YÜKSELEN HAVA AKIMLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ İZMİR UYGULAMASI

Transkript

1 EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (YÜKSEK LİSANS TEZİ) YÜKSELEN HAVA AKIMLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ İZMİR UYGULAMASI Özer KARA Güneş Enerjisi Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: Sunuş Tarihi: Tez Danışmanı: Doç. Dr. Aydoğan ÖZDAMAR / Prof. Dr. Necdet ÖZBALTA Bornova - İZMİR

2

3 Sayın Özer KARA tarafından YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak sunulan Yükselen Hava Akımlı Rüzgar Türbinleri İzmir Uygulaması adlı bu çalışma, Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği nin ve Enstitü yönergesinin ilgili hükümleri dikkate alınarak, Jüri Başkanı ;... Raportör Üye ;... Üye ;... Üye ;... Üye ;... tarafından değerlendirilmiş olup, yapılan Tez Savunma Sınavı nda aday oy birliği/oy çokluğu ile başarılı bulunmuştur.

4

5 V ÖZET YÜKSELEN HAVA AKIMLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ İZMİR UYGULAMASI KARA, Özer Yüksek Lisans Tezi, Güneş Enerjisi Anabilim Dalı Tez Yöneticisi: Doç. Dr. Aydoğan ÖZDAMAR / Prof. Dr. Necdet ÖZBALTA Eylül 2002, 72 Sayfa Fosil yakıtların çevreyi kirletmesi ve belirli bir zaman sonra tükenecek olmaları nedeniyle; insanların enerji gereksinimlerinin karşılanmasında, çevre dostu ve tükenmeyen yenilenebilir enerjilerin değerlendirilmesi son yıllarda daha da önem kazanmıştır. Bu değerlendirmede, tüm enerjilerin kaynağı olan güneş enerjisinin özel bir yeri vardır. Güneş enerjisi, çok uzun zamandan beri seralarda, güneş bacaları ile bina havalandırması ve soğutulmasında, rüzgar gülleriyle tahıl öğütme ve su pompalanmasında kullanılmaktadır. Bu üç kullanım şekli, yükselen hava akımlı rüzgar türbinlerinin üç önemli yapı taşını oluşturur. Bu çalışmada; bu sistem ayrıntılı olarak anlatılmış, temel çalışma prensipleri irdelenmiştir. Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü nde yürütülen bir proje kapsamında ölçülmüş olan güneş ışınım şiddeti ve dış ortam sıcaklığı verileri kullanılarak, yükselen hava akımlı rüzgar türbini sisteminin tasarım parametreleri, oluşturulan bir matematiksel model yardımıyla irdelenmiş ve birim enerji maliyeti hesaplanarak, sistemin İzmir e uygunluğu araştırılmıştır. Anahtar Sözcükler: Güneş Enerjisi, Rüzgar Enerjisi, Güneşli Hava Isıtıcıları, Güneş Bacası

6

7 VII ABSTRACT UPWIND SOLAR CHIMNEY APPLICATION IN IZMIR KARA, Ozer MSc in Mechanical Engineering Supervisors: Assoc. Prof. Dr. Aydoğan ÖZDAMAR / Prof. Dr. Necdet ÖZBALTA September 2002, 72 pages Solar energy is used in greenhouses, in solar chimneys in building ventilation and cooling and in wind pumping for many years. These three usage forms of solar energy are the three main components of the upwind solar chimneys also called as Aufwindkraftwerk in German. In this study, this system is explained in detail and the main working principles are observed. The solar radiation and outside temperature data were used to investigate the design parameters of various upwind solar chimney systems by developing a mathematical model. Thus, the unit energy costs of the systems were calculated to investigate the systems appropriacy in local conditions in Izmir. Keywords: Solar Energy, Wind Energy, Solar Air Heaters, Solar Chimneys

8

9 XI TEŞEKKÜR Bu konuyu önermek suretiyle bu çalışmanın oluşmasını sağlayan ve çalışma süresince benden bilgi ve birikimlerini esirgemeyen tez danışmanlarım Doç. Dr. Aydoğan Özdamar ve Prof. Dr. Necdet Özbalta ya; tez değerlendirme jürisinde yer alarak katkıda bulunan Prof. Dr. Ali Güngör e, Yrd. Doç. Dr. Serhan Küçüka ya, Prof. Dr. Metin Çolak a ve Yrd. Doç. Dr. Aytunç Erek e; hesapların yapılması sırasında programı oluşturarak hesapların yapılmasını sağlayan Araş. Gör. Dr. Mutlu Boztepe ye ve hiçbir zaman maddi ve manevi desteğini esirgemeyen eşim Uzm. Ecz. H. Burcu Kara ya teşekkürü bir borç bilirim.

10

11 IX İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...V ABSTRACT...VII TEŞEKKÜR... XI ŞEKİLLER DİZİNİ... XIII ÇİZELGELER DİZİNİ...XV SİMGELER ve KISALTMALAR...XVII 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR KONU ile İLGİLİ TEMEL BİLGİLER HAVALI TOPLAYICILAR DOĞAL TAŞINIM YÜKSELEN HAVA AKIMLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ TOPLAYICI (GÜNEŞLİ HAVA ISITICISI) BACA TÜRBİN İZMİR DE GÜNEŞ IŞINIMI, SICAKLIK ve RÜZGAR HIZI ÖLÇÜMLERİ...27

12 X 6. İZMİR UYGULAMASI HESAPLARI ve PARAMETRELERİN SİSTEM VERİMİNE ETKİSİ MATEMATİKSEL MODEL Toplayıcı (Güneşli Hava Isıtıcısı) Baca Türbin HESAP AKIŞ DİYAGRAMI BİRİM ENERJİ MALİYETİ SONUÇ ve DEĞERLENDİRME KAYNAKLAR DİZİNİ EKLER EK 1. MATLAB V5.3 DE KULLANILAN PROGRAM ÖZGEÇMİŞ... 68

13 XIII ŞEKİLLER DİZİNİ Şekil Sayfa 3.1 Tipik bir havalı toplayıcı ve bu toplayıcıya ait eşdeğer ısıl devre Manzanares-İspanya da kurulmuş olan YHART YHART çalışma prensibi YHART gündüz ve gece çalışma prensipleri YHART - toplayıcı içerisinden görünüş (Manzanares, İspanya) YHART baca şematik resmi Değişik malzemelerden yapılmış baca örnekleri Baca girişinde tek türbin, durgun halde Tek türbinli sistem ve toplayıcı konstrüksiyon detayları Baca girişinde 6 türbin yerleşim şekli Toplayıcı-baca geçiş bölgesinde yatay eksenli 36 türbin yerleşim şekli Baca girişinde 7 türbinli yerleşim şekli Ölçüm sistemi Ölçüm sistemine ait piranometre Hesaplamalara ait hesap akış diyagramı Sistemlerin birim enerji maliyetleri (BEM) Ölçülen ışınım değerlerinin, 1998 yılı aylık ortalama değerleri

14 XIV ŞEKİLLER DİZİNİ (devamı) Şekil Sayfa 8.2 Ölçülen çevre sıcaklığı değerlerin, 1998 yılı aylık ortalama değerleri Ölçülen rüzgar hızı 2 m deki değerlerin, 1998 yılı aylık ortalama değerleri Hesap edilen sistemlere ait aylık ortalama elektriksel güç değerleri Hesap edilen sistemlere ait aylık ortalama toplayıcı verimi Hesap edilen sistemlere ait aylık ortalama sistem verimi Ölçülen güneş ışınımının mevsimsel değişimi Hesaplanan bacadaki hız değerlerinin mevsimlere göre değişimi Hesaplanan baca basınç farkı değerlerinin mevsimlere göre değişimi Üretilen elektriksel gücün değerlerinin mevsimlere göre değişimi Toplayıcı veriminin mevsimlere göre değişimi Toplam verimin mevsimlere göre değişimi Seçilen sistemin saatlik bazda yıllık ortalama enerji üretim miktarı Seçilen sistemin saatlik bazda yıllık ortalama toplayıcı verimi Seçilen sistemin saatlik bazda yıllık ortalama sistem verimi....55

15 XV ÇİZELGELER DİZİNİ Tablo Sayfa 2.1 YHART tipik ölçüleri Ölçüm sistemi elemanları Ölçüm yerinin özelliklerine bağlı olan Hellmann katsayısının değişimi Sistemlerin ilk yatırım maliyetleri Sistemlerin birim enerji maliyetleri (BEM) Ölçüm verilerinin aylık ortalamaları Hesaplamada kullanılan sistem boyutları Her ayı temsil eden gün için hesaplanan güç değerinin saatlik değişimi... 58

