• Sonuç bulunamadı

Birleşik parabolik güneş toplaçlı uçucu yağ damıtma sisteminin geliştirilmesi ve performansının belirlenmesi

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2021

Share "Birleşik parabolik güneş toplaçlı uçucu yağ damıtma sisteminin geliştirilmesi ve performansının belirlenmesi"

Copied!
141
0
0

Yükleniyor.... (view fulltext now)

Tam metin

(1)

BĠRLEġĠK PARABOLĠK GÜNEġ TOPLAÇLI UÇUCU YAĞ DAMITMA SĠSTEMĠNĠN GELĠġTĠRĠLMESĠ ve PERFORMANSININ BELĠRLENMESĠ

Yunus KÜLTÜREL Doktora Tezi

Tarım Makinaları Anabilim Dalı Prof. Dr. Sefa TARHAN

2014

(2)

T.C.

GAZĠOSMANPAġA ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ TARIM MAKĠNALARI ANABĠLĠM DALI

DOKTORA TEZĠ

BĠRLEġĠK PARABOLĠK GÜNEġ TOPLAÇLI UÇUCU YAĞ DAMITMA SĠSTEMĠNĠN GELĠġTĠRĠLMESĠ ve PERFORMANSININ BELĠRLENMESĠ

Yunus KÜLTÜREL

TOKAT 2014

(3)
(4)

TEZ BEYANI

Tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu tezin yazılmasında bilimsel ahlak kurallarına uyulduğunu, baĢkalarının eserlerinden yararlanılması durumunda bilimsel normlara uygun olarak atıfta bulunulduğunu, tezin içerdiği yenilik ve sonuçların baĢka bir yerden alınmadığını, kullanılan verilerde herhangi bir tahrifat yapılmadığını, tezin herhangi bir kısmının bu üniversite veya baĢka bir üniversitedeki baĢka bir tez çalıĢması olarak sunulmadığını beyan ederim.

(5)

i

ÖZET

Doktora Tezi

BĠRLEġĠK PARABOLĠK GÜNEġ TOPLAÇLI UÇUCU YAĞ DAMITMA SĠSTEMĠNĠN GELĠġTĠRĠLMESĠ ve PERFORMANSININ BELĠRLENMESĠ

Yunus KÜLTÜREL

GaziosmanpaĢa Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tarım Makinaları Anabilim Dalı DanıĢman: Prof. Dr. Sefa TARHAN

Bu çalıĢmada ticari değeri yüksek tıbbi ve aromatik bitki uçucu yağlarının güneĢ enerjisinden faydalanılarak damıtma yöntemiyle elde edilmesi hedeflenmiĢtir. Bu amaçla damıtma esnasında gerekli ısıyı elde etmek için 3,4 m² açıklık alanına sahip ve yoğunlaĢtırma oranı 1,9 olan 7 adet birleĢik parabolik güneĢ toplacı imal edilerek 5 kg kapasiteli damıtma ünitesi (damıtma tankı, yoğuĢturucu ve yağ ayrıcı) ile birleĢtirilmiĢtir. BirleĢik parabolik toplaç kapasitesi yaz aylarında güneĢlenme süresi boyunca 5 kg nane bitkisi içinden 5 kg buhar geçirilecek Ģekilde boyutlandırılmıĢtır. Bulutlanma gibi çevresel nedenlerden dolayı güneĢ enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda damıtmanın tamamlanabilmesi için elektrikli ısıtıcı damıtma ünitesi içerisine yerleĢtirilmiĢtir. Temmuz, ağustos ve eylül aylarında toplam onbir deneme gerçekleĢtirilmiĢtir. Denemelerin üçü birleĢik parabolik toplaçların etkisini belirlemek amacıyla yansıtıcı yüzeyler siyah bir örtüyle kapatılarak yapılmıĢtır. Denemeler esnasında güneĢ ıĢınım Ģiddeti, ısı transfer yağı sirkülasyon pompası ve soğutma suyu sirkülasyon pompası ile elektrikli ısıtıcı enerji tüketimleri, damıtma tankı içindeki damıtma suyu sıcaklığı, suyun üzerindeki buhar haznesinin sıcaklığı, damıtma tankını terk eden buharın sıcaklığı, soğutma suyu sıcaklığı, toplaca giren ve çıkan ısı transfer yağı sıcaklığı, ısı transfer yağı hacimsel debisi, çevre sıcaklığı ve rüzgar hızı ölçülmüĢtür. Yansıtıcıların kullanıldığı sekiz denemenin üçünde elektrikli ısıtıcıya hiç gerek duyulmadan damıtma iĢlemi istenilen miktarda baĢarılmıĢtır. Yansıtıcının kullanılmadığı denemelerde ise damıtmanın baĢlaması için toplanan güneĢ enerjisi yeterli olmamıĢtır. GüneĢ ıĢınlarının yoğunlaĢtırıldığı denemelerde ısı transfer yağı sıcaklığı ~121 °C’ye ulaĢırken yoğunlaĢtırmanın yapılmadığı denemelerde ise ~96 °C’yi geçmemiĢtir. YoğunlaĢtırmanın yapıldığı denemelerde ortalama toplaç verim değerleri %23,4 ile %34,3 arasında değiĢmiĢtir. YoğunlaĢtırmanın yapıldığı ve elektrikli ısıtıcıya gerek duyulmayan denemelerde güneĢten faydalanma yüzdesi %80’e kadar çıkmıĢtır. Mentha Piperita L. türü nanenin kullanıldığı denemelerde 5 kg naneden ~36 ml uçucu yağ elde edilmiĢtir.

2014, 124 sayfa

(6)

ii

ABSTRACT

PhD.Thesis

DEVELOPMENT OF AN ESSENTIAL OIL DISTILLATION SYSTEM WITH COMPOUND PARABOLIC COLLECTOR AND DETERMINATION OF ITS

PERFORMANCE Yunus KÜLTÜREL GaziosmanpaĢa University

Graduate School of Natural and Applied Sciences Department of Agricultural Machines Supervisor: Prof. Dr. Sefa TARHAN

In this study, the essential oils of medicinal and aromatic plants which have high commercial value were extracted by using solar distillation. For this purpose, seven compound parabolic solar collectors which had 3.4 m² aperture area and 1.9 concentration ratio were manufactured and combined with an essential oil distillator which had 5 kg plant holding capacity. The capacitiy of compound parabolic collector (CPC) were sized by considering 5 kg steam passing through 5 kg medicinal and aromatic plant under summer season conditions. An electrical heater was placed in the essential oil distillator to complete distillation when solar energy was not sufficient because of undesired environmental conditions such as clouding. Eleven distillation tests were conducted in july, august and september. The reflectors of CPC were covered with black fabric sheet in three of these distillation tests. During the tests solar intensity, heat transfer oil inlet and outlet temperatures, distillation water temprature inside distillation tank, steam temperature above distillation water, temperature of steam exiting distillation tank, cooling water temperature, heat transfer oil volumetric flowrate, ambient air temperature and wind velocity were measured and stored in a computer. In addition electricity consumptions of heat transfer oil pump, cooling water pump and electrical heater were measured. Three out of eight distillation tests in which solar energy was concentrated were successfully completed with no need to the electrical heater. Collected solar energy was insufficient to start boiling for the distillation tests in which solar energy was not concentrated. While the temperature of heat transfer oil reach to ~121 ºC when solar energy was concentrated, it could not pass ~96 ºC when solar energy was not concentrated. Average collector efficiency ranged from 23.4% to 34.3% for the distillation tests in which solar was concentrated. Solar utilization ratio reached up to 80% when solar energy was concentrated and the electrical heater was not used. Approximately 36 ml essential oil was extracted from 5 kg Mentha piperita L.

2014, 124 pages

Key words: Solar energy, compound parabolic collector, essential oil, distillation,

(7)

iii

ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR

Teknolojinin geliĢmesine paralel olarak insanoğlunun ihtiyaç ve taleplerinin değiĢmesi, çevre bilincinin yükselmesi ve en önemlisi tüketilen enerji miktarının artmasıyla enerji tüketim maliyetlerinin de artması, enerjiyi verimli Ģekilde kullanmanın yanında yeni enerji üretim yöntemlerinin araĢtırılmasını zorunlu kılmıĢtır. Petrol kökenli enerji kaynaklarının kullanımının çevreye ve dolayısıyla insana verdiği zararlar, ayrıca bu kaynaklara sahip olmayan ülkelerin enerji ihtiyaçları için dıĢarıya bağımlı olmalarından dolayı ortaya çıkan olumsuzluklar, yenilenebilir enerji türlerinden büyük oranda faydalanarak giderilebilir. Enerji tüketimleri fazla olan geliĢmiĢ ülkelerin çoğu petrol kökenli enerji kaynakları olsun ya da olmasın yenilenebilir enerji türlerinden maksimum oranda faydalanmak için yatırımlar yapmaktadırlar. Ülkemizin coğrafi konumu yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneĢ enerjisinden faydalanmak için son derece müsaittir. KüreselleĢen dünyada iletiĢim ve ulaĢımın kolaylaĢması nedeniyle ticari rekabet de giderek artmaktadır. Üretilen ürünler, kalitesi yanında fiyat olarak da rakiplerine göre cazip olmak zorundadır. Bunun için maliyeti düĢük enerji kaynaklarının kullanılması dünya ölçeğindeki bir rekabet için gereklidir. Tarımsal alanda çok çeĢitli bitki türü üretmeye olanak sağlayan ülkemizin iklimi ve coğrafi konumu özellikle güneĢ enerjisinden faydalanmada büyük avantaj sağlamaktadır.

