Modern güneş kollektörlerinin uygulamaları ve verimleri (*)
Güneş enerjisinin yüksek oranda kabul edilmesinin önemli nedeni bu teknolojinin doğa dostu değerli bir fikir olmasıdır. Almanya’da iki tip kollektör kullanılmakta olup bunlar uygulamaları bakımından ayrı makalelerde incelenebilir. Bu sayımızda düzlem tip kollektörlerin tanımına yer veriyoruz. Gelecek sayımızda boru tipi kollektörleri yayınlayacağız.
Düzlem Kollektörler:
Termal güneş enerjisi sistemlerinin büyük bir bölümü şimdiye kadar içme suyu ısıtılmasında kullanılmakla beraber ısınma amacıyla kullanılan sistemler de çoğalmaktadır. Almanya’da 1 Şubat’tan itibaren yürürlüğe giren enerji ekonomisi yönetmeliği, güneş enerjisinin her alanda, özellikle ısıtmaya yardımcı olarak kullanılmasını ve yaygınlaşmasını desteklemektedir.
Toplumdaki çevre bilincinin gelişmesi, geleneksel sıvı ve gaz yakıtların fiyatlarının yükselmesi de aynı şekilde güneş enerjisinin kullanımının artmasına yardımcı olmaktadır.
Bu tip sistemlerin fiyat-fayda oranının iyileştirilmesi için hükümetler destek programları ile ek teşvikler vermektedir. Bu teşvikler özellikle değer kriteri verim olan güneş kollektörleri için geçerlidir
Kollektör Modellerinin Sınıflandırılması:
Güneş kollektörlerinin görevi, üzerine gelen güneş ışınlarının tamamına yakın bölümünü ısıl enerjiye dönüştürmek ve bu enerjiyi büyük bir kayıp olmadan taşıyıcı bir akışkana iletmektir. Bu iş için kurulan farklı tip ve modeller başlıca kalite, verim, kurulum, ve fiyat karakteristikleri ile birbirlerinden ayrılan özellikler gösterirler. En büyük pazar payına sahip uygulamalar, havalı ve kapalı tip düzlem kollektörlerin yanı sıra doğrudan ve dolaylı akışlı olarak birbirinden ayrılabilen vakumlu boru tipi kollektörlerdir. Bu dört çeşidin çalışma prensibi temelde yaklaşık olarak aynıdır. Güneş ışınları çoğunlukla cam olan şeffaf bir levhadan geçerek soğurucuya gelirler. Isıyı ileten bir metal plaka olan soğurucu, güneş ışınlarının ısıl enerjiye dönüşümünü arttıran ve aynı zamanda ışınımla ısı geçişini azaltan özel bir tabaka ile kaplanmıştır. Kazanılmış olan ısı, sonuç olarak soğurucuya bağlanmış olan ısı taşıyıcı borulara iletilir.
Düzlem Kollektörlerin Yapıları:
Düzlem kollektörlerde soğurucu, dikdörtgen şeklinde ve düz bir gövde bölümüne tespit edilmiştir (Resim 1). Burada cam elyaf çerçeve ile kuvvetlendirilmiş plastik, alüminyum, çelik sac veya tahta gövde kullanılan malzemeler olup, içlerinde plastik ve alüminyum en yaygın olanlarıdır. Plastikten yapılmış olanlar üretimde en az enerji sarfı düşük maliyetle öne çıkmaktadırlar.
