güneşi takip eden parabolik oluk tipi güneş kollektörleri ile buhar

Makale
GÜNEŞİ TAKİP EDEN PARABOLİK OLUK
TİPİ GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ İLE
BUHAR ÜRETİMİ VE ABSORBSİYONLU
SOĞUTMA SİSTEMİ UYGULAMASI
Levent ÇOLAK - Ali DURMAZ
lik oluk tipi güneş kollektörleri tarafından sağla­
ÖZET
Yaz aylarında Akdeniz ülkelerindeki oteller, nırken, geri kalan kısmı mevcut buhar kazanları
hastaneler ve birçok özel ve kamu binaları için tarafından karşılanacaktır. Sistemden elde edilen
soğutma ciddi bir ihtiyaçtır. Günümüzde soğutma güneşsel ısı, çift etkili soğurmalı soğutma grubu­
uygulamalarmda genellikle elektrik tüketimi faz­ nun ve çamaşırhanenin buhar ihtiyacı ile mutfak­
la olan kompresörlü veya vidalı soğutma grupları taki sıcak su ihtiyacının temini gibi birçok uygu­
kullanılmaktadır. Güneş enerjisi ile işletilen so- lamalarda kullanılabilecektir.
ğurmalı (absorbsiyonlu) soğutma grupları, soğut­
Bu tür uygulamalarda ısıtma ve soğutma yük­
ma için gerekli enerji ihtiyacmı azaltarak, soğut­ lerinin büyük bir kısmmm güneş enerjisi ile sağ­
ma giderlerini dü­
lanmasına çalışılma­
Lcvcnt Ç O L A K
şürmesinin yanısılıdır. Akdeniz Bölge­
I9h5 Ank.ıra doğumludur l"hfi yılında OD'I t. Mühendislik Fakülte
ra, C 0 2 emisyonla­ M Makine Mıılıcnılı<ilıj:ı Bolumuııu bitlimizin Avnı l'nıveı siteden \ W sinin güneş enerjisi
rını da ciddi bir yılında Yüksek Mühendis ve (.ia/.ı l nıveısılesı Makine Muhendıslışıı Ho
yönünden uygun ik­
lumunden 2003 yılında Doktuı umanını almışla. 19ho-|')h9 j i l l . n i
oranda azaltır.
lim koşulları ve Tür­
alasında O D T Ü Makini. Muhendıslıpı Bolıımunde AıaşlıııiM Goıevhsi
l
TÜBİTAK tara­
fından desteklenen
projede Sangerme'de bir otel için
parabolik oluk tipi
güneş kollektörleri
ile entegre edilmiş
soğurmalı soğutma
sistemi geliştiril­
mektedir. Özellikle
Akdeniz Bölgesi
için uygun olan bu
sistemlerde, ihti­
yaç duyulan enerji­
nin büyük kısmı
geliştirilen parabo-
70
olaıak (.alışmış I9N1>-200I villan anısında tesisat ve laalıhııl ^ekıoıımde
Makini Mühendisi. Teknik Mııdiır, Satmalına Muduru jıorevkirinde bıılıınnıııştııı 200] yılından ılıhaıcn nrlağı olduğu Solılcın (iuneş Fneııısı
"IVknokijik'ii I.İd Şlı.'dc ^ııket Muduru \e A K - G l i Mühendisi olarak yo
ıev vapınaklaolup, KOSGKB ve TL Bl İ A K T İ D K B pıujeleıınııı yuıııtulmesimLn soııınıluduı 200.1-2(1(14 akademik döneminden ıııbaıeıı Ba­
şkent l iuveniles! Mühendislik Fakültesi Makine MulıendıslıŞı Bölü­
münde van zamanlı ö p e l i m ııorevlısı olaı.ık eahşmaya hasla)afakin
MiDLKVİA/.
i9—i Dcnı/lı do»umluduı 1 % ~ yılında Almam.» Stııı&uı Teknik
L'ıııveısılesı'nde lisansını. 1970 yılında Sıuijzaıt Teknik L nıveisilesı'nde
^ı ııksek Lisansını \e SIUILMII Teknik I'IIIVCIMICM Fııeııı Fakııliesı nde
de DoktDiasını tamamlamışın. 1 l»"7ft yılında Vıd Doı . 1979 yılında Do­
çent. i9<<5 ulında Pnılesoı uns anını almıştır. Çalımına ve ı k ı alanları.
J-.nerıı Mulvııdısliüi. Yanma \e Fmısvon Kontrol I'eknııloııleıı. Doşal
ca/ Mühendisliği. Hava K i r l i l i ğ i Koıılıolu. '[eııııik SantraJleı, Kombine
(.'evıını Sanualleıı. Bölgesel Isılına ve Fııduslııyel Rehabilitasyon.
]":nem Fkoııoııusı olun. O D T L veGa/ı l'nıveısılcsi Makine Mühendis­
liği Bolıımleıınde Ogrciım Cîorevhsı olarak porc\ yapmıştır Halen (i:ı/ı
l nneısıtesı Makine Mühendisliği Bolumu Erıeıjı Anandım Dalında
Oeıelım (ioıevlısı unvanı ılc çalışmakla ve aynı yamanda d.ı GKÇF.R,
Ga/ı l'inveısnesı Kneıp-Çevıe Sislenilen ve KnduMrıyel Rehabılılas­
von. \ıaMıınıa Meıke/.inın Dııekloılujiunu yuıutmekledn.
• TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ /Mart-Nisan 2004
kiye'deki düşük üre­
tim maliyetleri dik­
kate alındığında, bu
tür uygulamalar eko­
nomik bir yatırım ol­
masının
yanında,
elektrik ve LPG gibi,
temel enerji kaynak­
larının kullanımını
ve C 0 2 emisyonları­
nı da önemli oranda
azaltır.
1. GİRİŞ
Güneş
ışıma
enerjisi
dünyanın
ekolojik dengesinin sürekliliğini sağlayan güne­
şsel ısı, fotosentez, hidrolik, rüzgar, dalga, biyokütle vb. yeniİenebilen tüm temiz enerji türlerini
oluşturur. Güneş ışıma enerjisi gece gündüz nede­
niyle kesikli, ışm açısal ve atmosferik koşullar ne­
deniyle de çok düşük ekserjilidir. Bu nedenle gü­
neş enerjisi doğal biçimiyle, fosil yakıtlar esas alı­
narak geliştirilen günümüz enerji dönüşüm tekno­
lojilerinde, sınırlı düz kollektör uygulamaları dı­
şında yaygm olarak kullanılamamaktadır. Güneş
ışıma enerjisinin ekonomik sektörlerde yaygm bi­
çimde kullanılabilir hale getirilebilmesi için, yük­
sek sıcaklıklarda iş akışkanı üretebilen yoğunlaştırıcı tür güneş kollektörlerine gereksinim vardır.
Orta ve yüksek, sıcaklık uygulamalarında (100300 °C) çizgisel odaklamalı güneşi doğu-batı yö­
nünde tek eksende takip eden ışın yoğunlaştırıcı
sistemler, noktasal odaklamalı sistemlere kıyasla
daha ekonomik olmaktadır. Bu nedenle ticari
yönden pazarlanabilir ve sürekli kullanılabilir,
yüksek verimli, düşük yatırım maliyetli ve hafif
yoğunlaştırıcı güneş kollektörlerinin geliştirilme­
si gerekmektedir. Sistem geliştirme işleminin de­
neme yanılmaya dayanan uzun erimli, zahmetli
ve pahalı deneysel incelemelerle yapılması, pratik
ve ekonomik olmamaktadır. Bu nedenle, sistem
geliştirilmesinde daha etkin ve ucuz bir yaklaşım
olan, sistemin matematiksel modelinin türetilmesi ve bilgisayar simülasyonlarıyla elde edilen ve­
riler yardımıyla en uygun tasarım verilerinin be­
lirlenmesi metodu, öne çıkmaktadır.
Akdeniz ülkelerindeki otel, hastane, kamu bi­
nası gibi yerlerde genellikle yaz aylarında soğut­
ma ihtiyacı fazladır. Buralarda kullanılan soğut­
ma sistemleri kompresörlü sistemler olup, yüksek
miktarlarda elektrik tüketimine sebep olurlar. Di­
ğer yandan, güneş kollektörleri ile elde edilen gü­
neşsel ısı ile çalıştırılan soğurmalı soğutma grup­
larındaki enerji tüketimi, elektrik enerjisinden gü­
neşsel ısı enerjisine kayar.
Yeni geliştirilen parabolik oluk tipi güneş kol­
lektörleri ile elde edilen ısı sadece soğurmalı so­
ğutma gruplarında değil, proses buhar üretimi ve
sıcak su temini için de kullanılır. Böylece kurulan
sistemin birçok uygulamada kullanılmasıyla, iş­
letme giderlerindeki ciddi azalma, bu tip sistem­
lerin amortisman süresini kısaltarak, sistemin
ekonomik uygulanabilirliğini artıracaktır.
2. GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI
Güneş ışınımının teknolojik toplama ile yarar­
lı enerjiye dönüştürülmesinde ısıl veya fotovoltayik esaslardan yararlanılır. Isıl esasa dayanan sis­
temlerin daha geniş uygulama alanı bulunmakta­
dır. Genel olarak bu sistemler;
(a) Düşük sıcaklık uygulamaları (20-100 °€)
(b) Orta sıcaklık uygulamaları (100-300 °C)
(c) Yüksek.sıcaklık uygulamaları (>300 °C)
olarak gruplandırılabilir.
Düşük sıcaklık uygulamalarında daha çok düz
kollektörler kullanılır. Bu uygulamalardan bazıla­
rı [1]:
(a) Konutların sıcak su temini
(b) Konut ısıtması
(c) Sera ısıtması
(d) Tarım ürünlerinin kurutulması
(e) Konut soğutması
(f) Yüzme havuzu ısıtması
(g) Güneş ocakları ve fırınları
(h) Arı su elde edilmesi
(i) Tuz üretimi
(j) Güneş pompaları
Yukarıda belirtilen uygulamalarda güneş ismi­
mi bir ısı değiştiricisi (genellikle düz toplayıcı)
aracılığıyla bir akışkana (su, hava, halojenli hid­
rokarbonlar vs.) aktarılır ve sıcaklığı artan akış­
kan uygulama amacına göre depolanır veya siste­
me doğrudan gönderilir.
