Güneş Enerjisi

Güneşten elektrik üretme yöntemleri

Direk sistemler

• Fotovoltoik sistemler

İndirek sistemler

• Güneş tarlası (ayrık sistem)
• Güneş kulesi (birleşik sistem)
• Güneş havuzu
• Güneş bacası

İndirek sistemler

İndirek sistemler güneş enerjisi ile ısıtılan akışkanın ısı enerjisi mekanik enerjiye ve nihai olarak da jeneratörde elektrik enerjisine dönüştürülür. En yaygın olarak kullanılan akışkan sudur. Kollektör yardımıyla bir buhar jeneratöründe yoğunlaştırılan güneş enerjisi suyu buhar haline getirir. Bu buharda bir buhar türbini jeneratör grubunu çalıştırır.

Güneş kulesi

Güneş kulesi teknolojisinde güneşten gelen ışınlar düzlem aynalar (heliostatlar) ile güneş kulesinin tepesine odaklanır. Yoğunlaştırılan güneş enerjisi ısı enerjisi olarak depolanır ve çevrime sokularak elektrik enerjisi üretilir.

Sistem pahalı bir sistemdir çünkü heliostatların güneşin geliş açısına göre konum alması ve kulenin odak noktasına güneş ışınlarını mükemmel bir şekilde odaklaması gerekir.

Heliostatların bu güneş takip sistemi ya otomasyon sistemleriyle bir ana kumanda merkezinden sağlanır ve bunun için gerekli yazılımlar pahalıdır. Bunun yanında güneş ışınlarının geliş açısını algılayan sensörlerde kullanılır bu teknolojide pahalı ve uygulaması zor bir teknolojidir. Heliostatlar altlarına yerleştirilmiş olan motorlar yardımı ile iki eksenli olarak hareket ederler.

Kule etrafına heliostatların yerleşim şekli önemlidir. Tesisin optimum verimle çalışmasını sağlayacak yönde olmalıdır. Hatta gerekenden fazla ısı enerjisi elde edildiğinde bu enerji depolanıp güneşten faydalanılamayan saatlerde dahi elektrik üretimi yapılabilir. Böylece üretimin devamlılığı daha iyi sağlanır.

Güneş güç kulesi sisteminde, 290°C’da sıvı haldeki tuz eriğiyi, soğuk depolama tankından alıcıya doğru pompalanır.Burada sıcaklığı 565°C’ye kadar çıkarılarak sıcak depolama tankına gönderilir.

Tesisten güç çekileceği zaman sıcak tuz, klasik bir Rankine çevrim  türbini-(jeneratör) sistemi için aşırı kızdırılmış buhar üreten bir buhar üretme sistemine pompalanır. Buhar jeneratöründeki tuz soğuk tanka geri dönerek depolanır ve sonunda da alıcıda yeniden kızdırılır.

Erimiş tuz çözeltisi depolama

Bazı kollektörlerde güneş enerjisi Stirling motorunu çalıştırarak mekanik enerji meydana getirirler.Stirling motoru jeneratörü çalıştırarak elektrik enerjisi meydana getirir. Kollektör sisteminin verimi 76% civarına çıkabilir. Sistemde kullanılan tuz eriğiyi, sodyum nitrat,potasyum nitrat  olabilir.

• Kullanılan bu enerji taşıyıcı sıvıların yanıcı ve zehirleyici olmaması, sistemin güvenliği açısından avantaj sağlar.

• Eğer kazayla tuzun döküldüğü görülürse, tuz toprakta önemli etkiler yapmadan önce donacaktır.

• Tuz bir kürek yardımıyla kaldırılır ve eğer gerekliyse yeniden kullanılmak üzere çevrime katılır.

• Güneş güç kulesi tesislerinin işletilmesi esnasında tehlikeli gazlar ya da sıvı emisyonlar / radyasyonlar açığa çıkmaz.

Özetlemek gerekirse;

• Düz aynalar (heliostat) kullanılır.
  • „ Heliostat güneşi iki eksenli hareketle takip eder.
  • „ En yüksek 565°C sıcaklıklara ulaşılabilir.
  • „ Yağ kullanılırsa en yüksek 400°C sıcaklıkta buhar
  • elde edilir.
  • „ Her heliostat ayrı hareket eder.
  • „ Arazi hazırlığı gereksinimi düşüktür.
  • „ 100 MW için 2,5 –3 km² alan gerekir.
  • „ Yatırım maliyetleri > 5 $/w

Dünyadan çeşitli örnekler;

• Ps 10 ispanya 11 mw
  • – 75000 m² alan, 624 adet heliostat
  • – 24.3  GWh yıllık üretim
  • – Bir saatlik buhar yedeği
  • – Isıl verim 27%
  • – Toplam verim 17%
  • – Sıcaklık 250ºC
  • – Aynalar Abengoa Solar,
  • – Kule ALTAC
  • – Inabensa, Fichtner, Ciemat, DLR’ın ortaklığı

GÜNEŞ TARLALARI

Parabolik silindirik kolektörler

Parabolik çanak kolektörler

Parabolik silindirik kollektörlü santraller

Parabolik oluk kollektörlü güç santralleri, güneş tarlası, buhar ve elektrik üretim sistemlerinden oluşur. Bu santrallerde proses ısısı için, doğrusal yoğunlaştırma yapılarak, güneş enerjisinden 300 øC’nin üzerinde sıcaklık elde edilir ve ısı transfer akışkanı olarak yüksek sıcaklıklara dayanıklı termal yağ kullanılır.

