BİR STİRLİNG MOTORUNA GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PDF Ücretsiz indirin

Sistemlerde bir Stirling motoru, bir Brayton çevrimi ile çalıģan gaz türbini ve bir Brayton/Rankin birleģik çevrimi ile çalıģan gaz türbini test edilmiģtir. Stirling motorunun verimi 950 ºC nin altındaki sıcaklıklarda diğer motorlara göre daha yüksek değerdedir. Ancak 950 ºC nin üzerindeki sıcaklıklarda Brayton/Rankin birleģik çevrimi ile çalıģan gaz türbininin verimi Stirling ve Brayton çevrimi ile çalıģan motorların veriminden yüksek elde edilmiģtir. Bu sistem 10,5 m çapında bir parabolik yansıtıcı (dish), bir alıcı ve United Stirling 4-95 Mark II kinematik Stirling motorundan oluģmuģtur. Bu sistemde 18 aylık çalıģma sırasında yağ pompası ve çek valflerde iki önemli problem meydana gelmiģtir. Bu problemlere rağmen sistem 18 aylık süre içerisinde yaklaģık olarak 2000 saat çalıģmıģtır.

• Krank açısı cinsinden 2 radyan olan çevrim süresi 360 parçaya ayrılmıģ ve her bir aralık için basınç, hacim, iģ ve iç enerjinin diferansiyeli hesaplanmıģtır.
• Kütle geçiģlerinin sebep olduğu enerji kayıpları motor gücünü düģürmekte ve ilk hareket için daha yüksek ısıtıcı sıcaklığını gerektirmektedir.
• Silindir kafasını ısıtabilmek için yanmıģ gazlar bir elektrik motoru-jeneratör çifti tarafından fan ve yakıt pompasına hareket verilerek sağlanır.

Deneysel veriler California Teknoloji Enstitüsü nde elde edilmiģ ve Selçuk (1985) tarafından değerlendirilmiģtir. Ayna-Stirling güneģ enerji sisteminin veriminin % 35 civarında olduğu belirtilmiģtir [64]. Jaffe tarafından yapılan çalıģmada Rankin, Brayton ve Stirling çevrimi ile çalıģan motorlar ile elektrik üreten yedi farklı parabolik kollektörün performansları incelenmiģtir. 500 geometrik konsantrasyon oranında parabolik kollektörlerin optik verimleri 0,32 ile 0,86 aralığında iken, 3000 geometrik konsantrasyon oranında 0,09-0,85 aralığında gözlenmiģtir [65]. 34 14 Ottawa, Winnipeg ve Edmonton daki veriler kullanılarak 5 MW termal performansa sahip üç sistem için çalıģmalar gerçekleģtirilmiģtir [48]. Bernardes ve arkadaģları güneģ bacasının çıkıģ gücünü ve çıkıģ gücü üzerine çeģitli yapım koģullarının ve ortam Ģartlarının etkilerini analiz etmek için bir matematik model geliģtirmiģlerdir. Matematik modelden elde edilen veriler Manzanares deki prototipten alınan verilerle uyum içersindedir. ÇıkıĢ gücü baca yüksekliği, kollektör alanı ve kollektörün geçirgenliğinin artması ile artırılabilmektedir. Parabolik oluklu kollektörler bir sıra boyunca uzanan bir ısı toplama sistemi kullanırken, güneģ enerji kuleleri ısıyı merkezi bir noktaya odaklamaktadır [50].

83 Stirling motorlarının dezavantajları Aynı güce sahip içten yanmalı motorlara göre daha büyük kütle ve boyutlara sahiptir (Güç/Ağırlık oranı kötüdür). ÇalıĢan parçalar arasında ve silindir ile piston arasında sızdırmazlık problemi vardır. Isıtıcı ve soğutucudaki termik ataletler nedeni ile yavaģlama ve hızlanma ivmeleri düģüktür. Birçok bölümünde tasarım güçlüğü vardır ve deneysel bilgi gerektirir. DıĢtan ısı verme prensibine dayalı olarak çalıģan Stirling motorlarında güneģ, jeotermal gibi enerji kaynakları kolaylıkla kullanılabilir. Günümüzde Stirling motorlarının uygulama alanları aģağıda maddeler halinde belirtilmiģtir.

Bu sistem 1979 yılının Ekim ayı ve 1982 yılının Eylül ayları arasında çalıģmıģtır. Bu sistemde 48 adet parabolik oluklu kollektör kullanılmıģtır [12]. 500 kw kapasiteye sahip bir enerji dönüģüm sistemi Uluslararası Enerji Ajansı tarafından Ġspanya nın Tabernas çölünde kurulmuģ ve 1981 ile 1986 yılları arasında çalıģmıģtır. SEGS sistemi yaklaģık 2 milyon m 2 kollektör yüzey alanına sahiptir. Sistemin yıllık enerji dönüģüm verimi %14-%18 arasında iken, maksimum verimi %22 civarında elde edilmiģtir [17].

Her üç motorun aynı sıcak ve soğuk kaynak sıcaklıkları arasında çalıģtığı kabul edilmekte, süpürme hacimleri ve motor devirleri birbirine eģit alınmaktadır. Manivela hareket mekanizmalı motorun izotermal analizinde kullanılan temel girdiler Çizelge 4.1 de görülmektedir. Diğer motorların izotermal analizinde kullanılan girdilerin verilmesi gereksiz olduğu için burada verilmemektedir. Ġzotermal analizde krank açısı cinsinden 2 radyan olan çevrim süresi sonlu parçalara ayrılır. 41 yılında Schlaich-Bergermann tarafından Suudi Arabistan ın Riyad kentine 2 adet 50 kw lık bir parabolik ayna/stirling sistemi kurulmuģtur. Ticari amaçla üretilen bu sistemde; 11 m çapında 88 adet aynadan oluģan bir parabolik ayna, bir alıcı ve United Stirling 4-95 Mark II kinematik Stirling motoru kullanılmıģtır [63]. Schlaich-Bergermann und Partner (SBP) tarafından 10 kw bir parabolik ayna/stirling sistemi geliģtirilmiģtir. Bu sistemde 8,5 m çapında bir parabolik ayna, bir alıcı ve V-161 kinematik Stirling motoru kullanılmıģtır. V-161 Stirling motoru 1500 dev/dak ve 3000 dev/dak motor devirlerinde sırası ile 10 ve 15 kw güç üretmiģtir. Cummins Power Ģirketi (CPG) parabolik ayna, ısı borulu alıcı ve serbest pistonlu bir Stirling motorundan oluģan 7 kw lık bir parabolik ayna/stirling sistemi geliģtirilmiģtir. Bu sistemde kullanılan serbest pistonlu Stirling motoru 5,2 kw güce ve %22 verime sahiptir [63]. Amerika Enerji Bakanlığı (DOE) desteği ile parabolik ayna/stirling güneģ enerji sistemi kurulmuģtur.