Kollektör haznesi soğurucunun altına monte edilmiştir ve ısı geçişini engelleyen bir yalıtım içerir. Bu yalıtım tabakası genelde mineral elyaflı yalıtım malzemelerinden üretilmiş olup, poliüretan köpük levha gibi materyallerle yalıtılmıştır. Önemli olan zamanla koruyucu cam levhaya zarar verebilecek gazlar çıkaranyalıtım malzemelerinin kullanılmamasıdır. Soğurucunun üzerinde hava etkilerinden korunması için bir cam levha bulunmaktadır. Kullanılan camların yaklaşık % 91 olan güneş ışınımını geçirme oranının, güneş kollektörlerinin ısıl verimlerine doğrudan etkisi vardır. (Resim 2). Kullanılan camın mümkün olduğunca az oranda demir oksit içermesi, geçirgenliği açısından bu bağlamda önemlidir. Soğurucuya içinde ısı taşıyıcı akışkanın aktığı boru tesisatı bağlanmıştır. Soğurucu ve boru malzemeleri olarak en çok alüminyum, seyrek olarak da bakır kullanılmaktadır. Şekilde yapısı açıklanan boru tesisatı girişleri serpantin ve harp tipi soğurucularda birbirlerinden farklıdırlar. Serpantinli soğurucuların üretiminde her ne kadar daha az lehim ve kaynak yeri gerekli ise de, buna karşılık işletme sırasında daha yüksek bir basınç kaybı görülmektedir. Günümüzde modern otomatik üretim metotları, kaynak dikişleri üretiminde fiyat ve kalite açısından imalat problemlerine neden olmadıklarından, harp tipi soğurucuların sayısı gittikçe artmaktadır.
Düzlem kollektörlere harp tipi soğurucuların yerleştirilmesinde bağlantı şekli, önemli bir kriterdir. Kaloriferlerin yerleştirilmesine benzer şekilde, burada da ısı taşıyıcı akışkanın düzgün biçimde akışına dikkat edilmelidir. Akışkanın kollektörlere beslemesi ve toplanması genelde evlerin çatısında bir noktadan yapıldığından, bu gibi durumlarda çift taraflı bağlantı imkanı çoğunlukla bulunmamaktadır. Bu yüzden dağıtım ve toplama boruları kollektöre Tichelmann sistemi ile bağlanmalıdır (Resim 3). Tichelmann sistemi, pratik olarak besleme hattının dönüşünün, toplama hattı bağlantısı tarafında bulunduğu çift taraflı bir bağlantıya karşılık gelmektedir. Özel bir kollektör uygulamasında ise besleme hattı dönüşü daha kollektöre önceden entegre edilmiştir, böylece kollektör dışında güneş ışınlarını engelleyebilecek ayrı bir hat öngörülmesi gerekmemektedir. Bu durumda, çatıda kollektör dışında monte edilmiş besleme hattından olan ısı kaybı ortadan kalkacağı için, uygulamanın verim arttırıcı etkisi de bulunmaktadır.
Soğurucu Kaplamaları:
Soğurucu kaplamalarında da farklı çeşit ve üretim teknolojileri bulunmaktadır. Kaplamaların asıl görevi, ışığın soğurulmasını mümkün olduğunca artırmak ve ısının ışınımla neşredilmesini özellikle düşük tutmaktır. Koyu yüzeyler kısa dalga boylu güneş ışınlarının ısıya dönüşümünü desteklemekte, ek olarak özel yüzey yapıları da etrafa ışınımla ısı geçişini engelleyecek biçimde etkimektedir. Bu nedenle yaklaşık olarak 80’li yıllardan beri seçici geçirgen olarak adlandırılan kaplamalar uygulanmaktadır. Seçicilik, bu bağlamda kaplamanın ışığın belli dalga boylarını farklı oranlarda geçirdiği anlamına gelmektedir. Önceleri soğurucu yüzeyleri sadece siyaha boyanmakta veya elektro kimyasal olarak karartılmaktaydı. 90’lı yılların sonuna kadar piyasada neredeyse sadece siyah krom/nikel kaplamalı soğurucular bulunmaktaydı. Siyah krom/nikel kaplama yapılabilmesi için herşeyden önce kaplanacak olan yüzeyin birçok adımda dikkatlice temizlenmesi gerekmektedir. Ardından bir galvanizleme işlemi ile yüzey ilk olarak nikel tabakası, daha sonra bunun üzerine krom bir tabaka ile kaplanır. Son yıllarda yeni kaplama teknikleri de geliştirilmiştir. Burada başlıca püskürtme ve PVD (Physical Vapour Deposition) (Buharın fiziksel çökeltilmesi) teknikleri ile üretilen kaplamalardan bahsedilebilir (Resim 4). Bu kaplamaların düşük ışınım neşretme oranı göstermeleri siyah krom-nikel kaplamalara göre daha verimli olmalarını sağlar. Üretim metodlarının ayrı olmalarına karşın bu iki kaplama da kuru işlemler ile üretilmekte ve en önemlisi, krom-nikel kaplamalarla karşılaştırıldığında üretimi için daha az bir enerjiye ihtiyaç duyulmasıdır.
