GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ABSORBSİYON TEKNOLOJİSİ YARDIMI İLE GÜÇ ÜRETİMİ

Transkript

1 GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ABSORBSİYON TEKNOLOJİSİ YARDIMI İLE GÜÇ ÜRETİMİ İlhan Tekin ÖZTÜRK Prf. Dr., Kcaeli Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü ÖZET Bu çalışmada, güneş enerjisinin enerji kaynağı larak kullanılması durumunda absrbsiynlu güç üretme çevrimi yardımı ile elektrik enerjisi üretiminin mümkün lup lmadığı incelendi. NH3-HO akışkan çiftini kullanan absrbsiynlu bir güç üretme sistemi terik larak tasarlandı, termdinamik analizi gerçekleştirildi ve Mersin ili için durumu incelendi. Çevrimin termdinamik verimi, değişik türbin giriş sıcaklıkları için % 16.4 ila % 8.97 larak elde edildi. Tasarlanan çevrim için ayrıştırıcıda vakum brulu güneş tplayıcısı ve kızdırıcı içinde daklı tplayıcıların kullanılmasının uygun lacağı görüldü. Absrbsiynlu güç üretme çevriminin, ilave ısı kaynakları yardımı ile kesintisiz çalışma ve absrbsiynlu sğutma sistemleri ile kmbine çalıştırma imkanı bulunmaktadır. Absrbsiynlu güç üretme çevriminin, güneş enerjisinden güç üretme çevrimlerine alternatif bir çevrim lduğu görülmektedir. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, absrbsiyn, güç üretimi ABSTRACT This study was carried ut in rder t examine whether electric energy culd be generated by means f absrbtined pwer generatin cycle when slar energy is used as an energy surce. An absrbtined pwer generating system which uses NH3-HO fluid cuples was theretically designed, its thermdynamic analysis was carried ut, and the situatin fr Mersin was examined. The therm dynamical efficiency f the cycle was determined between 16.4% and 8.97% fr different turbine intake temperatures (türbin giriş sıcaklıkları). Fr the cycle designed, it was seen relevant t use vacuum piped slar accumulatr in the decmpser and fcused accumulatrs in the superheater. There is a chance fr absrbtined pwer generatin cycle t wrk uninterruptedly with additinal heat surces and perate cmbinatrily with absrbtined cling systems. We can see that the absrbtined pwer generating cycle is an alternative cycle fr the nes generating pwer frm slar energy. Keywrds: Slar energy, absrptin, pwer generatin Giriş Buhar sıkıştırmalı sğutma çevrimlerine alternatif larak geliştirilen absrbsiynlu sğutma çevrimi güneş enerjisi, atık ısılar veya dğrudan gaz yakma sistemleri ile çalışabilmesinden dlayı, pmpa için kullandığı elektrik enerjisi dışında, düşük sıcaklıkta ısı kaynağı kullanımı gerektiren bir çevrimdir. Buhar sıkıştırmalı çevrimlerin en büyük dezavantajı lan elektrik harcamasını, absrbsiynlu çevrimler, sadece sistemde bulunan pmpada kullanılan elektrik enerjisi seviyesine kadar düşürebilmektedirler. Absrbsiynlu sğutma sistemleri için ldukça fazla absrbsiyn çifti bulmak mümkün fakat uygulama açısından bugün en fazla kullanılanları klima sistemleri için, istenen şartlara uygun lmasından dlayı LiBr-H O çifti ve daha düşük sıcaklıklara sğutma için ise NH -H O akışkan çifti 3 yaygın bir biçimde kullanılmaktadır [5,6]. Bilindiği gibi güneş enerjisinden sıcak su eldesi, bina ısıtması, sera ısıtması, kurutma, pişirme, sğutma ve prses ısısı üretimi için termal enerji kullanımı amaçlı faydalanılabilindiği gibi bir termdinamik çevrime ısı kaynağı temin edilerek güç üretimi ve güneş pilleri yardımı ile elektrik enerjisi üretilebilmektedir. Bu çalışmada güneş enerjisini kaynak larak kullanan güç üretme sistemlerine (su buharlı çevrim ve güneş pillerine) alternatif larak, ısı kaynağı larak güneş enerjisini kullanan absrbsiyn teknljisi yardımı ile güç üretme sistemi incelenecektir. 17

