YOĞUNLA UNLAŞTIRICI GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ I. BölümB Prof. Dr. Olcay KINCAY Araş.Gör. Cenk ONAN
İ ç e r i k Giriş Kullanım Alanları Tanımlar Çeşitleri Düzlem Yansıtıcılı Düzlemsel Kollektörler Silindirik Parabolik Kollektörler İzleme Çeşitleri Performans Analizi Toplam Kayıp Katsayısı ve Isı Transfer Bağıntıları Performansın Hesaplanması Farklı İzleme Modlarında Günlük Performans Birleşik Parabolik Kollektörler Parabolik Çanak Kollektörler Merkezi Alıcı Kollektörler Luz Kollektörü ve Diğer Uygulamalar Kaynaklar
Yoğunlaştırıcı (Odaklayıcı) Kollektörler Kullanım Alanları Orta ve yüksek sıcaklıkların gerektiği enerji çevrimlerinde, 100-400 o C aralığında pek çok endüstriyel proseslerde, 400 o C nin üzerindeki sıcaklıkların gerektiği yerlerde kullanılırlar.
Yoğunlaştırıcı (Odaklayıcı) Kollektörler Odaklayıcı tipteki bir optik sistemin yapısı genellikle, absorber üzerine yönlendirilen güneş ışınlarını takip edecek şekildedir. Avantajı Yüksek sıcaklıklara çıkılabilmeleri Dezavantajı Elle ayarlamanın gerekmesi İzleme modülü gerekebilmesi Bakım maliyetinin fazlalığıdır.
Yoğunlaştırıcı (Odaklayıcı) Kollektörler Tanımlar Açıklık (W): içerisinden güneş ışınlarının geçtiği yüzeydir. Silindirik ya da doğrusal odaklayıcılar için genişlik, dönen yüzeyler için ise çap olarak ifade edilir. Odaklama oranı (C): etkin açıklık alanının absorber yüzey alanına oranıdır. Kabul açısı (2θ a ): normalden, açıklık yüzeyine doğru güneş ışınlarının yaptığı sapmadır.
Yoğunlaştırıcı (Odaklayıcı) Kollektörler 1980 lerden bugüne Californiya elektrik şebekesini 354 MW güçle besleyen, 2 milyon m 2 yi aşan kollektör alanı ve 99% dan yüksek sürekli çalışma başarısı ile parabolik oluk sistemleri, içerisinde kendisini en fazla kanıtlamış teknolojidir. 12-15 USD-cent/kWh üretim maliyeti ve maksimum 21% e ulaşan güneş ışınımından şebeke elektriğine çevrim verimi ile bu sistemler yılda 924 milyon kwh elektrik üretmekte ve şebekeyi beslemektedir.
Yoğunlaştırıcı (Odaklayıcı) Kollektörler Kollektör elemanlarının boyları daha uzun yapılarak, takip sistemi ve bağlantı boru sistemlerinin kuruluş maliyetlerinin aşağı çekilmesi mümkündür. Yeni nesil alıcı borularda ısıl kayıplar daha da aşağı çekilerek ve ayni zamanda güvenilirlikleri yükseltilmektedir. Isı transferi için kullanılan ortam (örneğin ısı transfer yağı) geliştirilerek, çalışma sıcaklığı ve verimin yükseltilmesi mümkün olabilir.
Yoğunlaştırıcı (Odaklayıcı) Kollektörler İncelenebilecek bir başka seçenek de, Fresnel prensibi ile çalışan, parçalı aynalarla oluşturulmuş parabolik çizgisel odaklama hedefi ile çalışan kollektörlerin tasarımıdır. Verim biraz düşmekle birlikte, aynaların alanı daha verimli kullanabilmesine olanak sağlaması açısından bu sistemin toplam maliyetlerde anlamlı düşüşler getirmesi beklenmektedir.
