GÜNEŞ ENERJİSİ

Her geçen gün artan enerji maliyetleri, küresel ısınma ve fosil kaynakların tükenmeye yüz tutması nedeni ile insanlık kolayca elde edebileceği, ucuz ve güvenli enerji kaynaklarının kullanımına yönelmiştir.
Güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içinde evsel kullanımda en kolay kullanılabilecek enerji kaynağı olduğu gibi; aynı zamanda sonsuz bir enerji kaynağı olan güneşimizden elde edilmektedir.
Bazı tahminlere göre güneş enerjisi kullanımı 2030’ a kadar 60 kat büyüyerek enerji kaynakları arasında önemli bir yer tutacaktır. Özellikle Avrupa için evsel ısıtmada ısıtma yükünün %50’sinin güneşten karşılanacağı tahminleri yapılmaktadır.

GÜNEŞLE AKTİF ISITMA SİSTEMLERİ
Güneş enerjisinden yararlanma şekilleri aşağıdaki şekilde olabilir;

• G.E ile ısıtma
• G.E ile sıcak su elde etme
• G.E ile soğutma
• G.E İle elektrik üretimi
• Endüstriyel süreçlerde güneş enerjisinin kullanımı,

Güvenli ve ucuz bir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin evlerde en yaygın kullanım şekillerini aşağıda ki şekilde sıralayabiliriz.

• Kullanma suyu ısıtılması,
• Havuz suyu ısıtılması,
• Güneşle bina ısıtılması,
• Fotovoltaik sistemlerle elektrik enerjisi üretimi,
• Soğutma sistemlerinde güneş enerjisi kullanımı

Bu yazıda güneşle ısıtma sistemlerinden aktif ısıtma sistemleri inceleme konusu olacaktır.
Güneşle ısıtma sistemlerinin tasarımında üzerinde durulması gereken üç önemli konu mevcuttur,

• Termal performansın belirlenmesi,
• Sistemin ekonomikliğinin belirlenmesi,
• Sistemin bina ile estetik uyumunun sağlanması,

Aktif sistemlerin ısıtmada sürekliliğini sağlayabilmek için ikinci bir yardımcı ısıtma sistemine ihtiyaç vardır. Bu yardımcı ısıtma sistemi güneş enerjisinin yeterli olmadığı zamanlarda devreye girerek ısıtmada sürekliliği sağlar. Ancak teknik olarak ısıtma ve soğutma yüklerinin tamamının güneş enerjisinden karşılanması da mümkün olmaktadır. Bu durum sistemin boyutlarının çok büyük ve ilk yatırım maliyetlerinin çok yüksek olmasına sebep olur. Güneşle aktif ısıtma sisteminin işlevselliğini, ısıtma yüklerini karşılama oranı, boyutları ve kendini amorti etme süresi belirler.  
Güneş enerjisinden aktif ısıtma sistemlerinde iki şekilde yararlanılır. Havanın akışkan olarak kullanıldığı ısıtma sistemleri, sıvının akışkan olarak kullanıldığı ısıtma sistemleri olarak sınıflandırabiliriz.

Havalı ısıtma sistemleri sıvı akışkanlı sistemlere göre birkaç avantaja sahiptir. Kollektörlerde kaynama ve donma problemleri görülmez. Aynı zamanda korozyon tehlikesi en aza inmiş durumdadır.
Dezavantajları ise; havanın düşük ısıl kapasitesi nedeni ile sistem verimi düşüktür. İhtiyaç fazlası ısının depolanması zordur. Bina içinde kanal sistemi yapmanın maliyeti fazladır. Eğer varsa ısı depolama sistemi boyutları büyük olmalıdır.
Bütün bunlara karşın havalı ısıtma sistemleri çok daha basit şekilde de tasarlanabilir. Şekil 1. ve Şekil 2. de basit tasarıma sahip havalı ısıtma sistemleri şematik olarak gösterilmiştir.


Şekil 1. de gösterilen sistemde kollektör çıkışındaki hava sıcaklığı T1 sensörü tarafından ölçülür. Oda sıcaklığı T2 sensörü tarafından ölçülür. Ölçülen bu sıcaklıklar kontrol paneline iletilir. Eğer T1 sensörü tarafından ölçülen sıcaklık oda sıcaklığından yüksekse ve ısıtma ihtiyacı varsa kontrol paneli vantilatörü çalıştırarak havanın dolaşımını sağlar. Bu sistem %100 taze hava ile çalışır. Şekil 2 de ise ısı değiştirgeçli ve bypasslı bir havalı güneşle aktif ısıtma sistemi şeması gösterilmiştir. Bu sistemde dış hava ısı değiştirgeci aracılığıyla dışarı atılacak hava ile ön ısıtılır. Bypass damperleri aracılığıyla dışarı atılacak ve içeri alınacak hava miktarları ayarlanır. Sensörler kollektör çıkışında ki hava ve oda havası sıcaklıklarını ölçerler.  Eğer kollektör çıkışında ki hava sıcaklığı oda havası sıcaklığından fazla ise hava kollektörlerden geçirilerek ısınması sağlanır.