16

17 XVII SİMGELER VE KISALTMALAR Simge Açıklama α β ε η yüzey yutma katsayısı ısıl genleşme katsayısı yüzey yayma katsayısı verim ρ yoğunluk (kg/m 3 ) σ Stephan-Boltzman sabiti (W/m 2 K 4 ) τ ν geçirgenlik kinematik viskozite (m 2 /s) A alan (m 2 ) c p D d özgül ısı (J/kgK) çap (m) izolasyon kalınlığı (m) F toplayıcı verim faktörü F F R g Gr H toplayıcı akış faktörü toplayıcı ısı kayıp faktörü yerçekimi ivmesi (m 2 /s) Grashof sayısı yükseklik (m)

18 XVIII SİMGELER ve KISALTMALAR (devamı) Simge Açıklama h film ısı transfer katsayısı (W/m 2 K) h w rüzgarla ısı taşınım katsayısı (W/m 2 K) I güneş ışınımı (W/m 2 ) k L m Nu P Pr ısıl iletkenlik (W/mK) toplayıcı yüksekliği (m) kütlesel debi (kg/s) Nusselt sayısı güç (W) Prandtl Sayısı q u yararlı ısı (W/m 2 ) Ra Rayleigh sayısı S yutulan ışınım miktarı (W/m 2 ) T sıcaklık (K) U ısı transfer katsayısı (W/m 2 K) V hız (m/s)

19 XIX SİMGELER ve KISALTMALAR (devamı) Alt Simge Açıklama c ç y a r top böl izo s d cam çevre yer yüzeyi, yutucu yüzey akışkan radyasyon toplayıcı bölge izolasyon statik dinamik

20

21 1 1. GİRİŞ Günümüz enerji üretim teknolojileri, büyük oranda katı (kömür vs.) ve petrol kökenli yakıtların kullanımına dayalıdır. Bu teknolojiler, çevreye zararlı olmakla birlikte, yakın zamanda tükenecek olan kaynakları kullanmaları sebebiyle, tüketime dayalı teknolojiler olarak görülmektedirler. Gelişmekte olan ülkelerin birçoğunda adı geçen bu enerji kaynakları, tek başlarına yeterli olmamaktadır. Nükleer bazlı enerji üretim teknolojileri ise, taşıdıkları riskler sebebiyle kullanılmamakta veya çok az kullanılmaktadır (Kara, 2000). Dünyada enerji tüketiminin nüfus artışları ve gelişen teknolojiye bağlı olarak artması, bugün kullanılan enerji kaynaklarına ihtiyacın artmasına sebep olmaktadır. Kara (2000) ya göre: Bugün, dünyada, yılda yaklaşık 8 milyar ton petrol eşdeğeri enerji tüketilmektedir. Tüketilen bu enerjinin %90 ını fosil kökenli enerji kaynakları oluşturmaktadır. Bunların da başlıcaları kömür, petrol ve doğalgazdır. Petrolün kullanımdaki payı %40, kömürün payı %27, doğalgazın payı da %23 tür. Geri kalan %10 luk kısmın %7,5 kadarı nükleer ve %2,5 kadarı da hidrolik kaynaklardır. Bugünkü tüketim seviyesi ile fosil kökenli enerji kaynaklarının, dünyaya ortalama 90 yıl kadar daha yeteceği tahmin edilmektedir (Kara, 2000). Ayrıntılı olarak incelendiğinde, nükleer enerjinin kaynağı olan uranyum 50 yıl, petrol 44 yıl, doğal gaz 64 yıl ve kömür 185 yıl sonra tükenecektir ( Özdamar dan, 2001). Ancak nüfus artışları, dolayısıyla kullanımdaki artışlar da dikkate alındığında bu süre yıla kadar düşer. Bu bilgilerden şöyle bir sonuca varmak mümkündür; yeni kaynakların bulunması bir yana, enerji konusunda yeni

22 2 teknolojiler üretilmediği takdirde, dünya için çok büyük sıkıntılar ortaya çıkacaktır (Kara, 2000). Bu problemin çözümü, bugün kullanılan fosil kökenli yakıtlara alternatif olabilecek, aynı zamanda çevreye etkisi minimum olan enerji kaynaklarının kullanılmasında yatmaktadır. Doğru yol; güneş, rüzgar, biyokütle, hidrolik, dalga ve jeotermal enerjilerden oluşan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımıdır. Schlaich (1994), bu konuda şöyle demektedir: Güneş enerjisinin kullanımı, özellikle güneşçe zengin bölgeler için doğru çözümdür. Bu güneşçe zengin yerlerdeki çözüm, çevre kirletiminin azalması anlamına geldiği için, tüm yeryüzü için yararlıdır. Ayrıca, güneşçe zengin ülkeler kendi kullanımlarından arta kalan güneş enerjisini endüstrileşmiş kuzey ülkelerine ihraç edebilirler. Güneş enerjisi, zamanımızın bir çok acil problemini çözer. Son yıllarda, yukarıda bahsedilen sebeplerin de etkisiyle, yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik araştırma-geliştirme faaliyetlerinde ve bunların enerji üretiminde kullanımlarında belirgin bir artış gözlenmektedir. Görülüyor ki, bu eğilim artarak devam edecektir. Örneğin, 2050 yılında, dünya enerji tüketiminin %50 sinin yenilenebilir enerji kaynaklarından sağlanacağı tahmin edilmektedir (Özdamar, 2000). Bugün güneş enerjisinden elektrik eldesi söz konusu olduğunda, sadece güneş pilleri konuşulmaktadır. Bu sistemler ile 1 kwh elektrik enerjisinin maliyeti, yaklaşık 2 DM tır. Bu da güneş elektriği üretiminin en azından şimdilik- geçerli bir çözüm olmadığı yanıltıcı sonucuna neden olmaktadır (Schlaich, 1994). Ancak gelişen teknoloji ile birlikte bu konuda da maliyetlerin zamanla oldukça düşmesi, beklenen bir durumdur.

23 3 Yükselen hava akımlı rüzgar türbin(ler)i (YHART), güneş ve rüzgar enerjilerinin birlikte kullanıldıkları bir enerji dönüşüm sistemidir. Güneş ve rüzgar enerjisinin birlikte kullanıldığı sistemler, YHART ile sınırlı değildir. Bu tür sistemlerden bir sonraki bölümde daha açık olarak bahsedilecektir. Bir YHART sisteminin elemanları; cam çatılı toplayıcı, baca ve rüzgar türbinidir. Sistem, güneş enerjisi, rüzgar enerjisi ve güneşli hava ısıtıcıları teknolojilerini birleştirerek her üçünü aynı anda kullanan bir alt yapıya sahiptir. Bu çalışmada; bu sistem ayrıntılı olarak anlatılmış, temel çalışma prensipleri irdelenmiştir. Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü nde yürütülmüş olan İzmir Bornova da Güneş Radyasyon Verilerinin Analizi adlı proje kapsamında ölçülmüş olan güneş ışınım şiddeti ve dış ortam sıcaklığı verileri kullanılarak (Özbalta ve ark., 2000), yükselen hava akımlı rüzgar türbini sisteminin tasarım parametreleri, oluşturulan bir matematiksel model yardımıyla irdelenmiş ve birim enerji maliyeti hesaplanarak, sistemin İzmir e uygunluğu araştırılmıştır.

