Isı Enerjisi Depolama Sistemleri

Yıl boyunca güneş enerjisi miktarı değişkenlik göstermektedir. Gün içerisinde enerji tüketimi ile güneş enerjisi birbirini karşılayabilmekte fakat gece vakti enerji kullanımı farklı çözümlere ihtiyaç duymaktadır. Mevsimler ve günlük hava değişiklikleri elde edeceğimiz güneş enerjisi miktarını etkilemektedir. Bu yüzden yıl boyunca verimli bir şekilde güneş enerjisi santrali çalıştırmak için güvenilir bir enerji depolama metoduna ihtiyaç duyulmaktadır. Güneş enerjisinden gelen enerji miktarını sürekli korumak için çeşitli enerji depolama sistemleri kullanılmaktadır. İlk depolama kısa vadeli depolama olup gün içerisinde toplanan fazla güneş enerjisi gece saatlerinde kullanılmak üzere depolanmaktadır. İkinci depolama ise uzun vadede depolama olup bahar ve yaz aylarında toplanan fazla enerji kış aylarında oluşan güneş ışını miktarındaki küçük dalgalanmaları karşılamak için kullanılmaktadır. Isıl enerji depolama üç ana gruba ayrılmaktadır (Barlev ve diğerleri, 2011):

 Duyulur ısı depolama.

 Gizli ısı depolama.

 Kimyasal depolama.

Bu tez çalışmasında duyulur ısı depolama sistemleri incelenmiştir. Duyulur ısı depolama sistemi, ısı depolama malzemesinin sıcaklığındaki değişim ile depolama gerçekleştirmektedir. Isı depolama malzemesi olarak sıvı, katı ve sıvıyla katının beraber olduğu hibrit malzemeler kullanılabilmektedir (Barlev ve diğerleri, 2011).

Malzemede depolanan enerji miktarı eşitlik 3.1’de ifade edilmektedir (Gil, Medrano, Martorell, Lázaro, Dolado, Zalba ve Cabeza, 2010).

Q=ρ.Cp.V.∆T (3.1)

Sistemi oluşturan elemanlar depolama malzemesi, tank ve giriş/çıkış bölümleridir. Tankın görevi depolama malzemesini muhafaza etmek ve ısı kaybını engellemektir. Tank boyunca termal gradyan oluşması istenilen bir durumdur (Gil ve diğerleri, 2010: 33).

Duyulur ısı depolama katı ya da sıvı olabilmektedir. Katı malzemeler genellikle dolgulu yatak içerisinde kullanılmakta ve ısı transferi için akışkana ihtiyaç duyulmaktadır. Akışkan sıvı olduğu zaman, dolgulu yatak içerisindeki katının ısıl kapasitesi ihmal edilmemektedir.

Bu sisteme çift depolama sistemi denilmektedir. Termal tabakalaşma oluşması bu sistemin avantajıdır. Bu sistemin bir diğer avantajı ise kaya, kum ve beton gibi pahalı olmayan katı malzemelerin kullanılmasıdır. Yüksek özgül ısı değeri, iyi mekanik özelliği (örnek=basınç dayanımı), termal genleşme katsayısı (çelik boruların özelliğine yakın), termal yükü çevirmek için yüksek mekanik dayanıma sahip olmalarıdır. Beton ısındığında dayanım, özgül ısı değeri ve ısı iletkenliğindeki azalma sorunları betona ilave güçlendirme ya da katkı maddesi katılarak azaltılabilmektedir. Sıvı depolama malzemeleri [genellikle ergimiş tuz (korozyon problemi), mineral yağlar ve sentetik yağlar (pahalı bir malzeme)] sıcak ve soğuk akışkan arasında yoğunluk farkından dolayı doğal termal tabakalaşma sağlamaktadır. Sıcak akışkan tankın üst kısmından sisteme gönderilir ve soğuk akışkan alt kısmından geri gönderilir ya da akışkanın sıcaklığına göre uygun seviyede tanka girmesi bazı mekanizmalarla sağlanarak, akışkanların karışması engellenmektedir (Gil ve diğerleri, 2010: 33). Katı ve sıvı duyulur depolama malzemelerinin temel özellikleri 2 ve EK-3’de gösterilmektedir.

Şekil 3.6’da gösterildiği üzere duyulur depolama sistemi aktif ve pasif depolama sistemi olarak ikiye ayrılmaktadır. Aktif depolama sistemi ise doğrudan ya da dolaylı depolama sistemi olarak ikiye ayrılmaktadır.

Şekil 3.6. Depolama kavramına göre depolama sistemi (Gil ve diğerleri, 2010:33).

