Yoğunlaştırılmış güneş ısıl teknolojiler

Fotovoltaik güneş teknolojilerinde, güneş enerjisinde doğrudan elektrik üretimi gerçekleştirilirken, yoğunlaştırılmış güneş ısıl teknolojilerde, güneş enerjisini çizgisel ya da noktasal olarak yoğunlaştırarak, çevrim akışkanını yüksek sıcaklık seviyesi çıkartıp, bu akışkanın enerji potansiyelinden yararlanarak elektrik üretimi sağlanmaktadır.

Yoğunlaştırılmış güneş ısıl teknolojilerinde akışkan sıcaklıkları orta (100-300°C) ve yüksek (300-1000°C) düzeyde sıcaklıklara erişmektedir

Orta sıcaklık uygulamalarında, genellikle güneşi tek eksende takip eden mekanizmalara ihtiyaç vardır [23]. Güneşi tek eksende izleyen yoğunlaştırıcı sistemlerin en önemli bileşeni parabolik oluk tipi toplayıcılardır.

Parabolik Oluk Tipi Toplayıcılar; Yansıtıcı yüzey kısmı silindirik şekilde olan bu toplayıcılar güneşten gelen ışınlarını, parabolün merkezinde yer alan toplayıcı kısma yoğunlaştırma yapan sistemlerdir. (Şekil 1.17). Parabolik oluk tipi toplayıcılar, direk güneş ışınımını toplayıcı ekseninde bulunan doğrusal odağa yoğunlaştırarak toplarlar. Doğrusal odağın bulunduğu merkeze, yoğunlaştırılan enerjiyi yutan, yuttuğu enerjiyi içinden geçen enerji taşıyıcı akışkana ileterek entalpisini artıran "alıcı" adı verilir.

Parabolik oluk tipi toplayıcılar, genellikle tek-eksenli izleme sistemleri ile güneş ışınlarının toplayıcı açıklık düzlemine dik gelmesini sağlar. Bu toplayıcılar, direk güneş ışınım demetlerini yansıtırlar, bir başka deyişle yansıyan ya da atmosfer tabakasında bulutlardan süzülen, tozlardan kırılan güneş ışınlarını kullanmazlar. Bu nedenle gökyüzünün karakteristik özellikleri, parabolik toplayıcıların performansı üzerinde oldukça etkilidir.

Parabolik güneş toplayıcılarının uygulama alanları en temelde iki grupta incelenebilir;

1. Yoğunlaştırıcılı Termal Güneş Enerji Santralleri (Concentrated Solar Power (CSP) Plants)

2. Diğer Uygulamalar

a. Endüstriyel amaçlı ısı eldesi (Industrial Process Heat IPH)

b. Düşük sıcaklık gereksinimi yüksek enerji tüketimi olan uygulamalar (kullanım sıcak suyu eldesi, alan ısıtma, havuz ısıtması vs.)

c. Isı güdümlü soğutma uygulamaları.

Yukarıda bahsi geçen uygulama alanları parabolik toplayıcıdan elde edilen termal enerjinin, akışkan sıcaklığında yarattığı etki oranında değişkenlik gösterir. Genellikle parabolik toplayıcıların, akışkan sıcaklık aralığı 150-300°C arasında değişmektedir. Bu sıcaklık değeri toplayıcının fiziksel özelliklerine göre 400°C’ye ulaşabilir.

Doğrusal Fresnel Tipi Toplayıcılar; Bu toplayıcı sisteminin parabolik oluk tipi toplayıcıdan farkı, yansıtıcı yüzeyin düzlemsel yansıtıcılardan oluşmasıdır. Değişik açılara konumlandırılan düzlemsel yansıtıcılar, gelen güneş ışınlarını yutucu yüzeye toplarlar, bu sayede güneş ışınlarının yoğunlaştırılarak yutucu yüzeye yansıtılmasını sağlarlar (Şekil 1.18).

Düzlemsel yansıtıcı yüzeyler tek eksende güneşi takip ederek, her yönden gelen direk güneş ışınımlarını yutucu yüzeye odaklar. Bu tip toplayıcıların dezavantajı, yutucu yüzeyin yansıtıcı yüzeyden uzakta konumlandırılmasıdır. Bu nedenle yansıyan ışınların dağılması ve yüksek ısı kaybı, verimliliğin düşmesine neden olur.

Şekil 1.18. Fresnel tipi güneş toplayıcıları.

Bu sistemin avantajı ise, düz aynaların parabolik aynalara göre ucuz olmasından ötürü maliyetinin düşük olmasıdır. Güneş izleme sistemleri tüm kütleyi beraber hareket ettirmek

yerine, her bir ayna dizisini ayrı açılarla hareket ettirerek toplayıcı tüpe yoğunlaştırır. Bununla birlikte, aynı büyüklükte bir alana parabolik sistemlere kıyasla daha çok ayna yerleştirilebilir.