24 4 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Değişik yenilenebilir enerji kaynağını bir arada kullanarak elektrik enerjisi üretme amacını taşıyan YHART sistemi, bu yönüyle daha önce yapılmış bazı çalışmalarla paralellik gösterir. Güneş ve rüzgar enerjilerinin elektrik üretiminde eşzamanlı olarak kullanımı, iki enerji kaynağının birbirlerini kompanze etmesi dolayısıyla, doğal olarak araştırmacıların ilgisini çekmiştir. Bilindiği gibi, rüzgar enerjisi olsun, güneş enerjisi olsun, süreksizdirler; var oldukları sürece elektrik enerjisi elde etmek mümkündür. Ancak, güneşin az olduğu kış aylarında rüzgarın var olması, tam tersi olarak rüzgarın az olduğu yaz aylarında güneşin daha çok olması, bu iki enerji kaynağının birlikte kullanıldıklarında sahip olukları süreksizliklerin giderilebileceği fikrinin ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Örneğin, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü nde yapılan çalışmalar, bu iki enerji kaynağının birlikte kullanıldıklarında oldukça verimli sonuçların elde edilebildiğini göstermiştir (Özdamar ve ark., 2000; Çolak ve ark., 2002). YHART teknolojisi, temel olarak güneş bacaları teknolojisine dayanır. Teknolojinin alt yapısı, ısınan ve dolayısıyla yoğunluğu azalan havanın hareketinden faydalanarak enerji içeriğini kullanmaya yöneliktir. Güneş bacaları, doğal havalandırma sistemlerinde ve gıda kurutma işlemlerinde kullanılmaktadır. Son yıllarda, özellikle bina havalandırma amacıyla kullanılan güneş bacaları üzerine değişik çalışmalar yapılmıştır (Barozzi et al., 1992; Bouchair, 1994; Bansal et al., 1993; Pasumarthi and Sherif den, 1998) ve bu tür çalışmalar hala yapılmaya devam etmektedir. YHART fikri, ilk olarak 1970 li yıllarda Prof. J. Schlaich tarafından ortaya atılmış ve bundan kısa bir süre sonra ise 50 kw nominal güçte pilot bir tesisin yapımına Manzanares, İspanya da başlanmıştır. Bu çalışmanın da bir nevi temelini oluşturan tesis, Alman

25 5 hükümeti ve İspanyol bir firmanın ortak girişimleriyle kurulmuştur (Bkz. Şekil 3.1). Tasarımı ve teorik çözümlenmesine 1980 yılında başlanan tesisin yapım, devreye alma ve deneme safhaları üç yıl sürmüş ve bundan sonra yapılan iyileştirmelerle, tesis, 1989 yılına kadar enerji üretmiştir (Schlaich, 1994; Pasumarthi and Sherif, 1998). Sistemle ilgili temel araştırmalar ve sistemin enerji dengesi, tasarım kriterleri ve ekonomik analizi gibi bilgiler, Haaf et al. (1983) tarafından yayınlanmış ve daha sonraki bir çalışmada, İspanya da kurulu sistemin ilk test sonuçları, Haaf (1984) tarafından duyurulmuştur. Değişik kapasitede YHART için birtakım ölçüler Haaf et al. (1984) tarafından verilmiş ve Tablo 2.1 de gösterilmiştir (Haaf et al., 1984; Pasumarthi and Sherif den, 1998). Tablo 2.1 YHART tipik ölçüleri (Haaf et al., 1984; Pasumarthi and Sherif den, 1998). Güç (MW) Toplayıcı çapı (m) Baca yüksekliği (m) Baca çapı (m) Toplayıcıdaki sıcaklık artışı ( 0 C) 25,6 31,0 35,7 Baca içerisinde hız (m s -1 ) 9,1 12,6 15,8 Toplam basınç (Pa) 383,3 767,1 1100,5 Ortalama verim Toplayıcı (%) 56,24 54,72 52,62 Baca (%) 1,45 2,33 3,10 Türbin (%) 77,00 78,30 80,10 Toplam (%) 0,63 1,00 1,31 YHART nin toplam veriminin eldesi üzerine yapılan analizler, Mullet (1987) tarafından yayınlanmıştır. Padki ve Sherif (1988) ise

26 6 sistem performansının belirlenmesinde kullanılabilecek bazı denklemler türetmişlerdir. Sistem hava debisi, hava hızı, üretilen güç ve verim üzerine pratik korelasyonların kullanıldığı, oldukça kapsamlı bir analitik model üzerine çalışmalar, Yan et al. (1991) tarafından yapılmıştır. Konu üzerine yakın zamanlarda yapılan çalışmalardan birinde ise, Florida Üniversitesi tarafından Florida da kurulan bir sitem üzerinde analitik bir model geliştirilmiş, sistem analitik olarak çözülmüş, daha sonraki aşamada ise prototip seviyesinde bir sistem kurulmuş, sistemde sıcaklık ölçümleri yapılarak analitik model ile uygunluğu tartışılmıştır (Pasumarthi and Sherif, 1998). YHART tasarısı ve teorisinde türbin, baca girişinde yer almaktadır. Sözü edilen çalışmada ise toplayıcı ve baca arasında kademeli bir geçiş düşünülmüş; baca, hava hızını arttırmak amacıyla daralan bir yapıda tasarlanmış ve türbinin, hava hızının en yüksek olduğu yer olan baca çıkışına yerleştirilmesi planlanmıştır. Burada dikkat edilmesi gereken nokta şudur; prototip sistemde sadece sıcaklıklar belirlenmiş, sistemden elde edilebilecek güç analitik model kullanılarak hesaplanmıştır. Bu ebatta bir sistem için (baca yüksekliği 7,92 m) baca çıkışına türbin yerleştirmek problem teşkil etmeyebilir. Ancak gerçekte, kurulan bu tip bir sistemin baca yüksekliği göz önüne alındığında ( m), böyle bir yüksekliğe türbin yerleştirmenin kolay ve ekonomik olmayabileceği akıldan çıkarılmamalıdır. Günümüzde, YHART ile ilgili akademik ve deneysel bazda çalışmalar devam etmektedir. En son bilgiler, Avustralya da böyle bir sistemin kurulma hazırlıklarının yapıldığı ve sistemin yıllarında elektrik üretimine başlayacağı yönündedir. Kurulması düşünülen sistemin 1000 m lik baca yüksekliğine ve 2500 m lik toplayıcı çapına sahip olacağı bildirilmektedir.

27 7 3. KONU ile İLGİLİ TEMEL BİLGİLER YHART nin incelenmesinde, ısı transferi ile ilgili bazı temel bilgilere gereksinim duyulmaktadır. Bu nedenle, bu bölümde, çalışma kapsamında kullanılan, ısı transferi ile ilgili bazı temel bilgiler kısaca verilecektir Havalı Toplayıcılar Havalı toplayıcılarda, sıvılı toplayıcılardan farklı olarak, ısı transfer akışkanı havadır. Toplayıcı, saydam bir örtü (genelde cam) ve bu örtüye belli bir mesafedeki yutucu bir yüzeyden oluşur. Basit yapılı sıvılı toplayıcılarda yutucu yüzey içerisinde veya üzerinde bulunan akış kanalları, havalı toplayıcılarda bulunmaz. Hava, örtü ile yutucu yüzey arasındaki boşluktan akar. Tipik bir havalı toplayıcının kesit görünümü ve eşdeğer ısıl devresi, Şekil 3.1 de görülmektedir. Şekil 3.1 Tipik bir havalı toplayıcı ve bu toplayıcıya ait eşdeğer ısıl devre (Duffie and Beckman, 1980).

28 8 Havalı toplayıcılarda yutucu yüzey tarafından absorbe edilen güneş enerjisi, yutucu yüzeyi T y sıcaklığına kadar ısıtır. Enerji, geri kayıp katsayısı U b ile çevreye, h 2 taşınım katsayısı ile T a sıcaklığındaki akışkana ve h r ışınım katsayısı ile cam örtünün alt yüzeyine transfer edilir. Aynı zamanda enerji, h 1 taşınım katsayısıyla akışkandan cam örtüye ve son olarak da bileşik taşınım ve ışınım katsayısı U t ile kayıp olarak çevreye aktarılır. Burada U t nin birden fazla cam örtü kaplanmış sistemler için de geçerli olacağı not edilmelidir. Cam örtü, yutucu yüzey ve akışkan için enerji dengesi denklemleri kurulduğunda, sırasıyla aşağıdaki denklemler elde edilir: ( ) ( ) 1 ( ) U T T + h T T + h T T, (3.2.1) t ç c r y c a c ( ) ( ) ( ) S+ U T T + h T T + h T T =, (3.2.2) b ç y 2 a y r c y 0 ( ) ( ) h T T + h T T = q. (3.2.3) 1 c a 2 y a u Yukarıdaki üç denklem, yararlı ısı U t, h 1, h 2, h r, T a ve T ç nin bir fonksiyonu olacak şekilde çözülmelidirler. Bir başka deyişle, T y ve T c elimine edilmelidir. İlk iki denklemin (T y T a ) ve (T c T a ) için çözülmesiyle, ( Ty Ta) ( t + r + 1) ( a ç)( t r + t b + b r + b 1) 2 ( U + h + h )( U + h + h ) h SU h h T T Uh UU Uh Uh = t r 1 b 2 r r (3.2.4) ve ( T T ) c a ( )( 2 ) 2 ( U + h + h )( U + h + h ) h hs T T UU+ Uh+ Uh+ Uh = r a ç t b t t r b r t r 1 b 2 r r (3.2.5) elde edilir. Bu iki denklem, yararlı ısı denkleminde yerine konur ve denklem yeniden düzenlenirse,

