GüneĢ enerjisinden ısı enerjisi üretimi

Bu sistemde öncelikle güneĢ enerjisinden ısı elde edilebilmektedir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir. GüneĢ enerjisinden ısı enerjisi üretimi kendi içinde ikiye ayrılmaktadır: Yüksek sıcaklık sistemleri (yoğunlaĢtırıcı sistemler), düĢük sıcaklık sistemleri.

Yüksek sıcaklık sistemleri (yoğunlaĢtırıcı sistemler)

GüneĢ enerjisi uygulamalarında düzlemsel güneĢ kolektör sistemlerinin yanı sıra daha yüksek sıcaklıklara ulaĢmak için yoğunlaĢtırıcı kolektör sistemleri kullanılmaktadır. Düzlemsel güneĢ kolektörleri için kullanılan kavramlar ve tarifler, yoğunlaĢtırıcı kolektörler için geçerlidir. Bununla birlikte yoğunlaĢtırıcı kolektör, teknolojisinin daha karmaĢık olması nedeniyle, yeni tariflerin yapılması gerekmektedir.

Kolektörde güneĢ enerjisinin düĢtüğü net alana “açıklık alanı” ve güneĢ enerjisinin yutularak ısı enerjisine dönüĢtürüldüğü yüzeye “alıcı yüzey “ denir. Düzlemsel güneĢ kolektörlerinin açıklık alanı ile alıcı yüzey alanı birbirine eĢittir. YoğunlaĢtırıcı

kolektörlerde ise güneĢ enerjisi, alıcı yüzeye gelmeden önce optik olarak yoğunlaĢtırıldığı için alıcı yüzey, açıklık alanından daha küçük olmaktadır.

GüneĢ enerjisini yoğunlaĢtıran kolektörlerde en önemli kavramlardan biri “yoğunlaĢtırma oranı”dır. YoğunlaĢtırma oranı, açıklık alanının alıcı yüzey alanına oranı Ģeklinde tarif edilir. YoğunlaĢtırma oranı, iki boyutlu yoğunlaĢtırıcılarda (parabolik oluk) 300, üç boyutlu yoğunlaĢtırıcılarda (parabolik çanak) 40.000 mertebesindedir.

Bu tür kolektörlerde güneĢ enerjisi, yansıtıcı veya ıĢın kırıcı yüzeyler yardımı ile doğrusal ya da noktasal yoğunlaĢtırılabilir (Url-3).

o Doğrusal yoğunlaĢtırıcılar (parabolik oluk kolektörler)

Doğrusal yoğunlaĢtırıcı sistemlerin en yaygını olan Parabolik oluk kolektörler, doğrusal yoğunlaĢtırma yapan ve kesiti parabolik olan dizilerden oluĢmaktadır. ġekil 3.10‟da örneği görülen parabolik oluk kolektörlerde, kolektörün iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneĢ enerjisini paraboliğin odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah yutucu bir boruya yansımaktadır.

Orta derecede sıcaklık istenen uygulamalarda kullanılan bu sistemlerde, güneĢ enerjisi bir doğru üzerinde yoğunlaĢtırılacağından tek boyutlu hareket ile güneĢi izlemek yeterlidir (Url-3).

ġekil 3.10 : Parabolik oluk kolektörleri. o Noktasal yoğunlaĢtırıcılar

Ġki boyutta güneĢi izleyip noktasal yoğunlaĢtırma yapan ve daha yüksek sıcaklıklara ulaĢan bu tür sistemler, parabolik çanak ve merkezi alıcı olmak üzere iki gruba ayrılmaktadır.

• Parabolik çanak sistemleri

Parabolik çanak kolektörler iki eksende güneĢi takip ederek sürekli olarak güneĢi odak noktasına yoğunlaĢtırmaktadırlar (ġekil 3.11) (Url-3).

ġekil 3.11 : Parabolik çanak kolektör • Merkezi alıcılı sistemler

Merkezi alıcılı sistemlerde ise tek tek odaklama yapan ve heliostat adı verilen ve aynalardan oluĢan bir alan, güneĢ enerjisini, alıcı denen bir kule üzerine monte edilmiĢ ısı esanjörüne yansıtarak yoğunlaĢtırmaktadır (ġekil 3.12) (Url-3).

ġekil 3.12 : Merkezi alıcılı güneĢ ısıl elektrik santralı. DüĢük sıcaklık sistemleri

DüĢük sıcaklık sistemleri, kullanım suyu ısıtması ve kullanım suyuna ilave olarak ısıtma desteği sağlayan sistemler olarak uygulanmaktadır.

o Kullanım suyu ısıtmasını sağlayan güneĢ enerjisi sistemleri

Bu sistemler genel olarak güneĢ kolektörlü sıcak su sistemleridir. GüneĢ enerjisinin en yaygın uygulama alanı kullanım suyu ısıtmasıdır. Yıl boyunca sabit olan sıcak kullanım suyu gereksiniminin belirli bir kısmı güneĢ enerjisinden

karĢılanabilmektedir. Yazın kullanım suyu ısıtması için gereken enerjinin hemen hemen tamamı güneĢ enerjisinden karĢılanabilmektedir (Isısan, 2008).

