ÜNİTE-10 YENİLENEBİLİR ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ ÖĞR. GÖR. HALİL YAMAK
KONU BAŞLIKLARI ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Hidrolik Enerji Rüzgar Enerjisi Güneş Enerjisi Nükleer Enerji
GİRİŞ Toplumların gelişmişlik düzeyi enerji tüketim miktarlarıyla orantılıdır. Bugün enerji tüketimi bir ülkede yaşayan toplumun yaşam standartları ve ülkenin endüstrileşme derecesiyle doğrudan ilgilidir. Bugün bilim adamlarının, mühendislerin ve enerji teknisyenlerinin yeni enerji kaynaklarını bulmaları, geliştirmeleri ve insanlığın kullanımına sunmaları önemli bir sorumluluktur. Bunu başarabilmek için değişik enerji formları, kaynakları, dönüşüm teknikleri ve koruma metotları bilinmelidir.
GİRİŞ Enerji türlerinin sınıflandırılmasında kabul edilmiş genel bir metot ya da sistem olmamasına rağmen farklı enerji formları 6 sınıfta incelenebilir: Mekanik enerji Elektrik enerjisi Elektromanyetik enerji Kimyasal enerji Nükleer enerji Termal (ısıl) enerji Enerji dönüşümü sırasında bir enerji türünden diğerine dönüşüm olabileceği gibi çoğu uygulamada her bir adımda birden fazla enerji türüne dönüşüm olmaktadır. Örneğin bir güç santralinde enerji biçimleri arasında dönüşüm zinciri vardır.
HİDROLİK ENERJİ Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan hidrolik enerji bugün en çok kullanılan yenilenebilir enerji kaynağıdır. Hidrolik enerji en eski enerji kaynaklarından biridir. İlk olarak binlerce yıl önce insanlar akan sudan faydalanarak tahta bir tekeri çevirip tahıl öğütmüşlerdir. Hidrolik enerjinin kaynağı isminden de anlaşılabileceği gibi sudur. Bu nedenle hidroelektrik enerjinin elde edileceği santraller bir su kaynağı üzerinde olmak zorundadır.
HİDROLİK ENERJİ Hidroelektrik Santraller; yenilenebilir olmaları, yerli doğal kaynak kullanmaları, işletme ve bakım giderlerinin düşük olması, fiziki ömürlerinin uzun oluşu, en az düzeyde olumsuz çevresel etki yaratmaları, kırsal kesimlerde ekonomik ve sosyal yapıyı canlandırması gibi nedenlerle diğer enerji üretim tesislerine göre üstünlük arz etmektedir. Hidroelektrik santrallerin ilk yatırım maliyetleri fazladır. Ayrıca büyük kapasiteli bir baraj yapımı için uzun bir süreye ve çok iyi bir fizibilite çalışmasına gerek vardır. Ancak baraj ve santral tamamlanıp işletmeye alındıktan sonra en ucuz elektrik üretim amaçlı enerji kaynağı hidroelektrik güçtür.
HİDROLİK ENERJİ Hidrolik Türbinler Hidrolik türbin, suyun enerjisini kinetik enerjiye çevirmek için kullanılan mekanizmadır. Türbin, bir mil ve üzerindeki kanatçıklardan oluşur. Kullanılan akışkana göre türbinin ve kanatçıkların yapısı değişir. Çalışma prensibi şu şekildedir: Su, türbinin kanatçıklarına çarparak türbin miline hareket verir, hareket milin çıkışında mekanik enerjiye dönüşür. Bu mekanik enerji çeşitli düzenekler yardımıyla elektrik enerjisine çevrilir. Hidrolik santrallerde kullanılan en yaygın türbin tipleri, Pelton, Francis ve Kaplan türbinleridir.
HİDROLİK ENERJİ Pelton türbini Pelton türbinlerinde su, hızı ile etkir. Cebri boru ile taşınan su bir lüleden geçerek çarkın kepçelerine hızlı bir şekilde çarptırılır. Genellikle bir ya da iki lüle kullanılırken büyük kapasiteli türbinlerde daha fazla lüle kullanılmaktadır.
HİDROLİK ENERJİ Francis türbinleri Francis türbini Peltonların aksine reaksiyon (tepki) türbinlerindendir. Net düşü ve özgül hız bakımından çok geniş kullanım alanına sahip olan Francis türbinleri suyun hem kinetik hem de potansiyel enerjisinden faydalanırlar. Bu nedenle, çarka girişteki basınç çarktan çıkıştaki basınçtan çok büyük olur. Bu yüzden suyun kapalı kanallar içinde akması zorunluluğu vardır. Türbinin içinde suyun basıncının sabit kalmaması reaksiyon tipi türbinlerle Pelton türbinleri arasındaki en önemli farktır. 6.19 m çapında ve 17 kanada sahip Bir Francis türbinin görünümü.
