Rankine Çevrimi (RÇ) ve Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) ile ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Rankine Çevrimlerinde çalışma akışkanı olarak yüksek sıcaklıkta ve basınçta su buharı kullanılırken, ORÇ’de su yerine kaynama noktası suya göre daha düşük olan organik akışkanlar kullanılmaktadır.
Çalışma akışkanı olarak su kullanan Rankine çevrimlerinde ısı kaynağının sıcaklığı 370 ºC’den düşük olduğu durumlarda çevrim verimi düşük olmaktadır. Bu yüzden bu sıcaklığın altındaki çalışmalarda ORÇ kullanmak daha ekonomik olmaktadır (Hung ve ark., 1996).
Şekil 6.1. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) şeması.
Şekil 6.1’de şeması görülen ORÇ’de sıcak kaynaktan alınan ısı enerjisi çevrimde dönen iş ya da çalışma akışkanına buharlaştırıcıda aktarılarak sıvı halden buhar haline gelmesi sağlanır. Yüksek basınçlı buhar haline gelen çalışma akışkanı türbin üzerinde genleşerek iş üretilmesini sağlar. Türbinden çıkan basıncı ve sıcaklığı düşen buhar yoğuşturucuda soğutma sistemi sayesinde soğutularak sıvı hale getirilir
ve çevrim tamamlanmış olur. Sistemde akışkanların hareketleri pompalar sayesinde gerçekleştirilir.
ORÇ teknolojisi ilk olarak 1961’de İsrail’de geliştirilmiş ve özellikle ikili jeotermal enerji santralleri olmak üzere birçok alanda hızlı gelişen bir teknoloji haline gelmiştir. Rankine çevriminde buhar türbinleri yüksek sıcaklık ve basınçta kullanıldığı için genellikle daha verimli olsalar da ORÇ aşağıda belirtilen kendine has bazı özellikler nedeniyle birçok uygulamada tercih edilmektedir (Özden ve Paul, 2011).
· Jeotermal kaynaktan doğrudan alınan su buharında bulunabilecek yabancı maddeler Rankine çevriminde türbin kanatçıklarına hasar verirken, ORÇ’de temiz organik çalışma akışkanının buharı türbin kanatçıklarına hasar vermez.
· Rankine çevriminde su buharı molekülleri yüksek sıcaklık ve hızla çarparak türbin kanatçıklarında tahribata neden olup bakım maliyetini artırırken, ORÇ’deki organik akışkan daha düşük sıcaklık ve hızda türbin kanatçıklarına çarptığından tahribata neden olmaz. Bu yüzden ORÇ sistemlerinin ömrü Rankine çevrimlerinde kullanılan buhar türbinlerinden uzundur.
7. MATERYAL VE METOD
7.1. Materyal
Bu bölümde hidrojen enerji üretimi için güneş havuzu, düzlem güneş kolektörleri, Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) ve suyun elektrolizi sisteminden oluşan bir entegre sistemin bileşenleri ve termodinamik analizler için kullanılan Engineering Equation Solver (EES) bilgisayar programı tanıtılacaktır.
7.1.1. Model Güneş Havuzu
Güneş havuzlarının güneş enerjisini iyi depolayabilmesi için boyutlarının iyi tasarlanması gerekir. Bundan dolayı güneş havuzumuzun gölgelenme etkisinden de en az etkilenmesi için yarıçapı 10 m, derinliği 2 m olacak şekilde silindirik bir model tasarlanmıştır. Güneş havuzunda daha önce birçok deneysel çalışmalarda kullanılan NaCl tuzu kullanılması öngörülmüştür. Havuz her birinin yüksekliği 20 cm olmak üzere 10 tabakadan oluşturulmuştur. Tabandan itibaren ilk dört tabaka yoğunluğu 1180 kg/m3 olan depolama bölgesi (DB) kabul edilmiştir. Sonraki yukarıya doğru olan beş tabakanın yoğunluğu sırasıyla 1150 kg/m3, 1120 kg/m3, 1090 kg/m3, 1060 kg/m3, 1030 kg/m3 olan yalıtım bölgesini (YB) oluşturmaktadır. En üstteki son tabaka 1000 kg/m3 olan üst konveksiyonlu bölgeyi (ÜKB) oluşturmaktadır.
