ELEKTRİK VE HİDROJEN ÜRETİMİ İÇİN ENTEGRE SİSTEMİNİN TERMODİNAMİK ANALİZİ

Transkript

1 MAKALE ELEKRİK VE HİDROJEN ÜREİMİ İÇİN ENEGRE SİSEMİNİN ERMODİNAMİK ANALİZİ Abbas Alpaslan Kçer Süleyman Demrel Ünverstes, Ulubrlu Selahattn Karasy, Meslek Yüksekkulu, Ispaa Murat Öztürk * Dç. Dr., Süleyman Demrel Ünverstes, eknlj Fakültes, Mekatrnk Mühendslğ Bölümü, Ispaa muratzturk@sdu.edu.tr ÖZ Bu çalışmanın ana amacı, elektrk ve hdrjen üretm-deplama uygulamaları çn güneş havuzu, ftvltak güneş sstem ve rüzgar türbn destekl çk fnksynlu sstemn termdnamk analzn sunmaktır. Entegre sstem bleşenler çn enerj ve ekserj vermllğ le termdnamk kayıplar arasındak lşkler ncelenmştr. ermdnamk analz güneş havuzu, ftvltak ve rüzgar türbn sstemlernn ekserj analzlern çeren entegre sstemn bleşenlern kapsamaktadır. Enerj analzne bağlı larak yaklaşık enerj vermllkler sırasıyla, güneş havuzunda %56, rüzgar türbnnde %59, ftvltak sstemde %31, rgank Rankne çevrmnde (ORC) %16, prtn değşml membran yakıt hücresnde (EMFC) %9, tüm sstem çn maksmum enerj verm %6 ve ekserj analzne bağlı larak ekserj vermllkler sırasıyla, güneş havuzunda %4, rüzgar türbnnde %38, ftvltak sstemde %17, rgank Rankne çevrmnde %5, prtn değşml membran yakıt hücresnde (EMFC) %7, tüm sstem çn maksmum ekserj verm %46 larak hesaplanmıştır. Entegre stemn ekserj tüketmnn ekserj vermllğne ranının am sıcaklığına, güneş radyasynu akısına ve rüzgar hızına sn derece bağlı lduğu; fakat güneş havuzu tabakalarının ekserj farkından az etklendğ bulunmuştur. Anahtar Kelmeler: Alternatf enerj kaynakları, entegre sstem, termdnamk analz HERMODYNAMIC ANALYSIS OF INEGRAED SYSEM FOR ELECRICIY AND HYDROGEN RODUCION ABSRAC * İletşm Yazarı he purpse f ths study s t present thermdynamc analyss results f the slar pnd, phtvltac and wnd based multgeneratn energy prductn system fr electrcty and hydrgen prductn. he relatnshps between thermdynamc lsses and energy and exergy effcences are nvestgated. hermdynamc analyss perfrmed n ths paper cntans exergy analyses f slar pnd, phtvltac and wnd turbne subsystems. Energy effcences f slar pnd, wnd turbne, phtvltac subsystem, rganc Rankne cycle, EM fuel cell and whles system are 56%, 59%, 31%, 16%, 9% and 6%, respectvely. On the ther hand exergy effcences f slar pnd, wnd turbne, phtvltac subsystem, rganc Rankne cycle, EM fuel cell and whles system are 4%, 38%, 17%, 5%, 7% and 46%, respectvely. he rat f exergy cnsumptn t exergy effcency f ntegrated system s hghly dependent t envrnment temperature, slar radatn flux and wnd speed, hwever the effect f exergy dfference n slar pnd s very lw. Keywrds: Alternatve energy surces, ntegrated system, thermdynamc analyss Gelş tarh : Kabul tarh : Kçer, A. A., Öztürk, M. 16. Elektrk ve Hdrjen Üretm İçn Entegre Sstemnn ermdnamk Analz, Mühends ve Makna, clt 57, sayı 681, s Mühends ve Makna 49

2 Elektrk ve Hdrjen Üretm İçn Entegre Sstemnn ermdnamk Analz Abbas Alpaslan Kçer, Murat Öztürk 1. GİRİŞ Enerj kullanımı dğrudan kalkınmaya ve refaha bağlıdır. Güvenl ve çevreye duyarlı enerj kullanımının aan talebn karşılamak öneml br srundur. Enerj talebnn br neden de kendmz, alemz ve tplumumuzu gelştrme arzusudur. Yeryüzünde yaklaşık yed mlyar nsan vardır ve nüfus aışı enerj talebndek aışa yl açacağı gb muhtemel enerj kaynaklarının yeterllğne bağlıdır. Enerj üretm prsesler eksstem çn zararlı lan brçk krletcy yaydıkları çn brçk ülkede aan krllk ve eknmk kalkınma çevre çn cdd etkler vardır. Fsl yakıtların yanması başta karbndkst lmak üzere sera gazlarının salınımına neden lmaktadır. Fsl yakıtlara güneş, rüzgar, hdrgüç ve nükleer enerj başta lmak üzere çeştl alternatf psynlar bulunmaktadır. Mevcut dğal enerj kaynaklarının çğunun kullanılmasında güvenlrlk, kalte ve enerj yğunluğu gb sınırlamalar bulunduğu çn alternatf kaynakların entegre kullanımı önem kazanmaya başlamıştır [1]. Yüksek vermllğn yanında şletme malyetlernn düşük lması ve enerj üretm başına krllk emsyn ptansyelnn az lması nedenyle entegre sstemler öneml katkılar yapablr []. Krnes ve dğerler [3], alternatf enerj kaynaklarının ekserj analzlern sunmuşlardır. Güneş termal, rüzgar ve jetermal güç dönüşüm sstemlern ncelemşler ve snuçları knvansynel güç üretm sstemler le karşılaştırmışlardır. Dnçer