Odaklayıcı Kollektörlerin Çeşitleri Düzlem Yansıtıcılı Düzlemsel Kollektör Birleşik Parabolik Kollektör Silindirik Parabolik Kollektör Sabit Dairesel Odaklayıcılı ve Hareketli Alıcılı Kollektör Fresnel Mercekli Odaklayıcı Kollektör
Düzlem Yansıtıcılı Düzlemsel Kollektör ( π β 2φ 2δ) 3 ψ = +
Düzlem Yansıtıcılı Düzlemsel Kollektör Tek bir düzlemsel kollektör ve çevresinde 4 adet yansıtıcı kullanmak mümkündür. Kullanılan yansıtıcılar ışınımı ayna gibi ya da difüz olarak yansıtırlar. Odaklama oranları (C) = 1-4 aralığındadır. Çalışma sıcaklıkları 140 o C kadardır. Bu tip bir odaklayıcı kollektörün en büyük avantajı gelen güneş ışınımının difüz kısmını da kullanmasıdır.
Silindirik Parabolik Kollektör Oluklu veya doğrusal yoğunlaştırıcı ısıl sistemlerin en yaygınıdır. Kollektörler, kesiti parabolik olan yoğunlaştırıcı dizilerinden oluşur. Kollektörün iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneş enerjisini, kollektörün odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah bir absorban boruya odaklar.
Silindirik Parabolik Kollektör Kollektörler genellikle, güneşin doğudan batıya hareketini izleyen tek eksenli bir izleme sistemi üzerine yerleştirilirler. Enerjiyi toplamak için absorban boruda bir sıvı dolaştırılır. Toplanan ısı, elektrik üretimi için enerji santraline gönderilir. Bu sistemler yoğunlaştırma yaptıkları için daha yüksek sıcaklığa ulaşabilirler.
Silindirik Parabolik Kollektör Kollektörlerin açıklık alanı (W) = 1 6 m 2 dir ve açıklığın uzunluğu, genişliğinden daha büyüktür. Odaklama oranı (C) = 10 80 arasında olup kenar açısı ise 70-120 o kadardır. Absorber tüpü 2,5-5 cm çapa sahiptir ve çoğunlukla yumuşak çelikten veya bakırdan yapılır. Absorber tüpü ısı rezistanslı siyah boya ile kaplanmıştır ve genellikle 1,2 cm lik halka şeklindeki boşluklu eşmerkezli cam kapak ile çevrelenmiştir.
Silindirik Parabolik Kollektör Yönlendirme ve İzleme Şekilleri Silindirik parabolik kollektör, odaksal eksen merkezi ile ya doğu-batı doğrultusunda ya da kuzey-güney doğrultusunda yönlendirilir. Mod I, Mod II, Mod III, Mod IV, Mod V
Silindirik Parabolik Kollektör Yönlendirme ve İzleme Şekilleri Mod I Odaksal eksen, doğu-batı doğrultusunda ve yataydır. Kollektör yatay doğu-batı eksenine döndürülür ve günde bir kere ayarlanır. Açıklık yüzeyinin eğimi Mod II Yüzey Azimut açısı Odaksal eksen doğu-batı doğrultusunda ve yataydır. Kollektör yatay doğu-batı eksenine döndürülür ve sürekli olarak ayarlanır. Böylece her zaman güneş ışınları açıklık düzlemi ile minimum geliş açısını yapar.
Silindirik Parabolik Kollektör Yönlendirme ve İzleme Şekilleri Mod III Odaksal eksen kuzey-güney doğrultusunda ve yataydır. Kollektör yatay kuzey-güney eksenine döndürülür ve sürekli olarak ayarlanır. Öğleden Önce, cosδsin ω β = tan 1 sin φsin δ + cosφcosδcosω Öğleden Sonra, cosδsin ω β = tan 1 sin φsin δ + cosφcosδcosω Mod IV Odaksal eksen, kuzey-güney doğrultusunda ve enleme eşit sabit bir açıyla eğimlidir. Bu şekilde, dünya eksenine paraleldir.
