüksek dağlardan yapılan karasal ölçümlerdeki değerlendirmeler, güneş

spektrumunun çeşitli bölümlerindeki atmosferik iletimlerin tahminlerine dayanır.

Öncü çalışmalar C.G Abbot ve onun arkadaşı Smithsonian Institution tarafından

yapıldı. Bu çalışmalar ve roketlerden sonraki ölçümler Johson (1954) tarafından

8

özetlenmiştir; Abbot’un 1322 W/ olan güneş sabiti değeri Johnson tarafından 1395

W/ olarak değiştirildi.

Çok yükseğe ulaşabilen uçak, balon ve uzay aracı ile dünyanın atmosferinin

tümünün veya dışındaki güneş radyasyonun ölçülmesine doğrudan izin verildi. Bu

ölçümler çeşitli dokuz ayrı deneysel programlarla yapıldı. %1,5 lik bir hatayla güneş

sabitinin değerini 1353 W/ olarak hesapladılar. Bu deneyleri tartışmak için

Thekaekara(1976) ve Drummond (1971) gördü. Bu standart değer NASA(1971)

tarafından ve American Society of Testing and Materials tarafından kabul edildi.

1353 W/ olan bu değer Frohlich (1977) tarafından tekrar incelendi ve

mutlak radyometre ile enstrümanların karşılaştırmalarına dayanan yeni bir

pyrheliometrik ölçeğe indirgendi. Nimbus ve Mariner’in uydudan verileri de analize

dahil edilmiştir ve 1978’den itibaren Frohlich, güneş sabiti ( ) için %1,2’lik bir

hatayla 1378 W/ olan yeni bir değer önermiştir. Bu değer önceki %1,5 luk

hatadan daha az bir hataya sahip olduğu için spektral ölçüm entegrasyonuyla güneş

sabitinin en iyi belirlenmiş değeri olarak kabul edildi. Uzay araçlarının ölçümlerine

ek olarak güneş sabiti değerini Hickey 1373 W/ ve Willson 1368 W/ olarak

raporlama yaptı. Üç roket uçağından alınan ölçümlere göre Duncan tarafından güneş

sabiti 1367, 1372 ve 1374 W/ olarak raporladı. Dünya Radyosyon Merkezi (WRC

World Radiation Center) güneş sabitini %1 lik bir hatayla 1367 W/ olarak kabul

etmiştir.

1.3 YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI VE GÜNEŞ

ENERJİSİ

Yenilenebilir enerji kaynakları (güneş, hidroelektrik, biyomas, rüzgar, okyanus

ve jeotermal) tükenmeyen ve konvansiyonel enerji kaynaklarından çevreye en az

zarar veren kaynaklardır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının her biri çeşitli

uygulamalar için özel avantajlara sahiptir. Bu kaynakların hiçbiri işlemleri boyunca

ne sıvı ne de gaz olarak kirlilik oluşturmazlar. Yenilenebilir enerji kaynaklarının bir

diğer önemli yanı, yeni iş alanları yaratmasıdır.(5)

Yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi, ülkelerin potansiyeline göre değişir.

Gel-git enerjisinden, gel-git olayının sık rastlandığı Fransa, A.B.D. , Kanada ve

9

Avustralya gibi ülkelerde yararlanılırken, jeotermal enerji uygulamaları İzlanda,

Yeni Zelanda, A.B.D. Japonya ve Sovyetler Birliği’nde mevcuttur. Türkiye’de de

jeotermal enerjiden faydalanılmaya başlanmıştır. Türkiye, daha çok, ısıtma (konut,

sera, v.s.) için uygun olan 100 C civarında sıcak su elde edilebilecek jeotermal enerji

potansiyeli bakımından zengindir. Rüzgar enerjisinden faydalanabilme için yoğun

çalışmalar yapılmasına rağmen henüz diğer enerji türlerine göre daha pahalıdır.

Elektrik enerjisi üretiminde rüzgar hızının 3 m/s den daha büyük olması istenir ve

zemine yakın mesafelerde çevrintili estiğinden, genellikle 10-100 m yükseklikten

esen rüzgarlardan yararlanılır. Türkiye’de ortalama rüzgar hızı 1.7 m/s ile 5.1 m/s

arasındadır ve rüzgar enerjisi bakımından fakir sayılmasına rağmen zenginde

sayılmamakta ve dünya rüzgar enerji kuşağının dışında kalmaktadır. Dalga

enerjisinden çok az ülkede faydalanılmaktadır. Biyogaz enerjisi ise küçük çaptaki

enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmektedir. Gerek dalga enerjisi için, gerekse biyogaz

enerjisi için uygun bölgeler sınırlıdır. Kuşkusuz yenilenebilir enerji kaynakları

içerisinde en güncel olanı ve en çok uygulama alanı bulunan güneş enerjisidir.

Güneş dünyamıza ve diğer gezegenlere enerji veren sonsuz denebilecek güce

sahip tek enerji kaynağıdır. Canlılar yaşamlarını güneşe borçludurlar. Bitkiler canlı

doku üretmek için güneş ışınımından faydalanır. Kömür, petrol, su potansiyeli,

rüzgar v.s. güneş ışınımının maddeler üzerindeki fiziksel ve kimyasal etkisinden

meydana gelir. Termonükleer bir reaktör olan güneşin birim alalından birim zamanda

çeşitli dalga boylarında 62 MW/ enerji yayılmakta ve güneşin bütün yüzeyinden

yayılan enerjinin sadece iki milyarda biri yeryüzüne gelmektedir. Buna rağmen bir

yıl boyunca yeryüzüne gelen enerji, dünya enerji tüketiminin milyonlarca katıdır.

Güneş ışınımının yeryüzüne dağılımı ülkelere göre büyük farklılık

göstermektedir. Yeryüzünde birim düzleme gelen ortalama güneş ışınımı şiddeti 0-

1000 W/ arasında değişir. Türkiye’nin bir bölümü de güneş kuşağı adı verilen

bölgede bulunmaktadır ve güneş enerjisi bakımından orta zenginliktedir.

Türkiye yenilenebilir enerji kaynakları bakımından bol ve kapsamlı kaynağa sahiptir.

Yenilenebilir enerji üretim miktarları toplam enerji ihtiyacının yaklaşık %14,4’ü

kadardır. Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli Tablo 1.1’ de verilmiştir.

10

Tablo 1.1 Türkiye’nin yenilenebilir enerji potansiyeli.(6)

Türkiye, dünyadaki jeotermal ısı kullanımı ve kaplıca uygulamalarında, Çin,

Japonya, ABD ve İzlanda’nın ardından 5. Sırada gelmektedir. Termal kapasitesi

3173 MW, muhtemel potansiyeli ise 31500 MW dolayındadır(6). Türkiye’deki

jeotermal enerji kullanımı; şehir, konut, termal tesis, sera vb. uygulamalardaki

toplam 665 MW’lık 61 000 konut eşdeğeri merkezi ısıtma ve 327 MW’lık 195 adet

kaplıca kullanımı olmak üzere, toplam 992 MW doğrudan ısı kullanımı ve 17,5

MW’lık elektrik üretimi şeklindedir(7).

Türkiye, 36 -42⁰ N enlemleri arasında yer alan coğrafi konumuyla, güneş

kuşağı ( ) içerisinde bulunmaktadır. Yüzeyine yılda düşen güneş enerjisi miktarı

kWh değerindedir. Teknik potansiyeli 500 MTEP/yıl, ekonomik

potansiyeli ise 25 MTEP/yıl olarak tahmin edilmektedir. Güneş enerjisinden

toplayıcılar vasıtasıyla ısı üretiminde önde gelen ülkeler arasındadır. Ancak bu

potansiyel, elektrik üretiminde henüz kullanılmamaktadır.(7)

Türkiye’nin rüzgar enerjisi açısından yaklaşık 400 milyar kWh/yıl brüt ve 120

milyar kWh/yıl teknik potansiyele sahip olduğu tahmin edilmektedir. Halen, Çeşme,

Çeşme Alaçatı ve Çanakkale-Bozcaada’da kurulu toplam 19 MW gücünde 3 adet

rüzgar türbini çiftliği bulunmaktadır. 2002 yılı sonu itibariyle Türkiye’de rüzgar

enerjisinden elektrik üretimine yönelik yapılan başvuru sayısı 62 olup, bunların

toplam kurulu gücü yaklaşık 1,8 GW’dır.(7)

Türkiye’de biyokütle enerjisinin kullanımı, ağırlıklı olarak klasik yöntemlerle

gerçekleştirilmektedir. Modern yöntemlerin bu alandaki payının artırılmasına

çalışılmaktadır.

11

Türkiye’nin teknik olarak değerlendirilebilir hidrolik enerji potansiyeli 216

milyar kWh’dir. Bunun 126 milyar kWh’ı ekonomik olarak değerlendirilebilir

durumdadır (6). Bu potansiyelin %35’i değerlendirilmiştir. 2001 yılı sonu itibariyle

elektrik enerjisi kurulu gücünün %41’ini (12241 MW) hidrolik enerji

oluşturmaktadır. 2002 yılı uzun dönem elektrik planlama çalışması sonuçlarına göre,

2020 yılında hidrolik enerji potansiyelinin %90’dan fazlasının değerlendirilmesi

beklenmektedir(7).

Güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda avantajı mevcuttur:

Her şeyden önce, bol ve tükenmeyen tek enerji kaynağı güneştir.

Temiz enerji türüdür; çevreyi kirletici, duman, gaz, karbonmonoksit, kükürt

ve radyasyon gibi artıkları yoktur.

Yerel uygulamalar için elverişlidir. Enerjiye ihtiyaç duyulan, hemen hemen

her yerde güneş enerjisinden yararlanmak mümkündür: Bir çakmağın, bir

saatin, bir hesap makinesinin veya bir deniz fenerinin, bir orman gözetleme

kulesinin enerji ihtiyacı yerinde karşılanabilir.

Dışa bağlı olmadığından, doğabilecek ekonomik bunalımdan bağımsızdır.

Birçok uygulaması için karmaşık teknolojiye gerek duyulmamaktadır.

İşletme masrafları çok azdır.

Güneş enerjisinin yukarıda belirtilen üstünlüklerine rağmen günümüzde

uygulamalarının az oluşunun sebepleri vardır:

Birim düzleme gelen güneş ışınımı az olduğundan büyük yüzeylere ihtiyaç

olmaktadır.

Güneş ışınımı sürekli olmadığından depolama gerekmektedir. Depolama

imkanları sınırlıdır.

Enerji ihtiyacının fazla olduğu kış aylarında güneş ışınımı az ve geceleri de

hiç yoktur.

Güneş ışınımından faydalanan sistemin güneş ışığını sürekli alabilmesi için

çevresinin açık olması, gölgelenmemesi gerekir.

Güneş ışınımından yararlanılan birçok tesisatın ilk yatırım masrafları

fazladır ve hali hazırda ekonomik değildir.

Günümüzde, özellikle petrol fiyatlarının çok hızlı artması, güneş enerjisini

gittikçe cazip kılmakta ve güneş enerjisinden yararlanan sistemlerin sayısı her geçen

gün artmaktadır.

12

2.TEORİK KISIM

2.1 GÜNEŞ ENERJİSİ NEDİR?

Güneş ve çevresinde dolanan gezegenlerden oluşan güneş sistemi dünya için,

temel bir enerji kaynağıdır. Özellikle, dünyada yaşayan canlılar için vazgeçilmez bir

kaynaktır. Bugün kullanılan çeşitli enerji kaynaklarının büyük kısmı, güneşin sebep

olduğu olaylar sonucu ortaya çıkar. Günlük güneş enerjisi ile dünya

aydınlatılabilmekte; yağışlar ile su döngüsü sağlanabilmekte ve en önemlisi de,

fotosentez ile canlı yaşam sürdürülebilmektir. Hayati önemdeki bu yıldızın

endüstriyel manada enerji üretimi de mümkündür.

Güneş yarıçapı 700.000 km (dünya yarıçapının yaklaşık 109 katı), kütlesi

2×1030 kg (dünya kütlesinin yaklaşık 330.000 katı) olan bir yıldızdır. Güneş kendi

ekseni çevresinde dönmektedir. Bu dönüş, güneş ekvator bölgesinde 24 günde, kutup

bölgelerinde de 30 günde olmaktadır. Güneşin merkezinde, temelde hidrojen

çekirdeklerinin kaynaşmasıyla füzyon reaksiyonu meydana gelir. Güneşin

merkezinde ve yaklaşık 15-16 milyon derecedir. Güneşin yaklaşık %90’ı hidrojendir.

Güneşin korunda hidrojen çekirdekleri füzyon yaparak helyum çekirdekleri

oluşmakta ve bu tepkimeler sonucu büyük bir enerji ortaya çıkmaktadır. Güneşin

toplam ışıması 3,8x1026 J/sn olduğundan, güneşte bir saniyede yaklaşık 600 milyon

ton proton, yani hidrojen tüketilmektedir.

Bu sayı ilk bakışta ürkütücü gibi gelse de, güneşin kütlesi ve bu kütlenin

%90’ına yakın kısmının protonlar olduğu düşünülürse, güneşteki hidrojen yakıtının

tüketilmesi için daha, yaklaşık 5 milyar yıllık bir süre olduğu ortaya çıkar. Bu

yönüyle güneş, insanlık için tükenmez bir enerji kaynağıdır. Dünyaya ulaşan güneş

enerjisi, güneşin daha serin (yaklaşık 6000K) ve birkaç yüz kilometrelik dar bir

bölgesinden gelmektedir. Bu bölge, düşük yoğunlukta (yaklaşık deniz yüzeyindeki

hava yoğunluğunun 10-4 katı) iyonlanmış gazlardan oluşur ve görünür ışığı pek

geçirmeyen bir bölgedir. Bu bölgedeki atomlar, sıcaklıklarıyla orantılı olarak ışıma

yaparlar ve böylece bu bölgenin ışımasına yol açarlar.

13

Dünya, güneşten yaklaşık 150 milyon km. uzakta bulunmaktadır. Dünya hem

kendi çevresinde dönmekte, hem de güneş çevresinde eliptik bir yörüngede

dönmektedir. Bu yönüyle, dünyaya güneşten gelen enerji hem günlük olarak

değişmekte, hem de yıl boyunca değişmektedir. İlave olarak, Dünyanın kendi

çevresindeki dönüş ekseni, güneş çevresindeki dolanma yörüngesi düzlemiyle 23.5º

lik bir açı yaptığından, yeryüzüne düşen güneş şiddeti yörünge boyunca (yıl

boyunca) değişmekte ve mevsimler de böylece oluşmaktadır.

Dünyaya, güneşten saniyede, yaklaşık 4×1026 J’lük enerji, ışınımlarla

gelmektedir. Güneşin saldığı toplam enerji göz önüne alındığında bu çok küçük bir

kesirdir; ancak bu tutar Dünyada insanoğlunun bugün için kullandığı toplam

enerjinin 15-16 bin katıdır. Dünyaya gelen güneş enerjisi çeşitli dalga boylarındaki

ışınımlardan oluşur ve güneş-dünya arasını yaklaşık 8 dakikada aşarak dünyaya

ulaşır.(ışınımlar saniyede 300.000 km’lik bir hızla, yani ışık hızıyla yol alırlar)

Dünyanın dışına, yani havakürenin (atmosfer) dışına güneş ışınlarına dik bir

metrekare alana gelen güneş enerjisi, Güneş Değişmesi (S) olarak adlandırılır ve

bunun değeri S=1373 W/ dir. Bu değer, tanım gereği, yıl boyunca değişmez

alınabilir. Çünkü her zaman, gelen güneş ışınlarına dik yüzey göz önüne alınmalıdır.

Ancak, dünyanın güneş çevresindeki yörüngesi bir çember olmayıp bir elips

olduğundan, yıl boyunca bu değerde %3,3’lük bir değişim söz konusudur. Yeryüzüne

bu enerjinin soğurma ve yansıma olaylarından dolayı 832 W/ ’lik kısmı ulaşır.

2.1.1 Teknik gelişmelerle güneş enerjisinin geçmişi

İlk insanlar güneşi doğaüstü görerek, ona tapmışlardır. Güneş, mitolojilerde

yaşam tanrısı adını alır. Eski mısır tanrısı Ra Güneşti. Hintliler Güneş tanrıçası

Arinna, Japonların güneş tanrıçası Amarasu’dur. Eski Yunanistan’da da Güneş, tanrı

olarak kabul edilmiştir, buna Helious-Apollo denilmişti. Helios-Apollo parlaklık ve

ısının simgesi idi. M.ÖM 714 – 671 arasında yaşayan Roma imparatoru Numa

Pomplius zamanında, konik metalik kaplarla odaklandırılmış Güneş ışınımına ateş

tanrıçasının kutsal ateşi diye bakılıyordu. Günümüzdeki bazı inanışlarda -örneğin

Japonya’da olduğu gibi- Güneşe kutsal yer verilir. M.Ö. 212’de Yunanlı fizikçi

Archimed, aynalarla odaklandığı Güneş ışınları ile 30 – 40 m uzaklıktan Romalıların

14

gemilerini yakarak, Siraküza savunmasının başarıya ulaşmasını sağladığı söylenir.

Bu olay, Güneş enerjisinin bilinen en eski teknik uygulamasıdır. Güneş enerjisi

konusundaki çalışmalar 1600 yılında Galile’nin merceği bulmasıyla artmıştır. İlk

defa Fransa’da, 1725 de, Belidor tarafından güneş enerjisi ile çalışan bir pompa

yapılmıştır. Belidor güneş pompasında, gündüzleri Şekil 2.1’de görülen kap içindeki

hava ısınarak genişlemekte bunun sonucu suya bir kuvvet uygulanmakta, tek yollu A

valfı açılarak, su depoya dolmaktadır. Kap geceleri soğuduğu veya gündüzleri

soğutulduğu zaman, kap içindeki basınç atmosfer basıncının altına düşmekte be B

valfı açılmakta su kaba dolmaktadır.

Şekil 2.1 Belidor Güneş pompası

M.S. ki uygulamalara baktığımızda bunların 17. yüzyıldan sonra giderek

arttığını görürüz Fizikçi A. Kircher’in (1601-1680) Archimed’in yakıcı aynalar

işleminin odun yığınlarını tutuşturarak deneysel biçimde kanıtlaması, güneş enerjisi

için yeni bir başlangıç noktası oldu 18. yüzyılın sonlarına dek yakıcı aynalar ve

mercekler ile metalleri ergitmeye dek uzanan pek çok deney görülmüştür.1744’ de

Joseph Prietley, civa-oksit üzerine odaklandığı Güneş ışınımıyla oksijeni

bulgulamıştır. Yakıcı ayna ve mercekler dışında bir uygulama olarak, N.Saussure

(1740-1799), ısı kutusu denilen ilk Güneş pişiricisini ortaya çıkarmıştı. 1837’de

gerçekleştirilen Ümit Burnu gezisinde de John F. Herschel güneşli pişirici ile yemek

pişirmişti. Çelik endüstrisinin ünlü ismi Sir Henry Bessemer (1813-1893) demir

ergitebilmek için güneş fırını yapmıştı. Fransız bilim adamı Mouchot 1860 da

parabolik aynalar yardımıyla güneş ışınımını odaklamış ve küçük bir buhar makinesi

yapmış, güneş pompaları ve güneş ocakları üzerinde deneyler yapmıştır. Güneş

enerjisi ile ilgili ilk kitap da 1869 da “La Chaleur Solaire et Ses Aplication

Industrielles” ismiyle Mouchot tarafından hazırlanmıştır. Mouchot 1878 yılında yine

ilk defa güneş enerjisi ile çalışan bir soğutucuda bir blok buz üretmeyi başarmıştır.

15

Güneş enerjisi ile çalışan, iş yapan akışkanın hava olduğu bir makine 1868 de

Ericsson tarafından geliştirilmiştir. Bu yıllarda güneş enerjisi konusundaki çalışmalar

yoğunlaşmış, tatlı su elde edilmesi ve güneş ocakları konusunda çok sayıda çalışma

yapılmıştır. Adanıs, Hindistan’da yedi askerin yemeğini, en soğuk ay sayılan Ocak

ayında, konik yansıtıcı güneş ocağıyla iki saatte pişirmiştir.1870 yılında John

Ericson güneşli sıcak hava motorunun patentini almıştır. 1872’de Kuzey Şili’de 4700

alan kapsayan güneşli su damıtma tesisi kurulmuştur. Tesisten günde 23 tatlı

su elde olunmuştur. Asıl amacı sudaki nitrat mineralini elde etmek olan bu tesis,

nitrat minerali tükeninceye dek 40 yıl kullanılmıştır. 19. yüzyılda buhar üretmek için

Güneş enerjisi kullanımına girişiliyordu. 1878 yılında Paris’de buharlı matbaa

makinesi güneşle çalıştırılmıştı. 1901 yılında Amerika Güneş-ısıl santrallerinde,

Güneşin olmadığı zamanda buhar üretmek için doğal gazdan yararlanan karma

(hibrid) türleri yapılmıştır. Güneş enerjisinin kesintili yapısından kaynaklanan

alternatif çalışma sakıncasının giderilmesi için aynı güçte ikiz bir hidroelektrik

santralden yararlanılabileceği gibi, santralin enterkonnekte şebeke ile bağlantılı

olması sorunu çözmektedir. Fosil yakıtlı ısıl santrallerle yardımcı kaynak olarak

Güneş enerjisinin eklenmesi, ele alınan tasarımlardandır. Amerika’da 500 ve 800

MW’lık santraller için hazırlanmış bu tür projeler bulunmaktadır. Tasarlanan fosil-

güneş karma santrallerinde suyun buharlaştırılmasından kızdırılmasına, besleme suyu

ısıtılmasından hava ön ısıtmasına dek, çeşitli kanallardan Güneş enerjisi girdi olanağı

vardır.

Birinci dünya savaşı ve sonrasında, petrolün önem kazanmasıyla güneş

enerjisine yönelik çalışmalar araştırma düzeyinde kalmıştır. 1930 yılından sonra

pasif sistemlerle ilgili çalışmalar yapılmaya başlanmışsa da araştırma kurumlarının

dışına çıkamamıştır. Araştırmalarla ilgili ilk önemli toplantı 1954 de Yeni Delhi’de

yapılmış ve “Uluslar arası Güneş Enerjisi Derneği – International Solar Energy

Society”nin kurulması kararlaştırılmıştır.

Güneş enerjisinin önem kazanması daha çok 1973 deki dünya enerji kriziyle

olmuştur. Günümüzde, güneş enerjisinden birçok alanda yararlanılmakta ve her

geçen gün faydalanma alanı artmaktadır.

Türkiye’de güneş enerjisi konusundaki çalışmalar yenidir. Özellikle 1973

petrol krizinden sonra ülkemizde de güneş enerjisi ile ilgili çalışmalar yoğunlaşmış

ve 1975 yılından sonra güneş enerjisi ile sıcak su temin edilen sistemler

yaygınlaşmıştır. Halen, yüzün üzerinde güneş toplayıcısı imal eden firma

16

bulunmaktadır. Güney ve batı sahillerinde çok sayıda güneş enerjili sıcak su sistemi

mevcuttur. Belirtmek gerekir ki, Türkiye’de imalatı yapılan güneş toplayıcılarının

birçoğunun özellikleri dünya standartlarının altındadır. Isıl hesapları kolay

olduğundan Türkiye şartlarına uygun güneş toplayıcılarının geliştirilip yapılması

mümkün olmasına rağmen, birçoğu yabancı ülke patenti ile imal edilmekte,

genellikle de toplayıcı boyutları benzetilerek seçilmektedir.

2.1.2 Güneş enerjisinin geleceği

Gelecek için güneşle ısıtma ve elektrik üretme, yani kombine ısı-güç üretimi

(veya birlikte üretim “kojenerasyon”) uygulamaları üzerinde çalışılmaktadır.

Konutların ısı ve elektrik gereksinimini karşılamayı amaç edinen bu projelerde

uzunlamasına silindirikal odaklı kolektörler, yüksek sıcaklıklı su deposu,

turbojenaratörler, alçak sıcaklıklı su deposu, ısı dağıtım ve elektrik dağıtım sistemleri

yer almaktadır. Sistemdeki toplaçlar, güneş-ısıl-elektrik santrallerinde olduğu gibi bir

kollektör tarlası biçiminde tasarlanmaktadır.

Güney Pasadena’da Güneşli buhar makinasıyla çalışan su pompası tesisi

yapılmıştı. 1902-1911 yılları arasında bu tür tesislerin Amerika’da birbirini izlediği

görülmektedir. 1913’de Mısır Meadi’de Nil Nehri’nin suyunu pompalamak için

kurulu gücü 74 kW (üretilebilir maksimum gücü 44 kW) olan güneşli pompa tesisi

kurulmuştu. Amerika’da Massachusetts Institute of Technology (MIT) bünyesinde

güneş enerjisinin çeşitli pratik uygulamalarının yanı sıra, evlerin güneşle ısıtılması

çalışmalarına girişilmiş, önce 1949’da Dover’de ilk güneş evi yapılmıştır. Bunu

1953’te New Mexico’da ve 1955’te Arizona’da yapılan evler izlemiştir. Isıtmadan

öte, Güneşli iklimleme (klima) sistemlerine de girişiliyordu. 1953 yılında Sovyetler

Birliği Krzhihanovsky Güç Enstitüsünde buhar üretimini amaçlayan rejeneratif

damıtma birimleri üzerinde çalışmalar yapılıyor, aynı yıllarda Taşkent Helioteknik

Laboratuvarında soğurmalı (absorpsiyonlu) Güneşli soğutucular geliştiriliyordu.

1954’de Amerika’da Bell Telefon Laboratuvarlarında ilk fotovoltaik güneş pilleri

yapılmıştı. 1957’ye kadar Amerika’da yüksek sıcaklık elde etmek için 21 güneş fırını

kurulduğu bilinmektedir.

1950’li yıllarda Güneş enerjisi kullanımının yaygınlaşmaya başladığı yıllar

olma özelliğini taşır. 1950 yılında Florida Miami’de 50 000 güneşli su ısıtıcısı

saptanmıştır. 1955 yılında Japonya’da 30 000 güneşli su ısıtıcısı kullanıldığı

17

bilinmektedir. Bu dönemde Londra yakınlarında bile kullanıma uygun güneşli su

ısıtıcılar yapılmasına girişilmiş, Akdeniz kuşağında, başta Fransa ve İtalya olmak

üzere güneşli su ısıtıcı kullanımı başlamıştır. Bu dönemde Fransa Pireneler’de

kurulan 1 MW güçlü Mont-Louis Güneş Fırını, gelişmiş ve örnek bir teknolojiyi

göstermektedir. Ancak, kullanıma aktarılan Güneş enerjisi teknolojisinin, ilk yatırım

maliyetinin yüksekliğinden ötürü ucuz petrol ve doğal gaz karşısında rekabet olanağı

sınırlı idi. 1974-1978 döneminde petrol fiyatları zincirleme artışına dayalı yapay

enerji bunalımları, güneş enerjisi çalışmalarını ivmelendirmiştir.

2.1.3 (21.) Yüzyılda güneş enerjisinin önemi

Dünyanın tüm yüzeyine bir yıl boyunca düşen Güneş enerjisi 1,22 TET

(ton eşdeğer taşkömürü) veya 0,709 TEP (ton eşdeğer petrol) kadardır. Bu

değer, dünyanın bilinen rezervinin 157 katı, bilinen petrol rezervinin 516 katıdır.

Güneş enerjisi bilinçli kullanımı, yerel, tükenmez ve çevre dostu kaynak

olmasından önem kazanmaktadır. Güneş enerjisinin üstünlükleri arasında ısısal ve

ışıksal özyapıda olması, taşıma, iletim ve dağıtım sorununun olmayışı yer almaktadır.