Şekil 3. de basit bir sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemi şeması verilmiştir. Bu sistem de güneş kollektörü-depolama birimi, depolama birimi-yardımcı ısıtıcı döngüleri ayrı ayrı kontrol edilebilir.  Güneş enerjisinin yeterli olmadığı yerlerde yardımcı ısıtıcı devreye girmek sureti ile bina ısı yükünü karşılarlar.

Şekil 2 Isı değiştirgeçli bypasslı havalı güneşle aktif ısıtma sistemi[1]

Şekil 3 Basit sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemi

Sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemlerinin en önemli avantajları yüksek kollektör verimleri, küçük depolama birimleri ve absorbsiyonlu iklimlendirme sistemlerine kolayca adapte edilebilmeleri şeklinde sayılabilir. Sistemde su kullanılması donma tehlikesini beraberinde getirse de, bu problemler antifriz kullanılarak veya geri drenaj sistemi (drain-back) gibi sistemlerle önlenebilir.

Günümüzde kullanılan konvansiyonel ısıtma sistemlerinin ortalama 70 C° ( 80 C° gidiş, 60 C° dönüş) sıcaklıkta tasarlanması, buna bağlı olarak küçük yüzey alanına sahip ısıtıcı kullanılması sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemlerinin kullanılmasını zor hale getirmektedir. Düzlemsel kollektörlerde genel olarak kollektör çıkışında akışkan sıcaklığı 80 C° yi geçmemektedir. Depolama biriminde depolanan suyun sıcaklığı 80 C° nin altında olmaktadır. Bu durumda mahal ısıtması için kullanılan ısıtıcı cihaz devresinde düşük sıcaklıkta sıvı dönmektedir. Bir başka deyişle sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemleri; konvansiyonel sistemlere göre daha fazla ısıtma yüzeyi gerektirdiğinden, panel ısıtma sistemleri veya yerden ısıtma sistemlerinin kullanıldığı binalarda daha verimli çalışmaktadır.

Sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemlerinin çalışmaları sırasında beş durum meydana gelebilir.

1. Güneş enerjisi bina ısıtma ihtiyacından fazla; kollektörlerden elde edilen ısı depolama biriminde depolanır.
2. Güneş enerjisi yeterli ve bina ısıtma ihtiyacı duyuyor; kollektörlerden elde edilen ısı bina ısıtmasın da kullanılır.
3. Güneş enerjisi yetersiz, bina ısıtma ihtiyacı duyuyor; gerekli ısı depolama biriminden sağlanır.
4. Güneş enerjisi yetersiz, bina ısıtma ihtiyacı duyuyor ancak depolama biriminde ki ısı yetersiz; ısı ihtiyacı yardımcı ısıtıcıdan karşılanır.
5. Durum da bina ısıtma ihtiyacı duymuyor, depolama birimi kapasitesi tamamen dolmuş durumda ve güneşten halen ısı elde ediliyor olabilir. Bu durumda elde edilen ısı sistem için tehlike oluşturabilir.

Tipik sıvı akışkanlı sistem için bazı tasarım parametreleri tablo 1. de gösterilmiştir [2].

Şekil 4 de sıvı akışkanlı güneşle aktif ısıtma sistemlerinin detaylı bir şeması verilmiştir [2]. Şemadan anlaşılabileceği gibi ısı değiştiricileri, otomatik kontrol sistemi, sıcak su tankları sistemin önemli parçalarıdır. Isı değiştiriciler depolama tanklarından ayrı olabileceği gibi, depolama tankları ile bütünleşikte olabilirler. S ile gösterilen Sensörler sıcaklıkları algılayarak kontrol panellerine iletirler. Kontrol panelleri güneşin durumuna göre pompaların, yardımcı ısıtıcıların çalışıp çalışmayacaklarına karar verirler.

Şekil 5, şekil 6 ve şekil 6 da SCHÜCO firması tarafından tasarlanmış güneşle aktif ısıtma sistemleri görülmektedir. Şekil 6. da yardımcı ısıtıcı olarak şömineden de yararlanılmaktadır. Şekil 7 de ek olarak sistem aynı zamanda havuz suyu ısıtmakta kullanılmaktadır. Şekil 7 de ki sistem ilkbahar ve sonbaharda oluşan fazla ısının bertaraf edilmesi içinde bir seçenek olabilir. Aynı zamanda sistemin yıl içinde kullanım süresinin uzaması ile sistemin kendini amorti süresi kısalmaktadır.