29 ( ) q = F S U T T u L a ç 9 (3.2.6) elde edilir. Burada, F = hh + hu + hh + hh U h h U h h h r 1 2 t 2 r t + r + 1 b r r ( )( ) (3.2.7) ve U L = ( U + U )( hh + hh + hh ) + U U ( h + h ) b t r 2 r b t 1 2 hh + hu + hh + hh 1 r 2 t 2 r 1 2 (3.2.8) dır. Burada U L, sadece cam örtünün üst yüzeyinden olan kayıp katsayısı değildir ve yutucu yüzey ile cam örtünün alt kısmı arasındaki ısı transferini de kapsamaktadır. U L denklemi, ısı transfer akışkanının saydam bir örtü ile temas halinde olduğu her durum için, burada yapılana benzer bir yol izlemek suretiyle yeniden düzenlenmelidir Doğal Taşınım Doğal taşınım, akışkan içerisinde oluşan kaldırma kuvveti etkisiyle meydana gelir. Burada akışkan, ısı transfer yüzeyi tarafından veya içerisinden harekete zorlanır ve akışkanın hareketi, ısı transferi ile oluşan yoğunluk farkından dolayıdır. Akışkan ister gaz ister sıvı olsun, ısı transfer yüzeyinden akışkana aktarılan ısı sebebiyle yoğunluk azalmasına maruz kalır. Bu yoğunluk farkı, akışkan üzerinde bir kaldırma kuvveti oluşturur ve doğal, veya serbest, taşınımla ısı transfer mekanizması bu şekilde gerçekleşir. Gerçekte doğal taşınım, zorlanmış taşınımın yanında oldukça düşük akış hızları ile oluştuğundan, çoğunlukla daha yavaş gerçekleşir. Bunun sonucu olarak doğal taşınım, genelde pek dikkate alınmaz. Ancak birçok uygulamada ısı transferine azımsanmayacak derecede bir direnç oluşturur

30 10 ve bu nedenle sistem tasarımında ve performansında oldukça önemli rol oynar (Incropera ve DeWitt, 2001). Doğal taşınım oldukça geniş bir konu olduğundan, burada sadece iki paralel yatay levha arasındaki doğal taşınım hakkında kısaca bilgi verilecektir. Doğal taşınımda ısı transfer verileri genellikle iki veya üç boyutsuz parametre cinsinden korele edilirler, Nusselt sayısı, Nu, Rayleigh sayısı, Ra ve Prandtl sayısı, Pr (Duffie and Beckman, 1980). Bu sayılar, ve hl Nu =, (3.3.1) k 3 gβ TL Ra = (3.3.2) υα Pr υ = (3.3.3) α ile verilir. Bazı kaynaklarda kullanılan Grashof sayısı ise, Ra Gr = (3.3.4) Pr ile verilir (Holman, 1997). Bu denklemlerde havanın fiziksel özellikleri, ortalama sıcaklığa göre belirlenmelidir (Duffie and Beckman, 1980). Havanın kullanıldığı deneysel bir çalışmada, Nusselt ve Rayleigh sayıları arasındaki ilişki için,

31 11 ( β ) 1, sin1, Nu = 1+ 1, Ra cos β Ra cos β 13 Ra cos β (3.3.5) şeklinde bir denklem önerilmiştir (Hollands et al., 1976; Duffie and Beckman dan, 1980). Burada köşeli parantezlerdeki (+) üssü, parantez içinin sadece pozitif olduğu durumlarda hesaba katılacağını, aksi durumda sıfır alınacağını belirtir. Bu denklem, arası eğimlerde yerleştirilen yüzeyler için kullanılabilmektedir.

32 12 4. YÜKSELEN HAVA AKIMLI RÜZGAR TÜRBİNLERİ YHART nin, çok yeni bir konu olmamasına rağmen, nedense çok fazla kişi tarafından üzerinde çalışılmayan bir konu olması, dikkat çekicidir. Bunun sonucu olarak, konu hakkında doyurucu bilgilere sahip kaynaklara ulaşmak, ne yazık ki oldukça zordur. Bu sebeple konunun bu bölümü, ağırlıklı olarak, konu hakkındaki en kapsamlı kaynak olduğu düşünülen Das Aufwindkraftwerk isimli kitap kullanılarak hazırlanmıştır (Schlaich, J., 1994, Das Aufwindkraftwerk, Deutsche Verlags-Anstalt, Stuttgart, 55 s.). Güneş enerjisi çok uzun zamandan beri seralarda, bina havalandırması ve soğutulmasında güneş bacalarında, rüzgar gülleriyle tahıl öğütme ve su pompalanmasında kullanılmaktadır. Güneş enerjisi teknolojisinin kabul görebilmesi için, basit ve güvenilir olmalı, soğutma tertibatına ihtiyaç duymamalı ve çevreye atık ısı vermemeli, çevreye zararsız, tükenmeyen kaynakları kullanmalı ve güneşçe zengin, genellikle hammadde yoksulu olan ve teknolojisi az gelişmiş ülkelerde üretilebilir olmalıdır (Schlaich, 1999). Yukarıda bahsedilen üç kullanım şekli (güneş, rüzgar ve seralar), YHART nin üç önemli yapı taşını oluşturur. Solartermik YHART ile bu teknolojiler, sadece modern bir şekilde birleştirilerek kombine edilmişlerdir (Şekil 4.1).

33 13 Şekil 4.1 Manzanares-İspanya da kurulmuş olan YHART (Schlaich, 1994). Böyle bir sistemin elemanları; güneşli hava ısıtıcısı, baca ve rüzgar türbinidir. Çevresi açık, düz ve dairesel veya dairesele yakın formda bir cam çatının altında hava, güneş enerjili hava ısıtıcısının çalışma prensibine benzer bir şekilde, güneş ışınımı ile ısınır. Çatının ortasında, tabanında büyük hava açıklıkları bulunan düşey bir baca bulunur. Çatı, baca tabanından olması muhtemel hava kaçaklarını önlemek amacıyla yalıtılmıştır. Böylece sıcak hava, yoğunluğu soğuk havanınkinden daha düşük olduğundan, bacada yukarı doğru hareketlenir. Sıcak hava bacada yükselirken, soğuk hava cam çatının açık kesiminden içeriye doğru akar. Bu şekilde, güneş ışınımı bacada sürekli bir hava akımı yaratır. Bu sıcak havanın enerji içeriği, bacanın tabanına yerleştirilmiş bir rüzgar türbini yardımıyla mekanik enerjiye ve nihayet jeneratörlerle elektrik enerjisine dönüştürülür (Şekil 4.2).

34 14 Sistem, modern rüzgar türbinlerinde yaşanan Rüzgar yoksa enerji de yok! problemine maruz kalmaz; çünkü sistemde, büyüklüğü değişken de olsa, sürekli bir hava akımı mevcuttur. Buna ek olarak, sistemdeki hava akımının doğrultusu sürekli sabit olduğundan, modern rüzgar türbinlerinde mutlaka olması gereken karmaşık ve dolayısıyla pahalı rüzgar izleme sistemlerine de ihtiyaç yoktur. Bunlar, gerçekte bu sistemin çekici yanını oluştururlar (Padki and Sherif, 1999). Şekil 4.2 YHART çalışma prensibi (Schlaich, 1994; Toplayıcı tabanına, gün içerisinde gelen güneş enerjisini depolayabilecek içi su dolu siyah borular, absorber bir yüzey veya güneş havuzları gibi değişik eklemeler yapmak suretiyle gece çalışması da sağlamak mümkündür. Bu sayede, tüm gün ve daha stabil çalışma koşulları elde edilebilir (Şekil 4.3 (a), (b)). Ancak, buna bu çalışmada değinilmeyecektir. Bir YHART, uygun büyüklükte bir cam çatı alanı ve uygun yükseklikte bir baca ile MW lık güç üretebilir. Böylece, büyük