Zaman zaman Güneş enerjisi bedava kaynak olarak tanıtılmasına karşın, bedava

değildir. Çünkü, denetimli kullanım amacıyla toplanması için değişik sistemler

gerekmekte, bu sistemlerin bir maloloşu bulunmaktadır. Ancak, fosil yakıtların

oluşturdukları çevresel zararların mal oluşunun yanında, güneş enerjisinin toplanması

ve kullanılması daha çekici olabilmektedir.

Güneş enerjisinin en çok tanınmış uygulaması olan güneşli su ısıtıcılar (ya da

güneş şofbenleri), klasik düz yüzeyli topaçlı, pompalı dolanımlı veya termosifon

sistemli, ısı değiştiricili (eşanjörlü) veya ısı-değiştiricisiz depolu olanlardır. Dolaplı

türde yada zorlanmış hava akımlı depolu biçimde yapılan tarımsal kurutucularda düz

yüzeyli toplayıcılar kullanılır. Güneş imbikleri de denilen, deniz suyundan yada acı

sulardan tatlı su ve tuz mineral üreten güneş damıtma düzenekleri, yine düz yüzeyli

kolektörlü alçak sıcaklık uygulamalarıdır.

Güneşli kaynatıcılar ve yemek pişiriciler, güneşli sterilizörler ise genelde

odaklı kolektörlü olup, güneş ışınlarının yoğunlaştırılmasıyla elde olunan yüksek

sıcaklıklı ısıyı kullanırlar. Bu toplaçlar çoğu kez çanak biçimindedir. Ancak,

pişiricilerin düz yansıtıcılı plakalarla donatılmış ısı kutusu türleri vardır.

18

Havuzun tabanında çok tuzlu, orta kesiminde tuzlu ve üstünde tatlı su bulunur.

Havuz tabanı ısı soğuracak yapıdadır. Bu ısı bir ısı-değiştiricisi ile dışarı çekilerek

kullanılır. Böyle bir güneş havuzu Israil Ein Borek’de ısıl elektrik üretimi amacıyla

kullanılmaktadır. Bu tür güneş havuzlarının dışında, bir de sığ güneş havuzları

vardır. Bunlar birkaç cm kalınlıkta su dolu plastik döşek olarak ve 50-200 lik

modüller biçiminde kurulmaktadır.

Güneş enerjisinin depolanması, bir dönüşüm ya da çevrimle elde olunan ikincil

enerjinin depolanması biçiminde gerçekleşmektedir. Depolama işlemleri ısıl,

mekaniksel, kimyasal, elektriksel yöntemlerle yapılır. Isıl depolamada özgül ısı

sığası yüksek ve kolay bulunur ucuz malzemeler kullanılır. Su, yağ, çakıl taşı

yatakları bunlar arasındadır. Isıl depolama için gizli ısı kapasiteli, parafin gibi faz

değişim malzemelerinden de yararlanılır. Mekaniksel depolamada güneşle çalıştırılan

bir pompa ya da kompresör ile basılan yüksek basınçlı akışkan, uygun bir ortamda

toplanır. Kimyasal depolamada hidrat tuzlardan yararlanılır. Elektriksel depolama

bataryalarla yapılır. Bu amaçla kurşun-asitli akümülatörler, nikel-kadmiyum tipi kuru

bataryalar ve sodyum-sülfür bataryaları kullanılır.

Önümüzdeki 50 yıllık süreçte, bugüne göre 1,4 kat daha artırma olasılığı

vardır. 1992 de yapılan RIO Konferansında, Dünyada karbondioksit salınımının 1990

düzeyinde korunması üzerindeki görüşler benimsenmiştir. Bu demektir ki, fosil

yakıtlar yerine temiz ve tükenmez enerji kaynaklarının kullanılmalarına daha çok yer

verilmesi gerekecektir. Atmosferdeki karbon-dioksitin neden olduğu sera etkisi, son

yüzyıl içinde dünya ortalama sıcaklığının 0,7 K yükseltmiştir. Bu sıcaklığın 1 K

yükselmesi dünya iklim kuşaklarında görünür kaymalara, 3 K düzeyine varacak

artışlar kutuplardaki buzulların erimesine, denizlerin yükselmesine, göllerde

kurumalara ve tarımsal kuraklığa neden olabilecektir. Enerji vazgeçilmez girdi

olduğuna göre, insanlık bu gidişe alışılmış kaynaklar yerine güneş gibi doğal

alternatif enerjileri kullanarak dur diyecektir.

Giderek artan genel enerji tüketimi % 85-90 oranlarında tükenir fosil yakıtlara

dayalıdır. Fosil yakıtların var olan rezervlerinin kullanılabilme süreleri ise sınırlıdır.

Yapılan hesaplamalarda değişik değerler verilmekle birlikte, yaygın görüş şudur:

Yaklaşık yüz yıldır kullanılan petrolün üretimi 1995-2005 yılları arasında tepe

değerinden geçerek azalacak, doğal gazın üretimi 2000 yılından sonra bir süre

değişmez kalacak ve sonra azalacaktır. Kömür için yaklaşık 200 yıllık bir üretim

süresi hesaplanmaktadır. Fosil yakıtların endüstriyel hammadde olduklarını

19

unutmamak ve onları başıboş tüketmeden gelecek kuşaklara da bırakmak gerekir.

Özellikle, 45⁰ kuzey ve güney enlemleri arasında kalan ve güneş kuşağı denilen

dünya kuşağında, güneş enerjisi kullanımının geliştirilmesi, 21. yüzyılın temel

gelişimlerinden biri olacaktır. Fosil yakıtların sınırlı rezervleri ve oluşturdukları

çevre sorunları bu gelişimin değiştirici öğesidir.

2.1.4 Türkiye’nin güneş enerjisi potansiyeli

Coğrafya olarak 36-42⁰ kuzey enlemleri arasında bulunan Türkiye, güneş

kuşağı içerisindedir. Ancak, güneş kuşağının bu kesiminde iyi bir güneşlenme

görülmekle birlikte, mevsim değişiklikleri alt sınırda az, üst sınırda çok etkili

olmaktadır.

Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerji potansiyeli

açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Güneşten dünyaya saniyede yaklaşık

olarak 170 milyon MW enerji gelmektedir. Türkiye’nin yıllık enerji üretiminin 100

milyon MW olduğu düşünülürse bir saniyede dünyaya gelen güneş enerjisi,

Türkiye’nin enerji üretiminin 1,700 katıdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel

Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme

süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel

Müdürlüğü (EİE) tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye’nin ortalama yıllık

toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat)olup en büyük değer

362 saat ile temmuz ayında ve en küçük değer 98 saat ile aralık ayında

gerçekleşmektedir . Ortalama toplam ışınım şiddeti 1,311 (günlük

toplam 3,6 ) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye, 110 gün gibi yüksek bir

güneş enerjisi potansiyeline sahiptir ve gerekli yatırımların yapılması halinde

Türkiye yılda birim metre karesinden ortalama 1,100 kWh’lik güneş enerjisi

üretebilir(2). Tablo 2.1’de Türkiye güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi

değerleri aylara göre dağılımı verilmiştir.

20

Tablo 2.1 Türkiye’nin toplam güneş enerjisi potansiyelinin aylara göre dağılımı (EİE

resmi internet sayfası, www.eie.gov.tr, Şen, Z., “Türkiye’nin Temiz Enerji

İmkanları”, Mimar ve Mühendis Dergisi, Sayı:33)

Türkiye’nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güneydoğu Anadolu Bölgesi

olup, bunu Akdeniz bölgesi izlemektedir. Tablo 2.2’de Türkiye güneş enerjisi

potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı verilmiştir.

Tablo 2.2 Türkiye’nin yıllık toplam Güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre

dağılımı.

Buna göre Türkiye’nin en çok ve en az güneş enerjisi üretilecek ayları sırası ile

haziran ve aralık olmaktadır. Bölgeler arasında ise öncelikle Güneydoğu Anadolu ve

Akdeniz sahilleri gelmektedir. Güneş enerjisi üretiminin yok denecek kadar az

olduğu Karadeniz bölgesi dışında yılda birim metre kareden 1,100 kWh’lik enerji

21

üretilebilir ve toplam güneşli saat miktarı ise 2,640 saattir. Buna göre Türkiye’de

toplam olarak yıllık alınan enerji miktarı ise yaklaşık kW saat kadardır.(2)

Ancak, bu değerlerin, Türkiye’nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha

sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır. 1992 yılından bu yana EİE ve DMİ, güneş

enerjisi değerlerinin daha sağlıklı olarak ölçülmesi amacıyla enerji amaçlı güneş

enerjisi ölçümleri almaktadır. (1)

EİE’nin ölçü yaptığı 8 istasyondan alınan yeni ölçümler ve DMİ verileri

yardımı ile 57 ile ait güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri değerleri hesaplanarak bir

kitapçık halinde basılmış ve EİE’nin internet sitesinde satışa sunulmuştur.

2.1.5 Güneş enerjisinden yararlanan sistemler

Hemen hemen bütün enerji kaynakları güneş ışınımının maddeler üzerindeki

fiziksel ve kimyasal tesirinden meydana gelmektedir. Hidrolik enerji, rüzgar enerjisi,

dalga enerjisi v.s. güneş ışınımından dolaylı (endirekt) olarak oluşan enerjilerdir.

(Şekil 2.2) Burada, güneş ışınımından direkt enerji elde edilmesi üzerinde duracağız

ki, bu da güneşin ışınım enerjisinin diğer enerji şekillerine (elektrik, mekanik, ısı)

dönüştürülmesi şeklinde olmaktadır.

Güneş ışınımının teknolojik toplama ile faydalı enerjiye dönüştürülmesinde ısıl

veya fotovoltaik esasdan yararlanılır. Isıl esasa dayanan sistemlerin daha geniş

uygulama alanı mevcuttur.

Şekil 2.2 Güneş enerjisinden faydalanma şekilleri.

22

Her teknolojinin kullanım ve uygulamalarına bağlı olarak avantaj ve

dezavantajları vardır. Güneş enerjisi sistemlerinin başlıca tipleri şunlardır:

a- Isıl Uygulamalar

b- Fotovoltaik sistemler

2.1.5.1 Isıl Uygulamalar

Güneş ışınımının faydalanılacak enerji türüne ısıl çevrimlerle dönüştürüldüğü

sistemlerin sayısı çok fazladır. Genel olarak bu sistemler,

• Düşük sıcaklık uygulamaları( 20-100 C )

• Orta sıcaklık uygulamaları (100-300 C)

• Yüksek sıcaklık uygulamaları (> 300 C)

olarak gruplandırılabilir.

Düşük sıcaklık uygulamalarında daha ziyade düz toplayıcılar kullanılır. Bu

uygulamalardan bazıları:

• Konutların sıcak su temini

• Konut ısıtması

• Sera ısıtması

• Tarım ürünlerinin kurutulması

• Konut soğutması

• Yüzme havuzu ısıtması

• Güneş ocakları ve güneş fırınları

• Arı su elde edilmesi (güneş inbikleri)

• Tuz üretimi

• Güneş pompaları.

Yukarıda belirtilen uygulamalarda güneş ışınımı bir ısı değiştiricisi (genellikle

düz toplayıcı) arayıcılığıyla bir akışkana (su, hava, halojenli hidrokarbonlar v.s.)

aktarılır ve sıcaklığı artan akışkan faydalanma amacına göre depolanır veya sisteme

gönderilir. Düşük sıcaklık uygulamalarından sıcak su temini, konut ısıtması ve sera

ısıtması diğerlerine göre daha ekonomiktir.

Orta sıcaklık uygulamalarında, güneş ışınımının yansıtılarak veya kırılarak bir

noktaya veya eksene yoğunlaştırıldığı odaklı toplayıcılar kullanılır. Sanayi için

gerekli sıcak su veya buharın temini, büyük, soğutma ve ısıtma sistemleri, odaklı

toplayıcıların uygulama alanlarından bazılarıdır. Genellikle güneşi takip eden

mekanizmalara ihtiyaç vardır.

23

Güneş ışınımından yararlanılarak 300 C’nin üzerindeki yüksek sıcaklık elde

edilen sistemlerde “heliostat” adı verilen, geniş bir alana gelen güneş ışınımını,

güneşi izleyerek bir noktaya odaklayan sistemlerden yararlanılır. Güneş fırınları ve

güneşsel güç sistemlerinde yansıtıcı olarak aynalardan yararlanılmakta ve 3500 C

sıcaklığa kadar çıkabilmektedir. Fransa’da ve Amerika Birleşik Devletleri’nde

bulunan güneş fırınlarında metallerin eritilmesi, kesilmesi ve kalıplanması

yapılmaktadır. Yüksek sıcaklıkta buhar elde edilerek bir türbin aracılığıyla elektrik

üretilen güneşsel güç sistemlerinin uygulamaları da mevcuttur ve üzerinde yoğun

çalışmalar yapılmaktadır.

2.1.5.2 Fotovoltaik Sistemler

Bu sistemlerin temelini, yüzeyine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik

enerjisine çevirme özelliğine sahip güneş pili denen yarı iletken maddeler oluşturur.

Güneş pilleri, birbirlerine seri ya da paralel olarak bağlanmış ve bir yüzey üzerine

monte edilmiş olarak kullanıma sunulurlar. Hücreler birbirine seri ve paralel

bağlanarak akım şiddeti ve gerilim arttırılır. Güneş pili modülü ya da fotovoltaik

(PV) modül denilen bu yapılar fotovoltaik sistemlerin (güneş pili sistemlerinin) temel

elemanıdırlar. Fotovoltaik sistemler elektrik enerjisinin gerekli olduğu her

uygulamada kullanılabilirler. Uygulamaya bağlı olarak sistemde akümülatörler,

invertörler, denetim cihazları ve çeşitli elektronik destek birimleri kullanılır. Bu

sistemler ya bağımsız (stand-alone) olarak özellikle yerleşim yerlerinden uzak,

elektrik şebekesi olmayan yerlerde kullanılırlar; ya da şebeke bağlantılı olarak

çalıştırılırlar.

Güneş pillerinin verimleri %3-25 arasında değişir. Uzay programları için

geliştirilmeye başlanmış 1955 yılından sonra uzay araçlarında ve daha sonraki

yıllarda da genellikle fazla güç gerektirmeyen ve bilinen diğer yollardan elektrik

üretimi zor olan güç merkezlerinden uzak yerlerde kullanılmaya başlanmıştır.

Fotovoltaik sistemler haberleşme aktarıcı istasyonlar(telefon ,telsiz, vs…),

aydınlatma, yelkenli botlar, demir ve karayolu geçitleri, orman gözetleme kuleleri,

sinyalizasyon ve alarm sistemleri, deniz fenerleri, petrol boru hatlarının katodik

koruması, ilaç ve aşıların soğutulması, hidrojen üretimi, bahçe aydınlatma setleri,

kırsal yörelerde su pompalamada kullanılmakla birlikte son yıllarda şebekeye bağlı

uygulamaların kullanımı da hızla yaygınlaşmaktadır.

24

İstenilen yerde ve istenilen güçte elektrik üretilebilmesi, gürültüsüz çalışması,

artıklarının olmayışı ve uzun ömürlü oluşu, güneş pillerinin avantajlarından

bazılarıdır. Fakat, teknolojisi zor, maliyetleri yüksek ve verimleri düşüktür.

2.1.6 Güneş enerjisinin kullanım alanları

Güneş enerjisinin kullanım alanları özel amaçlara göre değişebilmektedir. Bu

enerjinin kullanımındaki temel amaç, ekonomik rekabet koşullarında olabildiğince

fosil yakıtların yerini almasıdır. Amaçlanan ve uygulanan kullanım alanları şöyle

sıralanabilir:

Konutlarda, işyerlerinde ve gündelik yaşam yapısının çeşitli kesimlerinde ısı

ve elektriğe dayalı bir bölüm enerji isteminin karşılanması,

Endüstriyel enerji isteminin bir bölümünün, ısı ve elektriğin birlikte üretim

teknolojisiyle karşılanması,

Kırsal yörelerde ve tarımsal teknolojide enerji isteminin olabildiğince

karşılanması,

Kara, deniz ve hava taşıtlarının bir bölümünde devitici olarak kullanılması.

İletişim araçlarında (radyo, tv, telefon), sinyalizasyon ve otomasyonda bir

bölüm enerji isteminin karşılanması.

Elektrik sektörünün birincil kaynakları arasına güneş enerjisinin de girmesi.

Askeri alanda özel amaçlarla güneş enerjisinin kullanılması

Uzay çalışmalarında enerji gereksiniminin karşılanması.(4)

25

2.2. GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEPOLANMASI

2.2.1 GENEL

Güneş enerjisi doğrudan ışınım enerjisi olarak depolanmadığından, bu enerji

çeşidini kullanabilmek için mutlaka diğer enerji türlerine dönüştürülmesi gereklidir.

Güneş enerjisi; soğrulma, ısıl dönüşüm ve fotovoltaik sistemler ile diğer enerji

şekillerine dönüştürülebilir. Özel dönüşüm şekli ve cihazlarına bağlı olarak dönüşüm

sonucunda elde edilen enerji; ısı veya elektrik enerjisi şeklinde olabilir. Dönüştürülen

enerji hemen kullanılabilir veya daha sonra yararlanılmak üzere özel yöntemlerle

depolanabilir. Enerjinin depolanması mühendisliğin en önemli konularından birisidir

ve bu konuda çok geniş çalışmalar yapılmaktadır. Burada daha ziyade güneş

enerjisinin depolanması ele alınacaktır.

Güneş ışınımı bir gün boyunca sürekli gelmez. Geceleri hiç gelmediği gibi

gündüzleri de saatlere göre farklılık gösterir. Havanın kapalı olduğu zamanlarda ise

çoğu kez yeterli miktarda değildir. Oysa, enerji tüketimi süreklidir. Günün saatlerine

ve aylara göre değişimi azdır. Hatta, güneş ışınımının olmadığı veya az olduğu

zamanlarda, enerji tüketimi daha fazladır. Depolama yapılmadığı takdirde, güneş

enerjisinden sadece güneş ışınımının olduğu saatlerde faydalanılır ve fazla enerji

atılırken, güneş ışınımının olmadığı zamanlarda yardımcı enerji kaynağından

faydalanılır.

Genel olarak enerji depolama şekilleri:

• Kimyasal enerji depolama (termokimyasal,elektrokimyasal)

• Mekanik enerji depolama (hidroelektirik, volan v.s.)

• Elektrik enerji depolama (magnetik alanla)

• Isıl enerji depolama (hissedilir ısı, gizli ısı)

olarak gruplandırılabilir.

2.2.1.1 Kimyasal Enerji Depolama:

Enerjinin kimyasal olarak depolanması termokimyasal ve elektrokimyasal

şekilde gerçekleştirilir. Termokimyasal enerji depolaması, enerji endotermik

reaksiyonlarla alkol, metan veya hidrojen gibi yakıtların üretilmesidir. Enerji

ihtiyacının olduğu yerde ve zamanda, bu ürünlerden ekzotermik reaksiyonlarla

enerjileri geri çekilir. Enerjinin bataryalarla depolanması elektrokimyasal

26

depolamadır. Elektrik enerjisi bataryaya doğru akım olarak girer, kimyasal enerjiye

dönüşür, boşaltma sırasında yeniden doğru akıma çevrilir. İki tip batarya mevcuttur.

Birinci tipleri tersinmezdir, yeniden doldurulamazlar. İkinci tipleri tersinirdir yeniden

doldurmak mümkündür.

2.2.1.2 Mekanik Enerji Depolama:

Fazla enerji mekanik enerjiye ve sonrada kinetik veya potansiyel enerjiye

dönüştürülerek depolanır. Maksada göre, bir pompa ile suya manometrik yükseklik

kazandırılır veya bir kompresörle hava sıkıştırılarak basıncı artırılır veya bir volanla

kinetik enerji depolanabilir. Mesela, güneş enerjisinden yararlanılarak bir pompanın

çalıştırılması ve suyun yüksek seviyede pompalanması, ışınım enerjisinin mekanik

enerjiye ve sonra da potansiyel enerjiye dönüştürülerek depolanmasıdır.

2.2.1.3 Elektrik Enerjisi Depolama:

Elektrik enerjisinin diğer bir enerji şekline dönüştürülmeden depolanmasıdır.

Elektromanyetik sargıdan elektrik akımı geçirilerek manyetik alanda depolanır.

Sargıdaki direnç nedeniyle güç kayıpları olduğundan, bobin sargılarının süper iletken

(noibyum,titanyum, kurşun gibi) malzemelerden olması ve dirençlerinin giderilmesi

gerekmektedir. Sargılar mutlak sıcaklığa yakın, çok düşük sıcaklığa kadar

soğutulduğunda direnç kayıpları sıfıra inmektedir.

Konutlardaki ve endüstrideki, güneş enerjili sıcak su ve ısıtma sistemlerinde

daha ziyade ısıl enerji depolaması kullanılır.

2.2.2 ISIL ENERJİ DEPOLAMASI

Isıl enerji depolayan ve faz değiştiren; yani katı halden sıvı hale veya sıvı

halden katı hale geçen bir sistemde, kimyasal yapıda bir değişiklik yoksa

termodinamiğin birinci kanununa göre sabit basınçta ısıl enerji depolaması aşağıdaki

gibi yazılabilir.(Termodinamiğin birinci kanunu: Enerjinin korunumunu ifade eder.

Bu kanun bir termodinamik süreç sırasında bir enerji türünün farklı bir enerji türüne

dönüşebileceğini fakat toplam miktarının sabit kalacağını belirtir. Bir başka ifadeyle

enerji yoktan var edilemez veya var olan enerji yok edilemez.)

∫

∫

(2.1)

şeklinde yazılabilir. Burada, sıra ile katı ve sıvının sabit basınçtaki özgül ısıları,

erime sıcaklığı ve erime gizli ısısıdır.

27

Yukarıdaki denkleme göre, ısıl enerji;

a-) Maddenin ısı kapasitesiyle sıcaklığı artarak

b-) Maddenin erime ısısıyla sabit sıcaklıkta

depolanmaktadır. Isının, maddenin ısı kapasitesi dolayısıyla depolanmasına

“hissedilir (duyulur) ısı depolanması”, erime ısısıyla depolanmasına da “gizli ısı

depolanması” denilmektedir. Gizli ısı depolanması faz değişimiyle olmaktadır. Bu

arada, buharlaşma ısısı ve gazlarda hissedilir ısı depolaması da düşünülebilir, fakat

sabit basınçta hacim çok arttığından tercih edilmezler.

2.2.3 HİSSEDİLİR ISI DEPOLANMASI

Sıcaklığı ve kütlesi m olan bir madde sıcaklığına yükseltilirse, ısı

kapasitesi dolayısıyla depolanan hissedilir ısı

( ) (2.2)

şeklinde yazılabilir. Burada, V maddenin hacmi, ρ yoğunluğu ve sabit basınçtaki

özgül ısısıdır. Son bağıntıdan görüldüğü gibi, bir ∆T sıcaklık farkında ve belli bir

hacimde depolanan ısıl enerjinin fazla olması için maddenin hacimsel özgül ısısı

(ρ ) büyük olmalıdır. Bazı maddelerin ısıl özellikleri Tablo 2.3’de verilmiştir.

Tablo 2.3 Bazı maddelerin 20⁰C’deki ısıl özellikleri

Madde Yoğunluk Erime

Sıcaklığı

Kaynama

Sıcaklığı

Özgül

Isısı

Isı İletim

Kats.

cp

kg/m3 ⁰C ⁰C J/kg-K W/m-K MJ/m

3-K

Taş 2640 880 1.7-4.0 2,32

Dökme Demir 7280 1200 2300 540 29-50 3,93

Betonarme 2240 1130 0.9-1.3 2,53

Saf Bakır 8954 1083 2330 383 386 3,43

Su 997 0 100 4179 0.604 4,18

Motor Yağı 888 1880 0.145 1,67

Gliserin 1264 18 290 2386 0.286 3,02

Etilen Glikol 1117 -12 197 2382 0.249 2,66

Sodyum 760 98 880 1206 67 0,96

28

Suyun hacimsel özgül ısısı diğer maddeler göre daha büyüktür.

Hissedilir ısı depolamasında faydalanılan maddenin hacimsel özgül ısısının

büyük olması yanında, yanma ve alevlenme özelliğinin olmaması, maddeden uzun

süre (10-15 yıl) özelliklerini muhafaza etmesi, toksit ve korozyon tesirinin

bulunmaması, istenir. Tabi ki, her şeyden önce maddenin kolay temin edilebilir ve

ucuz olması gerekir. Pratikte, temin edilebilme kolaylığı ve ucuzluğu sebebiyle, daha

çok su ve çakıl taşı tercih edilir.

2.2.3.1 Su ile Isıl Enerji Depolaması:

Duyulur ısı depolama uygulamalarında en yaygın olarak kullanılan madde

sudur. Su ile duyulur ısı depolamanın birçok üstünlüğü vardır.

Su, ucuzdur ve kolay temin edilebilir.

Toksitlenme ve alevlenme özelliği yoktur.

Fiziksel, kimyasal ve termodinamik özellikleri iyi bilinmektedir.

Enerji depolamasında faydalanılırken aynı zamanda enerji toplayıcı akışkan

olarak da kullanılabilir.

Isı depolama özelliği iyidir (hacimsel özgül ısısı büyüktür).

Isıtma ve soğutma sistemleri için gerekli sıcaklık aralığında kararlı bir sıvı

buhar dengesine sahiptir.

Isı geçişi ve akışkan dinamiği iyi bilinmektedir.

Korozyon etkisini azaltan inhibitör teknolojisi gelişmiştir.

Suyun, hissedilir ısı depolamasındaki bu avantajlarının yanında bazı

dezavantajları da bulunmaktadır.

Donduğu zaman genişlediğinden, donmaya karşı tedbir alınmalıdır.

Korozyon yapıcı özelliğinden dolayı depo içerisine inhibitör ilave

edilmelidir.

Ayrıca, suyun erime ve kaynama sıcaklıkları arasındaki fark küçüktür.

Yüksek sıcaklıklarda enerji depolaması yapmak da zordur.

Genel olarak su dolu bir tank sistem olarak göz önüne alınırsa enerji dengesi

( )

(2.3)

29

Şekil 2.3 Enerji dengesi

şeklinde yazılabilir. Burada; toplayıcıdan gelen ısı miktarı, ihtiyaç için çekilen

ısı miktarı ve depo çevresine ısı kaybıdır. Son denklemden görüldüğü gibi,

depodaki suyun sıcaklığının değişimi, depodaki suyun ısı kapasitesi ile depoya gelen,

depodan çekilen ve kayıp olan ısı miktarlarına bağlıdır. Pratikte, depodan çevresine

ısı kaybı sürekli olmasına (depo sıcaklığı çevre sıcaklığına ininceye kadar) rağmen,

depodan çekilen ve toplayıcıdan gelen enerji miktarları günün saatlerine göre

kesintilidir. Toplayıcıdan depoya verilen enerji ve çekilen enerji aynı anda olduğu

gibi farklı saatlerde de olabilir veya kayıp enerji dışında enerji girişi ve çıkışı

olmayabilir.

Depo içindeki suyun sıcaklığı da her noktada aynı değildir. Üst ve alt kısımları

arasında sıcaklık gradyeni vardır. Depo sıcaklığının uniform olması için

karıştırılması gerekir.

2.2.3.2 Çakıl Taşlarıyla Isıl Enerji Depolanması

Çakıl tasları ile ısı depolama, hava akışkanlı ısıtma sistemlerinde ve güneş

enerjisi depolamak için kullanılır. Çakıl taşı kullanmanın bazı avantajları şunlardır.

Çakıl taşları ucuzdur ve kolay temin edilebilirler.

Alevlenme ve toksitlenme özellikleri yoktur.

Yüzey alanları büyük olduğundan hava ile çakıl taşları arasındaki ısı geçişi

iyidir.

Taşların birbirine temas yüzeyi küçük olduğundan taşlar arasında iletimle ısı

geçişi küçük, dolayısıyla depo kenarlarından çevresine ısı kaybı azdır.

Isıtma ve soğutma sistemlerinin her ikisine uygulanabilir olmasıdır.