HİDROLİK ENERJİ Kaplan türbinleri 100 m den daha küçük düşülerde çalışan çok büyük debili reaksiyon türbinleridir. Kaplan türbinlerinde çarkın kanatlarına pala ismi verilir. Francis türbinlerden en önemli farkı su Francis türbinlerine radyal doğrultuda girerken kaplan türbinlerde eksenel doğrultuda girmektedir. Ayrıca Francis türbinlerde çarktaki kanat sayısı genellikle 16-24 arasında değişirken ve bu kanatlar çarka sabit biçimde bağlı iken, Kaplan türbinlerde pala sayısı 3 ile 8 arasında değişir ve Kaplan türbinlerde bu palaların yerleştirilme açıları işletme sırasında değiştirilebilmektedir
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr enerjisi güneş enerjisinden sonra son yıllarda toplumun ilgisini çekmiş ve yatırımlarla sürekli gündeme gelmeye başlamıştır. Gerçekten de veriler incelendiğinde rüzgâr enerjisi son yıllarda diğer yenilenebilir enerji türlerine göre oldukça hızlı büyümektedir. Dünyada rüzgâr gücünde liderlik yapabilir ülkeler: Avustralya, Kanada, Çin, Fransa, Hindistan, İtalya, Filipinler, Polonya, Türkiye, İngiltere ve ABD. Bu piyasalar başlangıç safhasında fakat gelişme aşamasındadır ve ana rüzgâr büyümesi buralarda gerçekleşebilir. Rüzgâr Enerjisinin Kaynağı ve Rüzgârla İlgili Tanımlar Karalar, denizler ve havaküre farklı özgül ısılara dolayısıyla farklı sıcaklıklara sahip olurlar. Sıcaklık dağılımı, coğrafik ve çevresel koşullara bağlıdır. Yerkürede ortaya çıkan sıcaklık ve buna bağlı basınç farklılıkları, rüzgârın oluşmasına neden olur. Yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hareket eden hava, "Rüzgâr" olarak isimlendirilmektedir. Yani rüzgâr enerjisi, güneş enerjisinin bir türevidir.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr enerjisi tarihçesi İlk rüzgâr değirmeninin MÖ 200 yıllarında antik Mezopotamya'da inşa edilmiş olduğu sanılmaktadır. Türkler ve İranlılar ilk yel değirmenlerini MS 7. yüzyılda kullanırken Avrupalılar bunu haçlı seferlerinde görmüşlerdir. Batı dünyası rüzgâr değirmenlerini 12. yüzyılda kullanmaya başlamıştır. 18. yüzyılın sonunda Hollanda da 10.000 yel değirmeni bulunuyordu. Rüzgâr türbini denilen ve elektrik üretiminde kullanılan ilk makineler 1890'ların başlarında Danimarka'da yapılmıştır. Çok pervaneli yel değirmenlerinin kullanımı, 19. yüzyılın ikinci yarısında ABD'de görülmeye başlamıştır. 19. yüzyılın sonunda ABD'de yüze yakın rüzgâr değirmeni fabrikası vardı ve yüzyılın sonunda rüzgâr değirmeni ihracatı ABD ekonomisi için en büyük kaynak olmuştur.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr enerjisi tarihçesi Enerji fiyatlarındaki artış ve geleneksel enerji kaynaklarının sınırlılığı rüzgâr enerjisine olan ilgiyi tekrar artırmıştır. Rüzgâr sistemleri için yeni bir pazar olarak rüzgâr tarlaları 1980 başlarında oluşturulmaya başlandı. ABD, Danimarka, Hollanda, İngiltere ve İsveç'in katkıları sonucunda, deniz üstünde, kıyıdan uzakta rüzgâr santralleri kurulmuştur.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr Türbini Tipleri Rüzgâr tribünlerinin sınıflandırılması türbin rotorunun dönme eksenine göre yapılır. Buna göre rüzgâr türbinleri: yatay eksenli rüzgâr türbinler (HAWT) ve dikey eksenli rüzgâr türbinleri (VAWT) olarak iki grupta sınıflandırılır. Yatay eksenli rüzgâr türbinleri dikey eksenli olanlara göre daha yaygındır. Bu tip türbinlerde dönme ekseni rüzgâr yönüne paraleldir. Kanatları ise rüzgâr yönüyle dik açı yaparlar. Ticari türbinler genellikle yatay eksenlidir. Rotor, rüzgârı en iyi alacak şekilde, döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir. Yatay eksenli türbinlerin çoğu, rüzgârı önden alacak şekilde tasarlanır. Rüzgârı arkadan alan türbinlerin yaygın bir kullanım yeri yoktur. Rüzgârı önden alan türbinlerin iyi tarafı, kulenin oluşturduğu rüzgâr gölgelenmesinden etkilenmemesidir. Kötü tarafı ise, türbinin sürekli rüzgâra bakması için dümen sisteminin yapılmasıdır.