plastik-ambalaj.com

Birincil enerji kaynağı dönüştürücü sistemler

Özet

Enerji kaynaklarının neler olduğu ve bu kaynakların birincil olarak faydalı biçim ve hareketlere nasıl dönüştürdükleri önemli bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu çalışmada birincil enerji kaynakları verilirken, kaynak tarzına göre enerji dönüşüm metotları ve bazı önemli yöntemlerin temelleri verilecek ve sınıflandırılması yapılacaktır. Ayrıca dönüşüm metotlarında kullanılan sistem ve ekipmanlar tanıtılacaktır.

1.Giriş

Öncelikle birincil enerji kaynaklarını gözden geçirmek ve sınıflandırmak gerekmektedir.  Birincil (ana) enerji kaynakları 5 kısma ayrılabilmektedir. 

1.Güneş ışınımı enerjisi

2.Güneş, ay ve dünyanın hareket ve çekim kuvvetlerinden kaynaklanan enerji (gel-git, rüzgâr, okyanus akıntıları, dalga vb)

3.Mineral kaynaklar ve sahip oldukları kimyasal enerji

4.Jeotermal enerji

5.Nükleer enerji

Mevcut primer enerji kaynaklarından yararlanarak mekanik iş elde etmeye yönelik makinelere birincil enerji dönüştürücüler (prime mover) denilmektedir. Herhangi bir enerji dönüşüm sistemi ise birincil dönüştürücülerin yanı sıra muhtelif tamamlayıcı düzenekleri de içermektedir (jeneratör, otomasyon, vb.) [1]. Teknik anlamda başka makine ve cihazları çalıştırmaya yönelik mekanik iş ortaya çıkaran sistemler, enerji dönüştürücüler olarak adlandırılmaktadır. Birçok enerji dönüştürücü sistemler mevcuttur. Öncelikle birincil ve ikincil dönüştürücüler olarak iki ana gruba ayrılabilir. Isı makineleri birer temel enerji dönüştürücü sistemdir ve birincil enerji dönüştürücü grubundandır. Yakıt içindeki kimyasal enerjiyi mekanik formda işe çevirmektedir. Elektrik motoru ise ikincil bir enerji dönüştürücüdür, daha önce üretilmiş olan elektrik enerjisini mekanik işe çevirmektedir [2]. 

Yaygın kullanımda olan birincil enerji dönüştürücülerini fotovoltayik, ısıl ve mekanik yöntemler olarak üç ana kategoride sınıflandırmak mümkündür. Güneş ışınımı enerjisi dönüşüm yöntemlerini ise fotovoltayik (PV) ve ısıl yöntemler olarak iki ana grupta değerlendirmek mümkündür. Güneş ışınımı fotovoltaik prensip ile doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülebilmektedir. Isıl yöntemler ile güneş ışınımı enerjisini su vb. materyallere aktarmak mümkün olmaktadır, bu yöntemle proses ısısı, proses soğutması ve elektriksel güç eldesi mümkündür. Güneş enerjisinde uygulanan ısıl yöntemler rahatlıkla jeotermal, nükleer enerji ve yanma sonucu ortaya çıkan kimyasal enerjiyi dönüştürmede de kullanılabilmektedir, dolayısıyla bu kaynaklarla ilgili ayrıca dönüşüm yöntemleri sınıflandırılması yapılmayacaktır. Ancak rüzgâr, dalga, hidrokinetik, hidropotansiyel, gelgit akımları enerjilerinin dönüşüm yöntemleri için mekanik dönüşüm yöntemleri ayrı bir konu başlığı altında verilecektir.

