tc süleyman demirel üniversitesi fen bilimleri enstitüsü güneş

Transkript

T.C.
SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
GÜNEŞ BACASINDA KONSTRÜKTİF İYİLEŞTİRME
ÇALIŞMALARI VE PERFORMANS ARTIRICI YÖNTEMLERİN
ARAŞTIRILMASI
Ziya Ramazan YABUZ
Danışman: Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI
YÜKSEK LİSANS TEZİ
MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI
ISPARTA - 2009
Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürlüğüne
Bu çalışma jürimiz tarafından MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI'nda
oybirliği ile YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.
Başkan : Prof. Dr. Mustafa ACAR
(İmza)
Süleyman Demirel Üniversitesi
Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü
Üye : Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI (Danışman)
( İmza)
Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü
Üye : Yrd. Doç. Dr. Arif KOYUN
(İmza)
Mühendislik Mimarlık Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü
ONAY
Bu tez 28/05/2009 tarihinde yapılan tez savunma sınavı sonucunda, yukarıdaki jüri
üyeleri tarafından kabul edilmiştir.
...../...../20..
Enstitü Müdürü
Prof. Dr. Mustafa KUŞÇU
İÇİNDEKİLER
Sayfa
İÇİNDEKİLER ........................................................................................................... i
ÖZET ......................................................................................................................... ii
ABSTRACT.............................................................................................................. iii
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR ......................................................................................... iv
ŞEKİLLER DİZİNİ.................................................................................................... v
ÇİZELGELER DİZİNİ ............................................................................................. ix
SİMGELER LİSTESİ ................................................................................................ x
1. GİRİŞ ..................................................................................................................... 1
1.1. Kuramsal Temeller.......................................................................................... 3
1.1.1. Güneş Isıl Enerji Çevrimi......................................................................... 3
1.1.2. Güneş Isıl Kolektörleri............................................................................. 4
1.2. Güneş Bacası................................................................................................... 4
1.2.1. Kollektör .................................................................................................. 7
1.2.1.1 Kollektörde Enerji Depolanması...................................................... 10
1.2.2. Baca........................................................................................................ 11
1.2.3. Türbin..................................................................................................... 14
1.3. Matematiksel Model...................................................................................... 15
1.3.1. Kollektör ................................................................................................ 16
1.3.2. Baca........................................................................................................ 17
1.3.3. Türbin..................................................................................................... 19
1.3.4. Tek Katmanlı Saydam Yüzeye ve Su Boruları ile Depolama Yapan
Sisteme Sahip Kollektörde Isıl Bağ ....................................................... 20
1.3.5. Isı Transfer Katsayılarının Hesaplanması .............................................. 23
2. KAYNAK ÖZETLERİ ........................................................................................ 26
2.1. Uygulamalı Literatür Çalışmaları ................................................................. 32
3. MATERYAL VE YÖNTEM ............................................................................... 38
3.1. Yapılması Öngörülen Çalışmalar.................................................................. 42
3.2. Deneysel Çalışmada Kullanılan Ölçüm Cihazları ve Sensörler.................... 43
3.3. Yapılan İyileştirmeler Ve Deneyler .............................................................. 45
3.4. Ölçüm Noktaları Ve Sensör Yerleşim Şekilleri ............................................ 46
3.5. Gerçekleştirilen Deneysel Çalışma ............................................................... 51
3.5.1. Kollektör Zeminin Siyah Renge Boyanması.......................................... 57
3.5.2. Kollektör İçi Zemin Üzeri Sıcak Su Sistemi Kurulumu ........................ 60
3.5.3. Güneş Bacası Tepesinde Atomize Su ile Soğutma Sistemi ................... 66
3.5.4. Güneş Bacası Kollektör Girişi Kapak Uygulaması................................ 67
3.5.5. Güneş Bacası Kollektör Alanının Arttırılması....................................... 72
3.6. Hibrid Sistemin Oluşturulması ve Deneysel Çalışma................................... 77
3.6.1. Güneş Kulesi Sisteminin Tanıtımı ......................................................... 77
3.6.2. Hibrid Sistem ......................................................................................... 80
4. ARAŞTIRMA BULGULARI .............................................................................. 87
5. TARTIŞMA VE SONUÇ .................................................................................. 112
6. KAYNAKLAR .................................................................................................. 114
ÖZGEÇMİŞ ........................................................................................................... 117
i
ÖZET
Yüksek Lisans Tezi
GÜNEŞ BACASINDA KONSTRÜKTİF İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI VE
PERFORMANS ARTIRICI YÖNTEMLERİN ARAŞTIRILMASI
Ziya Ramazan YABUZ
Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü
Makina Mühendisliği Anabilim Dalı
Juri: Prof. Dr. Mustafa ACAR
Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI (Danışman)
Yrd. Doç. Dr. Arif KOYUN
Dünya genelinde kullanılan enerji, çoğunlukla fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Nüfus
artışından daha fazla artış gösteren enerji gereksinimi fosil yakıt rezervlerinin azalmasına
neden olmaktadır. Ayrıca fosil yakıtların yoğun bir şekilde kullanımından kaynaklanan çevre
kirliliği ve en önemlisi yakın bir zamanda tükenecek olması, insanların alternatif enerji
kaynaklarından yararlanmasına sebep olmuştur. Özellikle Türkiye’nin elektrik enerjisinin %
60’ının doğalgazdan karşılanması ve doğal gaz rezervlerinin dış kaynaklı olması bir
dezavantajdır. Güneş ise doğanın en büyük yenilenebilir enerji kaynağıdır. Türkiye yıllık
ortalama 2640 saat güneşlenme süresi ile bulunduğu coğrafyanın en şanslı ülkesidir. Güneş
enerjisinden; düzlemsel güneş kollektörleri, dish-stirling sistemler, silindirik-parabolik
sistemler, güneş bacası ve güneş güç kuleleri yoluyla ısıl ve elektrik enerjisi elde
edilmektedir. Güneş bacası, geniş bir kollektör serası ile merkezi bir bacadan oluşur. Sıcak
hava, geniş bir cam kollektör altında güneş tarafından (direkt ve difüz ışını vasıtasıyla)
üretilir. Isınan hava kollektörün merkezindeki bacaya doğru hareket eder ve yukarıya doğru
çekilir. Bu çekiş bacaya yerleştirilmiş rüzgâr türbinini çalıştırır.
Bu çalışmada, SDÜ kampüs bünyesinde bulunan güneş bacası prototipinin performansının
artırılması için gerekli konstrüksiyon düzenlemeleri yapılmıştır. Ayrıca ısıl performans ile
güç çıkışının arttırılabilinmesi için deney düzenekleri kurulmuştur. Buna ek olarak doktora
çalışması olarak Tübitak destekli yürütülen güneş güç kulesi sistemi kullanılarak, güneş
bacası üzerine konumlandırılan bir alıcı ve baca etrafına yerleştirilen heliostat aynalar
vasıtasıyla sistem hibrid şekle dönüştürülmüştür. Mevcut güneş bacası sistemine yapılan
yeniliklerle birlikte elde edilen sonuçlar, sistemin önceki yıllarda yapılan çalışmalardan elde
edilen sonuçlarla kıyaslandırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Bacası, Güneş Kulesi, Hibrid sistem,
Yenilenebilir Enerji, Performans Artırmak, Konstrüktif İyileştirme.
2009, 117 Sayfa
ii
ABSTRACT
M.Sc. Thesis
THE STUDY ON THE CONSTRUCTIONAL IMPROVEMENTS AND THE
RESEARCH OF METHODS TO INCREASE THE PERFORMANCE OF THE
SOLAR CHIMNEY
Ziya Ramazan YABUZ
Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences
Mechanical Engineering Department
Thesis Comittee: Prof. Dr. Mustafa ACAR
Asst. Prof. Kamil DELİKANLI (Supervisor)
Asst. Prof. Arif KOYUN
The energy usage in the worldwide, is generally obtained from fossil fuels. Increase in
necessity of energy is more than increase in population, is the cause of fossil fuels’ reservs
reduce. Additionally the intensive usage of fossil fuels causes enviromental pollutions and
the most important is the fossil fuels will be soon run out so that the people start to benefit
from alternative energy sources. The disadvantages of Turkey are, especially Turkey’s
electricity’s % 60 is getting from natura gas and the natural gas resevrs sources are used
from abroad. The sun is the biggest renewable energy sources of the nature. With about 2640
hours of sunshine annually, Turkey is the most fortunate country of located geography. The
thermal energy and the electricity from solar energy, is obtained from the plate solar
collectors, dish-stirling systems, cylindirical – parabolic systems, solar chimney and solar
power tower. The design of solar chimney is consist of a weight collector glasshouse and a
central chimney. The air, which is warming up, is produced by sun, under the collector. This
hot air runs the turbine which is located under the central of chimney.
In this Study, the necessary constructional preparations was done for increase the performans
of the solar chimney prototype which is located in Süleyman Demirel University campus. As
well to increase the thermal performance and the power of output, experimental set up was
built up. Additionally with a doctorate thessis which is supported by Tübitak, is called solar
power tower system. A solar receiver which was montaged on the top of the solar chimney
and the heliostat mirrors which were located sides of solar chimney. The whole system
became a hibrid energy system. The results, was achieved with the additions on the current
solar chimney system, was compared with the results which we have already had.
Key Words: Solar Energy, Solar Chimney, Solar Tower, Hibrid System, Renewable energy,
Increase Performance, Constructive Betterment.
2009, 117 Pages
iii
ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR
Bu tez çalışmasında yardımlarını esirgemeyen teşvik ve destekte bulunan, daima yol
gösteren değerli danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI’ ya sonsuz
teşekkürlerimi sunarım.
Çalışmalarım sırasında tüm bilgi ve tecrübelerini aktaran, ilgi, destek, öneri ve
eleştirilerini esirgemeyen Sayın Yrd. Doç. Dr. İbrahim ÜÇGÜL’ e, ve Sayın Yrd.
Doç. Dr. Arif KOYUN’ a, yardımlarından ve sabırlarından dolayı değerli aileme
teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca 108M183 numaralı proje desteğinden ötürü Tübitak’
a teşekkür ederim.
Ziya Ramazan YABUZ
ISPARTA, 2009
iv
ŞEKİLLER DİZİNİ
Şekil 1. 1. Güneş Bacası Şekli. .................................................................................... 5
Şekil 1. 2 Bir güneş bacasının enerji dönüşüm aşamaları............................................ 5
Şekil 1. 3. Bir güneş bacasında günlük güç üretim karakteristiği................................ 7
Şekil 1. 4. Bir güneş bacasındaki enerji akışı............................................................... 8
Şekil 1. 5. Güneş bacası sistemleri için uygun kollektör düzenlemeleri...................... 9
Şekil 1. 6. Güneş bacası kollektör yüzeyinin görüntüsü. ............................................. 9
Şekil 1. 7. Güneş bacalarının kollektörü için ısıl durum............................................ 10
Şekil 1. 8. Su doldurulmuş siyah tüpler kullanan ortamda ısı depolama prensibi ..... 10
Şekil 1. 9. Güneş bacası kollektör ısı depolama......................................................... 11
Şekil 1. 10. Bacaya etkiyen kuvvetlerin gösterimi..................................................... 12
Şekil 1. 11. Baca konstrüksiyon şekilleri................................................................... 13
Şekil 1. 12. Güneş bacası türbini yatay eksenli türbin ile su için kaplan türbini
şekilleri..................................................................................................... 14
Şekil 1. 13. Kollektör enerji kazanım şeması............................................................. 20
Şekil 1. 14. Tek katmanlı saydam yüzeye ve su borusuna sahip kollektörlü güneş
bacası sisteminde ısıl bağ şekli ................................................................ 22
Şekil 2. 1. Florida Üniversitesi güneş bacası uygulama prototipi kesit şekli............. 32
Şekil 2. 2. Florida Üniversitesi güneş bacası prototipi görüntüsü.............................. 33
Şekil 2. 3. Zhou vd. tarafından inşa edilen güneş bacası prototipi............................. 34
Şekil 2. 4. İspanya Manzanares Güneş bacası sistemi görüntüsü. ............................. 36
Şekil 2. 5. Almanya Bauhaus Üniversitesi güneş bacası görüntüsü .......................... 37
Şekil 3. 1. Baca ayaklarının montajı ve sera alanının biçimlendirilmesi ................... 38
Şekil 3. 2. Baca kollektörü için zemin oluşturulmasından bir görüntü...................... 38
Şekil 3. 3. Güneş bacası sistemine bacanın montaj görüntüsü................................... 39
Şekil 3. 4. Güneş bacası kollektör alanın konstrüksiyonu. ........................................ 39
Şekil 3. 5. 2004 yılı itibari ile güneş bacasından bir görüntü..................................... 40
Şekil 3. 6. Kollektör alanının dilimlere ayrılmış hali................................................. 41
Şekil 3. 7. Baca akış düzenleme sistemi .................................................................... 41
Şekil 3. 8. Güney ölçüm bölgesi 1 numaralı dilim sensör yerleşim şekli. ................. 46
Şekil 3. 9. Kuzey ölçüm bölgesi 6 numaralı dilim sensör yerleşim şekli. ................. 47
Şekil 3. 10. Böceklerin ve Hobo sıcaklık sensörlerinin güneş bacası zemininde
dağılımı. ................................................................................................... 47
Şekil 3. 11. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 12, 2, 4, 7 dilimindeki
konumları. ................................................................................................ 48
Şekil 3. 12. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 9, 10 dilimindeki
konumları. ................................................................................................ 49
yeni konumları. ........................................................................................ 49
konumları. ................................................................................................ 50
Şekil 3. 15. Baca girişinde ve baca içinde sıcaklık – hava hızı ölçüm noktaları. ...... 50
Şekil 3. 16. Herhangi bir yenilik yapılmadan önce bacanın güney diliminde alınan
ölçümlerden bir görüntü........................................................................... 51
Şekil 3. 17. Kuzey dilim sıcaklık ölçüm istasyonu. ................................................... 52
v
Şekil 3. 18. Sıcaklık sensörü böcekler. ...................................................................... 52
Şekil 3. 19. Işınım sensörü. ........................................................................................ 53
Şekil 3. 20. Kuzey dilim sıcaklık ölçüm görüntüsü. .................................................. 53
Şekil 3. 21. 6 numaralı dilim sıcaklık sensörü verisi değerleri. ................................. 54
Şekil 3. 22. 6 numaralı dilim sıcaklık sensörleri........................................................ 54
Şekil 3. 23. 1 numaralı dilim sıcaklık sensörleri........................................................ 55
Şekil 3. 24. Baca içi merkezinde mil üzerinde hava hızı sensörü konumlandırılması…
.................................................................................................................................... 55
Şekil 3. 25. Baca içi hava hızı ölçüm sensörleri görüntüsü. ...................................... 56
Şekil 3. 26. Klips ile konumlandırılması desteklenen hava hızı sensörü. .................. 56
Şekil 3. 27. Baca içerisi hava hızlarının eldesinde kullanılan almemo veri
kaydedicisi. .............................................................................................. 57
Şekil 3. 28. Solda siyah zemin uygulaması sağda önceki halde alınan ölçüm
görüntüsü.................................................................................................. 59
Şekil 3. 29. Siyah zemin uygulaması sonrası 6 numaralı dilim ölçüm görüntüsü. .... 59
Şekil 3. 30. Siyah zemin uygulamasından sonra 1 numaralı dilim sıcaklık ölçüm
görüntüsü.................................................................................................. 60
Şekil 3. 31. Boru klipslerinin zemine montajı............................................................ 61
Şekil 3. 32. Tesisat su kollektörleri ile devir daim pompası montajı......................... 62
Şekil 3. 33. Gün ısı platformunun konumlandırılması............................................... 63
Şekil 3. 34. Zemin Isıtma borusu bağlantı şekli......................................................... 63
Şekil 3. 35. Kuzey zemini dolaşan su boru hattı. ....................................................... 64
Şekil 3. 36. Baca içerisi hava akış düzenleyicisini dolaşan su boru hattı. ................. 65
Şekil 3. 37. Baca kollektör zeminini dolaşan su boru hattının görünümü. ................ 65
Şekil 3. 38. Atomize su sistemi baca içerisinden görünüm........................................ 66
Şekil 3. 39. Çalışma anında baca dışarısından atomize su sisteminin görünümü. ..... 67
Şekil 3. 40. Kapakların bacaya montajından sonra görüntü....................................... 68
Şekil 3. 41. Güneş bacası kollektör girişine uygulanan kapakların tasarım görüntüsü..
.................................................................................................................................... 68
Şekil 3. 42. Kollektör dönüş suyu hattına bağlanmış PT100 sıcaklık sensörü. ......... 69
Şekil 3. 43. Kollektör içi sıcak su sistemi ile gün ısı platformu üstten görünümü..... 70
Şekil 3. 44. Gün ısı platformu ve kapalı genleşme deposu görünümü....................... 71
Şekil 3. 45. Gün ısı üzerinde yapılan termal kamera çekim görüntüsü...................... 71
Şekil 3. 46. Güneş bacası akış düzenleyicisi termal kamera çekim görüntüsü. ......... 72
Şekil 3. 47. Güneş bacası hibrid sistem alıcı üzerinde termal kamera çekim
görüntüsü.................................................................................................. 72
Şekil 3. 48. Pomza taşı görünümü.............................................................................. 73
Şekil 3. 49. Pomza taşlarının ek kollektör zemin malzemesi olarak serilmesi. ......... 74
Şekil 3. 50. Sera naylonu kesilme aşamasından bir görüntü...................................... 74
Şekil 3. 51. Ek kollektör alanı yapımında sera naylonu montajından görüntü. ......... 75
Şekil 3. 52. Özel zımba ile sabitlenen sera naylonu................................................... 75
Şekil 3. 53. Ek kollektör alanında ara dikme ile sera naylonunun birleştirilmesi...... 76
Şekil 3. 54. Ek kollektör alanı görüntüsü................................................................... 76
Şekil 3. 55. Heliostat aynalar. .................................................................................... 77
Şekil 3. 56. Güneş Güç kulesi şematiği...................................................................... 78
Şekil 3. 57. Tuz eriyikli güç kulelerinin aktarılabilirliği............................................ 79
Şekil 3. 58. Hibrid sistemin şematik görünümü......................................................... 80
Şekil 3. 59. Hibrit sistemin ve heliostatların yerleşimi. ............................................. 81
vi
Şekil 3. 60. Alıcı suyu sıcaklıkları. ............................................................................ 82
Şekil 3. 61. Hibrid Sistemin tesisat şeması. ............................................................... 83
Şekil 3. 62. Hibrid sistem için tasarlanan alıcının tasarım görüntüsü........................ 84
Şekil 3. 63. Alıcı görünümü. ...................................................................................... 84
Şekil 3. 64. Heliostat ayna arkasından çekilen görüntü. ............................................ 85
Şekil 3. 65. Heliostat aynalar. .................................................................................... 85
Şekil 3. 66. Heliostat aynaların alıcıda oluşturduğu yansımış ışınım. ....................... 86
Şekil 3. 67. Heliostat aynaların alıcıdan görünümü. .................................................. 86
Şekil 4. 1. 05.08.2005 – 15.08.2008 hava hızı ölçümü .............................................. 88
Şekil 4. 2. 05.08.2005 – 15.08.2008 güney dilim sıcaklık ölçümü............................ 88
Şekil 4. 3. 01.08.2006 – 15.08.2008 ışınım ve doğu dilim sıcaklık ölçümü.............. 89
Şekil 4. 4. 01.08.2006 -15.08.2008 ışınım, hava hızı, doğu dilim sıcaklık ve 2008
teorik hava hızı grafiği. ............................................................................ 90
Şekil 4. 5. 01.08.2006 – 15.08.2008 mil üzeri hava hızı ölçüm grafiği ..................... 90
Şekil 4. 6. 15.08.2008 – 19.08.2008 ışınım ölçüm grafiği......................................... 91
Şekil 4. 7. 15.08.2008 – 19.08.2008 hava hızı, ışınım ve 15.08. teorik hız grafiği ... 91
Şekil 4. 8. 15.08.2008 – 19.08.2008 6.dilim 440cm’de yerden 55 cm’ de ortam
sıcaklıkları grafiği .................................................................................... 92
Şekil 4. 9. 01.08.2006 - 19.08.2008 ve 19.08 teorik hava hızı grafiği...................... 92
Şekil 4. 10. 01.08.2006 – 19.08.2008 doğu dilim böcek sıcaklıkları grafiği. ............ 93
Şekil 4. 11. 01.08.2006 – 19.08.2008 tarihlerinde batıda 4 numaralı dilimde böcek
sıcaklıkları grafiği .................................................................................... 93
Şekil 4. 12. 15.08.2008 – 08.09.2008 ışınım grafiği.................................................. 94
Şekil 4. 13. 15.08.2008 – 08.09.2008 kuzey dilim dışarıdan 440 cm’ de güney dilim
370 cm’ de zeminden 50 cm yüksekte sıcaklık ölçüm grafiği ................. 95
Şekil 4. 14. 15.08.2008 – 08.09.2008 yerden 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği ... 95
Şekil 4. 15. 02.08.2006 – 08.09.2008 böcek sıcaklık ölçüm grafiği.......................... 96
Şekil 4. 16. 08.09.2008 yerden 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği ......................... 96
Şekil 4. 17. 19.08.2008 – 08.09.2008 ışınım ölçüm grafiği....................................... 97
Şekil 4. 18. 19.08.2008 – 08.09.2008 yerden 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği. .. 97
Şekil 4. 19. 19.08.2008 – 08.09.2008 kuzey dilim 440 cm’ de yerden 55 cm’ de
sıcaklık ölçüm grafiği............................................................................... 99
Şekil 4. 20. 19.08.2008 – 08.09.2008 güney dilim 370 cm’ de yerden 50 cm yukarıda
sıcaklık ölçüm grafiği............................................................................... 99
Şekil 4. 21. 19.08.2008 – 09.09.2008 güney dilim 370 cm’ de yerden 50 cm yukarıda
sıcaklık ölçüm grafiği............................................................................. 100
Şekil 4. 22. 19.08.2008 – 09.09.2008 kuzey dilim 440 cm’ de yerden 10 cm yukarıda
sıcaklık ölçüm grafiği............................................................................. 100
Şekil 4. 23. M01 – M02 Alıcıya giden ve alıcıdan dönen akışkan sıcaklık grafiği. 101
Şekil 4. 24. 19.08.2008 – 09.09.2008 273 cm’ de ölçülen hava hızı grafiği............ 101
Şekil 4. 25. Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş – çıkış sıcaklık grafiği 1.
.................................................................................................................................. 102
.................................................................................................................................. 103
Şekil 4. 27. 15.08.2008 – 10.09.2008 – 12.09.2008, 7 numaralı dilim 9 numaralı
böcek sıcaklık grafiği ............................................................................. 103
Şekil 4. 28. Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş – çıkış sıcaklık ve hava hızı
grafiği ..................................................................................................... 104
vii
Şekil 4. 29. 15.08.2008 – 10.09.2008, 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği. ........... 105
Şekil 4. 30. 15.08.2008 – 10.09.2008 ölçülen ve hesaplanan hava hızı grafiği ....... 105
Şekil 4. 31. 15.08.2008 – 10.09.2008 -12.09.2008, 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek
sıcaklık grafiği........................................................................................ 106
Şekil 4. 32. 10.09.2008 – 11.09.2008, 8 numaralı dilim 1 numaralı böcek sıcaklık
grafiği ..................................................................................................... 107
Şekil 4. 33. 10.09.2008 – 11.09.2008 hava hızı ve 1 numaralı böcek sıcaklık grafiği
.................................................................................................................................. 107
Şekil 4. 34. 10.09.2008 – 13.09.2008 yerden 273 cm’ de ölçülen hava hızı grafiği 108
Şekil 4. 35. 10.09.2008 – 13.09.2008 ölçülen ve hesaplanan hava hızı grafiği. ...... 109
Şekil 4. 36. 15.08.2008 – 17.09.2008 hava hızı grafiği. .......................................... 109
Şekil 4. 37. 17.09.2008 gün boyu hava hızı değişim grafiği.................................... 110
Şekil 4. 38. 10.09.2008 – 18.09.2008 hava hızı grafiği ........................................... 110
viii
ÇİZELGELER DİZİNİ
Çizelge 1. 1. Güneş Kollektör tipleri ve tipik sıcaklık oranları ................................. 4
Çizelge 3. 1. SDÜ Güneş bacası prototipi büyüklükleri………………………........40
Çizelge 3. 2. Seçici yüzeylerin absorpsiyon ve emissivite özellikleri……………...58
ix
SİMGELER LİSTESİ
Ac
Güneş bacası kesit alanı [m2]
Acoll
Kollektör alanı [m2]
CP
Özgül Isı katsayısı [J/kg.K]
D
Baca çapı [m]
F’
Kollektör verim faktörü
F’’
Akış faktörü
FR
Kaçan ısı faktörü
G
Işınım [W/m2]
g
yerçekimi ivmesi [m/s2]
H
Baca Yüksekliği
h3
Birincil cam yüzey ısı transfer katsayısı (doğal veya zorlanmış için) [W/m2K]
h4
Su borusu için ısı transfer katsayısı (doğal veya zorlanmış akış halinde hava-boru arası)
[W/m2K]
h5
Su borusu için ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon su - boru arası) [W/m2K]
h6
Absorber için ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon absorber – su arası) [W/m2K]
h7
Absorber için ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon absorber – zemin arası) [W/m2K]
h8
Zemin ile Absorber arası ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon ) [W/m2K]
HMax Bacanın maksimum yüksekliği [m].
hr32
Su borusu ile birincil cam yüzey arası radyasyon ısı transfer katsayısı [W/m2K]
hr43
Absorber ile su borusu arası radyasyon ısı transfer katsayısı [W/m2K]
x
hrs
Işınım ısı transfer katsayısı [W/m2K]
hrs
Işınımla ısı transfer katsayısı [W/m2K]
hw
Rüzgarla ısı transfer katsayısı [W/m2K]
I
Işınım [W/m2]
k
Isı iletim katsayısı [W/m2K]
L
uzunluk [m]
m
kütlesel debi [kg/s]
Nu
Nusselt sayısı [boyutsuz]
P
Güç [kW]
q
Isı akış yoğunluğu [W/m2]
Rcoll
Kollektör yarıçapı [m]
S2
Cam yüzey tarafından absorp edilen ışınım [W/m2]
S3
Su borusu tarafından absorp edilen ışınım [W/m2]
S4
Absorber tarafından absorp edilen ışınım [W/m2]
T0
Çevre sıcaklık [oC]
T2
Cam yüzey sıcaklığı [oC]
T3
Su borusu sıcaklığı [oC]
T4
Absorber sıcaklığı [oC]
T5
Zemin sıcaklığı [oC]
Ta
Dış ortam sıcaklığı
xi
Tc
Kollektör üst yüzey sıcaklığı
Tç
Çevre sıcaklığı [oC]
Tf,0
Çıkış Sıcaklığı [oC]
Tf,i
Giriş sıcaklığı [oC]
Tf
Kollektör ortalama sıcaklığı [0C]
(Tα)
Kollektör bsorbe etme – geçirme çarpanı
U
Bacadan, çevreye olan toplam ısı transfer katsayısı [W/m2K]
Ub
Zemin ısı transfer katsayısı [W/m2K]
Ut
Cam yüzeyden olan ısı transfer katsayısı [W/m2K]
v
hacimsel debi [m3/s]
Vc
Baca içi hava hızı [m/s]
Vmax Maksimum hava hızı [m/s]
w
z yönündeki hız [m/s]
β
Hacim sabiti [1/K]
γ
Sıcaklık düşme oranı [K/m]
Γ
Yardımcı fonksiyon [W/m2K]
δ
Sınır tabak kalınlığı [m]
ε1
Birincil cam yüzeyin yayma katsayısı [boyutsuz]
ε2
İkinci cam yüzeyin yayma katsayısı [boyutsuz]
ε3
Su borusunun yüzey yayma katsayısı [boyutsuz]
xii
ε4
Absorberin yüzey yayma katsayısı [boyutsuz]
η
Verim [boyutsuz]
ρ
yoğunluk [kg/m3]
σ
Stephan-Boltzman sabiti [W/m2K4]
τ1
İkinci cam yüzey iletim katsayısı [boyutsuz]
τ2
Birincil cam yüzey iletim katsayısı [boyutsuz]
τ3
Su borusu iletim katsayısı [boyutsuz]
xiii
1. GİRİŞ
Enerji, günümüzde insanların en çok tükettiği, en verimsiz kullandığı ve yakın
gelecekte tüm insanlığın en çok problem yaşayacağı gereksinimlerden biridir. Bugün
yoğun bir şekilde kullandığımız ve tükenmesi söz konusu olan fosil yakıtlar geçmişte
enerjilerini güneşten almış ve daha sonra şekil değiştirerek bugünkü kullanıldığı hale
dönüşmüş olan enerji kaynaklarıdır. Geçmişten günümüze bilhassa sanayi
devriminden itibaren bugüne, dünya nüfusunun hızlı artışı buna bağlı olarak enerji
ihtiyacının da aynı oranda artması ve kullanılan enerjinin verimsiz harcanması
gelecekte enerji yoksulluğuna yol açabilir. Bunun nedeni ise yoğun bir şekilde
tüketilen aynı zamanda dünyamızı da hızla kirleten, doğal dengenin bozulmasını
sağlayıp, zehirli sera gazlarının oluşmasında birincil dereceden etkin olan fosil
yakıtların kullanımıdır.
