YENİLENEBİLİR ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ İÇİNDEKİLER ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ Hidrolik Enerji Rüzgar Enerjisi Güneş Enerjisi Nükleer Enerji MAKİNA VE TEÇHİZAT Doç. Dr. Bayram ŞAHİN HEDEFLER Bu üniteyi çalıştıktan sonra; Enerji dönüşüm sistemleri öğrenebilecek, Hidrolik enerji dönüşüm sistemleri tanıyabilecek, Rüzgâr enerjisi ve rüzgâr enerjisi dönüşüm sistmelerini tanıyabilecek, Güneş enerjisi dönüşüm sistemlerini tanıyabilecek, Nükleer enerji ve nükleer santralleri öğrenebileceksiniz. ÜNİT ÜNİTE ÜNİTE E 10 104
ENERJİ DÖNÜŞÜM SİSTEMLERİ 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. Enerji tüketimi bir ülkede yaşayan toplumun yaşam standartları ve ülkenin endüstrileşme derecesiyle doğrudan ilgilidir. 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. Tablo 10.1. Enerji türlerinin birbirine dönüşümleri Başlangıçtaki Enerji Formu Dönüştüğü Enerji Formu Kimyasal Enerji Radyant Enerji Elektrik Enerjisi Mekanik Enerji Isıl Enerji Nükleer Enerji Reaktörler Kimyasal Enerji Yakıt Pilleri Kazanlar, boylerler Radyant Enerji Fotoliz Güneş pilleri Yutucu yüzeyler Elektrik Enerjisi Elektroliz, pil şarjı Lamba, lazer Elektrik Motoru Rezistans, ısı pompası Mekanik Enerji Elektrik Jeneratörü, Türbinler Sürtünme, karıştırma Isıl Enerji Termoelektrik jeneratörler Termodinamik motorlar Konvektör, radyatör, ısı borusu HİDROLİK ENERJİ Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 2
İlk yatırım maliyeti fazla olmasına rağmen, hidrolik enerji bugün işletme ve üretim maliyeti en ucuz olan elektrik üretim amaçlı enerji kaynağıdır. 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. 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. Şekil 10.1. Bir Hidroelektrik santralin baraj kısmının görünüşü Hidrolik Santrallerde Türbin Seçimi Hidrolik türbinlerin tiplerinin seçimi için bazı özel karakteristik büyüklükler kullanılmaktadır. Bunlardan biri boyut analizi ve boyutsuzlaştırma işlemleri sonucu ortaya çıkan ve n s ile gösterilen özgül hızdır. Özgül hız, türbin, jeneratör ve santral boyutlandırması için en önemli parametredir. Çünkü özgül hız ile türbin devir sayısı, gücü, debi ve düşü arasında bir ilişki vardır. Özgül hız arttıkça türbin tipi aksiyon türbininden reaksiyon türbinine doğru değişir. Pelton türbinlerinin özgül hızları 8-30 arasındayken Francis türbinlerinin özgül hızları 60-400 civarında ve Kaplan türbinlerinin özgül hızları 400-1100 arasında değişmektedir. Özgül hıza (n s ) bağlı olarak bir türbinin devir sayısı (n) da artacaktır. Devir sayısının artması türbin-jeneratör grubunun ebatların, santral binasının boyutların ve elektromekanik cihazın fiyatlarını azaltır. Ancak kavitasyon tehlikesinden dolayı tesisin daha derine yerleştirilmesi gerekir. Bu da inşaat ve hafriyat maliyetini artırır. Bu nedenle özgül hız ve devir sayısı uygun seçilmelidir. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 3
Hidrolik Türbinler Hidrolik santrallerde kullanılan en yaygın hidrolik türbin tipleri, Pelton, Francis ve Kaplan türbinleridir. Hidrolik santrallerde kullanılan en yaygın türbin tipleri, Pelton, Francis ve Kaplan türbinleridir. Pelton türbini aksiyon (impulsif) türbini iken Francis ve Kaplan türbinleri reaksiyon türbinleridir. Pelton türbini Pelton türbinlerinde su, hızı ile etkir. Yani burada türbinin girişi ile çıkışı arasındaki enerji farkı, esas olarak kinetik enerji farkına karşılık gelir. Diğer bir deyişle türbinin giriş ve çıkış basınçları pratik olarak birbirine eşittir. Buna karşılık debileri küçüktür. Modern su türbinleri arasında bugün endüstriyel anlamda önemli olan tek aksiyon türbini Pelton türbinidir. Pelton türbini düşük özgül