2.Fotovoltaik dönüşüm sistemleri

Fotovoltaik teknolojiler güneş ışınımını yarı iletken malzemelerden yapılmış fotovoltaik hücreler yardımıyla direkt olarak doğru akıma çeviren teknolojilerdir. Katı madde yapıları içinde elektron ve boşluk çiftleri olarak adlandırılan negatif ve pozitif yük taşıyıcılar bulunmaktadır. Güneş pili hücreleri yarı iletkenlerden yapılmaktadır. Yarı iletken malzemeler karakteristiklerinden dolayı, güneş ışınımımı dolayısıyla yüzeye ulaşan fotonların elektron-boşluk çifti bağlarındaki elektronların serbest bırakılmasını kolaylaştırmaktadır. Serbest kalan bu elektronlar ise artık katı madde içinde serbestçe dolaşabilmektedir. Ancak bu serbest dolaşımın belli bir yönü ve yörüngesi yoktur. Bu elektron dolaşımının elektriksel olarak kullanılabilir duruma getirilmesi için ise yarı iletken malzemelerin iletkenliklerinin artırılması, elektronların toplanması ve yönlendirilmesi gerekmektedir [3]. Yarı iletkenler kendiliğinden belirli bir miktar iletkenliğe sahiptir ancak akımı pek iyi iletemezler. Aslında ne iyi bir iletken, nede iyi bir yalıtkandırlar. Çünkü valans bandındaki boşlukların ve iletim bandındaki serbest elektronların sayısı sınırlıdır. [4, 5]   

Yarı iletken kristalleri içine çok az miktarda kirlilik atomları katarak iletkenliklerini yaklaşık bir milyon kat artırabilmek mümkündür. Katkı malzemelerine göre ise yarı iletkenler ikiye ayrılırlar. Eğer yarı iletken kristal yapısının içerisine Bor (B) gibi son yörüngesinde 3 elektron bulunduran atomlar ile katkılanırsa P tipi katkılanmış yarı iletken, Arsenik (As) gibi son yörüngesinde 5 elektron bulunduran atomlar ile katkılanırsa N tipi yarı iletken olarak adlandırılırlar [4]. Bir kristal güneş hücresi farklı elektriksel özelliklere sahip iki silikon katmandan oluşur. İki katman arasındaki sınır, üzerine gelen ışık tarafından üretilen serbest şarj taşıyıcılarını ayıran bir elektrik alanı oluşturur. Bu, hücreler üzerindeki metal iletkenler arasında bir elektrik gerilimi oluşturarak, kendisine bir yük bağlıyken elektrik iletmesini sağlar [6].  Fotovoltaik  bir hücre farklı elektriksel özelliklere sahip  P ve N tipi yarı iletkenden oluşmaktadır. P ve N tipi yarı iletkenler arasında birleşim noktaları (junction) oluşturulmaktadır.  Birleştirilerek PN tipi fotovoltaik bir hücre haline getirilmiş paneller güneş ışınımına maruz bırakıldığında pozitif ve negatif yüklü partiküller (delik ve elektron) üretmektedir ve bunlar hücre içinde hareketlenmektedirler. Şekil 1’de görüldüğü gibi elektron hareketleri ve yığılmaları dolayısıyla gerilim farkı yaratılarak elektrik akımı üretebilmektedir. Fotovoltayik sistemlerin verimleri %10-17 arasında değişmektedir. 

3.Isıl yöntemler

Isıl yöntemlerin tanımlanıp sınıflandırılmasından önce, motor ve ısı motoru/makinesi kavramının anlaşılması yararlı olacaktır. Motor enerjiyi bir formdan diğer bir biçime dönüştüren aygıt olarak tanımlanabilmektedir [8]. Kullanılan motorların birçoğu ısıl enerjiyi mekanik enerjiye çevirmektedir, bu nedenle ısı motoru veya ısı makinesi olarak adlandırılmaktadırlar.  Isı motoru/makinesi genellikle yakıtların içinde var olan ve pratikte yanma reaksiyonu sonucu ortaya çıkan ısıl enerjiyi termodinamiksel çevrim esaslarına göre kuvvet ve/veya harekete dönüştüren makinelerdir. Motorlar, içten yanmalı (İYM) ve dıştan yanmalı motorlar (DYM) olarak gruplandırılabilmektedir [9]. Yapım tarzlarına göre içten veya dıştan yanmalı motorların tümü döner veya piston sıkıştırmalı olarak gruplandırılmaktadır [8]. Isı makineleri ise termodinamiksel çevrimlerine göre aşağıdaki gibi sınıflandırılmaktadır. 

