Tweet
Isı depolama materyali olarak çakıl taşlarının kullanılması
Gün boyunca serada üretilen enerjinin, ısıtma ihtiyacı için, bir kısmını veya tamamım ilerde kullanmak üzere, bir çok güneş serası sistemlerinde, seranın kendisinden bir güneş kollektörü olarak yararlanılmaktadır (Garzoli, 1989). Bu amaçla güneş enerjisinin depolanması için kullanılan depolama ortamlarından birisi de genellikle toprak altına yerleştirilen çakıl taşı depolama sistemleridir ve bu sistemler seraların ısıtılmasının yanında serinletilmesi amacıyla da kullanılabilmektedir (Kılıç ve Öztürk, 1983). Enerji depolama materyali olarak kullanılan çakıl taşlan; gevşek olarak doldurulmuş bir depo içerisinde, genellikle havadan enerji alan veya havaya enerji veren ve enerji depolama kapasiteleri yüksek olan maddelerdir (Paksoy vd 1995; Chandra ve Willits, 1981). Seraların ısıtılması için, gündüz süresince sera iç ortamında oluşan fazla ısı, sera iç ortam havasının bir çakıl taşı deposundan geçirilmesiyle depolanmaktadır. Gece süresince ise sera iç ortamındaki soğuk hava depo içerisinden dolaştırılarak, gündüz süresince depolanan ısı seranın ısıtılması için geri kazanılmaktadır (Şekil 8.13). Seraların serinletilmesinde ise gündüz süresince sıcak sera iç ortam havasının çakıl taşı deposu içerisinde geçirilmesi ile fazla ısı çakıl taşı deposunda depolanmakta ve hava serinlemiş olarak tekrar iç ortama geri verilmektedir. Gece ise çakıl taşı deposu içerisinde gün boyu depolanan enerji, daha serin dış ortam havasının çakıl taşı deposundan geçirilip dış ortama verilmesi ile çakıl taşı deposu bir sonraki gün daha fazla enerjinin depolanabilmesi için boşaltılmaktadır.
Isı depolama ortamı olarak kullanılan çakıl taşı depolan, 20-150 mm arasında değişen çaplardaki çakıl taşlarından oluşmakta ve sera tabanından 0.4-0.5 m derinliğe yerleştirilebilmektedir (Santamouris vd 1994; Bredenbeck, 1984). Hava dolaşımı sağlamak amacıyla 5m3/m2.min verdi sağlayan fan kullanılabilmekte ve ısı deposu hacmi de sera taban alanının her m2'si için 0.3 m3 alınabilmektedir (Santamouris vd., 1994).
Çakıl taşı depolama sistemleri ısısal depolama için arzu edilen; yüksek ısısal geçirgenlik, hızlı ısı transferi, düşük maliyet, uzun ömür, kolay bulunabilirlik, zehirsiz ve yanma olayının olmaması, yüksek sıcaklıklarda depolamanın mümkün olması, donma ve korozyon probleminin olmaması gibi üstünlüklere sahiptir (Chandra vd., 1981; Garzoli 1989; Kılıç ve Öztürk, 1983). Çakıl taşlarının ısıl enerji depolamasındaki bu avantajlarının yanında depolama hacminin büyük olması, yüksek basınç düşmesi ve eş zamanlı depolama ve geri kazanımın mümkün olmaması gibi bazı dezavantajları da vardır.
Çakıl taşı depolama sistemlerinde, çakıl taşı ile hava arasındaki ısı geçişi miktarı, depo içerisindeki basınç düşüşü ile ters orantılı olarak değişir. Basınç düşüşünün az olması için, havanın akış doğrultusundaki depo uzunluğunun kısa, parçacıklar arasındaki boşlukların fazla ve parçacıkların üniform büyüklükte olması gerekir. Isı transferinin fazla olması için ise ısı transferi yüzeyinin büyük, yani belli bir hacimdeki parçacık sayısının fazla ve havanın depo içerisindeki akış mesafesinin büyük olması gerekir (Kılıç ve Öztürk, 1983). Tam günlük çevrimde kullanılan bir çakıl taşı deposu için, çevreye olan ısı kaybımn % 5'i geçmemesi ve tercihen % 2 olması gerekmektedir.
Çakıl taşı depolama sistemlerinde sistem performansının değerlendirilmesinde, hem depolama hem de geri kazanım evreleri boyunca, depo içerisinden havayı dolaştırmak için ihtiyaç duyulan enerji daha büyük bir önemle göz önüne alınmalıdır. Çünkü bu enerji ihtiyacı, çakıl taşı içersinden hava dolaştınldığı zaman, deponun bir ucundan diğer ucuna olan statik basınç düşmesi ile orantılı olarak basınç düşmesi arttıkça artmaktadır (Chandra vd., 1981).
