RÜZGAR-GÜNEŞ HİBRİT SİSTEM

Transkript

1 RÜZGAR-GÜNEŞ HİBRİT SİSTEM Deney Setini Oluşturan Modüller: 1. Şarj Regülatörü Modülü (hibrit sistem için 200W+500W) 2. DC-AC İnverter Modülü (300W-150W) 3. Akü Modülü 4. DC Yük Modülü 5. AC Yük Modülü 6. Ayarlı Direnç Modülü (0-1000Ω) 7. Rüzgar Simülatörü Modülü 8. Fotovoltaik Panel Modülü (40W) 9. 3 Faz AC Gerilim Üreten Endüstriyel Rüzgar Türbini ve Servomotor Modülü (500W)

2 1. ŞARJ REGÜLATÖRÜ MODÜLÜ Şarj regülatörü modülü aşağıdaki özelliklere sahiptir. Rüzgar türbininin ürettiği 3 faz AC gerilimi doğrultarak doğru akıma çevirir Max. şarj akımı: 10 A Giriş voltaj aralığı 12-14V, 24-26V Max güç kapasitesi 700W (200W solar 500W rüzgar) Rüzgar ve güneş için hibrit kullanım Solar panel, akü ve DC yük için 4 mm lik bağlantı soketleri Boyutlar: 297mm x 300mm x 65mm Hibrit Şarj Regülatörü; Hibrit Sistemler birden fazla enerji kaynağının kullanıldığı sistemlerdir. Hibrit uygulamalar, özellikle yaz-kış enerji gereksiniminin olduğu ve kesintiye bir an bile yer verilmemesi gereken kritik sistemlerde uygulanır, yüksek güvenlik ve konfor sağlar. Kullanım amacı rüzgar türbininin ürettiği 3 faz AC gerilimi doğrultarak doğru akıma çevirmektedir ve bataryaların dengeli ve kontrollü bir biçimde şarj edilmesidir. Kullandığımız şarj regülatörü hibrit olarak kullanılabilmekte olup max. 200W güneş enerjisi ve max. 500W rüzgar enerjisi dönüşüm kapasitesine sahiptir.

3 2. DC-AC İNVERTER MODÜLÜ DC-AC inverter modülü aşağıdaki özelliklere sahiptir. Güç Aç/Kapa anahtarı 12 VDC akü girişi Çıkış gerilimi: 230V AC ±%10 Frekans: 50Hz ±%10 Güç: 275 VA Çalışma durumunu gösteren LED Hatalara karşı sesli uyarı Aşırı yük ve sıcaklık kontrolü Solar panel, akü, toprak bağlantıları ve AC çıkış için 4 mm lik bağlantı soketleri Boyutlar: 297mm x 300mm x 65mm DC-AC İnverter; İnverterler doğru akımı alternatif akıma çeviren dc-ac konverter lerdir. Bir inverterin görevi girişindeki bir doğru gerilimi çıkışında istenen genlik ve frekansta simetrik bir alternatif gerilime dönüştürmektir. Fotovoltaik sistemlerde, çıkış dalga şekline bağlı olarak 3 çeşit inverter kullanmak mümkündür. Bunlar kare dalga, modifiye sinüs dalga ve sinüs dalga inverterlerdir. Bu deney setinde kullanılan inverter türü modifiye sinüs inverterdir.

4 3. AKÜ MODÜLÜ Akü modülü aşağıdaki özelliklere sahiptir. Gerilim: 12V Kapasite: 60Ah Şarj edilebilir Aşırı akım koruma 0-15VDC analog voltmetre, 0-10A analog ampermetre 4 mm lik bağlantı soketleri Akü Açma/Kapama Anahtarı; akü ile modül arasındaki bağlantıyı aktif veya pasif yapar. Sigorta 1; akü modülü girişi ile akü arasındaki akımı sınırlardırmak için kullanılır. Sigorta 2; akü modülü çıkışı ile akü arasındaki akımı sınırlandırmak için kullanılır. Ampermetre 1; akü modülü girişi ile akü arasındaki akımı göstermektedir. Ampermetre 2; akü modülü çıkışı ile akü arasındaki akımı göstermektedir. Voltmetre; sistemdeki gerilimi göstermektedir. Akü giriş soketleri ile rüzgar türbini/güneş paneli arasındaki bağlantısı yapılır. Akü modülü çıkış soketleri ile aküde depolanan enerji sisteme aktarılır. NOT: Kullanılan akünün özellikleri: 12V 7.0Ah

5 4. DC YÜK MODÜLÜ DC yük modülü aşağıdaki özelliklere sahiptir. 12VDC gerilim girişi Fan: 5W Siren: 5W Lamba: 10W Her bir ünite için ayrı aç/kapa anahtarı 4 mm lik bağlantı soketleri Boyutlar: 297mm x 160mm x 50mm