ve Zamfrescu [4], elektrk, ısı, sıcak su, sğutma, hdrjen ve temz su gb ürünler üretmek çn alternatf enerj temell çeştl psynları değerlendrmşler ve önerlen sstemlern enerj ve ekserj analzlern sunmuşlardır. Çalışkan ve dğerler [5], brleşk alternatf enerj destekl hdrjen ve elektrk üretm ve deplama stemlernn enerj, ekserj ve sürdürüleblrlk yaklaşımlarını kullanarak analz etmşlerdr. Munz ve dğerler [6], güneş havuzlarındak deneysel ve terk gelşmeler taışmışlardır. Güneş havuzunun ısı ve kütle transfer yaklaşımları çn gelştrmş ldukları terk mdele göre, güneş havuzu sıcaklığının zamanın fnksynu lduğunu ve güneş havuzu tabakalarının kalınlığına bağlı lduğunu bldrmşlerdr. Karakılçık ve Dnçer [7], güneş havuzu sstemnn ekserj perfrmansını deneysel ve terk larak ncelemşlerdr. Güneş havuzu tabakalarının ekserj ve vermllk fadelern termdnamk yasalara bağlı larak sunmuşlardır. En yüksek enerj ve ekserj vermllk değerne güneş havuzunda ısı deplamasının yapıldığı en alt bölgede ulaştıklarını bldrmşlerdr. Al-Sulaman ve dğerler [8], rgank Rankne çevrmnn bulunduğu üç farklı entegre sstemn perfrmansını karşılaştırmışlar ve güneş enerjs destekl entegre sstemlern gelecekte kullanım ptansyellernn aacağını bldrmşlerdr. ang ve dğerler [9], düşük sıcaklıklı atık ısı ger kazanımı çn ORC sstem destekl entegre sstemn termdnamk analzn sunmuşlardır. Aynı zamanda çeştl şletm parametrelernn sstem perfrmansı üzerne lan etksn ncelemşlerdr. Öztürk ve Dnçer [1], güneş enerjs destekl ve hdrjen üretm yapan çk fnksynlu enerj üretm sstemnn termdnamk analzn sunmuşlardır. Bu çalışmada değerlendrlen çk fnksynlu sstem Rankne çevrm, ORC, absrbsynlu sğutma ve ısıtma le hdrjen üretm sstem lmak üzere dö ana alt sstemden luşmaktadır. Aynı zamanda sstem perfrmansları değşen dış am şalarına bağlı larak ncelenmştr. Barell ve dğerler [11], EM yakıt pl temell evsel kullanıma uygun kjenerasyn sstemnn ekserj analzn ve sstem perfrmansı üzerne sıcaklık, basınç ve nem gb tasarım parametrelernn etksn ncelemek çn parametrk çalışma sunmuşlardır. Bzku ve Karakılçık [1], daha verml sstem tasarımı çn dö adet düzlemsel güneş kllektörü le entegre edlmş güneş havuzu sstemnn enerj ve ekserj analzlernn snuçlarını sunmuşlardır. Yaptıkları çalışmada, düzlemsel güneş kllektörlernn güneş havuzunun enerj ve ekserj vermllğ üzerne öneml etkler lduğunu belmşlerdr. Özlü ve Dnçer [13], güneş ve rüzgar enerjs destekl çk fnksynlu enerj üretm sstemnn tasarımını ve termdnamk analzn sunmuşlardır. Enerj ve ekserj analzler kullanılarak değşen şletm parametrelernn çk fnksynlu sstemn perfrmansı üzerne lan etkler detaylı br şeklde ncelenmştr. Rüzgar türbnnn maksmum güç çıktısının 48 k lduğunda, entegre sstemn enerj vermllğn %43 ve ekserj vermllğn %65 larak hesaplamışlardır. Khald ve dğerler [14], güç, ısıtma, sğutma, sıcak su ve sıcak hava üretm çn bykütle ve güneş enerjs destekl entegre sstemn tasarımını ve terk analzn sunmuşlardır. İncelemes yapılan prsesn perfrmansının ncelenmesnde enerj ve ekserj analzn kullanmışlar, aynı zamanda çeştl sstem parametrelernn tüm sstemn ve alt sstemlernn enerj ve ekserj vermllkler üzerne lan etklern ncelemşlerdr. Çk fnksynlu enerj üretm sstemnn enerj vermllğn %66,5 ve ekserj vermllğn se %39,7 larak hesaplamışlardır. Çalışmanın snrak bölümlernde, değşen dış am sıcaklığının sstemn enerj ve ekserj vermllklerne lan etklern de detaylı larak ncelemşlerdr. Bçer ve Dnçer [15], hdrjen üretm le beraber güç üretm, sğutma ve ısıtma uygulamalarını destekleyeblen güneş ve jetermal kaynakları kullanan yen br kmbne sstem önermşler ve pratk uygulamalar çn termdnamk analzn sunmuşlardır. Çevrmn perfrmansını değerlendrmek çn enerj ve ekserj analzlern sunmuşlar ve çeştl sstem parametrelernn tüm sstemn ve aynı zamanda alt sstemlern enerj ve ekserj vermllkler üzerne lan etksn ncelemşlerdr. Sunulan bu çalışmada, elektrk ve hdrjen üretm çn güneş ve rüzgar enerjs destekl çk fnksynlu sstemn tasarımı enerj ve ekserj analzler kullanılarak mdellenmş ve analz edlmştr. asarlanan sstem, güneş havuzu sstem, rüzgar türbn, güneş ftvltak sstem, rgank Rankne çevrm, EM elektrlz, hdrhen ve ksjen deplama sstem ve EM yakıt pl sstemnden luşmaktadır. Yapılan analzlerde, çk fnksynlu enerj üretm sstemn