T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 T.C. SÜLEYMAN DEMİREL ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GÜNEŞ BACASINDA KONSTRÜKTİF İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI VE PERFORMANS ARTIRICI YÖNTEMLERİN ARAŞTIRILMASI Ziya Ramazan YABUZ Danışman: Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI YÜKSEK LİSANS TEZİ MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI ISPARTA

2 Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürlüğüne Bu çalışma jürimiz tarafından MAKİNA MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI'nda oybirliği ile YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir. Başkan : Prof. Dr. Mustafa ACAR (İmza) Süleyman Demirel Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Üye : Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI (Danışman) ( İmza) Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Üye : Yrd. Doç. Dr. Arif KOYUN (İmza) Mühendislik Mimarlık Fakültesi Bilgisayar Mühendisliği Bölümü ONAY Bu tez 28/05/2009 tarihinde yapılan tez savunma sınavı sonucunda, yukarıdaki jüri üyeleri tarafından kabul edilmiştir..../.../20.. Enstitü Müdürü Prof. Dr. Mustafa KUŞÇU

3 İÇİNDEKİLER Sayfa İÇİNDEKİLER... i ÖZET... ii ABSTRACT...iii ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR... iv ŞEKİLLER DİZİNİ... v ÇİZELGELER DİZİNİ... ix SİMGELER LİSTESİ... x 1. GİRİŞ Kuramsal Temeller Güneş Isıl Enerji Çevrimi Güneş Isıl Kolektörleri Güneş Bacası Kollektör Kollektörde Enerji Depolanması Baca Türbin Matematiksel Model Kollektör Baca Türbin Tek Katmanlı Saydam Yüzeye ve Su Boruları ile Depolama Yapan Sisteme Sahip Kollektörde Isıl Bağ Isı Transfer Katsayılarının Hesaplanması KAYNAK ÖZETLERİ Uygulamalı Literatür Çalışmaları MATERYAL VE YÖNTEM Yapılması Öngörülen Çalışmalar Deneysel Çalışmada Kullanılan Ölçüm Cihazları ve Sensörler Yapılan İyileştirmeler Ve Deneyler Ölçüm Noktaları Ve Sensör Yerleşim Şekilleri Gerçekleştirilen Deneysel Çalışma Kollektör Zeminin Siyah Renge Boyanması Kollektör İçi Zemin Üzeri Sıcak Su Sistemi Kurulumu Güneş Bacası Tepesinde Atomize Su ile Soğutma Sistemi Güneş Bacası Kollektör Girişi Kapak Uygulaması Güneş Bacası Kollektör Alanının Arttırılması Hibrid Sistemin Oluşturulması ve Deneysel Çalışma Güneş Kulesi Sisteminin Tanıtımı Hibrid Sistem ARAŞTIRMA BULGULARI TARTIŞMA VE SONUÇ KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ i

