Güneş Enerjisi İle Su Isıtma Sistemleri

Güneş sınırsız ve herhangi bir maliyeti olmayan enerji kaynağıdır. Bir ailenin ortalama günlük sıcak su ihtiyacı 150 litredir. Bunu ısıtmak için orman köylerinde odun yakılır ve çevreye zarar verilir. Şehirlerde ise sıcak su ihtiyacı karşılamak amacıyla elektrik enerjisinden faydalanır ki bu da çok yüksek maliyetlidir. Bu çevre zararları ve maliyetlerin üstesinden gelebilecek sistemler mevcuttur. Bu sistemler güneş enerjisinden gelen ısıyı suya aktarıp suyu ısıtan sistemlerdir. Bu sistemlerin çeşitleri ve çalışma prensipleri aşağıda anlatılmıştır.

Güneş enerjisi ile su ısıtma sistemleri devre şekline,işletme türüne,depo yerleşim şekline ve panel tipine göre çesitlilik gösterir.

1- Kollektör tipine göre güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

Düzlemsel kollektörler

a- Bakır veya alüminyum borulu düzlemsel kollektörlü sistemler(Düzlemsel kollektörler)
Düzlemsel cam örtünün altındaki emici yüzey ısıyı içinde sıvı bulunan bakır veya alüminyum levhaya iletir. Bakır pahalı olsa da daha iyi bir ısı iletkenidir.

b- Vakum tüplü güneş kollektörleri

Cam vakum tüpler, güneşli su ısıtıcıların ve kollektörlerin esas parçasıdır. Her vakum tüp iki cam tüpten oluşur. Dış boru oldukça sağlam,seffaf borosilikattan üretilir. İçteki tüpde borosilikattan yapılır ve iyi bir ısıl absorbsiyon ve minimum yansıtma katsayılı AL-N/AL ile kaplanır. İki tüp arasındaki hava boşluğundandaki hava vakum edilir(boşaltılır) ve Baryum tutucular ile borular birbirine tutturulur.

Vakum tüplü güneş kollektörleri

Vakum tüplü güneş enerjisi ile su ısıtma sistemleri bulutlu havalarda oldukça avantajlıdırlar, çünkü bu vakum tüpler bulutlardan gelen yagın ışınımı emebilmektedir. Düzlemsel güneş kollektörleri ile kıyaslandığında rüzgarlı ve sıcaklığın az olduğu günlerde bile vakum tüplü güneş kollektörleri vakum izolasyonundan dolayı daha verimlidirler.Tüpler silindirik bir yapıya sahip olduğu için güneş ışınlarını sürekli dik açıyla alırlar. Bu da yansımayı düşürerek verimi arttırmış olur.

c- Isı borulu vakum tüplü(kapalı sistem) güneş enerjili su ısıtma sistemleri

Isı borusundaki akışkan evoporator(buharlaşma) bölgesinde çevreden ısı alarak buharlaşmakta ve buhar biçiminde kondensör(yoğuşma) bölgesine doğru ilerlemektedir.evoporator bölgesi soğuk bölge,kondenser bölgesi sıcak bölge olarak da adlandırılır. İki bölge arasında izole edilmiş olarak bulunan ve ısı alışverişinin olmadığı adyabatik bölge bulunur. Bu bölgeye transport bölgesi de denir. Yoğuşma bölgesinde dışarı ısı vererek sıvılaşan akışkan, tekrar buharlaşma bölgesine fitilin kapilarite etkisi ve yer çekimi etkisi ile döner.

Isı borulu vakum tüplü(kapalı sistem) güneş enerjili su ısıtma sistemi

İnorganik normal ısı borusu cam vakum tüpün içine yerleştirilmiş olan bir bakır ısı borusundan oluşur. Bakır ısı borusu cam vakum tüpün içinden, ısı borusunun baş tarafına yerleştirilen ısı değiştirgecine ısı transferi gerçekleştirir. Bu sırada ısı değiştirgeci üzerinden akan sıvıya ısısını bırakır. Bu ısı transferi çevrimi şöyle gerçekleşir;
Bakırdan yapılmış ısı borusunun içine zehirli olmayan inorganik bir ısı transferi akışkanı barındırır. Isı borusunun merkezi vakum olduğu 25-30 santigrat derecede bileşim kolayca buharlaşabilir. Buharlaşan sıvı ısı borusunun tepesine çıkar ve ısısını vererek tekrar sıvı hale geçer. Sıvı buhar karışımı ısı borusunun alt kısmına doğru iner ve ısı alarak tekrar buharlaşır.
Isı boruları ayrıca iklimlndirme ve bilgisayarlara işlemcinin(CPU) soğutulmasında kullanılır.

d- Vakum tüplü(açık sistem) güneş enerjili su ısıtma sistemleri

Bu sistemlerde istenilen verim alınamadığı için ve maliyet uygun olmadığı için pek kullanılmamaktadır.

2- Devre tipine göre güneş enerjili su ısıtma sistemleri

a-açık dolaşımlı devre

Güneşin ısıttığı suyun doğrudan kullanıldığı sistemlerdir.

