1 GÜNEŞ ENERJİSİ 1-GENEL Güneş sonsuz enerji kaynağıdır

GÜNEŞ ENERJİSİ
1-GENEL
Güneş sonsuz enerji kaynağıdır. Bünyesinde hem ısı hem de ışık enerjisi barındırır.
Coğrafî konumu nedeniyle, ülkemiz, güneş enerjisi potansiyeli bakımından diğer birçok
ülkeye göre nispeten daha şanslı durumdadır. Potansiyel belirleme çalışmaları ile
ülkemizin yıllık ortalama ışınım şiddeti 308 cal/cm2-gün (3,6 Kwh/m2-gün) ve yıllık toplam
güneşleme süresinin de 2640 saat olduğu 1997 yılı dünya enerji konseyi Türk Milli
Komitesi raporunda belirtilmiştir.
1.1- Güneş Enerjisinin Tanımı
Güneş, 1.340.000 km çapında, helyum ve hidrojen gazlarından oluşan orta büyüklükte bir
yıldızdır. Çapı, dünya çapından 109 defa daha büyüktür. Yer yüzüne uzaklığı 150.000.000
km (± 2.600.000 km) olup merkez sıcaklığı 20.000.000 ºC, yüzey sıcaklığı 6.000 ºC
civarındadır. Güneşteki bu yüksek sıcaklık nedeni ile elektronlar atom çekirdeklerinden
ayrılır. Bu sebeple güneşte atom ve moleküller değil, serbest elektronlar ve atom
çekirdekleri bulunur. Bu karışıma PLASMA adı verilir. Termonükleer reaksiyon (füzyon)
sonucunda ortaya çıkan bu büyük enerji uzaya çeşitli dalga boylarında ışınımlar olarak
yayılır. Güneşte sadece bir saniyede üretilen enerji insanlığın var olduğu günden bu güne
kadar üretilen toplam enerjiden daha fazladır.
Enerji kaynaklarını çoğunun güneşten türemiş olduğunu söylemek mümkündür. Yaygın
olarak kullanılan fosil yakıtlar, çağlar önce güneşten aldıkları enerji sayesinde
karakteristiklerini özelliklerini değiştirmişler ve bugünkü kullanım şekillerini almışlardır.
Fosil yakıtların bulunmasıyla birlikte kullanımları öyle hızlı bir şekilde artmıştır ki, yakın bir
gelecekte bitirilmeleri söz konusudur. Bu nedenle, enerji ihtiyaçlarımızın büyük bir
bölümünü depolanmış enerji kaynaklarından değil, güneşten elde etmeye çalışmalıyız.
1.2. Güneşin Yapısı
Güneş tamamen yoğun ve çok sıcak gazlardan meydana gelmiş bir küredir ve görülen çapı 1.39x106
km ve dünyadan uzaklığı 1.5x109 km dir. Güneş yaklaşık 4 haftada bir kendi etrafında döner. Bu
dönme katı cisim gibi olmaz, ekvator kısmı 27 günde, kutup bölgesi 30 günde döner. Güneşin
efektif siyah cisim sıcaklığı 5777 K. 1 Güneş merkezindeki sıcaklık ve yoğunluk sırasıyla 8x106 –
40x106 K ve su yoğunluğunun yaklaşık olarak 100 katı şeklinde tahmin edilmektedir. Güneş
aslında bir sürekli füzyon reaktörü gibidir. Güneşteki enerji üretimini açıklayan en önemli füzyon
reaksiyonu hidrojenin helyuma dönüştüğü reaksiyondur. 4 hidrojen protonu birleşerek bir helyum
çekirdeğini oluşturur. 1 helyum çekirdeğinin kütlesi 4 hidrojen protonunun toplam kütlesinden daha
küçüktür. Aradaki kütle farkı enerjiye dönüşür. Güneş çekirdek bölgesinde milyon oC sıcaklık
mertebelerinde üretilen bu enerji önce yüzeye oradan da ışınım yoluyla uzaya iletilmesi gerekir.
Güneş çekirdeğindeki ışınım X ve Gamma ışınları spektrumundadır. Şekil-5.1 de güneşin şematik
yapısı görülmektedir. Bu şemadan da anlaşılacağı gibi üretilen enerjinin % 90’ı yarı çapı 0.23R
olan ve güneş kütlesinin %40’ını oluşturan bir bölgede meydana gelmektedir (burada R güneş
yarıçapıdır). Merkezden 0.7R uzaklığında sıcaklık 130 000 K ve yoğunluk 70 kg/m3 değerlerine
düşmektedir. 0.7R-1.0R aralığında bölgede konveksiyon önem kazanır. Ve bu bölgenin dış
tabakasına fotoküre denir. Fotoküre solar radyasyonun en büyük kaynağıdır. Neşredilen ışınımın
enerji dağılımı 5777 K sıcaklıktaki siyah cismin enerji dağılımına oldukça yakındır.
1
Güneşin yaydığına eşdeğer ışınım enerjisi yayan siyah cismin sıcaklığına efektif siyah cisim sıcaklığı denir.
1
Korona
~106 K
konvektif
bölge
130 000 K
ρ=70 kg/m3
Krom küre
~5000 K
Çekirdek:
8-40x106 K
ρ=105kg/m3
% 40 kütle
%15 hacim
%90 enerji
Soğutucu
gazlar
Fotoküre
~5000 K
10-5 kg/m3
solar
radyasyon
kaynağı
Şekil-5.1 Güneşin Yapısı
1.3. Güneş Sabiti
Dünyanın Güneş etrafında çizdiği yörünge eksantriktir ve aralarındaki uzaklık %1.7 kadar değişir.
Bu mesafe ortalama olarak Şekil-5.2 belirtildiği kadardır. Güneşten neşredilen radyasyon, dünya ile
bu geometrik ilişkisinden dolayı yeryüzü atmosferi öncesinde yaklaşık olarak sabittir. Buna güneş
sabiti denir ve Gsc ile gösterilir. Güneş sabiti, atmosfer öncesinde ışınım doğrultusuna dik birim
alana birim zamanda güneşten gelen enerjidir ve ortalama güneş-dünya mesafesi için değeri Gsc
=1367 W/m2 ‘dir. Dünya güneş mesafesinin yukarıda bahsedildiği gibi değişken olması güneş
sabitinin de günlere göre ± %3 değişmesine neden olur. Bu nedenle yılın n. gününde birim alana dik
gelen atmosfer öncesi radyasyon (güneş sabiti) aşağıdaki gibi hesaplanır;
360n 

(5.1)
Gon = G sc 1 + 0.033 cos

365 

şeklinde hesaplanır. Burada n yılbaşından itibaren gün sayısıdır.
1.2.3. Tanımlar ve Semboller
Direkt Işınım Atmosferde saçılmadan güneşten direkt olarak yer yüzüne gelen ışınımdır (buna
“beam radiation” da denir).
Yayılı Işınım Güneş ışınımının atmosferde saçılarak yön değiştirdikten sonra yeryüzüne ulaşan
kısmıdır (diffuse Radiation).
Yansıyan Işınım Yeryüzü elemanlarından (toprak, çatılar, binalar vs.) yansıyan ışınımdır.
Bazı önemli semboller
G: Birim alana birim zamanda gelen radyasyon akısı [W/m2],
H ve I: Birim alana gelen radyasyon enerjisi [J/m2], belli bir zaman aralığında G’nin integrali
alınarak bulunur. Bu zaman aralığı genellikle saat veya gündür. Eğer bir gün boyunca birim yüzeye
2
Güneş enerjisi dalga boyuna göre enerji dağılımı
Birimler W/m2 dir ve herhangi verilen bir
zamanda dünya girişindeki yüzey üzerine
ortalama gelen enerjiyi göstermektedir
Emisyon
Absorbsiyon
Yansıyan
220
343
89
Gizli ve
Duyulur ısı
20
14
97
154
86
381
344
Tüm Güneş Işınımı Direkt ve yayılı ışınımların toplamına tüm veya global güneş ışınımı denir.
Şekil-5.2 Güneş- dünya ilişkisi
gelen radyasyon enerjisi söz konusu ise H, bir saat boyunca birim yüzeye gelen radyasyon enerjisi
söz konusu ise I sembolleri kullanılır.
Alt indisler G, H ve I sembolleri ile kullanılan alt indislerden o atmosfer öncesi radyasyonu, b
direkt (beam) ışınımı, d yayılı (difüz) ışınımı, T eğik yüzeyi, n ise ışınım doğrultusuna dik yüzeyi
3
gösterir. Eğer yukarıdaki üç sembolle beraber T ve n alt indisleri yoksa o zaman yatay düzleme
gelen radyasyon kastedilmiş olur.
Güneş Zamanı Güneş saati ile yerel saat birbirinden farklıdır. Güneş saati güneşin hareketine göre
ölçülür. Güneş radyasyonu hesaplarında çoğunlukla güneş saati esas alınır. Buna göre güneş zamanı
ile standart saat arasında aşağıdaki ilişki söz konusudur.
