GÜNEŞ ENERJİSİ LABARATUAR FÖYÜ

Not: Belirtilen Şekilleri (Resimleri) Görebilmek için üstteki Word Simgesine tıklayınız...

AMAÇ : Güneş enerjisi ve uygulamalarının tanıtılması

            Mühendislik Laboratuvarı kapsamında aşağıdaki güneş enerjisi uygulamaları incelenecektir.

1- Tabi dolaşımlı açık tip bir güneş enerjili sıcak su ısıtma sistemi

2- Panel ve kutu tipi güneş  pişiricileri

3- PV sistemi ve güneş ışınımının ölçülmesi

4- Düzlem yüzeyli ve vakum tüplü güneş kolektörleri

1. GİRİŞ

            Güneş enerjisi bilinen en eski birincil enerji kaynağıdır.Temizdir, yenilenebilir ve dünyamızın her tarafında fazlasıyla mevcuttur.Hemen hemen bütün enerji kaynakları doğrudan veya dolaylı olarak güneş enerjisinden türemişlerdir. Güneş enerjisi kesikli ve değişkendir.Günlük ve mevsimlik değişimleri vardır.Bundan öte radyasyon atmosferik koşullarca belirlenir.Bütün bu özelliklerinden ötürü bazı güneş enerjisi uygulamaları enerji depolanmasını ve yedek enerji sistemlerini gerektirmektedir. Diğer alışılmış enerji kaynaklarıyla karşılaştırıldığında güneş enerjisinin yoğunluğu düşüktür. Fakat güneş enerjisini mekanik ve elektrik enerjilerine uygun bir verimlilikle çevirmek mümkündür.Yarı iletkenlerde fotoelektrik ve termoelektrik etkileri kullanarak güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevrilebilir.

            Güneş enerjisi, ev kullanımı için sıcak su sağlanması, ısıtma ve soğutma uygulamalarında, endüstride işlem ısısının sağlanmasında, tarımda sulama, kurutma ve pişirmede, elektrik enerjisi üretmede kullanabilen bir enerji kaynağıdır.

2. GÜNEŞ ENERJİSİYLE ELEKTRİK ÜRETME YÖNTEMLERİ

            Güneş enerjisinden yararlanarak yüksek sıcaklıklarda buhar elde etmek suretiyle bir türbini çalıştırıp elektrik üretmek mümkündür. Güneşi takip sistemine sahip bu sistemlerde genellikte yansıtıcı olarak  parabolik aynalar kullanılmaktadır. Bir diğer yöntem fotovoltaik yöntemle (PV sistem) ile elektrik üretilmesidir.

2.1. Güneş Enerjisi Yoğunlaştırıcıları

            Güneş ışınımından faydalanma yöntemlerinin başında güneş ışınımını üzerine toplayarak, bu enerjiyi kullanan güneş toplayıcıları gelmektedir. Güneş enerjisi toplayıcıları, güneş ışınımından kazandıkları enerjiyi bir akışkana veren bir çeşit ısı değiştiricisi olarak kabul edilebilir. Düz toplayıcılar toplam güneş ışınımını kullanarak çalışırken, yoğunlaştırıcı toplayıcılar genellikle direkt güneş ışınımını kullanırlar. Fakat daha yüksek sıcaklık elde etmek için düz toplayıcılar yerine ışınımı belli bir noktada toplamak için değişik geometrili odaklayıcılar kullanılarak kızgın su, doymuş buhar ve kızgın buharın elde edilmesi mümkün olmaktadır. Güneş enerjisi toplayıcıları genel olarak sabit ve hareketli toplayıcılar olarak sınıflandırılabilir. Sabit toplayıcılar ile sıcaklığı 60-200 °C’ye kadar olan uygulamalarda kullanılmaktadır. Hareketli toplayıcılar ise yüksek sıcaklık uygulamalarda tercih edilmektedir. Hareketli toplayıcılardan çizgisel odaklayıcılarla 300-400 °C sıcaklığa  kadar, noktasal odaklayıcılarla 1500 °C kadar sıcaklıklar elde edilebilmektedir.

2.1.1. Tek eksende güneş izleyici sistemleri

            Parabolik toplayıcılar yüksek sıcaklık uygulamalarında kullanılan ve güneş enerjisini belirli bir merkeze yoğunlaştırma yapan ısıl sistemlerdir. Yoğunlaştırıcı sistemlerle direkt güneş ışınımından yararlanarak yüksek sıcaklıkta buhar üretilebilmekte ve elektrik üretiminde veya yüksek sıcaklık ihtiyacı duyulan sistemlerde kullanılabilmektedir. Yoğunlaştırıcı ısıl sistemlerin en yaygını silindirik parabolik oluk toplayıcılardır. Bu toplayıcılarda 400 ºC sıcaklılara kadar buhar elde edilebilmektedir. Kesiti parabolik olan toplayıcıların iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneş ışınlarını odakta yer alan siyah bir yutucu  boruya veya borulara odaklanır. Yutucu boruda dolaştırılan sıvıda toplanan ısı ile elde edilen buhardan elektrik üretilir. Sistem doğu-batı, kuzey-güney ve polar eksende yerleştirilebilmekle beraber, güneşi doğu-batı veya kuzey-güney yönünde tek eksende takip etmektedir.

