Ç.Ü Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi Yıl 2018 Cilt: 35-1

Transkript

1 TELEKOMÜNİKASYON BAZ İSTASYONLARINDA ENERJİ VERİMLİLİĞİNİN ARTTIRILMASI İÇİN FAZ DEĞİŞTİREN MADDE GELİŞTİRİLMESİ * Development of Phase Changing Material for Increasing Energy Efficıency in Telecommunication Base Stations Ender UZ Kimya Anabilim Dalı Halime Ö. PAKSOY Kimya Anabilim Dalı ÖZET Bu çalışma ile telekomünikasyon baz istasyonlarında soğutma amaçlı kullanılan klimaların toplam çalışma süreleri düşürülerek elektrik enerjisinden tasarruf edilmesi amaçlanmıştır. Ayrıca elektrik kesintilerinde jeneratör kullanım süresini azaltarak yakıt maliyetlerini düşürerek üretilen sera gazı miktarının azaltılabilecektir. Sistemden yayılan atık ısının Faz Değiştiren Madde (FDM) de depolanması ve hava akımı ile uzaklaştırılması için alüminyum malzemeden ısı depolama ünitesi tasarlanmış ve üretilmiştir. Uygun sıcaklık aralığı için seçilen FDM ler Micronal 5001(BASF), Kaprik Asit, Kaprik-Miristik asit karışımı ve Kaprik- Stearik asit karışımıdır. Her bir FDM için tek basamakta ve kademeli olarak ısı depolama ünitesi içerisinde, fanın açık ve kapalı pozisyonlarında ısınma deneyleri yapılmıştır. Özel bir firmaya ait telekomünikasyon baz istasyonunda günlük elektrik enerjisi tüketimi 75 kwh ve bu tüketimin 15kWh lik kısmının istasyonu soğutma için kullanılan BTU lük bir klimanın tükettiği elektriksel ölçümlerle belirlenmiştir. Deney sonuçlarına ve yapılan hesaplamalara göre örnek telekomünikasyon baz istasyonunda elektrik kesintisi durumunda, 10 adet ısı depolama ünitesi ve FDM olarak 100 kg kaprik asit kullanımı ile istasyonun iki saat boyunca normal çalışmasına devam edebileceği sonucuna varılmıştır. Anahtar Kelimeler:Telekomünikasyon Baz İstasyonu, Faz Değiştiren Madde (FDM), Termal Enerji Depolama (TED) ABSTRACT With this study, it is aimed to save electricity energy by decreasing the total working time of air conditioners used for cooling in telecommunication base stations. It is also aimed to reduce the fuel costs by reducing the generator usage period in case of power failure and to reduce the amount of greenhouse gas produced. A heat storage unit is designed and manufactured from aluminum material for the storage and removal of waste heat from the system by air flow. The Phase Change Material (PCM)s selected for the proper temperature range are Micronal 5001 (BASF), Capric Acid, Capric-Myristic acid mixture and Capric- Stearic acid mixture. For each PCM, heating tests were carried out in the open and closed position of the fan in single and multi-step heating. In a telecommunications base station, which belongs to a private firm, daily total electrical energy * Aynı başlıklı Yüksek Lisans tezinden üretilmiştir. 63

