Alternatif Enerji Kaynakları Güneş Enerjisi

Transkript

1 Güneş Tarihsel Alternatif Enerji Kaynakları Güneş Enerjisi Dr. Çetin ÇAKANYILDIRIM Hitit Ün. Müh. Fak. Kimya Müh. Blm. 2 Tarihsel 3 Güneşe 150 milyon km mesafedeki Dünya güneş enerjisinin sadece milyarda birini alabilir. Bu miktar 1,5x10 16 MJ e eşittir (4,17x10 9 GWh, ülke tüketimimizin 14,4 milyon katı). Dünyaya gelen enerji tüketimin 15 bin katı iken, Türkiye ye düşen güneş enerjisi elektrik santralleri kurulu gücünün 500 katından fazladır. 4

2 5 6 Güneş Enerjisi ve Teknolojileri: Güneş bilinen en eski birincil kaynaktır. Nükleer dışındaki tüm enerji kaynaklarının besleyicisidir. Güneş ışınlarının enerji yoğunluğu düşük olsa da bazı sistemler ile mekanik ve elektrik enerjisine çevrilebilmektedir. Güneş enerjisini depolamak da mümkündür. Güneş ışınlarını toplarken pasif ve aktif kolektör sistemleri kullanılır. Pasif Sistemler: Fan ve pompalar olmadan basitçe ortamların güneş almasını sağlayarak yapılan tasarımlardır. 7 8

3 Aktif Sistemler: Genellikle düzlemsel toplayıcılar şeklinde tasarlanmıştır. Aşağıdaki kısımları içerirler: Şeffaf üst tabaka (cam veya plastik), Kolektör örtüsü, Yutucu yüzey, Sistem akışkanı, Yalıtım malzemeleri ve koruyucu. Depolama tankı doğal dolanıma göre veya kolektörden daha alt seviyeye (toprak altına) yerleştirilebilir. Doğal konveksiyon bozulacak ise pompa kullanılması gereklidir Kolektör Kasası Bir yüzünde penceresi olan kapalı bir kutudur. Farklı geometrilerde imal edilebilir, önemli olan verimli şekilde ışınları toplamasıdır. Kasaların ağaçtan imali kolaydır fakat sıcaktan etkilenirler. Çelik kasalar sağlam fakat ağırdır. Plastik malzemeler mor ötesi ışınlardan korunabilir ise kasa olarak kullanılabilir. Seçilecek kolektör kasasının termal genleşmesinin kolektör örtüsü (cam, plastik vb.) ile uyumlu olması gerekir. Aksi halde gerilmeler ve kırılmalar meydana gelir. Kolektör Örtüsü Cam veya plastikten ışığı geçirecek ve ısı kayıplarını düşürecek bir örtüdür. Her zaman (sıcak, rüzgarsız günlerde) gerekli olmayabilir. Cam kolay bulunabildiği, ışınları yutucuya geçirebildiği ve yansıyan ışınların dışarı çıkmasına (geri yutucuya göndermez kendi absorplar) mani olduğu için sıklıkla tercih edilir. Cam içerisindeki demir oksidin azaltılması ile geçirgenliği artırılır. Plastik malzemeler 3 en fazla 15 yıl örtü olarak kullanılabilirler