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr Türbini Tipleri Yatay eksenli türbinlere örnek olarak pervane tipi rüzgâr türbinleri verilebilir. Bu tip türbinlerin kanatları tek parça olabileceği gibi iki ve daha fazla parçadan da oluşabilir. Günümüzde en çok kullanılan tip üç kanatlı olanlardır. Bu türbinler elektrik üretmek için kullanılır.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr Türbini Tipleri Dikey eksenli rüzgâr türbinlerinde türbin mili düşeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi gibi çeşitleri vardır. Daha çok deney amaçlı üretilmiştir. Ticari kullanımı çok azdır. Savonius tipi Darrieus tipi
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr Türbini Tipleri Darrieus Tipi Rüzgâr Türbini Darrieus tipi düşey eksenli rüzgâr türbininde, düşey şekilde yerleştirilmiş iki tane kanat vardır. Kanatlar, yaklaşık olarak türbin mili uzun eksenli olan bir elips oluşturacak biçimde yerleştirilmiştir. Kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkı nedeniyle dönme hareketi oluşur.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr Türbini Tipleri Savonius Tipi Rüzgâr Türbini Savonius türbinleri, iki ya da üç adet kepçeye benzer kesitin birleşimi şeklindedir. En yaygını iki adet kepçenin bulunduğu durumdur ve S şeklini andıran bir görüntüsü vardır. Savonius türbininde akışkan içbükey kanat üzerinde türbülanslı bir yol izler ve burada dönel akışlar meydana gelir. Bu dönel akışlar Savonius türbininin performansını düşürür, bu nedenle elektrik üretiminde pek fazla kullanılmaz. Daha çok su pompalama amaçlı ve rüzgâr ölçümlerinde kullanılan anemometre olarak kullanılır.
RÜZGÂR ENERJİSİ Rüzgâr Enerjisi Dönüşümü Türbin rotoru aerodinamik olarak tasarlanmış kanatları vasıtası ile rüzgâr dalga enerjisinin bir kısmını yakalayarak mekanik enerjiye çevirir. Düşük hızlı bu mekanik enerji dişli kutusu yardımı ile yüksek jeneratör hızı seviyesine çıkarılır. Yüksek dönüş hızına sahip mekanik enerjiye çevrilmiş bu enerji ise jeneratör aracılığı ile elektrik enerjisine dönüştürülür. Daha sonra transformatör ve iletim hatları aracılığı ile yerel elektrik şebekesine elektrik sayacı ve kesici üzerinden bağlanır.
GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş Enerjisi Dönüşümleri Güneş tamamen yoğun ve çok sıcak gazlardan meydana gelmiş bir küredir. Güneşten gelen enerjinin yaklaşık olarak % 30'u, yansıma ve saçılmalarla uzaya geri gider. Yaklaşık % 20'si hava kürede soğurulur. Gelen enerjinin geri kalan % 50'si ise yeryüzünde soğurulur. Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinden, doğal ve yapay dönüşümler ile yararlanılır. Bu dönüşümlerden birisi, suların buharlaştırılarak, dünyadaki su döngüsünün sağlanmasıdır. Bu işlem, gerek biz insanlar için, gerekse tüm canlılar için çok önemlidir. Diğer önemli bir doğal dönüşüm işlemi ise fotosentezdir. Fotosentez, dünyadaki canlılar için yaşam demektir. Bir saniyede gelen güneş enerjisinin, yaklaşık on binde ikisi bu işlem için harcanır. Diğer bir deyişle, bitkiler tarafından toplanır. Bitkiler, gelen güneş enerjisini kullanarak fotosentez yapar ve böylece biyokütle oluşur.
GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş Enerjisi Dönüşümleri Güneş enerjisinin bir diğer dönüşümü de rüzgârlar ve deniz dalgalarıyla okyanus akıntılarıdır. Rüzgârların oluşmasında, atmosferdeki bazı bölgelerin değişik etkenler nedeniyle, diğer bölgelere kıyasla, daha sıcak veya daha soğuk olmasından kaynaklanan basınç farklılıkları etkin olmaktadır. Bu ısınma ve soğumalarda da güneş etkin rol oynar. Deniz dalgaları ve akıntıları temelde rüzgârın etkisiyle ortaya çıkar. Dolayısıyla, hem rüzgâr, hem de deniz dalgaları ve akıntılar birer güneş enerjisi türevidir. Güneş enerjisinin yapay dönüşümleri ise, bu enerjiden değişik amaçlarla yararlanmak amacıyla insanoğlu tarafından geliştirilmiş olan dönüşümlerdir. Günümüzde güneş enerjisi sistemleri; teknoloji, maliyet ve çevresel etkiler bakımından yaygın bir şekilde kullanım olanağı bulmaktadır.
GÜNEŞ ENERJİSİ Güneşli Su Isıtma Sistemleri Güneş kolektörü kullanarak tüketim veya ısıtma amaçlı sıcak su üreten sistemlerdir. Yaygın olarak iki tip tasarım mevcuttur. Doğal dolaşımlı sistemler Pompalı (basınçlı) sistemler
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ HAVUZU Güneş havuzları, güneş enerjisini ısı enerjisi olarak toplama ve depolama işlevine sahip tasarımı basit ve maliyeti ucuz uygulamalardan biridir. Konut ısıtma ve soğutma, yiyecek ve kâğıt kurutma, elektriksel güç üretimi ve endüstriyel işlemler için ısı enerjisi elde etmek amacıyla, güneş havuzlarından yararlanılır.
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Güneş enerjisinden elektrik üretimi başlıca iki yöntemle yapılır: Dolaylı elektrik üretimi: Güneşten termik elektrik üretimidir. Güneş enerjisinin yoğunlaştırıcı sistemler kullanılarak odaklanması sonucunda elde edilen kızgın buhardan, geleneksel yöntemlerle elektrik üretilir. Doğrudan elektrik üretimi: Fotovoltaik, termoelektrik ve termoiyonik çeviriciler yer alır. Büyük çapta elektrik üretimi için, sadece fotovoltaik (PV) sistemler kullanılabilir.
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Güneşten termik elektrik üretimi Güneş enerjisinin yoğunlaştırıcı sistemler kullanılarak odaklanması sonucunda, elde edilen buhardan, geleneksel yöntemlerle elektrik üretilir. Güneş ısıl güç santrallerinde; güneş enerjisi ile elde olunan buhar gücünden, klasik termik santrallerde olduğu gibi, türbin-jeneratör ünitesi ile elektrik üretilir.
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Yoğunlaştırıcı sistemler ile elektrik üretimi Güneş ısıl güç santralleri, birincil enerji kaynağı olarak güneş enerjisini kullanan elektrik üretim sistemleridir. Toplama elemanı olarak parabolik oluk kolektörlerin kullanıldığı güç santrallerinde, çalışma sıvısı kolektörlerin odaklarına yerleştirilmiş olan, soğurucu boru içerisinde dolaştırılır. Daha sonra, ısınan bu sıvıdan ısı değiştiriciler yardımı ile kızgın buhar elde edilir. Parabolik çanak kolektörlerin kullanıldığı sistemlerde de aynı yöntem uygulanabilir. Bununla birlikte, merkeze yerleştirilen bir motor yardımı ile direkt olarak elektrik üretilir.
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Yoğunlaştırıcı sistemler ile elektrik üretimi Parabolik oluk kolektörlerin kullanıldığı ısıl güç santralleri aşağıdaki sistemlerden oluşur: 1. Güneş tarlası 2. Buhar üretim sistemi 3. Elektrik üretim sistemi Bu santrallerde işlem ısısı için, doğrusal yoğunlaştırma yapılarak, güneş enerjisinden 300 C'nin üzerinde sıcaklık elde edilir. Isı transfer akışkanı olarak yüksek sıcaklıklara dayanıklı ısıl yağ kullanılır.