Tarımda güneĢ enerjisinden daha etkin faydalanmak ve bu yönde yapılacak araĢtırmalara örnek olmak için, bu çalıĢmanın konusunu belirlemede ve yürütülmesinde büyük katkıları olan değerli danıĢman hocam Prof. Dr. Sefa TARHAN’a, bu çalıĢmayı Bilimsel AraĢtırma Projesi (Proje No:2012/132) olarak destekleyen GaziosmanpaĢa Üniversitesi’ne, imalat esnasında tesislerinde çalıĢmamıza olanak sağlayan Dinler Isı Metal San. Tic. A.ġ.’ye, denemeler esnasında verilerin alınması ve iĢlenmesinde yardımlarını esirgemeyen değerli meslektaĢım Yrd. Doç. Dr. Lütfullah DAĞKURS’a ve bu süreçte sabırla beni destekleyen eĢim ve çocuklarıma teĢekkür ederim.

Yunus KÜLTÜREL Temmuz, 2014

(8)

iv ĠÇĠNDEKĠLER Sayfa ÖZET ... i ABSTRACT ... ii ÖNSÖZ ve TEġEKKÜR ... iii ĠÇĠNDEKĠLER ... iv

SĠMGELER VE KISALTMALAR DĠZĠNĠ ... vii

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ ... ix ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ ... xiii 1. GĠRĠġ ... 1 2. KAYNAK ÖZETLERĠ ... 4 2.1. GüneĢ Toplaçları ... 4 2.1.1. Düz yüzeyli toplaçlar ... 5 2.1.2. Vakum tüplü toplaçlar ... 7 2.1.3. YoğunlaĢtırıcı toplaçlar ... 15

2.2. GüneĢ Enerjisinin Kullanıldığı Uygulamalar ... 19

2.3. Damıtma Yöntemleri ... 26

3. MATERYAL ve YÖNTEM ... 29

3.1. Denemelerde Kullanılan Bitki ... 29

3.2. Damıtma Ünitesinin Boyutları ve Ġmalatı ... 30

3.3. Vakum Tüplü BPT’nin Boyutlandırılması ve Ġmalatı ... 33

3.3.1.Yapılan kabuller ... 33

3.3.2. BPT’nin boyutlandırılması ... 35

3.3.3.Vakum tüplü BPT imalatı ... 37

3.3.4.Yansıtıcının gövdeye montajı ... 39

3.3.5.Vakum tüp tasarımı ve montajı ... 39

3.3.6.Çatı imalatı ... 41

3.4. Damıtma Ünitesi ve BPT’nin BirleĢtirilmesi ... 41

3.5.Veri Toplama ... 42

3.5.1.Piranometre ... 42

3.5.2.Debimetre ... 43

(9)

v 3.5.4. Çevre sıcaklığı ölçümü ... 44 3.5.5. Rüzgar hızı ölçümü ... 44 3.5.6. Vakum tüp sıcaklık ölçümü ... 45 3.5.7. Güç analizörü ... 45 3.5.8. Dijital tartı ... 45 3.5.9. Arabirim ünitesi ... 46

3.5.10. Neo Clevenger cihazı ... 46

3.6. Denemeler ... 47

3.6.1. Ön denemeler ... 47

3.6.2. BirleĢik parabolik yoğunlaĢtırıcıların kullanıldığı denemeler ... 47

3.6.3. BirleĢik parabolik yoğunlaĢtırıcıların kullanılmadığı denemeler ... 48

3.7. Toplanan Deneysel Verilerin Analizi ... 48

3.7.1. Toplaç ısı kazancının bulunması ... 48

3.7.2.GüneĢten faydalanma yüzdesi ... 49

4. BULGULAR ve TARTIġMA ... 51

4.1. 25 Temmuz 2013 Tarihli Denemede (1. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 52

4.2. 30 Temmuz 2013 Tarihli Denemede (2. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 57

4.3. 12 Ağustos 2013 Tarihli Denemede (3. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 62

4.4. 13 Ağustos 2013 Tarihli Denemede (4. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 67

4.5. 14 Ağustos 2013 Tarihli Denemede (5. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 72

4.6. 22 Ağustos 2013 Tarihli Denemede (6. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 77

4.7. 23 Ağustos 2013 Tarihli Denemede (7. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 81

4.8. 28 Ağustos 2013 Tarihli Denemede (8. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 86

4.9. 06 Eylül 2013 Tarihli Denemede (9. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 90

4.10. 08 Eylül 2013 Tarihli Denemede (10. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 95

4.11. 12 Eylül 2013 Tarihli Denemede (11. Deneme) Elde Edilen Veriler ... 100

4.12. Denemelerde Tüketilen Elektrik Enerjisi ... 105

4.13. Enerji Analizi ... 106

4.14. Uçucu Yağ Miktarları ... 107

4.15. GüneĢ IĢınımı ve Çevre ġartlarının DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 108

4.16. Isı Transfer Yağı GiriĢ ve ÇıkıĢ Sıcaklık DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 109

(10)

vi

4.18. Damıtma Ünitesinin Farklı Noktalarındaki Su ve Buhar Sıcaklık

DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 111

4.19. Toplaç Alanına Gelen Enerji ve Toplaçta Kazanılan Enerji DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 112

4.20. Anlık ve Ortalama Toplaç Verimlerinin DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 113

4.21. Elektrik Enerjisi Tüketimi DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 115

4.22. GüneĢten Faydalanma Yüzdesi (GFY) DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 115

4.23. Uçucu Yağ Miktarlarının DeğiĢimlerinin Değerlendirilmesi ... 116

5. SONUÇ ... 117

6. KAYNAKLAR ... 121

(11)

vii

SĠMGELER VE KISALTMALAR DĠZĠNĠ

Simgeler Açıklama

Aa Açıklık alanı

Ar Alıcı yüzey alanı

Ap Toplaç yayılı yansıtma alanı

cs Suyun özgül ısısı

Çeliğin özgül ısısı

cy Isı transfer yağı özgül ısısı

d Isı transfer yağı yoğunluğu Da Alıcı tüp çapı

Er-s ġekil faktörü

Ep Isı transfer yağı sirkülasyon pompasının harcadığı enerji

Es Soğutma ünitesinin harcadığı enerji

Er Elektrikli ısıtıcının harcadığı enerji

I Birim alana düĢen anlık ıĢınım

L Vakum tüp uzunluğu

Lb Suyun buharlaĢma ısısı

ms Su kütlesi

Çelik kütlesi

my Isı transfer yağı kütlesi

̇ Isı transfer yağı kütlesel debisi

n Vakum tüp sayısı

r GüneĢ yarıçapı

R YoğunlaĢtırıcı ile güneĢ arası mesafe

ɳm Makine verimi

Toplaç verimi

Suyu buharlaĢtırmak için gerekli enerji Çeliği ısıtmak için harcanan enerji Birim alana gelen günlük ıĢınım

(12)

viii

Suyu kaynama noktasına getirmek için gerekli enerji Isı transfer yağını ısıtmak için harcanan enerji Mükemmel yansıtıcıdan güneĢe ulaĢan ıĢınım GüneĢten alıcı yüzeye gelen ıĢınım

σ Stefan-Boltzmann sabiti θA Yarım kabul açısı

θy Isı transfer yağı toplam ısı kazancı

θT Toplaç yüzeyine düĢen toplam güneĢ ıĢınımı

Ts GüneĢ sıcaklığı

Tr Alıcı yüzey sıcaklığı

Tg Toplaca giren ısı transfer yağı sıcaklığı

Toplaçtan çıkan ısı transfer yağı sıcaklığı

ΔT Sıcaklık farkı

ΔTy Toplaca giren ve çıkan ısı transfer yağı sıcaklık farkı

ʋ Isı transfer yağı hacimsel debisi

W BirleĢik parabolik yansıtıcı açıklık geniĢliği YO YoğunlaĢtırma oranı

GFY GüneĢten faydalanma yüzdesi DYT Düz yüzeyli toplaç

BPT BirleĢik parabolik toplaç POT Parabolik oluk toplaç

GDYT GeliĢtirilmiĢ düz yüzeyli toplaç VTT Vakum tüplü toplaç

TEP Ton petrol eĢdeğeri THE Toplam harcanan enerji TET Toplam elektrik tüketimi

(13)

ix

ġEKĠLLER DĠZĠNĠ

Sayfa

ġekil 2.1. Ġki ıĢınım seviyesi için toplaçların sıcaklık farkına göre verimlerinin karĢılaĢtırılması ... 5

ġekil 2.2. Düz yüzeyli toplaç ... 6

ġekil 2.3. Düz yüzeyli toplaç tipleri ... 6

ġekil 2.4. Seçici yüzeyli vakum tüp ... 7

ġekil 2.5. Vakum tüplü toplaçların sınıflandırması ... 8

ġekil 2.6. Solaron güneĢ toplacı ... 9

ġekil 2.7. Phillips güneĢ toplacı ... 10

ġekil 2.8. Vakum tüplü Sanyo güneĢ toplacı ... 10

ġekil 2.9. Vakum tüplü Corning güneĢ toplacı ... 11

ġekil 2.10. Vakum tüplü Phillips güneĢ toplacı ... 11

ġekil 2.11. Vakum tüplü Roberts güneĢ toplacı ... 12

ġekil 2.12. Owens-Illinois [OI] Sunpact vakum tüplü güneĢ toplacı ... 12

ġekil 2.13. Vakum tüplü General Elektrik güneĢ toplacı ... 13

ġekil 2.14. Isı borusu Ģematik resmi ... 14

ġekil 2.15. Dahili cusp tipi yansıtıcı ve ısı borulu Corning vakum tüplü güneĢ toplacı ... 14

ġekil 2.16. Vakum tüplü Gumman güneĢ toplacı ... 15

ġekil 2.17. Farklı alıcı tipleri (a) düz tip (b) yüzgeç tip (c) kama tip (d) silindirik tip ... 16

ġekil 2.18. Silindirik alıcılı cam örtülü birleĢik parabolik toplaç kesiti ... 17

