Düşük Sıcaklık Uygulamaları

Düşük sıcaklık uygulamaları

Güneş enerjisinden en basit ve en yaygın yararlanma yöntemi, düzlemsel güneş toplayıcıları yardımıyla gelen güneş enerjisinin su, hava veya herhangi bir akışkana iletilmesidir Düzlemsel güneş toplayıcıları genel olarak; saydam örtü, güneş ışınımını toplayan yutucu yüzey, yüzeye entegre edilmiş taşıyıcı borular, yalıtım malzemesi ve kasadan ibarettir Bu tip toplayıcıların verimini arttıran en önemli parametre, güneş ışınlarını ısı enerjisine dönüştüren ve bu ısıyı akışkana aktaran yutucu yüzeydir Yutucu yüzeyde yapılan seçici yüzeyli kaplama ile toplayıcı veriminde önemli artışlar sağlanmaktadır Düzlemsel güneş toplayıcıları, güneş ışınımını ısı enerjisine dönüştüren en basit ve en yaygın olarak kullanılan araçlardan birisidir Şekil 31'de farklı tipte tasarlanmış güneş toplayıcıları görülmektedir Toplayıcı verimi; yutucu yüzey kaplamasına, geometrisine ve yüzey için seçilen malzemenin özelliğine bağlı olarak değişir


Bu yüzeyin imalinde bakır, alüminyum, paslanmaz çelik, saç, plastik gibi malzemeler kullanılır Yutucu yüzey kaplamalarının başlıca görevi güneş ışınımını mümkün olduğu kadar yutması ve ısıya dönüştürmesidir Yutucu yüzey kaplaması olarak siyah mat boya ve seçici yüzey kaplamaları kullanılır Şekil 32'de siyah boyalı ve seçici yüzeyli plakada güneş ışınımının yutulması ve yayılması arasındaki fark görülmektedir Yutucu yüzey siyah mat boya ile boyandığında yüzeyin güneş ışınımını yutma oranı %90-98, uzun dalga boylu ışınımı yayma oranı ise %85-92 arasındadır Yani yüzey yuttuğu ışınımın büyük kısmını geriye vermektedir Seçici yüzeyli kaplamalarda temel amaç, kısa dalga boylu ışınımın tamamına yakın kısmının yutulması buna karşılık uzun dalga boylu ışınım yayıcılığının en aza indirilmesidir Böylece plaka sıcaklığı daha fazla artırılarak akışkana daha fazla ısı iletimi sağlanır Seçici yüzeyler; sıcaklık yükselmesinde daha az ışınım yayarlar, dolayısıyla toplayıcı verimi yüksektir Yüksek verimli toplayıcıların imalatında en önemli faktör; toplayıcının temelini oluşturan yutucu plakaların güneşten gelen radyasyonu yutması buna karşılık ısınan yutucu yüzeyin geriye enerjiyi yaymamasıdır İsviçre standardına göre yutucu plakaların optik özellikleri üç sınıfa ayrılmaktadır

Seçici kaplamalar: 00 ≤yayma katsayısı ≤ 020, yutma katsayısı> 09

Yarı seçici kaplamalar: 015 ≤ yayma katsayısı ≤ 020, yutma katsayısı > 09

Seçici olmayan kaplamalar:05 ≤ yayma katsayısı ≤ 100, yutma katsayısı > 09

Seçici yüzeylerin hazırlanmasında sputering, kimyasal buhar depozisyonu, metal spreyi, kimyasal oksidasyon ve elektroliz gibi çeşitli teknikler kullanılır Dünyada seçici yüzey kaplaması olarak iki tür kaplama ticari olarak kullanılmaktadır Alüminyumun anodik oksidasyonu ile oluşturulan pöroz yüzeye nikel oksit ile yapılan renklendirme ve bakır üzerine nikel kaplanmış yüzeye siyah krom ile renklendirmedir

Şekil 31 Farklı tiplerde güneş toplayıcıları (a) su dolu bir kap, zemine ısı kaybı fazla (b) su dolu bir kap, zemine ısı kaybı az, (c) siyah lastik, (d) zemin izolasyonlu siyah lastik, (e) izolasyonlu siyah lastik, (f) metal boru veya levhalı cam örtülü düzlem toplayıcı, (g) çift camlı düzlem toplayıcı, (h) seçici yüzeyli düzlem toplayıcı, (i) vakum borulu toplayıcı, taşınım ile ısı kaybı yok

Şekil 32 Siyah boyalı ve seçici yüzeyli plakalarda güneş ışınımının yutulması ve ısı ışınlarının yayılması

Farklı uygulama alanlarına bağlı olarak geliştirilen toplayıcı tipleri ve çalışma sıcaklıkları Tablo 31’de verilmiştir Ülkemizde sıcak su ısıtma amaçlı olmak üzere 25- 3 milyon m2 kurulu toplayıcı alanı mevcut olup, yıllık toplayıcı üretimi 400-500 bin m2 düzeyindedir Özellikle, güneş enerjisi potansiyelinin yüksek olmasından dolayı Akdeniz ve Ege Bölgelerinde yoğun olarak kullanılmaktadır

Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan diğer bir toplayıcı tipi ise havalı güneş toplayıcılarıdır Havalı güneş toplayıcıları; yutucu yüzey ve çalışma akışkanı hava yardımıyla güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sistemlerdir Yutucu yüzeye gelen güneş ışınlarının büyük bir kısmı burada yutulur ve taşınım ile sistemde dolaştırılan çalışma akışkanı havaya aktarılır Toplayıcılardan elde edilen yararlı ısı; toplayıcıdan geçirilen çalışma akışkanının giriş ve çıkış entalpi farkına eşittir Yutucu yüzey olarak kanatçıklı metal levhalar, V-şekli verilmiş metaller, düz metal levhalar, içinden çalışma akışkanın geçtiği ağ şeklinde malzemeler, yarılmış ve açılmış metaller, sentetik ve doğal kürkler kullanılmaktadır Yutucu yüzey ile çalışma akışkanı arasında ısı transfer katsayısı küçük olduğundan seçilen malzemenin ısı transfer alanı/hacim oranının büyük olması gerekmektedir Bu şekilde ısı transfer alanı artacağından çalışma akışkanına aktarılan enerji miktarı da artar Yutucu yüzeyin pürüzlü olması ısı transferinde artışa neden olur Pürüzlülük ısıl verimi olumlu yönde etkilerken, toplayıcıda oluşacak basınç kaybını dolayısıyla fan gücünü artırır