Orta sıcaklık uygulamalarında, güneş ışınımı­
nın yansıtılarak veya kırılarak bir noktaya veya
eksene yoğunlaştırıldığı odaklı toplayıcılar kulla­
nılır. Sanayi için gerekli sıcak su veya buharın te­
mini, büyük soğutma ve ısıtma sistemleri, odaklı
toplayıcıların uygulama alanlarından bazılarıdır.
Bu uygulamalarda, genellikle güneşi takip eden
mekanizmalara ihtiyaç vardır.
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Mart-Nisan 2004 •
71
Orta sıcaklık uygulamalarında genellikle kul­ maları ülkemizde henüz başlamış değildir. Bunun
lanılan parabolik oluk tipi ışm yoğunlaştırıcılar- başlıca nedeni düz güneş kollektörleri ile istenilen
da, odak çizgisi boyunca konumlandırılan soğu­ sıcaklıklara çıkılamaması ve bu sıcaklıkta güneşsel
rucu boru içerisinden geçen iş akışkanı, soğurulan ısı sağlayan sistemlerin henüz ticari olarak kulla­
ışınım enerjisini alarak akışkan sıcaklığının yük­ nılmamasıdır. Bunun için sistem yapılan, işletme
selmesine neden olur. Parabolik yüzeye yapıştırı­ ve çevresel koşullar dikkate alınarak yapılacak
lan (kaplanan) yüksek ışın yansıtma değerli yan­ ekonomik analizlerin, bu uygulamaların ekonomik
sıtıcı yüzeyden yansıyan ışm, boru çevresindeki olduğunu ortaya koyması gerekmektedir.
Parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinden
cam örtüden geçerek emici (soğurucu) boru üze­
rine düşer. Bu ışınların büyük bir bölümü emicili- oluşan sistemlerden elde edilen yüksek basınç ve
ği yüksek, yansıtıcılığı düşük ışıma özelliğindeki sıcaklıktaki (12 atm. ve 180 °C) kızgın su kullanı­
seçici yüzey kaplı boru tarafından emilerek, güne­ larak yapılan başlıca uygulamalar proses buhar
şsel ısı olarak, iş akışkanına aktarılırken, kalan üretimi ve soğurmah soğutmadır.
bölümü de borudan yansıyarak camdan dış orta­
ma kaçar. Burada cam kılıfın en önemli görevi, 2.1. Güneş Enerjisi ile Proses Buhar Üretimi
Uygulamaları
dış hava sıcaklığına oranla sıcaklığı çok yüksek
Yüksek performanslı parabolik oluk tipi güneş
olan emici boru yüzeyinden çevreye olan ısı
kollektörleriyle sağlanan 180 °C sıcaklıkta ve 12
transferi kayıplarını azaltmaktır.
Parabolik oluk tipi güneş kollektöründe, emici atm. basınçta kızgın suyun ısıtıcı akışkan olarak
boru üzerinde ideal odaklama, güneşten gelen di­ kullanıldığı buhar jeneratöründen elde edilen bu­
rekt ışınların, kollektör açıklık alanının normali harın kullanılabileceği uygulamalar aşağıda sıra­
ile çakışması durumunda oluşur. Bunun için kol­ lanmıştır [1]:
(a) Sıcak kullanma suyu elde edilmesi,
lektör sisteminin güneşi iki eksende takip etmesi
(b) Yüzme havuzu ısıtılması,
gerekir. Güneşin iki eksende izlenmesinin karma­
(c) Mahal ısıtılması, özellikle düşük sıcaklık­
şık ve pahalı olması nedeniyle, özellikle 100-300
°C arasındaki orta sıcaklık uygulamalarında tek ların yeterli olduğu yerden ısıtma sistemleri daha
eksende, doğu-batı yönünde güneş izlenmesi eko­ yüksek performansla yapılabilir. Ancak sadece
mahal ısıtması yapılması, ısıtma ihtiyacının arttı­
nomik yönden uygun olmaktadır.
Güneş ışınımından yararlanılarak 300 °C'nin ğı durumda güneş ışınımının azalması ve bunun
üzerinde sıcaklık elde edilen sistemlerde; "helios­ sonucu fazla miktarda kollektör alanı gerektirme­
tat" adı verilen, geniş bir alana gelen güneş ışını­ si sebebiyle ekonomik değildir. Mahal ısıtması
mını, güneşi izleyerek bir noktaya odaklayan sis­ kombine sistemlerde yük dağılımının tüm yıla ya­
temlerden yararlanılır. Güneş fırınları ve güneşsel yılması amacıyla kullanıldığı zaman, kurulan sis­
güç sistemlerinde yansıtıcı olarak aynalardan ya­ temden tüm yıl boyunca bir çok farklı uygulama­
rarlanılmakta ve 3500 °C sıcaklığa kadar çıkıla- da faydalanılması sebebiyle ekonomik olabilir.
(d) Endüstriyel mutfak ve çamaşırhanelerin
bilmektedir. Fransa ve Amerika'da bulunan güneş
fırınlarında metallerin eritilmesi, kesilmesi ve ka­ yamsıra, turistik tesislerin mutfak ve çamaşırhalıplanması yapılmaktadır. Yüksek sıcaklıkta bu­ nelerindeki buhar ihtiyacının sağlanması,
har elde edilerek bir türbin aracılığıyla elektrik
(e) Endüstriyel tesisler için yüksek kalite ve sı­
üretilen güneşsel güç sistemlerinin uygulamaları caklıktaki proses buharının temini başlıca uygula­
da mevcut olup, üzerinde yoğun çalışmalar yapıl­ malardır. Proses buhar;
maktadır.