4 Yutucu Yüzey Yutucu yüzey verimi, yüzey kaplamasına, geometrisine ve yüzey için seçilen malzeme özelliklerine bağlı olarak değişir. Yutucu yüzey malzemesi olarak düzlemsel kolektörlerde ısı iletkenliği uygun olan Cu, Al, çelik, sac, plastik gibi malzemeler kullanılabilir. Yüzeydeki akışkan kanalları roll-bond, ekstüzyon presleme gibi işlemlerle plaka üstüne içine veya alına açılabilir. Sistem Yüzey yutucu kaplaması olarak mat siyah boyalar (karbon siyahı; α=0,95, ε=0,098) tercih edilir. Kullanılan boyalar yüzeyi tahrip etmemeli, sıcaklığa dayanıklı olmalı ve yüzeyi atmosferik şartlara karşı korumalıdır. Fe, Mn, Cr, Cu ın kalsine oksitlinin karışımlarında elde edilen en iyi yutma ve yansıtma değerleri sırasıyla α=0,92, ε=0,10-0,13 olarak verilmektedir. Yutucunun veriminin arttırılması için kolektör örtüsünün 3µm den büyük dalga boylarını yansıtması (böylece yutucudan saçılanda hapsolur) ve ısıl yayınımı düşük olan seçici yüzey kaplamasının kullanılması gerekmektedir. Kısa dalga boylu ışınımlar kolektör verimini artırır Yalıtım malzemesi Taş yünü (ağır), cam yünü, poliüretan köpük veya lehva yalıtım maksatlı kullanılır. Yalıtımdaki amaç yutulan ısının çevreye kaçmasına mani olmak ve sadece taşıyıcı akışkana geçmesini sağlamaktır. Kimi zamanlar yalıtım malzemesinden çıkan gazlar kasa örtüsü üzerinde birikebilir, bu durum engellenmelidir. Kasa arkasında oluşturulacak hava boşlukları yalıtıma katkı sağlayabilir. KOLEKTÖRLERDE SİSTEM BİLEŞENLERİ Yüzey alanı- depo hacmi Depo hacmi istenen sıcak su ve yıllık güneşlenme miktarlarına dikkat edilerek seçilir. Genel olarak kolektör metre karesi için en az 40 L veya 60 C sıcaklıkta su için 80 L/m 2 kolektör varsayımları yapılmaktadır. Genleşme deposu Sistemin en düşük ve yüksek sıcaklıklarını ve basınçlarını, sıvının genleşme oranı ve toplam miktarını göz önünde bulundurarak genleşme tankları kullanılır. Genleşme deposunun da yalıtılması gereklidir

5 Depo Enerjinin depolanması için su depoları kullanılmaktadır. Pompalı sistemlerde, depoların yalıtımı için toprak (10-12 C) içine gömülmesi uygulanan bir yöntemdir. Dolaşımın doğal yolla olduğu sistemlerde ise depo kolektör seviyesinin üzerinde (60 cm veya daha fazla) bulunmalıdır. Depo içerisinde sıcak suyun en üstte bulunması verimi artıracaktır. Sıcak suyun üste kalmasını sağlamak için: Depo ve kolektör soğuk su bağlantıları alttan sıcak su ise üsten yapılmalıdır. Sıcak ve soğuk su bağlantıları yatay borularla yapılmalı ve soğuk su depo tabanına cm mesafeden yayılmalıdır. Uzun düşey tanklar kullanılmalıdır. Depo içine perde(ler) yapılarak taşınım yavaşlatılmalıdır. Su hızı 30 cm/s yi aşmamalıdır. Mümkünse birden fazla depo kullanılmalıdır. Suyun depoya girişinde dağıtıcı kullanılmalıdır Isı değiştirici Soğuk iklimlerde donmayı önlemek maksadı ile kolektör dolaşımı, sıcak su dolaşımından ayrı tutulur. Isı değiştiricisi seçiminde aşağıdaki faktörler önemlidir: Isı aktarım etkinliği, Basınç düşmesi-güç tüketimi, debi, Tasarım, biçim, materyal, Maliyet ve temin kolaylığı, İki akışkanın karışmasını engelleyebilme yetisi, Sızıntı tespiti, muayene kolaylığı, Sistemin diğer parçaları ile uyumu, Sistemin çalışma sıcaklığı, debi, akışkan ısıl özellikleri, ısıl uygunluk vb. 19 Otomatik kumanda devresi Zorlanmış dolaşımlı, büyük boyutlu sistemlerin verimli çalışabilmesi için gereklidir. Toplanan ısının depolama tankına taşınması, depodan sıcak su çekilmesi, yardımcı ısıtıcının devreye alınması, ısı atılması, donma ve aşırı ısınmaya karşı sistemi koruma işlerini organize eder. Dolaşım pompası Zorlanmış dolaşımlı sistemlerde ısı taşıyıcı akışkanın kolektör ve eşanjör içerisinde hareketi için küçük güçte santrifüj veya pozitif dönüş üretimli (deplasmanlı) pompa kullanılır. 20