Güneş havuzlarında depolanan ısının uzun süre saklanması ve ısı kayıplarının önlenmesi için çeşitli yalıtım önlemlerinin de alınması gerekir. Bunun için dış yüzeyin uygun kalınlıkta ve iyi bir yalıtım malzemesi ile yalıtılması gerekir. Cam yünü yalıtım malzemesi olarak iyi bir alternatiftir. Cam yününün 20 °C deki fiziksel özellikleri yaklaşık olarak; ısı iletim katsayısı 0,0398 W/m°C, yoğunluğu 200 kg/m
³
ve öz ısısı 670 J/kg°C’dir (Kakaç, 1982).7.1.2. Isı Eşanjör Sistemi
Isı eşanjörleri ısının bir ortamdan diğerine aktarılmasını sağlar. Eşanjörün sıvı ile temas eden yüzey alanının büyük olması ısı akışını kolaylaştırmaktadır. Eşanjörün yüzey alanının büyük olması ve güneş radyasyonunun havuza girişini engellememek için bu çalışmada silindirik kabuk şeklinde eşanjör sistemi kullanılmıştır. Silindirik kabuk şeklinde tasarlanan eşanjörlerden bir tanesi havuzun depolama bölgesine diğeri üst konveksiyonlu bölgesine yerleştirilmiştir.
Şekil 7.1. Isı eşanjör sistemi.
Şekil 7.1’de görüldüğü gibi depolama bölgesine yerleştirilen eşanjör-1 havuzdan ısı çekmek için, üst konveksiyonlu bölgeye yerleştirilen eşanjör-2 ise soğutma yapmak amacıyla tasarlanmıştır. Eşanjör-1 sisteminin yarıçapı 9 m, yüksekliği ise 70 cm olacak şekilde tasarlanıp havuzun dibinden itibaren 5 cm yukarda olacak şekilde yerleştirilmiştir.
7.1.3. Elektrikli Devirdaim Pompası
Elektrikli devir daim pompası elektrik enerjisini kullanarak boru içindeki akışkanı bir yöne doğru harekete zorlayan düzenektir. Sistem içinde havuz ve kolektördeki ısıtma suyunun devirdaimi için bir pompa, soğutma suyunun devirdaimi için ikinci bir pompa ve ORÇ içindeki çalışma akışkanının devirdaimi içinde üçüncü bir pompa kullanılmıştır.
7.1.4. Model Düzlem Güneş Kolektörü
Bu çalışmada her birinin boyutları 90 cm 190 cm olan düzlem güneş kolektörlerinden kullanılmıştır. Isı taşıyıcı akışkanı olarak su, soğurucu yüzey olarak ta bakır tercih edilmiştir. Güneş kolektörüyle güneş havuzundan gelen ön ısıtma yapılmış suyun, daha yüksek sıcaklığa çıkarılarak ORÇ’ye aktarılması amaçlanmıştır.
7.1.5. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ)’nin Termodinamiği
ORÇ çevrimlerinde arka arkaya gerçekleşen dört tane termodinamik işlemle ısı enerjisinden iş üretilip elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Şekil 6.2 de ORÇ’ de kullanılan ideal bir organik akışkanın sıcaklık-entropi grafiği ile çevrimde yer alan elemanlar verilmiştir.
Şekil 7.2. Termodinamik çevrim grafiği ve ORÇ şeması.
Pompa, doymuş sıvı durumundaki çalışma akışkanını düşük basınçlı 1.
durumdan yüksek basınçlı 2. duruma yükseltir. Buharlaştırıcı, 2. durumdaki yüksek basınçlı ve sıvı durumunda olan çalışma akışkanını sabit basınçta 3. durumdaki buhar durumuna çevirir. 3. durumdaki yüksek basınçlı ve buhar durumunda olan çalışma akışkanı türbinde genleşerek türbinden güç elde edilmesini sağlar ve 4. durumdaki düşük basınçlı ve sıcaklıkta buhara dönüşür. Yoğuşturucu, 4. durumdaki düşük
basınçlı ve sıcaklıktaki buharı soğutarak 1. durumdaki düşük basınçlı ve sıcaklıktaki çalışma sıvısına tekrar döndürür ve çevrim tamamlanmış olur.
7.1.6. Elektroliz Sistemi
Suyun doğru akım kullanılarak hidrojen ve oksijenlerine ayrılması işlemine suyun elektrolizi denir. Hidrojen üretimi için en basit yöntem olarak bilinmektedir.