hızlar (ns) için en uygun türbin tipidir. Türbinin özgül hızının düşük olması yüksek kot farklarına ve göreceli olarak daha az debiye ihtiyaç gösterir. Şekil 2 de bir Pelton türbininin resmi görülmektedir. Pelton yüksek düşülere uygun, düşük özgül hızlı ve suyun kinetik enerjisinden yararlanılan aksiyon (etki) tipi türbindir. Şekil 10.2. Bir Pelton türbini Pelton türbininde 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. Çok sayıda lülenin kullanılması aynı güç çıktısı için daha küçük türbin çarklarının imal edilmesine olanak sağlayacaktır. Ancak çok sayıda lüleyi sisteme monte etmek dizayn açısından oldukça problemli bir iştir. Şekil 3 de bir Pelton türbininin lüle düzeneği ve 6 lüleli bir Pelton türbinin şematik resmi görülmektedir. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 4
Francis türbinleri Şekil 10.3. Bir Pelton türbininin lülesi ve 6 lüleli bir düzenleme Francis türbinleri tepki türbinleridir. Orta düşülerde kullanıma uygun suyun hem potansiyel hem de kinetik enerjisinden yararlanılır. Francis türbini Peltonların aksine reaksiyon (tepki) türbinlerindendir. İsmini 1840 lı yıllarda onu geliştiren B. Francis ten almıştır. Net düşü ve özgül hız bakımından çok geniş kullanım alanına sahip olan Francis türbinleri reaksiyon türbinlerinin tersine 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. Şekil 4 de bir Francis türbininin resmi görülmektedir. Şekil 10.4. 6.19 m çapında ve 17 kanada sahip Bir Francis türbinin görünümü. Kaplan türbinleri ve uskur çarkları 100 m den daha küçük düşülerde çalışan çok büyük debili reaksiyon türbinleridir. Devir sayıları dakikada 50 ye kadar inebilmekle birlikte, özgül hızları en yüksek değerlere çıkan türbinlerdir. Güçleri ne olursa olsun en iyi verimli Uskur çark ve Kaplan türbinlerinin özgül hızları 400/900 d/dak arasındadır. Kaplan türbinlerinde çarkın kanatlarına pala ismi verilir. Francis türbinlerden en önemli Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 5
farkı su Francis türbinlerine radyal doğrultuda girerken Uskur ve Kaplan türbinlerde eksenel doğrultuda girmektedir. Kaplan ve Uskur türbinleri yüksek özgül hızlarda çalışan nehir üstü gibi alçak düşüler için uygundur. 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. Şekil 10.5. Kaplan türbinin rotoru Rüzgâr enerjisi, güneş enerjisinin bir türevidir. Uskur çarkta palalar çarkın göbeğine sabit biçimde bağlıdırlar. Debi ayarı sadece dağıtıcı kanatlar aracılığıyla yapılır. Kaplan türbinlerde ise dağıtıcı kanatlar ve çarkın palaları aynı anda döndürülerek debi ayarlandığından türbinin genel verimi oldukça geniş bir debi aralığında yüksek değerini korur. 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 piyasalar: 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. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 6
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. MS 10. yüzyıla kadar doğu İran ve Afganistan'da rüzgâr yakalama kanatları ve rüzgâr değirmenlerinde tahıl öğütüldüğü bilinmektedir. 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. Aynı dönemde, bu makinelerin geliştirilmesi için Almanya'da da önemli çalışmalar yapıldığı bilinmektedir. Ancak 19. yüzyılda geliştirilen ilk türbinlerin verimleri düşüktü. Rüzgâr türbinleri: yatay eksenli rüzgâr türbinleri ve dikey eksenli rüzgâr türbinleri olarak iki grupta sınıflandırılır. 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 kaynaktı. 1973 OPEC petrol ambargosunu sonrası 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. Günümüzde şamandıra üzerine yerleştirilen rüzgâr türbinleri'de vardır. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 7