2 Absrbsiynlu sğutmanın buhar sıkıştırmalı sğutma çevriminden temel farkı; düşük sıcaklıktaki ve basınçtaki sğutucu akışkan buharının sıvı fazdaki bir akışkan ile eriyik hale getirilerek, bu eriyiğin bir pmpa yardımı ile basıncı yükseltilip, bir ayrıştırıcıda ayrıştırılan sğutucu akışkanın yüksek basınçta elde edilmesidir. Absrbsiynlu sğutma çevrimlerinde elde edilen bu sğutucu akışkan buharı, yğuşturucuya, genleşme valfine ve radanda sğutucuya giderek sğutucuda gerekli sğutmayı gerçekleştirmektedir. Bu tür sistemlerde, ayrıştırıcıdan elde edilen yüksek basınçtaki sğutucu akışkan buharı gerekirse (ilave yakıt kullanılarak) kızgın buhar durumuna getirilip daha snra bir türbinde, basıncı absrber basıncına kadar düşürülerek güç üretimi mümkün lmaktadır. Bu çalışmada basit bir absrbsiynlu güç üretme çevrimi luşturularak, bu çevrimin ayrıştırıcısında ve kızdırıcısında güneş enerjisi ısı kaynağı larak kullanılmak üzere, Mersin şartlarında bu çevrimin perfrmansı incelenecektir. Absrbsiynlu Güç Üretme Çevrimi Bu knuda ilk çalışma 1983 yılında Kalina tarafından yapılmış lup, bu çalışmada bir kmbine güç üretme çevriminin baca gazlarının atık ısısından faydalanılarak absrbsiynlu güç üretme çevrimi kullanılarak çevrimde ilave güç üretimi düşünülmüş ve bu çevrim literatürde Kalina çevrimi larak adlandırılmaktadır [1]. Diğer taraftan gaz türbinli bir çevrimin atık ısısından faydalanılarak, absrbsiynlu güç üretimi söz knusu lursa bu çevrimin elektrik enerjisi üretiminin yaklaşık % 3.7 civarında artırılabileceği [] nlu kaynakta belirtilmiştir. Bu çevrimin kullanımı, özellikle atık ısılardan bir ısıtma veya absrbsiynlu sğutmaya ihtiyaç duyulmadığı durumlarda faydalı labilir. Eğer absrbsiynlu çevrime yeteri kadar sıcaklıkta ve kapasitede ısı beslenebilirse elektrik enerjisi üretimi gerçekleştirilebilecektir. Isı kaynağı larakta atık ısılar, güneş enerjisi ve dğrudan gaz yakmalı sistemler veya bunların birleştirildigi sistemlerin kullanılabileceği görülmektedir. Bu çalışmada güneş enerjisini ısı kaynağı larak kullanan bir absrbsiynlu güç üretme çevrimi incelenecektir. Absrbsiyn çifti larak sisteme uygunluğundan dlayı NH - H O çifti seçilmiştir. 3 Şekil 1'de basit şeması verilen, güneş enerjisini kaynak kullanan absrbsiynlu güç üretme çevriminin çalışma prensibi aşağıdaki gibi açıklanabilir. Absrber e numaralı hatla gelen düşük basınç ve sıcaklıktaki amnyak buharı, genleşme valfinde basıncı düşürülen, 9 numaralı akış hattındaki düşük knsantrasyndaki eriyik tarafından, absrberde bir miktar dışarı ısı atarak absrbe edilir. Bu eriyiğin basıncı pmpa yardımı ile ısıtıcı ve ayrıştırıcı basıncına yükseltilir. 4 nlu akış hattına ayrıştırıcıdan gelen 7 nlu akış hattı ile bir ön ısıtma yapılır. Isıtıcıda güneş enerjisinden temin edilen enerji 18