(5.2)
GS = MS ± 4(Bs − B y ) + E
Burada GS; güneş saati, MS ülke saati, Bs ve By standart ve yerel boylamı (meridyen), E ise zaman
düzeltme faktörüdür. göstermektedir. Eşitliğin sağ tarafındaki ikinci terim doğu boylamları için (-)
dir. Bilindiği gibi türkiye doğu boylamları içindedir.Türkiye saati içim standart boylam 45o doğu
boylamı olduğuna göre denklem 5.2 aşağıdaki gibi düzenlenebilir.
4
E
(5.3)
GS = TS − (45 − B y ) +
60
60
Burada TS Türkiye saatidir ve dakika cinsinden E aşağıdaki korelasyondan hesaplanır.
 0.000075 + 0.001868 cos B − 0.032077 sin B 

E = 229.2
−
0
.
014615
cos
2
B
−
0
.
04089
sin
2
B


360
B = (n − 1)
365
Burada n gün sayısıdır (1 ocaktan itibaren).
(5.4)
(5.5)
Örnek-5.1 İstanbul’da (By=29oD) 13 Martta Türkiye saati 10:30 için güneş saatini hesaplayınız.
Denklem 5.5 ten B=70.0027 ve E=-10.19 dak. bulunur. Buna göre;
4
(45 − 29) − 10.19 = 9.26 eder. Bu da güneş saati ile 9:16 demektir. Buna göre
60
60
İstanbul için güneş saati ülke saatinden 1 saat 14 dakika geride olmaktadır.
Bu notlarda aksi belirtilmedikçe zaman güneş saati cinsinden alınacaktır.
GS = 10.5 −
1.2.4. Güneş Açıları
Enlem Açısı (Φ): Göz önüne alınan yerin enlemidir.
Deklinasyon Açısı δ( ): Güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Diğer bir ifade ile
güneş ışınlarının dünyaya geliş açılarıdır. Bu açı dünya dönme ekseninin düşeyle yaptığı 23.5o lik
açıdan ileri gelir. Bu açı mutlak değerce iki maksimumdan geçer. Bu maksimumlarda kış ve yaz
gündönümü meydana gelir. Bu açının 0o olduğu yılın iki gününe ise ekinokslar denir.
Ekinokslarda gece ve gündüz bir birine eşit ve 12 saattirler. Sonuç olarak deklinasyon açısı yıl
boyunca değişir ve aşağıdaki gibi hesaplanır.


δ = 23.45 o sin  360
284 + n 

365 
(5.6)
4
Ayın Ortalama Yılın Günü, Deklinasyon
Günü
n
Açısı, δ
Ocak
17
17
-20.92
Şubat
16
47
-13.29
Mart
16
75
-2.42
Nisan
15
105
9.41
Mayıs
15
135
18.79
Haziran
11
162
23.09
Temmuz
17
198
21.18
Ağustos
16
228
13.45
Eylül
15
258
2.22
Ekim
15
288
-9.6
Kasım
14
318
-18.91
Aralık
10
344
-23.05
Aylar
Tablo 1.1 Ortalama deklinasyon açıları
Burada n bir ocaktan itibaren gün sayısıdır. Genellikle güneş ışınımı hesapları bir ayın bütün günleri
yerine, aylık ortalama değerlere göre yapılır. Diğer bir ifadeyle ortalama deklinasyon açısına
tekabül eden günde yapılır. Bu nedenle aylık ortalama deklinasyon açısına ihtiyaç duyulur. Tablo5.1 de ayın ortalama günü, karşılık gelen n değeri ve deklinasyon açısı verilmiştir.
Eğim Açısı (β): Eğik yüzeyin yatayla yaptığı açıdır (Şekil-5.3).
Yüzey azimut a çısıγ):(
Eğik yüzeyin normalinin yatay düzlemdeki izdüşümünün güneyle
doğrultusu ile yaptığı açıdır. (Şekil-5.3). Güneyden batıya doğru (+), doğuya doğru (-) alınır (Şekil5.3).
Saat Açısı (ω): Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneş ışınlarının belirttiği boylam arasındaki
açıdır. Güneş öğlesi ile (saat 12) ilgili zaman arasındaki saat farkının 15 sayısı ile çarpılmasıyla
bulunur. Her 15o saat açısı (boylam farkı) zaman olarak 1 saate tekabül eder. Öğleden önceleri (-),
öğleden sonraları (+) alınır.
Güneş geliş açısı θ):
(
Eğik yüzeye gelen ışın (güneş doğrultusu) ile yüzey normali arasındaki
açıdır.
Şekil-5.3 Güneş açıları
Zenit açısı (θz): Güneş doğrultusu ile yatay düzlemin normali arasındaki açıdır (Şekil-5.3).
5
Güneş yükseklik açısı (α s): Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusu) yatayla yaptığı açıdır.
Güneş azimut açısıγ ( s): Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusu) yatay düzlemdeki
izdüşümünün (projeksiyon) güney doğrultusu ile yaptığı açıdır. (Şekil-5.3) Açı güneyden batıya
doğru ise (+), doğu tarafına ise (-) alınır.
Bir yüzeye güneşin geliş açısı,θ, diğer açılar cinsinden aşağıdaki gibi ifade edilir.
cos θ = sin δ sinφ cosβ
- sinδ cosφ sinβ cosγ
+ cosδ cosφ cosβ cosω
+ cosδ sin φ sin β cos γ cosω
+ cosδ sinβ sinγ sinω
cosθ = cosθ z cosβ + sinθ z sinβ cos(γ s − γ )
(5.8)
Toplam yıllık enerji, GJ/m2-gün
Toplam yıllık enerji, GJ/m2-gün
Toplam yıllık enerji, GJ/m2-gün
ve
(5.7)
Eğim açısı
Yüzey azimut açısı
Şekil-5.5 Optimum eğim ve yüzey açısı
Şekil-5.4 Deklinasyon açısı
Eğim açısıβ olan b ir ğik
e yüzey tam güneye bakıyorsa güneş geliş açısı denklem (5.9) revize
edilerek kuzey yarım küre için güneş geliş açısı aşağıdaki gibi yazılabilir;
(5.13)
cos θ = cos(φ - β) cosδ cosω + sin(φ − β) sinδ
Yine tam güneye (bakan kuzey yarım kürede) eğik düzlem için gün öğlesinde güneş geliş açısı;
θ öğle = φ − δ − β
(5.14)
Eğer eğim açısıβ = 0 ise üneş
g geliş açısı zen it açısın a eşit olu r. Gü
nbatımında iseθ z =90o
olacağından günbatımında saat açısına Günbatımı saat açısı denir, ωs ile gösterilir ve aşağıdaki
gibi hesaplanır;
(5.15)
cosωs = − tan φ tanδ
Güneş doğuşunda ωs (-) ve batışında (+) alınır.
Buna göre Gün uzunluğu aşağıdaki gibi bulunur;
2
N = ωs
15
Burada ωs derece cinsinden yerine konacaktır.
6
(5.16)
1.2.5. Eğik Düzleme Gelen Radyasyon Hesabı
Eğik düzleme gelen güneş ışınımını hesaplamak için atmosfer öncesi birim yatay düzleme gelen
radyasyon, yeryüzünde birim yatay düzleme gelen radyasyon değerlerinin bilinmesi gereklidir.
Ancak hem Atmosfer öncesi radyasyon ve hem de yeryüzü radyasyonu için anlık ve günlük
değerler söz konusudur. Ancak kollektör hesabı yapılırken genellikle günlük radyasyon değerlerinin
her ay için ortalamaları kullanılır. Bu parametre aylık ortalama günlük radyasyon olarak
adlandırılır.
1.2.6. Maksimum Güneş Işınımı Alan Düzlem Eğimi
Açık bir havada direkt güneş ışınımı daima difüz ışınımdan büyüktür, ayrıca gün öğlesindeω( s = 0o)
güneş ışınları daha dik geldiğinden eğik düzleme gelen direkt ışınımın maksimum olduğu eğim
açısını dikkate almak doğru olur. Bu analizde aylık ortalama günlük radyasyonu değilde yalnızca
günlük radyasyonu dikkate almak daha mantıklıdır. Günlük radyasyon için Rb değeri yani eğik
düzleme gelen günlük direkt radyasyonun yatay düzleme gelen günlük direkt radyasyona oranı
denklem (5.23)’e benzer olarak aşağıdaki gibi ifade edilir;
cosθ cos(φ − β) cosδ cosω + sin(φ - β) sinδ
(5.26)
Rb =
=
cosθ z
cosφ cosδ cosω + sinφ sinδ
Rb değerini maksimum yapanβ açısı optimum eğim açısıdı r yani eğik düzlemin gün öğlesinde en
fazla radyasyon almasını sağlayan eğim açısıdır. O halde Rb nin β ya öre
g türevi alınıp sıfıra
eşitlenirse optimum β eğim açısı bulunur.
dR b
= 0 ⇒ [sin(φ - β ) cosδ cosω - cos(φ - β) sinδ][cosφ cosδcosω + sinφ sinδ] = 0
dβ
Bu denklemin sıfır olması için ilk yada ikinci terimden en az birinin sıfır olması gerekir, ikinci
terim içerisinde eğim açısı yer almadığı için birinci köşeli parantez içerisindeki terim sıfıra
eşitlenmelidir. Gün öğlesindeω = 0 olacağından cosω=1 olur ve
(5.27)
β = φ−δ
bulunur. Tablo-5.1 den kış ayları için (Ocak, Şubat, Mart, Ekim, Kasım,Aralık) ortalama
deklinasyon açısı –15o ve yaz ayları için (Nisan, Mayıs, Haziran, Temmuz, Ağustos, Eylül)
ortalama deklinasyon açısı +15o olarak hesaplanır.
