Güneş Bacası Sisteminin Termal Özet Dizaynı

Transkript

1 Tesisat Mühendisliği Dergisi Sayı: 98, s 45-50, 2007 Güneş Bacası Sisteminin Termal Özet Dizaynı Arif KOYUN* Đbrahim ÜÇGÜL** Mustafa ACAR*** Ramazan ŞENOL**** Özet Güneş bacası, üzerine gelen güneş ışınını, sera etkisi prensibiyle hareket enerjisine, daha sonra da elek - trik enerjisine dönüştürür Burada sera etkisi prensibi, baca çekişi, türbin ve jeneratör ile birlikte düşünülebilir Güneş bacası fiziksel olarak cam bir kolektör (sera), bir baca ve ayrıca (tek yada çok sayıda) türbinden oluşur Bu çalışmada Süleyman Demirel Üniversitesi bünyesinde kurulan prototip güneş bacasının temel özellik - leri, ölçüm alınması, güneş ışınım değerleri hesabı, ısı transferi olayları ve güneş baca sisteminin termal dizaynı için gerekli parametreler ile temel denklemler verilmiştir Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir enerji, güneş enerjisi, güneş bacası, elektrik üretimi, termal analiz 1 GĐRĐŞ Enerji, kuşkusuz uygarlığın ilerlemesindeki en temel itici güçlerden birisidir ve uygarlığın ilerletilmesine pa - ralel olarak enerjiye olan ihtiyaç da sürekli olarak art - maktadır Ancak dünya enerji üretim (dönüşüm) tek - nolojileri büyük çapta fosil kökenli enerji kaynaklarına bağımlıdır Bu kaynakların başta rezervlerinin sınırlı oluşu, özellikle sera gazı emisyonları olmak üzere kullanıldıklarında çevreye pek çok kirletici etkisi bulun - ması gibi olumsuzlukları vardır Bu olumsuzluklardan dolayı enerji talebinin karşılan - masında ülkeler, yenilenebilir enerji kaynaklarına yö - nelmişlerdir Yenilenebilir enerji kaynakları, güneş, rüzgar, dalga, jeotermal, hidrojen, biyokütle enerjisi vb gibi kendini sürekli olarak yenileyebilen, sürdürülebilir kaynaklardan oluşmaktadır Bu kaynak içerisinde şüphesiz en büyük yeri, büyük potansiyeliyle güneş enerjisi almaktadır Güneş enerjisi dönüşüm teknolo - jileri; ısıl ve fotovoltaik (pv) sistemleri olarak sınıflandı - rılabilir Ayrıca ısıl sistemleri, düşük sıcaklık, orta sı - caklık ve yüksek sıcaklık sistemleri olarak sınıflandırı - labilirler Buna bağlı olarak ısıl sistemleri, proses ısı enerjisi üreten, elektrik enerjisi üreten sistemler ve hib - rit sistemler olarak sınıflandırmakta mümkündür Gü - neş kuleleriyle ısı-elektrik üretimini yüksek sıcaklık * Süleyman Demirel ÜniversitesiFen Bilimleri Enstitüsü, Makine Mühendisliği Anabilim Dalı **Yrd Doç DrÜ, SD Mühendislik Mimarlık Fakültesi Tekstil Mühendisliği Bölümü Tekstil Teknolojisi Anabilim Dalı ***Prof DrÜ, SD Mühendislik Mimarlık Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Enerji Anabilim Dalı **** Arş Gör, Süleyman Demirel Üniversitesi, YEKARUM 45 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 8, 2007