luşturan her br alt sstemn enerj ve ekserj vermllkler hesaplanarak her br sstem elemanının tersnmezlkler tespt edlmş, sstemn ne kadar başarılı br şeklde şletlebleceğnn terk analz sunulmuş ve aya çıkan snuçlar yrumlanmıştır. Sstemn daha y anlaşılması çn dış am sıcaklığı, rüzgar hızı ve güneş radyasynu gb şletm kşullarının değşmler parametrk çalışmalar le ncelenmştr.. SİSEM ANIIMI Güneş havuzu, güneş enerjsn tplama ve deplamada kullanılan sstemdr. Dğal güneş havuzlarına benzer şeklde luşturulan yapay güneş havuzları genellkle üç bölgeden luşmaktadır. Güneş havuzlarında en üst kısma üst knvektf bölge (), a kısma knvektf lmayan bölge (KOB) ve alt kısma se alt knvektf bölge (AKB) veya deplama bölges adı verlr. Deplama bölges ısı katmanlı lablen hmjen, knsantre tuz çözeltsnn bulunduğu kısımdır. Deplama bölgesnn hemen üzerndek KOB, ısı yalıtımı sağlayan ve tuz gradyen çeren katmandır. Yüzey hmjendr ve düşük yğunlukta tuzlu sudan luşur. Havuzun en alt kısmına ulaşan güneş ışığı hapsedlr ve daha snra, brken termal enerj havuzdan ısı değştrcs yardımıyla sıcak su halnde çeklr. Ftvltak güneş enerjs teknljs, güneş ışığını dğrudan Güneş Radyasynu radyasynu Ftvltak Sstem sstem 5 mpa-i Güneş havuzu Havuzu Isı Isı Değştrcs-I değştrcs-i Isı Değştrcs-II değştrcs-ii 4 3 Rüzgar ürbn türbn Şekl 1. Entegre Sstemn Şematk Dyagramı 9 mpa-ii Kndenser elektrk enerjsne çevrr ve dğru akımlı elektrk elde edlr. Üretlen elektrk enerjs hemen kullanılabldğ gb, alternatf akıma çevrleblr veya snra kullanılmak üzere deplanablr. Ftvltak güneş enerjs sstemler çevreye zarar vermeden çalışırlar ve hareketl parçaları yktur. Güneş ışığıyla çalışan ftvltak chazları sn yıllarda farklı alanlarda genş uygulama ptansyel bulmuştur. Ftvltak sstemler fsl yakıtla çalışan santrallerden veya nükleer enerj santrallernden farklı larak mdüler yapıya sahptrler. Sıcaklık, basınç ve nem gb meterljk değşkenler rüzgarın meydana gelmesnde öneml rl ynamaktadırlar. Rüzgar, atmsfern alt kısmındak ve yerkürenn hemen üzerndek farklı sğuma ve ısınma lgularından dlayı meydana gelr. Meterljk sstemler br bölgeden dğerne hareket ederler ve farklı hızlarda rüzgar üretlmesne neden lur. Hava kütles üzerne luşan basınç kuvvet se rüzgarda knetk enerj değşmne yl açar [16]. Rüzgar türbn uygulamalarında rüzgar hızı sstemn verml çalışması çn önemldr. Rüzgar hız sapmaları ve değşeblrlk zamana ve yere bağımlıdır. Bu tür karakterstklern net br şeklde anlaşılması çn rüzgar hız mdellemesnn yapılması önemldr. Atmsfer sınır tabakasının belrlenmes ve mdellenmes rüzgar gücünün belrlenmesnde öneml br unsurdur. Çevre srunlarının gderek atığı göz önünde bulundurulursa, alternatf enerj kaynaklarına bağlı temz enerj üretm daha da öneml hale gelmektedr. Fakat güneş ve rüzgar enerjs bell br bölgede uzun süre kalıcı değllerdr. Bu nedenle, alternatf kaynaklarının entegre br şeklde kullanılması sürdürüleblrlk yaklaşımı çn gerekldr. Bu çalışmada verlen Elektrk Hdrjen deplama ORC ürbn Deplama EM Şarj Regülatörü regülatörü Elektrlzör 1 Yakıt Hücres hücres 1 7 Oksjen 15 Deplama deplama 16 Elektrk 17 5 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 51

3 Elektrk ve Hdrjen Üretm İçn Entegre Sstemnn ermdnamk Analz Abbas Alpaslan Kçer, Murat Öztürk yenleneblr enerj destekl entegre sstem beş ana alt bölümden luşmaktadır. Bunlar; ) ftvltak güneş pl sstem, ) güneş havuzu, ) rüzgar türbn, v) ORC ve v) hdrjen üretm, deplama ve kullanım sstemdr. Şekl 1 de entegre sstemn şematğ sunulmuştur. Ftvltak ssteme ulaşan güneş radyasynu elektrk enerjsne dönüştürülür. Aynı zamanda güneş radyasynunun termal enerjsnden yararlanmak çn güneş havuzu kullanılablr. Havuzun lk katmanından tbaren yl alan güneş radyasynu ısıl enerj deplamasının yapıldığı AKB ye ulaşır. Güneş havuzu tuzlu su le dldurulmadan önce bölgeye yerleştrlmş lan ısı değştrcs yardımıyla faydalı ısı çeklerek ORC tahrk edlmektedr. Sstem sürdürüleblr yapmak çn rüzgar türbn entegre edlmştr. Güneş ve rüzgar enerjs destekl çklu üretm sstemnn dğer br öneml amacı da hdrjen enerjs üretmektr. Kesntsz güç sağlamak çn, deplanan hdrjen, güneş ve rüzgar enerjsnn güç üretmede yetersz kaldığı zamanlarda veya üretlen enerjnn az lduğu durumlarda güç üretmek çn EM yakıt pllernde kullanılablr. 