* Gaz türbinli (İYM-döner)

* Wankel motorlu (İYM-döner)

* Benzin motorlu (İYM-pistonsıkıştırmalı)

* Dizel motorlu (İYM-piston sıkıştırmalı)

* Buhar türbinli (DYM-piston sıkıştırmalı veya döner)

* Stirling motorlu (DYM-piston sıkıştırmalı)  [8] 

Piston sıkıştırmalı içten yanmalı motorlarda kullanılan yakıtların yakılması, motorun bizzat içinde (silindir içi) var olan yanma hücresinde ve oksijen katkısıyla (genellikle hava içeriğindeki) gerçekleşmektedir. Yakıtın yanma hücrelerinde (silindir içi) yanma sonucunda oluşan yüksek sıcaklıklı ve basınçlı yanma sonu gazlarının silindir içinde genişlemesi sonucu itme kuvveti oluşmaktadır ve bu ise krank mili veya volan vasıtasıyla dönme hareketine çevrilemektedir [10]. Isı makinesini çalıştıran itici güç (tahrik enerjisi) yakıtların yanması sonucu elde edilen kimyasal yanma enerjisi, jeotermal enerji, güneş ışınımı enerjisi gibi ısıl kaynaklardır. Isı makinesinin ana hedefi bu ısıl kaynakların herhangi birinden almış olduğu ısıyı mekanik, elektriksel ve kimyasal gibi yararlanılabilecek faydalı işe dönüştürmektir [11]. Termodinamiğin ikinci yasasına göre termodinamiksel çevrimlere göre çalışan ısı makineleri tersinir olmayan çevrimlerle çalıştıklarından iş üretebilmeleri için ikinci bir kaynağa ısı atmaları gerekmektedir. Atılan bu ısının büyüklüğü ise sistem ısıl verimini doğrudan etkilemektedir. Aşağıda, gaz türbini, buhar türbini, Stirling motorlu dönüştürücülerin daha iyi anlaşılmasına yönelik mümkün olduğunca kesit görünüşleri, çalışma prensip şemaları açıklamalı olarak verilecektir. Bu sistemlerin tümünden direkt olarak elektrik üretimi yapılabilmektedir. Otto ve dizel çevrimleriyle çalışan motorlar ise daha ziyade taşıt motorları olarak kullanılmaktadır ve elektrik üretmeye yönelik olarak özel durumlarda tercih edilmektedir. Bu nedenle bu motorların ayrıntılı tanıtımına girilmemiştir. Ancak bunların çalışma prensiplerine benzer çalışan gaz motorlarıyla elektrik üretimi son yıllarda yaygınlaştığı unutulmamalıdır. 

3.1.Gaz türbinleri

Çoğu içten yanmalı motorlar termodinamiksel olarak açık çevrim usulüne göre çalışmaktadır. Yani çevrimde kullanılan aracı akışkan sistem içine alınmakta, kullanılmakta ve dışarı atılmaktadır. Termodinamiksel olarak açık çevrimlerin yanı sıra yarı-kapalı ve kapalı çevrimlerde oluşturabilmek mümkündür. Yarı kapalı çevrimlerde bir rejeneratör bulunmaktadır ve türbin çıkışındaki egzoz gazlarının enerjisi kompresör çıkışındaki sıkıştırılmış havaya aktarılmaktadır.  Kapalı çevrimlerde ise sistemde kullanılan aracı akışkan hiç değişmemekte ve dışarıdan bir ısıl enerji her çevrimde aracı akışkana aktarılmaktadır. Kapalı çevrimli tasarımlarda nükleer enerji gibi muhtelif birçok yakıt kullanılabilmektedir [12]. 

Açık çevrim olarak çalışan gaz türbinlerinde çevrim kompresör, yanma hücresi ve türbinden oluşmaktadır. Brayton çevrimi esaslarına göre işlev görmektedir. Öncelikle yanma için kullanılacak hava kompresöre emilerek çok kademeli olarak sıkıştırılmaktadır. Bu hava ile yanma hücresine gönderilen gaz yakıtın yanması sağlanmaktadır. Yanma sonu ürünü olarak çıkan karışımın sıcaklık ve basıncı oldukça yüksektir, dolayısıyla enerji seviyesi de yüksektir. Enerjisinin belirli bir kısmını gaz türbini kanatlarından geçerken türbine aktarmaktadır. Bu ise türbin milinde dönme enerjisine çevrilmektedir Şekil 2, Şekil 3.