4 ÖZET Yüksek Lisans Tezi GÜNEŞ BACASINDA KONSTRÜKTİF İYİLEŞTİRME ÇALIŞMALARI VE PERFORMANS ARTIRICI YÖNTEMLERİN ARAŞTIRILMASI Ziya Ramazan YABUZ Süleyman Demirel Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği Anabilim Dalı Juri: Prof. Dr. Mustafa ACAR Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI (Danışman) Yrd. Doç. Dr. Arif KOYUN Dünya genelinde kullanılan enerji, çoğunlukla fosil yakıtlardan elde edilmektedir. Nüfus artışından daha fazla artış gösteren enerji gereksinimi fosil yakıt rezervlerinin azalmasına neden olmaktadır. Ayrıca fosil yakıtların yoğun bir şekilde kullanımından kaynaklanan çevre kirliliği ve en önemlisi yakın bir zamanda tükenecek olması, insanların alternatif enerji kaynaklarından yararlanmasına sebep olmuştur. Özellikle Türkiye nin elektrik enerjisinin % 60 ının doğalgazdan karşılanması ve doğal gaz rezervlerinin dış kaynaklı olması bir dezavantajdır. Güneş ise doğanın en büyük yenilenebilir enerji kaynağıdır. Türkiye yıllık ortalama 2640 saat güneşlenme süresi ile bulunduğu coğrafyanın en şanslı ülkesidir. Güneş enerjisinden; düzlemsel güneş kollektörleri, dish-stirling sistemler, silindirik-parabolik sistemler, güneş bacası ve güneş güç kuleleri yoluyla ısıl ve elektrik enerjisi elde edilmektedir. Güneş bacası, geniş bir kollektör serası ile merkezi bir bacadan oluşur. Sıcak hava, geniş bir cam kollektör altında güneş tarafından (direkt ve difüz ışını vasıtasıyla) üretilir. Isınan hava kollektörün merkezindeki bacaya doğru hareket eder ve yukarıya doğru çekilir. Bu çekiş bacaya yerleştirilmiş rüzgâr türbinini çalıştırır. Bu çalışmada, SDÜ kampüs bünyesinde bulunan güneş bacası prototipinin performansının artırılması için gerekli konstrüksiyon düzenlemeleri yapılmıştır. Ayrıca ısıl performans ile güç çıkışının arttırılabilinmesi için deney düzenekleri kurulmuştur. Buna ek olarak doktora çalışması olarak Tübitak destekli yürütülen güneş güç kulesi sistemi kullanılarak, güneş bacası üzerine konumlandırılan bir alıcı ve baca etrafına yerleştirilen heliostat aynalar vasıtasıyla sistem hibrid şekle dönüştürülmüştür. Mevcut güneş bacası sistemine yapılan yeniliklerle birlikte elde edilen sonuçlar, sistemin önceki yıllarda yapılan çalışmalardan elde edilen sonuçlarla kıyaslandırılmıştır. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Bacası, Güneş Kulesi, Hibrid sistem, Yenilenebilir Enerji, Performans Artırmak, Konstrüktif İyileştirme. 2009, 117 Sayfa ii

5 ABSTRACT M.Sc. Thesis THE STUDY ON THE CONSTRUCTIONAL IMPROVEMENTS AND THE RESEARCH OF METHODS TO INCREASE THE PERFORMANCE OF THE SOLAR CHIMNEY Ziya Ramazan YABUZ Süleyman Demirel University Graduate School of Applied and Natural Sciences Mechanical Engineering Department Thesis Comittee: Prof. Dr. Mustafa ACAR Asst. Prof. Kamil DELİKANLI (Supervisor) Asst. Prof. Arif KOYUN The energy usage in the worldwide, is generally obtained from fossil fuels. Increase in necessity of energy is more than increase in population, is the cause of fossil fuels reservs reduce. Additionally the intensive usage of fossil fuels causes enviromental pollutions and the most important is the fossil fuels will be soon run out so that the people start to benefit from alternative energy sources. The disadvantages of Turkey are, especially Turkey s electricity s % 60 is getting from natura gas and the natural gas resevrs sources are used from abroad. The sun is the biggest renewable energy sources of the nature. With about 2640 hours of sunshine annually, Turkey is the most fortunate country of located geography. The thermal energy and the electricity from solar energy, is obtained from the plate solar collectors, dish-stirling systems, cylindirical parabolic systems, solar chimney and solar power tower. The design of solar chimney is consist of a weight collector glasshouse and a central chimney. The air, which is warming up, is produced by sun, under the collector. This hot air runs the turbine which is located under the central of chimney. In this Study, the necessary constructional preparations was done for increase the performans of the solar chimney prototype which is located in Süleyman Demirel University campus. As well to increase the thermal performance and the power of output, experimental set up was built up. Additionally with a doctorate thessis which is supported by Tübitak, is called solar power tower system. A solar receiver which was montaged on the top of the solar chimney and the heliostat mirrors which were located sides of solar chimney. The whole system became a hibrid energy system. The results, was achieved with the additions on the current solar chimney system, was compared with the results which we have already had. Key Words: Solar Energy, Solar Chimney, Solar Tower, Hibrid System, Renewable energy, Increase Performance, Constructive Betterment. 2009, 117 Pages iii

6 ÖNSÖZ VE TEŞEKKÜR Bu tez çalışmasında yardımlarını esirgemeyen teşvik ve destekte bulunan, daima yol gösteren değerli danışmanım Sayın Yrd. Doç. Dr. Kamil DELİKANLI ya sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım sırasında tüm bilgi ve tecrübelerini aktaran, ilgi, destek, öneri ve eleştirilerini esirgemeyen Sayın Yrd. Doç. Dr. İbrahim ÜÇGÜL e, ve Sayın Yrd. Doç. Dr. Arif KOYUN a, yardımlarından ve sabırlarından dolayı değerli aileme teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca 108M183 numaralı proje desteğinden ötürü Tübitak a teşekkür ederim. Ziya Ramazan YABUZ ISPARTA, 2009 iv