3 Separatör 6 Isıtıcı Kızdırıcı Q kız. Isı Brulu Güneş kllektörü Ön Isıtıcı Türbin Pmpa 3 G.V. 9 Absrber Q abs. Şekil 1. Basit Bir Güneş Enerji Kaynaklı Absrbsiyn Güç Üretme Çevriminin Tesisat Şeması vasıtası ile 10 C de elde edilen amnyak buharı seperatöre giderek içerdiği su zerreciklerinden ayrıştırılarak, kızdırıcıya sevk edilir. Kızdırıcıda, daklı güneş enerjisi tplayıcısı yardımı ile elde edilen yüksek sıcaklıktaki akışkan yardımı ile veya ilave yakıt kullanılarak, amnyak buharı kızdırılır. Elde edilen kızgın amnyak buharı, bir türbinden geçirilmek suretiyle güç üretimi gerçekleştirilir. Absrbsiyn Çevriminde Kullanılabilecek Güneş Tplayıcılarının Seçimi Isıtıcı ve seperatör birlikte ayrıştırıcı larak adlandırılabilir ve amnyak su çiftini kullanan absrbsiynlu sistemde ayrıştırıcı için gerekli sıcaklık aralığı C'dir. Vakum brulu veya ısı brulu larak adlandırılan güneş enerjisi tplayıcıların enerji tplama verimleri bahsedilen bu sıcaklıklar için % 70 - % 58'dir. Tplayıcıda daha yüksek sıcaklıklara gidildikçe bu tplama verimleri daha da düşmektedir, örneğin 160 C için yaklaşık % 4 değerine inmektedir [7]. Bu yüzden güneş enerjisini çevrimde etkin kullanabilmek için ayrıştırıcısında düşük sıcaklıklı tplayıcılar (vakum brulu) ve kızdırıcı içinde daklı tplayıcılar tercih edilmelidir. Ya da bu iki tplayıcının birlikte kullanıldığı bir kmbine tplama sistemi de tercih edilebilir. Örnek larak incelediğimiz çevrimde, güneş enerjisinden temin edilen enerjinin sıcaklık seviyeleri değişik kademelerde kullanılmak üzere; T 1400 C ve 140 T 80 C düzeyinde lması 19

4 gerekiyr. Bu sıcaklık seviyelerinin ikincisinin elde edilmesinde vakum tüplü ısı brulu güneş tplayıcılarının daha etkin lacağı önerilmektedir [7, 8, 6]. Özellikle 140 C' nin üstündeki sıcaklıklar için daklı tplayıcılar daha uygun lacaktır. Güneş tplayıcılarının nerelerde ve hangi sıcaklık aralıklarında kullanılabileceği knusunda ilgili kaynaklardan daha geniş bilgi temin edilebilir. Güneş tplayıcılarında yüksek sıcaklıklara çıkıldıkça dönüşüm veya enerji tplama veriminin düştüğü söylenebilir. Bu çalışmada ısıtıcıda enerji kaynağı larak güneş enerjisinin kullanılması ve güneş enerjisini tplayıcı larak ısı brulu tplayıcısı (vakum tüplü), kızdırıcı içinde daklı tplayıcılar ya da ilave yakıt kullanılması düşünülmüştür. Absrberden çekilen ısı miktarı; (3) Türbinden üretilen güç (ideal ve izentrpik türbin kullanılması durumunda); (4) Ön ısıtıcının kapasitesi; (5) Şeklinde yazılabilir. Ayrıca güneş enerjisinden çevrime beslenmesi gereken enerji ve çevrimin verimi (pmpada sarf edilen işin ihmal edilmesi durumunda) aşağıdaki bağıntılar yardımı ile hesaplanabilir. ÇevriminTermdinamikAnalizi: Çevrimin ayrıştırıcısındaki, kızdırıcısındaki, ısı gereksinimi ve absrberden çekilmesi gerekli ısı miktarı ile türbinden elde edilen güç aşağıdaki bağıntılar yardımı ile hesaplanabilir. Bu hesaplamalarda sistemin kararlı rejimde çalıştığı, cihazlardan çevresine ısı kaybının lmadığı, pmpada sarf edilen işin ihmal edildiği, sürtünmeden dlayı basınç kayıplarının ihmal edildiği varsayılarak her bir cihaz için termdinamiğin birinci kanunu yazılarak ilgili bağıntılar elde edilmiştir. Ayrıştırıcıda kullanılan ısı miktarı; (1) Kızdırıcıda kullanılan ısı miktarı; () (6) (7) Çevrimin bazı nktalarında gaz fazında amnyak ve NH -H O akışkan çiftini içeren sıvı fazda eriyik 3 kullanıldığı için bu nktaların termdinamik özellikleri bu karışım için hazırlanmış diyağramlardan veya ilgili bağıntılardan elde edilmelidir [ 5,9, 10]. Örnek Çevrimin Oluşturulması: Absrbsiynlu güç üretme çevrimi tasarlanırken literatürde yayınlanmış absrbsiynlu sğutma sistemlerinde kullanılan basınç ve sıcaklık basamakları tercih edilmiş [3, 4, 5] ayrıca gaz türbinli tesislerin atık ısılarını kullanan 0

