Güneş enerjisi ile ısıtma ve soğutma teknolojilerine genel bir bakış

Prof.Dr.Ali GÜNGÖR
Ege Üniversitesi
Mühendislik Fakültesi
Makina Mühendisliği Bölümü

Giriş

Nedense ne zaman enerji krizi konuşulur, o dönemlerde güneş enerjisi hatırlanır, layık olduğu konumda düşünülür ve enerji üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarının en başında yerini alır. Güneş, biraz detaylı düşünülürse, kullandığımız tüm enerjilerin ana kaynağı değil mi? Nükleer enerjinin bile ana kaynağı… Dünyamız güneşin bir gezegeni, oluşumunu düşünürseniz güneşin bir parçası değil mi? Durum böyle olmakla birlikte günümüzde enerji kullanımında çevreyi olumsuz etkilemeyen enerji türlerinin kullanımının yaygınlaştırılması düşüncesi ön plandadır. Bu düşünceler güneş enerjisini tüm uygulama biçimleriyle yaygın bir biçimde kullanmaya tüm toplumları, insanlığı zorlamaktadır. Bu aslında bir zorlama da değil, ortak aklın insanlığı getirdiği bir noktadır. Evet, yine yeniden güneş çağındayız. Bu çağın gereklerini ülke, toplum ve birey olarak yerine getirmek zorundayız.

Günümüze değin, güneş enerjisi uygulamalarına ve geliştirilen, araştırılan konu ve sistemlere bakıldığında Güneş Enerjisinin aklımıza gelen her türlü ısıtma, soğutma ve elektrik üretimi uygulamalarında kullanıldığını göstermektedir.

Güneş enerjisinin uygulama alanlarına bakıldığında özellikle evsel uygulamalarda sıcak su hazırlama, ısıtma, serinletmede başarılı uygulamalar gerçekleştirilebilmektedir. Son yıllarda da özellikle yoğunlaştırıcı sistemlerle güç üretimi sistemleri üzerine de yoğun araştırmalar gözlenmektedir. Buna karşılık ülkemizdeki yaygın kullanımın yalnızca su ısıtmaya yönelik olduğu açıktır.

Günümüz üretim teknolojilerine yerli ve yabancı firmalar olarak bakıldığında gerek toplayıcı çeşitliliğinde ve gerekse de seçici (selektif) yüzey özellikleriyle çok verimli toplayıcılar bulunabilmektedir. Örneğin değişik tip ve özeliklerde toplayıcıların bazı tipik özellikleri Tablo 1.’de verilmiştir. 

Tablo 1. Güneş enerjisi toplayıcıları ve kullanım çalışma sıcaklık aralıkları.

Tablo 2.’de de değişik bazı selektif yüzeyler ve özellikleri belirtilmiştir. 

Tablo 2. Çok uygulanan selektif yüzeylerin yutma (absorpsiyon) ve yayma (emisyon) katsayıları. 

Güneş enerjisinin ısıl uygulamalarında sıklıkla düzlemsel sıvılı ve havalı toplayıcılar kullanılır. Ülkemizde sıvılı toplayıcılar çok yaygın üretilmekle birlikte, havalı toplayıcı üretimine yeterince ağırlık verilmemiştir. Günümüzde ticari çok farklı tasarımlarda havalı toplayıcılar ve sıvılı toplayıcı tipleri geliştirilmiştir.

Gerek havalı güneş enerjisi toplayıcıları ve gerekse sıvılı güneş enerjisi toplayıcıları farklı verimlilik ve özelliklerde üretimleri gerçekleştirilebilmektedir. Uygulama özelliklerine uygun tiplerin seçimi ile sıcak su ısıtma, hacim ısıtma ve soğutma için ekonomik proje tasarımları gerçekleştirilebilmektedir. Bunlara ilaveten parabolik oluk tipi yansıtıcılı odaklı toplayıcıların kullanımı ile yüksek sıcaklıklara ulaşılabilmektedir. Bu ise özellikle merkezi ısı etkili çalışan absorpsiyonlu su soğutma gruplarının çok başarılı çalıştırılabilmelerini olanaklı kılmaktadır.

Yüksek sıcaklık uygulamaları için geliştirilen toplayıcı sistemler ise odaklayıcı (yoğunlaştırıcı) yapıdadır. Bu tür uygulamalarla çok yüksek çalışma sıcaklıklarına çıkılabilmektedir.