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. Dikey eksenli rüzgâr türbinlerinde türbin mili düşeydir ve rüzgârın geliş yönüne diktir. Savonius tipi, Darrieus tipi gibi çeşitleri vardır. 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. 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. Geçmişte çok kanatlı türbinler tahıl öğütmek, su pompalamak ve ağaç kesmek için kullanılmıştır. 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. 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. Yapısı gereği Darrieus tipi rüzgâr türbinlerinde, devir başına iki kere en yüksek tork elde edilir. Rüzgârın tek yönden estiği düşünülürse; türbinin verdiği güç, sinüs şeklinde bir eğri oluşturur. Bu tip türbinlerde türbin milinde oluşan tork esas olarak kanatlar üzerindeki rüzgârın kaldırma etkisinden kaynaklandığı için kaldırma kuvvetlerine atfen kaldırma tipi olarak sınıflandırılırlar. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 8
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. Bu tip türbinlerde eksende oluşan tork rüzgârın sürükleme kuvvetlerinin etkisiyle oluştuğu için dikey eksenli türbinler içinde sürükleme tipi olarak da sınıflandırılır. Yatay eksenli rüzgâr türbinleri hem rüzgâr yönünde hem de rüzgâra karşı yönde çalışabilmektedir. Düşey eksenli türbinler ise rüzgârı her yönde kabul eder. Rotor haricindeki tüm bileşenler her iki rüzgâr türbini tasarımında da aynıdır. Dikey eksenli makinanın şekli bir yumurta çırpıcısını andırır. Özel yapısal avantajlarından dolayı geçmişte kullanılmakta idi. Günümüzde modern türbinlerin çoğu yatay eksen tasarımındadır. Şekil 10.6. Yatay eksenli bir rüzgâr türbinin ayrıntılı yapısı Bir rüzgâr enerji santralinin temel bileşenleri: Kule 2 veya 3 kanatlı rüzgâr türbini Rüzgâr yönüne göre kanatların/türbinin yönünü ayarlayan mekanizma Mekanik dişli ünitesi Elektrik jeneratörü Hız sensörleri ve hız kontrol ünitesi Güç-elektronik ünitesi ve kontrolü Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 9
Enerji depolama sistemleri(özellikle şebekeden bağımsız çalışma için) Yerel elektrik şebekesine bağlantı için transformatör, iletim hattı ve kesici Rüzgâr Enerjisi Dönüşümü Bir rüzgâr enerji dönüşüm sisteminin temel safhaları aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. 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. Eğer jeneratör yüksek kutup sayısına sahip ise dişli kutusuna ihtiyaç duyulmayabilir. 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. Tercih edilen rüzgâr enerji sistemi topolojisine bağlı olarak transformatörden önce güç elektroniği üniteleri ile elektrik enerjisi farklı formlarda regüle edilir. Şekil 10.7. Rüzgâr enerjisi dönüşüm aşamaları GÜNEŞ ENERJİSİ Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisinden, doğal ve yapay dönüşümler ile yararlanılır. Güneş tamamen yoğun ve çok sıcak gazlardan meydana gelmiş bir küredir. Güneşteki enerji üretimini açıklayan en önemli fizyon reaksiyonu hidrojenin helyuma dönüştüğü reaksiyondur. Dört hidrojen protonu birleşerek bir helyum çekirdeğini oluşturur. Güneş Enerjisi Dönüşümleri 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 enerjisinin bir diğer dönüşümü de rüzgârlar ve deniz dalgalarıyla okyanus akıntılarıdır. Rüzgârların oluşmasında, atmosferdeki Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 10