- Kurutulmuş gıda üretiminde ve gıdaların te­
Orta ve yüksek sıcaklık güneş enerjisi uygula­ mizlenmesinde,
72
•
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Mart-Nisan 2004
- Metalürji ve kimyasal işlemlerde,
- Büyük et kombinaları ve pişirilmiş gıda üre­
tim tesislerinde, gıdaların ön pişirilmesinde,
- Tuğla ve gazbeton yapı malzemelerinin fırın­
lanması ve kurutulmasında,
- Tekstil sektöründeki boyahanelerin kurutma
fırınlarında ve benzer birçok uygulamada kullanı­
labilir.
Ayrıca yüksek kaliteli buhar ile elektrik elde
edilebilmektedir. Amerika'da bu amaçla yapılmış
birçok tesis bulunmaktadır. Güneş enerjisi ile
elektrik üretiminin suyun bulunmadığı ancak gü­
neş ışınımının kuvvetli olduğu çöl ve çöl benzeri,
arazi değerinin düşük olduğu kurak alanlarda uy­
gulanabilirliği yüksektir. Türkiye'de Konya Ova­
sı 'run çorak bölümleri bu amaca en uygun alan­
lardır.
turistik tesis veya endüstriyel tesislerde soğurmalı soğutma gruplarının kullanımı, yüksek ilk yatı­
rım maliyeti ve yakıt ile üretilecek kızgın su ve
buharın yüksek işletme maliyeti sebebiyle tercih
edilmemektedir.
Hesaplamalar, atık ısı yerine temiz ve yenile­
nebilir bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi des­
tekli soğurmalı soğutma sistemlerinin, ısıtma ve
soğutmada güneş enerjisinden yararlanılmasını
mümkün kılabileceğini göstermektedir. Özellikle
soğutma uygulamalarında, soğutma ihtiyacının
artışının güneş ışınımının artışı ile aynı yönde ol­
ması sebebiyle, uygun sistemlerin kurulması "gü­
neş enerjisi ile soğutma yapılmasını ekonomik
yapacaktır.
Ancak gerek literatürde yer alan araştırmalar­
da ve gerekse ticari olarak yapılan uygulamalar­
da, enerji toplayıcı olarak düz güneş kollektörleri
kullanılmıştır. Bu kollektörlerde elde edilen su sı­
caklığı en iyi teknolojiler kullanılsa da 120 °C'yi
geçememekte ve ancak COP değeri düşük tek et­
kili soğurmalı soğutma grupları çalıştırılabilmektedir.
Sistemin ekonomik olması için tüm sistem
performansının yükseltilmesi gerekli olup, ısı de­
polama yapılması, ısıl kayıpların azaltılması, kollektör ve kollektör alanlarının doğru boyutlandırılması gereklidir.
Güneş enerjisiyle elektrik üreterek, mekanik
soğutma yapılması da mümkündür. Ancak soğur­
malı soğutma sistemleriyle karşılaştırıldığında
kesinlikle ekonomik değildir.
Güneş enerjisi yatırımlarının ilk yatırım mali­
yeti çok yüksektir. İşletme giderleri diğer konvansiyonel sistemlere göre az olmasına rağmen COP
değeri düşük cihazlarla istenilen soğutma ihtiya­
cını karşılamak için büyük kapasiteli cihazlar se­
çilmeli ve bu da direkt olarak toplayıcı (güneş
kollektörü) miktarının ve ilk yatırım maliyetinin
artmasına sebep olmaktadır.
2.2. Güneş Enerjisi ile Soğurmah Soğutma
Sistemi Uygulamaları
Soğurmah soğutma çevrimleri, birincil (soğu­
tucu) ve ikincil (emici) akışkan olarak adlandırı­
lan, iki farklı akışkandan meydana gelen çevrim
akışkanı (iş akışkanı çözeltisi) ve ısı enerjisi ile
çalışan sistemlerdir. Buharlaştırıcıda buharlaşan
akışkan birincil akışkan olup, soğutucu görevi
yapmaktadır, bu akışkanın çevrimi gerçekleştire­
bilmesi için ikinci bir akışkan tarafından emilme­
si (absorbe edilmesi) gerekir.
Soğurmah soğutma sistemleri, ayıraçlarına
sağlanan ısı girdisiyle çalışırlar. Bu çoğunlukla,
tek etkili sistemlerde 80-130 °C sıcak/kızgın su
veya maksimum 1 atm'deki düşük basmçlı buhar­
dır. Bu tip sistemlerin soğutma etkinlik katsayısı
(COP) değeri 0,7'yi aşmamakta olup, ancak tesis­
te ısı girdisi için yeterli atık ısı varsa ekonomik
olabilmektedir. Günümüzde atık ısı olarak, doğal
yer altı sıcak su kaynakları ve son zamanlarda da
imalat ve prosesler sonucu veya kojenerasyon sis­
temleri çıktısı olan, egzost gazları ve ceket soğut­
ma suyu ile bir eşanjörde üretilen kızgın su kulla­
Dolayısıyla sistemi ekonomik yapabilmek
nılmaktadır [1].