Geceleri, dış hava depodan dolaştırılarak depo sıcaklığı düşürülebilir ve

gündüzleri oturma mahallinin sıcak havası depodan geçirilerek soğutulabilir.

Çakıl taşlarının ısıl enerji depolamasındaki, bu avantajlarının yanında bazı

dezavantajları da bulunmaktadır.

30

Hacimsel özgül ısıları küçük olduğundan belli bir miktardaki ısı enerjisinin

depolanabilmesi için suya göre daha büyük hacim gerekmektedir.

Çakıl taşları arasında havanın dolaştırılabilmesi için gerekli güç, su ile

depolamada suyun dolaştırılabilmesi için gerekli güçten daha fazladır.

Isı deposuna enerjinin hava dolaşımıyla verildiği veya çekildiği sistemlerde,

toplayıcı devresi ve ısıl yük devresi aynı anda çalıştırılamazlar. Başka bir

deyişle, depoya ısı verilmesi ve çekilmesi aynı anda olamaz. Depolanan

enerji miktarına, toplanabilen enerji miktarına ve ısı ihtiyacına göre

devrelerden birisi kapatılır diğeri açılır.

Çakıl taşlarıyla hava arasındaki ısı geçişi miktarı, depo içindeki basınç düşüşü

ile ters orantılı olarak değişir. Basınç düşüşünün az olması için, havanın akış

doğrultusundaki depo uzunluğunun kısa, parçacıklar arasındaki boşlukların fazla ve

parçacıkların üniform büyüklükte olması gerekir. Isı geçişinin fazla olması için ise,

ısı taşınım yüzeyinin büyük, yani belli bir hacimdeki depoda bulunan parçacıkların

sayısı fazla ve havanın depo içindeki akış mesafesi büyük olmalıdır. Pratikte, basınç

düşüşünün 3-12 mm su sütünü aralığı için, 2 cm ila 4 cm çapında çakıl taşları

kullanılır. Yüksekliği 1,5-2 m olan silindirik depolar seçilir. Hava debisi 0,6 ile 4

/s- mertebesindedir.

Çakıl taşı depolarında, akışın ve ısı taşınım katsayısının analizi, daha ziyade,

küresel parçacıklar göz önüne alınarak yapılır. Depo hacmi ve parçacıkların toplam

hacmi sıra ile ve olmak üzere, boşluk oranı (boşluk hacminin depo hacmine

oranı)

(2.4)

ve parçacıkların toplam yüzey alanı

( )

(2.5)

yazılabilir. Burada, d parçacıkların çapıdır.

Handley ve Heggs (1968), depo içindeki ısı taşınım katsayısının tayininde,

küresel parçacıklar için Nusselt sayısını

( )

(2.6)

bağıntısıyla vermişlerdir. Löf ve Hawley (1948), farklı şekillerdeki N adet parçacık

için eşdeğer küresel çap

{

}

(2.7)

31

ve deponun kesit alanı olmak üzere, hacimsel ısı taşınım katsayısı (W/ )

için, (kg/s) havanın debisi olmak üzere,

{

}

(2.8)

şeklindeki ampirik bağıntıyı teklif etmişlerdir.

Depo içindeki basınç düşüşü ise, depo yüksekliği (akış doğrultusunda) L

olmak üzere

( )

(

) (2.9)

bağıntısından hesaplanabilmektedir (Kreith ve Kreider, 1978). Burada, ρ havanın

yoğunluğu ve havanın debisidir.

Çakıl taşlı ısı deposundaki sıcaklığın değişimi, radyal yöndeki sıcaklık

gradyeni ihmal edilerek, karıştırılmamış su depolarında olduğu gibi, depo K adet

bölmeye ayrılarak her bölme için nümerik çözümle bulunabilir. Bir bölmenin

yüksekliği ise, k ıncı bölmede çakıl taşları için enerji dengesi

( )

( ) (2.10)

şeklinde yazılabilir. Burada, göz önüne alınan bölmedeki çakıl taşı kütlesi, ve

sıra ile havanın ve çakıl taşlarının sıcaklığıdır. Diğer taraftan havanın ısı

kapasitesi ihmal edilerek, hava için enerji dengesi

( ) ( ) ( ) (2.11)

yazılabilir ki, buna göre (3.10) denkleminden

( )

( ) ( ) (2.12)

elde edilir.

Isı taşınım katsayısının büyük değerlerinde havanın sıcaklığıyla çakıl

taşlarının sıcaklığı birbirine çok yakındır. Biot sayısının (Bi k,k çakıl

taşlarının ısı iletim katsayısı) 0,1 den küçük değerlerinde alınabilmektedir.

Böylece, (2.12) denklemi yerine yaklaşık

( )

( ) ( ) (2.13)

denklemi yazılabilmektedir. Son denklemin zamana bağlı nümerik çözümü, (2.1)

denklemlerine benzer şekilde yazılarak, yapılabilir.

Hissedilir ısı depolamasının çok geniş uygulamaları alanları mevcuttur. Çakıl

taşı ve su dışında, bakır parçacıkları, talaşlar ve matris tipi elemanlarla da yapılan ısı

depolarına rastlamak mümkündür.

32

2.2.4 GİZLİ ISI DEPOLAMASI

Maddelerin, faz değişimi sırasında iç enerjilerindeki artış ile sabit sıcaklıkta ısı

depolamasıdır. Bütün maddeler faz değiştirebilir, fakat birçok maddenin faz değişimi

arzulanan sıcaklıkta değildir. Gizli ısı depolamasında kullanılan maddelerin;

Fiyatı ucuz,

Kolay temin edilebilir,

Yanıcı, alevlenici ve korrozif değil,

Faz değiştirme sıcaklığı arzulanan mertebede,

Gizli ısısı yüksek,

Isıl genleşme katsayısı küçük,

Isı yayılım ve ısı iletim katsayıları yüksek,

Faz değişiminde hacim değişimi az, olmalıdır.

Faz değiştiren maddelerle belli bir miktardaki ısının depolanabilmesi için

gerekli hacim, aynı ısıyı su ve çakıl taşlarıyla depolamak için gerekli hacimden çok

küçüktür. Diğer bir avantajı da, depodan ısı çekilmesi sırasında depo sıcaklığının

yaklaşık sabit kalmasıdır. Fakat, çakıl taşı ve suya göre çok daha pahalıdır.

Sıvı-Buhar faz değişiminde, sabit basınçta hacim çok arttığından veya sabit

hacimde basınç çok arttığından, ısı depolamasında fazla tercih edilmez. Bu tür ısı

depolamasına daha ziyade soğutma sistemlerinde rastlanmaktadır ve çift depo

kullanılmaktadır. Madde, deponun birisinde sıvı fazında diğerinde buhar fazında

bulunur. Yutmalı-soğutma sistemindeki su-amonyak karışımı bu tip depolamaya

örnek olarak gösterilebilir.

Gizli ısı depolamasında, daha ziyade, katı-sıvı faz değişiminde yararlanılır.

Güneş enerjisinin depolandığı, düşük sıcaklıkta faz değiştiren bazı maddeler ve ısıl

özellikleri Tablo 2.4’de verilmiştir.

33

Tablo 2.4 Düşük sıcaklıkta faz değiştiren bazı maddeler

Te hks ρk ρS cpk cps kk ks

(C) kJ/kg k/m3 kJ/kg-K U/m-K

Buz 0 335 920

1000

5.27 4.22 0.62 0.26

Glauber Tuzu 32 225 1460

1330

1.76 3.30 2.25

CaCl2.6H2O 27 190 1800

1560

1.46 2.13 1.09 0.54

Parafin(Mum) 47 209 820

770

2.89 2.51 0.14

Na2S2O4.5H2O 48 209 1650 1.46 2.38 0.57

MgCl2.6H2O 120 169 1560 1.59 2.24

Polietilen 132 230 960

900

2.50 2.50 0.36 0.36

NaNO3 307 181 2260

1900

1.88 1.84 0.57 0.61

NaOH 318 315 2030

1760

2.00 2.09 0.92 0.92

Eriyerek faz değiştiren maddelerle, gizli ısı depolaması yanında hissedilir ısı

depolaması da yapılır. Eritme sıcaklığı olan bir maddenin katı haldeki sıcaklığı

ve sıvı haldeki sıcaklığı ise, katı halden sıvı hale geçen bir maddenin depoladığı

ısı miktarı,

( ) ( ) (2.14)

dir. Burada, m maddenin kütlesi, erime gizli ısısıdır.

Su düşük sıcaklıkta eridiğinden, gizli ısı depolamasından fazla yararlanılmaz.

Kalsiyum ve sodyum tuzlarının erime sıcaklıkları 30 ila 50⁰C arasındadır. Kalsiyum

klorid hekzahidrat ( ), sodyum karbonat dekahidrat ( ),

sodyum sülfat dekahidrat ( ) ve disodyum fosfat dodekahidrat

( ) ve sodyum disülfat pentahidrat ( ) en çok

bilinenlerdendir. Bunlar içerisinde de en çok kullanılan Glauber tuzu olarak tanınan

sodyum sülfat dekahidrat ( ) dır. Glauber tuzunun tercih edilmesinin

34

sebebi, gizli ısısının yüksek ve diğerlerine göre çok ucuz olmasındandır. 32⁰C

sıcaklıkta,

şeklinde ve ya ayrışır. Katılaşırken 225 kj/kg ısı açığa çıkar. İçerisine

% 3-4 oranında boraks ilavesiyle erime sıcaklığı 1-2⁰C düşürebilmektedir.

Gizli ısı depolamasında yaygın kullanılan maddelerden birisi de parafinlerdir.

Erime sıcaklığı arzulanan mertebelere indirilebilmesine rağmen yanıcı olması

sebebiyle özel tedbirler alınarak kullanılabilmektedir. Plastik ve bakır gibi bazı

maddelere korozyon etkisi vardır. Eridiği zaman hacmi % 20 oranında artar.

Düşük sıcaklıkta ısı depolamasında kullanılan faz değiştiren maddelerin ısı

iletim katsayıları küçük olduğundan depoya uygun şeklin verilmesine dikkat

edilmelidir. Depo içindeki maddenin iç kısmının eriyebilmesi ( veya katılaşabilmesi)

için depo kesitinin çok küçük ve yüzeyinin büyük olması gerekir. Ayrıca korozyona

ve sızdırmaya karşıda tedbir alınmalıdır. Glauber tuzu için plastik depolar uygundur.

Diğer taraftan, depo hacmi hesaplanırken, maddenin katı ve sıvı haldeki özellikleri

göz önüne alınmalıdır.

Tablo 2.5 İnorganik maddeler

BİLEŞİK ERİME

SICAKLIĞI (⁰C)

FÜZYON ISISI

(kj/kg)

ISIL İLETKENLİK (W/m K)

YOĞUNLUK (kg/m³)

ÖTEKTİK

H₂O 0 333 0,612 (sıvı, 20⁰C) 998 (sıvı, 20⁰C)

334 0,61 (30⁰C) 996 (30⁰C) Hayır

917 (katı, 0⁰C)

LiCIO₃ . 3H₂O 8,1 253 ? 1720 Hayır

ZnCI₂ . 3H₂O 10 ? ? ? Hayır

K₂HPO₄ . 6H₂O 13 ? ? ? Hayır

NaOH . 3⅟₂H₂O 15 ? ? ? Hayır

15,,4

Na₂CrO₄ . 10H₂O 18 ? ? ? Hayır

KF . 4H₂O 18,5 231 ? 1447 (sıvı, 20⁰C)

1455 (katı, 18⁰C) Hayır

1480

Mn(NO₃)₂ . 6H₂O 25,8 125,9 ? 1738 (sıvı, 20⁰C)

1728 (sıvı, 40⁰C) Hayır

1795 (katı, 5⁰C)

CaCI₂ . 6H₂O 29 190,8 0,540 (sıvı, 38,7⁰C) 1562 (sıvı, 32⁰C)

29,2 171 0,561 (sıvı, 61,2⁰C) 1496 (sıvı)

29,6 174,4 1,088 (katı, 23⁰C) 1802 (katı, 24⁰C) Hayır

35

29,7 192 1710 (katı, 25⁰C)

30 1634

29-39 1620

LiNO₃ . 3H₂O 30 296 ? ? Hayır

Na₂SO₄ . 10H₂O 32,4 254 0,544 1485 (katı)

32 251,1 1458 Hayır

31-32

Na₂CO₃ . 10H₂O 32-36 246,5 ? 1442 Hayır

33 247

CaBr₂ . 6H₂O 34 115,5 ? 1956 (sıvı, 35⁰C) Hayır

2194 (katı, 24⁰C)

Na₂HPO₄ . 12H₂O 35,5 265 ? 1522

36 280 Hayır

35 281

35,2

Zn(NO₃)₂ . 6H₂O 36 146,9 0,464 (sıvı, 39,9⁰C) 1828 (sıvı, 36⁰C)

36,4 147 0,469 (sıvı, 61,2⁰C) 1937 (katı, 24⁰C) Hayır

2065 (katı, 14⁰C)

KF . 2H₂O 41,4 ? ? ? Hayır

K(CH₃COO) . 1⅟₂H₂O 42 ? ? ? Hayır

K₃PO₄ . 7H₂O 45 ? ? ? Hayır

Zn(NO₃)₂ . 4H₂O 45,5 ? ? ? Hayır

Ca(NO₃)₂ . 4H₂O 42,7 ? ? ? Hayır

47

Na₂HPO₄ . 7H₂O 48 ? ? ? Hayır

Na₂S₂O₃ . 5H₂O 48 201 ? 1600 (katı)

48-49 209,3 1666 Hayır

187

Zn(NO₃)₂ . 2H₂O 54 ? ? ? Hayır

NaOH . H₂O 58 ? ? ? Hayır

Na(CH₃COO) . 3H₂O 58 264 ? 1450 Hayır

58,4 226

Cd(NO₃)₂ . 4H₂O 59,5 ? ? ? Hayır

Fe(NO₃)₂ . 6H₂O 60 ? ? ? Hayır

NaOH 64,3 227,6 ? 1690 Hayır

Na₂B₄O₇ . 10H₂O 68,1 ? ? ? Hayır

Na₃PO₄ . 12H₂O 69 ? ? ? Hayır

Na₂P₂O₇ . 10H₂O 70 184 ? Hayır

Ba(OH)₂ . 8H₂O 78 265,7 0,653 (sıvı, 85,7⁰C) 1937 (sıvı, 84⁰C)

267 0,678 (sıvı, 98,2⁰C) 2070 (katı, 24⁰C) Hayır

280 1,255 (katı, 23⁰C) 2180 (katı)

AIK(SO₄)₂ . 12H₂O 80 ? ? ? Hayır

Kal(SO₄)₂ . 12H₂O 85,8 ? ? ? Hayır

36

AI₂(SO₄)₃ . 18H₂O 88 ? ? ? Hayır

AI(NO₃)₃ . 8H₂O 89 ? ? ? Hayır

Mg(NO₃)₂ . 6H₂O 89 162,8 0,490 (sıvı, 95⁰C) 1550 (sıvı, 94⁰C)

90 149,5 0,502 (sıvı, 110⁰C) 1636 (katı, 25⁰C) Hayır

0,611 (katı, 37⁰C) 1640

0,669 (katı,

55,6⁰C)

(NH₄)AI(SO₄) . 6H₂O 95 269 ? ? Hayır

Na₂S . 5⅟₂H₂O 97,5 ? ? ? Hayır

CaBr₂ . 4H₂O 110 ? ? ? Hayır

AI₂(SO₄)₃ . 16H₂O 112 ? ? ? Hayır

MgCI₂ . 6H₂O 117 168,6 0,570 (sıvı, 120⁰C) 1450 (sıvı, 120⁰C)

115 165 0,598 (sıvı, 140⁰C) 1442 (sıvı, 78⁰C) Hayır

0,694 (katı, 90⁰C) 1569 (katı, 20⁰C)

0,704 (katı, 110⁰C) 1570 (katı, 20⁰C)

Mg(NO₃) . 2H₂O 130 ? ? ? Hayır

NaNO₃ 307 172 0,5 2260

308 174 2257 Hayır

199

KNO₃ 333 266 0,5 2,11 Hayır

336 116

KOH 380 149,7 0,5 2,044 Hayır

MgCI₂ 714 452 ? 2140 Hayır

NaCI 800 492 5 2160 Hayır

802 466,7

Na₂CO₃ 854 275,7 2 2,533 Hayır

KF 857 452 ? 2370 Hayır

K₂CO₃ 897 235,8 2 2,29 Hayır

66,6% CaCI₂ . 6H₂O + 25 127 ? 1590 Evet

33,3% MgCI₂ . 6H₂O

48%CaCI₂ + 4,3%NaCI + 26,8 188 ? 1640 Evet

0,4%KCI + 47,3%H₂O

47%Ca(NO₃)₂ . 4H₂O + 30 136 ? ? Evet

33%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O

60%Na(CH₃COO) . 3H₂O + 31,5 226 ? ? Evet

40%CO(NH₂)₂ 30 200,5

61,5%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O + 52 125,5 0,494 (sıvı, 65,0⁰C) 1515 (sıvı, 65⁰C)

38,5%NH₄NO₃ 0,515 (sıvı, 88,0⁰C) 1596 (katı, 20⁰C) Evet

0,552 (katı,

36,0⁰C)

58,7%Mg(NO₃) .6H₂O + 59 132,2 0,510 (sıvı, 65,0⁰C) 1550 (sıvı, 50⁰C)

41,3MgCI₂ . 6H₂O 58 132 0,565 (sıvı, 85,0⁰C) 1630 (katı, 24⁰C) Evet

0,678 (katı,

38,0⁰C)

37

0,678 (katı,

53,0⁰C)

53%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O + 61 148 ? ? Evet

47%AI(NO₃)₂ . 9H₂O

14%LiNO₃ + 72 >180 ? 1590 (sıvı) Evet

86%Mg(NO₃)₂ . 6H₂O 1610 (katı)

66,6%urea + 33,4%NH₄Br 76 161 0,331 (sıvı, 79,8⁰C) 1440 (sıvı, 85⁰C)

0,324 (sıvı, 92,5⁰C) 1548 (katı, 24⁰C) Evet

0,649 (katı,

39,0⁰C)

0,682 (katı, 65⁰C)

11,8%NaF + 54,3%KF + 449 ? ? 2160 (sıvı) Evet

26,6LiF + 7,3%MgF₂

35,1%LiF + 38,4%NaF + 615 ? ? 2225 (sıvı) Evet

26,5%CaF₂ 2820 (katı)

32,5%LiF + 50,5%NaF + 632 ? ? 2105 (sıvı) Evet

17,0%MgF₂ 2810 (katı)

51,8%NaF + 34,0%CaF + 645 ? ? 2370 (sıvı) Evet

14,2%MgF₂ 2970 (katı, 25⁰C)

48,1%LiF + 51,9%NaF 652 ? ? 1930 (sıvı) Evet

2720 (katı, 25⁰C)

63,8%KF + 27,9%NaF + 685 ? ? 2090 (sıvı) Evet

8,3%MgF₂

45,8%LiF + 54,2%MgF₂ 746 ? ? 2305 (sıvı) Evet

2880 (katı, 25⁰C)

53,6%NaF + 28,6%MgF₂ + 809 ? ? 2110 (sıvı) Evet

17,8%KF 2850 (katı, 25⁰C)

66,9%NaF + 33,1%MgF₂ 832 ? ? 2190 (sıvı) Evet

2940 (katı, 25⁰C)

H₂O + polyacrylamid 0 292 0,486 (30⁰C) 1047 (30⁰C) Hayır

%50Na(CH₃COO) . 3H₂O + 40,5 255 ? ? Hayır

50%HCONH₂

Mg(NO₃)₂ . 6H₂O / 55,5 ? ? ? Hayır

Mg(NO₃)₂ . 2H₂O

KOH . H₂O / KOH 99 ? ? Hayır

68,1%KCI + 31,9%ZnCI₂ 235 198 ? 2480 Hayır

38,5%MgCI + 61,5%NaCI 435 328 ? 2160 Hayır

Salt-ceramics NaCO₃ - 500-850 415,4 5 2,6 Hayır

BaCO₃ / MgO

38

Tablo 2.6 Organik maddeler

BİLEŞİK ERİME

SICAKLIĞI (⁰C)

FÜZYON ISISI (kj/kg)

ISIL İLETKENLİK (W/m K)

YOĞUNLUK (kg /m³)

ÖTEKTİK

Parafin C₁₄ 4,5 165 ? ? Hayır

Parafin C₁₅-C₁₆ 8 153 ? ? Hayır

Polyglycol E400 8 99,6 0,187 (sıvı,

38,6⁰C) 1125 (sıvı, 25⁰C) Hayır

0,185 (sıvı,

69,9⁰C) 1228 (katı, 3⁰C)

Dimethyl-sulfoxide (DMS) 16,5 85,7 ?

1009 (katı ve sıvı ) Hayır

Parafin C₁₆-C₁₈ 20-22 152 ? ? Hayır

Polyglycol E600 22 127,2 0,189 (sıvı,

38,6⁰C) 1126 (sıvı, 25⁰C) Hayır

0,187 (sıvı,

67,0⁰C) 1232 (katı, 4⁰C)

Paraffin C₁₃-C₂₄ 22-24 189 0,21 0,760 (sıvı,

70⁰C) Hayır

0,900 (katı,

20⁰C)

1-Dodecanol 26 200 ? ? Hayır

Paraffin C₁₈ 28 244 0,148 (sıvı, 40⁰C) 0,774 (sıvı,

70⁰C)

27,5 243,5 0,15 (katı) 0,814 (katı,

20⁰C) Hayır

0,358 (katı, 25⁰C)

1-Tetradecanol 38 205 Hayır

Paraffin C₁₆-C₂₈ 42-44 189 0,21 (katı) 0,765 (sıvı,

70⁰C) Hayır

0,910 (katı,

20⁰C)

Paraffin C₂₀-C₃₃ 48-50 189 0,21 (katı) 0,769 (sıvı,

70⁰C) Hayır

0,912 (katı,

20⁰C)

Paraffin C₂₂-C₄₅ 58-60 189 0,21 (katı) 0,795 (sıvı,

70⁰C) Hayır

0,920 (katı,

20⁰C)

Paraffin wax 64 173,6 0,167 (sıvı,

63,5⁰C) 790 (sıvı, 65⁰C)

266 0,346 (katı,

33,6⁰C) 916 (katı, 24⁰C) Hayır

0,339 (katı,

45,7⁰C)

Polyglycol E6000 66 190 ? 1085 (sıvı, 70⁰C) Hayır

1212 (katı, 25⁰C)

39

Paraffin C₂₁-C₅₀ 66-68 189 0,21 (katı) 0,830 (sıvı,

70⁰C) Hayır

0,930 (katı,

20⁰C)

Biphenyl 71 119,2 ? 991 (sıvı, 73⁰C) Hayır

1166 (katı, 24⁰C)

Propionamide 79 168,2 ? ? Hayır

Naphthalene 80 147,7 0,132 (sıvı,

83,8⁰C) 976 (sıvı, 84⁰C)

0,341 (katı,

49,9⁰C) 1145 (katı, 20⁰C) Hayır

0,310 (katı,

66,6⁰C)

Erythritol 118 339,8 0,326 (sıvı,

140⁰C) 1300 (sıvı,

140⁰C) Hayır

0,733 (katı, 20⁰C) 1480 (katı, 20⁰C)

HDPE 100-150 200 ? ? Hayır

Trans-1,4-polybutadiene 145 144 ? ? Hayır

(TPB)

37,5%Urea + 63,5% 53 ? ? ? Evet

acetamide

67,1%Naphthalene + 67 123,4 0,136 (sıvı,

78,5⁰C) ?

32,9%benzoic acid 0,130 (sıvı,

100⁰C) Evet

0,282 (katı, 38⁰C)

0,257 (katı, 52⁰C)

Tablo 2.7 Ticari maddeler

FAZ DEĞİŞTİREN MADDELER

ÜRÜN CİNSİ ERİME

SICAKLIĞI (⁰C)

FÜZYON ISISI (kj/kg)

YOĞUNLUK (kg/m³)

KAYNAK

SN33 Tuz Solüsyonu -33 245 1,24 Cristopia

TH-31 bilinmiyor -31 131 ? TEAP

SN29 Tuz Solüsyonu -29 233 1,15 Cristopia

SN26 Tuz Solüsyonu -26 268 1,21 Cristopia

TH-21 bilinmiyor -21 222 ? TEAP

SN21 Tuz Solüsyonu -21 240 1,12 Cristopia

STL-21 Tuz Solüsyonu -21 240 1,12 Mitsubishi Chemical

SN18 Tuz Solüsyonu -18 268 1,21 Cristopia

TH-16 bilinmiyor -16 289 ? TEAP

STL-16 bilinmiyor -16 ? ? Mitsubishi Chemical

SN15 Tuz Solüsyonu -15 311 1,02 Cristopia

SN12 Tuz Solüsyonu -12 306 1,06 Cristopia

40

STLN10 Tuz Solüsyonu -11 271 1,05 Mitsubishi Chemical

SN10 Tuz Solüsyonu -11 310 1,11 Cristopia

TH-10 bilinmiyor -10 283 ? TEAP

STL-6 Tuz Solüsyonu -6 284 1,07 Mitsubishi Chemical

SN06 Tuz Solüsyonu -6 284 1,07 Cristopia

TH-4 bilinmiyor -4 286 ? TEAP

STL-3 Tuz Solüsyonu -3 328 1,01 Mitsubishi Chemical

SN03 Tuz Solüsyonu -3 328 1,01 Cristopia

ClimSel C 7 bilinmiyor 7 130 ? Climator

RT5 Paraffin 9 205 ? Rubitherm GmbH

ClimSel C 15 bilinmiyor 15 130 ? Climator

ClimSel C 23 Tuz Hidrat 23 148 1,48 Climator

RT25 Paraffin 26 232 Rubitherm GmbH

STL27 Tuz Hidrat 27 213 1,09 Mitsubishi Chemical

S27 Tuz Hidrat 27 207 1,47 Cristopia

RT30 Paraffin 28 206 ? Rubitherm GmbH

TH29 Tuz Hidrat 29 188 ? TEAP

ClimSel C 32 Tuz Hidrat 32 212 1,45 Climator

RT40 Paraffin 43 181 ? Rubitherm GmbH

STL47 Tuz Hidrat 47 221 1,34 Mitsubishi Chemical

ClimSel C 48 bilinmiyor 48 227 1,36 Climator

STL52 Tuz Hidrat 52 201 1,3 Mitsubishi Chemical

RT50 Paraffin 54 195 ? Rubitherm GmbH

STL55 Tuz Hidrat 55 242 1,29 Mitsubishi Chemical

TH58 bilinmiyor 58 226 ? TEAP

ClimSel C 58 bilinmiyor 58 259 1,46 Climator

RT65 Paraffin 64 207 Rubitherm GmbH

ClimSel C 70 bilinmiyor 70 194 1,7 Climator

PCM72 Tuz Hidrat 72 ? ? Merck KgaA

RT80 Paraffin 79 209 ? Rubitherm GmbH

TH89 bilinmiyor 89 149 ? TEAP

RT90 Paraffin 90 197 ? Rubitherm GmbH

RT110 Paraffin 112 213 ? Rubitherm GmbH

41

Tablo 2.8 Isı depolama için organik ve inorganik maddelerin karşılaştırılması

ORGANİK İNORGANİK

Avantajları Avantajları

Korozif değildir. Entalpi faz değişimi fazladır.

Düşük ve aşırı soğuma.

Kimyasal ve termal kararlılık.

Dezavantajları Dezavantajları

Entalpi faz değişimi düşüktür. Aşırı soğuma.

Isıl iletkenliği düşüktür. Korozyon.

Yanabilir. Faz ayrışması.

Faz ayrımı, termal kararlılık yok.

