Enerji, Şalt, Enerji Kalitesi, Pano, Trafo, Kablo, Motor, Kesintisiz Güç Kaynağı, Topraklama, Aydınlatma, Test-Ölçüm, Elektrik Proje-Taahhüt, Elektronik, dergi

İskenderun Bölgesinde Güneş Kulesi Güç Analizi

Mehmet ÇEVİK, Cuma KARAKUŞ, Hüseyin YAĞLI, Ali KOÇ (İskenderun Teknik Üniversitesi, Mühendislik ve Doğa Bilimleri Fakültesi)

GİRİŞ
Dünya nüfusu her geçen gün katlanarak artmaktadır. Bu nüfus artışı ülkelerin enerji ihtiyaçlarını artırmakta ve bu da sanayilerini büyütecek adımlar atmalarını gerektirmektedir. Ancak, artan enerji talebini hızlı ve ucuz biçimde karşılamak isteyen ülke politikaları, enerji üretiminin çoğunluğunun fosil yakıtlardan karşılanmasına neden olmaktadır. Bu politikalardan dolayı çevreye ve insan sağlığına olumsuz etki yaratacak birçok faktör açığa çıkmaktadır. Fosil yakıtların enerji üretimi amaçlı yakılması sonucu en önemlisi karbondioksit olmak üzere açığa atık ürünler çıkmakta ve bu ürünler, büyük bir çevre kirliliği yaratıp insan sağlığını da olumsuz olarak etkilemektedir. Karbondioksit miktarı son yüzyılda 1,3 kat artmıştır [1]. Oluşan bu çevre kirliliği ve atmosferdeki artan karbondioksit, çağımızın hastalığı olan birçok kanser türünü tetiklemekte ve insanların ölümüne neden olmaktadır. Ayrıca, başta CO2 olmak üzere diğer sera gazlarının atmosferde birikmeye başlamasıyla, küresel ısınmanın en büyük sebebi olan sera etkisi oluşmakta ve iklim değişikliğine neden olmaktadır. İklim değişikliği ile birlikte insan hayatı için vazgeçilmez olan su kaynakları azalmakta, dünyanın akciğerleri olan ormanlar yangın sebebiyle hızla azalmakta ve kuraklık oluşmaktadır [2].

İnsanların sağlığını tehdit eden ultraviyole ışınlarını emerek dünya üzerindeki canlıları koruma görevini üstlenen doğal örtü, ozon tabakasıdır. Yaklaşık 12-25 km kalınlığında olan stratosferde bulunan ozon tabakası kloroflorokarbon gazları, NOx emisyonları ve halonlardan dolayı sürekli incelmektedir. 1993 yılında Antarktika üstünde bulunan ozon tabakasının incelme oranı 3 milyon km2 iken, 1998’de bu oran 25 milyon km2’ye çıkmıştır. Tabakadaki incelme ultraviyole ışınlarının dünya üzerine ulaşmasını kolaylaştırmakla birlikte, cilt kanseri ve göz hastalıkları riskini arttırmaktadır [3].

Tüm bu nedenlerden dolayı, ülkeler fosil yakıtların etkilerini azaltmak amacıyla uluslararası çeşitli antlaşmalara yapmış ve enerji politikalarını yenilenebilir enerji kaynaklarına yöneltmişlerdir. Bu çalışmada İskenderun Bölgesinde kurulması planlanan güneş kulesi güç tesisinin, Ebsilon programı kullanılarak 2012 ve 2016 yılları arasındaki güç üretim değerlerinin analizi yapılmıştır. Analizler için Meteoroloji Genel Müdürlüğü’nden alınan İskenderun Bölgesine ait 12 aylık, sıcaklık, rüzgâr değerleri ve bölgenin aylık toplam güneş enerjisi verileri kullanılmıştır. Analizlerde, Güneş Kulesinin çıkış sıcaklığı sistemden maksimum verim elde edildiği 1500 oC kullanılıp, güç üretim değerlerinin sıcaklıklara göre değişim değerleri hesaplanmıştır.

ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR
Faille D. ve ark. (2013), çalışmalarında 1 MW’lık güneş kulesi tesisinin ısıl depolama sistemi ile birlikte, kontrol tasarım modelinin geliştirilmesini, tesisin farklı bileşenleri için varsayım ve denklemleri sunmuştur. Sonuç olarak, Matlab/Simulink’de geliştirilen modelin davranışı, kapalı döngü simülasyonları tarafından niteliksel olarak doğrulanmıştır [4].