Son yıllarda yapılan çalışmalar, dünyadaki fosil yakıt rezervlerinin hızla azalmasına
karşın, enerji ihtiyacının daha da hızla arttığını işaret etmektedir. Artan bu ihtiyacın
karşılanması ve dünya üzerindeki sera gazları etkilerinin azaltılması için fosil yakıt
kaynaklarına
alternatif
olacak
yeni
ve
yenilenebilir
enerji
kaynaklarına
yönlenilmiştir. Yapılan çalışmalar yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasını
sağladığı gibi verimlerinin arttırılması için de yapılan araştırmalara hız
kazandırmıştır.
Gelişmiş ve gelişmekte olan tüm dünya ülkeleri kendi imkânları doğrultusunda
yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiş, finansal kaynaklarından ciddi paylar
ayırmaya başlamıştır. Özdamar (2000), “Görülüyor ki bu eğilim gittikçe artarak
devam edecektir. Örneğin, 2050 yılında dünya enerji tüketiminin %50 sinin
yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacağı tahmin edilmektedir.” (Kara, 2002)
Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan Güneş Enerjisi tükenmez ve çevreye duyarlı
bir enerji kaynağıdır. Dünya yüzeyine gelen yıllık ortalama güneş enerjisi miktarı,
metrekare başına ısınma ihtiyacı için kullanılacak 100 litre petrole eşittir ve herhangi
1
bir zararlı emisyona sahip değildir. Ayrıca Akdeniz coğrafyasında bulunan yerleşim
merkezleri için bu değer 120 ile 160 litre arasında değişmektedir. Bu enerji bedavadır
ve herhangi bir şekilde ithal edilmesine gerek duyulmamaktadır. En önemli nokta ise
çevreyi kirletmemektedir. Kyoto protokolünün Avrupa ülkeleri arasında imzalanması
ile birlikte temiz teknolojilerin kullanılması, fosil yakıtların kullanımının azaltılması
planlanmıştır. Yakın gelecek için Avrupa ülkeleri, elektrik enerjisinin %20 sini,
termal enerjisinin de %30 unu yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamayı
amaçlamaktadır (Nizetic vd., 2008).
Güneş enerjisinden faydalanmak için çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. Bunlara
örnek olarak sıcak su üretimi, endüstriyel prosesler için buhar eldesi, elektrik üretimi
gösterilebilir. Ancak bu teknolojiler içinde en yaygın olarak kullanılanı gün ısı
sistemleri ile sıcak su ihtiyacının karşılanmasıdır. Güneş enerjisi sistemleri ısı ve
elektrik üretim sistemleri olarak iki gruba ayrılabilir. Isıl sistemler kendi arasında
düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık uygulamaları olarak ayrılabilir.
Güneş enerjisinden elektrik üretim prosesi ise güneş gözeleri ile sağlanmaktadır. Isıl
sistemlerden düşük sıcaklık uygulamalarına örnek olarak gün ısı sistemleri ve güneş
bacaları verilebilir. Yalnız güneş bacaları aynı zamanda ısıl sistem olup elektrik
üretiminde kullanılmaktadırlar. Güneş bacasında kollektör alanı içerisi sıcaklık artışı
ile ısı enerjisi elde edilir. Elde edilen bu ısı enerjisi baca konstrüksiyonu sayesinde
kollektör içerisindeki havanın bacaya yönlenerek yukarı yönlü hareketini oluşturur.
Bu sayede ısıl enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Böylece içerideki havanın
kinetik enerjisi bacaya ilişkilendirilmiş türbini çevirerek mekanik enerjiyi dolayısıyla
alternatör vasıtasıyla elektrik enerjisini sağlar. Yani düşük sıcaklık ısıl sistemlerden
olan güneş bacası aslında elektrik üretim amaçlı kullanılmaktadır. Orta ve yüksek
sıcaklık uygulamaları ise odaklamalı sistemlerdir. Silindirik parabolik sistemler,
güneş güç kuleleri, Dish/stirling sistemleri gibi uygulamaları vardır.
Bu çalışmada güneş bacası ile elektrik üretimi sisteminin performans artırılmasına
yönelik iyileştirme yöntemleri araştırılmıştır. SDÜ YEKARUM tarafından DPT
destekli olarak gerçekleştirilen Güneş bacasının üzerinde yapılan çeşitli deneme ve
2
iyileştirme yöntemleri sonucunda elde edilen veriler daha önceki yıllarda alınan
veriler ile kıyaslanmıştır. Bu deneme ve iyileştirme çalışmaları arasında zeminden
ilave ısıtma ile bacanın daha uzun süreli çalışması, sera alanının artırılarak
performansın iyileştirilmesi, zeminin siyah boya ile boyanması, yine zeminin pomza
ile kaplanması ile performansın ölçülmesi, baca dilimlerine kapaklar yapılarak
performansın incelenmesi, bacanın en yüksek noktasına pülverize su sistemi
kurularak performansın incelenmesi aşamaları hayata geçirilmiştir. Bu denenen
yöntemler ile güneş bacasının mevcut performans değerleri arttırılmak, gün boyu
güneş ışıması ile sağlanan çalışmanın güneş etkisini yitirdiği zamanlarda da düşen
çalışma performansının arttırılması amaçlanmıştır. Ayrıca halen doktora çalışması
kapsamında devam eden güneş güç kulesi ile elektrik üretimi sisteminin heliostatları
baca yakınına konumlandırılarak baca tepesine yerleştirilen bir alıcıya odaklama
yapılmış ve hibrid bir sistem ile baca performansı incelenmiştir.
1.1. Kuramsal Temeller
1.1.1. Güneş Isıl Enerji Çevrimi
Güneş enerjisinden faydalanma yöntemleri genel olarak iki grupta toplanabilir.
Birincisi ısıl yol ile, öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı, doğrudan
kullanılabileceği gibi enerji çevrim sistemleri ile birlikte elektrik üretimi de
gerçekleştirilebilir. Bu gruba örnek olarak güneş kollektörleri, güneş havuzları,
silindirik parabolik sistemler, Dish/stirling ve merkezi alıcı sistemleri verilebilir.
Güneş enerjisinden elektrik elde etmede ikinci bir yol ise direkt dönüşüm olarak
adlandırılabilir. Bu metot ise güneş ışınlarının yarı iletken olan silisyum içeren bir
yapı üzerine düşürülmesi ile kimyasal yoldan elektrik enerjisi üretilmesi yöntemidir.
Bu alanda kullanılan ekipmanlara ise güneş gözeleri denir (Koyun vd., 2005).
3
1.1.2. Güneş Isıl Kolektörleri
Basit bir güneş kollektörü bir yutma yüzeyinden, ısı kayıplarını azaltmak için yüzey
arkasındaki yalıtımdan, daha kısa dalga boyundaki güneş ışınımını geçiren fakat daha
uzun dalga boyundaki ışınımı absorberden geçirmeyen bir ısı transfer ortamından
meydana gelir. Bu alandaki gelişmeler sayesinde 1000 oC’ye kadar ya da daha
yüksek sıcaklıklar elde edilebilmektedir. Çizelge 1.1’ de Güneş kollektörlerinin
tipleri ve tipik sıcaklık oranları verilmiştir (Güven vd., 2004).
Çizelge 1. 1. Güneş Kollektör tipleri ve tipik sıcaklık oranları (Güven vd., 2004)
Güç kaynağı
Kapasite oranı
Çalışma modu
Alan
gereksinimi
Tipik verim (%)
İşletme sıcaklığı
Silindirik Parabolik
Merkezi
30...100 MW
Güç kulesi
Merkezi
30...200 MW
şebeke bağlantılı
18m2/KW
0.13-0.15
350 oC
Güneş
bacası
Merkezi
30...200MW
şebeke
bağlantılı/ada
Dish/Stirling
Lokal/Merkezi
10 KW...50MW
şebeke
bağlantılı/şebekeden
bağımsız
şebeke
bağlantılı
21m2/KW
0.13-0.15
560 oC
20m2/KW
0.15-0.17
800 oC
200m2/KW
0.007-0.011
50 oC
1.2. Güneş Bacası
Bu sistem için yapılan ilk tanımlamalardan biri 1931 yılında Alman yazar Hanns
Gunther’e aittir. 1975 yılı başlarında Robert E. Lucier A.B.D., Kanada, İsrail ve
Avustralya’da geçerli olmak üzere ilk patent başvurusunu yapan kişi olarak tarihe
geçmiştir. Sonrasında ise 1980 yılında bir inşaat mühendisi olan J. Schlaich,
Bergerman and Partner önderliğinde İspanyanın Madrid kenti yakınlarında
Manzanares
adı
altında
bir
güneş
bacası
prototipini
geliştirmişlerdir.
(Disabledartistsnetwork, 2007) Sistem üç temel prensip üzerinde çalışmaktadır.
Bunlar sera etkisi, yoğunluk ve sıcaklık farkı ile akışkan hareketi ve kinetik enerjidir.
Sistem dairesel ya da dairesel kesite yakın bir kesitte oluşmuş sera alanından ve bu
alanın merkezine konumlandırılmış bacadan oluşmaktadır. Kollektör içerisinde
bulunan hava güneş ışınımı ile ısınır ve hareket kabiliyeti kazanarak kolektörün
merkezine doğru hareket eder. Kollektör dışında bulunan hava ise kolektör
4
merkezine hareket etmiş ısınmış havanın yerini alır ve ışınım ortamdaki havayı
ısıtarak işlemin tekrarlanmasını sağlar. Kollektör merkezine doğru hareket etmiş olan
hava bacanın çekiş etkisiyle yukarı yönlü hareket yaparak bacanın içerisine
yerleştirilmiş türbini çevirerek elektrik enerjisinin üretimini gerçekleştirir Bir güneş
bacası şekli ise aşağıda görülmektedir.
Şekil 1. 1. Güneş bacası şekli (Disabledartistsnetwork, 2007).
Güneş bacasına ait genel enerji dönüşüm aşamaları da Şekil 1.2.’de görülmektedir.
Şekil 1. 2 Bir güneş bacasının enerji dönüşüm aşamaları (Pastohr, 2004).
5
Güneş bacası sistemi temelde bir rüzgâr türbini şeklinde çalışsa da rüzgâr
türbinlerinde yaşanan rüzgâr yoksa enerjide yoktur problemi güneş bacası
sistemlerinde yaşanmaz çünkü güneş oldukça sera içerisindeki hava ısınıp baca
içerisinde harekete geçecektir. Ayrıca sistemdeki hava akımı sürekli sabit olduğu için
klasik rüzgâr türbinlerinde kullanılan rüzgâr akımının hangi yöne nereye doğru
olduğunu belirlemeye yarayan karmaşık ve pahalı sistemlere gerek yoktur. Uygun
büyüklükte kullanılacak baca altı sera alanı ve baca yüksekliği ile 150-200 MW güç
üretilebilir. Böylece doğaya zarar vermeden birkaç nükleer santralin üreteceği enerji
sağlanmış olur. Güneş bacası bu özellikleri ile diğer enerji kaynaklarına göre bazı
avantajlar sağlar. Bunlar;
-
Kollektör güneş ışınımının tamamını kullanır. Sistem kapalı
havalarda dahi difüz ışınımlardan yararlanarak çalışır.
-
Baca zemini bir ısı absorplayıcı olarak işlev görür ve aldığı
enerjiyi sisteme iletir.
-
Diğer enerji üreten sistemlere göre basit yapıya sahip
olmasından dolayı arıza durumu fazla gözlenmez, diğer güç
sistemleri gibi soğutma suyu ve benzeri ek sisteme ihtiyaç
duymaz.
-
İlk yatırım maliyeti dışında sürekli bir maliyete sahip değildir.
Sadece bakım sırasında finansal kaynak gerektirebilir.
-
Hareketli parçanın sadece jeneratör türbini olması ve türbinin
de çok fazla arıza çıkarmaması sistemde çalışma maliyetini
düşürmektedir.
-
Yüksek teknolojiye sahip herhangi bir materyal veya çalışma
gerektirmez.
-
Ekonomik durumu çok iyi olmayan ülke ve bölgelerde bile
enerji kaynağı olarak kullanılabilir. (Bernardes, 2004)
6
Şekil 1. 3. Bir güneş bacasında günlük güç üretim karakteristiği (SUTA, 2008).
Güneş bacası sisteminin en büyük dezavantajı yüksek güç üretim sistemleri
düşünüldüğünde büyük düzlem alanlara ihtiyaç duymaktadır. Ülkemiz coğrafyası
yüksek güç üreten sistemleri inşa etmeye uygundur. Ayrıca güneş bacaları için en
uygun coğrafi alanlar çöller ve rüzgâr enerjisinin yeterli olmayıp yeterli düzeyde
sıcak hava ve yüksek ışınım değerlerine sahip olan Akdeniz, Afrika, Ortadoğu
ülkeleridir. Bunun yanında topladıkları güneş enerjisinin düşük bir oranını kullanır.
Anlaşılacağı gibi çalışma verimleri düşüktür. Ancak basit yapısı ve kurulum maliyeti
dışında fazla bir maliyet gerektirmemesi yönüyle bu dezavantajları bertaraf eder.
1.2.1. Kollektör
Yerden belli bir yükseklikte olacak şekilde saydam, şeffaf özellik taşıyan
materyallerin zemin üzerine kaideler ile monte edilmesiyle elde edilir. Saydam
özellik taşıyan cam güneş ışınlarını geçirmesi ve absorber olarak kullanılan
zeminden geri yansıyan uzun dalga boylarının tekrar yansımasını sağlaması
sebebiyle en uygun kolektör sera alanı örtü malzemesidir. Kolektör alanı eğimsiz
inşa edilebilinirken eğimlide inşa edilebilir. Eğimli olması ısınan ve yükselme
eğilimli olan hava akımının hareketine kolaylık sağlar ve radyal yönde hava
akımında sürtünmenin artmasını önler. Süleyman Demirel Üniversitesi bünyesinde
7
bulunan ve deneylerin yapıldığı güneş bacası prototipinde de eğimli yüzeye sahip
kollektör inşa edilmiştir. Düz bir kolektör içerisinde bulunan akış halindeki havanın
debisine bağlı olarak güneş enerjisinin yıllık ortalama olarak %50 sini ısı enerjisine
dönüştürür. Yüzey burada ısıyı absorp ederken cam katman ise ışınımın iletimini
sağlar. Uygulama yapılan güneş bacası sisteminde cam örtü yüzeye paralel değildir.
Ancak yapılan teorik hesaplamalarda cam örtünün paralel olduğu kabul edilmiştir.
Şekil 1. 4. Bir güneş bacasındaki enerji akışı (Bernardes, 2004).
Kolektör yüksek frekansa sahip ışınımın iletimi sağlarken, baca zemininden yansımış
olan düşük frekansa sahip ışınımın emilimini yapar. Kolektör gelen ışınımın hepsini
verimli bir şekilde kullanamaz yansıma ve konveksiyon yoluyla ışınımdan elde
edilmesi hesaplana enerjide kayıplar oluşur. Kolektör yüzeyine daha fazla güneş
ışınımının gelmesini sağlamak ve hava akımının arttırılmasını sağlamak için
mümkün olduğunca kolektör çapı büyük inşa edilmelidir. Kolektörün verimini
8
arttırmak buna bağlı olarak bacanın verimini arttırmak için kolektör için ısı depolama
yöntemleri kullanarak depolanan ısının ışınım olmayan yani gece şartlarında da
kullanılmasını sağlayarak verimi arttırılabilir.
Şekil 1. 5. Güneş bacası sistemleri için uygun kollektör düzenlemeleri (Weinrebe,
2004).
Şekil 1. 6. Güneş bacası kollektör yüzeyinin görüntüsü.
9
Şekil 1. 7. Güneş bacalarının kollektörü için ısıl durum (Bernardes vd., 2009).
1.2.1.1 Kollektörde Enerji Depolanması
İçerilerine su doldurulmuş siyah borular, zemin üzerine cam örtünün altına
yerleştirilir. İçerilerine bir kere su doldurulan sistem kapatılır. Bunun sayesinde
herhangi bir evaporasyon gözlenmez. İstenen güç karakteristiğine göre su boruları
yüksekliği yüzeyden 5 ile 20cm yükseklikte seçilir.
Şekil 1. 8. Su doldurulmuş siyah tüpler kullanan ortamda ısı depolama prensibi
(Schlaich ve Partner, 2004).
10
Siyah borular ve su arasında olan ısı transferi yüzey ile yüzey altındaki toprak zemin
arası ısı transferinden büyük olduğu sürece, boru içerisinde düşük su hızı ve suyun ısı
kapasitesi (4,2 kJ/kg) toprak ile su arasıdakinden daha yüksek oldukça (0,75-0,85
kJ/kg) borular içerisindeki su güneş ışınımının bir kısmını depolar ve gündüz boyu
depolamış olduğu bu ısıyı ışınımın olmadığı sıcaklığın azaldığı zaman bu ısıyı
toprağa verir (Schlaich, 1995).
Şekil 1. 9. Güneş bacası kollektör ısı depolama (SBP, 2006).
1.2.2. Baca
Baca, kollektör tarafından oluşan sıcak havanın çekimini sağlayarak sistemin esas
güç üreten kısmı olarak çalışır. Çalışma şekli olarak hidrolik bir sistemin basınç
borusu gibidir, sürtünme kayıpları oldukça düşüktür. Kollektörde ısınan havanın
yukarı çıkması kollektördeki sıcaklık artışı ve bacanın hacmi ile doğru orantılıdır.
Büyük bir güneş bacasında sistem baca içerisi hava hızı 15m/s’ ye kadar çıkarabilir.
Çok yüksek hava akımları görülmez. Böylece baca içerisi türbin bakımları için
içeriye rahatlıkla girilebilir. Kollektörde ısınan hava baca da yükselerek sürekli bir
basınç düşüşü oluşur. Teorik olarak maksimum verim kollektörde oluşan sıcaklık
farkına bağlıdır. Buna da baca yüksekliği etkendir. Baca verimi türbin ve kollektör
11
verimleri karşılaştırılırsa düşük kalır. Bunun için baca yüksekliği olabildiğince büyük
seçilmelidir. Yüksek baca inşası zor görünse de günümüzde Kanada’ da 553 m
yüksekliğinde televizyon kulesi bulunurken Çin Halk Cumhuriyetinde ise 2009
yılının son çeyreğinde bitmesi planlanan 610 m yüksekliğinde televizyon kulesi
yapılmaktadır. Japonya da ise 2000 m yüksekliğinde gökdelenlerin inşası için
projeler düşünülmektedir.
Şekil 1. 10. Bacaya etkiyen kuvvetlerin gösterimi (Schlaich ve Partner, 2004).
Çok yüksek baca inşaatları için en güvenli yöntemlerden biri de donatılı ankastre
betonarme bacalardır. Betonarme bacaların ekonomik ömürleri çok yüksektir.
Yüksek baca yapılmayacaksa ya da materyal olarak çelik kullanılacak ve baca inşaatı
yapılacaksa çelik tellerle gerdirerek destek verilmelidir. Baca inşaatlarında malzeme
ne olursa olsun bilinen temel inşaat teknikleri ile yapılabilir. Farklı özel bir metot
kullanılmadan baca inşaatı kolaylıkla gerçekleştirilebilir.
12
Şekil 1. 11. Baca konstrüksiyon şekilleri (Bernardes, 2004).
Baca girişindeki ve baca çıkışındaki havanın statik basınç değeri aynı yükseklikte
baca dışındaki havanın basıncı ile birbirine çok yakın değerlerdedirler. Yani baca
içerisinde belli bir yükseklikte bulunan havanın basıncı ile aynı yükseklikteki
atmosfer basıncı birbirine eşit alınabilir. Bu yüzden baca içerisinde bulunan havanın
yoğunluk farkı aynı yükseklikte çevre şartlarında bulunan havanın yoğunluk farkı
sıcaklık değişimine bağlıdır. Baca çıkışında bulunan havanın sıcaklığı baca
dışarısında çevre şartlarında bulunan havanın sıcaklığından daha düşük olamaz. Bu
yüzdendir ki baca çıkışındaki hava sıcaklığı ile aynı yüksekliğe sahip atmosfer
sıcaklığı eşit kabul edilir.
T ( H Max ) = T∞ ( H Max )
(1.1)
Sonuç olarak burada Hmax yani maksimum baca yüksekliği aşağıdaki formülde
bulunduğu gibi açıklanabilir (Zhou vd, 2009).
H Max =
2
⎛ π 2 UDGη coll Rcoll
⎞
⎟ olur.
+
ln⎜
1
⎟
UπD ⎜⎝ c p m& 2 ( g − γ ∞ c p )
⎠
c p m&
13
(1.2)
1.2.3. Türbin
Türbinler güneş bacasında enerji değişimlerinin gerçekleştiği ve elektrik enerjisine
kadar olan süreçte en son görev yapan materyallerdir. Baca içerisinde hava akımının
oluşturduğu kinetik enerjiyi mekanik enerjiye çevirirler. Güneş bacası içerisinde
kullanılan türbinler hız kademeli değil, basınç kademeli rüzgar turbo jeneratörleri
gibi çalışır. Aynı hidrolik güç santrallerinde olduğu gibi boru içerisindeki basınç
farkından yararlanılır. Bu tarz türbinlerden elde edilen enerji aynı çaplı hız kademeli
rüzgar türbinlerinden elde edilen enerjinin yaklaşık 8 katı kadardır. Türbin girişi ve
çıkışı hızlar aşağı yukarı birbirine eşittir. Çıkış gücü basınç kaybı ile hacimsel
debinin çarpımına eşittir. Kanat aralıkları çıkış gücünü ayarlamak için hız ve debiye
göre değiştirilebilir. Kanatların hava akımına paralel olma durumunda yani dik
durması durumunda akış sağlanırsa basınç kaybı olmaz ve basınç kaybının olmaması
enerji üretiminin olmamasını sağlar. eğer türbindeki basınç düşüşü toplam basınç
farkının 2/3 ü ne eşit ise o zaman elde edilebilecek güç maksimum güç olur.
Eğer hava akımı belli sürelerde engellenirse kolektör içerisinde oluşan sıcaklık farkı
artar. Bunun sonucunda gece gücünde artış sağlanır (Schlaich, ve Partner, 2004).
Şekil 1. 12. Güneş bacası türbini yatay eksenli türbin ile su için kaplan türbini
şekilleri (SBP, 2006).
14
Türbinler düşey eksenli ya da yatay eksenli olarak monte edilebilir. Eğer yatay
eksenli olarak monte edilirse birden fazla türbin sisteme bağlanmış olur. Bu bağlantı
şekli de soğutma kulelerinde kullanılan vantilatörlerin bağlantı şekilleri ile aynıdır.
Düşey eksenli türbinler ise yatay eksenli türbinlere nazaran daha sağlam ve sessiz
çalışırlar.
1.3. Matematiksel Model
Alınan Kabuller
Karmaşık olan sistemin modellenmesinde çözümü kolaylaştırmak için, çeşitli
kabuller alınmıştır.
-
Matematiksel model kararlı hal için geçerlidir.
-
Hesap yapılacak zaman için çevre şartları sabit kabul edilecektir. Burada
kollektöre giren havanın sıcaklığı çevre sıcaklığı, giren hava kütlesel debisi
sabit, çevre sıcaklığı sabit, güneş ışınımı ve rüzgâr hızı sabit kabul
edilmektedir.
-
Kollektör içerisinde hava akımı simetrik ve düzgündür.
-
Güneşin geliş açısına göre güneşin ışımasından oluşacak kollektördeki farklı
kısımlarda farklı ısınma değerleri ihmal edilmiştir.
-
Kollektör üzerine monte edilmiş saydam, geçirgen cam örtünün optik
özellikleri sabit kabul edilir. ışıma açısı farklılıkları ihmal edilir.
-
Baca ile kollektörün birleşme noktalarında oluşacak sürtünme ve kayıplar
ihmal edilir.
-
Kütle korunumunun olduğu kabul edilmiştir.
15
Sistem yukarıda da belirtildiği üzere üç temel parçadan oluşmaktadır. Kollektör, baca
ve türbin. Bu kısımlar ayrı ayrı incelenerek sistemin çözümlemesi yapılır. Sistemin
çalışma şekliyle sırasıyla kollektör, baca ve türbin teorik çözümlemeleri
belirtilmiştir. Sistem içerisindeki hava için boussinesq yaklaşımı kabul edilmiştir.
Buna göre momentum denkleminde yoğunluk dışındaki tüm özelliklerin değişmediği
varsayılır. Bununla beraber yoğunluk farkı basitleştirilir.