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. Diğer enerji türleriyle karşılaştırılınca güneş enerjisi aşağıdaki üstünlüklere sahiptir: Güneş enerjisi, temiz bir enerji türüdür. Gaz, duman, toz, karbon veya kükürt gibi zararlı maddeler içermez. Güneş enerjisi tükenmeyen bir enerji kaynağıdır. Güneş enerjisi, temiz bir enerji türüdür. Gaz, duman, toz, karbon veya kükürt gibi zararlı maddeler içermez. Güneş enerjisi, taşıma ve ulaştırma giderleri olmaksızın her yerde sağlanabilir. Güneşi az veya çok gören yerlerde, verim biraz farklı olmakla birlikte, dağların tepelerinde, vadiler veya ovalarda bu enerjiden yararlanmak mümkündür. Güneş enerjisi hiçbir karmaşık teknoloji gerektirmemektedir. Hemen hemen bütün ülkeler, yerel sanayi kuruluşları sayesinde bu enerjiden kolaylıkla yararlanabilirler. Güneş enerjisine ilişkin sorunlar ise aşağıdaki gibi özetlenebilir: Güneş enerjisinin şiddeti azdır ve sürekli değildir. İstenilen anda istenilen miktarda bulunamayabilir. Güneş enerjisinden yararlanılan düzeneklerin yatırım giderleri, bugünkü teknolojik aşamada yüksektir. Güneşten gelen enerji miktarı, bizim isteğimize bağlı değildir ve kontrol edilemez. Güneşten gelen enerji miktarı ve gereksinim duyulan enerji miktarı arasındaki uyuşmazlığın zaman ve oran olarak azaltılabilmesi için güneş enerjisinin depolanması gereklidir. Depolanacak ısı enerjisi miktarı ve uygulanacak depolama yöntemi, mevcut ısı miktarı (kaynak) ve gereksinim duyulan miktar (talep) arasındaki uyuşmazlık derecesine bağlıdır. Güneş enerjisinin kullanım alanları Güneş enerjisinden, ısı enerjisi ve elektrik üretimi amacıyla yararlanılabilir. Güneş enerjisi uygulamaları üç grupta incelebilir: Düşük sıcaklıktaki (20-100 C) uygulamalar Orta sıcaklıktaki (100-300 C) uygulamalar Yüksek sıcaklıktaki (>300 C) uygulamalar Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 11
Güneş enerjisinin kullanım alanları aşağıdaki gibi sıralanabilir: Kullanım suyu ısıtma Yüzme havuzu ısıtma Kaynatma ve pişirme Bitkisel ürünleri kurutma Su damıtma Yapılarda aktif ve pasif ısıtma ve iklimlendirme Sanayi için işlem ısısı sağlamak Termodinamik veya elektriksel çevrimli sulama suyu pompajı Toplu yerleşim ünitelerinde, bütünleşmiş sistemlerle birlikte ısı ve elektrik üretmek Otoprodüktör veya şebeke bağlantılı elektrik üretmek Fotokimyasal ve fotosentetik çevrimler gerçekleştirmek Güneşli Su Isıtma Sistemleri Yoğunluk farkı nedeniyle kolektörde ısınarak depoya giden suyun yerine, deponun altındaki daha soğuk suyun gelmesiyle oluşan su hareketine termosifon olayı denir. Güneş kolektörü kullanarak tüketim veya ısıtma amaçlı sıcak su üreten sistemlerdir. Yaygın olarak iki tip tasarım mevcuttur. Bunlar aşağıda anlatılmıştır: Doğal dolaşımlı sistemler: Donma riskinin olmadığı küçük kapasiteli uygulamalar için uygun sistemlerdir. Şekil 7 de böyle bir sistemin şeması görülmektedir. Doğal dolaşımın olabilmesi için deponun kolektör seviyesinden en az 45 cm yukarıda olması gerekir. Suyun sistemde dolaşımı, kolektörde ısınan su ile daha soğuk olan deponun altındaki suyun özgül ağırlıkları nedeniyle olur. Üzerine güneş düştüğü zaman kolektör içindeki su ısınarak genleşir. Genleşen suyun özgül ağırlığı azalacağından yükselerek üstten depoya girer. Yoğunluk farkı nedeniyle kolektörde ısınarak depoya giden suyun yerine, deponun altındaki daha soğuk olan su gelir ve oda ısınarak depoya gider. Kolektör güneş gördüğü sürece bu olay devam eder. Suyun bu şekilde hareketine termosifon olayı denir. Depodaki su sıcaklığı ile kolektördeki su sıcaklığı eşit oluncaya kadar dolaşım devam eder. Şekil 10.8. Doğal dolaşımlı sistem Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 12