Sonuç olarak yaz uygulaması için optimum kollektör eğim açısı
(5.28)
β = φ − 15
ve kış uygulaması için ise
(5.29)
β = φ + 15
olacaktır. Eğer kollektör sabit olacaksa eğim açısı β = φ olarak alınabilir.
Şekil-5.5(a) da sol düşey eksende eğik düzleme bir yıl boyunca gelen tüm radyasyon sağ düşey
eksende kış sezonunda (Aralık, Ocak Şubat, Mart) ayları süresince gelen tüm radyasyon yatay
eksende kollektör eğim açısı görülmektedir. Grafik enlem açısı
φ = 45 o olan bir yerde tam güneye
dönük bir kollektör için çizilmiştir.Görüldüğü üzere bir yıl boyunca maksimum radyasyon alan
eğim açısı yaklaşık olarak 45 o ki bu açı ise β = φ açısına tekabül eder. Sadece kış sezonu boyunca
maksimum radyasyon alan eğim açısı ise 60 o olmaktadır bu ise β = φ + 15 demektir. Ayrıca şekil5.5(b) den görüldüğü üzere maksimum yıllık radyasyon alan eğik yüzeyin yüzey azimut açısı
γ=0
7
o
olmaktadır. Buna göre yukarıda belirtildiği üzere bir kollektörün bir yıl boyunca maksimum
radyasyon enerjisi alması için eğim açısı β = φ ve tam güneye dönük olmalıdır.
Farklı Yaklaşım: S eğim açısı;
Yıllık optimum verim için; S = enlem x 0,9
• 7 aylık kış mevsimi için; S = enlem + 15º
• Kış mevsiminde en soğuk üç ay için; S = enlem + 25º
• Yaz mevsimi için; S = enlem - 25º şeklinde verilmektedir.
Enleme ilave edilen sayısal değerlerin nedeni Zenit açısıdır. Bu açı kışın büyümekte yazın
ise küçülmektedir. İdeal konumdan 15º sapma halinde enerji kayıp oranı %6’dır. Mimari ve
diğer etkenler nedeni ile ideal açı uygulanamazsa enerji kayıpları büyük olmayacaktır.
Örnek-5.6: Yukarıdaki örneği (örnek-5.5) kış uygulaması için yeniden çözünüz.
Veriler: φ ≈ 40o ; Tablo-1.2’den H = 6 MJ/m2 ve H o = 15.3 MJ/m 2 ;
Tablo-5.1’den δ = -20.92o
Çözüm:
6
= 0.392 ;
15.3
ωs<81.4o olduğu için denklem (5.22) den H d = 3.06 MJ/m 2 ; diğer yandan tüm radyasyon
Buna göre denklem (5.15)’denω
s
= 71.29o ve denklem (5.20) den K T =
yayılı ve direkt ışınımın toplamı olduğuna göre; H b = H − H d ve H b = 2.94 MJ/m 2 olarak
bulunur.
Denklem (5.24) den ωs (min) = 95.87o , denklem (5.23) den R b = 2.687 , Tablo-5.3 den
ρ = 0.75 alınarak denklem (5.25) aşağıdaki gibidir;
H T = 7.899 + 2.405 + 0.95 = 11.254 MJ/m 2 olur.
TÜRKİYE’NİN GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ
Türkiye, coğrafi konumu itibarıyla güneş kuşağı içerisinde yer almakta olup, güneş
enerjisinden yararlanma potansiyeli, Doğu Karadeniz Bölgesi dışında tüm bölgelerimiz için
önemle ele alınması gereken bir büyüklüktedir. Güneş enerjisinden su ısıtma, konut
ısıtma, pişirme, kurutma, soğutma gibi ısıl amaçlarla yararlanılabileceği gibi elektrik
enerjisine dönüştürmek de olanaklıdır. Ülkemiz, sahip olduğu yüksek güneş enerji
potansiyelini, beyin gücü ve teknoloji geliştirmeye gereken önemi vererek değerlendirmeli
ve yalnızca gelişmiş ülkelerin bir pazarı olmamalıdır.
Ülkemiz coğrafi konumu gereği güneş enerjisi potansiyeli açısından oldukça şanslıdır. EİE
(Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü) idaresi tarafından yapılan istatistik
çalışmalarına göre Türkiye’nin ortalama yıllık güneşlenme süresi 2640 saat (günlük
ortalama 7.2 saat ), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/ m²- yıl’dır. Bu da günlük
toplam 3.6 kWh/ m² dir. Türkiye’nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu
Anadolu Bölgesi olup bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Bölgelere göre güneş enerjisi
potansiyeli ve güneşlenme süresi aşağıdaki tabloda verilmektedir.
8
Şekil 1.1:Türkiye güneşlenme haritası
Şekil 1.2 Türkiye kuşaklara göre güneş enerjisi haritası
Tablo-1 Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli
Kaynak: EİE Genel Müdürlüğü
Aylar
OCAK
ŞUBAT
MART
NİSAN
MAYIS
HAZİRAN
TEMMUZ
AĞUSTOS
EYLÜL
EKİM
KASIM
ARALIK
TOPLAM
ORTALAMA
Aylık Toplam Güneş
Enerjisi
(Kcal/cm2-Ay)
(kwh/m2-Ay)
4,45
51,75
5,44
63,27
8,31
96,65
10,51
122,23
13,23
153,86
14,51
168,75
15,08
175,38
13,62
158,40
10,60
123,28
7,73
89,90
5,23
60,82
4,03
46,87
112,74
1311
2
308,0 cal/cm -gün 3,6 kWh/m2-gün
9
Güneşlenme Süresi
(Saat/Ay)
103,0
115,0
165,0
197,0
273,0
325,0
365,0
343,0
280,0
214,0
157,0
103,0
2640
7,2 saat/gün
Bölgelere Göre Güneş Enerjisi Potansiyeli
Yıllık Toplam
Yıllık Toplam Güneş
Güneşlenme Süresi,
BÖLGELER
2
Enerjisi (KWh/m .yıl)
saat/yıl
Güneydoğu
Anadolu
1460
2993
Akdeniz
1390
2956
Ege
1304
2738
İç Anadolu
1314
2628
Doğu Anadolu
1365
2664
Marmara
1168
2409
Karadeniz
1120
1971
Türkiye Ortalaması
1311
2640
Şekil… Dünya Güneş Haritası
10
2- GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARARLANMA YÖNTEMLERİ
Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemlerinin Tanımı Çeşitleri ve Uygulama Şekilleri
1- Depo sayısına göre;
- Tek depolu,
- Çift depolu,
2- Deponun pozisyonuna göre;
- Dik depolu,
- Yatık depolu,
3- Mantolu olup olmadığına veya kapalı yada açık oluşuna göre;
- Mantosuz (açık sistem) depo,
- Mantolu (kapalı sistem) depo,
4- İçinde bulunan serpantin sayısına göre;
- Tek serpantinli,
- Çift serpantinli,
5- İçinde hazne bulunmasına göre;
- Hazneli sıcak su deposu,
- Haznesiz sıcak su deposu,
6- Sıcak su deposundaki basınç seviyesine göre;
- Basınçlı sıcak su deposu,
- Basınçsız sıcak su deposu,
7- Akışkanın sirkülasyon şekline göre;
- Doğal sirkülasyonlu (pompasız),
- Cebri sirkülasyonlu (Pompalı)
Gibi değişik şekilde sınıflandırma ve ya gruplandırma yapmak mümkündür.
Yukarıda yapılan sınıflandırmalara örnek olarak, şekilde, kapalı devre basınçlı sıcak su
deposuna sahip bir sistem görülmektedir. Bu sistemlerde soğuk su deposu
bulunmamaktadır.