ρ ∞ − ρ = ρβ(T − T∞ )
(1.3)
β = hacimsel ısıl genleşme katsayısı β=1/T olarak geçmekte T, Kelvin cinsindendir
ve ideal gaz için mutlak sıcaklığın tersidir.
1.3.1. Kollektör
Dünya, incelendiği zaman bir kollektör gibi düşünülebilinir. Kollektör içerisindeki
zemin, yeryüzü olarak tanımlanırsa, kollektörde cam görevi yapan saydam tabaka ise
atmosfer tabakası olarak tanımlanabilir. Burada dünyaya gelen güneş ışınımları cam
örtü olarak tanımlanan atmosfer tarafından yeryüzüne yansıtılır. Yeryüzüne gelen
ışınlar atmosfer tabakası ile yeryüzü arasında bulunan havayı ısıtırken yeryüzü
gündüz aldığı ışınımdan kaynaklanan ısıyı gece oluşan sıcaklık farkı ile aktarır.
Dai, vd (2003), Kollektörün incelenmesi, bize kollektöre giren havanın kollektör
çıkışında yani bacaya giriş anında sıcaklıklığını belirlemeyi sağlar. dolayısı ile
havanın kollektör giriş ve çıkışındaki sıcaklık farkı elde edilir. Bunun
belirlenebilinmesi için öncelikle kollektöre giren hava akımının kütlesel debisi
bulunmalıdır.
Genel olarak ısı denklemi;
Q = m& C p ∆ T ’dir.
(1.4)
Q = m& C p ∆ T = (Tα )A coll G − β ∆Ta A coll = η coll A coll G
(1.5)
Kolektördeki hava akımının kütlesel debisi
16
& = ρ coll A c Vc
m
(1.6)
Kollektör verimi;
ηcoll = (Tα ) −
Sıcaklık farkı; ∆T =
β ∆Ta
G
(1.7)
&
2Q
(1 − F ′′ )
A c β FR
(1.8)
Yukarıda bilinmesi gerekli olan ısı kayıp faktörü; FR değeri aşağıdaki şekilde
hesaplanmaktadır.
FR =
F ′′ =
1
1
A +β
F ′ + coll
& Cp
2m
(1.9)
FR
dir.
F′
(1.10)
∆T = 2∆T a
(1.11)
1.3.2. Baca
Kollektör içerisinde havaya aktarılan ısı enerjisi, sıcak havanın çekimi ile kinetik
enerjiye dönüşerek güç üretimi esasını oluşturur. Kollektör içerisinde havada oluşan
sıcaklık farkları havanın yoğunluğunun da değişmesini sağlar. yoğunluk farkı havada
itici güç oluşumuna neden olur. Bacadaki ısı transferi ihmal edildiği zaman baca
içerisindeki hava yoğunluğu kesit boyunca sabit olur.
Bacanın girişi ile dış ortam arasında oluşan toplam basınç farkı
H
∆Ptop= g ∫ (ρ a − ρ t )dH
(1.12)
0
17
Ptop= ∆PtopVbacaAbaca
(1.13)
Böylece hava akımındaki toplam güç;
Ptop = η baca Q u =
gH baca
ρ top C p Vbaca ∆TA baca
C p Tç
(1.14)
denklemi kullanılarak, Tç çevre sıcaklığı, Hbaca baca yüksekliği, Vbaca baca içerisi
hava hızını temsil etmektedir.
∆Ptoplam = ρ top gH baca
∆T
T0
(1.15)
Bu denklik hidrolik tesisteki basınç boruları ile olan benzerliğini ortaya çıkarır.
Buradan güneş bacasının yerin hidrolik tesisi anlamı çıkarılabilir.
Baca Verimi;
ηbaca =
gH baca
;
C p Tç
(1.16)
olup bacada verimin ana parametresi baca yüksekliğidir. Ve verime akışkan hızı ile
sıcaklık artımının da etkimediği görülmektedir.
Baca içerisinde Hacimsel debi:
v& = Vbaca A baca ise Ptürbin = v& ∆Ps
(1.17)
Eğer ∆Ps=∆Ptoplam olur ise bu sistemin boşta çalışma durumunu gösterir. Burada Ps,
statik basıncı temsil etmektedir.
∆Ptot = ρ coll gH sc
∆T
ise baca girişi ile çevre arası basınç farkını verir. (1.18)
T0
18
& =
Ayrıca, ısınmış havanın güç içeren akışı Ptop = ηsc Q
gH sc
ρ coll V c ∆TA c
T0
(1.19)
Buradan hıza ulaşırsak;
Vc =
(TαA coll G − β ∆Ta A coll )
olarak hızı tanımlayabiliriz.
ρ coll A c C p ∆T
(1.20)
Türbin olmadığı durumda toplam basınç farkı (maksimum akış hızı) kinetik
enerjiye dönüşmüş olur.
Ptop =
1
2
& Vmax
m
2
(1.21)
Baca içerisinde oluşan basınç farkı kinetik enerjiye dönüşerek türbini çevirip
mekanik enerji olur.
Baca içerisinde oluşan maksimum hava hızını veren ifade;
Vbaca ,max = 2gH
∆T
T0
(1.22)
1.3.3. Türbin
Baca girişine yerleştirilen türbin hava akımının kinetik enerjisini, mekanik enerjiye
çevirir. Türbin bu noktada statik bir basınç düşüşü oluşturur. Bunun belirlenmesi
Bernoulli denklemine göre;
∆Ps = ∆Ptoplam − 1 / 2ρ baca V 2 baca
(1.23)
Türbine düşen yararlanılabilen güç;
19
Ptürbin = VbacaAbaca∆Ps
(1.24)
Sistemin maksimum çalışma durumu ise tüm basınç farkının 2/3’ ü türbine
düştüğünde elde edilir.
g
2
2
Ptür ,max = η coll η baca Acoll G = Ptür ,max = η coll
H baca Acoll G
3
3
C p T0
(1.25)
Türbin üzerinden elde edilecek elektriksel güç, Türbinde oluşan mekanik gücün
türbin verimi ile çarpımı ile elde edilir. Türbin verimi ise türbindeki kanat sisteminin
redüksiyon verimi ile jeneratörün verimini içermektedir.
Pelektrik=Ptürbin,maxηtürbin olmaktadır.
(1.26)
1.3.4. Tek Katmanlı Saydam Yüzeye ve Su Boruları ile Depolama Yapan
Sisteme Sahip Kollektörde Isıl Bağ
Şekil 1. 13. Kollektör enerji kazanım şeması (Bernardes, 2004).
Kollektör, zemin ile cam örtü arasında hava akışının olduğu tek boyutlu bir kanal
(Şekil 1.13.) gibi düşünüldüğü taktirde (1.27.) numaralı denklem elde edilir.
⎞
⎛
dT
& c p Tf + q 2πrdr = m
& c p ⎜⎜ Tf + f dr ⎟⎟
m
dr
⎠
⎝
Yukarıdaki (1.27) eşitlik dr’ye bölünürse;
20
(1.27)
dTf q 2πr
ifadesi elde edilir.
=
& cp
dr
m
(1.28)
Yukarıdaki eşitlik kollektör içerisinde uzunluğa bağlı olarak sıcaklık değişimine
bağlıdır. L uzunluğunu kolektör ortası uzunluğu olarak alınırsa;
Tf ,o − Tf ,i =
q 2πrL
bulunur.
& cp
m
(1.29)
Burada ortalama sıcaklık kollektöre giriş sıcaklığı ile kollektörden çıkış sıcaklığının
ortalamasının alınmasıyla hesaplanabilir.
Tf =
(T
f ,i
+ Tf ,o )
(1.30)
2
Isı akış yoğunluğu aşağıdaki gibidir.
q=
& c p (Tf − Tf ,i )
2m
(1.31)
2πrL
& c p / πrL = Γ denirse elde edilebilecek eşitlik;
Denklem (1.31.)’den m
q = Γ (Tf − Tf ,i ) olur.
(1.32)
Kollektör için yazılabilecek enerji dengesi denklemleri, uzun dalga boyuna sahip
ışınım tarafından elde edilmektedir. Isı transfer katsayıları aşağıda belirtilmiştir
(Bernardes, 2004).
Aşağıdaki şekilde;
T2 : S 2 + h r 32 (T3 − T2 ) + h 3 (Tf 2 − T2 ) = h w (T2 − T0 ) + h rs (T2 − Ts )
(1.33)
Tf 2 : h 4 (T3 − Tf 2 ) = h 3 (Tf 2 − T2 ) + q
(1.34)
T3 : S 3 = h 4 (T3 − Tf 2 ) + h r 32 (T3 − T2 ) + h 5 (T3 − Tf 3 ) − h r 43 (T4 − T3 )
(1.35)
Tf 3 : h 5 (T3 − Tf 3 ) = h 6 (Tf 3 − T4 )
(1.36)
21
T4 : S 4 = h 6 ( T4 − Tf 3 ) + h r 43 ( T4 − T3 ) + h 7 ( T4 − Tf 4 ) + U w ( T4 − T4 , 0 ) (1.37)
Tf 4 : h 7 (T4 − Tf 4 ) = h 8 (Tf 4 − T5 )
(1.38)
T5 : h 8 (Tf 4 − T5 ) = U b (T5 − T5, 0 )
(1.39)
Şekil 1. 14. Tek katmanlı saydam yüzeye ve su borusuna sahip kollektörlü güneş
bacası sisteminde ısıl bağ şekli (Bernardes, 2004).
Yukarıda (1.32) eşitliği ile (1.34) eşitliklerini kullanarak aşağıdaki eşitlikler elde
edilir.
(h 3 + h r 32 + h rs + h w )T2 − h 3 Tf 2 − h r 32 T3 = S 2 + h w T0 + h rs Ts
(1.40.)
h 3 T2 − (h 3 + h 4 + Γ )Tf 2 + h 4 T3 = − ΓTf 2,i
(1.41)
− h 32r T2 − h 4 Tf 2 + (h 4 + h r 32 + h r 43 + h 5 )T3 − h 5 Tf 3 − h r 43 T4 = S 3
(1.42)
22
h 5 T3 − (h 5 + h 6 )Tf 3 + h 6 T4 = 0
(1.43)
− h r 43 T3 − h 6 Tf 3 + (h 6 + h r 43 + h 7 + U w )T4 − h 7 Tf 4 = S 4 + U w T4 ,0
(1.44)
h 7 T4 − (h 7 + h 8 )Tf 4 + h 8 T5 = 0
(1.45)
− h 8 Tf 4 + (h 8 + U b )T5 = U b T5 ,0
(1.46)
Yukarıdaki (1.40), (1.41), (1.42), (1.43), (1.44), (1.45), (1.46) eşitlikleri 7x7 matris
olarak yazıldığı zaman aşağıdaki matris şekli elde edilir (Bernardes, 2004).
1.3.5. Isı Transfer Katsayılarının Hesaplanması
Toplam ısı kayıp katsayısı aşağıdaki şekildeki sağlanır;
U t = (h w + h rs )
ile h w =
(1.47)
k
Nu
L
(1.48)
23
ve
h rs =
σε(T1 + Ts )(T12 + Ts2 )(T1 − Ts )
(T1 − T∞ )
(1.49)
(1.49) ile (1.50)’de bulutsuz gökyüzü sıcaklığına (Ts) ulaşmak için;
Ts = T∞ [ 0.711 + 0.0056( Tdp − 273.15 ) + 0.000073( Tdp − 273.15 ) 2
+ 0.013 cos( 15 t )] 1 / 4
(1.50)
Güneş bacası kollektörü elemanları tarafından absorp edilen ışınımlar
S 1 = α 1G
(1.51)
S 2 = τ 1α 2 G
(1.52)
S 3 = τ 2α 3 G
(1.53)
S 4 = τ 3α 4 G
(1.54)
Yukarıda kullanılan t ifadesi saat biriminde gece yarısından hesaplanmak istenen
zamana kadar geçen süredir. Zemin ısı transfer katsayısı;
Ub =
2b
πt
burada b = kpc p
’dır.
(1.55)
olarak hesaplanır.
(1.56)
Katman 2-3 ile katman 3-4 arası ışınım yoluyla olan ısı transfer katsayıları;
h r 32 =
h r 43 =
σ(T12 + T22 )(T1 + T2 )
⎛ 1
⎞
1
⎜⎜ +
− 1 ⎟⎟
⎝ ε1 ε 2
⎠
(
(1.57)
)
σ T32 + T42 (T3 + T4 )
⎛ 1
⎞
1
⎜⎜ +
− 1 ⎟⎟
⎝ ε3 ε4
⎠
(1.58)
Su sisteminin ısı transfer katsayısı aşağıdaki şekilde hesaplanır.
24
⎛ 2 t1 ⎞
⎡
⎜ −δk α
⎟⎤
⎜
q 01 1 ∞ ⎢
2L w sin( δ k ) 2
L2w ⎟⎠ ⎥
⎝
= ∑
Uw =
e
⎥
∆υ t k = 0 ⎢ αδ k [δ k + sin(δ k ) cos(δ k )]
⎦
⎣
Bununla beraber; δ 1 = π / 2 , δ 2 = 3π / 2 , δ 3 = 5π / 2 ,….., δ k = (k − 1 / 2 )π
değerleri kullanılır (Bernardes, vd 2003).
25
(1.59)
2. KAYNAK ÖZETLERİ
Güneş bacası fikri ilk olarak 1931 yılında Alman araştırmacı Hanns Günther
tarafından ortaya atılmıştır (Günther, 1931). 1975’in başlarında ise Robert E. Lucier,
güneş bacası sistemi patenti için başvuruda bulunmuş Amerika, Kanada, Avustralya
ve İsrail bölgeleri için patent almıştır. 1978 ile 1981 yılları arasında ise alınan
patentin süresi dolmuştur (Experiencefestival, 2008). Daha sonra Güneş bacası
1970’li yılların sonralarına doğru Prof. J. Schlaich tarafından tasarlanmış ve 1978
yılında ise konsept bir güneş bacası modellemesi Prof. J. Schlaich tarafından dizayn
edilmiştir (Schlaich, 1995). İspanya Manzanares civarında pilot bir tesisin inşası
yapılmıştır. Bu çalışma Alman ve İspanyol elektrik firmalarının destekleri ile
başlatılmıştır. Tasarım ve teorik çözümlenmesi 1980 yılında başlatılmış olunup
devreye alma çalışmaları 3 yıl sürmüştür. Sistem 122m kolektör yarıçapına sahip,
baca ise 194,6m yüksekliğine ve 10m çapına sahipti. Sistemin ulaştığı en yüksek
çıkış gücü temmuzdan eylüle kadar olan süre zarfında 41kW’ tı (Pasumarthi ve
Sherif, 1998). Haaf, Manzaranes pilot çalışmasının sonuçlarını ilk olarak 1984
yılında yayınladı. Burada, kollektördeki sıcaklık artışının kütle akımından bağımsız
olduğu kabul edilmişti.
Prof. Schlaich, ilk 1995 yılında ve diğeri de 2004 yılında olmak üzere güneş
bacasının temel esaslarını anlattığı bir kitap yayınladı (Koyun, 2006).
1983 yılında Krisst bahçe içerisinde 10W gücünde güneş bacası sistemi inşa etmiştir.
Kolektör çapı 6m ve baca yüksekliği 10m’ dir (Krisst, 1983).
Kreetz (1997), ayrıca zemine döşenen su depolama sistemlerinin güneş bacasının
gücüne etkisini zamana bağlı olarak incelemiştir (Bernardes, 2004).
26
Nizetic ve diğerleri, Akdeniz’ de ada olarak bulunan ülkelerde güneş bacası
kullanımının çevresel ve enerji kaynakları bakımından kurulum ve çalıştırılmasının
analizini yapmış fizibilitesini oluşturmuşlardır. Model olarak seçtikleri bölgede
meteorolojik verileri kullanarak, 550 m yüksekliğinde bacaya sahip, 1250 m çapında
kolektöre sahip bir güneş bacası güç sisteminin 2,8 – 6,2 MW güç üreteceğini
saptamışlardır. Yaptıkları hesaplamalar ile yıllık ortalama elektrik üretiminin 4,9 ve
8,9 GWh/yıl olduğu teorik olarak gözükse de gerçekte 5 ile 6 GWh/yıl ortalama
üretim
alacaklarını
belirlemişlerdir.
Diğer
enerji
kaynakları
ile
maliyet
karşılaştırması yapılmıştır (Nizetic vd, 2008).
Zhou vd. (2009), yaptığı çalışmada güneş bacası sistemleri için yararlanılacak
maksimum baca yüksekliği ile maksimum güç elde edilmesinde kullanılacak
sistemin optimum baca yüksekliği değerleri teorik olarak matematik modellemesi
yapılmıştır. Yapılan çalışmada ilk yapılan model olan İspanya Manzanares güneş
bacası prototipi ölçüleri esas alınmıştır. Buna göre optimal baca yüksekliği olarak
615 m seçildiği takdirde maksimum çıkış gücü 102.2 kW’a kadar çıkmaktadır. Baca
içerisinde konveksiyon artırımı için kullanılan Maksimum baca yüksekliği seçildiği
takdirde burada 92.3 kW enerji çıkışı gözlenmektedir ki bu değer görüldüğü üzere bir
önceki değerden düşüktür. Konveksiyonun arttırılması için seçilen maksimum baca
yüksekliği ile maksimum güç için seçilen optimum baca yüksekliği kollektör
alanının arttırılması ile artış göstermektedir.
Bernardes vd. (2009), kollektörlerde kullanılan ısı akışının hesaplandığı metodları ve
güneş bacasının performansına olan etkilerini karşılaştırmışlardır. Kullanılan iki
model hesaplamada öngörülen farklılıklardan oluşan nedenler belirtilmiştir. Pretorius
model diğer modele göre hem kolektör kaplaması hem de yüzey için daha büyük bir
ısı transfer katsayısı, daha büyük ısı akış oranını sağlasada. Her iki yaklaşımda
kolektör içerisinde birbirine çok yakın sıcaklık farklarını ve güçleri vermektedir.
Fluri T. P. vd. (2009), literatürde bulunan ve büyük çaplı güneş bacası sistemlerinin
maliyet modellerini kullanmışlardır. Kullanılan giriş parametreleri birbirine çok
27
yakın olmasına rağmen edindikleri sonuçlar birbirinden farklı sonuçlar elde
etmişlerdir. Fluri ve diğerleri literatürdeki bu maliyet analiz modellerini
karşılaştırmış ve gerçekçi değerlerin elde edilemediğini görmüşler. Bu problem için
seçilen bir güneş bacası fiziksel modeli üzerine yeni bir maliyet modeli geliştirmişler
ve diğer modeller ile kıyaslamışlardır.
Theodor vd. (2006), yaptıkları çalışmada maksimum akış koşulunda uygulanabilecek
kabuller ve değerler için analitik bir çalışma geliştirmişlerdir. Akış gücü için
optimum basınç farkı belirlenmiştir. Buna göre basınç farkının 2/3 oranı maksimum
akış halinde oluşacak maksimum akış gücünü belirtmektedir. Maksimum akış
gücünün eldesinde Schlaich tarafından geliştirilen kollektör modeli kullanılmıştır.
Diğer maksimum akış analizleri ile karşılaştırıldığında da tüm analizler maksimum
akış gücünün düşük akış oranında ve yüksek türbin basıncında oluştuğunu
göstermektedir.
Sakonidou vd. (2008), güneş bacası içerisinde oluşan doğal hava akışının
çözümlenmesi
için
bir
matematiksel
model
Modelin
oluşturulmasında gün içerisinde saatlik olarak yatay bir düzlem üzerine gelen güneş
ışınım değerlerinden yararlanılmıştır. Bu ışınım değerleri direkt, difüzyon ile ve
yüzeye çarpıp tekrar gelen ışınım değerleri olarak çeşitlilik göstermektedir.
Geliştirilen model baca içerisindeki hava yoğunluğunu, sıcaklığını ve siyaha
boyanmış absorber yüzey tarafından emilen ısının sıcaklığını da öngörmektedir.
Geliştirilen teorik model prototip olarak yapılmış ve sonuçları elde edilen deneysel
çalışmalar ile birbirine çok yakın değerler göstermektedir ki bu da geliştirilen teorik
modelin gerçeği yansıttığının bir delilidir.
Ming vd. (2008), enerji absorbe etme katmanı ile oluşturulmuş bir güneş bacası
sisteminde ısı transferini ve baca içerisindeki hava akışını analiz edebilmek amacıyla
bir nümerik simülasyon gerçekleştirmişlerdir. Kollektör için, enerji absorbe etme
katmanı için ve güneş ışınımının çeşitliliklerine göre farklı matematiksel modeller
kurulmuş, ısı tutum karakteristiklerinin analizleri yapılmıştır. Yapılan çalışma
28
göstermektedir ki ilk olarak ısı tutum oranı düşüş göstermesine rağmen daha
sonraları ışınımın 200 W/m2 den 800 W/m2’ ye artması ile artış görülmüştür. Ayrıca
hızın artması ve ışınımın artımı ile statik basınç düşmektedir. Güneş ışınımının
artması baca çıkışındaki ortalama sıcaklığın artmasını sağlamaktadır. Yüzeyden
yeryüzüne olan ısı kaçışının önlenmesi ile birlikte güneş bacası içerisinde oluşan
sıcaklık gradyenti artmaktadır.
Zhou vd. (2009), güneş bacası içerisine giren karşılıklı akış halinde olan havanın
baca içerisinde yükselmesini üç boyutlu nümerik simülasyon sistemi ile
modellemişlerdir. Yapılan bu çalışmada parametrik performansı içeren statik basınç,
statik sıcaklık, yoğunluk, akış içerisinde bulunan bağıl nem alanı 750 m karşıt
düzlem geometrisinde simüle edilmiştir.
Tingzhen vd. (2008), tarafından türbin ile birleştirilmiş komple bir sistem olarak
çalışan güneş bacası için nümerik bir simülasyon oluşturulmuştur. Sistem üç ana
bölüme ayrılmıştır. Bunlar kolektör, baca ve türbindir. Bu üç ayrı bölüm için ayrı
ayrı matematiksel modeller kurulmuştur. Kurulan matematiksel karşılaştırma
yapılabilinmesi için deneysel bir örnek üzerine uygulanmıştır. Burada İspanya’daki
prototip ele alınmıştır. Matematiksel model sonuçları üç kanatlı türbin için
çözümlendirilmiştir. Sonuçlar göstermektedir ki sistem 50 kW’ tan az biraz daha
yüksek bir güç elde etmektedir. Elde edilen baca çıkış parametresi olarak türbin hızı
yazar tarafından geliştirilen modelin doğruluğunu göstermektedir. Çalışma içerisinde
beş kanatlı türbin için MW düzeyinde bir sistem simülasyonu sunulmaktadır.
Sonuçlar sırasıyla çıkış gücü ve türbin verimi olarak 10 MW ile %50’dir. Ayrıca bu
veriler geliştirilmiş büyük çapta kurulması düşünülecek güneş bacası sistemleri için
bir referanstır.
Fluri ve Backström (2008), ilk olarak literatürden referans bir güneş bacası tesisi
belirlemişler yaptıkları simülasyonlar ile sistem ile türbin performanslarını
karşılaştırmış ve sistem karakteristiklerini tartışmışlardır. Elde edilen bulgular
göstermektedir ki iyi tasarlanmış bir türbin girilen çalışma aralığından daha yüksek
29
bir performans gösterebilmektedir. Sistem performansı Stodola’nın elips kuralı ile
birebir örtüşmektedir. Yapılan çalışmada akış düzenleme üniteleri yapılmasıyla akış
sırasında oluşan aerodinamik kayıpları düşük oranda tutulmasını sağlamaktadır. Baca
performansının belirlenebilinmesi için tek dikey eksenli, çok sayıda dikey eksenli ya
da çoklu yatay eksenli türbinler simüle edilmiştir. Simülasyonlarda tek ve dikey
eksene sahip türbin önemsenmeyecek bir avantaj sağlamaktadır çünkü kayıp
mekanizmaları göz önüne alınmadığı zaman yüksek bir çıkış torku sağlamaktadır.
alınan kabullerle birlikte yapılan bu çalışma diğer çalışmalarla karşılaştırıldığında
uyum içerisindedir.
Bilgen ve Rheault (2005), Yüksek bölgeler için güneş bacasını tasarlayıp,
performans analizlerini değerlendirmişlerdir. Aylık meteorolojik verilerin kullanımı
ve termodinamiğe dayalı verilere göre MATLAB üzerinde matematiksel model
geliştirilmiştir. Oluşturdukları matematiksel modelde Kanada’da Ottowa, Winnipeg
ve Edmonton adlı 3 bölgede nominal gücü 5 MW olan tesis için termal performans
üzerinde çalışmışlardır. Eğimli yüzey üzerinde yapılan çalışmada dik kısa bacaya,
eksenel hava türbini ekleme sonucunda, güneş bacası sisteminin iyi bir ısıl
performansa sahip olduğunu ve güney bölgelerde inşa edilecek bazı tesislerdeki
kolektörler verimlerinin % 85’ ine kadar ulaştıklarını kaydetmişlerdir. Sonuç olarak
eğimli yapıya sahip kolektörlerin kurulabilmesi için performans değerlerine
ulaşılmıştır. Doğal tepelerdeki eğimler değişken olmakla beraber yüzeyin en uygun
eğiminde yaklaşık 20 - 25° kadar değişirse, bütün performansın yaklaşık olarak %13’
ten fazlasını kaybedileceğini belirtmektedir. Sistemin toplam verimi yatay kolektöre
sahip
geleneksel
güneş
bacaları
ile
karşılaştırıldığında
daha
iyi
olduğu
gözlemlenmektedir.
Harte vd. (2007), güney Afrika bölgesinde ileri zamanlarda enerjinin karşılanması
için kullanılması düşünülecek rüzgâr türbinleri ve güneş bacalarının dinamik rüzgâr
yüklerine olan dirençleri ve tasarımları üzerine bir çalışma yapmışlardır. Yaptıkları
çalışmada Güneş bacasının rüzgar etkisine, titreşim frekanslarına ve pekleşmeye olan
dayanımı üzerine çalışılmış ve konstrüksiyon şekillendirilmesi yapılmıştır.
30
Petela (2009), örnek olarak aldığı güneş bacası verileri üzerinde teorik olarak enerji
denkliği ile ekserji çalışması yapmıştır. Çalışma içerisinde 36.81 MW güneş ışınım
enerjisi girdisinin 32.41 MW güneş ışınım girdisine dönüşmesi, diğer kısmın güneş
bacası elemanları tarafından dağıldığı gösterilmektedir. Petela bu çalışmada detaylı
seçilen verilerin enerji ve ekserji analizlerini çıkarmıştır. Kullanılmış olan bu analiz
yöntemlerinin İleri tarihlerde daha fazla yanıtlanmamış probleme dönüşeceği
belirtilmiştir.