Düşük sıcaklık uygulamalarında kullanılan havalı ve sıvılı güneş toplayıcıların uygulama alanları olarak; kullanım suyu ısıtması, konut ısıtması, sera ısıtması, tarımsal ürünlerin kurutulması, büyük hacimlerin ısıtılması ve soğutulması olarak sıralanabilir

a) Güneş Enerjili Su Isıtma Sistemleri: Güneş enerjili su ısıtma sistemleri özellikle maliyet ve çevre şartları dikkate alınarak kurulmalıdır Uygulamada kullanılan güneşli su ısıtma, genellikle doğal dolaşımlı sistemlerdir Uygulama şartlarına bağlı olarak ters dolaşımlı, aşağıya doğru boşaltmalı, geriye doğru boşaltmalı ve donmayan sistemler tercih edilebilir Doğal dolaşımlı su ısıtma sisteminin toplayıcısında güneş radyasyonunun yutulması sonucunda, yutucu plaka kanallarında dolaşan su ısıtılır Isınan suyun yoğunluğu azalarak, kendiliğinden yükselir ve depolama tankına üst kısımdan girer Depolama tankının alt kısmındaki soğuk su, yer çekiminin etkisi ile dışarı çıkar ve toplayıcının alt kısmına ulaşır Bu dolaşım, toplayıcı ve depolama tankı sıcaklıkları birbirine eşit oluncaya kadar devam eder Güneş radyasyonunun şiddeti arttıkça, akışkanın dolaşım hızı da artar Sıcak su kullanılmak istendiğinde, su depolama tankının üstünden alınır Suyun sıcaklığı yeterli değilse, yardımcı bir enerji kaynağı ile ısıtmaya devam edilerek istenilen sıcaklığa ulaşılır (Şekil 33a) Şekil 33b'de ise zorlanmış dolaşımlı bir sistem görülmektedir Bu sistemde genel olarak pompa, diferansiyel termostat, sıcak su deposu, ve tek yollu çek valf bulunur Toplayıcı devresinde şebeke suyu dolaştırılmaktadır Ek ısıtıcı ise sıcak su deposunun dışındadır Burada suyun dolaşımı bir pompa ile sağlanmaktadır Bu sistemin en önemli avantajlarından birisi ise depoyu istenilen yere monte imkanı vardır Şekil 33c'de ise zorlanmış dolaşımlı kapalı devreli bir sıcak su sistemi verilmiştir Toplayıcı devresinde dolaşan antifirizli su bir ısı

değiştiricisi ile sıcak su deposu içerisinden geçirilmekte ve yeniden toplayıcıya pompalanmaktadır Zorlanmış dolaşımlı kapalı devreli sıcak su sistemlerinde genellikle iki depo kullanılır (Şekil 33d) Burada ısı eşanjörü deponun dışındadır

b) Güneş Enerji ile Kurutma: Kurutma, özellikle gıda, kimya, seramik, kağıt, tekstil ve deri sanayilerinin temel işlemlerinden birisidir Gıda endüstrisinde kurutma ile, meyve ve sebzelerin besin değerlerini kaybetmeden uzun süre saklanabilmesi ve korunabilmesi amaçlanmaktadır Kurutma ile besin maddesindeki su yüzdesi azaltılarak meyve asidi, amino asidi gibi zararlı enzimlerin faaliyeti de durdurulmaktadır Güneş enerjisi ile kurutma, kurutulacak malzemeyi direkt güneş radyasyonu etkisinde bırakarak veya güneşle ısıtılan havayı doğal veya zorlanmış dolaşımla malzemenin üzerinden veya içinden geçirerek sağlanır Bu sistemlerde güneş ışınımının yanı sıra dış hava sıcaklığı, bağıl nem ve hava hızı da kurutma hızını etkilemektedir Güneşli kurutucular, açık havada yapılan kurutmanın belli başlı mahzurlarını telafi etmektedir

Bu kurutucular yalnız başlarına kullanılabildikleri gibi fosil yakıtlı sistemlerle birlikte de kullanılabilmektedir Güneş enerjili kurutma sistemlerinin güneşte doğal kurutmaya göre avantajları şu şekilde sıralanmaktadır: (i) Kurutulacak ürün tozlanma, zararlı böcekler ve yağmur gibi dış etkenlerden korunabilmektedir, (ii) Kurutulacak ürünün düzgün yerleştirme ve yeterli hava sirkülasyonu ile homojen kurutulması sağlanabilmektedir, (iii) Kurutma havası, ürünün zarar görmeyeceği en yüksek sıcaklığa kadar ısıtılabilmektedir, (iv) Kurutma ortamına hava giriş ve çıkış debileri ile kurutma hızları kontrol edilmektedir

Güneş enerjili kurutma sistemlerinde, kurutulacak ürünün cinsine göre direkt veya indirekt kurutucular kullanılır Direkt kurutucularda ürün direkt olarak güneşin etkisine bırakılır İndirekt kurutucularda ise ürün kapalı, izolasyonla korunan kurutma odasına yerleştirilir Direkt kurutucularda ürüne ısı transferi taşınım ve radyasyon ile gerçekleşir Bundan dolayı kurutma oranı; indirekt güneş ışınımının etkisinde kalış biçimine, kurutucudan geçen kurutma havasının atılış biçimine ve kurutucu hacminde dolaşan havanın sıcaklığına göre sınıflandırılabilmektedir Şekil 34’de farklı çalışma koşulları için dizayn edilen kurutma sistemleri verilmektedir Güneşin kurutulan ürün üzerine başka etkileri görülmektedir Örneğin; üzüm ve hurmaların kurutulmasında güneş ışığı etkisi altında kalmak kurutulan ürünün renk oluşumu

için gereklidir Oysa bazı meyvelerin kurutulmasında güneş ışığı etkisi altında kalmak C vitamını miktarını azaltmakta veya renk oluşumunu ters olarak etkileyebilmektedir Bu nedenle kurutucu seçiminde kurutulan ürünün özellikleri de dikkate alınmalıdır

