ENERJİ TEKNOLOJİSİ

1. ENERJİ TEKNOLOJİSİ Doç. Dr. Ali VARDAR

2. İÇİNDEKİLER • Enerjinin Tanımı ve Sınıflandırılması • Güneş Enerjisi ve Teknolojisi • Rüzgar Enerjisi ve Teknolojisi • Hidrolik Enerji ve Teknolojisi • Biomass Enerjisi ve Teknolojisi

3. 1. ENERJİNİN TANIMI VE SINIFLANDIRILMASI 1.1. Enerjinin Tanımı • Enerji; bir sistemin, kendisi dışında etkinlik üretme yeteneği veya bir nesne ya da sistemde bulunan iş yapabilme yeteneği olarak tanımlanmaktadır. • Başka bir deyişle enerji, bir sistemin iş ve ısı verme yeteneğidir.

4. 1.2. Enerjinin Sınıflandırılması • Enerjiler çeşitli biçimlerde sınıflandırılmaktadır. • Sınıflandırmalar hangi esasa göre yapılırsa yapılsın, farklı gruplara giren enerjiler, birbirine dönüştürülebilmektedir. • Enerjinin dönüşebilirliğinin ölçümü, ekserji ile ifade edilmektedir. • Ekserji, belirli termodinamik koşullarda, belli bir miktar enerjinin diğer bir enerji biçimine dönüştürülebilen en yüksek miktarıdır. • Belirli termodinamik koşullarda diğer bir enerji biçimine dönüştürülemeyen enerjiye de, anerji adı verilmektedir.

5. Herhangi bir değişim ya da dönüşüme uğrayıp uğramadığına göre enerjiler iki grupta toplanabilir: • Birincil (primer) enerjiler: Doğal enerjiler olarak da adlandırılan bu enerjiler, doğadaki enerjilerin herhangi bir değişim ya da dönüşüm göstermemiş biçimidir (örnek: güneş, rüzgar, hidrolik, petrol, kömür, jeotermal, nükleer enerji). • İkincil (sekonder) enerjiler: Türetilen enerjiler olarak da adlandırılan bu enerjiler, birincil ya da diğer ikincil enerjilerin dönüştürülmesi sonucu elde edilmektedir (örnek: elektrik, termik “ısı”, mekanik, kimyasal, elektromagnetik, ışık).

6. Alışılagelmiş kullanılırlığı olup olmadığına göre de enerjiler, iki grupta toplanabilir: • Alışılagelmiş (klasik, konvensiyonal) enerjiler: Uzun zamandan beri kullanılagelen enerjilerdir. Bu enerjiler, rezervi kısa sürede yenilenemeyen, çoğunlukla fosil kaynaklı olan enerjilerdir (örnek: petrol, kömür vb., elektrik enerjisi de kısmen bu gruba girmektedir). • Yeni ve yenilenebilir enerjiler: Uzun süredir kullanımda olmakla birlikte günümüzde daha sistematik ve geliştirilmiş tekniklerle kullanılan, rezervi kısa sürede yenilenebilen enerjilerdir (örnek: güneş, rüzgar, hidrolik, biomas, jeotermal enerjiler). Bu enerjilere alternatif enerjiler adı da verilmektedir.

7. 2. Güneş Enerjisi ve Teknolojisi

8. Dünya’daki tüm enerjilerin temel kaynağı Güneştir. • Güneş’in ışınları ile Dünya’ya gönderdiği enerji, atmosferin üst sınırına dek hemen hemen zayıflamadan gelmekte ve buradaki değeri, güneş sabitesi adını almaktadır. • Yapılan ölçümlere göre, bu sabitenin atmosfer sınırındaki ortalama değeri, gelen ışınlara dik bir yüzeyin santimetre karesine 0,135 W ‘tır. • Io ile gösterilen bu sabitenin dönüşüm değeri şu şekilde yazılabilir:

9. Güneş Enerjisinin Özellikleri • Güneş enerjisini ileten güneş ışınlarının hareketi doğrusal karakterde olup, hızları 300.000 km/s ‘dir. • Bu hızla Dünya’daki cisimlere gelen güneş ışınlarının bir bölümü cisme girerek arka tarafa geçer, bir bölümü yansır geri kalan kısmı ise o cisim tarafından soğurulur (absorbe edilir). • Cisme gelen güneş ışınlarının enerjisi, bunların toplamına eşit olur.