3. ERMODİNAMİK ANALİZ 3.1 Denge Denklemler Bu bölümde, termdnamk yasalara bağlı larak bazı tanımlayıcı açıklamalar entegre sstemn analz çn verlmştr. Sırasıyla kütle, enerj ve ekserj denge denklemlern kapsayan lkeler [17] entegre sstemn yleştrme ptansyeln araştırmak çn ncelenmştr. Kararlı hal durumu çn kütle denges aşağıdak gb verleblr. m = m (1) g ç Burada m, kütle akış hızını; g ve ç se alt ndsler sırasıyla, ssteme gren ve çıkan madde akımını göstermektedr. Enerj denge denklem genel larak verlen prsesn değşm özellğn açıklamada uygulanır. İncelemes yapılan prsesn enerj denges termdnamğn brnc yasasına göre sstem çnde krunur. Knetk ve ptansyel enerj etklernn hmal edlmesyle kararlı hal şaları çn enerj denge denklem aşağıdak gb verlr. + mh = + mh () g g net ç ç Ekserj analz, enerj kaynaklarının eknmk ve etkn kullanımı çn stratejler luşturmada destekleycdr ve enerj üretm sstemlernn dzaynlarının ncelenmesnde kullanılmaktadır. Entegre sstemn termdnamk analz çn kullanılan ekserj denge denklem aşağıdak gb verlr. m ex + = m ex + + (3) g g e ç ç D Isı ve ş akımlarının ekserj fadeler se aşağıdak gb tanımlananır. = 1 (4) = (5) Knetk ve ptansyel ekserj hmal edldğ çn fzksel ve kmyasal ekserj, sstem bleşenler çn tanımlanmıştır..nc akışın fzksel ekserjs aşağıdak gb verlr. ex = h h s s (6) fz, Kmyasal ekserj se maddenn kmyasal dengesnden kmyasal yapısının uzaklığı le bağlantılıdır. Yakıtların spesfk kmyasal ekserjler mlar kmyasal ekserj ( ξ ) ve lgl yakıtın alt ısıl değer (LHVy) kullanılarak tanımlanır. Hdrjen çn ξh =,985 larak hesaplanmıştır [17]. y (7) =ξlhv km y Ekserj analz bakış açısından hareketle, alternatf enerj kaynakları tarafından desteklenen entegre sstemn perfrmansını değerlendrmek çn sstem le sstemn tüm bleşenlernn hem ürün ve hem de grd lşksnn belrlenmes gerekldr. Entegre güç üretm sstemnn her br kmpnentnn ekserj yıkım mktarları yukarıda verlen fadeler kullanılarak lgl frmüller türetlmş ve abl 1 de sunulmuştur. Buradan elde edlen ekserj denge denklemler tüm sstemn ve sstem kmpnentlernn ekserrj yıkım ranlarının hesaplanmasında kullanılmış ve snuçlar karşılaştırılmıştır. Aynı zamanda, yukarı- abl 1. Entegre Sstem Kmpnentlern Ekserj Yıkım Denklemler Sstem Kmpnent Güneş l Rüzgar ürbn Güneş Havuzu Isı Değştrcs I Isı Değştrcs II mpa I Ekserj Yıkım Denklemler ü ş ü ş ORC ürbn ü ü Kndanser mpa II Sarj Regülatörü ü ö ü Elektrlzr Hdrjen Deplama Oksjen Deplama EM Yakıt l dak kabullere bağlı larak sstemn alt bleşenler çn enerj ve ekserj analz fadeler aşağıdak alt bölümlerde verlmştr. 3. Alt Sstemlern ermdnamk Analz 3..1 Güneş Havuzu Güneş havuzu sstemndek enerj akımları Şekl de gösterlmştr. Güneş havuzu çn enerj denge denklem aşağıdak gb yazılablr. güneş kayıp,çevre kayıp, kayıp,zlasyn (8) deplanan Burada alt nds, sırasıyla güneş havuz tabakalarıdır (, KOB ve AKB). Güneş havuzunun en üst tabakasından çevreye lan ısı kaybının ekserjs aşağıdak gb verlr. k A ( ) kayıp,çevre havuz (9) abakalardan lan ısı kaybı aşağıdak gb yazılır. kayıp, ka y y, ( yan, ) (1) İzlasyn bölgesnden lan ısı kaybı aşağıdak gb verlr. k A kayıp,zlasyn AKB havuz AKB zlasyn (11) Güneş havuzu çn ekserj denge denklem aşağıdak gb yazılablr. Güneş kayıp,çevre kayıp, kayıp,zlasyn Deplanan D Burada yüzeyne ulaşan güneş radyasynunun ekserjsdr ve aşağıdak gb alınmıştır Güneş, [18]. 4 1 S 1 A Güneş, 3s 3 s Yğunluk Yğunluk Yğunluk Radyasyn Grş Yansıyan Radyasyn Şekl. Güneş Havuzu abakalarındak Enerj Akımları 4 havuz (1) (13) Burada s, güneşn yüzey sıcaklığını ( 5777 K) göstermektedr. den çevreye transfer edlen ısı transfernn ekserjs aşağıdak gb verleblr [7]. = ( ) mcp, ln (14) Burada m, dek su-tuz karışımın kütlesn ve C p,, nn spesfk ısısını göstermektedr. Herhang br katmanından yalıtımlı duvara dğru lan ısı kaybının ekserjs aşağıdak gb verleblr [7]. m C kayıp, py, mcpy, yd, ln yd, (15) Güneş havuzunun en altında yer alan zlasyn bölgesnden transfer lan ısının ekserjs aşağıdak gb verleblr [7]. m C AKB kayıp,zlasyn AKB p,zlasyn 3.. Ftvltak Sstem AKB zlasyn ln zlasyn (16) Ftvltak mdüller üzerne yapılan deneysel çalışmalara göre, böyle br sstemden üretleblecek maksmum elektrk üretm güneş hücres üzerne gelen tplam güneş radyasynu (S t ) ve çevre sıcaklığına bağlı larak verleblr [19]. 