Vakumlu güneş kollektörlerde verimin tespiti ve incelenmesi

 Bu amaçla vakumlu güneş kollektörleri tanıtılmış ve örnek bir kol-lektör   üzerinde   enerji   denklemi oluşturularak.  
verim   üzerine   etki edeırbazı  çevresel  ve  konstrüktif parametreler   ele   alınmıştır.   Yaz şartı   için   Adana   ilinde   yapılan hesaplamalar, grafik halinde sunularak,   gerekli   yorumlar   yapılmıştır.

1. Giriş

Günümüz mevcut enerji kaynaklarının hem maliyetlerinin sürekli artma eğilimi göstermesi, hem de doğal enerji kaynaklarının azalıyor olması, ülkeleri yeni enerji kaynakları aramaya yöneltmektedir. Yeni enerji kaynaklarının başında da birçok olumlu yönleri nedeniyle güneş enerjisi gelmektedir. Yenilenebilir   ve   temiz   bir   enerji oluşu, güneş enerjisi ile ilgili araştırmaların yoğun olarak sürmesine neden olmaktadır. Bugün için binaların ısıtılmasında, soğutma uygulamalarında, tarım ve orman ürünlerinin kurutulmasında, tatlı su eldesinde, seraların ısıtılmasında, sıcak su temininde ve güneş pompaları, güneş fırınları, buhar üretimi, güneş havuzları gibi çeşitli alanlarda güneş enerjisinden yararlanılmaktadır. Ayrıca güneş enerjisini; doğrudan elektrik enerjisine dönüştürmede, güneş pili olarak adlandırılan fotovoltaik toplayıcılar ile de elektrik enerjisi üretimi gittikçe yaygınlaşmaktadır. Ancak güneş enerjisinden daha ziyade; ilk yatırım ve işletme giderleri ile montaj ve bakım kolaylıkları, konstrüksiyon basitlikleri nedeniyle, ısıl uygulamalarda yaygın olarak yararlanılmaktadır. Bu amaçla kullanılan ve güneş kollektörleri adı verilen, güneş ışınımını bir akışkana aktaran ısı değiştirgeçlerine ihtiyaç vardır. Güneş kollektörleri genel olarak düz yüzeyli ve odaklı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Düz yüzeyli   kollektörlerler   100  °C  civarındaki, odaklı kollektörler ise 300 °C'ye kadarki ısıl uygulamalarda başarı ile kullanılmaktadır. Genel olarak su ısıtma ve absorp-siyonlu soğutma sistemlerinde 100-150 'C'lik bir sıcaklığa erişmek yeterli olduğundan düz yüzey kollektörlerin kullanımı uygun olmaktadır. Odaklı kollektörler ise daha çok özel uygulamalarda kullanılmaktadır. Düz yüzey kollektörler; özellikle konutlarda 100 °C'ye kadarki sıcaklıklar için sıcak su temininde kullanılan düzlemsel kollektörler ile 120-150 °C arasında sıcaklıkları, dolayısıyla soğutma sistemleri için de kullanılabilen sıcaklıkları sağlayabilen vakumlu düz yüzeyli kollektörler olmak   üzere   ikiye   ayrılmaktadır.

Bu makalede, erişebildiği sıcaklık sınırı açısından kullanım alanlarının daha geniş ve ısıl verimlerinin yüksek olması bakımından, vakumlu güneş kollektörleri üzerinde durulmuştur.

