GÜNEŞ KULELERİ. Prof. Dr. Olcay KINCAY Makina Y. Müh. Uğur AKBULUT

Transkript

1 GÜNEŞ KULELERİ Prof. Dr. Olcay KINCAY Makina Y. Müh. Uğur AKBULUT

2 Güneş Kulelerinde temel çalışma prensibi; Büyük bir alana yerleştirilmiş, Heliostat (gün dönüştürücü) adı verilen yüzlerce yansıtıcı, güneşten gelen ışınları, heliostat tesisinin merkezindeki kulenin tepesine odaklar. Bu odaklama bölgesinde (alıcı) yoğunlaştırarak elde edilen yüksek ısı enerjisi elektrik enerjisine çevrilir.

3

4 Güneş kulesi sistemi ve heliostatları

5 Bir yoğunlaştırıcılı kollektörde ısıya dönüştürülen güneş enerjisinden, nükleer ya da kömürlü elektrik santrallerinde olduğu gibi, suyun kaynatılarak buhara dönüştürülmesi ve elde edilen buharla bir buhar türbininin tahrik edilmesi suretiyle elektrik enerjisi elde edilir.

6 Güneş kulesini çevreleyen heliostat alanı, tesisin yıllık verimini optimize edecek şekilde planlanır. Tipik bir kurulumda güneş enerjisinin toplanması, türbine buhar sağlayacak maksimum gereksinim değerinin aşılmasıyla meydana gelir. Tam kapasite üretim yapan tesis ile aynı anda ısıl depolama sistemi de yüklenebilir. Upington, South Africa

7

8 Enerji depolama sistemine sahip Güneş Güç Kulesi Sistemi gün içerisinde güneş ışınlarının gelmediği saatlerde de elektrik üretiminin devamlılığını sağlar.

9 Güneş güç kulesi sisteminde, 290 C da sıvı haldeki tuz eriğiyi, soğuk depolama tankından alıcıya doğru pompalanır. Burada sıcaklığı 565 C ye kadar çıkarılarak sıcak depolama tankına gönderilir. Tesisten güç çekileceği zaman sıcak tuz, klasik bir Rankine çevrim türbini-(jeneratör) sistemi için aşırı kızdırılmış buhar üreten bir buhar üretme sistemine pompalanır. Buhar jeneratöründeki tuz soğuk tanka geri dönerek depolanır ve sonunda da alıcıda yeniden kızdırılır.

10 Erimiş tuz çözeltisi depolama prosesi

11 Güneş Güç Kuleleri Kollektör sisteminin verimi 76% civarına çıkabilir. Bazı kollektörlerde güneş enerjisi Stirling motorunu çalıştırarak mekanik enerji meydana getirirler. Stirling motoru jeneratörü çalıştırarak elektrik enerjisi meydana getirir.

12 Sistemde kullanılan tuz eriğiyi, sodyum nitrat, potasyum nitrat olabilir. Kullanılan bu enerji taşıyıcı sıvıların yanıcı ve zehirleyici olmaması, sistemin güvenliği açısından avantaj sağlar. Eğer kazayla tuzun döküldüğü görülürse, tuz toprakta önemli etkiler yapmadan önce donacaktır. Tuz bir kürek yardımıyla kaldırılır ve eğer gerekliyse yeniden kullanılmak üzere çevrime katılır. Güneş güç kulesi tesislerinin işletilmesi esnasında tehlikeli gazlar ya da sıvı emisyonlar / radyasyonlar açığa çıkmaz.

13 Güneş Kulesi Sistemi (toplam heliostat ve alıcı alanı ) tarafından karşılanan ısıl gücün, türbin jeneratörü pik ısıl güç gereksinimine oranına Güneş Çarpanı denir. Yaklaşık olarak 2,7 lik bir güneş çarpanı ile, California Mojave Çölü nde tesis edilmiş olan tuz eriyikli bir güneş kulesi, yaklaşık 65% olan yıllık kapasite faktörüne göre tasarlanmıştır. Bu tip sistemlerde enerji depolanmadığında yıllık kapasite faktörü 25% ile sınırlıdır.