İlke olarak, bir elektroliz hücresi içinde, genelde düzlem bir metal veya karbon plakalar olan, iki elektrot ve bunların içine daldırıldığı, elektrolit olarak adlandırılan iletken bir sıvı bulunmaktadır. Doğru akım kaynağı bu elektrotlara bağlandığında akım iletken sıvı içinde, pozitif elektrottan negatif elektroda doğru akacaktır. Bunun sonucu olarak da, elektrolit içindeki su, katottan çıkan hidrojen ve anottan çıkan oksijene ayrışacaktır. Burada yalnız suyun ayrışmasına karşılık, su iyi bir iletken olmadığı için elektrolitin içine iletkenliği artırıcı olarak genelde potasyum hidroksit gibi bir madde eklenir (http://www.bilgiustam.com, 12 Ağustos 2014). ORÇ’den elde edilen elektrik enerjisiyle elektroliz sistemi çalıştırılarak suyun hidrojen ve oksijene ayrıştırılması sağlanıp elde edilen hidrojen gazı depolanacaktır.
7.1.7. Engineering Equation Solver (EES) Programı
EES bilgisayar programı Wisconsin Üniversitesi’nden Dr. William Beckman ve Dr. Sanford Klein tarafından geliştirilmiş termodinamik tabanlı bir yazılımdır. Bu program içerisinde hesaplamalarda kullanılabilecek malzeme özelliklerinden (entalpi, entropi gibi) matematiksel fonksiyonlara kadar her türlü hesaplamaları kolaylaştırabilecek özellikler vardır. Bu özellikler sayesinde sıcaklık ve basınç ile değişen malzeme özellikleri program tarafından hesaplanabilmektedir. Bu yüzden entegre sistemdeki her bir elemanın termodinamik analizini yapabilmek için EES programı kullanılmıştır.
7.2. Metot
Bu bölümde, Materyal bölümünde tanıtılan sistemlerin birbirleriyle nasıl entegre edildikleri ve entegre sistem olarak nasıl çalıştığı, çalışma prensipleri ve alınan verilerin nasıl değerlendirildiği anlatılacaktır.
Şekil 7.3. Sistem bileşenlerinin şematik görünümü.
Şekil 7.3’te görüldüğü gibi gelen güneş radyasyonunun güneş havuzunun depolama bölgesine (DB) ulaşan kısmı burada termal enerji olarak depolanır.
Depolanan termal enerji ise pompa-1 yardımıyla eşanjör-1 içerisinden geçirilen suya transfer edilmek suretiyle suyun ısıtılması sağlanır. Isıtılan bu su güneş kolektörlerine aktarılır. Güneş kolektörlerinin görevi ise yüksek sıcaklıkta giren suyu daha kısa sürede daha da yüksek sıcaklıklara çıkarılmasına yardımcı olmaktır.
Buharlaştırıcıya giren sıcak su, ısısının bir kısmını burada bırakarak yaklaşık 40 °C olarak çıkmaktadır. Buharlaştırıcıda ise, kolektörlerden transfer edilen termal enerji sayesinde yoğuşturucudan sıvı olarak çıkan ve basıncı pompa-2 tarafından artırılan iş akışkanının sıcaklığı artırılarak buharlaşması sağlanır. Elde edilen yüksek basınçlı iş akışkanı da türbin üzerinde genleşerek iş üretilmesini sağlamaktadır. Buradan çıkan sıcaklığı ve basıncı işe dönüştürülen iş akışkanı yoğuşturucuda daha da soğutulmak
suretiyle sıvı hale getirilip çevrim tamamlanmaktadır. Türbin tarafından üretilen iş bir jeneratör tarafından elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Elde elden bu enerji de bir elektroliz sisteminde kullanılıp hidrojen enerjisine dönüştürülebilmektedir.
Yoğuşturucuda iş akışkanından soğurulan ısı ise esanjör-1 yardımıyla güneş havuzunun üst konveksiyonlu bölgesine (ÜKB) atılarak, havuzun üst bölgesinde meydana gelen ısı kayıplarının azaltılması amaçlanmaktadır.