Mile aküple jeneratör vasıtasıyla elektrik enerjisi elde edilmektedir. Türbinden çıkan atık egzoz gazlarında da önemli bir enerji kalmaktadır.

Şekil 3’de gaz türbinli sistemin kesit görünümü verilmektedir. Şekil 4a’da açık çevrimli gaz türbinli sistemin prensip şematiği verilmektedir. Şekil 4b’de ise kapalı çevrim esasına göre çalışan gaz türbinli sistemin prensip görünümü sunulmaktadır. Günümüz teknolojisiyle gaz türbinli sistem verimleri %38’e kadar elde edilebilmektedir [16].

3.2.Buhar türbinleri

Buhar türbinli elektrik üreten güç santralleri Rankine çevrimine göre çalışmaktadır ve termodinamiksel olarak kapalı bir çevrimdir. Sistemde aracı akışkan olarak genellikle su buharı kullanılmaktadır. Kondenserde yoğuşarak sıvı hale gelen su pompa vasıtasıyla yüksek basınca sıkıştırılmaktadır. Kazan içinden geçerken dış bir kaynaktan (dıştan yanmalı) ısı alarak buharlaşmakta ve kızgın buhar haline getirilmektedir. Yüksek enerji seviyeli bu halde buhar türbini kanatları içine girmekte ve buhar türbini kanatlarında genişleyerek enerjisinin bir kısmı türbin mili dönme enerjisine çevrilmektedir. Bu mile akuple jeneratör vasıtasıyla dönme enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Türbin çıkışında doymuş sıvı+buhar karışımı olarak bulunan aracı akışkan kondenser içinde dış bir kaynak tarafından ısısı çekilerek doymuş sıvı haline gelmektedir. Kondenserin soğutulması deniz, nehir, göl suları gibi kaynaklarla olabileceği gibi bu kaynakların olmadığı veya yetersiz olduğu bölgelerde soğutma kuleleri kullanarak kapalı sistem soğutma suyu devresi de oluşturabilmektedir. Aşağıda Şekil 5’de buhar türbini kesit görünümü ve Şekil 6’da tüm çevrimin prensip şeması verilmektedir. Rankine çevrimine göre çalışan buhar türbinli güç santrallerinde verimler %38’e kadar olabilmektedir, ancak kritik basınç üzeri tasarımlanan santrallerde bu verim %42’ye kadar çıkabilmektedir [16]. 

Çevrim toplam verimini artırmaya yönelik olarak kombine çevrim santralleri yaygın olarak dizayn edilmektedir. Bu sistemlerde toplam verim %60 seviyelerine ulaşabilmektedir, sistem prensip görünümü Şekil 7’de verilmiştir. 

