GÜNEŞ BACALARI. Prof. Dr. Olcay KINCAY Y. Doç. Dr. Zafer UTLU

Transkript

1 GÜNEŞ BACALARI Prof. Dr. Olay KINCAY Y. Doç. Dr. Zafer UTLU

2 Güneş Baalarının Tanıtımı

3 Bir Güneş Baasının Genel Görünümü

4 Güneş Baası Isıl sistemler; düşük sıaklık orta sıaklık yüksek sıaklık sistemleri olarak sınıflandırılabilir. Güneş kuleleriyle lsı-elektrik üretimini yüksek sıaklık sistemlerine, Güneş tarlalarıyla (silindirik parabolik kollektörlü) ısıelektrik üretimini orta sıaklık uygulama sistemlerine, Güneş baaları düşük sıaklık uygulama sistemlerine örnek olarak verilebilir.

5 Güneş Baası Uygulama olarak yüksek ve orta sıaklık sistemleri, ileri endüstriyel teknolojiyi ve yüksek ilk yatırım maliyetlerini gerektirir. Oysaki güneş baaları çok ileri teknoloji gerektirmez ve bu sistemde ilk yatırım maliyeti 900 $/kw m altında olarak kabul edilir. Bu özellikleriyle güneş baaları, ülkemiz iklim ve giineşlenme özelliklerine en uygun sistemlerdir.

6 Manzanares Güneş Baası, İspanya yükseklik 200 m, çap 10 m, güç 50 kw

7 Güneş Baaları düşük sıaklık uygulamaları ile elektrik elde edilebileeğini kanıtlamaktadır. Manzanares 200 m high, 10 m diameter Colletor 0.04 sq. km 50 kw, 130 J/kg, 1 Mg/s Spain 1982 to 1989 EnviroMission 1 km high, 130 m diameter Colletor 40 sq. km 200 MW, 800 J/kg, 300 Mg/s Australia, 2005

8 Sistemin Tanıtılması Güneş baaları, güneş enerjisini öne ısıl enerjiye, ardından ısıl enerjiyi kinetik enerjiye ve son olarak da elektrik enerjisine çeviren, enerji dönüşüm sistemleridir yılında, Stuttgart Üniversitesi nden Prof. Shlaih tarafından önerilen Güneş baaları; güneş enerjisini toplayıp, içinde dolaşan havaya aktaran bir sera toplayıı bölümü (kollektör) ve içinde rüzgâr türbinli elektrik üretim sistemi bulunan uzun baa kısmından oluşur.

9 Güneş Baası nın Kısımları Kollektör Sera etkisiyle sıak hava üretmek için kullanılan ve genellikle 5-6 metre yüksekliğinde olan binlere m² transparan (genelde am) ile kaplı alandır. Kollektör

10 Güneş Kollektörü

11 Bir güneş baası ve toplayıı transparan çatı (kollektör) Güneş toplayıı çatı alanının altında kalan 75% oranındaki alanda seraılık yapılabilmektedir.

12 Cam kaplama çatı ağırlığını arttırdığından kollektör güçlü am çubuklarla bağlı olmalıdır. Güneş baasının amla kaplı kollektör çatısı

13 Kollektör Toplayıı yüzey alanı için bir sınırlama yoktur. Daha büyük alan daha çok güneş enerjisi toplar. Havanın hareketinde, en az sürtünme kaybının olması için baaya doğru hafifçe artan bir çatı yüksekliği olmalıdır. Böylee baa içinde 15 m/sn hızda hava akışı-rüzgâr oluşaaktır. Kaplama yüzeyleri farklı olabilir; am, plastik film, sırlı kollektör v.b. En verimli olanı sırlı olandır. Yıllık güneş ışımasının 70% ini ısıya çevirebilir. Diğer kaplamalar için bu oran ortalama 50% dir. Ayrıa doğru bakım programı ile birlikte işletme ömrü 60 yıl ve üstündedir.

