Vakum Tüplü Kolektörler
Düsseldorf Uygulamalı Bilimler Üniversitesi'nden Profesör Frank Kameier, küçük güneş enerjisi sistemlerinin kullanımını değerlendirme çalışmaları gerçekleştirmiş ve oldukça şaşırtıcı sonuçlara ulaşmış. Aralık 2008'de yayınlanan bir raporda, "Düz plakalı kolektörler sadece Almanya'nın güneyinde, özellikle yüksek verim alınan bölgelerde kullanılmalıdır" ifadesi yer almaktadır. Önceki deneyimlerle çeliştiği için, varılan bu sonuç dikkate değerdir. Almanya Furth'ta bulunan Güneş Enerjisi Bilgi ve Tanıtım Merkezi (Solid)'den güneşle ısıtma uzmanı ve tüketici danışmanı Oskar Wolf farklı bir görüştedir; "Bu sonuç tamamiyle akıl almaz bir durumdur. Almanya'da kullanılan yüz binin üzerinde güneş enerjisi sistemine dayanarak düz plakalı kolektörleri kullanmanın doğru olduğunu gösterebiliriz, çünkü bu sistemler daha ucuz, daha dayanıklı olmakla beraber, kullanım için tam da gereken sıcaklık derecelerini sağlamaktadırlar." Frank Kameier'in ifadeleri, modern kolektör teknolojisinin kendisi kadar eski bir anlaşmazlığı körüklemektedir. Bazıları, güneş enerjisi sisteminin, sıcak suyun yanında mekan ısıtması sağlaması durumunda vakum tüplü kolektörlerin daha verimli çalıştığını ileri sürerken, bazıları yüksek kolektör masraflarından ötürü vakum tüplerinin pahalıya geldiğini iddia eder.
Kontrolleri yapan enstitü, genelleştirilmiş yargılara karşı uyarıyor
Rapperswil'deki İsviçreli güneş enerjisi enstitüsü SPF'nin yöneticisi olan Andreas Bohren, bu tür genelleştirilmiş ifadelerin fazla ciddiye alınmasına karşın uyarı yapmaktadır: "Performans meselesi zor bir sorudur ve kolay bir cevabı da yoktur. Doğru cevap, net bir cevap veremeyeceğiniz ve her vakayı ayrı ayrı incelemeniz gerektiğidir." Bazı vakum tüplü kolektörler düz plakalı kolektörlerden daha pahalı olmasına rağmen, diğer daha ucuz olan ürünler de satıştadır. Tüplü kolektörler yüksek derecelerde düz plakalı kolektörlerden daha iyi çalışma eğilimi göstermektedir; ama bu konuda tüm söylenebilecek de bundan ibarettir. "Isıtma desteği olarak daha iyi oldukları kış mevsimi için kısmen doğrudur, çünkü yüksek derecelere ön ısıtmaya oranla ısıtma desteği olarak daha çok talep vardır." Kolektörlerin kontrolörü, tüplerin kış mevsiminde ısı sağlama konusunda daha verimli oldukları ifadesini doğrulamaktadır: "Tüplü olsun veya düz plaka kolektörü olsun, kış mevsiminde Orta Avrupa'daki bir güneş enerjili ısıtma sistemi zaten çok fazla miktarda bir şey sağlamamaktadır. Sonuçta, kışın günler daha kısadır." Ayrıca, düz plakalı bir kolektöre oranla bir vakum tüpünün kar yağışından sonra iyi yalıtımdan dolayı kar altında kalma eğilimini de dikkate almalısınız. Böylelikle bir avantaj, uygulamada bir dezavantaja dönüşmektedir.