Şekil xx Çatı eğimine uygun kollektör montajı
11
Şekil xx Çatı eğimine uygun olmayan, görüntü kirliliği oluşturan kollektör montajı
2.1. Düz Yüzeyli Güneş Kollektörleri (Toplayıcıları)
Düz yüzeyli kolektörler güneş enerjisi ile sıcak su elde etmek için tasarlanan sistemlerde
kullanılır. Türkiye’de güneş enerjisinin en yaygın kullanım alanı sıcak su ısıtma
sistemleridir. Halen ülkemizde kurulu olan güneş kolektörü miktarı 2001 yılı için 7,5 milyon
m2 civarındadır (Kaynak; EİE). Çoğu Akdeniz ve Ege Bölgelerinde kullanılmakta olan bu
sistemlerden, yılda yaklaşık 290 bin TEP ısı enerjisi üretilmektedir. Sektörde 100'den fazla
üretici firmanın bulunduğu ve 2000 kişinin istihdam edildiği tahmin edilmektedir. Yıllık
12
üretim hacmi 750 bin m² olup bu üretimin bir miktarı da ihraç edilmektedir. Bu haliyle
ülkemiz, dünyada kayda değer bir güneş kolektörü üreticisi ve kullanıcısı durumundadır.
Şekil xx. Çatı eğimine uygun ve uygun olmayan farklı kollektöruygulama şekilleri
Güneş kollektörleri, güneş radyasyonunu toplayıp bir akışkana (sıvı veya hava) aktaran
elamanlardır. Üç değişik biçimde olabilir. Birinci grup düz yüzeyli tipler güneş ışığını
odaklamazlar ve genel olarak sabit çalışırlar ve ulaşılan sıcaklık seviyesi genellikle 95 oC
nin altındadır. İkinci grup odaklamalı tiplerdir. Güneş ışınlarını sürekli olarak bir odak
noktasına toplarlar. Sadece direkt radyasyondan yararlanırlar. Üçüncü grup ise vakumluboru kollektörlerdir (Şekil-5.6-a). Bu tip kollektörlerde vakumlu bir cam boru (absorber)
içerisine bir ısı borusu yerleştirilmiştir. Isı borusunda kolayca faz değiştiren akışkan
bulunur. Güneş radyasyonu etkisiyle ısı borusundaki akışkan buharlaşarak yükselir ve ısı
eşanjörüne (kondenser) gelir. Burada kollektör akışkanına (su) ısısını aktararak yoğuşur.
Düz güneş kollektörleri (Şekil-5.6(a) ve (b)) basitçe saydam örtü, yutucu yüzey, akışkanın
dolaştığı borular, izolasyon ve kasadan oluşur. Saydam örtüye gelen güneş ışınlarının
güneşin geliş açısına bağlı olarak bir kısmı yansırken büyük bir kısmı saydam örtüyü
geçerek yutucu yüzeye (veya seçici yüzey) ulaşır. Gelen ışınım bu yüzey tarafından
absorbe edilerek depolanır. Depolanan bu ısı enerjisi iletim ve taşınım yoluyla yutucu
yüzeye kaynatılmış olan borular içerisinden geçen suya aktarılır. Yutucu yüzeyin çevreye
ısı kaybetmesini önlemek için içerisi yalıtılmış bir kasa içine yerleştirilir. Böylece
kollektörün alt ve yan yüzeylerinden olan ısı kaybı en aza indirilmiş olur. Ayrıca saydam
örtü de yine yutucu yüzeyin üst tarafından olan ısı kayıplarını azaltır. Çünkü saydam örtü
ile yutucu yüzey arasındaki boşlukta hava mevcuttur. Bu bölge sera etkisi ile sıcak kalır ve
ayrıca hava kötü bir iletken olduğundan yutucu yüzeyin üst tarafa ısı kaybetmesi azaltılmış
olur.
Şekil-5.6. Düz güneş kollektörü
13
2.1.1 Saydam örtü
Saydam örtünün amacı, güneş ışınımını içeri alıp çevreye olan ısı kayıplarını azaltmaktır.
Özellikle, rüzgarlı bölgelerde taşınımla olan ısı kaybı çok fazladır ve saydam örtü
kullanılmaması halinde yutucu yüzey ile çevre arasındaki ısı taşınım katsayısı çok büyük
olacağından faydalı ısı kazanımı azalır. Saydam örtü taşınımla çevreye olan ısı kaybını
önlediği gibi yutucu yüzeyi yağmur ve toz gibi dış etkilerden de korur.
Şekil-5.6. Düz güneş kollektörü
Şekil-5.6(b) Düz Güneş Kollektörü
14
2.1.1 Saydam Örtü Malzemeleri
Kollektörlerin üstten olan ısı kayıplarını en aza indirgeyen ve güneş ışınlarının geçişini
engellemeyen bir maddeden olmalıdır. Cam, güneş ışınlarını geçirmesi ve ayrıca absorban
plakadan yayınlanan uzun dalga boylu ışınları geri yansıtması nedeni ile örtü maddesi
olarak son derece uygun bir maddedir.
Yutucu yüzey absorbe ettiği radyasyon nedeniyle sıcaklığı yükselir ve kendisi de ışınım
neşreder (Şekil-5.7. ve Şekil-5.8). Neşrettiği ışınım miktarı tamamen yutucu yüzey
malzemesine bağlıdır. Neşredilen ışınım uzun dalga boylu (3-50 μm)ışınımdır. Öte
yandan güneş radyasyonu ise kısa dalga boyuna (0.3-3 μm) sahiptir. Dolay
ısıyla
kollektörlerde kullanılan saydam örtülerin kısa dalga boylu güneş ışınımı geçirme oranı
büyük ve yutucu yüzeyin neşrettiği uzun dalga boylu ışınımı geçirme oranı ise düşük
olmalıdır. Kırılmaya karşı mukavim olmalı ve güneş ışınımına dayanıklı olmalıdır. Pratikte
saydam örtü olarak genellikle camlar ve plastik esaslı saydam malzemeler
kullanılmaktadır. Camlar 0.3-3 μm dalga boyundaki ışınımın büyük bir kısmını geçirirken 350 μm dalga boyundaki ışınımı ise geçirmezler. Camların geçirme oranı bileşimindeki
demir-oksit oranı arttıkça azalır. Dolayısı ile saydam örtü için demir-oksit miktarı %
0.05’ten küçük olan camlar seçilmelidir. Kenarından bakıldığında yeşil görünen camlarda
bu oran fazladır ve pencere camlarında demir oksit oranı % 0.1 mertebesindedir. Subeyazı tipi camlarda bu oran yaklaşık % 0.015 mertebesindedir. Tablo-5.4 de bazı saydam
örtülerin geçirgenlikleri verilmiştir. Örneğin su-beyazı cam için güneş ışınımını geçirme
oranı 0.92 iken uzun dalga boylu ışınımı (yutucu yüzeyden neşredilen ışınım) geçirme
oranı 0.02 dir. Ayrıca camların yansıtma oranını düşürmek için camın bir veya iki yüzeyi
yansıtma önleyici malzemelerle (metalik florid) kaplanabilir. Bundan başka camın ısıl
mukavemetini arttırmak için genelde temperlenmelidir.
Şekil-5.7 Işığın kollektörlerde yutulması, yansıması ve kırılması
Bilinen pencere camının geçirme katsayısı 0.88’dir. Son zamanlarda özel olarak üretilen
düşük demir oksitli camlarda bu değer 0.95 seviyesine ulaşmıştır. Bu tür cam kullanılması
verimi % 5 mertebesinde arttırır.
2.1.2. Yutucu Yüzey
Absorban plaka kollektörün en önemli bölümüdür. Güneş ışınları, absorban plaka
tarafından yutularak ısıya dönüştürülür ve sistemde dolaşan sıvıya aktarılır. Absorban
15
plaka tabanda ve üstte birer manifold ile bunların arasına yerleştirilmiş akışkan boruları ve
yutucu plakadan oluşur. Yutucu plaka ışınları yutması için koyu bir renge genellikle siyaha
boyanmıştır. Kullanılan boyanın yutma katsayısının (absorptivite) yüksek uzun dalga boylu
radyasyonu yayma katsayısının (emissivite) düşük olması gerekmektedir. Bu nedenle de
bu özelliklere sahip seçici yüzeyler kullanılmaktadır. Mat siyah boyanın yutuculuğu 0. 95
gibi yüksek bir rakam iken yayıcılığı da 0.92 gibi istenmeyen bir değerdedir. Yapılan seçici
yüzeylerde yayma katsayısı 0.1’in altına inmiştir. Seçici yüzey kullanılması halinde
kollektör verimi ortalama % 5 artar.
Düz Toplayıcının Kurulduğu Çevrenđn Sıcaklığı (Günlük Ortalama Sıcaklık)
Absorban plaka, borular ile sıkı temas halinde olmalıdır. Alüminyumda olduğu gibi, akışkan
borularının kanatlarla bir bütün teşkil etmesi en iyi durumdur. Bakır ve sacda bu mümkün
olmadığı için akışkan boruları ile plakanın birbirine temas problemi ortaya çıkmaktadır. Bu
problem ya tamamen yada belli aralıklarla lehim veya kaynak yapmakla çözülebilir.
