ODAKLAYICI KOLEKTÖRLER

ODAKLAYICI KOLEKTÖRLER II. Bölüm Prof. Dr. Olcay KINCAY Arş. Gör. Serkan ERDEM

İçerik Bileşik Parabolik Kolektör Geometrisi İzleme Gereksinimleri Performans Analizi Test Sonuçları BPK İçin Yeni Bir Dizayn Parabolik Çanak Kolektör Tanıtım Uygulamalar Suudi Arabistan Uygulaması Amerika Uygulaması Merkezi Alıcı Kolektör Tarihçe Heliostat Alıcı Tipleri Kaynaklar

BİLEŞİK PARABOLİK KOLEKTÖR (BPK)

Bileşik Parabolik Odaklayıcı Kolektörün Geometrisi Odaklayıcı, 1 ve 2 parabollerinin parçası olan AB ve DC segmentlerini içermektedir. AD, W genişliğinin açıklığıdır ve BC ise b genişliğindeki absorber yüzeyidir. Her iki parabolün merkezleri bir açıyla birbirleri ile aynı doğrultudadır. C noktası parabol 1 in odak noktasıyken, B noktası parabol 2 nin odak noktasıdır. A ve D noktalarından parabollerin tanjantları çizilecek olursa, bunların bileşik parabolik kolektörün merkezi ile paralel olduğu görülür.

Bileşik Parabolik Odaklayıcı Kolektörün Geometrisi

Bileşik Parabolik Odaklayıcı Kolektörün İzleme Gereksinimleri İki boyutlu BPK genellikle boyu, yatay doğu-batı doğrultusuna paralel olacak şekilde ve açıklık düzlemi güneye doğru eğimli şekilde yerleştirilir. Daha önceden de belirtildiği gibi aralıklı izleme gerekmektedir. Ayarlama sıklığı odaklama oranına bağlı olarak değişmektedir. Örneğin, odaklama oranı 10 için kabul açısı 11,5 o dir ve 7-8 saatlik kullanımı sağlamak için izleme ayarının birkaç günde bir yapılması gerekmektedir. Diğer yandan daha düşük bir odaklama oranı olan 5 için, kabul açısı 23,1 o dir ve izleme ayarının bir iki ayda bir kez yapılması yeterlidir.

Bileşik Parabolik Odaklayıcı Kolektörün Performans Analizi W açıklığına, L uzunluğuna sahip, kabul açısı 2θ a olan bir bileşik parabolik kolektörü ele alalım. Absorber yüzey alanı b genişliğindedir. Absorber yüzeyinde toplanan ısı, dış çapı D o, iç çapı D i olan ve alt tarafa yerleştirilen N adet borudan akan akışkana transfer edilir. Akışkan T fi sıcaklığında girer, T fo sıcaklığında çıkar ve ṁ kütlesel debisine sahiptir. Şeffaf bir kapak ile kapatılan açıklığın, direkt ışınımın kabul açısı ile yaptığı açı kadar güneye eğimli olduğu farz edilmektedir. Ayrıca absorber yüzey alanının uzunluğunun, L uzunluğundan biraz daha fazla olduğu varsayılmaktadır ve bu yüzden tüm yansıyan ışınım yakalanmaktadır.

Düzlem Absorber Yüzeyli Bileşik Parabolik Kolektör

Düzlem Absorber Yüzeyli Bileşik Parabolik Kolektör Büyük kabul açısı sebebiyle bileşik parabolik kolektör hem direkt hem de difüz ışınımı kabul eder. Açıklık düzlemine düşen direkt ışınım akısı I b r b dir, kabul açısı içerisindeki difüz ışınım akısı da I d /C ile ifade edilir. Böylece açıklık düzlemine giren toplam etkin akı; [I b r b +(I d /C)] ve absorber yüzeyinde absorbe edilen S akısı; Id S Ibrb e C τ = kapağın geçirgenliği ρ e = tüm ışınımlar için odaklayıcı yüzeyinin etkin yansıtıcılığı α = absorber yüzeyinin emiciliği.

Düzlem Absorber Yüzeyli Bileşik Parabolik Kolektör Difüz ve direkt ışınım için τ, ρ e ve α değerlerinin aynı olduğu farz edilmektedir. Faydalı ısı kazancı için bir denklem elde etmek amacı ile girişten x kadar mesafe uzakta absorber yüzeyindeki diferansiyel bir eleman (dx) için enerji dengesi için yazılır. dq u S U C 1 T p T a Wdx

Düzlem Absorber Yüzeyli Bileşik Parabolik Kolektör Silindirik parabolik kolektörlerdeki gibi kabul edilip çizgiler boyunca türetildiğinde, aşağıdaki denklemleri elde ederiz. a fi 1 R u T T C U S WL F q p l l p R mc F bu L exp 1 bu L mc F f i l l D h N b U 1 U F 1

Düzlem Absorber Yüzeyli Bileşik Parabolik Kolektör q u nun hesaplanması ile ilgili asıl zorluk, kayıp katsayısı U l nin düzlemsel veya silindirik parabolik kolektörlerdeki gibi aynı derecede doğrulukla hesaplanamamasıdır. Uygun konvektif ısı transfer bağıntıları bu amaçla kullanılabilir değildir ve ışınımsal ısı değişimi daha karmaşıktır.