Şekil 34 Güneş enerjisi ile kurutma prosesleri ve çeşitli kurutucu dizaynları

c) Güneş Enerjisi İle Damıtma: Güneş ışınımı yüksek olan deniz kıyısında bulunan bölgelerde ve adalarda ulaşım imkanlarının güç olması nedeniyle güneş enerjili damıtıcılar büyük kolaylık sağlamaktadır Deniz suyundan tatlı su üretiminde faydalanılan geleneksel sistemlerin enerji işletme maliyetlerinin yüksek oluşu, hava kirliliğine yol açmaları, pahalı ve hassas cihazlar kullanma zorunluluğu gibi olumsuz yönleri vardır Deniz suyunun içilebilir hale getirilmesinde güneş enerjisinin kullanılması yukarıda sayılan olumsuzlukları ortadan kaldırmaktadır Deniz suyundan tatlı su üretiminde iki temel yöntem kullanılmaktadır Bunlardan birincisi suyu çözeltiden ayıran buharlaştırma, dondurma, kristalleşme ve filtreleme olup ikincisi ise suyu çözeltiden ayıran elektrodiyaliz, ekstraksiyon, iyon değişimi ve difüzyon sistemleridir Güneş enerjisi ile suyun damıtılmasında yaygın olarak kullanılan basit sera tipli damıtıcı Şekil 35’de görülmektedir Bu tip damıtıcıda tuzlu suyun bulunduğu bölümün tabanı güneş ışığını absorplaması için siyaha boyanmıştır Üstte ise hava sızdırmaz geçirgen bir kapak mevcuttur Cam kapak, toplama kanalına doğru eğimlidir Cam kapaktan geçen güneş ışınları, su ve siyah yüzey tarafından yutulur Bu enerji, tabandaki tuzlu suyu ısıtır ve bir kısım tuzlu suyun ısınmasına ve buharlaşmasına neden olur Su yüzeyine yakın bölgelerde nem artar, dolayısıyla kapalı sistemde taşınım akımları oluşur Daha ılık nemli hava, daha soğuk cama doğru yükselir Burada su buharının bir kısmı cam yüzeyinde yoğuşur, aşağıya doğru kayarak toplama kabına damlar ve temiz su alınır Damıtıcıdaki soğuk su güneş radyasyonuna bağlı olarak ısınır Su sıcaklığı yükseldikçe damıtma işlemi hızlanır Damıtma gün boyunca yavaş yavaş ilerlemesine karşılık, güneş batışından sonra çevre sıcaklığının düşmesine bağlı olarak cam sıcaklığının düşmesiyle artar Güneş enerjili damıtıcıların veriminin arttırılması için çalışmalar devam etmektedir Farklı tiplerde damıtıcılarda imal edilmektedir

Şekil 35 Basit sera tipi güneş enerjili damıtma sistemi

d) Güneş Enerjisi ile Soğutma: Soğutmaya ihtiyaç duyulan mevsimde güneş enerjisinin bol olması, bu kaynağın soğutma amacıyla kullanılmasını cazip kılmaktadır Soğutma, hem sıcaklık konforunu sağlamak hem de gıda maddeleri gibi dayanımı az olan maddelerin depolanması için gereklidir Güneş enerjisi ile soğutma son yıllarda araştırması yapılan güneş enerjisi uygulamaları içinde önemli bir yer tutmaktadır Soğutma işlemleri için güneş enerjisi; Rankine çevrimli mekanik buhar türbinli sistemlerde, absorbsiyonlu sistemlerde, termoelektrik sistemlerde, ejektörlü sistemlerde, adsorbsiyonlu sistemlerde, Brayton çevrimli mekanik sistemlerde, gece ışınım etkili sistemlerde ve fotovoltaik ünitelerde enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir Bu sistemler içinde absorbsiyonlu soğutma sistemi, düşük sıcaklık uygulamaları için en uygun olanıdır Kapasite kontrolünün basitliği, yapım kolaylığı ve performans katsayısının yüksekliği absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin avantajlarıdır Termoelektrik soğutma sisteminde, kullanılan güneş enerjisi hücrelerinin pahalı olmasından dolayı, kullanımı yaygın değildir Ejektörlü soğutma sistemi ise ekonomik nedenler ve düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarının sağlanmamasından dolayı diğer sistemlere göre daha az avantajlı sayılmaktadır Adsorpsiyonlu sistem, evaporatif soğutma ile bazı nem alma maddeleri tarafından havanın neminin giderilmesi işleminden oluşmaktadır Düşük sıcaklıklarının elde edilmesi ve ekonomik olmaması nedeniyle çok sınırlı olarak klima uygulamalı için kullanılmaktadır Brayton çevrimli mekanik sistem ekonomik olmaması, düşük performans katsayısı ve sistem karmaşıklığı gibi dezavantajlar göstermektedir Ayrıca gece ışınım etkili güneş enerjisi elemanları kullanılan bu sistemde soğutma, ışınımla ısı transferi yoluyla gece gökyüzüne enerji kaybedilmesi şeklinde oluşmaktadır Bu sistemde düşük sıcaklıkların elde edilmemesi ve uygun meteorolojik koşullar gerektirmesi nedeniyle tercih edilmemektedir

Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, Amonyak-Su ve Lityum Bromür- Su akışkan çiftleri başarılı bir şekilde kullanılmaktadır Amonyak-su kombinasyonlu absorbsiyonlu soğutma sistemi gıdaların soğukta saklanmasında gerekli olan düşük sıcaklıklar için oldukça elverişli olmaktadır Aynı zamanda ucuz ve ticari olarak kullanılabilmektedir LityumBromür-Su kombinasyonu ise hava şartlandırma (klima) uygulamaları için uygun olmaktadır Absorpsiyonlu soğutma çevriminde, soğutucu akışkan ve soğutucu akışkan gazını absorblayan sıvı akışkan (absorbent) bulunur Şekil 36’da görüldüğü gibi güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi; generatör, absorber, evaporatör, kondenser gibi dört ana elemandan oluşmaktadır Absorberde bulunan çözelti, bir sıvı pompası ile basınçlandırılarak generatöre gönderilir Güneş enerjisinden sağlanan ısı ile soğutucu akışkan absorbentten ayrılır Generatöre ısı verilerek karışımdan ayrılan soğutucu geçer Sıvı haldeki soğutucu akışkanın basıncı düşürülerek evaporatöre gönderilir Burada basıncı düşen soğutucu akışkan ortam ısısını alarak buhar haline geçer ve absorbere ulaşır