Seralarda çakıl veya kırma taş kullanılarak ısı depolamaya ilişkin yapılmış olan bazı araştırmalar Çizelge 8.9'de özetlenmiştir.
Çizelge 8.9. Seralarda çakıl veya kırma taş kullanılarak ısı depolamaya ilişkin bazı araştırmalar (Santamouris vd., 1994)
Bölge//Alan (m2)//Seraörtüsü//Üretim//Depolama ortamı//Yıl//Sonuçlar
Baraki, ALG//240//PE// //Çakıl taşı deposu (5 cm çakıl)//1988//4-6 °C *
Bonn, D//161//Çift cam//Çiçek//Çakıl taşı deposu//1979//% 20 **
Hannover, D//1700//PC//Çiçek//Çakıl taşı deposu//1981//% 30 **
Montreal,
CAN//2850//PE//Domates//Çakıl taşı deposu//1982//% 40 **
Nicosia, CY//300//PE// //Çakıl taşı deposu//1982//% 76 **
Oregon, USA//19//Filon// //Çakıl taşı deposu//1980//10-20 °C
***
Tascend, USSR//40//ÇiftPE//Bitki//Çakıl taşı deposu (2 cm çakıl)//1978//13 °C*
* Sıcaklık artışı ** Isı ihtiyacını karşılama oranı *** Ortalama sıcaklık
Çizelgedeki verilere göre; çakıl taşı deposunda güneş enerjisinin depolanması ile en düşük dış ortam sıcaklığından 4-20 °C daha yüksek iç ortam sıcaklığı sağlanabilmekte ve yıllık ısı gereksiniminin % 20-70'i karşılanabilmektedir.
Ayrıca bu tür güneş enerjisi depolama sistemlerinin enerji depolama verimleri % 8-19 arasında değişmektedir (Bouhdjar vd., 1996; Willits ve Peet, 1987). Şekil 8.14'de seralarda ısıtma ye serinletme amacı ile kullanılabilen ve çakıl taşlarını içeren bir sistemin çalışma prensibi gösterilmiştir (Kürklü vd., 2003).
Gün boyunca serada üretilen enerjinin, ısıtma ihtiyacı için, bir kısmını veya tamamım ilerde kullanmak üzere, bir çok güneş serası sistemlerinde, seranın kendisinden bir güneş kollektörü olarak yararlanılmaktadır (Garzoli, 1989). Bu amaçla güneş enerjisinin depolanması için kullanılan depolama ortamlarından birisi de genellikle toprak altına yerleştirilen çakıl taşı depolama sistemleridir ve bu sistemler seraların ısıtılmasının yanında serinletilmesi amacıyla da kullanılabilmektedir (Kılıç ve Öztürk, 1983). Enerji depolama materyali olarak kullanılan çakıl taşlan; gevşek olarak doldurulmuş bir depo içerisinde, genellikle havadan enerji alan veya havaya enerji veren ve enerji depolama kapasiteleri yüksek olan maddelerdir (Paksoy vd 1995; Chandra ve Willits, 1981). Seraların ısıtılması için, gündüz süresince sera iç ortamında oluşan fazla ısı, sera iç ortam havasının bir çakıl taşı deposundan geçirilmesiyle depolanmaktadır. Gece süresince ise sera iç ortamındaki soğuk hava depo içerisinden dolaştırılarak, gündüz süresince depolanan ısı seranın ısıtılması için geri kazanılmaktadır (Şekil 8.13). Seraların serinletilmesinde ise gündüz süresince sıcak sera iç ortam havasının çakıl taşı deposu içerisinde geçirilmesi ile fazla ısı çakıl taşı deposunda depolanmakta ve hava serinlemiş olarak tekrar iç ortama geri verilmektedir. Gece ise çakıl taşı deposu içerisinde gün boyu depolanan enerji, daha serin dış ortam havasının çakıl taşı deposundan geçirilip dış ortama verilmesi ile çakıl taşı deposu bir sonraki gün daha fazla enerjinin depolanabilmesi için boşaltılmaktadır.