ġekil 2.19. Parabolik oluk güneĢ toplaçları ... 17

ġekil 2.20. Parabolik çanak güneĢ toplaçları ... 18

ġekil 2.21. Heliostat saha güneĢ toplacı ... 18

ġekil.3.1. Nane bitkisi ... 29

ġekil 3.2. Damıtma tankının içi ... 30

ġekil 3.3. Damıtma tankı kapağı ve sepeti ... 31

ġekil 3.4. Damıtma tankı ve yoğuĢturucu ... 32

ġekil 3.5. Yağ ayırıcı ... 32

ġekil 3.6. Damıtma ünitesinin genel görünümü ... 33

ġekil 3.7. Aa açıklık alanına ve Ar alıcı alanına sahip yoğunlaĢtırıcı ile aralarında R mesafe bulunan güneĢin Ģematik resmi ... 35

ġekil 3.8. Zarflı alıcıya göre BPT ölçüleri ... 36

ġekil 3.9. BPT gövdesinin kesimi ... 37

ġekil 3.10. BPT gövdesi ... 38

ġekil 3.11. BirleĢtirilmiĢ BPT gövdesi... 38

ġekil 3.12. Yansıtıcının BPT’ye montajı ... 39

ġekil 3.13. Vakum tüp ... 39

(14)

x

ġekil 3.15. Vakum tüpün BPT odağına montajı ... 40

ġekil 3.16. BPT çatısı ... 41

ġekil 3.17. Montajı tamamlanmıĢ BPT’li Damıtma Ünitesi ... 42

ġekil 3.18. Piranometre ... 43

ġekil 3.19. Paslanmaz türbin debimetre ... 43

ġekil 3.20. Pt 100 ... 44

ġekil 3.21. Dijital termometre ... 44

ġekil 3.22. Dijital anemometre ... 44

ġekil 3.23. Ġnfrared termometre ... 45

ġekil 3.24. Güç analizörü ... 45

ġekil 3.25. Dijital tartı... 46

ġekil 3.26. Arabirim ünitesi ... 46

ġekil 3.27. Neo Clevenger cihazı ... 46

ġekil 3.28. Yansımanın siyah örtü ile engellenmesi ... 48

ġekil 4.1. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (1. deneme) ... 52

ġekil 4.2. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (1. deneme) ... 53

ġekil 4.3. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (1. deneme) ... 53

ġekil 4.4. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (1. deneme) ... 54

ġekil 4.5. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (1. deneme) ... 56

ġekil 4.6. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (1. deneme) ... 57

ġekil 4.7. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (2. deneme) ... 57

ġekil 4.8. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (2. deneme) ... 58

ġekil 4.9. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (2. deneme) ... 58

ġekil 4.10. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (2. deneme) ... 59

ġekil 4.11. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (2. deneme) ... 60

ġekil 4.12. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (2. deneme) ... 61

ġekil 4.13. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (3. deneme) ... 62

ġekil 4.14. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (3. deneme) .... 63

ġekil 4.15. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (3. deneme) ... 63

ġekil 4.16. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (3. deneme) ... 64

ġekil 4.17. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (3. deneme) ... 65

ġekil 4.18. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (3. deneme) ... 66

ġekil 4.19. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (4. deneme) ... 67

ġekil 4.20. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢ sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (4. deneme) ... 68

ġekil 4.21. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (4. deneme) ... 69

ġekil 4.22. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (4. deneme) ... 69

ġekil 4.23. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (4. deneme) ... 71

ġekil 4.24. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (4. deneme) ... 72

(15)

xi

ġekil 4.26. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (5.deneme) ... 73

ġekil 4.27. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (5.deneme) ... 74

ġekil 4.28. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (5.deneme) ... 74

ġekil 4.29. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (5.deneme) ... 75

ġekil 4.30. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (5.deneme) ... 76

ġekil 4.31. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (6. deneme) ... 77

ġekil 4.32. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (6. deneme) .... 77

ġekil 4.33. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (6. deneme) ... 78

ġekil 4.34. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zaman göre değiĢimi (6. deneme) ... 78

ġekil 4.35. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zaman göre değiĢimi (6. deneme) ... 79

ġekil 4.36. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (6. deneme) ... 80

ġekil 4.37. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (7. deneme) ... 81

ġekil 4.38. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (7. deneme) .... 81

ġekil 4.39. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (7. deneme) ... 82

ġekil 4.40. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (7. deneme) ... 83

ġekil 4.41. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (7. deneme) ... 84

ġekil 4.42. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (7. deneme) ... 85

ġekil 4.43. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (8. deneme) ... 86

ġekil 4.44. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (8. deneme) ... 86

ġekil 4.45. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (8. deneme) ... 87

ġekil 4.46. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (8. deneme) ... 88

ġekil 4.47. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (8. deneme) ... 89

ġekil 4.48. Anlık toplaç veriminin zaman göre değiĢimi (8. deneme) ... 90

ġekil 4.49. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (9. deneme) ... 91

ġekil 4.50. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi (9. deneme) .... 91

ġekil 4.51. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (9. deneme) ... 92

ġekil 4.52. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (9. deneme) ... 92

ġekil 4.53. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (9. deneme) ... 94

ġekil 4.54. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (9. deneme) ... 95

ġekil 4.55. Anlık güneĢ ıĢınım Ģiddetinin zamana göre değiĢimi (10. deneme) ... 96

ġekil 4.56. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi(10. deneme) .... 96

ġekil 4.57. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (10. deneme) ... 97

ġekil 4.58. Damıtma ünitesinin farklı noktalarındaki sıcaklıkların zamana göre değiĢimi (10. deneme) ... 97

ġekil 4.59. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (10. deneme) ... 99

ġekil 4.60. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (10. deneme) ... 99

ġekil 4.61. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (11. deneme) ... 100

ġekil 4.62. Isı transfer yağının toplaca giriĢ ve çıkıĢtaki sıcaklıklarının zamana göre değiĢimi(11. deneme) .. 101

ġekil 4.63. Isı transfer yağının hacimsel debisinin zamana göre değiĢimi (11. deneme) ... 101

(16)

xii

ġekil 4.65. Toplaç alanına gelen ve toplaçta kazanılan enerjinin zamana göre değiĢimi (11. deneme) ... 103 ġekil 4.66. Anlık toplaç veriminin zamana göre değiĢimi (11. deneme) ... 104

(17)

xiii

ÇĠZELGELER DĠZĠNĠ

Sayfa

Çizelge 2.1. GüneĢ enerjisi toplaçlarının tipleri ... 4

Çizelge 4.1. Denemelerde elektrik enerjisi tüketimi ... 105

Çizelge 4.2. Enerji analizi sonuçları ... 106

(18)

1

1. GĠRĠġ

1970’li yıllarda petrol üreten ülkelerin ambargosu ile baĢ gösteren ekonomik darboğaz ülkelerin enerji politikalarını derinden etkilemiĢtir. Ülkelerin siyasi ve ekonomik bağımsızlığı ve dünyada söz sahibi olabilmeleri, teknoloji üretebilmeleri yanında enerjide dıĢa bağımlılıklarıyla da önemli ölçüde alakalıdır. Teknolojik geliĢmelere paralel olarak yaĢam konforunun artmasıyla birlikte kiĢi baĢına enerji tüketimi de artmaktadır. Fosil ve nükleer kaynaklardan elde edilen enerjinin hem üretilme aĢamasında hem de kullanım aĢamasında küresel ısınma, asit yağmurları ve nükleer radyasyon gibi etkilerinden dolayı iklime, sağlığa ve çevreye verdiği zararlar bilinmektedir.

Yenilenebilir enerji kaynakları olarak bilinen rüzgar, güneĢ, dalga, jeotermal gibi enerji türleri yerli kaynaklardan karĢılanmaları, çevreci olmaları ve dıĢarıya bağımlılığı azaltmaları nedeniyle büyük önem taĢımaktadır. Petrol üreten ülkelere bağımlılığın artması, gittikçe azalan petrol rezervleri, çevre sorunlarının giderilememesi, petrol fiyatlarının yükselmesi, öncelikle geliĢmiĢ ülkelerin yeni enerji kaynaklarına yönelmelerinin ana sebebi olmuĢtur. Günümüzde enerji sorunu belli ülkelerin sorunu olmaktan çıkarak küresel bir sorun haline gelmektedir [1].

Nüfus artıĢı ve yaĢam seviyesinin yükselmesi hem enerji üretiminde hem de tarımsal üretimde artıĢı zorunlu kılmaktadır. Diğer üretim sektörlerinde olduğu gibi tarımsal üretimin de baĢlıca maliyetini enerji tüketimi belirlemektedir. Coğrafi konumu, iklimi ve tarımsal üretiminde çeĢitlilik yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma açısından ülkemize büyük bir avantaj sağlamaktadır. Özellikle güneĢ enerjisinden faydalanabilir kuĢak olarak adlandırılan 40o

kuzey ve güney enlemleri arasında bulunan ülkemiz bu avantajını çok iyi değerlendirebilmelidir.

Türkiye’nin yıllık toplam enerji maliyeti 15-20 milyar dolar arasında değiĢmektedir. Türkiye’nin tüm enerji ihtiyacının %65-68 arasındaki bir oranı ithalat yoluyla karĢılanmakta ve yılda 11-17 milyar dolar döviz ödenmektedir. Ülkemizin ortalama yıllık güneĢlenme süresi 2640 saat ve ortalama ıĢınım Ģiddeti 1311 kWh/m²yıl’dır. Güney Doğu Anadolu Bölgesi’nde yıllık ortalama güneĢ ıĢınım Ģiddeti 1452,7 kWh/m²yıl ve ortalama yıllık güneĢlenme süresi 3015,8 saate çıkmaktadır [2].

(19)

2

Ülkemizde güneĢ enerjisinden konutlarda ve sanayi tesislerinde sıcak su üretiminde yaygın olarak faydalanılmaktadır. 2007 yılında kullanımdaki güneĢ enerjili su ısıtıcılarında bulunan düz yüzeyli toplaçların yüzey alanının 12 milyon m² olduğu tahmin edilmektedir. Yılda 750 bin m² güneĢ toplacı üretilmekte ve bu miktarın bir kısmı da ihraç edilmektedir. Ġrili ufaklı çok sayıda firma Türkiye genelinde güneĢ enerjili su ısıtıcıların imalatı ve montajıyla uğraĢmakta ve binlerce kiĢiye iĢ sağlamaktadır. 2007 yılında ülkemizde güneĢ enerjisinden 420 bin TEP ısı enerjisi elde edildiği tahmin edilmektedir [2].