e) Güneş Enerjisi ile Pişirme: Güneş ocakları, dünyada güneş enerjisi potansiyeli yüksek olan Hindistan, Pakistan ve Çin gibi ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır Çin’de bugün 400000’den fazla güneş ocağı kullanılmaktadır Güneş ocaklarının, gereken ısının depolanamaması, güneş ışınımının düşük olduğu saatlerde kullanılamaması gibi dezavantajları vardır Daha çok gelişmekte olan ülkelerdeki araştırıcılar tarafından geliştirilen modeller ticari olarak da kullanım potansiyeli bulmuştur Ayrıca kamplarda ve pikniklerde kullanılmak üzere katlanabilir, yansıtıcılı, kolay taşınabilir yapıda güneş ocakları geliştirilmektedir Isı kutulu güneş ocağı Şekil 37‘den de görüldüğü gibi birkaç tabakalı cam veya geçirgen örtü ile yalıtılmış bir kaptan oluşmuştur Bu tip ocaklarda sera etkisinden yararlanılır Burada geçirgen örtü kısa dalga boylu güneş ışınımının geçişine izin verirken, iç ortamdaki düşük sıcaklıktaki maddelerin yaydığı uzun dalga boylu ışınların geçişine izin vermez Ayrıca pişirme hacmi üzerine gelen güneş ışınımını artırmak için aynalar kullanılabilmektedir Parabolik yansıtıcılı güneş ocaklarında ise pişirilecek malzeme yoğunlaştırıcının odak noktasına yerleştirilir Bu tip sistemler günün büyük bir kısmında verimlidir, çünkü güneşin hareketini takip etmek için yönlendirilebilirler Fakat açıkta çalıştıkları için rüzgarın konveksiyonundan dolayı büyük ısı kayıpları meydana gelebilir Güneş fırınları ise ısı kutulu güneş ocaklarına benzer prensiple çalışırlar Bu sistemde doğrudan gelen güneş ışınımı yansıtıcılar kullanılarak yoğunlaştırılır Böylece fırın içinde doğrudan yüksek sıcaklıklara ulaşmak mümkün olmaktadır


(f) Tuz tabakalı güneş havuzu

Güneş enerjisinden düşük sıcaklıkta (100oC' nin altında) ısı enerjisi üreten sistemlerden birisi de tuz tabakalı güneş havuzlarıdır(TTGH) TTGH sistemi, normal bir havuz tabanındaki konveksiyon akımlarını tamamen engellemek veya en alt seviyeye indirmek böylece havuz tabanındaki ısı enerjisini orada muhafaza etmek amacıyla gelişme aşamasında bulunan bir tekniktir Bu sistemlerle ısıyı tabanda 3-4 ay kadar tutmak mümkündür Tabanda toplanan ısı enerjisi, proses ısısı olarak kullanılabileceği gibi alçak basınç ve sıcaklıkta buharlaşabilen freon ve amonyak gibi akışkanlar sayesinde elektrik enerjisi üretiminde de kullanılabilir TTGH sistemi genel olarak iki veya üç tabakadan oluşur En alt tabaka homojen bir tuz konsantrasyonuna sahiptir Üstteki tabakalar ise yüzeyden tabana doğru artan bir tuz konsantrasyonuna sahiptir TTGH sisteminde tabanda depo edilen ısı enerjisi uygun bir ısı değiştiricisi yardımıyla çekilmesi mümkündür Şekil 38'de bir TTGH sistemi ile elektrik üretimi prensibi verilmiştir

100-350°C arasındaki orta sıcaklıklar uygulamalarında güneşi izlemeyen silindirik odaklı toplayıcılar kullanılır Odaklı toplayıcılar güneş ışınlarını yansıtarak veya kırarak belli bir yerde toplayabilen ayna ve mercek sistemleridir Yani bunlar, odak düzleminde, ısı iletim akışkanını içeren bir yutucu bulunan ayna veya mercekli sistemlerdir (Şekil 39)

Aynalardan oluşan odaklı toplayıcılar, güneş ışınlarını tek bir kez veya ardarda iki kez yansıtarak yoğunlaştırır Aynalar, düz silindirik, konik, küresel veya parabolik olabilir Yoğunlaştırıcı toplayıcı tek bir ayna veya mercekten ibaret olabileceği gibi birçok ayna veya mercekten de oluşabilir Şekil 310'da farklı tipte tasarlanmış yoğunlaştırıcılı sistemler gösterilmiştir [Duffie, 1991] Bu sistemlerde güneş ışınları bir toplama hattı üzerine yoğunlaştırılmaktadır Su buharı üreten bu sistemlerden bir kısmı Avusturalya, Avrupa, ABD ve Japonya’da endüstriyel uygulama bulmuştur

Şekil 310 Farklı tipte tasarlanmış yoğunlaştıran toplayıcılar: (a) arka plandaki yansıtıcıdan yansıyan ışınları yutan boru tip, (b) eğri yüzeyli yansıtıcıdan yansıyan ışınları yutan boru tip, (c) düzlem yansıtıcılı düzlem yutuculu tip, (d) parabolik yoğunlaştırıcı tip, (e) Fresnel yansıtıcı, (f) kuleye yoğunlaştırıcılı tip

323 Yüksek sıcaklık uygulamaları

Güneş enerjisinden 350°C ve daha yüksek sıcaklıklar elde edilmesinde, iki eksende güneşi izleyen ve çok sayıda aynalardan oluşan güneş fırınları ya da merkezi toplayıcı güneş kuleleri kullanılmaktadır Tek tek yönlendirilmiş “heliostat” adı verilen aynalar güneş enerjisini bir kule üzerindeki sabit noktaya yoğunlaştırmaktadır Güneş fırınları ve kuleleri madenlerin ergitilmesinde ve elektrik üretiminde kullanılır

Güneş enerjili termal elektrik üretimi, bilinen elektrik üretim yöntemleriyle benzerlik gösterir Bu enerji dönüşüm sistemlerinde, ya bir türbini döndürmek için gaz veya buhar kullanılır ya da bir pistonun ileri geri hareketi ile Stirling motoru çalıştırılır Güneş enerjili termal güç sistemlerinde direkt güneş ışınımının yoğunlaştırılması suretiyle buhar ya da sıcak gaz üretilir