Bir Bileşik Parabolik Kolektördeki Toplam Kayıp Katsayısı Rabl U l değerini farklı absorber düzlem sıcaklığı, düzlem yayıcılığı ve odaklama oranı için yaklaşık bağıntılar ile hesapla tahmin etmiştir. Bu değerler aşağıda verilmiştir (W/m 2 K biriminde). Değerlerin 4 den 19,4 W/m 2 K e kadar değiştiği görülmektedir. U l değerleri değişen durumlar için verilen tablodan interpolasyon yardımı ile elde edilebilir.

Bileşik Parabolik Odaklayıcı Kolektörün Performans Analizi BPK ler diğer absorber yüzeyleri için de dizayn edilebilir. İki tip [a)tüp, b)kanatlı tüp] aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Düz absorber yüzeyinden farklı bu şekillerin ısı kaybının olabileceği arka tarafa sahip olmaması avantajdır.

Test Sonuçları Bileşik parabolik kolektörler üzerine araştırma ve geliştirme çalışmaları 1974 yılında başladığında, yüksek sıcaklıklara 5 ile 10 arasındaki odaklama oranları ile çıkılabileceği vurgulanmıştı. Açıklanan test sonuçları ve diğer optimizasyon çalışmaları bu vurgunun yerini kaybettiğini gösterdi. Aslında BPK ler daha uygulanabilirdir ve 70 ile 100 o C arasında sıcaklık gereksinimi olan güneş enerjisi uygulamaları için maliyeti daha azdır. Bu tip BPK ler düşük odaklama oranlarına (3 ü geçmeyen) sahiptirler ve birkaç eğim ayarlaması gerektirmektedirler.

Bileşik Parabolik Odaklayıcı Kolektörler İçin Yeni Bir Dizayn BPK entegre edilmiş yeni bir dizayn vakum borulu kolektör önerilmektedir. Bu dizaynda vakumlu boruyu saran dıştaki cam bileşik parabolik kolektördeki gibidir. Dizaynın kesit profili aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Yazarlar dizayn sonuçlarının daha büyük optik verimde olduğunu iddia etmektedirler. Buna ek olarak, yansıtıcı yüzey çevreden korunmuş olmaktadır.

Dışarısı BPK Şeklinde Yansıtıcı Sarılmış Vakum Borulu Kolektör

PARABOLİK ÇANAK KOLEKTÖR

Parabolik Çanak Kolektör Parabolik çanak kolektörlerin, çeşitli ticari tasarımları son on yılda elektrik üretimi için geliştirilmektedir. 7,5 m çapında esnek metal membran odaklayıcı, bir Alman firması tarafından geliştirilmiştir. Bu membran paslanmaz çelik bir plaka olup yuvarlak halkaya sabitlenmiştir. Bu membran su yükü uygulanarak ve bölgesel vakumlama ile plastik deformasyona uğratılarak parabol şeklini alır. Odaklayıcıya yapılan operasyon boyunca vakumlama sürdürülür.

Çeşitli Parabolik Çanak Kolektör Tasarımları

Parabolik Çanak Kolektörler İçin 1. Uygulama Ön membran, yansıtıcılığı 0,90 olan ve 42 m 2 alana sahip ince cam aynalar ile kaplanmıştır. Odaklayıcı, iki noktadan montajlanarak asılmaktadır ve dikey eksende dönerek günlük, yatay eksende dönerek ise mevsimsel olarak güneşi takip eder. Odak uzunluğu 5 m dir. 0,2 m çapa sahip kavite tipi alıcı odakta bulunmaktadır. Eğer direkt ışınım değeri 800 W/m 2 ise 27 kw gibi bir enerji alıcıda absorbe edilir. Odağa yerleştirilen ve enerji dönüştürme verimi 0,3 olan bir Stirling Makinası, bu ısıl girdiyi 8 kwe enerjiye dönüştürür. Daha sonraları her biri 50 kwe üreten aynı dizayna sahip 2 adet 17 m çapında çanak aynı firma tarafından yapılmıştır. Bunlar Suudi Arabistan da kullanılmaktadır. Çanak/Stirling motor sistemleri diğer üreticiler tarafından da yapılmaktadır.

