Güneş kollektörleri fizik ödevi ders notları


GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ

Güneş ışınımını faydalı enerji şekline dönüştüren gereçlere “Güneş Kollektörü (Toplayıcıları)” denir. Uygulamada kullanılan kollektörlerde, güneş ışınımı önce bir yatay düzlem tarafından yutulur. Sonra da bir akışkana aktarılarak iç enerjisi aktarılır. İç Enerjinin artışıyla sıcaklığı artan su kullanıma verilir. Uygulamada ısı taşıyıcı akışkanın hava (gaz) veya sıvı (su) olduğu iki tip güneş kollektörleri mevcuttur. Havalı güneş kollektörleri genel olarak Düzlemsel veya Hacimsel tiplerde imal edilmektedirler. Sıvılı güneş kollektörleri düzlemsel veya konsantrik tiplerde imal edilmektedirler. Uygulamada düzlemsel güneş kollektörleri sıcak su, konsantrik güneş kollektörleri ise buhar üretimi için kullanılmaktadır.

3.1. DÜZLEMSEL SIVILI (SULU) GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ

Isı taşıyıcı akışkan olarak sıvıların (genelde su) kullanıldığı güneş kollektörlerinde, kollektör yüzey sıcaklığının artması ile kollektörden dışarıya taşınımla ısı kaybı artmaktadır. Yutulan ışınımla, kaybolan ısı eşit olduğunda kollektör yüzey sıcaklığı sabit kalmaktadır. Genellikle, kollektör yüzeyine gelen güneş ışınımının şiddeti ve çevre sıcaklığı, kontrol edilemediğinden, belirli bir değerdeki ışınım yüzeye gelirken, faydalanılan enerjiyi artırmak için;

a)    Çevreye gerçekleşen ısı kayıplarının azaltılması,

b)   Yüzeyin yutuculuğunun artırılması,

c)    Kap içindeki (kollektör içindeki) akışkana ısı geçişinin iyileştirilmesi ve bunların yanında ısınan suyun değiştirilmesi ve ışınımın yoğuşturulması gerekir.

Kollektörden çevreye olan ısı kayıplarının azaltılması için kollektörün üst yüzeyine güneş ışınımını geçiren ve taşınımla olan ısı kaybını önleyen saydam bir örtü konulur. Işınım gelmeyen alt ve yan yüzeyler ısı geçişine karşı yalıtılır. Yüzeyin yutuculuğunu artırmak için siyaha boyanır. Akışkana ısı geçişini iyileştirmek için de ısı iletimi katsayısı yüksek malzemeler kullanılır ve akışkan hareket ettirilerek iç yüzeydeki ısı taşınım katsayısı büyütülür.

Kollektör yüzeyine gelen güneş ışınımı yansıtıcılarla yoğunlaştırılarak konsantrik (odaklayıcı) kollektörlerde ışınım akışı artırır. Yüksek sıcaklıklarda taşınımla ısı kaybını azaltmak için vakumlu kollektörler kullanılmaktadır. Akışkan sıcaklığının 80°C den düşük olduğu sistemlerde (havuzu ısıtması, sıcak su temini, v.s.) düzlemsel kollektörler kullanılır. Daha yüksek sıcaklık değerleri için yoğunlaştırıcı kollektörlerin kullanılması gerekmektedir. Sıvılı kollektörlerde genellikle su (veya inhibitörlü su) kullanılır. Sıvılı kollektörlerin verimi havalı kollektörlerden daha yüksek, yapımı kolay ve ucuzdur. Toplanan enerjinin depolanması için daha düşük hacimli depo yeterlidir. Buna rağmen, sıvının donma tehlikesi, korozyon ve sızdırma gibi problemleri vardır. Havalı güneş kollektörleri; daha uzun ömürlü, hafif ve verimleri üniformdur. Donma ve korozyon problemleri yoktur; imalatı zordur. Ayrıca, depolama ve sızdırma problemleri vardır.

3.1.1. Düzlemsel Sıvılı Güneş Kollektörlerinin Kısımları

Uygulamada kullanılan düzlemsel kollektörler beş ana kısımdan oluşur (Şekilm-3.1). Bunlar;

1. Güneş ışınımını geçiren ve üstten ısı kaybını önleyen bir veya çok sayıdaki saydam örtü,

2. Enerji toplayan yutucu yüzey,

3. Isı taşıyıcı akışkan borular,

4. Yutucu yüzeyin güneş almayan kısımlarındaki ısı yalıtımı,

5. Kollektör kasası,

3.1.1.1. Saydam Örtü

Güneş kollektörlerinde, saydam örtünün esas fonksiyonu, hava hareketli sebebiyle meydana gelen taşınımla ısı kayıplarını azaltmaktadır. Ayrıca, yutucu yüzeyi çevreden gelen tesirlerden (yağmur, dolu, kar, toz, v.s.) korur ve yutucu yüzey tarafından neşredilen (uzun dalga boylu) ısıl ışınımı geriye yansıtarak ışınımla olan ısı kaybını azaltır.

 

 

Şekil – 3.1 : Düzlemsel güneş kollektörünün kısımları

Tablo – 3.1 : Bazı saydam örtülerin özellikleri

 

 

 

Normal Geçirme Oranı

 

 

Kalınlık (mm)

Kırma

İndisi

Güneş Işınımı

0,2-4,0 mm

Neşredilen Işınım 3.0-50 mm

Dayanıklılığı (C)

Lexan

3,2

1,586

0,73

0,02

120-130

Acrylic

3,2

1,49

0,80

0,02

80-90

Teflon

0,13

1,34

0,90

0,26

200

Tedlar

0,10

1,45

0,88

0,21

110

Mylar

0,13

1,65

0.80

0,18

150

Sunlite

0,64

1,54

0,75

0,08

90

Düzgün cam

3,2

1,52

0,79

0,02

730

Temper cam

3,2

1,52

0,79

0,02

230-260

Su-Beyazı cam

3,2

1,50

0,92

0,02

200

 

 

 

 

 

 

 

 

Şekil – 3.2 : Camların spektral geçirme oranları

Birçok yarı saydam plastikler yüksek sıcaklıklarda, hatta orta sıcaklıklarda özelliklerini kaybederler. Isıl genişleme katsayıları büyük olduğundan sızdırma ve bükülme problemleri vardır. Plastikler, uygulamada saydam örtü malzemesi olarak cama göre daha az kullanılır.

3.1.1.2. Yutucu Yüzey

Güneş ışınımını yutan ve ısıyı borularda dolaşan akışkana aktaran yutucu yüzey (levha) güneş kollektörlerini önemli parçalarından biridir. Yutucu yüzeyin güneş ışınımını yutma oranı büyük ve uzun dalga boylu (ısıl ışınım) yayıcılığı küçük olmalıdır. Işınımı yutarak ısınan yüzeyin, ısıyı temas halindeki akışkana iyi iletebilmesi için, ısı iletim katsayısı yüksek, ısı geçişinin hızlı olabilmesi için de ince olması istendiğinden, yutucu yüzey olarak metal levhalar kullanılır. Bakır, alüminyum, çelik ve paslanmaz çelik gibi metaller yutucu yüzey malzemeleri olarak kullanılır. Polipropilen ve akrilik gibi bazı plastikler siyaha boyanarak yutucu yüzey olarak kullanılmaktadırlar. Ayrıca güneş ışınımını yutan renklendirilmiş sıvılarda yutucu yüzey olabilmektedir.