2 consumption of 75 kwh and 15 kwh of total consumed by a 12,000 BTU air conditioner used for station cooling were determined by electrical measurements. According to the test results and calculations made, in case of power failure in the telecommunication base station, it is determined that normal operation of the base station can continue for two hours by using 10 thermal storage unit sand 100 kg of capric acid as PCM. Key Words: Telecommunication Base Station, Phase Change Materials (PCM), Thermal Energy Storage (TES) Giriş Enerji kaynaklarının güvenilirliği, sürekliliği ve verimli şekilde kullanılabilirliği tüm ülkelerin gündemindeki en önemli konuların başında yer alır. Artan enerji ihtiyacının büyük kısmının fosil yakıtlardan sağlanması sebebiyle sera gazları emisyonları da sürekli olarak artarak küresel ısınmaya ve iklim değişikliğine yol açmakta ve insanlığın geleceğini olumsuz etkilemektedir. Enerji verimliliğini artıran yenilenebilir enerji teknolojilerinin önemi artan enerji talebine paralel olarak sürekli artmaktadır. Enerji kaynağı olarak ülkemizde ağırlıklı olarak kullanılan petrol ve kömür gibi fosil yakıtlar hızla tükenmekte ve dışa bağımlılıktan dolayı ülkemize ekonomik olarak büyük yük getirmektedir. Gelişmekte olan ülkelerin tamamında olduğu gibi ülkemizde de enerji kullanım yoğunluğunun azaltılması ve enerji verimliliği konusundaki çalışmaların arttırılarak hayata geçirilmesi ekonomik kalkınma ve yaşamsal açıdan büyük öneme sahiptir. Ülkemizde 25 Şubat 2012 tarihli resmi gazetede yayınlanan ve yürürlüğe giren Enerji verimliliği strateji belgesi kapsamında ülkemizde enerji verimliliği konusunda yapılması gereken çalışmalar belirlenmiştir. Yayınlanan belgede enerji verimliliği; Enerjide arz güvenliğinin sağlanması, Dışa bağımlılık ve bunlara bağlı risklerin azaltılması İklim değişikliği ile mücadele ve çevrenin korunması gibi hedefleri içermektedir. Enerji ihtiyacının sürekli olarak arttığı sektörlerden bir tanesi de bilgi ve iletişim sektörüdür. Bilgi ve iletişim teknolojisi sistemleri günümüzün bilgi tabanlı toplumunun temelini oluşturmaktadır. Bilgi ve iletişim teknolojisindeki yenilikler son yıllarda muazzam bir hızla artış göstermiştir. Ancak bu artış aynı oranda karbondioksit emisyonunu da arttırmıştır. Bilgi ve iletişim teknolojisi sistemleri enerji tüketimi mevcut hızda devam ederse, dünya genelinde iklim değişiklikleri ile mücadele çok daha zor hale gelecektir. Bilgi ve iletişim teknolojisi sistemlerinin enerji verimliliğinin arttırılması bu açıdan çok büyük önem taşımaktadır. Günümüzde mobil telefonların kapsama alanlarını genişletmek için yaygın olarak kullanılan telekomünikasyon ekipmanları çoğu zaman geleneksel güç hatlarından uzakta baz istasyonu adı verilen kapalı sistemler içinde yer alır. Baz istasyonu 64

3 içindeki sıcaklığı sürekli olarak kontrol etmek elektronik cihazların performansını artırmak için yüksek önceliklidir. Telekomünikasyon baz istasyonlarında mevcut soğutma sistemlerine alternatif olarak son yıllarda termal enerji depolama ( TED ) sistemlerinin kullanımı üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Bunlardan en yaygın olanı faz değiştiren madde ( FDM ) ile gizli ısı depolama sistemleridir. Bu sistemler depolanan enerjinin diğer kaynakların kesintiye uğradığı zamanlarda da kullanılmasına imkân vermektedir.2016 yılı itibarıyla Türkiye de toplam adet baz istasyonu bulunmaktadır. Elde edilebilecek enerji tasarrufu bu açıdan çok önemlidir. Materyal ve Metot Materyal Faz Değiştiren Maddeler Düşük sıcaklıklardaki atık ısının gizli ısı şeklinde depolanmasına uygun FDM olarak kullanılan kimyasallar: Yağ asiti olarak: Stearik Asit (% 98 saflıkta), Miristik Asit (% 98 saflıkta), Kaprik Asit (% 98 saflıkta) Parafin olarak: BASF ın ticari amaçlı Micronal 5001 kodlu ürünü Metod Tez çalışmasının ilk aşamasında literatür araştırması ile telekomünikasyon baz istasyonları için belirlenen uygun erime aralığındaki FDM lerin termofiziksel özellikleri daha önceki çalışmalardan elde edilmiştir (Cellat, 2017). Atık ısı depolama ve uzaklaştırma deneylerine başlamadan, ısı değiştirici ünitesinin FDM depolama hacmini dolduracak şekilde eklenecek aşağıdaki FDM ler hazırlanmıştır: BASF Micronal 5001 : 561 g, Erime noktası 26 o C Kaprik asit (% 98 saflıkta) : 1400 g, Erime noktası32 o C Kaprik asit Miristik asit (% 73,5,% 26,5) :1400 g, Erime noktası 23 o C Kaprik asit Stearik asit (% 86,6,% 13,4 ):1400 g, Erime noktası 26,8 o C Deneylerde öncelikle boş ısı depolama ünitesine fan ve hortum bağlantıları yapılarak fanın oluşturduğu hava akımının etkisini görmek amacıyla fan çalıştırılmadan ve çalıştırılarak ölçümler alınmıştır. Daha sonra hazırlanan her bir FDM depolama ünitesi içerisine doldurularak fanlı-fansız ve tek basamakta-kademeli ısınma testleri yapılmıştır. Her durum için datalogger ile 5 farklı noktadan alınan sıcaklık ölçümleri bilgisayar ortamında kayıt edilerek kıyaslanmıştır. 65