Parabolik Çanak Kolektörler İçin 2. Uygulama Her kolektörün faydalı güneş enerjisini odakladığı uygulamalar için parabolik çanak sistemlerinin genellikle uygun olduğu düşünülmektedir. Amerika da 700 adet çanak ile üretilen buhardan yararlanan 5 MW kapasiteli bir enerji santrali inşa edilmiştir. Toplam 42 m 2 alana sahip her sıradaki 24 çanağın her biri 1,5 m çapında aynalardan oluşmaktadır. Aynalar, yuvarlak alüminyum çerçevelere sabitlenen yansıtıcı polimer filmlerden meydana gelmektedir ve sürekli vakum uygulamasına tabidir. Alıcı; 0,9 m boyunda ve 0,6 m çapında izolasyonlu silindirik bir oyuktur ve sıvılaştırılmış tuz içerir.

Parabolik Çanak Kolektörler İçin 2. Uygulama Toplam 700 adet çanaktan, 600 adeti 275 o C sıcaklığında doymuş buhar elde etmek için kullanılır. Geri kalan 100 çanak ise buharı 400 o C ye kızdırmak için kullanılır. Buhar, biri 3,68 MW lık ana makina, diğeri ise 1,24 MW lık pik makina olan 2 adet jeneratör türbinini çalıştırmak için kullanılır.

MERKEZİ ALICI KOLEKTÖR

Merkezi Alıcı Kolektörün Tarihçesi İlk olarak Baum, Aparasi ve Garf tarafından bir binanın santral olarak kullanılması fikri ortaya atılmıştır. Hesaplamalarında SSCB nin güneşli bölgelerinde 400 o C sıcaklıkta ve 30 atm basınçta, saatte 11 tondan 13 tona kadar buhar üretebilecek bir uygulamanın inşa edilmesinin olabilirliğini belirtmişlerdir. Optik sistem 3m x 5m boyutlarında 1293 aynayı içeren sistem için hesaplanmıştır. Bu heliostatların 1965 den 1967 ye kadar kule çevresindeki yay şeklindeki raylar üzerinde hareket eden vagonlara monte edilmesi önerilmişti.

Merkezi Alıcı Kolektörün Tarihçesi Birkaç adet ufak pilot santral 1965 den 1967 ye kadar Fransa ve İtalya da kurulmuştur. Bunlardan birinde 50 kw enerji toplanmıştır. Bu sistemler birkaç yıl aradan sonra 80 lerde tekrar dikkat çekmeye başlamış ve 0,5 ile 10 MW arasında santraller kurulmuştur.

Sistem Bileşenleri; Heliostat Heliostatlar, merkezi kulenin çevresinde daire şeklinde yay dizilişi oluşturmaktadır. Bunlar, gelen güneş ışınımını karşılar, yansıtır ve odaklar. Toplama boyunca direkt güneş ışınımını kuledeki alıcıya doğru sürekli odaklayan bir izleme kontrol ünitesi ile sistem çalışmaktadır. Ek olarak, güneş radyasyonu toplanmadığı zaman kontrol sistemi heliostatları güvenli tarafa yönlendirir ve böylece alıcı zarar görmez.

Sistem Bileşenleri; Heliostat Önceden belirtildiği gibi, Borstow daki 10 MWe lık santral kurulan en büyük pilot santrallerden biridir. 1982 den 1988 e kadar 6 sene boyunca işletilmiştir. Bu santral 80m boyundaki merkezi kulenin çevresine yerleştirilen 1818 heliostatı içeren bir alanı kapsar. Her bir heliostat destek yapı elemanı üzerine montajlanmış 12 adet bir miktar konkavlaştırılmış cam aynalardan oluşmaktadır ve düzenli kontrol yapan sürüş mekanizmasına sahiptir. Her bir heliostatın toplam yansıtma yüzeyi 39,3 m 2 dir. Arka görünüş resmi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.

Sistem Bileşenleri; Heliostat

Sistem Bileşenleri; Heliostat Her bir heliostattaki 12 ayna paneli 1 x 3m boyutundadır ve 3 mm kalınlığındaki demir içeren camdan yapılmıştır. Heliostatlar temizken ortalama 0,903 yansıtıcılığa sahiptir. Çevre etkisine maruz bırakıldığında kirlilik artmakta ve ortalama yansıtıcılık değeri 0,82 ye düşmektedir. Gelecekteki heliostat dizilişlerinde bu değerin 0,92 olması amaçlanmaktadır. Bu hedefe ulaşmak için daha az maliyetli ve hafif birkaç yeni tasarım denenmektedir. Örneğin; 150 m 2 alana sahip ve yansıtıcılık değerleri 0,94 e kadar çıkabilen büyük boyutlu cam aynalı heliostatlar kurulmuştur.