Silindirik Parabolik Kollektör Yönlendirme ve İzleme Şekilleri Mod V Odaksal eksen kuzey-güney doğrultusunda ve eğimlidir. Odaksal eksene (yatay eksene dik eksen) paralel bir eksen boyunca sürekli olarak (yalnız sabit hızda değil) döndürülür ve ayarlanır.
Silindirik Parabolik Kolektör İzleme şekillerinin yorumlanması Uygulamada Mod II, III ve IV tercih edilir. İki eksenin hareketini sağlamak karmaşık ve güç olduğunda Mod V tercih edilmemektedir. Dizayn bakımından Mod II ve III daha basittir.
Silindirik Parabolik Kollektörün Performansı Semboller Odaklayıcının açıklığı W, uzunluğu L ve kenar açısı olan silindirik parabolik odaklayıcılı kollektörün performans analizini yapacağız. Absorber tüpünün iç çapı D i, dış çapı D o dır ve çevresinde iç capı D ci ve dış çapı D co olan eşmerkezli cam örtü mevcuttur. Kollektörde ısıtılan akışkanın kütlesel debisi m, özgül ısısı C p, giriş sıcaklığı T fi ve çıkış sıcaklığı T fo dur.
Silindirik Parabolik Kollektörün Performansı Odaklama oranı C = Etkin Açiklik Alanı Absorber Tüpünün Alanı = ( W D ) L ( W D ) πd o o L = πd o o
Silindirik Parabolik Kollektörün Performansı Verim Anlık kollektör verimi η i = qu ( I r + I r )WL b b d d Ayrıca sadece direkt ışınıma bağlı anlık verim η ib = I b qu r WL b
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Toplam Kayıp Katsayısı ve Isı Transfer Bağıntıları ql L h = p c = h ω ( T T ) pm elde edilir. c πd o + σπdo 1 D + εp D ( 4 4 T T ) o ci pm 1 εc 4 4 ( T T ) πd + σπd ε (T T ) c a co co c c sky c 1
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Toplam Kayıp Katsayısı ve Isı Transfer Bağıntıları Burada, q l/l = birim uzunluktaki ısı transfer oranı, h p-c = cam örtü ile absorber tüpü arasındaki taşınımla ısı transfer katsayısı, T pm = absorber tüpünün ortalama sıcaklığı, T c = örtünün eriştiği sıcaklıktır.
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Toplam Kayıp Katsayısı ve Isı Transfer Bağıntıları Diğer semboller önceden tanımlanmıştı. Denklemler, h p-c ve h ω değerlerinin yerlerine konulmasından sonra q l/l ve T c bilinmeyenleri için çözülecek lineer olmayan denklemlerdir.
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Absorber Tüpü ile Örtü Arasındaki Isı Transfer Katsayısı Yatay absorber tüpü ile eşmerkezli örtü arasında halka biçiminde çevrilmiş boşluk için doğal taşınım ısı transfer katsayısı h p-c, Raithby ve Hollands a ait korelasyon kullanılarak hesaplanır. k k eff = 0,317 ( Ra ) 1 4
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Burada k eff hareketli hava ile aynı miktarda ısıyı iletmesi gereken boşluktaki hareketsiz havanın ısıl iletkenliği olarak tanımlanan etkin ısıl iletkenlik, Ra genel Rayleigh sayısına bağlı olarak düzeltilmiş ve aşağıdaki denklemle bulunan Rayleigh sayısı ( ( ) ) 1 4 ci o 1 4 Ra = Ra b 3 4 ln 1 3 Do D 5 + D 1 D 3 5 ci 5 4
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Rayleigh sayısının hesabı için kullanılan karakteristik ölçü radyal boşluktur (b). Özellikler ortalama sıcaklıkta ölçülür. Etkin ısıl iletkenlik k eff nin, k değerinden daha küçük olamayacağına dikkat edilmelidir. Bu yüzden k eff ifadesinin kullanımı 1 den daha düşük bir değer verdiğinde k eff /k yerine 1 konur.
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Isı transfer katsayısı h p-c ile etkin ısıl iletkenlik arasındaki denklem ise ; h = p c D o 2k ln( D eff ci / D o ) Bir önceki verilen bağıntıda Ra* sayısının 10 7 den küçük ve b sayısının 0.3 D o dan küçük olduğu hallerde geçerlidir.