Kollektörlerde güneş ışınımını absorbe eden (yutan) ve ısıyı borulardaki akışkana aktaran
kısımdır. Yutucu yüzeyin herşeyden önce güneş ışınımını (kısa dalga boylu ışınım) yutma
oranının büyük ve ışınım (uzun dalga boylu) yayma oranının küçük olması gerekir. Ayrıca
yuttuğu ısıyı borulara iyi iletebilmesi için ısı iletim katsayısının yüksek olması gerekir.
Yutucu yüzey olarak genellikle bakır veya çelik kullanılır. Yutma özelliğinin iyi olması için
yutucu yüzeyin rengi siyah olmalıdır. Fakat siyah cisimler iyi bir ışınım yutucu olmakla
beraber yüzey sıcaklığı arttığı zaman iyi bir ışınım yayıcı olurlar. Oysaki kollektörde
kullanılan yutucu yüzeyin yutma özelliğinin yüksek ışınım yayma özelliğinin ise düşük
olması istenir. Tablo –5.5 de bazı yüzeylerin yutma (α) ve ışınım neşretme (ε) oranları
görülmektedir. Örneğin siyah boyanın yutma oranı 0.94 iken yayma oranı ise 0.88 dir. Bu
yayma oranı oldukça yüksektir. Siyaha boyanmış bir yutucu yüzey bu durumda yüksek
oranda ışınım yayarak enerji kaybedeceği için kollektör verimini azaltır. Diğer yandan
galvanizli çelik için yutma oranı 0.8 ve yayma oranı ise 0.28 dir. Kısa dalga boylu ışınımın
(güneş ışınımı) tamamına yakınını yutan ve uzun dalga boylu ışınım neşrediciliği az olan
yüzeylere “seçici yüzey” veya “selektif yüzey” denir. Seçici yüzey elde edilmesi metalin
uygun bir malzeme ile kaplanmasıyla olmaktadır. Kaplama tekniği genellikle elektro
16
kaplama biçimindedir. Kaplama malzemesi metal üzerine çok ince bir şekilde emdirilir.
Tablo-2.3 de alt tabaka metali ve kaplama malzemesi çiftleri görülmektedir. Örneğin
galvanizli çelik plaka nikel ile kaplanırsa yutma oranı 0.93 ve yayma oranı ise 0.08
olmaktadır. Yani böyle bir yüzey gelen güneş ışınımını %93 oranında yutarken kendisi
hemen hiç ışınım yaymaz. Böylece ışınım yoluyla yutucu yüzey ısı kaybetmemiş olur.
Isı Yalıtım: Kollektörün arkadan olan ısı kayıplarını minumuma indirmek için absorban
plaka ile kasa arası uygun bir yalıtım maddesi ile yalıtılmalıdır. Absorban plaka sıcaklığı,
kollektörün boş kalması durumunda 150 °C’a kadar ısınması nedeniyle kullanılacak olan
yalıtım malzemesinin sıcak yalıtım malzemesi olması gerekmektedir. Isı iletim katsayıları
düşük ve soğuk yalıtım malzemesi olarak bilinen poliüretan kökenli yalıtım malzemeleri tek
başına kullanılmamalıdır. Bu tür yalıtım malzemeleri, absorban plakaya bakan tarafı sıcak
yalıtım malzemesi ile takviye edilerek kullanılmalıdır.
Kollektör Kasası: Kasa, yalıtkanın ıslanmasını önleyecek biçimde yapılmalıdır. Özellikle
kollektör giriş ve çıkışlarında kasanın tam sızdırmazlığı sağlanmalıdır. Kasanın her yanı
100 kg/m2 (981 Pa=N/m2) basınca dayanıklı olmalıdır (TSE-3680).
Sıvılı kollektörlerde sızdırmazlığın yüzde yüz sağlanamadığı durumlarda camda
yoğunlaşan su buharını dışarıya atmak amacıyla kasanın iki yan kenarına tam karşılıklı
ikişer adet 2-3 mm çapında delik açılmalıdır.
Bir Düz Güneş Kollektörü Teknik Özellikleri
Kasa
Düşük silisyumlu aluminyum
Boyu
2037 mm
Eni
1034 mm
Yükseklik
121 mm
Brüt alan
2,106 m2
Net ağırlık
41 kg.
Cam Tabaka
Düşük demirli temperlenmiş özel cam
Kalınlık
3 mm
Geçirgenlik
%92
Seçici Özellikli Yutucu Plaka
Nikel pigmentasyonlu Al203 kaplı seçici yüzeye sahip yüksek
vasıflı aluminyum ektrüzyon plaka
Plaka kalınlığı
1,25 mm
Su kanallarındaki et kalınlığı
2,1 mm (min)
Absorpsiyon (güneş ışınını yutma)
%96 +/- 2
Emisivite (geri ışınımı yansıtma oranı)
% 15 +/- 2
İzolasyon
Yanlar
Alt
24 mm poliüretan (40 kg/m yoğunlukta) + aluminyum folyo
3
0,4 mm gofrajlı aluminyum + 40 mm poliüretan sert köpük + 25
mm kaya yünü + aluminyum folyo
17
Kollektör Enerji Dengesi
Kollektör üzerine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüde yansır, bir kısmı yine
saydam örtüde yutulur ve geri kalan kısmı absorban plakaya (yutucu yüzeye) ulaşır.
Absorban plakaya gelen enerjinin, bir kısmı ısı taşıyıcı akışkana geçerken bir kısmı
absorban plakada depolanır, geri kalan kısmı ışınım, taşınım, ve iletimle çevreye gider.
Işınım taşınım ve iletimle olan ısı kayıplarının toplamı Qk, depolanan enerji Qd, akışkana
geçen enerji Qf, olmak üzere, düzlemsel kollektörler için enerji dengesi:
I.A.(τ.α) = Qf+Qk+Qd
Şeklinde yazılabilir. Burada (τ.α) kollektör yutma geçirme çarpımı, I kollektör üzerine gelen
güneş enerjisi ve A faydalı yüzey alanı olmak üzere I.A.(τ.α) çarpımı absorban plaka
üzerine gelen güneş enerjisini verir.
Kollektör Verimi:
Kollektörlerde ısı taşıyıcı akışkanda toplanan güneş enerjisinin, kollektöre gelen güneş
enerjisine oranına kollektör verimi denir. Kollektör giriş suyu sıcaklığı arttıkca verim düşme
eğiliminde olacağından genel bir verim yerine anlık verimden yani verim eğrisinden
bahsetmek daha doğru olacaktır. Kollektör verimi ısı taşıyıcı akışkanın giriş, çıkış
sıcaklıkları ve debi değerlerinin sağlıklı ölçülebildiği durumlarda ve en önemlisi çevre
sıcaklığının sabit olduğu durumlarda
η = [m.Cp.(Tçık-Tgir)] / (A.I)
bağıntısıyla hesaplanabilir. Fakat verim eğrisi oluşturulurken çevre sıcaklığı da
değişeceğinden verim bağıntısında Tç çevre sıcaklığı da değişken parametre olarak
bulunmalıdır. Buna bağlı olarak verim,
Tablo … Bazı Yutucu Levhaların Yutma ve Neşretme Katsayıları
Qk=-k.A.dt/dx
genel ısı transfer denklemi kullanılarak ve Qg kollektöre gelen toplam
güneş enerjisi olmak kaydı ile
18
η = Qf/Qg = [Qg.(τ.α)-Qk] / Qg = (τ.α)-(Qk / Qg) = (τ.α)-[K.A.(Tort-Tçev)] / (I.A)
η = (τ.α)-K(Tort-Tçev)/I
formülüyle hesaplanması daha mantıklıdır. Burada kullanılan K kollektör için ısı kayıp
katsayısıdır.
‘K’ Kollektör Isı Kayıp Katsayısı; Düzlemsel kollektörlerde çevreye olan ısı kaybı
kollektörlerin üst, alt ve yan yüzeylerinden olur ve
K= Küst + Kalt + Kyan
şeklinde yazılabilir. Kollektör alt ve yan yüzeylerinden olan ısı kayıpları yalıtım
malzemesinin kalınlığına ve ısı transfer katsayısına bağlıdır. Değeri ‘Küst’ parametresine
göre oldukça küçüktür. Çünkü kollektör üst yüzeyi saydam örtüden dolayı izolasyon
yapılamamaktadır ve toplam ısı kayıplarının % 70’ i bu yüzeyden olmaktadır. ‘k’ yalıtım
malzemesi ısı transfer katsayısı, L yalıtım malzemesi kalınlığı h konveksiyon ısı kayıp
katsayısı olmak üzere
Kalt=1/[(1/h)+(L/k)] bağıntısıyla hesaplanabilir.