4 Isı Değiştirici Telekomünikasyon baz istasyonlarında elektronik cihazlardan atılan ısının FDM de depolanması ve sistemden uzaklaştırılması amacıyla ısı değiştirici tasarlanmıştır. Bu ısı değiştirici baz istasyonunun içinde tavana yerleştirilerek dış ortam havasının sistem içerisinden geçirilerek uygulanacak şekilde tasarlanmıştır. Bu amaçla alüminyum malzemeden Şekil 3.1 deki boru tipi ısı değiştirici imal edilmiş ve laboratuvar çalışmalarında kullanılmıştır. Şekil 1. Deneylerde kullanılan boru tipi ısı değiştirici tasarım Isı değiştiricinin özellikleri şunlardır: Çapı 145 mm olan alüminyum borudan 210 mm boyunda (iç boru) ve çapı 90 mm olan alüminyum borudan 320 mm boyunda (dış boru) kesilmiştir. Boruları FDM için bir kapalı hazne oluşturacak şekilde birleştirmek amacı ile iki tarafa da alüminyum malzemeden, kesiti Şekil 1 de gösterilen ortası delik daire kesilmiştir. Dış daireye geniş boru, iç daireye dar boru gelecek şekilde parçalar birleştirilmiş ve uygun şekilde kaynatılmıştır. Dışta kalan geniş boru üzerine FDM dolumu yapabilmek için alüminyum malzemeden giriş haznesi yerleştirilmiş ve kör tapa takılabilmesi için delinerek diş açılmıştır. Bulgular ve Tartışma Telekomünikasyon baz istasyonlarındaki uygulamayı simule etmek üzere tasarlanan boru tipi ısı değiştiricinin termal performansını belirlemek için aşağıdaki deneyler fan açık ve kapalı olmak üzere tekrarlanmıştır: 1. Depolama haznesi boş 2. Depolama haznesi FDM olarak yağ asiti ile doldurulmuş 3. Depolama haznesi FDM olarak yağ asiti karışımı ile doldurulmuş 4. Depolama haznesi FDM olarak Micronal 5001 ile doldurulmuş Deneyler sabit sıcaklıktaki su banyosunda, telekomünikasyon baz istasyonunun iç ortam sıcaklığını temsil etmek üzere gerçekleştirilmiştir. Deneylerde iki farklı su banyosu sıcaklık programı kullanılmıştır: 66

5 1. Su banyosunun sıcaklığı kademeli olarak arttırıldığı programda 20 o C den 5 er o C lik basamaklarla 45 o C ye çıkarılmıştır. 2. Sabit sıcaklıktaki programda ise 20 o C den 45 o C ye tek basamakta çıkarılmıştır. Kimyasallar depolama ünitesi içerisine alındıktan sonra sıcaklık programları üç farklı şekilde uygulanmıştır. 1. Hortum bağlantıları yapılmadan depolama ünitesi su banyosu içerisine daldırılarak 2. Hortum bağlantıları yapılarak fan çalıştırılmadan 3. Hortum bağlantıları yapılarak fan çalıştırılarak Şekil 2 de fan kapalı ve açık pozisyonlarda, depolama haznesi Kaprik asit ile doldurulmuş ısı değiştiricinin farklı noktalarından alınan sıcaklık dağılımları tek basamaklı su banyosu programı için gösterilmektedir. Fan çalıştırılmadan yapılan deneyde FDM nin yaklaşık C de erimeye başladığı ve su ile termal dengeye ( 45 0 C ) gelinceye kadar sıcaklığının arttığı gözlenmiştir. Fanın çalışması ile FDM nin yaklaşık C de erimeye başladığı su ile termal dengeye gelinceye kadar sıcaklığının arttığı ancak erime süresinin ilk duruma göre daha uzun zamanda gerçekleştiği tespit edilmiştir. Fan kapalı iken hava kanalındaki (tüp içi) sıcaklık değeri yaklaşık 35 0 C,fan açık durumda iken C ölçülmüş olup hava sirkülasyonu ile ısının sistemden uzaklaştırılabildiği tespit edilmiştir. 67