6 5. AC YÜK MODÜLÜ AC yük modülü aşağıdaki özelliklere sahiptir. 220VAC gerilim girişi Tasarruflu lamba: 5W Parlaklık ayarlı (dimmer) lamba: 25W Halojen lamba:18w Fan: 14W Her bir ünite için ayrı aç/kapa anahtarı 4 mm lik bağlantı soketleri Boyutlar: 297mm x 300mm x 65mm

7 6. RÜZGAR SİMÜLATÖRÜ MODÜLÜ Rüzgar simülatör modülü türbinin miline bağlı olan servo motoru sürmek için kullanılır. Modül üzerinde modülü, servo motoru açıp-kapatmaya yarayan ve servo motorun bilgisayarla kontrol edilmesine izin veren anahtarlar mevcuttur. Bunlara ek olarak bir adet kontrol paneli ve servomotorun hızını manuel olarak değiştirmeye yarayan bir potansiyometre bulunmaktadır. Rüzgar türbini 3 adet karbon fiber bileşimli kanada sahiptir. Ancak deneylerimizi laboratuvar ortamında gerçekleştireceğimizden dolayı rüzgarın döndürme gücünü türbin miline bağlı servomotorla yardımıyla gerçekleştirilmiştir. Rüzgar simülatör modülünde aşağıdaki özelliklere sahip servo sürücü bulunmaktadır. Bütün giriş/çıkışlar izlenebilir. Monofaze beslemeyle çalışmaktadır.

8 Hız, tork, konum, konum/hız, hız/tork, konum/tork çalışma seçenekleri vardır. o Hız/tork: Analog giriş için ±10V analog giriş, dijital giriş için rpm dir. o Konum: Harici (opencollector ya da linedriver) veya dahili konum (dijital girişle belirlenen 16 konum) seçenekleri vardır. 6 adet opsiyonel dijital giriş, 3 adet opsiyonel dijital çıkış vardır. Hız /tork sınırlanabilir. Windows tabanlı yazılım bulunmaktadır. RS232 / RS485 haberleşmesi gerçekleştirebilir. Absolute / incremental konum kontrolü yapılabilir. Orijin arama ve konum öğretme fonksiyonları vardır. Dahili frenleme ünitesi vardır. Notch filtre özelliği vardır. Koruma fonksiyonları ve alarm mesajları vardır pprenkoder çözünürlüğü vardır.

9 7. FOTOVOLTAİK PANEL Fotovoltaik modül iki adet panelden oluşur, paneller aynı teknik özelliklere sahiptir ve bir panelin teknik özellikleri aşağıdaki gibidir; Monokristal yapı Max. Güç: 20W Max. Güç akımı: 2,53A Max. Güç gerilimi: 15,84VDC Boyutlar: 570mm x 535mm x 28mm Farklı ışık açılarının elektrik üretimine etkisini de gözlemleyebilmek için açısı ayarlanabilir şekilde solar panel modülüne eklenen halojen ışık kapalı alanda güneş ışığı olmaksızın deneyleri gerçekleştirebilmeyi sağlayacak yapıdadır. Paneller seri ve paralel bağlanarak farklı yük gereksinimlerini karşılayabilecek yeterliliktedir.

10 Fotovoltaik panel katmanları: Alüminyum çerçeve: Panellere, montaj uygulamalarında kolaylık sağlaması ve kenarlardan gelecek darbelere karşı paneli koruması için alüminyum çerçeve ile fiziksel direnci artırılır. Temperli cam: Panel camları olumsuz hava koşullarında, dışarıdan gelen etkilere karşı panel bileşenlerini koruyacak şekilde ve optimum verim için güneş ışığını geri yansıtma oranı düşük olacak şekilde temperli camlar kullanılır. Eva: İyi bir laminasyon işlemi ve panel hücrelerinde meydana gelebilecek güç kayıplarını azaltmak için encapsulasyon (Kapsulasyon) işlemi gerekmektedir. Bu nedenle PV modüllerin en hassas bölümleri için performansı ve dayanıklılığı yüksek ve uzun süreli koruma sağlayan EVA (Ethylene vinyl acetate) kullanılır. Bu özelliği sayesinde modül dayanıklılığı ve verimi artar. Eva film hücrelerin alt ve üst yüzeylerini kaplayacak şekilde yerleştirilir. Solar hücre: Solar hücreler bilindiği gibi bir yarı iletken düzenektir. Çoğunluk yük taşıyıcıları elektronlardan oluşan N tipi ile çoğunluk yük taşıyıcıları boşluklardan oluşan P tipi yarı iletken yan yana getirilerek oluşturulur. Fotonlar bu iki yarı iletkenin birleşme noktasına düşürülürse dış devreden bir akım geçebilmektedir. Geçen bu akım sayesinde solar hücreler bir güç kaynağı gibi kullanılır. Alt tabaka (Tedlar film): Alt tabaka panel hücrelerine yalıtkanlık sağlayarak dış ortamdan etkilenmelerini engeller. Bağlantı kutusu: Stringlerden gelen busbarları birleştirmek için bağlantı kutusu kullanılır. Bağlantı kutusu ile panel içindeki hücrelerin elektrik akımları stringler aracılığıyla birleştirilerek panelin güç kaynağı gibi çalışması sağlanır.