2.3 GÜNEŞ AÇILARI VE ATMOSFER DIŞINDA GÜNEŞ IŞINIMI

2.3.1 GÜNEŞ AÇILARI

Dünya üzerindeki bir noktaya nazaran güneşin gökyüzündeki konumu gün ve

yıl boyunca değişir. Gökteki yıldızların ve güneşin konumunu tayin etmekte, çok

büyük yarıçaplı bir küre üzerinde noktalar şeklinde bulundukları kabul edilerek, “gök

küre” denilen bu küreden faydalanılır. Burada, güneşin yeryüzünde bir noktaya

nazaran hareketini takip etmekte, dünya merkezinin merkez olduğu gök küre-ekvator

sistemi kullanılacaktır Şekil 2.4’de Gök küre üzerinde güneşin yeri ve yeryüzündeki

noktaya göre hareketi “güneş açıları ile tayin edilir.

42

Şekil 2.4 Gök küre üzerinde önemli görüş açıları.

2.3.1.1 Esas Güneş Açıları:

Yeryüzündeki bir N noktasına gelen direkt güneş ışınımı doğrultusu, eğer o

yerin enlemini (ф), saat açısı (ω) ve güneşin deklinasyon açısı (δ) biliniyorsa tayin

edilebilir. Bu açılara esas güneş açıları denir.

Enlem açısı, ф: Göz önüne alınan yeri (N) dünya merkezine (M) birleştiren

doğrunun dünyanın ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Şekil 2.4’de NMN’ açısıdır.

Ekvatordan itibaren kuzeye doğru (+) işareti ve güneye doğru (-) işareti ile ölçülür.

Tabii ki kuzey kutbu için +90⁰ (K), güney kutbu için -90⁰ (G) olur. Bu kitapta, ayrıca

K ile kuzey yarımküre ve G ile güney yarım küre belirtilecektir.

Saat açısı, ω: Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneşi dünya merkezine

birleştirilen doğrunun, yani güneş ışınlarının belirttiği boylam (güneş boylamı

denilebilir) arasındaki açıdır. Tabii ki güneşin ve göz önüne alınan noktanın ekvator

düzlemindeki izdüşümleri alınırsa; Şekil 2.4’de NMG’ açısı saat açısıdır. Saat açısı,

güneş boylamının göz önüne alınan yerin boylamı ile aynı olduğu “güneş öğlesi”

nden itibaren ölçülür; öğleden önceleri (-), öğleden sonraları (+) işareti alınır.

Bilindiği gibi, her 15 saat açısı (boylam farkı) zaman olarak 1 saate tekabül eder.

43

Deklinasyon açısı, δ: Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Şekil

2.4’de GMG’ açısıdır. Bu açı dünyanın dönme ekseninin, yörünge düzlemine

normali ile yaptığı açı 23⁰ 27’ lık açıdan ileri gelir. Ekinoks noktalarında (21 Mart

ilkbahar ekinoksu (K), 22 Eylül sonbahar ekinoksu (K)) deklinsayon açısı sıfır olur

ve gün dönümü noktalarında (21 Haziran yaz gündönümünde 23.45⁰ ve 22 Aralık kış

gündönümünde -23.45⁰) mutlak değerce maksimum olur. Deklinasyon açısının yıl

boyunca değişimi Şekil 2.4’de görülmektedir. Dünyanın güneş etrafındaki dönmesi

bir yılda (365 günde) tamamlanmadığından deklinasyon açısı aynı bir günde seneden

seneye çok az değişirse de pratik olarak belirli bir günde sabit kabul edilebilir.

Deklinasyon açısının belirli bir yıldaki tam değerleri yıllıklarda verilir. Tablo 2.9’de

deklinasyon açısının değişik yıllarda aynı günlerdeki değerleri görülmektedir.

Deklinasyon açısı, n, 1 Ocaktan itibaren gün sayısı olmak üzere

(

) (2.15)

ampirik Cooper (1969) formülü ile büyük bir doğrulukta bulunabilir. Lunde (1980)

ise (2.15) denklemi yerine deklinasyon açısının

(

) (2.16)

denklemi ile daha doğru hesaplanacağını ileri sürmektedir. Yine Tablo 2.9’de her iki

denklemle her ayın 1 i için hesaplanan değerlerde görülmektedir. Deklinasyon

açısının hesaplanabileceği başka ampirik denklemlerde vardır.

Tablo 2.9 Deklinasyon açısının ölçülen ve hesaplanan değerleri

ÖLÇÜLEN HESAPLANAN

1950

Coffari(1977)

1976

Thekaekara (1977)

(2.15)

denk.

(2.16)

denk.

Ocak -23,07 -23,09 -23,01 -22,84

Şubat -17,32 -17,4 -17,52 -17,07

Mart -7,88 -7,62 -8,29 -7,81

Nisan 4,23 4,51 4,02 4,35

Mayıs 14,83 15,04 14,9 15,04

Haziran 21,97 22,04 22,04 22,04

Temmuz 23,17 23,12 23,12 23,15

Ağustos 18,14 18,04 17,91 18,12

Eylül 8,58 8,32 7,72 8,17

Ekim -2,53 -3,15 -4,22 -3,57

Kasım -14,11 -14,4 -15,36 -14,73

Aralık -21,41 -21,79 -22,11 -21,76

44

Çoğu zaman aylık ortalama deklinasyon açısına ihtiyaç duyulur. Her ayın

belirli bir gününde aynı denklemlerle hesaplanan deklinsayon açısı iyi bir yaklaşımla

aylık ortalama değerleri verir. Genellikle güneş ışınımı hesapları, bir ayın bütün

günleri yerine, aylık ortalama değeri için, ortalama deklinsayon açısına tekabül eden

günde yapılır. Bunun içinde aylık ortalama deklinsayon açısının bilinmesi gerekir.

Her iki denklem için ortalama güne tekabül eden günler, gün sayıları ve

ortalama deklinasyon açıları Tablo 2.10’de verilmiştir.

Tablo 2.10 Aylık ortalama deklinasyon açısını veren günler

(2.15) denk. için (2.16) denk. için

gün n δ gün n δ

Ocak 17 17 -20,92 17 17 -20,57

Şubat 16 47 -13,29 15 46 -12,8

Mart 16 75 -2,42 17 76 -1,59

Nisan 15 105 9,41 15 105 9,66

Mayıs 15 135 18,79 15 135 18,85

Haziran 11 162 23,09 11 162 23,08

Temmuz 17 198 21,18 18 199 21,12

Ağustos 16 228 13,45 17 229 13,46

Eylül 15 258 2,22 15 258 2,78

Ekim 15 288 -9,6 15 288 -8,93

Kasım 14 318 -18,91 14 318 -18,37

Aralık 10 344 -23,05 12 346 -23

2.3.1.2 Türetilen Güneş Açıları:

Yatay ve eğik bir düzleme gelen güneş ışınımının hesaplanmasında düzlemle

ve güneş ışınlarının doğrultusu ile ilgili açılardan yararlanılır. Zenit açısı (z), güneş

yükseklik açısı (y), güneş azimut açısı ( ) gibi açılara türetilen güneş açıları

denilmektedir.

Zenit açısı, ( ): Direkt güneş ışınlarının (güneşin doğrultusunun) yatay düzlemin

normali ile yaptığı açıdır (Şekil 2.4). Diğer bir deyişle güneş ışınlarının yatay

düzleme geliş açısıdır. Yatay düzleme güneş ışınları dik geldiği zaman =0⁰ dir

(güneş zenitte iken) ve güneşin doğuşunda ve batışında =90⁰ olur. Şekil 2.5’de

yatay koordinat sisteminde de zenit açısı ayrıca gösterilmiştir.

45

Güneş yükseklik açısı, ( ): Direkt güneş ışınlarının yatay düzlemle yaptığı açıdır.

Açıkça görüldüğü gibi, yükseklik açısı zenit açısını 90⁰ ye tamamlar, böylece sin

=cos olur.

Güneş azimut açısı, ( ): Güneşin doğrultusunun tam bilinmesi için, kutupsal

kordinat sisteminde, azimut açısına da ihtiyaç duyulur. Güneşin azimut açısı burada

güneyden batıya doğru (+), doğu tarafına (-) olarak alınacaktır (Şekil 2.5).

Şekil 2.5 Yatay koordinat sisteminde türetilen Güneş açıları.

Böylece yatay koordinat sistemince zenit (veya yükseklik) açısı ile güneş

doğrultusu tayin edilebilir. Bu bakımdan bu açıların esas güneş açıları cinsinden

bilinmesi gereklidir.

Koordinat sistemi (kutupsal koordinat sistemi), Şekil 2.4’de gök kürede

görüldüğü gibi, ve eksenleri, sıra ile, ekvator düzleminde göz önüne alınan

yerin boylamı doğrultusunda olmak üzere dünyanın merkezinde alınarak bu

bağıntılar kolaylıkla bulunabilir.

Bir yerdeki yatay düzlemin normalinin doğrultu kosinüsleri

ve güneş ışınlarının doğrultu kosinüsleri

olduklarına göre, zenit açısının kosinüsü

46

(2.16)

olarak elde edilir.

Güneş azimut açısının bulunmasında küresel üçgenlerin kullanılması uygun

olur. Böylece

(2.17a)

veya trigonometrik bağıntıları kullanarak

(2.17b)

bulunur. Azimut açısının maksimum mutlak değeri, güneş doğuşunda ve batışında

deklinasyon açısına bağlı olarak 90⁰ civarında 90⁰ den büyük veya küçük olabilir.

Doğru değerlerin bulunmasına ve işaretine dikkat etmelidir.

Güneşin doğduğu ve battığı anlarda ışınlar yatay düzleme paralel gelir.

( =90⁰) ve cos 90⁰=0 olduğunda güneş doğuş (-) ve batış (+) saat açısı ω

(2.18)

denkleminde bulunur. Kutup dairelerinde güneşin batmadığı veya doğmadığı

zamanlarda (-tan ф tan δ) nin mutlak değeri 1 den büyük olur. Kuzey yarımkürede,

deklinasyon açısı negatif ve (-tan ф tan δ) 1 için güneş doğmaz ve, deklinasyon

açısı pozitif ve (-tan ф tan δ) 1 için güneş batmaz.

Gün uzunluğu, | | olduğundan (15⁰ saat açısı 1 saat zamana eşit)

( )

( )

( ) (2.19)

bağıntısından bulunabilir. Gün uzunluğu, ekvatorda (ф=0⁰) daima 12 saat olduğu

gibi δ=0⁰ olduğunda da her yerde 12 saattir. Kuzey yarımkürede deklinasyon açısının

pozitif değerlerinde kuzeye gidildikçe gün uzunluğu artar, deklinasyon açısının

negatif değerlerinde gün uzunluğu azalır.

2.3.1.3 Eğik yüzeyin açıları:

Eğik bir yüzeyin konumu yatay düzlemle yaptığı eğim açısı ( ) ve yüzeyin

normalinin yatay düzlemdeki izdüşümünün güneyden batıya doğru (+) ölçüldüğü

yüzey azimut açısı ( ) ile belirlenir (Şekil 2.6). Eğik düzlemin normalinin yatay

düzleminin normali üzerindeki izdüşümü cos ve yatay düzlem üzerindeki

izdüşümü sin dir. Buna göre, yatay koordinat sistemindeki (xyz) doğrultu

kosinüsleri,

olur. Kutupsal koordinat sisteminde, eğik düzlemin normalinin doğrultu kosinüsleri,

47

elde edilir.

Şekil 2.6 Eğik yüzey açıları

Güneş geliş açısı, : güneş doğrultusunun herhangi bir eğik düzlemin normali ile

yaptığı açıdır. Güneş ışınlarının kutupsal koordinatlara göre doğrultu kosinüsleri

olduğuna göre,

(2.20)

bulunur. Bu son denklemde =0 alınırsa, olur ve (2.17) denklemi elde edilir.

Yüzey azimut açısı =0 alınırsa güneye doğru eğik düzleme güneş ışınımının geliş

açısı

( ) ( ) (2.21)

bulunur. Diğer bir durumda =90⁰ olan dik düzlem için,

(2.22)

ve buradan da güneye bakan dik düzlem için ( =0) için

(2.23)

neticesine varılır.

48

Herhangi bir düzleme güneş ışınlarının ilk gelişi, gün doğuşu veya düzleme

paralel geldiği ilk an, son gelişi ise gün batışı veya paralel geldiği son andır (Şekil

2.7).

Şekil 2.7 Eğik düzleme güneş ışınlarının ilk gelişi ve son düşüşü

Güneş ışınları yüzeye paralel geldiği zaman g=90⁰ olduğundan (2.20) denkleminden

( )

( ) (2.24)

olmak üzere,

yazılabilir. Diğer taraftan alıp

şeklinde tanjant dönüşümü yapılarak elde edilen

( ) ( ) (2.25)

denkleminde

( ) (2.26)

ve son denklemden

(2.27)

çözümleri elde edilir. Böylece güneş ışınlarının yüzeye paralel geldiği saat açıları

olmak üzere

(2.28a)

(2.28b)

olarak bulunur. Güneş ışınının düzleme paralel geldiği güneş doğmadan önce veya

güneş battıktan sonra olabilir. Bu sebeple güneş ışınının eğik düzleme paralel geliş

saat açısı mutlak değerce gün doğuşu saat açısından daha büyükse, ilk geliş saat açısı

49

gün doğuşunda olur. Güneş öğlesinde (ω=0⁰) güneş geliş açısı ın kosinüsü (2.20)

denkleminden

(2.29)

bulunduğuna göre Tablo 2.11’de görüldüğü şekilde herhangi bir düzleme güneş

ışınının ilk geliş ve son düşüş saat açıları özetlenebilir.

Tablo 2.11 Eğik düzleme güneşin ilk geliş ve son düşüş saat açıları

Kuzey yarımkürede güneye bakan (a=0) eğik düzlem için (2.21) denkleminden

[ ( )] (2.30)

bulunur ki, buna göre güneye bakan eğik düzleme güneş ışınının ilk geliş ve son

düşüş saat açıları sırasıyla

( ) ( ) (2.31)

bulunur. Son denklemlerde δ için , ve δ için ,

yani kuzey yarımkürede güneye dönük eğik yüzeye güneş ışını kış

aylarında (δ ) gün doğuşu ve gün batışı arasında, yaz aylarında (δ ) yüzeye

paralel geldiği (gün doğuşu ve gün batışı arasında) zamanlarda gelmekte, eğik

düzleme güneş ışınının gelme süresi δ için

( ( )) (2.32)

ve δ için (2.19) bağıntısından verilen

( )

denkleminden bulunabilmektedir.

Güneş enerjili sistemlerin dizaynında, eğimli yüzeye gelen güneş ışınımı

önemli bir parametredir. Bu parametrenin hesaplanabilmesi için yatay yüzeye gelen

toplam, difüz ve direkt güneş ışınımı değerlerinin bilinmesi gereklidir.

Eğik yüzeye bir günde gelen güneş ışınımı ( );

(2.33)

Burada R faktörü, eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye

gelen toplam güneş ışınımına oranıdır. Liu ve Jordan tarafından difüz ve yansıyan

50

güneş ışınımı fonksiyonu olarak isotropic bir model geliştirilerek R faktörü aşağıdaki

şekilde tanımlanmıştır:

(

)

( )

( )

(2.34)

Yerin yansıtma oranı ( ), bitki örtüsüne, topografik yapıya ve kar durumuna

bağlı olarak değişir, ortalama 0,2 mertebesindedir. ise eğik düzlemin eğimidir.

faktörü ise yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme gelen

direkt güneş ışınımına oranıdır ve güneye dönük düzlemler için aşağıdaki şekilde

tanımlanır:

( )

( )

(2.35)

Burada;

{

( ( ) )} (2.36)

( ) (2.37)

olmaktadır.

Eğik yüzeye herhangi bir anda gelen toplam güneş ışınımının ( )

hesaplanması için aşağıdaki yöntem izlenir:

(2.38)

Burada;

(

)

( )

( )

(2.39)

olmaktadır. faktörü yatay düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımının, eğik

düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımına oranıdır. Güneye dönük yüzeyler için

aşağıdaki şekilde tanımlanır.

( ) ( )

(2.40)

Atmosfer Dışı Güneş Işınımı

Atmosfer dışında güneş ışınlarına dik birim alana bütün dalga boylarında bir

anda gelen güneş ışınımının değeri dünya-güneş mesafesi değiştiğinden sabit

değildir. Bunun için ortalama dünya-güneş uzaklığındaki güneş ışınımı değerinin

kullanılması hesaplamalarda kolaylık sağlar. Bu değere güneş sabiti denir. Bu değer

son yıllarda yapılan ölçümler ve hesaplamalar sonucunda %1 hata ile 1367 W/

olarak kabul edilmiştir.

51

Yeryüzüne gelen güneş ışınımı, atmosfer dışına gelen güneş ışınımı miktarına

dayanılarak bulunur. Güneş sabitinin günlere göre düzeltme faktörü (f), n yıl içindeki

gün sayısı (1-365) olmak üzere:

(

)

şeklinde tanımlanır.

Buna göre atmosfer dışında yatay yüzeye bir gün boyunca gelen güneş ışınımı

aşağıdaki eşitlikle hesaplanabilmektedir.

(

) (

)

(2.41)

Burada:

W/ ,

, güneş batış saat açısı (cos tanф tanδ’dan bulunabilir),

Ф, hesaplama yapılan yerin enlem derecesi,

δ, deklinasyon açısı (dünya güneş doğrultusunun yerin ekvator düzlemi ile yaptığı

açı)’dır. Dünya güneş doğrultusu ekvator düzleminin kuzey tarafında ise deklinasyon

açısı pozitif kabul edilir. Deklinasyon açısı Cooper formülü ile hesaplanabilmektedir.

(

) (2.42)

Atmosfer dışında yatay yüzeye belli bir zaman aralığında gelen güneş ışınımı

aşağıdaki eşitlikle tanımlanır. Burada ve tanımlanan zaman aralığındaki saat

açılarıdır( ).

(

) [ ( )

( )

)] (2.43)

Yeryüzüne Ulaşan Güneş Işınımı

Güneş ışınları dünyaya gelirken morötesi, gamma ve x ışınlarını da ihtiva

ederek ulaşır. Fakat dünya atmosferini geçerken zararlı olan bu ışınların çoğu

yutulur. Atmosfer dışına gelen güneş ışınımı atmosferi geçerken atmosferde bulunan

parçacıklar tarafından tutularak azalır. Kalan güneş ışınımı (atmosferik ışınım)

atmosfer içindeki partikül, toz ve havadaki moleküller vasıtasıyla yansımaya uğrar ve

yönünün değişmesi ile saçılır ve binalar, dağlar, su yüzeylerinden yansımaya uğrar.

Güneş ışınımının bu bölümüne difüz güneş ışınımı, doğrudan yeryüzüne ulaşan

kısmına da direkt güneş ışınımı denir.

52

Güneş ışınımının enerji yoğunluğu oldukça düşüktür. Güneşli bir yaz gününde

optimum yöndeki 1 alana gelen enerji miktarı hemen, hemen 1 litre petrolün

verebileceği enerji miktarına eşittir. Bununla beraber yalnız dünyanın kara alanlarına

düşen güneş ışınımı ile elde edilecek enerji miktarı, dünyanın yıllık enerji

tüketiminden yaklaşık 2900 kat daha fazladır.

Güneş Işınımı Ölçümleri

Güneş ışınımı bileşenlerinin ölçümü için çeşitli cihazlar geliştirilmiştir. Bu

cihazlardan direkt, difüz ve yansıyan güneş ışınımı bileşenlerinin tümünü birden

ölçen cihazlara pirradyometre, toplam (direkt ve difüz) güneş ışınımı ölçen cihazlara

ise piranometre adı verilir. Sadece difüz güneş ışınımı ölçülmek isteniyorsa,

piranometrenin üzerine gelen direkt güneş ışınımı ölçer hale getirilir. Direkt güneş

ışınımını ölçmek için pirheliometre denilen cihazlar kullanılmaktadır.

Piranometrelerin çoğu yüzeylerin ışınım, yutma ve yansıtma özelliği dikkate alınarak

geliştirilmiştir. Işınımın düştüğü kısımda biri siyah, diğeri beyaz iki yüzey

bulunmakta, siyah yüzeyin sıcaklığı yutulan ışınım sebebiyle artmakta ve yüzeyler

arasındaki sıcaklık farkı ölçülmektedir.

Türkiye’de Meteoroloji istasyonlarında, toplam güneş ışınımı ölçülmektedir.

Direkt ve difüz güneş ışınım ölçümleri genellikle yapılmamaktadır.

Toplam Güneş Işınımının Hesaplanması

Yatay düzleme gelen toplam güneş ışınımının ölçülmediği bölgelerde, ölçüm

yapılan bölgelerin verileri yardımı ile türetilen eşitlikler kullanılabilmektedir.

Toplam güneş ışınımı bağıntılarında; güneşlenme süresi, izafi nem, atmosferik

basınç, sıcaklık, bulutluluk oranı gibi meteorolojik verilerin biri veya birkaçı

kullanılır. En yaygın olarak kullanılan eşitlik aşağıda verilmektedir.

(2.44)

Burada H, aylık ortalama günlük güneş ışınımı, , aylık ortalama atmosfer

dışı güneş ışınımı, ayrıca (H/ ) oranı bulutluluk indeksi, n, aylık ortalama

güneşlenme süresi, N, ise aylık ortalama gün uzunluğu olarak tanımlanır. Burada a

ve b sabitleri güneş ışınımı ve güneşlenme süresi ölçümlerine dayanılarak

istatistiksel yöntemlerle belirlenmektedir. Sabitler bölgenin iklim durumu, topografik

yapısı ve bitki örtüsüne bağlı olarak değişim göstermektedir. Burada kullanılan

ölçüm değerlerinin, uzun yıllar ortalaması olması gereklidir.

53

Örnek olarak; 1984-1992 yılları arasında Gebze-Kocaeli’de yapılan ölçümler

sonucunda a ve b sabitleri aşağıdaki şekilde saptanmıştır.

a=0,226 b=0,418

Türkiye genelinde yapılan hesaplamalar sonucunda ise a=0,18 ve b=0,62 olarak

bulunmuştur.

Yatay Yüzeye Gelen Difüz Güneş Işınımı

Güneş enerjisi uygulamalarında, özellikle sistem tasarımında, bilinmesi

gereken en önemli parametrelerden biri yatay yüzeye gelen difüz güneş ışınımıdır.

Türkiye genelinde uzun dönemli toplam güneş ışınımı ölçümleri bulunmasına

karşılık, difüz güneş ışınımı ölçümleri yapılmamaktadır. Difüz güneş ışınımı ise eğik

yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanmasında kullanılmaktadır. Yatay yüzeye bir

günde gelen toplam güneş ışınımının (H), atmosfer dışına bir günde delen güneş

ışınımına ( ) oranı bulutluluk faktörü ( ) olarak tanımlanır. Bu parametreler

arasındaki ilişki (korelasyon) aşağıdaki gibi tanımlanmıştır.

(Liu ve Jordan, 1960),

(2.45)

(Page, 1964),

(2.46)

(Iqbal,1978),

(2.47)

(Tuller,1976),

(2.48)

(Vignola ve McDanials,1984),

=1,155-1,388 (2.49)

Eğik yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanmasında, difüz güneş ışınımı ile

ilgili ölçüm değerleri bulunmadığında, yukarıda verilen korelasyonlar

kullanılmaktadır. Bu korelasyonların rastgele kullanılması durumunda, hesaplanan

difüz güneş ışınımının, ölçümdeğerlerinden önemli sapmalar gösterdiği saptanmıştır.

Bundan dolayı, bölgeye en yakın istasyondaki verilere dayanarak türetilmiş

korelasyonlar kullanılmalıdır.

Tubitak-M.A.M. Gebze’de 1984-1992 yılları arasında yapılan ölçümlere

dayanarak aşağıdaki korelasyonlar çıkarılmıştır:

54

(Tırıs,1995),

(2.50)

(2.51)

Ayrıca Gebze’de 1984-1992 yılları arasındaki, saatlik toplam güneş ışınımı ( )

ve difüz güneş ışınımı ( ) verilerin değerlendirilmesi sonucunda aşağıdaki

korelasyon çıkarılmıştır:

(Tırıs,1996),

( aralığında) (2.52)

Burada , saatlik bulutluluk faktörüdür. Yatay yüzeye bir saatte gelen toplam

güneş ışınımının ( ), atmosfer dışına bir saatte gelen güneş ışınımına ( ) oranı olarak

tanımlanır.

2.3.2 İKLİM PARAMETRELERİ

Aktif ve pasif güneş enerjisi uygulamalarında, sistemin verimli

kullanılabilmesi, genel iklimsel koşullara ve güneş ışınımı potansiyeline bağlıdır. Bu

nedenle güneş enerjili sistemlerin tasarımında, enerji dengesinin kurulmasında

iklimsel parametrelerin bilinmesi gereklidir. Özellikle pasif güneş enerjisi

uygulamalarında, iklimsel faktörlerin değişiminden dolayı enerji ihtiyacında değişim

gözlenmektedir. Mevsimlere bağlı olarak pozitif iklimsel faktörlerden yararlanmak

(ısıtma ve aydınlatma için güneş ışınımı, soğutma için rüzgar) negatif iklimsel

parametrelerinin (düşük çevre sıcaklığı ve yüksek rüzgar hızından dolayası ile oluşan

ısı kayıpları, yüksek güneş ışınımından dolayı fazla ısınma ve ışık sorunu) etkisini

azaltmak gerekmektedir.

Dünyanın makroklimatik bölgeleri, iklimsel faktörler yardımıyla

tanımlanmaktadır. Bu faktörler; coğrafi enlem, boylam, hava akımları, atmosferik

basınç ve okyanus akımlarıdır.

Avrupa birliğine dahil ülkeler, dört farklı iklim bölgesine ayrılmıştır.

1. Kuzey Avrupa Sahil İklimi: Kışlar çok soğuk ve düşük güneş ışınımı, yazlar

orta ılık.

2. Merkez Avrupa Sahil İklimi: Kışlar serin ve düşük güneş ışınımı, yazlar ılık.

3. Karasal İklim: Kışlar soğuk ve yüksek güneş ışınımı, yazlar sıcak.

55

4. Güney Avrupa ve Akdeniz İklimi: Kışlar ılık ve yüksek güneş ışınımı, yazlar

sıcak. Türkiye’de bu bölgede değerlendirilebilir.

İklimsel parametrelerin genel karakteristiklerinin belirlenmesinde,

meteorolojik veriler veya istatistiksel eşitlikler yetersiz kalmaktadır. Planlanan

sistemlerde bölgesel ölçümler ve aşağıdaki faktörler dikkate alınmalıdır:

Topografya özellikleri (vadiler, dağlar, ovalar)

Büyük su alanları (nehir, göl, deniz) ve orman alanları

Uzun nehir boyunca sis profilinin artışı

Vadilerin ve dağların eğimindeki rüzgarın değişimi

Kırsal ve kentsel iklimler arasındaki rüzgar hızı ve çevre sıcaklık farkları

Büyük şehirler üzerindeki hava kirliliği

Güneşli ısıtma sistemlerinin enerji dengesi belirlenirken, mikroklimatik

parametreler dikkate alınmamaktadır. Bu parametrelerden bazıları; sistemin

kurulduğu yerin çevresindeki bitki örtüsü, toplam güneş ışınımı miktarı, gölgeleme

ve yansıma yüzdeleri, alıcı ortamlar (pencere, duvar, kolektör), günışığının ulaşan

miktarı ve rüzgar hızının yatay ve düşey bileşenleridir.

Büyük su alanlarının da çevre sıcaklığını birkaç derece düşürdüğü göz önünde

bulundurulmalıdır. Özellikle pasif güneş enerjisi sistemlerinin uygulandığı binaların

çevresinde ve içinde doğal hava sirkülasyonu, uygun dizayn ile doğal ventilasyon

oluşturarak temin edilmeli, binanın çevresindeki gölgeleme etkisi azaltılmalıdır.