Püskürtme tekniği ile üretilen kaplamada argon gazı altında soy metallerin oksitleri ve nitratlarından oluşan bir tabaka meydana getirilir. Uygulanan bir doğru akım kaplama malzemesinde bir deşarja neden olur, buna bağlı olarak kaplama malzemesi soğurucu üzerine çökelir.
PVD işlemi ile kaplama bir vakum odasında gerçekleştirilmektedir. İşlemde elektron ışını kaplama malzemesi ile birlikte bir potaya gönderilir ve bu sayede buharlaşan malzeme soğurucu üzerinde birikir. Kaplama malzemesi olarak PVD ve diğer işlemlerde titanyum ve kuvars kullanılmaktadır. Hem Püskürtme hem de PVD kaplamaları günümüzde sadece düz sac parçalara uygulanabildiği için, ısı taşıyıcı borular ancak kaplama işleminden sonra soğuruculara bağlanabilmektedir. Çoğunlukla ultrasonik yöntemlerle tespit edilen kaynak dikişleri, bu tip kollektörlerde görünür oldukları için sonradan bakılarak anlaşılabilir.
Havalı Düzlem Kollektörler:
Düzlem kollektörlerde en klasik ve genelde en uygun fiyatlı tipler havalı uygulamalardır. Bu uygulamalarda koruyucu cam levha ve soğurucu arasında bulunan bölüm, delikler aracılığı ile çevre havası ile temas halindedir. Bu önlemle koruyucu cam levhanın buğulanması ve buna bağlı verim düşüşü engellenmektedir. Havalandırmanın buğu önleyici etkisinin yanında verim azaltıcı bir etkisi de bulunmaktadır. Havalandırma taşınımla ısı kaybına neden olmakta ve bu kayıp kollektörün ısınması ile artmaktadır. Bundan dolayı havalandırma delikleri uygun tasarımlarla optimize edilmişlerdir. Havalandırma için çoğunlukla kollektörün uzun kenarlarının üst ve alt tarafında bulunan dört delik öngörülmektedir.
Kapalı Düzlem Kollektörler:
Hermetik izolasyonlu kollektörler teknik olarak daha karmaşık ve bu yüzden de daha pahalıdırlar.
Düzlem Kollektörler:
Termal güneş enerjisi sistemlerinin büyük bir bölümü şimdiye kadar içme suyu ısıtılmasında kullanılmakla beraber ısınma amacıyla kullanılan sistemler de çoğalmaktadır. Almanya’da 1 Şubat’tan itibaren yürürlüğe giren enerji ekonomisi yönetmeliği, güneş enerjisinin her alanda, özellikle ısıtmaya yardımcı olarak kullanılmasını ve yaygınlaşmasını desteklemektedir.
Toplumdaki çevre bilincinin gelişmesi, geleneksel sıvı ve gaz yakıtların fiyatlarının yükselmesi de aynı şekilde güneş enerjisinin kullanımının artmasına yardımcı olmaktadır.
Bu tip sistemlerin fiyat-fayda oranının iyileştirilmesi için hükümetler destek programları ile ek teşvikler vermektedir. Bu teşvikler özellikle değer kriteri verim olan güneş kollektörleri için geçerlidir
Kollektör Modellerinin Sınıflandırılması:
Güneş kollektörlerinin görevi, üzerine gelen güneş ışınlarının tamamına yakın bölümünü ısıl enerjiye dönüştürmek ve bu enerjiyi büyük bir kayıp olmadan taşıyıcı bir akışkana iletmektir. Bu iş için kurulan farklı tip ve modeller başlıca kalite, verim, kurulum, ve fiyat karakteristikleri ile birbirlerinden ayrılan özellikler gösterirler. En büyük pazar payına sahip uygulamalar, havalı ve kapalı tip düzlem kollektörlerin yanı sıra doğrudan ve dolaylı akışlı olarak birbirinden ayrılabilen vakumlu boru tipi kollektörlerdir. Bu dört çeşidin çalışma prensibi temelde yaklaşık olarak aynıdır. Güneş ışınları çoğunlukla cam olan şeffaf bir levhadan geçerek soğurucuya gelirler. Isıyı ileten bir metal plaka olan soğurucu, güneş ışınlarının ısıl enerjiye dönüşümünü arttıran ve aynı zamanda ışınımla ısı geçişini azaltan özel bir tabaka ile kaplanmıştır. Kazanılmış olan ısı, sonuç olarak soğurucuya bağlanmış olan ısı taşıyıcı borulara iletilir.