Güneş termal güç teknolojileri şu şekilde gerçekleşmektedir:

- Bir kollektör sistemi kullanarak güneşten gelen radyasyonunun toplanması

- Bir toplayıcı üzerine güneş radyasyonun yoğunlaştırılması



- Toplayıcı yardımıyla güneş radyasyonunu termal enerjiye çevirme

- Termal enerjinin bir güç dönüşüm sistemine transferi

- Termal enerjiyi elektrik enerjisine çevirme

Güneş enerjisi ile elektrik üretimi termoelektrik dönüşüm ve fotoelektrik dönüşüm ile elde edilmektedir Termoelektrik dönüşümde güneş yoğunlaştırıcısı olarak; parabolik aynalar, çanaklar veya heliostatlar kullanılır Akışkanın güneş radyasyonu ile ısıtılarak buharlaştırılması ve buharın bir turbo-jenetörü çevirmesi sağlanır Bu sistemlerin ulaşılması güç bölgelerde ve köylerde elektrik enerjisi olarak kullanımını sağlamak ve enterkonnekte sisteme bağlamak için çalışmalar devam etmektedir Bu sistemlerden en büyüğü, Kaliforniya'da 354 MW pik gücü üreten bir tesis olup 1985 ile 1991 yılları arasında kurulan 9 adet Güneş Elektrik Üretim Sistemi (SEGS) dünyada ağa bağlı olarak üretilen elektriğin % 90'nını kapsamaktadır Bu tesis 1 milyon metrekareden fazla güneş toplayıcısından ibarettir

SEGS tesislerinde üretilen elektriğin maliyetinin % 25'ini bakım ve üretim masrafları oluşturmaktadır Düşük fosil yakıt fiyatlarından dolayı elektrik üreten konvensiyonel fosil yakıt tesislerle, elektrik ağına bağlı güneş enerjili elektrik tesislerinin rekabet etmesi günümüzde oldukça zordur Çanak sistemler güneşi izlerler ve güneş enerjisini yutacak olan alıcıya odaklarlar Yüksek verimlerinden dolayı bu sistemlerde Stirling makineleri tercih edilmektedir Son on beş yıl içerisinde 2 kW ile 50 kW arasında büyüklüğe sahip, 8 farklı çanak alıcı ABD, Almanya, Japonya ve Rusya'daki şirketler tarafından imal edilmiştir Üretici firmalar, bu sistemleri, su pompalaması ve uzak bölgelerde enerji temini için ihraç etmektedirler Gelecek yıllarda bu sistemlerle köy elektrifikasyonu gerçekleştirilecek ve mevcut enerji dağıtım şebekesine enerji sağlanacaktır

33 Güneş enerjisinin yoğunlaştırılmasında kullanılan teknolojiler

Yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemleri, güneşten gelen enerjiyi çeşitli ayna düzenekleri kullanarak yüksek sıcaklıkta ısı enerjisine dönüştürürler Isı daha sonra bilinen yöntemlerle elektrik enerjisine dönüştürülür Bu sistemler başlıca iki ana kısımdan oluşur Birinci kısımda güneş enerjisi toplanır ve ısı enerjisine dönüştürülür İkinci kısımda ise ısı elektrik enerjisine dönüştürülür Yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemleri hem evsel enerji ihtiyacını karşılayacak şekilde düşük güçler için (10kW), hem de 100MW'a kadar merkezi enerji nakil sistemini besleyecek şekilde büyük güçler için tasarlanır Geliştirilmiş bazı sistemlerde fazla gelen güneş enerjisi, bulutlu havalar ve geceleyin kullanım için depolanır Bir çok sistem diğer enerji kaynaklarıyla örneğin doğal gazla birlikte çalışır Bu birleşik sistemler ‘’hibrit güç sistemleri’’ olarak da bilinir ve yüksek güç verirler

Bir çok bölgede yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemlerinin kurulabilmesi için yeterli güneş enerjisi mevcuttur Bu sistemler, ‘’fotovoltaik’’ dönüşüm sistemlerinde olduğu gibi yaygın güneş radyasyonundan ziyade direkt güneş ışınımını kullanırlar Dünyanın bir çok bölgesi yoğunlaştırılmış güneş enerjili sistemlerinin kullanılması için önemli bir uygulama alanıdır Üç farklı tipte yoğunlaştırılmış güneş enerjili güç sistemi vardır Bunlar; parabolik tekne, ayna/motor ve güneş kulesi sistemleridir Bu sınıflandırma güneş enerjisini toplama biçimine göre yapılmıştır

(a) Parabolik Tekne sistemleri: Güneş enerjisi; tekne şeklinde parabolik eğri yüzeye sahip bir yansıtıcı eleman yardımıyla yoğunlaştırılır Yansıtıcı yüzey üzerinde parabolik eğri boyunca hareket eden yutucu bir boru mevcuttur Şekil 311’de bu sistem görülmektedir Güneşten gelerek boru

üzerine yoğunlaştırılan ışınlarla boru içerisindeki çalışma sıvısı ısıtılır Daha sonra ısı enerjisi yardımıyla üretilen buhar, bir buhar türbini-jeneratör sisteminden geçirilerek elektrik enerjisi üretilir Bu sistemler, gece boyunca ve güneşin olmadığı saatlerde de düzenli bir şekilde elektrik üretebilmesi için ayrıca bir termal enerji depolama sistemlerine de sahiptirler Genelde parabolik tekne sistemleri hibrit sistemler olup, bulutlu havalarda ve geceleyin sürekli enerji üretimini sağlamak için fosil yakıt kullanan sistemler de devreye girmektedir Burada fosil yakıt olarak doğal gaz veya kömür kullanılır Parabolik tekne sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 10 dan 100’e kadar çıkabilirken sıcaklık da 400oC 'a kadar çıkabilir

