BİR STİRLİNG MOTORUNA GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PDF Ücretsiz indirin
PS10 güneģ enerji sisteminin heliostat yerleģimi yeni kod kullanılarak tasarlanmıģtır. Parabolik ayna/ısı-motoru sisteminde Stirling ya da Brayton çevrimi ile çalıģan ısı makineleri kullanılmaktadır [13]. Bu ısı makineleri arasında Stirling motoru yaygın olarak kullanılmaktadır [14]. Bu sistemde güneģ ıģınları tek ya da iki eksenli parabolik aynalar kullanılarak bir alıcı üzerine yansıtılmaktadır. Alıcı ısıyı absorbe ederek, ısı makinesinin çalıģma maddesine aktarır. ÇalıĢma maddesi olarak hidrojen ya da helyum gazları kullanılmaktadır [59]. Resim 2.3 de bir parabolik ayna/ısı-motoru sistemi görülmektedir. Shenandoh da Georgia Power Ģirketi tarafından 114 parabolik yansıtıcıdan oluģan bir sistem kurulmuģtur. Bu sistemde, güneģ ıģınları parabolik yansıtıcının odak noktasında yer alan alıcıya yansıtılmakta ve alıcı içerisindeki çalıģma maddesi ısıtılmaktadır. Sistemin yapımına 1977 yılında baģlanmıģ ve 1982 yılında tamamlanmıģtır yılında yapılan deneylerde, termal sistem ve kollektör alanı arasında uyumsuzluk belirlenmiģtir [12]. Bu sistem, 72,538 m 2 toplam kollektör alanına sahip 1818 adet güneģi izleyen heliostata sahiptir.
Türkiye nin ortalama yıllık toplam güneģlenme süresi 2640 saat, ortalama toplam ıģınım Ģiddeti günlük toplam 3,6 kwh/m²-gün olduğu tespit edilmiģtir [7-9]. Resim 1.1 de Türkiye nin yıllık güneģ radyasyonu atlası görülmektedir [10]. Ġekilde görüldüğü gibi özellikle Güney Doğu Anadolu ve Akdeniz bölgeleri güneģ enerjisi uygulamaları için oldukça elveriģlidir. 76 56 ġekil Ölü hacim oranına bağlı boyutsuz çıkıģ gücü değiģimi [83, 88] Aerodinamik ve mekanik sürtünmeler Stirling motorlarında mekanik ve aerodinamik olmak üzere iki adet sürtünme direnci oluģmaktadır. Ġekil 3.24 de aerodinamik ve mekanik sürtünmelerin termik verime ve motor gücüne etkisi görülmektedir. Aerodinamik sürtünme kayıpları, çalıģma maddesi ısıtıcı, rejeneratör ve soğutucudan geçerken meydana gelmektedir. SıkıĢtırma ve geniģleme hacimleri arasındaki basınç farkı, geniģleme bölgesindeki basınç değiģiminin azalmasına neden olur ve net iģ azalır. Basınç düģüklüğü akıģkanın yoğunluğu, kütlesi ve akıģ hızının bir fonksiyonudur.
Bu değerler EĢ ve EĢ de kullanılarak soğuk ve sıcak hacimler, olarak hesaplanır. Rejeneratörün bölmelerinin hacimleri sabit değerler olup hesap gerektirmemektedir. 4.1 de kullanılarak baģlangıç poziyonu için basınç, P olarak hesaplanır. Bu basıncı hesaplamak için kullanılan toplam kütle, rejeneratör hacimleri, rejeneratör hücre sıcaklıkları, soğuk ve sıcak kaynak sıcaklıkları Çizelge 4.2 de verilmektedir. 83 Stirling motorlarının dezavantajları Aynı güce sahip içten yanmalı motorlara göre daha büyük kütle ve boyutlara sahiptir (Güç/Ağırlık oranı kötüdür). ÇalıĢan parçalar arasında ve silindir ile piston arasında sızdırmazlık problemi vardır. Isıtıcı ve soğutucudaki termik ataletler nedeni ile yavaģlama ve hızlanma ivmeleri düģüktür. Birçok bölümünde tasarım güçlüğü vardır ve deneysel bilgi gerektirir. DıĢtan ısı verme prensibine dayalı olarak çalıģan Stirling motorlarında güneģ, jeotermal gibi enerji kaynakları kolaylıkla kullanılabilir. Günümüzde Stirling motorlarının uygulama alanları aģağıda maddeler halinde belirtilmiģtir.
- Kaushik ve Kumar (2000) Stirling motorunun termodinamik performansını sonluzaman termodinamiği yaklaģımını kullanarak belirlemiģlerdir.
- ÇalıĢma maddesi yer değiģtirme pistonu tarafından sıcak bölgeden soğuk bölgeye aktarılır ve iç basınç düģer.
- ÇıkıĢ gücünün dairesel olarak alınamaması pompa ve kompresör gibi sistemlerde kullanımında bir dezavantaj olarak ortaya çıkmaktadır [108].