7 ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Güneş Bacası Şekli Şekil 1. 2 Bir güneş bacasının enerji dönüşüm aşamaları... 5 Şekil Bir güneş bacasında günlük güç üretim karakteristiği... 7 Şekil Bir güneş bacasındaki enerji akışı... 8 Şekil Güneş bacası sistemleri için uygun kollektör düzenlemeleri... 9 Şekil Güneş bacası kollektör yüzeyinin görüntüsü Şekil Güneş bacalarının kollektörü için ısıl durum Şekil Su doldurulmuş siyah tüpler kullanan ortamda ısı depolama prensibi Şekil Güneş bacası kollektör ısı depolama Şekil Bacaya etkiyen kuvvetlerin gösterimi Şekil Baca konstrüksiyon şekilleri Şekil Güneş bacası türbini yatay eksenli türbin ile su için kaplan türbini şekilleri Şekil Kollektör enerji kazanım şeması Şekil Tek katmanlı saydam yüzeye ve su borusuna sahip kollektörlü güneş bacası sisteminde ısıl bağ şekli Şekil Florida Üniversitesi güneş bacası uygulama prototipi kesit şekli Şekil Florida Üniversitesi güneş bacası prototipi görüntüsü Şekil Zhou vd. tarafından inşa edilen güneş bacası prototipi Şekil İspanya Manzanares Güneş bacası sistemi görüntüsü Şekil Almanya Bauhaus Üniversitesi güneş bacası görüntüsü Şekil Baca ayaklarının montajı ve sera alanının biçimlendirilmesi Şekil Baca kollektörü için zemin oluşturulmasından bir görüntü Şekil Güneş bacası sistemine bacanın montaj görüntüsü Şekil Güneş bacası kollektör alanın konstrüksiyonu Şekil yılı itibari ile güneş bacasından bir görüntü Şekil Kollektör alanının dilimlere ayrılmış hali Şekil Baca akış düzenleme sistemi Şekil Güney ölçüm bölgesi 1 numaralı dilim sensör yerleşim şekli Şekil Kuzey ölçüm bölgesi 6 numaralı dilim sensör yerleşim şekli Şekil Böceklerin ve Hobo sıcaklık sensörlerinin güneş bacası zemininde dağılımı Şekil Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 12, 2, 4, 7 dilimindeki konumları Şekil Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 9, 10 dilimindeki konumları Şekil Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 12, 2, 4, 7 dilimindeki yeni konumları Şekil Ölçüm alan hobo ve böceklerin kollektör zemini 8, 10, 5, 11 dilimindeki konumları Şekil Baca girişinde ve baca içinde sıcaklık hava hızı ölçüm noktaları Şekil Herhangi bir yenilik yapılmadan önce bacanın güney diliminde alınan ölçümlerden bir görüntü Şekil Kuzey dilim sıcaklık ölçüm istasyonu v