Güneş tarlası; bağımsız üniteler şeklinde birbirine paralel bağlanmış parabolik oluk kollektör gruplarından oluşan alandır. Bu üniteler, gelen güneş enerjisini 4 mm kalınlığında ve yüksek yansıtma oranına (% 94) sahip aynalar vasıtasıyla, odakta bulunan alıcı boru üzerine yansıtırlar. Parabolik oluk kollektörler grupları yatay eksen boyunca dönmelerini engellemeyen metal yapılarla desteklenmiştir. Sistemde aynaların güneşi izlemesini sağlayan bir sensör bulunur.

Isı Toplama Elemanı

Isı toplama elemanı; cam tüp, yüzeyi yaklaşık % 97 lik bir absorbtiviteye sahip çelik alıcı boru ve cam-metal birleştiricilerden oluşur. Alıcı boru üzerinde meydana gelen yüksek sıcaklık nedeniyle oluşan ısı kayıplarını azaltmak için, cam tüp ile alıcı boru arasındaki hava vakumlanmıştır. Bu boşluk basıncı yaklaşık 0.1 atm dir.

Isıya dayanıklı cam tüp, yüksek bir geçirgenliğe ve radyasyon kayıplarını en aza indirgemek için antireflektif bir yapıya sahiptir. Sıcaklık nedeniyle meydana gelen genleşmelerin etkilerini gidermek için körüklü cam-metal birleştiriciler kullanılmaktadır.

Güneş tarlası kontrol sistemi; genel kontrol sistemi ve her kollektör grubunda bulunan lokal kontrol ünitelerinden oluşur. Genel kontrol sistemi güneşlenme durumunu izler ve buna göre sistemi tamamen ya da kısmen açar ya da kapatır. Bu işlem, lokal kontrol üniteleriyle iletişim içinde yapılır. Lokal kontrol üniteleri, her kollektör grubunu ayrı ayrı kontrol ederek güneşin takip edilmesini sağlarlar.

Buhar üretim sistemi; ön ısıtma, buhar üretimi ve süper ısıtma bölümlerinden oluşur. Bu bölümlerden geçirilerek 371 o C ve 100 bar basınca yükseltilen buhar, elektrik üretimi için türbine gönderilir. Üretimden sonra yeterince soğumayan buhar, yeni bir çevrime gönderilmeden, yeniden aynı sıcaklığa kadar ısıtılır ve tekrar türbine gönderilir. Bu ikinci çevrimden sonra artık soğuyan buhar, sıkıştırılıp sıvı hale getirildikten sonra yeni bir çevrime gönderilir.

Güneş enerjili güç santrallerinde, güneş enerjisinin yetersiz kaldığı durumlarda, kesintisiz elektrik üretimini sağlamak için ilave ısıtıcılar kullanılır. Petrolle ya da doğal gazla çalışan ilave ısıtıcılar, aynı sıcaklık ve basınçta buhar üretirler.

Parabolik oluk santral şeması

Güneş enerjisinin yetersiz olduğu zamanlarda, kesintisiz enerji üretimini sağlamak için, doğal gazlı ısıtıcı sistem kullanılmaktadır. Güneş enerjisinin yeterli, yetersiz veya hiç olmama durumuna göre sistem üç değişik şekilde çalışır.

Güneş enerjinin yeterli olduğu durumlarda, ısı transfer akışkanı doğrudan güneş tarlasından geçer. Yetersiz veya hiç olmama durumlarında ise doğal gazlı ısıtıcılarla desteklenir veya tamamen bu ısıtıcılar devreye sokulur. Her iki enerji kaynağının da kullanıldığı durumda, hem güneş enerjisinden hem doğal gazdan yararlanabilmek için by-pass valfı açık bırakılır.

Bu durumda güneş tarlasında ısınan sıvı, destek ısıtıcılar yardımı ile çalışma sıcaklığına ulaşıncaya kadar ısıtılır.

Parabolik çanak kollektrölerle elektrik üretimi

Parabolik çanak kollektörler, yüzeylerine gelen güneş radyasyonunu noktasal olarak odaklarında yoğunlaştırırlar.Bu kollektörlerin yüzeyleri de parabolik oluk kollektörlerin yüzeyleri gibi yansıtıcı aynalarla kaplanmıştır. Gelen güneş enerjisi bu aynalar vasıtası ile odaktaki Stirling motoru üzerine yoğunlaştırılır. Stirling motoru ısı enerjisini elektrik jeneratörü için gerekli olan mekanik enerjiye dönüştürür.