için, öncelikle COP değerinin yükseltilmesi ge­
Dolayısıyla sadece soğutma yapmak amacıyla reklidir. Bu konuda son yıllarda yapılan çalışmaTESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Mart-Nisan 2004
73
Bu projede tasarımı ve prototip imalatı yapılan
parabolik oluk tipi güneş kollektörleri ile 12 atm.,
180 °C'de kızgın su elde edilebilmektedir. Dola­
yısıyla elde edilen bu özelliklerdeki kızgm su ile
bir buhar jeneratöründe 143°C doymuş buhar ra­
hatlıkla elde edilebilir. Bu konuda yapılan ön ça­
lışmalarda, uygun kızgm su ve buhar debilerinde,
kızgm
su devresinin 180/155 °C, buhar devresi­
Ancak çift etkili soğurmah soğutma grupları­
nın ayıracına sağlanan ısı girdisinin yüksek sıcak­ nin ise 143/95 °C olarak çalışabileceği görül­
lıkta ve basınçta (4-8 atm), buhar olması gerek­ müştür.
mektedir. 4 atm'de doymuş buhar sıcaklığının
Güneş enerjisiyle üretilen kızgm su kullanıla­
yaklaşık olarak 143 °C olması, bu sıcaklıkta bu­ rak elde edilen 143 °C doymuş buhar çift etkili
harı üretmek için daha yüksek sıcaklıkta buhar LiBr-H20 soğurmalı soğutma sisteminin ayıracı*
veya kızgın suyun temin edilmesi ihtiyacını do­ na ısı girdisi olarak verilir. Böylelikle tahrik edi­
ğurmaktadır.
len soğurmalı soğutma sistemi, gereksinim duyu­
Günümüzde yaygm olarak kullanılan düz gü­ lan soğutma ihtiyacını karşılar. Güneş enerjisiyle
neş kollektörleri ile maksimum 110-120 °C kız­ çalıştırılan bir soğurmalı soğutma sistemi ve ge­
gm su elde edilebildiğinden, daha yüksek sıcak­ rekli ekipmanların işletme akış şeması Şekil l'de
lıklara çıkabilmek için yoğunlaştıncı güneş kol- verilmiştir [1].
lektörlerine ihtiyaç duyulmuştur.
Sonuç olarak parabolik oluk tipi kollektörün
kullanımı ile gü­
neş enerjisiyle çift
etkili soğurmalı
soğutma grupları
çalıştırılabilecek
ve tek etkililere
göre iki kat yüksek
COP değerine ula­
şılması sayesinde,
daha düşük kapa­
sitede güneş ener­
jisi toplayıcıları ve
soğutma sistemi
kullanımı yeterli
olacaktır. Böylece
yatırımlara karar
verilmesinde ülke­
miz
için
çok
önemli bir para­
metre olan ilk yatı­
Şekil 1. Güneş enerjisiyle çalıştırılan bir soğutmalı soğutma sistemi ve gerekli
rım maliyeti düşü­
ekipmanların isletme akış şeması (POT: parabolik oluk tipi güneş kollektörü,
rülebilecektir. Ay­
KSD: kızgın su deposu, KSP: kızgın su pompası, SSD: soğutma suyu deposu,
SK: soğutma kulesi, ÇES: çift etkili soğutma grubu, BSP: besi suyu pompası) [1].
rıca gerek diğer
1ar sonucu imal edilen çift etkili soğurmah soğut­
ma gruplarıyla COP değeri 1,4'e kadar çıkmakta­
dır. Bu da gereksinim duyulan ayrıştırma ısıl ka­
pasitesinin, yarıya düşürülebilmesini ve buna
bağlı olarak toplayıcı alanının da yarıya düşürüle­
rek, ilk yatırım maliyetinin yaklaşık olarak % 50
oranında azalmasını sağlamaktadır.
74
• TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Mart-Nisan 2004
enerji kaynaklarının azalması ve buna bağlı ola­
rak pahalılaşması sonucu oluşan yüksek işletme
maliyetlerinden kurtulunacak, gerekse de emis­
yonları azaltması sebebiyle çevre korunacaktır.
2.2.1. Tek ve Çift Etkili Soğurmalı Soğutma
Makineleri Üzerinde Yapılan Simülasyonlar
Tasarım ve imalatta kullanılacak teknikler
hakkında karar verebilmek için güneş enerjisi tek­
niği ve parabolik oluk tipi kollektörler ile tahrik
edilen, tek ve çift etkili soğurmalı soğutma maki­
neleri üzerinde simülasyonlar yapılmıştır.
Bu simülasyonlarda Antalya'nın meteorolojik
verileri kullanılarak, 15 Nisan - 30 Eylül ara­
sındaki soğutma sezonu için, güneş kollektörlerinden elde edilen enerji, soğurmalı soğutma
grubunun çalıştırılabilmesi için gereksinim
duyduğu enerji ve destek sisteminden alınması
gerekli olan enerji miktarları hesaplanmıştır.
Soğurmalı soğutma gruplarının Soğutma Et­
kinlik Katsayısı (COP) değerleri yükün bir
fonksiyonu olarak modellenmiş olup, Şekil
2'de çift etkili soğurmalı soğutma makinesinin
COP değeri, yükün bir fonksiyonu olarak veril­
miştir.