8 Şekil Sıcaklık sensörü böcekler Şekil Işınım sensörü Şekil Kuzey dilim sıcaklık ölçüm görüntüsü Şekil numaralı dilim sıcaklık sensörü verisi değerleri Şekil numaralı dilim sıcaklık sensörleri Şekil numaralı dilim sıcaklık sensörleri Şekil Baca içi merkezinde mil üzerinde hava hızı sensörü konumlandırılması Şekil Baca içi hava hızı ölçüm sensörleri görüntüsü Şekil Klips ile konumlandırılması desteklenen hava hızı sensörü Şekil Baca içerisi hava hızlarının eldesinde kullanılan almemo veri kaydedicisi Şekil Solda siyah zemin uygulaması sağda önceki halde alınan ölçüm görüntüsü Şekil Siyah zemin uygulaması sonrası 6 numaralı dilim ölçüm görüntüsü Şekil Siyah zemin uygulamasından sonra 1 numaralı dilim sıcaklık ölçüm görüntüsü Şekil Boru klipslerinin zemine montajı Şekil Tesisat su kollektörleri ile devir daim pompası montajı Şekil Gün ısı platformunun konumlandırılması Şekil Zemin Isıtma borusu bağlantı şekli Şekil Kuzey zemini dolaşan su boru hattı Şekil Baca içerisi hava akış düzenleyicisini dolaşan su boru hattı Şekil Baca kollektör zeminini dolaşan su boru hattının görünümü Şekil Atomize su sistemi baca içerisinden görünüm Şekil Çalışma anında baca dışarısından atomize su sisteminin görünümü Şekil Kapakların bacaya montajından sonra görüntü Şekil Güneş bacası kollektör girişine uygulanan kapakların tasarım görüntüsü Şekil Kollektör dönüş suyu hattına bağlanmış PT100 sıcaklık sensörü Şekil Kollektör içi sıcak su sistemi ile gün ısı platformu üstten görünümü Şekil Gün ısı platformu ve kapalı genleşme deposu görünümü Şekil Gün ısı üzerinde yapılan termal kamera çekim görüntüsü Şekil Güneş bacası akış düzenleyicisi termal kamera çekim görüntüsü Şekil Güneş bacası hibrid sistem alıcı üzerinde termal kamera çekim görüntüsü Şekil Pomza taşı görünümü Şekil Pomza taşlarının ek kollektör zemin malzemesi olarak serilmesi Şekil Sera naylonu kesilme aşamasından bir görüntü Şekil Ek kollektör alanı yapımında sera naylonu montajından görüntü Şekil Özel zımba ile sabitlenen sera naylonu Şekil Ek kollektör alanında ara dikme ile sera naylonunun birleştirilmesi Şekil Ek kollektör alanı görüntüsü Şekil Heliostat aynalar Şekil Güneş Güç kulesi şematiği Şekil Tuz eriyikli güç kulelerinin aktarılabilirliği Şekil Hibrid sistemin şematik görünümü Şekil Hibrit sistemin ve heliostatların yerleşimi vi

9 Şekil Alıcı suyu sıcaklıkları Şekil Hibrid Sistemin tesisat şeması Şekil Hibrid sistem için tasarlanan alıcının tasarım görüntüsü Şekil Alıcı görünümü Şekil Heliostat ayna arkasından çekilen görüntü Şekil Heliostat aynalar Şekil Heliostat aynaların alıcıda oluşturduğu yansımış ışınım Şekil Heliostat aynaların alıcıdan görünümü Şekil hava hızı ölçümü Şekil güney dilim sıcaklık ölçümü Şekil ışınım ve doğu dilim sıcaklık ölçümü Şekil ışınım, hava hızı, doğu dilim sıcaklık ve 2008 teorik hava hızı grafiği Şekil mil üzeri hava hızı ölçüm grafiği Şekil ışınım ölçüm grafiği Şekil hava hızı, ışınım ve teorik hız grafiği Şekil dilim 440cm de yerden 55 cm de ortam sıcaklıkları grafiği Şekil ve teorik hava hızı grafiği Şekil doğu dilim böcek sıcaklıkları grafiği Şekil tarihlerinde batıda 4 numaralı dilimde böcek sıcaklıkları grafiği Şekil ışınım grafiği Şekil kuzey dilim dışarıdan 440 cm de güney dilim 370 cm de zeminden 50 cm yüksekte sıcaklık ölçüm grafiği Şekil yerden 273 cm de hava hızı ölçüm grafiği Şekil böcek sıcaklık ölçüm grafiği Şekil yerden 273 cm de hava hızı ölçüm grafiği Şekil ışınım ölçüm grafiği Şekil yerden 273 cm de hava hızı ölçüm grafiği Şekil kuzey dilim 440 cm de yerden 55 cm de sıcaklık ölçüm grafiği Şekil güney dilim 370 cm de yerden 50 cm yukarıda sıcaklık ölçüm grafiği Şekil güney dilim 370 cm de yerden 50 cm yukarıda sıcaklık ölçüm grafiği Şekil kuzey dilim 440 cm de yerden 10 cm yukarıda sıcaklık ölçüm grafiği Şekil M01 M02 Alıcıya giden ve alıcıdan dönen akışkan sıcaklık grafiği. 101 Şekil cm de ölçülen hava hızı grafiği Şekil Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş çıkış sıcaklık grafiği Şekil Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş çıkış sıcaklık grafiği Şekil , 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek sıcaklık grafiği Şekil Kollektör zemini ısıtma sistemi sıcaklık giriş çıkış sıcaklık ve hava hızı grafiği vii