Pompalı (basınçlı) sistemler Basınçlı sistemler, ısı taşıyıcı akışkanının pompa ile dolaştırıldığı sistemlerdir. Sistem kapasitesi büyüdükçe daha büyük bir depo kullanmak icap eder. Bu durumda depoyu kolektör üzerine koymak doğru olmaz. Böyle durumlarda depoyu çatı arasına veya bodrum kata koymak daha iyidir. Böyle bir tasarım şekil 8 de görülmektedir. Bu tip bir uygulamada kolektör devresinde sirkülasyon bir pompa vasıtasıyla sağlanır. Pompanın start/stop kontrolü ise bir diferansiyel termostat vasıtasıyla sağlanır. Diferansiyel termostat kolektör yüzey sıcaklığı ile depo sıcaklığı arasındaki farkı ölçer. Bu fark belli bir değerden (örneğin 5 C o ) küçükse pompa durur. Bunun anlamı kolektör soğuk (gece veya hava kapalı) demektir. Kolektöre güneş düşünce sıcaklık farkı artar ve pompa tekrar çalışır. Bu tip sistemler soğuk bölgeler için çok uygundur. Kolektör devresinde antifirizli su dolaştırılarak donma önlenir. Depo ise çatı arasında veya bodrumda olduğundan donma tehlikesi yoktur. Fakat ısıl kayıpları azaltmak için mutlaka izole edilmelidir. Depo tarafı direkt olarak şebekeye bağlandığı için bu devrede pompaya gerek yoktur. Şekil 10.9. Güneş enerjili basınçlı su ısıtma sistemi GÜNEŞ HAVUZU Güneş havuzları, enerji toplama işlevi yönünden genellikle büyük boyutlu düzlem güneş kolektörlerine benzer. Güneş havuzları, güneş enerjisini ısı enerjisi olarak toplama ve depolama işlevine sahip tasarımı basit ve maliyeti ucuz uygulamalardan biridir. Güneş havuzları, enerji toplama işlevi yönünden genellikle büyük boyutlu düzlem güneş kolektörlerine benzer. Konut ısıtma ve soğutma, yiyecek ve kâğıt kurutma, elektriksel güç üretimi ve endüstriyel işlemler için ısı enerjisi elde etmek amacıyla, güneş havuzlarından yararlanma konusunda ayrıntılı araştırmalar yapılmıştır. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 13
Güneş Havuzunun Çalışma İlkesi Şekil 10.10. Güneş havuzu Güneş havuzu yüzeyine gelen güneş ışınlarının bir bölümü yansır. Güneş ışınım spektrumundaki kızıl-ötesi ışınların tamamı, havuz içerisindeki suyun ilk birkaç milimetrelik katmanında soğurulur. Güneş havuzunun tabanına ulaşan ışınlar, seçici yüzey özelliği kazandırılmış taban tarafından soğurulur. Havuzun dip kısmındaki su sıcaklığının yüksek olması bu bölgedeki su yoğunluğunun azalmasına neden olur. Havuz tabanından uzakta bulunan su molekülleri, dip kısımdaki su moleküllerine kıyasla daha az enerji soğurur. Bu nedenle, havuz tabanından uzakta bulunan su moleküllerinin sıcaklıkları düşük, yoğunlukları ise daha yüksektir. Havuzun üst kısmında, yoğunluğu yüksek, taban kısmında ise yoğunluğu düşük su katmanları bulunur. Böylece, kararsız bir denge durumu oluşur. Havuzun taban, kısmında, ışınım soğurulmaya devam etmesi durumunda ısıl kaldırma kuvveti, viskoz sürtünme kuvvetinden daha büyük olacaktır. Bu durumda, yoğunluğu yüksek olan su moleküllerinin aşağıya doğru hareket etmesi ile denge bozulacak ve taşınımla ısı transferi başlayacaktır. Taşınımla gerçekleşen ısı transferi havuzdan önemli düzeyde ısı kaybına neden olur. Şekil 10.11. Tuz katmanlı tipik bir güneş havuzu 1. Alt katman: Tuz derişikliğinin en fazla olduğu katmandır. 2. Ara katman: Alt katmanın üzerinde bir yalıtıcı gibi işlev yapar. Güneş havuzunun en önemli katmanı olan ara katman, üst katmana doğru azalan bir derişiklik gradienti içerir. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 14
3. Üst katman: Genellikle tuzsuz su bulunur. Üst katmanın kalınlığı, ara katmanda soğurulan güneş ışınımı miktarına bağlıdır. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ÜRETİMİ Güneş enerjisinden elektrik üretimi başlıca iki yöntemle yapılır: Güneş ısıl güç santrallerinde; güneş enerjisi ile elde olunan buhar gücünden, klasik termik santrallerde olduğu gibi, türbinjeneratör ünitesi ile elektrik üretilir Dolaylı elektrik üretimi: Güneş 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 çevriciler yer alır. Büyük çapta elektrik üretimi için, sadece fotovoltaik (PV) sistemler kullanılabilir. Güneşten PV sistemlerle elektrik üretimi 1954 yılında gerçekleştirilmiş olmasına karşın, ilk güneş termik elektrik