BİR STİRLİNG MOTORUNA GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PDF Ücretsiz indirin
Karabulut ve arkadaģları (2009), manivela kontrolllü hareket mekanizmasına sahip beta tipi bir Stirling motorunu test etmiģlerdir. Testler, LPG yakıtlı ısıtıcı kullanılarak ve 200 C sıcak uç sıcaklığında gerçekleģtirilmiģtir. 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]. 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]. Parlak ve arkadaģları (2009) gama tipi bir Stirling motorunun termodinamik analizini Urielli ve Berchowitz in çalıģmalarında kullandığı yarı kararlı akıģ (quasi-steady flow) yaklaģımını kullanarak gerçekleģtirmiģlerdir. Stirling motoru sıkıģtırma, geniģleme, soğutucu, ısıtıcı ve rejeneratör olmak üzere beģ hacme bölünmüģtür. Kütle ve enerjinin korunumu yasası kullanılarak beģ hacim bölgesindeki basınç, sıcaklık ve kütle değiģimleri Fortran programında yazılan bir kod yardımıyla hesaplanmıģtır. Bu model ile motorun termal verimi %25 olarak elde edilmiģtir [133] Manivela Hareket Mekanizmalı Motorun ÇalıĢma Prensibi ġekil 4.2 de manivela hareket mekanizmalı bir Stirling motorunun parçaları ve kısımları tanıtılmaktadır. Motor; bir güç pistonu, bir yer değiģtirme pistonu, bir manivela, deveboynu Ģeklinde eğri bir yer değiģtirme pistonu biyeli, iki parçalı bir piston biyeli, bir krank mili ve motor bloğundan oluģmaktadır. Cam yer değiģtirme silindiri kullanılan yöntemde geri yansıma ve radyasyon kayıpları oldukça yüksektir [142]\. İlk bahsini yerleştir, oyunun heyecanına kapıl. hasanbitmez.com\. Son yöntemde ise güneģ enerjisi bir ayna yardımıyla yer değiģtirme silindiri dıģ yüzeyine odaklanmaktadır.
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]. 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.
Yenilenebilir enerji teknolojisi sürekli ve temiz enerjiye ulaģmayı sağlamaktadır. Dünyanın her yerinde yenilenebilir enerji kaynaklarının bir ya da birkaç çeģidine rastlamak mümkündür. Bu kaynakların en büyük avantajlarından birisi de ekolojik dengeye zarar vermemesidir [2]. GüneĢ, rüzgar, jeotermal, biokütle, katı atık ve gelgit enerjileri yenilenebilir enerji kaynaklarını oluģturmaktadır. Bu enerji kaynakları arasında güneģ enerjisi en önemli potansiyele sahiptir [3]. Yeryüzünden yaklaģık olarak milyon km uzaklıktaki güneģin içerisinde sürekli olarak hidrojenin helyuma dönüģtüğü füzyon reaksiyonları gerçekleģmekte ve oluģan kütle farkı ısı enerjisine dönüģerek uzaya yayılmaktadır. Yeryüzüne ulaģan güneģ ıģınımı değeri yaklaģık 1000 W/m 2 olarak kabul edilmektedir [4]. Türkiye 36 ve 42 enlemleri arasında kuzey yarımkürede yer aldığı için güneģ enerji potansiyeli oldukça yüksektir [5]. Türkiye nin yıllık güneģ enerji potansiyeli 1,3 milyar ton petrole eģittir [6]. 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.
- Böylece çalıģma maddesi yeniden ısıtmak için alıcıya gönderilir.
- Her ayna bağımsız olarak güneģ ıģınlarını takip etmekte ve gelen ıģınlar alıcıya yönlendirilmektedir.
- Alıcı 90,8 m çelik kule üzerine yerleģtirilmiģ ve ısı transfer akıģkanı olarak su buharı kullanılmıģtır.
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. 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.
Manivela motor bloğuna bir mil vasıtası ile yataklandırılmıģtır [111]. Yer değiģtirme pistonu Resim 7.6 da yer değiģtirme pistonu görülmektedir. Yer değiģtirme pistonu paslanmaz çelik boru ASTM 304 malzemeden imal edilmiģtir. 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]. Güç pistonu krank miline simetrik iki parçalı biyeller vasıtası ile bağlanmıģtır. Biyel kolları Böhler K100 soğuk iģ takım çeliğinden imal edilmiģtir. Yer değiģtirme pistonu kuyruğu manivela koluna deveboynu Ģeklinde bir biyel kolu kullanılarak bağlanmıģtır. Piston biyellerinin ağırlığını azaltmak için kesiti I Ģeklinde iģlenmiģtir.
Böylece çalıģma maddesi yeniden ısıtmak için alıcıya gönderilir. Bu sayede güneģ ıģığının olmadığı zamanlarda da sürekli güç üretimi sağlanabilmektedir [50]. Francia (1967) Ġtalya da Genova üniversitesinde bir merkezi alıcı sistemin pilot modelini geliģtirmiģtir. Bu sistemde, kulenin üzerindeki yaklaģık 650 C sıcaklıkta buhar üreten bir alıcıya, güneģ radyasyonunu yansıtmak için 271 heliostat kullanılmıģtır [12]. Georgia Teknoloji Enstitüsü nde, 400 kw kapasiteli bir sistem test edilmiģtir. Bu sistem toplam 532 m 2 toplam alana sahip ve her biri 111 cm çapında 550 heliostattan oluģmaktadır. Kule 21,3 m uzunluğunda ve heliostatların merkezine yerleģtirilmiģtir. 30 10 Coolidge güneģ enerji sulama projesi kapsamında, 150 kw kapasiteye sahip parabolik oluklu enerji dönüģüm sistemi Arizona nın Coolidge yakınlarında bir çiftliğe kurulmuģtur.
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. ĠĢlemin neticesinde güç pistonunun tepesi ile yer değiģtirme pistonunun eteği arasında birbirine temas etmeyecek kadar küçük bir boģluk kalacaktır. Yer değiģtirme pistonu muylusu D noktasına geldiğinde yer değiģtirme pistonunun eteği ve güç pistonunun tepesi 4 noktasında olacaktır. Güç pistonu ve yer değiģtirme pistonunun bu pozisyonunda çalıģma maddesinin hemenhemen tamamı sıcak hacimde sıkıģtırılmıģ, yüksek basınç ve sıcaklıkta iģ yapmaya hazır bulunmaktadır [84, 104]. Yer değiģtirme pistonu muylusu D noktasından A noktasına giderken yer değiģtirme pistonu AÖN civarında sabit kalacak, güç pistonu kendi kursunun yarısından fazla AÖN’ya doğru hareket ederek iģ zamanının gerçekleģtirecektir.