Maia vd. (2009), güneş bacası içerisinde kararsız haldeki hava akışını analitik ve
nümerik olarak incelemişlerdir. Taşınım eşitlikleri ve değişim halleri ile akış durumu
sonlu hacimler yöntemleri kullanarak nümerik olarak modellendirilmiştir. Elde
edilen nümerik sonuçlar deneysel olarak tasarlanmış ve ölçümleri alınmış sistem ile
fiziksel büyüklükler karşılaştırılmıştır. Geliştirilen model hava akış simülasyonu
üzerinde çalıştırılmış ve deneysel prototip ile operasyon ve geometrik veriler
karşılaştırıldığında bazı farklılıklar gözlemlenmiştir. Analizler göstermektedir ki
baca yüksekliği ile baca çapı değerleri baca dizaynında fiziksel sonuçlar için en
önemli parametrelerdir. Teorik modelleme ile deneysel çalışma üzerinde kütlesel
debi, enerji, momentum, türbülans durumları karşılaştırılmıştır. Akış davranışındaki
en önemli parametrenin bacanın fiziksel boyutları olduğu gözlemlenmiştir. Sonuç
olarak geliştirilen teorik modellemenin güneş bacası tasarlanmasında ve çalıştırılma
durumlarında yardımcı bir araç olduğu, farklı durumlarda çalışma anında uygun
parametrelerin çözümlendirilmesinde kullanılabilirliği belirlenmiştir.
Bernardes vd. (2003), güneş bacası için kapsamlı, analitik ve sayısal modelleri
Geliştirilen
modelde,
çeşitli
çevre
koşullarının
etkisinin
incelenmesi, güneş bacası sisteminde çıkış gücünün hesaplanması ve sistemin
boyutlandırılması yapılmıştır. Matematiksel modellemeler ile elde edilen sonuçlar
deneysel çalışma sonuçlarıyla karşılaştırılmıştır. Yaptıkları çalışmada baca
yüksekliği, baca çapı, türbin basınç faktörü ve kolektör örtüsünün optik özellikleri ile
ilgili parametrelerin etkisi incelenmiştir Kullanılan matematiksel modelin ileride
31
uygulanacak büyük çaplı güneş bacası sistemleri için yapılacak performans
karakteristiklerinin belirlenmesinde kullanılması öngörülmüştür.
2.1. Uygulamalı Literatür Çalışmaları
Pasumarthi ve Sherif (1998), güneş bacası performansı ve özellikleri için teorik
olarak matematiksel metod geliştirmişlerdir. Geliştirilen modellemede hava sıcaklığı,
hava hızı ve boyutlar gibi parametrelerin çıkış gücüne etkileri ele alınmıştır. Yapılan
teorik çalışma deneysel yapılan çalışma ile doğrulanmıştır. Ayrıca üç farklı kollektör
tipi incelenmiştir. Kollektör altındaki hava sıcaklığı, farklı uzaklıklarda, her üç farklı
kollektör tipi için ayrı ayrı ölçülmüş ve sonuçlar alınmıştır.
Şekil 2. 1. Florida Üniversitesi güneş bacası uygulama prototipi kesit şekli
(Pasumarthi ve Sherif, 1998).
32
Pasumarthi ve Sherif (1998), güneş bacası prototipinin yapılabilirliğine ait bir modeli
tasarlanıp ve inşa etmek için deneysel program yürütmüş ve performansını
incelenmiştir. İki farklı deneysel değişiklik kollektör üzerinde denenmiştir. İlk
denemede kollektör boyu arttırılmış, ikinci denemede ise absorber bir katman yüzey
üzerine yerleştirilmiştir. İlk yapılan değişikte hava girişine yardımcı olduğu,
ikincisinde ise bacaya giren hava sıcaklığının artışını sağladığı görülmüştür. Her iki
artış da güç çıkışını arttırmıştır. Kullanılan matematiksel modelde elde edilen
sonuçlar, İspanya Manzanares’ teki fiziksel verileri kullanarak elde edilmiştir.
Şekil 2. 2. Florida Üniversitesi güneş bacası prototipi görüntüsü (Florida University,
2005).
Zhou vd. (2007), Çin halk cumhuriyetinde güneş bacası sisteminin performans
değerlerinin belirlenmesi ve ayrıca belirlenecek değerlere uygulanacak matematiksel
modelin geliştirilmesi için deneysel pilot bir çalışma yapmışlardır. Sistem 2002
yılında inşa edilmiş ve çeşitli performans değerlendirmesi yapmak amacıyla çeşitli
uygulamalar ve araştırmalar için tekrar tekrar düzenlemeler geçirmiş bir güneş bacası
prototipi yapılmıştır. Simüle edilecek matematiksel model kararlı durumu içerisinde
farklı güneş ışınım yoğunlukları, farklı kollektör alanları ve farklı baca yükseklikleri
için geliştirilmiştir. Geliştirilen matematiksel model hesaplanan sonuçlar ile deneysel
33
çalışmada elde edilen veriler kararlı bir şekilde örtüşmektedir. Bu çalışmada
kullanılan deneysel sistem (Şekil 2.3.) 8 m baca yüksekliğine, 0,7 m baca çapına, 5 m
kollektör çapına ve 0,05 m kollektör giriş ağzına sahiptir. Aynı zamanda kolektör
içerisinde yüzey 5 katmandan oluşmaktadır. Absorber yüzey ise 5 ana katmandan
oluşmakta en üst katman siyah asfalttan oluşmakta olup aldığı ışınım enerjisini ısı
enerjisine çevirmektedir. Altında su dolu borular olup ısı tutumu sağlamasıyla gece
dahi çalışabilmesi amaçlanmıştır. Su borulu sistem sadece toprak bulunan sisteme
göre daha efektif bir enerji sağlayacağı düşünülmüştür. Su borularının altında ise
alınan ısının yeryüzüne aktarılmasını engellemek amacıyla ısı izolasyon tabakaları
eklenmiştir. 3. katman olarak 1 cm kalınlığında sarı kum izolasyon için kullanılmış
olup 4. katmanda 2cm kalınlığında ısı izolasyon elemanı kullanılmıştır. 5. katman ise
yeryüzünün kendisidir. Ölçümlerde ise PT100 sıcaklık sensörleri kullanılmıştır.
Şekil 2. 3. Zhou vd. tarafından inşa edilen güneş bacası prototipi (Zhou vd. 2007).
Ketlogetswe vd (2005), Botswana bölgesi coğrafi konumu ve nüfusu bakımından
gereksinimi olan elektrik enerjisinin büyük bir bölümünü Güney Afrika güç
sisteminden sağlamaktadır. Ketlogetswe ve diğerlerinin yaptığı çalışma, bölge için
uygulanabilecek
sistematik
deneysel
mini
34
bir
güneş
bacası
sistemini
tanımlamaktadır. Özellikle üstünde çalışma yaptıkları kısım ise güneş ışınımı ile
hava hızının ölçümlerinin karşılaştırılmasıdır. Ekim ayının 5. günü ile kasım ayının
6. günü alınan ölçümler çalışmada sunulmuş, sıcaklık farkının, hava hızı ve yalıtımla
olan ilişkileri tartışılmıştır. Yapılan çalışmada 2m çap ve 22m yüksekliğe sahip baca,
ortalama 160m2 alana sahip kolektör ile çalıştırılmıştır. Kolektör üzerinde geçirgen
yapı olarak 5mm kalınlığında cam kullanılmıştır. Ölçümler sırasında 11 adet sensör 3
ayrı bölgeye yerleştirilerek ölçümler alınmıştır. Her 30 saniye içerisinde alınan
ölçümlerin 30 dakikalık ortalamaları ile kıyaslama yapılmıştır. Veriler içerisinde
alınan en yüksek ışınım değeri 950w/m2 olarak kaydedilmiş alınan güneş enerjisinin
%47’si zemin tarafından absorp edilmiş ve daha sonra bu enerjiyi sıcaklık farkı ile
verdiği gözlemlenmiştir.
Manzaranes prototipi güneş bacası fikri Prof.Dr. Schlaich’ındır. Alman Araştırma ve
Teknoloji Bakanlığı tarafından yaklaşık 3,5 milyon USD ile finanse edilen bir proje
kapsamında İspanya’nın Manzaranes bölgesinde gerçekleştirilmiştir. Bunun aynında
proje Alman ve İspanyol Elektrik şirketleri tarafından da desteklenmiştir.
Oluşturulan bu büyük çaplı prototipin teknik özellikleri; Baca yüksekliği 194,6 m,
Baca çapı 10 m, Kollektör çapı 240 m, Ortalama kollektör çapı 122 m, Ortalama
kollektör yüksekliği 1,85 m, Türbin kanat sayısı 4, Kollektördeki düşünülen sıcaklık
artışı ∆T = 20 K, Nominal türbin gücü 50 kW, Naylon kollektör yüzey alanı 40000
m2, Cam kollektör yüzey alanı 6000 m2’dir.
Sistemin yapımına 1982 yılında başlanmıştır. 1989 yılına kadar gerçek ölçümler
alınmış ve başarılı bir şekilde çalışmıştır. Sistem üzerinde bulunan yüzden fazla
ölçüm sensörü vasıtasıyla binlerce veri her an ölçüm yapmıştır. Şekil 2.4.’ de
manzanares güneş bacasının bir fotoğrafı görülmektedir. (Schlaich vd., 2004)
Prototip 3 yıllık bir süre için deneme amaçlı kurulmuştur. Sistemin demonte
edilebilir ve parçaların daha sonra tekrar kullanılabilir olması düşünülmüştür. Bu
amaçla baca kısmı trapez levhaların boru haline getirilerek üst üste birleştirilmesiyle
elde edilmiştir. Levhaların kalınlığı 1,25 mm’dir. Ayrıca bacanın büyük rüzgar
şartlarında devrilmemesi için dört eşit yükseklikten 3 ayrı yöne çelik gergi halatları
ile zemine bağlanmıştır. Kollektör kısmında kullanılan malzemenin, iyi geçirgenlik
35
özelliğinin yanı sıra uzun ömürlü, dayanıklı ve uygun fiyatlı olması gerekir. Bu
nedenle, kollektörün bazı bölgelerinde cam, bazı bölgelerinde ise naylon folyo
kullanılıp, ikisi arasındaki farklar incelenmiştir (Schlaich vd., 2004).
Şekil 2. 4. İspanya Manzanares Güneş bacası sistemi görüntüsü (Schlaich vd., 2004).
Almanya Weimar Bauhaus üniversitesinde Prof. Dr. Rainer Gumpp ve Prof. Dr.
Jürgen Ruth danışmanlığında Christian Hartung, Henrik Marschetzky, Tim left,
Marco farmer, Martin Künzel, Marius Ellwanger, TAP fan Thanh ve Long Nguyen
isimlerinde üç mimarlık, beş mühendislik öğrencisinin üniversite kampüsü içerisinde
yapmış oldukları güneş bacası deneysel çalışması Almanya’nın en büyük güneş
bacası olarak tanıtılmaktadır. Bacasının yüksekliği ise 12m’ dir. İçerisinde bulunan
türbin bir jeneratöre ve jeneratör ise bir akümülatör grubuna bağlıdır. Bu sayede
üniversite kampüsünde bulunan temiz enerji binasının etrafında ve binada bulunan
ekonomik led lambaların elektriği beslenmektedir (Bauhaus-Universitaet Weimar,
2008).
36
Şekil 2. 5. Almanya Bauhaus Üniversitesi güneş bacası görüntüsü (BauhausUniversitaet Weimar, 2008).
37
3. MATERYAL VE YÖNTEM
Çalışmada kullanılacak güneş bacası için SDÜ YEKARUM tarafından 2004 yılında
DPT destekli olarak tamamlanan prototip kullanılmıştır. Çalışma güneş bacasının
performans değerlerini arttırmaya ve mevcut sisteme güneş kulesi modeli ilavesi ile
hibrid bir güneş güç tesisinin performansını incelemeye yönelik olduğundan
öncelikle mevcut güneş bacasının, zemin, baca, kollektör gibi temel bileşenlerine ait
kurulum şekilleri aşağıda verilmiştir.
Şekil 3. 1. Baca ayaklarının montajı ve sera alanının biçimlendirilmesi (Üçgül,
2005).
Şekil 3. 2. Baca kollektörü için zemin oluşturulmasından bir görüntü (Üçgül, 2005).
38
Mevcut güneş bacası kollektör alanı yarı çapı 8 m’dir. Sera alanının zeminini
oluşturmak için 200,96 m2’lik bir dairesel alana beton kaplanmıştır (Şekil 3.2.).
Bacanın yüksekliği 15 m olup çapı 1,2 m’dir. Bacaya ait görüntü aşağıda Şekil 3.3.’
de görülmektedir. Baca kısmının dirsekten sonraki yaklaşık 2 metrelik kısmı 6 mm
kalınlığında saç malzemeden geri kalan kısımları ise 4 mm kalınlığında saç
malzemeden oluşmaktadır. İki kısım ayrı ayrı olup bir flanş ile birbirine bağlanmıştır.
Baca monte edildikten sonra rüzgâr kuvvetinin etkisini azaltmak amaçlı baca
tepesinde 3 noktadan gergili halat sistemi ile toprak zemine sabitlenmiştir.
Şekil 3. 3. Güneş bacası sistemine bacanın montaj görüntüsü (Koyun, 2006).
Şekil 3. 4. Güneş bacası kollektör alanın konstrüksiyonu (Üçgül, 2005).
39
Baca kollektör alanı giriş ağzı yüksekliği 65 cm olup bu değer bacaya doğru baca
merkezinde 2,5 m olmaktadır. Bu sayede kollektör içerisinde ısınan havanın yukarı
yönlü
hareketinde
radyal
olarak
oluşacak
sürtünme
kayıpları
azaltılması
amaçlanmıştır.
Şekil 3. 5. 2004 yılı itibari ile güneş bacasından bir görüntü (Yekarum, 2008).
Güneş bacası prototipinde kollektör geçirgen örtü malzemesi olarak cam
kullanılmıştır. Cam hem sistemin uzun ömürlü olmasını sağlarken, hem de uzun
dalga boyuna sahip ışınımı geçirgen kısa dalga boyuna sahip ışınımı ise absorbe etme
özelliğine sahiptir. Aşağıdaki Çizelge 3.1.’de, kullanılan güneş bacası prototipinin
fiziksel büyüklükleri verilmiştir.
Çizelge 3. 1. SDÜ Güneş bacası prototipi büyüklükleri
Fiziksel Büyüklük
Sembol
Boyut
Baca yüksekliği
Hchimney
15 m
Kollektör çapı
Dcoll
16 m
Baca çapı
Dchimney
1,2 m
Kollektör girişi açıklık
ha
0,65 m
Kollektör ortalama yükseklik
hor
1m
Kollektör yüzey alanı
Acoll
200,96 m2
Baca kesit alanı
Achimney
1,19 m2
Giriş ağzı çevresel kesit alanı
At
31,148 m2
40
Baca konstrüktif olarak 12 ayrı dilime bölünmüştür. Geçmiş yıllardaki ölçümler ve
analizler sonucu literatür incelendiğinde baca içerisinde ısınan hava ile soğuk
havanın yer değiştirmesiyle türbülans oluştuğu görülmüş ve bunu engellemek
amacıyla bu mevcut 12 dilim birbirinden saç levhalar ile ayrılmıştır (Şekil 3.6.).
Şekil 3. 6. Kollektör alanının dilimlere ayrılmış hali.
Ayrıca geçmiş yıllardaki ölçüm ve analizlerde baca giriş ağzında akışın yukarı yönlü
hareketini kolaylaştırmak için akış düzenlemesi yapılması gerekliliği ortaya çıkmış
ve akış düzenleyici sistem ilave edilmiştir. Bu durum aşağıdaki Şekil 3.7.’de
görülmektedir.
Şekil 3. 7. Baca akış düzenleme sistemi
41
3.1. Yapılması Öngörülen Çalışmalar
Sistem kollektörünün kuzey bölümünün diğer bölümlere göre gün boyu daha az
ısındığı ve içeride bir akış bozukluğuna yol açtığı geçmiş yıllardaki analizlerle ortaya
konulmuştur. Ayrıca kollektör alanının arttırılması ile performansın artacağı ve
zeminin ısı tutumunun arttırılması ile yine performansın artacağı öngörülmüştür. Bu
amaçla aşağıdaki düzenlemelerin yapılması düşünülmüştür.
•
Baca zemininde daha iyi ısı tutumu için tüm zemin siyah renge boyanacak.
•
Baca performansını artırmak ve güneş etkisini yitirdikten sonra ya da gece
boyu da bacanın elektrik enerjisi üretimine devam edebilmesi için gün boyu
daha az ısınan (önceki yıllara ait ölçüm verilerine dayanarak) kollektör
dilimleri içerisine su taşıyan borular döşenecek.
•
Kollektör içerisindeki su sistemine ısı sağlamak amaçlı gün ısı sistemi ilave
edilecek.
•
Güneş bacası kollektör alanı kuzeyden güneye, batı taraflı olarak birinci
dilimden beşinci dilime kadar uzunluğu 4 m daha arttırılmış ve zemin
malzemesi olarak pomza taşı ile kaplanacak.
•
Güneş bacası kollektör alanı içindeki ısınan ve baca ağzına doğru hareket
eden sıcak havanın yerini alacak olan soğuk havanın kollektör alanına girişini
kontrol etmek amacıyla gün boyu daha az ısınan (önceki yıllara ait ölçüm
verilerine dayanarak) dilimlerin kollektör giriş ağızlarına hareketli kapaklar
yapılacak.
•
Güneş bacası tepesine kuzey yöne yerleştirilen hareketli alıcı ve alıcıya
istenen güneş ışıma yansımalarını sağlayacak heliostat aynalar eklenerek
sistemin hibrit çalışması sağlanmıştır. Yine bu uygulamanın amacı da baca
performansını arttırılacak.
•
Güneş bacası tepesine pülverize su sistemi yerleştirilerek baca tepesinde,
bacanın içine ve girişine göre sıcaklık düşüşü sağlayarak bacanın çekişi
arttırılması öngörülmüştür.
42
3.2. Deneysel Çalışmada Kullanılan Ölçüm Cihazları ve Sensörler
Çalışma sırasında yapılan tüm deneylerde kullanılan ölçüm cihazı ve sensörler
aşağıda belirtilmiştir.
-
3 adet extech marka el terminalli hava hızı ölçer
-
18 adet almemo marka sıcaklık ölçümü için PT100 sıcaklık sensörü
-
1’i el terminalli olmak üzere almemo ve Delta Ohm marka 2 adet ışınım
sensörü
-
11 adet böcek tabir edilen Maxim – Dallas marka sıcaklık veri kaydedici
sensör
-
2 adet hobo markalı sıcaklık veri kaydedici sensör
-
2 adet almemo marka 9 ve 20 kanallı veri kayıt ünitesi
-
1 adet almemo marka 9 kanallı el tipi veri kayıt ünitesi
Deneyler sırasında, hava hızı ölçüm sensörleri güneş bacasında kollektörde
ısındıktan sonra bacaya doğru hareket eden ve asıl sistemin sağlayacağı gücü
oluşturan sıcak hava ölçümü için kullanılmıştır. Ölçülen veriler anlık olarak ekranda
görülebildiği gibi istenirse cihaz tarafından çıktı verilebilmekte ya da bilgisayar
ortamına alınabilinmektedir. Hibrit sistem uygulamasında ise hava hızı ölçümleri için
Ahlborn firmasına ait hava hızı ölçüm sensörleri kullanılmış ve bu sensörler almemo
marka el terminali veri kaydetme özelliğine sahip cihaza bağlanmıştır. Ölçülen bu
veriler
ise
hem
ekranda
görülebilmekte
hem
de
bilgisayar
ortamına
alınabilinmektedir. Deneylerde verilerin daha sağlıklı olması için ve alınan verilerin
çeşitlendirilmesini sağlamak amacıyla sayıca fazla ve farklı noktalarda sıcaklık
ölçümleri alınmıştır. Ayrıca bu yüksek lisans tezine yardımcı olması amacıyla
Tübitak bünyesinden 108M183 numaralı 1002 hızlı proje desteği ile 2,5m kablo
uzunluğuna sahip PT100 sıcaklık sensörü alımları yapılmıştır. Alınan sıcaklık
43
sensörleri yine Alhborn firmasının markası olan almemo veri kaydedici ünitelere
bağlanmıştır. Bu ünitelerde ölçülen verileri bilgisayar ortamına kaydetmek için RS
232 iletişim formundan yararlanılmıştır. Önceki yıllarda yapılan çalışmalardan elde
edilen tecrübeler doğrultusunda kollektör alanı altında yapılan ölçümleri kaydetmek
için kullanılan masaüstü bilgisayarlar içeride oluşan yüksek sıcaklıktan dolayı kendi
kendine kapanmakta ve ölçülen verilerin sürekliliğini etkilemekteydi. Bu durumun
önüne geçebilmek için kayıtlar deney alanında sıcaklıktan etkilenip veri alışverişine
problem sağlamayacak şekilde 2 adet dizüstü bilgisayar vasıtasıyla yapılmıştır.
Dizüstü bilgisayarlar kollektör alanın dışına yerleştirilmiştir. Arada kullanılan RS232
kablosu ve RS232-USB dönüştürücüsü ile dizüstü bilgisayarların dışarıda çalışarak
ölçümleri kaydetmesi sağlanmıştır. Sistemde kullanılan iki adet ışınım sensöründen
bir tanesi almemo marka olup SDÜ YEKARUM’ a aittir. Bir diğer ışınım sensörü
ise; 3 adet hava hızı sensörü, 7 adet PT100 sıcaklık sensörü gibi 108M183 no’lu
tübitak hızlı destek programından sağlanmıştır. Ölçümler esnasında kullanılan ve
böcek olarak tabir edilen sıcaklık ölçüm ve kayıt sensörleri Maxim Dallas firmasına
ait olup oldukça pratik ve kullanışlı cihazlardır. Cihaz bilgisayar yardımıyla ölçme
işlemine başlatıldıktan sonra ölçüm yapılacağı noktaya bırakılmaktadır. Ölçümler
tamamlandıktan sonra yine bilgisayar vasıtasıyla kaydedilen veriler bilgisayar
ortamına alınmaktadır. Bu elemanların ölçümlere sağladığı en büyük kolaylık ise
mevcut sayısının fazla olması sayesinde baca kollektör alanı altında çok fazla
noktada gece gündüz sürekli olarak ölçüm yapılmasını sağlamasıdır. Yapılan bütün
ölçümlerde güvenlik amacıyla akşam saat 20:00 itibarı ile tüm ölçüm sensörleri
toplanırken sadece böcekler ve Hobo isimli ölçüm cihazları ölçme işlemine devam
etmişlerdir. Bir de bu iki cihaz türüne ilave olarak baca ağzı girişinde kullanılan hava
hızı ölçerler gece gündüz ölçüm yapmaya devam etmişlerdir. Tüm bu ölçüm
sistemleri için gerekli olan elektrik enerjisi ise bölgedeki sera alanından yaklaşık 150
m’lik uzatma kabloları vasıtasıyla sağlanmıştır.
44
3.3. Yapılan İyileştirmeler Ve Deneyler
Yapılan tüm performans arttırmaya yönelik yöntemlere referans oluşturması için
ve geçmiş dönemlerde alınan ölçümler ile karşılaştırma yapılabilinmesi için
15.08.2008 tarihinde hiçbir yenilik çalışması yapılmadan güneş bacası sıcaklık,
nem, hava hızı, ışınım gibi parametrelerin ölçümleri yapıldı.
Güneş bacası kollektör zemini ısı tutum özelliği arttırılması için siyaha
boyandıktan sonra 19.08.2008 tarihinde, daha önce yapılan ölçümlerin hepsi
tekrarlanmıştır.
Sadece siyah zemin uygulaması yapılıp deneyler alındıkta sonra güneş bacası
sisteminde gün boyunca daha az ısı kazanan kuzey yönlü kollektörlerde zemin
sıcak su sistemi, güneşin etkisini kaybettiği zamanlarda azalan baca içi sıcaklığın
tekrar arttırılması için ve baca içerisinde homojen ısı oluşumu sağlamak için
kollektör ağzı kapaklar güneş bacası üzerine uygulanmıştır. Ayrıca baca çıkış
noktasında bacadan çıkan hava üzerinde soğutucu etki yapması için geliştirilen
atomize su sistemi uygulanmış ve bununla birlikte güneş bacasının, aynı zamanda
güneş kulesi gibi çalışıp sistemin hibrid hale dönüşmesi sağlanmıştır. Heliostat
aynalar ve baca tepesine uygulanan alıcı ile birlikte 08.09.2008 tarihinde sıcaklık,
ışınım, hava hızı gibi ölçümler alınmıştır. Hibrid sistem üzerinde 09.09.2008
tarihinde tekrar deneyler yapılıp ölçüm sonuçları alınmıştır.
10.09.2008 – 11.09.2008 tarihlerinde güneş bacası zemin sıcak su sistemi belli
saat aralıklarında çalıştırılarak baca hava hızı değerleri ile su sıcaklık değerlerinin
ölçümleri alınmıştır.
11.09.2009 – 25.09.2008 tarihleri arasında ise güneş bacasının mevcut kollektör
alanı artırım çalışması yapılıp, sistemin performansına etkisini araştırmak için
baca hızı ölçüm değerleri gün içerisinde kayıt altına alınmıştır.
45
3.4. Ölçüm Noktaları Ve Sensör Yerleşim Şekilleri
Deneyler esnasında sensörlerin ölçüm yaptığı konumlar aşağıdaki Şekillerde
verilmiştir.
Şekil 3. 8. Güney ölçüm bölgesi 1 numaralı dilim sensör yerleşim şekli.
46
Şekil 3. 9. Kuzey ölçüm bölgesi 6 numaralı dilim sensör yerleşim şekli.
Şekil 3. 10. Böceklerin ve Hobo sıcaklık sensörlerinin güneş bacası zemininde
dağılımı.
47
Kollektör içerisinde kullanılan böcek ve hobolara ait yerleşim şekilleri yukarıda
Şekil 3.10.’da görülmektedir.
Aşağıda böcek, hobo ve hava hızı yerleşim Şekilleri detaylı olarak verilmiştir.
Hobo R İsimli Hobo Cihazı Cam üzerinde Dilim Geniş Kenarından 4 m İleride
Sıcaklık İle birlikte ışınım değerini de kaydetmiştir.
konumları.
48
Şekil 3. 12. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 9, 10 dilimindeki
konumları.
08.09.2008 tarihinden sonraki yapılan ölçümlerde kullanılan böcek ve hoboların alan
içindeki dağılımı ise aşağıdaki Şekillerde görülmektedir.
yeni konumları.
49
konumları.
Hava hızı ölçümünde kullanılan sensörlerin baca içerisindeki yerleşim Şekilleri
Şekil 3. 15. Baca girişinde ve baca içinde sıcaklık – hava hızı ölçüm noktaları.
50
3.5. Gerçekleştirilen Deneysel Çalışma
Güneş bacası sisteminde performans arttırmak amacıyla uygulanması öngörülen ve
yukarıda bahsedilen düzenlemeler yapılmadan önce bacanın mevcut performansını
görmek ve geçmiş yıllarda alınan ölçümler ile kıyaslamak ayrıca performans arttırıcı
değişikliklerin yapılmasının ardından karşılaştırmanın daha sağlıklı ve daha gerçekçi
yapılabilmesi için bacanın pek çok noktasında sıcaklık, hava hızı, ışınım gibi
parametreler ölçülmüştür. Bu ölçümlere ait görüntüler aşağıda verilmiştir. Şekil
3.16.’ da bacanın güney bölümünde alınan ölçümlerden genel bir görünüm
görülmektedir.