5 absrbsiynlu güç üretme çevrimi de değerlendirilmiştir [1,]. Bu değerlendirme snucu türbine giriş basıncı 1500 kpa ve çıkış basıncıda 50 kpa ila 100 kpa arasında değişken alınmıştır. verim durumu analiz edilmiş lup snuçlar Tabl 3'de özetlenmiştir. Mersin şartlarında yatay yüzeye gelen güneş Tabl 1. Basit Absrbsiynlu Güç Üretimi Çevriminin, Türbin Giriş Sıcaklığı 140 C ve Türbin Çıkış Basıncı 00 kpa için, Akış Nktalarındaki Sıcaklık, Basınç, Entalpi ve Kütle Değerleri ile Faz Durumları Akış N T( C) P (kpa) h (kj/kg) H O (kg) NH 3 (kg) Faz gaz gaz eriyik eriyik gaz eriyik eriyik Tabl. Şekil 1'de Verilen Absrbsiynlu Güç Üretme Çevrimi Için Tabl 1'Esas Alındığında, Muhtelif Cihazların Kapasiteleri Cihaz Kapasite (kj/kg NH 3 ) Ayrıştırıcı 1647 Ön ısıtıcı 966 Absrber 138 Kızdırıcı 45 Türbin 310 Şekil 1 temel alınarak hazırlanan çevrimin tipik özellikleri (kütle akışı, sıcaklık ve basınç değerleri) Tabl 1'de verilmiştir. Tasarlanan bu çevrim için çeşitli cihazlardaki enerji akışı Tabl 'de verilmiştir. Ayrıca değişik kızdırma sıcaklıkları için çevrimin enerjisinin yıllık rtalama değeri (kj/m gün) ve günlük rtalama güneşlenme süresi ise yaklaşık 8.3 (saat/gün) dür. Eğik yüzeyden dlayı yıllık rtalama R=1.9 düzeltme faktörü [11] esas alınırsa. Eğik yüzeye gelen güneş enerjisi miktarı yıllık rtalama (kj/m gün) değerinde lacaktır. Vakum brulu tplayıcının verimini [7], 10 C için % 58 ve sistemin tplayıcı dışındaki (bağlantı bruları ve depdaki yalıtımın iyi yapıldığı varsayılarak) verimini de % 85 kabul edersek, 16714x0.58x0.85 = 840 (kj/m gün) miktarındaki güneş enerjisi bizim absrbsiynlu güç üretme sisteminin ayrıştırıcısına beslenecek değer larak elde edilir. Tabl 3. Değişik Kızdırma Sıcaklıklarında ve Türbin Çıkış Değerleri ile Absrbsiynlu Çevrime Sağlanması Gereken İlave Isı, Absrber Kapasitesi, Türbinden Elde Edilen İş ve Çevrimin Verimi Q abs T 1 ( C) P (kpa) T ( C) (kj/kg NH 3 ) (kj/kg NH 3 ) (kj/kg NH 3 ) η (%) Q kız W türbin 1

6 Güneş enerjisi ısı kaynağı larak düşünüldüğünde; (% 16.4 verim 10 C için esas alındığında) 840x.164 = (kj/m gün) minimum absrbsiynlu güç üretme çevriminden elektrik üretme ptansiyeli mevcut lacaktır. Bu durumda eğik yüzeye ulaşan güneş enerjisinin (10 C'de ayrıştırıcıya beslenmesi halinde) bu çevrimle elektrik enerjisine dönüşüm verimi (1351.4/16714)x100= % 8 civarında lacaktır. Tartışma ve Snuçlar Absrbsiynlu güç üretme çevrimi için ısı kaynağı larak güneş enerjisinin kullanılabileceği ve bu enerjininde çevrime ayrıştırıcıda düşük sıcaklıkta ve kızdırıcı içinde yüksek sıcaklıkta beslenmesinin çevrimin verimini arttıracağı görülmektedir. Güneş enerjisini enerji kaynağı larak kullanarak güç üreten güneş pillerinin verimleri yaklaşık % 15 'ler civarındadır. Absrbsiynlu çevrim de ısı brulu ve daklayıcı tplayıcıların birlikte kullanılması durumunda bu verime yüksek kızdırma sıcaklıklarında klaylıkla ulaşmak mümkün