Üstten olan ısı kayıp katsayısının iteratif metotlarla hesaplanması uzun işlemleri
gerektirmektedir. Pratikte basit bağıntılar tercih edilir. Agarwal ve Larson (1981), Küst
değerinin
Bağıntısı ile maksimum ±0,25 W/m2°K hata ile bulunabileceğini belirtmektedir. Burada,
htd=5,7+3,8V
f=(1-0,04.htd+0,0005.h2td)(1+0,091N)
C=250.(1-0,0044.(s-90))
Olup, V (m/s) rüzgar hızı, s(drc) kollektör eğimi, N saydam örtü sayısı, εL yutucu yüzeyin
ışınım neşretme oranı,εS saydam örtünün ışınım neşretme oranı TY ve Tçev sırası ile
yutucu yüzey ve çevre sıcaklıklarıdır. Saydam örtü sayısının birden fazla olduğu
durumlarda yukarıdaki denklemin kullanılabilmesi için saydam örtülerin aynı tip olması
gerekir. Fiziksel özellikleri farklı saydam örtü kullanılması durumunda iteratif metotlar
kullanılmalıdır.
19
Teorik olarak hesaplanması çok zor olan K kollektör kayıp katsayısı, kollektör test
çalışması sonucunda elde edilen verim eğrisinden kolayca tespit edilebilmektedir.
Kollektörün verimi, giriş suyu sıcaklığı, çevre sıcaklığı, debi ve radyasyon değerlerine bağlı
olarak değişmektedir. Toplam ısı kayıp katsayısı da bu parametrelere bağlı olarak değişim
gösterir. Pratik olarak verim eğrisinin eğimi toplam ısı kayıp katsayısı değerini verir.
Toplam ısı kayıp katsayısı ve bu eğrinin verim eksenini kestiği noktadaki maksimum
verime (ısı yalıtım katsayısının 0 kabul edildiği yani hiç ısı kaybının olmadığı durum) göre
kollektörlerin iyi veya kötü olduğuna karar verilmektedir.
Şekil-6’da toplam ısı kayıp katsayısı (4,16 W/°Cm2) düşük ve yutma geçirme katsayısı
(0,82) büyük olan iyi kabul edilebilecek bir verim eğrisi görülmektedir.
2.3. GÜNEŞLİ SU ISITMA SİSTEMLERİ
Güneş kollektörü kullanarak tüketim veya ısıtma amaçlı sıcak su üreten sistemlerdir.
Yaygın olarak doğal ve cebri (zorlanmış) dolaşımlı olarak iki tip tasarım mevcuttur. Bunlar
aşağıda anlatılmıştır.
2.3.1. Doğal sirkülasyonlu sistemler:
Donma riskinin olmadığı küçük kapasiteli uygulamalar için uygun sistemlerdir. Şekil-5.9 ve
şekil-5.10 da böyle bir sistemin şeması görülmektedir. Doğal sirkülasyonun olabilmesi için
deponun kollektör seviyesinden en az 45 cm yukarıda olması gerekir. Suyun sistemde
dolaşımı, kollektörde ısınan su ile daha soğuk olan deponun altındaki suyun özgül
ağırlıkları nedeniyle olur. Üzerine güneş düştüğü zaman kollektör içindeki su ısınarak
genleşir. Genleşen suyun özgül ağırlığı azalacağından yükselerek üstten depoya girer.
Kollektörde ısınarak depoya giden suyun yerine, deponun altındaki daha soğuk olan su
gelir ve oda ısınarak depoya gider. Kollektör güneş gördüğü sürece bu olay devam eder.
Suyun bu şekilde hareketine “termosifon olayı” denir. Depodaki su sıcaklığı ile
kollektördeki su sıcaklığı eşit oluncaya kadar dolaşım devam eder.
Tabii dolaşımlı sistemde, suyun sistemde dolaşımını sağlayan basınç değeri aşağıdaki gibi
hesaplanır. Şekil-5.11 ten görüldüğü gibi sıcak-soğuk su kolonu yüksekliği H ise bu
borulardaki sıcak ve soğuk suyun statik basınçları;
Psıcak = H x ρsıcak ve Psoğuk = H x ρsoğuk olcaktır ve buna göre sirkülasyonu sağlayan etkin
basınç;
Pe = H(ρ so − ρ sı ) şeklinde olacaktır.
Tabii dolaşımlı sistemlerde kollektörün şebeke basıncı altında kalmaması için şekil-5.10
daki gibi bir tasarım düşünülebilir. Ancak bu durumda kollektöre devamlı şebeke suyu
gireceğinden kireçlenme olur. Bunun önüne geçebilmek için şekil-5.12 de görülen tasarım
tercih edilmelidir. Bu konfigrasyonda kollektörde devreden su kapalı devredir. devresi
antifirizli su ile doldurulur. Deponun soğuması veya donmasını önlemek için çok iyi bir
izolasyon yapılmalıdır.
20
a- Doğal dolaşımlı sistem
b- Besleme depolu doğal dolaşımlı
Şekil-5.9 Güneş Enerjili sıcak su ısıtma üretim sistemleri
Şekil … Doğal sirkülasyonlu sistemler
2.3.2. Pompalı Dolaşımlı (Cebri Sirkülasyonlu) sistemler:
Sistem kapasitesi büyüdükçe daha büyük bir depo kullanmak icap eder. Bu durumda
depoyu kollektör üzerine koymak doğru olmaz. Böyle durumlarda depoyu çatı arasına
veya bodrum kata koymak daha iyidir. Böyle bir tasarım şekil-5.13 de görülmektedir. Bu tip
bir uygulamada kollektör devresinde sirkülasyon bir pompa vasıtasıyla sağlanır. Pompanın
start/stop kontrolü ise bir diferansiyel termostat vasıtasıyla sağlanır. Diferansiyel termostat
kollektör yüzey sıcaklığı ile depo sıcaklığı arasındaki farkı ölçer. Bu fark belli bir değerden
(örneğin 5 Co) küçükse pompa durur. Bunun anlamı kollektör soğuk (gece veya hava
kapalı) demektir. Kollektöre güneş düşünce sıcaklık farkı artar ve pompa tekrar çalışır. Bu
tip sistemler soğuk bölgeler için çok uygundur. Kollektör devresinde antifirizli su
dolaştırılarak donma önlenir. Depo ise çatı arasında veya bodrumda olduğundan donma
tehlikesi yoktur. Fakat ısıl kayıpları azaltmak için mutlaka izole edilmelidir. Depo tarafı
direkt olarak şebekeye bağlandığı için bu devrede pompaya gerek yoktur.
21
Cebri Sirkülasyonlu Kapalı devre Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri
Çok kollektörlü ve büyük miktarda sıcak su ısıtabilen sistemin tesisat şeması ve
sistemde yer alan kolektör, sıcak su deposu, otomatik kontrol ünitesi, boru tesisatı ve
diğer elemanların görünüşü verilmektedir.
Şekil-7 ve 8 de tesisat şeması verilen bireysel sistemler ve Şekil.11 de görülen
büyük ölçekli sistemlerde, sistemde bulunan pompaların çalışması için gerekli komutlar,
tesisattaki otomatik kontrol ünitesinden verilir.
Otomatik kontrol üniteleri iki ayrı sıcaklık probundan gelen sıcaklık değerleri
arasındaki farka göre çalışırlar.
Sıcaklık propları bir diferansiyel termostat görevi yaparak sistemin çalışması ve
durması için alt ve üst sıcaklık seviyelerini belirlerler. Güneş enerjili sıcak su ısıtma
sistemleri için bu sıcaklık farkı 8 – 10 oC civarındadır.
Cebri dolaşımlı güneşli su ısıtma
sisteminim tesisat şeması.
22
Kullanım suyuna karışma halinde sağlık açısından sakıncalı olacağından kollektör
devresinde antifirizli su kullanılmak istenmiyorsa şekil-5.14 deki tasarım uygulanabilir.
Burada kollektör devresi de su ile doludur. Pompa durduğu zamanlarda kollektör
devresindeki su çatı arasına konabilecek bir küçük depoya (şekilde kollektör altındaki
dairesel olarak gösterilmiştir.) kendiliğinden dolar ve kollektör devresi tamamen boşalır.
Böylece kollektörde geceleri su kalmaz.
Şekil-5.15 de kollektörün merkezi ısıtma sistemine entegrasyonu görülmektedir. Merkezi
ısıtma sisteminin boyleri çift serpantinlidir. Serpantinlerin birinde kollektörde ısınan
antifirizli su dolaşırken diğer serpantin ise kazana bağlıdır. Kollektörden sağlanan ısı
boylerdeki suyu ısıtmaya yetmediği kış aylarında kazandan takviye yapılır. Kışın güneşli
havalarda kollektör boyleri suyunu belli bir değere kadar ısıtacaktır. Örneğin Erzurum’da
yapılan bir çalışmada şubat ayında gün öğlesinde boyler suyunun sıcaklığı kollektör
vasıtasıyla güneşli havalarda 40 oC ye kadar ısıtmak mümkün olmuştur. Kullanım sıcaklığı
olan 60oC ye ise kazandan ısı takviyesi yapılarak ulaşılmıştır. Bu durumda kazan sadece
20oC lik bir sıcaklık farkına tekabül eden ısıyı sağlamaktadır. Aksi halde şebeke suyu
sıcaklığını 10 oC kabul edersek en az 50 oC lik bir sıcaklık farkına tekabül eden ısı yükü
kazandan çekilmiş olacaktı.
