Güneş kollektörlü sıcak su sistemleri, güneş enerjisini toplayan düzlemsel kollektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve bu iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı
borular, pompa ve kontrol edici gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır.

Güneş Kollektörlü Sıcak Su Sistemi

Güneş kollektörlü sistemler tabii dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılırlar. Her iki sistem de ayrıca açık ve kapalı sistem olarak dizayn edilirler.

Tabii Dolaşımlı Sistemler: Tabii dolaşımlı sistemler ısı transfer akışkanının kendiliğinden dolaştığı sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan suyun yoğunluğunun azalması ve yükselmesi özelliğine dayanmaktadır. Bu tür sistemlerde depo kollektörün üst seviyesinden en az 30 cm yukarıda olması gerekmektedir. Deponun alt seviyesinden alınan soğuk (ağır) su kollektörlerde ısınarak hafifler ve deponun üst seviyesine yükselir. Gün boyu devam eden bu olay sonunda depodaki su ısınmış olur. Tabii dolaşımlı sistemler daha çok küçük miktarda su ihtiyaçları için uygulanır. Deponun yukarıda bulunması zorunluluğu nedeniyle büyük sistemlerde uygulanamazlar. Pompa ve otomatik kontrol devresi gerektirmediği için pompalı sistemlere göre biraz daha ucuzdur.

Pompalı Sistemler: Isı transfer akışkanının sistemde pompa ile dolaştırıldığı sistemlerdir. Deposunun yukarıda olma zorunluluğu yoktur. Büyük sistemlerde su hatlarındaki direncin artması sonucu tabii dolaşımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorluğu nedeniyle pompa kullanma zorunluluğu doğmuştur.

Pompalı sistemler otomatik kontrol devresi yardımı ile çalışırlar. Depo tabanına ve kollektör çıkışına yerleştirilen diferansiyel termostatın sensörleri; kollektörlerdeki suyun depodaki sudan 10^oC daha sıcak olması durumunda pompayı çalıştırarak sıcak suyu depoya alır, bu fark 3 ^oC olduğunda ise pompayı durdurur. Pompa ve otomatik kontrol devresinin zaman zaman arızalanması nedeniyle işletilmesi tabii dolaşımlı sistemlere göre daha zordur.

Açık Sistemler: Açık sistemler kullanım suyu ile kollektörlerde dolaşan suyun aynı olduğu sistemlerdir. Kapalı sistemlere göre verimleri yüksek ve maliyeti ucuzdur. Suyu kireçsiz ve donma problemlerinin olmadığı bölgelerde kullanılırlar.

Kapalı Sistemler: Kullanım suyu ile ısıtma suyunun farklı olduğu sistemlerdir. Kollektörlerde ısınan su bir eşanjör vasıtasıyla ısısını kullanım suyuna aktarır. Donma, kireçlenme ve korozyona karşı çözüm olarak kullanılırlar. Maliyeti açık sistemlere göre daha yüksek verimleri ise eşanjör nedeniyle daha düşüktür.

DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ

Düzlemsel güneş kollektörleri, güneş enerjisinin toplandığı ve herhangi bir akışkana aktarıldığı çeşitli tür ve biçimlerdeki aygıtlardır.

Düzlemsel güneş kollektörleri, üstten alta doğru, camdan yapılan üst örtü, cam ile absorban plaka arasında yeterince boşluk, kollektörün en önemli parçası olan absorban plaka, arka ve yan yalıtım ve yukardaki bölümleri içine alan bir kasadan oluşmuştur (Şekil-2).

Düzlemsel Güneş Kollektörü

Üst örtü: Kollektörlerin üstten olan ısı kayıplarını en aza indirgeyen ve güneş ışınlarının geçişini engellemeyen bir maddeden olmalıdır. Cam, güneş ışınlarını geçirmesi ve ayrıca absorban plakadan yayınlanan uzun dalga boylu ışınları geri yansıtması nedeni ile örtü maddesi olarak son derece uygun bir maddedir. Bilinen pencere camının geçirme katsayısı 0.88’dir. Son zamanlarda özel olarak üretilen düşük demir oksitli camlarda bu değer 0.95 seviyesine ulaşmıştır. Bu tür cam kullanılması verimi % 5 mertebesinde arttırır.

Absorban Plaka: Absorban plaka kollektörün en önemli bölümüdür. Güneş ışınları, absorban plaka tarafından yutularak ısıya dönüştürülür ve sistemde dolaşan sıvıya aktarılır.

Absorban plaka tabanda ve üstte birer manifold ile bunların arasına yerleştirilmiş akışkan boruları ve yutucu plakadan oluşur. Yutucu plaka ışınları yutması için koyu bir renge genellikle siyaha boyanmıştır. Kullanılan boyanın yutma katsayısının (absorptivite) yüksek uzun dalga boylu radyasyonu yayma katsayısının (emissivite) düşük olması gerekmektedir. Bu nedenle de bu özelliklere sahip seçici yüzeyler kullanılmaktadır. Mat siyah boyanın yutuculuğu 0. 95 gibi yüksek bir rakam iken yayıcılığı da 0.92 gibi istenmeyen bir değerdedir. Yapılan seçici yüzeylerde yayma katsayısı 0.1’in altına inmiştir. Seçici yüzey kullanılması halinde kollektör verimi ortalama % 5 artar.