Tek etkili soğurmalı soğutma makineleri
için güneş kollektörleri giriş ve çıkış sıcaklıkları
80 °C - 110 °C olmasına karşın, bu değerler çift
etkili makinelerde 155 °C - 180 °C'dir. Şekil 3 ve
4'de, tek ve çift etkili soğutma makinelerinin ihti­
yaç duyduğu aylık enerji miktarları ile güneş ışı­
nımından elde edilen ve destek sistemi ile sağla­
nan enerji miktarları da gösterilmiştir.
Beklendiği gibi aynı oranda soğutma yükünü
karşılamak üzere kurulan, yüksek sıcaklık seviye­
sindeki parabolik oluk tipi kollektör alanından el­
de edilen yaklaşık yıllık 565 kWh/m2-yıl enerji ile
tahrik edilen çift etkili soğurmalı soğutma maki­
nesi, düşük • sı­
caklık
seviye­
sindeki yaklaşık
yıllık
760
kWh/m2-yıl
enerji ile tahrik
edilen tek etkili
soğurmalı so­
ğutma makine­
sinden daha dü­
şük enerjiye ih­
tiyaç duyar. Yoğunlaştıncı tip
kollektörlere öz­
gü bir özellik
olan küçük emi­
ci yüzey alanı
sebebiyle, yükTESİSAT MÜHENDİSLİĞİ /Mart-Nisan 2004 •
75
malı
soğutma
gruplarının bir­
likte kullanıldığı
güneş
destekli
soğutma sistem­
lerinin, 100 kW
üzerindeki soğut­
ma yükleri için
ekonomik olabi­
leceği
beklen­
mektedir. Türki­
ye'deki
düşük
üretim maliyetle,ri ve seçici yü­
zeyli boru, cam
2
Şekil 4.İSO m kolektör alanı ile tahrik edilen çift etkili soğurmalı soğutma grubunun enerji
kılıf, yansıtıcı yü­
simulasyonu - Güneş kollektörleri alanından ve destek sisteminden karşılanan aylık enerji mik­
tarları ve soğurmalı soğutma makinesinin (SSM) gereksinimi olan aylık ısı enerjisi [3].
zey gibi ilk etapta
yurt dışından it­
sek emici yüzey sıcaklıklarından kaynaklanan ısı
hal edilecek malzemelerin, zamanla yurt içinde
kayıpları, sistemin tüm performansındaki yüksel­
üretilmesi ile, sistem fiyatım belirleyen en önem­
menin yanında çok düşük kalır. Çünkü yüksek sı­
li maliyetlerden, güneş kollektörünün üretim ma­
caklık uygulaması sebebiyle artan ısı kayıpları,
liyeti düşecek, bu da sistemin amortisman süresi­
borunun üzerine yerleştirilen düşük demirli cam
ni daha da kısaltacaktır. Çift etkili soğurmalı sis­
kılıf sayesinde azaltılmasına rağmen, kollektör
temlerin tüm çalışma süreci içerisinde genellikle
verimini yaklaşık olarak % 25 oranında düşürür­
% 50 ile % 80 kısmi yük altında çalıştığı bilindi­
ken, çift etkili soğurmalı soğutma makinesinin
ğinden, bu sistemlerin ortalama COP'si 1,4 civa­
COP değerinin, tek etkili soğurmalı soğutma ma­
rında kabul edilmektedir (Bkz. Şekil 2).
kinesinin COP değerine göre sağladığı perfor­
mans artışı yaklaşık % 86'dir. Böylece tüm siste­
3. SARIGERME'DE GÜNEŞ ENERJİLİ BİR
min verimi yaklaşık % 47 oranında artar [1].
SOĞUTMA SİSTEMİ UYGULAMASI
Buradaki en önemli noktalar, yüksek soğutma
Güneş enerjisi destekli soğutma uygulamala­
etkinlik katsayısına sahip çift etkili soğurmalı so­
rında bugüne kadar farklı tiplerde kollektörler
ğutma makinelerinin kullanımı ile, hem destek
sistemi yakıt tüketiminin düşmesi, hem de kollek­
tör alanının önemli oranda azalmasıdır (Bkz. Şe­
kil 5). Bu şekilde sistemin, hem ilk yatırım mali­
yeti azaltılacak, hem de işletme giderleri konvansiyonel sistemlere göre çok az olan güneş enerjili
soğurmalı soğutma sisteminin amortisman süresi
kısaltılarak, yaygınlaşması sağlanacaktır. Konvansiyonel sistemlerle, verim ve fiyatlar yönün­
den yapılan karşılaştırmalar sonucunda, parabolik
oluk tipi güneş kollektörleri ile çift etkili soğur­
76
• TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Mart-Nisan 2004
kullanılmıştır. Bunlar düz ve vakum tüplü kollek­
törlerle çalıştırılan absorbsiyonlu (soğurmah) ve
adsorbsiyonlu soğutma makineleridir.
Bu tip uygulamalarda parabolik oluk tipi kollektörlerin kullanımı Avrupa'da bilinmemekte
olup, Amerika'da Berquam ve arkadaşları [2] tek
etkili soğurmalı soğutma grupları ile parabolik
oluk tipi kollektörleri kullanmışlardır. Krüger ve
arkadaşları [3] ise tek etkili soğurmah makinele­
rini incelemişlerdir.