Güneş enerjisi, kesikli karakterine rağmen, dünyamızın büyük bir kısmında yararlanabilme potansiyeli var. Bunun yanında, güneşten, diğer enerji rezervlerinin sağladıklarının çok daha fazlası 1 yılda dünyamıza gelmektedir. Bu enerjiden yapay sistemlerle daha çok yararlanılması gereklidir. Ülkelerin güneş enerjisinden yüksek oranlarda yararlanılacağını enerji politikalarında belirtmeleri ve bu amaca ulaşmak için uygulamaları gerçekleştirmeleri gerekli ve zorunludur.

Ülkemizin büyük bir bölümü gerek güneş ışınımı gerekse de güneşlenme süreleri yönünden çok uygun değerlere sahiptir. Devlet Meteoroloji İşleri ve Elektrik İşleri Etüt İdaresi tarafından gerçekleştirilen ölçüm ve değerlendirmelerde de bu potansiyel belirlenmiştir. Özellikle EİE tarafından hazırlanan GEPA (Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası), tüm il ve ilçelerimizin bu potansiyellerini ayrıntılı göstermektedir. Ülkemiz şehirleri güneş enerjisi potansiyeli olarak uygun değerlere sahip olup, güneş enerjili değişik uygulamaların gerçekleştirilmesine uygundur.

Türkiye’de binalarda güneş enerjisinin kullanımı sıcak su hazırlama sistemleri olarak çok yaygınlaşmıştır. EİE kaynaklarında, ülkemizde kurulu güneş enerjisi toplayıcılarının toplam potansiyeli 18 milyon m² ve yıllık üretim kapasitesi ise 900 bin m² olarak belirtilmektedir. Türkiye ortalaması olarak 1311 kWh/(yıl·m²) veya 3,6 kWh/(gün·m²) değerleri verilmektedir. Bu kullanımın ülkemiz enerji kullanımına katkısı ise 2007 yılı için 420 bin TEP olarak belirlenmiştir. Konutlarda 2006 verileriyle toplam enerji tüketimi 23 bin 860 TEP olduğu belirtilirse bu potansiyelin önemi daha iyi anlaşılacaktır. Bu değerler de ortaya koyuyor ki, sıcak su kullanımında güneş enerjisi toplayıcılarının kullanımının yararı tartışılamaz.

Binalarda güneş enerjisinin termal ısıtma ve soğutma amaçlı kullanımı

Güneş enerjisinin binaların ısıtılması amacıyla kullanım teknolojileri ve uygulamaları da geliştirilmiştir. Bu tür uygulamaların ise şu an için ülkemizde çok fazla olduğu söylenemez. Bu uygulama potansiyelleri Şekil 1.’de gösterilmiştir. Şekil 1. incelenecek olursa, hacim ısıtma amaçlı kullanılabilecek birçok seçenek olduğu gözlenebilir. Doğaldır ki her projede bu uygulamalardan ancak en uygun olan birkaçının gerçekleştirilmesi yeterli olabilmektedir. Böylesi çeşitlilik, mühendislerin ve mimarların doğru analizlerle güneş evleri oluşturmalarına olanak sağlar. Bu nedenle güneş evleri uygulamaları incelendiğinde, her birinde özgün koşullarına göre çözümler içerdiği görülür.

Enerji krizi, sera etkileri, global ısınma yeniden içinde bulunduğumuz ve gelecekteki yılları “güneş ve yenilenebilir enerjiler çağı” konumuna getirmiştir. Yenilenebilir enerji konularında araştırmalara da ağırlık verilmesi zorunluluğu ortadadır. 

Şekil 1. Bina ısıtılmasında güneş enerjisi kullanım teknolojileri.

Güneş enerjisinin soğutma, serinletme veya havalandırma amaçlı evsel kullanım teknolojileri de geliştirilmiştir ve geliştirilmektedir. Şekil 2.’de de bu teknolojiler gösterilmiştir. Bu şekilde en koyu renklerde gösterilen teknolojiler ticari olarak uygulaması gerçekleştirilenleri, az koyu olan ticari potansiyele ulaşabilecek teknolojileri göstermektedir. Diğer teknolojiler laboratuvar ve deneysel olarak çalışılan geliştirilmekte olan teknolojileri göstermektedir. Bu teknolojilerden adsorpsiyonlu su soğutma grupları nispeten düşük sıcaklıklarda (50−80^oC aralığı) çalışmaları nedeniyle, güneş enerjisi ile çalıştırılmaları ve binaların iklimlendirilme uygulamalarında yaygınlaşması beklenmektedir.

