BTE Güneş Düz Levha Kollektörleri: Verimli Düşük Sıcaklıklı Güneş Termal Sistemleri için Bileşenler, Teknoloji ve Uygulamalar

Düşük sıcaklıkta güneş enerjisinin termal kullanımına yönelik temel bileşenler

Düz plakalı güneş kollektörleri, düşük sıcaklıklı güneş enerjisi kullanımı için olmazsa olmaz bileşenlerdir. Güneş enerjisi sistemlerinde, güneş ışınımını alıp ısıyı bir ısı transfer ortamına aktaran, yoğunlaştırmayan bileşenlerdir. Düz plakalı güneş kollektörleri temel olarak bir ısı emici, şeffaf bir kapak, bir yalıtım tabakası ve bir dış kabuktan oluşur. Isı emici esasen düz bir plakadır. Düz plakalı bir güneş kollektörü çalışırken, güneş ışınımı şeffaf kapaktan geçerek ısı emiciye yansıtılır ve burada emilerek ısı enerjisine dönüştürülür. Bu ısı daha sonra emici içindeki ısı transfer ortamına aktarılarak sıcaklığını yükseltir ve kollektörden faydalı enerji çıkışı sağlar.

Bileşenler ve Özellikler

Düz plakalı güneş kollektörleri, düşük sıcaklıklı güneş enerjisi kullanımı için temel bileşenlerdir ve uzun süredir küresel güneş enerjisi pazarında lider bir üründür. Evsel su ısıtma, yüzme havuzu ısıtma, endüstriyel su ısıtma, bina ısıtma ve klima gibi çeşitli uygulamalarda yaygın olarak kullanılırlar. Düz plakalı güneş kollektörleri temel olarak bir ısı emici, şeffaf bir kapak, bir yalıtım tabakası ve bir dış kabuktan oluşur. Düz plakalı güneş enerjili su ısıtıcısı, düz plakalı bir güneş kollektörü kullanan bir su ısıtıcısıdır ve düz plakalı güneş enerjili su ısıtma sistemi, düz plakalı bir güneş kollektörü kullanan bir sıcak su sistemidir.

Basit bir yapıya, geniş bir ısı emilim alanına, yüksek basınç dayanımına, uzun bir kullanım ömrüne, hasara karşı dayanıklılığa ve mimari açıdan kolay entegrasyona sahiptirler.

Isı emici plaka

Bu, düz plakalı bir güneş kollektörünün içindeki, güneş ışınımını emen ve ısıyı ısı transfer ortamına aktaran bileşendir. Esasen düz bir plakadır. 

Yapı

Düz bir ısı emici levha, genellikle borular ve kolektörlerden oluşur. Borular, ısı emici levha üzerinde uzunlamasına düzenlenir ve akışkan akış yolunu oluşturur; kolektörler ise, ısı emici levhanın üst ve alt uçlarında birkaç boruyu enine bağlayarak akışkan akış yolunu oluşturan bileşenlerdir. Isı emici levhalar, bakır, alüminyum alaşımı, bakır-alüminyum kompozit, paslanmaz çelik, galvanizli çelik, plastik ve kauçuk gibi çeşitli malzemelerden yapılabilir. Yapısal tipleri şunlardır:

1. Boru-levha tipi: Borular ve düz levhalar, ısı emici bir şerit oluşturmak için özel bir şekilde bağlanır ve ardından üst ve alt kolektörlere kaynaklanarak ısı emici levha oluşturulur. Bu tip, hem yurt içinde hem de yurt dışında en yaygın kullanılan tiptir.

2. Kanatlı boru tipi: Metal bir borunun her iki tarafına kanatçıklar tutturulmuş bir ısı emici şerit, kalıp ekstrüzyon ve çekme işlemi kullanılarak oluşturulur. Bu şerit daha sonra üst ve alt başlıklara kaynaklanarak ısı emici plaka oluşturulur.

3. Düz kutu tipi: Isı emici plaka, iki ayrı metal plakadan kalıp damgalama yöntemiyle oluşturulur ve ardından kaynakla birleştirilir. Yılan tipi: Metal boru yılan şekline getirilerek düz bir plakaya kaynakla birleştirilir ve böylece ısı emici bir plaka oluşturulur. Bu yapı türü yurt dışında yaygın olarak kullanılmaktadır.

Güneş Emici Kaplamalar

Güneş ışınlarının emilimini en üst düzeye çıkarmak ve ısıya dönüştürmek için, soğurucu yüzeyin, güneş emici kaplama adı verilen koyu renkli bir kaplama ile kaplanması gerekir.

Güneş ışığını emen kaplamalar iki kategoriye ayrılabilir: seçici olmayan ve seçici. Seçici olmayan kaplamalar, optik özellikleri radyasyonun dalga boyundan bağımsız olan kaplamalardır; seçici kaplamalar ise optik özellikleri radyasyonun dalga boyuna göre önemli ölçüde değişen kaplamalardır.

