Ünite 8: Farklı Kollektör Tiplerinin Karşılaştırması

Giriş

Enerji, “Bir etki meydana getirebilme kapasitesi, kabiliyeti” olarak tanımlanır. Enerji maddenin bir özelliğidir ve madde enerjiye sahiptir. İnsanlar önce ısınmak için enerjiye ihtiyaç duymuşlar, sonra da teknolojinin gelişmesiyle enerjiye olan ihtiyaçları artmıştır ve giderek artmaktadır. Isınma için ihtiyacımız olan ısı enerjisi genellikle çeşitli yakacakların yakılması neticesinde kimyasal enerjiden elde edilir. Teknolojinin ihtiyacı olan ısı enerjisinin elde edilmesi de benzer şekildedir. Isı enerjisi ancak belirli bir verimle mekanik enerjiye dönüştürülebilir. Taşıma ve kullanma kolaylığı nedeniyle mekanik enerji elektrik enerjisine ve sonra da kullanılacak amaca göre diğer enerji şekillerine (başta mekanik enerji, ısı, kimyasal vb.) dönüştürülür. Enerji şekillerinden birinin diğerine dönüştürülmesinde kullanım kolaylığı yanında depolama özelliği de gözönüne alınır. Birinin diğerine dönüştürülmesi tersinmezlik ve kayıplar sebebiyle belli bir verimle gerçekleştirilebilirler.

Günümüzde insanlığın ihtiyacı olan enerji çoğunlukla yakacaklardan, hidrolik enerjiden, nükleer enerjiden ve çok az bir miktarda güneş, rüzgâr, dalga gibi alternatif enerji kaynaklarından elde edilmektedir. Enerji kaynakları, üretildiği miktarlar gözönüne alınarak, “birincil (alışılmış) enerji kaynakları” ve “ikincil (alışılmamış) enerji kaynakları” olarak iki grupta incelenmektedir. Ayrıca, potansiyeli mevcut olan ve teknolojik güçler sebebiyle yeni yararlanılabilen enerji kaynaklarına “yeni” ve eksilmeyen kaynaklara da “yenilenebilir” enerji kaynakları denilmektedir. Alışılmış enerji kaynakları, fosil kaynaklar (kömür, petrol, doğal gaz vs.), hidroelektrik enerji ve nükleer enerji sayılabilir. Alışılmamış enerji kaynakları ise güneş enerjisi, jeotermal enerji, gel-git enerjisi, dalga enerjisi, rüzgâr enerjisi, fizyon enerjisi gibi enerjilerdir.

Güvenlik Önlemleri

Farklı kollektör tiplerinin karşılaştırılması deneyinin sağlıklı bir şekilde yapılması her şeyden önce güvenlik önlemlerinin iyi bir şekilde alınmasına bağlıdır. Bulunduğumuz ortamlar, çalışma yerleri veya okullardaki laboratuvarlar, atölyeler olduğunda hem öğrenciler olarak hem de görevliler olarak güvenlik önlemlerini en üst seviyede tutmak gerekir. Güvenliğe dikkat edeceğimiz konu elektrik ve ısı kaynaklarından güvenli bir şekilde korunmaktır.

Laboratuvarda çalışmaya başlamadan önce, laboratuvardaki görevliler öğrencilere bir tehlike anında laboratuvardaki elektriği kesecek ana elektrik panosunun yerini ve elektrik enerjisinin nasıl kesileceğini öğretmelidirler. Öğrencilere, herhangi bir kaza anında itfaiyeye, sağlık görevlilerine ve okulda bulunan görevlilere nasıl haber verecekleri konusunda bilgi verilmelidir. Acil telefonlarının İTFAİYE 110, HIZIR ACİL SERVİSİ 112 ve POLİS 155 olduğu unutulmamalıdır.

Teorik Bilgi

Güneş ısı ve ışık kaynağı olup dünyamız Güneş ile ısınmakta ve aydınlanmaktadır. Güneşin ısı ve ışığı olmadan hiçbir canlı yaşayamaz, bu nedenle Güneş canlıların varoluş sebebi yani yaşam kaynağıdır. Dünyamızdaki bütün enerji türlerinin kaynağı Güneş’tir. Fosil yakıtlar olarak bildiğimiz doğalgaz, kömür ve petrol gibi kaynaklar milyonlarca yıl toprak altında ısı ve basıncın etkisiyle oluşmuşlardır.