Çok farklı sanayi kollarında güneĢ enerjisinin kullanılma potansiyeli bulunmaktadır. Dünya genelinde ortalama olarak tüketilen enerjinin yarısı sanayi sektörü tarafından kullanılmaktadır. Ülkemizde ise sanayi sektörü tarafından kullanılan enerji miktarı yıllık tüketilen enerjinin %35’idir. Sanayide kullanılan ısı enerjisinin % 13’ü düĢük sıcaklık uygulamaları iken %27’si orta sıcaklık uygulamaları ve kalanı ise yüksek sıcaklık uygulamalarıdır. Yüksek sıcaklık uygulamaları çoğunlukla çelik, cam ve seramik sanayisinde kullanılmakta iken diğer birçok sanayi kolunda ise orta sıcaklık uygulamaları kullanılmaktadır. 100 °C’ye kadar ısı enerjisi kullanımları düĢük sıcaklık uygulamaları iken 100-300 °C aralığında olan ısıl enerji kullanımları orta sıcaklık uygulamaları olarak kabul edilmektedir. Gıda sanayi (konserve üretimi, yoğurt üretimi, kurutma, pastörizasyon vb.), tekstil sanayi (ağartma, boyama, kurutma vb.), kağıt sanayi, kimya sanayi ve odun sanayinde orta sıcaklık uygulamaları yaygın olarak kullanılmaktadır [3].

Dünyanın 2006 yılı uçucu yağ ihracatı yaklaĢık 2 milyar dolar olarak gerçekleĢmiĢtir. 2005 yılına göre artıĢ oranı %11’dir. Dünyada ticareti yapılan baĢlıca yağlar portakal yağı, nane yağı, limon yağı, ökaliptus yağı, karanfil yağı, sitronel yağı ve küçük limon yağıdır. Dünya uçucu yağ ihracatında önemli ülkeler ABD., Hindistan, Fransa, Brezilya, Ġngiltere, Çin, Arjantin, Almanya, Endonezya ve Singapur’dur. Bu ülkelerin yaptığı ihracat tutarı toplam içinde %70 pay almaktadır [4].

Türkiye’de uçucu yağ üretiminin büyük kısmını gül yağı oluĢturmaktadır. Türkiye dünyadaki en büyük gül yağı üreticisidir. Türkiye’de gül yağı dıĢındaki uçucu yağ çıkarma tesislerinin sayısında da artıĢ gözlenmektedir. Özellikle Antalya, Manisa, Mersin, Muğla, ve Hatay illerinde kurulu tesislerde kekik, defne, kır nanesi, biberiye, kimyon, mersin, limon yaprağı, anason, melisa, sigala ağacı gibi aromatik bitkilerden

(20)

3

uçucu yağ üretilmektedir. Türkiye’de ortalama 1 ton defne yağı, 1,5 ton kadar gül yağı ve 7 ton kadar da konkret üretimi yapılmaktadır. Türkiye’nin 2008 yılı uçucu yağlar ithalatı 14 milyon dolar iken, ihracatı yaklaĢık 24 milyon dolar olarak gerçekleĢmiĢtir. Ġthal edilen baĢlıca yağlar nane yağı, ıtır çiçeği yağı, portakal yağı ve yasemin yağıdır [4]. 1 kg taze nane içinden 30 dakikada 1 kg buhar geçirildiğinde 3 ml uçucu yağ çıkabilmektedir [5].

Bu çalıĢmada, güneĢ enerjisi orta sıcaklık uygulamalarında kullanılan vakum tüplü BirleĢik Parabolik Toplaçlara (BPT) sahip bir damıtma ünitesinin geliĢtirilmesi ve 5 kg nane bitkisinin uçucu yağının çıkarılmasındaki performansının belirlenmesi amaçlanmıĢtır. GeliĢtirilen BPT’li damıtma ünitesinin üç farklı aydaki güneĢlenme durumu göz önüne alınarak damıtma süresi, ısıl verimi ve elektrik tüketim değerleri araĢtırılmıĢtır.

(21)

4

2. KAYNAK ÖZETLERĠ 2.1. GüneĢ Toplaçları

GüneĢ enerjisini toplayarak farklı sıcaklık değerlerinde ısı enerjisine dönüĢtüren araçlara güneĢ toplacı veya güneĢ kollektörü denir. GüneĢ toplaçları birçok grup altında sınıflandırılmaktadır. Öncelikle güneĢ toplaçları yoğunlaĢtırmalı veya yoğunlaĢtırmasız, güneĢi takip eden veya hareketsiz olarak sınıflandırılmaktadır. Uygulamada istenen sıcaklık değerlerine göre ise güneĢ toplaçları düĢük sıcaklık, orta sıcaklık veya yüksek sıcaklık uygulamaları olarak sınıflandırılmaktadır. Toplaçların genel sınıflandırılması Çizelge 2.1’de verilmektedir.

Çizelge 2.1. GüneĢ enerjisi toplaçlarının tipleri [6]

Hareket Toplaç Tipi Alıcı Tipi YoğunlaĢtırma Oranı ÇalıĢma Sıcaklık Aralığı (°C) Hareketsiz Düz yüzeyli toplaç Düz 1 30-80 Vakum tüplü toplaç Düz 1 20-200 BirleĢik parabolik toplaç Tüp 1-5 60-240 Tek Eksenden Hareketli 5-15 60-300 Fresnel lens toplaç Tüp 10-40 60-250 Parabolik oluk toplaç Tüp 15-45 60-300 Silindirik oluk toplaç Tüp 10-50 60-300 Çift Eksenden Hareketli Parabolik çanak toplaç Nokta 100-1000 100-500 Heliostat saha toplaç Nokta 100-1500 150-2000

(22)

5

Sıcaklık Farkı [Tg-Tç]

Toplaçların verimleri aldıkları güneĢ ıĢınım Ģiddetine ve çalıĢma sıcaklıklarına bağlı olarak farklılık göstermektedir. ÇeĢitli toplaçların verimlerinin iki farklı güneĢ ıĢınım Ģiddeti değerine (500-1000 W/m²) ve sıcaklık farkına göre değiĢimi ġekil 2.1’de gösterilmektedir.

ġekil 2.1. Ġki ıĢınım seviyesi için toplaçların sıcaklık farkına göre verimlerinin karĢılaĢtırılması [6]

GüneĢ toplacına giren ısı transfer akıĢkanının sıcaklığı (Tg) ile çevre sıcaklığı (Tç) arasındaki farkın artmasıyla birlikte toplaç ısıl veriminde doğrusal bir azalma meydana gelmektedir. Bu azalma güneĢ ıĢınım Ģiddetinin daha düĢük olduğu (500 W/m²) ve düz yüzeyli toplacın (DYT 500) kullanıldığı denemelerde daha hızlı meydana gelirken güneĢ ıĢınım Ģiddetinin yüksek olduğu (1000 W/m²) ve parabolik oluk toplaçların (POT 1000) kullanıldığı denemelerde ise daha yavaĢ gerçekleĢmektedir.

2.1.1. Düz yüzeyli toplaçlar

GüneĢ ıĢınımı seçici yüzeyle kaplı alıcı üzerine gelmektedir. Alıcıda emilen ısı, alıcı içerisinde veya etrafında dolaĢtırılan su, antifriz veya havaya aktarılarak düĢük sıcaklık uygulamalarında kullanılmaktadır. DıĢ ortamın etkilerinden korumak ve ısıl kayıpları azaltmak için kasa içerisine yerleĢtirilen alıcı yüzeylerin üzeri demir oranı düĢük camla örtülmekte ayrıca kasa yan ve alt kısımları izolasyon malzemesiyle yalıtılmaktadır. Düz yüzeyli bir toplaç ġekil 2.2’de gösterilmektedir.

DYT-1000 GDYT-1000 BPT-1000 VTT-1000 POT-1000 DYT-500 GDYT-500 BPT-500 VTT-500 POT-500 V er im

(23)

6

ġekil 2.2. Düz yüzeyli toplaç [7]

DüĢük verimlerinden dolayı buhar üretimi ve soğutma uygulamaları için uygun kullanım alanı olmayan düz yüzeyli toplaçlar genellikle düĢük sıcaklık uygulamalarından (80 o

C) olan sıcak su üretmede kullanılmaktadır. Farkı düz yüzeyli toplaç tipleri ġekil 2.3’de gösterilmektedir [8].

(24)

7

2.1.2. Vakum tüplü toplaçlar

DıĢ ortam Ģartlarına dayanımı artırmak amacıyla borosilikat katkılı iç içe iki silindirik camın aralarındaki hava boĢaltılarak imal edilen vakum tüpler, çok yüksek sıcaklık farklarında bile çevreye olan taĢınım kayıplarını vakum nedeniyle engellediklerinden, düz yüzeyli toplaçlara göre yüksek verim göstermektedir. Silindirik oldukları için üzerlerine gelen ıĢınımları dik olarak almaktadır. Genel olarak uygulamada iki farklı biçimde kullanılmaktadır. Bir tipinde, saydam olarak üretilen vakum tüplerin içerisine değiĢik tasarımlarda yerleĢtirilen alıcı yüzeyler Ģeffaf vakum camdan geçen güneĢ ıĢınlarını emerek kendi sıcaklığını yükseltmekte ve aynı zamanda iĢ akıĢkanına ısıyı aktarmaktadır. Diğer tipinde ise ALN/AIN-SS/Cu seçici yüzeyle kaplı iç camın dıĢ yüzeyi, alıcı yüzey olarak ıĢınım toplamakta ve iĢ akıĢkanına ya da iç kısmında tüpe temas eden metale ısıyı aktarmaktadır. Seçici yüzeyle kaplı bir vakum tüp ġekil 2.4’de gösterilmektedir.