6 Isı taşıyıcı akışkan Kullanılabilecek akışkanlar: İşlem görmemiş su, İnhibitörlü su, Su+glikol, Silikon yağları, Hidrokarbonlar, Parafinli veya madeni yağlar, Su+gliserin, Hava, Florokarbonlar, Alkoller, Amonyak vb. Yardımcı ısı kaynağı Güneşin yetersiz kaldığı durumlarda elektrikli bir ısıtıcı depolama tankın üst bölgesinde kullanılabilir. Birden fazla depolama tankı kullanılması enerji maliyetini düşürecektir. 21 VAKUM TÜPLÜ GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İç içe iki silindirik tüpten oluşur. Dış tüpün darbe direnci yüksektir. İç tüp özel seçici (yutucu) malzeme ile kaplanmıştır. İki tüp arasında vakum uygulanmaktadır. Vakum tüpün alt tarafının baryum ile kaplanması ile yüksek sıcaklıkta sistemdeki olası kaçaklar engellenmektedir. Ba metalinin yüzeyinden vakumun durumu da anlaşılabilmektedir, zira gümüş renkli Ba beyaza dönmektedir. 22 Sistem Vakum tüplü kolektörler ısı kayıplarını minimize etmektedir. Ayrıca silindirik yapıdan dolayı güneşin radyal yöndeki konumu sistem verimini etkilememektedir. İnorganik Borulu Vakum Tüp Sistemi Özel bakır boru tüpler ve bir bağlantı sistemi arasında ısı transferini sağlamaktadır. Isı aktarım alanının genişletilmesi için bağlantı bölgesinde kanatlandırma veya özel plakalar yapılabilir. Bu tip sistemlerde bakır borunun içi 30 C sıcaklıkta dahi buharlaşabilen sıvılar ile faz değişimi yolu ile ısı taşınır. HAVALI GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ Taşınım akışkanı olarak hava kullanılır. Yutucular üzerinde dolaştırılan havanın giriş ve çıkış sıcaklıkları arasında fark oluşmuş olur. Sıcaklığı artırılan hava ortam ısıtmasında veya kurutma işlerinde kullanılır. Bu sistemlerde ısı akışı kısıtlı olduğu için sistem alanının geniş tutulması gerekmektedir. Pürüzlü yutucular verimi artırmaktadır

7 Güneş ev Antalya, 6 kw 25 GÜNEŞ HAVUZLARI Güneş enerjisini uzun süre ısı şeklinde depolayan sistemlerdir. Basitçe tanımlamak gerekirse, güneş ışınlarını yutan bir havuz olarak tanımlanabilir. Havuzun yüzeylerinin yutuculuğu önceki konularda anlatıldığı şekilde sağlanır. Elde edilen ısının çevreden yalıtılması önemlidir. Sıcak akışkanın (bazı sistemlerde 98 C) zeminde olması konveksiyonla yüzeye çıkmaması istenir. Bu maksatla tuzlar kullanılarak havuz suyu tabakalandırılır. Güneş havuzları doğal şartlarda da (tuz içeren göllerde) oluşabilmektedir. Havuz tabanın yoğunluğunun ısınma ile azalmasını ve yükselmesini engellemek için MgCl 2 ve NaCl tuzları kullanılır. Isı artınca tuz çözünürlüğü dolayısıyla yoğunluğu artar. 1. Rüzgarla oluşan iletken tabaka, 2. Kalın yalıtkan tabaka, 3. Kalın iletken tabaka 26 Sistem GÜNEŞİ İZLEYEN TOPLAYICILAR Gelişmiş sistemlerde bile yüksek sıcaklıklarda ısı kayıpları olmaktadır. Güneş yoğunlaştırıcı aynalarının güneşi takip etmesini sağlayıcı ekipmanların kullanılması zorunludur. Parabolik aynalar, dilimli aynalar, oluklu ayna ve fresnel merceği gibi toplayıcı türleri vardır. Teknik sorunlar ve verimsizlik sebebi ile ticari değeri yoktur