Bu da, aynı büyüklükte bir alandan daha fazla enerji üretimi anlamına gelir.

Güneş enerjisinin yüksek sıcaklık uygulamaları, ısı taşıyıcı akışkanın 300°C’nin üzerinde sıcaklıklara ulaştığı uygulamalardır. Bu uygulamalarda ulaşılan yüksek sıcaklık, bu sistemlerin kullanım alanlarını artırmaktadır. Büyük hacimlerin ısıtılması ve soğutulması, elektrik üretim santrallerinin kurulması, yüksek sıcaklık reaksiyonların gerçekleştirilmesi gibi birçok uygulama alanı bulunmaktadır. En sık kullanılan uygulama biçimi elektrik üretimi amaçlı olanlardır. Bu uygulamalarda kullanılan güneş toplayıcıları; noktasal odaklı çanak tipi toplayıcılar ve heliostatlardır.

Yüksek sıcaklık uygulamalarında, güneş çift eksende izleyen, ya da merkezi alıcılı sistemler kullanılarak akışkan sıcaklığı 1000°C’ye yakın değerlere çıkartılır.

Çanak tipi toplayıcılar: toplayıcı, alıcı ve bir motordan oluşan başlı başına bir ünitedir. Bu tip toplayıcıların odak noktasına yüksek sıcaklığı mekanik enerjiye çeviren “Stirling motoru”

yerleştirilir. Bu sayede ısı enerjisi mekanik enerjiye, mekanik enerji de elektrik enerjisine dönüştürülür.

Güneş enerjisi, çanak biçimli bir yüzey tarafından bir alıcı yüzey üzerine nokta şeklinde yoğunlaştırılır. Alıcı yüzey de bu toplanan enerjiyi ya termal enerjiye dönüştürür ve direkt ısı enerjisi olarak kullanılmasını sağlar ya da bir motor içerisindeki çalışma akışkanına aktarır (Şekil 1.19).

Motor ise ısıyı mekanik güce çevirir. Bu mekanik enerji bir jeneratör veya bir alternatör yardımıyla elektrik enerjisine dönüştürülür. Çanak-motor sistemleri güneşi iki eksende izlerler.

Alıcı yüzey ve motor tipi için başta Stirling motor ve Brayton alıcısı olmak üzere birçok seçenek vardır. Tek bir çanak motor sistemi ile 25 kW kadar güç üretmek mümkündür.

Amerika ve Avrupa’da kırsal bölgelerde 7,5 –25 kW boyutunda uygulamalar yapılmaktadır.

Diğer güneş enerjili sistemlerden farklı olarak çanak-motor sistemleri yüksek elektrik dönüşüm verimine sahiptir (%29,4). Bu sistemler kırsal bölgelerin enerji ihtiyacını karşılamak için önemli bir alternatif olma durumundadır.

Şekil 1.19. Parabolik çanak tipi toplayıcılar.

Merkezi Alıcı Sistemler-Güneş Kulesi (Heliostat): Büyük bir alana yerleştirilen yüzlerce düzlemsel yansıtıcılar üzerlerine gelen güneş ışınımını yüksek bir noktaya yerleştirilmiş alıcıya (yutucuya) odaklar. Bu sayede yoğunlaştırılan güneş enerjisi yutucu yüzeyde yüksek sıcaklık oluşturur. Bazı uygulamalarda sıcaklığın 3500°C’ye ulaştığı gözlenmiştir. Bu tip toplayıcılarda yoğunlaştırma oranı 400 arasında değişir. Bu nedenle birim yüzeye gelen ışınımın 200-400 katı kadar güneş ışınımı yutucu yüzeye ulaştırılır.

Şekil 1.20. Güneş kulesi, Heliostat, (Ivanpah-California).

Güneş güç kulesi sisteminde (Şekil 1.20), iki eksenli izleyici heliostat aynalar, güneş enerjisini, kulenin tepesine merkezi bir şekilde yerleştirilmiş olan alıcıya yansıtırlar. Burada, alıcıya gelen güneş enerjisi, çalışma akışkanı (gaz veya tuz eriyiği) tarafından absorbe edilir ve sonra

toplanan ısı buhar üretiminde kullanılır. Üretilen buhar bir buhar güç çevriminde kullanılarak elektrik üretilir. Bu sistemlerin kullanımı ve uygulaması ülkemizde oldukça azdır ancak konu ile ilgili çalışmalar, 10 MW’lık bir sistemin 120m kule yüksekliğine sahip 380 m yarıçaplı yansıtıcı alan ile yapılabilirliğini ortaya koymuştur.