Absorban plaka, borular ile sıkı temas halinde olmalıdır. Alüminyumda olduğu gibi, akışkan borularının kanatlarla bir bütün teşkil etmesi en iyi durumdur. Bakır ve sacda bu mümkün olmadığı için akışkan boruları ile plakanın birbirine temas problemi ortaya çıkmaktadır. Bu problem ya tamamen yada belli aralıklarla lehim veya kaynak yapmakla çözülebilir.

Isı Yalıtım: Kollektörün arkadan olan ısı kayıplarını minumuma indirmek için absorban plaka ile kasa arası uygun bir yalıtım maddesi ile yalıtılmalıdır. Absorban plaka sıcaklığı, kollektörün boş kalması durumunda 150 °C’a kadar ısınması nedeniyle kullanılacak olan yalıtım malzemesinin sıcak yalıtım malzemesi olması gerekmektedir. Isı iletim katsayıları düşük ve soğuk yalıtım malzemesi olarak bilinen poliüretan kökenli yalıtım malzemeleri tek başına kullanılmamalıdır. Bu tür yalıtım malzemeleri, absorban plakaya bakan tarafı sıcak yalıtım malzemesi ile takviye edilerek kullanılmalıdır.

Kollektör Kasası: Kasa, yalıtkanın ıslanmasını önleyecek biçimde yapılmalıdır. Özellikle kollektör giriş ve çıkışlarında kasanın tam sızdırmazlığı sağlanmalıdır. Kasanın her yanı 100 kg/m2 (981 Pa=N/m2) basınca dayanıklı olmalıdır (TSE-3680).

Sıvılı kollektörlerde sızdırmazlığın yüzde yüz sağlanamadığı durumlarda camda yoğunlaşan su buharını dışarıya atmak amacıyla kasanın iki yan kenarına tam karşılıklı ikişer adet 2-3 mm çapında delik açılmalıdır.

Kollektör Enerji Dengesi

Kollektör üzerine gelen güneş ışınımının bir kısmı saydam örtüde yansır, bir kısmı yine saydam örtüde yutulur ve geri kalan kısmı absorban plakaya (yutucu yüzeye) ulaşır. Absorban plakaya gelen enerjinin, bir kısmı ısı taşıyıcı akışkana geçerken bir kısmı absorban plakada depolanır, geri kalan kısmı ışınım, taşınım, ve iletimle çevreye gider. Işınım taşınım ve iletimle olan ısı kayıplarının toplamı Qk, depolanan enerji Qd, akışkana geçen enerji Qf, olmak üzere, düzlemsel kollektörler için enerji dengesi:

I.A.(t.a)=Qf+Qk+Qd

Şeklinde yazılabilir. Burada (t.a) kollektör yutma geçirme çarpımı, I kollektör üzerine gelen güneş enerjisi ve A faydalı yüzey alanı olmak üzere I.A.(t.a) çarpımı absorban plaka üzerine gelen güneş enerjisini verir. 

Kollektör Verimi: 

Kollektörlerde ısı taşıyıcı akışkanda toplanan güneş enerjisinin, kollektöre gelen güneş enerjisine oranına kollektör verimi denir. Kollektör giriş suyu sıcaklığı arttıkca verim düşme eğiliminde olacağından genel bir verim yerine anlık verimden yani verim eğrisinden bahsetmek daha doğru olacaktır. Kollektör verimi ısı taşıyıcı akışkanın giriş, çıkış sıcaklıkları ve debi değerlerinin sağlıklı ölçülebildiği durumlarda ve en önemlisi çevre sıcaklığının sabit olduğu durumlarda

h = (m*Cp*( Tçık-Tgir)) / (A*I)

bağıntısıyla hesaplanabilir. Fakat verim eğrisi oluşturulurken çevre sıcaklığı da değişeceğinden verim bağıntısında Tç çevre sıcaklığı da değişken parametre olarak bulunmalıdır. Buna bağlı olarak verim,

Qk=-k*A*dt/dx genel ısı transfer denklemi kullanılarak ve Qg kollektöre gelen toplam güneş enerjisi olmak kaydı ile

h=Qf/Qg=(Qg*(t*a)-Qk)/Qg=(t*a)-(Qk/Qg)= (t*a)-(K*A*(Tort-Tçev))/(I*A)

h=(t*a)-K(Tort-Tçev)/I

formülüyle hesaplanması daha mantıklıdır. Burada kullanılan K kollektör için ısı kayıp katsayısıdır.

 ‘K’ Kollektör Isı Kayıp Katsayısı

Düzlemsel kollektörlerde çevreye olan ısı kaybı kollektörlerin üst alt ve yan yüzeylerinden olur.