11 10. 3 FAZ AC GERİLİM ÜRETEN ENDÜSTRİYEL RÜZGAR TÜRBİNİ Endüstriyel Küçük rüzgar türbini aşağıdaki özelliklere sahiptir. Gerçek türbinlerde olduğu gibi 3 faz AC gerilim üretir Güç: 400 W Gerilim: 12 VDC Kanat Çapı: 1.15m Kanatlar: Karbon fiber birleşimi (3 adet) Direk çapı: 48mm

12 T.C. YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ESM 413 ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUVARI 2 DENEY 1: GÜNEŞ PANELİ ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ VE GÜNEŞ MODÜLLERİNİN BAĞLANTI BİÇİMLERİ Ad Soyad Grubu Numarası Deneyi Yapanlar RAPORU HAZIRLAYAN: Deneyin Yapılış Tarihi../../ 2017 Performans Notu Rapor Teslim Tarihi../../ 2017 Rapor Notu Ortalama Not: Raporu Değerlendiren: Arş. Grv. Dr. Sunay TÜRKDOĞAN

13 DENEY-1 GÜNEŞ PANELİ ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ VE GÜNEŞ MODÜLLERİNİN BAĞLANTI BİÇİMLERİ Bu deney iki aşamadan oluşmaktadır. İlk aşamada tek bir güneş paneli ile çalışılacak olup bu panelin akım-gerilim-güç ilişkisi incelenecektir. İkinci aşamada ise seri ve paralel bağlanan iki panelin bağlantılarına göre yük üzerindeki farklılıkları incelenecektir. 1. GÜNEŞ PANELİ ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ 1.1. Deneyin Amacı Güneş panelinin akım-gerilim grafiğini çizerek karakteristik özelliklerinin çıkarılmasıdır Teori Akım-gerilim eğrisi güneş panelinin performansı hakkında gerekli bilgileri (V oc, I sc, V m, I m, FF ) verir. Maksimum Güç Noktası (MGN) değeri, güç-gerilim çıkartılır. MGN değeri, panel verimliliğini bulmadan kullanılır ve bu değerin gelen ışın gücüne oranı bize panel verimliliğini vermektedir Deneyin Yapılışı Şekil-1: Deney düzeneğinin şematik gösterimi. Şekil-1 de gösterildiği gibi güneş paneli, değişken direnç, ampermetre (yüke seri bağlı) ve voltmetre (yüke paralel bağlı) birbirlerine bağlanır. Halojen lambadan gelen ışınlar güneş paneli üzerine 90 0 açı ile gelecek şekilde yerleştirin.

14 Lambayı açtıktan sonra sıcaklık değişiminden kaynaklanan hataları engellemek için en az 1 dakika bekleyiniz. Lambadan gelen ışığın enerjisi düşük olduğu için bu deneyi güneş ışığı altında yapmak daha etkili olacaktır. Eğer olanak var ise dış ortamda güneş ışığı altında da benzer ölçümler yapılarak karşılaştırılmalıdır. Açık devre gerilimi ile başlayan akım-gerilim değerlerin, R=0 dan R= a kadar direnç adım adım değiştirilerek okunan akım-gerilim değerleri kaydedilmelidir. Aşağıdaki tabloyu ölçtüğünüz değerlerle doldurunuz. Ölçümler arasındaki değerler sabitlenene kadar bekleyiniz Ölçülen Değerler Tablo-1: Voltmetre ve Ampermetreden okunan V ve I değerleri. R(Ω) V(V) I(A) P(W)=V.I *V OC = *I SC =