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Örtünün Dış Yüzeyindeki Isı Transfer Katsayısı Örtünün dış yüzeyindeki taşınım ısı transfer katsayısına h ω (bazen rüzgar ısı transfer katsayısı da) denir. Hilpert in verilerine dayanan korelasyonla hesaplanır. n Nu = C 1 Re C 1 ve n aşağıdaki değerlere sahip olan sabitlerdir. 40 < Re < 4000 ise C 1 = 0,615, n = 0,466 4000 < Re < 40000 ise C 1 = 0,174, n = 0,618 40000 < Re < 400000 ise C 1 = 0,0239, n = 0,805
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Absorber Tüpünün İç Yüzeyindeki Isı Transfer Katsayısı Akışın tam gelişmiş olması durumu varsayımında absorber tüpünün iç yüzeyindeki taşınım ısı transfer katsayısı hf hesaplanabilir. Bu varsayım haklı bir mazerete dayanır çünkü uzunlu/çap oranı büyüktür, çoğunlukla 20 den fazladır. Re sayısı 2000 den küçükse, akış laminerdir ve ısı transfer katsayısı denklem ile hesaplanabilir. Nu = 3,66
Silindirik Parabolik Kollektörün Isı Transfer Bağıntıları Absorber Tüpünün İç Yüzeyindeki Isı Transfer Katsayısı Diğer bir yandan, Re sayısı 2000 den büyükse akış türbülanslıdır ve ısı transfer katsayısı herkesçe bilinen Dittus-Boelter eşitliğinden hesaplanabilir. Nu = 0,023Re 0,8 Pr 0,4 Genel verim değişiminin her mod için aynı olduğu not edilmelidir. Verimin değeri önce yükselir, öğlen pik değere gelir ve sonra düşer.
Kollektör Performansının Parametrik Çalışması Farklı İzleme Modlarında Bir Silindirik Parabolik Kollektörün Veriminin Değişimi - Veriler
Kollektör Performansının Parametrik Çalışması Yıllık değişime yorum getirecek olursak; Mod 1; güneş öğleninden uzak zamanlarda ışınım da az olduğundan günün bu zamanlarında, kollektör verimi düşüktür. Fakat öğle vakti, güneş ışınları dik düşer ve performans Mod V ile elde edilenle aynıdır. Mod 2; Mod I, Mod II ye benzer. Bu yüzden, hesaplamalar göstermiştir ki Mod II ile elde edilen değerler yılın her zamanı yakın olarak Mod I ile eşleşir.
Kollektör Performansının Parametrik Çalışması Yıllık değişime yorum getirecek olursak ; Mod 3; Her iki karşılaştırılan günde de, geliş açısı erken vakitlerde küçüktür.ve öğlen maksimuma çıkar ancak 0 değildir. Bu yüzden öğlenleyin Mod 5 e eşit değildir. Fakat diğer zamanlarda Mod 1 ve 2 den iyidir. Mod 4; Bu modda, kollektör dünya dönme eksenine paralel kuzey-güney eksenine döndürülmüştür ve geliş açısı sürekli deklinasyon açısına eşittir. Bu yüzdende Mod 5 dekine yakındır, Ekinokslarda eşittir.
Kollektör Performansının Parametrik Çalışması Giriş Sıcaklığının Etkisi Sıcaklıktaki yükselişle beraber optik verim azalmaktadır. Üç farklı alıcı tasarımı için verimin giriş sıcaklığına bağlı olarak değişimi yandaki grafikte gösterilmiştir.
Kollektör Performansının Parametrik Çalışması Odaklama Oranının Etkisi Verimin Odaklama Oranına Bağlı Olarak Değişimi
Sistemlerin Karşılaştırılması
Sistemlerin Karşılaştırılması Hem ısı hem de elektrik enerjisi elde edilebilen Parabolik Çanak, Parabolik Oluk ve Merkezi Alıcılı sistemlerinden en verimlisi Parabolik Çanak tipi kollektörlerin kullanıldığı sistemdir. Fakat sistem seçerken ilk yatırım ve işletme maaliyetlerini de göz önünde bulundurmamız gerekmektedir.