Şekil 3. 16. Herhangi bir yenilik yapılmadan önce bacanın güney diliminde alınan
ölçümlerden bir görüntü.
Aşağıdaki Şekil 3.17.’de ise bacanın kuzey bölümünde yapılan ölçümlerden bir
görüntü verilmiştir. Şekil 3.18.’de ise baca kollektör alanı altına belirli noktalara
yerleştirilen böcek diye tabir edilen sıcaklık sensörleri ile farklı dilimlerde sıcaklık
ölçümleri görülmektedir.
51
Şekil 3. 17. Kuzey dilim sıcaklık ölçüm istasyonu.
Şekil 3. 18. Sıcaklık sensörü böcekler.
Güneş bacası sıcaklık ve nem değerlerinin ölçülmesinde kullanılan böcek adını
verdiğimiz sıcaklık verisi kaydeden sensörlerden bacanın doğu ve batı bölgelerinde
çeşitli dilimlere yerleştirilmei ile bacanın kollektör dilimleri arasında sıcaklık
dağılımının oluşumunu gözlemlemede yararlanılmıştır.
52
Şekil 3. 19. Işınım sensörü.
Geçmiş senelerde alınan ışınım değerlerinin on dakikalık ortalama olması sebebiyle
gün içerisinde alınan değerlerde on dakikalık ortalamalar olarak kayıt edilmiştir. Gün
içerisinde bulut geçişlerinin olması anlık olarak ışınım değerlerinin düşmesine neden
olsa teorik hesaplamalarda ortalama ışınım değerleri alınmıştır. Işınım sensörü
güneyde bir numaralı dilime yerleştirilmiştir bunun yanında altı numaralı dilim
üzerinde de hobo yardımı ile ışınım değerleri ölçülmüştür.
Şekil 3. 20. Kuzey dilim sıcaklık ölçüm görüntüsü.
Ölçümlerde kuzey ve güney bölgelerde bir numaralı ve altı numaralı dilimlerde
sıcaklık ölçümleri her dilimde 9 adet olmak üzere toplam 18 almemo sıcaklık
53
sensörüyle kolektörlerin farklı noktalarında sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Ölçümler
sırasında almemo veri toplama cihazının dizüstü bilgisayarlara bağlanmasında
kullanılan RS 232-USB dönüştürücü adaptörü ilk deneme verileri alınırken
uyumsuzluk problemleri yaşanmıştır. Bu problemlerin çözümü için farklı yazılımlar
denenerek sorun giderilmiştir. Aşağıda Şekil 3.21.’de dizüstü bilgisayara aktarılan
kuzey 6 numaralı dilimdeki sıcaklık verilerin değerleri anlık olarak gözüktüğü gibi
aynı ekran üzerinde kayıt edilmektedir.
Şekil 3. 21. 6 numaralı dilim sıcaklık sensörü verisi değerleri.
Kollektör girişi, ortam, zemin ve kollektör cam altı sıcaklıkları farklı bölgelerde
farklı sıcaklık karakteristikleri göstereceğinden ölçüm noktaları 1 ve 6 numaralı
dilimlerde aşağıda Şekil 3.22.’de ve Şekil 3.23.’de görüldüğü gibidir.
Şekil 3. 22. 6 numaralı dilim sıcaklık sensörleri.
54
Şekil 3. 23. 1 numaralı dilim sıcaklık sensörleri.
Şekil 3. 24. Baca içi merkezinde mil üzerinde hava hızı sensörü konumlandırılması.
Baca içerisinde ölçüm yapan hava hızı sensörleri kablo cırtları ve kendinden
yapışkanlı bağlantı elemanları ile baca içerisine konumlandırılmıştır. Baca içerisinde
55
hava sıcaklığının yükselmesi ile yapışkan özelliği azalan bağlantı elemanı hava hızı
sensörünün
konumunu
kaybetmesine
ve
dolayısıyla
ölçümlerde
aksaklık
yaşanmasına sebep olacağı fark edildikten sonra sensörlerin konumlandırılması için
zemin ısıtılmasında kullanılması düşünülüp fayda alınamayan zemin borulama
klipsleri kullanılmıştır. Aşağıda Şekil 3.25’te ve Şekil 3.26.’da sadece yapışkan
bağlantı elemanlı ve klips yardımıyla konumlandırılmış sensörler görülmektedir.
Şekil 3. 25. Baca içi hava hızı ölçüm sensörleri görüntüsü.
Şekil 3. 26. Klips ile konumlandırılması desteklenen hava hızı sensörü.
56
Şekil 3. 27. Baca içerisi hava hızlarının eldesinde kullanılan almemo veri
kaydedicisi.
Yukarıda Şekil 3.27.’de görüldüğü gibi Baca içerisinde bulunan almemo veri kayıt
cihazının bataryasının en fazla 2 gün dayanma süresine sahip olması sebebi ile
ölçümde veri kesintisi yaşanmaması için cihaz direkt olarak şebeke elektriğine
bağlanmıştır. Bu sayede veri temini güvenliği sağlanmıştır.
3.5.1. Kollektör Zeminin Siyah Renge Boyanması
Kollektör zemininin ısı tutum kapasitesini arttırmak amacı ile alınması öngörülen
tedbirlerden biri olan zeminin siyah boya ile boyanması işlemi için yaklaşık 10
teneke siyah boya kullanılarak yapılmıştır. Siyah boya ile zemin ısı absorbsiyon
özelliği arttırılmıştır. Aşağıda Çizelge 3.2.‘de seçici yüzeylere ait absorpsiyon ve
emissivite özellikleri yer almaktadır. Zeminin siyaha boyanma işlemi teorikte kolay
ancak pratikte uygulaması oldukça zor olan bir işlemdir. Bunun sebebi ise kollektör
örtüsü altında kalan alan içerisinde çalışmanın zor olması ve içerideki sıcaklığın gün
içerisinde yaklaşık 70oC ‘e ulaşmasıdır. Bu sebeple boyama işleminin gün içerisinde
57
yapılabilinmesi neredeyse imkansız hale gelmektedir. Bütün bu olumsuzlukları
aşabilmek amacıyla zeminin siyaha boyanma işlemi sabah saat 05:00 ile 09:30 ve
akşamüzeri saat 18:30 – 20:00 saatleri arasında iki günde yapılmıştır.
Çizelge 3. 2. Seçici yüzeylerin absorpsiyon ve emissivite özellikleri (Redrok, 2009).
Material
Siyah Krom
Siyah Nikel
Bakır Oksit
Kurşun Sülfat
Yassı Siyah Boya
Seçici Yüzeyler
Solec LO/MIT Seçici Yüzey
Boyası
Beyaz Boya
Solec SOLKOTE Seçici Yüzey
Boyası
Bakır,Alüminyum ya da CuO
Tabakalı Nikel Kaplama
Siyah Kristal
NaCIO2 ve NaOH ile İşlenmiş
Bakır
Solchrome
Metal, Siyah Sülfür Kaplamalı
Metal, Siyah Krom Kaplamalı
Metal, Siyah Oksit Kaplamalı
Güneş
Absorpsiyon
(aS)
0.95
0.9
0.9
0.89
0.98
Yüzey
Emissivitesi
(E)
0.1
0.08
0.17
0.2
0.98
aS/E
0.21 - 0.26
0.15 - 0.19
1.38
0.88 - 0.94
0.28 - 0.49
2.36
0.08 - 0.93
0.09 - 0.21
3.37
0.92 - 0.98
0.08 - 0.25
5.76
0.87
0.13
6.69
0.94 - 0.98
0.92
0.87
0.92
0.10 - 0.14
0.10
0.09
0.08
8.00
9.20
9.70
11.00
Oranı
9.5
11.25
5.294
4.45
1
0.23 - 0.49
Zeminin siyaha boyanma işleminden hemen sonra 19.08.2008 tarihinde bir günlük
ölçüm yapılmıştır. Aşağıda Şekil 3.28.’de güney yönde bir numaralı dilimde yapılan
ölçümlerin siyah zemin uygulanmadan önceki hali ile siyah zemin uygulandıktan
sonraki halleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir.
58
Şekil 3. 28. Solda siyah zemin uygulaması sağda önceki halde alınan ölçüm
görüntüsü.
Şekil 3. 29. Siyah zemin uygulaması sonrası 6 numaralı dilim ölçüm görüntüsü.
Yukarıda görülen Şekil 3.29.’da siyah zemin uygulaması yapıldıktan sonra kuzey
bölgede bulunan 6 numaralı dilimde sıcaklık ölçüm istasyonu görülmektedir. Ayrıca
aşağıda Şekil 3.30.’da ise aynı gün içerisinde kurulmuş güney yönde 1 numaralı
dilimde kurulan ölçüm istasyonu bulunmaktadır.
59
Şekil 3. 30. Siyah zemin uygulamasından sonra 1 numaralı dilim sıcaklık ölçüm
görüntüsü.
3.5.2. Kollektör İçi Zemin Üzeri Sıcak Su Sistemi Kurulumu
Güneş bacası Prototipi üzerinde siyah zemin uygulaması yapılıp 19.08.2008 tarihinde
istenen parametrelerin ölçümleri alındıktan sonra öngörülen ve yukarıda bahsedilen
baca kollektör alanı içerisi sıcak su sisteminin uygulaması yapılmıştır. Literatürde
yapılan çalışmalara bakıldığında ve geçmiş yıllarda alınan ölçümler sonucu, güneşin
etkisini yitirdiği ve akşam ile gece durumlarında güneş bacasının performansında
düşüşlerin olduğu bilinmektedir. Literatürde teorik olarak yapılan çalışmalarda
azalan güç üretiminin arttırılması için, güneş bacasının enerji üretiminin
devamlılığını sağlamak ve performansını arttırmak için kollektör içerisinde toprağa
göre daha iyi ısı tutumuna sahip olan suyun sistemde kapalı çevrim olarak
kullanılması düşünülmüş. Gündüz, gördüğü ışınım ile aldığı ısının günün ilerleyen
saatlerinde sıcaklık farkından dolayı dışarı verip kollektör içerisinde ek ısı kaynağı
elde edileceği belirtilmiştir. Güneş bacasında performans attırıcı yöntem olarak
literatürde öngörülen bu sistem, yapılan bu yüksek lisans tezinde güneş bacası ile
60
güneş kulesi sistemlerinin hibrid kullanımıyla biraz daha geliştirilerek, literatüre yeni
bir katkı sağlaması düşünülmüştür. Uygulanan sistemde kollektör içerisinde zemine
uygulanacak su sistemi için ekonomik, yüksek sıcaklıklara dayanıklı, sistem
dizaynından kaynaklanan sisteme uygulanabilirliği için kolay Şekil alabilen, en az
dönüş aralığına sahip flexible, sürtünme kayıplarının az olduğu ve uzun ömürlü
olacak boru tesisatı kullanılmalıdır. Bunun için en uygun tesisatın yerden ısıtma
sistemlerinde kullanılan polietilen boru çeşidi seçilmiştir. Bu borular esnek yapısı ile
küçük aralıklarla döşenebilmekte geniş sıcaklık çalışma aralığına sahip ve ısıl verime
artı sağlamaktadır. Boruların zemine montajında ilk olarak yerden ısıtma
tesisatlarında kullanılan klipsler zemin delinerek dübeller vasıtasıyla tutturulmuştur.
Aşağıda Şekil 3.31.’de sisteme uygulanması istenen boruların klipslerinin zemine
montajı görülmektedir.
Şekil 3. 31. Boru klipslerinin zemine montajı.
Klipsler zemine montajlandıktan sonra yerden ısıtma boruları klipslere tutturularak
en küçük dönme çapına sahip olacak Şekilde yerleştirilmiştir. Yalnız normal olarak
yerden ısıtma tesisatlarında kullanılan bu sistem güneş bacası uygulamasında uygun
olmadığı görülmüştür. Çünkü güneşin etkisi ile kollektör içerisinde oluşan sıcaklık
artımı, boruları tutan klipslerin sıcaklıkla doğru orantılı olarak yumuşamasına ve
61
boruları geçtiği çapların genişleyerek sistem borularını bıraktığı gözlemlenmiştir.
Yani kısaca boruların üzerinde herhangi bir yük olmaması kliplerin sıcaklıktan
yumuşayıp boruları bırakması sistemin çalışmasını bozmaktadır. Önlem olarak
kollektör zemininden tüm boru ve klipsleri demontaj edilmiştir. bu arada güneş
bacasında su sistemine ısı sağlayacak ek olarak kullanılan gün ısı platformu
kurulmaya başlanmış, tesisat su kollektörleri, pompa, kapalı genleşme kapları
sisteme dahil edilmeye başlanmıştır. Aşağıda Şekil 3.32.’de tesisat su kolektörleri ile
devir daim pompasının sisteme ilavesi ile Şekil 3.33.’de gün ısı platformunun
konumlandırılması görülmektedir.
Şekil 3. 32. Tesisat su kollektörleri ile devir daim pompası montajı.
62
Şekil 3. 33. Gün ısı platformunun konumlandırılması.
Kollektör içerisinde dolaşacak kapalı çevrim su sisteminin zemine uygulanabilmesi
için sökülen klipsli bağlantı yönteminden sonra borular aşağıda Şekil 3.34.’de
görüldüğü gibi zeminde delikler açıp vidalayarak ve vidaların metal teller yardımıyla
boruları çevreleyip tutması daha stabil görülmüş ve uygulamaya alınarak sisteme
boruların döşenmesi tamamlanmıştır.
Şekil 3. 34. Zemin Isıtma borusu bağlantı şekli.
63
Burada uygulanan borulama hattı baca kollektörü içerisinde kuzey yönde toplam üç
dilime uygulanmıştır. Daha önceki çalışmalarda elde edilen veriler kuzey dilim
kollektör alanlarında ısınma değerlerinin daha düşük olduğunu göstermektedir.
Bunun için sıcak su tesisat sistemi kuzey dilim kollektör alanlarına uygulanmıştır.
Aslında güneş bacası sisteminin daha verimli olabilmesi performans artışında daha
iyi değerlerin elde edilebilinmesi için tüm kollektör alanlarına aynı Şekilde
uygulanması gerekmektedir. Yalnız yapılan bu çalışmada finansal kaynakların kısıtlı
olması ve tüm finansal kaynağın sadece bu sisteme yüklenmek istenmemesinden
dolayı uygulama gün içerisinde daha az ısınma gösteren dilimlerde yapılmış ve diğer
dilimlerde oluşan ısınmalara yakın ısınmalar elde ederek güneş bacasının içinde
oluşacak bölgesel sıcaklık farklarının önüne geçilmesi planlanmıştır. Kollektör çıkışı
baca girişinde bulunan ısınmış havanın akışını düzenleyen akış düzenleyicisi
üzerinde de aynı Şekilde borular geçirilmiştir. Hat içerisinde dolaşan ısınmış su ilk
olarak akış düzenleyicisi çevresini dolandıktan sonra kollektör çıkışı baca giriş
noktalarından kollektör zeminine girmekte burada yüzeyleri dolaşarak kollektör giriş
kısmından soğuyarak çıkıp bacayı terk etmektedir. Aşağıda Şekil 3.35., Şekil 3.36.
ve Şekil 3.37.’de baca içerisinde zemini ve akış düzenleyicisini dolaşan boru hatları
gözükmektedir. Tüm sisteme ait olan tesisat şeması ise ileride Şekil 3.61.’de
verilmiştir.
Şekil 3. 35. Kuzey zemini dolaşan su boru hattı.
64
Şekil 3. 36. Baca içerisi hava akış düzenleyicisini dolaşan su boru hattı.
Şekil 3. 37. Baca kollektör zeminini dolaşan su boru hattının görünümü.
65
3.5.3. Güneş Bacası Tepesinde Atomize Su ile Soğutma Sistemi
Güneş bacası kollektör zeminine sıcak su boru hattı uygulaması yapıldıktan sonra
yine güneş bacasının performansını arttırıcı yöntem olarak düşünülen ve bacanın
tepesine atomize su sistem monte edildi. Normalde güneş bacası sistemlerinde baca
tepe noktasından çıkan havanın sıcaklığı dış ortam sıcaklığına eşit kabul edilir (Zhou,
vd, 2009). Burada baca performansının arttırılması için baca çekişinin iyi olması
gerekir, onun için ise baca girişi ile baca çıkışı arasında sıcaklık farkının
arttırılmasını sağlamak amacıyla baca tepesinde soğuk duş etkisi yapacak atomize
soğuk su sistemi kullanılmıştır. Soğuk duş etkisi ile baca girişi ile baca çıkışındaki
sıcaklık farkı atmış olacak sıcaklık farkının fazlalığı baca içerisinde akış halinde olan
havaya hız kazandıracaktır. Aşağıda Şekil 3.38.’de ve Şekil 3.39.’da baca içerisiden
atomize sitem ve çalışma anında baca dışarısından atomize su sistemi görülmektedir.
Atomize su sisteminde kullanılan suyun kaynağı üniversite su şebekesinden olup
açık sistem olarak çalışmaktadır.
Şekil 3. 38. Atomize su sistemi baca içerisinden görünüm.
66
Şekil 3. 39. Çalışma anında baca dışarısından atomize su sisteminin görünümü.
3.5.4. Güneş Bacası Kollektör Girişi Kapak Uygulaması
Gün içerisinde ısıl bakımından zayıf kalan kuzey bölgedeki kollektörlerde içeri giren
ısınmamış/az ısınmış havanın kollektör içerisinde ısı dengesini bozmasını
engellemek için kollektör girişine uygulanacak açıklık ayarlı kapaklar ile içeri
girecek havanın kontrolü sağlanmak istenmiştir. Kapaklar deneyler sırasında açık ve
kapalı olarak denenmiştir. Kapaklar saç malzemeden imal edilip ilk önce kapakların
otomatik kontrolle aktüatör yardımıyla açıp-kapama yapması düşünülse de daha
sonra maliyet/yarar analizi sonucunun yüksek çıkması, sağlayacağı yararın
maliyetine göre düşük kalması bu sistemden vazgeçilmesine sebep olmuştur. O
yüzden kapaklar manuel olarak el ile açılıp kapatılmıştır. Aşağıda Şekil 3.41.’de
tasarlandığı gibi saç ve profillerin birleştirilmesi ile imal edilmiştir. Kapakların
bacaya takıldıktan sonraki durumu yine aşağıdaki Şekil 3.40.’da görülmektedir.
67
Şekil 3. 40. Kapakların bacaya montajından sonra görüntü.
Şekil 3. 41. Güneş bacası kollektör girişine uygulanan kapakların tasarım görüntüsü.
Deneysel çalışmaların yapılması için gerekli montaj ve imalatlar yapıldıktan sonra
test işlemlerine başlanmıştır. Test çalışmalarında performans arttırıcı yöntemlerde
kullanılan sensörlerle yapılan ölçümlerin sonuçlarının hatalı olduğu tespit edilmiştir.
Değerlerde oluşan bu hatanın sebebi sensörlerin su sistemine bağlanmasında
kullanılan rekorlar olduğu bulunmuştur. Burada kullanılan rekorlar sensörün ölçüm
68
yaptığı uç bölgesinin akıştan uzak kalmasını sağladığı için sistem içerisinde hareket
eden akışkanın değil de rekor içerisinde statik olarak kalan akışkanın sıcaklığı
ölçülmüş oluyor ve ölçüm hatası oluşmaktaydı. Önlem olarak rekorlar sistemden
demontaj edildikten sonra sensörler sisteme direkt olarak bağlanmıştır. Aşağıdaki
Şekil 3.42.’de su sistemine bağlanmış bir PT100 sıcaklık sensörü gözükmektedir.
Şekil 3. 42. Kollektör dönüş suyu hattına bağlanmış PT100 sıcaklık sensörü.
Performans arttırıcı sistemlerin üzerinde test çalışmaları tamamlandıktan ve hatalar
bertaraf edildikten sonra güneş bacası üzerinde tekrar çalışma performans ölçümleri
alınmaya başlanmıştır. Aşağıda Şekil 3.43.’de güneş bacası performans değerleri
ölçümü alınırken baca tepesinden çekilen kollektör içi sıcak su sistemi ile birlikte
gün ısı platformu görülmektedir. Gün ısı platformunun sisteme bağlandıktan sonra
çalıştırılması iki Şekilde yapılmıştır. Birincisi gün ısı tesisinin normal çalışma halidir
ki bu halde gün ısı platformu doğal konveksiyon ile çalışmaktadır. İkinci çalışma
halinde ise sisteme eklenen bir numaralı pompa vasıtasıyla sistem 1 ile 1,8 bar arası
basınç arasında çalıştırılmıştır.
69
Şekil 3. 43. Kollektör içi sıcak su sistemi ile gün ısı platformu üstten görünümü.
Yukarıda Şekil 3.43.’de ve aşağıda Şekil 3.44.’de görüldüğü gibi gün ısı ve kollektör
içi sıcak su sistemi kapalı ve basınçlı çevrimde çalıştırıldığı için sisteme iki adet 100C ile 1200C çalışma şartlarına uyabilen 25 litrelik alman markası olan reflex
kapalı genleşme depoları bağlanmıştır. Böylece sistemin çalışması esnasında borular
içerisinde eriyik halde bulunan hava, su sıcaklığının artması ile birlikte gaz fazına
geçerek su ile birlikte tesisatı dolaşmaya başlar. Dolaşım sırasında bozukluklara,
uzak bölgelerdeki çevrimin geç sirküle etmesine neden olur ayrıca pompa üzerinde
de kavitasyon etkisi yaparak sistemin ömrünün kısalmasına sebep olur. Sistem
üzerinde eklenen kapalı genleşme deposu tesisatın komple kapalı olmasını sağlar ve
yaşanabilecek bu aksaklıklar önlenmiş olur. Tesisat Sisteminin çalışma şekli aşağıda
Şekil 3.61.’de hibrid sistem de bulunmaktadır.
70
Şekil 3. 44. Gün ısı platformu ve kapalı genleşme deposu görünümü.
Gün boyu yapılan ölçümler sırasında üniversite imkanlarından faydalanarak termal
kamera çekimi ile yüzeylerin sıcaklık verileri termal görüntüler halinde elde
edilmiştir. Ölçülen bölgeler aşağıda Şekillerde görüldüğü gibi, gün ısı platformu,
kollektör içerisi sıcaklığı, baca içi sıcaklığı ile baca üzerinde bulunan heliostat
aynalarının alıcısının da termal çekimleri yapılmıştır.
Şekil 3. 45. Gün ısı üzerinde yapılan termal kamera çekim görüntüsü.
71
Şekil 3. 46. Güneş bacası akış düzenleyicisi termal kamera çekim görüntüsü.
Şekil 3. 47. Güneş bacası hibrid sistem alıcı üzerinde termal kamera çekim
görüntüsü.
3.5.5. Güneş Bacası Kollektör Alanının Arttırılması
Performans arttırıcı yöntemlerden biri olan kollektör alanı artırımının sağlanabilmesi
için kollektör zemin malzemesi olarak aşağıda Şekil 3.48.’de görülen 30.9 ton pomza
72
taşı kullanılmıştır. Pomza taşı farklı özgül ısısına, ısı iletim katsayısına ve farklı ısıl
direnç katsayısına sahip olması yönünden inşaat sektöründe kullanılan bir
malzemedir. Ayrıca pomza taşının düşük özgül ağırlığına sahip olması zemin
malzemesi olarak serilmesinde kolaylık sağlamaktadır. Diğer taraftan pomza taşı
tane büyüklüğü küçüldükçe içerisinde bulunan gözeneklerin azalması özgül
ağırlığının artmasını sağlamakla beraber ısıl geçirgenliğinin de artmasına sebep
olmaktadır (Gündüz, 2001).
Şekil 3. 48. Pomza taşı görünümü.
Onun için güneş bacası ek kollektör alanı yapımında orta tane büyüklüğünde pomza
taşı kullanılmıştır. Pomza taşları inşaat sektöründe ısı yalıtım malzemeleri olarak
kullanılmaktadır. Güneş bacası kollektör alanı zemin oluşumunda ise topraktan olan
ısı kayıplarının azaltmak için uygun bir zemin malzemesi olarak kullanmaktır. İki
adet nakliye kamyonu ile getirilen pomza taşları güneş bacası prototipinde kollektör
alanının genişletilebilmesinde en uygun alan olan batı dilimleri çevresine serilmiştir.
Süleyman Demirel Üniversitesi Yapı İşleri Daire Başkanlığının sağladığı kepçe
yardımıyla zemin malzemesi olan pomza taşlarının serilmesi aşağıda Şekil 3.49.’da
görüldüğü gibi hızlı bir şekilde gerçekleşmiştir.
73
Şekil 3. 49. Pomza taşlarının ek kollektör zemin malzemesi olarak serilmesi.
Pomza taşlarının serilmesi ve düz bir zemin elde edilmesinden sonra kollektör
geçirgen malzemesi olarak kullanılacak saydam (Şekil 3.50.) sera naylonu sera
dilimleri genişliğinde kesilip 30 mm x 40 mm kesit alanına sahip ahşap çıtalar
vasıtasıyla güneş bacasına akıllı cıvata kullanarak monte edildi. Burada dikkat
edilecek hususlar akıllı cıvata ile montaj yaparken sera naylonunun kesilip
yırtılmasını engellemek için aşağıda Şekil 3.51.’deki gibi lastik parçaları
kullanılmıştır. Güneş bacası cam sera alanı ile yeni olarak eklenecek sera alanı
arasında hava kaçışını engellemek için kullanılan sera naylonu özel zımba tabancası
ile ahşap çıtalara zımbalanarak katlanmıştır. Bu durum Şekil 3.52.’de görülmektedir.
Şekil 3. 50. Sera naylonu kesilme aşamasından bir görüntü.
74
Şekil 3. 51. Ek kollektör alanı yapımında sera naylonu montajından görüntü.
Şekil 3. 52. Özel zımba ile sabitlenen sera naylonu.
75
Ek kollektör alanı yapım aşamasında batı ve güney batı yönünde yapılan sera alanı
büyütülmesi 4 m dir. Yani batı ve güney batı yönünde 5 dilimde olmak üzere sera
alanı yarıçapı 12 m’ye çıkarılmıştır. 4 m uzunluğunda sera naylonun gergin ve stabil
durabilmesi için ara noktalara dikmeler eklenmiş ve bunlar ek yapılan kollektör
alanında ara kolon görevi görmektedir (Şekil 3.53.).
Şekil 3. 53. Ek kollektör alanında ara dikme ile sera naylonunun birleştirilmesi.
Şekil 3. 54. Ek kollektör alanı görüntüsü.