Aşağıdaki olan ısı geçişi, yutucu yüzey malzemesinin ısı iletim katsayısına ve akışkanın dolaştığı borular arasındaki mesafeye bağlıdır. Levha ve boruların imalatında ısı iletim katsayısı yüksek bakır ve alüminyum gibi malzemeler kullanılarak kanattan borulara ısı geçişi sağlanır. Bakır, alüminyuma göre yaklaşık iki kat, çeliğe göre yaklaşık beş kat daha pahalı olmasına rağmen, aynı ısı geçişinin sağlandığı (0,25 mm kalınlığındaki bakır levhaya göre) 1 m2 yüzey içinden bakırdan 2,24 kg, alüminyumdan 1,3 kg ve çelikten 15,3 kg malzeme gerekir. Böylece, ısı geçişi açısından bakıra göre çelik daha pahalı, alüminyum ise daha ucuz olmaktadır. Aşağıdaki tabloda yutucu yüzey malzemelerin mukayesesi verilmektedir. Akışkanın dolaştığı borular arasındaki mesafe, kullanılan malzemelerin özelliklerine bağlı olarak, yeterli ısı geçişini sağlayacak şekilde belirlenir. Levha ve boruların birbiri ile iyi birleşmesi, ısıl temas yüzeylerinin büyük olması gerekir. Yutucu yüzeylerin ömürleri, iç ve dış korozyon ile sınırlıdır. Kollektör kasası için sızan yağmur suyunun veya saydam örtü yüzeyinde yoğuşup levhada akması dış korozyona sebep olur. Çelik levhalar dış korozyona müsaittir. İç korozyon ise, ısı taşıyıcı akışkanın ihtiva ettiği çözülmüş oksijen, çelik gibi korozyona dirençli olmayan metalleri aşındırır.

Tablo – 3.2 : Yutucu yüzey malzemelerinin bazıları

Malzeme

k (W/m-K)

 

k(W/m-k)

Bakır

386

Akrilik

0.20

Alüminyum

204

Polietilen

0.35

Çelik

50

Polipropilen

0.20

Paslanmaz Çelik

24

PVC

0.16

 

 

 

 

3.1.1.3.  Yutucu Yüzeyin Kaplanması

Yutucu yüzeyde ışınım geçirilmediğinden belirli bir dalga boyunda yansıtma ve yutma oranlarının toplamı birdir. Kirchhoff kanununa göre, ısıl denge halinde, belli bir dalga boyunda, yüzeyin ışınım yayma (neşretme) ve yutma oranları birbirine eşittir. Neşretme ve yutma oranları dalga boyunun fonksiyonlarıdır. Uygulamada, güneş kollektörlerinde kullanılan yutucu yüzey malzemelerinin (bakır, alüminyum, çelik, vs.) yutma oranları düşüktür. Üst yüzeyi güneş ışınımı yutuculuğu büyük olan bir malzeme ile kaplanır. İki kaplama tipi mevcuttur. Bunlar;

·      Seçici (Selektif) kaplama

·      Siyah boyalı (seçici olmayan) kaplamadır.

3.1.1.4. Seçici Yüzey

İdeal siyah yüksek, ışınım için gerçek yutucudur. Bütün dalga boylarındaki, her acı altında gelen ışınımın tamamınu yutar. Ancak, gerçek maddeler (yüzeyler) ışınımın  bir kısmını geliş açısına bağlı olarak, yansıtır, tamanını yutmaz. İdeal siyah cisim aynı zamanda ısıl ışınım için ideal neşredicidir (yayıcıdır). Kollektörlerde kullanılan yutucu yüzeylerin ise, güneş ışınımını yutma oranının büyük olması ve neşrediciliğinin (yayıcılığının) olmaması istenir. Kısa dalga boylu ışınımın, yani güneş ışınımının tamamına yakınını yutan ve uzun dalga boylu ışınım neşrediciliği düşük olan yüzlerce seçici (selektif) yüzey denir.

Seçici yüzey imalatında, önce kaplanacak yüzey temizlenir, sonra asit banyosuna tabi tutulur. Uzun dalga boylu ışınımı yansıtma oranı büyük metaller, güneş ışınımını yutma oranı büyük olan bir madde ile ince bir film halinde kaplanır. Kaplamalar, kimyasal banyo, püskürtme ve elektro kaplama ile gerçekleştirilir. Aşağıda seçici yüzeyler ve özellikler verilmiştir. Seçici kaplamalar, seçici olmayan (siyah boyalı) kaplamalara göre daha pahalıdır ve ömürleri daha kısadır. Neşretme oranları sıcaklık yükseldikçe artar. Oksitlenme ve yüzeyin yapısındaki değişmeler sebebiyle optik özelliklerinde zamanla bozulmalar gözlenmiştir. Çelik veya bakır üzerine yapılan kaplama ile elde edilen seçici yüzeylerin sıcaklığa ve neme karşı dirençleri iyi olduğundan iyi olduğundan mevcut seçici yüzeylerin en iyisi olarak gösterilmektedir.

Tablo – 3.3 : Bazı seçici yüzeylerin özellikleri

KAPLAMA

ALT TABAKA

Güneş Işını Yutma Oranı

Neşretme Oranı

Çalışma Sıcaklığı °C

Neme Direnci

SİYAH

Bakır

0,95-0,97

0,08-0,14

316

İyi

KROM

Çelik

0,91-0,97

0,07-0,16

427

Zayıf

NİKEL ÜZERİNE

Bakır,Çelik

0,90-0,95

0,09-0,15

427

Çok iyi

SİYAH KROM

Alüminyum

0,95

0,50

 

Çok iyi

SİYAH NİKEL

Çelik

0,89-0,96

0,07-0,17

 

?

NİK.ÜZ.SİYAH NİK.

Çelik,bakır

0,87-0,96

0,07-0,10

288

Değişken

SİYAH

Bakır

0,85-0,95

0,10-0,15

200

Zayıf

BAKIR

Al,Nikel

0,81-0,93

0,11-0,17

 

?

DEMİR OKSİT

Çelik

0,85

0,08

427

İyi

ALÜMİNYUM OKS.

0,85-0,95

0,11-0,34

900

?