Seçici emici kaplamalar, püskürtme, kimyasal, elektrokimyasal, vakum buharlaştırma ve magnetron püskürtme dahil olmak üzere çeşitli yöntemler kullanılarak hazırlanabilir. Bu yöntemlerle hazırlanan çoğu seçici emici kaplama, 0,90'ın üzerinde bir güneş emilim oranına (SAR) ulaşabilir, ancak elde edilebilir emisivite aralıkları önemli ölçüde farklılık gösterir. Emisivite performansı açısından, bu yöntemler arasındaki üstünlük sırası magnetron püskürtme, vakum buharlaştırma, elektrokimyasal, kimyasal ve püskürtme şeklinde olmalıdır. Elbette, her yöntemin belirli bir emisivite değeri aralığı vardır ve bir kaplamanın gerçek emisivite değeri, kaplama hazırlama sürecinin optimizasyon derecesine bağlıdır.

Malzemeler

TP2 bakır, kolektör ve branşman borularında kullanılır. TP2 bakır-fosfor deokside bakır, eritme yoluyla üretilen yüksek saflıkta bir hammaddedir. Erimiş bakırda oluşan oksijen, oksijene afiniteli fosfor (P) ile deokside edilir ve oksijen içeriği 100 ppm'nin altına düşürülür. Bu, bakırın sünekliğini, korozyon direncini, ısıl iletkenliğini, kaynaklanabilirliğini ve işlenebilirliğini artırırken, aynı zamanda yüksek sıcaklıklarda hidrojen gevrekleşmesine karşı da direnç gösterir. Özellikleri ve Uygulamaları: Son derece düşük oksijen içeriği, yüksek saflık, mükemmel elektriksel ve ısıl iletkenlik, mükemmel süneklik, düşük hava geçirgenliği ve minimum veya hiç hidrojen gevrekleşmesine sahiptir. Ayrıca mükemmel işlenebilirlik, kaynaklanabilirlik, korozyon direnci ve soğuk hava direnci sunar.

Şeffaf Kapak Plakası

Şeffaf kapak plakası, düz bir kollektördeki soğurucu plakayı örten şeffaf (veya yarı saydam) plaka benzeri bir bileşendir. Üç ana işlevi vardır: birincisi, güneş ışınımını iletir ve ısı emici plakaya yönlendirir; ikincisi, ısı emici plakayı toz, yağmur ve kardan korur; üçüncüsü, sıcaklık arttığında ısı emici plakanın konveksiyon ve radyasyon yoluyla çevreye ısı yaymasını önleyerek sera etkisi yaratır. 

Malzeme

İki ana türü vardır: düz cam ve fiberglas. Düz cam, günümüzde hem yurt içinde hem de yurt dışında daha yaygın olarak kullanılmaktadır.

Düz cam düşük kızılötesi geçirgenliğe, düşük ısı iletkenliğine ve mükemmel hava koşullarına dayanıklılığa sahiptir. Bununla birlikte, güneş geçirgenliği ve darbe dayanımı düz cam için iki önemli husustur. Günümüzde en yaygın kullanılan şeffaf kaplama malzemesi 3-5 mm kalınlığında düz cam, ultra şeffaf düşük demirli temperli cam veya ultra şeffaf düşük demirli dokulu temperli camdır. Bu camlar yüksek geçirgenliğe sahiptir, dolu ve darbeye dayanıklıdır, güvenli ve güvenilirdir. Yaygın cam kalınlıkları 3,2 mm ve 4,0 mm'dir. Ultra şeffaf cam, düşük demirli cam veya yüksek şeffaflıklı cam olarak da bilinen ultra şeffaf, düşük demirli bir cam türüdür. FRP levhalar (yani, cam elyaf takviyeli plastik levhalar) yüksek güneş geçirgenliğine, düşük ısı iletkenliğine ve yüksek darbe dayanımına sahiptir; ancak, FRP levhalar için kızılötesi geçirgenlik ve hava koşullarına dayanıklılık dikkat edilmesi gereken iki konudur. FRP levhaların tek renkli geçirgenlik-dalga boyu eğrisi, tek renkli geçirgenliğin yalnızca 2pm içinde değil, 2,5pm üzerinde de yüksek bir değere sahip olduğunu göstermektedir. Bu nedenle, FRP levhaların güneş geçirgenliği genellikle 0,88'in üzerindedir, ancak kızılötesi geçirgenliği de düz camdan çok daha yüksektir. FRP levhalar, yüksek bağ enerjili reçineler ve jel kaplamalar kullanarak ultraviyole ışınlarının neden olduğu hasar derecesini azaltabilir. Ancak, FRP levhaların kullanım ömrü, inorganik bir malzeme olan düz camın ömrüyle hiçbir şekilde karşılaştırılamaz. FRP levhalar, kollektörlerde nadiren kapak plakası olarak kullanılır ve şu anda yalnızca bazı düşük kaliteli ürünlerde kullanılmaktadır.