Odaklayıcılar Üzerine Yapılan Çalışmalar Disk yarıçapı=6 cm T=293 K (λ 10 μm) ε =0.93 Akı= 4.4 W (100000 rays) Açısal cosinüs dağılımı: I=I 0 cos(θ) Hedef :BB disk algılayıcı (çap= 5 cm)
Odaklayıcılar Üzerine Yapılan Çalışmalar
Kollektör Performansının Parametrik Çalışması Luz Kollektörü Bu bölümü bitirmeden önce Luz tarafından California da kurulan 80 MW güneş ısıl elektrik santralinde kullanılan kollektör parçalarının boyutları ve karakteristiklikleri hakkında fikir sahibi olmanızı istemekteyim.
Diğer Uygulamalar Avustralya New South Wales'teki Hunter Vadisindeki 2.000 MW kömür yakıtlı Liddell enerji tesisinde pilot olarak kurulan 1 MWe eşdeğer gücündeki tesisin ilk beklentileri olumlu sonuçlandırması üzerine, Birleşik Doğrusal Fresnel (Compound Linear Fresnel - CLFR) güneş tarlasının 5 MWe gücüne genişletilmesi için, geliştirici firma Solar Heat and Power'a üretilen enerjiyi satın alan kuruluş tarafından finans sağlanmasına karar verilmiştir. Bu tesisin başarılı olduğu görüldükten sonra, bir sonraki adım olarak 35 MWe gücünde CFLR teknolojisine dayalı bir ön ısıtma sisteminin kurulması da kararlaştırıldı. Bu sistem kömür yerine bir alternatif olarak kullanılmaktan çok, birim kömürden elde edilen elektrik miktarını artırmak amacıyla kullanılıyor.
Diğer Uygulamalar Darwin AUSTRALIA Brisbane Perth Adelaide Melbourne Canberra Sydney + Molonglo Hobart
Diğer Uygulamalar A.B.D. Nevada Power, Solargenix Energy firması ile 2003'te, Las Vegas yakınındaki Eldorado Vadisinde kurulacak 50 MW'lık parabolik oluk sistemi için uzun dönemli enerji satın alma anlaşmasını imzalamıştır. Tesis, sadece güneş enerjisi ile çalışacaktır. 2005'te, kapasite 64 MW'a yükseltilmiştir. İnşaatın başlamasından önce, yine Solargenix tarafından tasarlanıp üretilen, 1 MW parabolik oluklu organik Rankine çevrimli türbinden oluşan deneme tesisi kurulacaktır. Ağustos 2006'da Amerikan çanak güneş kollektörü üreticisi SES firması, Güney Kaliforniya'nın en büyük dağıtım kuruluşu Southern California Edison ile uzun dönemli bir enerji alım anlaşması imzalamıştır. Kurulacak tesis 500 MW gücünde olacak ve ilave olarak 350 MW daha büyüme opsiyonu vardır.
Diğer Uygulamalar
Diğer Uygulamalar Mısır 2003 yılı Ağustos ayında Yeni ve Yenilenebilir Enerji Ajansı (New and Renewable Energy Agency - NREA), GEF tarafından finanse edilen ve önceleri bir Bağımsız Güç Projesi (Independent Power Project - IPP) olarak oluşturulan yaklaşımı, ulusal bir proje olarak değiştirdi. Şubat 2005'te, Mısır yetkilileri 30 MW güneş enerjisi olmak üzere 150 MW kapasiteli olarak planlanan anahtar teslimi ISCC tesisinin tasarımında değişikliğe giderek, güneş enerjisi ve kombine çevrim işlerini iki ayrı paket haline getirdi. Proje ile ilgili altyapı çalışmaları başlamış durumda, paketlerin ihaleleri süreci işliyor ve tesisin 2009 yılı ortalarında çalışmaya başlaması bekleniyor.