Ek kollektör alanı yukarıda Şekil 3.54.’deki gibi oluşturulmuştur. Burada oluşturulan
sera alanında belli noktalarda sera naylonunda küçük delikler açılarak yağış ve
76
yüksek rüzgar hallerinde sistemin büyük yüklere maruz kalması önlenmiştir. Ek
kollektör alanı inşası ile birlikte 25 eylül 2008 tarihine kadar baca içerisinde hava
hızı değerleri alınmış ve kaydedilmiştir.
3.6. Hibrid Sistemin Oluşturulması ve Deneysel Çalışma
3.6.1. Güneş Kulesi Sisteminin Tanıtımı
Güneş ışınlarının kule tepesine monte edilmiş olan ısı alıcıya odaklamalı olarak ve
yoğunlaştırarak aynalar vasıtası ile gönderilmesiyle elektrik gücü üretirler. Yüzlerce
veya sistemin gereksinimine göre binlerce tasarlanan bu aynalara heliostat adı verilir
(Şekil 3.55.). Bu tesisler, 30 ile 400Mwe arası uygulamalar için en uygun tesislerdir.
Şekil 3. 55. Heliostat aynalar (SEAO, 2009).
Sistemin işleyişi güneş güç kulesindeki 290°C’da sıvı haldeki tuz eriyiği soğuk
depolama tankında alıcıya doğru pompalanması, burada sıcaklığı 565°C’ye kadar
çıkarılarak sıcak depolama tankına gönderilmesi ve tesisten güç çekileceği zaman,
sıcak tuz, klasik bir rankine çevrim türbini/jeneratör sistemi için aşırı kızdırılmış
buhar üreten bir buhar üretme sistemine pompalanması ile gerçekleşir. Buhar
jeneratöründeki tuz soğuk tanka geri döner, burada depolanır ve sonunda da alıcıda
77
yeniden kızdırılır. Şekil 3.56.’da eriyik tuzlu bir güneş güç kulesi tesisindeki akış
şemasının şematik diyagramı görülmektedir. Sevk edilecek güç gereksinimi
karşılayacak olan optimum depolama kapasitesini belirlemek sistem dizayn
projesinin önemli bir kısmıdır. Heliostat kuleyi çevreleyen alan, tesisin yıllık
verimini optimize edecek Şekilde planlanır. Alan ve alıcının boyutları işletmenin
ihtiyaçlarına da bağlı olarak değişiklik göstermektedir. Tipik bir kurulumda güneş
enerjisinin toplanması, türbine buhar sağlayacak maksimum gereksinim değerinin
üstünde değer elde edilmesiyle meydana gelir. Sonuç olarak, tam kapasite üretim
yapan tesis ile aynı anda ısıl depolama sistemi de yüklenebilir. Kollektör sistemi
tarafından (heliostat alan ve alıcı) karşılanan ısıl güç oranının türbin jeneratörü peak
ısıl güç gereksinimini oranına Güneş çarpanı denir. Yaklaşık olarak 2,7’lik bir Güneş
çarpanı ile, California’da Mojave çölünde tesis edilmiş olan tuz eriyikli bir güneş
kulesi, yaklaşık %65’lik yıllık kapasite faktörüne göre dizayn edilebilir. Sonuç olarak
bir güç kulesi yedek yakıt kaynağı ihtiyacı olmaksızın yıllık %65 potansiyelle
işletilebilir. Enerji depolamaksızın, güneş teknolojilerinde yıllık kapasite faktörü
%25 ile sınırlıdır.
Şekil 3. 56. Güneş Güç kulesi şematiği. (U.S. Department of Energy, 2008).
78
Tipik bir gün için yük-aktarım kapasitesinin gösterildiği Şekil 3.57’de tuz eriyikli bir
güneş kulesinden elektriğin aktarımı resimlenmiştir. Şekilde günün bir fonksiyonu
olarak güneş yoğunluğu, sıcak tanktaki enerji depolaması ve elektrik güç çıkışı
gösterilmektedir. Bu örnekte, güneş tesisi güneş doğduktan hemen sonra ısıl enerji
toplamaya başlar ve günün her anında tankta biriktirilen enerji sıcak tankta depolanır.
Şebekenin peak yük talebine cevap olarak, türbin saat 1:00pm’de çevrim içi olur ve
saat 11:00pm’e kadar güç üretimine devam eder. Depolamadan dolayı, türbin
jeneratöründen üretilen güç güneş yoğunluğundaki sürekli dalgalanmalardan dolayı
ve sıcak tanktaki depolanmış enerjinin tümü tüketilinceye kadar kalmaktadır.
Şekil 3. 57. Tuz eriyikli güç kulelerinin aktarılabilirliği. (U.S. Department of Energy,
2008).
Ayrıca güneş güç kulesinin işletilmesi esnasında tehlikeli gazlar yada sıvı
emisyonlar/radyasyonlar açığa çıkmaz. Eğer kazayla tuz dökülürse ,tuz toprakta
önemli etkiler yapmadan önce donacaktır. Tuz bir kürek yardımıyla kaldırılır ve
yeniden kullanılmak üzere çevrime katılabilinir. Eğer güç kulesi klasik bir fosil tesis
ile hibritlenmiş ise tesisin güneşle çalışmayan kısımlarında emisyonlar ortaya
çıkacaktır.
Güneş kuleleri, ekonomik olması bakımından geniş kapasiteli olmalıdır. Güneş
kuleleri için en uygun yerleşim alanları kuzey Afrika, Meksika, Güney Amerika,
79
Orta Doğu ve Hindistan’dır. Çünkü buralarda güneş ışınlarının tesiri bol miktarda ve
yüksek seviyededir.
3.6.2. Hibrid Sistem
Hibrid yapı yukarıda bahsi geçen güneş kulesi sistemi ile güneş bacası sisteminin
birleştirilerek yenilenebilir enerji tesislerine yeni bir alternatif olması için
denenmiştir ve şematik olarak aşağıda Şekil 3.58’de görülmektedir.
Şekil 3. 58. Hibrid sistemin şematik görünümü.
Bu sistemde güneş bacasında hava akışkanın geçtiği baca güneş kulesinde alıcının
bulunduğu merkezil kuleyi temsil etmektedir. Bu yüksek lisans çalışmasında
kullanılan güneş bacası ile başka bir doktora çalışması olan güneş kulesi sistemi
birlikte çalıştırılarak sistem hibrid yapıya dönüştürülmüştür. Sistemin denendiği
bölge ve heliostat yerleşimleri aşağıda gösterilmiştir.
80
Şekil 3. 59. Hibrit sistemin ve heliostatların yerleşimi.
Bu amaçla mevcut güneş bacası üzerine bir adet alıcı monte edilmiştir. Bu alıcı bir
aktüatör yardımıyla hareketli hale getirilmiştir. Alıcı baca tepesine monte edilerek
ayrıca bir kule inşasından da kurtulunmuştur. Alıcı olarak yine gün ısı sistemlerinde
kullanılan düzlemsel güneş paneli seçilmiştir. Sistemin temelinde güneş bacasının
performansının artırılması hedeflenmiştir. Hibrid sistemde hem yukarıda bahsedilen
gün ısı platformu hem de güç kulesi yardımıyla zemine sıcak su temin edilmiştir. Bu
sıcak su güneş etkinliğini kaybettikten sonra zemine pompalar yardımıyla
gönderilmiştir. Bu çalışma moduna ait elde edilen veriler Araştırma ve bulgular
bölümünde verilmiştir. Hibrid sistem ile birlikte güneş bacası bir araya getirildiği
zaman heliostat aynaların güneş ışığını yansıttığı ışımalar baca tepesinde bulunan
alıcıda bir pompa vasıtasıyla gönderilen suyun ısınmasını sağlamaktadır. Yapılan
boru tesisatı ile istenirse direkt olarak kollektör alanındaki zemin ısıtma sistemine
verilebileceği gibi alıcıda ısınan akışkan gün ısı platformuna gönderilerek orda tekrar
ısıtma sağlanabilinmektedir. Burada alıcı olarak kullanılan düzlemsel gün ısısı
65x80cm büyüklüğünde seçilmiştir. Baca üzerinde yerleştirilen alıcının küçük olması
alıcıya gelecek rüzgâr yüklerinin azalmasında avantaj sağlasa da alıcı küçüklüğü
birim zaman içerisinde alıcıda ısıtılmak istenen akışkanın kütlesel debisinin az
81
olmasına neden olmuştur. Onun için alıcı üzerinde ön ısıtma yapılan akışkan buradan
gün ısı platformuna gönderilerek boyut ve kapasite olarak daha büyük olan gün
ısılarda tekrar ısıtma sağlanmıştır. Burada kullanılan ısı sistemi vanalar vasıtasıyla
deneyler aşamasında üç Şekilde çalıştırılmıştır. Sistemin tesisat çalışma şekli aşağıda
Şekil 3.61.’de görüldüğü gibidir. Sistem çalışmaya alındığında, güneş etkisini
yitirmediği zamanlarda kollektör zemin ısıtma sistemine akışkan gönderilmeden
sadece yerdeki gün ısı platformu ve bunun yanında heliostat aynalar ile alıcı sistemi
aktif durumdadır. Burada istenirse sadece gün ısı platformu veya sadece aynalar
vasıtasıyla güneş kulesi şeklinde çalışan alıcı ya da her ikisi de aynı anda
çalıştırılmıştır. Çalıştırılan bu kısım eğer sadece gün ısı platformu olarak devreye
alınmış ise o zaman açık sistem, eğer sadece alıcı sistemi ya da her ikisi yani gün ısı
platformu ile alıcı sistemi birlikte çalıştırıldığında sistem kapalı olarak devrededir.
Güneşin etkisi ile gün içerisinde elde edilen ısı 185 lt hacme sahip ceketli depo ile
kollektör içerisine gidecek akışkanın ısınmasını sağlamaktadır. Deneyler sırasında
baca tepesinde bulunan alıcıya giden akışkanın sıcaklığı, alıcıdan dönüş sıcaklığı,
kollektör içerisine zemin ısıtmaya giriş sıcaklığı, kollektör içerisinden dönüş suyu
sıcaklığı, gün ısı platformuna akışkanın giriş sıcaklığı ve gün ısı platformundan
akışkanın çıkış sıcaklıkları ve bu değerlere göre değişen baca içerisinde hava hızı
gibi parametrelerin ölçümleri alınmıştır. bu değerler aşağıda Şekil 3.60’da görüldüğü
gibi almemo el üniteleri ile kayıt edilmiş ve elde edilen değerler ile tespitlere
araştırma ve bulgular kısmında değinilmiştir.
Şekil 3. 60. Alıcı suyu sıcaklıkları.
82
Şekil 3. 61. Hibrid Sistemin tesisat şeması.
Güneş bacası üzerine montajlanan alıcı aktüatör sayesinde (Şekil 3.63.) yatay düzlem
üzerinde hareket ederek eğilebilmekte ve 900 dik durabilmektedir. Bu sayede sayısı
arttırılacak heliostat ayna kümelerine daha iyi cevap verebilecek bir alıcı olacaktır.
Bunun için ilk olarak bilgisayar ortamında alıcının aktüatör ile hareketi simüle
edilmiştir. Aşağıda Şekil 3.62.’de görülmektedir.
83
Şekil 3. 62. Hibrid sistem için tasarlanan alıcının tasarım görüntüsü.
Şekil 3. 63. Alıcı görünümü.
Alıcıya, güneş ışınlarını yansımasını sağlayacak heliostat aynalar iki adettir. Güneş
gün boyu doğudan batıya olan hareketinde güney yönlü olarak bir yay çizmektedir.
Bu yüzden kuzey bölgede kalan kısım güneşe göre karşıda kalmaktadır. Alıcının ve
alıcıya bakacak aynalarında konumlandırılması kuzey yönde olmalıdır. Aşağıda Şekil
3.64.’de güneşten aldığı ışınımı alıcıya yansıtan heliostat aynanın arkasından
çekilmiş görüntü bulunmaktadır.
84
Şekil 3. 64. Heliostat ayna arkasından çekilen görüntü.
Şekil 3. 65. Heliostat aynalar.
Yukarıda Şekil 3.65.’de görülen heliostat aynaların güneş izleme mekanizması 2
eksenli olarak çalışmaktadır. Her bir dakika içerisinde güneş izleme hareketini
tamamlayan heliostat aynaların alıcıda oluşturduğu ışınım görüntüsü aşağıda Şekil
3.66. ile Şekil 3.67.’de verilmiştir. Önceden hesaplanmış güneş izleme değerleri her
85
dakika için bir yıllık olarak aynaların yazılım sistemin içerisine pic programlayıcı
yardımıyla girilmiştir. Ayrıca yapılan özel bir yazılım ile aynaların hangi konumda
ve kaç derecede olduklarını görebilmek ve izlemek için wireless sistemi kurulmuş ve
bu sayede uzak lokasyonlardan veri alış verişi sağlanabilinmektedir.
Şekil 3. 66. Heliostat aynaların alıcıda oluşturduğu yansımış ışınım.
Şekil 3. 67. Heliostat aynaların alıcıdan görünümü.
86
4. ARAŞTIRMA BULGULARI
Yapılan çalışmada deney günleri 15.08.2008, 19.08.2008, 08.09.2008, 09.09.2008,
10.09.2008, 11.09.2008 tarihleri olup yine eylül ayının on birinci gününden itibaren
ayın yirmi beşine kadar güneş bacası içerisinde hava hızı ölçüm kayıtları alınmıştır.
Bu çalışma içerisinde alınan değerler 05.08.2005, 01.08.2006 ve 02.08.2006
tarihlerinde yapılmış deney çalışmaları ile karşılaştırılarak elde edilen sonuçlar
irdelenmiştir. Yapılan deneylerde hibrid yapıda 30 ayrı noktada sıcaklık sensörleri, 3
ayrı noktada hava hızı sensörleri, iki ayrı nem sensörü ve 2 aynı ışınım sensörleri
kullanılarak ölçümler alınmıştır. Yapılan ölçümlerin konumlandırılması materyal
metod bölümünde belirtildiği gibidir. “Güneş bacası sistemleri konstrüksiyon
boyutlarının büyütülmesi ile ısıl ve performans değerleri aynı büyüklükte artmaz
yani Manzanares Prototipi üzerinde yapılan simülasyon çalışmaları ile sistem daha
da büyütülse de baca içerisinde oluşan hava hızı değerlerinin çok farklı artmadığı
görülmüştür (Schlaich, ve Partner, 2004). Gün içerisinde güneş ışımasının etkisini
yitirmesi ile güneş bacasında oluşan hava hızı düşüşleri dolayısıyla güç düşüşlerini
önlemek amacıyla çeşitli performans arttırıcı yöntemler bu çalışmada uygulanmıştır.
Geçmiş dönemlerde alınan ölçümlerde sıcaklık hava hızı ve ışınım gibi
parametrelerde kaydedilen veriler onar dakikalık aralıklarla ortalama değerler olup,
2008 yılında bu çalışma ile alınan ölçüm değerleri beşer dakikalık aralıklarla olup
geçmiş yıllarla karşılaştırılabilinmesi için tekrar ortalama değerler alınmıştır. Bunun
yanında ayrıca geçmiş dönemlere ait ölçümlerde alınan ölçüm aralıkları ile bu
yüksek lisans çalışmasında alınan ölçüm aralıkları birbirine eşitlendirilmiştir.
Aşağıda Şekil 4.1.’de 2005 yılında mil üzerinde alınan hava hızı ölçüm değerleri ile
bu yüksek lisans çalışmasında hiçbir iyileştirme yapılmadan baca içerisinde alınmış
mil üzeri hava hızı ölçüm değerleri bulunmaktadır. Değerlerin birbirine yakın olması
sistemin kararlı bir şekilde çalıştığının göstergesidir.
87
6
05.08.2005 te alınan hava hızı ölçümü
hava hızı (m/s)
5
15.08.2008 mil üzeri hava hızı ölçümü
4
3
2
1
17:39:46
17:24:46
17:09:46
16:54:46
16:39:46
16:24:46
16:09:46
15:54:46
15:39:46
15:24:46
15:09:46
14:54:46
14:39:46
14:24:46
14:09:46
13:54:46
13:39:46
13:24:46
13:09:46
12:54:46
12:39:46
12:24:46
12:09:44
11:55:25
0
zaman H
Şekil 4. 1. 05.08.2005 ve 15.08.2008 hava hızı ölçümü.
63
58
sıcaklık C
53
48
43
38
05.08.2005 güney dilimde bacadan dışarı doğru 3m'de yapılan ölçüm
15.08.2008 güney dilimde dışarıdan içeri doğru 3,7m'de yapılan ölçüm
33
zaman H
11
:4
9
12 :18
:0
4
12 :18
:1
9
12 :18
:3
4
12 :18
:4
9
13 :18
:0
4
13 :18
:1
9
13 :18
:3
4:
13 18
:4
9
14 :18
:0
4
14 :18
:1
9
14 :18
:3
4
14 :18
:4
9
15 :18
:0
4
15 :18
:1
9
15 :18
:3
4
15 :18
:4
9
16 :18
:0
4
16 :18
:1
9
16 :18
:3
4
16 :18
:4
9
17 :18
:0
4
17 :18
:1
9
17 :18
:3
4:
18
28
Şekil 4. 2. 05.08.2005 ve 15.08.2008 güney dilim sıcaklık ölçümü.
Yukarıda görüldüğü üzere 2005 yılı ile 15.08.2008 tarihinde yapılan güneyde 1
numaralı dilimin gün boyu ölçülen sıcaklıkları bulunmaktadır.
Aşağıda Şekil 4.3.’de 01.08.2006 tarihi ile 15.08.2008 tarihlerindeki 1 numaralı
güney dilimde kollektör dışından bacaya doğru 1,8 m’de kollektör üzerinde alınan
ışınım ve 10 numaralı doğu dilimde dışarıdan kollektör içerisine doğru kollektör
zemini üzerinde 2 m mesafede alınan sıcaklık ölçümleri grafik halinde verilmiştir.
Değerlerin aynı grafik üzerinde rahat görülebilinmesi için ışınım değerleri 10’a
88
bölünmüştür. Görüldüğü gibi 01.08.2006 tarihinde gün içerisinde alınan ışınım
değerlerinde 4 noktada ani düşmeler görülmektedir. Bu noktalarda bulut geçişleri
görülmesine rağmen 15.08.2008 tarihinde alınan ölçümler ile çok yakın benzerlik
göstermektedir. Şekilde görüldüğü gibi doğu dilimde alınan sıcaklık değerleri, ışınım
değerleri gibi birbirine çok yakındır.
01.08.2006 ışınım/10
120
15.08.2008 ışınım/10
100
01.08.2006 V3 nolu böcek doğu
dilimde dışarıdan 2m
15.08.2008 10 nolu dilim R.Ş adlı
böcek dışarıdan 2m
80
60
40
20
zam an H
11
:0
9:
11 18
:2
9:
11 18
:4
9:
12 18
:0
9:
12 18
:2
9:
12 18
:4
9:
13 18
:0
9:
13 18
:2
9:
13 18
:4
9:
14 18
:0
9:
14 18
:2
9:
14 18
:4
9:
15 18
:0
9:
15 18
:2
9:
15 18
:4
9:
16 18
:0
9:
16 18
:2
9:
16 18
:4
9:
17 18
:0
9:
17 18
:2
9:
17 18
:4
9:
18 18
:0
9:
18 18
:2
9:
18
0
Şekil 4. 3. 01.08.2006 ve 15.08.2008 ışınım ve doğu dilim sıcaklık ölçümü.
Aşağıda Şekil 4.4.’de görüldüğü gibi aynı günler içerisinde hem ışınım değerlerinin
hem hava hızı değerlerinin hem de doğu dilimde kollektör dışarısından içeriye doğru
4 m uzaklıkta kollektör zemini üzerinde ölçülen sıcaklık değerleri bulunmaktadır.
Burada aynı grafik üzerinde saat 12:09 ile 13:19 zaman dilimleri arasında değerlerin
kolay gözlenebilinmesi için hava hızı değerleri 10 ile çarpılmış, ışınım değerleri 10’a
bölünmüş ve tüm değerlerin 10 dakikalık ortalamaları alınmıştır. Teorik hava hızı
değerinin elde edilebilinmesi için 15.08.2008 verilerinden yararlanılmıştır. Burada
değerlerin birbirine yakın olduğu daha iyi görünmektedir.
89
120
01.08.2006 IŞINIM/10
100
15.08.2008 IŞINIM/10
80
01.08.2006DOĞU DİLİM
BÖCEK 4M DE
15.08.2008DOĞU DİLİM
BÖCEK 4M DE
60
01.08.2006 HAVA
HIZI*10
40
15.08.2008 HAVA
HIZI*10
2008 VERILERINE
GORE TEORIK HIZ*10
20
zam an H
0
12:09:18 12:19:18 12:29:18 12:39:18 12:49:18 12:59:18 13:09:18 13:19:18
Şekil 4. 4. 01.08.2006 ve15.08.2008 ışınım, hava hızı, doğu dilim sıcaklık ve 2008
teorik hava hızı grafiği.
3,5
hava hızı (m/s)
3
2,5
2
1,5
1
15.08.2008 de hiç bir yenilik yapılmadan alınan mil üzeri hız ölçümü
zam an H
11
:5
5
11 :2 8
:5
9
12 :4 4
:0
3
12 :4 4
:0
7
12 :4 4
:1
1
12 :4 4
:1
5
12 :4 6
:1
9
12 :4 6
:2
3
12 :4 6
:2
7
12 :4 6
:3
1
12 :4 6
:3
5
12 :4 6
:3
9
12 :4 6
:4
3
12 :4 6
:4
7
12 :4 6
:5
1
12 :4 6
:5
5
12 :4 6
:5
9
13 :4 6
:0
3
13 :4 6
:0
7
13 :4 6
:1
1
13 :4 6
:1
5
13 :4 6
:1
9:
46
0,5
01.08.2006 da mil üzerinde hava hızı ölçüm değerleri
Şekil 4. 5. 01.08.2006 ve 15.08.2008 mil üzeri hava hızı ölçüm grafiği.
01.08.2006 ile 15.08.2008 tarihleri arasında gün içerisinde her dakika için alınan
hava hızı değerleri yukarıda Şekil 4.5.’de görüldüğü gibi birbirine çok yakın
değerlerdir.
90
1200
15.08.2008 120 cm de ışınım sensörü
19.08.2008 120 cm de ışınım sensörü
1000
ışınım W/m2
800
600
400
200
zaman H
11
:0
7
11 :2 7
:2
7
11 :2 7
:4
7
12 :2 7
:0
7
12 :2 7
:2
7
12 :2 7
:4
7
13 :2 7
:0
7
13 :2 7
:2
7
13 :2 7
:4
7
14 :2 7
:0
7
14 :2 7
:2
7
14 :2 7
:4
7
15 :2 7
:0
7
15 :2 7
:2
7
15 :2 7
:4
7
16 :2 7
:0
7:
16 2 7
:2
7
16 :2 7
:4
7
17 :2 7
:0
7
17 :2 7
:2
7
17 :2 7
:4
7:
18 2 7
:0
7
18 :2 7
:2
7
18 :2 7
:4
7:
27
0
Şekil 4. 6. 15.08.2008 ve 19.08.2008 ışınım ölçüm grafiği.
Siyah boya uygulanmış zemin ile hiçbir yenilik yapılmamış zemin üzerine gelen
güneş ışınımı ile birlikte aynı zamanda çevre sıcaklıkları birbirine çok yakın
değerlerdedir. Burada oluşacak farklar siyah zeminin özelliğini ortaya çıkarır.
120
15.08.2008 mil üzeri
hava hızı*10
100
19.08.2008 mil üzeri
hava hızı*10
80
15.08.2008 10. dilim
400cm de
60
19.08.2008 10.dilim
400cm de
40
15.08.2008 ışınım/10
20
19.08.2008 ışınım/10
zam an H
14
:0
5:
46
13
:5
5:
46
13
:4
5:
46
13
:3
5:
46
13
:2
5:
46
13
:1
5:
46
13
:0
5:
46
12
:5
5:
46
12
:4
5:
46
12
:3
5:
46
12
:2
5:
46
0
Şekil 4. 7. 15.08.2008 ve 19.08.2008 hava hızı, ışınım ve 15.08. teorik hız grafiği.
Yukarıda Şekil 4.7. üzerinde güneş bacası üzerinde hiçbir yenilik yapmadan alınan
ölçümler ile zemin üzerine siyah boya uygulandıktan sonraki baca içerisinde teorik
hava hızı, mil üzerinde oluşan hava hızları, ışınım ve 10 numaralı doğu dilimde elde
91
edilen sıcaklık değerleri görülmektedir. Siyah zemin uygulaması ile elde edilen hava
hızlarında ve zemin sıcaklıklarında artış görülmektedir.
60
55
sıcaklık C
50
45
40
15.08.2008 6.dilim dışarıdan 440cm de yerden 55cm de
35
19.08.2008 6.dilim dışarıdan 440cm de yerden 55cm de
11
:3
5
11 :39
:5
5
12 :39
:1
5
12 :39
:3
5
12 :39
:5
5
13 :39
:1
5
13 :39
:3
5
13 :39
:5
5
14 :39
:1
5:
14 39
:3
5
14 :39
:5
5
15 :39
:1
5
15 :39
:3
5
15 :39
:5
5
16 :39
:1
5
16 :39
:3
5:
16 39
:5
5
17 :39
:1
5
17 :39
:3
5
17 :39
:5
5
18 :39
:1
5
18 :39
:3
5
18 :39
:5
5
19 :39
:1
5:
39
30
zam an H
Şekil 4. 8. 15.08.2008 ve 19.08.2008 6.dilim 440cm’de yerden 55 cm’ de ortam
sıcaklıkları grafiği.
Yapılan ölçümlere göre hava hızının zeminin siyaha boyanmasının ardından %8’lik
bir artış gösterdiği görülmektedir (Şekil 4.8.).
4,5
01.08.2006 mil üzeri hava hızı
19.08.2008 mil üzerinde hava hızı
19.08.2008 verilerine göre teorik hava hızı
hava hızı (m/s)
4
3,5
3
2,5
zam an H
2
11:09:03
11:19:03
11:29:03
11:39:03
11:49:03
11:59:03
12:09:03
12:19:03
Şekil 4. 9. 01.08.2006 ve 19.08.2008 ve 19.08 teorik hava hızı grafiği.
92
12:29:03
Siyah zemin uygulaması ile 2006 yılı hava hızı ölçümleri kıyaslandığı durumda ise
%9,5’lik bir artış görülmüştür (Şekil 4.9.).
70
65
60
sıcaklık C
55
50
45
40
35
30
01.08.2006 V2 nolu böcek
25
19.08.2008 İ.Ü. İsimli Böcek 10 nolu dilim
03
:4
7
04 :01
:3
7
05 :01
:2
7
06 :01
:1
7
07 :01
:0
7
07 :01
:5
7
08 :01
:4
7
09 :01
:3
7
10 :01
:2
7
11 :01
:1
7
12 :01
:0
7
12 :01
:5
7
13 :01
:4
7
14 :01
:3
7
15 :01
:2
7
16 :01
:1
7
17 :01
:0
7
17 :01
:5
7
18 :01
:4
7
19 :01
:3
7
20 :01
:2
7
21 :01
:1
7
22 :01
:0
7:
01
20
zaman H
Şekil 4. 10. 01.08.2006 ve 19.08.2008 doğu dilim böcek sıcaklıkları grafiği.