11,17,34.S.,73,3. m = + t (17) plam güneş radyasynu aşağıda verlen fade yardımı le hesaplanablr []. 36 n St = 1 +, 33.cs S 365, 5 (18) Burada S, güneş sabt 1373 m - ) ve n se 1 Ocak tan tbaren gün sayısıdır. Güneş pl sstemnn ekserjs denges aşağıda verlen denklem kullanılarak hesaplanablr. elek E x (19) ısı Ftvltak sstemnn elektrk ekserjs aşağıdak gb hesaplanablr. () E x = VI elek m m Ftvltak yüzeynden çevreye lan ısı kaybını çeren ekserj fades aşağıdak gb verleblr. ısı 1 (1) Burada, ftvltak sstemnn yüzey sıcaklığını vermektedr. Ftvltak sstemn yüzeynden taşınımla luşan 5 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 53

4 Elektrk ve Hdrjen Üretm İçn Entegre Sstemnn ermdnamk Analz Abbas Alpaslan Kçer, Murat Öztürk ısı transfer aşağıda verlen fade kullanılarak hesaplanablr []. = h A c, h 5, 7 3,8 () c, = + ϑ (3) Burada, ftvltak sstemn hemen üzerndek rüzgar hızıdır. Denklem (19) ve (3) arasındak fadeler kullanarak ftvltak sstemn ekserjs aşağıdak gb hesaplanablr. E x = Vm Im 1 ( 5, 7 + 3,8ϑ ) A ( ) (4) 3..3 Rüzgar ürbn Rüzgar türbn çersnden geçen rüzgarın yavaşlaması k aşamada ) rüzgar türbn rtru çersnden geçmeden önce, ve ) geçtkten snra lmaktadır [14]. Brm zamanda rtr üzernden geçen hava kütles mr lmak şaıyla, mmentum hız değşm [m r (ϑ r1 - ϑ r )] aya çıkan tmeye eşttr. Burada ϑ r1 ve ϑ r rtrdan öneml br uzaklıkta çerye dğru ve dışarıya dğru rüzgar hızını göstermektedr. ürbn tarafından üretlen güç aşağıdak gb verlr. = m ϑ ϑ ϑ - (5) r r1 r Aynı zamanda rüzgardak knetk enerjnn değşm mktarı aşağıdak gb verleblr. 1 E = m ϑ ϑ (6) k,r 1 r r r (ϑ r / ϑ r1 ) ranı 1/3 u eşt lduğu zaman C p, maksmum değer lan,59 a ulaşır [1]. Rüzgar türbn sstemnde yükseklk değşmedğ ve rüzgar türbnnde kmyasal reaksyn lmadığı çn ptansyel ve kmyasal ekserj değşmnn sıfır lduğu kabul edlmştr. plam knetk ekserj farkı üretlen elektrk enerjsn vereceğ çn aşağıdak gb yazılablr. E (31) k üretlen Aynı zamanda rüzgar türbnn ekserjs, türbn kanatlar byunca akan havanın akış ekserjsne bağlı larak aşağıdak gb verleblr. akış m r( h s) Δh C ( ) p, r r1 (3) (33) Burada r1 ve r sırasıyla, rüzgar türbn grşndek ve çıkışındak rüzgar sğutma sıcaklığını göstermektedr. Rüzgar sğutma sıcaklığı aşağıdak gb hesaplanır []. 13,1, ,37,3965 (34),16,16 g,rüz sğ r r plam entrp farkı aşağıdak gb verleblr [17]. r r kayıp s Cp, ln R ln r1 r1 (35) Burada r1 ve r sırasıyla, rtr bıçağına grştek ve çıkıştak basıncı göstermektedr. r1 r kayıp m Cp, (36) r Genel larak rüzgar türbn sstemnn ekserj denge denklem aşağıdak gb yazılablr. Denklem (5) ve (6) da verlen fadeler eşt lması gerektğnden rtr tarafından aya çıkan güç aşağıdak gb yazılır. - - R Eüretlen mrcp, r r1 mr =ρh A ϑ( ϑr1 ϑr) ϑ (7) r r kayıp Oalama hız fades yukarıdak denklemde yerne knulursa; Cp ln R ln ϑ r1 +ϑr =ρh A ( ϑr1 ϑr) (8) fades elde edlr. Yukarıda verlen fadey daha genel br şekle dönüştürmek çn katsayısı α = ϑ r / ϑ r1 şeklnde tanımlanırsa, Denklem (8) aşağıdak gb verleblr. h A 3 r1 ( 1+α)( 1 α ) (9) Denklemn sağ tarafında çarpım halnde verlen knc fade rtr güç katsayısıdır (C p ). ρh Aϑ = 3 r1 C p (3) r1 r1 3.3 Enerj ve Ekserj Vermllkler (37) Bu çalışmada ncelenen ftvltak sstem, güneş havuzu, rüzgar türbn, rgank Rankne çevrm, hdrjen üretm ve deplama alt sstem le tüm brleşk sstem çn enerj vermllk denklemler aşağıdak gb türetlmştr. (38) SA güneş _ havuzu rüzgar _ türbn t SA t R E HEX I grd GH (39) (4) Alt bleşenlern ve tüm sstemn ekserj vermllkler çn kullanılan denklemler aşağıda verldğ gb türetlmştr. ORC güneş _ havuzu rüzgar _ türbn ORC hdrjen sstem güneş HEX I güneş GH R grd ORC HEX I EM net 1 net, net,r net,orc güneş güneş GH grd 4. SONUÇLAR VE ARIŞMA Güneş havuzu, ftvltak sstem ve rüzgar türbn destekl entegre sstemnde bulunan akışların sıcaklık, basınç, kütle akış hızı, entalp, entrp, enerj ve ekserj değerler EES E türbn & türbn (k) hdrjen sstem net,orc HEX I EM net,1 SA SA E net, net, net,orc t t GH grd E türbn (k) türbn (k) türbn (%) türbn (%) V 1 (m/s) (41) (4) (43) (44) (45) (46) (47) (48) (49) Şekl 3. Rüzgar Hızının ürbnn Enerj ve Ekserjs le Vermllklerne Olan Etkler.6 türbn & türbn (%) türbn türbn E & (k) E (k) (k) S t (m - ) Şekl 4. Güneş Enerjsnn Sstemnn Enerj ve Ekserjs le Vermllklerne