8 Fresnel lens: Tasarım olarak geleneksel tasarıma sahip bir merceğin malzeme kütlesi ve hacim olarak gereksiniminden daha azı ile daha geniş açıklığa ve daha kısa odak uzunluğuna sahiptir. Lens düz bir levha formunda olduğu bazı durumlarda eşdeğeri geleneksel lenslerden daha ince yapılabilir. Bir ışık kaynağından ışığı daha eğik yakalar ve uzak mesafelerden görünür olmasını sağlar. Uydu güç sistemlerinin bulutların engelleyemeyeceği kadar yükseğe (uzaya) yerleştirilmesi veya güneş enerjisi ile yemek pişirme gibi teori ve uygulamalar bulunsa da gerek ekonomik olmama gerekse kabul görmeme bakımından uygulamaları yaygın değildir GÜNEŞ ENERJİSİ İLE SOĞUTMA SİSTEMLERİ Soğutma, çevre sıcaklığının altında sıcaklık elde ve muhafaza etmektir. Basit soğutma makinalarında basınç altındaki bir sıvının bir valften sabit entalpide düşük bir basınca genleştirilmesi ile soğutma yapılır. Basınç düşürülünce sıvı kaynama noktasına erişir ve sıcaklık söz konusu basınca karşılık gelen doygunluk sıcaklığına kadar düşer. Sıvının buharlaşması ile soğutulan ortamdan ısı alınır. Hangi yöntemle yapılırsa yapılsın, soğutma çevrimleri esas olarak düşük sıcaklıktaki bir ortamdan (soğutulan yer), yüksek sıcaklıktaki bir ortama (çevre) ısı pompalanması anlamına gelir. Bu işlem ancak dışarıdan bir iş verilerek yapılabilir. Bu nedenle soğutma makinalarına ters çalışan ısı makinaları olarak bakılabilir.

9 Şekilde görüldüğü gibi, ısı makinalarında yüksek sıcaklıktaki ısı kaynağından (T 1 ) alınan Q 1 ısısı, bir W işini yaptıktan sonra kalan kısmı düşük sıcaklıktaki (T 2 ) ısı deposuna verilir. Isı makinalarında ısı kaynağından alınan Q 1 ısısının mümkün olduğu kadar büyük bir kısmının işe çevrilmesi istenir. Soğutma makinalarında bu işlemin tersi yapılır. Yani düşük sıcaklıktaki ortamdan (T 2 ) alınan Q 2 ısısı, dıştan bir W işi verilerek, yüksek sıcaklıktaki çevreye (T 1 ) Q 1 ısısı olarak verilir. Soğutma makinalarında daha az iş harcanarak soğutulan ortamdan mümkün olduğu kadar çok ısı alınması istenir. Soğutma makinalarının verimi bu amaca uygun olarak, soğutulan ortamdan alınmış olan Q 2 ısısının, bu ısıyı pompalamak için harcanmış olan W işine oranı olarak tanımlanır. Bu verime, soğutma makinasının Performans katsayısı (coefficient of performance :COP) denir. Soğutma makinası performans katsayısı: Q2 COP W Termodinamiğin birinci yasasına göre ısıtılan ortama verilen ısı, sıcak ortamdan alınan ısı ile harcanan işin toplamından oluşur. Q 1 = W + Q 2 Bu ifadede her iki taraf harcanan iş (W) ile bölünürse, soğutma makinası ve ısı pompası performans katsayıları arasında aşağıdaki bağıntı elde edilir. COP ısı pompası = COP soğutma makinası + 1 ABSORPSİYON İLE SOĞUTMA İki fazlı soğutma çevrimlerinde iş, buharın sıkıştırılması amacıyla harcanır. Soğutma için harcanan işi azaltmak ve performans katsayısını artırmak üzere, kompresör işi yerine ısı enerjisi kullanılarak absorpsiyon yöntemi ile soğutma yapılabilir. Absorpsiyon yöntemi ile soğutmada, akışkan olarak (amonyak + su) veya (lityum bromür + su) gibi sıvı - buhar faz değişimlerinin yapılabildiği uygun bir çözelti kullanılır. Bu çözelti belli bir sıcaklığa kadar ısıtılarak yüksek basınçlı akışkan buharı elde edilir. Akışkan buharı bir kondenserde soğutma suyu ile yoğunlaştırılarak yüksek basınçta doygun sıvı elde edilir. Daha sonra bu sıvı bir valften sabit entalpide genişletilerek istenilen sıcaklıkta soğutma yapılır. Oluşan düşük basınçlı buhar, yeniden çözelti içinde absorplanır. Absorpsiyon yöntemi ile çalışan bir soğutma çevriminde dört temel ünite vardır. Bunlar, akışkan buharının üretildiği jeneratör, buharın yoğunlaştırıldığı kondenser, sıvı akışkanın genişletilerek buharlaştırıldığı evaporatör ve akışkan buharlarının absorbe edildiği absorber üniteleridir.