10 Şekil , 273 cm de hava hızı ölçüm grafiği Şekil ölçülen ve hesaplanan hava hızı grafiği Şekil , 7 numaralı dilim 9 numaralı böcek sıcaklık grafiği Şekil , 8 numaralı dilim 1 numaralı böcek sıcaklık grafiği Şekil hava hızı ve 1 numaralı böcek sıcaklık grafiği Şekil yerden 273 cm de ölçülen hava hızı grafiği 108 Şekil ölçülen ve hesaplanan hava hızı grafiği Şekil hava hızı grafiği Şekil gün boyu hava hızı değişim grafiği Şekil hava hızı grafiği viii

11 ÇİZELGELER DİZİNİ Çizelge Güneş Kollektör tipleri ve tipik sıcaklık oranları... 4 Çizelge SDÜ Güneş bacası prototipi büyüklükleri...40 Çizelge Seçici yüzeylerin absorpsiyon ve emissivite özellikleri...58 ix

12 SİMGELER LİSTESİ A c Güneş bacası kesit alanı [m 2 ] A coll Kollektör alanı [m 2 ] C P Özgül Isı katsayısı [J/kg.K] D Baca çapı [m] F Kollektör verim faktörü F Akış faktörü F R Kaçan ısı faktörü G Işınım [W/m 2 ] g yerçekimi ivmesi [m/s 2 ] H Baca Yüksekliği h 3 Birincil cam yüzey ısı transfer katsayısı (doğal veya zorlanmış için) [W/m2K] h 4 Su borusu için ısı transfer katsayısı (doğal veya zorlanmış akış halinde hava-boru arası) [W/m2K] h 5 Su borusu için ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon su - boru arası) [W/m 2 K] h 6 Absorber için ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon absorber su arası) [W/m 2 K] h 7 Absorber için ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon absorber zemin arası) [W/m2K] h 8 Zemin ile Absorber arası ısı transfer katsayısı (doğal konveksiyon ) [W/m 2 K] H Max Bacanın maksimum yüksekliği [m]. h r32 Su borusu ile birincil cam yüzey arası radyasyon ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] h r43 Absorber ile su borusu arası radyasyon ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] x

13 h rs Işınım ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] h rs Işınımla ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] h w Rüzgarla ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] I Işınım [W/m 2 ] k Isı iletim katsayısı [W/m 2 K] L m Nu P uzunluk [m] kütlesel debi [kg/s] Nusselt sayısı [boyutsuz] Güç [kw] q Isı akış yoğunluğu [W/m 2 ] R coll Kollektör yarıçapı [m] S 2 Cam yüzey tarafından absorp edilen ışınım [W/m 2 ] S 3 Su borusu tarafından absorp edilen ışınım [W/m 2 ] S 4 Absorber tarafından absorp edilen ışınım [W/m 2 ] T 0 Çevre sıcaklık [ o C] T 2 Cam yüzey sıcaklığı [ o C] T 3 Su borusu sıcaklığı [ o C] T 4 Absorber sıcaklığı [ o C] T 5 Zemin sıcaklığı [ o C] T a Dış ortam sıcaklığı xi

14 T c Kollektör üst yüzey sıcaklığı T ç Çevre sıcaklığı [ o C] T f,0 Çıkış Sıcaklığı [ o C] T f,i Giriş sıcaklığı [ o C] T f Kollektör ortalama sıcaklığı [ 0 C] (Tα) Kollektör bsorbe etme geçirme çarpanı U Bacadan, çevreye olan toplam ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] U b Zemin ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] U t Cam yüzeyden olan ısı transfer katsayısı [W/m 2 K] v hacimsel debi [m 3 /s] V c Baca içi hava hızı [m/s] V max Maksimum hava hızı [m/s] w β γ z yönündeki hız [m/s] Hacim sabiti [1/K] Sıcaklık düşme oranı [K/m] Γ Yardımcı fonksiyon [W/m 2 K] δ Sınır tabak kalınlığı [m] ε 1 Birincil cam yüzeyin yayma katsayısı [boyutsuz] ε 2 İkinci cam yüzeyin yayma katsayısı [boyutsuz] ε 3 Su borusunun yüzey yayma katsayısı [boyutsuz] xii

15 ε 4 Absorberin yüzey yayma katsayısı [boyutsuz] η Verim [boyutsuz] ρ yoğunluk [kg/m 3 ] σ Stephan-Boltzman sabiti [W/m 2 K 4 ] τ 1 İkinci cam yüzey iletim katsayısı [boyutsuz] τ 2 Birincil cam yüzey iletim katsayısı [boyutsuz] τ 3 Su borusu iletim katsayısı [boyutsuz] xiii