35 bir Nükleer Santralin yerini daha az sayıda yükselen hava akımlı rüzgar türbini alabilir (Schlaich, 1994). 15 Gündüz Gece (a) (b) Şekil 4.3 YHART gündüz ve gece çalışma prensipleri; (a) gündüz çalışması, (b) gündüz depolana enerji ile gece çalışması (Schlaich, 1994; Basit fonksiyonellikleri yanında, yükselen hava akımlı rüzgar türbinlerinin diğer önemli avantajları, şu şekilde sıralanabilir: - cam çatılı toplayıcı, güneş ışınımının tamamını kullanır (yayılı + direkt), - toplayıcının tabanı, doğal bir enerji depolayıcı gibi davranır (gece de enerji üretimi devam eder), - geleneksel güç sistemlerinden farklı olarak soğutma suyuna ihtiyaç yoktur, - sistemde çok az sayıda hareketli parça bulunduğundan, diğer elektrik üretim sistemleri ile mukayese edildiğinde çok daha güvenlidir (Schlaich, 1994). YHART sistemlerinin görünen en büyük dezavantajı, bu büyüklükte bir tesisin her yere kurulamayacağıdır. Ancak, ülkemizin coğrafi yapısı ve meteorolojik koşulları göz önüne alındığında, YHART nin kurulabilmesine uygun birçok düzlük alana sahip olduğu görülebilir.

36 16 YHART, kendisini oluşturan üç ana bileşenin ayrı ayrı incelenmesi yoluyla daha rahat açıklanabilir: (1) toplayıcı (güneşli hava ısıtıcısı), (2) baca ve (3) türbin (Padki and Sherif, 1999) Toplayıcı (Güneşli Hava Isıtıcısı) Yükselen hava akımlı rüzgar türbinlerinde sıcak hava, sera etkisi yardımıyla, basit bir havalı toplayıcı ile elde edilir. Toplayıcı, yerden 2-6 m yüksekliğinde cam veya güneş geçirgen folyodan oluşur (Şekil 4.4). Baca girişinde yükseklik, havanın düşey doğrultuda sürtünme kayıpları olmadan yön değiştirebilmesi amacıyla, en dıştaki yükseklikten daha fazladır. Cam örtü, güneş ışınımının kısa dalga boylu olanlarını geçirir, ancak uzun dalga boylu olan ve sıcak yer yüzeyinden yansıyanları geçirmez. Bu şekilde, çatının altında kalan yer yüzeyi ısınır ve ısısını bacaya doğru akmakta olan havaya verir. Bu yapıda bir toplayıcı çatısı, uzun bir ömre sahiptir. Sürekli bakım altında 60 yıl ve daha fazla görevini yerine getirebilir (Schlaich, 1994). Bu tür bir düz toplayıcı, içeride akan havanın debisine bağlı olarak güneş enerjisinin %70, yıllık ortalama olarak da % 50 sini ısı enerjisine dönüştürür. Çatının altındaki yer yüzeyi, aynı zamanda doğal ve maliyetsiz (bedava) enerji depolayıcısı olarak hizmet eder. Bacaya yaklaştıkça hava sıcaklığı arttığından, bacaya yakın bölgelerde cam örtüden dış havaya olacak ısıl kayıpları engellemek amacıyla, tek yerine çift cam örtü kullanılabilir.

37 17 Şekil 4.4 YHART - toplayıcı içerisinden görünüş (Manzanares, İspanya) (Schlaich, 1994). Toplayıcı ve bacanın bir araya getirilmesi ile, hava debisinin kendi kendine ayarlanması söz konusudur. Güneş ışınımı veya sıcaklık artımı ne kadar az ise, toplayıcı verimi o kadar iyi olur. Bu, gün akışı içerisinde çok dengeli bir işletmeye imkan tanır. Bu durum, türbinlerin düzenli bir şekilde dönmesini sağlar ve bu sayede türbinler, çok küçük basınç değişimlerine maruz kalırlar. Bu da, türbin ömrünün uzaması anlamına gelir. Böylece bir YHART nin toplayıcısı; ekonomikliği (basit yapısı nedeniyle düşük yatırım giderleri ve yüksek ömür), basit işleyişi (çalışma akışkanı olarak hava kullanılması ve debinin kendiliğinden ayarlanması) ve yüksek enerji verimliliği ile kendini gösterir.

38 Baca Baca, YHART nin gerçek ısı makinesidir ve optimum yüzey alanıhacim oranı nedeniyle -bir hidrolik tesisin basınç borusuna benzer şekilde- sürtünme ve kayıpları oldukça düşük bir basınç borusudur (Şekil 4.5). Toplayıcıda ısınan havanın kaldırma kuvveti, ilk yaklaşımla, havanın toplayıcıda oluşan sıcaklık artımı T ve hacim ile (yani H baca ve D baca ile) doğru orantılıdır. Büyük bir YHART nde, hava sıcaklığı, toplayıcı içerisinde 35 0 C kadar yükselebilir. Bu şekilde, bacada V baca =15 m/s rüzgar hızı oluşur. Yani bir YHART, çalışmaktayken de kolayca bakıma alınabilir. Isı enerjisinin hareket enerjisine dönüşüm oranı olan baca verimi, toplayıcıdaki havanın sıcaklığının artımından pratik olarak bağımsızdır ve büyük ölçüde dış sıcaklık T çevre ve baca yüksekliği H baca tarafından belirlenir. T çevre ne kadar düşük ve H baca ne kadar büyükse, baca verimi o kadar yüksektir. Yani, YHART nden, özellikle küçük hava sıcaklığı artımlarında (ki bu geceleyin yerin ısı enerjisi vermesiyle oluşur) ve soğuk kış günlerinin düşük güneş ışınımı şiddetinde bile iyi yararlanılır. Baca verimi, toplayıcı ve türbin verimleri ile kıyaslandığında düşüktür ve bu yüzden YHART nin verimlerini belirleyen büyüklüktür. Bu yüzden baca yüksekliği H baca olabildiğince yüksek seçilmelidir. Örneğin, 1000 m yüksekliğinde bir bacada verim, % 3 ün üzerindedir. Büyük bir baca yapmak, bir çok küçük baca yapmaktan inşaat giderleri açısından da daha iyidir. Bunu şu şekilde ilginç bir örnekle açıklamak mümkündür; birçok küçük balonun toplam kaldırma kuvvetine eşit büyüklükte kaldırma kuvvetine sahip büyük bir balon düşünülsün. Büyük balonun yüzey alanı, küçük balonların sahip oldukları toplam yüzey alanından daha küçüktür ve büyük balon, diğer küçük balonların toplamından daha ucuzdur.

39 m yüksekliğindeki bacalar, bugün problemsiz bir şekilde inşa edilebilirler. Kanada Toronto daki 600 m yüksekliğe sahip televizyon kulesinin ve deprem ülkesi Japonya da 2000 m yükseklikte gökdelenlerin ciddi bir şekilde planlanmak suretiyle inşa edilebilmesi, buna en iyi örnekleri teşkil eder. YHART nde, genelde istenen daha az isteğe cevap verebilen yani kaba bir şekilde inşa edilmiş- büyük çaplı basit baca boruları kullanılabilmektedir. Şekil 4.5 YHART baca şematik resmi (Schlaich, 1994;

40 20 Yüksek bacalar için değişik yapı türleri uygulanabilir; en iyisi ankastre betonarmedir. Bir betonarme kulenin ömrü, kuru bir iklimde en az 100 yıldır (Schlaich, 1994). Fakat gerdirmeli çelik borular da baca malzemesi olarak kullanılabilir. Malzemesi ne olursa olsun bacaların imalatı, bilinen genel tekniklere dayanmakta ve herhangi bir özel imalat gerektirmemektedir (Şekil 4.6 (a), (b), (c)). (a) (b) (c) Şekil 4.6 Değişik malzemelerden yapılmış baca örnekleri; (a) gerdirmeli membran baca, (b) betonarme baca, (c) gerdirmeli trapez levha baca (Schlaich, 1994) Türbin Bacadaki dikey hava akımı, türbin(ler) yardımıyla, dönme formundaki mekanik güce dönüştürülebilir (Şekil 4.7). YHART, serbest rüzgar türbinleri gibi hız kademeli çalışmazlar, basınç kademeli rüzgar turbo jeneratörleri gibi çalışırlar, ki bunlarda hidrolik güç tesislerinde olduğu gibi borudaki statik basınç kullanılır. Böyle basınç kademeli türbinlerden elde edilen enerji, aynı çaplı hız kademeli serbest bir türbininkinden yaklaşık 8 kat daha fazladır. Türbin öncesi ve sonrası

41 21 hava hızları yaklaşık olarak eşittir. Elde edilen güç, hacimsel debi ve türbindeki basınç düşümünün çarpımı ile orantılıdır. Türbin kontrol konseptinin maksimum enerji eldesi açısından hedefi, bu ürünü tüm işletme şartlarında maksimumda tutmaktır. Şekil 4.7 Baca girişinde tek türbin, durgun halde (Manzanares, İspanya) (Schlaich, 1994). Türbin, kanat açısı ayarı ile hava hızını ve debiyi ayarlar. Eğer kanatlar yatay konumda iseler, türbin dönmez. Kanatların dikey oldukları durumda ise hava etkilenmeden türbini geçer ve türbindeki basınç düşümü sıfırdır; yani elektriksel güç elde edilmez. Bu iki pozisyon arasında optimum bir kanat açısı konumu mevcuttur; eğer türbindeki basınç düşümü, toplam mevcut basınç farkının 2/3 ü ise, elde dilebilecek güç maksimum olur (Schlaich, 1994).