- Birçok bölümünde tasarım güçlüğü vardır ve deneysel bilgi gerektirir.
Bu sebeple yer değiģtirme pistonunun AÖN’ da sabit kaldığı kabul edilmektedir. Güç pistonu ise AÖN’ ya doğru krank çapına yakın bir mesafe kat ederek iģ zamanını gerçekleģtirir. ĠĢlem esnasında çalıģma maddesi hem geniģleyerek iģ yapmakta hem de ısıtmasoğutma kanalından geçerken ısı almaktadır. Bu iģlemde çalıģma maddesinin sıcaklığının sabit kaldığı kabul edilmektedir. Biyel muylusu C noktasına vardığında çalıģma maddesinin yarısı sıcak hacimde diğer yarısı güç silindirinde bulunmaktadır. ÇalıĢma maddesinin tamamının sıcaklığı sıcak kaynak sıcaklığına yakındır [83, 94, 105, 106]. Biyel muylusu C noktasından D noktasına doğru giderken, güç pistonu AÖN civarında sabit kabul edilebilir.
Ancak 950 ºC nin üzerindeki sıcaklıklarda Brayton/Rankin birleģik çevrimi ile çalıģan gaz türbininin verimi Stirling ve Brayton çevrimi ile çalıģan motorların veriminden yüksek elde edilmiģtir. Bu sistem 10,5 m çapında bir parabolik yansıtıcı (dish), bir alıcı ve United Stirling 4-95 Mark II kinematik Stirling motorundan oluģmuģtur. Bu sistemde 18 aylık çalıģma sırasında yağ pompası ve çek valflerde iki önemli problem meydana gelmiģtir. Bu problemlere rağmen sistem 18 aylık süre içerisinde yaklaģık olarak 2000 saat çalıģmıģtır. Bu sistemin güneģten elektiriğe dönüģüm verimi %29,4 olarak bildirilmiģtir [63]. 30 10 Coolidge güneģ enerji sulama projesi kapsamında, 150 kw kapasiteye sahip parabolik oluklu enerji dönüģüm sistemi Arizona nın Coolidge yakınlarında bir çiftliğe kurulmuģtur. Bu sistem 1979 yılının Ekim ayı ve 1982 yılının Eylül ayları arasında çalıģmıģtır.
Maksimum motor gücü ve momenti 2,8 bar Ģarj basıncında sırası ile 51,93 W ve 1,17 Nm olarak elde edilmiģtir [101]. Karabulut ve arkadaģları [2010], tarafından aynı motorda helyum gazı kullanılarak yapılan diğer bir çalıģmada, testler 180, 220 ve 260 C sıcak uç sıcaklıklarında gerçekleģtirilmiģtir. Sıcak hava motorları çevrim tiplerine göre üç sınıfa ayrılmaktadır [80,82]. Cam yer değiģtirme silindiri kullanılan yöntemde geri yansıma ve radyasyon kayıpları oldukça yüksektir [142]. Son yöntemde ise güneģ enerjisi bir ayna yardımıyla yer değiģtirme silindiri dıģ yüzeyine odaklanmaktadır. Karabulut ve arkadaģları (2009) manivela hareket mekanizmalı Stirling motorunun yer değiģtirme silindiri dıģ yüzeyine güneģ enerjisini odaklanmıģlardır.
Bu analizde konsantrasyon oranı, ısıl kayıplar gibi güneģ kollektör tasarım parametrelerinin ve motor tasarım parametrelerinin güneģ enerji sisteminin verimi üzerine etkisini incelemiģlerdir [76]. Chen ve arkadaģları, bir Stirling motoru ve bir güneģ kollektöründen oluģan birleģik bir sistemin performansını belirlemek amacı ile bir model geliģtirmiģlerdir. Bu modeli kullanarak sistemin maksimum verimini ve güneģ kollektörünün optimum çalıģma sıcaklığını belirlemiģlerdir [77]. 34 14 Ottawa, Winnipeg ve Edmonton daki veriler kullanılarak 5 MW termal performansa sahip üç sistem için çalıģmalar gerçekleģtirilmiģtir [48]. Bernardes ve arkadaģları güneģ bacasının çıkıģ gücünü ve çıkıģ gücü üzerine çeģitli yapım koģullarının ve ortam Ģartlarının etkilerini analiz etmek için bir matematik model geliģtirmiģlerdir. Matematik modelden elde edilen veriler Manzanares deki prototipten alınan verilerle uyum içersindedir. ÇıkıĢ gücü baca yüksekliği, kollektör alanı ve kollektörün geçirgenliğinin artması ile artırılabilmektedir. Parabolik oluklu kollektörler bir sıra boyunca uzanan bir ısı toplama sistemi kullanırken, güneģ enerji kuleleri ısıyı merkezi bir noktaya odaklamaktadır [50]. GüneĢ enerji kule sistemi [30] GüneĢ enerji kule sistemi, bir kule üzerine yerleģtirilen merkezi bir alıcı ve heliostat olarak adlandırılan özel aynalardan oluģmaktadır. Kule heliostatların merkezine yerleģtirilmiģ ve güneģ ıģınları kule üzerindeki merkezi alıcıya odaklanmaktadır. 68 Hareket Mekanizmaları Rhombic hareket mekanizması 1953 yılında Meijer tarafından icat edilen Rhombic hareket mekanizması [83] beta tipi Stirling motorlarında kullanılmaktadır [112].