 

3.1.1.5. Siyah Boyalı Yüzeyler

Siyah boyalı yüzeylerin güneş ışınımını yutma oranları yüksek olduğu gibi ışınım neşretme oranları da yüksektir. Mat siyah üzeylerin ışınım yutma oranları 0,90-0,98, uzun dalga boylu ışınımı neşretme oranları 0,85-0,92 mertebesindedir. Düşük çalışma sıcaklıklarında (konutlar için sıcak su ve sıcak hava temini v.b.) seçici olmayan kaplamalar (siyah boyalı) daha uygun görülmektedir. Fakat yüksek sıcaklık çalışmalarında seçici yüzeylerin verimleri daha yüksektir. Siyah boya olarak, polyester, akrilik ve epoksi reçine esaslı, mat siyah boyalar kullanılır. Bilinen boyalar; Karbon siyahı, demik oksit, amorf grafit, yanık kemik siyahı ve asfalt esaslı olanlardır. Piyasada; siyah mat kollektör boyası olarak bulunmaktadır. Siyah boyalı kaplamaların ömürleri, seçici yüzeylere göre daha fazladır. Düzlem güneş kollektörlerinde, durgun halde ulaşılan 200°C yutucu yüzey sıcaklığına kadar dayanıklıdır.

3.1.1.6. Isı Yalıtımı

Kollektörlerin, güneş olmayan alt ve yan kısımlarından olan ısı kaybını azaltmak için, strofor, poliüretan, köpük veya cam yünü kullanılmaktadır. Tercih edilecek yalıtım malzemelerinde;

F         Isı iletim katsayısının düşüklüğü,

F         Yüksek sıcaklığa (200°C) dayanıklılık,

F         Nem’e direnç,

F         Yoğunluğu,

F         Mukavemeti,

F         Yanma ve genişleme özelliği,

F         Kararlılığı,

F         Fiyatı ve piyasada temin edilebilme imkanı,

dikkate alınır. Uygulamada; strofor 74°C’a, poliüretan köpük  100°C’a kadar dayanıklıdır. Bu sebeple strofor pek kullanılmaz. Poliüretan köpük bazı tedbirler alınarak kullanılması gerekmektedir. Uygulamada en çok kullanılan şilte halinde cam yünü olup 250°C’a kadar dayanıklıdır. Bazı yalıtım malzemelerinin özellikleri aşağıdaki tabloda verilmektedir.

Tablo-3.4 : Yalıtım malzemelerinin özellikleri

Yalıtım Malzemesi

Isı İletim Katsayısı W/m-K

Çalışma sıcaklığı °C

Yoğunluğu kg/m3

Cam yünü

0.032

250

15-120

Taş yünü

0.036-0.055

650-1050

 

Polystrene köpük

0.029

70-80

20

Poliüretan köpük

0.023

104

35

PVC

0.035

100-130

40-80

Kalsiyum silikat

0.055

650

 

Perlit

0.048

820

 

Isocyanurate

0.025

121

 

Fenollik köpük

0.033

135

 

Gözenekli plastik

0.040

100

 

 

 

 

 

Uygulamada, yalıtım malzemesinin sıcaklığın olumsuz etkisinden korunması için bir hava boşluğunun oluşturulması önerilmektedir. Şekil-3.3’de bir düzlem güneş kollektörünün kesit detayları verilmektedir.

 

 

Şekil – 3.3 : Hava yalıtımlı düzlemsel güneş kollektörünün kesiti

3.1.1.7. Kollektör Kasası

Düzlem güneş kollektörlerinin kasaları, genellikle alüminyumdan yapılmaktadır. Bunun yanı sıra, plastik polipropilen, PVC galvanizli çelik saç ve paslanmaz çelik ile verniklenmiş ağaçta kullanılmaktadır.

3.2. DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN ISIL ANALİZİ

Kollektör yüzeyine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüden yansır, bir kısmı yutulur ve geri kalan kısmı yüzeye ulaşır. Yutucu yüzeye gele ışınımın bir kısmı, ısı taşıyıcı akışkana geçerken, bir kısmı ise yüzeyde depolanır, geri kalan kısmı çevreye kaybolmaktadır. Kollektörde meydana gelen ısı kayıpları çok sayıda değişkene bağlıdır. Güneş ışınımı şiddeti, çevre sıcaklığı, rüzgar hızı, kollektörün konstrüksiyonu, saydam örtü özellikleri, yutucu yüzeyin ışınım yutma, yayma değeri, ısı iletim katsayısı kalınlığı, yalıtım malzemesinin cinsi ve kalınlığı, bu değişkenlerden bazılarıdır. Tüm değişkenler dikkate alınarak kollektörün ısıl analizi yapılmaktadır. Şekil-3.4’de görülen kollektörde, ısı kayıplarının toplamı, Qk, depolanan enerji Qd, akışkana geçen enerji, Qf olmak üzere düzlemsel kollektör için enerji dengesi;

            At = I = Qr + Qk + Qd    (3.1)

şeklinde yazılabilir. Burada At kollektör yüzey alanı, I; kollektör üzerine gelen anlık güneş ışınımı ve (ta); kollektör yutma geçirme çarpımıdır. Yukarıdaki denklemde yer alan, depolanan enerjinin, miktarı, kayıp ve faydalı enerjiye göre çok küçük olduğu için genellikle ihmal edilmektedir.

3.2.1. Yutucu (Siyah) Yüzeye Geçen Işınım

Kollektör üzerine gelen ışınımın bir kısmı saydam örtünün üst yüzeyi tarafından yansıtılır, geri kalan kısmı örtü içerisinden azalarak ilerler ve alt yüzeyde bir kısmı yeniden yansıtılır, bir kısmı geçirilir. Pencere camlarına normal doğrultuda gelen güneş ışınımının aşağı yukarı %4,4’ü üst yüzeyden yansıtılır. Azaltma katsayıları, yapılarındaki demir oksit miktarı arttıkça artar (Pencere camlarında %0,05¸0,12, su beyazı camda %0,01). Azaltma katsayısı ve camın kalınlığı  arttıkça da yutulan ışınım miktarı fazlalaşır. Camların ışınım geçirgenlikleri, güneş ışınımının geliş açısı büyüdükçe, 50° ye kadar, çok yavaş daha sonra hızla azalmaktadır. Şekil-3.5 (a)’da düşük demir oksitli (su beyazı cam) Şekil-3.5 (b)’de pencere camlarının geçirme oranları görülmektedir. Normal doğrultuda ışınımın gelmesi durumunda, 3 mm kalınlığındaki tek tabaka camda; yansıtma oranı %8, yutma oranı %9 ve geçirme oranı %83 dür. Örtü sayısı, cam kalınlığı ve güneş ışınımı geliş açısı arttıkça geçirme oranları azalmakta, yutma ve yansıtma oranları artmaktadır. Saydam örtü üzerine gelen yayılı ışınım bir doğrultuda değil, gökyüzünü gören hacimsel açı içerisinde her doğrultuda geldiğinden, camların yayılı ışınımı geçirme oranı doğrudan güneş ışınımını geçirme oranından farklıdır. Yaylı ışınım ve yansıyan ışınım için eşdeğer geliş saydam üst örtüyü geçerek yutucu yüzeye ulaşan ışınımın büyük bir kısmı yüzey tarafından açısının seçilmesi veya yayılı ışınım geliş açısı aralığında ortalama geçirme oranının bulunması gerekir. Kollektörün eğimi arttıkça, kollektör üzerine gelen yayılı ışınım miktarı azalır, yerden yansıyalar gelen ışınım miktarı artar, yutulur ve geri kalan kısmı yansıtılır. Yansıtılan ışınım saydam örtünün alt kısmına gelir ve bir kısmı yeniden levhaya yansıtılırken bir kısmı saydam örtüye geçer ve bu şekiltde devam eder. Şekilm-3.5 (b)’den, yüzey tarafından yutulan ışınımın kesri;

 

 

Şekil – 3.5 : (a) Su beyazı camın (water white) geçirme oranı,  (b) Pencere camlarının geçirme oranları.