14 Türbinler Havanın kazandığı ısıl enerjiyi mekanik enerjiye dönüştürmek için kullanılırlar. Güneş Baası güç santralindeki türbin

15 Büyük çaplı türbin Türbinler baaya göre yatay, kollektöre göre ise dikey konumda yerleştirilirler. Bunun amaı sıak havadan maksimum enerjiyi elde etmektir. Türbin kanatları baanın tüm kesit alanını kaplamalıdır. Bunu sağlamak için büyük bir türbin yada küçük türbinler yerleştirilir. Küçük türbinler

16 Baa Baa Santralin en önemli kısmı baadır. Baa termal bir motor gibi çalışır. Basınç kaybı minimum olarak tasarlandığından baa bir basınç tüpüne benzer.

17 Baanın yüksekliği arttıkça daha fazla enerji üretilir. Baanın verimliliği sıaklık yükselmesine bağlı değil, çevre hava sıaklığına bağlıdır. Bu nedenle, verim baa yüksekliği ve çevre hava sıaklığı ile doğru orantılıdır

18 Serbest dikilen baa Her ne kadar verimlilik baa yüksekliği ile orantılı olsa da pratikte bir limit mevuttur. Santral için kullanılan iki tip baa vardır. Serbest dikilen baa ve guyed tüp olarak adlandırılır. Serbest dikilen baaların işletme ömürleri 100 yıla yakın olup guyed tüplerden uzundur. Guyed tüp p baa

19 Güneş Baasının Çalışma Prensibi Transparan çatı kısa dalga güneş ışınlarının içeri alınmasını ve uzun dalga ışınlarının içeride tutulmasını sağlar. Ortaya çıkan ısı seradaki havayı ısıtır. Baa tarafından toplanan çevre havası güneş ışınımıyla ısınarak yükselir ve türbininin dönmesiyle elektrik üretimini sağlar. Toplayıı transparan çatı (kollektör)

20 Güneş Baasının Çalışma Prensibi Solar Radiation Tower Solar Colletor Turbines

21 Güneş Baasının Çalışma Prensibi

22 Güneş Baasının Çalışma Prensibi

23 Güneş Baasının Çalışma Prensibi

24 Güneş Baasının Çalışma Prensibi

25 Kollektör ve türbine kıyasla baa verimi oldukça düşüktür. Örneğin 1000 metre yüksekliğinde bir baanın verimi 3% ivarındadır. Bazı sorular: a. Peki neden türbinleri bir baa yada kanala yerleştiriyoruz? b. Neden türbinlerin açık havadaki direklere yerleştirildiği daha büyük rüzgar tarlaları kurmuyoruz?

26 Cevap: a. Baaya yerleştirilen bir türbin açık havadaki türbinden 8 kat daha fazla elektrik üretebilmektedir. b. Rüzgar tarlasında çok daha fazla türbinin yerleştirilmesi gerekir. Ayrıa rüzgar hızı açık havada hava kanalından geçiş anındaki hızına göre daha düşüktür.

27 Güneş Baası Teknolojisi Güneş baaları her biri MW kapasiteli büyük ölçekli güç santralleridir. 100 MW lık bir santral, kwh/m² yatay güneş ışıması potansiyeli olan bir bölgede 750 GWh/yıl elektrik üretmektedir. Bu durumda am çatının birkaç kilometre çapında olması ve baanın olabildiğine yüksek olması gerekmektedir.

28 Güneş Baası Teknolojisi Burada kullanılan türbinler temel olarak çok basınç kademeli hidroelektrik türbinlerini andırmaktadır. Türbinlerin işletme ömürleri, ani basınç ve hız değişimlerine gösterdikleri dayanıma göre değişmektedir.

29 Kollektörde Isıl Enerji Depolama

30 Kollektörde Isıl Enerji Depolama Kollektörler sera etkisiyle sıak hava ürettiğinden, gee elektrik üretiminin devamını sağlamak için çatının altına su dolu dar tüpler yerleştirilir. Gündüz Gee Çatı altına su dolu siyah tüpler yerleştirilerek ısının depolanması

31 Kollektörde Isıl Enerji Depolama Gündüz ısınan su gee aldığı ısıyı geri yayar. Bu tüpler sadee bir kez doldurulur ve doldurulduktan sonra kapalı tutulur. Tüplerdeki su hami tasarlanan güe göre 5-20 m su derinliği oluşturulaak şekilde seçilir.