Aerodinamik sürtünmeler motor gücünü ve termik verimi H-H eğrisine kadar azaltmaktadır [83, 84]. Mekanik kayıplar piston ve segmanların sürtünmesinden, yatak sürtünmelerinden, yağ pompası vb. G-G çizgisi ile gösterilen mekanik sürtünme, motor gücü ve termik verimi azaltır [83, 84]. 59 39 Kol muylusu A noktasında iken sıcak silindirin pistonu ÜÖN da bulunmakta olup aģağıya dönme pozisyonundadır. Soğuk silindirin pistonu ise silindirin ortalarında olup ÜÖN ya doğru hareket etmektedir. Kol muylusu A noktasından B’ye geldiğinde soğuk silindirin pistonu ÜÖN’ ya ulaģır. Bu süreçte soğuk silindirdeki çalıģma maddesi hacmi değiģmemek Ģartıyla sıcak silindire aktarılmıģtır. GeçiĢ esnasında rejeneratör ve ısıtıcıdan ısı alarak sıcaklığını yükseltmiģtir. Kol muylusu B noktasından C’ ye giderken her iki piston aģağıya doğru hareket eder. Kol muylusu C’ ye geldiğinde çalıģma maddesinin çoğunluğu sıcak silindirde, bir miktarı da soğuk silindirde bulunmaktadır.
Her bir Andasol projesinin 50 MW kapasiteli ve yıllık 170 GWh elektrik üretmesi planlanmıģtır. Andasol 1 ve Andasol 2, 1000 m yüksekliğinde Marqueesado de Zenete vadisine kurulmuģtur [31]. Parabolik oluklu enerji dönüģüm sistemlerinin yıllık net enerji dönüģüm veriminin %14 olması ve hibrit sistem olması avantajları arasında yer almaktadır [34]. Ancak bu enerji dönüģüm sistemi 400 C gibi düģük sıcaklıklarda çalıģmakta ve enerji dönüģüm verimi %21 seviyelerinde bulunmaktadır [35]. Cardona ve Lopez, Ġspanya Malaga daki 2 kw gücündeki fotovoltaik sistemin 1997 yılı boyunca elde edilen verilerinden yararlanarak sistemin performansı ve sistemdeki enerji kayıpları hakkında bilgi vermiģlerdir. Bu verilere göre sistem 2678 kwh yıllık ve 7,4 kwh günlük enerji üretmiģtir. Wiemken ve arkadaģları (2001) Almanya da 1000 çatı programı çerçevesinde 100 adet fotovoltaik sistemden elde edilen verileri bireysel ve birleģik fotovoltaik güç sistemi için incelemiģlerdir.
Paslanmaz çelik malzemenin ısı iletim katsayısının düģük olması mekik ısı transferini azaltmaktadır. Paslanmaz çelik borunun et kalınlığı içten ve dıģtan talaģ kaldırarak 1 mm ye indirilmiģtir. Borunun iki ucuna paslanmaz çelik malzemeden iki kapak yapılmıģ ve kaynakla birleģtirilmiģtir. Kapaklardan birisi yer değiģtirme pistonunun yer değiģtirme pistonu kuyruğuna bağlanmasını sağlamak için vidalı Ģekilde yapılmıģtır. Yer değiģtirme pistonu ve silindiri arasındaki çalıģma boģluğu 0,7 mm bırakılmıģtır [111]. Ġekilde görüldüğü gibi, Ģarj basıncının artıģı ile motor güçleri optimum Ģarj basıncına kadar artıģ göstermektedir. Bu değerden sonra Ģarj basıncının artması ile çalıģma maddesine transfer edilen ısı yetersiz gelmekte ve motor gücü azalmaktadır [83,88]. 79 59 ġekil 3.26 da çalıģma maddesi olarak helyum kullanan bir Stirling motorunun farklı Ģarj basınçlarında gürültü seviyesi değiģimleri görülmektedir. Ġarj basıncı ve motor devrinin artması ile gürültü seviyeleri artıģ göstermektedir [83,84]. Serbest pistonlu Stirling motorları sisteme ısı giriģi ile kendi kendine harekete geçerken, diğer tip motorlarda ise el ya da ilave hareket mekanizması kullanımı ile sisteme ilk hareket verilmektedir. Ġekil 3.27 de bir Stirling motoru için ilk hareket mekanizması görülmektedir. Silmostbet kafasını ısıtabilmek için yanmıģ gazlar bir elektrik motoru-jeneratör çifti tarafından fan ve yakıt pompasına hareket verilerek sağlanır.