42 22 Eğer hava akımı engellenirse havanın ısınma süresi uzar, böylece toplayıcıdaki sıcaklık artımı yükselir. Bunun sonucunda, yer depolamasında artış olur ve daha güçlü gece gücü oluşur, fakat daha büyük toplayıcı kayıpları meydana gelir (Schlaich, 1994). Türbinler, genel olarak baca ayağına yerleştirilirler (Bkz. Şekil 4.7). Düşey eksenli türbinler, sağlam ve sessizdirler. Ya tüm baca enine kesitlerini kanatlarıyla kapatan bir türbin seçilir, ya da baca çevresine dağıtılmış 6 küçük türbin seçilir, ki bu durumda her bir türbinin kanat uzunluğu, baca çapının 1/6 sına denk gelir. Buna uygun olarak baca ayağındaki hava yönlendirme kanalları, 1 veya 6 türbin olmasına göre yapılır. Daha fazla türbinin kullanıldığı durumda türbinler, ön çatı ve baca arasındaki geçiş bölgesinde dağıtılmış olarak yerleştirilebilir. Bu, soğutma kulesi vantilatörlerinde kullanılan bir sistemdir. Buna göre geçiş bölgesinde çevre boyunca 36 adet türbin, yatay eksenli olarak yerleştirilirler. Bir başka türbin yerleşim alternatifi de, 7 türbinli sistemdir. Bu sistemde, 6 türbine ek olarak 7. türbin, bacanın merkezine yerleştirilir. Bu türbin üzerinden akacak hava, baca girişindeki hava yönlendirme kanallarında, tabanda bir hava boşluğu bırakılmak suretiyle elde edilir. Her durum için baca ayağı ve destekleri, farklı olarak tasarlanırlar. Bunlara ait örnek yerleşim şekilleri ve detaylar, Şekil de görülmektedir.

43 23 Şekil 4.8 Tek türbinli sistem ve toplayıcı konstrüksiyon detayları; (a) çelik taşıyıcılar (L=9 m), (b) beton temel, (c) çelik kirişler, (d) yassı çelik ankastreler, (e) gergiler, (f) 4 mm cam tek (baca girişinde çift) kat (Schlaich, 1994).

44 24 Şekil 4.9 Baca girişinde 6 türbin yerleşim şekli (Schlaich, 1994)

45 25 Şekil 4.10 Toplayıcı-baca geçiş bölgesinde yatay eksenli 36 türbin yerleşim şekli (Schlaich, 1994). Jeneratör ve dişli, geleneksel yapıda ve alışılagelmiş tiptedirler. Kanatların, göbeğin ve ayar mekanizmalarının, serbest rüzgar türbinleri için tipik olan kritik dinamik yükleri, YHART nde olmazlar çünkü ön çatı basınç ve hız değişimlerini dengelemektedir (ön çatı tampon görevi

46 26 görür). Bu yüzden, bu parçalar basit konstrüksiyonlu olarak üretilebilirler ve ucuzdurlar. Şekil 4.11 Baca girişinde 7 türbinli yerleşim şekli; 7.ci türbin merkezde ve hava yönlendirme kanallarının altında hava boşlukları (Schlaich, 1994). YHART sistemlerinde kullanılan türbinler, Kaplan tipi türbinlerdir. Kaplan türbinleri, kanatları türbin mili içerisinden çark gövdesine erişen bir kumanda tertibatı vasıtasıyla, mil eksenine dik bir eksen etrafında kumanda edilmek suretiyle döndürülebilen türbinlerdir. Genellikle, büyük debi ve küçük net düşü değerlerine sahip sistemlerde Kaplan türbinleri daha uygundur (Ergin, 1972).

47 27 5. İZMİR DE GÜNEŞ IŞINIMI, SICAKLIK ve RÜZGAR HIZI ÖLÇÜMLERİ Bu çalışmada, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü nde bulunan meteorolojik ölçüm sisteminde tarihleri arasında alınan güneş ışınım şiddeti ve dış ortam sıcaklığı verileri değerlendirilmiştir. Şekil 5.1 Ölçüm sistemi

48 28 Ölçüm sistemi; güneş ışınımı ölçme ünitesi, sıcaklık ve nem ölçme ünitesi ile rüzgar hız ve yön ölçme ünitesinden oluşmaktadır. Sistem bileşenlerinin dökümü, Tablo 5.1 de verilmektedir. Tablo 5.1 Ölçüm sistemi elemanları. Meteorolojik İstasyon Bileşenleri A. Ölçüm Sensörleri Global Güneş Radyasyonu Ölçüm Sensörü Difüz Güneş Radyasyonu Ölçüm Sensörü Ortam Sıcaklığı Ölçüm Sensörü Nem Ölçüm Sensörü Rüzgar Hızı Ölçüm Sensörü Rüzgar Yönü Ölçüm Sensörü B. Bilgi Depolama Ünitesi Hafıza Modülü (SM192) Datalogger (CR10) Bilgisayar C. Güç Ünitesi (PV Elemanı) Sistem için gerekli olan enerjinin tamamı, meteoroloji istasyonunun bir parçası olan ve güç ünitesini oluşturan MSX10 model ve 10 W lık PV eleman vasıtasıyla karşılanmaktadır (Bkz. Şekil 5.1). Sistemde ölçülen meteorolojik büyüklüklerin tamamı, saniyelik zaman dilimlerinde ölçülerek saatlik ortalamalar şeklinde depolanmıştır. Güneş ışınım şiddeti Kipp and Zonen CM11 tipi piranometre ile (Şekil 5.2), dış ortam sıcaklığı ise B Campbell scientific sensörü ile ölçülmüştür. Işınım şiddeti ve sıcaklık verileri Campbell Scientific

49 datalogger (CR-10), hafıza modülü (SM192) ve bilgisayardan oluşan depolama ünitesinde depolanmıştır. 29 Şekil 5.2 Ölçüm sistemine ait piranometre Ölçüm sistemi kullanılarak elde edilen ışınım ve çevre sıcaklığı verileri aynen kullanılmış, rüzgar hızı verileri ise, ölçüm sisteminin yerden yüksekliği 12 m olduğundan, Hellmann yükseltme bağıntısı kullanılarak, toplayıcının yerden yüksekliği için alınan yükseklik değerine taşınmıştır. Belli bir yükseklikte ölçülen rüzgar hız değerleri, Hellmann katsayısı µ'yı kullanarak aşağıdaki bağıntıyla başka yüksekliklere aktarılabilmektedir (Hapel, 1990; Kara ve ark. dan, 2001): µ H V r =V rref H ref. (5.1) Burada, V r, hesaplanmak istenen yükseklikteki rüzgar hızı,v rref., ölçüm sonuçları bilinen yükseklikteki rüzgar hızı,h, hesaplanmak istenen noktanın yerden yüksekliği, H ref., ölçüm sonuçları bilinen noktanın yerden yüksekliğini ve µ, Hellmann katsayısını belirtmektedir.