Wang W. ve ark. (2015), 30 MW’lık bir güneş güç kulesi santrali oluşturmuş ve bu santralin her ekipmanı için ekserji analizi yapmıştır. Ayrıca, çeşitli güneş ışınları altında sistemin ısı depolamasını analiz etmiştir. Erimiş tuz ve buhar/su sirkülasyonundaki her bir ekipman için ekserji verimliliği hesaplanmış, ısı emicinin en düşük verimliliğe sahip olduğu görülmüştür. Bu nedenle sistemin toplam verimliliğinin arttırılması için ısı emicinin veriminin arttırılması gerektiğinin önemli olduğu görülmüştür. Son olarak, DNI’nin 639 W/m2’den az olması sisteminin ısıl depolama enerjisini azaltırken, DNI’nin 639 W/m2’den fazla olması sistemin ısıl depolama enerjisini arttırdığı hesaplanmıştır [5].

Behar O. ve ark. (2013), çalışmalarında 1980’lerden beri araştırma geliştirme faaliyetleri hızlanan, elektrik üretimi için kullanılmakta olan merkezi alıcı sistemleri (CRS) incelemiştir. Heliostat alanı, güneş alıcısı ve güç dönüşüm sistemi de dahil olmak üzere merkezi alıcı güneş enerjisi termik santrallerinin ana bileşenleri hakkında en önemli çalışmaları gözden geçirmiştir. Ayrıca, optik, termal ve termodinamik analizden oluşan mevcut tasarımın detaylı bir literatür araştırması ve bileşenleri değerlendirmek için kullanılan teknikler düzenlenmiştir. [6]

Şekil 1. Ebsilon programı kullanılarak simüle edilmiş güneş kulesi güç sistemi

Şekil 2. Sıcaklık-Net güç grafiği

MATERYAL VE METHOD
3.1. Sistem Türünün Seçimi
Güneş enerjisinden güç üretimi için iki yöntem kullanılmaktadır. Bunlardan birincisi güneş enerjisinin direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürüldüğü fotovoltaik (PV) sistemler olup, diğer yöntem ise güneş ışınlarının yoğunlaştırılıp güç üretiminde kullanıldığı sistemlerdir. Bu sistemlerde güneşten gelen ışınlar mevcut olan sistem veya sistemin belirli bir bölgesine yoğunlaştırılarak güç üretimi yapılmaktadır. Günümüzde yoğunlaştırıcı sistemlerde kolektör çeşitlerini iki grupta toplanmak mümkündür. Bu sistemlerden birincisi güneş ışınlarını doğrusal olarak yoğunşaltırırken, diğeri ise noktasal olarak yoğunlaştırmaktadır.

Doğrusal yoğunlaştırıcılar da güneş ışınları kolektörün belirli bir açıda sistemin odağındaboydan boya uzanan, içerisinde akışkan geçen ve gelen ısıyı emen boruya yoğunlaştırılmaktadır. Noktasal yoğunlaştırıcılı sistemlerde güneş ışınlarının izlenmesi için takip sistemi bulunabilirken, takip sistemi olmayan sistemlerde mevcuttur. Noktasal yoğunlaştırıcılarda diğer sistemlere kıyasla daha yüksek ısılara ulaşarak güç üretmek mümkündür. Ayrıca doğrusal ve noktasal yoğunlaştırıcılı sistemlerinde çeşitleri bulunmaktadır [7].

Güneş kulesi güç sistemleri noktasal yoğunlaştırıcı sistemler içerisinde olup güneş ışınlarının aynalardan kuleye yansıtılarak, burada yoğunlaştırılması ile güç üretimi yapılmaktadır. Güneş ışınlarını kuleye yansıtmada kullanılan aynalara heliostat adı verilmektedir. Bazı heliostatlar sistemin verimini arttırmak amacıyla güneşi iki eksenli olarak takip etmektedir. Takipli güneş kulesi sistemlerinde kullanılmakta olan her bir heliostat, birbirinden bağımsız hareket edebilme yeteneğine sahiptir. Bu heliostatların kullanıldığı sistemler için arazi maliyetleri düşüktür. Bunun sebebi ise güneş gören ancak, verimsiz, tarım arazisiolarak kullanılamayacak düzeyde olan alanların kullanılabiliyor olmasıdır. Ayrıca, aynaların üretim maliyetlerinin de fotovoltaik kolektörlerle kıyaslandığında oldukça düşük olduğu görülmektedir.