6 sıcaklık(c) Ç.Ü Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi Yıl 2018 Cilt: Kaprik Asit Fan Kapalı-Açık Tek Basamaklı Sıcaklık Artışı Deneyi zaman(s) 101 FAN AÇIK<fan giris> (C) 102 FAN AÇIK<FDM > 103 FAN AÇIK<tup ici> 104 FAN AÇIK<fan cikis> 106 FAN AÇIK<su banyosu> 101 FAN KAPALI<fan giris> 102 FAN KAPALI<FDM > 103 FAN KAPALI<tup ici> 104 FAN KAPALI<fan cikis> 106 FAN KAPALI<su banyosu> Şekil 2. Kaprik Asit Fan Kapalı-Açık Tek Basamaklı Sıcaklık Artışı Deneyi Çizelge 1 de ısı değişitirici performans deneyleri sonunda elde edilen tüp içi ve FDM boşluk sıcaklıkları karşılaştırılmıştır. Atık ısının uzaklaştırıldığını gösteren tüp içi hava sıcaklıklarıdır. Fan açık olduğu durumda zorlanmış olarak dolaştırılan hava sıcaklıkları karşılaştırıldığında boş (FDM siz) duruma göre farklı FDM ler ile yaklaşık 5 0 C lik daha düşük sıcaklıklar elde edildiği görülmektedir. Bu durum FDM kullanımının atık ısı uzaklaştırma üzerindeki olumlu etkisini göstermektedir. Fan kapalıyken, doğal olarak sıcaklığa bağlı olarak havanın değişen yoğunluk farkına bağlı olarak hareket edebilen hava sıcaklıkları boş duruma göre yaklaşık 8 0 C lik farklar göstermektedir. Ancak fan açık duruma göre daha yüksek sıcaklıklar elde edilmiştir. FDM sıcaklıkları karşılaştırıldığında en yüksek değerler yağ asitleri için elde edilmiştir. Bu durum yağ asitlerinin ergime ısının Micronal dan daha yüksek olmasıyla açıklanabilir. 68

7 Çizelge 1. Isı değişitirici deneyleri sonunda elde edilen Tüp içi ve FDM sıcaklıkları Tüp içi ( o C) FDM ( o C) Fan Kapalı Fan Açık Fan Kapalı Fan Açık Boş 39 32,2 49,6 44,65 Micronal 31,9 27,1 44,5 41,72 Kaprik asit 34,8 27,73 44,6 43,9 Kaprik-Miristik asit 33,5 27,8 44,2 43,8 Kaprik-Stearik asit 32,8 26,7 44,5 43,4 Sonuçlar Bu çalışmada, telekomünikasyon baz istasyonlarında kullanılmak üzere ısı depolama ünitesi geliştirilerek uygun sıcaklık aralığındaki FDM lerle enerji tasarrufu sağlanması ve elektrik kesintilerinde sistemin soğutma ihtiyacının bir süre karşılanabilmesi amaçlanmıştır. Telekomünikasyon baz istasyonlarındaki ısı akışını simüle etmek amacı ile ısı kaynağı olarak su banyosu kullanılmış ve ısı depolama ünitesindeki ısının hava akımı ile uzaklaştırılması için fan kullanılmıştır. Ölçüm sonuçlarını gösteren grafiklerden hava akımının, ısının sistemden uzaklaştırılması konusunda etkili olduğu ve FDM nin erime süresini arttırdığı gözlemlenmiştir. Tüm ısınma eğrileri suyun ısısının ısı depolama ünitesine ve oradan FDM ye aktarılması ile elde edilmiştir. Deney sonuçları değerlendirilerek kullanılan FDM lerden yağ asitleri ile telekomünikasyon baz istasyonlarında ısı depolama ve uzaklaştırma uygulamalarında daha iyi sonuçlar alınabileceği öngörülmüştür. Ayrıca ısı depolama ünitesinin tasarımı, içerisine yerleştirilen FDM nin tamamen kapalı ortama alınması ve oksijenle temasının kesilmesi ile yanma riskinin ortadan kaldırılması düşünülerek yapılmıştır. Bu çalışmanın sonuçlarına göre ileriye yönelik önerilen çalışmalar şunlardır. 1. Telekomünikasyon baz istasyonun gerçek modeli oluşturularak gerçek ortamda FDM ısı depolama ve sistemden ısı uzaklaştırma denemelerinin yapılması. 2. Hava sirkülasyonu için kullanılan fanların güneş enerjisinden faydalanılarak çalıştırma konusu değerlendirilebilir. 3. Daha yüksek ısı depolama kapasitesine sahip inorganik FDM ler için depolama üniteleri geliştirme konusunda çalışmalar yapılabilir. 4. Telekomünikasyon baz istasyonlarında elektrik enerjisi depolama için kullanılan aküler için ısı depolama ünitesi geliştirilebilir. 5. Kullanımda olan Telekomünikasyon Baz İstasyon kabinleri yerine ısı depolama ve uzaklaştırma üniteleri içeren, enerji tasarrufu sağlayan ve doğaya zarar vermeyen akıllı kabinler tasarlanabilir. 69

8 Kaynaklar Paksoy, H. Ö. (Ed.). (2007). Thermal energy storage for sustainable energy consumption: fundamentals, case studies and design (Vol. 234). Springer Science & Business Media. Enerji Verimliliği Strateji Belgesi,(2012),Resmi Gazete, Sayı:28215 Cellat, K. (2017).Binalarda Enerji Tasarrufu İçin Güneş Enerjisini Faz Değiştiren Maddede Pasif Depolayan Yeni Beton Karışımların Geliştirilmesi Ve Uygulanması. Doktora Tezi, ÇÜ Fen Bil. Ens., Adana. 70