2. Vakumlu güneş kollektörü

Vakumlu güneş kollektörleri, aynı eksenli   iç   içe   yerleştirilmiş   cam kayıpları azaltmak ve sistem verimini arttırmak gayesiyle vakumlandırılmaktadır. Saydam olan dolayısıyla güneş ışınlarını geçiren bu cam boru içerisindeki siyah renkli yutucu levha güneş ışınımlarını toplamakta ve bunu bir akışkana aktarmaktadır. Şekil l'de böyle bir güneş kollektörünün konstrüksiyo-nu, Şekil 2'de ise tüp ve yutucu plakanın kesiti gösterilmiştir [2]. Vakumlu güneş kollektörlerinde en önemli kısmı, cam boru içerisinde meydana getirilen vakum oluşturmaktadır. Bu nedenle cam boru ve yutucu plaka ile gövde arasında   sızıntı   olmasını   önleyecek şekilde izolasyon yapılması gerekmektedir. Bu kollektörlerde vakum; ısıl kayıpları azalttığı için, verim üzerinde doğrudan etkili olmaktadır. Vakum değeri ne kadar artarsa (sıfıra doğru yaklaşırsa), ısı kaybı da o oranda azalmaktadır. Cam tüp ile yutucu levha arasında yaratılan vakum ortamında hava olabileceği gibi başka gazlarda olabilmektedir. Şekil 3'de havası alınmış ortam, yani vakum ortamı olarak hava, Şekil 4'de ise metil-iodide kullanılması durumunda, çeşitli vakum basınçları için kollektör ısı kaybının, yutucu levha sıcaklığı ile değişimleri verilmiştir [2]. Görüldüğü gibi aynı yutucu levha sıcaklığında metil-iodide'nin ısı kaybı havaya   göre   daha   az   olmakta   ve basınç değeri azaldıkça daha olumlu sonuçlar alınmaktadır. Ancak uygulamada vakumlu güneş kollektörlerinde vakum ortamı olarak hava kullanılması nedeniyle burada da hava esas alınarak, belirli basınç değerlerinde, yutucu plaka sıcaklığına bağlı olarak ısıl kayıplar ve verimler incelenmeye çalışılmıştır.

Tablo 1. Hesaplamalarda kullanılan değerler

2.1. Isıl analiz

Vakumlu   güneş   kollektörlerinde güneşten  gelen  ışınım, cam  boru nun geçirgenlik katsayısı ve yutucu levhanın yutma katsayısına bağlı olarak bir akışkana aktarılmaktadır. Işınım bir kısmı ise çevreye kayıp ısı enerjisi olarak transfer edilmektedir. ısı transferi genel olarak radyasyon ve iletimle meydana gelmektedir. Yutucu plakadan vakum ortamına kollek-törün üstü kesiti için

a:,!«F.<?C.'-t'l,!W'. -Ta)          (1)

eşitliğini, alt kesit için de,

&         FtS,.,(T/- T?')*2k>t(T,  -T,c ) (2)

eşitliğini yazmak mümkündür [2]. Eşitliklerde ilk terim radyasyonla, ekinci terim ise iletimle olan ısı kayıplarını ifade etmektedir. İletim ile ısı transferinde (]), yutucu plaka ve tüpün geometrisine bağlı olarak belirlenen bir fonksiyon olup, hesaplanması [2]'de detaylı olarak açıklanmıştır. Yutucu plakadan vakum ortamına olan toplam ısı transferi eşitlik (1) ve (2)'nin toplanmasıyla,

Q? = oal(ett (TA' ' O + *..,C"/ - rıo')) +**WMı -T*,- !"?) (3)

Diğer yandan yutucu levhadan

vakum ortamına gelen söz konusu

ki         ısı;  kollektör cam  borusun-

dan dış ortama doğru, yine üst ve alt kesitlerden konveksiyon ve radyasyonla transfer edilmektedir. Bunlar,

&,.-?f-*s,(T?'-T;yz£!-«,?(Tw-T,)         (4)

a? ,<LS±L?e-(Tıc- _ vy^-a.,, (T? -T,) (5)

eşitlikleri ile ifade edilebilmektedir [2|. Toplam dış ortama kayıp ısı ise, alt ve üst kesitlerdeki kayıpların toplanmasıyla,

& *~°eMc   + 5.' -2T,'t^La,AT«+T?-2T,)   (6)

şeklinde yazılabilmektedir. Eşitlik  (4)   ve  (5)'de  ifade  edilen dış   ortamla   cam   boru   orasındaki ısı  transferi  katsayısı  alsl da, Holman tarafından [2], serbest konveksiyon olması durumunda,

-<*&   (7)

Zorlanmış konveksiyon olması durumunda, ise,

a,SI= - - (0.0161Re"4J!+0.007) (8) d0

şeklinde tarif edilmiştir. Eşitlik (8)'deki Reynolds sayısı da SI birim sistemi ile,

Re= 72770doV           (9)

şeklinde önerilmektedir. Burada V rüzgar hızı olup, Re>400 için zorlanmış konveksiyon söz konusu olmaktadır.

