ISIL MERCEK SANTRALİ

 

Projenin Adı

  Isıl Mercek Santrali

 

Amaç

   Günümüze kadar yapılmış tüm elektrik santrallerinden daha verimli ve çevre dostu bir biçimde elektrik üretmek

Giriş

             

  

Isıl çevrim yöntemi ile güneş enerjisinden yaralanma, günümüzde en fazla uygulama alanı bulmuş ve

dolayısıyla en fazla gelişme göstermiş güneş enerjisi teknolojisidir. Isıl çevrimler sonucunda ulaşılabilensıcaklık limitleri ve aynı zamanda kullanılan teknolojiler bakımından üç grupta toplamak mümkündür.

Düşük sıcaklık uygulamaları

Güneş enerjisinden en basit ve en yaygın yararlanma yöntemi, düzlemsel güneş toplayıcıları yardımıyla gelen güneş enerjisinin su, hava veya herhangi bir akışkana iletilmesidir. Düzlemsel güneş toplayıcıları genel olarak; saydam örtü, güneş ışınımını toplayan yutucu yüzey, yüzeye entegre edilmiş taşıyıcı borular, yalıtım malzemesi ve kasadan ibarettir. Bu tip toplayıcıların verimini arttıran en önemli parametre, güneş ışınlarını ısı enerjisine dönüştüren ve bu ısıyı akışkana aktaran yutucu yüzeydir. Yutucu yüzeyde yapılan seçici yüzeyli kaplama ile toplayıcı veriminde önemli artışlar sağlanmaktadır.

Mercekli sistemlere gelecek olursak, güneş ışığının sıcaklığından yararlanarak elektrik üreten iki sistem aklımda bulunmaktadır. Bunlardan ilki 300-400 derece odaklama yapan küçük çaplı mercekleri bir boru üzerine odaklayarak boru içindeki ısı transfer yağını ısıtmaktadır. Elde edilen bu ısı ile su ısıtılır ve elde edilen su buharı basıncı ile de buhar türbinleri döndürülür ve elektrik üretilir. Sonrasında su buharı , soğutularak suya geri çevrilir ve sistem böylece tekrar eder.

Güneş Enerjisi ile Soğutma: Soğutmaya ihtiyaç duyulan mevsimde güneş enerjisinin bol olması, bu

kaynağın soğutma amacıyla kullanılmasını cazip kılmaktadır. Soğutma, hem sıcaklık konforunu

sağlamak hem de gıda maddeleri gibi dayanımı az olan maddelerin depolanması için gereklidir. Güneş

enerjisi ile soğutma son yıllarda araştırması yapılan güneş enerjisi uygulamaları içinde önemli bir yer

tutmaktadır. Soğutma işlemleri için güneş enerjisi; Rankine çevrimli mekanik buhar türbinli sistemlerde, absorbsiyonlu sistemlerde, termoelektrik sistemlerde, ejektörlü sistemlerde, adsorbsiyonlu sistemlerde, Brayton çevrimli mekanik sistemlerde, gece ışınım etkili sistemlerde ve fotovoltaik ünitelerde enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Bu sistemler içinde absorbsiyonlu soğutma sistemi, düşük sıcaklık uygulamaları için en uygun olanıdır. Kapasite kontrolünün basitliği, yapım kolaylığı ve performans katsayısının yüksekliği absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin avantajlarıdır. Termoelektrik soğutma sisteminde, kullanılan güneş enerjisi hücrelerinin pahalı olmasından dolayı, kullanımı yaygın değildir. Ejektörlü soğutma sistemi ise ekonomik nedenler ve düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarının sağlanmamasından dolayı diğer sistemlere göre daha az avantajlı sayılmaktadır. Adsorpsiyonlu sistem, evaporatif soğutma ile bazı nem alma maddeleri tarafından havanın neminin giderilmesi işleminden oluşmaktadır. Düşük sıcaklıklarının elde edilmesi ve ekonomik olmaması nedeniyle çok sınırlı olarak klima uygulamalı için kullanılmaktadır. Brayton çevrimli mekanik sistem ekonomik olmaması, düşük performans katsayısı ve sistem karmaşıklığı gibi dezavantajlar göstermektedir. Ayrıca gece ışınım etkili güneş enerjisi elemanları kullanılan bu sistemde soğutma, ışınımla ısı transferi yoluyla gece gökyüzüne enerji kaybedilmesi şeklinde oluşmaktadır. Bu sistemde düşük sıcaklıkların elde edilmemesi ve uygun meteorolojik koşullar gerektirmesi nedeniyle tercih edilmemektedir.

Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, Amonyak-Su ve Lityum Bromür- Su akışkan

çiftleri başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Amonyak-su kombinasyonlu absorbsiyonlu soğutma sistemi gıdaların soğukta saklanmasında gerekli olan düşük sıcaklıklar için oldukça elverişli olmaktadır. Aynı zamanda ucuz ve ticari olarak kullanılabilmektedir. LityumBromür-Su kombinasyonu ise hava şartlandırma (klima) uygulamaları için uygun olmaktadır. Absorpsiyonlu soğutma çevriminde, soğutucu akışkan ve soğutucu akışkan gazını absorblayan sıvı akışkan (absorbent) bulunur. Şekil 3.6’da görüldüğü gibi güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi; generatör, absorber, evaporatör, kondenser gibi dört ana elemandan oluşmaktadır. Absorberde bulunan çözelti, bir sıvı pompası ile basınçlandırılarak generatöre gönderilir. Güneş enerjisinden sağlanan ısı ile soğutucu akışkan absorbentten ayrılır. Generatöre ısı verilerek karışımdan ayrılan soğutucu geçer. Sıvı haldeki soğutucu akışkanın basıncı düşürülerek evaporatöre gönderilir. Burada basncı düşen soğutucu akışkan ortam ısısını alarak buhar haline geçer ve absorbere ulaşır.

Güneş Enerjisi ile Soğutma: Soğutmaya ihtiyaç duyulan mevsimde güneş enerjisinin bol olması, bu

kaynağın soğutma amacıyla kullanılmasını cazip kılmaktadır. Soğutma, hem sıcaklık konforunu

sağlamak hem de gıda maddeleri gibi dayanımı az olan maddelerin depolanması için gereklidir. Güneş

enerjisi ile soğutma son yıllarda araştırması yapılan güneş enerjisi uygulamaları içinde önemli bir yer

tutmaktadır. Soğutma işlemleri için güneş enerjisi; Rankine çevrimli mekanik buhar türbinli sistemlerde,absorbsiyonlu sistemlerde, termoelektrik sistemlerde, ejektörlü sistemlerde, adsorbsiyonlu sistemlerde,Brayton çevrimli mekanik sistemlerde, gece ışınım etkili sistemlerde ve fotovoltaik ünitelerde enerji kaynağı olarak kullanılabilmektedir. Bu sistemler içinde absorbsiyonlu soğutma sistemi, düşük sıcaklık uygulamaları için en uygun olanıdır. Kapasite kontrolünün basitliği, yapım kolaylığı ve performans katsayısının yüksekliği absorbsiyonlu soğutma sistemlerinin avantajlarıdır. Termoelektrik soğutma sisteminde, kullanılan güneş enerjisi hücrelerinin pahalı olmasından dolayı, kullanımı yaygın değildir.