ġekil 2.4. Seçici yüzeyli vakum tüp

Ticari uygulamalar için vakum tüplü toplaçların geliĢtirilmiĢ çok çeĢitli tipleri bulunmaktadır. Her toplaç tasarımının ekonomik nedenler ve özel uygulamalara bağlı olarak avantaj ve dezavantajları görülmektedir. Bu farklı vakum tüplü toplaçların sınıflandırması ġekil 2.5’de verilmektedir [9].

(25)

8

ġekil 2.5. Vakum tüplü toplaçların sınıflandırması

Vakum nedeniyle ısı kayıplarının azalması vakum tüplü toplaçların kullanımını yaygınlaĢtırmaktadır. Vakum tüplü toplaçlar düz yüzeyli toplaçlara göre bazı avantaj ve dezavantajlara sahiptirler. Uygulamada ortaya çıkan avantaj ve dezavantajları aĢağıda belirtilmektedir.

Vakum tüplü toplaçların avantajları [8]:

 Çevre ve alıcı arasında yüksek sıcaklık farkları olsa bile yüksek verimliliğe sahiptirler

 DüĢük ıĢınımlarda yüksek verimliliğe sahiptirler

 Mekan ısıtma uygulamalarını, cam örtülü düz yüzeyli toplaçlardan daha etkili bir biçimde desteklerler

 Buhar üretimi ve klima için yüksek sıcaklıklara çıkabilirler

 DüĢük ağırlığından dolayı herhangi bir kurulum yerine kolayca taĢınabilirler. Bazen kurulum yerinde monte edilebilirler

 Yalnız belli ürünler için fabrikada veya montaj sırasında alıcıları çevirerek güneĢ yönüne hizalanabilirler

 Direkt akıĢ boruları formunda çatıya yatay olarak monte edilebilir. Böylece daha az rüzgar yükü ve daha düĢük montaj maliyeti sağlarlar

Vakum Tüplü Toplaçlar Tüp Ġçinde Metal Yüzgeç Vakum Tüp Arkasında veya Cusp Yansıtıcı Vakum Tüp Ġçinde Tüp Ġçinde Cusp Yansıtıcı Yansıtıcılı Yansıtıcısız Isı Borulu Isı Borusuz U ġeklinde Tüp Tek Düz Tüp Vakum Tüp Örtü Ġzolasyonlu U ġeklinde Tüp

(26)

9 Dezavantajları:

 Cam örtülü düz yüzeyli toplaçlara göre daha pahalıdırlar

 Çatı içi yerleĢimi için kullanılamazlar

 Isı borulu tipleri yatay kullanılamazlar. En az 25° eğim verilmelidir

Ticari uygulamalarda farklı vakum tüplü toplaç tipleri kullanılmaktadır. Bu vakum tüp uygulamalarından bazıları aĢağıda açıklanmıĢtır [9]:

Solaron güneş toplacı

Vakum tüpler aralarında boĢluk bırakılmadan alıcı yüzeyin üzerine sıralanmıĢlardır. Bu tasarım, alıcı yüzeyden cam örtüye taĢınımla ısı kayıplarına engel olmaktadır. Bu tip bir toplacın kesit resmi ġekil 2.6’da verilmektedir.

ġekil 2.6. Solaron güneĢ toplacı

Phillips güneş toplacı

Alıcı alanı boyunca alıcıdan ısı transfer akıĢkanına taĢınımla ısı iletimi ġekil 2.7’de gösterilen tasarımla artırılarak Solaron toplaçların performansı yükseltilmektedir. Yarı dairesel alıcı yüzeyin altına içinden çalıĢma akıĢkanının geçtiği borular eklenmektedir. Kavisli seçici yüzey bir ısı dönüĢtürücü gibi davranmaktadır. Vakum tüplerin üst yüzeyi Solaron toplacın aksine direkt güneĢ ıĢınımına maruz kalmaktadır.

(27)

10

ġekil 2.7. Phillips güneĢ toplacı

Vakum tüplü Sanyo güneş toplacı

Seçici yüzeyle kaplanmıĢ bir metal alıcı bir silindirik tüple birleĢtirilmektedir (ġekil 2.8). Tüp içerisindeki vakum, alıcı yüzeyden çevreye olan taĢınımla ısı kaybını engellemekte ve toplacın alıcı yüzeyi güneĢ ıĢınımından maksimum oranda faydalanmak için enlem derecesinde döndürülmektedir.

ġekil 2.8. Vakum tüplü Sanyo güneĢ toplacı

Vakum tüplü Corning güneş toplacı

U biçiminde bakır tüpün seçici yüzeyle kaplı yatay bir alıcıya birleĢtirilmesi ve vakuma alınmıĢ silindirik bir örtü içine yerleĢtirilmesiyle oluĢturulan bu tasarım ġekil 2.9’da gösterilmektedir.

(28)

11

ġekil 2.9. Vakum tüplü Corning güneĢ toplacı

Vakum tüplü Phillips güneş toplacı

Bu tip toplaç yüksek sıcaklık prosesleri için vakum tüplü toplacın geliĢtirilmiĢ bir Ģeklidir. U Ģeklindeki bakır tüp cam örtünün cidarlarına temas edecek Ģekilde yerleĢtirilmektedir. Corning tipin aksine tüpler arasında ısı değiĢiminden sakınmak için tüpün iç kısmı poliüretan köpükle doldurulmaktadır. Tüpün dıĢ yüzeyi ise seçici yüzeyle kaplanmakta ve daha büyük çaplı bir cam tüpün içerisine yerleĢtirilmektedir. Ġç ve dıĢ camın arası vakuma alınarak taĢınımla ısı kayıpları azaltılmaktadır. Bu tüpler seri Ģekilde bağlanmaktadır (ġekil 2.10).

(29)

12 Vakum tüplü Roberts güneş toplacı

Konsentrik bir bakır tüp alıcı görevi yapan çelik bir metal plakayla birleĢtirilip alt kısmada güneĢ ıĢınlarını geri yansıtmak için alüminyum bir yansıtıcı konularak imal edilmektedir (ġekil 2.11). Bu ekipmanın taĢınımla ısı geçiĢini azaltmak için vakuma alınan bir cam örtü içerisine montajı yapılmaktadır. Isı transfer akıĢkanı konsentrik tüpün içinden girip dıĢındaki tüpten çıkarak ısı almaktadır.

ġekil 2.11. Vakum tüplü Roberts güneĢ toplacı

Vakum tüplü Owens-Illinois (OI) güneş toplacı

Isı transfer akıĢkanı ġekil 2.12’de görüldüğü gibi küçük çaplı bir borudan toplaca gönderilmektedir. AkıĢkan, seçici yüzeyle kaplanmıĢ daha büyük bir boru ile giriĢ borusu arasından geçerken ısıtılmaktadır. Bu tüpler daha büyük çaplı bir borosilikat cam tüpün içerisine yerleĢtirilerek seçici yüzeyle kaplı tüp ile borosilikat cam tüpün arası taĢınımla ısı kayıplarını önlemek için vakuma alınmaktadır. Bu toplaç tüpler, güneĢ ıĢınlarını tüplerin altına yansıtmak için beyaz yüzey üzerine monte edilmektedir.

(30)

13 Vakum tüplü General Elektrik güneş toplacı

Vakum tüp içerisine ġekil 2.13’deki gibi U biçiminde yerleĢtirilen bakır tüpler vakum tüpün içindeki boruya temas etmektedir. Vakum tüpün iç camının dıĢ yüzeyi seçici yüzeyle kaplıdır. Tüp cusp tipi bir yansıtıcının odağına yerleĢtirilerek yansıyan ıĢınlar seçici yüzey üzerine düĢürülmektedir. GüneĢ ıĢınımının üzerinde toplandığı seçici yüzey ısınarak ısıyı cama temas eden U Ģeklindeki bakır borulara aktarmaktadır. Isı transfer akıĢkanı bu bakır boruların içerisinden akarken ısıyı alarak ısınmaktadır.

ġekil 2.13. Vakum tüplü General Elektrik güneĢ toplacı

Isı borulu güneş toplacı

Bir ısı borulu toplacın Ģematik resmi ġekil 2.14’de gösterilmektedir. Bir ısı borusu, düĢük sıcaklık farklarıyla yüksek yoğunlaĢtırmalı toplacın odak alanından bir akıĢkana büyük miktarda ısı iletiminin bir metodu olarak kullanılmaktadır. Boru duvarına yerleĢtirilmiĢ halka Ģeklinde bir fitil tabakayla dairesel bir borudan ibaret olup, dairesel boru termal ısı kayıplarını engellemek için mükemmel bir biçimde yalıtılmaktadır. GüneĢ enerjisi bir buharlaĢtırıcı üzerine düĢerek buharlaĢtırıcı içerisindeki akıĢkanı kaynatmaktadır. Buhar yoğuĢturucuya doğru hareket etmekte ve orada bir akıĢkan döngüsüne ısıyı iletmektedir. Isı, sirkülasyon akıĢkanıyla daha uzaklara son kullanım noktasına taĢınabilmektedir. Sirkülasyon akıĢkanı ısısını bıraktıktan sonra fitil içerisindeki kılcallık nedeniyle veya yerçekimi ve döngünün tekrarı nedeniyle kazana ısısını iletmektedir. Yerçekimi etkisi ile ısı borusu fitilsiz çalıĢtırılabilmekte ancak bu yatay konumda sağlanamamaktadır.