14 Güneş kulelerinin ilk yatırım maliyeti, klasik fosil yakıtlı enerji sistemlerine göre daha yüksek olmakla beraber yanma sonucu çevreye zararlı atıkların oluşmaması, ayrıca sınırsız bir enerji kaynağı olması sistemin avantajıdır. İlk yatırım maliyetinin, daha ileri teknoloji ile tasarlanıp kule sayısı arttırılarak düşürülmesi beklenmektedir. Solar One, Barstow California Buhar türbininde meydana gelen çürük buharın da düşük enerji ihtiyaçlı diğer endüstriyel proseslerde kullanılması sistemin tasarrufunu arttırır.

15 Güneş kuleleri, muhtemel klasik fosil yakma tesisleri ile hibrid olarak kurulabilmektedir. Doğalgaz kombine çevrimli, kömür yakmalı ya da yağ yakmalı Rankine Çevrimleri ile yapılabilecek pek çok hibridleme seçeneği vardır. Hibrid bir tesiste, güneş enerjisi, fosil yakıt kullanımını azaltmada ya da buhar türbinine çıkış gücünü arttırmada kullanılabilir. Gücüarttırılmış bir hibrid tesiste, toplam elektrik enerjisi, kömür yakmalı bir Rankine Çevrimi ile ya da kombine bir çevrim tesisinin taban kısmını içine alan yüksek kapasiteli bir buhar türbini ile üretilir. Böylece güneşin olduğu zamanlarda güneş enerjisi ve fosil yakıtın her ikisi birden işletilebilir.

16 Güç, gaz türbininde (fosil yakıt) ve buhar türbininde üretilir. Buhar jeneratöründen gelen buhar, buhar türbinine girmeden önce ısı geri kazanımlı buhar jeneratöründen (HRSG) gelen fosil buharı ile karıştırılır. Kombine çevrim tesisi ile hibridlenmiş güç kulesi

17 Güney California daki tipik bir gün için yük-aktarım kapasitesinin gösterildiği aşağıdaki şekilde tuz eriyikli bir güneş kulesinden elektriğin aktarımı gösterilmiştir. Şekilde günün bir fonksiyonu olarak güneş yoğunluğu, sıcak tanktaki enerji depolaması ve elektrik güç çıkışı verilmiştir. Bu örnekte, güneş tesisi güneş doğduktan hemen sonra ısıl enerji toplamaya başlar ve günün her anında tankta biriktirilen enerji sıcak tankta depolanır. Şebekenin pik yük talebine cevap olarak, türbin saat 1:00 de çevrim içi olur ve saat 11:00 e kadar güç üretimine devam eder. Enerji depolama ve aktarma güneş güç kulesi teknolojilerinin başarısı için çok önemlidir. Tuz eriyikli güç kulelerinin aktarılabilirliği

18 Odaklı sistemler ve güneş bacaları için bazı parametreler

19 Güç kulelerinin karşılaştırılması

20 Güneş enerji teknolojilerinin karşılaştırılması Parabolik silindirik Çanak/motor Güneş güç kulesi B o y u t MW 5-25 kw MW Uygulama sıcaklığı (ºC) Yıllık kapasite faktörü % 25 % % Pik yük verimi 20 % 29,4 % 23 % Net yıllık verim % % 7-20 % Teknoloji gelişim riski düşük yüksek orta Depolama imkanı sınırlı batarya evet Birleşik tasarım evet evet evet Maliyet ($/W) 2,7-4,0 1,3-12,6 2,5-4,4

21 Sonuç olarak güneş kulelerinde Düz aynalar (heliostat) kullanılır. Heliostat güneşi iki eksenli hareketle takip eder. En yüksek 565 C sıcaklıklara ulaşılabilir. Yağ kullanılırsa en yüksek 400 C sıcaklıkta buhar elde edilir. Her heliostat ayrı hareket eder. Arazi hazırlığı gereksinimi düşüktür. 100 MW için 2,5 3 km² alan gerekir. Yatırım maliyetleri > 5 $/W