Ejektörlü soğutma sistemi ise ekonomik nedenler ve düşük buharlaştırıcı sıcaklıklarının

sağlanmamasından dolayı diğer sistemlere göre daha az avantajlı sayılmaktadır. Adsorpsiyonlu sistem,

evaporatif soğutma ile bazı nem alma maddeleri tarafından havanın neminin giderilmesi işleminden

oluşmaktadır. Düşük sıcaklıklarının elde edilmesi ve ekonomik olmaması nedeniyle çok sınırlı olarak

klima uygulamalı için kullanılmaktadır. Brayton çevrimli mekanik sistem ekonomik olmaması, düşük

performans katsayısı ve sistem karmaşıklığı gibi dezavantajlar göstermektedir. Ayrıca gece ışınım etkili güneş enerjisi elemanları kullanılan bu sistemde soğutma, ışınımla ısı transferi yoluyla gece gökyüzüne enerji kaybedilmesi şeklinde oluşmaktadır. Bu sistemde düşük sıcaklıkların elde edilmemesi ve uygun meteorolojik koşullar gerektirmesi nedeniyle tercih edilmemektedir.

Güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemlerinde, Amonyak-Su ve Lityum Bromür- Su akışkan

çiftleri başarılı bir şekilde kullanılmaktadır. Amonyak-su kombinasyonlu absorbsiyonlu soğutma sistemi gıdaların soğukta saklanmasında gerekli olan düşük sıcaklıklar için oldukça elverişli olmaktadır. Aynı zamanda ucuz ve ticari olarak kullanılabilmektedir. LityumBromür-Su kombinasyonu ise hava şartlandırma (klima) uygulamaları için uygun olmaktadır. Absorpsiyonlu soğutma çevriminde, soğutucu akışkan ve soğutucu akışkan gazını absorblayan sıvı akışkan (absorbent) bulunur. Şekil 3.6’da görüldüğü gibi güneş enerjili absorbsiyonlu soğutma sistemi; generatör, absorber, evaporatör, kondenser gibi dört ana elemandan oluşmaktadır. Absorberde bulunan çözelti, bir sıvı pompası ile basınçlandırılarak generatöre gönderilir. Güneş enerjisinden sağlanan ısı ile soğutucu akışkan absorbentten ayrılır.

Generatöre ısı verilerek karışımdan ayrılan soğutucu geçer. Sıvı haldeki soğutucu akışkanın basıncı

düşürülerek evaporatöre gönderilir. Burada basıncı düşen soğutucu akışkan ortam ısısını alarak buhar

haline geçer ve absorbere ulaşır.

   Isı kaybını önlemek içinde borular iki katmanlı yapılır ve dışta kalan bölmenin havası alınarak ısı kaybı önlenir.

   Mercekler noktasal olarak odakladıkları içinde güneş takibi çok önemlidir. Güneş takip sistemi ekvator bölgelerinde mercekler gün içerinde 180 derece yukarı aşağı döndürüldüğünde istenen odaklama gerçekleşecektir ve sistem daha basitleşecektir. Fakat Türkiye ve şartları düşünüldüğünde güneş hiçbir zaman tam tepemizden geçmeyeceği için mercekler hem yukarı aşağı hem de sağa sola hareket etmelidir. Bu sistem biraz karışık olmasına rağmen boruları birbirine bağlayıp tek bir sistemmiş gibi yapıldığında merceklerin ve boruların hepsi bir motor yardımıyla sağa sola dönebilmektedir ve bu karmaşık sistemi basitleştirmektedir. Yukarı aşağı güneşi takip eden sistem ise yer borunun sağ ve sol uçlarına konulan bir motor ile bir kapağı çevirir gibi merceklerin bağlandığı bir sistemi yukarı aşağı hareket ettirebilir. Borular ortalarından birbirine bağlanacaktır.