Diğer Uygulamalar İran 1997'den beri İran hükümeti 200.000-400.000 m 2 parabolik oluk kollektörünü, Luth çölünün YAZD bölgesindeki 300 MW'lık bir doğal gaz kombine çevrim tesisine entegre etmek konusunda isteklidir. Bu nedenle İran, güneş tarlasının finansmanı için GEF'e başvuruda bulundu. GEF bu proje için kaynak ayırabilecek durumda olmadığından 2005 yılında İran projeyi revize ederek, 17 MWe eşdeğeri bir güneş tarlası kurmayı ve bunu 467 MW'lık bir kombine gaz türbini çevrimine destek olarak kullanmayı amaçlamış durumdadır.
Diğer Uygulamalar İsrail Enerji sektöründen de sorumlu İsrail Ulusal Altyapı Bakanlığı Kasım 2001'de yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemlerini, İsrail'in elektrik piyasası için stratejik bir öğe olduğunu açıkladı. 2003 sonlarında tamamlanan ve gerekli düzenlemeleri saptayan bir fizibilite çalışması, uygun bir yasal altyapı oluşturulabilmesi amacıyla komisyonlarda işlem görüyor. Son alınan haberlere göre, yakında ulusal bir "yoğunlaştırılmış güneş enerjisi" programına başlanacağı, 2010 yılına kadar 500 MW, 2015 yılına kadar ise ilave olarak 1.000 MW yoğunlaştırılmış güneş enerjisi tesisi kurulmasının planlandığı belirtiliyor.
Diğer Uygulamalar Meksika Meksika Federal Elektrik Komisyonu (Comisin Federal de Electricidad - CFE) Mart 2002'de en az 25 MW'ı parabolik oluk güneş tarlası opsiyonel olmak üzere, 250 MW doğalgaz kombine çevrim tesisinin başlangıçta güneş tarlasının maliyetinin GEF tarafından karşılanması planlanmıştı ancak yeni projede güneş tarlası opsiyon olmaktan çıkarılarak, zorunluluk haline getirildi. 2005'te, tesisin yeri Sonora Eyaleti olarak değiştirildi ve CFE tarafından kombine çevrimin gücünün 250 MW'tan 500 MW'a çıkarılması önerildi.
Diğer Uygulamalar İspanya Proje geliştiriciler arasında örneğin Abengoa ve Solar Millenium'un AndaSol tesislerindeki İspanyol partneri olan ACS/Cobra gibi taahhüt firmaları, Amerikan firması Solargenix'in partneri EHN gibi enerji dağıtım firmaları ile, Iberdrola, Hidrocantabrico-Genesa gibi firmalar var. 2010 yılına kadar 500 MW'lık yoğunlaştırılmış güneş enerjisi tesisi kurulabileceği tahmin ediliyor.
Diğer Uygulamalar
Kaynaklar Raithby G D, Hollands K G T, A A General Method of Obtaining Approximate Solutions to Laminar and Turbulent Free Convective Problems, Advances in Heat Transfer, 11, 265, 1965. Sukhatme S P, Solar Energy; Principles of Thermal Collection and Storage,, 2nd Edition, Tata McGraw-Hill Offices,, 1998. García A F, Moya E Z, Bravo E R, García M P, Parabolic Trough Solar Collector Design for Supplying Thermal Energy at up to 250 o C,, 2nd SolLAB Doctoral-Colloquium Colloquium,, 2006. Kıncay O, GüneG neş Enerjisi Ders Notları,, 2007. Ayhan M, Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi Sistemleri Parabolik Oluk Tipi Yoğunla unlaştırıcılar lar Teknolojik gelişmeler, Termodinamik,181, p.32-38, 2007. Songür E, Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi: Yöntem Y ve Teknolojiler,, MMO, 2008. Kampa J C, Kawamurab H, Passaquietic R, DeSalvod R, Radiative Cooling Thermal Compensation,, LSC-Virgo meeting - Amsterdam, 2008.