2 HAVA ÇIKIŞI BACA GÜNEŞ IŞINLARI ŞEFFAF ÖRTÜLÜ TOPLAYICI SERA TÜRBĐN BÖLGESĐ HAVA GĐRĐŞĐ HAVA GĐRĐŞĐ SERA ALT ISI TOPLAYICI TABAKA Şekil 1 Güneş bacası çalışma prensibi sistemlerine, güneş tarlalarıyla (silindirik parabolik ko - lektörlü) ısı-elektrik üretimini orta sıcaklık uygulama sistemlerine ve güneş bacalarını düşük sıcaklık uy - gulama sistemlerine örnek olarak verilebilir Uygulama olarak yüksek ve orta sıcaklık sistemleri, ileri endüstriyel teknolojiyi ve yüksek ilk yatırım mali - yetlerini gerektirir[1] Oysaki güneş bacaları çok ileri teknoloji gerektirmez ve bu sistemde ilk yatırım mali - yeti 900$/ kw'ın altında olarak kabul edilir [2] Bu özel - likleriyle güneş bacala - rı, ülkemiz iklim ve gü - Baca uzunluğu 15m neşlenme özelliklerine en uygun sistemlerdir Baca çapı Toplayıcı sera çapı Sera giriş açıklığı 1,2m 16m 0,65m 2 SĐSTEM TANIMI VE TEORĐK MODEL Sera boğaz açıklığı 2,5m Şekil 2 SDÜ-YEKARUM Güneş bacası içinde dolaşan havaya aktaran bir sera toplayıcı bölü - mü ve içinde rüzgar türbinli elektrik üretim sistemi bu - lunan uzun baca kısmından oluşur Şekil 2'de Isparta Süleyman Demirel Üniversitesi'nde (SDÜ-Yekarum) kurulu bulunan prototip güneş bacası görülmektedir Baca ölçüleri Şekil 3' te verilmiştir DPT Tarafından desteklenen, Süleyman Demirel Üni - versitesi - Yenilenebilir Enerji Kaynakları Araştırma ve Uygulama Merkezi (SDÜ-YEKARUM) Güneş Bacası 120 m 15 m 21 Sistem Tanımı Güneş bacaları, güneş enerjisini önce ısıl ener - jiye, ardından ısıl enerji - yi kinetik enerjiye ve son olarak da elektrik enerji - sine çeviren, enerji dö - nüşüm sistemleridir[3] Güneş bacaları Şekil 1'de görüldüğü gibi, gü - neş enerjisini toplayıp, 16 m 065 m Şekil 3 SDÜ-YEKARUM Güneş bacası ölçüleri 25 m TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 98, projesinde, güneş bacası bileşenleri Şekil 4, 5 ve 6'da verilmiştir Şekil 7, 8 ve 9'da Güneş bacasına ait veri ölçüm sis - teminin bir kısmı görülmektedir 22 Güneş Enerjisi Hesabı Isparta güneşlenme değerleri kullanılabilmesi için lite -

3 Şekil 4 Güneş bacası sera alt ısı depolayıcı tabaka yapımı Şekil 5 Toplayıcı şeffaf sera ve hava giriş açıklığı Şekil 6 Baca bölümü Şekil 7 Veri ölçüm ve depolama Şekil 8 Baca ölçüm sistemi Şekil 9 Veri aktarım sistemi 47 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 8, 2007 ratürden[4] alınan yatay birim yüzeye bir anda gelen direkt güneş ışınımını; I e = A cos(ze)exp( Bm) W/m 2 (1) veren ifadedeki A ve B katsayılarının Isparta değerle - rinin hesaplanması gerekir Yatay yüzeye gelen anlık difüz güneş ışıması, literatürden[5] alınan; I d p10 6 cosw cosw S = W/m 2 (2) H pw Tablo 1 Isparta için hesaplanan A ve B katsayıları Aylar A B Ocak 308,6 0,142 Şubat 326,8 0,144 Mart 384,9 0,156 Nisan 418,8 0,180 Mayıs 680,7 0,196 Haziran 716,4 0,205 Temmuz 859,5 0,207 Ağustos 848,6 0,201