15 1.5. Analiz Bir önceki adımda kaydettiğiniz verilerle akım-gerilim ve güç-gerilim grafiklerini çiziniz. Eğer aşağıdaki formatta değilse değerleri tekrar ölçerek grafikleri tekrar çiziniz. MGN, güç eğrisinin en üst noktasıdır bu nokta akım-gerilim eğrisinin köşe noktasında yer almaktadır. Bu değer akım ve gerilim çarpımlarının en yüksek olduğu yerdir. Buradaki akım ve gerilimin oluşturduğu dikdörtgen oluşabilecek en büyük dikdörtgendir. Ayrıca MGN değeri akım ve gerilim değerlerinin oluşturduğu dikdörtgenlerle de hesaplanabilir. En büyük dikdörtgenin alanı MGN değerini verir. Şekil-2: I-V karakteristiği. Panel verimliliğinin hesaplanabilmesi için giriş ve çıkış güçlerinin bilinmesi gerekir. Deneyin ilk basamağı üretilen max gücü bulmaktır. Giriş gücünü hesaplanmasını öğrenmek için ya bir ölçüm cihazına ya da daha önce multimetreyle ölçülmüş değerlere ihtiyaç duyulur. η = P max P giriş η:verim(%), P max : Maksimum güç (W), P giriş : Giriş gücü (W) Giriş gücünü yukarıda hesapladıktan sonra ışınım aşağıdaki gibi hesaplanır. E = P giriş A E: Işınım(W m 2 ), P giriş : Giriş gücü (W), A=Panelin Etkin Alanı (m 2 ) k sabitinin hesaplanabilmesi için hesaplamış olduğumuz ışınım(e) ve okuduğumuz kısa devre akımına(i sc ) gerek vardır.

16 k = E I SC Güneş panelleri modüllerinin performanslarının karşılaştırılmasını sağlayan bazı parametreler güneş panellerinin arkasında bulunan etikette yer almaktadır. Bu parametreler, standart test şartları altında belirlenir (AM 1.5 STC: 25 C, 1000 W/m2). Bu parametreler deney anında ulaştığımız veriler ile karşılaştığında farklılık gösterebilir. Bu parametrelerden biri olan Fill Factor (FF) ün hesaplama yöntemi aşağıdaki gibidir. FF = I MPxV MP I SC xv OC 1.6. Raporda İstenenler Tablo-1 ölçülen değerlerle doldurulmalı ve bu değerler kullanılarak I-V, P-V diyagramları (Şekil-2 gibi) çıkarılmalıdır. Tablo ve diyagramda istenen tüm datalar (I MP, V MP, I SC, V OC, P MP ) bulunmalıdır. Yukarıdaki formüller kullanılarak Halojen lambanın güç yoğunluğu (E), k sabiti ve FF hesaplanmalıdır. Hesaplanan FF değeri panelin FF değeriyle karşılaştırılıp farklılık varsa nedenleriyle yorumlanmalıdır. Panel özelliklerinden aktif hücre alanı hesaplanmalı ve manuel olarak ölçülen alan ile karşılaştırılıp yorumlanmalıdır. Halojen lambanın kaç sun eşdeğere sahip olduğu bulunmalıdır. (1 sun= 1000W/m 2 ) NOT: Hesaplamalar açıkça yapılmalı ve diyagram milimetrik kağıda çizilmeli veya herhangi bir bilgisayar programı ile çizdirilip çıktısı alınmalıdır.

17 2. GÜNEŞ MODÜLLERİNİN BAĞLANTI BİÇİMLERİ 2.1. Deneyin Amacı Seri ve paralel bağlı güneş modüllerinin yük üzerindeki etkilerinin incelenmesi Teori PV panelleri ışık kontrollü DC güç kaynakları olarak kabul edilebilirler. Güneş panelleri, farklı gerilim ve akım ihtiyacını sağlamak için farklı şekillerde bağlanabilir. Seri bağlı modüllerde ana hattan geçen toplam gerilim değeri, Kirchhoff yasasına göre bütün panellerin gerilimleri toplamına, akım değeri ise akımı düşük olan panelin akımına eşittir. Ve aynı yasaya göre paralel bağlantıda ise her hatta aynı gerilim bulunmaktadır ancak toplam akım ise her panelin çıkış akımının toplamına eşittir Deneyin Yapılışı Şekil-3: Seri ve paralel bağlı deney düzeneğinin şematik gösterimi. İlk aşamadaki talimatları (Bkz: 1.1 Deneyin Yapılışı) panelleri seri ve paralel bağlayarak ayrı ayrı uygulayınız.

18 2.4. Ölçülen Değerler Tablo-2: Seri bağlamada Voltmetre ve Ampermetre okunan V ve I değerleri. R(Ω) V(V) I(A) P(W)=V.I *V OC = *I SC = Tablo-3: Paralel bağlamada Voltmetre ve Ampermetrede okunan V ve I değerleri. R(Ω) V(V) I(A) P(W)=V.I *V OC = *I SC = 1.5 Raporda İstenenler

19 Tablo-2 ve 3 ölçülen değerlerle doldurulmalı ve bu değerler kullanılarak I-V diyagramı (Şekil-2) çıkarılmalıdır. Tablolar ve diyagramlarda istenen tüm datalar (I MP, V MP, I SC, V OC, P MP ) bulunmalıdır. 1000, 300 ve 50 Ω direnç değerleri için seri ve paralel bağlantılardan hangisinin uygun olduğunu nedenleriyle birlikte açıklayınız. (I-V ve yük karakteristiklerini aynı grafikte çizilerek yorumlanmalıdır) NOT: Hesaplamalar açıkça yapılmalı ve diyagram milimetrik kağıda çizilmelidir veya herhangi bir bilgisayar programında çizdirilip çıktısı alınmalıdır.

