BİR STİRLİNG MOTORUNA GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PDF Ücretsiz indirin
GüneĢ pillerinin yüzey alanları 100 cm 2 civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Fotovoltaik pillerin yüzeylerine ıģık düģtüğünde elektrik gerilimi oluģtururlar [15]. Parabolik oluklu kollektör, güneģ enerji kuleleri ve parabolik ayna-ısı makinesi sistemlerinin verimleri sırası ile %21, %23 ve %29 dir [17]. Fotovoltaik hücrelerin güneģ enerjisini elektrik enerjisine dönüģüm verimi %5-20 arasında değiģmektedir [18]\. Her hafta sunulan jackpot fırsatlarını kaçırma. PinUpbet güncel adres!5@PinUpbethttps://PinUpcasino-tr.com/;PinUpbet\. Bu sistemler arasında parabolik ayna/ısı-motoru sistemi ön plana çıkmaktadır. Bu çalıģmada, beta tipi bir Stirling motoruna güneģ enerjisi uygulayarak motor performansının belirlenmesi amaçlanmıģtır. Stirling motorunun performansı nodal analiz metodu kullanarak farklı ısı taģınım katsayıları için belirlenmiģtir. GüneĢ enerjisini belirli bir bölgeye odaklamak amacı ile fresnel mercek kullanılmıģtır. Bu enerjiyi Stirling motorunun sıcak hacminde bulunan çalıģma maddesine aktarmak amacı ile kaviti tasarlanmıģtır. Kavitide oluģan iletimle ısı transferi 600 W/m 2 ısı akısı için belirlenmiģtir. Kaviti alüminyum, bakır ve paslanmaz çelik olmak üzere üç farklı malzemeden imal edilmiģtir.
Amerika Enerji Bakanlığı (DOE) desteği ile parabolik ayna/stirling güneģ enerji sistemi kurulmuģtur. Deneysel veriler California Teknoloji Enstitüsü nde elde edilmiģ ve Selçuk (1985) tarafından değerlendirilmiģtir. Ayna-Stirling güneģ enerji sisteminin veriminin % 35 civarında olduğu belirtilmiģtir [64]. Jaffe tarafından yapılan çalıģmada Rankin, Brayton ve Stirling çevrimi ile çalıģan motorlar ile elektrik üreten yedi farklı parabolik kollektörün performansları incelenmiģtir. 500 geometrik konsantrasyon oranında parabolik kollektörlerin optik verimleri 0,32 ile 0,86 aralığında iken, 3000 geometrik konsantrasyon oranında 0,09-0,85 aralığında gözlenmiģtir [65]. Parabolik oluklu kollektör [30] Parabolik oluklu kollektörlerin ilk pratik uygulaması 1870 li yıllara dayanmaktadır.
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.
- GüneĢ enerji kulesindeki çalıģma maddesi alıcıdan ısı eģanjörüne doğrudan pompalanmaz.
- Eğik plaka döndürme mekanizmalı Stirling motorları su altı güç sistemleri için Philips lisansından ayrı olarak United Stirling, Malmo ve MAN-MWM Ģirketleri tarafından da üretilmiģtir [83, 88].
Kavitilerdeki doğal konveksiyon ısı kayıplarını 0 (kaviti ağzı dikey yönde) ve 90 (kaviti ağzı yatayda ve aģağı doğru) arasındaki eğim açıları için araģtırmıģlardır. Her üç kaviti içinde 0, 30, 60 ve 90 eğim açıları arasında minumum ısı kaybı 90 eğim açısında bulunmuģtur. 90 eğim açısında, modifiye edilmiģ kaviti kullanımı ile ısı kayıplarında geleneksel kavitiye göre %25,42 azalma elde edilmiģtir [136]. Üç farklı kaviti [136] Reddy and Sendhil Kumar (2008), modifiye edilmiģ bir kavitideki yüzey radyasyonu ve doğal konveksiyonu iki boyutlu numerik model kullanarak araģtırmıģlardır. Kavitideki toplam ısı kayıpları üzerine geometri, emisiviti ve çalıģma sıcaklığının etkisini incelemiģlerdir. Konvektif ısı kayıplarını kavitinin eğiminden etkilenirken, radyasyon ısı kayıpları kavitinin yüzey özelliklerinden etkilenmektedir.
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.