santralleri 1970'lerin sonunda kurulmuştur. Güneş termik elektrik üretimi Şekil 10.12. Heliostat tarlalı ve merkezî güç kuleli sistemler 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 ısıl güç santralleri, kolektör ünitelerine bağlı olarak aşağıdaki gibi gruplandırılır: Heliostat tarlalı ve merkezî güç kuleli Parabolik oluk tipi odaklı kolektör tarlalı Dağınık parabolik çanak tipi kolektör tarlalı Güneş ısıl güç santrallerinin tasarımında şu etmenler dikkate alınır: Bölge seçimi Güneş enerjisi ve iklim değerlendirmesi Parametrelerin optimizasyonu Santralin kurulacağı bölgenin, yılda en az 2000 saat güneşlenme süresine ve m 2 başına yıllık 1500 kvh'lık bir güneş enerjisi potansiyeline sahip olması gereklidir. Ayrıca, 4 saatlik güneşlenme süresine sahip gün sayısının 150'den az Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 15
olmaması gereklidir. Yukarıdaki koşulları sağlayan bir bölgede santral tasarımı için aşağıdaki çalışmaların yapılması gerekir: Uzun dönem etkinlik değerlendirmesi İzleme modülünün seçimi Parametrelerin optimizasyonu Basınç düşmesi Boru boyutlandırması Kapasite seçimi Korozyon Yoğunlaştırıcı sistemler ile elektrik üretimi Güneş ısıl güç santralleri, birincil enerji kaynağı olarak güneş enerjisini kullanan elektrik üretim sistemleridir. Bu sistemler temelde aynı yöntemle çalışmakla birlikte, güneş enerjisini toplama yöntemleri, diğer bir deyişle, kullanılan kolektörler bakımından farklılık gösterirler. 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. Merkezî alıcılı sistemlerde ise, güneş ışınları düzlemsel aynalar yardımı ile alıcı denilen ısı değiştiriciye yansıtılır. Alıcıda ısıtılan akışkandan geleneksel yöntemlerle elektrik üretilir. Parabolik oluk kolektörlerle 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. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 16
Bağımsız üniteler şeklinde birbirine paralel bağlanmış parabolik oluk kolektör gruplarından oluşan alanlara güneş tarlası denir. Güneş pilleri, güneş ışınlarını doğrudan elektriğe dönüştürebilen, hareketli mekanik parçaları olmayan, bakımı kolay ve ömürleri uzun olan elektronik sistemlerdir. Şekil 10.13. Parabolik oluk tipi odaklı kolektör tarlalı Güneş tarlası; bağımsız üniteler şeklinde birbirine paralel bağlanmış parabolik oluk kolektör gruplarından oluşan alandır. Bu üniteler, gelen güneş enerjisini 4 mm kalınlığında ve yüksek yansıtma oranına (% 94) sahip aynalar vasıtasıyla, odakta bulunan alıcı bir boru üzerine yansıtırlar. Parabolik oluk kolektör grupları, yatay eksen boyunca dönmelerini engellemeyen metal yapılarla desteklenir. Sistemde aynaların güneşi izlemesini sağlayan bir algılayıcı bulunur. Isı toplama elemanı; cam tüp, yüzeyi yaklaşık % 97'lik bir soğurma değerine sahip, çelik alıcı boru ve cam-metal birleştiricilerden oluşur. Alıcı boru üzerinde oluşan yüksek sıcaklık nedeniyle gerçekleşen ısı kayıplarını azaltmak için, cam tüp ile alıcı boru arasındaki hava vakumlanır. Bu boşluğun basıncı yaklaşık 0.1 atm dir. Isıya dayanıklı cam tüpün geçirgenliği yüksektir. Ayrıca, ışınım kayıplarını en aza indirmek için yansıtıcı olmayan özelliktedir. Sıcaklık nedeniyle meydana gelen genleşmelerin etkilerini gidermek için, körüklü cam-metal birleştiriciler kullanılmaktadır. Güneş tarlası kontrol sistemi; genel kontrol sistemi ve her kolektör grubunda bulunan yerel kontrol ünitelerinden oluşur. Genel kontrol sistemi güneşlenme durumunu izler. Buna göre, sistemi tamamen veya kısmen açar veya kapatır. Bu işlem, yerel kontrol üniteleriyle iletişim içinde yapılır. Yerel kontrol üniteleri, her kolektör grubunu ayrı ayrı kontrol ederek güneşin izlenmesini sağlarlar. Buhar üretim sistemi; ön ısıtma, buhar