10. Dünya izoterm haritası

11. Türkiye yıllık güneşlenme haritası

12. Güneş Enerjisi Tekolojisi 1. Güneş kollektörü teknolojisi • Güneş enerjisinin toplanması, ısısal ve elektrik olarak iki yolla yapılmaktadır. • Ucuzluk ve yapım kolaylığı gibi nedenlerle, ısısal toplama yöntemi, tercih edilmektedir. • Isısal toplama, günümüzde en çok düz yüzeyli, bir ölçüde de odaklı kollektörlerle sağlanmaktadır. • Elektriksel toplama ise, fotovoltaik hücreli kollektörlerle sağlanmaktadır.

13. Düz yüzeyli kollektörler • Uygulamada bir çok kullanım alanı bulunan düz yüzeyli kollektörün yapısı üç kısımda incelenebilir: • Soğurma (absorpsiyon) yeteneği yüksek olan bir soğurucu plaka • Soğurucu plakanın önüne yerleştirilmiş cam ya da plastik örtü • Madeni ya da işlenmiş ahşaptan veya plastikten yapılmış kollektör kasası

14. Şekil 4.2 – sf.14

16. Bir günde gereksinim duyulan ısı enerjisi, kollektörün bir metrekaresinde bir günde toplanan yararlı ısıya bölünerek, kollektör yüzeyinin büyüklüğü metrekare olarak bulunabilir. • Düz yüzeyli bir güneş kollektörünün toplayabileceği enerji (Ekd); kollektöre gelen güneş ışınımı şiddetine (intensitesine) (I), kollektörün yüzey alanına (A), güneşlenme süresine (t), güneş ışınımının kollektörün saydam örtüsünden içeriye girebilme oranına (ηi) ve soğurucu plakada soğurulma oranına (ηs) bağlı olarak, farklı birimlere göre, aşağıdaki eşitliklerle bulunabilir:

18. Odaklı kollektörler • Bu kollektörler, direkt radyasyonu merkezlendirmeye yararlar. • Odaklı kollaktörler, ancak güneşlenme yönünden zengin olan yörelerde verimli olarak kullanılabilirler. • Yapıları; çoğunlukla iç bükey ayna biçiminde ise de, kesik koni ve silindirikal şekilde olanları da vardır.

19. Odaklı kollektörlerdeki hesaplama yöntemi, düz yüzeyli kollektörlerinkinden farklılık göstermektedir. • Odaklı kollektörlerin toplayabilecekleri enerji (Eko); kollektörün yüzeyine dikey olarak gelen direkt (doğrusal) güneş ışınımı intensitesine (Id), kollektörün izdüşüm alanına (Ao), güneşlenme süresine (t), kollektörün ışınımı odaklama oranına (ηo) ve kollektör odağındaki -odak bölgesindeki- alıcının soğurma oranına (ηs) bağlı olarak aşağıdaki eşitlikle bulunabilmektedir:

20. Güneş Enerjisi Teknolojisinin Çeşitli Uygulama Alanları • Bu uygulamalar; elektrik, ısı ve frigori (soğukluk) üretme; tatlı su elde etme, traktör ve su pompası çalıştırma ile bitki büyümesini hızlandırma alanlarında görülmektedir. Elektrik enerjisi üretimi • Bu uygulama doğrudan ve dolaylı elektrik enerjisi üretme olarak iki grupta toplanmaktadır. • Güneş pilinin icadıyla, güneş enerjisinin elektrik enerjisine doğrudan dönüştürülmesi sağlanmıştır.