32 Güneş Baasının Avantajları Güneş baası santralları çöllerde ve güneşçe zengin bölgelerde elektrik üretmeye uygundur. Günde 24 saat elektrik üretirler. Yakıt gereksinimi yoktur. Soğutma suyu ihtiyaı yoktur ve çok kuru iklim bölgelerinde çalışabilirler. Güvenilirdir. Diğer santral tiplerine kıyasla çok problem çıkarmazlar. Güneş baasını inşaa etmek için gereken beton, am ve çelik malzemeler her yerde bulunabilmektedir. Ekolojik zarar ve kaynak kıtlığı yoktur.

33 Güneş Baasının Dezavantajları Yaklaşık olarak bir güneş baası bir gaz türbininin birim elektrik üretim maliyeti gaz türbininin 5 mislidir. Yapı olarak masif ve inşasında çok fazla mühendislik deneyimi gerektirmektedir.

34 Uygulamalar Süleyman Demirel Üniversitesi Yenilenebilir Enerji Kaynakları Araştırma ve Uygulama Merkezi

35 Baa uzunluğu Baa çapı Toplayıı sera çapı Sera giriş açıklığı Sera boğaz açıklığı 15 m 1,2 m 16 m 0,65 m 2,5 m

36 İspanya Prototipi Bu güneş baası santrali 1982 yılında, Manzanares İspanya da deneysel amaçlı olarak küçük ölçekli inşa edilmiş bir projedir. Toplam sera alanı m² ve 244 m çaplı, 50 kw maksimum güç çıkışı olan baa yüksekliği 200 m olup baa çapı 10 m dir.

37 Mildura Güneş Baası Mildura, Avustralya da inşaa edilen 1000 m yüksekliğindeki güneş baası dünyadaki en yüksek yapısıdır. 200 MW (4 MW lık 50 türbin) kapasiteli santralin evin ihtiyaını karşılaması planlanmıştır. Baanın konstrüksiyonu

38 Baanın bu kadar yüksek olmasının nedeni, 1000 m lik baa yüksekliğinde 10 C'lik sıaklık düşümü nedeni ile, büyük miktardaki havanın baanın uç kısmına taşınabilmesidir. Mildura - Avustralya daki güneş baasının inşaat maliyeti 395 milyon $ dır (eşdeğer bir kömürlü termik santralin maliyetinden 14% fazla ve eşdeğer bir rüzgar tarlasının maliyetinden 70% fazladır). Avustralya hükümeti 2010 yılına kadar toplam elektrik üretimlerinin 2% si olan 9500 GW-h i yenilenebilir enerjiden elde etmeyi planlamıştır.

39 Mildura Güneş Baasına ait detaylar; Tip: Çelikle güçlendirilmiş beton gövdeli kule ve çelik/am güneş (alternatif olarak polimer kaplama opsiyonu mevuttur) Özellikler: Kulenin tabanı m, baa kalınlığı 25 m, çapı 130 m ve yüksekliği 1000 m, kollektör çatısı 5000 m çapa sahiptir Güç: 500 GWh/yıl Firma: Enviromission Ltd. İnşaat süresi: ay Bitiş tarihi: 2005

40 Kayan Güneş Baası Teknolojisi

41 Sonuç Güneş baası güç santralleri Afrika, Asya ve Avustralya da, çok büyük enerji üretim kapasitesi vaat etmektedir, çünkü bu bölgelerde geniş alanlar ve yüksek güneş potansiyeli mevuttur. Güneş baası güç santralleri, güneş enerji kaynağının kullanılmasıyla fosil yakıt kullanımının azaltılması yönünde ve çevresel ve ekonomik açıdan olumlu katkılar sağlaması beklenmektedir.

42 Teorik Modelleme

43 Teorik Model Güneş baası performansını etkileyen faktörler; baa yüksekliği, toplayıı sera çapı, sera açıklığı, baa çapı, toplayıı alt ve üst tabaka malzeme özelliği gibi parametrelerdir.