Olan Etkler (Engneerng Equatn Slver) blgsayar yazılım prgramı [3] kullanılarak hesaplanmıştır. ermdnamk mdelleme çalışmasında referans sıcaklığı ve basıncı sırasıyla, 5 C ve 11,3 ka larak alınmış ve ısı değştrcs akışkan larak su ve zbütan seçlmştr. ermdnamğn knc kanununun br gösterges lan ekserj kayıpları ncelendğnde se en yüksek ekserj kaybı 164 k le güneş havuzu sstemnde aya çıkmaktadır. Güneş havuzu sstemn, rgank Rankne çevrm 16 k, güneş ftvltak sstem 78 k ve dğerler takp etmektedr. Bu snuç, yleştrme çalışmalarının özellkle güneş havuzu sstem üzernde yğunlaşması gerektğ anlamına gelmektedr. Günümüzde, perfrmansı yüksek güneş havuzu sstemler knusunda deneysel ve terk araştırmalar devam etmektedr. İy br sstem dzaynı, yüksek br enerj deplama kapastes ve ısı kaybını azaltma gb etmenlern daha da gelştrlmes snucunda bu tp sstemler enerj deplama knusunda ldukça fayda sağlayacaktır. Bu çalışmada, tasarımı yapılan entegre sstemn perfrmansının değşen dış şalar altında nasıl br davranış sergledğn ncelenmek çn çeştl parametrk çalışmalar yapılmıştır. Entegre sstemn lk parametrk ncelemes rüzgar türbn çn yapılmış ve bu çalışmada sstem analz çn havanın yğunluğu 1,55 kg/m 3, türbnn yarıçapı 15 m, alama rüzgar hızı 7 ms -1 ve Cp,59 larak alınmıştır. Şekl 3 te, 5 le 1 ms -1 aralığında değşen rüzgar hızına karşılık rüzgar türbnn enerj ve ekserj değer le türbnnn enerj ve ekserj vermllğnn nasıl değştğ sunulmuştur. Şeklden görüldüğü gb, rüzgar hızı 5 ms -1 değernden 1 ms -1 değerne yükseldğnde enerj üretm değer 3 k dan 61 k değerne çıkarken, ekserj üretm değer se 14,5 k dan 175 k değerne yükselmektedr. Ekserj analznde sstemde luşan kayıplar dkkate alındığı çn sstemn ürettğ güç hakkında daha net blg vermektedr. Rüzgar enerjsnden sağlanan enerj ve ekserj değer türbnne ulaşan rüzgar hızının küpü le dğru rantılı lduğu çn alama rüzgar hızı değernn ne kadar öneml & (%) 54 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 55

5 Elektrk ve Hdrjen Üretm İçn Entegre Sstemnn ermdnamk Analz Abbas Alpaslan Kçer, Murat Öztürk E GH & GH (k) E GH (k). 6 GH (k) 4 GH.1 GH S t (m - ) GH & GH (%) Şekl 5. Güneş Enerjsnn Güneş Havuzunun Enerj ve Ekserjs le Vermllklerne Olan Etkler Şekl 6. Güneş Enerjsnn ORC ürbnnn Enerj ve Ekserjs le Vermllklerne Olan Etkler Şekl 7. Güneş Enerjsnn üm Sstemnn Enerj ve Ekserjs le Vermllklerne Olan Etkler sstemnn entegre br şeklde kullanılması çn önerlen prsestr. Buradak dzayn parametreler termdnamk mdellemenn snuçlarına bağlı larak aya knmuştur. Entegre prsesn her br alt sstemnn güç üretm, ekserj vermllğ ve ekserj yıkımları belrlenmş ve brleşk tüm sstem snuçları le karşılaştırılmıştır. Aynı zamanda, çalışma sıcaklığı, güneş radyasyn akısı ve rüzgar hızına bağlı larak, sstem bleşenlernn sstem perfrmansı ve ekserj yıkım hızlarını ncelemek çn parametrk çalışmalar sunulmuştur. Bu çalışmada belrlenen ana snuçlar aşağıdak gbdr; Kütle, enerj ve ekserj denge denklemler sstemn anlaşılmasında ve mdellenmesnde önemldr ve denge denklemlernn kullanılmasıyla sstem bleşenlernn vermllklernn belrlenmes gb daha genş kapsamlı snuçlara ulaşılablr. lduğu görülmektedr. Aynı zamanda rüzgar türbnn enerj vermllğ sabt kaldığı halde, türbnn ekserj vermllğ se aan rüzgar hızıyla brlkte br mktar atığı görülmüştür. Sunulan çalışmada ncelemes yapılan rüzgar türbnnn seçlen çalışma parametreler altında enerj vermllğ %58,74 larak hesaplandığı halde, değşen rüzgar hızına bağlı larak rüzgar türbnnn ekserj vermllğnn %7,1'den %45,6 ya kadar yükseldğ görülmektedr. Benzer larak, Ghsh ve Dnçer [4] yapmış ldukları çalışmada rüzgar türbnnn ekserj vermllğn %6 larak hesaplamışlardır. Sunulan bu çalışmada termdnamk analz yapılan entegre sstemn knc parametrk ncelemes, ftvltak sstem çn yapılmıştır. Sstemn analz çn gerekl lan parametreler sırasıyla, ftvltak sstem üzerne gelen güneş radyasynu 85 m - ve mdül sıcaklığı 9 C alınmıştır. Şekl 4 te gösterldğ gb, 5 le 1 m - aralığında değşen güneş radyasynuna ve hesaplama snuçlarına bağlı larak ftvltak sstemn enerj ve ekserj analz le brlkte sstemn enerj ve ekserj vermllkler sunulmuştur. Güneş radyasynu 5 m - den 1 m - ye yükseldğ anda ftvltak sstemn enerj üretm değer 51 k dan 15 k değerne çıkarken, sstemn ekserj üretm değer