Bu teknolojilerin uygulamaları ve sistem özellikleri ilgili kaynaklarda kapsamlı olarak bulunabilir. Dünya genelinde belirtilen bu tür ısıtma ve soğutma teknolojilerini kullanan çok sayıda farklı uygulama gerçekleştirilmiştir. Bu uygulamalar tek katlı veya iki katlı binalara uygulanabildiği gibi çok katlı yapılarda da gerçekleştirilebilmektedir.

Şekil 2. Binaların soğutulmasında kullanılabilecek soğutma teknolojileri. 

Aşağıdaki örnekler başarılı güneş enerjili soğutma uygulamaları için verilmiştir.

Güneş Enerjili Soğutma Uygulama Örnekleri

1-) Bir Fabrikanın İklimlendirilmesi

•          Düzlemsel toplayıcı: 2700 m²
•          2 adsorpsiyonlu su soğutma grubu (her biri 350 kW)
•          3 buhar sıkıştırmalı su soğutma grubu (her biri 350 kW)
•          Yer: Atina yakınlarında Inofita Viotias’da kozmetik fabrikası iklimlendirmesi
•          Günümüzdeki en yüksek kapasiteli sistem
•          Sistemin ana amacı: Güneşli soğutma ile elektrik enerjisi tasarrufu sağlamak

 2-) Şarap Deposu Soğutulması

•          Vakumlu toplayıcılar: 130 m²
•          Absorpsiyonlu su soğutma grubu: 52 kW soğutma kapasitesi
•          Yardımcı sistem yok
•          Yer: Güney Fransa, Banyuls
•          15 yıldan beri sorunsuz çalışan en eski sistemlerden birisi.

 3-) Bir seminer odasının ve kafeteryanın iklimlendirilmesi

• Güneş enerjisi toplayıcıları: 100 m²
• Kurutuculu serinletme sistemi (10 bin 300 m³/h) silikajelli rotor.
• Yardımcı sistem yok
• Yer: Freiburg, Almanya
• Depolama yok
• Basit yapıda bir sistem.

4-) Otel İklimlendirilmesi

•          Parabolik odaklı toplayıcılar ile 180^oC sıcaklıkta ısı üretimi, 180 m² açıklık alanı
•          Çift etkili absorpsiyonlu su soğutma grubu (soğutma kapasitesi 116 kW, 4 bar doymuş buhar; COP>1,2)
•          Bir otelin iklimlendirilmesi ve otelin çamaşırhanesi için buhar sağlanması
•          Yardımcı ısıtma sistemi: LPG ile çalışan buhar kazanı
•          Yer: Dalaman, Muğla
•          İlk çift etkili sistem uygulaması
•          Yüksek toplam dönüşüm verimliliği
•          Yüksek ışınımlı bölgeler için uygun

5-) Valencia’da bir kozmetik firmasında (RNB) kimyasal reaktörün soğutma kontrolünde gerekli soğuk su gereksinimini sağlamak için gerçekleştirilen absorpsiyonlu soğutma sistemi

•          Güneş sahası 130 yüksek verimli toplayıcılarla (UHV), 100^oC’ta sıcak su üretilmekte ve absorpsiyonlu soğutmada kullanımı ile 7^oC’ta soğuk su üretimi sağlanmaktadır. Bu soğuk su bir depoda depolanmakta ve konvansiyonel sistemin kullanımının en aza gelmesi sağlanmaktadır
•          Coğrafik uygulama yeri: Valencia, İspanya
•          Yön: Güney
•          Toplayıcı eğimi: 30°
•          Açıklık alanı: 650 m²  
•          Isı transfer akışkanı: Su+ Propilen Glikol, hacimsel % 10.
•          Güneş toplayıcı sahasına su giriş sıcaklığı: 80 ºC
•          Güneş toplayıcı sahasından su çıkış sıcaklığı: 100 ºC
•          Yıllık toplam yararlanma enerjisi: 590 MWh/yıl
•          Yıllık soğutma enerjisi üretimi:  413 MWh/yıl

Özet olarak ısıl etkili soğutma sistemleri için aşağıdaki saptamalar yapılabilir:

Isıl tahrikli soğutma sistemlerinin çalıştırılabilme seçenekleri; atık ısı, merkezi ısıtma, trijenerasyon, doğal gaz, güneş enerjisi, jeotermal enerji v.b. ile gerçekleştirilebilmektedir.

