BİR STİRLİNG MOTORUNA GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PDF Ücretsiz indirin

Sisteme ısı sürülmesi sürekli olduğundan, emme ve egzoz supapları bulunmadığından ve basınç değiģimleri sinüzoidal olduğundan, gürültüsüz ve titreģimsiz çalıģır. AteĢleme ve enjeksiyon sistemleri ile supap gibi yardımcı parçalara ihtiyaç duyulmadığından az bakım gerektirir. Yağlama yağı soğutucu etkide bulunmadığından içten yanmalı motorlarda olduğu gibi ısı kaybı olmaz. Ayrıca yağ sarfiyatı daha az ve yağ değiģim aralığı daha uzundur. Yanmanın kontrollü ve dıģardan olması sebebi ile azotoksit, karbonmonoksit ve yanmamıģ hidrokarbon miktarı içten yanmalı motorlara göre daha azdır. Stirling motorları çok değiģik mekanik düzenlemelerle, çok küçük ve çok büyük boyutlarda ve değiģik güçlerde üretilebilir [78, 82, 83, 88]. 74 54 ġekil Stirling ve buji ateģlemeli motorların tork değiģimleri [83] Isıtıcı ve soğutucu sıcaklıkları ġekil 3.22 de ısıtıcı ve soğutucu sıcaklıklarının fonksiyonu olarak çıkıģ gücü performans değerleri görülmektedir. Ġekilde görüldüğü gibi, ısıtıcı sıcaklığının artması ve soğutucu akıģkan giriģ sıcaklığının azalması motor gücü ve verimini artırmaktadır [83]. Stirling motorlarında gürültü seviyesinin artıģına soğutma için ilave edilen parçalar sebep olabilir.

• 64 MW elektrik üretim kapasitesine sahip bu sistemin yıllık üretim kapasitesi 130 GWh tir [33].
• Stirling motorunun performansı nodal analiz metodu kullanarak farklı ısı taģınım katsayıları için belirlenmiģtir.
• Pasumarthi ve Sherif tarafından gerçekleģtirilen diğer bir çalıģmada ise üç farklı kollektör yapısına sahip güneģ bacası üzerinde teorik ve deneysel çalıģmalar yapılmıģtır.
• Kavitilerdeki doğal konveksiyon ısı kayıplarını 0 (kaviti ağzı dikey yönde) ve 90 (kaviti ağzı yatayda ve aģağı doğru) arasındaki eğim açıları için araģtırmıģlardır.

Rejeneratörde soğuk bölgeden sıcak bölgeye hareket eden çalıģma maddesinin bir kısmı kalmakta ve basınç azalmasına sebep olmaktadır. Ölü hacmin çok azalması akıģ kayıplarını artırmaktadır [83, 84, 88]. Ġekil 3.23 de ölü hacim oranına bağlı boyutsuz çıkıģ gücü değiģiminin eğrileri görülmektedir. Burada T / T minimum ve maksimum sıcaklıklar arasındaki C H oran, X / V D VE ölü hacim oranı, ( P Pmax. VT / ) boyutsuz güç değeridir. Ġekilde görüldüğü gibi, ölü hacim oranı artıkça motor çıkıģ gücü azalmaktadır. Ayrıca, sıcaklık oranı küçüldükçe motor gücünün arttığı görülmekle beraber, ölü hacim oranının değiģimine bağlı güç eğrileri aynı oranlarda değiģim göstermektedir [83, 88]. 35 15 Oluklu ya da parabolik aynalar heliostat olarak kullanılabilmektedir. Ancak aynalar çok uzun odak uzunluğuna sahip oldukları için neredeyse düz görünmektedirler. Her ayna bağımsız olarak güneģ ıģınlarını takip etmekte ve gelen ıģınlar alıcıya yönlendirilmektedir. Büyük miktarlarda elektrik üretmek için heliostat alanı oldukça büyük imal edilmektedir.