                        (3.2)

elde edilir. Burada; (ta) değerine “düzlemsel kollektörün optik verimi” veya “yutma-geçirme çarpımı” denilmektedir.

a : yüzeyin ışımın yutma oranı

ry : saydam örtünün yutucu yüzeyden yansıtılan yayılı ışınımı yansıtma oranı

Siyah boyalı yüzeylerin yutma oranı (a):0,92¸0,92 mertebesindedir.

Düzlemsel kollektörler için yutma-geçirme çarpımı (yutulan ışınım miktarının kollektör üzerine gelen ışınıma oranı) direkt, yayılı ve yansıyan güneş ışınımları içi farklı değerdedir.

            Iyu = (ta)dIed + (ta)yIey + (ta)yaIya      (3.3)

dir. Burada; d:direkt, y:yayılı ve ya: yansıyan büyüklükleri göstermektedir veya gelen ışınıma bağlı olarak ışınım yutma-geçirme çarpımı;

                        (3.4)

denklemi elde edilir. Görüldüğü gibi, toplam yutma-geçirme çarpımı güneş ışınımının geliş açısı ile birlikte bulunan yerin enlemine, ışınımın bileşenlerine ve kollektör eğimine bağlı olmaktadır. Uygulamada, basit bağlantılar tercih edilir. Bu sebeple; saydam örtünün normal doğrultuda gelen direkt güneş ışınımı için yutma-geçirme çarpımı (ta)0 olmak üzere

                        (3.5)

bağıntısı tavsiye edilmektedir. Burada, b örtünün özelliklerine bağlı olarak değişen bir katsayıdır. Tablo-3.5’de verilmiştir. Toplam yutma-geçirme oranı (ta), çoğu zaman (ta)d değerine eşit alınır. Yapılan hata, geliş açısının 60° değerine kadar küçük mertebelerdedir.

Tablo – 3.5 : Yutma geçirme çarpımı düzeltme faktörü

Malzeme

Cam Sayısı

(ta)0

b

Düşük demir oksitli cam

1

2

0.87

0.79

0.07

0.09

Pencere camı

1

2

0.80

0.69

0.08

0.10

 

 

 

 

Geliş açısının 55-60° değerindeki yutma-geçirme çarpımının değeri yaklaşık günlük yutma-geçirme çarpımı olarak kabul edilir. Cam tarafında yutulan ışınım sebebiyle gerçek yutma-geçirme çarpımı yukarıda hesaplanan değerlerinden biraz daha olur.

3.2.2. Kollektör Isı Kayıp Katsayısı

Kollektör üzerine gelen güneş ışınımının bir kısmının camdan yansıdığı, bir kısmının yutulduğu ve geri kalan kısmının yutucu yüzeye ulaştığı daha önce belirtilmiştir. Yutucu yüzeye geçen ışınım yüzey sıcaklığını artırır. Enerjinin bir kısmı borulardaki akışkana geçer, diğer kısmı kayıp enerji olarak çevreye gider. Düzlemsel kollektörlerde çevreye ısı kaybı, üst, alt ve yan yüzeylerden gerçekleşir. Yutucu yüzey sıcaklığının TY olduğu kısım ile çevre arasındaki ısı kayıp katsayısı, alttan, üstten ve yan kısımlardan olan ısı kayıp katsayılarının toplamıdır ve;

            K = Küst + Kalt + Kyan  (3.6)

şeklinde yazılabilir. Kollektörün alt yüzeyinden olan ısı kayıp katsayısı, yalıtım malzemesinin kalınlığına ve ısı iletim katsayısına bağlıdır. Kollektörün alt yüzeyinin sıcaklığı, çevre sıcaklığına eşit kabul edilirse, Şekil-3.6’ya göre RS=0 yazılarak, alttan olan ısı kayıp katsayısı;

            Kalt = ky/Ly      (3.7)

yazılabilir. Burada ky yalıtım malzemesinin ısı iletim katsayısı, Ly ise kalınlığıdır. İki adet saydam örtü kullanılan bir düzlemsel kollektör için üstten olan ısı kayıp katsayısı;

                        (3.8)

şeklindedir. Burada, R1 direnci, üst saydam örtü ile çevre arasındaki taşınımla ve ışınımla ısı geçiş katsayıları sırası ile ht,d ve h1,d olmak üzere;

 

 

Şekil – 3.6 : Düz toplayıcılarda ısı geçişinin elektrik benzeşimi

                        (3.9)

dir. Gökyüzü, uzun dalga boylu ışınım için çevre sıcaklığındaki siyah cisim olarak göz önüne alınırsa, üstteki saydam örtü ile çevre arasındaki ışınımla ısı geçişi;

            h1,d = es1s(Ts1 + Tçev)(Ts12 – Tçev2)        (3.10)

yazılabilir. Burada, TSL üstteki saydam örtünün sıcaklığı, Tçev; çevre sıcaklığı, s (5,167*10-8 W/m2-K4) stefan-boltzman sabit ve eSL saydam örtünün uzun dalga boylu ışınımı neşretme oranıdır. Camlar için ortalama neşretme oranı yaklaşık 0,88’dir. Dıştaki saydam örtü ile çevre arasındaki taşınımla ısı geçiş katsayısı, rüzgar hızına bağlıdır. Rüzgar hızı V (m/s) ve ısı taşınım katsayısının birimi W/m2-K olmak üzere;

            ht,d = 5,7 + 3,8V          (3.11)

bağıntısından bulunabilir.

Saydam örtüler arasındaki ısıl direnç;

                        (3.12)

dir.

Saydam örtülerin birbirine paralel ve aralarnıdaki mesafenin genişlik ve uzunluğuna göre çok küçük olduğu kabul edilirse h1, s2-s1 değeri örtülerin sıcaklıklarına ve neşretme oranlarına bağlı olarak;

                        (3.13)

şeklinde yazılabilir. Saydam örtüler arasındaki ısı taşınım katsayısı ht,s2-s1 ise örtüler arasındaki mesafeye ve aradaki havanın özelliklerine ve ayrıca kollektör eğimine bağlı olarak amprik bağıntılardan hesaplanabilir.

İçteki saydam örtü ile yutucu yüzey arasındaki R3 direnci, R2 direncine benzer şekilde;

                        (3.14)

yazılabilir. Işınımla ısı geçiş katsayısı;

                        (3.15)

dir. Yüzeyin neşretme oranı eY, siyah boya kaplamalı yutucu yüzeyler için 0.95, seçici yüzeyler için 0.10 ve 0.30 mertebelerindedir.