4 H d pw S sinw S cos w S 360 denklemi kullanılır Burada H d günlük toplam difüz ışınımı, w dünyanın kendi ekseni etrafında dönme - sinden dolayı, yerel meridyene göre güneşin açısal sapmasıdır Saat açısı adıyla bilinen w, sabah nega - tif, öğleden sonra pozitif olmak üzere, her saat için 15 derecedir ; w S derece cinsinden güneş batış saat aç - sıdır Yatay yüzeye gelen anlık toplam güneş ışıma - sı a ve b katsayıları a = 0, ,5016 sin( w S 60) b = 0,6609 0,4767 sin( w S 60) olmak üzere; I 10 6 I d = (a+b cos w) W/m 2 (3) H 3600 H d kullanılarak hesaplanabilir Ağustos 848,6 0,201 Eylül 812,6 0,177 Ekim 651,8 0,160 Kasım 524,4 0,149 Aralık 272,7 0,142 I e = I I d den hesaplanan anlık direk radyasyon değe - ri Denklem 1 ile korale edilip, A ve B katsayıları hesaplanmış ve tablo halinde sunulmuştur [6],[7] Yapılan analiz hesaplarında meteorolojiden alınan Is - parta güneş verileri kullanılmış ve bu veriler Tablo 2'de sunulmuştur 23 Teorik model Güneş bacası performansını etkileyen faktörler sıra - sıyla baca yüksekliği, toplayıcı sera çapı,sera açıklığı, baca çapı, toplayıcı alt ve üst tabaka malzeme özelliği gibi parametrelerdir Güneş bacası performansı ko - lektör serada toplanan enerji (Q) hareketlenen hava kütlesel debisi (m), baca içi akış hızı (V), toplayıcı se - Tablo 2 Yatay düzleme gelen anlık güneş ışınımları Sezon Zaman I I e Sezon Zaman I I e (Saat) (W/m 2 ) (W/m 2 ) (Saat) (W/m 2 ) (W/m 2 ) Mayıs 08:00 425,9 244,9 Temmuz08:00 475,5 322, ,3 349, ,9 448,3 10:00 707,9 440,4 10:00 755,6 556,2 11:00 793,7 502,6 11:00 855,7 629,3 12: ,7 12:00 903,8 655,2 Haziran 08:00 462,8 284 Ağustos 08:00 415,3 277, ,4 393, ,2 406,2 10:00 744,6 486,6 10:00 731,6 518,7 11:00 829,7 550,7 11:00 828,5 595,8 12:00 859,6 573,3 12:00 862,8 623,1 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 98, ra verimi ( h sv ) ve sıcaklık farkına ( ³T) bağlı olarak He - saplanan Güneş Bacası Verimi ( h GB ) ve üretilen teorik güç (P t ) ile hesaplanır Güneş bacasındaki ısıl enerji denge denklemi aşağıda verilmiştir [8], [9] Q = m c p ³T = (ta)a TS I b³t a A TS = h TS A TS I (4) Burada m, Güneş bacası, toplayıcı sera alanı dola - şarak bacaya ulaşan sıcak hava akımı (hareketlenen hava) debisi m = rc TS A V c (5) şeklinde hesaplanır Burada hareketlenen hava kütle - si hızı V c, 1 F R = (9) 1 A C b F 1 + 2mcp şeklinde verilmiştir Aynı ifade[11] no lu yayında ise mcp F 1 ba F C R = 1 exp (10) A C b mcp olarak tanımlanmıştır F 1, toplayıcı verim faktörü ise [11] no'lu yayında ısı transfer katsayıları ve aşağıdaki x, y, z parametrele - riyle [ ( ([