Bir toplayıcı tarlası, kuzey - güney ekseni üzerine paralel sıralanmış bir çok çanaktan oluşur Bu düzenek güneş ışınlarının gün boyunca doğudan batıya doğru tek eksenle izlenmesine ve sürekli olarak yutucu boru üzerine odaklanmasına imkan verir Parabolik teknelerden oluşan bir toplayıcı tarlası sistemi ile ticari olarak toplam kapasitesi 350 MW ’dan daha büyük sistemler oluşturmak mümkündür Bu tip güneş enerjili elektrik sistemlerinde ısı transfer akışkanı olarak termal yağ kullanılır, Bu ısınmış yağ boru hatları yardımıyla bir seri ısı eşanjörüne gönderilerek 390oC sıcaklığa kadar ısıtılmış buhar elde edilmesini sağlar Süper ısıtılmış buhar bir türbinden geçirilerek elektrik enerjisi üretilir Bu elektrik lokal enerji hatlarını besleme için de kullanılır Bu sistem üzerindeki araştırmalar devam etmektedir Çalışmalar daha ziyade toplayıcı içinde buharı direkt üretmeye yönelik olmaktadır Böylece daha düşük üretim maliyetine ulaşılması hedeflenmektedir Güneş enerjili hibrit sistemler de bir diğer araştırma konusudur Bu konuda; özellikle İsrail, Almanya ve İspanya ‘da çalışmalar yapılmaktadır [ ] Bu teknolojiyi ayrıca; evlerde, hapishanelerde, restaurantlarda, okullarda, küçük üretim atölyelerinde, çamaşırhanelerde de kullanmak mümkündür

Şekil 311 Parabolik tekne sistemi

(b) Çanak/motor sistemleri: Çanak motor sistemleri başlıca; yansıtıcı, toplayıcı ve bir motordan oluşan başlı başına bir ünitedir Güneş enerjisi, çanak biçimli bir yüzey tarafından bir alıcı yüzey üzerine nokta şeklinde yoğunlaştırılır Alıcı yüzey de bu toplanan enerjiyi ya termal enerjiye dönüştürür ve direkt ısı enerjisi olarak kullanılmasını sağlar ya da bir motor içerisindeki çalışma akışkanına aktarır (Şekil 312) Motor ise ısıyı mekanik güce çevirir Soğukken sıkıştırılmış akışkan, güneş enerjisi yardımıyla ısıtılır ve bir türbin veya silindir piston sisteminde genleşirken iş üretir Bu mekanik güç bir jeneratör veya bir alternator yardımıyla elektriksel güce dönüştürülür Çanak-motor sistemleri güneşi iki eksende izlerler İdeal yoğunlaştırıcı şekli paraboliktir Üç yada tek bir yansıtıcı yüzeye veya bir çok yansıtıcıdan oluşan bir yüzeye sahiptir Alıcı yüzey ve motor tipi için başlıca Stiriling motor ve Brayton alıcısı gibi bir çok seçenek vardır Çanak motor sistemleri bugün ticari olarak üretilmemektedir Tek bir çanak motor sistemleri ile 25kW kadar güç üretmek mümkündür Amerika ve Avrupa'da kırsal bölgelerde 75-25kW boyutunda uygulamalar yapılmaktadır Daha fazla

güç için çanak sistemlerini birleştirmek gerekmektedir Bu tip sistemler doğal gazla birleştirildiğinde hibrit sistemler olarak sürekli güç üretebilecek duruma getirilirler Çanak-motor sistemleri; yüksek verimli, ayarlanabilir, bağımsız operasyonlu ve hibrit sistemlerle beraber çalışabilen bir sistem olarak karakterize edilir Diğer güneş enerjili sistemlerden farklı olarak çanak-motor sistemleri yüksek elektrik dönüşüm verimine sahiptir(% 294) Bu sistemler kırsal bölgelerin enerji ihtiyacını karşılamak için önemli bir alternatif olma durumundadır

Yansıtıcı yüzey cam veya plastik olup gelen güneş radyasyonunu bir nokta üzerine yansıtır Çanak-motor sistemlerinde yansıtıcı yüzeyin boyutu kullanılan makinanın gücü ile belirlenir Örneğin ortalama 1000 W/m2 'lik bir güneş radyasyonu için 25kW gücünde bir çanak /stirling sistemi kullanılması durumunda yoğunlaştırıcının çapı yaklaşık 10 m olarak seçilir Yoğunlaştırıcıda alüminyum veya gümüş yansıtıcı bir yüzey kullanılır bunun da üzerinde cam veya plastik tabaka vardır Düşük fiyatlı yansıtıcı polimer filmler henüz sınırlı bir başarıyla kullanılmaktadır Çanak yoğunlaştırıcılar küçük bir odak uzaklığına sahiptir Düşük demir ihtiva eden camlar yansıtmayı artırmaktadır Kalınlık ve demir içeriğine bağlı olarak gümüşlü güneş aynaları ile yansıtma oranı %90–94 arasında sağlanır En ideal yoğunlaştırıcı şekli paraboloiddir Yoğunlaştırma oranı 2000 ve üzeridir Güneşin iki eksenli izlenmesi iki şekilde olur Bunlar Azimut-yükseklik izleme ve kutupsal izlemedir Azimut yükseklik izlemede; çanak, dünya azimutuna paralel olarak döner, diğer hareket ise buna dik olarak gerçekleşir Bu kollektörde sol-sağ ve yukarı aşağı şekilde bir dönme sağlar Dönme oranı gün boyunca değişir Fakat bu kolayca hesaplanır Büyük çanak motor sistemlerinde çoğunlukla bu yöntem izlenir Kutupsal izleme yönteminde kollektör; dünyanın kendi dönme eksenine paralel bir eksen etrafında 15o/saat olacak şekilde sabit bir hızla döndürülür Diğer dönme ekseni ise, sapma ekseni kutupsal eksene diktir Bu eksen etrafındaki hareket yavaş olup yıl boyunca -+ 235o olarak değişir Küçük boyutlu çanak motor sistemlerimin büyük çoğunluğu bu sistemi uygularlar Şekil 313a'da güneş açıları ve Şekil 13b'de ise izleme sistemleri görülmektedir Burada Ψ yüzey azimut açısını, θ zenit açısını göstermektedir