Güneş enerjisi uygulamalarındaki en önemli parametre şüphesiz güneş

ışınımının günlük ve mevsimsel değişimidir. Güneşin pozisyonunun değişimi

nedeniyle yıl boyunca kolektör yüzeyine gelen ışınımın belirlenmesi gerekmektedir.

Diğer önemli parametre ise çevre sıcaklığının günlük ve mevsimsel değişimidir.

Güneş kolektörlerindeki ısı kayıpları, kolektör ile çevre sıcaklığı arasındaki

sıcaklık farkının artışı ile fazlalaşmaktadır. Güneş kolektörlerinin verimi, çevre

sıcaklığı ile kolektörün çalışma sıcaklığı arasındaki farkın ve güneş ışınımının

fonksiyonudur. Bölgenin rüzgar hızı, güneş kolektörlerinin enerji dengesini de

etkilemektedir. Örtüsüz güneş kolektörlerinde ve yetersiz izolasyon durumunda

rüzgardan dolayı iletimle ısı kaybı büyük olmaktadır.

56

Güneş Işınımı

Bir yüzeye gelen güneş ışınımı, güneşin pozisyonu ve coğrafik enlem derecesi,

bulutluluk vb. faktörler nedeniyle, günden güne, yıldan yıla değişim gösterir. Yatay

yüzeye gelen toplam güneş ışınımını, birinci derecede coğrafik enlem derecesine

bağlı olarak gün uzunluğu etkilemektedir. Dizayn edilecek sistemin sadece yaz

aylarında kullanılması düşünülüyorsa, kolektör eğim açısı; (enlem-15), sadece kış

aylarında kullanılması düşünülüyorsa (enlem+15), yıl boyunca kullanılacak ise

(enlem) derecesine eşit alınmalıdır.

Çevre Sıcaklığı

Yıllık güneş ışınımının değişimi, yıllık çevre sıcaklığı profilini de

etkilemektedir. Gün boyunca hava sıcaklığının değişimi, birinci derecede bulutlar

yardımıyla belirlenir (gün boyunca dünya yüzeyine düşen güneş ışınımının miktarı

bulutluluk miktarı ile değişmektedir).

Çevre sıcaklığı, güneş ışınımı gibi enlem derecesine bağlıdır. Aylık ortalama

dış ortam sıcaklığının değişimi coğrafik alanlara ve olaylara göre değişir. Büyük su

kütleleri, hava sıcaklığını düşürür. Deniz seviyesinden yüksekliğin çevre sıcaklığının

üzerinde önemli bir etkisi vardır. Genel bir kurala göre; deniz seviyesinden her 1000

m yükseklikte çevre sıcaklığında 6,5 K lik bir düşüş olmaktadır. Ayrıca hava

sıcaklığı, yöresel koşullara bağlı olmaktadır. Örneğin, kış aylarında şehir dışı, şehir

merkezine göre 2 ile 4 K arasında daha yüksek değerler almaktadır. Yaz mevsiminde

ise yollar veya binaların bulunduğu alanlar, yeşillik alanlara göre 8-10 K daha

fazladır.

Rüzgar

Bir yerin rüzgar durumu, rüzgar yönü ve hızı ile tanımlanır. Gün boyunca

rüzgar hızının değişimi, genellikle çevre sıcaklığı veya güneş ışınımının

değişiminden daha azdır. Farklı yüksekliklerde rüzgar hızı değişim göstermektedir.

Bu değişime neden olan faktörler:

Bölgenin topografyası ve yapay rüzgar kesiciler (binalar v.b.)

Yüzeydeki pürüzlülük (bitkiler v.b.)

Sıcaklık ve basınç farkı

olarak sıralanabilir.

57

2.4.GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ

2.4.1 GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE İLGİLİ TANIMLAR

Güneş ışınımı ile bir akışkanın sıcaklığının artmasını sağlayan gereçlere “güneş

toplayıcıları (kolektörü)” adı verilir. En basit anlamda, bir yüzeye düşen güneş

ışınlarından bir kısmı yüzey tarafından yutulur ve akışkana doğru iletim ve taşınımla

ısı geçişi olurken, dış yüzeyden de çevreye, yüzey sıcaklığına ve ısı taşınım

katsayısına bağlı olarak taşınımla ısı geçişi olur. Yutulan ışınımla çevreye olan ısı

kaybının farkı faydalanılan güneş enerjisidir ve ısıtılarak istenen akışkana geçer.(11)

Düzlemsel ve vakum tüplü kolektörler evsel sıcak su temininde ve yardımcı

ısıtma kaynağı olarak 20 yıldır kullanılmaktadır. Avrupa pazarında yıllık olarak 0,5

milyon kollektör üretilmekte ve bu pazar sürekli büyümektedir. Türkiye’de de

benzeri durum yaşanmaktadır ve yıllık 200 000 ’lık düzlemsel kolektör

üretimine ulaşılmıştır.

Buna paralel olarak üretici sayılarında da artış söz konusudur. Güneş enerjili su

ısıtma sistemleri konusunda uzmanlaşmış küçük firmalara artan sayıda büyük

firmalar yeni ürünleriyle katılmaktadır. Avrupa’da düzlemsel kolektörler de ek

olarak, değişik tipte asal gaz kullanan vakum tüplü ürünler de piyasaya

sunulmaktadır. Modül ebadı 1,5 ile 8 arasında değişmektedir. Pazar eğilimi

daha büyük ebatlara doğru yönelmektedir. Bunların temel avantajı, daha düşük

sayıda boru bağlantısı gerekliliği ve kenar alanının düşük olması nedeniyle daha

düşük ısı kaybı oluşmasıdır.

Uygulama alanlarına bağlı olarak farklı tiplerde geliştirilen güneş kolektörleri Şekil

2.8’de verilmektedir. Kolektörlerin çalışma sıcaklığı yükseldikçe, optik verim ve ısı

kayıp katsayısında (dizayna bağlı olarak) düşme gözlenmektedir.

58

Şekil 2.8 Farklı kollektör tiplerinin uygulama alanları ve çalışma parametreleri

Optik Performans

İki farklı kolektör tasarımı için güneş ışınımının kolektör üzerinde izlediği yol

Şekil 2.9’de gösterilmektedir. Kolektör üzerine düşen güneş ışınımı, başta yansıma

ve iletim kayıplarından dolayı azalmaya uğrar. Daha sonra yutucu yüzeye çarpar ve

bir kısmı yutulur, kalan kısmı yansır. Bu şekilde birçok yansıma meydana gelebilir.

Böylece, geçirgenlik ve yutma oranlarının çarpımından ( ), %1 ile %5 kadar daha

fazla olan bir parametre; efektif geçirgenlik-yutma çarpımı ( ) tanımlanabilir.

Yutucu yüzey tarafından yutulan güneş ışınımı ısıya dönüştürülür ve ısı

transfer ortamına aktarılır. Isı transferi, yutucu yüzeyde kullanılan malzemenin

cinsine göre değişim gösterir. Boru ile ısı transferinde kullanılan sıvı arasındaki ısı

transferi temel olarak sıvı hareketlerine (türbülans-laminer akım) bağlı olarak değişir.

Şekil 2.9 Düzlemsel ve vakum tüplü Güneş kolektörlerinde Güneş ışınımının izlediği

yol

59

Güneş ışınımının geliş açısına ( ) bağlı olarak kolektördeki yansıma, yutma ve

geçirgenlik değerleri değişim göstermektedir. Buna bağlı olarak geliş açısı düzeltme

faktörü (IAM), geliş açısındaki kolektörün optik veriminin, normal geliş açısındaki

( ) optik verimine oranı olarak tanımlanmaktadır.

( ) ( )

( ) (2.53)

Şekil 2.10’da güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak, düzlemsel güneş

kolektöründe güneş ışınımının dağılımı görülmektedir.

Şekil 2.10 Kolektör yüzeyine gelen güneş ışınımının geliş açısına bağlı olarak

dağılımı

Güneş kolektörlerinin geometrisine ve bileşenlerine bağlı olarak, güneş

ışınımının dağılımı değişim göstermektedir. Şekil 2.11’de farklı geometrilere sahip

güneş kolektörlerinin geliş açısı ile geliş açısı düzeltme faktörü arasındaki değişimi

görülmektedir.

Şekil 2.11 Farklı Güneş kollektörlerinde geliş açısı düzeltme faktörünün değişimi; a)

Düzlemsel Güneş Kollektörü, b) Vakum Tüplü Kollektör, c)Parabolik Toplayıcı

Vakum Tüplü Kollektör

Güneş kolektörlerinde üç tip referans alan tanımlanır:

Yutucu alan : Güneş ışınımının yutulup, ısıya dönüştürüldüğü alanın tamamıdır.

Giriş Alanı : Yoğunlaştırılmamış güneş ışınımlarının kolektöre ulaşırken içinden

geçtiği en büyük iz düşüm alanıdır.

Brüt Alan : Kolektörün varsa, tespit malzemesi ile birlikte tamamının iz düşüm

alanıdır.

60

Şekil 2.12 Farklı Kolektörler İçin Alan Tanımları:

a) Düzlemsel güneş kolektörü

b) Vakum tüplü kolektör

c) Parabolik toplayıcılı vakum tüplü kollektör

2.4.2 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ

Şekil 2.13 Düzlemsel Güneş Kolektörü

Şekil 2.13’da tipik bir düzlemsel güneş kolektörü görülmektedir. Güneş ışını

ilk olarak saydam örtü üzerine gelir. Oradan da absorplama özelliği yüksek olan

siyah renkli kısma yansıdığı zaman, bu enerjinin büyük bir kısmı plaka tarafından

absorblanır ve ondan sonra akışkan tüpe transfer edilerek ya kullanılmak ya da depo

edilmek üzere saklanır. Yutucu plaka ve kasanın yan tarafları ve yutucu tabakanın alt

kısmı, iletim kayıplarını azaltmak için iyice yalıtılmıştır. Akışkan tüpler, yutucu

tabakanın ayrılmaz birer parçası olarak kabul edilebilir. Akışkan tüpler, büyük çaplı

tüplerle her iki uçtan bağlıdır.(10)

Saydam örtünün amacı, güneş ışınımını içeri alıp çevreye olan ısı kayıplarını

azaltmaktadır. Özellikle rüzgarlı bölgelerde taşınılma olan ısı kaybı çok fazladır ve

saydam örtü kullanılmaması halinde, yutucu yüzey ile çevre arasındaki ısı taşınım

katsayısı çok büyük olacağından faydalı ışınım azalır. Saydam örtü taşınımla çevreye

olan ısı kaybını önlediği gibi yutucu yüzeyi yağmur, dolu ve toz gibi dış etkilerde de

korur.(11)

61

Düzlemsel güneş kolektörleri genellikle kalıcı pozisyonda sabittir ve güneşi

takip etmesine gerek yoktur. Kolektörler, kuzey yarımkürede güneye bakan ve güney

yarım kürede kuzeye bakan yani doğrudan ekvatora doğru odaklayıcı olmalıdırlar.

Kolektörün optimum eğim açısı uygulamaya göre 10-15 daha fazla veya daha az açı

ile bölgenin enlemine eşittir.(12)

Bir düzlemsel plaka genellikle aşağıdaki kısımlardan oluşur.

Şekil 2.14 Düzlemsel Plakanın Bölümleri

Glazing; (cam) Bir veya daha fazla cam katmanından oluşan kollektör örtüsü.

Taşınımla çevreye olan ısı kaybını azaltır.

Tubes, fins or passages; (tüpler, paletler veya geçirgenler) Direkt veya doğrudan sıvı

akışkana giriş ve çıkışta ısı transferini sağlar.

Absorber plates; (yutucu plaka) Toplayıcılarda güneş ışınımını yutan ve ısıyı,

borulardaki akışkana aktaran kısımdır.

Header or manifolds; (başlık) Akışkanın alımının ve boşaltımının yapılmasını sağlar.

İnsulation; (yalıtım) Kolektörün arka ve yan kısımlarındaki ısı kayıplarını minimize

eder.

Container or casing; (kap veya kasa) Söz konusu bileşenleri çevreleyen ve onları toz

ve nemden arınmış tutan kısımdır.

Birçok farklı malzemeden çeşitli tasarımları yapılmıştır. Onlar su, antifiriz

katkılı su gibi sıvıları ısıtmak ya da havayı ısıtmak için kullanılmıştır. En büyük

amacı, mümkün olduğu kadar düşük maliyette güneş enerjisini toplamaktır.

Kollektör ayrıca uzun ömürlü olmalı, güneşin ultraviyole radyasyonunun,

korozyonun olumsuz etkilerine rağmen, asidite nedeniyle tıkanma, ısı transfer

62

sıvısının sert veya alkalite olması, suyun donması, yada cam üzerinde nem veya toz

birikimi, ısıl genleşme nedeniyle camda kırılma gibi nedenlere dayanıklı olmalıdır.

Sertleştirilmiş cam kullanılarak bu gibi nedenleri en aza indirebiliriz.(10)

Kolektör Örtüsü

Kolektör örtüsü, taşınımla çevreye olan ısı kaybını azaltmasının yanında,

kolektöre güneş ışınımının girişinin sağlanması ve yutucu yüzeyin yağmur, dolu ve

toz gibi sış etkenlerden de korunması görevini de yerine getirir. Kullanılan saydam

örtünün; kısa dalga boylu güneş ışınımını geçirme oranı büyük (ısı kazancı büyük),

yutucu levhadan yayılan uzun dalga boylu ışınımlarının dışarı çıkmaması içinde uzun

dalga boylu ışınımları geçirme oranının küçük olması istenir. Ayrıca kullanılan örtü

malzemesi yüksek geçirgenlik oranına sahip olmalı, yutma ve yansıtma oranları

minimum tutulmalıdır. Kolektör örtüsü olarak genellikle cam veya plastik esaslı

malzemeler kullanılmaktadır. Camın avantajı, optik ve mekanik özelliklerinin uzun

dönem kararlılığıdır. Plastik malzemeler ise cama göre daha dayanıklı ve

elastiklerdir. Ancak çizilmeye ve aşınmaya karşı relatif olarak daha düşük

dirençlidirler ve hava koşullarından çabuk etkilenebilirler.

Kolektör örtü malzemelerinin optik özelliklerinin dışında, mekanik özellikleri de test

edilmelidir. Dolu hasarı ve kar yüküne direnci belirlenmelidir. Yüksek miktarlarda

kar yağışının olduğu bölgelerde, minimum 30 lik eğim açısı tavsiye edilir. Kar

yüksek eğim açısı yardımıyla kolektörün üzerinden atılabilir.

Gelen güneş ışınımının bir fonksiyonu olan yansıma, geçirgenlik ve yutma değerleri

örtü malzemesinin kalınlığına, kırılma indisine ve azaltma katsayısına bağlı olarak

değişir. Güneş ışınımı kolektör örtüsü üzerine düştüğü zaman yüzey tarafından bir

kısmı yansıtılır, bir kısmı yutulur ve büyük bir kısmı ise geçirilir. Belirli bir dalga

boyunda gelen ışınım için cismin yansıtma (r), yutma (α) ve geçirme ( ) oranlarının

toplamı 1’dir.

(2.54)

Yüzeyin Yansıtma Oranı

Kırma indisi olan ortamda ilerleyen ışınım, kırma indisi olan bir ortama

geldiğinde, gelen ışınımın bir kısmı geliş açısına bağlı olarak yansıtılır, diğer kısmı

ikinci ortama geçer. Ara yüzeye gelen ışınım geliş açısı ve kırılma açısı olmak

üzere polarize olan ışınımın dik ve yatay bileşenlerinin yansıtılma oranları, Fresnel

eşitliğine göre, aşağıdaki formülle tanımlanır:

Polarize olmuş ışınımın yatay bileşeni;

63

( )

( ) (2.55)

Polarize olmuş ışınımın dik bileşeni;

( )

( ) (2.56)

Yüzeydeki ortalama yansıtma oranı;

( ) (2.57)

şeklinde yazılır.

Gelen ışınımın yüzey normali ile yaptığı açılar Şekil 2.15’de görüldüğü gibi sırasıyla

ve ’dır. Bu açılar Snell kanunu ile verilen birinci ortamın kırılma indisi ,

ikinci ortamın indisi ile ilişkilidir.

(2.58)

Şekil 2.15 İki farklı kırılma indisine sahip bir yüzeyden gelen, yansıyan ve geçen ışın

arasındaki ilişki

Işın yüzeye dik (normal açıda) geldiği zaman yüzeyin yansıtma oranı;

( )

(

)

(2.59)

Birinci ortam hava ise eşitlik (2.59) aşağıdaki şekilde düzenlenebilir (havanın kırılma

indisi alınır):

( )

(

)

(2.60)

Yüzeyin Geçirme Oranı

Güneş enerjisi uygulamalarında, kolektör örtüsünün geçirgenliğinin yüksek

olması verimi arttıran parametrelerden biridir. Şekil 2.16’dan yutuculuk özelliği

olmayan bir tabakada geçirgenlik ve yansıma arasındaki ilişki görülmektedir.

64

Şekil 2.16 Yutucu olmayan örtüde geçirgenlik

Tek kolektör örtüsünün olduğu durumdaki geçirgenlik;

(

) (2.61)

şeklinde yazılabilir. Aynı eşitlik N adet kolektör örtüsü için düzenlenirse;

[

( )

( ) ] (2.62)

olur.

Düzlemsel güneş kolektörlerinde kullanılan cam örtünün geçirme oranı, güneş

ışınımının geliş açısı büyüdükçe, 50 ye kadar çok yavaş daha sonra hızla

azalmaktadır.

Şekil 2.17’de cam örtü sayısı ve güneş ışınımının geliş açısına göre cam

örtünün geçirgenliğinin değişimi görülmektedir. Örtü malzemesinin sayısı arttıkça,

kolektörde ısı kayıpları ve alabileceği güneş ışınımı azalır.

Şekil 2.17 Kırılma indisi 1,526 olan 1,2,3 ve 4 katlı cam örtüde geçirgenliğin Güneş

ışınımının geliş açısı ile değişimi

Camda güneş ışınımının yutulması, öncelikle camın içerdiği demir oksit

( ) oranına bağlıdır. Şekil 2.18’de 6 mm kalınlığındaki değişik oranlarda demir

oksit içeren camların, ışınımın (normal geliş açısına göre) dalga boyuna bağlı olarak

geçirgenliğinin değişimi görülmektedir.

65

Fazla demir içeren camlar, kenarlarından bakıldığında daha yeşil görünür. Demir

oksit miktarı düşük olan camlar, kolektör verimliliğini yükseltir.

Şekil 2.18 Işınımın normal geliş açısında 6 mm kalınlığında farklı oranlarda demir

oksit içeren camların geçirgenliğinin dalga boyuna göre değişimi

Yüzeyin Yutma Oranı

Gelen güneş ışınımı, saydam örtünün giriş yüzeyinde yani hava-cam ara

yüzeyinde yansıtılmaz, bu yüzeyden geçerken ışınımın bir kısmı yutulur. Bu yutulan

miktar aşağıda verilen Bouguer kanunu kullanılarak hesaplanabilir:

(2.63)

Burada I: Gelen ışınımın şiddeti, (W/ ),

X: Işınımın direkt geldiğinde aldığı mesafe (m),

K: Malzemenin ışınım azaltma katsayısı (l/m) olarak tanımlanmıştır.

Eşitlik (2.63), L kalınlığındaki bir ortam boyunca integre edilirse, yutma miktarına

göre geçirgenlik;

(

) (2.64)

olarak hesaplanmaktadır.

Saydam Örtünün Optik Özellikleri

Tek saydam örtünün geçirme, yutma, yansıtma oranının hesaplanabilmesi için

öncelikle polarize edilmiş ışınların paralel ve dik bileşenlerine göre tanımlanan

geçirgenliğinin, yansımanın ve yutma miktarının bulunması gerekir. Ancak,

literatürde, kolektörler de kullanılan saydam örtü malzemeleri için hesaplanan değer

ile polarize edilmiş ışının dik bileşeni için hesaplanan değerler benzerlik

66

göstermektedir. Bundan dolayı örtünün optik özellikleri hesaplanırken, polarize

edilmiş ışınların dik bileşeni için hesaplanan geçirgenlik ( ), yansıma ( ) ve

yutma ( ) değerleri kullanılmaktadır:

( )

( )

(

( ) ) (2.65)

( )

( ) ( ) (2.66)

( ) (

) (2.67)

Eşitlik (2.61), tek örtülü sistem için basitleştirilerek yazılırsa, geçirgenlik miktarı;

(2.68)

Eşitlik (2.67), güneş kolektörleri örtü malzemelerinin ortalama absorpsiyon miktarı

için yaklaşık olarak yazılırsa, yutma miktarı;

(2.69)

olur.

Tek saydam örtü için yansıma miktarı; eşitliği ile hesaplanabilir.

Ayrıca aşağıdaki eşitlikte kullanılabilir:

( ) (2.70)

Yutucu Yüzey

Güneş kolektörlerinin en önemli kısmını yutucu yüzey oluşturmaktadır.

Kolektörün verimi, yutucu yüzey kaplamasına, geometrisine ve yüzey için seçilen

malzemenin özelliğine bağlı olarak değişir. Bu yüzey, sıvılı düzlemsel güneş

kolektörlerinde, bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, saç, plastik vb. ısıl iletkenliği

uygun herhangi bir malzemeden imal edilebilir. Akışkan kanalları, roll-bond,

ekstrüzyon, presleme veya benzeri işlemlerden biri ile doğrudan plaka içinde,

üstünde veya altında meydana getirilebilir.

Saydam kolektör örtüyü geçerek yutucu yüzeye gelen ışınımın büyük bir kısmı

yüzey tarafından yutulur ve geri kalan kısmı yansıtılır. Yansıtılan ışınım saydam

örtünün alt kısmına gelir ve bir kısmı yeniden yüzeye yansıtılırken bir kısmı saydam

örtüye geçer ve bu olay Şekil 2.19’da görüldüğü gibi devam eder.

67

Şekil 2.19 Yutucu yüzeye gelen ışınım yutulması ve yansıması

Yutucu yüzey tarafından yutulan ışınım kesri;

( ) ∑ [( ) ]

( )

(2.71)

elde edilir. Burada; ( ) değerine kolektörün optik verimi veya yutma ve geçirme

çarpımı denilmektedir. yutucu yüzeyin ışınım yutma oranı ve ise saydam

örtünün, yutucu yüzeyden yansıtılan ışınımı yansıtma oranıdır.

Yutucu Yüzey Kaplamaları

Güneş kolektörlerinin verimini artıran en önemli parametre yutucu yüzeye

uygulanan kaplamanın özelliğidir. Yutucu yüzey kaplamalarının görevi güneş

ışınımının mümkün olduğu kadar yutması ve ısıya dönüştürülmesidir. Yutucu yüzey

kaplaması olarak siyah mat boya ve seçici yüzey kaplamaları kullanılır.

Siyah Boya

Siyah mat boyanın güneş ışınımını yutma miktarı (%90-98) yüksektir. Buna

karşılık, yayıcılığı da çok yüksek (%85-92) boyutlardadır. Siyah boya olarak

genellikle polyester, akrilik ve epoksi reçine esaslı mat boyalar kullanılır. Mat siyah

boyalarda kullanılan dolgu malzemeleri ve bağlayıcılardaki organik kökler, yüzeyin

seçici özelliklerini tahrip etmektedir. Dolayısıyla boyalar, yalnızca atmosferik

şartlara karşı koruyucu olmaktadır.

Boyalarda pigment malzemesi, kuruma sırasında polimerize olan organik bir

yapıştırıcı ve boya filminin kolay sürülmesini sağlayan çözücülerden oluşur. Kuruma

sırasında çözücü uçar ve pigment yapıştırıcı 0,025 mm – 0,0075 mm kalınlığında bir

film oluşturur. Yapıştırıcının uzun ömürlü ve çalışan sıcaklıklara dayanıklı olması

istenir. Güneş enerjisi uygulamalarında yüksek performans gösteren böyle bir

yapıştırıcı satılmaktadır. Siyah pigment olarak genellikle karbon siyahı

kullanılmaktadır. Karbon siyahı, renk, ucuzluk ve dayanıklılık açısından birçok

avantajlara sahiptir. Bunlar, güneş ışınımını iyi yutmasına karşılık, boya filminin

seçicilik özelliği taşımamasından dolayı yayma oranları da yüksektir (

).

Boyalar 0,0013 – 0,0025 mm kalınlığındaki çok ince filmler şeklinde

sürüldüklerinde güneş ışınımını iyi absorbe eder, bunun yanında ısıl ışınıma karşı

saydam bir malzeme gibi davranırlar. Böyle bir yüzey parlak alüminyum üzerine

kaplanırsa, pigment malzemesinin yüksek yutma özelliği, alüminyumun düşük

yayma özelliği ile birleşerek seçici yüzey türünde bir davranış gösterir. Bunların en

68

iyileri krom, bakır, demir, mangan’ın kalsine oksitlerinin karışımı şeklinde

oluşturulmuştur. Elde edilen en iyi optik değerler olarak

verilmektedir. Bu tür boyaların, bu incelikte sürülmesi de ayrı bir uygulama sorunu

teşkil etmektedir.

Seçici Yüzey Kaplamaları

Seçici yüzey çalışmalarındaki temel amaç, kısa dalga boylu ışınımın tamamına

yakının yutulması, buna karşılık uzun dalga boylu ışınım yayıcılığının en aza

indirilmesidir. Böylece plakanın sıcaklığı daha fazla artırılarak, akışkana daha fazla

ısı iletimi sağlanır. Seçici yüzeyler sıcaklık yükselmesinde daha az ışınım yayarlar,

dolayısıyla kolektör verimi yükselir.

Güneş kolektörlerinde, toplam enerji kazancını artırmak iki yolla mümkün olabilir:

3 ’den büyük dalga boylarında ışınımı yansıtan kaplamaya sahip bir cam

örtü kullanılması (böylece yutucu yüzeyden yayılan ışınım aynı yüzeye geri

gönderilir).

Isıl yayınımı düşük olan bir seçici yüzey kaplaması.

Seçici yüzey kaplamaları, 0,3 – 2,5 spektrum aralığında %90’ın üzerinde

yutuculuk ve 2,5 – 50 infrared bölgede %10 civarında yayıcılık özelliği gösterir.

seçici yüzey olarak siyah nikel, siyah krom, siyah bakır, siyah demir, kobalt oksit

kullanılmaktadır. Yutucu kaplamalar üç sınıfa ayrılırlar:

Seçici kaplamalar

Yarı seçici kaplamalar

Seçici olmayan kaplamalar 0

Seçici yüzeyleri hazırlamak için, sputtering, kimyasal buhar depozisyonu,

metal spreyi, kimyasal oksidasyon ve elektroliz gibi çeşitli teknikler kullanılır. Bu

teknikler arasında, elektroliz işlemi, gerekse ekonomik olması nedeniyle yaygın

olarak kullanılmaktadır.

Kolektör Kasası

Kolektör kasası olarak alüminyum, paslanmaz çelik, galvenize çelik, plastik ve

tahta gibi değişik malzemeler kullanılmaktadır. Kullanılan malzemeye göre, gövde

tasarımı değişiklik gösterir. Birçok modül kolektör ekstrüze alüminyum profilden

yapılmıştır. Ekstrüze alüminyum profil hafitir, modül boyutlarında mümkün olan en

yüksek esnekliğe sahiptir. Daha karmaşık şekiller profile entegre edilebilir.

Maliyetleri de oldukça düşüktür. Galvanize veya paslanmaz çelik uygulamalı

69

gövdelerin kullanımıyla ağırlığı oldukça yüksek kasalar elde edilmektedir. Kasa

yalıtkanın ıslanmasını önleyebilecek sızdırmazlıkta olmalıdır. Özellikle kolektör giriş

ve çıkışlarında kasanın tam sızdırmazlığı sağlanmalıdır. Yapımda kullanılan

malzemelerin ısıl genleşmeleri dikkate alınarak boyutlandırılmalıdır.