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Yoğunlaştırıcı sistemler ile elektrik üretimi Parabolik oluk tipi odaklı kolektör tarlalı
GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Güneşten fotovoltaik elektrik üretimi Güneş pilleri (fotovoltaik piller), güneş ışınlarını doğrudan elektriğe dönüştürebilen, hareketli mekanik parçaları olmayan, bakımı kolay ve ömürleri uzun olan elektronik sistemlerdir. Güneş pilleri, genel olarak yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştüren yarı iletken maddelerden tasarımlanır. Güç gereksinimine bağlı olarak modüller birbirlerine seri veya paralel bir durumda bağlanabilir. Böylece, güçleri bir kaç Watt'tan megavatlara kadar değişen büyüklükte sistemler oluşturulabilir.
NÜKLEER ENERJİ Uranyum gibi ağır radyoaktif atomların bir nötronun çarpması ile daha küçük atomlara bölünmesi (fisyon) veya hafif radyoaktif atomların birleşerek daha ağır atomları oluşturması (füzyon) sonucu çok büyük bir miktarda enerji açığa çıkar. Bu enerjiye nükleer enerji denir. Nükleer reaktörlerde fisyon reaksiyonu ile elde edilen enerji elektriğe çevrilir. Güneşteki reaksiyonlar ise füzyon reaksiyonudur. Bu reaksiyonun yarattığı sıcaklığı kontrol edebilecek bir füzyon reaktörü henüz kurulamamıştır.
NÜKLEER ENERJİ Nükleer Santraller Einstein, 1905 yılında E=mc 2 formülü ile fisyon sonucu açığa çıkabilecek enerji konusunda öngörüde bulunmuştu. Daha sonra 1930 yılında bu öngörü deneysel olarak diğer bilim insanları tarafından doğrulandı. Bu öngörüye dayalı teoriden yararlanarak dünyadaki insan yapısı ilk nükleer reaktör 1942 yılında Amerika Birleşik Devletleri'nin Chicago kentinde kuruldu.
NÜKLEER ENERJİ Nükleer Santraller Fisyon prensibine göre çalışan bir nükleer santralin Birincil çevrimide nükleer yakıt fisyon reaksiyonu ile parçalanarak yüksek miktarda ısı üretilir. Genellikle radyoaktif maddeleri geçirmeyen beton korunak kabı içinde elde edilen ısı Birincil Çevrimde bir ısı değiştiricisinde iş yapıcı akışkana aktarılır. Isı değiştiricide yüksek sıcaklık ve basınca çıkan İkincil Çevrimin iş akışkanı türbine gönderiler ve burada ısıl enerjisi türbin miline aktarılarak mekanik enerjiye dönüştürülür. Türbinden çıkan basınç ve sıcaklığı azalmış buhar ise yoğuşturucu denilen bölümde soğutulup su haline dönüştürüldükten sonra, tekrar kullanılmak üzere santralın ısı üretilen bölümüne geri gönderilir. Yoğuşturucuda soğutma işini sağlayabilmek için deniz, göl veya ırmaklarda bulunan su kullanılır. Su kaynaklarından uzak bölgelerde ise santralın hemen yanında bulunan ve uzaktan bakıldığı zaman geniş dev bacalara benzeyen soğutma kuleleri kullanılır. Bu kulelerin üzerinde görülen beyaz duman ise su buharıdır.
NÜKLEER ENERJİ Nükleer Santraller
ÖZET Endüstrileşme ve sanayileşmeyle birlikte hızla büyüyen dünya nüfusunun enerji ihtiyacı da çok hızlı bir şekilde artmaktadır. Fosil kaynaklı yakıtların tüketilmesinden kaynaklanan emisyon değerleri hızla artmakta ve mevcut sınırları zorlamaktadır. Tüketimin bu hızla seyretmesi yerkürenin sıcaklığının artmasına, dünya iklim değişikliklerine ve suların yükselmesine neden olmaktadır. İnsanoğlu gelişen sanayisiyle birlikte doğal kaynaklarını ve yaşam alanlarını da hızla tüketmektedir. Bu nedenle dünya nüfusu, enerji ihtiyacını temiz, tükenmeyen enerji kaynakları ile sağlamak zorundadır. Rüzgar enerjisi, güneş enerjisi, hidrolik enerji gibi kendini sürekli yenileyen ve tükenmeyen enerji kaynaklarına yenilenebilir enerji kaynakları ismi verilmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları her ne kadar ilk yatırım maliyetleri yüksek olsa da işletme maliyetlerinin düşük olması, çevreye zarar vermemesi, ülkeler için dışa bağımlı olmaması, uzun ömürlü olmaları gibi nedenlerden dolayı dünyada hızla yatırım yapılan enerji kaynaklarındandır.