YERALTI SULARINDAN ELEKTRİK ÜRETİMİ Filiz UYSAL befi26@hotmail.com Dodurga İlköğretim Okulu BİLECİK Gökçe DENİZ gokceyildiz01@hotmail.com Özel Gebze Lisesi KOCAELİ Gülçin TÜKEN glcntkn21@hotmail.com Akpınar Şehit Vahit Elmas İlköğretim Okulu BİLECİK 1. PROJENİN AMACI Rüzgarın hareket enerjisinden faydalanarak, yeraltı sularından elektrik enerjisi üretmek. 2. GİRİŞ Enerji, mühendislikte en önemli fizik kavramlarından biridir. Enerji çeşitli biçimlerde bulunur. Bunlar; mekanik enerji, elektromanyetik enerji, kimyasal enerji, ısı enerjisi, nükleer enerji vb gibi. Enerji bir biçimden diğerine dönüşebilir. Örneğin bir elektrik motoru bir bataryaya bağlanırsa, kimyasal enerji elektrik enerjisine ve daha sonra da mekanik enerjiye dönüşür. Bu sırada enerjinin bir kısmı sürtünme yüzünden ısı enerjisine dönüşür. Enerjinin dönüşümü fizik, kimya, biyoloji, jeoloji, astronomi ve mühendislik çalışmalarının temelini oluşturur. Enerji kaynakları karbon bazlı klasik enerji kaynakları ve yenilenebilir alternatif enerji kaynakları olmak üzere ikiye ayrılır. Klasik enerji kaynaklarına örnek olarak kömür, petrol, doğalgaz ve geleneksel biyokütle verilebilir. Yenilenebilir enerji kaynaklarına örnek olarak ise rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, dalga enerjisi, hidrojen enerjisi, su gücü, 1
gel-git ve akıntı enerjisi verilebilir. Alternatif enerji kaynakları kullanılarak, karbon temelli enerji yapısından, hidrojen temelli enerji yapısına geçilmesi amaçlanmaktadır. Bu sayede çevre kirliliğinin önüne geçilirken, enerji maliyetleri de büyük oranda azalacaktır. Alternatif ve yenilenebilir enerji kaynakları arasında hızlı bir gelişme rüzgâr enerjisinde görülmektedir. Rüzgar enerjisinden elektrik üreten sistemler gerek elektrik şebekesinin gidemediği uzak yerleşim merkezlerinde, adalarda, kırsal alanlarda, ormanlık ve dağlık bölgelerdeki birimlerde (TV, radyo istasyonları, haberleşme istasyonları) elektrik enerjisi temini amacıyla ya da enterkonnekte sistemi beslemek amacıyla kullanılmaktadır. Aynı zamanda eski yıllardan beri rüzgar enerjisi su pompalama amaçlı olarak da kullanılmaktadır. Küçük rüzgar türbinleri kolayca istenilen yere monte edilebilecek büyüklük ve yapıda modüler olarak imal edilmektedir. Yaygın olarak kullanılan yenilenebilir enerji kaynaklarından biri de suyun hareket enerjisidir. Su, belli bir yükseklikten düşerken, enerjinin dönüşümü ilkesine göre potansiyel enerji önce kinetik enerjiye, daha sonra da türbin çarkına bağlı jeneratör motorunun dönmesi aracılığıyla elektrik enerjisine dönüşür. Dünya elektriğinin %20 den fazlası hidroelektrik santrallerden sağlanır. Önemli bir kaynak olan ve oldukça geniş bir alana dağılmış bulunan yeraltı suları, enerji üretimi için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Yeraltı suları jeotermal enerji üretmede kullanılmış fakat bu güne kadar bu yöntemin dışında yeraltı sularından faydalanılarak, elektrik enerjisi üretme gibi bir faaliyette bulunulmamıştır. Tasarladığımız sistemde, rüzgar enerjisi yardımıyla yeraltı sularını yüzeye çıkarıp, su çarkına göndererek elektrik üretilmeye çalışılmıştır. Tasarladığımız yeni sistemin diğer sistemlere göre avantaj ve dezavantajları ortaya konulmuştur. 2
3. YÖNTEM Yer altı gibi su havzalarından su çıkarılması esnasında elektrik enerjisi üretmek amacıyla Şekil 1 de şematik diyagramı gösterilen biçimde bir sistem geliştirilmiştir. Sistem beş temel parçadan oluşmaktadır: Rüzgar pervanesi, su pompası, su rezervi, su çarkı ve elektromıknatıs. Şekil 1 Bir su havzasından sulama yapılırken aynı zamanda elektrik enerjisi üretmek için geliştirilen sistemin şematik diyagramı Projede kullanılan araçların sabitlenebilmesi için tahta iskelet yapılmıştır. Tahta iskeletin üst kısmında pervanenin sisteme montesinde bir metal çubuk kullanılmıştır. Rüzgar enerjisinden faydalanma oranını artırmak için kullanılan pervanenin büyük olması tercih edilmiştir. Bunun için çapı büyük olan üç parçalı bir model kullanılmıştır. Çubuğun orta kısmı ile su rezervinin üzerindeki pistonun birbirine temas etmesi sağlanmıştır. Rüzgarın hareketiyle pervanenin dönmesi sağlanmıştır. Pervane ile birlikte dönen metal çubuk pistonu harekete geçirir ve böylece su havzasından su istenilen yüksekliğe çıkarılır. Piston ile yukarı çıkarılıp potansiyel enerji kazanan su, bir su çarkının üzerine gönderilir ve böylece çarkın dönmesi sağlanır. Çarka bağlı olan bir elektromıknatıs çarkla birlikte döner. Elektromanyetik indüksiyonun sonucu olarak bir elektriksel akım üretilir. Netice de bir su havzasından çıkarılan su bir taraftan sulama amaçlı olarak kullanılırken diğer 3