Yukarıdaki Şekil 4.10.’da sabah 03:47 ile gece 22:27 zaman dilimi için 10 numaralı
dilimde böceklerin sıcaklık değerleri görülmektedir. Siyah zemin etkisi ile ısınan
zeminin sıcaklık yüksekliği yine aşağıda Şekil 4.11.’de görüldüğü gibi güneş etkisini
kaybetse de sürdürmektedir.
70
65
60
sıcaklık C
55
50
45
40
35
30
25
01.08.2006 S3 no lu böcek dışta 2m de
18.08.2008 21 nolu böcek 2mde en dışta
03
:1
3
04 :01
:0
3
04 :01
:5
3
05 :01
:4
3
06 :01
:3
3
07 :01
:2
3
08 :01
:1
3
09 :01
:0
3
09 :01
:5
3
10 :01
:4
3
11 :01
:3
3
12 :01
:2
3
13 :01
:1
3
14 :01
:0
3
14 :01
:5
3
15 :01
:4
3
16 :01
:3
3
17 :01
:2
3
18 :01
:1
3
19 :01
:0
3
19 :01
:5
3
20 :01
:4
3
21 :01
:3
3
22 :01
:2
3:
01
20
zam an H
Şekil 4. 11. 01.08.2006 ve 19.08.2008 tarihlerinde batıda 4 numaralı dilimde böcek
sıcaklıkları grafiği.
93
10 numaralı dilim için siyah zemin uygulaması ile 2006 yılı zemin sıcaklıkları
karşılaştırıldığında %17,5’lik bir artış ortaya çıkmıştır. Bu artışa bağlı olarak güneşin
etkisini yitirdiği saatlerdeki zeminin soğuması daha uzun sürmüştür. Örneğin 4
numaralı dilimde, 2006 yılında saat 19:00 civarında zemin sıcaklığı 35oC iken
19.08.2008 tarihinde bu sıcaklık 45oC civarıdır. 2006 yılında saat 22:30 civarında
zemin yaklaşık 28oC iken 2008 yılında bu değer 38oC civarıdır.
1200
1000
Işınım
800
600
400
200
08.09.2008 ışınım
15.08.2008 ışınım
11
:4
9:
12 18
:0
9:
12 18
:2
9:
12 18
:4
9
13 :18
:0
9:
13 18
:2
9:
13 18
:4
9:
14 18
:0
9
14 :18
:2
9:
14 18
:4
9:
15 18
:0
9:
15 18
:2
9
15 :18
:4
9:
16 18
:0
9:
16 18
:2
9:
16 18
:4
9:
17 18
:0
9
17 :18
:2
9:
17 18
:4
9:
18 18
:0
9:
18 18
:2
9
18 :18
:4
9:
18
0
zam an
Şekil 4. 12. 15.08.2008 ve 08.09.2008 ışınım grafiği.
(Şekil 4.12.) Eylül ayına girilmesiyle birlikte ışınım değerlerinde düşmelerin
olduğunu göstermektedir. Öğle saatlerinde ağustos ayında alınan ışınım değerleri ile
eylül ayındaki ışınım değerleri büyük farklılıklar göstermektedir. Işınımla doğru
orantılı olarak çevre sıcaklıkları da düşmüştür. Bu durum güneş bacasında elde
edilecek değerlere de yansımıştır.
Aşağıda Şekil 4.13.’de görüldüğü gibi referans alınan ve hiçbir yenilik işlemi
yapılmadan deney alınan 15.08.2008 tarihli ölçümlere göre zeminin siyaha boyanmış
ve kollektör içerisinde su sistemi uygulanmış halindeki kuzey 6 numaralı ve güney 1
numaralı dilimlerde, kollektör girişinden 440 cm uzakta yerden 55 cm yukarda ve
kollektör girişinden 370 cm uzakta ve yerden 50 cm yukarda alınan ölçümler
görülmekte burada 08.09.2008 tarihinde alınan ve kuzey yani sıcak su boru
düzenlemesinin yapıldığı yerde sıcaklıklarda oluşan yükselme görülmektedir. Buna
94
karşın 15.08.2008 tarihinde öngörüldüğü gibi güney dilim sıcaklığı kuzey dilim
sıcaklığından daha yüksektir.
65
60
sıcaklık C
55
50
45
15.08.2008 kuzey dilim dışardan 440cm
de yerden 55cm de
08.09.2008 kuzey dilim dışardan 440cm
de yerden 55cm
08.09.2008 güney dilim370cm 50 cm
40
35
30
zam an H
15.08.2008 güney dilim370cm 50cm
11
:4
9
12 :18
:0
4
12 :18
:1
9:
12 18
:3
4
12 :18
:4
9
13 :18
:0
4
13 :18
:1
9
13 :18
:3
4
13 :18
:4
9
14 :18
:0
4
14 :18
:1
9
14 :18
:3
4
14 :18
:4
9
15 :18
:0
4
15 :18
:1
9
15 :18
:3
4
15 :18
:4
9
16 :18
:0
4
16 :18
:1
9:
16 18
:3
4
16 :18
:4
9
17 :18
:0
4
17 :18
:1
9
17 :18
:3
4:
19 18
:0
4:
18
25
Şekil 4. 13. 15.08.2008 ve 08.09.2008 kuzey dilim dışarıdan 440 cm’ de güney dilim
370 cm’ de zeminden 50 cm yüksekte sıcaklık ölçüm grafiği.
7
15.08.2008 273cm de
hava hızı m/s
6
08.09.2008 273cm de
5
4
3
2
15
:5
1:
15 53
:5
4:
15 53
:5
7:
16 53
:0
0:
16 53
:0
3:
16 53
:0
6:
16 53
:0
9:
16 53
:1
2:
16 53
:1
5:
16 53
:1
8:
16 53
:2
1:
16 53
:2
4:
16 53
:2
7:
16 53
:3
0:
16 53
:3
3:
16 53
:3
6:
16 53
:3
9:
16 53
:4
2:
16 53
:4
5:
16 53
:4
8:
16 53
:5
1:
16 53
:5
4:
16 53
:5
7:
17 53
:0
0:
53
1
zam an H
Şekil 4. 14. 15.08.2008 ve 08.09.2008 yerden 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği.
Yukarıda Şekil 4.14.’de güneş bacası kollektör alanı içerisinde sıcak su tesisatı
çalıştırılmadan sadece içerisinde statik halde su bulundurulduğu andaki hava hızı
değerlerinin grafiği görülmektedir. Alınan hava hızı değerleri baca içerisinde yerden
273 cm mesafede alınmıştır. 08.09.2008 tarihinde yapılan deneylerde 6, 7, 8
95
numaralı dilimlerin kapakları kapalı konumdadır. Bu durumda elde edilen verilere
göre 15.08.2008 tarihinde yapılan hava hızı ölçümleri ile 08.09.2008 tarihli hava
hızları ölçümleri arasında %12,8’lik bir farkın bulunduğu ortaya çıkmaktadır.
Kapakların kapalı oldukları andaki kollektör içerisi sıcaklık durumu aşağıda Şekil
4.15.’de ki gibi 02.08.2006 yılında yapılan ölçüm ile karşılaştırılmıştır.
65
60
55
sıcaklık C
50
45
40
08.09.2008 4 numralı böcek
02.08.2006 9 numaralı böcek
35
30
25
zam an H
08
:0
1
08 :01
:3
1
09 :01
:0
1:
09 01
:3
1
10 :01
:0
1:
10 01
:3
1
11 :01
:0
1
11 :01
:3
1
12 :01
:0
1
12 :01
:3
1
13 :01
:0
1:
13 01
:3
1
14 :01
:0
1
14 :01
:3
1
15 :01
:0
1
15 :01
:3
1
16 :01
:0
1
16 :01
:3
1
17 :01
:0
1
17 :01
:3
1
18 :01
:0
1
18 :01
:3
1
19 :01
:0
1:
19 01
:3
1
20 :01
:0
1
20 :01
:3
1:
01
20
Şekil 4. 15. 02.08.2006 ve 08.09.2008 böcek sıcaklık ölçüm grafiği.
08.09.2008 273cmde hava hızı
hava hızı (m/s)
6
5
4
3
2
08.09.2008 273cmde
hava hızı
1
14:24:53
14:21:53
14:18:53
14:15:53
14:12:53
14:09:53
14:06:53
14:03:53
14:00:53
13:57:53
13:54:53
13:51:53
13:48:53
13:45:53
13:42:53
13:39:53
13:36:53
13:33:53
13:30:53
13:27:53
13:24:53
13:21:53
13:18:53
13:15:53
0
zaman (saat)
Şekil 4. 16. 08.09.2008 yerden 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği.
Yukarıda Şekil 4.16.’da görülen hava hızı değerleri alınırken aynı anda güneş bacası
üzerindeki atomize su sistemi çalıştırılmıştır. Şekilden de görüldüğü gibi hava hızı
değerlerinde çok bir değişim gözlenmemiştir. Atomize su etkisinin baca tepesi
96
üzerinde bir kapak etkisi oluşturmuş çekişte sıcaklık farkından dolayı oluşacak hava
hızı artışı gözlenmemiştir.
1200
19.08.2008 120 cm de ışınım
sensörü
08.09.2008 120 cm de ışınım
sensörü
ışınım (W/m2)
1000
800
600
400
200
11
:5
0
12 :01
:1
0
12 :01
:3
0
12 :01
:5
0
13 :01
:1
0
13 :01
:3
0:
13 01
:5
0
14 :01
:1
0
14 :01
:3
0:
14 01
:5
0
15 :01
:1
0
15 :01
:3
0
15 :01
:5
0
16 :01
:1
0
16 :01
:3
0
16 :01
:5
0
17 :01
:1
0:
17 01
:3
0
17 :01
:5
0
18 :01
:1
0
18 :01
:3
0
18 :01
:5
0
19 :01
:1
0
19 :01
:3
0
19 :01
:5
0:
01
0
zaman (saat)
Şekil 4. 17. 19.08.2008 ve 08.09.2008 ışınım ölçüm grafiği.
Sadece siyah zemin uygulaması ile kollektör içerisine konumlandırılan zemin ısıtma
su borularının karşılaştırılmasında birinci dereceden etkili olan etmenlerden biri
ışınımdır. Yukarıda Şekil 4.17.’de gün içerisindeki ışınım değerleri gözükmektedir.
4
3,8
3,6
hava hızı (m/s)
3,4
3,2
3
2,8
2,6
19.08.2008 273cm
08.09.2008 273 cm
2,4
2,2
10
:5
5
10 :53
:5
9:
11 53
:0
3
11 :53
:0
7:
11 53
:1
1
11 :53
:1
5:
11 53
:1
9
11 :53
:2
3:
11 53
:2
7
11 :53
:3
1
11 :53
:3
5
11 :53
:3
9:
11 53
:4
3
11 :53
:4
7:
11 53
:5
1
11 :53
:5
5
11 :53
:5
9
12 :53
:0
3
12 :53
:0
7
12 :53
:1
1
12 :53
:1
5
12 :53
:1
9
12 :53
:2
3
12 :53
:2
7
12 :53
:3
1
12 :53
:3
5:
12 53
:3
9
12 :53
:4
3:
12 53
:4
7:
53
2
zam an (saat)
Şekil 4. 18. 19.08.2008 ve 08.09.2008 yerden 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği.
97
Yukarıda (Şekil 4.18.) baca üzerinde sadece siyah zemin uygulanması yapılmış hali
ve siyah zeminle birlikte zeminde su sistemi yapıldıktan sonra alınan hava hızı
değerleri görülmektedir. Hava hızı değerleri ortalaması alındığında yaklaşık olarak
%9’ a yakın bir değerde yükselme gözlemlenmektedir. Verilen grafik için kollektör
içinde bulunan borularda herhangi bir akış olmayıp akışkan durağan haldedir.
5, 6, 7 numaralı dilimlerde siyah zemin üzerine yapılan sıcak su sistemindeki
neticesinde 6 numaralı dilimde kollektör girişinden içeriye doğru 440 cm mesafede
ve yerden 55 cm yüksekte elde edilen sıcaklık verileri aşağıda şekil 4.19.’da ki
gibidir. Gün içerisinde boru içerisindeki suyunda ışınım vasıtasıyla aldığı ısı
enerjisini ortamdaki havaya iletmesi ile ortam sıcaklığında bir artış olduğu
görülmektedir. Bu artış yaklaşık %7’dir. Eylül ayı içerisinde yapılan bu deneyde
ışınım ve sıcaklık değerleri yukarıda belirtildiği gibi daha düşük olmasına karşın
kuzey dilim kollektör içi sıcaklıklarda artış gözlemlenmiştir. Eylül ayında yapılan bu
deneyin 2009 yılı ağustos ayında tekrarlanması neticesinde bu artış oranının çok daha
fazla olacağı ortaya çıkmaktadır. Aynı zamanda güney dilimde alınan veriler
göstermektedir ki güney dilim üzerinde yerden 50cm yüksekte hava sıcaklığı kuzey
dilime göre daha düşük kalmıştır. Sadece siyah zemin uygulamasının yapıldığı
zaman alınan ölçümlerdeki sıcaklık verileri eylül ayında alınan ölçümlere göre daha
yüksektir. Örneğin bacanın güney kısmında ağustos ve eylül aylarında yapılan
ölçümler kıyaslandığı zaman (Şekil 4.20.) eylül ayındaki ortam sıcaklığının daha
düşük olduğu görülmektedir. Buna göre kuzey dilimlere uygulanan zeminden ısıtma
sisteminin kuzey dilimdeki yaptığı artışlar kayda değerdir.
98
65
60
sıcaklık C
55
50
45
40
35
19.08.2008 kuzey dilim 440cm de yerden 55cm de
30
08.09.2008 kuzey dilim 440cm de yerden 55cm de
25
10
:4
5
11 :05
:0
5
11 :05
:2
8
11 :02
:4
8
12 :02
:0
8
12 :02
:2
8
12 :02
:4
8
13 :02
:0
8
13 :02
:2
8
13 :02
:4
8
14 :02
:0
8
14 :02
:2
8
14 :02
:4
8
15 :02
:0
8:
15 02
:2
8
15 :02
:4
8
16 :02
:0
8
16 :02
:2
8
16 :02
:4
8
17 :02
:0
8
17 :02
:2
8:
18 02
:5
8
19 :37
:1
8
19 :37
:3
8
19 :37
:5
8:
37
20
zaman H
Şekil 4. 19. 19.08.2008 ve 08.09.2008 kuzey dilim 440 cm’ de yerden 55 cm’ de
sıcaklık ölçüm grafiği.
65
60
sıcaklık C
55
50
45
40
35
19.08.2008 güney dilim 370 cm de zeminden 50 cm yukarda
08.09.2008 güney dilim 370 cm de zeminden 50 cm yukarda
30
11
:5
0
12 :01
:1
0
12 :01
:3
0
12 :01
:5
0:
13 01
:1
0
13 :01
:3
0
13 :01
:5
0
14 :01
:1
0
14 :01
:3
0:
14 01
:5
0
15 :01
:1
0
15 :01
:3
0
15 :01
:5
0
16 :01
:1
0
16 :01
:3
0
16 :01
:5
0:
17 01
:1
0
17 :01
:3
0
17 :01
:5
0
18 :01
:1
0
18 :01
:3
0
18 :01
:5
0
19 :01
:1
0
19 :01
:3
0
19 :01
:5
0:
01
25
zaman H
Şekil 4. 20. 19.08.2008 ve 08.09.2008 güney dilim 370 cm’ de yerden 50 cm
yukarıda sıcaklık ölçüm grafiği.
Yine eylül ayının 9’un da alınan ölçümlerdeki güney dilim ile kuzey dilim kollektör
sıcaklıkları da bir gün önce yani 08.09.2008 tarihinde alınan ölçümlere paraleldir
(Şekil 4.21. ve Şekil 4.22.).
99
65
60
sıcaklık C
55
50
45
40
35
30
10
:0
7
10 :04
:3
2
10 :04
:5
7
11 :04
:2
2
11 :04
:4
7
12 :04
:1
2
12 :04
:3
7
13 :04
:0
2
13 :04
:2
7
13 :04
:5
2
14 :04
:1
7
14 :04
:4
2
15 :04
:0
7
15 :04
:3
2
15 :04
:5
7
16 :04
:2
2
16 :04
:4
7
17 :04
:1
2
17 :04
:3
7
18 :04
:0
2
18 :04
:2
7
18 :04
:5
2
19 :04
:1
7
19 :04
:4
2:
04
25
19.08.2008 güney dilim 370 cm de zeminden 50 cm
yukarda
09.09.2008 güney dilim 370 cm de zeminden 50 cm
yukarda
zam an H
Şekil 4. 21. 19.08.2008 ve 09.09.2008 güney dilim 370 cm’ de yerden 50 cm
60
55
sıcaklık C
50
45
40
35
30
09.09.2008 kuzey dilim 440cm de yerden 10cm
yukarda
19.08.2008 kuzey dilim 440cm de yerden 10cm
yukarda
08
:5
3
09 :53
:1
8
09 :53
:4
3
10 :53
:0
8
10 :53
:3
3
10 :53
:5
8
11 :53
:2
3
11 :53
:4
8
12 :53
:1
3
12 :53
:3
8
13 :53
:0
3:
13 53
:2
8
13 :53
:5
3
14 :53
:1
8
14 :53
:4
3
15 :53
:0
8
15 :53
:3
3
15 :53
:5
8
16 :53
:2
3:
16 53
:4
8
17 :53
:1
3
18 :53
:4
2
19 :10
:0
7:
19 10
:3
2
19 :10
:5
7:
10
25
zam an H
Şekil 4. 22. 19.08.2008 ve 09.09.2008 kuzey dilim 440 cm’ de yerden 10 cm
09.09.2008 tarihinde öğlen saat aralıklarında yaklaşık olarak saat 11:30dan 14:00e
kadar güneş ışınımının en yüksek olduğu değerlerde güneş kulesi sisteminin
denenmesi için heliostat aynalar güneş kulesi alıcısı görevi yapan baca üzerindeki
kollektöre her dakika içerisinde kendini güneşe göre yenileyerek yansıma yapması
sağlanmıştır. Aynı zamanda alıcıya su pompalanmış ve alıcıya giren su sıcaklığı ile
dönüş suyu sıcaklığı ölçümleri alınmıştır (Şekil 4.23.).
100
80
09.09.2008
70
60
50
40
sıcaklık C
13:57:56
13:51:56
13:45:56
13:39:56
13:33:56
13:03:56
12:57:56
12:51:56
12:45:56
12:39:56
12:33:56
12:27:56
12:21:56
12:15:56
12:09:05
12:03:05
11:57:05
11:51:05
11:45:05
11:39:05
11:33:19
0
13:27:56
M02: "Alıcıdan gelen" günısıya
giren ön ısıtılmış soğuksu vana 9
zaman H
13:21:56
10
M01: Alıcıya giden soğuksu vana
12 yanı
13:15:56
20
13:09:56
30
Şekil 4. 23. M01 ve M02 Alıcıya giden ve alıcıdan dönen akışkan sıcaklık grafiği.
4,5
4
19.08.2008 273cm de hava hızı
hava hızı (m/s)
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
zam an (saat)
17
:3
0
17 :17
:3
5:
17 17
:4
0
17 :17
:4
5:
17 17
:5
0
17 :17
:5
5:
18 17
:0
0
18 :17
:0
5:
18 17
:1
0:
18 17
:1
5
18 :17
:2
0:
18 17
:2
5
18 :17
:3
0:
18 17
:3
5
18 :17
:4
0:
18 17
:4
5:
18 17
:5
0
18 :17
:5
5:
19 17
:0
0
19 :17
:0
5:
19 17
:1
0
19 :17
:1
5:
19 17
:2
0
19 :17
:2
5:
19 17
:3
0:
17
0
Şekil 4. 24. 19.08.2008 ve 09.09.2008 273 cm’ de ölçülen hava hızı grafiği.
Eylül ayının 9’unda saat 17:30 tan saat 19:30 a kadar kollektör zemininde pompa
vasıtasıyla akışkanın hareketi sağlanmış ve hava hızı değerleri 19.08.2008 tarihinde
siyah zemin uygulaması ile karşılaştırılmıştır (Şekil 4.24.).
101
M00: Yerdeki Günısı
sıcaksu çıkış
85
75
M01: Alıcıya giden
soğuksu vana 12 yanı
sıcaklık C
65
55
M02: "Alıcıdan gelen yada
doğal çevrimde depodan
gelen" günısıya giren
M03: Yerden ısıtmaya
giden sıcaksu vana7 yanı
45
35
zam an H
13
:2
4
13 :09
:2
6:
13 09
:2
8
13 :09
:3
0:
13 09
:3
2
13 :09
:3
4
13 :09
:3
6:
13 09
:3
8
13 :09
:4
0:
13 09
:4
2
13 :09
:4
4
13 :09
:4
6
13 :09
:4
8:
13 09
:5
0
13 :09
:5
2:
13 09
:5
4
13 :09
:5
6:
13 09
:5
8
14 :09
:0
0
14 :09
:0
2:
14 09
:0
4
14 :09
:0
6:
09
25
M04: Yerden ısıtmadan
gelen soğuksu vana 8 yanı
Yukarıdaki Şekil 4.25.’de 10.09.2008 tarihinde sıcak su sistemi 13:25’te
çalıştırılmaya başlanmıştır. Sıcaklık verileri almemo el terminaline kaydedilmiştir.
M00 isimli sensör giriş konektörü yerde bulunan gün ısı platformunda ısınmış
akışkanın sıcaklığı vermektedir. Gün ısı platformundan çıkan akışkan ceketli depoya
girmektedir. burada elde edilen sıcaklıklar 750C ortalamasındadır. M01 isimli sensör
girişi güneş bacası üzerinde alıcı görevi yapan gün ısısına giren soğuk su sıcaklığını
göstermektedir. Ortalama olarak 360C sıcaklık verileri elde edilmiştir. M02 eğer alıcı
çalıştırıldığı zaman güneş bacası tepesinde bulunan alıcıdan aşağı inen akışkanın
sıcaklığını ölçerken alıcı vanaları kapatıldığında gün ısı platformu çıkışına bağlanmış
ceketli depo ısısını vermiş akışkanın sıcaklığını göstermektedir. Yukarıdaki grafikte
bulunan M02 sıcaklığı alıcı dönüş sıcaklığı değildir. Ceketli depodan ısısını vermiş
akışkan sıcaklığını temsil etmektedir. M03 sensör girişi ceketli depodan ısınmış
olarak çıkan ve güneş bacası kollektör alanına giren zemin üzerindeki kollektör içi
ortam havasını ısıtacak sisteme girmektedir. Kayıt cihazı üzerindeki M04 sensör
girişi ise baca kollektörü içerisinde ısısını vermiş olarak dönen akışkanın sıcaklığını
göstermektedir. Yukarıdaki grafik ölçüm sırasında kollektör içerisinde dolaşan boru
hattında ısısını kaybetmediği kollektör giriş ve çıkış sıcaklıklarının birbirine yakın
olduğu görülmektedir. Yani kollektör içerisinde hava sıcaklığı olsun, su sıcaklığı
olsun birbirine çok yakın olmaları ısı transferinin az olmasına neden olmuştur. Saat
13:25’te başlatılan işlemler durdurulup tekrar saat 16:00 başlatılmıştır (Şekil 4.26.)
102
Gün içerisinde öğleden sonra ışınım değerlerinin düşmesi ile baca kollektörü
içerisinde ortamdaki hava sıcaklığı da düşer. Bu negatif etkinin zeminden ısıtma
sistemini devreye sokarak ortadan kaldırılıp kaldırılamayacağı incelenmiştir. Bunun
neticesinde mevcut hava hızı değerlerinin önceki verilere göre düşmek yerine sabit
ya da daha yavaş bir azalma yapması amaçlanmıştır.
M00: Yerdeki Günısı
sıcaksu çıkış
70
60
M01: Alıcıya giden
sıcaklık C
50
40
M02: "Alıcıdan gelen yada
doğal çevrimde depodan
gelen" günısıya giren
30
M03: Yerden ısıtmaya
giden sıcaksu vana7 yanı
20
10
zam an H
19:14:28
19:08:48
19:03:08
18:57:28
18:51:48
18:46:08
18:40:28
17:42:00
17:36:20
17:30:40
17:25:00
17:19:20
17:13:40
17:08:00
17:02:20
16:56:40
16:51:00
16:45:20
16:39:40
16:34:00
16:28:20
16:22:40
16:17:00
16:11:20
16:05:40
16:00:00
0
M04: Yerden ısıtmadan
gelen soğuksu vana 8
yanı
60
50
40
20
sıcaklık C
30
15.08.2008 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek
10
zam an H
10
:1
4:
10 01
:3
4:
10 01
:5
4:
11 01
:1
4:
11 01
:3
4:
11 01
:5
4:
12 01
:1
4:
12 01
:3
4:
12 01
:5
4:
13 01
:1
4:
13 01
:3
4:
13 01
:5
4:
14 01
:1
4:
14 01
:3
4:
01
14
:5
4:
15 01
:1
4:
15 01
:3
4:
15 01
:5
4:
16 01
:1
4:
16 01
:3
4:
16 01
:5
4:
17 01
:1
4:
17 01
:3
4:
17 01
:5
4:
18 01
:1
4:
18 01
:3
4:
18 01
:5
4:
19 01
:1
4:
19 01
:3
4:
01
0
Şekil 4. 27. 15.08.2008, 10.09.2008 ve12.09.2008, 7 numaralı dilim 9 numaralı
böcek sıcaklık grafiği.
103
Yukarıda Şekil 4.27’de saat 16:00’ da kollektör zeminine sıcak su basılması
neticesinde elde edilen ortam sıcaklığı ve 15.08.2008 ile 12.09.2008 günü için aynı
saatte 7 numaralı dilimde sıcaklık değerleri görülmektedir.
M00: Yerdeki Günısı sıcaksu çıkış
70
60
M01: Alıcıya giden soğuksu vana
12 yanı
50
M02: "Alıcıdan gelen yada doğal
çevrimde depodan gelen" günısıya
giren soğuksu vana 9 yanı
40
M03: Yerden ısıtmaya giden
sıcaksu vana7 yanı
30
20
M04: Yerden ısıtmadan gelen
10
10.09.2008 273CM DE hava hızı*5
zam an H
16
:0
0
16 :40
:0
6
16 :40
:1
2
16 :40
:1
8
16 :40
:2
4
16 :40
:3
0
16 :40
:3
6
16 :40
:4
2
16 :40
:4
8
16 :40
:5
4
17 :40
:0
0
17 :40
:0
6
17 :40
:1
2
17 :40
:1
8
17 :40
:2
4
17 :40
:3
0
17 :40
:3
6
17 :40
:4
2:
40
0
Şekil 4. 28. Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş – çıkış sıcaklık ve hava hızı
grafiği.