22 Uygulama örnekleri

23 PS 10 İspanya 11 MW m² alan, 624 adet heliostat 24.3 GWh yıllık üretim Bir saatlik buhar yedeği Isıl verim 27% Toplam verim 17% Sıcaklık 250ºC Aynalar Abengoa Solar, Kule ALTAC Inabensa, Fichtner, Ciemat, DLR ın ortaklığı

24 PS10, 2006 yılı sonunda tamamlanmış ve 2007 yılı Mart ayında çalışmaya başlamıştır. 624 adet heliostatın her biri 120 m² yüzey alanına sahip, cam ve metalden imal edilmiş hareketli yansıtıcı ayna, güneş ışınlarını 115 metre yükseklikteki kulenin tepesinde bulunan alıcıya yönlendiriyor. Kulenin ebatları, 14 metre genişliğindeki toplayıcıyı barındırabilmesi için 18 metreye 8 metre şeklinde tasarlanmıştır. Heliostatlar, güneşin hareketiyle beraber otomatik olarak hareket ederek gün boyunca gelen tüm güneş ışınlarını aynı noktaya düşürüyorlar. Bu sayede tüm güneş enerjisinden maksimum oranda fayda sağlanmış oluyor.

25 Kazanılan ısı enerjisi 40 bar basınçta ve 250 C de buhar olarak henüz 1 saat süresince saklanabiliyor; ileride bu saklama süresinin daha da uzatılabileceği öngörülüyor. Tesisin şu anki toplam gücü 11 MW ve 6000 haneye yetecek düzeydedir. PS 10, 5 milyon tutarında 5. çerçeve araştırması ve 16 milyon yatırım ile kurulmuştur.

26 PS 10 İspanya 11 MW

27 PS 20 İspanya 20 MW Projenin devamı olan PS20, AZ20, Solnova50-1, Solnova50-2, Solnova50-3 tesislerinin de 2013 yılında tamamlanmasıyla toplam kapasite 300 MW fazla olacak ve sistem kişiye enerji sağlayabilecektir. Şu anki üretim kapasitesi ile, konvansiyonel yöntemlerle enerji elde edilirken ortaya çıkan yıllık ton karbon emisyonu engellenmiş oluyor. Tabii sistemden elde edilen enerji, yine konvansiyonel sistemlerden elde edilen enerjiye göre 3 kat daha pahalıdır. Solúcar yetkilileri kısa süre içerisinde, güneş kuleleri ile enerji elde etmenin maliyetinin diğer ekolojik olmayan sistemlere göre daha ucuz olacağını belirtmektedirler. Ayrıca atmosfere sadece su buharı salınması da büyük bir kazançtır. Toplam proje (300 MW) maliyetinin 1.2 milyar olması bekleniyor.

28 PS 20 İspanya 20 MW

29 PS 20 de kazanılan ısıl enerji 40 bar basınç ve 500 C sıcaklıktadır. Baca yüksekliği 115 m olup y=1005 m ve x=945 m dir.

30 Solar Tres 17 MW güç, güney İspanya da Seville dedir. 15 saat yetecek erimiş tuz deposu Yılda 96.4 GWh elektrik üretimi Ghersa, Compagne de Saint Gobain, Ciemat ve Siemens ortaklığı bütçe, 2007 de tamamlandı.

31 Solar One Barstow, California 1982 ve 1988 yılları arasında işletilmiş olup dünyanın en geniş güneş güç kulesi tesisi olmuştur. Bu tesis güneş kuleleri ile geniş ölçekte güç üretiminin uygun olduğunu ispatlamıştır. Bu sistemde, alıcıdaki su buhara çevrilir ve klasik bir Rankine buhar türbin çevrimine güç sağlamada kullanılır heliostattan oluşan heliostat alanda her bir heliostatın yansıtma alanı 39,3 m² idi. Tesisin kapasitesi 10 MWe ti. Onun son yılındaki çalışması boyunca kullanılabilirliği 96% ve yıllık verimi de yaklaşık olarak 7% civarında olmuştur (yıllık verim rölatif olarak düşüktür çünkü tesisin küçük boyutu ve alt sistemlerin optimize edilmiş olmaması bunda etkilidir).