Parabolik çanak kollektörler ile elde edilen elektrik, diğer yöntemlerle elektrik üreten santrallere destek amacıyla ve maden ocakları, radar istasyonları ya da uzak köylerin elektrik ihtiyacının karşılanmasında kullanılır. Bu santraller, küçük modüllerden oluştuğu için enerji ihtiyacı duyulan yerlerin yakınında ve ihtiyaç duyulan kapasitede tesis edilebilirler.

Stirling motoru çalışma prensibi;

Aynı şafta 2 ayrı biyelle bağlanmış pistonlar birbiriyle antagonist olarak çalışır.

Bir tarafta sıcak gazların etkisiyle genişleyen piston diper tarafta soğuyan gazların etkisiyle sıkışan piston bulunur ve bu şekilde bir dönme hareketi sağlanır. Mil bir jeneratöre hareket vererek elektrik enerjisi üretilir.

354 MW gücünde Luz Solar Electric Generating Systems parabolik oluk güneş santralı-Kaliforniya

Güneşten Elektrik Üretme Yöntemleri – GÜNEŞ BACALARI

Isınan havanın yükselmesi ve venturi etkisi temel çalışma prensibini oluşturur. Kollektörün altında ısınan hava bacaya doğru hareketlenir ve buradaki rüzgar türbinini döndürüp mekanik enerji elde edilir. Bu mekanik enerjide jeneratör yardımı ile elektrik enerjisine dönüştürülür.

1978 yılında Stuttgart üniversitesinde görev yapan Prof.Schlaich tarafından önerilen güneş bacaları;güneş enerjisini toplayıp,içinde dolaşan havaya aktaran bir sera toplayıcı bölümü (kollektör) ve içinde rüzgar türbinli elektrik üretim sistemi bulunan uzun baca kısmından oluşur. Kollektör kısmı genellikle 5-6 metre yükseklikte binlerce metrekare cam ile kaplı alandır.

Güneş toplayıcı çatı alanının altında kalan 75% oranındaki alanda seracılık yapılabilmektedir. Kollektör alanı ne kadar büyük olursa o kadar fazla enerji absorbe edilir. Hava sürtünmesini minumuma indirmek için kollektör tavanı baca girişine doğru yükselir böylece türbine ulaştığında 15m/s lik bir hıza ulaşır.

Kollektör Kaplama

Kollektör kaplamaları farklı olabilir. En verimli olanı sırlı olandır. Yıllık güneş ışımasının 70% ni ısıya çevirebilir. Diğer kaplamalrda bu oran ortalama 50% tır. İyi bir bakımla 60 senelik işletim ömürleri vardır.  Ayrıca gündüz kolektörlerin zemininde bulunan içi sıvı (genellikle su) bulunan kanallar güneş enerjisini depo eder ve gece güneş enerjisi yokken buradaki akışkanın  ısısı sayesinde kolektör altındaki hava ısıtılır ve üretim 24 saat devam etmiş olur.

Santralin en önemli kısmı bacadır dev bir soba borusunu andırır. Basınç kayıpları minumum olacak şekilde tasarlanmalıdır. Verim baca yüksekliği ve çevre hava sıcaklığı ile doğru orantılıdır. Santral için 2 tip baca vardır biri serbest dikilen baca diğeri Guyed tip bacadır. Bacaya türbinlerin farklı yerleştirilme şekilleri vardır. Bunlar;tek büyük türbin,altı adet küçük türbin,çok sayıda türbin. 1000 metre yüksekliğinde bir bacanın verimi yaklaşık %3 tür ve bu da çok düşük bir değerdir.

Manzares(50kW,200m,1987)

EnviroMission (200MW,800m,2015)

Güneşten Elektrik Üretme Yöntemleri – GÜNEŞ HAVUZLARI

Yaklaşık 5- 6 metre derinlikteki suyla kaplı havuzun siyah renkli zemini, güneş ışınımını yakalayarak 90°C sıcaklıkta sıcak su eldesinde kullanılır. Havuzdaki ısının dağılımı suya eklenen tuz konsantrasyonu ile düzenlenir, tuz konsantrasyonu en üstten alta doğru artar. Böylece en üstte soğuk su yüzeyi bulunsa bile havuzun alt kısmında doymuş tuz konsantrasyonu bulunan bölgede sıcaklık yüksek olur.

Bu sıcak su bir eşanjöre pompalanarak ısı olarak yararlanılabileceği gibi Rankin çevrimi ile elektrik üretiminde de kullanılabilinir. Güneş havuzları konusunda en fazla İsrail’de çalışma ve uygulama yapılmıştır. Bu ülkede 150 kW gücünde 5 MW gücünde iki sistemin yanında Avustralya’da 15 kW ve ABD’de 400 kW gücünde güneş havuzları bulunmaktadır.

SUNUM & Kaynaklar

Fırat AKAR