Yukarıdaki şekil 4.28’de su tesisatı sıcaklıkları ile birlikte aynı süre zarfında baca
içerisinde yerden 273cm’de alınan hava hızı değerleri görülmektedir. Aslında gün
içerisinde geçen süre ile akşam saatlerine doğru hava hızı değerlerinde düşme
görülmesi gerekirken, su sisteminin çalıştırılmasıyla birlikte, değerler sabit hatta
yukarı yönlü bir hareket göstermiştir.
Aşağıda şekil 4.29.’da 15.08.2008 ile 10.09.2008 tarihlerinde baca içerisinde yerden
273 cm’ deki hava hızları gözükmektedir. Eylül ayının 10’unda gün içerisinde ışınım
azlığından ve kollektör içi ortam sıcaklıkların azlığından oluşan hava hızı düşüşü,
sıcak su sistemin çalıştırılması ile görülmemiştir. Yapılan ölçümde kollektör
içerisindeki sıcak su sistemi aktif hale getirildiğinde hava hızlarında %24,5’e yakın
artış oluşmuştur.
104
hava hızı (m/s)
6,5
6
5,5
5
4,5
4
3,5
3
2,5
zam an (saat)
16
:0
0
16 :49
:0
4
16 :49
:0
8:
16 49
:1
2
16 :49
:1
6:
16 49
:2
0
16 :49
:2
4
16 :49
:2
8:
16 49
:3
2
16 :49
:3
6
16 :49
:4
0:
16 49
:4
4
16 :49
:4
8
16 :49
:5
2
16 :49
:5
6:
17 49
:0
0
17 :49
:0
4
17 :49
:0
8
17 :49
:1
2:
17 49
:1
6
17 :49
:2
0
17 :49
:2
4
17 :49
:2
8:
17 49
:3
2
17 :49
:3
6:
17 49
:4
0
17 :49
:4
4
17 :49
:4
8:
49
2
Şekil 4. 29. 15.08.2008 ve 10.09.2008, 273 cm’ de hava hızı ölçüm grafiği.
4,5
4
3,5
3
2
1,5
hava hızı
2,5
10.09.2008 Teorik hava hızı
1
0,5
zam an
0
16:00:49
16:10:49
16:20:49 16:30:49
16:40:49
16:50:49
17:00:49
17:10:49
17:20:49 17:30:49
17:40:49
17:50:49
Şekil 4. 30. 15.08.2008 ve 10.09.2008 ölçülen ve hesaplanan hava hızı grafiği.
Yukarıda şekil 4.30’da üzerinde eylül ayının 10’u için hem teorik olarak hesaplanmış
hava hızı değerleri, hem de ölçülmüş değerleri ile birlikte hiçbir yenilik işlemi
yapılmadan önceki alınan hava hızı ölçüm değerlerinin 10’ar dakikalık ortalamaları
bulunmaktadır. Sıcak su sisteminin aktif hale getirilmesi ile hava hızı değerlerindeki
artış yukarıda şekil 4.29.’daki gibi açıkça görülmektedir. Hava hızı sistemin
çalıştırılması ile düşüş yerine yukarı yönlü hareket göstermektedir.
105
60
50
40
20
sıcaklık C
30
10
zam an H
10
:1
4:
10 01
:3
4:
10 01
:5
4:
11 01
:1
4:
11 01
:3
4:
11 01
:5
4:
12 01
:1
4:
12 01
:3
4:
12 01
:5
4:
13 01
:1
4:
13 01
:3
4:
13 01
:5
4:
14 01
:1
4:
14 01
:3
4:
01
14
:5
4:
15 01
:1
4:
15 01
:3
4:
15 01
:5
4:
16 01
:1
4:
16 01
:3
4:
16 01
:5
4:
17 01
:1
4:
17 01
:3
4:
17 01
:5
4:
18 01
:1
4:
18 01
:3
4:
18 01
:5
4:
19 01
:1
4:
19 01
:3
4:
01
0
Şekil 4. 31. 15.08.2008 ve 10.09.2008 -12.09.2008, 7 numaralı dilim 9 numaralı
böcek sıcaklık grafiği.
Yukarıda şekil 4.31.’de güneş bacasında herhangi bir yenilik yapılmadan ağustos
ayında ışınımın ve çevre sıcaklığının daha yüksek olduğu zamanlarda ölçülen kuzey
dilimdeki sıcaklık verileri ile 10 -12 eylül' de siyah zemin üzerinde sıcak su sistemi
çalıştırılmadan ve çalıştırılmış durumların olduğu gün boyu veriler verilmiştir. Sıcak
su sistemi saat 16:00’ da çalıştırılmaya başlanmıştır. Sıcaklık verilerinin birbirine
yaklaştığı ve buna bağlı olarak baca kollektörü içerisinde sıcaklık düşüş eğiminin
azalması gözlemlenmektedir. Bununla birlikte 12.09.2008 tarihinde zemin üzerinde
bulunan sıcak su sistemi çalıştırılmadığında alınan sıcaklık verileri ayın 10’unda
sistemin çalıştırıldığı zamanlarda alınan verilere göre daha düşüktür.
Deneyler sırasında 11.09.2008 tarihinde baca saat 15:30’dan 17:30’a kadar şebeke
suyu ile yıkanmış baca ve kollektör içerisinde sıcaklık düşüşü oluşturulmuştur.
Sıcaklık düşüşünün kıyaslanabilinmesi için bir gün önce alınan gün boyu güney
dilim sıcaklıkları aşağıda Şekil 4.32’de ki gibidir. Bilindiği üzere güney dilimlerinde
siyah zemin uygulaması haricinde başka bir yenilik uygulaması yapılmamıştır.
106
50
10.09.2008 8 numaralı dilim 1numaralı böcek
sıcaklık
11.09.2008 8 numaralı dilim 1numaralı böcek
sıcaklık
40
35
sıcaklık C
45
30
25
zam an H
23:38:01
23:08:01
22:38:01
22:08:01
21:38:01
21:08:01
20:38:01
20:08:01
19:38:01
19:08:01
18:38:01
18:08:01
17:38:01
17:08:01
16:38:01
16:08:01
15:38:01
15:08:01
14:38:01
14:08:01
13:38:01
13:08:01
12:38:01
12:08:01
11:38:01
11:08:01
10:38:01
10:08:01
09:38:01
09:08:01
08:38:01
08:08:01
07:38:01
07:08:01
20
Şekil 4. 32. 10.09.2008 ve 11.09.2008, 8 numaralı dilim 1 numaralı böcek sıcaklık
grafiği.
Güneş bacasının yıkanmasının etkisiyle saat 17:30’ dan sonra kollektör içerisindeki
sıcaklık düşüşü yaşanmaktadır. Bu düşüşe bağlı olarak baca içerisinde 10.09.2008
tarihinde saat 18:30 – 20:00 aralığında onar dakikalık ortalama değerler şeklinde
sıcaklık verileri ile birlikte aşağıda Şekil 4.33.’de görülmektedir. Sıcaklık
değerlerinde yaklaşık 100C fark baca hızlarında da yaklaşık %42’lik bir fark ortaya
çıkmaktadır.
4
35
3,5
30
25
2,5
20
2
1,5
1
0,5
15
10
10.09.2008 8 numaralı dilim
1numaralı böcek sıcaklık
11.09.2008 8 numaralı dilim
1numaralı böcek sıcaklık
5
0
sıcaklık C
hava hızı (m/s)
3
0
18:28:01 18:38:01 18:48:01 18:58:01 19:08:01 19:18:01 19:28:01 19:38:01 19:48:01 19:58:01
zaman H
Şekil 4. 33. 10.09.2008 ve 11.09.2008 hava hızı ve 1 numaralı böcek sıcaklık grafiği.
107
10.09.2008 tarihinde kollektör içerisinde zemin sıcak su sisteminin çalıştırılmasında
elde edilen verilerin aynı ay içerisinde birbirine yakın tarihlerde akşamüzeri oluşacak
hava hızlarının değerlendirilmesinin yapılabilinmesi için 13.09.2008 tarihinde alınan
ölçümlerdeki baca içi hava hızı değerleri ele alınmıştır. Sistem 13.09.2008’de
çalıştırılmamıştır. Buna karşın 10.09.2008 tarihinde saat 16:00’dan itibaren kollektör
zeminine pompa vasıtasıyla sıcak su aktarılmıştır. Aşağıda Şekil 4.34. saat 15:00 ile
19:50 arasındaki ölçümleri kapsamaktadır. Saat 15:00 civarlarında kollektör içerisi
sıcaklıkları, çevre sıcaklıkları ve baca hızları birbirine çok yakın iken saat 16:00 dan
itibaren çalıştırılan sıcak su sisteminin rejime girmesi ile birlikte baca hızlarında
oluşan farklılıklar gözlenmektedir. Sıcak su sisteminin verimli çalışması ile birlikte
saat 16:30’ dan sonra değişim gösteren hava hızları yaklaşık %29 farklılık
göstermektedir.
6
5,5
5
hava hızı (m/s)
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
20:00:48
19:50:48
19:40:48
19:30:48
19:20:48
19:10:48
19:00:48
18:50:48
18:40:48
18:30:48
18:20:48
18:10:48
18:00:48
17:50:48
17:40:48
17:30:48
17:20:48
17:10:48
17:00:48
16:50:48
16:40:48
16:30:48
16:20:48
16:10:48
16:00:48
15:50:48
15:40:48
15:30:48
15:20:48
15:10:48
15:00:29
1
zaman H
Şekil 4. 34. 10.09.2008 ve 13.09.2008 yerden 273 cm’ de ölçülen hava hızı grafiği.
Güneş bacası üzerinde araştırılan performans arttırıcı yöntemlerden bir diğeri olan
baca kollektör alanının arttırılması çalışmasında alınan verilerin güneş bacasında
hiçbir yenilik yapılmadan alınan veriler ile yan yana getirilmesiyle kollektör alanının
arttırılmasında hava hızı değerlerinde ne gibi değişimlerin olacağı aşağıda Şekil 4.35.
görülmektedir. Kollektör alanının arttırılması gün içerisinde hava hızı değerlerinin
108
artmasını sağlamış güneşin etkisini yitirmesi ve ışımanın düşme gösterdiği zaman
dilimi içerisinde çevre sıcaklığı ile baca kollektörü içerisindeki hava sıcaklık
farklarının artması hava hızında yüksek artışların oluşmasını sağlamıştır.
5
4,5
4
3
2,5
2
hava hızı
3,5
10.09.2008 ölçülmüş ve ortalaması alınan hız
1,5
10.09.2008 teorik hesaplanan hız
1
0,5
13.09.2008 ölçülmüş ve ortalaması alınan hız
zam an
20:00:48
19:50:48
19:40:48
19:30:48
19:20:48
19:10:48
19:00:48
18:50:48
18:40:48
18:30:48
18:20:48
18:10:48
18:00:48
17:50:48
17:40:48
17:30:48
17:20:48
17:10:48
17:00:48
16:50:48
16:40:48
16:30:48
16:20:48
16:10:48
16:00:48
15:50:48
15:40:48
15:30:48
15:20:48
15:10:48
15:00:29
0
Şekil 4. 35. 10.09.2008 ve 13.09.2008 ölçülen ve hesaplanan hava hızı grafiği.
Yukarıdaki şekil 4.35.’de, bir üstte anlık olarak kaydedilen hava hızı değerlerinin
hesaplanan teorik hava hızı değerleri ile karşılaştırılması bulunmaktadır. Bu
karşılaştırılma için ölçümler sırasında 10’ar dakikalık alınan sıcaklık değerlerinin
kullanılmasıyla aynı grafik üzerinde 10’ar dakikalık ortalama hava hızı değerleri
birleştirilmiştir. Hesaplanan hava hızı değerlerinin, ölçülmüş hava hızı değerlerine
yakınlığı, yapılan bu çalışmanın kararlılığını göstermektedir.
6
10.09.2008 hava hızı 273
cm'de
17.09.2008 hava hızı 273
cm'de
hava hızı m/s
5
4
3
2
1
zam an H
Şekil 4. 36. 15.08.2008 ve 17.09.2008 hava hızı grafiği.
109
23:45:49
22:48:49
21:51:49
20:54:49
19:57:49
19:00:49
18:03:49
17:06:49
16:09:49
15:12:49
14:15:49
13:18:49
12:21:49
11:24:49
10:27:49
09:30:49
08:33:49
07:36:49
06:39:49
05:42:49
04:45:49
03:48:49
02:51:49
01:54:49
00:57:49
00:00:49
0
Aşağıda Şekil 4.37.’de eylül ayının 17’sinde saat 00:00’dan ertesi gün 00:00’ a kadar
olan hava hızı değişimi verilmiştir.
hava hızı m/s
4,5
4
3,5
3
2,5
2
1,5
1
0,5
0
17.09.2008 273 cm'de hava hızı
23:06:49
19:57:49
16:20:49
22:03:49
18:54:49
15:31:49
21:00:49
17:51:49
14:42:49
16:48:49
15:45:49
14:42:49
13:39:49
12:36:49
11:33:49
10:30:49
09:27:49
08:24:49
07:21:49
06:18:49
05:15:49
04:12:49
03:09:49
02:06:49
01:03:49
00:00:49
zam an
Şekil 4. 37. 17.09.2008 gün boyu hava hızı değişim grafiği.
hava hızı m/s
6
5
10.09.2008 hava hızı 273
cm'de
4
18.09.2008 hava hızı 273
cm'de
3
2
1
zam an H
19:36:49
18:47:49
17:58:49
17:09:49
13:53:49
13:04:49
12:15:49
11:26:49
10:37:49
09:48:49
08:59:49
08:10:49
07:21:49
06:32:49
05:43:49
04:54:49
04:05:49
03:16:49
02:27:49
01:38:49
00:49:49
00:00:49
0
Şekil 4. 38. 10.09.2008 ve 18.09.2008 hava hızı grafiği.
Yukarıda Şekil 4.38.’de sadece akşam saatlerinde sıcak su sisteminin çalıştırılması
ile sadece kollektör alanının arttırılmasından sonra alınan hava hızı ölçümleri
görülmektedir. Sıcak suyun çalıştırıldığı saat aralıklarında hava hızlarında artış
vardır. Saat 00:00’ dan akşam saat 20:00’a kadar alınan hız ölçümlerine göre
ortalama olarak birbirine yakın değerler elde edilmiştir. Ancak 10 eylül’ de sıcak su
110
sisteminin çalıştırılması ile saat 16:00 – 18:15 arası hız değerleri ayın 10’unda 18’ine
göre %10 artmıştır.
111
5. TARTIŞMA VE SONUÇ
Bu çalışmada güneş bacalarıyla elektrik üretim sistemlerinde konstrüktif
düzenlemeler yapılarak sistem performansının artırılmasına yönelik çalışmalar
incelenmiştir. Bu amaçla sırası ile aşağıdaki düzenlemeler yapılmıştır.
•
Baca kollektör zemininin siyaha boyanması.
•
Baca kollektör zemini üzerine sıcak su tesisatı döşenmesi.
•
Kollektör giriş ağızlarına kapak uygulamasının yapılması.
•
Baca tepesine atomize su sistemi uygulanması.
•
Kollektör alanı altına pomza serilerek ilave kollektör alanı artırım
uygulaması.
•
Güneş bacası ile güneş güç kulesi sistemlerinin bir araya getirilerek hibrid
sistem uygulamasının yapılması.
Yapılan iyileştirmelerden bir tanesi olan baca kollektör zemininin siyaha boyanması
neticesinde sistem performansında % 9,5 oranında bir artış sağlanmıştır. Baca
kollektör zemini üzerine sıcak su tesisatı uygulanması neticesinde siyah zemin
uygulaması ile karşılaştırıldığında akışkan hareket halinde değil iken sistem
performansında % 9 artış sağlanmıştır. Ayrıca kollektör içerisine yerleştirilmiş su
sistemine pompa vasıtasıyla hareket kazandırılıp akış sağlandığında yaklaşık olarak
% 29’luk bir performans artışı görülmüştür. Kollektör giriş ağızlarına kapak
uygulaması işlemi neticesinde kollektör iç sıcaklığında artış gözlenmesine rağmen
sistem performansında bir artış görülmemiştir. Bunun nedeni kollektöre giren hava
sıcaklığı artmış olup, hava debisinin düşük kalmasıdır. Baca tepesine monte edilen
atomize su sistemi baca performansına ilave bir katkıda bulunmamıştır. Bunun
sebebi ise atomize su sisteminin baca üzerine kapak etkisi yaratmasıdır. Kollektör
alanının artırılarak zemine pomza taşı uygulaması yapılması neticesinde sistem
performansında % 10’luk bir artış gözlenmiştir. Ayrıca sistem yerden ısıtma + siyah
zemin uygulaması ile birlikte gece periyotlarında da etkin olarak çalışmıştır. Güneş
112
bacası ile güneş güç kulesi sistemi hibrid olarak uygulandığında ise bacanın akşam
güneş etkisini yitirdiği periyotlarda da sistemin verimli bir şekilde çalışmaya devam
etmesini sağlamıştır. Hibrid uygulama öncesinde ise aksam saatlerinde baca
performansı azalmakta idi. Yerden ısıtma için gerekli ısının hibrid sistem ile
karşılanması neticesinde bu olumsuz durum en azından 1 – 3 saatlik bir periyot için
önlenmiş ve baca performansı iyileştirilmiştir.
Yapılan bu çalışma ile tüm iyileştirmeler neticesinde sistem performansında yaklaşık
olarak % 20’ lik bir artış gözlenmiştir. Yapılan çalışma ülke enerji açığının
azaltılmasına yönelik çabalara bir örnek teşkil etmekte ve yenilenebilir enerji
kaynaklarına olan ilginin artırılmasına katkı sağlamaktadır. Konu ile ilgili yeterince
yerli çalışma ve uygulamanın olmadığı literatüre de bir katkı sağlayacağı açıktır.
Güneş bacası sistemi daha büyük ölçekte uygulanarak enerji açığının azaltılmasına
bir katkı sağlanabilir. Ayrıca alternatif enerji kaynaklarını kullanarak enerji eldesi
uygulamaları sayesinde hem dışa bağımlılık azaltılabilir hem de insanın çevreye
göstermesi gereken saygı artırılabilir.
113
6. KAYNAKLAR
Bauhaus Universitaet Weimar, 2008. İnternet sitesi. http://www.uni-weimar.de/ .
Erişim Tarihi: 18.11.2008.
Bernardes, M.A., Voss, A., Weinrebe, G., 2003. Thermal and technical analyses of
solar chimneys, Solar Energy, 75, 511-524.
Bernardes, M.A., 2004. Technische, ökonomische und ökologische Analyse von
Aufwindkraftwerken, Institut für Energiewirtschaft und Rationelle
Energieanwendung, Universität Stuttgart, 230s. Stuttgart.
Bernardes, M.A., Theodor, W. V. B., Kröger, D. G. 2009, Analysis of some available
heat transfer coefficients applicable to solar chimney power plant collectors.
Solar Energy, Volume83, 267-275.
Bilgen, E,. Rheault, J., 2005. Solar chimney power plants for high latitudes. Solar
Energy, Volume 79, 449-458.
Dai, Y.J., Huang, H.B., Wang, R.Z., 2003. Case study of solar chimney power plants
in Northwestern regions of China.Renewable Energy, V28, S1295-1304.
Disabledartists.net, 2007. İnternet sitesi. http://www.disabledartists.net.
Experiencefestival, 2008. İnternet Sitesi. http://www.experiencefestival.com/solar
chimney history . Erişim Tarihi: 12.02.2009.
Florida University, 2005. Solar Energy and Energy Conversion Laboratory web sitesi
http://seecl.mae.ufl.edu Erişim Tarihi: 08.02.2006
Fluri, T.P., Backström, T., W., V., 2008. Performance analysis of the power
conversion unit of a solar chimney power plant. Solar Energy, V82, S9991008.
Fluri, T., P., Pretorius J.P., Van Dyk C., Von Backström T.W., Kröger D.G., Van
Zijl, G.P.A.G., 2009. Cost analysis of solar chimney power plants. Solar
Energy. V83, S246-256.
Gündüz, L., 2001. Isı Yalıtım Agregası Olarak Pomzanın Kullanımı. Endüstriyel
Hammaddeler Sempozyumu, S118, İzmir, Türkiye.
Günther, H., 1931. In hundert Jahren. Die künftige Energieversorgung der Welt. 74S.
Stuttgart.
Güven,Ş.Y., Üçgül,İ., Şenol,R., 2004. Güneş Enerjisi Isıl Uygulamaları ve Güneş
Kulelerinin İncelenmesi. Mühendis ve Makina, Haziran 2004, Cilt 45, Sayı:
533,Ankara, 17-28.
Harte R., Gideon P.A.G., Van, Z., 2007. Structural stability of concrete wind
turbines and solar chimney towers exposed to dynamic wind action. Wind
Engineering and Industrial Aerodynamics. V95, 1079–1096.
114
Kara, Ö., 2002. Yükselen hava akımlı rüzgar türbinleri İzmir uygulaması,
Ege.Üniversitesi. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, 81s, İzmir.
Ketlogetswe, C.,. Fiszdon, J. K., Seabe, O. O., 2008. Solar chimney power
generation project—The case for Botswana. Renewable and Sustainable
Energy Reviews, V12, S2005-2012.
Koyun, A.,Üçgül, İ.,Acar, M.,2005.Güneş Bacası İle Elektrik Üretim Sisteminin
Tasarımı,Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları /Enerji Yönetimi
Sempozyumu,03-04 Haziran 2005, Kayseri.
Koyun, A., 2006. Güneş bacası ile enerji üretiminin incelenmesi. SDÜ. Fen Bilimleri
Enstitüsü, Doktora Tezi, 142s, Isparta.
Krisst, RJ., K., 1983. Energy transfer system. Alternative Sources of Energy. V63,
s8-11.
Maia, C. B., Ferreira, A. G., Valle, R. M., Cortez, M. F. B., 2009. Theoretical
evaluation of the influence of geometric parameters and materials on the
behavior of the airflow in a solar chimney. Computers & Fluids, V38, S625636.
Ming T., Liu W., Pan Y., Xu G., 2008. Numerical analysis of flow and heat transfer
characteristics in solar chimney power plants with energy storage layer.
Energy Conversion and Managment. V49, S2872-2879.
Nizetic, S., Ninic, N., Klarin, B., 2008. Analysis and feasibility of implementing
solar chimney power plants in the Mediterranean region. Energy Volume 33,
S1680-1690.
Pasumarthi, N., Sherif, S.A., 1998. Experimental and theoretical performance of a
demonstration solar chimney model Part I: Mathematical model development.
International Journal Energy Research, 22, 277-288.
Pasumarthi, N., Sherif, S.A., 1998. Experimental and Theoretical Performance of a
Demonstration Solar Chimney Model Part 2: Experimental And Theoretical
Results And Economic Analysis. International Journal Energy Research, 22,
2443-461.
Pastohr, H., 2004. Thermodynamische Modellierung eines Aufwindkraftwerkes, der
Bauhaus-Universität Weimar, 161s, Weimar.
Petela, R., 2009. Thermodynamic study of a simplified model of the solar chimney
power plant. Solar Energy, V94, S94-107.
Redrok, 2009. İnternet sitesi. www.redrok.com/concept.htm .
Sakonidou, E.P., Karapantsios T.D., Balouktsis A.I., Chassapis D., 2008. Modeling
of the optimum tilt of a solar chimney for maximum air flow. Solar Energy.
V82, S80-94.
SBP, Schlaich Bergermann und Partner, 2006. İnternet sitesi http://www.sbp.de
Erişim Tarihi: 15.08.2008
Schlaich, J., 1995. The Solar Chimney. Edition Axel Menges, 55 s. Stuttgart.
115
Schlaich, J., Bergermann, R., Schiel, W., Weinrebe, G., 2004. Design of Commercial
Solar Updraft Tower Systems - Utilization of Solar Induced Convective Flows for
Power Generation.
Schlaich, J., Partner., 2004, Das Aufwindkraftwerk – Wasserkraftwerk der Wüste.
Nova Acta Leopoldina NF 91, Nr. 339, S.117-141
SEAO, 2009. İnternet sitesi. http://www.seao2.com . Erişim Tarihi: 03.03.2009.
SUTA, 2008. İnternet sitesi. www.suta.org/reunion08/post/Khakzar-6.pdf . Erişim
Tarihi: 18.08.2008.
U.S. Department of Energy, 2008. İnternet sitesi.
http://www.eere.energy.gov/power/pdfs/solar_tower.pdf . Erişim Tarihi:
18.08.2008.
Üçgül, İ., 2005. Güneş Bacası ile Elektrik Enerjisi Üretilmesi. DPT Proje
No:2003K121020.
Tingzhen, M., Wei, L., Guoling, X., Yanbin, X., Xuhu, G., Yuan, P., 2008.
Numerical simulation of the solar chimney power plant systems coupled with
turbine. Renewable Energy, V33, S897-905.
Theodor W., Backström V., Fluri, T. P., 2006. Maximum fluid power condition in
solar chimney power plants – An analytical approach. Solar energy. V80,
S1417-1423.
Weinrebe, G., 2004. Das Aufwindkraftwerk-Wasserkraftwerk der Küste. Nova Acta
Leopoldina NF 91, Nr.339, 117-141.
Süleyman Demirel Üniversitesi, Yenilenebilir Enerji Kaynakları Araştırma ve
Uygulama Merkezi, 2008. İnternet sitesi. http://yekarum.sdu.edu.tr . Erişim
Tarihi: 06.03.2008.
Zhou, X., Yang, J., Xiao, B., Hou, G., 2007. Simulation of a pilot solar chimney
thermal power generating equipment. Renewable Energy, V32, S1637-1644.
Zhou, X., Yang, J., Xiao, B., Hou, G., Xing, F., 2009. Analysis of chimney height for
solar chimney power plant. Applied Thermal Engineering, Volume 29, S178–
185.
Zhou X., Yang J., Ochieng R. M., Li X., Xiao B., 2009. Numerical investigation of a
plume from a power generating solar chimney in an atmospheric cross flow.
Atmospheric research V91, S26-35.
116
ÖZGEÇMİŞ
Adı Soyadı
:Ziya Ramazan YABUZ
Doğum Yeri ve Yılı :Afyonkarahisar, 1984
Medeni Hali
:Bekar
Yabancı Dili
:Almanca, İngilizce
Eğitim Durumu (Kurum ve Yıl)
Lise
: 1999-2002, Afyon Anadolu Öğretmen Lisesi
Lisans
: 2002-2006, Süleyman Demirel Üniversitesi
117

tc süleyman demirel üniversitesi fen bilimleri enstitüsü güneş

Transkript

Benzer belgeler

asat genel müdürlüğü coğrafi bilgi sistemleri veri üretimi ve teslimi

HAZIRLAYANLAR Seval KURUŞCU , Lalin ÖZCAN

Fizik-1 Uygulama-5

Süper Ay tutulmasını kaçırmayın

GOT-It 2.0.1 ile Elektromanyetik Sistemlerin

Kopernik

Affordable and Adaptable Public Buildings through

LDAP Administrator ile Active Directory Yonetimi Active Directory