32 Solar One Solar One ısıl depolama sisteminde, ısı depolama için kaya ve kumlar kullanılmış olup sistemin güç üretim yeteneği geceye kadar genişletilerek, tesisin çalışmadığı saatlerde ve sabah çalışmaya başlayacağı ilk anda sistem bileşenlerinin ılık bir sıcaklığa sahip olması sağlanmıştır. Isıl depolama sistemi karmaşıktır ve termodinamik olarak kabiliyetsizdir. Solar One güç kulesi teknolojisini başarılı bir şekilde temsil ederken su / buhar sisteminin dezavantajlarını da ortaya çıkarmıştır. Örneğin, bulut geçişleri ve efektif ısıl depolamanın olmayışından dolayı türbinin fasılalı olarak çalışması vb. Solar One nın işletilmesi sürecinde tuz eriyikli güç kulelerinin geliştirilmesi için araştırmalar başlatılmıştır. Bunun neticesinde Solar Two projesi geliştirilmiştir.

33 Solar Two Barstow, California Barstow, California da bulunan 10 MW kapasitedeki güneş kulesi; m² toplam alana sahip 1926 heliostat ve 90 m yüksekliğindeki bir merkez kuleye sahiptir. Bir enerji depolama sistemi gün ışığı olmadığında dahi 7 MW elektrik üretilmesini sağlamaktadır.

34

35 Solar Two

36 Solar Two Tuz eriyikli güç kulelerinin geliştirilmesini teşvik etmek amacıyla Southern California Edison, U.S. enerji departmanına katılarak tuz eriyikli ısı transfer sistemini de içine alan Solar One tesisini yeniden tasarladılar. Tesisin yeniden tasarlanmasının amacı, nitrat tuz teknolojisini kanıtlamak, güç kulelerinin teknik ve ekonomik risklerini azaltmak ve güç kulesi teknolojilerinin ticarileştirilmesini teşvik etmektir. Yapılan bu yeni tasarıma Solar Two ismi verilmiştir. Solar Two tesisi yeterli ısıl depolama ile 10 MW elektrik üretmekte ve güneş etkisini yitirdikten sonra bile türbin 3 saat boyunca tam kapasiteyle çalışabilmektedir. Solar One dan Solar Two ya geçişte yeni bir tuz eriyikli ısı transfer sistemini (alıcıyı, ısıl depolamayı, boruları ve buhar jeneratörünü içine alan) ve yeni bir kontrol sistemini gerektirmiştir.

37 Solar Two Solar One a ait heliostat alan, kule ve türbin / jeneratör çok küçük modifikasyonlar gerektirmiştir. Solar Two ilk olarak 1996 nın başlarında şebekeye bağlanmış ve 1997 nin sonunda tam olarak görevini yerine getirmeye başlamıştır. Solar Two ya ait alıcıların tasarımı Boeing s Rocketdyne Division firması tarafından yapılmıştır. Solar Two, bir panel serisinden (her biri 32 adet ince cidar paslanmaz çelik tüpten) oluşur. Paneller boruları çevreleyen silindirik bir kabuktan, yapısal desteklerden ve kontrol ekipmanlarından oluşur. Tüplerin dış yüzeyi; güçlü, yüksek sıcaklık ve ısıl çevrime dayanıklı ve gelen güneş ışığını 95% soğurma özelliğine sahip olan siyah pyromark boya ile kaplanmıştır.

38 Solar Two Alıcı (kule) tasarımı, konveksiyon ve radyasyondan dolayı oluşan kayıplarını azaltmakta, soğurulan maksimum güneş enerjisi miktarını optimize etmektedir. Tasarım, lazer kaynak, karmaşık tüp-meme-manifold bağlantıları, bir tüp kelepçesi tasarımı (tüpün genişlemesi ve büzülmesi) ve temassız akı ölçüm cihazlarını içerir. Ayrıca alıcı herhangi bir hasara uğramadan sıcaklığı hızlı bir şekilde değiştirebilir. Örneğin bir bulut geçişi esnasında, alıcı sıcaklığı 290 C dan 570 C ye güvenli bir biçimde bir dakikadan daha az bir sürede değiştirir.