16 1. GİRİŞ Enerji, günümüzde insanların en çok tükettiği, en verimsiz kullandığı ve yakın gelecekte tüm insanlığın en çok problem yaşayacağı gereksinimlerden biridir. Bugün yoğun bir şekilde kullandığımız ve tükenmesi söz konusu olan fosil yakıtlar geçmişte enerjilerini güneşten almış ve daha sonra şekil değiştirerek bugünkü kullanıldığı hale dönüşmüş olan enerji kaynaklarıdır. Geçmişten günümüze bilhassa sanayi devriminden itibaren bugüne, dünya nüfusunun hızlı artışı buna bağlı olarak enerji ihtiyacının da aynı oranda artması ve kullanılan enerjinin verimsiz harcanması gelecekte enerji yoksulluğuna yol açabilir. Bunun nedeni ise yoğun bir şekilde tüketilen aynı zamanda dünyamızı da hızla kirleten, doğal dengenin bozulmasını sağlayıp, zehirli sera gazlarının oluşmasında birincil dereceden etkin olan fosil yakıtların kullanımıdır. Son yıllarda yapılan çalışmalar, dünyadaki fosil yakıt rezervlerinin hızla azalmasına karşın, enerji ihtiyacının daha da hızla arttığını işaret etmektedir. Artan bu ihtiyacın karşılanması ve dünya üzerindeki sera gazları etkilerinin azaltılması için fosil yakıt kaynaklarına alternatif olacak yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarına yönlenilmiştir. Yapılan çalışmalar yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasını sağladığı gibi verimlerinin arttırılması için de yapılan araştırmalara hız kazandırmıştır. Gelişmiş ve gelişmekte olan tüm dünya ülkeleri kendi imkânları doğrultusunda yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiş, finansal kaynaklarından ciddi paylar ayırmaya başlamıştır. Özdamar (2000), Görülüyor ki bu eğilim gittikçe artarak devam edecektir. Örneğin, 2050 yılında dünya enerji tüketiminin %50 sinin yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacağı tahmin edilmektedir. (Kara, 2002) Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan Güneş Enerjisi tükenmez ve çevreye duyarlı bir enerji kaynağıdır. Dünya yüzeyine gelen yıllık ortalama güneş enerjisi miktarı, metrekare başına ısınma ihtiyacı için kullanılacak 100 litre petrole eşittir ve herhangi 1

17 bir zararlı emisyona sahip değildir. Ayrıca Akdeniz coğrafyasında bulunan yerleşim merkezleri için bu değer 120 ile 160 litre arasında değişmektedir. Bu enerji bedavadır ve herhangi bir şekilde ithal edilmesine gerek duyulmamaktadır. En önemli nokta ise çevreyi kirletmemektedir. Kyoto protokolünün Avrupa ülkeleri arasında imzalanması ile birlikte temiz teknolojilerin kullanılması, fosil yakıtların kullanımının azaltılması planlanmıştır. Yakın gelecek için Avrupa ülkeleri, elektrik enerjisinin %20 sini, termal enerjisinin de %30 unu yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlamayı amaçlamaktadır (Nizetic vd., 2008). Güneş enerjisinden faydalanmak için çeşitli teknolojiler geliştirilmiştir. Bunlara örnek olarak sıcak su üretimi, endüstriyel prosesler için buhar eldesi, elektrik üretimi gösterilebilir. Ancak bu teknolojiler içinde en yaygın olarak kullanılanı gün ısı sistemleri ile sıcak su ihtiyacının karşılanmasıdır. Güneş enerjisi sistemleri ısı ve elektrik üretim sistemleri olarak iki gruba ayrılabilir. Isıl sistemler kendi arasında düşük sıcaklık, orta sıcaklık ve yüksek sıcaklık uygulamaları olarak ayrılabilir. Güneş enerjisinden elektrik üretim prosesi ise güneş gözeleri ile sağlanmaktadır. Isıl sistemlerden düşük sıcaklık uygulamalarına örnek olarak gün ısı sistemleri ve güneş bacaları verilebilir. Yalnız güneş bacaları aynı zamanda ısıl sistem olup elektrik üretiminde kullanılmaktadırlar. Güneş bacasında kollektör alanı içerisi sıcaklık artışı ile ısı enerjisi elde edilir. Elde edilen bu ısı enerjisi baca konstrüksiyonu sayesinde kollektör içerisindeki havanın bacaya yönlenerek yukarı yönlü hareketini oluşturur. Bu sayede ısıl enerji kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Böylece içerideki havanın kinetik enerjisi bacaya ilişkilendirilmiş türbini çevirerek mekanik enerjiyi dolayısıyla alternatör vasıtasıyla elektrik enerjisini sağlar. Yani düşük sıcaklık ısıl sistemlerden olan güneş bacası aslında elektrik üretim amaçlı kullanılmaktadır. Orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları ise odaklamalı sistemlerdir. Silindirik parabolik sistemler, güneş güç kuleleri, Dish/stirling sistemleri gibi uygulamaları vardır. Bu çalışmada güneş bacası ile elektrik üretimi sisteminin performans artırılmasına yönelik iyileştirme yöntemleri araştırılmıştır. SDÜ YEKARUM tarafından DPT destekli olarak gerçekleştirilen Güneş bacasının üzerinde yapılan çeşitli deneme ve 2