23
Şekil-5.13 Güneş destekli merkezi sıcak su sistemi
24
2.3.2. Güneş Enerjisi ile Konutların Isıtılması
Konutların günes enerjisi kullanılarak ısıtılmasında iki çesit uygulama yaklaşımı vardır.
Bunlar pasif ve aktif ısıtmadır. Pasif ısıtmadan kasıt, günesle ilgili mimari bir kavramdır.
Binalar için gerekli güneş enerjisi kullanımının yöntemini pasif ısıtma açıklamaktadır. Pasif
ısıtmada, konutun enerji giderleri yalıtım, pencere yerlesimi ve tasarımla azaltılır (Güngör,
1993).
Bu amaçla, pencereler mümkün oldugu kadar günes güneyine yönlendirilmelidir. Kısın
maksimum günes kazancı saglamak amacıyla binanın uzun aksı günes güneyine dönük
olacak sekilde yerlestirilmelidir. Ayrıca bina, kısın ısıtma ihtiyacını azaltmak amacıyla
düsük ısıtma ve aydınlatma gerektirecek sekilde tasarlanmalı, günes ısınlarını sogurmak
için termal kütleler kullanılmalıdır (Çakmanus ve ark., 2001).
Aktif sistemde güneş enerjisi toplayıcıları depolama birimleri, enerji transfer mekanizmaları
ve enerji dagıtım sistemleri (pompa, fan) kullanılır. Bu tip bir sistemde genelde bir veya
daha çok çalısma akıskanı, toplanan günes enerjisinin transfer, depolama veya
dagıtımında kullanılır. Çalısma akıskanları fan ve/veya pompaların yardımıyla dolastırılır
(Güngör, 1993).
Bu tip bir uygulamada günes enerji sistemi yalnızca; ısıtma sistemi dönüs suyu sıcaklıgı,
günes enerjisi sıcaklıgından daha düsük oldugu zaman ısı verir. Bu sebeple, düsük isletme
sıcaklıklarına göre tasarlanmıs, genis ısıtma yüzeyli radyatör tesisatlarında kullanımı
idealdir. Günes enerjisi sistemleriyle, kullanım suyu ısıtması ve ısıtma destegi için gerekli
olan toplam yıllık ısı ihtiyacının %30’u karsılanabilmektedir (Anonim, 2003).
Günes enerjisi sistemleri ile mahal ısıtması destegini saglanabilmek amacıyla kombi boyler
veya ısı pompası kullanılabilmektedir. Sekil 1.10.’da kombi boyler kullanılarak yapılmıs bir
tesisat örnegi görülmektedir. Burada, kombi boyler içerisinden geçen tesisat suyunun
günes kollektörleri ile ön ısıtması gerçeklesir. Ön ısıtmadan sonra tesisat suyu kazana
gönderilir. Günes enerji destekli ısıtma sisteminde senaryo su sekilde cereyan etmektedir.
Günes enerji sistemi öncelikli olarak kombi boyleri üzerinden su hacmini ısıtmaktadır.
Boyler yapısı itibariyle öncelikle kullanma suyu olmakla beraber aynı zamanda ısıtma
25
destegi saglamak amacıyla da sıcak su hazırlamaktadır. Soguk su sebeke suyu kombi
boylere baglanmıstır.
Isıtma sisteminde tesisat dönüs suyu sıcaklıgına göre dönüs suyunun kombi boyler
üzerinden veya dogrudan kazana gidisi kumanda modülünün üç yollu vanaya verdigi
komut ile yapılır. Tesisat dönüs suyu sıcaklıgının kombi boyler suyu sıcaklıgının üzerinde
olması durumunda üç yollu vana üzerinden dogrudan kazana dönüs yapılırken, kombi
boyler suyu sıcaklıgının yüksek olması durumunda tesisat suyu boyler üzerinden kazana
döner (Anonim,2003).
Isı pompası ve günes kollektörlü bir sistem de ise mahal ısıtması ısı pompası tarafından
yapılmakta ve günes kollektörleri ile desteklenmektedir. Kullanma suyu ısıtması da yine
yaz aylarında kollektörler ile, kıs aylarında ve geçis dönemlerinde ise ısı pompası ile
yapılmaktadır. Sekil 1.11 bu tarz bir sisteme örnek teskil etmektedir.
Şekil 1.10. Güneş enerjisi ile mahal ısıtması destegi (Anonim, 2007b).
26
Şekil 1.11. Güneş kollektörleri ve ısı pompasından yararlanılarak sıcak hava ile ısıtma
Yapılması (Dagsöz, 1993).
27
Şekil 2.11:Çift serpantinli boyler bağlantı şeması
Sistem Elemanları
A- Soğuk su şebeke girişi
C- Güneş enerjisi bağlantısı (sıcak)
E- Kazan bağlantısı (sıcak)
1- Güneş kolektörleri
3- Güneş enerjisi pompa grubu
5- Boşaltma
7- Açma-kapama vanası
9- Basınç düşürücü
11- Yaylı çek valf
13- Manometre
15- Kapalı genleşme tankı
17- Magnezyum anot
19- Elektrik şebeke bağlantısı
21- Kollektör sıcaklık sensörü
23- Boyler sıcaklık sensörü (üst)
25- Sirkülasyon pompası (kazan)
B- Güneş enerjisi bağlantısı (soğuk)
D- Kazan bağlantısı (soğuk)
F- Kullanım suyu (sıcak)
2- Çift serpantinli boyler
4- Otomatik kontrol ünitesi
6- Boyler emniyet ventili
8- Çek valf
10- Soğuk su filtresi
12- Sirkülasyon pompası (kullanım)
14- Emniyet ventili
16- Termometre
18- Elektrikli ısıtıcı bağlantısı
20- Otomatik pürjör
22- Boyler sıcaklık sensörü (alt)
24- Yaylı çek valf
26- Kazan sıcaklık sensörü
28
Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemlerinin Hesabı ve Kurulumunda Dikkat Edilmesi gereken
Hususlar
1- Kollektör ile sıcak su deposu ve gidiş-dönüş boru uzunluğu ve basınç kaybının eşit
olması,
2- Tesisattaki boru çapları, minimum basınç kaybı oluşturacak büyüklükte olmalıdır.
Kollektör giriş-çıkış boru çaplarının en az ¾” parmak olmalıdır. Tesisattaki boru
çaplarının mümkün oldukça yüksek seçilmelidir.
3- Tesisatlarda, basınç kayıplarının düşük olması için, vana, çekvalf, dirsek vb.
bağlantı elemanların minimum sayıda kullanılması,
4- Özellikle kış aylarında, yüksek sıcaklıkta su elde etmek için kollektörlerin seri
olarak ikili bağlanmasından kaçınılması,
5- Güneş enerjili sıcak su boru tesisatlarında oluşan havanın sistemden kolayca
tahliyesi için, borulara akış yönünde yukarıya doğru yeterli eğim verilmelidir,
6- Sistemde, seçici yüzeyli kollektörler sıcaklıktan etkilenebilen plastik parçalar
içeren elemanların kullanımından kaçınılmalıdır.
7- Sistemde, kullanılan kollektör sayısı üç ten fazla ise gömlekli ısı değiştiricisi
kullanılmamalıdır.
8- Kollektörler yan yana geçişli seri bağlandığında, kollektörden kollektöre akışkan
aktarıldığında, yüksek debilerde yüksek basınç kayıpları meydana gelmektedir.
29
9- Kollektörler yan yana 3 den fazla bağlanmamalıdır.
Belirtilen hatalarından kaynaklanan yüksek basınç kayıpları, düşük sıcak su üretimi ve
ısıl verime sebep olmaktadır. Bu nedenle tesisatların özellikle Tichelman bağlantısına
göre yapılması gerekmektedir.
Şekilde ilk kollektörde yüksek, diğer kollektörlerde yetersiz akışkan dolaşımı sebebi
ile ilk kollektörden sonraki kollektörlerde düşük sıcak su eldesi gerçekleşecektir.
Son kollektörlerde, oldukça zayıf bir şekilde düşük debide akışkan dolaşımı, su
sıcaklığının aşırı yükselmesi ile kollektör verimini düşmekte ve elde edilen ısıl enerji
miktarı azalmaktadır.
Tesisat Bağlantılarında Boru Uzunlukları
30
Güneş Kollektörlerinin eşit Basınç kaybı oluşturması için tek tek bağlanması
31
Güneş Kollektörlerinin yerleştirilmesi ve uygun açıların verilmesi
32
33
Sıcak su depolama tanklarının kapasitelerinin belirlenmesi

Depolama tanklarının kapasiteleri kollektör tipine ve kollektörün m2 sine göre belirlenir;
• Bakır üzerine selektif yüzeyli; 60 litre/m2
• Bakır üzerine siyah boyalı; 55 litre/m2
• Alüminyum üzerine siyah boyalı; 50 litre/m2
• Galvanizli sac üzerine siyah boyalı; 40 litre/m2

Diyagram yardımı ile sıcak su depolama hacminin belirlenmesi
34
Örnek güneş enerjili su ısıtma tesisatı bağlantı şeması (Thickelman sistemine göre)
Gereksiz Tesisat Elemanları
Pompalı güneş enerjisi sistemlerinde, vana, çek valf, dirsek, manşon, nipel, rekor,
kruva, ınguva gibi tesisat elemanları, sistemin çalışması için değişik sayılarda
kullanılmaktadır.