39 Solar Two Tuz depolama ortamı 60% sodyum nitrat ve 40% potasyum nitrat karışımından oluşur. Bu karışım 220 C de erir ve soğuk tankta da eriyik halini (290 C/554 C) korur. Eriyik tuz elle tutulması zor olabilir çünkü düşük bir viskoziteye sahiptir (suya benzer) ve metal yüzeyleri iyi ıslatır. Sonuç olarak,onun kontrol edilmesi ve taşınması zor olabilir. Bu teknolojinin başarılı bir şekilde gerçekleştirilmesi tuz eriyiği ile çalışabilecek pompaların, vanalar, vana contaları ve contalık malzemelerin belirlenmesidir. Bu nedenle Solar Two; minimum sayıda conta bileziği ve en fazla transdüser elemanı, vanaları ile tasarlanır ve uygun yerlere kaynak yapılır. Solar Two için enerji depolama sistemi 875,000 litrelik 2 adet depolama tankında oluşur.

40 Tanklar dış ortamdan yalıtılmış olup sıcak tank paslanmaz çelikten soğuk tank ise karbonlu çelikten yapılmıştır. Sistemin ısıl kapasitesi 110 Mwh t dir. Doğal bir konveksiyonlu soğutma sistemi her bir tank tesisinin aşırı ısınması ve toprak altındaki aşırı dehidrosyonun minimize edilmesinde kullanılır. Sıcak tuz için borular,vanalar, kaplar ve ayrıca tuz eriyiği çevresindeki korozyona dayanımı için paslanmaz çelikten yapılmıştır. Soğuk tuz sistemi yumuşak karbonlu çelikten yapılır. Buhar jeneratör sistemi ısı dönüştürücüleri; kabuk ve tüp süper kızdırıcısı, bir ısıtıcı boyler ve bir kabuk ve tüp ön kızdırıcısından oluşur. Paslanmaz çelikten yapılmış dirsekli pompalar tuzu sıcak tank pompasından buhar jeneratörü sistemi boyunca pompalar grubu vasıtasıyla soğuk tanka taşırlar. Soğuk tankta ki tuz çok kademeli merkezkaç pompası vasıtası ile kule tepesindeki alıcıya pompalanır. Tesiste toplanılan başlangıç verileri tasarım boyunca tahmin edilen alıcıdaki ve ısı depolama tanklarındaki değerleri göstermiştir.

41 Solar Two ya ait sıcak depolama tankının soğuması Örneğin; 26 Mart 1997 de toplanan verilere göre alıcının soğurduğu enerjinin 39,8 MW (bu tasarım değerinin 93% üdür) olduğu ortaya çıkmıştır. Isıl depolama sistemindeki sıcak tank çok iyiısıl karakteristikler sergilemektedir. Şekilde tuz eriyiği ile doldurulmuş sıcak depolama tankına ait aylık soğuması görülmektedir. Tankın çok yavaşça soğuduğu (bir ay boyunca yaklaşık 75 C) ve ölçülen ısı kayıpların tasarımında tahmin edilen değerlere göre 10% farklılık gösterdiği görülmektedir.

42 Albuquerque, New Mexico Sandia National Laboratories 222 heliostat var ve herbir heliostat 37m2 ve 5 MWt Kule yüksekliği 60 m 2007 de tamamlandı.

43 Kaynaklar [1] Kapucu, S., Ecevit, A., Concentrating Collectors, [2] Güven, Ş.Y., Üçgül, İ., Şenol, R., Güneş Enerjisi Isıl Uygulamaları ve Güneş Kulelerinin İncelenmesi, Mühendis ve Makine, 45 / 533, 17-27, [3] Ayhan, M., Merkezi Alıcı / Güneş Kulesi Sistemleri, Termodinamik Dergisi, 64-72, Ekim [4] Kalogirou, S., Güneş Isı Enerjisi Sistemleri, Tesisat Dergisi, 157, , [5] [6] [7] [8] solar/ optics html [9] [10] [11]

44 Kaynaklar [12] [13] [14] [15] [16] [17] [18] [19] [20] [21] ucdcms.ucdavis.edu [22] [23] [24] [25]