20 T.C. YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ESM 413 ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUVARI 2 DENEY 2: KÜÇÜK RÜZGAR SANTRALLARENİN DİZAYNI TEST EDİLMESİ TÜRBİN SİSTEMİ İLE ENERJİNİN DEPOLANMASI VE OPTİMİZASYONU Ad Soyad Grubu Numarası Deneyi Yapanlar RAPORU HAZIRLAYAN: Deneyin Yapılış Tarihi../../ 2017 Performans Notu Rapor Teslim Tarihi../../ 2017 Rapor Notu Ortalama Not: Raporu Değerlendiren: Arş. Gör. Dr. Taylan GÜNEŞ

21 DENEY-2: KÜÇÜK RÜZGAR SANTRALLARENİN DİZAYNI, TEST EDİLMESİ; TÜRBİN SİSTEMİ İLE ENERJİNİN DEPOLANMASI VE OPTİMİZASYONU 1. Deneyin Amacı Küçük rüzgar türbini, akümülatör ve rüzgar simülatörünün bağlantısının öğrenilmesi ve küçük rüzgar türbinlerinin işletim sistemlerinin incelenmesidir Teorik Bilgi Üretilen güç göz önüne alındığında rüzgar türbininden aynı enerjiyi alabilmek için gerekli olan rüzgar hızının hesaplanması gerekmektedir. Rüzgar türbinleri rüzgarın sahip olduğu kinetik enerjiyi önce mekanik enerjiye daha sonra da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Rüzgar türbininden üretilecek enerjiyi dolaylı olarak hesaplamak için bazı eşitlikler kullanılır. P = 1 2 pv3 πr 2 (2.1) Burada, P, rüzgardaki enerji (Watt); p, havanın yoğunluğu (1.225 kg/m 3 ); V, rüzgar hızı (m/s); ve r ise kanat yarıçapı (0.575 m). Formülden anlaşılacağı üzere rüzgarın taşıdığı enerji, rüzgarın hızının küpü ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Ancak bu artış sonsuza kadar gitmeyecektir, türbinden jeneratöre hareket ileten hızlı ve yavaş mil üzerine rüzgar hızı 25 m/s üzerine çıkınca milin dönüş hızını yavaşlatacak fren sistemleri konulmuştur. Yukarıdaki formülden de faydalanarak yapılan deneyde, rüzgar türbininin ürettiği enerjiyi verebilecek olan rüzgar hızı hesaplanabilir. Bu bağlamda; 3 V = 2P πpr 2 (2.2) ile istenilen hız değeri her bir koşul için hesaplanabilir. Ayrıca, hız için yapılan hesaplamaların türbin verimi %100 ise geçerli olacağı unutulmamalıdır.

22 2. Deneyin Yapılışı Şekil-1:Deney düzeneğinin kurulumu. Not: Rotorun nominal hızı 1200 rpm dir, bu hızı kesinlikle aşmayınız! Şekil-1 de gösterildiği gibi rüzgar türbini, rüzgar simülatörü voltmetre ve ampermetre ile birlikte deneyi kurunuz. Deney setinde bulunan Akü modülü üzerindeki Akü Açma-Kapama anahtarını açarak aküyü devreye alınız. Aksi takdirde şarj regülatörü çalışmayacaktır. Rüzgar simülatör modülünü, modül üzerindeki on-off anahtarını kullanarak devreye alınız. Rüzgar simülatörü üzerinde bulunan servo on/servo off anahtarı ile rüzgar türibini miline bağlı servoyu aktive ediniz. Motor hızı manuel olarak kontrol edilecekse modül üzerinde bulunan anahtarı panel yönünde aktive ediniz. Servonun dakikadaki devir sayısını kontrol etmek için şu adımlar izlenmelidir Mode butonuna basılarak display ekranda P0-00 görmelisiniz.

23 P harfinin yanında bulunan 0, 4 olana kadar SHIFT butonuyla artırılır. P4 ekranda görüldükten sonra yukarı yönlü ok butonuyla ( ), 00 değeri artırılarak 05 değerine getirilir. Ekranda P4-05 görülünce SET butonuna basılarak devir değiştirebilme kodu aktif hale getirilir. Yön butonlarıyla devir sayısı istenilen değere getirilir ve set butonuna basılır. Display ekranda JOG yazısı görüldüğünde yön tuşlarıyla motor mili dönmeye ve bu sayede türbin enerji üretmeye başlayacaktır. Motorun her hız değeri için (sürücü ekranında gösterilen) şarj akım ve gerilim değerini ölçünüz ve kaydediniz. 3. Ölçülen Değerler Tablo-1: Farklı motor hızlarında V ve I değerleri. MOTOR HIZI (rpm) 300 V(V) I (A) P(W)=V.I