K= Küst + Kalt + Kyan

Şeklinde yazılabilir. Kollektör alt ve yan yüzeylerinden olan ısı kayıpları yalıtım malzemesinin kalınlığına ve ısı transfer katsayısına bağlıdır. Değeri ‘Küst’ parametresine göre oldukça küçüktür. Çünkü kollektör üst yüzeyi saydam örtüden dolayı izolasyon yapılamamaktadır ve toplam ısı kayıplarının % 70’ i bu yüzeyden olmaktadır. ‘k’ yalıtım malzemesi ısı transfer katsayısı, L yalıtım malzemesi kalınlığı h konveksiyon ısı kayıp katsayısı olmak üzere 

Kalt=1/((1/h)+(L/k))  bağıntısıyla hesaplanabilir.

Üstten olan ısı kayıp katsayısının iteratif metotlarla hesaplanması uzun işlemleri gerektirmektedir. Pratikte basit bağıntılar tercih edilir. Agarwal ve Larson (1981), Küst değerinin

Bağıntısı ile maksimum ±0,25 W/m2°K hata ile bulunabileceğini belirtmektedir.Burada,

htd=5,7+3,8V

f=(1-0,04*htd+0,0005*h2td)(1+0,091N)

C=250*(1-0,0044*(s-90))

Olup, V (m/s) rüzgar hızı, s(drc) kollektör eğimi, N saydam örtü sayısı, eL yutucu yüzeyin ışınım neşretme oranı,eS  saydam örtünün ışınım neşretme oranı  TY  ve Tçev  sırası ile yutucu yüzey ve çevre sıcaklıklarıdır. Saydam örtü sayısının birden fazla olduğu durumlarda  yukarıdaki denklemin kullanılabilmesi için saydam örtülerin aynı tip olması gerekir. Fiziksel özellikleri farklı saydam örtü kullanılması durumunda iteratif metotlar kullanılmalıdır.

Teorik olarak hesaplanması çok zor olan K kollektör kayıp katsayısı, kollektör test çalışması sonucunda elde edilen verim eğrisinden kolayca tespit edilebilmektedir. Kollektörün verimi, giriş suyu sıcaklığı, çevre sıcaklığı, debi ve radyasyon değerlerine bağlı olarak değişmektedir. Toplam ısı kayıp katsayısı da bu parametrelere bağlı olarak değişim gösterir. Pratik olarak verim eğrisinin eğimi toplam ısı kayıp katsayısı  değerini verir. Toplam ısı kayıp katsayısı ve bu eğrinin verim eksenini kestiği noktadaki maksimum verime (ısı yalıtım katsayısının 0 kabul edildiği yani hiç ısı kaybının olmadığı durum) göre kollektörlerin iyi veya kötü olduğuna karar verilmektedir.

Şekil-6’da toplam ısı kayıp katsayısı (4,16 W/°Cm²) düşük ve yutma geçirme katsayısı (0,82)    büyük olan iyi kabul edilebilecek bir verim eğrisi görülmektedir.

PROJELENDİRME

Güneş kollektörlü sıcak su sistemlerini projelendirmede farklı yöntemler izlenebilir. Projelendirmede ihtiyacın güneşten karşılanma oranı %100 olmayacağı gibi bu oran % 10’un altında da olmamalıdır. Genel olarak Mayıs ayında ihtiyacın %70’inin karşılanacağını düşünerek projelendirmekte yarar vardır. Projelendirmede kişi başına tüketim, konutlarda 50, otel, motel gibi turistik tesislerde 75 ve hastanelerde 100 litre/gün olarak alınır.

Projelendirme konusunda en geçerli yöntem F-Chart yöntemidir. Buna göre  kollektöre ait parametreler aşağıdaki gibi olmalıdır.

0.6<τα<0.9

2.1<UL<8.3

5<F’RA<120 m²

X= FRUL(F’R/FR)(Tref-Ta)t(Ac/L)

Y=FR(τα)n (F’R/FR)(( τα)/( τα)n)HtN(Ac/L)

f=1.029Y-0.065X-0.245Y²+0.0018X²0.0215Y³

Burada:

Ac         : Kollektör alanı m²

F’R/FR   : Kollektör devresi eşanjör verimi (0,90-0,95)

FRUL     : kollektör ısı kayıp katsayısı (W/m²°C)

t           : Bir aylık toplam süre (saniye)

Ta         : çevre sıcaklığı (°C)

Tref      : refarans sıcaklığı (100 °C)

L           : Aylık toplam ısı yükü (j)

Ht         : Kollektör birim yüzeyine gelen aylık ortalam güneş enerjisi (j/m²)

N          : Aydaki gün sayısı

(τα)/( τα)n)        :Aylık ortalama yutma geçirme çarpımı (0,9-0,95)

f           : Faydalanma oranı

Yukarıda verilen f  faydalanma oranı mayıs ayında % 70 olacak şekilde Ac kollektör alanı hesaplanır.

Kollektör Verim Eğrisi