Kollektör üzerinden kaybedilen ısı belirlendikten sonra, kollektörde önemli bir kriter olan ısıl verimli-liğni hesaplanması da gerekmektedir. Bunun için kollektör üzerinde uygun bir enerji denkleminin yazılmasına ihtiyaç vardır. Kollektör üzerine gelen güneş ışınımı ile kaybedilen (Q«), kollektör malzemesi üzerine depolanan (Qd) ve akışkan tarafından alınan faydalı (Qf) ısılarını içeren bir denklem, Fi (xa) = QK + Qd + Qf (10) şeklinde yazılabilmektedir. Ancak depo edilen ısı genel olarak çok az miktarda olduğu için ihmal edilebilmektedir. Bu durumda eşitlik (10)'dan (Qf) faydalı ısı tespit edilerek ısıl verim için,

eşitliği yazılmaktadır. Eşitlik (6) kullanılarak ısıl verim ifadesi düzenlenecek olursa,

eşitliği elde edilmektedir. Eşitlikteki T1G ve T2G sıcaklıkları ise kollektörün; eşitlik (1) ve (4) ile verilen üst kesitindeki, eşitlik (2) ve (5) ile verilen alt kesitteki ısı kayıplarının  birbirlerine  eşitlenmesiyle bulunabilmektedir.

3. Tartışma ve sonuçlar

0.0JJ    6«        O.IH*  0.!l       D.13İ   0.16     BIIS

(T.-T,yifCmVVI0

Şek/7 5. Dış ortam sıcaklığına bağlı olarak, verimin (T/ - Tg)/I ile değişimi.

Hesaplamalar Adana ilinde, proje değerlerine esas olarak alınan 23 Temmuz gününde, söz konusu vakumlu güneş kollektörünün Tablo l'de verilen değerleri için geliştirilen bir bilgisayar programı ile yapılmıştır. Gerekli olan anlık çevre sıcaklığı [3]'de, anlık toplam ışınım değerleri ise [4]'de, belirtilen yöntemlerle hesaplara dahil edilmiştir. Genel olarak vakumlu  kollektör  verimi, konstrüközellikleri ile çevre şartlarına bağlı olduğundan, burada da bu parametrelerin etkileri belirlenmiş ve bunların (TA - Ts)/I değerine bağlı değişimleri grafik olarak sunulmuştur. Çevre etkileri şekil 5 ve 6'da gösterilmiştir. Şekil 5'de dış ortam sıcaklığına bağlı olarak kollektör veriminin sabit rüzgar hızında, (TA - Ts)/I ile değişimi çizilmiştir. Çevre sıcaklığının daha düşük olduğu saatlerde, dış ortama ısıl kaybın bir miktar fazla olacağı nedeni ' verimin daha düşük olmasıenmekle birlikte, çevre sıcaklığıyla pek fazla değişmediği de görülmektedir.

Şekil 6'da sabit dış ortam sıcaklığında kollektör veriminin rüzgar hızı ile değişimi verilmiştir. Rüzgar hızının artması eşitlik (8) ile verilen zorlanmış konveksiyonla ısı transfer katsayısını, dolayısıyla konveksiyonla ısı kaybını arttırdığından, verim değirini düşürmektedir.

Şekil 7, 8, 9'da ise konstrüksi-yondan kaynaklanan bazı parametrelerin verim üzerindeki etkileri gösterilmiştir.

Şekil 7'de kollektör yutucu^laka boyunun verim üzerindeki ^P.isi verilmiştir. Görüldüğü gibi plaka boyunun artmasıyla kollektör içindeki akışkanın katettiği yolun artması, dolayısıyla daha yüksek sıcaklıklara çıkması, yutucu plakanın da yüksek sıcaklıklarda olmasını temin edeceğinden ısıl kayıpları arttırmakta, bunun sonucunda ısıl verim düşmektedir. Şekil 8'de ise yutucu plaka genişliğine bağlı olarak verim değişimi gösterilmiştir. Yutucu plaka genişliğiyle beraber yüzey alanın artması, yutucu plaka boyunun artması durumundaki benzer nedenlerle ısıl kaybı arttıracağından, verim değerinde düşme gerçekleşmektedir.Şekil 9'da yutucu plaka kalınlığına bağlı olarak verimin değişimi verilmiştir. Doğal olarak yutucu plaka kalınlığının artması (ısıl direncin artması), plakadan ısı taşıyıcı akışkana iletimle ısı transferini kötüleştirdiğinden verimde düşme görülmektedir. Şekillerin hepsinde (TA - Ts)/I değerinin artması ile verimin düştüğü de görülmektedir. Bu, yutucu plaka sıcaklığının artması şeklinde değerlendirilecek olursa, dış ortama doğru olan ısıl kayıpların a ısı nedeniyle beklenen bir durumdur.