24 4. Raporda İstenenler Tablo-1 ölçülen değerlerle doldurulmalıdır. Herbir rpm değeri için oluşacak gücü hesaplayınız ve tabloda doldurunuz. Herbir rpm değerine karşı gelen rüzgar hızı değerlerini hesaplayınız ve rpm-güç-hız tablosunu oluşturunuz. Güç ve hız eğrisini çiziniz ve rüzgar türbininin en etkili şekilde çalıştığı hız değerini belirleyiniz. Rüzgar türbinlerinin üreteceği gücün rüzgar hızıyla nasıl değiştiği hakkında yorumlar yapınız ve bulmuş olduğunuz maksimum güçteki rpm değerinin yaklaşık rüzgar hızı değerini bulunuz. Güç ile rüzgar hızı arasında bir bağıntı oluşturmaya çalışınız (BONUS)

25 ESM 413 ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUVARI 2 DENEY 3: RADYASYONLU ISI TRANSFERİ Ad Soyad Grubu Numarası Deneyi Yapanlar RAPORU HAZIRLAYAN: Deneyin Yapılış Tarihi../../ 2017 Performans Notu Rapor Teslim Tarihi../../ 2017 Rapor Notu Ortalama Not: Raporu Değerlendiren: Arş. Gör. Ezgi BAYRAKDAR ATEŞ

26 DENEY 3: RADYASYONLU ISI TRANSFERİ 1. DENEYİN AMACI Çelik, pirinç veya siyah plaka üzerinde ışığın ve ısının ayrı ayrı uygulanmasıyla (mesafeler de değiştirilerek) cisim üzerindeki radyasyonun ölçülmesidir. 2. TEORİ İletim ve taşınımla ısı geçişi bir madde içindeki sıcaklık gradyanından kaynaklanırken, ısıl ışınımla ısı geçişi için arada bir madde bulunmasına gerek yoktur; yüzeylerin birbirini görmesi yeterlidir. Şekil-1: Gelen (G), soğurulan (α), iletilen(τ) ve yansıyan(ρ) radyasyon.[5] Isıl ışınım, onun alt gruplarından biri olan, görünen ışığın optik özelliklerinin büyük oranda aynısını sergilediği bilinmektedir. Şekil-1 de görüldüğü gibi bir yüzeye bütün dalga boylarında gelen toplam ışınım, G, yüzeyin özelliklerine bağlı olarak yutulabilecek, yansıtılabilecek ya da madde içinden geçirilebilecektir. Eğer yüzeye gelen toplam ışınım G nin yutulan, yansıtılan ve geçirilen ışınım miktarlarına oranları sırasıyla ışınım yutma oranı α, ışınım yansıtma oranı ρ ve ışınım geçirme oranı τ olarak tanımlanırsa: α + τ + ρ = 1

27 Çoğu katı maddelerin ışınım geçirme oranı τ sıfırdır, bu tür yüzeyler ısıl ışınım için donuk (opak ) olarak adlandırılırlar. Opak bir yüzey için ρ + α = 1 olacaktır. Cisimleri üzerlerinden yansıyan ışınlar vasıtasıyla görürüz, eğer cisimden herhangi bir ışın yansıması olmaz ise bu cisim siyah cisim olarak görünür. Isıl ışınımda da üzerine gelen bütün dalga boylarındaki toplam ışınımı absorblayan ideal bir yüzey siyah cisim olarak adlandırılırlar. Siyah cisim üzerine gelen ışınımı ne yansıtır ne de geçirir. Dolayısıyla bir siyah cisim için ρ=0, τ=0 ve α=1 dir. Şekil-2: Isı ile radyasyon ölçüm düzeneği.[1] Herhangi iki yüzey arasındaki ışınımla ısı geçişi, Stefan-Boltzmann yasası ile açıklanır. q = Q A = ε σ (T s 4 T A 4 ) q = Işınımla aktarılan enerji [W m 2 ] T A = Ortam sıcaklığı [K] T s = Yüzey sıcaklığı [K] ε = Isı taşınım katsayısı [W m 2 K] σ = Stefan-Boltzmann Sabiti [ σ = 5,67 x 10-8 (W m 2 K 4 )] Bu deney düzeneğinde: T A = ST6 T s = ST1, ST2, ST3, ST4 veya ST5

28 3. DENEY DÜZENEĞİ Şekil-3: Deney düzeneği ve ekipmanları.[1] Şekil-3 de gösterilmiş olan deney düzeneğinde iki farklı şekilde radyasyon hesabı yapılmakta ve gözlemlenebilmektedir. Bunlar ısı transferi ve ışık ile radyasyon ölçümü şeklindedir. Isı transferi ile radyasyon ölçümü için ısı kaynağı, farklı malzemelerden yapılmış plakalar ve radyometre gereklidir. Işık ile radyasyon ölçümünde ise ışık kaynağı ve lüksmetre kullanılmaktadır. 4. DENEYİN YAPILIŞI 4.1. Işıl İle Radyasyon İçin İzlenecek Yol