50 30 Hellmann katsayısı, µ, rüzgar hız ölçüm yerinin özelliklerine bağlıdır ve Tablo 5.1'de verilmiştir. Tablo 5.2 Ölçüm yerinin özelliklerine bağlı olan Hellmann katsayısının değişimi (Hapel, 1990; Kara ve ark. dan, 2001). Ölçüm yerinin tanımı µ (Hellmann Katsayısı) Açık deniz, kıyı şeridi 0,14 Açık alan ve tarlalar 0,18 Ağaçlık alan ve şehir 0,28 Yüksek binalı kentsel alan 0,4 Bu tablo kullanılarak, ölçümün yapıldığı bölgenin durumu göz önüne alındığında, hesaplamalarda kullanılan µ, Hellmann katsayısı için, ortalama bir değer olarak 0,35 değeri kullanılmıştır.

51 31 6. İZMİR UYGULAMASI HESAPLARI ve PARAMETRELERİN SİSTEM VERİMİNE ETKİSİ Bir YHART nden elde edilebilecek enerji miktarının hesabı, her ne kadar basit gibi görünse de, aslında karmaşık bir sistemin çözümüdür. Bu çalışmada, birtakım kabuller altında basitleştirmek suretiyle, bir matematiksel model oluşturulmuş; sistem boyutlarındaki değişimin enerji miktarı üzerine etkisi, oluşturulan bu matematiksel model yardımıyla hesaplanmıştır. Sistem boyutları, toplayıcının yerden yüksekliği, H top, toplayıcının çapı, D top, baca yüksekliği, H baca ve baca çapı, D baca dır. Hesap, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü nde yürütülmüş olan İzmir Bornova da Güneş Radyasyon Verilerinin Analizi adlı Araştırma Fonu Projesi nde ölçülen 1998 yılı saatlik dış çevre koşulları verileri kullanılarak (Özbalta ve ark., 2000), her bir parametre değişimi için saatlik bazda yıllık hesap yapılmak suretiyle gerçekleştirilmiş ve parametre olarak sistem ölçüleri alınmıştır. Oluşturulan matematiksel model, MATLAB v5.3 programına aktarılarak, tüm hesaplar bu ortamda yürütülmüştür. Yapılan program, Ek 1 de verilmektedir. Bu hesaptan elde edilen sonuçlar, MS Excel XP Professional ortamına aktarılarak, parametrelerin enerji eldesine etkisi, grafiksel olarak incelenmiştir. Sistem ölçülerinin belirlenmesinde, baca yüksekliği ve baca çapının mümkün olan en büyük değeri seçilmiş ve toplayıcı çapının değişimine göre bir yıl içerisinde elde edilebilecek enerji miktarının değişimi, saatlik olarak hesaplanmıştır. Baca ölçüleri için mümkün olan en büyük değerin seçilip sabit tutulmasının nedeni, ölçüler büyüdükçe enerji miktarının arttığının belirlenmesidir (Bkz. Şekil 8.1). Buna göre baca ölçüleri, mümkün olduğunca büyük ölçüler olarak seçilmiştir.

52 Matematiksel model Oldukça karmaşık olan sistemin çözümünde, çözümü kolaylaştırmak amacıyla, aşağıdaki kabuller yapılmıştır: 1. Hesap yapılan saat içerisinde çevre koşulları değişmemektedir. Bu kabul, saat içerisinde sabit hava debisi, sabit çevre koşulları (sabit güneş ışınımı, çevre sıcaklığı ve rüzgar hızı) ve sabit giriş sıcaklığı basitleştirmesi anlamına gelir. 2. Hava, sisteme girişte çevre sıcaklığındadır. Bu yaklaşım, havanın toplayıcıya çevre sıcaklığında girdiğini belirtir. 3. Toplayıcı içerisinde hava akımı düzgün ve merkeze göre simetriktir; güneşin geliş açısına bağlı olarak toplayıcı cam örtüsünün farklı bölgelerinin farklı ısınması ihmal edilmiştir. 4. Cam örtünün optik özellikleri sabittir. Bu kabul, optik özelliklerin güneş geliş açısına göre değişimini ihmal eder. Gerçekte, örtünün optik özellikleri, güneşin geliş açısına göre değişir; geliş açısının düşük olduğu erken saatlerde, optik özelliklerde azalma meydana gelir. 5. Bacanın toplayıcıya bağlandığı noktada sürtünme kayıpları yoktur. 6. Hava için, Boussinesq yaklaşımı kabulü yapılmıştır. Bu yaklaşım, momentum denkleminde yoğunluk dışındaki bütün özelliklerin değişimini yok saymakla birlikte, yoğunluk farkı terimini basitleştirir. Bunun sonucu olarak, aşağıda gösterildiği gibi, daha basit bir durum denklemi elde edilir:

53 ( T T ) 33 ρ ρ = ρβ (6.1.1) Burada, β, hacimsel ısıl genleşme katsayısıdır ve ideal bir gaz için mutlak sıcaklığın tersi olarak ifade edilir (β=1/t, T[K]). Sistemin çözümü, sistemi oluşturan üç temel bileşen olan toplayıcı, baca ve türbin kısımlarının ayrı ayrı incelenmesi suretiyle yapılır. Bu amaçla, sistemin dışa açılan kısmından başlayarak sırasıyla toplayıcı, baca ve türbinin analizi yapılmış ve matematiksel model buna göre oluşturulmuştur Toplayıcı (Güneşli Hava Isıtıcısı) Toplayıcı hesabı için model olarak havalı toplayıcı benzeşimi yapılmış ve hesap, havalı toplayıcı teorisindeki denklemlerin sisteme uygulanması yoluyla gerçekleştirilmiştir. Toplayıcının analitik olarak incelenmesindeki amaç, hava sıcaklığının toplayıcı çıkışı, yani baca girişindeki değerini belirlemektir. Dolayısıyla, havanın sisteme giriş ve toplayıcı çıkışı arasındaki sıcaklık yükselmesi belirlenecektir. Bunun için, öncelikle sistemde akan hava için bir kütlesel debi belirlenmiş ve sonuçlar, iteratif tekniklerle elde edilmiştir. Havanın toplayıcı içerisinde merkeze doğru akım yönündeki sıcaklık değişiminin belirlenebilmesi için toplayıcı, 10 adet eşmerkezli bölüme ayrılmış ve havanın her bir bölümden çıkış sıcaklığı, takip eden bölümün giriş sıcaklığı olarak alınarak işleme devam edilmiştir. Bu sayede havanın onuncu bölgeden çıkış sıcaklığı, bacaya giriş sıcaklığı olarak kabul edilmiş ve baca hesaplarına geçilmiştir. Toplayıcı içerisindeki ısı transfer mekanizması, Bölüm 3.1 de anlatıldığı gibidir. Yararlı ısı denklemi, genel olarak,

54 34 ( ) Q = A F S U T T u top R L giriş çevre (6.1.2) şeklindedir. Burada S, yutulan ışınım miktarını ifade eder ve ( ) c S = I τα (6.1.3) ile verilir. (τα) c yüzeyin yutma-geçirme çarpımı olarak adlandırılır ve sabit kabul edilmiştir. F R ise ısı kayıp faktörüdür ve F R mc & p = 1 e AbölU L AbölULF mc & p (6.1.4) ile tanımlanır. Toplayıcı verim faktörü, F, toplayıcı geometrisine göre değişir. Bazı kaynaklarda mc & böl p A U F L (6.1.5) değeri, Kapasite Faktörü olarak tanımlanır. Bu durumda ısı kayıp faktörü F R nin hesabı için, akış faktörü olarak tanımlanan F değerinin hesaplanması gerekir. Toplayıcı akış faktörü, AbölULF mc & p mc & p F = 1 e AbölULF (6.1.6) ile verilir. Böylece, FR olur (Duffie and Beckman, 1980). = F F (6.1.7) Hesap başlangıcı için öncelikle cam örtü sıcaklığının belirlenmesi gerekir. Cam örtü sıcaklığı yaklaşık olarak,