İnsanoğlunun güneş enerjisinden yararlanması ilk insandan günümüze kadar çeşitli yollarla olduğu yapılan çalışmalardan anlaşılmaktadır. Güneş ışınları yardımıyla tohumların kurutulması, ışınların parlak yüzeylerden yansıtılarak haberleşmede kullanılması bu yolların ilklerinden sayılabilir. Teknolojinin gelişmesiyle güneş enerjisinden yararlanma yolları artmıştır. Bunlara güneş ışınlarından yararlanarak doğrudan elektrik enerjisi üretebilen paneller veya sıcak su üretim sistemleri sayılabilir. Güneş ışınlarının miktarı, senenin günlerine, bulutluluk oranına, çevrenin topoğrafik yapısına ve coğrafik faktörlere bağlı olarak değişmektedir. Fazla bulutlu geçen bölgelerde, direkt güneş ışınım miktarı az olduğundan kollektör yeteri kadar güneş ışığı toplayamaz. Odaklı ve düz kollektörlerin birbirlerine göre bazı avantajları vardır. Odaklı kollektörler doğrusal yoğunlaştırıcı kollektörler ve noktasal yoğunlaştırıcı kollektörler olarak iki gruba ayrılır. Odaklı kollektörlerde çok yüksek sıcaklıklara çıkılabildiği halde, yapımı zor, pahalıdır ve genellikle büyük alanlara ihtiyaç duyarlar. Güneş pilleri ise yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Ticari olarak kullanımda olan geleneksel silisyumlu güneş pillerinin yerini alabilecek verimleri aynı ama üretim teknolojileri daha kolay ve daha ucuz olan güneş pilleri üzerinde de son yıllarda çalışmalar yoğunlaştırılmıştır.

Günümüzde Güneş Enerjisinden Yararlanma ve Kullanım Alanları

Güneş enerjisinden doğrudan yararlanma sistemleri, aktif ve pasif sistemler diye iki açıdan incelenmektedir. Güneş kollektörleri, güneş panelleri veya diğer herhangi bir dönüştürücü ile güneşten enerji elde edilmesine aktif yararlanma denir. Özellikle binaların yön, geometri ve yapı elemanlarının değişimiyle güneşten enerji elde edilmesine pasif yararlanma denir.

Güneş enerjisinden faydalanma yollarından bazıları:

• Sıcak su elde edilmesi
• Konutların ısıtılması
• Konutların serinletilmesi,
• Kurutma,
• Güneş fırınları ve güneş ocakları,
• Tuz temini,
• Deniz suyundan saf su elde edilmesi,
• Yüzme havuzlarının ısıtılması,
• Isı pompası,
• Elektrik elde edilmesi,
• Yapma fotosentez,
• Tarımda faydalanma,
• Sera ısıtması,
• Soğutma sistemlerinde güneş enerjisinden yararlanma,
• Güneş pompalarıdır.

Yukarıda belirtilen uygulamaların birçoğunda güneş ışınları biri ısı değiştiricisi (genellikle düzlem kollektör) aracılığıyla bir akışkana (su, motor yağı, gliserin, etilen glikol, hava gibi akışkan) aktarılır. Sıcaklığı artan akışkan, kullanım amacına göre depolanır veya sisteme gönderilir.