Depolama

Aktif depolama sisteminde eğer ısı depolama malzemesi sıvı ise doğrudan depolama yöntemi uygulanmaktadır. Isı depolama akışkanı aynı zamanda ısı transfer akışkanı olarak da kullanılmaktadır. Emiciler vasıtasıyla güneş ışınları absorbe edilir ve daha sonra izole edilmiş ısıl enerji depolama tankında depolanmaktadır. Mineral yağ, sentetik yağ, silikon yağı, nitrat, nitrit, karbonat tuzu ve sıvı sodyum depolama malzemesi olarak kullanılmaktadır. Duyulur ısı depolama sisteminde ergimiş tuz yüksek yoğunluk, düşük buhar basıncı, yüksek özgül ısı değeri, düşük fiyat ve düşük kimyasal reaktivite özelliği ile ön planda olan bir depolama malzemedir (Barlev ve diğerleri, 2011).

Aynı anda hem ısı transfer akışkanı hem de depolama malzemesi olarak ergimiş tuz ya da buhar kullanılması pahalı bir ısı değiştirici ihtiyacını ortadan kaldırmaktadır. Bu durum mevcut ısı transfer akışkanlarına oranla daha yüksek sıcaklıklara çıkma imkânı sağlamaktadır. Bu kombinasyon enerji depolama sistemi maliyetini büyük ölçüde azaltmakta ve elektrik üretim maliyetini düşürmektedir. Fakat 120 ℃ - 200 ºC sıcaklık aralığında gece kullanımlarında boru içerisinde ergimiş tuzun donma ihtimalinden dolayı gerekli önlemler alınmalıdır (Gil ve diğerleri, 2010: 34).

Diğer taraftan aktif depolama sisteminde güçlendirilmiş beton, katı tuz (NaCl), silika ateş tuğlası gibi katı duyulur ısı depolama malzemeleri için dolaylı depolama yöntemi uygulanmaktadır Bu sistemde ısı transfer akışkanı, emiciler vasıtasıyla, güneş ışınlarını absorbe eder, toplar ve ısıl depolama tankına gönderir. Daha sonra ısı transfer akışkanı, ısıl depolama malzemesiyle temas ederek ısının konveksiyonla aktarılmasını sağlamaktadır (Barlev ve diğerleri, 2011).

Aktif dolaylı depolama sistemi hem iki tanklı hem de tek tanklı tasarlanmaktadır. İki tanklı sistemde ısı transfer akışkanıyla depolanan malzeme farklıdır. Bu sistemde enerji, ısı transfer akışkanı ile doğrudan depolanmamakta ve ikinci bir akışkan (genellikle yağ) kullanılmaktadır. Isı transfer akışkanındaki ısı, eşanjör vasıtasıyla ikinci bir akışkana transfer edilmekte ve depolanmaktadır. Şekil 3.7’de aktif dolaylı depolama sistemi şematik olarak gösterilmektedir. Çalışma prensibinde, güneş kollektörlerinden ısıyı absorbe eden termal yağ, ısı eşanjörüne gönderilmektedir. 391 ºC sıcaklığa sahip termal yağ, ısının nitrat tuzunu aktararak sıcaklığını 298 ºC’ye düşürmekte, nitrat tuzu ise sıcaklığını 291ºC’den 384 ºC’ye yükseltmekte ve sıcak tank içerisinde depolanmaktadır (Gil ve diğerleri, 2010:

34-35).

Şekil 3.7. Aktif dolaylı iki tanklı depolama sisteminin şematik gösterimi (Herrmann, Geyer ve Kearney, 2002: 15).

Bir diğer aktif dolaylı depolama sistemi tek tanklı sistemdir. Bu sistemde bir tane tank kullanılmaktadır. Sıcak ve soğuk akışkan aynı tank içerisinde yer almaktadır. Şekil 3.8’de sistem şematik olarak gösterilmektedir. Güneş kollektöründe sıcaklığı yükselen ısı transfer akışkanı ile termal enerji depolama akışkanı arasında, ısı eşanjörü sayesinde ısı transferi gerçekleşmektedir. Dolgu malzemesi (kaya ve kum) kullanılarak depolamaya fayda sağlanmaktadır. Hem tek tank kullanılması hem de ucuz dolgu malzemesi kullanılmasından dolayı, iki tanklı sisteme göre % 35 daha ucuz bir sistem olacaktır. Fakat ısı eşanjörü sistemin performansını düşürmekte ve ilave maliyet oluşturmaktadır. Isı transfer akışkanının maliyetinin, depolama malzemesinin maliyetinin çok üstünde olması, ısı eşanjörünün getirdiği ek maliyetin yanında daha etkili rol oynamaktadır (Ma, Glatzmaier ve Mehos, 2014).

Şekil 3.8. Aktif dolaylı tek tanklı depolama sisteminin şematik gösterimi (Ma ve diğerleri, 2014: 31014-3).