Nüfusun ve ülkelerin enerjiye olan ihtiyaçlarının artması ile elektrik enerjisine olan talep gün geçtikçe artırmaktadır. Günümüzde enerji ihtiyacı genellikle fosil kökenli yakıtların kullanılmasıyla karşılanmaktadır. Ancak mevcut fosil yakıt rezervlerindeki azalma ve bu yakıtların oluşturduğu çevre kirliliği gibi problemler, enerji ihtiyacının karşılanması için alternatif kaynakların kullanılmasını zorunlu hale getirmiştir. Bu açıdan bakıldığında ülkemizde de enerji önemli bir sorun olmaktadır.
Dünyada hem gelişmiş hem de gelişmekte olan ülkelerin çoğu dışa bağımlı ve yeterli enerji ihtiyaçlarından yoksundur. Ülkemiz birincil enerji kaynakları olan fosil enerji kaynakları açısından yetersiz rezervelere sahip ve birincil enerji kaynaklarında % 74 seviyesinde, petrolde ise % 92 seviyesinde dışa bağımlıdır (Ar, 2008).
Bu bakımdan fosil yakıtların aksine, rüzgâr enerjisi, güneş enerjisi, biyokütle, jeotermal ve hidrolik enerji gibi temiz, sürdürülebilir ve doğa dostu enerji kaynaklarının kullanılmasının uygun olduğu söylenebilir. Hem ülke ekonomisinin dışa bağımlılığını azaltmak hem de fosil yakıtların zehirli gazlarının atmosfere salınımı önlemek için güneş enerjisi tercih edilmesi gereken kaynak haline gelmekte ve enerji üretimi için kullanımı ön plana çıkmaktadır.
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi (CSP), elektrik enerjisi sağlamak için güneş ışınlarını toplayarak ısı elde eden ve fosil yakıtlara alternatif bir teknolojidir. Aynalar ile güneş ışınları alıcı üzerine yansıtılmaktadır. Güneş enerjisi ısı transfer akışkanı ile toplanmakta, su buharı durumunda doğrudan ya da sekonder devreyle dolaylı olarak türbine gönderilmektedir. Yüksek direk normal ışınım (DNI) değerine sahip bölgelerde umut verici bir çözüm olmaktadır (Zhang, Baeyens, Degrève ve Cacères, 2013).
Elektrik üretiminde geleneksel Rankine çevriminde iş akışkanı olarak su kullanımının pek çok dezavantajı vardır. Bunlar aşağıda ifade edilmektedir (Bao ve Zhao, 2013):
Genleşme sürecinde yoğuşmanın engellenmesi için kızgın buhar oluşumuna ihtiyaç duyulmaktadır.
Türbin kanatçıklarının zarar görme olasılığı yüksektir.
Evaporatörde yüksek basınç oluşumu gerçekleşmektedir.
Karmaşık ve pahalı türbin kullanılmaktadır.
Ancak düşük sıcaklıklardaki ısı, sınırlı değere sahip bir enerji biçimi olarak değerlendirilmektedir. Düşük ısı oldukça ucuz üretilmekte, fakat enerjinin diğer biçimlerine dönüştürülmesi oldukça zor olmakta ve genellikle bir prosesden dışarı atılmaktadır. Böyle durumlarda organik Rankine çevrimi (ORÇ) devreye girmektedir. Bu sistem yüksek basınçta düşük kaynama noktasına sahip iş akışkanını buharlaştırarak düşük sıcaklıktaki ısıyı elektriğe dönüştüren ve iş üreten bir teknolojidir (Wronski, 2015).
ORÇ sisteminin en önemli avantajlarından biri düşük sıcaklığa sahip ısı kaynağı olan uygulamalar için ideal bir yöntem olmasıdır. Jeotermal enerji, güneş enerjisi, biyokütle, endüstriyel atık ısı geri dönüşüm sistemi ve bunun gibi uygulamalar düşük ısı kaynaklarına örnek gösterilmektedir (Colonna, Casati, Trapp, Mathijssen, Larjola, Turunen-Saaresti ve Uusitalo, 2015).