Ġekil 3.14 de rhombic hareket mekanizmalı beta tipi bir Stirling motorunun Ģematik resmi görülmektedir. Rhombic hareket mekanizması, güç ve yer değiģtirme pistonu bağlantı parçaları ve rodları ile birbirine ters yönde hareket eden iki diģliden oluģmaktadır. Böylece piston ve silindir gibi parçalarda aģıntı minimuma indirilmektedir [80, 83, 88]. 62 42 yer değiģtirme pistonunun eteği ġekil 3.9.b’de görülen 2 noktasına gelmektedir [84, 104]. Yer değiģtirme pistonu muylusu B noktasından C noktasına giderken yer değiģtirme pistonu ÜÖN civarında sabit kalacak, güç pistonu AÖN dan ÜÖN ya doğru hareket edecektir. Bu hareket esnasında çalıģma maddesinin hemen hemen tamamı yer değiģtirme pistonu ile güç pistonunun arasındaki soğuk hacimde sıkıģtırma iģlemine tabi tutulacaktır. ĠĢlem esnasında çalıģma maddesinden soğuk cidarlara ısı akıģı olduğu için bu iģlemin sabit sıcaklıkta gerçekleģtiği kabul edilmektedir. Bu iģlemin sonucunda yer değiģtirme pistonunun eteği ve güç pistonunun tepesi 3 noktasında bulunmaktadır. Yer değiģtirme pistonunun eteği ile güç pistonunun tepesi arasındaki mesafe yer değiģtirme pistonu kursunun yarısından fazladır [84, 104]. Yer değiģtirme pistonu muylusu C noktasından D’ye giderken güç pistonu ÜÖN civarında sabit kalacak, yer değiģtirme pistonu ÜÖN’dan AÖN’ya doğru kendi kursunun yarısından fazla hareket edecektir. Bu hareket esnasında çalıģma maddesinin iģgal ettiği toplam hacim sabit kalmaktadır. Bu iģlem esnasında soğuk hacimde bulunan çalıģma maddesi sıcak hacme geçecektir.

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.

Alıcı 90,8 m çelik kule üzerine yerleģtirilmiģ ve ısı transfer akıģkanı olarak su buharı kullanılmıģtır. Enerji 19,8 m çapında ve 13,7 m yüksekliğinde içerisinde ısı transfer yağı bulunan bir tankta depolanmaktadır. Depo edilen sıcak yağdan klasik bir buhar türbini kullanılarak 274 C sıcaklık ve 2,7 MPa basınçta buhar üretilmektedir [12] yılında Ġspanya da CESA-1 isimli güneģ enerji kule sistemi çalıģmaya baģlamıģtır. Sistem, her biri 38 m 2 kollektör yüzey alanına sahip 300 heliostat ve 60 m yüksekliğinde beton bir kule üzerine yerleģtirilen kaviti alıcıdan oluģmaktadır. Her biri 40 m 2 kollektör yüzey alanına sahip 3000 heliostat güneģ ıģınlarını 200 m yüksekliğinde bir kulenin üzerine yerleģtirilen iki alıcıya yansıtmaktadır. 800 C ye ısıtılan hava ısı transfer akıģkanı olarak kullanılmıģtır. Sistemde bir buhar türbini ve iki açık çevrim ile çalıģan gaz türbini yer almaktadır [12]. Kribus, manyeto hidrodinamik çevrim, Brayton gaz türbini çevrimi ve Rankin buhar çevriminden oluģan üç kademeli çevrimin performansını birleģik çevrim ile karģılaģtırmıģtır. Üç kademeli çevrimin maksimum dönüģüm veriminin birleģik çevrimin veriminden daha yüksek olduğunu belirlemiģtir [51]. 28 8 Kim ve arkadaģları (2009) Kiemyung Ünivermostbet ne kurulan Osan ve Dongho isimli iki fotovoltaik sistemin performans karakteristiklerini incelemiģlerdir.

400 ºC sıcaklık, 90º eğim ve 8 alan oranında, konveksiyon ve radyasyon kayıpları toplam ısı kayıplarının sırası ile %40,72 ve %59,28 i olarak elde edilmiģtir [137]. Kanalın giriģindeki sıcaklık dağılımı düzgün iken çıkıģta dalgalı fonksiyona dönüģmektedir. Isı taģınım katsayısının veya ısı transferi yüzeyinin büyük olduğu hallerde bu dalgalanmanın az olduğu, küçük olduğu hallerde ise dalga genliğinin arttığı görülmüģtür. Bu olay çalıģma maddesinin değiģimini hesaplamada kullanılan birinci kanunun matematiksel olarak karakteristiğinin değiģken olmasından kaynaklanmaktadır. AkıĢkan ilerlerken duvar sıcaklığı ile akıģkan arasındaki sıcaklık farkı artmakta belirli bir farktan sonra sıcaklık değiģimini hesaplamada kullanılan eģitlik dalga denklemine dönüģmektedir. Ġekil Isıtma ve soğutma kanalında sıcaklık değiģimi ġekil 4.12 de 200, 300 ve 400 W/m 2 K lik ısı taģınım katsayıları için çalıģma maddesi kütlesine bağlı olarak çevrimlik iģin değiģimi görülmektedir. ÇalıĢma maddesi kütlesinin artması ile çevrimlik iģ belirli bir değere kadar artmakta ve daha sonra azalmaktadır. ÇalıĢma maddesi kütlesinin aģırı artması, çalıģma maddesinin ısıtılması ve soğutulması için transfer edilen ısının istenilen sıcaklık değiģimini oluģturamamasına neden olmaktadır. Ġekilde görüldüğü gibi, ısı taģınım katsayısının artması ile maksimum iģi veren kütlede artmaktadır.