Yukarıdaki analizde üst yüzeydeki ısı kayıp katsayısını bulmak için önce yutucu yüzey sıcaklığı biliniyorsa saydam örtülerin sıcaklığı tahmin edilerek ısı kayıp katsayısı bulunur ve bulunan neticeye göre;

            KüST = (Ty – Tçev) = K3(TY – TS2) = K2(TS2 – TS1) = K1(TS1 – TÇEV)

eşitlikleri yardımıyla örtülerin yeni sıcaklıkları tahmin edilir ve iterasyon ile sonuca varılır. Kollektörün üst kısmından ısı kayıp katsayısının yukarıda verilen analiz ve hesaplanması yorucu olduğundan saydam örtü sıcaklıklarına ihtiyaç duyulmayan hallerde bağıntıların kullanılması tavsiye edilmektedir. KÜST değeri ayrıca aşağıda bağıntı ile maksimum +0.25 hata ile bulunabilir.

                        (3.16)

Burada; htd 5.7 + 3.8V

            f = (1 – 0.04 htd + 0.0005 htd2)(1 + 0.091 N)   (3.17)

            C = 250[1 – 0.0044(s – 99)]    (3.18)

olup, V (m/s) rüzgar hızı, s (drc) kollektör eğimi, N saydam örtü sayısı, eY; yutucu yüzeyin ışınım neşretme oranı, eS; saydam örtünün ışınım neşretme oranı, TY ve TÇEV sıra ile yutucu yüzey ve çevre sıcaklıklarıdır. Şekil-3.7’de levha sıcaklıklarına göre hassas olarak hesaplanan üstten olan ısı kayıplarının değişimi görülmektedir.

3.2.3. Efektif Yutma Geçirme Çarpımı

Saydam örtü tarafından yutulan ışınım miktarı, saydam örtü sıcaklığını artıracağından saydam örtü ile yutucu yüzey arasındaki ısı geçiş katsayısı küçülür. Yani faydalanılan ışınım miktarı artar. Özellikle yutma oranı büyük olan pencere çamlarında, yutulan ışınımın kollektör verimine tesiri ihmal edilemeyecek mertebededir. Saydam örtü sistem olarak göz önüne alınır ve enerji  dengesi yazıldıktan sonra yutucu ylüzeye geçen ışınım miktarı ve daha sonra da akışkana geçen faydalı ısı hesaplanırsa, iki tabaka saydam örtü kullanılan kollektörler için;

 

 

Şekil – 3.7 (a) : Siyah yüzeyli borulu kollektörlerin üst kısmındaki ısı kayıp katsayısının değişimi (hd = 300 W/m2-K, e=0.95, s=45o)

            (ta)0 = (ta) + a1KÜST/K1 + a2(1 – a1)[(1/K1)  + (1/K2)]KÜST         (3.19)

olmak üzere ; qf = (ta)e½-K(TY – TÇEV)          (3.20)

 

 

Şekil – 3.7 (b) : Seçici yüzteyli-borulu kollektörün üst kısmındaki ısı kayıp katsayısının değişimi (hd = 300 W/m2-K, e=0.1, s=45°)

elde edilir. Burada; a1 ve a2 sıra ile birinci ve ikinci tabaka saydam örtülerin belirli mesafede ışınım yutma oranları ve (ta) toplam yutma geçirme çarpımıdır. Son denklemdeki (ta) değerine “efektif yutma-geçirme çarpımı” denir.

            (ta)e = (ta) + ak         (3.21)

şeklinde yazılabilir. Saydam örtüler de yutulan ışınım miktarı ihmal edilirse ak = 0 olacağından (ta)e = (ta) olur. ak değeri saydam örtü sayısına, saydam örtülerin ışınım yutma özelliğine ve ısı kayıp katsayısına bağlıdır. Üstten olan ısı kaybı arttıkça ak değeri de artmaktadır. Tablo-3.6’da farklı şartlardaki ak değerinin değişimi görülmektedir. Rüzgar hızı arttıkça küçülmekte, siyah boyalı kollektörlerde hesaplanan ak değeri seçici yüzeyli kollektörlere göre daha büyük olmaktadır. Tek tabaka cam kullanılan siyah boyalı kollektörler için yaklaşık hesaplarda ak=0.03 alınabilir. Yani hesaplanan (ta) değerine 0.03 ilave edilerek efektif yutma geçirme çarpımı bulunabilir. Böylece; siyah boyalı kollektörlerde, tek tabaka için;

            (ta)e = (ta) + 0.03     (3.22)

(ta)e = (ta) + 0.06 bağıntıları kullanılabilir. Bundan sonraki hesaplarda efektif yutma geçirme çarpımı esas alınacaktır.

Tabl o – 3.6 : Bazı durumlar için ak değerleri

 

Seçici Yüzey (e=0.10)

Siyah yüzey (e=0.95)

 

V=0 m/s

V=5 m/s

V=0 m/s

V=5 m/s

TL

TÇEV

1

2

1

2

1

2

1

2

 

40

0

20

0.025

0.021

0.054

0.049

0.011

0.009

0.039

0.035

0.039

0.077

0.076

0.073

0.020

0.019

0.056

0.055

 

 

60

0

20

40

0.025

0.023

0.019

0.056

0.052

0.047

0.012

0.010

0.009

0.039

0.037

0.034

0.041

0.039

0.037

0.079

0.077

0.074

0.021

0.021

0.020

0.058

0.058

0.056

 

 

80

0

20

40

0.026

0.024

0.022

0.057

0.054

0.050

0.012

0.011

0.010

0.040

0.039

0.036

0.043

0.041

0.040

0.082

0.080

0.077

0.022

0.022

0.022

0.061

0.060

0.059

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3.2.4.Yutucu Yüzey Sıcaklığının Değişimi

Önceki bölümlerde, düzlemsel kollektörlerden çevreye gerçekleşen ısı kayıplarını hesaplarken yutucu yüzey sıcaklığının bilindiği kabul edildi ve kollektör geometrisi göz önüne alınmadı. Yutucu yüzeyin sıcaklığı, akışkanın kollektöre giriş sıcaklığına, kollektör üzerine gelen güneş ışınımına ve kollektörün boyutlarına, yutucu yüzey malzemesinin özelliklerine bağlıdır. Akış yönünde ve akışa dik doğrultuda değişir. Bu bölümde borulu düzlemsel kollektörlerde, yutucu yüzey sıcaklığının değişimi incelenecek ve faydalı ısıyı akışkanın kollektöre giriş sıcaklığı ve çevre sıcaklığının fonksiyonu olarak elde edeceğiz.

Bu düzlemsel kollektörlerde, borular içerisindeki akışın düzgün olduğu ve akışkan sıcaklığının akış yönünde değiştiği kabul edilebilir. Ayrıca, boru cidarındaki ve levha kalınlığınca sıcaklık gradyeni ihmal edilebilir. Akışa dik olan herhangi bir kesitte yüzey sıcaklığı, boruların bulunduğu kısımda aşağı yukarı akışkan sıcaklığına eşittir ve borular arasında daha yüksektir. Akış yönünde ise eksponansiyel olarak artmaktadır (Şekil-3.8). Artış miktarı kollektör tipine, akışkan giriş sıcaklığına, kollektör üzerine gelen güneş ışınımının şiddetine ve ısı kayıplarına bağlı olarak değişir.