Düzlem Kollektörlerin Yapıları:
Düzlem kollektörlerde soğurucu, dikdörtgen şeklinde ve düz bir gövde bölümüne tespit edilmiştir (Resim 1). Burada cam elyaf çerçeve ile kuvvetlendirilmiş plastik, alüminyum, çelik sac veya tahta gövde kullanılan malzemeler olup, içlerinde plastik ve alüminyum en yaygın olanlarıdır. Plastikten yapılmış olanlar üretimde en az enerji sarfı düşük maliyetle öne çıkmaktadırlar.
Kollektör haznesi soğurucunun altına monte edilmiştir ve ısı geçişini engelleyen bir yalıtım içerir. Bu yalıtım tabakası genelde mineral elyaflı yalıtım malzemelerinden üretilmiş olup, poliüretan köpük levha gibi materyallerle yalıtılmıştır. Önemli olan zamanla koruyucu cam levhaya zarar verebilecek gazlar çıkaranyalıtım malzemelerinin kullanılmamasıdır. Soğurucunun üzerinde hava etkilerinden korunması için bir cam levha bulunmaktadır. Kullanılan camların yaklaşık % 91 olan güneş ışınımını geçirme oranının, güneş kollektörlerinin ısıl verimlerine doğrudan etkisi vardır. (Resim 2). Kullanılan camın mümkün olduğunca az oranda demir oksit içermesi, geçirgenliği açısından bu bağlamda önemlidir. Soğurucuya içinde ısı taşıyıcı akışkanın aktığı boru tesisatı bağlanmıştır. Soğurucu ve boru malzemeleri olarak en çok alüminyum, seyrek olarak da bakır kullanılmaktadır. Şekilde yapısı açıklanan boru tesisatı girişleri serpantin ve harp tipi soğurucularda birbirlerinden farklıdırlar. Serpantinli soğurucuların üretiminde her ne kadar daha az lehim ve kaynak yeri gerekli ise de, buna karşılık işletme sırasında daha yüksek bir basınç kaybı görülmektedir. Günümüzde modern otomatik üretim metotları, kaynak dikişleri üretiminde fiyat ve kalite açısından imalat problemlerine neden olmadıklarından, harp tipi soğurucuların sayısı gittikçe artmaktadır.
Düzlem kollektörlere harp tipi soğurucuların yerleştirilmesinde bağlantı şekli, önemli bir kriterdir. Kaloriferlerin yerleştirilmesine benzer şekilde, burada da ısı taşıyıcı akışkanın düzgün biçimde akışına dikkat edilmelidir. Akışkanın kollektörlere beslemesi ve toplanması genelde evlerin çatısında bir noktadan yapıldığından, bu gibi durumlarda çift taraflı bağlantı imkanı çoğunlukla bulunmamaktadır. Bu yüzden dağıtım ve toplama boruları kollektöre Tichelmann sistemi ile bağlanmalıdır (Resim 3). Tichelmann sistemi, pratik olarak besleme hattının dönüşünün, toplama hattı bağlantısı tarafında bulunduğu çift taraflı bir bağlantıya karşılık gelmektedir. Özel bir kollektör uygulamasında ise besleme hattı dönüşü daha kollektöre önceden entegre edilmiştir, böylece kollektör dışında güneş ışınlarını engelleyebilecek ayrı bir hat öngörülmesi gerekmemektedir. Bu durumda, çatıda kollektör dışında monte edilmiş besleme hattından olan ısı kaybı ortadan kalkacağı için, uygulamanın verim arttırıcı etkisi de bulunmaktadır.