şekil 4 Sıvı akışkanlı ısıtma sistemi detaylı şeması

Şekil 5 SCHÜCO bina ısıtmasının ve sıcak suyun güneşten karşılandığı yardımcı ısıtıcılı sistem şeması.

Şekil 6 SCHÜCO bina ısıtmasının ve sıcak suyun güneşten karşılandığı yardımcı ısıtıcılı sistem şeması.

Şekil 7 şekil 6 SCHÜCO bina ısıtmasının, havuz ısıtmasının ve sıcak su ısıtmasının güneşten karşılandığı yardımcı ısıtıcılı sistem şeması.

GÜNEŞLE AKTİF ISITMA SİSTEMLERİNİN BOYUTLANDIRILMASI

Beckman  et al. (1977) f-chart diye adlandırılan bir metot kullanarak güneş enerjisinin aktif ısıtma sistemlerinde kullanımının performansını inceleyebilmiştir. F-chart metodu bu sistemlerinin performansı, gerekli kollektör alanı vb. parametreler için oldukça yaklaşık değerler verir. Bununla birlikte f-chart metodu üç standart sistem için kullanılabilir. Bu sistemler havalı aktif ısıtma sistemleri, Sıvı akışkanlı aktif ısıtma sistemleri ve kullanım suyu ısıtma sistemleridir.
f-chart metot aşağıdaki şekilde formüle edilmiştir.

Burada X ve Y iki boyutsuz sayılar olup X kollektör kaybı, Y kollektör kazancı ile bağlantılıdır.

Değişkenler,

FRUL and FR(ta)n değerleri kollektör test değerlerinden alınabilir. ta meteorolojik verilerden elde edilebilir.  Fr’/Fr şekil 9 dan  ve
bir fonksiyonu olarak belirlenebilir. Burada kollektör tarafında antifriz kullanıldığı taktirde Cp için minimum değer antifrizin Cp  değeri alınabilir. Genellikle Fr’/Fr değeri >0,9 dan büyüktür. X ve Y değerleri hesaplandıktan sonra X ve Y ye bağlı bir güneş enerjisi karşılama oranı (f)değeri hesaplanır. Bu değer;

Havalı sistem için
f=1.04 Y–-0.065 X – 0.159 Y2 + 0.00187 X2– 0.0095 Y3
sıvı akışkanlı sistem için
f=1.029 Y–-0.065 X – 0.245 Y2 + 0.0018 X2– 0.025 Y3
Şeklindedir. 
f, X, Y değerlerine bağlı grafik şekildeki gibidir. (Becman et al. (1977))

Şekil 8 Havalı güneşle aktif ısıtma sistemleri için X-Y değerleri. (Beckman  et al. (1977) den uyarlanmıştır.)


Şekil 9 Fr’/Fr nin ve ye bağlı değerleri.

Şekil 10 Sıvılı güneşle aktif  ısıtma sistemleri için X-Y değerleri. (Beckman  et al. (1977) den uyarlanmıştır.)

Örnek :

Verilen bir coğrafi bölgede, şubat ayında sıvı akışkanlı, 50 m2 lik kollektör alanına sahip sistemde X ve Y değerleri sırasıyla, 1,54 ve 0,35 olarak hesaplanmıştır. Şekil 10 dan f = 0,24 olarak bulunur. Şubat ayı için toplam ısıtma ve sıcak su ısıtma yükü 36 GJ olarak verilmiş olsun.

Bu durumda f L = 0,24x36 = 8,6 GJ olarak bulunur.
Bu hesaplar her ay için ayrı, ayrı hesaplanarak sistemin yıllık güneş enerjisi karşılama oranı (Gerekli enerjinin güneş tarafından karşılanan bölümü) bulunur. Bu değer;  

 Şeklindedir.

Bütün bu hesaplar el ile yapılabileceği gibi bir paket program kullanarak ta yapılabilir. Halihazırda piyasada kullanılan profesyonel güneş enerjisi programları ile güneş enerjisi karşılama oranları, sistem amorti süresi, sakınılan CO2 miktarı, kurulan sistemin bileşenlerine bağlı olarak değişen sistem verimi vs. gibi bir çok parametreler şehirlere göre hassas bir şekilde hesaplanabilir.

Şekil 11Güneş enerjisi karşılama grafiği