 

 

Şekil – 3.8 : Yutucu yüzey sıcaklığının değişimi (ölçeksiz).

Boruların yutucu levhanın altına yerleştirildiği sıvılı kollektörleri (Şekil-3.8) göz önüne alalım. Borular arasındaki mesafe w, dış çapları d, yutucu levhanın kalınlığı d, boru sıcaklığı Tb, boru uzunluğu b ve çevre sıcaklığı TÇEV olsun. Bir borunun diğerinden bağımsız olduğu ve borular arasındaki levhanın orta noktasında sıcaklığın maksimum olduğu kabul edilirse, levhanın yarısı ucu yalıtılmış bir kanat olarak alınabilir. Kanat üzerindeki dx kalınlığındaki eleman sistem olarak göz önüne alınır ve termodinamiğin birinci kanunu uygulanırsa, S=(ta)eI olmak üzere;

            A qx – [A qx + A(dqx/dx)dx]-Ç(KÜST + KALT)(TY – TÇEV)dx + SÇ dx = 0

yazılabilir. Burada, A=bd ve Ç=b+2d = b dir. Yutucu yüzey malzemesinin ısı iletim katsayısı k olmak üzere;

            qx = -k dTY/dx             (3.24)

 

 

Şekil – 3.9 : Göz önüne alınan kollektör tipi.

 

 

Şekil – 3.10 : Göz önüne alınan sistem

Fourier ifadesi faydalanarak, Şekil-3.10’da göz önüne alınan sistem için diferansiyel denklem elde edilerek gerekli sınır şartları belirlenip çözüm yapıldıktan sonra kanattan suya transfer olan ısı;

            Q1k = bw[S – K(Tb – TÇEV)]hk (3.25)

elde edilir. Burada; hk; dikdörtgen kesitli kanat’ın verimli olup;

            hk = tanh(mw/2)/(mw/2)          (3.26)

şeklindedir. Yutucu yüzey malzemesinin ısı iletim katsayısına, yutucu yüzeyin kalınlığına ve borular arasındaki arasındaki mesafeye bağlı olarak değişir.

Bir boru üzerine gelen ışınımın faydalanılan kısmı;

            h1b = db[S – K(Tb – TÇEV)]      (3.27)

ve boruya geçen toplam faydalı enerji (3.23) ve (3.25) denklemleriyle;

            Q1f = b(d + whk)[S – K(Tb – TÇEV)]     (3.28)

elde edilir.

Boruya geçen toplam ısı, borunun ısı ataleti ihmal edildiğinden tamamı boru içindeki akışkana geçecektir. Boru ile levhanın birleşmesini sağlayan malzemenin ısı iletim katsayısı kb ve g olmak üzere birleştirme ısıl direnci;

            Rb = g/kbb d     (3.29)

dir. İyi birleştirme yapmışsa, iki metal arasındaki birleştirme ısıl direnci 0.03 m-K/W mertebesindedir. Boru iç yüzeyi ile akışkan arasındaki ısıl direnç ise, iç yüzeydeki ısı taşınım katsayısı hti ve iç çapı di olmak üzere;

            Rti = (1/hti)       (3.30)

ve toplam direnç;

            Rti = (1/p.di b hti) + (g/db kb)  (3.31)

dir. Böylece, bir boruda akışkana geçen faydalı enerji boru ve ortalama akışkan sıcaklığına bağlı olarak;

                        (3.32)

elde edilir. Boru iç yüzeyindeki ısı taşınım katsayısının hesap daha önceki bölümlerde verilmişti.

Uygulamada boru sıcaklığının tahmin edilebilmesi zordur ve bilinmesi de pek önemli değildir. Bu sebeple boru sıcaklığı yerien çevre sıcaklığının pnarametre olarak gelmesi istenir. Boru sıcaklığına bağlı olarak bulunan (3.28) denkleminden Tb çekilerek (3.29) denkleminde yerine

 

 

Şekil – 3.11 : Kollektör verim faktörünün değişimi (hi = 300 W/m2-K)

konulursa, bir borudan faydalanılan ısı miktarı;

            Q1f = (d + w)b Fv[S – K(Tb – TÇEV)]    (3.33)

elde edilir. Burada

                        (3.34)

dir ve “kollektör verim faktörü” denir. Kollektör verim faktörü; gerçek haldeki faydalı enerjinin yutucu yüzeyin her noktasının akışkan sıcaklığında olması halinde faydalı enerjiye oranıdır. Fv, kollektör tipine göre değişir. Yukarıda (3.34) denklemi ile verilen bağıntı, sadece boruların yutucu yüzeyinin altına yerleştirilen düzlemsel kollektörler için geçerlidir. Farklı şekillerden dizayn edilmiş bazı kollektör tipleri için kollektör verim faktörünün ifadesi de Şekil-3.12’de verilmiştir. Borular arası mesafe büyüdükçe kanat verimi düşer. Daha ziyade, yutucu yüzey malzemesinin ısı iletim katsayısı k ile kalınlığı g nın çarpımı küçüldükçe kollektör verim faktörü azalır.

3.2.5. Akışkanın Kollektörden Çıkış Sıcaklığı

Belirli bir sıcaklıkta kollektöre giren akışkan ısınarak ilerler ve belli bir süre sonra kollektörü terk eder. Akış doğrultusunda dy kalınlığındaki eleman sistem olarak göz önüne alınır ve termodinamiğin birinci kanunu uygulanırsa, w borular arasındaki mesafe ve d boru dış çapı olmak üzere;

            Qy – [Qy + (dQy/dy)dy] + (w + d)dy qf = 0     (3.25)

            ve (dQy/dy) – (w + d)dy qf = 0            (3.36)

            dQy = m1 cp dTa           (3.37)

ve (3.33) denklemine göre;

            qf  = Fv[S – K(Tb – TÇEV)]        (3.38)

yerine konursa;

            m1cp(dTa/dy) – (w + d)Fv [S – K(Tb – TÇEV)] = 0         (3.39)

elde edilir. Burada; m1; bir boru içindeki akışkan debisidir. Akış doğrultusunda Fv ve K değerlerinin sabit kaldıkları kabul edilerek akışkanın boruya giriş sıcaklığı Tag olmak üzere, akış doğrultusundaki sıcaklık değişimi

                        (3.40)

bulunur. Buna göre, akışkanın borudan çıkış sıcaklığı için y=b konularak ve ayrıca toplayıcıda N adet borunun bulunduğu göz önüne alınıp m=Nm1 ve At = N(w+d)b alınarak

                        (3.41)

bulunur. Akışkanın kollektörden çıkış sıcaklığı ile giriş sıcaklığı arasındaki fark, daha ziyade kollektör uzunluğuna ve kollektör üzerine gelen güneş ışınımına bağlı olmaktadır.