44 Kollektör verimi Alınan ısı Kollektör alanı Kütle akısı Baa kesit alanı Güneş ışınımı Kollektör sıaklığı ve dış hava sıaklığı arasındaki fark Havanın özgül ısınma ısısı Kollektör dışında havanın To + ΔT sıaklığında özgül yoğunluğu Kollektör dışındaki hava hızı

45 Teorik Model Güneş baası performansı; kollektör serada toplanan enerji (Q) hareketlenen hava kütlesel debisi (m) baa içi akış hızı (V) toplayıı sera (kollektör) verimi (η) sıaklık farkına (ΔΤ) bağlı olarak Güneş baası verimi ve üretilen teorik güç ile hesaplanır.

46 Kollektör Hesabı Kabuller: 1- Toprak, ısı absorbe etmemektedir. 2- Toprak sıaklığı, hesabın yapıldığı saat dilimi içerisinde sabittir. 3- Kollektör hesabı için havalı toplayıı kabulü yapılaak ve hesap için bu yol izleneektir. 4- Hesap için kollektörden belirli bir daire dilimi alınaak ve hesap için alınan dilim, dikdörtgen olarak kabul edileektir.

47 Akış Diyagramı Güneş Işınımı (I) Çevre SıaklS aklığı (Ta) Rüzgar Hızı H (Vr) Toprak SıaklS aklığı (Tp) değerleri erleri alınır. Akışkan Sıaklığının Çevre Sıaklığına eşit olduğu kabulü T f,m = T a Cam örtü sıaklığı iterasyon başlangıı Cam örtü sıaklığı kabul et (T, 1 ) h r, p = σ 2 2 ( T + T )( T + T ) p 1 ε p + 1 ε p 1

48 Akış Diyagramı r, a ( T 2 T 2 )( T T ) h = ε σ + + a a T ve T p ortalama sıaklığı için hava özelliklerini belirle. (T + Tp)/2 için ρ, μ, k, p, ν, Pr 3 gβ ΔT L Ra =, L= H να koll + ( ) sin 1. 8β 1708 Raosβ Nu= Raosβ Raosβ

49 Akış Diyagramı koll p H L L k Nu h = =, 10W m K h h h 1 h h 1 U 2 w 1 a r w p r p t /,,, = = ( ) p r p a m p t m p 2 h h T T U T T + =,,,, İterasyon sonu kontrolü T, 2 T, 1 < ?

50 Akış Diyagramı ( )( ) ( ) p p p r p t p p r p p p t b p r p p r p p p t b L h h h h U h h h h U U h h h h h h h U U U =,,,, m p e bö L u T T A U Q =, lg a giri ş p e bö u giri ş çiki ş T T h A Q T T = + =, lg

51 Güneş Baası Maliyeti İlk yatırım maliyeti inşaat maliyeti ile toplayıı malzeme üretiilerine bağlıdır. İşletme maliyeti için şekilde; güneş baası, kömürle çalışan termik santral ve kombine çevrimli güç santralleri arasında karşılaştırmalı bir grafik verilmiştir.

52 Değişik faiz oranları değerlendirilerek, güneş baaları ile kömürlü ve kombine çevrimli güç santralleri arasındaki karşılaştırmalı enerji üretim maliyetleri

53 Odaklı Sistemler ve Güneş Baası İçin Bazı Parametreler

54 Sonuç Güneş baası güç santralleri, güneş enerji kaynağının kullanılmasıyla fosil yakıt kullanımının azaltılması yönünde ve çevresel ve ekonomik açıdan olumlu katkılar sağlaması beklenmektedir.

55 Kaynaklar Williams,J.R., Tehnology and Appliations; Ann Arbor Siene Publishers In., Taylor, R.H., Alternative Energy Soures; Adam Hilger Ltd., Delikanlı, K., Bayrakçı, H.C., Enerji Üretiminde Güneş Baaları,Yeni ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi, 3-4 Ekim 2003., Kayseri. Cirdakli, V., Eevit, A., Solar Chimney, Papageorgiou, C., Floating Solar Chimney Tehnology,