3.3.Stirling motoru

Stirling motorları dıştan yanmalı motorlar grubuna girmektedir. Herhangi bir dış ısı kaynağından yararlanarak ısı enerjisini mekanik enerjiye ve oradan da elektrik enerjisine çevirebilmektedir. Stirling motorlarında aracı bir akışkan bulunmaktadır. Aracı akışkan Hidrojen, helyum, hava genellikle olmaktadır. Piston silindir gruplu yapıdadır ve ısı aktarımı ve çekilmesi ile aracı akışkanın genişletilmesi ve sıkıştırılması vasıtasıyla pistonlarda itme kuvveti oluşturmak suretiyle bunu da dönme hareketine çevirerek temel fonksiyonunu yerine getirmektedir. Piston sıkıştırmalı ve genişlemeli makinelerde üretilebilecek iş aracı akışkanın gaz sabiti R’ye doğrudan bağlıdır. Dolayısıyla gaz sabiti en yüksek olan hidrojen gazı en yüksek verimi vermektedir. Stirling motorlu ısı makineleri maksimum verimleri %30 seviyelerindedir. Stirling motorları muhtelif yapım tarzlarında olabilmektedir, alfa tarzı motor ile sistem tanıtılacaktır. Ayrı silindirler içinde sıcak ve soğuk olmak üzere iki piston bulunmaktadır. Sıcak silindir yüksek sıcaklık kaynağına bağlı ısı değiştirici içinde, soğuk silindir ise düşük sıcaklık ısı kaynağına bağlı ısı değiştirici içinde bulunmaktadır. Her iki silindir içinde de aynı aracı akışkan bulunmaktadır (hidrojen vb). Hidrojen sıcak silindir içinde bulunurken sıcak dış kaynakla temas halinde olacağından sıcaklığı artacaktır. Kırmızı renkte görünen aracı akışkan genişleyecek ve piston en soldaki ölü noktaya kadar sola doğru itecektir Şekil 8a. Gazın genişlemesi soğuk silindir içine doğruda devam edecek ve sıcak piston hareketini 90o geriden takip ederek çalışan soğuk pistonun hareketi vesilesiyle sıcak gazdan daha fazla enerji çekilebilecektir. Bu durumda aracı akışkan silindir içindeki hacmi maksimum seviyededir. Bu andan itibaren sıcak silindir pistonu sağa doğru hareket ederek gazın çoğunu soğuk silindir içine göndermektedir. Burada gaz soğutulmakta ve basıncı düşmektedir,  Şekil 8b. Sıcak piston sağa doğru hareketini tamamladığında hemen hemen gazın tümü soğuk silindir içindedir ve soğutulmaya devam edilmektedir, Şekil 8c. Bu andan itibaren krank mili muadili volan hareketi dolayısıyla soğuk piston aşağıya doğru hareket etmeye başlayacak ve önündeki tüm gazı sıcak silindir içine öteleyecektir. Bu durumda toplam gaz hacmi minimum seviyededir, Şekil 8d. Sıcak silindir içindeki gaz şimdi yeniden ısınmaya başlayacaktır. Isınarak genişleyen sıcak gaz pistonu yeniden sola doğru güç stroke oluşturmak üzere öteleyecek ve çevrim yeniden başlayacaktır. Gerçek Stirling motorlarında ise ısı tasarrufu ve toplam verimi artırabilmek amacıyla rejeneratör ilavesi olmaktadır, Şekil 9. 

4.Mekanik yöntemler

Bir nesnenin hareketi veya pozisyonu dolayısıyla mevcut olan enerji mekanik enerjidir. Mekanik enerjide kendi içinde kinetik ve potansiyel enerji olarak iki kısma ayrılmaktadır. Kinetik enerjiyi hareketler oluştururken, potansiyel enerjiyi ise konum/pozisyon oluşturmaktadır (referans düzlemden olan kod farkı) [22]. Potansiyel enerji nesnelerin referans düzlemine göre yükseltilerinden kaynaklandığından yüksek rakımlı yerlerde su biriktirme baraj ve havzaları yaratmak ve bunları bulundukları yükseklikten düşülerini sağlamak suretiyle ve su türbinleri vasıtasıyla elektrik enerjisine dönüştürmek yaygın olarak kullanılan yöntemdir. Düşüden yararlanarak elektrik eldesinde kullanılan su türbinleri impuls ve reaksiyon türbinleri olarak sınıflandırılmaktadır. Pelton türbinleri ve Teğetsel (cross-flow) türbinler impuls türbinleri grubundandır. Reaksiyon türbinleri ise Kaplan türbine gibi propeller tarzı veya Fransis türbine olarak karşımıza çıkmaktadır [23].

Kinetik enerji yaratan ana kaynak hareketleri rüzgâr, dalga, gel-git, nehir suyu akışları, göl deniz ve okyanus akıntıları vb. sayılabilir. Bu hareketleri elektrik enerjisine dönüştürmek için genellikle serbest akış türbinleri kullanılmaktadır. Bunları hidrokinetik türbinler olarak da adlandırılmak mümkündür. Hidrokinetik türbinler yatay ve düşey eksenli olarak sınıflandırılmaktadır. Aslında bunlar rüzgâr türbinlerinin gerekli önlemler alınmak suretiyle su içinde kullanılan biçimleridir.  Dalga enerjisini dönüştürme yöntemleri dalga ile aktive edilen cisimler, dalga yüksekliği ile suyu havuzlarda biriktiren sistemler ve dalga geçerken su sütunundaki düşey yer değişiminden yararlanan sistemler olarak üç farklı biçimde uygulamada gerçekleştirilebilmektedir. 