taraftan suyun çıkarılması esnasında elde edilen elektrik enerjisi de aydınlanma gibi amaçlar için kullanılabilir. 4.BULGULAR VE TARTIŞMA Rüzgar pervanesini döndürmek için gerekli güç P= 0,15D 2 V 3 bağıntısı ile verilir. Burada D: Pervane çapı V: Rüzgârın hızı dır. Rüzgarın hızı pervanenin dönmesini sağlayacak bir değerde olduğu zaman gerekli güç sağlanmış oldu ve pervane dönmeye başladı. Pervanenin gücü pistonu çalıştırarak suyun belli bir h yüksekliğine (30 cm) kadar çıkmasını sağladı, böylece çıkarılan m kütleli su E= mgh kadarlık bir potansiyel enerji kazanmış oldu. Bu yükseklikten çarkın üzerine bırakılan su, çarkın belli bir açısal (w) hızla dönmesini sağladı. Çarkın kazandığı dönme kinetik enerjisi; E= ½ Iw 2 bağıntısı ile verilir. Burada I= Eylemsizlik momenti Çarkla birlikte dönen elektromıknatıs çarkın frekansına eşit frekansa sahip bir elektriksel akım ürettiği gözlenmiştir. Üretilen akım çarkın periyodik hareketine bağlı olarak I= I 0 sinwt salınım yapmaktadır. Burada I 0 akımın maksimum değeridir. Bu değerin 10 ma civarında olduğu gözlendi. 5. SONUÇLAR Bu çalışmada amaç rüzgâr enerjisinden yararlanılarak, yeraltı sularını yüzeye çıkarmak ve buradan elektrik üretiminin sağlanabileceğinin saptanmasıydı. Bunun için bir deneysel sistem geliştirildi. Projede enerji dönüşümlerinden faydalanıldığı için her aşamada yer alan enerji dönüşümleri ele alındı. 4
Rüzgâr enerjisinden yararlanmak için sistemde pompalama tipi bir pervane yerleştirildi. Suyun çekilmesi için pompa, suyun hareketini sağlamak için su çarkı kullanıldı. Su çarkının dönme kinetik enerjisi kendisine bağlı bir elektromıknatıs ile elektrik enerjisine çevrildi. Çalışmada, rüzgar enerjisi ve yer altı sularından yararlanılarak elektrik üretimi amaçlı kullanılabilecek bir sistemin tasarımı ile ilgili bir tahminde bulunulmaya çalışıldı. Elde edilen sonuçlar, yapılan basitleştirmeler de göz önüne alınarak incelendiğinde sistemin rüzgâr alan ve yeraltı suları bakımından zengin olan yerlerde daha geçerli olduğu görüldü. Ülkemizde kıyı bölgelerde yeraltı suları oranı daha fazladır. Bu sebeple bu tür sistemlerin kıyı bölgelerde kullanım oranı yüksek olacaktır. Bu kurulan sistemin dezavantajı olarak görülebilir. Tasarladığımız sistem rüzgar alan bölgelerdeki bütün su kaynaklarında kullanılabilir. Biz sistemi yer altı kaynak sularına uyarladık fakat deniz ve göllerde de aynı sistemi kullanarak elektrik enerjisi üretebiliriz. Rüzgar enerjisiyle yeryüzüne çıkardığımız su ile her türlü ihtiyacımızı karşılayabiliriz. Bu suyu depolayarak, tarla sulamada ya da içme suyu olarak kullanabiliriz. Bunun yanında yeraltı kaynağından çekilen su, çarkı döndürüp elektrik ürettikten sonra tekrar su kaynağına gönderilebilir. Bu sayede suyun geri dönüşümü de sağlanmış olur. Bu şekilde de yer altı su seviyesinin düşmesinin önüne geçilmiş olabilir. Bu sistem ayrıca evlerdeki atık sular depolanarak da kullanılabilir. 6. KAYNAKLAR 1.Serway, A. R. Fen ve Mühendislik İçin Fizik 1. Palme Yayıncılık. Ankara 1995. 2.Yamak, T. Türkiye nin Alternatif Enerji Kaynakları Potansiyeli ve Ekonomik Analizleri. Marmara Üniversitesi Sosyal Bilimler Enstitüsü Yüksek lisans tezi.2006. 3. Uğuz, S. Rüzgar enerjisi ile elektrik üretimi. Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik Elektronik Mühendisliği Yüksek Lisans Tezi. Ankara 2005. 4. Challoner, J. Fizik. Tübitak. Ankara 1999. 5. Flood, M., Spurgeon, R. Enerji ve Güç. Tübitak. Ankara 1997. 5