Güneş Kollektörleri

Güneş ışınları ile bir akışkanın sıcaklığının artmasını sağlayan gereçlere güneş kollektörleri adı verilir. Başka bir ifadeyle, güneş kollektörleri, güneşin ışık enerjisini ısı enerjisine dönüştürürler. Üretim şekline göre düz ve odaklı, kullanılan akışkan cinsine göre sıvılı ve gazlı (havalı) kollektörler ve güneş pilleri (Fotovoltaik Piller) olarak gruplandırılabilir. Güneş enerjisinden yararlanarak akışkan sıcaklığının 100 °C’den daha düşük olabileceği sistemlerde (sıcak su elde edilmesi ve hacim ısıtması gibi) düzlem kollektörler kullanılır. Güneş enerjisi kullanarak akışkan sıcaklığının 100 °C’den daha fazla sıcaklıklar da elde edilebilmektedir. Akışkan sıcaklığının 100 °C’den daha yüksek değerlerinin gerektiği durumlarda düzlem kollektörler yerine odaklı kollektör kullanılır. Pratikte, güneş enerjisinin en yaygın kullanıldığı su ısıtması gibi durumlarda 100 °C’den daha düşük sıcaklıklar yeterli olduğundan düzlem kollektörler daha çok kullanılmaktadır. Bu tip kollektörleri ülkemizde güney illerimizde daha yaygın olarak binaların çatılarında görmekteyiz. Kollektör tipi, faydalanılan enerji türüne göre seçilir. Sıcak su temininde sıvılı kollektörler, ev ısıtmasında havalı kollektörler tercih edilir.

Sıcak su elde etmek amacıyla kullanılan düzlem kollektör, temelde akışkanın geçeceği borular, güneş ışınlarını absorbe edici yüzey, üst cam örtü, sırt izolasyonu ve dış kasadan oluşmaktadır. Güneş ışığını soğuran ve ısıyı akışkana transfer eden absorbe edici yüzey alüminyum, bakır, paslanmaz çelik ve özel plastik gibi ısıl iletkenliği büyük bir malzemeden yapılmaktadır. Absorbe edici yüzeyin güneş ışınlarının hemen hemen tamamını yutan ve ortaya çıkan ısı enerjisini akışkanı taşıyan borulara aktarması istenen özelliklere sahip olmalıdır. Absorbe edicinin arka kısmından olacak iletimin ısı kayıplarını engellemek için sırt izolasyonu yapılmaktadır. Ön yüzünden serbest hava akımları ile olabilecek konveksiyon kayıplarını engellemek, kısa dalgalı radyasyona karşı saydam, uzun dalgalı radyasyona karşı opak biçimde sera etkisi oluşturmak, siyah ön yüzeyi yağmur ve toz gibi dış etkenlerden korumak için demirsiz (demir-oksit içermeyen) temperlenmiş cam örtü kullanılmaktadır. Temperleme işlemi cama dayanıklılık kazandırma amaçlı ısıl işlemdir. Bileşenlerin tümü, çoğunlukla alüminyum kasa içinde yer alır. Isı iletim kat sayısı en yüksek katı malzeme saf bakır, ısı kapasitesi en yüksek sıvı malzeme de sudur. Dolayısıyla güneş ışınları ısı iletim katsayısı yüksek olan bakır borular tarafından toplanır ve toplanan ısı, ısı kapasitesi yüksek olan suya aktarılır.

Düzlem Kollektörler

• Yapımı daha basittir.
• Yayılı ışınımdan da faydalanabilir.
• Tesisatın yerleştirileceği zeminin hazırlanması kolaydır.
• Hareketli kısımları yoktur.
• Hava şartlarına karşı dayanıklı ve daha uzun ömürlüdür.
• İşletme masrafları azdır.
• Ancak 100 °C sıcaklığa kadar çıkabilir.

Güneşten Yayılan Işınlar

Güneşi ve yıldızları inceleyebilme imkânı, onların bize gönderdiği ışınımları sayesinde mümkün olabilmektedir. Güneş ışınları dendiğinde tüm dalga boylarındaki elektromanyetik dalgalar anlaşılır.