Şekil.  Çizgi odaklamalı yoğunlaştırma

2.1.2 İki eksende güneş izleyici sistemleri

            Diğer bir tür yoğunlaştırıcı sistem olan parabolik çanak sistemler, iki eksende güneşi takip ederek, güneş ışınlarını odaklama bölgesine yoğunlaştırırlar.

Şekil.  Nokta odaklamalı yoğunlaştırma (paraboloid)

Şekil’den de görüldüğü gibi güneşi iki eksende izleyen parabolid (çanak) yüzeyli aynalardan gelen ışınlar odaklayıcı bir yutucuya yansıtılmaktadır. Yanma odasında yakıt olarak doğal gazın yanma işleminden sonra kompresöre ve gerektiğinde ön ısıtma işleminden sonra  Stirling çevrimli türbine verilmektedir. Türbin şaftına bağlı olan bir alternatör ile elektrik üretimi sağlanmaktadır.

2.1.3 Kule santral sistemi

Merkezi alıcı sistemlerde ise; tek tek odaklama yapan ve heliostat adı verilen aynalardan oluşan bir alandan oluşmaktadır. Bu sistemde güneş ışınları, bir kule üzerine monte edilmiş ısı değiştiricisine yansıtarak yoğunlaştırma yaparlar. Düz aynalarla yapılan bu yansıtmayla yoğunlaştırma oranı 1000’e veya daha fazla yapılabilir. Merkezi yutucu-heliostat sistemle 1 MW ile 100 MW arasında değişebilen elektrik güç santralleri kurulabilmektedir. Merkezi kulenin yüksekliği, şekli ve heliostat alanın yoğunluğu kurulan santralin performansını belirler.

Şekil.  Heliostat aynalarla gelen güneş ışınlarının odaklanması

3. GÜNEŞ PİLLERİ (FOTOVOLTAİK PİLLER)

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kaç W Güneş Pillerinden MegaWatt'lara kadar sistem oluşturulur.

Şekil. Bir. güneş pili modülü, paneli

4. GÜNEŞ ENERJİLİ SICAK SU SİSTEMLERİ

            Güneş kollektörlü sıcak su sistemleri, güneş enerjisini toplayan düzlemsel kollektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, pompa ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır

            Güneş kollektörlü sistemler tabii dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılırlar. Her iki sistem de ayrıca açık ve kapalı sistem olarak dizayn edilirler.

4.1. Tabii Dolaşımlı Sistemler : Tabii dolaşımlı sistemler ısı transfer akışkanının kendiliğinden dolaştığı sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan suyun yoğunluğunun azalması ve yükselmesi özelliğine dayanmaktadır. Bu tür sistemlerde depo kollektörün üst seviyesinden en az 30 cm yukarıda olması gerekmektedir. Deponun alt seviyesinden alınan soğuk (ağır) su kollektörlerde ısınarak hafifler ve deponun üst seviyesine yükselir. Gün boyu devam eden bu olay sonunda depodaki su ısınmış olur. Tabii dolaşımlı sistemler daha çok küçük miktarda su ihtiyaçları için uygulanır. Deponun yukarıda bulunması zorunluluğu nedeniyle büyük sistemlerde uygulanamazlar. Pompa ve otomatik kontrol devresi gerektirmediği için pompalı sistemlere göre biraz daha ucuzdur.

Şekil.  Besleme depolu tabii dolaşımlı ısıtma sistemi

4.2. Pompalı Sistemler: Isı transfer akışkanının sistemde pompa ile dolaştırıldığı sistemlerdir. Deposunun yukarıda olma zorunluluğu yoktur. Büyük sistemlerde su hatlarındaki direncin artması sonucu tabii dolaşımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorluğu nedeniyle pompa kullanma zorunluluğu doğmuştur.

            Pompalı sistemler otomatik kontrol devresi yardımı ile çalışırlar. Depo tabanına ve kollektör çıkışına yerleştirilen diferansiyel termostatın sensörleri; kollektörlerdeki suyun depodaki sudan 10^oC daha sıcak olması durumunda pompayı çalıştırarak sıcak suyu depoya alır, bu fark 3 ^oC olduğunda ise pompayı durdurur. Pompa ve otomatik kontrol devresinin zaman zaman arızalanması nedeniyle işletilmesi tabii dolaşımlı sistemlere göre daha zordur .

4.3. Açık Sistemler: Açık sistemler kullanım suyu ile kollektörlerde dolaşan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre verimleri yüksek ve maliyeti ucuzdur. Suyu kireçsiz ve donma problemlerinin olmadığı bölgelerde kullanılırlar.

3.4. Kapalı Sistemler: Kullanım suyu ile ısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan su bir eşanjör vasıtasıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Donma, kireçlenme ve korozyona karşı çözüm olarak kullanılırlar. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksek verimleri ise eşanjör nedeniyle daha düşüktür.