7.2.1. Güneş Havuzunun Termodinamik Analizi
Güneş havuzuna ulaşan güneş ışınlarının bir kısmı havuz yüzeyden yansır bir kısmı suya girer. Hava-su yüzeyinden yansıyan ve içeri giren güneş enerjisi yüzdesi Fresnel denklemlerine göre hesaplanır. Yansıyan ve içeri giren ışın miktarı gelen ışının yaptığı açıya göre değişir (Karakılçık, 1998).
Şekil 7.4’te bir güneş havuzu yüzeyine gelen güneş ışını ve ısı dağılımları görülmektedir. Gelen güneş ışını yüzeyden yansır ve geri kalan kısmı ise yüzeyden içeriye girer ve tuzlu tabakalar tarafından soğurulur. Burada soğurulan güneş ışınının önemli bir kısmı havuzun depolama bölgesi (DB) tarafından daha sonra kullanılmak üzere termal enerji olarak toplanır ve depolanır. Havuzu oluşturan diğer bölgelerden YB, DB tarafından depolan enerjinin yukarı doğru kaçmasını önleyen yalıtım bölgesidir. ÜKB ise havuzun üst kısmında rüzgar ve buharlaşma ile olan ısı kayıplarını azaltan bir bölgedir. Isı dağılımı ise, havuzunun en sıcak bölgesi olan DB’den üst bölgeye, taban ve yan duvarlardan ise havaya doğru ısı akışı ile enerji kayıpları oluşmaktadır. YB ve ÜKB’de de benzer şekilde ısı dağılımı oluşmaktadır.
Şekil 7.4. Güneş havuzuna gelen ve yansıyan ışınlar ile havuzdaki ısı akışı.
Şekil 7.4’e göre havuzun her bir bölgesindeki enerji eşitlikleri aşağıdaki gibi yazılabilir.
Ø Üst konveksiyonlu bölgenin (ÜKB) enerji eşitlikleri ve enerji verimi:
Havuz yüzeyine gelen güneş enerjisinin bir kısmı yansıdıktan sonra kalanı ÜKB’
ye girer ve bu enerjinin çok az bir kısmı bu tabakada soğurulur. Bunlardan geriye kalan enerji havuzun tabanına doğru hareket eder. Buna göre, ÜKB için enerji eşitliği aşağıdaki gibi yazılır;
(7.1)
Burada üst konveksiyonlu bölge için QÜKB,net, depolanan net enerjiyi; QÜKB,giren, giren toplam enerjiyi ve QÜKB,çıkan, çıkan toplam enerjiyi göstermektedir. ÜKB’ye giren ve çıkan enerjiler;
ÜKB,net ÜKB,giren ÜKB,çıkan
Q = Q - Q
(7.2)
eşitliği ile verilir. Enerji verimindeki değişkenler aşağıdaki gibi açılabilir;
( ) ( )
ışınımının suda soğrulma oranını veren fonksiyon; A, havuzun (büyük boyutlardaki güneş havuzları için gölgelenme etkisi ihmal edilebileceğinden) yüzey alanı (m2); U,ÜKB,giren ÜKB,güneş alt1
Q = Q + Q
ÜKB,çıkan ÜKB,hava ÜKB,yan
Q = Q + Q
yüzeyden havaya olan ısı kayıpları (J); LÜKB, ÜKB’nin kalınlığı (x1) (m); T0, havuz çevresindeki havanın sıcaklığı (°C); riç, havuzun iç yarıçapı (m); kts ve kyd sırasıyla tuzlu suyun ve yan duvarın ısı iletim katsayısı (J/m°C); xÜKB,YB, tabaka kalınlığı (ÜKB ile YB’nin orta noktaları arasındaki uzaklık); xyd, havuzun yan duvarının kalınlığı; , uzun dalga boylu ışının soğurulduğu tabaka kalınlığı; TÜKB, ÜKB’ nin ortalama sıcaklığı ve TYB, YB’nin ortalama sıcaklığıdır.
Güneş ışınının suya giriş oranı, β (Hawlader, 1980),
(7.9)
ve güneş ışınımının suda soğurulma oranı, h(x-d) (Bryant ve Colbeck, 1977),
(7.10)
şeklinde verilir. Burada ve sırasıyla ışının gelme ve kırılma açılarıdır.