21. Güneş pili, güneş enerjisini doğrudan doğruya elektrik enerjisine dönüştüren bir aygıttır. S10 Antirefleks tabaka Kontak ucu n - Silisyum P - Silisyum Al -Tabaka R Silisyum Güneş Pilinin Yapısı

22. Şekil 4.5 – sf.20 Şekil. Güneşli termik santralin prensip şeması

24. A.B.D.‘de Mojave çölünde kurulmuş bir Güneş enerjisi santrali.Kulenin çevresine 1.818 toplayıcı yerleştirilmiştir .

26. 3. RÜZGAR ENERJİ TEKNOLOJİSİ • Rüzgar, yeryüzünün güneş tarafından düzensiz ısıtılması sonucu ortaya çıkan bir hava hareketidir. • Rüzgarın doğmasına ve hızına etki eden 4 kuvvet vardır. Bunlar; - Basınç gradiyan kuvveti - Saptırıcı kuvvet - Merkezkaç kuvvet - Sürtünme kuvveti

27. Basınç gradiyan kuvveti: Bu kuvvet havayı yüksek basınçtan alçak basınca doğru akıtmaya çalışır. Saptırıcı kuvvet: Bu kuvvet iki şekilde etki eder. Birincisi, enlem daireleri boyunca oluşan hareketler için, ikincisi ise ekvatordan kutuplara doğru ya da kutuplardan ekvatora doğru oluşan hareketler için yer dönmesinin saptırıcı kuvvetidir. Merkezkaç kuvvet: Rüzgarlar genel olarak bir merkez etrafında dolanırlar. Bu dönme hareketi sonucunda ortaya çıkan ve rüzgarı dönme merkezinden uzaklaştırmaya çalışan kuvvete, merkezkaç kuvvet adı verilir. Sürtünme kuvveti: Bu kuvvet sadece rüzgarın hızına etki eden bir kuvvettir. Bu kuvvet rüzgarın yeryüzüne sürtünmesinden doğmakta ve türbülans anaforlarıyla 600 m yüksekliklere kadar iletilmektedir.

28. Bir yöredeki ortalama rüzgar hızının bulunmasında, aşağıdaki eşitlikten yararlanılır: vo : Ortalama rüzgar hızı (m/s), v1,v2,…,vn : Değişik değerlerdeki rüzgar hızları (m/s), t1,t2,…,tn : Yıl içerisinde her bir rüzgar hızındaki esme süresi (h), 8760 : Bir yıldaki saat sayısı.

29. Örnek 1: Bir yörede rüzgar hızları ve yıl içerisindeki esiş saatleri aşağıdaki gibi verilmiştir. Bu verilenlere göre yörenin ortalama rüzgar hızını bulunuz. Çözüm 1:

30. v2 v1 v D h Rüzgardan Enerji Elde Edilmesi Şekil. Rüzgarın rotor düzlemine gelişinin şematik görünüşü

31. Rüzgarın rotor düzlemine gelişi ve rotor düzlemini terk edişi

32. Şekillerden de anlaşıldığı gibi rotor düzleminin önündeki, rotor düzlemindeki ve rotor düzleminin arkasındaki rüzgar hızları birbirinden faklıdır ve aralarında da bir ilişki vardır. v1: rotor düzlemindeki ortalama rüzgar hızı v : rüzgar türbini rotor düzleminin önünde esen rüzgarın hızı, v2 : rotor düzleminin arkasındaki rüzgar hızı

33. Güç eşitliği; • Bu eşitlik rüzgarın içinde barındırdığı kinetik enerjiyi Watt olarak vermektedir. • Bu gücün rüzgar türbini rotoru aracılığı ile yararlı güce çevrilmesi söz konusudur. • Bu noktada rüzgar hızı, türbin mil hızı ve kanat seçimine bağlı olarak değişim gösteren bir katsayı devreye girmektedir. • Bu katsayıya güç katsayısı (CP) adı verilir.