   İkinci sistem ise küçük çaplı mercekler kullanmak yerine tek ve büyük çaplı bir mercek kullanarak yerden kazanç sağlamak ve sistemin zorluklarından kurtulmak içindir. Büyük çaplı tek mercek bir tanka odaklanacaktır. Büyük çağlı mercek büyük sıcaklık yaratacağından dolayı yanma olabileceğinden noktasal odaklama değil, odak noktasının biraz daha yakınından odaklama yapılacaktır. Bu sistemde de mercek sağa sola , yukarı aşağı olarak güneşi takip edecektir. Uzun boru sistemleri kullanmak yerine güneş ışığını direk depoya odaklamak bize yer sağlayacaktır. Hem bu sistemde ısı transfer yağı yerine tuz kullanımını mümkün ve daha basit kılmaktadır. Tuz ısıyı ısı transfer yağından veya sudan daha çok tutuğu için içi tuz ile doldurulmuş tank ısıyı gün boyu tutacak ve elektriği sadece güneşin olduğu saatlerde üretmek yerine bu sistemde 24 saat boyunca aralıksız üretim yapılabilmektedir. Bu da güneş enerjisi kullanan bir santral için çok kazanç getirecek bir sistemdir.

   Sistem merceğin odaklama yapacağı tank, sıcak tuz depolama tankı, soğuk tuz deposu, buhar jeneratörü ve buhar türbini ile elektrik motorundan oluşmaktadır. Işığın odaklandığı tank içerisindeki tuz 565 dereceye gelince sıcak tuz tankına pompalanılacaktır. Sıcak tuz deposunda biriktirilen tuz buhar jeneratörüne aktarılacaktır. Yeterli basınçtaki su buharı türbinlere gönderilerek elektrik üretimi sağlanacaktır. Basıncı kullanılmış su, soğutma odalarında tekrardan suya çevrilecektir. Buhar jeneratöründe kullanılan tuz ise 290 derecede tekrardan soğuk tuz deposuna pompalanacaktır. Odaklanmış tanktaki tuz sıcak depoya odaklandıkça soğuk depodaki tuz tekrardan pompalanacaktır ve sistem böyle tekrar edecektir.

 

Veri ve Bulgular

 

 

 

 

 

Yeterli büyükteki tek bir mercek tuz kızdırma tankına odaklanır. Güneş takip sistemi sayesinde odaklama en iyi şekilde yapılarak en iyi verim elde edilerek tuz eritilir. Kızdırılan tuz, sıcak tuz depolama tankına yönlendirilir. Tuzun yaklaşık 565 derecede olması yeterlidir. Fakat ısıtma işleminin çabukluğu bakımından kızdırma tankı yaklaşık 1000 dereceye kadar çıkması gerekir. Sıcak tuz depolama tankında depolanan tuz, ölçümlere göre bir ay sonra tank ısısı 565 dereceden 450 dereceye düşmüştür. Isı ve sıcaklık kaybının az olması üretiminin sürekliliği için çok önemlidir. Yapılan deneydeki depo yerine yalıtımı daha yüksek bir tankta depolandığında aylar süren depolamalar olabilir. Sıcak tanktan alınan tuz ile sudan buhar elde edilir ve elde edilen su türbinlere gönderilir ve elektrik üretme işlemi gerçekleşir. Su buharlaştırmada kullanılan tuz artık soğuktur ve yeteri kadar iş görmemektedir. Buharlaştırma işleminden sonra tuz soğuk tuz depo tankına gönderilir ve bir dahaki ısıtma işlemi için bekletilir. Sistem böylece devri daim yapar.

Sonuç ve Tartışma

 

   Bu sistem diğer santrallerde kullanılan sistem ile benzerdir. Fakat su soğutma odalarında bir açık bulunmaktadır. Oradaki sıcaklık kullanılabilir. Dıştan yanmalı ve ısıyı direk mekanik enerjiye çeviren stirling motoru burada kullanılabilir. Boş yere soğutulan suyun sıcaklığı ile soğutma odalarında bile elektrik üretmek mümkündür.   Kısacası, şimdiye kadar yapılmış çevreci güneş santrallerinin maliyetini ve kullandığı yeri çok büyük oranlarda düşürmek , verimi arttırmak ve uygulamayı kolaylaştırmak mercek sistemi ile mümkündür.