Yalıtım Malzemeleri

Yalıtım malzemesi olarak cam yünü, taş yünü, poliüretan köpük veya levha

kullanılmaktadır. Cam yünü veya taş yünü kullanılması durumunda dış gaz akımı

incelenmelidir. Mineral yünlerin bağlayıcı malzemelerden çıkan gazlar gereken

tedbir alınmazsa saydam örtüye birikebilir.

Kasanın yan yüzleri ve arkasındaki yalıtım, cam yünü ise sırasıyla 20 – 50 mm

ve 50 – 100 mm, poliüretan levha ise 8,5 cm, poliüretan köpük ise en az 9,5 cm

alınmalıdır. Ayrıca yutucu plaka ile arka yalıtım arasında 1 – 2 cm boşluk bırakılarak

yalıtımın yutucu plakaya bakan kısmı alüminyum folyo ile kaplanarak uzun dalga

boylu ışınları plakaya geri dönüşü ve yalıtımın sızdırmazlığı sağlanmalıdır.

Conta malzemeleri

Değişik amaçlarla çeşitli conta malzemeleri kullanılmaktadır. Kolektör için en iyi bir

conta, kolektörün ömrünü uzatan en önemli faktörlerden biridir. Düşük kalitedeki

conta malzemeleri kolektörlerin erken bozulmasında etkilidir.

Isı transfer akışkanı giriş ve çıkışta kullanılan contalar: Geniş sıcaklık bölgesi (-

20 C - 200 C)’nde kullanılan kolektörlerde, giriş ve çıkışta conta malzemelerine

büyük gereksinim vardır. Contaların bir bölümü hava şartlarından etkilenir.

Gövde profil köşelerinin contalanması: Gövde profil köşeleri plastik macunla

contalanır. Bu contalar uzun vadede su geçirmezliğini sağlamalıdır.

Arka duvarların contalanması: Gövdenin arka duvar bağlantısından kaynaklanan

hatalar kontrol edilemeyen infiltrasyona ve yüksek ısı kayıplarına neden olmaktadır.

Bazı hava şartlarında, gövde profili hatalarından dolayı kolektöre su girebilmektedir.

2.4.3 VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ

Bu tip kolektörlerin başlıca özellikleri:

Kolektör her zaman cam tüp grubundan oluşur.

Tüp içinde yapılan vakum işlemi ile konveksiyon ve kondüksiyon yolu ile

olabilecek ısı kayıpları azaltılır.

70

Kullanılan camlar vakum nedeniyle oluşan basınç farkına dayanabilecek

mukavemettedir.

Bağlantı borularının tüpe bağlanabilmesi için bir veya iki manifold bulunur.

Vakum tüplü kolektörler ısı transferi metodlarına göre iki temel gruba ayrılır.

Isı transferinin borular aracılığıyla direkt akışkana iletildiği sistemlerdir.

Isı borulu sistemler.

Isı borulu güneş kolektörlerinde, yutucu yüzey ısındığında, çalışma ortamı (su,

alkol) buharlaşır. Bu akışkan vakum tüp dışındaki kondensere yükselir ve ısısını

transfer ettikten sonra geri akar. Isı borusunun çalışabilmesi için kolektör tüp

aksamının en az 20 eğimle yerleştirilmesi gerekir. Isı borulu güneş kolektörünün

avantajı ilk çevrimde maksimum durgunluk (stagnasyon) sıcaklığına ulaşmasıdır.

Çalışma ortamına ve basınca bağlı olarak, absorber içeriğinin tümünün buharlaşma

sıcaklığına ulaşması mümkündür. Bu sıcaklık 130 150 C arasında değişir. Bu

nedenle glikol temelli ısı transfer akışkanlarının bozulma tehlikesi yoktur (etilen

glikol be propilen glikol için maksimum çalışma sıcaklığı > 170 C). Tüplü kolektör

direkt dolaşımla 300 C ye kadar yükselen sıcaklıklara ulaşabilir. Bu tip kolektörlerde

aşırı ısınmayı önleyecek ek koruma bulunması gerekmektedir. Evsel sıcak su

devrelerinde vakum tüplü kolektörlerin kullanımda, kolektörün maksimum

sıcaklığını 100 C’de sınırlamak önemlidir.

Yutucu Yüzey

Vakum tüplü güneş kolektörlerinde iki tip absorber yüzey kullanılmaktadır.

U şekilli borulu (kanatlı),

Koaksial borulu (kanatlı).

İki tipinde avantaj ve dezavantajları vardır. U şekilli borular vakum contalı ve iki

çıkışlı olup, daha yüksek verimlidir. Koaksiyal borular ucuz ve basittir.

Vakum tüplü kolektörün performansında, optikal özellikler, özellikle yüzeyin

yayıcılığı çok önemlidir. Bu tip kolektörlerden ısı kaybı genellikle, yutucu yüzeyden

yayılan IR ışınımdan kaynaklanmaktadır. Yutucu yüzey olarak –Ni pigmentli

alüminyum oksitin emisitivitesinin yüksek olması nedeniyle ( ) –

genellikle siyah krom kullanılır. Siyah krom kaplamalar ara katman olarak nikel

tabakaya sahip olduğundan %8’lik minimum yayıcılığa sahiptir. Bazı üreticiler ara

katmandaki nikel tabakayı ihmal ederek, yayıcılığı %5’e kadar düşürebilmektedirler.

71

Buna karşılık, bu kaplamanın kullanım ömrü düşmekte ve bazı uygulamalarda

kullanılamamaktadır.

Cam Tüpler

Vakum tüplü kolektörlerin üretiminde cam tüplerin iyi optik özelliklere ve

mekanik stabiliteye sahip olması ön şarttır. Kullanılacak cam tüplerin çapına göre

malzeme seçimi yapılır. Cam tüp çapı 100 mm ya da daha büyük olduğunda;

borasilikat camlar kullanılabilir. Bu tüp camlar, yüksek mekanik ve termal stabiliteye

sahip olduğundan dolayı kolektör tüpleri darbe ve ısıl şoklara dayanıklıdır. Optik

özellikleri demir içermeyen camlara yakındır. Dezavantajı fiyatının yüksek

olmasıdır.

Cam tüp çapı 50 mm olduğunda ise cam tüpler, demir içermeyen camlardan

yapılmıştır. Mekanik stabilitesi orta seviyededir. Şoklara maruz kalacak ortamlarda

kullanılması uygun değildir. Avantajı ise fiyatının düşük olmasıdır.

Bağlantılar ve Ekler

Düzlemsel güneş kolektörlerine göre bu tip kolektörlerde bağlantılar ve ekler

daha yüksek ısıl gerilimlerle karşılaşırlar. Silikon lastik tüplerin kullanım imkanı

yoktur. 300 C ye kadar yükselebilen durgunluk sıcaklıklarında, çelik ya da bakır

esnek boruların uygulanması tek çözümdür.

2.4.4 HAVALI GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ

Havalı güneş kolektörleri, yutucu yüzey ile çalışma akışkanı hava yardımıyla

güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Yutucu yüzeye gelen güneş

ışınlarının büyük bir kısmı yutulur ve taşınımla sistemde dolaştırılan çalışma

akışkanı havaya aktarılır. Kolektörden elde edilen yararlı ısı; kolektörden geçirilen

çalışma akışkanının giriş ve çıkış entalpileri farkına eşittir.

Havalı güneş kolektörleri, farklı tasarımlarda üretilmektedir. Yutucu yüzey

olarak kanatçıklı metal levhalar, V-şekli verilmiş metaller, düz metal levhalar,

içinden çalışma akışkanın geçtiği ağ şeklindeki malzemeler ile yarılmış ve açılmış

metaller, sentetik ve doğal kürkler kullanılmaktadır. Ayrıca birden fazla yutucu

yüzey kullanılması da mümkündür. Kolektör üzerine metal veya plastik elek şeklinde

ikinci bir yutucu yüzey yerleştirilmesi gibi değişik modeller geliştirilmiştir.

72

Havalı güneş kolektörlerinde, gelen güneş ışınımını yüksek oranda geçiren

buna karşın kolektörden çevreye taşınımla ısı transferine ve uzun dalga boylu ışınım

geçişine engel olan levha veya film türünde saydam malzemeler kullanılır.

Havalı güneş kolektörlerinde, yutucu yüzey ile çalışma akışkanı arasında ısı

transfer katsayısı küçük olduğundan, seçilen malzemenin (ısı transfer alanı / hacim)

oranının büyük olması gerekmektedir. Bu şekilde ısı transfer alanı artacağından

çalışma akışkanına aktarılan enerji miktarı da artar. Yutucu yüzeyin pürüzlü olması

ısı transferinde artışa neden olur. Pürüzlülük ısıl verimi olumlu yünde etkilerken,

kolektörde oluşacak basınç kaybını dolayısıyla fan gücünü artırır.

Havalı güneş kolektörleri, tarımsal ürünlerin kurutulması, bina ve seraların

ısıtılmasında kullanılmaktadır.

2.5. GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİNİN ISIL ANALİZİ

2.5.1 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN ISIL ANALİZİ

Kolektör yüzeyine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüden yansır, bir

kısmı yutulur ve geri kalan kısmı yutucu yüzeye ulaşır. Yutucu yüzeye gelen

ışınımın, bir kısmı taşıyıcı akışkana geçerken, bir kısmı ise yüzeyde depolanır, geri

kalan kısmı çevreye kaybolmaktadır.

Kolektörlerde meydana gelen ısı kayıpları çok sayıda değişkene bağlıdır. Güneş

ışınımı şiddeti, çevre sıcaklığı, rüzgar hızı, kolektörün konstrüksiyonu, saydam örtü

özellikleri, yutucu yüzeyin ışınım yutma, yayma değeri, ısı iletim katsayısı, kalınlığı,

yalıtım malzemesinin cinsi ve kalınlığı bu değişkenlerden bazılarıdır. Tüm

değişkenler göz önünde tutularak kolektörün ısıl analizi yapılmaktadır.

Kolektör üzerinde enerji akışı iki bölümde tanımlanmaktadır. İlk bölümde

kolektörün optik performansı, ışınım, yansıma ve iletim kayıpları ile yutucu plaka

tarafından yutulan ışınım miktarını kapsar. Kolektörün ısıl performansı ise, ısı

transfer ortamı ile güneş ışınımının ısı transfer ortamına ulaştığı noktadaki ısı

kayıplarını kapsar. Şekil 2.20’ de kolektör’de meydana gelen optik ve ısıl kayıplarla

faydalı ısı arasındaki ilişki görülmektedir.

73

Şekil 2.20 Düzlemsel Güneş kolektöründe optik ve ısıl kayıplar

Uygulama alanına bağlı olarak, kolektörde meydana gelen kayıplar imalat

sırasında azaltılabilmektedir. Optik ve ısıl kayıplar birbirine zıt yönlerde artmaktadır.

Cam örtü ısıl kayıpları azaltmasına karşılık optik kayıpları arttırmaktadır.

Kolektör verim faktörü ( ) ısı transferinin etkisini tanımlar. Fiziksel anlamda

akışkan ile ortam arasındaki sıvı transferi katsayısına oranı olarak tanımlanır. Bu

parametreleri tek başına tanımlamak çok güçtür bundan dolayı her iki parametre,

optik verim ( ) adı altında tanımlanır.

( ) (2.72)

Isıl performans

Kolektör üzerine düşen güneş ışınımının, bir kısmı konveksiyon, kondüksiyon

ve ışınımla kaybolur. Büyün bu kayıplar kolektörün etkin ısıl kaybı değeriyle

tanımlanır. Isıl kayıplar, ortalama yutucu yüzey sıcaklığı ile çevre sıcaklığı

arasındaki farkın artmasıyla büyümektedir. Toplam ısı kayıp katsayısı ( ), yutucu

yüzey sıcaklığı temel alınarak tanımlanmaktadır. Ölçüm zorluğu nedeniyle ortalama

akışkan sıcaklığı, ortalama yutucu yüzey sıcaklığı yerine ısı kayıplarını tanımlamakta

kullanılmaktadır. Ortalama akışkan sıcaklığı akışkan giriş ve çıkış sıcaklıklarının

ortalaması alınarak hesaplanmaktadır. Etkin ısı kayıp katsayısı; kolektör verim

faktörü ile toplam ısı kayıp katsayısı çarpımına eşittir:

(2.73)

Düzlemsel güneş kolektöründen elde edilen yararlı ısı, kararlı hal koşullarında

aşağıdaki eşitlikle tanımlanmaktadır.

[ ( )] (2.74)

Burada S, güneş kolektörü tarafından yutulan güneş ışınımını göstermektedir.

, kolektörün toplam ısı kayıp katsayısı, yutucu yüzey sıcaklığı , çevre

sıcaklığı ve kolektör alanı olarak tanımlanmaktadır.

74

2.5.1.1 Kolektörün Toplam Isı Kayıp Katsayısı ( )

Kolektörde çevreye olan ısı kaybı, kolektörün üst, alt, yan yüzeylerinden olur.

Toplam ısı kayıp katsayısı kolektörün üstü ile taban ve yanlardan olan ısı

kayıplarının toplamıdır.

(2.75)

Üst Isı Kayıp Katsayısı ( )

Kolektör üst yüzeyinden olan toplam ısı kayıp katsayısı, konveksiyon ve ışınım

kayıpları ile meydana gelmektedir. Kolektör üst ısı kayıp katsayısının hesaplanması

için oldukça uzun bir hesaplama yöntemi izlenmektedir. Bu hesaplamalar

basitleştirilerek aşağıdaki eşitlikle tanımlanmıştır.

{

[( )

( )]

}

( )(

)

( )

(2.76)

Burada;

N= Cam örtü sayısı

f= ( )( )

C= ( ) alınır.

e= (

)

Kolektör eğim açısı

Camın yayma katsayısı (0,88)

Yutucu plakanın yayma katsayısı

Çevre sıcaklığı (K)

Ortalama yutucu plaka sıcaklığı (K)

Rüzgar hızı (m/sn)

Stefan- Boltzman sabiti ( ) olmaktadır.

Alt Isı Kayıp Katsayısı ( )

(2.77)

k : Yalıtım malzemesinin ısı iletim katsayısı

: Alt yalıtım malzemesinin kalınlığı olmaktadır.

Yan Isı Kayıp Katsayısı ( )

75

(

) (2.78)

Burada,

c = Kolektör çevresi

h = Kolektörün yan kenar yüksekliği

= Kolektör alanı

= Yan izolasyon kalınlığı olmaktadır.

2.5.1.2 Kolektör Kanat Verimi

Yutucu yüzey sıcaklığı, akışkanın toplayıcıya giriş sıcaklığına, kolektör

yüzeyine gelen güneş ışınımına, kolektör boyutlarına ve yutucu yüzeyde kullanılan

malzeme özelliklerine bağlı olarak değişim gösterir. Akış yönünde ve akışa dik

doğrultuda değişir.

Boruların yutucu levhanın altına yerleştirildiği Şekil 2.21’de verilen güneş

kolektörü kesiti incelendiğinde:

Burada W, boru merkezleri arası uzaklık, , boru iç çapı, D, boru dış çapı,

levha kalınlığı δ, olarak verilmiştir.

Şekil 2.21 Kollektör kanat kesiti

Bir borunun diğerinden bağımsız olduğu ve borular arası levhanın orta

noktasında sıcaklığın maksimum olduğu kabul edilirse, levhanın yarısı ucu yalıtılmış

bir kanat olarak düşünülebilir. Kanat üzerindeki dx kalınlığındaki eleman, sistem

olarak göz önüne alınır ve termodinamiğin 1. Kanunu uygulanırsa;

( ) (

)|

(

)|

(2.79)

Eşitlik (2.79) sınır koşullarında çözüldüğünde, kanat verimi aşağıdaki eşitlikle

hesaplanmaktadır.

[ (

)]

[ (

)]

(2.80)

Burada,

(

)

(2.81)

76

yutucu plakanın ısıl iletkenlik katsayısı

yutucu plakanın kalınlığı olmaktadır.

Kanat verimi, yutucu yüzeyin ısı iletim katsayısına, yutucu yüzeyin kalınlığına ve

borular arasındaki mesafeye bağlı olarak değişir.

2.5.1.3 Kolektör Verim Faktörü

Kolektör verim faktörü; gerçek haldeki faydalı enerjinin yutucu yüzeyin her

noktasının akışkan sıcaklığında olması halindeki faydalı enerjiye oranıdır. Farklı

şekillerde dizayn edilmiş kolektör tipleri için verim faktörü ifadesi değişiklik

gösterir. Bunlar:

Akışkan taşıyıcı boruların yutucu yüzeyin ortasında olduğu durum:

( )

(2.82)

Akışkan taşıyıcı boruların yutucu yüzeyin üstünde olduğu durum:

( )

(2.83)

Akışkan taşıyıcı boruların yutucu yüzeyin altında olduğu durum:

( )

(2.84)

( = Akışkan boru ile yutucu plakayı birleştirmek için kullanılan malzemenin ısı

geçiş katsayısı).

Boru iç yüzeyindeki ısı taşınım katsayısı ( ), akışkanın fiziksel özelliklerine,

sıcaklığına ve akış hızına bağlı olarak değişir. Boru iç yüzeyindeki ısı taşınım

katsayısı, akışkanın laminer (doğal) veya türbülans (zorlanmış) akım olmasına göre

100-1500 W/ K arasında değişir. Sıvının akış rejimi Reynolds sayısı kriter alınarak

belirlenir.

Re ise ( ) ( ) : Laminer akım

Re ise ( ) ( ) : Türbülanslı akım olarak alınır.

Burada;

(

)

(2.85)

(2.86)

77

(2.87)

olarak hesaplanır.

Güneş kolektörünün borularında dolaşan akışkanın debisi m, hızı V, vizkozitesi

, yoğunluğu , özgül ısısı , ısıl iletkenliği k, indisleri ile verilmektedir.

Hesaplamalarda boru içindeki akışkanın ortalama sıcaklığındaki fiziksel değerler

kullanılır.

2.5.1.4 Kolektör Isı Kazanç Faktörü ( ) ve Akış Faktörü ( )

Akışkana geçen faydalı enerji, yutucu yüzey ve akışkan sıcaklığına bağlı olarak

ifade edilebilir. Ayrıca (akışkan sıcaklığının akış doğrultusunda değişmesi ve

ortalama değerinin tahmininin zor olması nedeniyle), kolektör giriş sıcaklığına bağlı

olarak da ifade edilebilir. Kolektör ısı kazanç faktörü; kolektör tarafından toplanan

faydalı enerjinin, yutucu yüzeyin her yerinin akışkanın giriş sıcaklığında olması

durumundaki toplayacağı enerjiye oranı olarak tanımlanır.

[ (

)] (2.88)

Kolektör akış faktörü, kolektör ısı kazanç faktörünün, kolektör verim faktörüne

oranı olarak tanımlanmaktadır:

[ (

)] (2.89)

2.5.1.5 Kolektör Yutucu Yüzeyden Akışkana Geçen Faydalı Enerji ( )

Kararlı hal koşullarında, alanındaki bir kolektörden alınan faydalı enerji,

[ ( )] (2.90)

(

( ) ) (2.91)

Burada, S; kolektör tarafından yutulan güneş ışınımı miktarı, ; akışkanın

kolektöre giriş sıcaklığı, ; camın güneş ışınımını geçirme oranı, ; yutucu plakanın

güneş ışınımını yutma oranı ve ; camın güneş ışınımını yansıtma oranıdır. Bu

değer tek cam için 0,16, çift cam için 0,24 alınabilir.

2.5.1.6 Akışkanın Kolektörden Çıkış Sıcaklığı ( )

Akışkanın giriş sıcaklığı ile çıkış sıcaklığı arasındaki fark, kolektör alanına,

birim alana düşen güneş ışınımına, akışkan debisine ve kolektörden oluşan ısı

kayıplarına bağlı olarak değişmektedir. Aşağıda verilen eşitlikle hesaplanabilir:

( ( ))

(2.92)

78

2.5.1.7 Kolektör Anlık Verimi ( )

Bir düzlemsel güneş kolektörünün anlık verimi, çalışma akışkanından elde

edilen yararlı ısının kolektör üzerine gelen güneş ışınımına oranı olarak tanımlanır.

[ ( ( ))]

(2.93)

Pratikte daha çok günlük ortalama verime gerek duyulur. Bir gün boyunca

toplanan ışınımın kolektör üzerine gelen günlük ışınıma oranı şeklinde tarif edilen

günlük kolektör verimi, anlık verimin pozitif olduğu değerler için aşağıdaki şekilde

yazılabilir.

∫

∫

(2.94)

Burada ve güneşin doğuş ve batış saat açıları veya deneyin başlangıç ve

bitiş zamanları olarak alınabilir.

Kolektör veriminin ortalama akışkan sıcaklığı ile değişiminde, optik kayıplar,

ısıl kayıplar ve kolektörden elde edilen faydalı ısının sıcaklıkla değişimi Şekil

2.22’de görülmektedir. Kolektör optik kayıpları sıcaklıkla değişim göstermezken, ısıl

kayıplar sıcaklık ve güneş ışınımına bağlı olarak değişim gösterir. Farklı güneş

ışınımı miktarlarında, kolektör veriminin ortalama akışkan sıcaklığı ile değişimi

Şekil 2.23’de verilmektedir. Kolektör verimi, güneş ışınımının artışı ile

yükselmektedir.

Şekil 2.22 Optik ve ısıl kayıpların kolektör verimine etkisi

79

Şekil 2.23 Kolektör veriminin Güneş ışınımı ile değişimi

80

3. MATEMATİKSEL MODELLEME

3.1 GÜNEŞ AÇILARININ HESAPLANMASI

Deklinasyon açısı; (δ) Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.

(

) (3.1)

Saat açısı; ( ) Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneşi dünya merkezine

birleştirilen doğrunun, yani güneş ışınlarının belirttiği boylam (güneş boylamı

denilebilir) arasındaki açıdır.

( ) (3.2)

Enlem açısı; (ф) Ekvator düzlemi ile yerden dünyanın merkezine olan radyal çizgi

arasındaki açıdır.

Kuzey kutbu için +90⁰ (K), güney kutbu için -90⁰ (G) olur.

Zenit açısı; ( ) Direkt güneş ışınlarının (güneşin doğrultusunun) yatay düzlemin

normali ile yaptığı açıdır.

(3.3)

Güneş azimut açısı; ( ) Güneşin doğrultusunun tam bilinmesi için, kutupsal

kordinat sisteminde, azimut açısına da ihtiyaç duyulur. Güneşin azimut açısı burada

güneyden batıya doğru (+), doğu tarafına (-) olarak alınacaktır.

(3.4)

Güneş yükseklik açısı, ( ): Direkt güneş ışınlarının yatay düzlemle yaptığı açıdır.

Açıkça görüldüğü gibi, yükseklik açısı zenit açısını 90⁰ ye tamamlar, böylece sin

=cos olur.

Geliş açısı; ( ) Eğik yüzeyin dikeyi ile ışın arasındaki açıdır.

(3.5)

Yatay yüzey için;

Güneye bakan eğik yüzey için;

(3.6)

Güneye bakan dik yüzey için;

81

Bulutluluk oranı; ( )

(3.7)

H= aylık ortalama günlük güneş ışınımı,

= aylık ortalama atmosfer dışı güneş ışınımı,

Atmosfer dışında yatay yüzeye bir gün boyunca gelen güneş ışınımı; ( )

(

) (

)

( ( )) güneş batış saat

açısı.

( =1367 W/ ) güneş sabiti.

( (

)) deklinasyon açısı. (3.8)

Aylık ortalama günlük güneş ışınımı;(H)

(3.9)

Türkiye genelindeki hesaplamalarda a=0,18 b=0,62 bulunmuştur.

= aylık ortalama güneşlenme süresi

N= aylık ortalama gün uzunluğu olarak tanımlanır.

( )

Yatay yüzeye gelen difüz güneş ışınımı; ( )

Bununla ilgili bazı eşitlikler türetilmiştir. Bunlardan bazıları;

(Liu ve Jordan, 1960),

(3.10)

(Page, 1964),

(Iqbal,1978),

(Tuller,1976),

(Vignola ve McDanials,1984),

=1,155-1,388

82

Tubitak-M.A.M. Gebze’de 1984-1992 yılları arasında yapılan ölçümlere

dayanarak aşağıdaki korelasyonlar çıkarılmıştır:

(Tırıs,1995),

(Tırıs,1996),

( aralığında)

( )= Yatay yüzeye bir saatte gelen toplam güneş ışınımı

( )= difüz güneş ışınımı

= saatlik bulutluluk faktörü

( )= atmosfer dışına bir saatte gelen güneş ışınımı

Eğik yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanması; ( )

(3.11)

R= Eğik yüzeye gelen toplam güneş ışınımının, yatay yüzeye gelen toplam güneş

ışınımına oranıdır.

(

)

( )

( )

= yerin yansıtma oranı, ortalama 0,2 mertebesindedir.

= eğik düzlemin eğimi.

= yatay düzleme gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme gelen direkt

güneş ışınımına oranıdır. Güneye dönük düzlemler için;

( )

( )

{

( ( ) )}

( )

Eğik yüzeye herhangi bir anda gelen toplam güneş ışınımının hesaplanması;

( )

(3.12)

( )

( )

( )

83

= yatay düzleme bir anda gelen direkt güneş ışınımının, eğik düzleme bir anda

gelen direkt güneş ışınımına oranıdır. Güneye dönük yüzeyler için;

( ) ( )

saatlik bulutluluk faktörü.

3.2 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRÜ DİZAYNI

Düzlemsel güneş kolektöründen elde edilen yararlı ısı; ( )

[ ( )] (3.13)

Kolektörün toplam ısı kayıp katsayısı; ( )

(3.14)

Üst ısı kayıp katsayısı; ( )

{

[( )

( )]

}

( )(

)

( )

(3.15)

Alt ısı kayıp katsayısı; ( )

(3.16)

Yan ısı kayıp katsayısı; ( )

(

) (3.17)

Kollektör kanat verimi; ( )

[ (

)]

[ (

)]

(

)

(3.18)

Kollektör kanat verim faktörü; ( )

[

[ ( ) ]

]

(3.19)

Kollektör ısı kazanç faktörü ( ) ve akış faktörü ( );

84

[ (

)] (3.20)

[ (

)] (3.21)

Kollektör yutucu yüzeyinden akışkana geçen faydalı enerji; ( )

[ ( )] (

( ) ) (3.22)

Akışkanın kolektörden çıkış sıcaklığı; ( )

( ( ))

(3.23)

Kollektör anlık verimi; ( )

[ ( ( ))]

günlük kolektör verimi;

∫

∫

(3.24)

Ortalama yutucu yüzey sıcaklığı; ( )

( ) (3.25)

3.3 DEPONUN MODELLENMESİ

3.3.1. Analitik Formülasyon

3.3.1.1. Kürenin Katılaşması

Küresel kapsüllerin hareket sınırı davranışı özellikleri tahmin etmek üzere

analizi için tek kapsül ele alınır. Aniden T0 < TL-S sıcaklığına soğutulmuş, dış yüzeyi

𝝵= R koordinatında bulunan PCM’li küresel koordinat sistemi, Şekil 3.1’de

gösterildiği şekilde tanımlanmıştır. Küre, başlangıçta Ti erime noktası

sıcaklığındadır.

Her iki fazdaki geçerli ısı dengesi eşitlikleri:

(

)

(3.26)

(

)

(3.27)

Boyutsuz değişkenler kabul edilir, geçerli denklem, sınır koşulları, başlangıç

koşulları ve ara yüz enerji denge eşitliği boyutsuz biçimde oluşturulur. Boyutsuz

miktarlar:

( )

(3.28)

85

( )

( )

Geçerli eşitliklerin boyutsuz biçimi:

(3.29)

(3.30)

Benzer şekilde, boyutsuz sınır ve başlangıç koşulları:

(1) ( )

(2) ( )

(3) ( ) ( )

(4)

Şekil 3.1 Dairesel Kapsüllü PCM’nin Katılaşma Alanı.