Ø Yalıtım bölgesinin (YB) enerji eşitlikleri ve enerji verimi:
ÜKB’yi geçip YB’ye gelen enerjinin çok az kısmı yansır, birazı soğurulur, kalanı ise DB’ye aktarılır. Buna göre, YB için enerji eşitliği aşağıdaki gibi yazılır;
(7.11)
YB,çıkan alt1 YB,yan
Q = Q + Q
(7.13)şeklinde verilir. Burada QYB,güneş, soğurulan net güneş enerjisini; Qalt2, DB den YB ye iletim yoluyla gelen enerjiyi; Qalt1, YB den ÜKB’ye iletim yoluyla giden enerjiyi ve QYB,yan, YB’nin yan duvarında kaybolan enerjiyi göstermektedir. Böylece YB’nin enerji verimi,
eşitliği ile verilir. Enerji verimindeki değişkenler aşağıdaki gibi açılabilir;
( ) ( )
noktaları arasındaki uzaklık) ve TDB, DB’nin ortalama sıcaklığıdır.Ø Depolama bölgesinin (DB) enerji eşitlikleri ve enerji verimi:
ÜKB ve YB’yi geçip gelen enerjinin çok az kısmı yansır ve kalanı DB’de soğurulur. Buna göre, DB için enerji eşitliği aşağıdaki gibi yazılır;
DB,net DB,gelen DB,çıkan
Q = Q - Q
(7.18)Burada depolama bölgesi için QDB,net, depolanan net enerjiyi; QDB,gelen, gelen toplam
Burada QDB,güneş, soğurulan net güneş enerjisini; Qalt2, DB’den YB’ye iletim yoluyla giden enerjiyi; QDB,yan, DB’nin yan duvarında kaybolan enerjiyi ve Qtaban, havuzun tabanında kaybolan enerjiyi göstermektedir. Böylece DB’nin enerji verimi,
(7.21)
eşitliği ile verilir. Enerji verimindeki değişkenler aşağıdaki gibi açılabilir;
(7.22)
(7.23)
(7.24)
Burada LDB, DB’nin kalınlığı (x3) (m) ve ktb tabanın ısı iletim katsayısı (J/m°C)’dir.
Ø Depolama bölgesinin (DB) ekserji eşitlikleri ve ekserji verimi:
DB,güneş alt 2 DB,yan taban
Güneş havuzunun depolama bölgesindeki ekserji akışı Şekil 7.5’te görülmektedir.
Şekil 7.5. Depolama bölgesi için ekserji akışı.
Buna göre havuzun depolama bölgesi için ekserji eşitliği aşağıdaki gibi yazılabilir (Karakılçık ve ark. 2013).
(7.25)
Burada depolama bölgesi için ExDB,, depolanan net ekserjiyi; Exgiren, giren toplam ekserjiyi ve Exçıkan, çıkan toplam enerjiyi göstermektedir. Havuza giren ekserji sadece güneşten gelen olduğu için aşağıdaki gibi alınır (Petala 2003).
(7.26)
DB giren çıkan
Ex = Ex - Ex
4
0 0
giren güneş net
s s
4T 1 T
Ex Ex E 1
3T 3 T
é æ ö ù
ê ú
= = - + ç ÷
ê è ø ú
ë û
Burada T0 çevre sıcaklığı, Ts güneşin yüzey sıcaklığı, Enet havuzun depolama bölgesine gelen net güneş enerjisidir. Havuzdan çıkan ekserji ise;
(7.27)
şeklinde verilir. Burada, ExDB,YB, DB’den YB’ne ekserji kaybı; Exyan, DB’nin yan duvarından kaybolan ekserji; Extaban, havuzun tabanından kaybolan ekserji ve Exyıkım, yok olan ekserjiyi ifade etmektedir.
Çıkan ekserji eşitliğindeki değişkenler aşağıdaki gibi açılabilir;
( )
tabanının öz ısıları; T0, Tyan ve Ttaban, sırasıyla çevre, kabın yan ve taban duvarlarının sıcaklıklarıdır.
Depolama bölgesi için ekserji verimi, depolanan ekserjinin sisteme giren ekserjiye oranı olarak tanımlanır. Buna göre, depolama bölgesinin ekserji verimi;
(7.32)
şeklinde verilir.
7.2.2.Eşanjörün Termodinamik Analizi
Eşanjördeki ısı transfer oranı aşağıdaki denklemde verildiği gibi ifade edilebilir (Cengel, 2006),
(7.33)
burada U toplam ısı transfer katsayısını (W/m2°C), As eşanjörün yüzey alanını (m2),
∆Tlm logaritmik ortalama sıcaklık farkını göstermektedir (°C).