18 iyileştirme yöntemleri sonucunda elde edilen veriler daha önceki yıllarda alınan veriler ile kıyaslanmıştır. Bu deneme ve iyileştirme çalışmaları arasında zeminden ilave ısıtma ile bacanın daha uzun süreli çalışması, sera alanının artırılarak performansın iyileştirilmesi, zeminin siyah boya ile boyanması, yine zeminin pomza ile kaplanması ile performansın ölçülmesi, baca dilimlerine kapaklar yapılarak performansın incelenmesi, bacanın en yüksek noktasına pülverize su sistemi kurularak performansın incelenmesi aşamaları hayata geçirilmiştir. Bu denenen yöntemler ile güneş bacasının mevcut performans değerleri arttırılmak, gün boyu güneş ışıması ile sağlanan çalışmanın güneş etkisini yitirdiği zamanlarda da düşen çalışma performansının arttırılması amaçlanmıştır. Ayrıca halen doktora çalışması kapsamında devam eden güneş güç kulesi ile elektrik üretimi sisteminin heliostatları baca yakınına konumlandırılarak baca tepesine yerleştirilen bir alıcıya odaklama yapılmış ve hibrid bir sistem ile baca performansı incelenmiştir Kuramsal Temeller Güneş Isıl Enerji Çevrimi Güneş enerjisinden faydalanma yöntemleri genel olarak iki grupta toplanabilir. Birincisi ısıl yol ile, öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı, doğrudan kullanılabileceği gibi enerji çevrim sistemleri ile birlikte elektrik üretimi de gerçekleştirilebilir. Bu gruba örnek olarak güneş kollektörleri, güneş havuzları, silindirik parabolik sistemler, Dish/stirling ve merkezi alıcı sistemleri verilebilir. Güneş enerjisinden elektrik elde etmede ikinci bir yol ise direkt dönüşüm olarak adlandırılabilir. Bu metot ise güneş ışınlarının yarı iletken olan silisyum içeren bir yapı üzerine düşürülmesi ile kimyasal yoldan elektrik enerjisi üretilmesi yöntemidir. Bu alanda kullanılan ekipmanlara ise güneş gözeleri denir (Koyun vd., 2005). 3