29 Şekil-4: Işık ile radyasyon ölçüm düzeneği.[1] Işık kaynağı ve lüksmetre kontrol ünitesi ile bağlantısı yapılır. Şekil-4 de gösterildiği gibi lüksmetrenin sensörü, ışık kaynağına belirli uzaklıklarda yerleştirilir ve sabitlenir. Kontrol ünitesine güç verilir ve üzerindeki açma kapama anahtarıyla açılır. SCADA programı başlatılır ve açılan ilk pencereden ilgili deney kodu seçilir (RC). SCADA programı ara yüzünden start butonu ile başlatılır, ısıtıcı gücü istenilen değere ayarlanır. SCADA programı kullanılarak verilen güç, ışık şiddeti ve sıcaklık değerleri not edilir. Yukarıdaki işlemler farklı güç ve lüksmetrenin sensörü uzaklık değerleri için tekrarlanır. Deney sonunda kontrol ünitesi kapatılır. 4.2.Isı İle Radyasyon İçin İzlenecek Yol Isı kaynağı, kullanmak istenilen plaka ve radyometrenin kontrol ünitesi ile bağlantısı yapılır. Şekil-2 de gösterildiği gibi plaka ısı kaynağına 5cm, radyometre de 11cm uzaklıkta yerleştirilir ve sabitlenir. Kontrol ünitesine güç verilir ve üzerindeki açma kapama anahtarıyla açılır. SCADA programı başlatılır ve açılan ilk pencereden ilgili deney kodu seçilir (RC). SCADA programı ara yüzünden start butonu ile başlatılır, ısıtıcı gücü istenilen değere ayarlanır. SCADA programı kullanılarak verilen güç, ısı akısı ve sıcaklık değerleri not edilir. Yukarıdaki işlemler farklı güç ve plaka uzaklık değerleri için tekrarlanır. Deney sonunda kontrol ünitesi kapatılır.

30 5. SONUÇLAR VE HESAPLAMALAR 5.1. Ölçülen Değerler Radyasyon(Lüks) Açı( ) Tablo-1: Işık için ölçülen değerler (AR1= %100 için). Radyasyon(Lüks) Uzaklık (m) 0,00 0,1 0,2 0,3 0,4

31 Tablo-2: Işık için ölçülen değerler (AR1= %100 ve açı=0 için). TEST-1 AR1 (%) Plaka sıcaklığı( ) SR1(W m 2 ) TEST-2 TEST-3 TEST-4 TEST-5 Tablo-2: Isı için ölçülen değerleri. 5.2.Hesaplamalar ε siyah ε pirinç ε çelik TEST-1 TEST-2 TEST-3 TEST-4 TEST-5 Tablo-3: Farklı plakalar için hesaplanan yayıcılık sabitleri.

32 T.C. YALOVA ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ ESM 413 ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUVARI 2 DENEY 4: RADYAL ISI İLETİMİ Ad Soyad Grubu Numarası Deneyi Yapanlar RAPORU HAZIRLAYAN: Deneyin Yapılış Tarihi../../ 2017 Performans Notu Rapor Teslim Tarihi../../ 2017 Rapor Notu Ortalama Not: Raporu Değerlendiren: Arş. Gör. M. Nazlı BORAND

33 Deney 4: RADYAL ISI İLETİMİ 1. DENEYİN AMACI Pirinç plaka üzerinde ısı iletiminin farklı sıcaklık ve uzaklıklardaki değişimini incelemektir. 2. TEORİ Isı transferi biliminde ısı geçişini incelerken enerji transferini doğrudan ölçemeyeceğimiz için ölçülebilen bir büyüklük olan sıcaklık ile ölçümler yapılacaktır. Yüksek sıcaklıktan düşük sıcaklığa doğru ısı akışıyla oluşan sıcaklık farkı, sistemin sıcaklık dağılımını verir. Sıcaklık dağılımı bilindiğinde, birim zamanda birim alana düşen ısı akısı hesaplanabilir. Bu nedenle ısıl iletkenlik ölçümü her zaman ısı akısı ve sıcaklık farkı ölçümü içerir. Isı geçişinin üç ana formu vardır; iletim, taşınım ve ışınım. Yapılacak olan deney ısı iletimi ile ilişkili olduğuna göre burada sadece iletimden bahsedilecektir. Şekil-1: Deney düzeneği, ısı sensörleri ve pirinç disk. [2]