Şekil 7.6. Eşanjör sistemi
Buna göre, Şekil 7.5’te görülen DB bölgesindeki eşanjör için ∆Tlm,
DB,YB yan taban dest
DB ex ,DB
giren güneş
Ex Ex Ex Ex
= Ex 1
Ex Ex
+ + +
h =
-s lm
Q& =UA DT
(7.34) ve
(7.35)
(7.36) şeklinde verilir. Burada TDB depolama bölgesinin sıcaklığını, Teş,g ve Teş,ç akışkanın eşanjöre giriş ve çıkış sıcaklıklarını göstermektedir. Akışkanın sıcaklığı eşanjör boyunca değiştiği için logaritmik ortalama sıcaklığı kullanmak daha uygundur.
Böylece, eşanjörden geçen akışkanın kazandığı ısı oransal formda,
(7.37)
7.2.3. Düzlem Güneş Kolektörünün Termodinamik Analizi
Kolektör tarafından akışkana aktarılan faydalı ısı Qf,
(7.39)
ve kollektör yüzeyine gelen güneş radyasyonunun miktarı Qg,
1 2
(7.40)
şeklinde verilmektedir (Struckmann, 2008). Burada, akışkanın kütle debisi, cp akışkanın özgül ısısı, Tç ve Tg kolektörden çıkan ve giren akışkanın sıcaklıkları, I gelen güneş radyasyonunun şiddeti ve A kolektörün ışın alan yüzey alanıdır. Böylece kolektörün enerji verimi,
(7.41)
olarak yazılabilir. Buna ek olarak kolektörünün enerji verimi (Uçar ve İnalli, 2008),
(7.42)
şeklinde de yazılabilir. Burada Tm kolektörün giriş ve çıkış sıcaklıklarının ortalaması ve Ta da çevre sıcaklığıdır. Kolektörün ekserji verimi ise (Jafarkazami ve Ahmadifard, 2013),
(7.43)
eşitliği ile verilir. Burada Ts güneşin yüzey sıcaklığıdır.
7.2.4. ORÇ’nin Termodinamik Analizi
Potansiyel ve kinetik enerji değişimlerinin önemsenmediği düzgün akışlı bir termodinamik sistemde belirli bir kontrol hacmi için kütle, enerji ve ekserji denge
giren çıkan
m m
S & = S &
(7.44)
giren çıkan
E E
S & = S &
(7.45)giren çıkan yıkım
Ex Ex Ex
S & - S & = S &
(7.46)şeklinde verilir. Ekserji eşitliği açılarak aşağıdaki gibi yazılabilir.
ısı girenkütle iş çıkankütle yıkım
Ex & + Ex & - Ex & - Ex & = Ex &
(7.47)ısı 0
Ex 1 T Q
T
æ ö
= S - ç è ÷ ø &
&
(7.48)girenkütle giren giren
Ex & = S m & ex
(7.49)Ex &
iş= W &
(7.50)çıkankütle çıkan çıkan
Ex & = S m & ex
(7.51)Bir k noktası için özgül ekserji ile ekserji eşitlikleri;
( )
k k 0 0 k 0
ex = h - h - T s - s
(7.52)( ) ( )
k k k 0 0 k 0
Ex & = mex & = m h & - h - T s - s
(7.53)şeklinde verilir. Burada h ve s sırasıyla k ile referans (0) noktalarındaki entalpi ve entropi değerleridir. Entropi denge eşitliği de;
giren üretilen çıkan
s & + s & = s &
(7.54)şeklinde yazılır.
Sistemin termodinamik analizinin yapılabilmesi için sistem içindeki her bir elemanın enerji ve ekserji analizi yapılmış ve ORÇ’nin enerji ve ekserji verimi aşağıdaki gibi hesaplanmıştır (AlZaharani ve ark., 2013).