55 T c Iα = Tç + U c-ç 35 (6.1.8) denkleminden bulunabilir (Yan et al., 1991; Pasumarthi and Sherif ten, 1998). Burada U c-ç, üst yüzey ısı kayıp katsayısıdır ve taşınım ile ışınım kayıplarını içerdiğinden, 1 1 Uc-ç = = hw + h hw h + r, c-ç r, c-ç (6.1.9) ile bulunur. Rüzgardan dolayı toplayıcı üst yüzeyinden olan taşınımla ısı transfer katsayısı, h w, ve cam örtü ile çevre arasındaki ışınımla ısı transfer katsayısı, h r,c-ç, sırasıyla, h w = 5, 7 + 3,8 V (6.1.10) r ve 2 2 ( )( ) h c-ç = εσ T + T T + T (6.1.11) r, c c ç c ç denklemlerinden hesaplanır. (6.1.11) nolu denklemde, sıcaklıklar, mutlak sıcaklık olarak alınmalıdır (Duffie and Beckman, 1980). Üzerinde tek kat cam örtü bulunan bir havalı toplayıcı için (Bkz. Şekil 3.1), U L = ( U + U )( hh + hh + hh ) + U U ( h + h ) b t r, y c 2 r, y c b t 1 2 hh + hu + hh + hh 1 ry, c 2 t 2 ry, c 1 2 (6.1.12) ve F = h h + hu + h h + hh ry, c 1 2 t 2 ry, c 1 2 ( )( ) U + h + h U + h + h h 2 t r, y c 1 b 2 r, y c r, y c (6.1.13) olarak verilir. Burada,

56 36 h ry, c σ = 2 2 ( Ty + Tc )( Ty + Tc) ε y εc (6.1.14) dır ve yer yüzeyi ile cam örtü arasındaki ışınımla ısı transfer katsayısıdır. U t, üst kayıp katsayısını simgeler ve U t 1 1 = + h + h h + h 1 ry, c w r, c-ç 1 (6.1.15) ile hesaplanır. Geri kayıp katsayısı olarak adlandırılan U b ise, toplayıcı alt ve yanlarından çevreye olan ısı kayıp katsayısıdır ve U b k d izo = (6.1.16) izo ile bulunur (Duffie and Beckmann, 1980). Yer yüzeyi ve cam ile hava arasındaki taşınımla ısı transfer katsayıları, h 1 ve h 2 nin birbirlerine eşit oldukları kabul edilmiştir ve Nu k h1 = h2 = (6.1.17) L ile bulunur. Burada Nusselt sayısı, Nu, top 3 gβ TL top Ra = (6.1.18) υα ile verilen Rayleigh sayısının bir fonksiyonudur ve ( ) ( ) ( ) ( ) ,13 Ra, Ra 1 10 ( Holman,1997) ,54 Ra, 1 10 < Ra 1 10 ( Incropera ve DeWitt, 2001) Nu = ,15 Ra, 1 10 < Ra 1 10 ( Incropera ve DeWitt, 2001) 0,14 13 Ra, < Ra ( Fujii and Imura,1972; Pasumarthi and Sherif ' den,1998) (6.1.19)

57 ile bulunur. Bazı kaynaklarda, Rayleigh sayısının Prandtl sayısına oranı olan Grashof sayısı kullanılır (Duffie and Beckman, 1980). Toplayıcının bölündüğü on bölgeden herhangi birisine enerji dengesi uygulandığında, havanın bölgeden çıkış sıcaklığı bulunabilir. Buna göre her bir bölge için, T Q 37 u açıkış, = Tagiriş, + (6.1.20) mc & p olur. Burada dikkat edilmesi gereken nokta, birinci bölgede giriş sıcaklığı olarak çevre sıcaklığının alınmasıdır. Buradan elde edilen çıkış sıcaklığı, bir sonraki bölgenin giriş sıcaklığı olarak alınarak hesaba devam edilir. Nihayet onuncu bölgeden çıkış sıcaklığı, bacaya girmekte olan havanın sıcaklığıdır Baca Bacada, toplayıcıda havaya aktarılan ısıl enerji, kinetik enerjiye dönüşür. Burada hareketi sağlayan güç, toplayıcı giriş ve çıkışı arasındaki sıcaklık farkı dolayısıyla oluşan yoğunluk farkıdır. Bacadaki ısı transferi ihmal edildiğinde, bacanın içerisindeki havanın yoğunluğu, kesit boyunca sabit olur (Pasumarthi and Sherif, 1998). Bacanın girişi ile dış çevre arasında oluşan toplam basınç farkı P toplam, h= H baca ( ρ ρ ) P = g dh (6.1.21) toplam ç baca h= 0 ile verilir. Görüldüğü gibi P toplam, baca yüksekliği ile artar. P toplam, sürtünme kayıplarının ihmal edilmesi durumunda, statik ve dinamik olmak üzere iki kısma ayrılır. Yani, Ptoplam = Ps + Pd (6.1.22)

58 38 olur. Buradaki P s statik basıncı, türbine düşmekte ve P d dinamik basıncı, havanın kinetik enerjisini ifade etmektedir (Schlaich, 1994). Toplam basınç farkı ve statik basınç farkı sıfır olan havanın hızı ile akımdaki güç, olur. Buradan da baca verimi, P = P V A (6.1.23) toplam toplam baca, maks baca P toplam η baca = (6.1.24) Qu olur. Baca içerisinde serbest taşınım akımındaki hız, modifiye edilmiş Toricelli denklemi ile, V baca, maks 2 şeklinde verilir. Bacanın verimi, T = ghbaca (6.1.25) T gh ç baca η baca = (6.1.26) ct p ç ile bulunur. Bu denklemden açıkça görüldüğü gibi, bir YHART nde baca veriminin ana parametresi, baca yüksekliğidir. Yine aynı denklemden verime akışkan hızı ve sıcaklık artımının da etkimediği rahatlıkla görülebilmektedir (Schlaich, 1994). Böylece hava akımındaki toplam güç, gh P = η Q = ρ c V TA (6.1.27) baca toplam baca u top p baca baca ct p ç olur. Buradan (6.1.23) denklemi kullanılarak,

59 0 39 T Ptoplam = ρtopghbaca (6.1.28) T elde edilir ki bu denklem, bir hidrolik tesisteki basınç boruları ile olan benzerliği gösterir. Hidrolik tesislerde basınç değişimi, P= ρ gh (6.1.29) HO 2 ile verilir. Buradan yola çıkarak YHART, kurulduğu yerin hidrolik tesisi olarak adlandırılabilir (Schlaich, 1994) Türbin Baca girişine yerleştirilen türbinde, hava akımındaki güç, mekanik enerjiye dönüşür. Burada türbin, bir statik basınç düşümü oluşturur ve bu basınç düşümü, Bernouilli denklemine göre, 1 2 Ps = Ptoplam ρbacavbaca (6.1.30) 2 şeklinde yazılır. Bu denklem, (6.1.22) de verilen, basınç farkının statik ve dinamik bileşenlerine ayrılması ile benzerlik gösterir. Buradan türbine düşen yararlanılabilir güç, Ptürbin = Vbaca Abaca Ps (6.1.31) olur. Burada, hacimsel debi için V& = V A (6.1.32) baca baca yazılırsa, (6.1.31) denklemi, P türbin = V & P (6.1.33) s halini alır. Bu denklem, elektriksel analojideki P = I U (6.1.34)

60 40 denklemine benzetildiğinde, buradaki akım, I, hacimsel debiye ve gerilim, U, P s e karşılık gelmektedir. P s sıfır olduğunda güç sıfır olur ki bu durum, elektriksel benzeşimdeki kısa devre durumuna karşılık gelir. P s = P toplam olduğunda ise boşta çalışma durumu meydana gelir. Bu iki durum arasında, P türbin in maksimum olduğu bir durum mevcuttur ki bu maksimum değer, yapılan basitleştirmeler altında, tüm basınç farkının 2/3 ü türbine düştüğünde elde edilir. Bu durum, hidrolik tesislerin maksimum güç noktasına (mpp) uyar. Bu şekilde türbinden alınan güç, P 2 = η η 3 A I 2 g = η 3 H A I türbin, maks top baca top top baca top ct p 0 (6.1.35) olur. Kanat, dişli ve jeneratör verimlerini de içeren toplam türbin verimi, η türbin ile P türbin,maks çarpıldığında ise, YHART den elde edilerek şebekeye verilen toplam güç bulunur: P = P η. (6.1.36) elk türbin, maks türbin 6.2. Hesap Akış Diyagramı Hesaplamada kullanılan işlem basamaklarını bir akış diyagramı şeklinde vermek, hesabın her bir adımının ve/veya tamamının daha kolay bir şekilde anlaşılması açısından oldukça büyük önem taşımaktadır. Bu amaçla hesapların yaptırıldığı MATLAB v5.3 programında da program algoritması olarak kullanılan hesap akış diyagramı, ana hatlarıyla bu bölümde verilecektir. Programın kendisi ise Ek 1 de verilmiştir.