5. DÜZLEMSEL KOLEKTÖR

            Düzlemsel güneş kollektörleri, güneş enerjisinin toplandığı ve herhangi bir akışkana aktarıldığı çeşitli tür ve biçimlerdeki aygıtlardır. Düzlemsel güneş kollektörleri, üstten alta doğru, camdan yapılan üst örtü, cam ile absorban plaka arasında yeterince boşluk, kollektörün en önemli parçası olan absorban plaka, arka ve yan yalıtım ve yukarıdaki bölümleri içine alan bir kasadan oluşmuştur.

.

Şekil. Düzlemsel Güneş Kolektörü

Üst örtü : Toplayıcıların ısı kayıplarını en aza indirgeyen ve güneş ışınlarının geçişini engellemeyen malzemelerden seçilmektedir. Saydam yüzey olarak genellikle cam veya plastik esaslı malzemeler kullanılır. Bu örtüleri kullanmaktaki asıl amaç, ortamdaki rüzgar nedeniyle yutucu yüzey ile ortam arasındaki taşınım katsayısının büyümesini önlemektir. Kullanılan örtü malzemesinde uzun dalga boylu ışınım geçirme oranlarının düşük olması sebebiyle ısı kaybını önlemektedirler. Cam, güneş ışınlarını geçirmesi ve ayrıca yutucu  plakadan yayınlanan uzun dalga boylu ışınları geri yansıtması nedeni ile örtü maddesi olarak son derece uygun bir maddedir. 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 arttırır

Yutucu (Absorbant) Yüzey : Toplayıcılarda yutucu plaka toplayıcıların en önemli kısmıdır. Güneş ışınları, yutucu plaka tarafından yutularak ısıya dönüştürülür ve sistemde dolaşan sıvıya aktarılır. Yutucu (absorbant) plaka düz toplayıcılarda tabanda ve üstte birer manifold ile bunların arasına yerleştirilmiş akışkan boruları ve yutucu plakadan oluşur. Yutucu plakanın ışınları yutması için koyu bir renge genellikle siyaha boyanır. Kullanılan boyanın yutma katsayısının yüksek, uzun dalga boylu radyasyonu yayma katsayısının düşük olması gerekmektedir. Bu nedenle de bu özelliklere sahip seçici yüzeyler kullanılmaktadır. İdeal bir yutucu yüzeyin seçici yüzeyli olarak yapılması verimi artırmaktadır. 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 toplayıcı verimi artar.

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.

6.VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMİ

Sistemimiz iç içe geçmiş iki borosilikat cam tüpten oluşmaktadır.İki tüp arasındaki vakum sayesinde ısı kaybı minimum düzeye indirilmiştir.İçteki tüpün dışı püskürtme yöntemi ile AΙ-N/AΙ kaplanmıştır.Bu seçici yüzey sayesinde tüpe gelen ışınların % 93’ü  mükemmel bir şekilde emilip  ısıya çevrilmektedir.İki tüpün arasındaki  havanın alınmasından dolayı  içteki tüpten oluşan  ısı kaybı yok denecek kadar azdır.Evdeki termoslarda aynı yöntemle yapılmıştır.Seçici yüzey tarafından  absorbe edilen  güneş enerjisi iç tüpteki suya geçmektedir.Bu olaya doğal sirkülasyon denir ve her tüpte aynı olay devam etmektedir. Havalı güneş kollektörleri  normal parlak bulutlu havalarda da ısıtma kapasitesine sahiptir.Havalı güneş kollektörleri özellikle orta enlemlerde yer alan ülkelerde  daha kısa sürede yaygınlaşmıştır.Isı ve elektrik toplamaya yarar.Havalı güneş kollektörleri ısıtma ya da kurutmada kolaylık sağlar.

Şekil  Vakum Tüplü Kollektör ve çalışma prensibi

7. GÜNEŞ ENERJİSİ İLE PİŞİRME SİSTEMLERİ

           Güneş enerjisinden yararlanarak yemek pişirme ve süt ısıtmak  için kullanılan basit sistemler dünyanın bir çok bölgesinde kullanılmaktadır.

           Genel olarak üç tip güneş pişiricisi vardır.

1- Panel tip güneş pişiricileri

2- Kutu tip güneş pişiricileri

3- Odaklamalı –parabolik tip güneş pişiricileri

Şekil . Panel tip güneş pişiricisi

Şekil. Kutu tipi güneş pişiricisi

Şekil. Parabolik-odaklamalı güneş pişiricisi

RAPORUN HAZIRLANMASI

1- Güneş enerjili soğutma sistemleri hakkında bilgi verip bu tür bir sistemi şematik olarak çiziniz.

2- Piyasada satılan güneş enerjili sıcak su üretimi yapan en az iki sistemi ekonomik ve teknik açısından karşılaştırınız.

3- Güneş enerjisinin kurutmada kullanılması  ile ilgili bilgi veriniz.

4-  Pompalı-kapalı tip bir güneş enerjili su ısıtma sistemini çiziniz.