19 Güneş Isıl Kolektörleri Basit bir güneş kollektörü bir yutma yüzeyinden, ısı kayıplarını azaltmak için yüzey arkasındaki yalıtımdan, daha kısa dalga boyundaki güneş ışınımını geçiren fakat daha uzun dalga boyundaki ışınımı absorberden geçirmeyen bir ısı transfer ortamından meydana gelir. Bu alandaki gelişmeler sayesinde 1000 o C ye kadar ya da daha yüksek sıcaklıklar elde edilebilmektedir. Çizelge 1.1 de Güneş kollektörlerinin tipleri ve tipik sıcaklık oranları verilmiştir (Güven vd., 2004). Çizelge Güneş Kollektör tipleri ve tipik sıcaklık oranları (Güven vd., 2004) Silindirik Parabolik Güç kulesi Dish/Stirling Güneş bacası Güç kaynağı Merkezi Merkezi Lokal/Merkezi Merkezi Kapasite oranı MW MW 10 KW...50MW MW Çalışma modu şebeke bağlantılı şebeke bağlantılı/ada şebeke bağlantılı/şebekeden bağımsız şebeke bağlantılı Alan gereksinimi 18m 2 /KW 21m 2 /KW 20m 2 /KW 200m 2 /KW Tipik verim (%) İşletme sıcaklığı 350 o C 560 o C 800 o C 50 o C 1.2. Güneş Bacası Bu sistem için yapılan ilk tanımlamalardan biri 1931 yılında Alman yazar Hanns Gunther e aittir yılı başlarında Robert E. Lucier A.B.D., Kanada, İsrail ve Avustralya da geçerli olmak üzere ilk patent başvurusunu yapan kişi olarak tarihe geçmiştir. Sonrasında ise 1980 yılında bir inşaat mühendisi olan J. Schlaich, Bergerman and Partner önderliğinde İspanyanın Madrid kenti yakınlarında Manzanares adı altında bir güneş bacası prototipini geliştirmişlerdir. (Disabledartistsnetwork, 2007) Sistem üç temel prensip üzerinde çalışmaktadır. Bunlar sera etkisi, yoğunluk ve sıcaklık farkı ile akışkan hareketi ve kinetik enerjidir. Sistem dairesel ya da dairesel kesite yakın bir kesitte oluşmuş sera alanından ve bu alanın merkezine konumlandırılmış bacadan oluşmaktadır. Kollektör içerisinde bulunan hava güneş ışınımı ile ısınır ve hareket kabiliyeti kazanarak kolektörün merkezine doğru hareket eder. Kollektör dışında bulunan hava ise kolektör 4

20 merkezine hareket etmiş ısınmış havanın yerini alır ve ışınım ortamdaki havayı ısıtarak işlemin tekrarlanmasını sağlar. Kollektör merkezine doğru hareket etmiş olan hava bacanın çekiş etkisiyle yukarı yönlü hareket yaparak bacanın içerisine yerleştirilmiş türbini çevirerek elektrik enerjisinin üretimini gerçekleştirir Bir güneş bacası şekli ise aşağıda görülmektedir. Şekil Güneş bacası şekli (Disabledartistsnetwork, 2007). Güneş bacasına ait genel enerji dönüşüm aşamaları da Şekil 1.2. de görülmektedir. Şekil 1. 2 Bir güneş bacasının enerji dönüşüm aşamaları (Pastohr, 2004). 5

21 Güneş bacası sistemi temelde bir rüzgâr türbini şeklinde çalışsa da rüzgâr türbinlerinde yaşanan rüzgâr yoksa enerjide yoktur problemi güneş bacası sistemlerinde yaşanmaz çünkü güneş oldukça sera içerisindeki hava ısınıp baca içerisinde harekete geçecektir. Ayrıca sistemdeki hava akımı sürekli sabit olduğu için klasik rüzgâr türbinlerinde kullanılan rüzgâr akımının hangi yöne nereye doğru olduğunu belirlemeye yarayan karmaşık ve pahalı sistemlere gerek yoktur. Uygun büyüklükte kullanılacak baca altı sera alanı ve baca yüksekliği ile MW güç üretilebilir. Böylece doğaya zarar vermeden birkaç nükleer santralin üreteceği enerji sağlanmış olur. Güneş bacası bu özellikleri ile diğer enerji kaynaklarına göre bazı avantajlar sağlar. Bunlar; - Kollektör güneş ışınımının tamamını kullanır. Sistem kapalı havalarda dahi difüz ışınımlardan yararlanarak çalışır. - Baca zemini bir ısı absorplayıcı olarak işlev görür ve aldığı enerjiyi sisteme iletir. - Diğer enerji üreten sistemlere göre basit yapıya sahip olmasından dolayı arıza durumu fazla gözlenmez, diğer güç sistemleri gibi soğutma suyu ve benzeri ek sisteme ihtiyaç duymaz. - İlk yatırım maliyeti dışında sürekli bir maliyete sahip değildir. Sadece bakım sırasında finansal kaynak gerektirebilir. - Hareketli parçanın sadece jeneratör türbini olması ve türbinin de çok fazla arıza çıkarmaması sistemde çalışma maliyetini düşürmektedir. - Yüksek teknolojiye sahip herhangi bir materyal veya çalışma gerektirmez. - Ekonomik durumu çok iyi olmayan ülke ve bölgelerde bile enerji kaynağı olarak kullanılabilir. (Bernardes, 2004) 6