Herşeyden önce, eleştirmenler vakum tüplerinin ulaşabileceği yüksek dereceler konusunda olumlu değildir. Aşırı ısınma olduğu takdirde ısı transfer akışkanındaki glycol yok olur; durağanlık olduğunda ise, örneğin kolektörler artık deponun alabileceğinden fazla miktarda ısı üretmeye devam ederken pompa bozulduğunda, sistemin sıcaklığı 250 °C'nin üzerine çıkabilir ve bu durum bazı sistem bileşenleri için oldukça güç bir denemedir. Isı nakil boruları bu tür durumlarda belli bir miktarda koruma sağlarlar. Bu noktada güneş akışkanı, borulardan doğrudan akmaz. Bunun yerine, taşıyıcı bir araç özel bir emicinin içinde sirkülasyon yapar, güneş ışıdığında buharlaşır ve ısıyı bir ısı değiştiricisi aracılığıyla güneş akışkanına aktarır. Bütünleşik bir sıcaklık, kısıtlayıcı aşırı ısınmayı engeller. Solid danışmanı Wolf, "Bu yüzeysel olarak doğru görünebilir" diye onaylar; "ama asıl soru şu: sistemin tümünde meydana gelen nedir ve sistem birbirine nasıl bağlanmaktadır?" Sonuçta, kolektör başına 20 ila 30 tüp birbiri ardına bağlanmaktadır. Bu tamamıyla boşaltım süreciyle ilgilidir. Örneğin, kolektör tankı nasıl kurulmaktadır? Aşağıda mıdır, yoksa yukarıda mı? Aşağıda ise sistem iyice boşalabilir ve durağanlık olduğu takdirde sistemlerin az miktarda aşırı ısınma sorunu olacaktır. Ancak, Wolf, birçok tedarikçinin tankları hala yukarıya kurmakta olduğunu eleştirel bir biçimde dile getirmektedir; "Böyle olduğu zaman, sistem ancak kısmen boşaltım yapabilmekte, durağanlık olduğunda da antifirizin ayrışma riski meydana gelmektedir".
Doğal olarak güvenli sistemleri olan üreticiler
Kuşkusuz sektördeki en önemli Alman tedarikçi olan Paradigma Deutschland GmbH tarafından tedarik edilen vakum tüplü kolektör sistemleri glycol karışımı yerine su kullanmaktadır. Paradigma büyük güneş enerjisi sistemlerinin yöneticisi Rolf Meifiner, "Antifiriz kullanmaktan kaçınmadığımız takdirde tüplerle ilgili herhangi bir gelişme kaydedemeyeceğimizin farkına vardık. Bu yüzden sistemlerimiz son birkaç yıldır su kullanmaktadır. Durağanlık artık bizim için bir sorun değil" der. "Durağanlık sırasında sistem aynı bir antifiriz sisteminde olduğu gibi kaynar, ancak su tamamiyle kimyasal kararlı durumdadır" Kolektörlerdeki su buharlaşarak tazmin tankına girer. Böylelikle, sistemler durağanlığa kolaylıkla karşı koyabilir, ki bu durum Meifiner'in dediğine bakılırsa başka bir olumlu etkiye de sebep olur. "Biz sistemi kış mevsimi ya da diğer geçiş dönemlerine göre boyutlandırıyoruz. Bu bazen sistemin yaz mevsiminde gün ortasında kaynamaya başlaması anlamı da gelebiliyor. Depo daha fazla ısı alamayacak ve zaten yaz aylarında kullanılamayacak. Bu kadar yaz ısısını alabilecek kapasitede büyük bir depo kış mevsiminde ısı kaybına neden olur." Ayrıca su, güvenli ve sorun çıkarmayan bir ısı aktarım aracıdır. Meifiner sözlerini, "Su ile çalışmış bir işçi asla yeniden antifiriz ile uğraşmayı istemez" diyerek bitirir.
İsviçre firması AMK-Solac Systems AG, durağanlık sorununa farklı bir çözüm getirmektedir. Sistemini öyle bir biçimde çalıştırmaktadır ki, 120 ila 150 °C arasında bir yerde kontrollü buharlaşma başlatılır. Bunun için güneş enerjisi sistemindeki güneş akışkanı ve iç basınçların birbirlerine göre ayarlanmış olması gerekir. AMK-Solac Yöneticisi Kurt Amrein bu kuralı şu şekilde açıklamaktadır: "Sistemdeki basıncı sınırladığınızda, bu otomatikman sıcaklığı da sınırlar." Esnek durağanlık sıcaklık ayarlarının kullanımı, en uygun biçimde boyutlandırılmış tazmin tankları ve oksijen boşaltımı için bütünleşik sistemi bulunan özel olarak geliştirilmiş güneş enerjisi santralleri ile bu sistemler asgari miktarda bakım ile çalışabilmektedir. AMK-Solac güneş enerjisi sistemleri için özel olarak geliştirilmiş güneş enerjisi santrali, buharlaşmanın tazmin tankında gerçekleşmemesini ve enerji fazlasının depolama tankındaki ısı aktarıcı ile çıkarılmasını temin eder.