34. “İdeal güç katsayısı” teorik bir değerdir. • Uygulamada ise bu değer daha da düşüktür. • Ayrıca devreye mekanik-teknik kayıplar da girmektedir. • Ancak mekanik-teknik verimlilik () değeri 1 ‘e yakın bir değer olduğundan hesaplamalarda ihmal edilebilir. • Bu bilgiler ışığında güç eşitliğimiz; Güç katsayısı Mekanik-teknik verimlilik

35. Sınır Katmanı Yüzey Katmanı 6 5 4 3 2 1 0 Rüzgar Hızı ( m/s ) Geostrophic Rüzgar Şehir Çim Su 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 1000 Yükseklik ( m ) Dikey rüzgar profili

36. Rüzgar hızının yükseklikle olan ilişkisini tahmin etmekte kullanılan pek çok yöntem vardır. Bu yöntemlerden en çok kullanılanı;

37. Rüzgar hızının yerden yüksekliği h yüksekliğindeki rüzgar hızı Rüzgar hızı yükseklik faktörü Von Karman sabiti (0,4) Yer yüzeyindeki engellerden kaynaklanan pürüzlülük uzunluğu

38. Örnek Problem: SORU: 10 metre yükseklikte ölçülen rüzgar hızı 5 m/s olduğuna göre 40 metre kule yüksekliğine sahip bir rüzgar türbininin alacağı rüzgar hızı değerini hesaplayınız. Rüzgar türbini bir köyde bulunmaktadır (zo = 0,4).

39. CEVAP: h : 10 m v : 5 m/s z0 : 0,4 k : 0,4 (Sabit) h : 40 m v : ? 7,15 m/s

40. Rüzgar Türbin Tipleri Rüzgar türbinleri başlıca üç gruba ayrılabilir: 1-Yatay eksenli rüzgar türbinleri 2-Düşey eksenli rüzgar türbinleri 3-Diğer rüzgar türbinleri

41. 1. Yatay eksenli rüzgar türbinleri: • Yatay eksenli rüzgar türbinlerinin dönme eksenleri rüzgar yönüne paralel ve kanatlar rüzgar yönüne diktir. • Ticari türbinler ve özellikle elektrik üretim amaçlı türbinler genellikle yatay eksenlidir. • Rotor, rüzgarı en iyi alacak şekilde döner bir tabla üzerine yerleştirilmiştir. • Yatay eksenli türbinlerin çoğu rüzgarı önden alacak şekilde (upwind) tasarlanmıştır. • Rüzgarı arkadan alan (downwind) türbinlerde vardır, ancak bunların yaygın bir kullanım alanları yoktur.

42. Yatay eksenli rüzgar türbinlerini üç sınıf altında incelemek mümkündür: a-) Klasik rüzgar türbinleri b-) Yavaş rüzgar türbinleri c-) Hızlı rüzgar türbinleri

43. Klasik rüzgar türbinleri

44. Klasik rüzgar türbinleri, rüzgar türbinlerinin ilk uygulamalarındandır. • Devir sayıları oldukça düşük, türbin boyutları ise büyüktür. • Bu tip rüzgar türbinleri yel değirmeni olarak da bilinir.

45. Yavaş rüzgar türbini

46. Yavaş rüzgar türbinlerinin kanat sayısı diğer tiplere göre daha fazladır. • Devir sayıları klasik tip türbinlerinki gibi düşüktür. • Bu nedenle yüksek hızın gerekmediği su pompalarının tahrikinde çok kullanılır.

47. Hızlı rüzgar türbinleri

48. Hızlı rüzgar türbinlerinin kanat sayısı maksimum dört tanedir. • Ancak üç kanatlı rüzgar türbinleri daha yaygındır. • Özellikle son yıllarda rüzgar türbin yüksekliğinin arttırılması ve rotor çaplarının da buna paralel gelişmesi ile iki kanatlı rüzgar türbinleri ön plana çıkmıştır. • Hızlı rüzgar türbinlerinde devir sayıları oldukça yüksektir. • Bu nedenle genelde elektrik üretmek amacıyla dizayn edilirler. • Bu türbinlerden alınan güç, aynı büyüklükteki diğer türbinlerden alınan güçten daha fazladır. • Son zamanlarda üzerinde en fazla çalışma yapılan türbin tiplerindendir.

49. Hızlı rüzgar türbinleri

50. Hızlı rüzgar türbinlerindeki gelişim süreci