•          Güneş enerjisinin iklimlendirme amaçlı kullanımının avantajları:

                        * Elektrik, yakıt gibi konvansiyonel enerji gereksiniminde azalmalar.

                        * Elektrik kullanımında iklimlendirme nedeniyle yaz aylarındaki pik yüklerin azaltılması.

                        * Güneş enerjisinin tüm yıl için kullanımı. Kış aylarında ısıtma, yaz  aylarında soğutma amaçlı sıcak su üretimi ile tüm yıl için kullanımın sağlanması.

•          Hala araştırma gereksinimi mevcuttur.

                        * Küçük, kompakt ısıl tahrikli sistemlere gereksinim duyulmaktadır (<3 kW’lik sistemler).

Özellikle güneş enerjisi termal soğutma uygulamaları ile ilgili her geçen yıl yeni uygulama tekniklerinin, farklı ikili karışımlarının kullanıldığı yeni araştırma ve uygulamalarla karşılaşılabilmektedir. Bu konularda son yeni çalışma ve uygulamalarla ilgili özet teknolojiler ilgili kaynaklarda [8,9,10] verilmiştir.

Sonuç ve öneriler

Güneş enerjisinin toplayıcılarda çalışma akışkanlarını bina ısıtılmasında kullanılabilecek sıcaklıklara ulaştırabilmesi kullanım potansiyelini artırmaktadır. Günümüzde sıcak su ısıtma yanında, güneş enerjisinin yoğun kullanıldığı ve değişik isimlerle anılan “güneş evleri”, “sıfır enerjili bina”, “yeşil evler” gibi örnekler de çok sayıda gerçekleştirilmiştir. Bazı illerimizde kamu ve üniversite girişimleriyle, proje destekleriyle gerçekleştirilen örnek başarılı uygulamalar olmuştur. Bu uygulamaların artırılmasına ve böylece halkın görerek ve yaşayarak bilinçlendirilmesine katkıda bulunulması gerekir.

Günümüzde gelinen enerji darboğazı ve global ısınma etkilerinin yoğun hissedilmesi tüm ülkelerin yenilenebilir enerji uygulamalarına daha çok ağırlık vermelerini zorunlu kılmaktadır. Bu zorunluluk güneş enerjisi teknolojilerinin geliştirilmesini de gerektirmektedir. Ülkemizde henüz çok verimli ısıtma amaçlı havalı toplayıcıların geliştirilmesine yönelik firmaların girişimde bulunmaması şaşırtıcıdır. Yine ülkemizde henüz üretimleri gerçekleştirilmeyen birçok yeni teknoloji mevcuttur. Sanayicilerimizin doğru yönelişlerle bu gereksinimleri karşılamaları da gereklidir. Ülkemizde de çıkarılan enerji verimliliği kanunu, yenilenebilir enerji kullanımı kanunu, enerji kaynaklarının ve enerjinin kullanımında verimliliğin artırılmasına dair yönetmelik, binalarda enerji kullanımlarında yenilenebilir enerjilere gerekli ağırlığın verilmesini zorunlu kılmaktadır. Ülkemizde de bu konudaki yatırım ve uygulamaların teşvik görmesi de kaçınılmaz hâle gelmektedir.

Mühendislerin de bu tür teknolojileri öğrenmesi, projelerinde değerlendirmesi ve uygulaması gereklidir. Bu kapsamda odalarımıza, üniversitelerimize, ilgili kamu kuruluşlarımıza da yenilenebilir enerji teknolojilerinin izlenmesi, yaygınlaştırılması, tartışılması için kurslar, konferanslar, kongreler, çalıştaylar düzenleme, yayınlar çıkarma ve böylelikle eğitim çalışmalarına katkı sağlama görevi düşmektedir.

İl yönetimlerinin, yerel yönetimlerimizin ve üniversitelerimizin de yenilenebilir enerji ve enerji verimliliği konularında halkın özellikle de genç öğrencilerimizin yetişmelerini, bilgilenmelerini sağlamaya yönelik başarılı örnek güneş evleri gerçekleştirerek, kullanılan örnek yapılar oluşturmaları ve bilinçlenmeyi sağlamaları gereklidir.

Unutulmamalıdır ki güneş enerjili ısıtma ve soğutma uygulamaları gerçekleştirilen yapıların aynı zamanda çok iyi yalıtılmış binalar olması gerekir. Sistemleri hibrit sistemler olarak tasarımlamak, mevcut sistemlerle güneş enerjisi sistemlerini çok iyi koordine ederek kullanan projeler gerçekleştirmek, konfordan ödün vermeden “enerji etkin” binalar oluşturabilmek olanaklıdır. Bu binalarda enerji yönetimi açısından en uygun iklimlendirme sistemi seçildiği gibi, güneş enerjisi, serbest soğutma v.b. tasarruf uygulamaları ile birlikte başarılı çözümler de gerçekleştirilebilmektedir.