görülmektedir. Fakat hangisinin avantajlı lacağı hususunda eknmik değerlendirme yapıldıktan snra kesin bir yargıya varılmalıdır. Bununla beraber güneş enerjisi kaynaklı su buharı üretilerek luşturulan Rankine çevriminde daha yüksek basınçlar söz knusu lduğu için daha yüksek buharlaştırıcı sıcaklığı ve daha fazla buharlaştırma ısısına ihtiyaç vardır. Örneğin su buharlı çevrimde, buharlaştırıcı basıncı 1554 kpa ve sıcaklığı 00 C için 1934 (kj/kg) buharlaşma enerjisi gerekmektedir. Oysa tasarlanan absrbsiynlu çevrimde amnyağı ayrıştırmak için ısıtıcıya beslenen enerji daha düşük sıcaklıkta (10 C için) 161 (kj/kg NH ) dır. Ayrıca NH 3 ile çalışan ve ısı kaynağı larak güneş enerjisini kullanan klasik Rankine çevrimi tasarlamak mümkündür. Fakat yeterli seviyede güç üretimi için kndenserdeki amnyak yğuşma sıcaklığı düşük lduğu için, bu yğuşmayı sağlayacak çevre rtamını (0 C' nin altında) bulmak ldukça zrdur. Belki kutuplar bu prses için uygun labilir. Bu durumda da yeterli güneş enerjisini kutuplarda temin etmek güç lacaktır. Absrbsiynlu güç üretme sistemlerinde güneşin lmadığı durumlarda (gece bile) ilave ısı kaynağı (atık ısı veya dğal gaz) yardımı ile kesintisiz güç üretimi söz knusu lmaktadır. Bu durum özellikle güneş pillerine karşı bir avantaj luşturmaktadır ve tesisin kullanım süresini uzattığı için yatırımın kısa sürede geri dönüşünü sağlayabilecektir. Diğer bir hususta absrbsiynlu güç üretme çevrimi absrbsiynlu bir sğutma sistemi ile birlikte tesis edilerek ihtiyaç duyulduğunda sğutma işlevinide yerine getirecek şekilde kmbine çalıştırılabilir. Güneş pilleri için bahsettigimiz husus güneş 3

7 enerjisi kaynaklı güç üretme sistemlerinin tümü için geçerli lup detaylı bir eknmik analiz yapılarak bu çevrimin diğerlerine göre avantajları rtaya knulmalıdır (Slar Tubes, Heat Pipes) M. Cnde Engineering, 'Prperties f wrking fluids NH -H O', Kaynakça 1. Kalina, A.I., 'Cmbined Cycle and Waste Heat Recvery Pwer Systems Based On A Nval Thermdynamic Energy Cycle Utilising Lw Temperature Heat Fr Pwer Generatin', ASME paper 83-JPGC-GT-3, Sgutucu Akışkanların Özellikleri, Tesisat Mühendisleri Derneği, Teknik Yayınları:, (Çeviren Osman Genceli), Haziran Sıhhi Tesisat Prje Hazırlama Teknik Esasları, Bölüm 16, 'Guneşli su ısıtıcılarının prjelendirilmesi', Makina Mühendisleri dası yayın n: 1, 1987 Istanbul, sh Jse, A. Brgert and Velasquez, 'Exergecnmic Optimizatin f a Kalina Cycle fr Pwer Generatin', Int. J. Exergy,Vl. 1 N. 1, 004, pp Odamız çalışmalarına 3. Sah, P.K., R. D. Misra and Gupta A., 'Exergyecnmic Optimizatin f an Aqua-Ammnia Absrbtin Refrigeratin System', Int. J. Exergy, Vl. 1 N. 1, 004, pp Ataer, Ö.E and Göğüş, Y. 'Cmparative Study f Irreversibilities in an Aqua-Ammnia Absrptin Refrigeratin System', Int. J. Refrigeratin, Vl. 14, N.3, 1991, pp Kaynaklı, Ö, Karadeniz, R, 'H O-LiBr ve NH -H O 3 Eriyiği Kullanan Tek Kademeli Sğurmalı Sğutma Sistemlerinin Karşılaştırılması, DEÜ Mühendislik Fakültesi Dergisi, Cilt 5, Sayı:, Mayıs 003, sh Büyükalaca, O., Yılmaz, T., 'Güneş Enerjisi Ile Sğutma Teknljilerine Genel Bir Bakış', TMMOB Makina Mühendisleri Odası Güneş Enerjisi Sistemleri Sempzyumu ve Sergisi, 0-1 Haziran 003, Sh ( -(Hw much energy des a slar cllectr prvide - which cllectr is suitable fr which situatin) 3