10 (1) Absorbere gelen zayıf eriyik burada soğutucu akışkanla birleşerek zengin eriyiği meydana getirir ve dışarıya Qa ısısını verirler. Burada kullanılan eriyik soğutucu akışkanca zengindir, (2-3) Zengin eriyik ısı değiştiriciye pompalanır, (3-4) Zengin solusyon ısı değiştiriciden (HE) geçer ve bir miktar ısı alır, (4-5) Zengin solusyon yüksek basınç kısmı olan jeneratöre gider. Güneş kolektörlerinden gelen W gen ısısı ile zengin solüsyon içindeki soğutucu akışkan adsorbentten ayrılır, (5-6) Jeneratörden ayrılan zayıf eriyik (büyük kısmı absorbent) ısı değiştiriciye geri gider, (6-7) Zayıf eriyik HE ne geri döner ve jeneratöre gitmekte olan zengin eriyiği bir nebze ısıtır, 37 (7-1) Yüksek basınçlı zayıf eriyik genleşme vanasından geçirilerek düşük basınçta absorbere döner, (5-8) Jeneratörde Q g ısısı verilerek zengin solusyondan ayrılan soğutucu akışkan buharı kondensere gelerek sıvılaşır ve dışarıya Q c ısısını verir, (8-9) Buhar fazındaki soğutucu akışkan sıvı faza geçer, (9-10) HE de, sıvı haldeki soğutucu akışkan evaporatörden gelen soğutucu akışkan buharı ile soğutulur, (10-11) Yüksek basınç altında bulunan sıvı fazdaki soğutucu akışkanın basıncı düşürülerek evaporatöre gönderilir, (11-12) Basıncı düşen soğutucu akışkan ortam ısısını da alarak buhar fazına geçer, 38 (12-13) Evaporatörden çıkan buhar fazındaki soğutucu akışkan, ısı değiştiricisinde kondenserden genleşme valfine gitmekte olan sıvı soğutucu akışkanı bir nebze soğutur, (13) Soğutucu akışkan buharı absorbere giderek zayıf eriyikle birleşir ve zengin eriyik oluşturur. Vakumlu güneş kolektörleri ile 100 ᵒC sıcaklıkta su üretilebilir ve bu sıcaklık LiBr-su soğutma sistemlerini çalıştırmak için yeterlidir. Absorpsiyon ile soğutma eğer amonyak-su karışımı ile yapılacak ise daha yüksek sıcaklıklara ihtiyaç vardır. Bu durumda ısı kaynağı olarak parabolik-oluklu kolektörler kullanılmalıdır