Sistem Bileşenleri; Heliostat Ayrıca az maliyetli gergin membran kullanan yeni bir heliostat da geliştirilmiştir. Büyük çaplı metal halka üzerine gerdirilmiş bu heliostatların yansıtıcısında, gümüşlendirilmiş polimer film ile ince metal folyo kat kat konulmuştur. Bu yüzeyin yansıtıcılık oranı 0,92 olarak ölçülmüştür. Basitliği ve hafifletilen ağırlığı sebebiyle gergin membranlı heliostat, cam aynalı yüzeye göre %30 daha az maliyetlidir.

Gergin Membranlı Heliostat

Sistem Bileşenleri; Alıcı Alıcılar, kolektör sisteminin en karmaşık elemanlarıdır. Tasarımını etkileyen ana faktör, güneş ışınımının heliostatlar ile odaklanması sonucu oluşan büyük ve değişken ısı akısını alma kabiliyetidir. Bu ısı akısı alıcının akışkanına transfer edilmelidir. Bu ısı akısının değeri 100 ile 1000 kw/m 2 aralığındadır ve bunun sonucunda alıcıda yüksek sıcaklık, yüksek ısıl değişim ve gerilimler meydana gelmektedir. Bu değer odaklama oranına, mevsimsel ve günlük değişimlere bağlıdır. Ayrıca alıcının yüzeyine göre de değişmektedir. Bu sebeplerden ötürü, absorberin şekline, ısı transfer akışkanına, akışkanı taşıyan boruların dizilişine ve inşada kullanılan malzemelere dikkat edilmelidir.

Sistem Bileşenleri; Alıcı 2 tip alıcı dizaynı vardır; harici tip ve kavite tipi. Harici alıcı genellikle silindirik şekildedir. Güneşin akısı, birkaç paneli içeren silindirin dış yüzeyine direkt gelmektedir ve iç tarafa sabitlenmiş birbirine yakın yerleştirilmiş borulardan akan alıcı akışkanı tarafından absorbe edilir. Öte yandan, kavite alıcısında, güneşin akısı izoleli bölgedeki bir veya birden fazla küçük açıklıktan içeri girer. Kavite, alıcı akışkanı akışı boyunca uygun boru konfigürasyonunu içerir. Kavitenin geometrisi giren ışınımın absorbsiyonlanmasını maksimize, taşınım ve ışınım yoluyla çevreye olan ısı kayıplarını ise minimize eder.

Alıcılar: (a) Harici Tip, (b) Dört Aparatlı Kavite Tipi

Sistem Bileşenleri; Alıcı Her iki tip alıcının avantajları ve dezavantajları vardır. Harici tipin çok geniş bir kabul açısı varken, kavite tipinin küçük bir kabul açısı vardır. Diğer yandan, kavite tipi, güneş akısını daha verimli tutar ve bunun neticesinde harici tipten daha yüksek bir verime sahiptir.

Sistem Bileşenleri; Alıcı 10 MWe kapasiteli Borstow daki santralde suyun direkt ısıtıldığı ve kızgın buhar haline getirildiği harici tip alıcı mevcuttur. Siyaha boyanmış 24 dikey panelden yapılmış, 7m çapında ve 13,5m boyunda bir alıcı vardır. Incoloy 800 den (0,6cm İ.Ç., 1,25cm D.Ç.) üretilen borular yerleştirilmiştir ve 102 bar basınçta ve 510 o C sıcaklığında buhar üretilmektedir. Alıcının yıllık verimi oldukça azdır (0,69).

Sistem Bileşenleri; Alıcı Daha yüksek verimlere ulaşmak için, ısı transfer akışkanı olarak su/buhar değil de sıvılaştırılmış tuz kullanılması planlanmıştır. Sıvılaştırılmış tuz ile alıcı, daha yüksek güneş akısı değerleri ile işletilebilir. Sonuç olarak, alıcının boyutları daha küçük ısı kayıpları sağlaması sebebiyle küçültülmelidir. Sıvılaştırılmış tuz aslında atmosferik basınç altında bulunmaktadır. Bu yüzden alıcıda daha ince duvarlı boruların kullanımına izin verilir. Bu dizayn için yıllık verim hedefi 0,90 olarak belirlenmiştir.

Kaynaklar Raithby G D, Hollands K G T, 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. Garcia A F, Moya E Z, Bravo E R, Garcia M P, Parabolic Trough Solar Collector Design for Supplying Thermal Energy at up to 250 o C, 2 nd SolLAB Doctoral-Colloquium, 2006. Kıncay O, Güneş Enerjisi Ders Notları, 2007. Ayhan M, Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi Sistemleri Parabolik Oluk Tipi Yoğunlaştırıcılar Teknolojik Gelişmeler, Termodinamik, 181, p.32-38, 2007. Songür E, Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi: Yöntem ve Teknolojiler, MMO, 2008. Kampa J C, Kawamurab H, Passaquiteic R, DeSalvod R, Radiative Cooling Thermal Compensation, LSC-Virgo meeting Amsterdam, 2008.