tc süleyman demirel üniversitesi fen bilimleri enstitüsü güneş
Transkript
tc süleyman demirel üniversitesi fen bilimleri enstitüsü güneş
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 Şekil 3. 13. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 12, 2, 4, 7 dilimindeki yeni konumları. ........................................................................................ 49 Şekil 3. 14. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 8, 10, 5, 11 dilimindeki 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 Şekil 4. 26. Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş – çıkış sıcaklık grafiği 2. .................................................................................................................................. 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 geliştirmişlerdir. 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 geliştirmişlerdir. 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. 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. 08.09.2008 tarihinden sonraki yapılan ölçümlerde kullanılan böcek ve hoboların alan içindeki dağılımı ise aşağıdaki Şekillerde görülmektedir. Şekil 3. 13. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 12, 2, 4, 7 dilimindeki yeni konumları. 49 Şekil 3. 14. Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 8, 10, 5, 11 dilimindeki 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 yukarıda sıcaklık ölçüm grafiği. 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 yukarıda sıcaklık ölçüm grafiği. 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 09.09.2008 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 soğuksu vana 9 yanı 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 Şekil 4. 25. Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş – çıkış sıcaklık grafiği 1. 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 soğuksu vana 12 yanı sıcaklık C 50 40 M02: "Alıcıdan gelen yada doğal çevrimde depodan gelen" günısıya giren soğuksu vana 9 yanı 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 Şekil 4. 26. Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş – çıkış sıcaklık grafiği 2. 60 50 40 20 sıcaklık C 30 15.08.2008 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek 10.09.2008 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek 12.09.2008 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 soğuksu vana 8 yanı 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 15.08.2008 273cm de hava hızı 5,5 10.09.2008 273cm de hava hızı 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 15.08.2008 273cm de hava hızı 10.09.2008 273cm de hava hızı 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 15.08.2008 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek 10.09.2008 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek 12.09.2008 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. 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 10.09.2008 273cmde hava hızı 11.09.2008 273cmde hava hızı 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 10.09.2008 273cm de hava hızı 5 13.09.2008 273cm de hava hızı 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. Erişim Tarihi: 08.07.2008. 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 . Erişim Tarihi: 18.02.2009. 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