( )
7.2.5. Elektroliz Sistemi
İçinde az miktarda sodyum sülfat olan suyun içinden elektrik akımı geçirilirse elektrotların birinde hidrojen diğerinde oksijen üretilmiş olur ve aşağıdaki kimyasal denklemle gösterilir:
2H2O 2H2+O2 (7.61)
Sıvı suyun Gibbs oluşma fonksiyonu termofiziksel tablolarda 25 °C’de ve 1 atm basınçta −237,180 kJ/kmol olarak verilmektedir. Bu değer aynı zamanda elektroliz için gerekli minimum işin ifadesidir. 1 kg su için bu değer 13,166 kJ olurken, 1 kg hidrojen için bu değer 117,650 kJ yani 32,7 kWh olmaktadır (Yılmaz ve ark., 2011). Bu çalışmada elektroliz sisteminin verimi % 70 olarak kabul edilmiştir.
8. BULGULAR VE TARTIŞMA
Bu çalışma kapsamında güneş havuzu, güneş kolektörü ve ORÇ’den oluşan entegre sistemin termodinamik analizleri (enerji ve ekserji) Engineering Equation Solver (EES) programıyla yapılarak bu bölümde belirtilmiştir. Buna göre, entegre sistem için hesaplanan sıcaklık, basınç, kütlesel debi, entalpi, entropi, spesifik ekserji ve ekserji değerleri Tablo 8.1’de verilmiştir.
Tablo 8.1. Entegre sistemin termodinamik verileri.
Şeması Şekil 6.3’te görülen entegre sistemde havuzdan ısı çekmek için Adana’da Temmuz ayı koşullarında sıcaklığı 64 °C kabul edilen depolama bölgesine yerleştirilen eşanjöre giren suyun sıcaklığı 40 °C, çıkan suyun sıcaklığı da 60 °C olması kabul edilmiştir. Havuzdan sadece güneş aldığı saatlerde ve depolama bölgesinin sıcaklığı değişmeden ısı çekilmesi koşullarına göre hesaplandığında, havuz yüzeyinin 300 m2 olması gerektiği görülmüştür. Ayrıca havuzdan 60 °C’de çıkan ve debisi 0,5 kg/s olan suyun yüzey alanı 250 m2 kabul edilen kolektör yardımıyla sıcaklığının 91,61 °C’ye yükseltildiği hesaplanmıştır.
Güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin
sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonu gerekmektedir.
Adana Meteoroloji Bölge M
yılın ortalaması hesaplamalarda kullanılmıştır
Şekil 8.1. Güneş havuzu yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık
Şekil 8 gelen en yüksek Ocak ayında düşük Ocak ayınd
Güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin
sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonu gerekmektedir. Bundan dolayı
Adana Meteoroloji Bölge M
yılın ortalaması hesaplamalarda kullanılmıştır
Şekil 8.1. Güneş havuzu yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık dağılımı.
Şekil 8.1’de görüldüğü gibi en yüksek toplam güne Ocak ayında 66807 MJ olarak, düşük Ocak ayında 62608
Güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin
sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonu Bundan dolayı, 2010 ve 2013 yılların
Adana Meteoroloji Bölge Müdürlüğü
yılın ortalaması hesaplamalarda kullanılmıştır
Şekil 8.1. Güneş havuzu yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık
.1’de görüldüğü gibi
toplam güneş radyasyonu Temmuz ayında 224430 MJ olarak, ekserji i
a 62608 MJ olarak hesaplanmıştır.
Güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin
sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonu 2010 ve 2013 yılların
üdürlüğü’nden alınarak hata payını azal yılın ortalaması hesaplamalarda kullanılmıştır
Şekil 8.1. Güneş havuzu yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık
.1’de görüldüğü gibi yüzey alanı 300 m
ş radyasyonu Temmuz ayında 224430
ekserji ise en yüksek Temmuz ayında 209387 MJ olarak hesaplanmıştır.
Güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin performansının belirlenmesi için sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonu
2010 ve 2013 yıllarına ait güneş radyasyonu verileri nden alınarak hata payını azal
yılın ortalaması hesaplamalarda kullanılmıştır.
Şekil 8.1. Güneş havuzu yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık
yüzey alanı 300 m
ş radyasyonu Temmuz ayında 224430
se en yüksek Temmuz ayında 209387 MJ olarak hesaplanmıştır.
performansının belirlenmesi için sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonun miktarının bilinmesi a ait güneş radyasyonu verileri nden alınarak hata payını azal
performansının belirlenmesi için sistemin kurulu olduğu bölgeye gelen güneş radyasyonun miktarının bilinmesi a ait güneş radyasyonu verileri nden alınarak hata payını azal