5 (ta)a TS I b³t a A TS V C = (6) r TS A C cp³t ile hesaplanır[10] Toplayıcı sera verimi b³t a h TS = (ta) (7) I şeklinde verilir Bu denklemlerde A c, sera açıklık kesit alanı; A TS, toplayıcı sera alanı ; I güneş ışınımı ; (ta) toplayıcı sera yutma geçirme çarpanı ; b, toplayıcı sera ısı kayıp kat - sayısı; r TS, seradan bacaya çıkış havası yoğunlu - ğudur X = X(h,u,Y,Z), Y=(h,u), Z=(h) olmak üzere F 1 = F 1 (X,Y,Z,h,u) şeklinde verilmiştir Ayrıntılı bilgi aynı yayından alınabilir ³T belirlendikten sonra ³T a 1 ³T a = ³T (11) 2 şeklinde belirlenir[12] Basınç farkı ise ³T ³P toplam = r TS gh GB (12) To ³T a : dış ortam havası ile toplayıcı seradan çıkan ha - va arasındaki sıcaklık farkıdı r ³T' nin belirlenebilmesi için literatürde [11] ve [10], aşağıdaki bağıntılar veril - miştir 2Q ³T = (1 F 11 ) (8) A C bf R F R, ısı dönüşüm faktörü [10] no 'lu yayında, F 1, toplayıcı verim faktörü, olmak üzere ile hesaplanabilir[13] Güç hesapları için [9] no 'lu yayından alınan, ısınmış hava akımının içerdiği güç ifadesi aşağıda verilmiş - tir gh GB P toplam = h c Q r TS V c ³TA (13) cpto Maksimum rüzgar türbini gücü,verimi h TS olmak üze - re 49 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 9 8, g P RT,max = h TS H GB A TS I (14) 3 cpto ve türbin mekanik verimi h RTM olmak üzere türbin çı - kışı elektrik gücü ; 2 g P e = h ST h RTM H GB A TS I (15) 3 cpto denkleminden hesaplanır Teorik analizde öncelikle bölgenin iklimsel verileri elde edildi Sonraki çalışmalarda bu veriler yukarıdaki denklemlerde kullanılarak güneş bacası parametrele - rine bağlı olarak, güç eğrileri elde edilebilir 3 SONUÇ Çalışmada, güneş bacasının, deneysel çalışmalara bağımlı teorik termal dizaynı için gerekli güneş ener - zi, Đzmir,2002 [3] Bayrakçı, H, Delikanlı, K, Güneş Bacalarıyla Enerji Üretimi, Güneş Enerjisi Sistemleri Sempoz - yumu ve Sergisi, TMMOB Makina Mühendisleri Odası, Haziran 2003, Mersin [4] Kılıç, A ve Öztürk, A, ''Güneş Enerjisi'', Kipaş Dağıtımcılık, 1983 [5] Fakıoğlu, A ve Ecevit, A, ''Türkiye'deki Çeşitli Đs - tasyonlarda Toplam ve Saatlik Güneş Işıma He - sap Değerleri'', Isı Bilimi ve Tekniği Cilt 19 No 1-2, Sayfa 27-32, 1998 [6] Üçgül, Đ, Öztürk, M, Özek, N, Parabolik Yalak Ti - pi Kollektörün Optik Ve Enerjitik Analizi, Türk Fizik Derneği 22 Fizik Kongresi14-17 Eylül 2004 a Bodrum [7] Üçgül, Đ, Öztürk, M, Özek, N, Isparta Đçin Parabo - lik Yalak Tipi Kollektörün Enerjetik Ve Ekserjetik Analizi, Türk Fizik Derneği 22 Fizik Kongresi14-17 Eylül 2004bBodrum [8] Duffie, JA and Beckman, WA, ''Solar Engineering

6 jisi hesapları ve baca performansını belirleyen temel denklemleri verilmiştir Bu çalışma daha sonraki ça - lışmalara ışık tutacaktır Çalışmada kullanılan temel denklemler Türkiye'nin diğer iklim bölgeleri için yapıla - cak güneş bacası uygulamalarında da kullanılabilir Teşekkür: Bu çalışma DPT tarafından 'Güneş Bacası Đle Elektrik Enerjisi Üretimi' isimli (DPT Proje No:2003K121020)proje kapsamında desteklenmiştir KAYNAKLAR [1] Üçgül Đ, Selbaş R, Şenol R, Kızılkan Ö Güneş Güç Sistemlerinin Heliostat Alan Düzenlenmesi ve Termodinamik Analizleri, Ulıbtk 03, 14 Ulusal Isı Bilimi ve Tek Kongresi, Bildiri s , 3-5 Eylül 2003 Kitabı, Isparta [2] Kara, Ö,Yükselen hava Akımlı Rüzgar Türbinleri Đzmir Uygulaması,89 s,ege Üni Fen Bilimleri Enstitüsü, Güneş Enerjisi ABD, Yüksek lisans te - [8] Duffie, JA and Beckman, WA, ''Solar Engineering of Thermal Processes'', John Wiley & Sons Inc, New York, TJ 810, D82, 1991 [9] Schlaich, J, The Solar Chimney (Electricity from the sun ), Edition Axel Menges, 1995 [10] Dai, Y, J, Huang, H, Wang, R, Z, Case study of solarchimney power plants in Northwestern regi - on of china, renewable Energy, V28pp , 2003, Pergamon [11] Pasumarthi,N, Sherif, SA, Experimental and Theoretical performance of a Demonstration so - lar chimney model-part I: Mathematical Model Development, International Journal of Energy Research, 22, ,1998 [12] Padki, M, Sherif, SA, Ona siple analytical model for solar chimneys, Đnternational Journal of Energy Research, 23, ,1999 [13] Bernardes, MA,D,S, Voss, A, Weinrebe, G, Thermal and technical analyses of solar chimneys, Solar Energy 75, ,2003 TESĐSAT MÜHENDĐSLĐĞĐ DERGĐSĐ, Sayı 98,