üretimi ve süper ısıtma bölümlerinden oluşur. Bu bölümlerden geçirilerek 371 C ve 100 bar basınca yükseltilen buhar, elektrik üretimi için türbine gönderilir. Üretimden sonra yeterince soğumayan buhar, yeni bir çevrime gönderilmeden, yeniden aynı sıcaklığa kadar ısıtılır ve tekrar türbine gönderilir. Bu ikinci çevrimden sonra soğuyan buhar, sıkıştırılıp sıvı hale getirildikten sonra, yeni bir çevrime gönderilir. Güneş enerjili güç santrallerinde, güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda, kesintisiz elektrik üretimi sağlamak için ilave ısıtıcılar kullanılır. Petrol veya doğal gazla çalışan ilave ısıtıcılar, aynı sıcaklık ve basınçta buhar üretirler. Parabolik oluk kolektörlerin kullanıldığı elektrik santrallerinde, elektrik üretim verimi % 16'dır. Diğer bir deyişle, bu santrallerde gelen güneş enerjisinin % 16'sı elektriğe dönüştürülmektedir. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 17
Güneş fotovoltaik elektrik üretimi Güneş pilleri (fotovoltaik piller), ilk kez 1839 yılında Becquerel tarafından araştırılmıştır. Güneş pilleri, 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. Şekil 10.14. Güneş pillerinde (PV) hücreler modülleri, modüller dizileri meydana getirir. Nükleer reaktörlerde fisyon reaksiyonu ile edilen enerji elektriğe çevrilir. Güneşteki reaksiyonlar ise füzyon reaksiyonudur. Bu reaksiyonun yarattığı sıcaklığı kontrol edebilecek bir füsyon reaktörü henüz kurulamamıştır. Yüzeyleri; kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm 2 civarında, kalınlıkları ise 0.2-0.4 mm arasındadır. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. Verimi % 10'un altında olan güneş pilleri, uygulamada verimli ve ekonomik değildir. Güç çıkışını artırmak amacıyla, çok sayıda güneş pili birbirine paralel veya seri bir durumda bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu yapıya güneş pili modülü veya fotovoltaik (PV) modül adı verilir. 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 edilen enerji elektriğe çevrilir. Güneşteki reaksiyonlar ise füzyon reaksiyonudur. Bu reaksiyonun yarattığı sıcaklığı kontrol edebilecek bir füsyon reaktörü henüz kurulamamıştır. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 18
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 Otto Hahn ve Lise Meitner olmak üzere diğer bilim insanları tarafından doğrulandı. Bu öngörüye dayalı teoriden yararlanarak dünyadaki insan yapısı ilk nükleer reaktör 1942 yılında Enrico Fermi nin yürüttüğü bir proje sonucunda Amerika Birleşik Devletleri'nin Chicago, Illinois kentinde kuruldu. Fisyon prensibine göre çalışan bir nükleer santralin şematik resmi şekil 14 de görülmektedir. Birincil çevrimde 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. Şekil 10.15. Bir nükleer santralin şematik resmi Bireysel Etkinlik Bulunduğunuz ilin enerji potansiyellerini araştırarak hangi enerji dönüşüm sisteminin ekonomik ve fizibil olacağını araştırınız. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 19
Özet Endüstrileşme ve sanayileşmeyle birlikte hızla büyüyen dünya nüfusunun enerji ihtiyacı da çok hızlı bir şekilde artmaktadır. Mevcut fosil kaynaklı dünya enerji kaynaklarının tükenmekte olduğu göz ardı edilmemesi gereken bir gerçektir. Öte yandan 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 nüfüsu, 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. Bu bölümde ülkemizin yenilenebilir enerji potansiyeli dikkate alınarak en faydalı ve en fazla yatırım yapılan yenilenebilir enerji kaynaklarından hidrolik enerji, rüzgar enerjisi, güneş enerjisi dönüşüm sistemleri tartışılmış ve nükleer santrallerin genel çalışma prensibinden bahsedilmiştir. Atatürk Üniversitesi Açıköğretim Fakültesi 20