Yaygın olarak kullanılmakta olan tek etkili so­
ğurmah soğutma makineleri,, genelde düz kollek­
törlerle tahrik edilmektedir. Düz kollektörlerle
ulaşılabilen sıcaklıklar 80 °C - 110 °C arasında
olup, sıcaklık yükseldikçe kollektör verimi azal­
maktadır. Yapılan pazar araştırmalarında 80
°C'nin altındaki sıcaklıklarda tahrik edilen tek et­
kili soğurmalı soğutma makinelerinin kabul edile­
bilir yatırım maliyetlerine sahip olmadığı görül­
müştür. Bu nedenle soğutma uygulamalarında
düz kollektörlerin kullanımı yaygınlaşmamıştır.
Vakum tüplü koUektörler ise parabolik oluk tip­
lerle kıyaslandığında çok pahalı olması sebebiyle
yatırım maliyetini yükseltmekte ve parabolik oluk
tipi kollektörlerin ulaştığı sıcaklıklara ulaşama­
maktadır.
Sarıgerme'deki bir otelde TÜBİTAK TİDEB
proje desteği kapsamında yapılacak uygulamada,
116 kW soğutma yükünün güneş enerjisi ile karşı­
lanması için Şekil 5'de akış şeması verilen bir sis­
tem kurulacaktır. Burada kullanılacak parabolik
oluk tipi koUektörler bu proje kapsamında Türki­
ye'de tasarlanmış olup, 5 m boyunda, 1,8 m enin­
de ve yaklaşık 9 m2 açıklık alanına sahiptir. Bu
kollektörde, toplayıcı alanının açıklık alanına ora­
nı olan, geometrik yoğunlaştırma oranı 15 olup,
her kollektörden 5-6 kWh enerji sağlanacağı he­
saplanmıştır. Böylece kurulacak sistemde 20-24
adet kollektörün otelin bahçesine montajı yapıla­
caktır. Bu koUektörler, özel geliştirilen bilgisayar
yazılımı ve fotosellerden oluşan güneşi takip sis­
temi ile kontrol edilen, bir motor redüktör grubu
ile gün boyu 270 ° açısal hareket yaparak güneşi
takip edecektir. Böylece kollektörün siyah ksom
seçici yüzey kaplanmış CrNi borusunun, gün bo­
yunca güneş ışınlarını dik olarak alması sağlana­
rak sistemin performansı arttırılacaktır [1].
Bu sistemde, ortalama 1,4 COP değerine sahip
çift etkili soğurmalı soğutma grubunun çalıştırıl­
ması için gerekli olan ısı, 143 °C, 4 atm özellikle­
rinde buhar ile karşılanacaktır. Bu özellikte buha­
rın üretileceği jeneratörün ısıtıcı akışkanı olarak,
parabolik oluk tipi güneş kollektörlerinden elde
edilen 180 °C, 12 atm özelliklerindeki kızgın su
kullanılacaktır. Bu nedenle parabolik oluk tipi
koUektörler 12 atm, 180 °C / 155 °C giriş - çıkış
sıcaklıklarında çalışacak şekilde tasarlanmıştır.
Parabolik oluk tipi kollektörlerle toplanan di­
rek güneş ışınımının kesintili ve geceleri hiç ol­
maması sebebiyle, sistem üzerine kollektörlerde
üretilen fazla kızgın suyun depolanacağı kızgın su
ısı depolama tankının yerleştirilmesi gerekmekte-
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ /Mart-Nisan 2004 •
77
dir. Bu şekilde otelin soğutma ihtiyacının olmadı­
ğı veya azaldığı saatlerde depolanan kızgın su
desteği ile, güneş ışmımmm olmadığı veya azal­
dığı durumlarda soğutma işlemi devam edebile­
cektir. Böylece sistemin gün boyu çalışma süresi
uzatılarak, işletme giderlerinin azaltılması ile sis­
temin amortisman maliyeti ve süresi kısaltılacak­
tır.
Bu sistemde soğurmalı soğutma makinesinin
sürekli çalışmasını sağlamak için, özellikle gece­
leri buhar üretimini destekleyecek bir buhar kaza­
nına da ihtiyaç duyulmakta olup, yeni kurulacak
sistemlerde buhar kazanı ile soğurmalı soğutma
grubunun desteklenmesi yerine, küçük kapasitede
buhar sıkıştırmak konvansiyonel bir soğutma gru­
bu ile de geceleri soğutma ihtiyacı desteklenebilecektir. Burada çok tarifeli elektrik sayaçlarının
kullanımı, geceleri kullanılan elektrik enerjisine
daha düşük bedeller ödenmesini ve işletme gider­
lerinden tasarruf edilmesini sağlayacaktır.
Otel odalarındaki soğutma ihtiyacının azaldı­
ğı, fakat güneş ışmımmm fazla olduğu 11:00 17:00 saatleri arasında, depolamadan sonra, üreti­
len fazla buhar ile otelin mutfak, çamaşırhane, ha­
mam ve sauna gibi alanlarında 300 - 700 kg/h'lik
buhar ihtiyacı ve 60 °C'de sıcak su ihtiyacı karşı­
lanacaktır. Böylece sisteme yapılan yatırımdan el­
de edilecek enerjinin kullanım alam ve süresi art­
tırılarak LPG ve elektrik tüketimi azaltılacaktır.