Yalıtım Katmanı

Yalıtım katmanı, toplayıcıda bulunan ve emiciden gelen ısının iletim yoluyla çevreye yayılmasını önleyen bir bileşendir. Yalıtım katmanında kullanılan malzemeler arasında taş yünü, cam yünü, poliüretan ve polistiren bulunur. Günümüzde en yaygın kullanılan malzeme cam yünü'dür.

Yüksek Verimli Yalıtım Malzemeleri

Fenolik Köpük (PF), düz plakalı güneş kollektörlerinin verimliliğini artırabilen yeni bir yalıtım malzemesi türüdür. Üreticiler tarafından giderek daha fazla benimsenmektedir. Fenolik köpük, fenolik reçinenin emülgatörler, köpürtücü maddeler, kürleme maddeleri ve diğer katkı maddeleri de dahil olmak üzere çeşitli maddelerle bilimsel bir formül kullanılarak köpürtülmesi ve kürlenmesiyle üretilen kapalı hücreli sert bir köpük plastiktir.

Fenolik köpüğün özellikleri aşağıdaki gibi özetlenebilir:

1. <0,03 W/m·K ısı iletkenliği ile mükemmel ısı yalıtım performansı.

2. Yüksek çalışma sıcaklığı. Fenolik köpük, -200°C ile 160°C arasındaki sıcaklıklarda (250°C'lik geçici sıcaklıklara izin verilir) büzülme olmaksızın uzun süre çalışabilir.

3. Mükemmel hava koşullarına dayanıklılık. Uzun süre yüksek sıcaklıklara maruz kalsa bile mükemmel ısı yalıtım özelliklerini korur ve güneş ışınlarını engelleyebilecek uçucu maddeler salmaz.

4. Yanmazlık. Fenolik köpük (100 mm kalınlığında), içine nüfuz edilmeden bir saatten fazla alevlere dayanır ve duman veya zararlı gaz yaymaz. Açık aleve maruz kaldığında, fenolik köpük yüzeyinde yapısal bir karbon tabakası oluşturarak damlamayı, kıvrılmayı veya erimeyi önler. Yandıktan sonra, yüzeyde yapısal karbondan oluşan bir grafit tabakası oluşur ve köpüğün iç yapısını etkili bir şekilde korur.

5. Çevre dostudur. Flor içermeyen köpük teknolojisi ve lif kullanılmadan üretildiği için ulusal ve uluslararası çevre standartlarına uygundur.

Kalınlık

Yalıtım tabakasının kalınlığı, kullanılan malzeme, kollektörün çalışma sıcaklığı, kullanım alanının iklim koşulları gibi faktörlere göre belirlenmelidir. Genel kural olarak malzemenin ısıl iletkenliği ne kadar yüksekse, kollektörün çalışma sıcaklığı da o kadar yüksek, kullanım alanındaki sıcaklık ne kadar düşükse yalıtım katmanının o kadar kalın olması gerekir. Genel olarak alt yalıtım katmanı 30-50 mm kalınlığındadır, yan yalıtım katmanları ise hemen hemen aynı kalınlıktadır.

Konut

Muhafaza, toplayıcı içindeki emiciyi, şeffaf kapağı ve yalıtım katmanını korur ve sabitler. Muhafaza, işlevine bağlı olarak belirli bir düzeyde sağlamlık ve sağlamlık, iyi sızdırmazlık ve korozyon direnci ve estetik açıdan hoş bir görünüm gerektirir. 

Gövde için kullanılan malzemeler arasında alüminyum alaşımı, paslanmaz çelik, karbon çeliği, plastik ve fiberglas bulunur. Gövdenin sızdırmazlığını artırmak için bazı ürünlerde karbon çeliği kullanılarak tek atışlı bir sıkıştırma kalıplama işlemi kullanılır. Günümüzde, düz plakalı bir kollektörün gövdesi (çerçevesi) için en yaygın kullanılan malzeme, tek atışlı bir sıkıştırma kalıplama işlemi kullanılarak şekillendirilen alüminyum alaşımı ve karbon çeliğidir. 

Alüminyum Alaşımı: 6063T5 alüminyum alaşımlı profiller yaygın olarak kullanılır. 6063 serisi alüminyum alaşımları, binalardaki alüminyum kapı, pencere ve perde duvar çerçevelerinde yaygın olarak kullanılır. Yüksek rüzgar direnci, montaj performansı, korozyon direnci ve dekoratif özellikler sağlamak için, alüminyum alaşımlı profillerin kapsamlı performans gereksinimleri, endüstriyel profillerinkinden çok daha fazladır.