Alıcılar, yoğunlaştırıcı tarafından yansıtılan enerjiyi absorbe ederek makinadaki çalışma sıvısına aktarırlar Yutucu yüzey, genellikle yoğunlaştırıcının odak noktasının arkasında bulunur Odağa radyasyon ve konveksiyonla meydana gelen ısı kayıplarını düşürmek için bir menfez yerleştirilir Stirling motor, yoğunlaştırılmış güneş enerjisini yüksek verimle alır ve bunu yüksek basınçlı bir gaza (helyum veya hidrojen) aktarır Brayton çevrimli bir sistemde ise akışkan düzenli olup fakat göreceli olarak daha düşük basınçtadır Çanak-motor sistemlerinde kullanılan motorlar geleneksel sistemlerde olduğu gibi ısıyı mekanik güce çevirirler Yani çalışma sıvısı soğukken sıkıştırılır, sıkıştırılmış akışkan ısıtılır, Bir türbin veya piston silindir sisteminde genleşirken iş üretilir Mekanik enerji bir jeneratör yardımıyla elektrik enerjisine dönüşür Çanak-motor sistemlerinde bir çok termodinamik çevrimi ve çalışma sıvısını kullanmak mümkündür Bunlar örnek olarak su veya organik çalışma sıvısı kullanan Rankine çevrimini, açık ve kapalı Brayton çevrimini ve Stirling çevrimini verebiliriz Otto ve dizel motor çevrimleri bu sistemler için uygun değildir Çanak Stirling sistemlerinde elektriksel güç yaklaşık 25kW, Brayton çevrimlerinde yaklaşık 30kW'dır

(c) Güneş kulesi: Güneş kulesi sisteminde güneşten gelen direkt ışınlar, geniş bir alana yayılmış yüzlerce hatta binlerce aynalar (bunlar heliostat olarak da bilinir) yardımıyla kule üzerindeki toplayıcı üzerine yoğunlaştırılır Toplayıcı içerisinden dolaştırılan tuzlu eriyiğin, bu yoğunlaşan enerji

yardımıyla sıcaklığı artırılır Bu tuzlu eriyiğin ısı enerjisi daha sonra elektrik enerjisi üretmek amacıyla bir geleneksel buhar türbini-jenerator sisteminde kullanılır Tuzlu eriyik ısıyı verimli bir şekilde tutar Böylece ısı, saatlerce veya hatta günlerce elektrik enerjisi üretilmeden muhafaza edilir Şekil 314'de bir güneş kulesi sistemi görülmektedir

Tuzlu eriyik 277oC sıcaklıkta soğuk depolama tankından kule üzerindeki bir toplayıcı içerisine pompalanır Burada 777oC’a kadar ısınarak bir sıcak tanka gönderilerek depolanır Güce ihtiyaç duyulduğunda sıcak tuzlu eriyik bir buhar üretme sistemine pompalanarak yüksek sıcaklıkta buhar üretilmesinde kullanılır Buhar üretecinden çıkan tuzlu eriyik tekrar soğuk tanka gönderilerek depolanır ve yeniden toplayıcı sisteme gönderilir Bir termal depolama ile birlikte güç kulesi sistemi yıllık %65 kapasite faktörü ile çalışır Bunun anlamı, yılın %65'inde ilave bir enerji kaynağı kullanmadan çalışabilirler Enerji depolamadan güneş teknolojilerinin yıllık kapasite faktörleri % 25 civarındadır Güneş kulesi, bu depolama sistemi ve daha uzun süre çalışabilmesi özellikleri nedeniyle diğer yenilenebilir enerji teknolojilerinden ayrılır

Bu sistemler; ısı transfer akışkanı, ısı depolama ortamı ve güç dönüşüm sistemine bağlı olarak farklı şekillerde tanımlanırlar Güneş kulesi sistemlerinde ısı transferi akışkanı olarak su/buhar, eriyik nitrat tuzu, sıvı metaller veya hava kullanılır Termal enerji depolama, faz değiştiren maddeler veya seramik briketler yardımıyla sağlanır Genelde Rankin buhar çevrimi uygulanmakla birlikte diğer bir alternatif olarak açık çevrimli Brayton güç dönüşüm sistemi de kullanılabilir Güç kulesi sistemlerinde yoğunlaştırma oranı 300 ile 1500 arasında değişirken, sıcaklık 550oC’dan 1500oC’a kadar çıkabilir Maksimum güç 10 MW ve üzeridir

Isı transferi akışkanı olarak genelde iki farklı akışkan kullanılmaktadır Bunlar su ve erimiş tuzlardır Su ısı transferi için en eski ve en ucuz çözümdür Tuz eriyikleri, bulutlu havalarda ve geceleri ısısını uzun süre sakladığı için çok iyi bir enerji depolayıcı malzemedir Erimiş tuzlar genellikle %60 sodyum nitrat ve %40 potasyum nitrat ihtiva eder Tuz yaklaşık 700oC’ da erir 1000oC da ise hala eriyik

halindedir İzolasyonlu bir kapta uzun bir süre tutularak ihtiyaç olduğu anda suyu buharlaştırmak için hazır bekletilir Bu tip bir enerji depolamanın verimi %99 civarındadır %1lik kayıp ise izolasyon kayıplarıdır Günümüzde güneş kulesi sistemlerinde nitrat tuzu ve havanın ısı transfer akışkanı olarak kullanılması konusunda araştırmalar devam etmektedir Nitrat tuzunun depolama amaçlı kullanılması durumunda, güneşsiz ve bulutlu günlerde ve güneş battıktan sonra da gerekli güç üretilir Çalışmalarda hedef nitrat tuzlu sistemlerle 100-200MW’lık güçler üretmek olmaktadır Günümüzde sistemin maliyeti yüksek olduğu için az sayıda güneş kulesi vardır Bu sistemlerin kurulabilmesi için bölgenin uzun süre ve çok yoğun güneş ışınımı alması gerekir Tablo 32'de dünyada kurulu güneş kulesi sistemleri karşılaştırmalı olarak verilmiştir