Mühendislerimizin geçmişi ve geleceği görerek gerçekleştirecekleri projelerde enerji kullanımlarında güneş enerjisi potansiyelinin değerlendirmesine özen göstermeleri zorunludur.

Burada belirtilmemekle birlikte yine güneş enerjisi uygulamalarından güneş pili teknolojileri, gelişim ve uygulamalar ile yaygınlaşacak en önemli teknolojilerdendir.

Yenilenebilir enerjilerden olan güneş enerjisi teknolojileri konularındaki araştırmalar desteklenmelidir. Uygulamalarda kullanılabilecek ürün çeşitliliği de artırılmak ve geliştirilmek zorundadır.

Güneş enerjisi sistemleri çevresel etkileri ile araştırıldığında [6], çevre dostu ve çevreyi koruyan bir yapıdadır. Güneş enerjisi kullanımının önemli üstünlüğü sera gazları kirleticiliğini azaltmasıdır. Bu nedenle sürdürülebilir bir gelecek için nerede olanaklıysa orada güneş enerjisi sistemleri uygulanmalıdır.

Ayrıca yüksek sıcaklık uygulamaları olarak ta elektrik ve endüstriyel buhar üretimi ve ısıtma ile soğutma uygulamalarına yönelik de araştırma ve uygulama örneklerinin artırılması, desteklenmesi gereklidir.

Ülkemizin güneş enerjisi potansiyeli olarak bu özgün konumu çok iyi değerlendirilmelidir. Bu konuda tüm kurum ve kuruluşlarımıza görevler düşmektedir.

Kaynaklar:

[1] Duffie, J.A., Beckman, W.A., Solar Engineering of Thermal Processes, McGraw-Hill, 1990, 919 p.

[2] Henning, H.M., Erperbeck, T., Hindenburg C., Santamaria J.S., “The potential of solar energy use in desiccant cooling cycles”, International Journal of Refrigeration, 24 (2001) 220-229, Elsevier.

[3] Florides, G.A., Tassou, S.A., Kalagirou, S.A., Wrobel L.C., “Review of solar and low energy cooling technologies for buildings”, Renewable and sustainable Energy Reviews, 6 (2002) 557-572, Pergamon.

[4] Eicker, U., Solar Technologies for Buildings, Wiley,2003,323 p.

[5] Tiwari, G.N., Solar Energy Fundamentals, Design, Modelling and Applications, Narosa Publishing House, 2004, 525 p.

[6] Kalogirou, S.A., “Environmental benefits of domestic solar energy systems”, Energy Conversion and Management 45 (2004) 3075-3092.

[7]  Kaltscmidt M., Streicher W., Wiese A., Renewable Energy, Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2007.

[8] Ali Al-Alili  Ali. A., HwangYunho , Radermacher R.,Review of solar thermal air conditioning Technologies, International journal of refrigeration  39 (2014) 4-22.

[9] Sevinç, K., Güngör, A. 2012. “Güneş Enerjisi Kaynaklı Soğutma Sistemleri ve Bu Alandaki Yeni Uygulamalar,” Mühendis ve Makina, cilt 53, sayı 635, s.59-70

[10]Zeyghami M., Goswami D. Yogi, Stefanakos Elias, A review of solar thermo-mechanical refrigeration and cooling methods, Review Article, Renewable and Sustainable Energy Reviews, Volume 51, November 2015, Pages 1428-1445.

[11]http://www.estif.org/fileadmin/estif/content/policies/downloads/D23-solar-assisted-cooling.pdf -   internet adresi, 2 Nisan 2009.

[12]https://www.google.com.tr/url?sa=t&rct=j&q=&esrc=s&source=web&cd=3&cad=rja&uact=8&ved=0ahUKEwiYh8-k3bDLAhUG1SwKHVp6BdoQFggpMAI&url=http%3A%2F%2Fwww.solarthermalworld.org%2Fsites%2Fgstec%2Ffiles%2FSolar%2520Air%2520Conditioning.pdf&usg=AFQjCNEy0WUGx0jg_vwDopa2J8Cj_r1MSw&bvm=bv.116274245,d.bGg, internet adresi, 8 Mart 2016.