GüneĢ kolektörlü sistemler doğal dolaĢımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılırlar: Doğal DolaĢımlı Sistemler, ısı transfer akıĢkanının kendiliğinden dolaĢtığı sistemlerdir. Kolektörlerde ısınan suyun yoğunluğunun azalması ve yükselmesi özelliğine dayanmaktadır. Bu tür sistemlerde depo kolektörün üst seviyesinden en az 30 cm yukarıda olması gerekmektedir. Deponun alt seviyesinden alınan soğuk (ağır) su kolektörlerde ısınarak hafifler ve deponun üst seviyesine yükselir. Gün boyu devam eden bu olay sonunda depodaki su ısınmıĢ olur. Doğal dolaĢımlı sistemler çok küçük miktarda su ihtiyaçları için uygulanmaktadır. Deponun yukarıda bulunması zorunluluğu nedeniyle büyük sistemlerde uygulanamazlar. Pompa ve otomatik kontrol devresi gerektirmediği için pompalı sistemlere göre biraz daha ucuzdur. Pompalı Sistemler, Isı transfer akıĢkanının sistemde pompa ile dolaĢtırıldığı sistemlerdir. Deposunun yukarıda olma zorunluluğu yoktur. Büyük sistemlerde su hatlarındaki direncin artması sonucu doğal dolaĢımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorluğu nedeniyle pompa kullanma zorunluluğu doğmaktadır.

Pompalı sistemler otomatik kontrol devresi yardımı ile çalıĢırlar. Depo tabanına ve kolektör çıkıĢına yerleĢtirilen diferansiyel termostatın sensörleri, kolektörlerdeki suyun depodaki sudan 10oC daha sıcak olması durumunda pompayı çalıĢtırarak sıcak suyu depoya alır, bu fark 3o_{C olduğunda ise pompayı durdurur. Pompa ve otomatik} kontrol devresinin zaman zaman arızalanması nedeniyle iĢletilmesi doğal dolaĢımlı sistemlere göre daha zor olmaktadır (Url-4).

Her iki sistem de ayrıca açık ve kapalı sistem olarak tasarlanabilmektedirler.

Açık Sistemler, açık sistemler kullanım suyu ile kolektörlerde dolaĢan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre verimleri yüksek ve maliyeti ucuzdur. Suyu kireçsiz ve donma problemlerinin olmadığı bölgelerde kullanılabilmektedir. Kapalı Sistemler, kullanım suyu ile ısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kolektörlerde ısınan su bir eĢanjör vasıtasıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Donma, kireçlenme ve korozyona karĢı çözüm olarak kullanılmaktadırlar. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksek verimleri ise eĢanjör nedeniyle daha düĢüktür.

DüĢük sıcaklık sistemleri olarak, güneĢ kolektörleri farklı tiplerde (düzlemsel güneĢ kolektörleri, güneĢ havuzları, güneĢ ocakları v.b.) olabilmektedir. Mimari uygulamalarda, bina ölçeğinde genellikle kullanılan düĢük sıcaklık sistemleri düzlemsel güneĢ kolektörleridir.

Düzlemsel GüneĢ Kolektörleri

Düzlemsel GüneĢ Kolektörleri, güneĢ enerjisinin toplandığı ve herhangibir bir akıĢkana aktarıldığı çeĢitli tür ve biçimlerdeki aygıtlardır.

Düzlemsel güneĢ kolektörleri, (ġekil 3.13) üstten alta doğru, yüksek geçirgenlikte olan özel bir camdan yapılan üst örtü, cam ile yutucu plaka arasında yeterince boĢluk, kolektörün en önemli parçası olan yutucu plaka, arka ve yan yalıtım ve yukarıdaki bölümleri içine alan bir kasadan oluĢmaktadır (Url-4).

Yüksek sıcaklık dayanımlı yalıtım, yutucu plakanın altında bulunur ve ısı kaybını büyük oranda azaltır. Cam, yan gövde bileĢenleri ve arka panel düzlemsel kolektörün dıĢ sınırındadır. Tüm gövde bileĢenleri ultraviyole ıĢınlarına ve dıĢ hava etkilerine dayanıklı olmalıdır (Isısan, 2008).

ġekil 3.13 : Düzlemsel güneĢ kolektörü

o Kullanım suyu ısıtması ve ısıtma desteği sağlayan güneĢ enerjisi sistemleri

Konutlarda gereksinim duyulan ısı enerjisinin bir bölümünü, kullanım suyu ısıtmasının yanı sıra ısıtma desteği de sağlayacak sistemler tasarlayarak, güneĢ enerjisi ile karĢılamak mümkündür. Bu tip uygulamalarda güneĢ enerji sistemi dönüĢ

suyu sıcaklığı, güneĢ enerjisi sisteminden elde edilen su sıcaklığından daha düĢük olduğunda ısıtmaya destek verebilmektedir. Bu nedenle, düĢük iĢletme sıcaklıklarına göre tasarlanmıĢ, büyük yüzeyli radyatör veya yerden ısıtma tesisatlarıyla güneĢ enerjisi kombinasyonu idealdir (Isısan, 2008).