(5) ( )

(6)

( )

Boyutsuz ara yüz enerji eşitliği:

( ( )

( )

)

(3.31)

Burada Ste Stefan numarası olup ( )

olarak tanımlanır.

Geçici terimler ihmal edilerek, Eşitlik (3.29) ve (3.30)’in doğrudan integrali alınarak,

ilgili başlangıç ve sınır koşulları uygulanarak katı ve sıvı fazın sıcaklık dağılım

çözümü elde edilir:

( )

( )

( )

( )

(3.32)

( )

(3.33)

86

Eşitlik (3.32) ve (3.33)’in integrali alınarak, Eşitlik (3.31) ara yüz eşitliğinde yerine

yerleştirilerek ve s (F0 = 0) = 1 başlangıç koşulunun uygulanması sonucunda:

∫

( )

(

)

(3.34)

Yukarıdaki integral β <6,0, β = 6,0 ve β> 6,0 olmak üzere üç durumda

değerlendirilmelidir. Seçilen PCM için β değeri 6,0’dan küçüktür. Bu durumda

toplam katılaşma, kararlı duruma ulaşmadan gerçekleşir. İstisnai β = 6.0 durumunda

toplam katılaşma kararlı durumda, ancak silindir için β = 4,0 ve slab için β = 2,0

durumunda gerçekleşecektir.

β <6,0 için arayüzün geçici konumları:

( )

√

[ (√

) (√

)]

( )

(3.35)

Saf malzemenin katılaşması sırasında, sıvının sıcaklık değişimleri nedeniyle katı-sıvı

arayüzünde ısı akışını arttıran doğal konveksiyona yol açan kaldırma kuvvetleri

ortaya çıkabilir. Doğal konveksiyon önemli etkileri katılaşma oranının azalması ve

katı mikroyapısının değişmesidir (Hanumanth, 1990). Doğal konvektif etkiler arayüz

enerji denkleminde sıvı PCM’nin ısı iletkenliğinin yerine etkili ısı iletkenlik katsayısı

konularak modele dahil edilir.

PCM tarafından açığa çıkarılan boyutsuz kümülatif enerji:

[

( )

√

[ (√

) (√

)]

( )

]

(3.36)

Kapsülün dış yüzeyinde boyutsuz ısı akışı:

|

|

( )

(3.37)

87

3.3.1.2 Kürenin Erimesi

PCM’nin iç kısmındaki erime sorunu eşmerkezli kürelerin içerisinde doğal

konveksiyon sorunu olarak ele alınabilir. Yoğunluk farkı nedeniyle katı faz hareketi

ihmal edilir. Doğal konveksiyon tamamen boşluk genişliği (RaL) karşılığında

Rayleigh sayısına bağlıdır (Chu ve Lee, 1993). Bu sorun, kondüksiyon ısı iletiminin

baskın modu olarak tanımlanarak ve konvektif etkiler sıvının ısı iletkenliği içerisine

eklenerek çözülebilir (Raithby ve Hollands, 1975). PCM’nin etkili ısı iletkenliği

Scanlan ve ekibinin korelasyonundan (1970) elde edilir.

(

)

(3.38)

Burada: keff - Etkili ısı iletkenliği, W/m K; kL - Sıvı PCM’nin ısı iletkenliği.

Boyutsuz formülasyonda ısı üretimi parametresi olan β, Stefan sayısı olan Ste ve

boyutsuz sıcaklık olan ϴL şu şekillerde yeniden tanımlanır:

( )

( )

( )

(3.39)

Boyutsuz ısı eşitliği, sınır ve başlangıç koşulları:

( )

( )

( ) (3.40)

Ara yüz enerji eşitliği:

( )

( )

(3.41)

Burada, γ, karışımdaki sıvının kütle oranının karışımın toplam kütlesine oranıdır.

Boyutsuz arayüz enerji eşitliği:

|

( )

(3.42)

Geçici sıcaklık değişimlerine geçerli eşitlikler çözülerek, sınır ve başlangıç koşulları

uygulanarak ulaşılır. Bu çözüm, Eşitlik (3.42) içerisine yerleştirilerek eritme için

geçici ara yüzü konumu eşitliği şu şekilde elde edilir:

(

)( ) (3.43)

Bu analitik çözüm, konveksiyon, doğal konveksiyon ve ısı üretiminin ısı iletiminin

baskın modu olmasına dayanılarak türetilmiştir.

88

4. BULGULAR VE TARTIŞMA

Bu çalışmada, İstanbul ilinde kurulacak bir gizli ısı depolama sisteminde

kullanılabilecek uygun PCM maddelerinin seçilmesi için gerekli performans ölçütleri

yazılan bir MATLAB programı vasıtasıyla hesaplandı. Çalışmada, PCM maddesi

olarak kullanılan inorganik ve organik maddelerin termofiziksel özellikleri Tablo 4.1

de verilmiştir.

Tablo 4.1 Bazı inorganik ve organik maddelerin termofiziksel özellikleri

Bileşik

Te (ºC) Cp (katı) CP (sıvı) ρk ρs k (W/m.K) h (kJ/kg) I=e

(kJ/kg.K) (kJ/kg.K) (kg/m3) (kg/m3)

(ısıl

iletkenlik)

(gizli erime

ısısı) (k.ρ.cp)1/2

J.m-2

.K-

1.s

-1/2

CaCI2.6H2O 29 1,46 2,13 1800 1560 1,088 190 1690,93

Na2SO4.10H2O 32,5 1,95 3,55 1485 1300 0,544 250 1255,11

Na2CO3.10H2O 33 1,485 2,345 1460 1304 0,75 246,5 1275,18

NaHPO4.12H2O 35 1,7 1,63 1520 1492 0,75 274,22 1392,12

Na2HPO4. 12H2O 36 1,69 1,94 1520 1446 0,514 280 1149,07

Zn(NO3)2.6H2O 36 1,34 1,78 1937 1828 0,464 146,9 1097,43

CaBr2.6H2O 34 0,962 1,046 2194 1956 0,75 115,5 1258,16

Paraffin Wax 32 1,92 3,26 900 830 0,514 251 942,44

n-octadecane C18H38 27,5 2,15 2,18 814 774 0,358 244 791,54

Paraffin C18 28 2,75 2,2 814 774 0,15 244 579,46

Paraffin Wax C25H52 28 2,9 2,1 860 780 0,24 210 773,67

RT-25 26,6 1,413 1,798 785 749 0,19 232 459,07

Glycol(PEG900) 34 2,26 2,26 1200 1100 0,188 150,5 714,04

n-eicosone C20H42 36,4 1,92 2,46 815 780 0,15 247,3 484,48 Suntech P116

Paraffin wax 43 2,95 2,51 818 760 0,24 266 761,02

Na2SiO3. 5H2O 48 3,83 4,57 1450 1280 0,103 267 756,31

Ca(NO3)2.4H2O 45 1,29 1,31 2500 1820 0,75 153 1555,23

1-Tetradecanol 37 1,81 1,72 823 752 0,75 205 1056,99

Capric Asid 30,1 1,95 1,6 893 782 0,75 150,6 1142,81

Lauric Acid 44,2 1,76 2,27 1007 862 0,195 211,6 587,88

Parafin (Mum) 47 2,89 2,51 820 770 0,14 209 576

Na2S2O3.5H2O 48 1,46 2,38 1650 1554 0,14 205 580,74

NaC2H3O2.3H2O 58 2,79 4,57 1450 1280 0,63 267 1596,45

Myristic asid 51,5 2,8 2,42 862 753 0,75 204,5 1345,44

Paraffin 53 53 2,13 2,62 987 795 0,28 164 767,23

Stearic asid 55 2,83 2,38 1080 1150 0,18 186,5 741,72

Palmitic acid 60 1,87 2,73 989 850 0,162 185,4 547,36

89

.

Bu maddelerin program ile elde edilen performans ölçütleri Tablo 4.2 de

gösterilmiştir. Tablo 4.2’deki bazı maddelerimizin Cp değerleri “Prediction of Heat

Capacities of Solid Inorganic Salts from Group Contributions.” , “ The properties of

gases and liquids”, “a review of materials, heat transfer and phase change problem

formulation for latent heat thermal energy storage systems” referanslarıyla

hesaplanmıştır.

Tablo 4.2 PCM ile maddelerinin enerji depolama performans göstergeleri

Bileşik

Panel

verimi

Panelde

aborb.güneş Isı tankın

PCM

kürelerinin PCM'nin Isı depolamada

enerjisinin

depolanma depolama

enerji

depolama

enerji

depolama

kürelerde

ort.

PCM den

faydalanma

Verimi

ort. Hızı

(kw)

kapasitesi

(kJ/dm3)

kapasitesi

(kJ/kg)

erime oranı

(%) oranı (%)

CaCI2.6H2O 0,623 0,945 0,8 96,1 224,2 100 70,9

Na2SO4.10H2O 0,616 0,943 0,789 94,8 285,6 100 75,6

Na2CO3.10H2O 0,609 0,93 0,77 92,5 274,5 100 73,3

NaHPO4.12H2O 0,602 0,928 0,759 91,2 270 89,5 76,2

Na2HPO4. 12H2O 0,595 0,92 0,744 89,4 257,7 82,8 74,2

Zn(NO3)2.6H2O 0,586 0,901 0,718 86,3 174,7 100 66,2

CaBr2.6H2O 0,582 0,888 0,703 84,5 137,9 100 60,4

Paraffin Wax 0,58 0,88 0,695 83,4 314,1 100 57,1

n-octadecane C18H38 0,567 0,889 0,685 82,3 303,4 100 50,6

Paraffin C18 0,571 0,881 0,684 82,1 307,1 100 51,3

Paraffin Wax C25H52 0,565 0,872 0,67 80,5 273,3 100 49,2

RT-25 0,552 0,89 0,668 80,2 283 100 46,5

Glycol(PEG900) 0,565 0,866 0,666 80 207,7 100 52,5

n-eicosone C20H42 0,561 0,852 0,65 78,1 300,1 100 52,7 Suntech P116

Paraffin wax 0,548 0,845 0,629 75,6 307,9 91,4 56,1

Na2SiO3. 5H2O 0,539 0,858 0,629 75,5 139,8 14,3 45,6

Ca(NO3)2.4H2O 0,541 0,848 0,624 75 90,9 39,4 51,3

1-Tetradecanol 0,548 0,831 0,62 74,5 252,7 100 47

Capric Asid 0,544 0,823 0,609 73,2 200,9 100 41,1

Lauric Acid 0,539 0,827 0,606 72,8 223 86,2 51,9

Parafin (Mum) 0,527 0,811 0,581 69,8 221 70 43,7

Na2S2O3.5H2O 0,524 0,81 0,577 69,3 101,7 30,7 41

NaC2H3O2.3H2O 0,515 0,797 0,558 67 83,4 0 30,7

Myristic asid 0,51 0,779 0,54 64,9 129,6 22,4 29,1

Paraffin 53 0,503 0,762 0,521 62,6 87,2 12,7 23,1

Stearic asid 0,504 0,753 0,517 62,1 87,7 77,5 23,7

Palmitic acid 0,491 0,734 0,49 58,8 58,8 0 16,8

90

4.1 PERFORMANS ÖLÇÜTLERİ ÜZERİNE PCM ÖZELLİKLERİNİN

ETKİLERİ

4.1.1Volumetrik ısı kapasitesisin etkisi

İlk olarak, Tablo 4.2 deki performans ölçütlerinin volumetrik hız kapasitesi (I) ile

ilişkisi araştırıldı.

Şekil 4.1 Panel verimi ile I parametresi arasındaki ilişki

Şekil 4.1 de, Panel verimlerine karşılık inorganik ve anorganik maddelerin

volumetrik hız kapasitesine göre değerleri grafik edildi. Bu grafikten volumetrik hız

kapasitesi artınca panel veriminin de arttığı görülmüştür.

Şekil 4.2 Paneldeki absorblanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile I parametresi

arasındaki ilişki

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0 500 1000 1500 2000

Pan

el v

erim

i

I (J.m-2K-1s-1/2)

0.6

0.65

0.7

0.75

0.8

0.85

0.9

0.95

1

1.05

1.1

0 500 1000 1500 2000

Pan

eld

eki a

bs.

gü

neş

en

erjis

inin

d

epo

lan

ma

veri

mi

I (J.m-2K-1s-1/2)

91

Şekil 4.2 de ise paneldeki absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimine

karşılık, volumetrik hız kapasitesi çizildi. Buradan da volumetrik hız kapasitesi

arttıkça lineer olarak paneldeki absorblanan güneş enerjisinin depolanma veriminde

de bir artış meydana geldiği görüldü.

Şekil 4.3 Isı depolama ortalama hızı ile I parametresi arasındaki ilişki

Şekil 4.3 de ise yine aynı şekilde volumetrik hız kapasitesi arttıkça ısı

depolama ortalama hızında da lineer bir artış görülmektedir.

Şekil 4.4 Tankın enerji depolama kapasitesi ile I parametresi arasındaki ilişki

Şekil 4.4 de, tankın enerji depolama kapasitesine karşılık volumetrik hız

kapasitesi çizildiğinde ise lineer bir şekilde doğru orantılı olarak bir artış olduğu

görüldü.

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 500 1000 1500 2000

Isı d

epo

lam

a o

rtal

ama

hız

ı (kw

)

I (J.m-2K-1s-1/2)

10

30

50

70

90

110

130

0 500 1000 1500 2000

Tan

kın

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi

(kJ/

dm

3)

I (J.m-2K-1s-1/2)

92

Şekil 4.5 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile I parametresi arasındaki

ilişki

Şekil 4.5 de ise, PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde ise

volumetrik hız kapasitesi arttıkça zamanla bir düşüş meydana gelmektedir.

Şekil 4.6 PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile I parametresi arasındaki ilişki

Şekil 4.6 da; PCM’ nin kürelerde ortalama erime oranı ise PCM kürelerinin

enerji depolama kapasitesinde olduğu gibi volumetrik hız kapasitesi arttıkça düşmeye

başlamıştır.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 500 1000 1500 2000

PC

M k

üre

leri

nin

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi (

kJ/k

g)

I (J.m-2K-1s-1/2)

0

20

40

60

80

100

120

0 500 1000 1500 2000

PC

M'n

in k

üre

lerd

e o

rt. e

rim

e o

ran

ı (%

)

I (J.m-2K-1s-1/2)

93

Şekil 4.7 Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile I parametresi arasındaki

ilişki

Şekil 4.7 de ise, Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranına

baktığımızda ise volumetrik hız kapasitesi arttıkça arttığı gözlemlendi.

Sistemde volumetrik hız kapasitesi artınca;

1. Panel veriminde artış,

2. Paneldeki absorplanan güneş enerji depolama veriminde artış,

3. Isı depolama ortalama hızında artış,

4. Tankın enerji depolama kapasitesinde artış,

5. PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde azalma,

6. PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında azalma,

7. Isı depolanmada PCM’den faydalanma oranında artış meydana gelmiştir.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 500 1000 1500 2000

Isı

dep

ola

mad

a P

CM

'den

fay

dal

anm

a o

ran

ı (%

)

I (J.m-2K-1s-1/2)

94

4.1.2 Gizli erime ısısının etkisi

Şekil 4.8 Panel verimi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki

Şekil 4.8 de ilk olarak panel verimi üzerine gizli erime ısısının etkisine

baktığımızda, gizli erime ısısı arttıkça panel veriminde bir artış olduğu gözlemlendi.

Şekil 4.9 Panelde absorplanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile gizli erime

ısısı arasındaki ilişki.

Şekil 4.9 da, aynı şekilde gizli erime ısısı arttıkça panelde absorplanan güneş

enerjisinin depolanma veriminde de bir artış olduğu görüldü.

0.3

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

0.75

50 100 150 200 250 300 350

Pan

el v

erim

i

h (kJ/kg)

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

50 100 150 200 250 300 350

Pan

eld

e ab

s. g

ün

eş e

ner

jisin

in

dep

ola

nm

a ve

rim

i

h (kJ/kg)

95

Şekil 4.10 Isı depolama ortalama hızı ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki

Şekil 4.10 da ise ısı depolama ortalama hızına göre inorganik ve organik

maddelerin gizli erime ısıları dikkate alınarak grafik edildi, gizli erime ısısı arttıkça,

ısı depolama ortalama hızında da lineer bir artış olduğu gözlemlendi.

Şekil 4.11 Tankın enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı arasındaki ilişki

Şekil 4.11 de, aynı şekilde gizli erime ısısı arttıkça, tankın enerji depolama

kapasitesinde de bir artış olduğu görülmektedir.

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

50 100 150 200 250 300 350

Isı

dep

ola

ma

ort

. hız

ı (kw

)

h (kJ/kg)

0

20

40

60

80

100

120

50 100 150 200 250 300 350

Tan

kın

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi

(kJ/

dm

3 )

h (kJ/kg)

96

Şekil 4.12 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile gizli erime ısısı arasındaki

ilişki

Şekil 4.12 de, PCM kürelerinin enerji depolama hızı da gizli erime ısısıyla

doğru orantılı olarak artmaktadır.

Şekil 4.13 PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile gizli erime ısısı arasındaki

ilişki

Şekil 4.13 de ise; PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında ise çok az bir lineer

artış görülmektedir.

0

50

100

150

200

250

300

350

50 100 150 200 250 300 350

PC

M k

üre

leri

nin

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi (

kJ/k

g)

h (kJ/kg)

0

20

40

60

80

100

120

50 100 150 200 250 300 350

PC

M'n

in k

üre

lerd

e o

rt. e

rim

e o

ran

ı (%

)

h (kJ/kg)

97

Şekil 4.14 Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile gizli erime ısısı arasındaki

ilişki

Şekil 4.14 de ise ısı depolama da PCM den faydalanma oranına karşılık gizli

erime ısısı grafik edildiğinde ise gizli erime ısısı arttıkça lineer bir artış olduğu

görüldü.

Sistemde gizli erime ısısı artınca;

1. Panel veriminde artış,

2. Paneldeki absorblanan güneş enerjisi depolanma veriminde artış,

3. Isı depolama ortalama hızında artış,

4. Tankın enerji depolama kapasitesinde artış,

5. PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde artış,

6. PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında artış,

7. Isı depolamada PCM’den faydalanma oranında artış meydana gelmiştir.

Daha sonra, Tablo 4.2 deki diğer parametreleri, inorganik ve organik maddelerin Te

sıcaklıklarıyla karşılaştırıldı. Buna göre;

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

50 100 150 200 250 300 350

Isı d

epo

lam

ada

PC

M'd

en f

ayd

alan

ma

ora

nı (

%)

h (kJ/kg)

98

4.1.3 Erime sıcaklığının etkisi

Şekil 4.15 Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

İnorganik ve organik maddelerimizin erime sıcaklıklarının panel verimine

etkisine şekil 9.15 de baktığımızda; sıcaklık arttıkça azalma olduğu görülmektedir.

Buna göre en iyi çalışma sıcaklığı en düşük erime sıcaklığına sahip olan madde

olduğu bu grafikten söylenebilir.

Şekil 4.16 Panelde absorblanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime

sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.16 da ki grafiğimizden ise sıcaklığın artması ile panelde absorplanan

güneş enerjisinin depolanma veriminin düştüğü görülmektedir.

0.35

0.4

0.45

0.5

0.55

0.6

0.65

0.7

10 20 30 40 50 60 70

Pan

el v

erim

i

Te (°C)

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

1.1

1.2

10 20 30 40 50 60 70

Pan

eld

e ab

s. g

ün

eş e

ner

jisin

in

dep

ola

nm

a ve

rim

i

Te (°C)

99

Şekil 4.17 Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.17 de, Isı depolama ortalama hızı da inorganik ve organik maddelerin

erime sıcaklığının artmasıyla birlikte azaldığı görüldü.

Şekil 4.18 Tankın enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.18 de görüldüğü gibi tankın enerji depolama kapasitesi, erime

sıcaklığı değerleri arttıkça lineer bir şekilde azaldı.

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

10 20 30 40 50 60 70

Isı d

epo

lam

a o

rt. h

ızı (

kw)

Te (°C)

10

30

50

70

90

110

130

10 20 30 40 50 60 70

Tan

kın

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi

(kJ/

dm

3 )

Te (°C)

100

Şekil 4.19 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

Şekil 4.19 daki grafiğe baktığımızda ise PCM kürelerinin enerji depolama

kapasitesi yine aynı şekilde inorganik ve organik maddelerin erime sıcaklığı arttıkça

azaldığı görüldü.

Şekil 4.20 PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı ile erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

Şekil 4.20 de, PCM’nin kürelerde ortama erime oranının sıcaklıkla ilişkisine

baktığımızda ise erime sıcaklığı arttıkça PCM’nin kürelerde ortalama erime oranı da

azaldı.

0

50

100

150

200

250

300

350

10 20 30 40 50 60 70

PC

M k

üre

leri

nin

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi (

kJ/k

g)

Te (°C)

0

20

40

60

80

100

120

140

10 20 30 40 50 60 70

PC

M'n

in k

üre

lerd

e o

rt. e

rim

e o

ran

ı (%

)

Te (°C)

101

Şekil 4.21 Isı depolamada PCM den faydalanma oranı ile erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

Şekil 4.21 de ise, ısı depolamada PCM den faydalanma oranı da yine

yukarıdaki grafiklerdeki gibi aynı şekilde erime sıcaklığı arttıkça azalmıştır.

Sistemde inorganik ve organik maddelerin erime sıcaklıkları artınca;

1. Panel veriminde azalma,

2. Paneldeki absorplanan güneş enerjisi depolanma verimin de azalma,

3. Isı depolama ortalama hızın da azalma,

4. Tankın enerji depolama kapasitesinde azalma,

5. PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesin de azalma,

6. PCM’nin kürelerde ortalama erime oranın da azalma,

7. Isı depolamada PCM’den faydalanma oranın da azalma meydana gelmiştir.

Bu sonuçlara göre I (volumetrik hız kapasitesi), Te (inorganik ve organik maddelerin

erime sıcaklıkları) ve h (gizli erime ısısı) ‘ın sistem üzerindeki etkileri incelendi.

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

10 20 30 40 50 60 70

Isı d

epo

lam

ada

PC

M'd

en f

ayd

alan

ma

ora

nı (

%)

Te (°C)

102

4.2 UYGUN KOLEKTÖR ALANININ SEÇİLMESİ

Beş adet benzer maliyeti olan yağ asidi için en uygun kolektör alanının

hesaplaması yapıldı ve değerler Tablo 4.3 deki gibi çıkmıştır.

Tablo 4.3 Farklı alanların performans ölçütlerine etkisi

Panel

verimi

Panelde

aborb.güneş Isı tankın

PCM

kürelerinin PCM'nin Isı depolamada

enerjisinin

depolanma depolama

enerji

depolama

enerji

depolama

kürelerde

ort.

PCM den

faydalanma

verimi

ort. Hızı

(kw)

kapasitesi

(kJ/dm3)

kapasitesi

(kJ/kg)

erime

oranı (%) oranı (%)

Palmitic acid

Ac kolektor alanı

2,74 0,491 0,73 0,49 58,8 58,8 0 16,8

3,42 0,491 0,82 0,63 76,2 101 15,5 22

3,99 0,468 0,82 0,71 84,7 149 41,3 29,2

4,56 0,452 0,82 0,78 93,5 197 65,9 34,8

5,7 0,424 0,82 0,91 109,5 269 100 40,6

Steraic asid

Ac kolektör alanı

2,74 0,517 0,85 0,65 77,5 139 23,6 32,9

3,42 0,492 0,85 0,76 91,6 211 61 42,1

3,99 0,482 0,86 0,86 103,7 264 87,2 46,4

4,25 0,475 0,85 0,9 108,5 284 96,2 47,6

4,56 0,46 0,85 0,94 113,3 295 100 47,5

Lauric acid

Ac kolektör alanı

2 0,565 0,87 0,54 65,1 169 60,5 44,4

2,25 0,56 0,87 0,6 72,4 208 78 48,9

2,5 0,557 0,88 0,66 79,4 240 91,6 51,2

2,65 0,553 0,88 0,69 83,3 255 98 52

2,75 0,542 0,87 0,71 85,3 261 100 52

Myristic acid

Ac kolektör alanı

2,5 0,527 0,85 0,61 72,8 176 44,4 35,3

2,75 0,518 0,85 0,65 78,5 213 61,7 39,5

3 0,512 0,85 0,7 84,5 248 78,4 42,8

3,25 0,509 0,85 0,75 90,3 278 91,2 44,7

3,5 0,493 0,84 0,79 94,6 298 100 45,8

103

Capric acid

Ac kolektör alanı

0,45 0,671 1,29 0,22 26,5 81,4 42,3 46,6

0,5 0,67 1,24 0,23 28,2 92,8 49,8 49,9

0,63 0,666 1,14 0,27 32,5 122 69,3 56,9

0,75 0,67 1,11 0,31 37,6 151 87,8 60,7

1 0,654 1,02 0,38 45,1 174 100 58,2

PCM’ nin kürelerde erime oranı dikkate alınarak, %100 erimenin gerçekleştiği

veriler Tablo 4.4 de görülmektedir.

Tablo 4.4 PCM’nin kürelerde %100 erimenin gerçekleştiği andaki verileri

Bileşikler Te Ac Panel

verimi

Panelde

aborb.güneş Isı tankın

PCM

kürelerinin Isı depolamada

enerjisinin

depolanma depolama

enerji

depolama

enerji

depolama

PCM den

faydalanma

verimi

ort. Hızı

(kw)

kapasitesi

(kJ/dm3)

kapasitesi

(kJ/kg) oranı (%)

Capric acid 30,1 1 0,65 0,999 0,376 45,1 174 58,2

Lauric acid 44,2 2,75 0,54 0,867 0,71 85,3 261 52

Myristic

acid 51,5 3,5

0,49 0,843 0,788 94,6 298 45,8

Stearic acid 55 4,56 0,46 0,848 0,943 113 295 47,5

Palmitic

acid 60 5,7

0,42 0,821 0,912 110 269 40,6

4.2.1 Kolektör alanının etkisi

Tablo 4.4 de sırasıyla kolektör alanına karşılık diğer parametreleri grafik

ettiğimde aşağıdaki grafikler oluşmuştur.

Şekil 4.22 Isı depolama ortalama hızı ile alan arasındaki ilişki

Şekil 4.22 de, ısı depolama ortalama hızına karşılık alan değerlerini grafik

ettiğimde çıkan sonuca baktığımda, genel olarak kolektör alanı arttıkça, ısı depolama

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 1 2 3 4 5 6

Isı d

epo

lam

a o

rtal

ama

hız

ı (kw

)

Ac (m2)

104

ortalama hızı artmıştır. Ama grafikten de görüldüğü üzere 4,56 kolektör

alanından sonra kolektör alanını arttırmaya devam ettiğimde, ısı depolama ortalama

hızı azalmaktadır. Çünkü palmitik asidin erime noktası yüksek olduğu için tanktaki

su 60°C çok geç saatlerde ulaşıyor. Bu da ısı depolama ortalama hızının azalmasına

neden olmuştur.

Şekil 4.23 Tankın enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki

Şekil 4.23 de, Tankın enerji depolama kapasitesine karşılık, kolektör alan

grafiğimize baktığımızda ise, yine belli bir miktara kadar artış gözlendiği ve 4,56

kolektör alan değerinden sonra aynı şekilde azalma gözlenmiştir. Bu da yine

aynı şekilde sıcaklığın 60°C ye çıkmasından dolayı gerçekleştiği söylenebilir.

Şekil 4.24 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile alan arasındaki ilişki

0

20

40

60

80

100

120

0 1 2 3 4 5 6

Tan

kın

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi

(kj/

dm

3 )

Ac (m2)

0

50

100

150

200

250

300

350

0 1 2 3 4 5 6

PC

M k

üre

leri

nin

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi (

kj/k

g)

Ac (m2)

105

Şekil 4.24 de, PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ve kolektör alan

değerlerine göre çizilen grafiğe baktığımızda ise bu grafikten de en iyi çalışma

kolektör alanı 3,5 olarak görülmüştür.