Isı depolama ortamı olarak kullanılan çakıl taşı depolan, 20-150 mm arasında değişen çaplardaki çakıl taşlarından oluşmakta ve sera tabanından 0.4-0.5 m derinliğe yerleştirilebilmektedir (Santamouris vd 1994; Bredenbeck, 1984). Hava dolaşımı sağlamak amacıyla 5m3/m2.min verdi sağlayan fan kullanılabilmekte ve ısı deposu hacmi de sera taban alanının her m2'si için 0.3 m3 alınabilmektedir (Santamouris vd., 1994).
Çakıl taşı depolama sistemleri ısısal depolama için arzu edilen; yüksek ısısal geçirgenlik, hızlı ısı transferi, düşük maliyet, uzun ömür, kolay bulunabilirlik, zehirsiz ve yanma olayının olmaması, yüksek sıcaklıklarda depolamanın mümkün olması, donma ve korozyon probleminin olmaması gibi üstünlüklere sahiptir (Chandra vd., 1981; Garzoli 1989; Kılıç ve Öztürk, 1983). Çakıl taşlarının ısıl enerji depolamasındaki bu avantajlarının yanında depolama hacminin büyük olması, yüksek basınç düşmesi ve eş zamanlı depolama ve geri kazanımın mümkün olmaması gibi bazı dezavantajları da vardır.
Çakıl taşı depolama sistemlerinde, çakıl taşı ile hava arasındaki ısı geçişi miktarı, depo içerisindeki basınç düşüşü ile ters orantılı olarak değişir. Basınç düşüşünün az olması için, havanın akış doğrultusundaki depo uzunluğunun kısa, parçacıklar arasındaki boşlukların fazla ve parçacıkların üniform büyüklükte olması gerekir. Isı transferinin fazla olması için ise ısı transferi yüzeyinin büyük, yani belli bir hacimdeki parçacık sayısının fazla ve havanın depo içerisindeki akış mesafesinin büyük olması gerekir (Kılıç ve Öztürk, 1983). Tam günlük çevrimde kullanılan bir çakıl taşı deposu için, çevreye olan ısı kaybımn % 5'i geçmemesi ve tercihen % 2 olması gerekmektedir.
Çakıl taşı depolama sistemlerinde sistem performansının değerlendirilmesinde, hem depolama hem de geri kazanım evreleri boyunca, depo içerisinden havayı dolaştırmak için ihtiyaç duyulan enerji daha büyük bir önemle göz önüne alınmalıdır. Çünkü bu enerji ihtiyacı, çakıl taşı içersinden hava dolaştınldığı zaman, deponun bir ucundan diğer ucuna olan statik basınç düşmesi ile orantılı olarak basınç düşmesi arttıkça artmaktadır (Chandra vd., 1981).
Seralarda çakıl veya kırma taş kullanılarak ısı depolamaya ilişkin yapılmış olan bazı araştırmalar Çizelge 8.9'de özetlenmiştir.
Çizelge 8.9. Seralarda çakıl veya kırma taş kullanılarak ısı depolamaya ilişkin bazı araştırmalar (Santamouris vd., 1994)
Bölge//Alan (m2)//Seraörtüsü//Üretim//Depolama ortamı//Yıl//Sonuçlar
Baraki, ALG//240//PE// //Çakıl taşı deposu (5 cm çakıl)//1988//4-6 °C *
Bonn, D//161//Çift cam//Çiçek//Çakıl taşı deposu//1979//% 20 **
Hannover, D//1700//PC//Çiçek//Çakıl taşı deposu//1981//% 30 **
Montreal,
CAN//2850//PE//Domates//Çakıl taşı deposu//1982//% 40 **
Nicosia, CY//300//PE// //Çakıl taşı deposu//1982//% 76 **
Oregon, USA//19//Filon// //Çakıl taşı deposu//1980//10-20 °C
***
Tascend, USSR//40//ÇiftPE//Bitki//Çakıl taşı deposu (2 cm çakıl)//1978//13 °C*
* Sıcaklık artışı ** Isı ihtiyacını karşılama oranı *** Ortalama sıcaklık
Çizelgedeki verilere göre; çakıl taşı deposunda güneş enerjisinin depolanması ile en düşük dış ortam sıcaklığından 4-20 °C daha yüksek iç ortam sıcaklığı sağlanabilmekte ve yıllık ısı gereksiniminin % 20-70'i karşılanabilmektedir.
Ayrıca bu tür güneş enerjisi depolama sistemlerinin enerji depolama verimleri % 8-19 arasında değişmektedir (Bouhdjar vd., 1996; Willits ve Peet, 1987). Şekil 8.14'de seralarda ısıtma ye serinletme amacı ile kullanılabilen ve çakıl taşlarını içeren bir sistemin çalışma prensibi gösterilmiştir (Kürklü vd., 2003).