Camdan metale geçişin geliştirilmesi
Vakum tüpü ve emici plaka arasındaki metalden cama geçişin, vakum tüplü kolektörlerin zayıf noktası olduğu düşünülmektedir. Malzemeler, farklı genleşme katsayılarından dolayı birbirlerine karşı "çalışabilirler" ve yüzeyde mikro poroziteye sebep olabilirler. Wolf, "Bu yüzden tüplerin belli bir süre sonra vakum özelliklerini kaybetme riski görece olarak yüksektir", der. Önceki ürünler için bu durum üç ila beş yıl sonra gözlemlenebiliyordu. Bu kuşkuculuğa karşı gelmek için, Narva Trade Solartechnik GmbH yeni bir tasarım oluşturmuştur. Vakum tüpleri ile cam, herhangi bir gerilime maruz bırakılmamaktadır. Tüplerin metal ucu camın kullandığı genleşme katsayısının aynısına sahip bir nikel-demir alaşımından yapılmıştır. Brand-Erbisdorf'tan Alman firma ürünlerini bir broşürde şöyle tanıtmaktadır; "Rüzgar yükü ve genleşmeden kaynaklanan çapraz gerilim ve titreşimler de bu yeni camdan metale geçişi tahrip edemez. Çünkü tasarım sıcak su borularından aktarılan bükülme kuvvetlerin metal tarafından alınmasını ve camın aslında etkilenmemesini sağlamaktadır." Isı nakil borusu gereğinden fazla ısınmaz, çünkü buharlaşma tüpündeki özel akışkan tamamıyla 160 °C'de ve gaz halindedir; bundan dolayı termosifon kuralının işlevi sona erer.
Vakum tüplerini eleştirenlerden bazıları güvenlik konusuyla ilgili endişe duymaktadır. 2007 yazında patlayan Schott borularının raporu bu endişeleri geçerli kılmaktadır. Ancak, Rolf Meifiner Sydney tüplerinin sağlam tasarımı ile eleştirmenlere karşı gelmiştir. Bu tür bir tüpün kuralı, birbirinin içinde uçlardan kaynamış iki cam tüpe sahip olmaktır. Böylelikle, tüplerin arasındaki boşlukta bulunan hava tahliye edilir. Diğer vakum tüplerinin aksine, emici düz değildir ve silindirik, dikkatlice kaplanmış cam bir tüpten oluşur. İçinde sıkıca bastırılmış bir ısı aktarım levhası vardır. Bu levha aracılığıyla ısı, içinde ısı aktarım akışkanı bulunan bir u borusuna aktarılır. Meifiner, "Bu sistem mekanik açıdan son derece sağlamdır" diye vurgular ve vakum tüplerinin başka avantajları ile devam eder; "Vakum ile yalıtılmış oldukları için düşünülebilir en az ısı kaybına sahiptirler ve mineral yün gibi bir yalıtım malzemesi mevcut olmadığı için çürüme tehlikesi de yoktur. Düz plakalı kolektörlerde olduğu gibi bir yoğunlaşma sorunu da olmaz. İstikrarlı bir performans çizgileri olduğu için, haziran veya şubat fark etmeksizin tüm yıl yüksek sıcaklık sağlarlar. Bir de en aza idirgenmiş yapıdan söz etmek gerekir. Tüm kolektör sadece cam, alüminyum ve paslanmaz çelikten oluşur. Bu malzemelerin tümü geri dönüşüme son derece uygundur. Ayrıca, ağırlık son derece düşüktür. Dolayısıyla yapı statiğiyle ilgili hiçbir sorun yoktur." Meifiner, vakum tüplerinin üretim masrafları açısından da avantajlarına dikkat çeker; "İleride düz plakalı kolektörlerden daha ucuz olacaklar; sadece malzemelerin daha ihtiyatlı kullanımı bile bu sonucu getirecek."
Ancak, bugünkü durum hala bu konuşulanların aksidir. Çünkü miktarlar bu kadar büyük değildir ve yüksek gelişim masrafları ve makinelerin masrafları mevcut fiyatlara dahildir. Bu konudaki tahminler de tabii ki tartışılabilecek bir noktadır. Vakum tüplerinin Çin'de olduğu gibi birkaç yıl içinde Avrupa pazarına da hakim olup, yüzde 90'lık bir pay sahibi olup olmayacağını ya da düz plakalı kolektörlerin Avrupa'daki öncü rollerini pekiştirip pekiştiremeyceğini gelecek gösterecektir. O zamana kadar avantajlar ve dezavantajlar hakkındaki tartışmalar devam edebilir.
Yazan: Joachim Berner / Dusseldorf Üniversitesi
Çeviren: Ayşe Emengen (Sun&Wind Energy dergisinin Temmuz 2009 sayısı)