Sonuç olarak vakumlu kollektörle-rin verim değerlerinin ortam sıcaklığı ve rüzgar hızı gibi çevre şartlarından pek fazla etkilenmediği ancak şekil 3'den de görüldüğü gibi vakum basıncı ile kollek-törün uzunluk, genişlik, kalınlık gibi boyut parametrelerine bağlı olarak değiştiği söylenebilir.

Semboller

a       Yutucu plaka genişliği (m)

d0     Cam tüpün dış çapı (m)

b       Vakumlu kollektör tüpün yüzey alanı (m2)

Fh     Yutucu plaka yüzey alanı, (ITT)

I           Güneş ışınımı (w/m:)

k          Vakum plaka boyu (w/m°Q)

1          Yutucu plaka boyu (m)

s          Yutucu plaka kalınlığı (m)

Qcı     Kollektör   malzemesi   üzerine depolanan ısı miktarı (w)

Qf     Kollektörde çalışma akışkanına transfer edilen faydalı ısı (w)

QK    Kollektörden çevreye olan toplam ısı (w) QRT Yutucu plakadan vakum ortamına toplam ısı transferi (w)

QRTaAlt kesit için yutucu

plakadan vakum ortamına ısı transferi (w)

QRj jjÜst kesit için yutucu plakadan vakum ortamına ısı transferi (w)

Q.,lt   Alt kesit için kollektör cam borunadn dış ortama olan toplam ısı transferi (w)

Qüst Üst kesit için kollektör cam borunadan dış oratma olan toplam ısı transferi (w)

Re     Reynolds sayısı (Boyutsuz)

TA    Yutucu plaka sıcaklığı (K)

TQ    Cam sıcaklığı (K)

T|G  Tüpün üst kesitinin cam sıcaklığı (K)

T2Q  Tüpün alt kesitinin cam sıcaklığı (K)

Ts     Dış ortam sıcaklığı (K)

V      Rüzgar hızı m/sn.

ta     Işınım geçirgenlik-yutma çarpımı (Boyutsuz)

X]      Kollektör verimi

alsl    Dış ortamını ısı tranfseri kat

sayısı (w/m2°C)

 ep     Yutucu plakanın yayma

sayısı (Boyutsuz) t'.g     Camın yayma sayısı (Boyutsuz)

ep ?   Yutucu plaka ve camın toplam yayma sayısı (Boyutsuz)

er ?    Yansıtıcının ve yutucu plakanın toplam yayma sayısı (Boyutsuz)

<J)       Yutucu plaka ve tüpün geometrisine bağlı olarak iletim ile ısı transferi ifadesinin bir fonksiyonu (Boyutsuz)

a    Stefan-Boltzman sabiti

Kaynaklar

1.Deriş N., Güneş Enerjisi Sıcak Su İle Isıtma Tekniği, Sermet Matbaası, İstanbul. 1975, (171  s.).

2.Roberts G.T., Heat Loss Characteristic Of An Evacuated Plate in Tube Collector, Solar Energy, Vol.22. Printed Great Britain, pp.  137-140  1979.

3.Oğulata R.T.. Yılmaz T., Çevre Sıcaklığının Zamansal Değişiminin Eşitliklerle Hesaplanması, Ç.Ü. Müh.Mim.Fak.

Dergisi, Cilt 4, Sayı  1. Aralık 1989, (85-95).

4.Ünal A., Tanes Y., Yatay Düzleme Gelen Saatlik Ortalama Güneş Işınımının Hesaplanması, Isı Bilimi ve Tekniği 4. Kongresi. ODTÜ-Gaziantep Müh.Fak.Matbaas, 1983.

(233-245).

TABLO VE ŞEKİLLER VAR

K.Rıza TAKTAKOGLU / MK.K.U. Müh.Mim.Fak. R.Tuğrul OĞULATA/Ç.Ü. Müh-Mim.Fak.