3.2 Güneş Kuleleri
Güneş kulesi güç sistemleri noktasal olarak güneş ışınlarını yoğunlaştırarak güç üreten sistemlerdir. Yüksek yatırım maliyetleri gerektirmesine rağmen, çok büyük güç ihtiyaçlarını karşılamaya yönelik olan projelerde kullanılmaktadır. Şekil 1’de Ebsilon programı tarafından simüle edilmiş olan bir güneş kulesi güç sistemi görülmektedir. Sistemin genel çalışma prensibi; güneşten gelen ışınlar heliostatlar üzerine düşer. Heliostatlardan yansıtılan güneş ışınları kule üzerinde bulunan merkezi alıcıda yoğunlaştırılır. Merkezi alıcıda elde edilen ısı aracı akışkan veya sistem akışkanına aktarılarak buhar elde edilir. Elde edilen buhar güç üretilmek üzere sisteme verilir.

SONUÇ VE TARTIŞMA
Şekil 2’ de 2012 ve 2016 yılları arasındaki sıcaklık ve rüzgar grafiği görülmektedir.

Grafik incelendiğinde yıllara göre sıcaklık ve net güç değerleri orantılı olarak eğri çizmişlerdir.

Bunun sebebi araştırıldığında, sistemden üretilen net gücün, direkt olarak bölgenin sıcaklık değerlerine bağlı olduğu tespit edilmiştir. Seçilen bölgenin yaz aylarında sıcaklık değerlerinin daha yüksek olduğu görülmüştür. Bu da yaz aylarında üretilen net güç değerlerinin diğer aylara göre daha fazla olmasını sağlamıştır. Sistemden yıllara göre üretilen net güç bulunurken, sistemde kullanılan pompaların toplam güçleri hesaplanıp, üretilen brüt güçten çıkarılmıştır.

Güneş kulesi güç sisteminin ekipmanlarından olan kulenin çıkış sıcaklığı, sistemden üretilen gücün hesaplanmasındaki en büyük faktörlerden biridir. Heliostatlardan yansıtlan güneş ışınlarının kule üzerinde bulunan alıcılar yardımıyla suyun maksimum olarak kaç dereceye kadar çıkarılacağı, sistemden ne kadar güç üretileceği ile direkt olarak bağlantılıdır. Bundan dolayı, sistem farklı sıcaklık değerlerinde simüle edilmiş olup en uygun değerin 1500 oC olduğu hesaplanmıştır. Bu kriter hesaplanırken alt limit değer olarak 400 oC ve üst değer olarak 2000 oC seçilmiştir. Bu maksimum ve minumum kule çıkış sıcaklıkları değerlendirildiğinde, minumum olan

400 oC’de su buharı yeterli kuruluk derecesine ulaşamadığından dolayı sistemden minumum güç üretimi sağlanmıştır. Sistem 500 oC’den sonra daha performanslı çalışma göstermiştir. Ancak, 1500 oC’deki elde edilen performansın çok altında kalmıştır. Maksimum kule çıkış sıcaklık değeri olan 2000 oC’de yapılan simülasyonda görülmüştür ki, sistemi oluşturan metal aksamlar sıcaklığa dayanım noktalarını aşmış ve deformasyona uğramışlardır.

Sistemden üretilen yılllara göre maksimum net güç değerleri incelendiğinde en fazla üretim 2015 yılının temmuz ayında 45813,496 kW olarak hesaplanmıştır.

Kaynakça
1- Varınca, K. B., ve Gönüllü, M. T. (2006). Türkiye’de güneş enerjisi potansiyeli ve bu potansiyelin kullanım derecesi, yöntemi ve yaygınlığı üzerine bir araştırma. I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, 270-275.
2- Öztürk, K. (2002). Küresel İklim Değişikliği ve Türkiyeye Olası Etkileri. Gazi Üniversitesi Gazi Eğitim Fakültesi Dergisi, 22(1).
3- Kartal, Y. Parabolik yansıtıcı yüzeyli yoğunlaştırıcı güneş kolektörü tasarımı.
4- Faille, D., Liu, S., Wang, Z., & Yang, Z. (2014). Control design model for a solar tower plant. Energy Procedia, 49, 2080-2089.
5- Wang, W., Du, W., Zhai, R., & Zhao, M. (2015). Performance Analysis of Tower Solar Thermal Power System.
6- Behar, O., Khellaf, A., & Mohammedi, K. (2013). A review of studies on central receiver solar thermal power plants. Renewable and sustainable energy reviews, 23, 12-39.
7- Yağlı, H., Koç Y., Çevik M., Demir S., Yıldırım M.A., Souksu M.C., Yıldız E., Koç A. (2014). Akdeniz üzerinde güneş kulesinin tasarımı ve analizi. ICCI 20th International energy and environment fair and conference.