İlk güneş kulesi sisteminde; buhar türbini sisteminde kullanılan buhar direkt olarak üretilmiştir ‘’Solar One’’ sistemi 1982 yılından 1998 yılına kadar dünyanın çalışan en büyük güneş kulesi sistemi olup, toplayıcı içerisindeki su buhara dönüştürülerek Rankin çevrimli bir buhar türbini sisteminde kullanılmıştır Burada her birinin yansıtıcı yüzey alanı 393 m2 olan 1818 adet heliostat adı verilen güneşi izleyen aynalar kullanılmıştır Gelecekte, güney batı Amerika’da 30-100 MW arasında bir güneş kulesinin planlanması düşünülmektedir Dünyada Hindistan, Mısır ve Güney Afrika güneş kulesi sistemlerinin kurulması için aday ülkeler durumundadır Teknolojik olarak 400 MW güce kadar güneş kulesi sistemi yapmak mümkündür Çevre kirliliği yaratmayan enerji kaynakları gün geçtikçe daha fazla önemli olurken, tuz eriyikli güneş kulesi sistemlerinin maliyetli hala yüksek olmaktadır Buna rağmen, enerji depolamalı güneş kulesi sistemlerinde yıllık kapasite faktörü %65 ‘e kadar çıkabilmektedir Bu teknolojinin kullanılmasındaki önemli bir sorun da büyük bir yüzey alanına ve çok miktarda suya ihtiyaç duyulmasıdır Çöllerde yeterli güneş enerjisi ve alan olmasına karşılık buralarda su temini zordur Güneş kulesinde gerekli yüzey alanı hidrolik sistemlerle karşılaştırıldığında daha azdır Şekil 315'de bir güneş kuleli hibrit sistem görülmektedir Burada hem buhar hem de gaz türbini mevcut olup gaz türbininde sadece fosil yakıt kullanılmaktadır Buhar türbininden güç üretiminde ise hem güneş enerjisi hem de fosil yakıt kullanılmaktadır

Şekil 316'de farklı kapasite faktörlerinde tasarlanmış iki güneş kulesi sistemi görülmektedie Kapasite faktörünü verilen bir türbin boyutunda artırmak için şu yollar izlenir a)heliostat sayısını artırmak, b)termal depolama tankını büyütmek, c) kuleyi yükseltmek, d)alıcı boyutlarını büyütmek Böylelikle kapasite aktörünü %25'den %65'e çıkarmak mümkün olacaktır

Yoğunlaştırılmış güneş gücü teknolojileri, büyük ölçekli güç sistemlerinde (10 MW ve üzerinde) oldukça ekonomik olup kurulu gücün maliyeti bugünkü teknoloji ile 2-3$/Watt 'dır Yani 10MW'lık bir sistemin maliyeti 3 milyon USD olup burada üretilen elektriğin maliyeti ise 9-12cent/kWh'dir Doğal gazlı kombine bir yoğunlaştırılmış güç sistemlerinde bu değer 8 centin altına düşmektedir Teknolojideki gelişmeler ve düşük fiyatlı termal depolama sistemlerinin kullanılması ile yoğunlaştırılmış güneş enerjili sistemler günün daha fazla saatinde çalışma imkanı sağlayacaktır Böylece elektriğin kWh 'ini 4-5 cent civarına düşürmek mümkün olacaktır

Güneş enerjisinin fotoelektrik dönüşümünde kullanılan fotovoltaik piller, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir Fazla elektron bulunan n-tipi yarı iletken ile fazla boşluk bulunan p-tipi yarı iletken yan yana geldiği zaman tek bir kristal meydana getirmesi ve fazla elektronların boşluklara atlamasıyla doğru akım meydana gelir Güneş pillerinin verimleri; tasarım, madde yapısı ve imalat şartlarına bağlı olarak % 6 – 35 arasında değişir Şekil 317'da bir fotovoltaik pilinin yapısı görülmektedir

Güneş pillerinin 35 yıllık gelişiminde, özel ve kamu destekli araştırma ve geliştirme çalışmaları esas olmuştur Güneş pili fiyatlarındaki düşüş ve elektrik üretiminde temiz bir enerji kaynağı olmasından dolayı kullanımında son yıllarda önemli bir artış görülmektedir Güneş pilleri pahalı olmalarına karşın en önemli üstünlükleri; hiç bir hareketli parçaya sahip olmamaları, sorunsuz olarak az bakımla 25- 30 yıl kullanılabilmeleri ve çalışma süreleri boyunca doğaya hiç bir kirletici atık bırakmamalarıdır

Güneş pillerini oluşturan hücreler; ışığı emen, elektronları uyaran ve böylece akım taşımak için boşluklar oluşturan iki veya daha fazla özel hazırlanmış yarı iletken madde katmanı içerir İki ayrı özelliğe sahip yarı iletken maddenin temas yüzeyi, elektronların bir devrede dolaşmasını sağlayacak bir gerilim oluşturur Bu gerilimi kullanmanın bir yolu cihazda iki veya daha fazla ince yarı iletken madde katmanı kullanmaktır Bu hücrelerin alanı bir kaç cm2 den 3-4 m2 ye kadar değişmekte ve silikon, galyum arsenit, şekilsiz silikon, bakır indiyum diselenit, kadmiyum tellürit ve bir çok farklı yarı iletken maddeden yapılmaktadır Birçok hücreyi bir molekülde bağlamak daha yüksek bir güç çıkışı sağlar ve hücreler için koruyucu kaplama oluşturur

Fotovoltaik piller, modüller halinde olduğundan ihtiyaca göre boyutlandırılabilir Yeni sistemlerin tasarımı, kuruluşu ve çalıştırılması veya var olan sistemlere ek yapılmasında geçen süre diğer konvansiyel güç üretim tekniklerinde gereken sürenin küçük bir kısmıdır Ayrıca bu sistemlerin basitliği, düşük çalışma ve bakım maliyeti sağlar Fotovoltaik jeneratörleri çevirme işleminde, hiç bir hareketli parçası olmadığından dolayı bakım, tamir ve yedek parça maliyeti daha düşüktür Çalışma maliyeti sıfırdır çünkü yakıt masrafının olmaması birim kWh başına enerji maliyetini düşürmektedir Tipik bir sistemin kullanım süresi yaklaşık 20 yıldır Güneş pili sistemlerinin maliyeti, temel olarak iki kısımda incelenebilir İlki güneş pili modüllerinin maliyeti, ikincisi invertörler, elektronik denetim aygıtları, depolama, kablolama, arazi, altyapı hazırlama gibi sistem destek elemanlarının maliyetidir Genelde güneş pillerinin maliyeti toplam sistem maliyetinin yarısını oluşturmaktadır Ancak maliyet hesabında çevre etkileri dikkate alınmamaktadır Yıllık güneş pili piyasasının 500 milyon dolar civarında ve güneş pili üretim kapasitesinin yıllık 50-100 MW olduğu sanılmaktadır