(31)

14

ġekil 2.14. Isı borusu Ģematik resmi

Dahili yansıtıcılı Corning güneş toplacı

Cam tüpün yarıçapında cusp tipi bir yansıtıcının odağına yerleĢtirilen ısı borusu, vakuma alınmıĢ bir cam tüpün içerisine monte edilmektedir. GüneĢ ıĢınımını maksimum oranda emebilmek ve minimum oranda yaymak için ısı borusu buharlaĢtırıcısının dıĢ yüzeyi siyah kromajlı bir yüzeye sahiptir. Isı borusunun buharlaĢtırıcısı cusp tipi bir yansıtıcılı cam tüple örtülmektedir. YoğuĢturucudan çalıĢma sıvısına ısı iletimi son noktanın doğrudan çalıĢma sıvısına daldırılması veya ısı değiĢtiriciyle sağlanmaktadır. Bu tip bir toplaç ġekil 2.15’de gösterilmektedir.

(32)

15 Vakum tüplü Gumman güneş toplacı

Alıcının emdiği güneĢ enerjisinden maksimum oranda yararlanmak için bir metal yüzgeç kullanılmaktadır. ġekil 2.16’da görüldüğü gibi bu metal yüzgece bir ısı borusu eklenerek elde edilen ısı enerjisi yoğuĢturucudan iĢ akıĢkanına aktarılmaktadır.

ġekil 2.16. Vakum tüplü Gumman güneĢ toplacı

2.1.3. YoğunlaĢtırıcı toplaçlar

GüneĢ ıĢınımından faydalanılarak daha yüksek sıcaklıklar elde etmek için yoğunlaĢtırıcı toplaçlar kullanılmaktadır. Bu sıcaklık aralığı yoğunlaĢtırma oranına göre değiĢmektedir. Genel olarak yoğunlaĢtırıcı tip toplaçlar geleneksel tip düz toplaçlarla karĢılaĢtırıldığında bazı avantajlar ve dezavantajlar sergilemektedir [6].

Avantajları:

 Aynı emici yüzeye sahip düz yüzeyli güneĢ toplaçlarına göre daha yüksek sıcaklıklara ulaĢılabilir ve böylece daha yüksek verim sağlanabilir

 Böyle bir yoğunlaĢtırıcıyla sıcaklık seviyesi ve yükleme (ısı transfer akıĢkan debisi) arasında eĢleĢtirme yapılabilir

 Alıcı yüzeyinin küçük olmasından dolayı ısı kayıpları azdır. Bu yüzden ısıl verim daha büyüktür

 Yansıtıcı yüzeyde daha az malzeme kullanılır ve düz toplaçlardan yapısal olarak daha basittir. Bu yüzden yoğunlaĢtırıcı toplaçların güneĢ toplama yüzey alan maliyeti düz toplaçlardan daha az olur

(33)

16

 Toplanan güneĢ enerjisi miktarı küçük alıcı alanına bağlı olduğundan ısı kayıplarını azaltmak, toplaç verimini artırmak için seçici yüzey iĢleme ve vakumlu yalıtım ekonomik olarak uygundur

Dezavantajları:

 YoğunlaĢtırıcı sistemler yoğunlaĢtırma oranına bağlı olarak az miktarda difuse (yayılı) ıĢınım toplarlar

 GüneĢi takip etmek için çeĢitli tip güneĢ takip sistemleri gerekir

 Zamanla güneĢ yansıtma yüzeyleri yansıtıcılıklarını kaybedebilirler. Periyodik olarak temizlenmeleri ve yenilenmeleri gerekebilir

Birleşik parabolik güneş toplaçları

GüneĢin görüntüsünün belli bir Ģekilde alıcı yüzey üzerine düĢmemesinden dolayı görüntüsüz yoğunlaĢtırıcı olarak isimlendirilmektedir. Parabolün açıklık alanına düĢen ıĢınlar yansıtıcılardan yansıyarak odakta bulunan alıcı yüzey üzerine yoğunlaĢtırılmaktadır. Ekonomiklik sağlamak amacıyla paraboller yansıtıcı malzemenin ölçüsüne göre kesilerek kullanılabilmektedir. BirleĢik parabolik toplaçların alıcı yüzey tasarımları çok değiĢik biçimlerde yapılabilmektedir. ġekil 2.17’de çok farklı alıcı yüzey tasarımına sahip birleĢik parabolik toplaçlar gösterilmektedir.

ġekil 2.17. Farklı alıcı tipleri (a) düz tip (b) yüzgeç tip (c) kama tip (d) silindirik tip [10]

Isıl uygulamalarda, ısıl kayıplarının az olmasından dolayı alıcı olarak vakum tüp kullanımı oldukça yaygındır. ġekil 2.18’de silindirik alıcılı cam örtülü bir birleĢik parabolik toplacın kesit resmi gösterilmektedir.

(34)

17

ġekil 2.18. Silindirik alıcılı cam örtülü birleĢik parabolik toplaç kesiti [11]

Yarım kabul açısı 30o

ve yoğunlaĢtırma oranı 2’ye kadar olan BPT’ler düĢük yoğunlaĢtırma oranlı BPT’ler olarak isimlendirilmekte ve güneĢ takibine gerek duymamaktadırlar. Bir BPT uzun ekseni boyunca ya doğu-batı ya da kuzey-güney yönlerine doğru açıklık alanı ekvatora yönelecek Ģekilde yerleĢtirilebilmektedir. Eğer BPT’nin uzun ekseni kuzey-güney yönü boyunca yerleĢtirilirse devamlı güneĢi görmesi için güneĢ takipli yapılmaktadır [12].

Parabolik oluk güneş toplaçları

Parabolik olarak dizayn edilen yansıtıcının odağına konulan alıcı üzerine güneĢ ıĢınları odaklanmaktadır (ġekil 2.19). Bu sistemlerde, güneĢ enerjisi bir doğru üzerinde yoğunlaĢtırıldığından tek eksende hareket ile güneĢi izlemesi yeterlidir. Orta derecede sıcaklık isteyen uygulamalar ile elektrik ve buhar üretiminde kullanılmaktadır.

(35)

18 Parabolik çanak güneş toplaçları

Yüzeylerine gelen güneĢ ıĢınımını iki eksenden güneĢ takip sistemi kullanarak noktasal olarak odaklayan toplaçlardır (ġekil 2.20). Odaklarına yerleĢtirilen Stirling motoru ile ısı enerjisi elektrik jeneratörü için lüzumlu olan mekanik enerjiye dönüĢtürülmektedir. Buhar ya da sıcak hava üretimi için de kullanılabilmektedir.

ġekil 2.20. Parabolik çanak güneĢ toplaçları [7]

Heliostat saha güneş toplaçları

Bu sistemde güneĢ ıĢınları heliostat adı verilen aynalar kullanılarak bir kule üzerine yerleĢtirilen alıcıya yansıtılmaktadır (ġekil 2.21). Bu aynalar merkezi bir bilgisayar yardımıyla güneĢi takip ederek odaklama yapmaktadır. Alıcıda ısıtılan akıĢkan ile buhar üretilmektedir. Üretilen buhar türbinden geçirilerek elektrik elde edilmektedir. Bu sistemlerde 1000 °C üzerinde sıcaklıklar elde edilebilmektedir [2].

(36)

19

2.2. GüneĢ Enerjisinin Kullanıldığı Uygulamalar

GüneĢ toplaçlarının en yaygın tipleri olan düz yüzeyli, birleĢik parabolik, vakum tüplü, parabolik oluk, optik lens (fresnel lens), parabolik çanak ve heliostat toplaçların; optik ve termal analizleri yanında performans değerlendirme metodları da sunulmuĢtur. Bu toplaçların su ısıtma, yüzey ısıtma, soğutma, endüstriyel ürün ısıtma, tatlı su elde etme, elektrik üretme, güneĢ fırınlarında metal eritme ve kimyasal süreçlerde uygulama alanları bulunmaktadır. Çok çeĢitli sistemlerde kullanılabilen bu toplaçlar önemli çevresel ve ekonomik faydalar sağlamaktadır [6].

YoğunlaĢtırma oranı 1,47 ve açıklık alanı 1,77 m² olan deponun birleĢik olduğu güneĢ enerjili su ısıtma sistemi tasarlanarak imalatı yapılmıĢtır. Sistemin ısıl performansı Basic programlama dilinde yazılan bir bilgisayar programıyla simule edilmiĢtir. Bu çalıĢmada aynı açıklık alanına sahip cam örtülü bileĢik parabolik yansıtıcı ve farklı emici tüp çaplarıyla denemeler yapılmıĢtır. Alıcıdan taĢınımla ve ıĢınımla ısı

kayıpları, cam örtüden ısı kayıpları ve toplaç duvarlarından ısı kayıpları dikkate alınmıĢtır. Modelleme sonuçları gerçek değerlerden gün sonu tank sıcaklığı için %5,1 ve ertesi gün sabah tank sıcaklığı için %11,3 sapma göstermiĢtir. Yılın farklı ayları için yapılan simülasyon sonuçları, gün sonu ve ertesi günkü tank sıcaklıklarının 0,18 m ve 0,24 m emici tüp çaplarına göre 0,20 m tüp çapında daha iyi korunduğunu göstermiĢtir. F-Chart yöntemi kullanılarak yapılan ekonomik analize göre geliĢtirilen yeni güneĢ enerjili su ısıtma sistemi aynı açıklık oranına sahip düz yüzeyli toplaçların kullanıldığı güneĢ enerjili su ısıtma sistemlerine göre %13 daha ucuz olmaktadır [13].

GüneĢ enerjili flaĢ buhar damıtma sistemi tasarlanarak 94/95 ve 96/97 yıllarında Tunus’ta deniz suyu damıtılmıĢtır. ÇalıĢma kapsamında farklı sıcaklık (55-80°C) ve basınç değerlerinin (-0,6…-0,9 bar), sistemin damıtma kapasitesine etkisi araĢtırılmıĢtır. Elde edilen sonuçlara göre her biri 1 m² olan 10 damıtma ünitesi günde 15 m3’e kadar suyu saflaĢtırmaktadır [14]. Asimetrik bileĢik parabolik toplaçlar kullanarak su damıtılmakta ve tasarlanan su damıtma sisteminin performansına etki eden değiĢkenler ayrıntılı incelenerek elde edilen sonuçlar grafikler halinde verilmektedir [15].