Tesisatlarda toplam basınç kaybı;

35
Şeklinde ifade edilmektedir. Burada; ΣRL; düz borularda meydana gelen yerel
sürtünme kayıpları ve ΣZ; vana, dirsek, ayrılma birleşme gibi özel bağlantılardan
meydana gelen özel basınç kayıpları olup aşağıdaki gibi ifade edilmektedir;
ΣZ = ξ. (v2/2g).ρ (2)

Burada; v; su hızı, g; yerçekimi ivmesi, ρ; suyun yoğunluğu, ρ; özel tesisat elemanlarında
meydana gelen basınç kaybını ifade eden özel dirençdir. Bu değerin küçük olması için
bağlantı elemanlarının minimum sayıda kullanılması gereklidir.
Yetersiz Boru Çapları
Standart tip olarak anılan 930 x 1930 mm boyutlarındaki kollektörlerde saatte
dolaşması tavsiye edilen su debisi, pompalı sistemlerde 120 kg/h, Geniş kasa yani 1210
x 1930 mm
boyutlarındaki geniş kasa kollektörlerde ise 155 kg/h dir.
Güneşli sıcak su üreten tesisatlarda dolaşan suyun hızı ana borularda maksimum
0.75-0.80 m/s ve uç kısımlardaki borularda ise 0.1-0.2 m/s civarında olması tavsiye
edilmektedir.
Uç kısımlardan ana borulara doğru hızın mümkünse lineer olarak artması
gerekmektedir.
KOLLEKTÖRLERİN SERİ BAĞLANMASI

Kış
aylarında, gün uzunluğu ve güneşlenme süresinin azalması ile birlikte, dış ortam ve
şebeke suyu sıcaklığının düşmesinden dolayı, kollektörlerin enerji kayıpları arttığından
istenen sıcaklıklarda su elde edilememektedir.
Kış aylarında, yüksek sıcaklıkta su eldesi için güneş kollektörleri şekil-4 deki gibi seri
bağlanmaktadır. Bu bağlantı ile daha sıcak su elde edilmekle birlikte, özellikle ikinci
kollektörün veriminde önemli ölçüde düşme meydana gelmektedir.
Şekilde a ve b kollektörlerinin ısıl verimlerinin karşılaştırılması verildi. Şekilden de görüldüğü
üzere b kollektörünün verimi a kollektörüne göre büyük oranda düşüktür.
Şekil-4 Kollektörlerinin seri bağlanması Şekil-5 Kollektörlerinin seri bağlanmasında kollektör ısıl
veriminin değişimi
36
Tesisatta Havanın Tahliyesi
Güneş enerjisi sistemlerinde gün içinde suyun yüksek sıcaklık farkından dolayı
hacimdeğişimi ile su soğuk iken bünyesine aldığı hava, ısındığında ayrılmaktadır. Bu hava,
kapalı sistemde otomatik hava tahliye cihazları yardımı ile dışarı atılmaktadır.
Sistemin kendinden kaynaklanan havanın tahliyesi için kollektör-boru bağlantıları yukarıya
eğimli olmalı ve tahliye cihazı sisteme yerleştirilmelidir.
Kollektörlerde Basınç Düşümü
• Kollektörlerde basınç düşümü, dolaşan akışkan debisi ve hız a bağlıdır.
• Hız arttıkça kollektördeki basınç kaybının artmaktadır.
• Şekilde görüldüğü gibi 150 kg/h debide 0.25 kPa olan basınç kaybı, 400 kg/h debide
2 kPa değerine ulaşmaktadır.
• Basınç kayıplarının artması, sistem için güçlü pompa gerektirdiğini göstermektedir.
37
2.2. Düz yüzeyli vakum tüplü kolektörler
Vakum tüplü sistemler diğer düzlemsel kollektörlere nazaran daha pahalı olmasına karşın
daha verimli oldukları ispatlanmıştır. Özellikle kış aylarında daha verimlidirler, bunun
temel nedeni vakumlu tüpler kollektörlere nazaran daha çabuk ısınırlar ve suyunun daha
çabuk ısınmasını sağlar.
Borcamdan üretilen (temel maddesi ülkemizde bol olan bor ve silisyumdur) bu tüpler
yurtdışından, özellikle Çin'den ithal edilmektedir. Oldukça sert bir yapıda olan, yüksek
sıcaklığa ve darbelere karşı (25 mm çapında dolu yağışına) dayanıklıdırlar. İç içe
Zorlanmış sistem yerine, pompasız ve deposu üstünde yer alan bir sistem;
Şekil 2.2. Vakum tüplü kolektörün çalışma prensibi
geçmiş olan tüplerin arasında ki havanın emilmesi (vakumlanarak) ile yüksek sıcaklıkta
ağız kısmı birleştilir. İç tüpün içerisinde bakır bir boru yer alır, boru içerisinde iletkenliği
yüksek bir sıvı ile borulardan emilen enerji manifolda, oradan da depoya gönderilir, bu tip
tüpler zorlanmış (cebri, pompalı) sistemlerde kullanılır.
38
Doğal Dolaşımlı Vakum Tüplü Güneş Enerji Sistemi
Vakum Tüp
Borcam (borosilicate glass)
Vakum Tüp Boyutları (Dış, mm)
Ø/58 X 1800
Vakum Tüp Boyutları (İç, mm)
Ø/47 X 1800
Cam kalınlığı (mm)
1,6
Vakum Tüp sayısı
20
Vakum
<0,005Pa
Emici Yüzey
Al-N/Al (alüminyum nitrür)
Güneş ışını emiciliği
> %93
Kollektör Boyutu
2000 x 1600 x 80
Sıcaklık dayanımı
-18 C
Yüzey Alanı
2,88 m2
Emici Yüzey Alanı
2,99 m2
Boyler Hacmi
165 lite
Boyler Isı İzolasyonu
50 mm Poliüretan
Boyler Malzemesi
Krom-Çelik
Antifriz
Gerek yoktur
Toplam Boş Ağırlığı
90 kg
Fiyatı
~1.100 TL + KDV
o
39
Resim 2.2. Düz yüzeyli vakum tüplü kolektör
2.2.3. Isı Borularında Kullanılan Akışkanlar
Isı borularında kullanılan akıskanlar düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık
akışkanlar olarak sınıflandırılabilir. Düşük sıcaklıklarda kullanılan akıskanlar; hidrojen,
neon, azot, oksijen ve metandır. Orta sıcaklıkta freon, amonyak, su gibi akışkanlar, yüksek
sıcaklıkta ise cıva, potasyum, lityum, gümüş gibi akışkanlar kullanılabilir. Isı borularında
yüzey gerilimleri, kılcal pompalama miktarına, buharlasma gizli ısısına, verimli ısı iletimine,
buharlastırıcıda ve yoğusturucuda fitil boyunca küçük sıcaklık düsümüne ve yüksek ısı
iletkenliğine karşılık gelir.
Buna karşın kaynama oluşumu, ilk çalışmaya başlama ve akışkan-malzeme uygunlukları
gibi konular ısı borusu tasarımında ve imalatında önceden bilinmesi gerekli olan
parametrelerdir. Uygun bir çalışma akıskanının belirlenmesinde ilk dikkate alınacak konu
buharlaşma sıcaklığıdır. Ancak bu akışkanlardan herhangi birinin seçilmesinden önce
uygulamanın niteliğine uygun olarak akışkanda bazı özelliklerin aranması gerekir.
Bunlardan baslıca olanları; yeterli pompalama yüksekliği elde edebilmek için yüksek
yüzey gerilim katsayısı ve iyi derecede yüzey ıslatma özelliğinin olmasıdır. Akışı
kolaylaştırabilmek için düşük viskozite, yüksek eksenel ısı akıları elde edebilmek için
büyük buharlaşma gizli ısısı, daha iyi bir ısı transferi sağlamak amacıyla yüksek bir ısıl
iletkenlik, işletme sartlarına uygun bir donma ve kaynama noktası, fitil ve hazne
malzemesinin birbiriyle uyumlu olması ve kimyasal kararlılıktır. Sonuç olarak akışkan
seçimi fiyat, kullanılabilirlik, uygunluk ve yukarıda belirtilen özelliklerin dikkate alınmasıyla
ısı borusunda kullanılacak olan akıskan ve miktarı bulunur. Birçok akışkan ısı borularında
kullanılabilir ve bu akışkana bağlı olarak ısı borusunun malzemesi seçilir (Alkaç, 1996).
40
Projelendirme
(VİZE SON)
41