se 16 k dan 7 k değerne kadar hemen hemen dğrusal br şeklde atığı görülmektedr. Ftvltak sstemden sağlanan maksmum enerj ve ekserj üretm değer ftvltak sstemn yüzey alanına ulaşan güneş radyasynu değer le dğru rantılı larak değştğ çn alama güneş radyasynu değernn öneml lduğu görülmüştür. Şekl 4 te belldğ üzere, ftvltak sstemn enerj vermllğ güneş radyasynu değernn değşmesne rağmen hemen hemen sabt kaldığı halde, sstemn ekserj vermllğ se %,7 den %17 ye kadar amıştır. Ftvltak sstem çn ekserj vermllğ güneş radyasynunun ekserjsn ve sstem kayıplarını çerdğ çn enerj vermllğnden daha fazla güvenlr blgy sunmaktadır. Benzer snuçlar Çalşkan vd. [5] tarafından hesaplanmıştır. Sundukları çalışmada, ftvltak güneş pl sstemn ekserj vermllğnn aan dış am sıcaklığına bağlı larak %9.67 den %9.74 değerne değştğ hesaplamışlardır. Entegre sstemn üçüncü parametrk çalışması, güneş havuzu sstemnn değerlendrlmes çn yapılmış ve sstem analz çn güneş havuzu üzerne ulaşan tplam güneş radyasynu 85 m - ;, KOB ve AKB tabakalarının sıcaklıkları se sırasıyla, 5, 55 ve 15 C, güneş havuzu yüzey alanı 15 m alınmıştır. Şekl 5 te, 5 le 1 m - aralığında değşen güneş radyasynuna bağlı larak güneş havuzu sstemnn enerj ve ekserj analz snuçları le enerj ve ekserj vermllğnn değşm sunulmuştur. Güneş radyasynu 5 m - den 1 m - ye yükseldğ anda güneş havuzu tabakalarında tplanan faydalı enerjnn atığı belrlenmştr. Şekl 5 te görüldüğü gb, AKB bölgesnde tplanan enerj mktarı, aan güneş radyasynuna bağlı larak 65 k den 17 k ye ve ekserjs se 44 k den 115 k ye ulaşmaktadır. Güneş havuzu sstemnden sağlanan maksmum enerj ve ekserj üretm değer güneş havuzu sstemnn yüzey alanına ulaşan güneş radyasynu mktarı le dğru rantılı larak değştğ görülmektedr. Aynı zamanda güneş havuzu sstemnn enerj vermllğnn %8 den %56 ya ve ekserj vermllğnn %5 ten %39 a ulaştığı görülmektedr. Güneş havuzu sstemnn yalıtımına ve ısı değştrcs vermne bağlı larak etknlğ yleştrleblr. Entegre sstemn dördüncü parametrk ncelemes, ORC sstemnn değerlendrlmes çn yapılmıştır. Şekl 6 da, 5 le 1 m - aralığında değşen güneş radyasynunu çn ORC sstemnn enerj ve ekserj analz le sstemn enerj ve ekserj vermllklernn snuçları sunulmuştur. Güneş radyasynu değer 5 m - den 1 m - ye atığında sstemnn enerjs,1 k dan,6 k ye, sstemn ekserjs se,7 k dan,19 k ye yükseldğ görülmektedr. Değşen güneş radyasynu değerlerne karşı sstemn enerj vermllğ %16,1 değernde sabt kaldığı görülürken, ekserj vermllğnn se %1,7 den %6,81 e yükseldğ görülmektedr. ORC sstemnn enerj ve ekserj üretmnn güneş havuzu yüzey alanına ulaşan güneş radyasynu değer le dğru rantılı lduğu çn güneş radyasynu değernn öneml lduğu görülmektedr. Elektrk ve hdrjen üretm çn bu çalışmada sunulan entegre sstemn değşen güneş radyasynu altında k enerj ve ekserj analz le enerj ve ekserj vermllklernn değşm hesaplanmış ve snuçlar Şekl 7'de verlmştr. Bu çalışmada kullanılan ftvltak sstem, rüzgar türbn ve güneş havuzu le brleşk ORC sstemlernn ayrı ayrı kullanımı yerne, entegre kullanımında ekserj kayıplarının azaldığı ve buna bağlı larak ekserj vermllğnn de atığı aya knmuştur. Şekl 7 de, güneş radyasynu değer 5 m - den 1 m - ye yükseldğ anda entegre sstemn enerj vermllğ %49,93 ten %67,54 e aarken ve ekserj vermllğ se %44,5 ten %48,15 e atığı görülmektedr. Aynı zamanda, entegre sstemn enerjs 14,11 k dan 194,4 k değerne yükselrken, sstemn ekserjs se aan güneş radyasynu değerne bağlı larak 63,65 k dan 116,84 k değerne yükseldğ hesaplanmıştır. 5. SONUÇ Bu çalışmada, güneş havuzu, ftvltak ve rüzgar türbn güç dönüşüm sstemlernn çalışma parametreler sunulmuş, güneş ve rüzgar enerjs destekl entegre sstemn enerj ve ekserj analzler yapılmıştır. Ekserj analznn, ncelemes yapılan sstemndek gerçek kayıpların yerler ve büyüklükler hakkında yeterl blgy sundukları, ekserj vermllğnn sstem perfrmansının değerlendrlmes ve brbrler le karşılaştırılmasında öneml br araç ldukları belrlenmştr. Aynı zamanda, ekserj analzn kullanarak sstem perfrmansının ne kadar aırılableceğ hakkında daha öneml blgler sunableceğ, yapılan bu çalışmada gösterlmştr. Sunulan çalışmanın knc öneml yaklaşımı se üç alternatf güç dönüşüm Entegre sstemn enerj ve ekserj vermllkler %6,68 ve %47,37 larak bulunmuştur. Ekserj analz