Farklı tipte emici tasarımına sahip vakum tüplü yoğunlaĢtırıcıların performansını belirlemek ve karĢılaĢtırmak için sayısal modeller geliĢtirilmiĢtir. Gerçekçi sonuçlara ulaĢmak için, direk ıĢınımın yanı sıra, ıĢınım geliĢ açısı, yayılı ıĢınım ve komĢu tüplerin gölgelerinin etkileri de dikkate alınmaktadır. KomĢu tüplerin gölgesi ve yayılı ıĢınım

(37)

20

etkisi düĢünüldüğünde, geliĢ açısının bütün değerleri için eksende bulunan emici plakaya temas eden üst ve altta bulunan gidiĢ ve dönüĢ borulu model en iyi sonucu vermektedir. Deneyler oluĢturulan sayısal modellerin doğrulunu göstermektedir. Ayrıca, toplaç tüplerin farklı merkez uzaklıklarında termal performanslarındaki değiĢimler incelenmiĢtir. Toplaç geniĢliğini sabit tutarak merkez mesafesi artırılmıĢ ve böylece tüp sayısı azalmıĢtır. Bu durumda emici alanı önemli ölçüde azaldığı için performans kötüye gitmektedir. Kısalan merkez mesafesiyle gölge etkisi artmakta, ancak emici alan da arttığı için toplaç performansı yükselmektedir [16].

Geleneksel tip ve güneĢ takip sistemli birleĢik parabolik toplaç tasarımı yapılarak ısıl performansları sayısal ve deneysel olarak karĢılaĢtırılmaktadır. Tasarımda vakum tüplü camın içerisinde siyaha boyanmıĢ bakır boru bulunmaktadır. Vakum tüpler de plastik tüp içerisine alınmıĢtır. Saat 08:00 ile 16:00 arasında sabit ve takip sistemli BPT'nin ısıl verimlilik farkları değiĢiklik göstermektedir. Bu fark günün ilk saatlerinde %33,19 iken öğle saatinde %0,34 olmaktadır. Isıl verimliliğin belirtilen saatler arasında ortalamasının, takip sistemli BPT’de, sabit sisteme göre %14,94 fazla olduğu görülmektedir [17].

Su ısıtma sisteminin matematiksel modelini, simülasyonunu ve performans analizini yapmak için yarım kabul açısı 35o olan ve sekiz yansıtıcıdan oluĢan bir birleĢik parabolik toplaç tasarlanmıĢtır. Sekiz yansıtıcının her biri sekiz bölgeye ayrılarak ıĢın geliĢ açısına bağlı lazer testi yapılmakta ve sonuçlar geliĢ açısı arttıkça odaklamanın azaldığını ortaya koymaktadır. Bunun nedenleri olarak hem tasarım hesaplarında istenilen Ģeklin imalat esnasında basit ve ucuz bir yöntem kullanılması nedeniyle tam olarak verilememesi hem de montaj esnasında yansıtıcı yüzeylerde zedelenme ve bozulmalar gösterilmektedir. Lazer tutulan bölgeler incelendiğinde yansıtıcının uç kısımlarındaki yansıtma oranı alıcı boruya yakın bölgelere göre daha düĢük olmakta ve geliĢ açısının artması bu farkı daha da artırmaktadır. Bu farklılıkların en aza indirilmesinin yansıtıcı yüzeyin geliĢtirilmesiyle mümkün olacağı ifade edilmiĢtir. Tasarım TRNSYS-16 programı kullanılarak simüle edilerek sonuçları deneysel verilerle karĢılaĢtırılmaktadır. Simülasyonda elde edilen faydalı ısı ve toplaç verimi değerleri teorik ve deneysel sonuçlara göre daha yüksek olmaktadır. Özellikle çıkıĢ sıcaklık grafiklerinde deneylerin sonuna doğru bu fark daha da artmaktadır. Bu farkın nedeni olarak TRNSYS (Type –user)’da azimut, saat açısı ve güneĢ açısının girilememesi ve

(38)

21

belirtilen enlem ve boylama göre değerlerin program tarafından oluĢturulması gösterilmektedir. Deneysel sonuçlarla TRNSYS programı sonuçlarının yakınlığı ve teorik olarak hesaplanan değerlerin de bu iki sonuç arasında olması TRNSYS programının bu tür enerji uygulamalarında kullanımının uygunluğunu göstermektedir. Deneysel verilere göre ısıl verim, bulutsuz havalarda ~%34, parçalı ve bulutlu havalarda ise ~%29’a kadar düĢmektedir. Elde edilen bu verim değerleri yoğunlaĢtırıcı toplaçların açık havalarda yüksek verimle çalıĢtığını göstermektedir [18].

Tek odaklı ve güneĢi tek eksenden takip eden 54 m²açıklık alanına sahip ikiz-silindirik parabolik güneĢ yoğunlaĢtırıcısı tasarlanarak 110-120 oC sıcaklıklarında kızgın su üretilip sistemin teorik ve deneysel performansı incelenmiĢtir. Yansıtıcılar silindirik tip iki flotal aynadan oluĢmaktadır. Alıcı yüzey 20 adet 8 mm çaplı siyaha boyanmıĢ bakır borulardan yapılmıĢtır. Yutucu borulara gönderilen suyun basıncı, basınçlı pompayla doyma basıncından daha yüksek basınçta tutularak buharlaĢması engellenmekte ve yutucudan kızgın olarak çıkan su bir eĢanjörde soğutularak tekrar yutucuya gönderilmektedir. Farklı üç debide deneyler yapılarak ısıl güçler ve verimler belirlenmiĢtir. 160 l/saat debide yapılan deneme ile teorik hesaplar mukayese edildiğinde teorik hesaplamayla bulunan ısıl güç daha yüksek çıkmakta ve sabahtan akĢama kadar olan değiĢim deneysel çalıĢmayla uyumlu olmaktadır. Ortaya çıkan az da olsa sapmanın kullanılan malzemelerin gerçek yansıtma, yutma ve geçirme katsayılarının bilinmesi halinde daha da azalabileceği belirtilmektedir. Gün boyunca teorik olarak hesaplanan verim, deneysel olarak bulunan verimden ~%15 fazla çıkmakta ve deneysel verim gün içinde %23 ile %37 arasında değiĢmektedir. Elde edilen maksimum ısıl güç 14,1 kW ve maksimum kızgın su sıcaklığı ise 126 °C olmaktadır. Parabolik toplaçlara göre imalat kolaylığının olması bir üstünlük olarak belirtilmekte, kızgın su sağlama yanında buhar üretmede ve buharın türbinde kullanılmasıyla da elektrik üretmede kullanılabileceği ifade edilmektedir [19].

YoğunlaĢtırma oranına birleĢik parabolik toplacın geometrik özellikleri olan yarım kabul açısı ve parabol kollarının kesilerek kısaltılmasının etkisi araĢtırılmıĢtır. YoğunlaĢtırma oranı, 10° yarım kabul açısında 5,761 ve 85° yarım kabul açısında 1,003 bulunduğundan yarım kabul açısının küçük olması yoğunlaĢtırma oranının artmasına sebep olmaktadır. Bunun sonucu olarak toplaç yüksekliği, yansıtıcı yüzey uzunluğu ve dolayısıyla kullanılacak malzeme miktarı da artmaktadır. Yarım kabul açısının

(39)

22

düĢmesiyle ve artan yoğunlaĢtırma oranı nedeniyle toplacın daha sık aralıklarla güneĢi takip etmesi gerekmektedir. Toplaç açıklığındaki artıĢ yoğunlaĢtırma oranını doğrudan etkilemekte ve bu iliĢki doğrusal olarak artmaktadır. Toplaç yüksekliğinin toplaç açıklık alanına oranı ve toplaç yansıtıcı yüzey uzunluğu büyüdükçe yoğunlaĢtırma oranı artmaktadır. Toplaca kesim uygulandığında ise azalmaktadır. Toplaç yansıtıcı yüzey uzunluğunun açıklık alanına oranı da yoğunlaĢtırma oranını etkilemektedir. Bu orandaki artıĢ yoğunlaĢtırma oranını artırmaktadır [20].

Mevcut diğer toplaçlarla karĢılaĢtırmak için tasarlanan maksimum 80 °C su sıcaklığına çıkabilecek ve yoğunlaĢtırma oranı 5,24 olan küçük açıklık alanına sahip bir birleĢik parabolik toplacın verimi yaklaĢık %45 olarak bulunmuĢtur. Üç farklı alıcı tipi kullanılmakta ve yapılan denemelerde verimin tüplerle temasın fazla olduğu alıcılarda daha yüksek olduğu görülmektedir. Tüp içerisindeki suyun daha fazla zamanda akması kademeli olarak ısı kazancını yükseltmekte ve böylece alıcı tüpte akıĢ boyunca ısı iletim oranını da arttırmaktadır [21].

Toplacın dinamik davranıĢına ısı transfer akıĢkanının toplaç giriĢ sıcaklığı ve debisinin etkisini anlamak için BPT içinde eksenel ısı transferini dikkate alan ısıl iletim sayısal analizi geliĢtirilmiĢtir. Toplaca giren akıĢkanın sıcaklığı sabit alınarak farklı debilerde akıĢ boyunca akıĢkan sıcaklığının değiĢimi incelenmiĢ ve debinin yükselmesinin çıkıĢ sıcaklığını azalttığı görülmüĢtür. Debinin yükselmesi ısının çok daha hızlı aktarılmasına sebep olmakta ve verimi artırmaktadır. GüneĢ akısı ve çevre sıcaklığı sabit kalıp giriĢ sıcaklığı yükselirse, giriĢ ve çıkıĢ sıcaklıkları farkı azalmakta ve böylece daha küçük faydalı enerji elde edilmektedir. GiriĢ sıcaklığının 10-240 °C aralığında değiĢimine göre giriĢ sıcaklığının artmasıyla ısıl verim ~%60’dan %37’ye kadar azalmaktadır. Elde edilen standart verim eğrisi daha önce yapılan benzer çalıĢmalarla karĢılaĢtırıldığında çok yakın değerler bulunmaktadır [22].