3.2.6. Kollektör Isı Kazanç Faktörü

Akışkana geçen faydalı enerji (3.28) denklemi ile boru sıcaklığına daha sonra da (3.29) denklemi ile akışkanın sıcaklığına bağlı olarak ifade edildi. Akışkanın sıcaklığının  akış doğrultusunda değiştiği ve ortalama değerini tahmin etmek zor olduğundan, faydalı ısının akışkanın kollektöre giriş sıcaklığına bağlı ifadesinin bilinmesi istenir. Bunun için de kollektör ısı kazanç faktörü (heat removal factor) tarif edilir.

 

 

Şekil – 3.12 : Bazı kollektör tipleri için verim faktörleri

Faydalı enerjinin, kollektör yutucu yüzeyinin her noktasında akışkan giriş sıcaklığında olması halinde faydalı enerjiye oranı “kollektör ısı kazanç faktörü” olarak tarif edilir. Faydalı enerji, akışkanın giriş ve çıkış sıcaklıklarına bağlı olarak;

            Qf = m cp(T – Tag)      (3.42)

ve yutucu yüzeyin akışkan giriş sıcaklığında olması halinde (ideal hal) faydalı enerji;

            Qfi = At[S – K(Tag – TÇEV)       (3.43)

yazılabilir. Böylece, son iki denklemden;

                        (3.44)

ve son eşitliğin payındaki terime T ile S/K eklenip çıkarılarak ve (3.39) bağıntısından yararlanarak;

                        (3.45)

elde edilir. Böylece kollektörden akışkana geçen faydalı enerji, At kollektör yüzey alanı olmak üzere;

            Qf = At Ft [S – K(Tag  – TÇEV)  (3.46)

elde edilir.

Kollektör ısı kazanç faktörü, akışkanın dyebisine ve kollektörün geometrisine bağlıdır. Akışkanın debisi artar ve  ısı kayıp katsayısı büyüdükçe küçülür. Ayrıca rüzgar hızına, cam sayısına ve yutucu yüzey sıcaklığı ile çevre sıcaklıklarına bağlı olarak, seçici yüzeyli kollektörlerde 0.74-0.92 mertebelerindedir.

3.2.7. Kollektör Verimi

Kollektörde toplanan enerjinin, kollektör üzerine gelen ışınıma oranına “kollektör verimi” olarak tarif edilir. Anlık kollektör verimi, (3.46) denkleminden;

                        (3.47)

veya (3.42) denkleminden;

                        (3.48)

yazılabilir. Kollektör ısı kazanç faktörü ve toplam ısı kayıp katsayısı daha ziyade kollektör tipine bağlıdır ve belirli bir kollektör için sabit kaldıkları kabul edilebilir. Diğer parametreler ise çevre şartlarına bağlıdır. İşletme noktası parametresi ise aşağıdaki gibi tarif edilir;

                        (3.49)

Kollektör anlık verimi ise;

            ht = Ft(ta)e – FtKp     (3.50)

şeklinde yazılabilir. Son denkleme göre, verimin sıfırdan büyük olabilmesi için;

            PkT < (ta)e/K  (3.51)

veya ışınım şiddeti;

            IkT > (K/(ta)e(Tag – TÇEV)        (3.52)

olmalıdır. Şekil-3.13’de görüldüğü gibi, belirli bir kollektör için akışkanın kollektöre giriş sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki fark arttıkça kritik ışınım şiddeti artmaktadır.

Düzlemsel kollektörlerin standart verim eğrileri, genellikle işletme noktası parametresine göre düzenlenir. Şekil-3.14’de görüldüğü gibi, işletme noktası parametresinin küçük değerlerinde (ışınım şiddeti büyük veya (Tag-TÇEV) küçük) seçici yüzeyli ve siyah boyalı kollektörlerin verimleri birbirine çok yakındır. Tek camlı kollektörlerin verimleri çift camlı kollektörlerin verimlerinden daha büyüktür. İşletme noktası parametresinin büyük değerlerinde (ışınım şiddeti küçük veya (Tag – TÇEV) büyük) ise çift camlı kollektörlerin verimi, tek camlı kollektörün veriminden daha büyüktür. Rüzgar hızı arttıkça da çift camlı ve tek camlı kollektör verimleri arasındaki fark artmaktadır. Kollektöre giren akışkan sıcaklığı ile çevre sıcaklığı arasındaki farkın küçük değerlerinde kollektör üzerine gelen güneş ışınımı küçük olsa bile, toplayıcı verimi büyük olmaktadır. Akışkanın kollektöre giriş sıcaklığı çevre sıcaklığından daha küçükse, ışınımın olmadığı zamanlarda (geceleri) bile, çevreden kollektöre ısı geçişinden dolayı akşıkan sıcaklığı artar. Bu sebeple, kollektörleri birbiri ile mukayese ederken, aynı şartlardaki (rüzgar hızı, ışınım şiddeti, optik hava kütlesi, akışkanı kollektöre giriş sıcaklığı, çevre sıcaklığı v.s) verimleri göz önüne alınmalıdır.

İşletme noktası parametresi, kollektör üzerine gelen güneş ışınımı, çevre sıcaklığı ve akışkanın kollektöre giriş sıcaklığına bağlı olarak günün saatlerine göre değiştiğinden kollektör verimi de değişir. Seçilen bir yerin çevre sıcaklığı ve kollektör üzerine gelen güneş ışınımının bilinmesine rağmen genellikle akışkanın kollektöre giriş sıcaklığı değişken olup göz önüne alınan sisteme bağlıdır. Kollektör veriminin işletme noktası parametresi ile değişimi lineer kabul edilirse, doğrunun eğimi azaldıkça kollektörün ortalama verimi artar. Uygulamada, daha ziyade günlük kollektör verimine ihtiyaç duyulur. Bir gün boyunca toplanan ışınımın, kollektör üzerine gelen günlük ışınıma oranı şeklinde tarif edilen günlük kollektör verimi, anlık verimin pozitif olduğu değerler için ve küçük zaman aralıkları için değişkenlerin sabit oldukları kabul edilerek;

                        (3.53)

yazılabilir. Burada; Dt; deney yapılan zaman aralığıdır. Son denklemden günlük kollektör veriminin hesabı için, genellikle zaman aralığı 1 saat seçilir ve her saat için kollektör üzerine gelen güneş ışınımı ve çevre sıcaklığı hesaplanır. Çevre sıcaklığının gün boyunca değişimi;

            TÇEV = TORT + (DT/2)cos[180/tg)(GS – 14)]    (3.54)

bağıntısı ile hesaplanabilir. Burada; GS; güneş saati tg; gün uzunluğu, TORT; günlük ortalama dış sıcaklık, ve DT günlük ortalama maksimum ve minimum sıcaklıklakrın farkıdır. Akışkanın kollektöre giriş sıcaklığının sabit olması halinde; T’ORT; gündüz ortalama sıcaklık olmak üzere, ortalama kollektör verimi yaklaşık olarak;

            ht0 = Ft[(ta)e – K(Tag – T’ORT)/IORT]   (3.55)

 

 

Şekil – 3.13 : Kritik ışınım şiddetinin değişimi.

bağıntısıyla hesaplanabilir. Bununla birlikte akışkanın kollektöre giriş sıcaklığının, göz önüne alınan sisteme ve depo büyüklüğüne bağlı olduğu ve sabit olmadığını belirtmek gerekir.