Güneş, etrafına büyük miktarda enerji veren ve ışın saçan bir yıldızdır ve dünyamıza yıldızların en yakın olanıdır. O halde güneş ve yıldızlar ışık veren birer gaz küreleridir. Güneş yarıçapı 700.000 km olup bu değer dünya yarıçapının yaklaşık 109 katı, kütlesi 2x1030 kg olup dünya kütlesinin yaklaşık 330.000 katı olan bir yıldızdır. Güneş kendi ekseni etrafında yaklaşık 4 haftada döner. Bu dönme katı cisim gibi olmaz, ekvator kısmı 27 günde, kutup bölgesi 30 günde dönüşünü tamamlamaktadır. Güneşin merkezinde hidrojen çekirdeklerinin kaynaşmasıyla füzyon reaksiyonu meydana gelir. Güneşin merkezindeki sıcaklık yaklaşık 15-16 milyon derecedir. Güneşin yaklaşık %90’ı hidrojendir ve güneşteki hidrojen yakıtının tüketilmesi için daha yaklaşık 5 milyar yıllık bir süre olduğu hesaplanmaktadır. Dünya, güneşten yaklaşık 150 milyon km uzakta bulunmaktadır. Dünya hem kendi çevresinde dönmekte, hem de güneş çevresinde eliptik bir yörüngede dönmektedir. Bu yönüyle, dünyaya güneşten gelen enerji hem günlük olarak değişmekte, hem de yıl boyunca değişmektedir. İlave olarak, Dünyanın kendi çevresindeki dönüş ekseni, güneş çevresindeki dolanma yörüngesi düzlemiyle 23,5 °’lik bir açı yaptığından, yeryüzüne düşen güneş şiddeti yörünge boyunca (yıl boyunca) değişmekte ve mevsimler de böylece oluşmaktadır. Dünyaya, Güneş’ten saniyede, yaklaşık 4x1026 J’lük enerji, ışınımlarla gelmektedir. Güneş’in saldığı toplam enerji göz önüne alındığında bu çok küçük bir kesirdir; ancak bu tutar dünyada insanoğlunun bugün için kullandığı toplam enerjinin 15-16 bin katıdır. Dünyaya gelen güneş enerjisi çeşitli dalgaboylarındaki ışınımlardan oluşur ve güneş-dünya arasını yaklaşık 8 dakikada aşarak dünyaya ulaşır (ışınımlar saniyede 300.000 km’lik bir hızla, yani ışık hızıyla yol alırlar). Güneş enerjisi, güneşten gelen ve dünya atmosferinin dışında şiddeti sabit ve 1370 W/m2 , yeryüzünde ise 0-1100W/m2 değerleri arasında olan yenilenebilir bir enerjidir. Yeryüzüne ulaşan güneş ışının her dalgaboyunda olmasına rağmen dünyamıza gelen ışınların geleneksel olarak görünür ışık, kızılötesi ve morötesi ışık olduğu kabul edilir. Güneşten dünyamıza gelen ışınların yaklaşık %50’si görünür ışık, %45’i kızılötesi ışık ve geri kalan az bir bölümü de morötesi ışıktır. Dünya’mıza Güneş’ten gelen enerji miktarı %100 kabul edilirse: Güneş’ten gelen enerjinin yaklaşık %30’u yansıma ve saçılmalarla uzaya geri gider. Yaklaşık %20’si hava kürede soğurulur. Geri kalan %50’si ise yeryüzüne ulaşır.

Güneş Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları

Güneş Enerjisinin Avantajları

• Tükenmeyen enerji kaynağı olmasıdır.
• Temiz enerji türüdür.
• Doğabilecek ekonomik bunalımdan etkilenmez.
• Mahalli uygulamalara elverişlidir.
• Çok sayıdaki ülkede faydalanılabilir.
• Karmaşık teknolojiye ihtiyaç duyulmamaktadır.
• İşletme masrafları çok azdır.
• Güneş enerjisinin gaz, duman, kükürt veya radyasyon gibi zararlı artıkları yoktur.
• Enerjiden ihtiyaç duyulduğu bölgede faydalanılabileceğinden enerjinin nakil problemi de yoktur.

Güneş Enerjisinin Dezavantajlar ı

Güneş enerjisinin diğer enerji kaynaklarına göre çok sayıda üstünlükleri olmasına rağmen, günümüzde uygulamalarının az oluşunun sebepleri vardır:

• Birim yüzeye gelen güneş ışınları devamlı olmadığından depolama gerekmektedir,
• Enerji ihtiyacının fazla olduğu kış aylarında, güneş ışınları az ve geceleri ise hiç yoktur.