YoğunlaĢtırma oranı 2,405 (kesilmiĢ) olan seçici yüzeyle kaplı tek geçiĢli vakum tüplü simetrik bir birleĢik parabolik toplaç deneysel olarak incelenmekte ve teorik olarak analiz edilmektedir. Üç boyutlu CFD metodu kullanılarak birleĢik parabolik toplacın ısıl davranıĢı için detaylandırılmıĢ sayısal modeller geliĢtirilerek deneysel verilerle karĢılaĢtırılmaktadır. Bu çalıĢmanın amacı alıcı yüzeyde ısı akısı dağılımı, ısı kayıpları ve ısıl verimliliği içeren optik ve ısıl performansları değerlendirmek ve güneĢle ısıtma proses uygulamaları için kullanıĢlı veri elde etmektir. Isı transfer

(40)

23

akıĢkanı ve çevre sıcaklığı arasındaki fark 59,6 K ve 3,4 K olduğunda, 0,0077 m3 /s debide günlük ısıl verimlilik ~%48 ve %66 bulunmuĢtur. GüneĢ ıĢınımlı sayısal model ve test sonuçlarıyla bulunan ısıl verimlilik karĢılaĢtırıldığında -% 12 ile % 10 arasında bağıl hata ortaya çıkmaktadır. Bu yüzden geliĢtirilen güneĢ ıĢınımlı model makul ve güvenilir bulunmuĢtur. Ayrıca geometrik ve operasyonel koĢullar analiz edilmekte ve debinin 0,007 ile 0,01 m3/s arasında olması önerilmektedir [23].

Büyük alan uygulamaları için önerilen düz yüzeyli alıcıya sahip yoğunlaĢtırma oranı 1,53X ve alanı 13,6 m² olan doğu-batı yönünde hizalanmıĢ bir birleĢik parabolik toplaç düz yüzeyli bir toplaçla mukayese edilmek için tasarlanmıĢtır. Ġki toplacın optik performansı ıĢın geliĢ açısına göre benzer değiĢim göstermektedir. Yapılan çalıĢma sonucunda birleĢik parabolik toplacın ısı kayıp katsayısı 2,5 W/m² K-1, düz yüzeyli toplacın ki ise 3,3 W/m² K-1

bulunmuĢtur. Bu büyük farkın nedeni olarak birleĢik parabolik toplaç içerisinde bulunan yansıtıcıların güneĢ ıĢınımını emmesi ve böylece yükselen yansıtıcı sıcaklığı ve alıcı ile örtü arasındaki ısı kayıp katsayısının azalması gösterilmektedir. Ġki toplaçta kullanılan farklı materyaller nedeniyle optik performansın direkt karĢılaĢtırılamayacağı ancak farkların küçük olması nedeniyle iki toplacın yaklaĢık karĢılaĢtırması için hesaplanan optik performansın kullanılabileceği belirtilmektedir [24].

Düz dikey alıcılı, düz yatay alıcılı, tepe açısı yarım kabul açısından büyük ters V alıcılı, ve tepe açısı yarım kabul açısından küçük ters V alıcılı birleĢik parabolik toplaçların yansıtıcı yüzeylerinin denklemleri geometrik çözümlemeler yaparak türetilmiĢtir. Ayrıca toplaçların yoğunlaĢtırma oranları, toplaç yüksekliği, toplaç açıklığı denklemleri çıkarılmıĢtır. Her bir toplaç için 30°, 45° ve 60° yarım kabul açılarında ve bu yarım kabul açılarından 10° artırarak 100°’ye kadar yapılan farklı kesim açılarındaki yoğunlaĢtırma oranları, yükseklik, toplaç açıklığı, yüksekliğin açıklığa oranı, yansıtıcı yüzey uzunluğu ve yansıtıcı yüzey uzunluğunun açıklığa oranı çizelgeler halinde verilmiĢtir. Yarım kabul açıları için yüksekliğin açıklığa oranına ve yansıtıcı yüzey uzunluğunun açıklığa oranının yoğunlaĢtırma oranına göre değiĢimleri grafikler olarak gösterilmektedir. Elde edilen bu geometrik ölçüler maliyet açısından kıyaslanmaktadır [25].

KıĢın bir birleĢik parabolün yüksek sıcaklık kullanımında ekserji analizi ve deneysel çalıĢması yapılmıĢtır. Alıcı yüzey olarak U borulu vakum tüp kullanılmakta ve

(41)

24

sistem ısıl verimliliği 55 °C, 65 °C, 75 °C, 85 °C ve 95 °C su sıcaklıkları için %54,6 , % 53,3 , %52, %50,8 ve %49, ekserji verimlilikleri ise %4,62 , %5,51 , %5,89 , % 6,36 ve %6,7 bulunmaktadır [26].

Toplaç testlerinin EN12975-2 standardına göre sabit ve yarı dinamik olmak üzere iki Ģekilde yapıldığı belirtilmiĢtir. Ġkinci metot geniĢletilmiĢ çoklu regresyon uygulayarak düz yüzeyli ve vakum tüplü toplaçların optik verimlerinin belirlenmesine izin vermektedir. Tüp ekseni normaline gelen direk ıĢımaya, alıcı tüpün optik cevabını belirleyen parametre olan enine geliĢ açısı düzelticisinin belirlenmesi pek çok veri gerektirmektedir. Enine geliĢ açısı düzelticisini belirlemek için geliĢtirilmiĢ bir yöntem sunulmakta ve deneysel verilere karĢı doğrulanmaktadır. Bu amaçla yarı dinamik Ģartlarda test verimliliği için U borulu vakum tüp, hem birleĢik parabolik yansıtıcılı hem de yansıtıcısız (yansıtıcılar siyah örtü ile örtülmüĢ) olarak kullanılmaktadır. Denemeler 30°, 45° ve 60° olan üç değiĢik eğim açısında gerçekleĢtirilmiĢtir. AkıĢkan giriĢ sıcaklığı çevre sıcaklığından yaklaĢık 80 °C farklıdır. Bu geliĢtirilen yeni yöntemde geliĢ açısı düzelticisi dördüncü dereceden polinamiyal bir fonksiyon olarak ifade edilmiĢtir. Deneysel verilerde çoklu doğrusal regresyonla elde edilen sonuçlar, geniĢletilmiĢ doğrusal regrasyon ve sabit metodla elde edilen sonuçlarla mukayese edilmektedir. Yeni yöntemle bulunan verim ve geliĢ açısı düzelticisi diğer metodlarla uyumlu çıkmaktadır. Yeni yöntem geniĢletilmiĢ çoklu doğrusal regresyonla karĢılaĢtırıldığında yeni yöntemde sürekli bir geliĢ açısı düzelticisi bulunurken diğerinde bu basamak fonksiyon Ģeklindedir. Yeni yöntem optik verime tam bir eğilim sağlamakta ve hesaplanan parametrelerin benzer belirsizliğinde daha az deneysel veri gerektirmektedir. Çünkü geliĢ açısı alt aralıklara bölünmemekte ve böylece daha kısa test süresine imkan vermektedir [27].

Proses buhar üretim uygulaması için bir birleĢik parabolik toplacın çalıĢma modeli sunulmuĢtur. Geleneksel tip birleĢik parabolik toplaçlarda açıklığın hızlı artan yüksekliğe bağlı olması nedeniyle imalat için hantal bir yapı oluĢturması ve açıklık alanına düĢen ıĢınımın alıcıya ulaĢmadan önce çoklu yansıması nedeniyle optik verimi düĢürmesi dezavantaj olarak gösterilerek modifiye edilen bir birleĢik parabolik toplaç kullanılmıĢtır. Bu aslında parabolik oluk tip toplaçtır.Önerilen birleĢik parabolik toplaç geometrisi gereği, geleneksel birleĢik parabolik toplaç tasarımlarıyla kıyaslandığında daha az ayna ve günde altı saatlik çalıĢma için tek eğim ayarı gerektirir. Ġmalatı ve

Referanslar

Benzer Belgeler

Toplam aile geliri içinde tarımsal gelir her iki kuşak işletmelerde de ancak yaklaşık 1/3 oranında yer almakta olduğu, kişi başına ortalama yıllık aile gelirinin

Bu çalışmada, bir silindirik parabolik güneş toplayıcı sistemi ele alınarak depo hacmi, ısı taşıyıcı akışkan debisi ve açıklık alanı miktarındaki

Yapılan çalışmada, piyasada hazır olarak kullanıcıya sunulan vakum tüplü kolektörlerden alınarak, güneşli su ısıtma sistemine tespiti yapılmış ve buna eş yüzey

Deney düzeneğinde, içerisinde çalışma akışkanı olan suyun bulunduğu iç boru (1), gelen güneş ışınının toplayıcı yüzeye yönlendirildiği

Ortalama güneĢ ıĢınımları, ortalama sıcaklık ve ortalama rüzgâr hız değerleri kullanılarak yenilenebilir enerji kaynakları potansiyeli yüksek olan Antalya,

Sonacoustic ® derzsiz, düz yüzeyli ve dekoratif akustik yüzey kaplama çözümleri.. S onacoustic ® yüksek ses sönümleme performansına sahip bir akustik yüzey

Vakum tüplü güneş enerjili havuz tipi deniz suyu damıtma sistemimizin yapılan deney sonuçlarına göre Karabük ilinde mayıs ayı şartlarında damıtma havuzu suyu

Kısacası son yıllarda geleneksel maliyet muhasebesi sistemlerinin, mamul ve hizmet üretimi sırasında ortaya çıkan faaliyetlerin maliyetlerini sağlıklı bir