Şekil 4.25 Isı depolamada PCM’lerden faydalanma oranı ile alan arasındaki ilişki

Şekil 4.25 de, Isı depolamada PCM ‘lerden faydalanma oranını kolektör alan

değerlerine göre grafik edildiğinde ise, yukarıdaki grafiklerin tersine alan arttıkça

PCM’lerden faydalanma oranı azalmıştır. Şekil 4.25’e göre en uygun alan 1

seçilmiştir.

4.2.2 Erime sıcaklığının etkisi

Daha sonra alana karşılık yapılan grafikleri aynı şekilde bu sefer Te sıcaklığı

dikkate alınarak yapıldı ve çıkan sonuçlar incelendi.

Şekil 4.26 Alan ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

0

10

20

30

40

50

60

70

0 1 2 3 4 5 6

Isı d

epo

lam

ada

PC

M'le

rden

fay

dal

anm

a o

ran

ı (%

)

Ac (m2)

0

1

2

3

4

5

6

0 10 20 30 40 50 60 70

Ac

(m2 )

Te (°C)

106

Tablo 4.4 deki kolektör alan değerlerine karşılık yağ asitlerinin erime

sıcaklıkları dikkate alınarak yapılan, Şekil 4.26 da ise; sıcaklıkla alanın doğru orantılı

olarak değiştiği gözlemlenmiştir.

Şekil 4.27 Panel verimi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.27 de ise, panel verimine karşılık, yağ asitlerinin erime sıcaklıkları

dikkate alınarak oluşturulmuştur. Burada ise, sıcaklık arttıkça panel veriminde bir

düşüş gözlenmiştir. Yani panel verimiyle yağ asitlerin erime sıcaklıkları arasında bir

ters orantı vardır.

Şekil 4.28 Panelde absorblanan güneş enerjisinin depolanma verimi ile erime

sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.28 de, aynı şekilde yağ asitlerinin erime sıcaklıkları ile panelde

absorplanan güneş enerjisinin depolanma veriminde bir ters orantı olduğu

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0 10 20 30 40 50 60 70

Pan

el v

erim

i

Te (°C)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 10 20 30 40 50 60 70

Pan

eld

e ab

s. g

ün

eş e

ner

jisin

in

dep

ola

nm

a ve

rim

i

Te (°C)

107

görülmüştür. Sıcaklık arttıkça, panelde absoplayacağımız güneş enerjisinin

depolanma verimi azalmıştır.

Şekil 4.29 Isı depolama ortalama hızı ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.29 da ise, ısı depolama ortalama hızına karşılık, yağ asitlerinin erime

sıcaklık değerlerine göre çizilmiştir. Burada ise en iyi ısı depolama ortalama hızına

ulaşılan sıcaklık 55°C olarak görülmüştür. Bu değerden sonra düşüş olmasının

nedeni ise; sistemin bu sıcaklık değerinden sonra daha yüksek sıcaklığa erişmesi çok

zaman almaktadır bu da ısı depolama ortalama hızının düşmesine neden olmuştur.

Şekil 4.30 Tankın enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki ilişki

Şekil 4.30 da ise; yine aynı şekilde ısı depolama ortalama hızıyla aynı olduğu

görüldü. Burada da en iyi enerji depolama kapasitesini en yüksek değerde sağlayan,

sıcaklığı 55°C olan stearic acid görülmüştür.

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

0 10 20 30 40 50 60 70

Isı d

epo

lam

a o

rt. h

ızı (

kw)

Te (°C)

0

20

40

60

80

100

120

0 10 20 30 40 50 60 70

Tan

kın

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi

(kJ/

dm

3)

Te (°C)

108

Şekil 4.31 PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi ile erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

Şekil 4.31 de ise en iyi sonucun 51,5°C olan myristic acidin sağladığı

görülmüştür.

Şekil 4.32 Isı depolamada PCM’den faydalanma oranı ile erime sıcaklığı arasındaki

ilişki

Şekil 4.32 de ısı depolamada PCM ‘lerden faydalanma oranına kaşılık, erime

sıcaklık değerleri dikkate alınarak çizilmiştir. Burada ise sıcaklık ne kadar artarsa

PCM’lerden faydalanma oranı düşmektedir yani ters orantılıdır. Sistemde ne kadar

düşük sıcaklık olursa o kadar iyi olur, yani sistem daha çabuk ısınır böylece daha

fazla PCM’lerden faydalanıp daha fazla ısı depolanabilir.

0

50

100

150

200

250

300

350

0 10 20 30 40 50 60 70

PC

M k

üre

leri

nin

en

erji

dep

ola

ma

kap

asit

esi (

kJ/k

g)

Te (°C)

0

10

20

30

40

50

60

70

0 10 20 30 40 50 60 70

Isı d

epo

lam

ada

PC

M'd

en f

ayd

alan

ma

ora

nı (

%)

Te (°C)

109

Bu sonuçlardan da görüldüğü üzere en iyi yağ asidi erime sıcaklığı 30,1°C

olan capric asittir. Düşük erime sıcaklığı olan bir yağ asidi seçilirse düşük kolektör

alanında yüksek panel verimi sağlanır buda maliyet açısından uygun olur. Diğer bir

şekilde panel verimi yüksek olacak bunun sonucu olarak da panelde absorplanan

güneş enerjisinin depolanma verimi yüksek olacak, aynı şekilde ısı depolamada

PCM’ lerden faydalanma oranı yüksek olacaktır. Bu sebeplerden dolayı, bu 5 yağ

asidinden en uygun olarak capric acidi seçilmiştir.

Bu 5 yağ asidinin birim alan başına PCM kürelerinin enerji depolama

kapasitesi fazla olanı belirlemek için aşağıdaki Tablo 4.5 oluşturuldu. Buradan da en

uygunun capric acid olduğu görülmüştür.

Tablo 4.5 Yağ asitlerinin birim alan başına enerji depolama kapasitesi

BİLEŞİKLER Te

ρk

(kg/m3) m (kg)

PCM kürelerinin

enerji depolama

kapasitesi (kJ/kg) Ac J/m2

Capric acid 30,1 893 251,38 174,2 1 43,79

Lauric acid 44,2 1007 283,47 260,9 2,75 26,9

Myristic acid 51,2 862 242,65 298,4 3,5 20,69

Stearic acid 55 1080 304,02 295,4 4,56 19,7

Palmitic acid 60 989 278,4 269 5,7 13,14

4.3 UYGUN ÇAPIN SEÇİLMESİ

Tablo 4.5’den capric acid seçilip kalsiyum klorür hekza hidrat ( )

ile sistemin hangi çapta daha iyi performans sağladığına bakıldı. Burada

( ) ‘ın seçilme nedeni piyasada en çok kullanılan PCM maddesi

olmasıdır.

110

Tablo 4.6 Capric acid ve kalsiyum klorür hekza hidratın çap değişikleri sonucu elde

edilen veriler

Bileşikler Çap Panel

verimi

Panelde

aborb.güneş Isı tankın

PCM

kürelerinin PCM'nin Isı depolamada

enerjisinin

depolanma depolama

enerji

depolama

enerji

depolama

kürelerde

ort.

PCM den

faydalanma

verimi

ort. Hızı

(kw)

kapasitesi

(kJ/dm3)

kapasitesi

(kJ/kg)

erime

oranı (%) oranı (%)

Capric acid

0,04 0,57 0,88 0,652 78,3 206 100 39,3

0,045 0,57 0,89 0,659 79,1 205 100 39,4

0,05 0,57 0,89 0,662 79,5 204 100 39,4

0,055 0,57 0,89 0,664 79,7 204 100 39,5

0,06 0,57 0,89 0,666 79,7 203 100 39,6

0,065 0,57 0,89 0,667 80,1 203 100 39,6

0,07 0,57 0,89 0,668 80,3 203 100 39,7

0,075 0,57 0,9 0,67 80,5 202 100 39,7

CaCI2.6H2O

0,04 0,63 0,97 0,817 98,2 226 100 70

0,045 0,64 0,97 0,821 98,7 225 100 70,3

0,05 0,64 0,97 0,823 98,8 225 100 70,6

0,055 0,63 0,97 0,824 99 224 100 70,8

0,06 0,63 0,97 0,824 99 224 100 71

0,065 0,63 0,97 0,824 99 223 100 71,1

0,07 0,63 0,97 0,825 99 222 100 71,3

0,075 0,63 0,97 0,824 99 222 100 71,5

Tablo 4.6 ya baktığımızda ise PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesini

dikkate alırsak buna göre en uygun çap 0,04 m olarak seçilmesi uygun görülmüştür.

111

5. SONUÇ

Bu çalışmada İstanbul ili için tasarlanan, güneş enerjisinin gizli ısı ile

depolanmasında kullanılan inorganik ve organik PCM maddelerinin termofizksel

özelliklerinin, sistemdeki parametrelerin performans ölçütleri üzerine etkileri

belirlendi. Buradan çıkan sonuçlara göre volumetrik ısı kapasitesi artınca; panel

veriminde, paneldeki absorplanan güneş enerjisi depolama veriminde, ısı depolama

ortalama hızında, tankın enerji depolama kapasitesinde, ısı depolamada PCM’lerden

faydalanma oranında artış meydana gelmiştir. Gizli erime ısısı artınca; panel

veriminde, paneldeki absorplanan güneş enerjisi depolanma veriminde, ısı depolama

ortalama hızında, tankın enerji depolama kapasitesinde artış, PCM kürelerinin enerji

depolama kapasitesinde artış, PCM’nin kürelerde ortalama erime oranında artış, ısı

depolamada PCM’lerden faydalanma oranında artış meydana gelmiştir. Erime

sıcaklığının etkisine bakıldığında ise; panel veriminde, paneldeki absorblanan güneş

enerjisi depolanma veriminde, ısı depolama ortalama hızında, tankın enerji depolama

kapasitesinde, PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesinde, PCM’nin kürelerde

ortalama erime oranında, ısı depolamada PCM’den faydalanma oranında azalma

meydana gelmiştir.

Bunlar içerisinden seçilen beş adet yağ asidi için uygun kolektör alan

hesaplaması yapıldı. Bu hesaplamaya göre bizim için en uygun PCM maddesi olarak

capric asit seçildi. Çünkü capric asidin %100 erimenin gerçekleştiği zamanki

kolektör alanı 1 m2

olarak çıktı. Buda kolektörümüzün tasarımında maliyet analizi

için önemlidir. Diğer bir neden ise capric asidin birim alan başına enerji depolama

kapasitesi diğer 5 adet yağ asidinden fazla çıktığı için capric asid PCM maddesi

olarak seçilmiştir. Çalışma sıcaklığımızda capric acidin erime sıcaklığını dikkate

aldığımızda 30,1 °C olarak belirlenmiştir.

Daha sonrada günümüzde en çok güneş enerjisi depolama malzemesi olarak

kullanılan kalsiyum klorür hekza hidrat ile capric acid karşılaştırıldı. Bu iki PCM

maddesi için en uygun çapın belirlenmesi yapıldı. Bu çıkan sonuçlara göre PCM

kürelerinin enerji depolama kapasitesine göre kıyasladığımızda en uygun çapımız

0,04 m olarak belirlenmiştir.

Gizli ısı depolama teknolojisinde önemli gelişmeler sağlanmış olmakla

birlikte, ayrıntılı olarak incelenmesi gereken bazı teknik sorunlar bulunmaktadır.

112

Genel olarak gizli ısı depolama kavramını ekonomik bir şekilde uygulanabilir

duruma getirebilmek için, istenildiği gibi giderilemeyen sorunların bazıları aşağıdaki

gibi özetlenebilir:

8. PCM’ler doğası gereği ısı taşıyıcı olarak kullanılamaz.

9. PCM’nin ergime ve katılaşma süresince genleşme gerçekleşebilir.

10. PCM’lerin ısı yayma özelliği genellikle düşük olduğundan, sistemde özel bir

ısı değiştiricisi kullanılması gerekir.

11. PCM’lerin depoda korozyona neden olması durumunda, sistemin etkinliği

azalabilir.

12. Isı geri kazanılması sırasında, ısı değiştirici yüzeyi ile katı durumundaki PCM

arasında, boşluk oluşması veya film katılaşması nedeniyle ısı geçişi azalabilir.

13. Isı geri kazanma durumunda, PCM’nin katılaşması süresince ısı geçişinin

azalmaması için ısı değiştiricilerin tasarımına özen gösterilmelidir.

14. Isı depolama sıcaklığı ortam sıcaklığından önemli düzeyde farklı olduğunda,

PCM’nin özel olarak yalıtılmış depolarda depolanması gerekebilir.

15. Depodan oluşan ısı kayıpları yüzey alanıyla orantılı olduğunda, sistemin

boyutları ısı depolama maliyetinde önemli bir etmendir.

16. PCM’lerin basıları toksik etkilidir ve emniyetle ilgili önlemlerin alınması

gerekir.

17. PCM’ler genellikle pahalıdır.

18. Isı geçişinin önemli düzeyde azalmaması için, korozyonu önleyici kimyasal

katkı maddeleri ve koruyucu kaplama konusunda araştırmalar yapılmalıdır.

19. Çevresel etki değerlendirmesi konusunda ortaya çıkan sorunlarla ilgili

çalışmalar sürdürülmelidir.

113

KAYNAKLAR

(1) Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü Resmi internet sayfası, 2006

nisan erişimi www.eie.gov.tr.

(2) Şen, Z., 2004 “Türkiye’nin Temiz Enerji İmkanları”,Mimar ve Mühendis

Dergisi, Sayı 33.

(3) Türkiye Çevre Vakfı, 2003 “Türkiye’nin Çevre Sorunları 2003”, Ankara.

(4) Becker, M., 1993. Solar Thermal Energy Utilization., Springer Verlag, New

York.

(5) Boyle, G.,2004. Solar Photovoltaics Renewable energy power for a

sustainable future, ed. Oxford University Press, New York, 66-83.

(6) Kılıç, F., Kaya, D.,2007. Energy production, consumption, policies, and

recent developments in Turkey. Renewable & Suistainable Energy Reviews,

11:1312-1320

(7) Tuncay, N.,2003. Enerji ve doğal kaynaklar paneli raporu. TUBİTAK,

Ankara 9-12.

(8) Acaroğlu, M.,2003. Alternatif Enerji Kaynakları. Nobel Yayınevi, Ankara,15.

(9) Duffie, A., J., Beckman W., A., 2006. Solar Engineering of Thermal

Processes. 3rd. ed, Canada.

(10) Soteris A. Kalogirou, 2004. Solar Thermal Collectors and

Applications. Progress in Energy and Combustion Science 231-295.

(11) Kılıç A., Öztürk A., 1983. Güneş enerjisi. İstanbul Teknik

Üniversitesi Makine Fakültesi. Kipaş dağıtımcılık. 2rd.-6rd. Edition. İstanbul.

(12) Kaloqirou, S.,2003. The potential of solar industrial process heat

applications. Appl Energy. 76:337-61.

(13) Muneer T., Maubleu S. Asif M,.2006. Prospects of solar water heating

for textile industry in Pakistan, Renewable and Sustainable Energy Reviews;

10(February (1)):1-23

(14) Randolph J., 2007. Solar Energy, Rosen Publishing Group. Newyork.

(15) Kalogirou Soteris, A.,2004. Solar thermal collectors and applications.

Progress in Energy and Combustion Science. 30 (3): 231-95.

114

(16) Trp , A., 2005. An experimental and numerical investigation of heat

transfer during technical grade parafin melting and solidification in a shell-

and-tube latent thermal energy storage unit. Solar energy, 79, 648-660.

(17) Cengel, Y.A.,2003. Heat Transfer A Pratical Approach (Second

Edition), McGraw-Hill.

(18) Dincer, Đ.,2002. "Thermal energy storage and phase-change

materials", Course on Porous Media, 17-21 Evora, Portugal.

(19) Stephen L.Y.,1996. “Prediction of Heat Capacities of Solid Inorganic

Salts from Group Contributions.” Los Alamos National Laboratorty, Los

Alamos New Mexico 87545.

(20) Bruce E.P., John M.P., John P.O., 2001. “The properties of gases and

liquids” (fifth edition), McGraw-Hill.

115

ÖZGEÇMİŞ

Büşra Altıntaş 1985’te İstanbul’da doğdu. İlk ve orta öğrenimini Eczacıbaşı

İlköğretim Okulunda tamamladı. Lise öğrenimini Kartal Lisesinde tamamladı. Üniversite

öğrenimini 2003-2007 yılları arasında Atatürk Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Kimya

Mühendisliği Bölümünde yaptı. 2008 yılında Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü Kimya

Mühendisliği Proses ve Reaktör Anabilim Dalında Yüksek lisansa başladı.

116

EKLER

EK 1

Sistemin simulasyon modeli

117

EK 2

Sistemin programı:

clear all;

global yer G0 sinT cosT sing cosg sinD cosD sinL cosL tanL T global qsu Lc Hc Wc Ac Ng D DI Ltup W Lb Le Lp Cbond etap etag kb

ke kp ktup C hw f Ube global Vtank Dtank dt hktank Atank Tcev voidf Re1 global dkaps tkaps kkaps yogpcmk Tpcm kpcm Hpcm Nkaps Nkapsx Nkapsr

a1 a2 a3 b1 b2 b3

%% cografi bilgileri

yer.boylam = 28.97; % İstanbul boylam

(28:58: doğu derece) yer.enlem = 41.02; % İstanbul enlem

(41:01 Kuzey derece) yer.yukseklik = 0; % istanbul yükseklik

(km)

%% meterolojik-iklimsel bilgiler (İstanbul haziran ayı)

Tbas = 21+273.2; % gün baslangıc

sıcaklıği C DeltaT = 8; Vr = 2.4; % rüzgar hızı (m/s) Berindeks = 0.74; % atmosferik

berraklık indeksi %% takvim bilgileri

aygunleri= [31,29,31,30,31,30,31,31,30,31,30,31]; aysay = 6; aygun = 21; gunsay = sum(aygunleri(1:aysay-1))+aygun; dt = 1/60; %

saat

%% Kolektor tasarım verileri

T = yer.enlem-20; % Panel yüzeyinin yatayla

yaptığı açı (derece)

BÜTÜN YIL = ENLEM * 0.9 g = 0; % Kuzey-Güney yönünden dönme

açısı

Lc = 2.40; % kolektor boyu m Hc = 0.08; % derinliği m Wc = 1.14; % genişliği m Ac = Lc*Wc; % alanı m2 Ng = 1; % cam kapak sayısı

118

D = .018; % boru dış capı m DI = .016; % iç capı m Ltup= Lc*.9; % uzunluğu m Ntup= 10; W = (Wc-D)/(Ntup-1); % boru merkezleri arası mesafe

Lb = .040; % alt izolasyon kalınlığı m Le = .040; % yan izolasyon kalınlığı m Lp = .0002; % sogurucu plaka kalınlığı m

qsu = 0.05; % su sirkulasyon kütlesel

debisi kg/saniye %% ısı depolama tankı özellikleri Dtank = 0.6; % Tank çapı m Htank = 1.6; % genişliği m Vtank = pi*Dtank^2*Htank/4; % hacmı m3 Atank = pi*Dtank*Htank; % yan alanı m2 hktank = 4; % Tanktan çevreye ısı

transfer katsayısı (W/m2C)

% PCM küre özellikleri dkaps= 0.075; % polietilen kapsül dış çapı m tkaps= 0.001; % kapsul et kalınlığı m kkaps= 0.35; % kapsul ısıl iletkenlik kat W/mK ykaps= 950; % yogunluk

% Lc = 2.40; % kolektor etkin boyu % Hc = 0.08; % yüksekliği m % Wc = 1.14; % genişliği m % Ac = Lc*Wc; % alanı m2 % Ng = 1; % cam kapak sayısı % % D = .018; % boru dış capı

m % DI = .016; % iç capı

m % Ltup= Lc*.9; % uzunluğu

m % Ntup= 10; % W = (Wc-D)/(Ntup-1); % boru merkezleri arası mesafe % % Lb = .040; % alt izolasyon kalınlığı m % Le = .040; % yan izolasyon kalınlığı m % Lp = .0002; % sogurucu plaka kalınlığı m % % qsu = 0.05; % su sirkulasyon kütlesel

debisi kg/saniye % %% ısı depolama tankı özellikleri % Dtank = 0.6; % Tank çapı m % Htank = 1.6; % genişliği m % Vtank = pi*Dtank^2*Htank/4; % hacmı m3 % Atank = pi*Dtank*Htank; % yan alanı m2 % hktank = 4; % Tanktan çevreye ısı

transfer katsayısı (W/m2C) % % % % PCM küre özellikleri

119

% dkaps= 0.040; % polietilen kapsül dış çapı m % tkaps= 0.001; % kapsul et kalınlığı m % kkaps= 0.35; %kapsul ısıl iletkenlik kat W/mK % ykaps= 950; %yogunluk % % *********************** PCM özellikleri

******************************** % % Glober tuzu % yogpcmk=1485; % PCM yog katı kg/m3 % yogpcml=1300; % sıvı % cpcmk=1950; % katı J/kgC % cpcml=3550; % sıvı % Tpcm = 32.5+273.2; % faz değim sıcaklık C % kpcm=0.544; % ısıl iletk kat. W/mK katı % Hpcm=250e+3; % gizli erime ısısı J/kg % ------------------------------------------------------------------

------- % CaCl2.6H2O % yogpcmk=1800; % PCM yog katı kg/m3 % yogpcml=1560; % sıvı % cpcmk=1460; % katı J/kgC % cpcml=2130; % sıvı % Tpcm = 29+273.2; % faz değim noktası C % kpcm=1.088; % W/mK katı % Hpcm=190e+3; % gizli ewrime ısısı J/kg % ------------------------------------------------------------------

------- % palmitic acid % yogpcmk=980; % PCM yog katı kg/m3 % yogpcml=850; % sıvı % cpcmk=1870; % katı J/kgC % cpcml=2730; % sıvı % Tpcm = 60+273.2; % faz değim noktası C % kpcm=0.162; % W/mK katı % Hpcm=185.4e+3; %gizli ewrime ısısı J/kg % steraic acid yogpcmk=1800; % PCM yog katı kg/m3 yogpcml=1560; % sıvı cpcmk=1460; % katı J/kgC cpcml=2130; % sıvı Tpcm = 29+273.2; % faz değim noktası C kpcm=1.088; % W/mK katı Hpcm=190e+3; % gizli ewrime ısısı J/kg

%% malzemelerin optiksel özellikleri

etag = 0.88; % camın yayınım katsayısı taug = 0.89; % camın optik geçirgenliği alfap= 0.88; % sogurucu plakanın sogurma

katsayısı etap = 0.95; % sogurucu plaka yayınım

katsayısı

%% fizikokimyasal-termal veriler

kb = 0.04; % alt yalıtım maddesi ısıl

iletkenlik katsayısı(fiberglas)W/mC

120

ke = 0.04; % yan yalıtım maddesi ısıl

iletkenlik katsayısı kp = 385; % sogurucu plaka ısıl

iletkenlik katsayısı (bakır) ktup = 385; % boru malzemesinin ısıl

iletkenlik katsayısı (bakır) Cbond = 400; % boru bağlayıcı iletkenliği

%% ön hesaplamalar % **************************

kolektor************************************** C = 520*(1-5e-5*T^2); hw = 5.7+3.8*Vr; f = (1+0.089*hw-0.1166*hw*etap)*(1+0.0786*Ng); Ub = kb/Lb; Ue = (ke/Le)*2*Hc*(Wc+Lc)/Ac; Ube = Ub+Ue;

% ***************************** tank

************************************* voidf = 0.4272-4.516e-3*(Dtank/dkaps)+7.881e-

5*(Dtank/dkaps)^2; Vkaps = (1-voidf)*Vtank; Nkaps = round(3*Vkaps/(4*pi*dkaps^3)); Mpcm = Nkaps*4*(dkaps-2*tkaps)^3*yogpcmk/3; % PCM

miktarı kg Mkaps = Nkaps*4*dkaps^3*tkaps*ykaps/3 + Mpcm; Nkapsx = round(Htank/dkaps); Nkapsr = Nkaps/Nkapsx; Re1 = 4*qsu*dkaps/(pi*Dtank^2*voidf);

a1 = Nkapsx*qsu*dt*3600/(voidf*Vtank); a2 = Nkaps*dt*3600/(voidf*Vtank); a3 = hktank*Atank*dt*3600/(voidf*Vtank); b1 = dt*3600*Nkaps/(Mpcm*cpcmk); b2 = dt*3600*Nkaps/(Mpcm*cpcml); b3 = dt*3600*Nkaps/(Mpcm*Hpcm);

% **************** enerji-cografi hesaplamalar

***************************

sinT=sind(T);cosT=cosd(T); sing=sind(g);cosg=cosd(g); sinL=sind(yer.enlem);cosL=cosd(yer.enlem);tanL=tand(yer.enlem);

%% Enerji yükleme % ********************** başlangıc durumu

******************************* [gunesd gunesb gunuz hs DECL] = takvim(gunsay,yer); sinD=sind(DECL); cosD=cosd(DECL); tanD=tand(DECL); G0 = 1367 * (1 + 0.034*cosd(360*(gunsay-3)/365)); T1=Tbas*ones(Nkapsx,1); T1k=T1; kalite=zeros(Nkapsx,1); Totrad=0;Totr=0;Qtot=0; %

********************************************************************

**

121

for t=gunesd:dt:gunesb T0 = T1;T0k=T1k;kalite0=kalite; h = hs*(2*(t-gunesd)/gunuz-1)*pi/180;

% hourangle of sun (radian) G = Berindeks*solar_enerji(h); S = taug*alfap*0.97*G; Tcev = Tbas +DeltaT* sin(pi*(t-gunesd)/gunuz); [Qu T2]=kolektorm(S,Tcev,T1(Nkapsx)); [T1 T1k kalite Qtr]=pcmtank(T0,T0k,T2,kalite0); Totr=Totr+G;Totrad=Totrad+Qu;Qtot=Qtot+Qtr; plot(t,mean(T1)-273,'m--') xlabel(' Günün saati') ylabel(' Sıcaklık C') title('Tank içi(su ve PCM) ve guneş paneli çıkıs

sıcaklıkları') hold all plot(t,mean(T1k)-273,'r-.') plot(t,T2-273,'k-.') if T2< mean(T1), break;end end %

********************************************************************

***** %% Kumulatif enerji hesapları Ttanksu=mean(T1);Tmpcm=mean(T1k); Qd1 = 0.001*Mpcm*((min(Tmpcm,Tpcm)-Tbas)*cpcmk+

mean(kalite)*(Hpcm +(Tmpcm-Tpcm)*cpcml)); Qd2 = 0.001*Vtank*voidf*XSteam('rho_pT',1,Ttanksu-

273)*1000*XSteam('Cp_pT',1,Ttanksu-273)*(Ttanksu-Tbas); Qd = Qd1+Qd2; H1 = 1e-03*Totr*dt*3600*Ac; H2 = 1e-03*Totrad*dt*3600; Qtot= abs(Qtot*Nkapsr*dt*3600/1000);

%% Güneş enerjisi depolama performans kriterleri fprintf(' panel verimi

: %7.3f\n',H2/H1); fprintf(' panelde aborb.guneş enerjisinin tankta depolanma

verimi: %7.3f\n',Qd/H2); fprintf(' ısı depolama ortalama hızı kW

: %7.3f\n',Qd/(gunuz*3600)) fprintf(' ısı tankının enerji depolama kapasitesi kJ/dm3

: %7.1f\n',Qd*0.001/Vtank) fprintf(' PCM kürelerinin enerji depolama kapasitesi kJ/kg

: %7.1f\n',Qtot/Mkaps) fprintf(' PCM nin kürelerde ortalama erime oranı (yüzde)

: %7.1f\n', 100*mean(kalite)) fprintf(' Isı depolamada PCM den faydalanma oranı (yüzde)

: %7.1f\n',100*Qd1/Qd);

%%