Soğurucu Kaplamaları:
Soğurucu kaplamalarında da farklı çeşit ve üretim teknolojileri bulunmaktadır. Kaplamaların asıl görevi, ışığın soğurulmasını mümkün olduğunca artırmak ve ısının ışınımla neşredilmesini özellikle düşük tutmaktır. Koyu yüzeyler kısa dalga boylu güneş ışınlarının ısıya dönüşümünü desteklemekte, ek olarak özel yüzey yapıları da etrafa ışınımla ısı geçişini engelleyecek biçimde etkimektedir. Bu nedenle yaklaşık olarak 80’li yıllardan beri seçici geçirgen olarak adlandırılan kaplamalar uygulanmaktadır. Seçicilik, bu bağlamda kaplamanın ışığın belli dalga boylarını farklı oranlarda geçirdiği anlamına gelmektedir. Önceleri soğurucu yüzeyleri sadece siyaha boyanmakta veya elektro kimyasal olarak karartılmaktaydı. 90’lı yılların sonuna kadar piyasada neredeyse sadece siyah krom/nikel kaplamalı soğurucular bulunmaktaydı. Siyah krom/nikel kaplama yapılabilmesi için herşeyden önce kaplanacak olan yüzeyin birçok adımda dikkatlice temizlenmesi gerekmektedir. Ardından bir galvanizleme işlemi ile yüzey ilk olarak nikel tabakası, daha sonra bunun üzerine krom bir tabaka ile kaplanır. Son yıllarda yeni kaplama teknikleri de geliştirilmiştir. Burada başlıca püskürtme ve PVD (Physical Vapour Deposition) (Buharın fiziksel çökeltilmesi) teknikleri ile üretilen kaplamalardan bahsedilebilir (Resim 4). Bu kaplamaların düşük ışınım neşretme oranı göstermeleri siyah krom-nikel kaplamalara göre daha verimli olmalarını sağlar. Üretim metodlarının ayrı olmalarına karşın bu iki kaplama da kuru işlemler ile üretilmekte ve en önemlisi, krom-nikel kaplamalarla karşılaştırıldığında üretimi için daha az bir enerjiye ihtiyaç duyulmasıdır.
Püskürtme tekniği ile üretilen kaplamada argon gazı altında soy metallerin oksitleri ve nitratlarından oluşan bir tabaka meydana getirilir. Uygulanan bir doğru akım kaplama malzemesinde bir deşarja neden olur, buna bağlı olarak kaplama malzemesi soğurucu üzerine çökelir.
PVD işlemi ile kaplama bir vakum odasında gerçekleştirilmektedir. İşlemde elektron ışını kaplama malzemesi ile birlikte bir potaya gönderilir ve bu sayede buharlaşan malzeme soğurucu üzerinde birikir. Kaplama malzemesi olarak PVD ve diğer işlemlerde titanyum ve kuvars kullanılmaktadır. Hem Püskürtme hem de PVD kaplamaları günümüzde sadece düz sac parçalara uygulanabildiği için, ısı taşıyıcı borular ancak kaplama işleminden sonra soğuruculara bağlanabilmektedir. Çoğunlukla ultrasonik yöntemlerle tespit edilen kaynak dikişleri, bu tip kollektörlerde görünür oldukları için sonradan bakılarak anlaşılabilir.
Havalı Düzlem Kollektörler:
Düzlem kollektörlerde en klasik ve genelde en uygun fiyatlı tipler havalı uygulamalardır. Bu uygulamalarda koruyucu cam levha ve soğurucu arasında bulunan bölüm, delikler aracılığı ile çevre havası ile temas halindedir. Bu önlemle koruyucu cam levhanın buğulanması ve buna bağlı verim düşüşü engellenmektedir. Havalandırmanın buğu önleyici etkisinin yanında verim azaltıcı bir etkisi de bulunmaktadır. Havalandırma taşınımla ısı kaybına neden olmakta ve bu kayıp kollektörün ısınması ile artmaktadır. Bundan dolayı havalandırma delikleri uygun tasarımlarla optimize edilmişlerdir. Havalandırma için çoğunlukla kollektörün uzun kenarlarının üst ve alt tarafında bulunan dört delik öngörülmektedir.
Kapalı Düzlem Kollektörler:
Hermetik izolasyonlu kollektörler teknik olarak daha karmaşık ve bu yüzden de daha pahalıdırlar.