Bu sistemlerde dikkat edilmesi gereken husus sistemin kışın soğuktan dolayı zarar görebilmesidir. Bu sorunu aşmak için borular hafif eğimli bırakılır. Bu sistemin etkili çalışması için boruların en üst yüzeyi ile deponun en alt yüzeyi arasında 6 cm yükseklik farkı bulunmalıdır. Bu sistemde çok dar yada çok uzun borular kullanmak sirkülasyonu geciktireceği için uygun boru seçimi yapılmalıdır.

açık dolaşımlı devre

b- Kapalı dolaşımlı devre

Devresindeki suyun dışarı verilmediği sistemlerdir. Bunun avantajı kireçlenme ve kış aylarında donma gibi yan etkilerden kurtulmaktır. Fakat eşanjör vasıtasıyla ısıtma yaptığı için açık dolaşımlı devre tiplerine oranla verimi düşüktür. Kapalı dolaşımlı devre sistemlerinin çalışma prensibi, kollektörde ısınan su eşanjör vasıtasıyla sıcak su deposuna ısısını bırakıp tekrar kolektöre döner. Bırakılan bu ısıyı alan soğuk su ısınıp kullanım için evin su şebekesine gider.
Bu sistemlerin maliyeti daha fazla, verimleri daha düşük olmasına karşın donma, kireçlenme ve korozyona karşı daha dayanıklıdırlar. Bunlarda kolektör üst seviyesi ile depo tankı arasında 45 cm yükseklik farkı olmalıdır.

Kapalı dolaşımlı devre

3- İşletme türüne göre güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

a- doğal dolaşımlı sistemler

Isınan suyun yoğunluğunun düşmesi sonucu doğal olarak suyun devirdaim ettiği sistemlerdir. Kolektör üst seviyesi ile depo tankı arasında 45 cm yükseklik farkı vardır. Deponun altından alınan soğuk su ısıtılarak hafifler ve deponun üst seviyesine yükselir. Bu şekilde su ısınmış olur. Bu sistemler sadece küçük sistemlerde kullanılabilir. Suyu pompalamak için bir pompaya ihtiyaç duyulmadığından dolayı daha ucuz sistemlerdir. Bunlar da kendi aralarında açık ve kapalı dolaşımlı sistemler olarak gruplandırılırlar.

b-Pompalı(zorlamalı dolaşımlı) sistemler
Suyun pompa ile dolaştırıldığı sistemlerdir ve deponun yeri ve yüksekliği önemsizdir. Büyük sistemlerde kullanılır. Bu sistemler otomatik kontrol devreleri ile çalıştırılırlar. Suyun sıcaklığı soğuk suyunkine oranla 10 santigrat dereceye arttığında suyu pompalar ve sıcaklık farkı 3 santigrad derece olduğunda ise otomatik olarak pompa devresi durur. Pompa sisteminin arızalanabilmesi nedeniyle kullanımı doğal dolaşımlı sistemlere oranla daha zordur.

Pompalı(zorlamalı dolaşımlı) sistemler

c- Yardımcı ısı üreteçli sistemler
Güneş enerjisinin yeterli olamadığı sistemlerde kullanılır. Güneş enerjisine ek olarak elektrik,doğalgaz gibi sistemler kullanılır. Bunlar genellikle zorlamalı dolaşımlı sistemler ile çalıştırılır. Otomatik kontrol ünitesi pompayı ve istenien sıcaklığı ayarlamak için yardımcı ısıtıcıyı denetler. Evlerde güneş enerjisi yeterli olmadığı durumlarda rezistanslı(elektrikli su ısıtıcısı) sistem devreye girer. Rezistanslı su ısıtma sistemleri oldukça yaygındır.

Yardımcı ısı üreteçli sistemler

4- Depo yerleşim şekillerine göre güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

Sistemde kullanılan depo dikey, yatay ya da tamamen çatı altında gizli olarak ta kullanılabilir.

a- Yatay depolu güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

Bu sistemlerde sıcak ve soğuk su depoları yatay olarak yerleştirilir. Kapalı tiplerde kolektör ve depo arasında en az 45 cm yükseklik farkı bulunmalıdır.
Bu sistemler açık/kapalı veya doğal dolaşımlı/pompalı olabilirler.

Yatay depolu güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

b- Dikey depolu güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri
Bu sistemlerde kolektörün yanında sadece sıcak su deposu bulunur. Dikey olarak konumlandırılan depoda doğal sirkülasyon gerçekleştiği için pompa kullanılmaz. Kapalı devre sistemdir. Üretim maliyeti yatay depolulara oranla daha düşüktür. Dışarıdan tek bir depo gibi görünür. Bu sistemde sıcak-soğuk su karışımı daha uzun sürer. Depo iki bölümden oluşur. Suyun girişini şamandra kontrol eder. Sıcak su kullanıldığı zaman üst bölümden alt bölüme soğuk su geçişi olur ve ısınmaya başlar. Üstte soğuk,altta sıcak su bulunur. Şebekeden gelen su önce üst bölüme geçer.Daha çok devamlı şebeke suyu bulunan bölgelerde kullanılır. Sıkça su kesintisi olan bölgelerde kullanımı uygun değildir.

Dikey depolu güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

c- Çatı tipi güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

Depo çatıda değilde çatının altında ya da daha uygun bir yere yerleştirilir. Bu sistemler pompa ile çalışır. Sistem otomatik kontrol sistemine sahiptir.

d- Avustralya tipi güneş enerjisiyle su ısıtma sistemleri

Avustralya’da kullanılan kendinden depolu ve üzeri siyah bir örtü ile kaplanmış ve yüzeyi siyaha boyanmış bir metaldir. Kolektör ve sıcak su deposu tek parça halindedir. Panel tip olan kolektörde ısınan su depoya gider ve yerini deponun altındaki soğuk suya bırakır. Isı toplayıcısı ile depo tümleşik olduğunda soğuk havalarda ya da güneşin olmadığı zamanlarda su soğuya bilmektedir.

Referanslar
techno-economical analysis of solar water heating systems – Hasan Şahin