Sonuç

Enerji dönüşümü her durumda sık karşımıza çıkan ve son derece önem arz eden konular arasında ön sıralarda gelmektedir. Enerji dönüşüm yöntemleri çeşitlilik ve birbirinden önemli farklılıklar göstermektedir. Dönüşüm verimleri iyi incelenmesi gereken bir husustur, ancak bunların çevre etkileri de asla gözardı edilmeden nihai yöntem seçiminde göz önüne alınmalıdır. Kurulacak sistemlerin büyüklük ölçeği de seçim parametreleri arasındadır. Özellikle küçük sistemlerin tasarının da bazı yöntemler ve verimleri gibi kriterler bakımından çok uygun olamamaktadır. Elektrik şebekesi iletim hatlarında kayıplar %10 gibi yüksek seviyelere çıkabilmektedir. Tüm bunları göz önüne alarak dar bölgeli ve lokal, yani yerinde kompakt çözümler üretebilmek düşünülmesi zorunlu durumlar olarak karşımıza çıkmaktadır. Dolayısıyla elektriksel güç ısıtma ve soğutma enerjilerinin birlikte sağlanabildiği ikili ve üçlü birleşik sistemlerin uygulamalarının da giderek daha yaygınlaşması beklenmelidir.

Referanslar

[1] Invemizzi C. M., Closed power cycles, Springer Verlag, 2013

[2] Rajput R.K., Comprehensive basic mechanical engineering, Laxmi Publications, 2005 pp 321-322

[3] http://www.volker-quaschning.de/articles/fundamentals3/index_e.php

[4] http://kenanunal.com/blog/6/p-ve-n-tipi-yari-iletkenler

[5] http://hcgurlek.tripod.com/p_n_tip.htm

[6] http://www.mmo.org.tr/resimler/dosya_ekler/0e1fb22d2fcf933_ek.pdf 

[7] http://www.apec-vc.or.jp/e/modules/tinyd00/?id=74 

[8] Ganesan V., Internal combustion engine, Mc Graw Hill, New Delhi 2012

[9] http://www.explainthatstuff.com/engines.html

[10] http://me-mechanicalengineering.com/internal-combustion-engines-classification/ . 

[11] Balmer R.T., Modern engineering thermodynamics, Elsevier 2011

[12] https://d6s74no67skb0.cloudfront.net/course-material/ME925-Fundamentals-of-Gas-Turbine-Engines.pdf

[13] https://www.btg-btl.com/en/applications/heat-power

[14] https://d6s74no67skb0.cloudfront.net/course-material/ME925-Fundamentals-of-Gas-Turbine-Engines.pdf 

[15] https://ecourses.ou.edu/cgi-bin/ebook.cgi?doc&topic=th&chap_sec=09.1&page=theory 

[16] http://www.brighthubengineering.com/power-plants/72369-compare-the-efficiency-of-different-power-plants/ 

[17] http://www.chems.msu.edu/classes/321/powerplant/details.htm 

[18] http://www.thermopedia.com/content/1072/ , 

[19] https://www.ohio.edu/mechanical/thermo/Applied/Chapt.7_11/Chapter8a.html , 

[20] http://www.123rf.com/photo_20401777_gas-turbine-combined-cycle--power-plant-system-schematic.html

[21] http://solarcellcentral.com/stirling_page.html 

[22] http://www.physicsclassroom.com/class/energy/Lesson-1/Mechanical-Energy  

[23] http://energy.gov/eere/water/types-hydropower-turbines

Doç. Dr. Mükrimin Şevket GÜNEY - Prof. Dr. A.Yalçın TEPE

Giresun Üniversitesi