Şekil 7. Geliştirilen parabolik oluk tipi kollektörünün
prototipi [1]
78
H
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Mart-Nisan 2004
Bu da otelin işletme giderlerinin düşmesini ve sis­
temin amortisman süresinin kısalmasını sağlaya­
caktır.
4. SONUÇ
Türkiye'nin uygun güneş kuşağı ve doğalgaz
taşmım güzergahı üzerinde olması, güneşsel ısı
yükleri ile soğutma ısı yüklerinin çakışması nede­
niyle, doğalgaz destekli güneş enerjili soğurmalı
soğutma sistemlerinin Türkiye ekonomisi yönün­
den uygunluğunun derinliğine araştırılması ge­
reklidir. Bu uygulamalarda soğutma yükü ve gü­
neşsel ışm şiddeti aynı fazda olup birlikte artma*
sı, bu tür uygulamaların ekonomik olmasını des­
tekler. Alışılmış soğurmalı soğutma sistemlerinde
(tek etkili) üretilen soğunun, harcanan enerjiye
oram (COP değeri) yaklaşık 0,7-0,9 dolayındadır.
Güneş enerjili soğurmalı soğutma sistemlerinin
ekonomik yönden uygun olabilmesi, COP değer­
leri, tek etkili sistemlerin yaklaşık iki katı olan,
çift etkili soğurmalı soğutma sistemlerinin kulla­
nılmasını gerektirir. COP değerinin iki kat artma­
sı ile, soğurmalı soğutma sisteminin ısı girdisi,
dolayısıyla da güneşsel ısıyı sağlayan kollektör
sayısı yarıya düşer. Bu da toplam yatırım maliye­
tinin yaklaşık % 40 azalmasına neden olur. Çift
etkili soğurmalı soğutma sistemleri sadece yük­
sek sıcaklıkta buhar ile çalıştırılabildiği için, bu­
har üretiminde kullanılabilecek yüksek sıcaklık
ve ekserjide kızgın su üreten, parabolik oluk tipi
güneş kollektörlerinin kullanımı en ekonomik çö­
züm olmaktadır. Bu nedenle çift etkili soğurmalı
soğutma uygulamalarında, güneşsel rejenerasyon
ısısı üreten parabolik oluk tipi kollektör sistemle­
ri ile ilgili AR-GE çalışmaları yapılmalıdır.
Çift etkili soğurmalı soğutma grubunun kulla­
nımı, güneş enerjisi ile soğutma yapılmasını
avantajlı kılar. KOSGEB ve TÜBİTAK TİDEB
tarafından desteklenen projede, Sarıgerme'deki
bir otelin bahçesine kurulacak olan parabolik oluk
tipi kollektörler ile buhar jeneratöründen elde edi­
len 4 atm'deki doymuş buharın bir kısmı soğutma
için kullanılırken, diğer kısmı çamaşırhane, mut-
fak, havuz ısıtması, mahal ısıtması, sıcak su üreti­
mi vb. farklı uygulamalarda kullanılarak yük fak­
törü arttırılır. Böylelikle yüksek ilk yatırım mali­
yetine sahip bu sistemler, daha fazla uygulamada
kullanılarak, işletme enerji giderlerinden tasarruf
edilen miktar arttırılır, bu da amortisman süresini
azaltır. Kurulan sistem üzerinde yapılacak ölçüm­
lerle, güneş enerjili soğutma sisteminin ve üreti­
len parabolik oluk tipi koUektörlerin termal testle­
ri yapılacak, sistem ve elemanlarının performansı
tespit edilecektir.
sistemdeki en yüksek maliyete sahip olan parabo­
lik oluk tipi güneş koUektörlerinin performansını
yükseltecek çalışmalar yapılırken, diğer taraftan
da üretim maliyetini düşürecek tekniklerle daha
ucuz, fakat yüksek performanslı koUektörlerin
imalatı üzerinde çalışılmaktadır. Bu proje kapsa­
mında üretilen parabolik oluk tipi güneş koUek­
törlerinin, kısa bir süre içinde gerek Türkiye'deki
birçok uygulamada kullanılması, gerekse yurt dı­
şına ihracatı planlanmaktadır.
Türkiye'deki enerji krizi ve yükselen elektrik
ve LPG giderleri göz önüne alındığında, güneşli
günlerin 300 günden fazla olduğu Akdeniz Bölge­
sindeki oteller ve buhar ihtiyacı olan endüstriyel
tesislerde, parabolik oluk tipi kollektörlerle topla­
nan güneş enerjisi ile buhar ve soğutma uygula­
maları ekonomik olacaktır. Ayrıca bu uygulama­
larda temiz bir enerji kaynağı olan güneş enerjisi­
nin kullanımı ile çevreye atılan emisyonlar da
azaltılacaktır. Bunu sağlamak üzere bir yandan
KAYNAKLAR
[1] ÇOLAK, L., "Güneşi Takip Eden Parabo­
lik Oluk Tipi Güneş KoUektörlerinin Matematik­
sel Modellenmesi Tasarımı ve Teknik Optimizasyonu, Doktora Tezi, Gazi Üniversitesi, 2003.
[2] BERGQUAM, BREZNER, HEWETT,
AICHE Annual meeting in Los Angeles, CA,
Nov. 16-21, 1997.
[3] KRÜGER, D., LOKURLU, A., RİCHARTS, F., 5th Cologne Solar Symposium, 2001.
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ /Mart-Nisan 2004 •
79