Kollektör kenarlarının gölgeleme etkisi ve kollektör camı üzerine biriken tozlar verimi ortalama %2-3 civarında azalttığından, kollektör veriminin hesaplanan değerden daha küçük olmasına sebep olurlar. Ayrıca kollektörlerin ısıl ataleti verimi %2-5 civarında etkilemektedir.

 

 

Şekil – 3.14 : Düzlemsel kollektör verimlerinin değişimi.

 

 

Şekil – 3.15 : Düzlemsel kollektör verimlerinin karşılaştırılması

3.3 DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİNİN DİZAYN ESASLARI

Uygulamada, sıcak su, ısıtma soğutma vs. amaçlarla çok sayıda kollektör tipi geliştirilmiştir. Bu çalışmalarda, kollektörün; yüksek verimli, imalatı kolay, hafif ve taşınabilir, kolay monte edilebilir, çevre şartlarında dayanıklı, uzun ömürlü ve ucuz olması istenir.

Kollektörlerin tasarımında kullanım yerinin meteorolojik özelliklere uygunluğunun yanı sıra, taşınmasının ve tesisata montajının kolaylığı için yüzey alanı 1-2 m2 ve uzunluğunun genişliğine oranı 1.7 ila 2 arasında olması, kollektör kalınlığında saydam örtü sayısına bağlı olarak 10-20 cm arasında olması uygundur.

3.3.1. Kanat Uzunluğu

Yutucu Yüzeyi, ısı iletim katsayısı yüksek olan malzemelerden yapılan kollektörlerde, borular kaynak, lehim ve/veya yapıştırma ile tutturulur ya da ekstrüzyonla yapılır. Şekil-3.16 (a-f)’de ısı iletim katsayısı yüksek ve Şekil-3.16 (g-h)’de düşük olan malzemelerden yapılan kanat-boru uzunlukları görülmektedir. Şekil-3.17’de kanatlı-borulu kollektörün yutucu yüzeyi görülmektedir.

 

 

Şekil – 3.16 : Boru-kanat bağlantı şekilleri

Borular arasındaki mesafe arttıkça (kollektörün birim genişliği için kullanılan boru sayısı azaldıkça) kazan verimi, dolayısıyla kollektör verimi azalır. Borular arası mesafe küçüldükçe kollektör verimi artar. Ayrıca kenar geometrisinin de optimum kanat uzunluğuna tesiri büyüktür. Farklı malzemelerden yapılan, farklı kalınlıktaki dikdörtgen kesitli kanatların verimlerinin değişimi, toplam ısı kayıp katsayısının 7 W/m2-K değeri için Şekil-3.15’de verilmiştir. Toplam ısı kayıp katsayısı arttıkça kanat verimi küçülmektedir. Bakır ve alüminyum ve çilikten yapılan kollektörlerde borular arasında (iki kanat uzunluğu w=2L) bırakılabilecek maksimum mesafeler Tablo-3.7’de görülmektedir.

 

 

Şekil – 3.17 : Kanatlı-borulu düzlemsel kollektör yutucu yüzeyi.

Tablo – 3.7 : Borular arası minimum mesafe, w (mm)

Kalınlık (mm)

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

Bakır

Alüminyum

Çelik

PVC

82

60

30

2

116

84

44

3

142

104

543

4

166

120

62

5

184

134

68

6

 

 

Şekil – 3.18 : Kanat verimlerinin değişimi.

Yutucu yüze üzerinde boruların dolaştırılma şekilleri, kullanılan malzemeye ve imalat tekniğine göre seçilir. Farklı dolaştırma tipleri Şekil-3.19 ve 3.20’de görülmektedir. Birim genişlikteki düzlemsel kollektörlerde kullanılan boru sayısı, kanat uzunluğuna ve boru çapına bağlıdır. Borular arası mesafe arttıkça ve boru çapı büyüdükçe birim genişlikteki kollektörde kullanılan boru sayısı azalır.

3.3.2. Boru Çapı ve Levha Kalınlığı

Düzlemsel kollektörlerde kullanılan boruların çapı, tabii sirkülasyonun rahat olması ve kireçleme probleminin az olması için büyük tutulmalıdır. Boru çapının 12 mm den büyük olması (cebri sirkülasyonluda küçük olabilir) uygundur. Küçük çaplı çok boru kullanmaktan, büyük çaplı az boru kullanmak iyidir. Standartlarda kollektör kapasitesinin 2.4 lt/m2 den küçük seçilmesi (cebri sirkülasyonluda 1.8 lt/m2) tavsiye edilmektedir. Zira kapasite büyük seçilirse birim kütledeki akışkana geçen faydalı ısı azalacağından sirkülasyon kötüleşir ve sistemin rejime girmesi kötüleşir.

 

 

Şekil – 3.19 : Boruların dolaştırılma şekilleri.

3.3.3. Yalıtım Kalınlığı

Kollektörde kullanılacak yalıtım malzemesine karar verildikten sonra, kalınlığının belirlenmesi için yutucu yüzey ve çevre sıcaklıkları göz önüne alınmalıdır. Yüksek sıcaklıklara çıkılan kollektörlerde, yalıtım kalınlığı arttırılmalı ve yalıtım malzemesinin toplam ısı geçiş katsayısı 0.5 W/m2-K den küçük tutulmalıdır. Yani;

            KY/LY < 0.5     (3.56)

olmalıdır. Burada; KY; yalıtım malzemesi ısı iletim katsayısı, LY; yalıtım malzemesi kalınlığıdır. Sadece sıcak su temini için kullanılan kollektörlerde yalıtım kalınlığı 5 cm kadar indirilebilir.

 

 

Şekil – 3.20 : Düzlemsel kollektör boru-yutucu yüzey bağlantıları.

3.3.4. Saydam Örtü Sayısı

Düzlemsel kollektörlerde kullanılan saydam örtü sayısı arttıkça, yutucu yüzey ile çevre arasındaki taşınımla ısı geçcişi azalır ve örtünün güneş ışınımını neşretme oranı küçülür. Taşınımla ısı kaybının az olduğu durumlarda (yutucu yüzey sıcaklığı ile çevre sıccaklığı arasındaki fark küçük, rüzgar az) saydam örtü sayısı arttıkça maliyet artışı ile birlikte, kollektör verimi de küçüktür. Saydam örtü sayısı, yutucu yüzeyle çevre sıcaklıkları farkı göz önüne alınarak tespit edilir. DT değeri yutucu yüzey ile çevre sıcaklıkları farkı olmak üzere optimum örtü sayısı Tablo-3.8’de verilmiştir.

Tablo – 3.8 : Optimum saydam örtü sayısı

Dt = (TY – TÇEV) °C

Saydam Örtü Sayısı

-20 ila -10

-10 ila 30

30  ila 60

60 ila 80

0

1

2

3