snuçlarına göre en büyük ekserj yıkımına güneş havuzu sstemnn sahp lduğu görülmektedr. Bunu takben rgank Rankne çevrm sstemnn ve ftvltak güneş pl sstemnn en büyük knc ve üçüncü ekserj yıkım değerlerne sahptr. Entegre sstem luşturan bleşenlern ekserj yıkım mktarlarının azaltılması ekserj vermllğn atırmaktadır. Vermllk aışı, üretm prses süresnce çevreye salınan emsynların azaltılmasında, daha düşük çevresel etk değerlernn elde edlmesnde ve sürdürüleblr sstemlern kullanıma sunulmasında önemldr. Oam sıcaklığı, rüzgar hızı ve güneş radyasynu akısındak aış le brlkte sstemlern ekserj vermllğnn yleştğ görülmüştür. SEMBOLLER A yüzey alanı (m ) AKB alt knvektf bölge C p spesfk ısı (J/gK) ex spesfk ekserj akışı (kj/kg) D ekserj yıkım hızı (k) ısının ekserjs (k) şn ekserjs (k) h entalp (kj/kg) k ısı kayıp katsayısı (/m K) KOB knvektf lmayan bölge m kütle akış hızı (m/s) ORC rgank Rankne çevrm basınç (ka) 56 Mühends ve Makna Mühends ve Makna 57

6 Elektrk ve Hdrjen Üretm İçn Entegre Sstemnn ermdnamk Analz s rüzgar türbn güçü (k) ısı transfer hızı (k) entrp (kj/kgk) S t güneş radyasynu (/m ) sıcaklık (K, C) üst knvektf bölge V hacm (m 3 ) ş transfer hızı (k) Alt nds ç çıkan g gren km kmyasal referans durum Yunan alfabes ϑ rüzgar hızı enerj vermllğ ekserj vermllğ ξ mlar kmyasal ekserj ρ yğunluk KAYNAKÇA 1. De Olvera, J. S. 1. ergy: rductn, Cst and Renewablty, Sprnger, Lndn, 1.. Ozturk, M., Dncer, I. 13. hermdynamc Assessment f an Integrated Slar wer wer and Cal Gasfcatn System fr Mult-Generatn urpses, Energy Cnversn and Management, vl. 76, p Krnes, C., Spachs,., Musspuls, N. 13. ergy Analyss f Renewable Energy Surces, Renewable Energy, vl. 8, p Dncer, I., Zamfrescu, C. 1. Renewable Energy Based Multgeneratn Systems, Internatnal Jurnal f Energy Research, vl. 36 (15), p Calskan, H., Dncer, I., Hepbasl, A. 13. Energy, ergy and Sustanablty Analyses f Hybrd Renewable Energy Based Hydrgen and Electrcty rductn and Strage Systems: Mdelng and Case Study, vl. Appled hermal Engneerng, vl. 61 (), p Munz, F., Almanza, R A Survey f Slar nd Develpments, Energy, vl. 17 (1), p Karaklck, M., Dncer I. 8. ergetc erfrmance Analyss f a Slar nd, Internatnal Jurnal f hermal Scence, vl. 47, p Al-Sulaman, F. A., Hamdullahpur, F., Dncer, I. 11. erfrmance Cmparsn f hree rgeneratn Systems Usng Organc Rankne Cycles, Energy, vl. 36, p ang, J., Yan, Z., ang, M., L, M., Da, Y. 13. Mult- Objectve Optmzatn f an Organc Rankne Cycle (ORC) fr Lw Grade aste Heat Recvery Usng Evlutnary Alghm, Energy Cnversn and Management, vl. 71, p Ozturk, M., Dncer, I. 13. hermdynamc Analyss f a Slar-Based Mult-Generatn System wth Hydrgen rductn, Appled hermal Engneerng, vl. 51, p Barell, L., Bdn, G., Gallrn, F., Ottavan, A. 11. An Energetc ergetc Analyss f a Resdental CH System Based n EM Fuel Cell, Appled Energy, vl. 88, p Bzku, I., Karaklck, M. 15. ergy Analyss f a Slar nd Integrated wth Slar Cllectr, Slar Energy, vl. 11, p Ozlu, S., Dncer, I. 15. Develpment and Analyss f a Slar and nd Energy Based Multgeneratn System, Slar Energy, vl. 1, p Khald, F., Dncer, I., Rsen, M. A. 15. Energy and ergy Analyses f a Slar-Bmass Integrated Cycle fr Multgeneratn, Slar Energy, vl. 11, vl Bcer, Y., Dncer, I. 15. Develpment f a New Slar and Gethermal Based Cmbned System fr Hydrgen rductn, Slar Energy, vl. 17, p Frers, L. L nd Energy Cnversn Systems, rentce Hall, New Yrk. 17. Dnçer, İ., Rsen, M. A. 13. ergy: Energy, Envrnment and Sustanable Develpment, Elsever, New Yrk. 18. etela, R. 3. ergy f Undluted hermal Radatns, Slar Energy, vl. 74, p Akyüz, E., Cşkun, C., Oktay, Z., Dnçer, İ. 1. A Nvel Apprach fr Estmatn f htvltac ergy Effcency, Energy,vl. 44, p Zamfrescu, C., Dncer, I. 9. Hw Much ergy One can Obtan frm Incdent Slar Radatn?, Jurnal f Appled hyscs, vl. 15, p atel, M. R nd and Slar wer Systems, CRC ress, New Yrk.. Nelsn, C. A., ew, M., hetteplace, G. E.. Revew f the Federal Interagency rcess used t Select the nd Chll emperature (C) Index, 18th Internatnal Cnferance n Interactve Infrmatn, January, Orland, p F-Cha Sftware. Engneerng Equatn Slver, sn erşm tarh: Ghsh, S., Dncer, I. 14. Develpment and Analyss f a New Integrated Slar-nd-Gethermal Energy System, Slar Energy, vl. 17, p Mühends ve Makna