34 Isı iletimi; bir katı malzeme veya durgun akışkan içerisindeki sıcak bir bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru ısının geçmesidir. Bir katı cisim içinde sıcaklık farkları varsa yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine ısı, iletim yolu ile geçer. İletimle ısı geçişi deneysel gözlemlere dayanan Fourier kanunu ile belirlenir. Fourier kanununa göre herhangi bir yönde (örneğin x yönünde) geçen ısı miktarı, x yönündeki sıcaklık gradyanı (sıcaklık değişim miktarı) dt/dx ve ısı geçiş yönüne dik alan A ile orantılıdır. Fourier kanununun matematiksel ifadesi. Q x = ka dt dx şeklindedir. Buradan k iletim katsayısı k = Q x ln( R dış R iç ) 2πL(T iç T dış ) Q x : Elektriksel güç girişi [W] L: Parçanın eksenel uzunluğu [mm] R dış : Dış çap [mm] R iç : İç Çap [mm] T iç : Termokapıl [ C] T dış : Termokapıl [ C] Bu deney düzeneği için: L = 3mm R dış = 110mm R iç = mm T iç = ST1-ST2-ST3-ST4-ST5 veya ST6 T dış = ST1-ST2-ST3-ST4-ST5 veya ST6

35 3. DENEY DÜZENEĞİ Şekil-2: Radyal ısı iletim ölçüm sistemi [3] Şekil-2 de gösterilmiş olan radyal ısı iletimi ölçüm sisteminin merkezine sabitlenmiş olan rezistöre enerji verilmesiyle, akıma karşı gösterilen direnç doğrultusunda ısı enerjisi açığa çıkmaktadır. Bu enerji pirinç plaka üzerinde, merkezden (yüksek sıcaklık) plakanın çevresine doğru (düşük sıcaklık) iletim ile aktarılmaktadır. Aktarılan bu enerjinin miktarı göz önüne alınarak metal plakanın ısı iletim katsayısı bulunabilmektedir. Şekil-3: Deney düzeneği şematik gösterimi.[1]

36 Şekil-3: Kontrol ünitesi.[1] Şekil-3 te gösterilen deney düzeneği şemasında ST1, ST2, ST3, ST4, ST5 ve ST6 termokapıllarının bir ucu Şekil-2 de gösterilen metal plaka üzerine temas etmektedir ve her bir termokapıl Şekil-3 de bulunan kontrol ünitesine bağlanır. ST7 ve ST8 termokapılları sırasıyla suyun giriş ve çıkış sıcaklık değerlerini kontrol ünitesine aktarmaktadır. Şebeke suyunun deney düzeneğine bağlandığı noktada bir adet vana bulunmaktadır. Bu vana ile suyun debisi istenilen değere ayarlanır. Isıtıcı gücü de AR1 bağlantısı ile yapılmaktadır ve SCADA programı arayüzünden istenilen değere sabitlenmektedir. Sıcaklığın kontrolü STCON ile giren suyun debisi de SC1 sensörü ile ölçülür. Kontrol ünitesi de bilgisayara bağlanarak SCADA programı ile datalar okunur ve kontrol sağlanır. 4. DENEYİN YAPILIŞI Tablo-1: Bazı materyallerin ısı iletim katsayıları.[1]

37 Deneyin yapılışında izlenecek yol aşağıda açıklanmıştır: Soğutucu su giriş-çıkışı bağlanır. Kontrol ünitesi üzerinde bulunan soketler ile deney düzeneği bağlantı kabloları, üzerindeki etiketler yardımıyla eşleştirilir ve bağlantıları yapılır. Kontrol ünitesine güç verilir ve üzerindeki açma kapama anahtarıyla açılır. Soğutucu su vanası açılır. SCADA programı başlatılır ve açılan pencereden ilgili deney kodu seçilir (CR). SCADA programı üzerinden ısıtıcı gücü istenilen değere ayarlanır. SCADA programı kullanılarak pirinç plaka üzerindeki sıcaklık değerleri not edilir. (ST1- ST2-ST3-ST4-ST5-ST6) Yukarıdaki işlemler farklı güç değerleri için tekrarlanır. Deney sonunda kontrol ünitesi kapatılır ve güç ünitesinin fişi çekilir. Bağıntılar sökülür ve şebekeden gelen soğutucu su vana yardımıyla kesilir. 5. SONUÇLAR VE HESAPLAMALAR 5.1. Ölçülen Değerler SC2 (l dk) ST1 ST2 ST3 ST4 ST5 ST6 Tablo-2: Farklı su debilerinde sıcaklık ölçüm tablosu (SW1 = 10W için).

38 Q(W) ST1 ST2 ST3 ST4 ST5 ST6 Tablo-3: Farklı güç değerlerinde sıcaklık ölçüm tablosu. 5.2.Hesaplamalar Grafik-1: Termokapıllar arasındaki radyal uzaklık Sıcaklık diyagramı.