Bu bağlamda yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi ve biyokütle enerjisi bu çalışmamızda hibrit olarak kullanılmıştır. Bu tez çalışmasında bir güneş enerjisi santralinde parabolik oluk kollektörü kullanılarak elde edilen termal enerjinin analizi yapılmıştır. Elde edilen termal enerji ile evaporatör kullanılarak iş akışkanının buharlaşması amaçlanmıştır.
Buharın türbinden geçirilerek elektrik enerjisi elde edilmesi planlanmıştır.
İş akışkanı seçimi ORÇ için oldukça önemlidir. T-S diyagramına göre doyma eğrisi üzerinde akışkan üç farklı gruba ayrılmaktadırlar. Kuru akışkanlar, pozitif eğimli olup yüksek molekül ağırlığına sahiptir. Bu akışkanlara R113 ve Benzen örnek verilebilir. Islak akışkanlar, negatif eğimli olup düşük molekül ağırlığına sahiptir. Bu akışkana su örnek verilebilir. İzentropik akışkanlar ise neredeyse dik doyma eğrisine sahiptir. Bunlara R11 ve R12 örnek verilebilir (Hung, 2001).
ORÇ sistemi düşük ısı kaynaklı sistemlerin ısı geri kazanımı üzerine odaklandığı için, geleneksel Rankine çevrimindeki gibi kızgın buhar yaklaşımı uygun değildir. Bu yüzden ıslak akışkan grubu, türbinde iş üretiminden sonra büyük entalpi düşüsü gerçekleştirmekte ve doymuş faza dönüşerek akışkanın yoğuşması türbin kanatçıkları için zarara neden
olmaktadır. Kuru ve izentropik akışkan grubu kullanımında düşük entalpi düşüşü olması ile böyle bir problemin oluşması engellenmektedir (Hung, 2001).
Literatüre baktığımızda iyi bir iş akışkanında aranan özellikler aşağıdaki gibidir (Tchanche, 2010):
Yüksek molekül kütleli olmalıdır.
Kritik sıcaklık ve basınç şartlarına uyumlu olmalıdır.
Kuru ya da izentropik doyma eğrisine sahip olmalıdır.
Yüksek buhar/sıvı yoğunluğuna sahip olmalıdır.
Verim ve güç açısından yüksek performans göstermelidir.
Yüksek termal kararlılığa sahip olmalıdır.
Orta seviyede evaporatör basıncı ile performans göstermelidir.
Atmosfer basıncı üzerinde yoğuşma basıncı olmalıdır.
Diğer materyallerle iyi uyum sergilemelidir.
Çevreye zararsız ve güvenli olmalıdır.
Maliyeti ucuz ve kolay bulunabilir olmalıdır.
Bu bağlamda araştırmamızda, işletme sıcaklık ve basınç değerinin kritik değerlerin altında olması, molekül ağırlığının yüksek olması, kuru tip iş akışkanı olması, güvenlik ve çevresel şartları sağlamasından dolayı N-pentan iş akışkanı seçilmiştir. Sistem, ısı kaynağı olarak 220 ℃ evaporatör giriş ve 130 ℃ evaporatör çıkış değerlerini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır.
Bu tez çalışmasında Ankara iline kurulacak olan parabolik oluk kollektörlü güneş enerjisi sisteminden sağlanan termal enerji ile 5 MWe Kurulu güç üretimi ele alınmıştır. Sistemde ORÇ kullanılmıştır. Bu sistem için güneş enerjisi yansıtıcı yüzey toplam alanı belirlenmesi, sistemde kullanılan evaporatörün tasarlanması, kullanılan akışkanların kütlesel debilerinin belirlenmesi ve buhar üretimi ile elektrik sağlanması amaçlanmıştır.
Sistemin yıl boyunca tasarımdaki kurulu gücü vermesi için termal enerji depolama sistemi ve biyokütle destekli yakma sistemi ilave edilerek kullanılması planlanmıştır.