ĠĢlem çalıģma maddesinin sabit sıcaklıkta ısı vermesi kabul edilmektedir. Biyel muylusu A noktasına vardığında çevrim tamamlanmıģ olmaktadır [83, 94, 105, 106]. 41 yılında Schlaich-Bergermann tarafından Suudi Arabistan ın Riyad kentine 2 adet 50 kw lık bir parabolik ayna/stirling sistemi kurulmuģtur. Ticari amaçla üretilen bu sistemde; 11 m çapında 88 adet aynadan oluģan bir parabolik ayna, bir alıcı ve United Stirling 4-95 Mark II kinematik Stirling motoru kullanılmıģtır [63]. Schlaich-Bergermann und Partner (SBP) tarafından 10 kw bir parabolik ayna/stirling sistemi geliģtirilmiģtir. Bu sistemde 8,5 m çapında bir parabolik ayna, bir alıcı ve V-161 kinematik Stirling motoru kullanılmıģtır. V-161 Stirling motoru 1500 dev/dak ve 3000 dev/dak motor devirlerinde sırası ile 10 ve 15 kw güç üretmiģtir. Cummins Power Ģirketi (CPG) parabolik ayna, ısı borulu alıcı ve serbest pistonlu bir Stirling motorundan oluģan 7 kw lık bir parabolik ayna/stirling sistemi geliģtirilmiģtir. Bu sistemde kullanılan serbest pistonlu Stirling motoru 5,2 kw güce ve %22 verime sahiptir [63].
Yer değiģtirme pistonu kuyruğu 50 Rockwell C derecesinde sertleģtirilmiģ ve dıģ yüzeyi hassas bir Ģekilde taģlanmıģtır. Yer değiģtirme pistonu kuyruğu ve güç pistonu arasında 0,01 mm çalıģma boģluğu verilmiģtir. Yer değiģtirme pistonu kuyruğu çapı 16 mm olarak belirlenmiģtir [111]. Analizde z ekseni 201, r ekseni 51 ve θ ekseni ise 361 grid yapısına bölünmüģtür. Ġteratif çözümler sıcaklıklar kararlı duruma ulaģtıktan sonra sonlandırılmıģtır. Ġekil 5.4 de kavitinin iç yüzeyindeki sıcaklık dağılımının zamana bağlı olarak değiģimi görülmektedir. Kavitinin alt bölgesinin sıcaklığı 45 sn sonunda 300 C ye ulaģmaktadır. Deneysel çalıģmalarda aynı malzeme özelliğine sahip kaviti 300 C ye sn arasında ulaģmaktadır. Teorik ve deneysel sıcaklık seviyeleri arasındaki farkın yalıtım malzemesi yüzeyi ve kaviti ağzından radyasyon ve taģınım ile olan ısı kayıplarından kaynaklandığı düģünülmektedir. Isınma süreleri karģılaģtırıldığında kayıpların oldukça büyük olduğu anlaģılmaktadır. Sendhil Kumar ve Reddy (2008), ġekil 5.2 de görülen kaviti, yarı kaviti ve modifiye kaviti olmak üzere üç farklı geometrideki kavitilerde oluģan doğal konveksiyon kayıplarını nümerik olarak incelemiģtir.
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. SilPinUp türkiye kafasını ısıtabilmek için yanmıģ gazlar bir elektrik motoru-jeneratör çifti tarafından fan ve yakıt pompasına hareket verilerek sağlanır.
Resim 5.1 de manivela hareket mekanizmalı Stirling motoru ve aynadan oluģan sistemin resmi görülmektedir. Bu sistemde 1,7 m çapında ayna kullanılarak güneģ enerjisi 0,25-0,35 m uzunluğunda yer değiģtirme silindiri dıģ yüzeyine odaklanmaktadır. Deneylerde, 2 bar Ģarj basıncında çalıģma maddesi olarak helyum kullanılarak 344 dev/dk motor devrinde 23,59 W motor gücü elde edilmiģtir. Bu sistemin verimi geri yansıma ve radyasyon kayıpları nedeniyle oldukça düģük elde edilmiģtir [143]. Ġekil 5.3 de görüldüğü gibi, güneģ ıģınları kaviti iç yüzeyine odaklayarak güneģ enerjisinin geri yansıma ve radyasyon kayıpları minimize edilmeye çalıģılmıģtır. 90 70 Senft (2002) Schmidt analiz metodunu kullanarak gama tipi bir Stirling motorunun termodinamik analizini gerçekleģtirmiģtir. Optimum koģullarda; süpürme hacim oranı, ölü hacim ve faz açısının motor çıkıģ gücüne etkisini incelemiģlerdir. 0,5 sıcaklık oranı, 0,75 süpürme hacim oranı, 0,5 mekanik verim ve 0,5 ölü hacim oranı için maksimum iģ faz açısı arasında elde edilmiģtir. Buna ilaveten, süpürme hacim oranının artması ile iģ belirli bir değere kadar artıģ göstermekte ve daha sonra azalmaktadır [131]. Kongtragool ve Wongwises (2006) izotermal analiz metodu kullanarak soğuk, sıcak ve rejeneratördeki ölü hacimlerinin bir Stirling motorunun performansına etkilerini incelemiģlerdir. Net iģin yalnızca ölü hacimlere bağlı olduğunu, ısı giriģi ve motor veriminin ise hem rejeneratör verimine hem de ölü hacimlere bağlı olduğunu belirtmiģlerdir. Ölü hacmin artması ve rejeneratör veriminin azalması ile motor verimi azalmıģtır [132].