Anasayfa / Tüm Kategoriler / Teknoloji / Neden Solar Termal Sistemler?

Neden Solar Termal Sistemler?

Birçoğumuzun bildiği gibi Dünya çapında olması öngörülen bir enerji krizi var. Elimizdeki mevcut ve popüler enerji üretim teknikleri insan ömrü boyunca üretilemediği kabul edilebilecek kaynaklara dayanıyor. Petrol, doğal gaz, kömür ve görece çok daha az kullanılan nükleer enerji bunların arasındadır. Bu enerji kaynakları yaklaşık olarak toplam enerji tüketiminin 80%’lik bir kısmını kapsar ve değişen tahminlere göre 40 ila 250 yıl arasında kullanılabilir petrol ve doğalgaz rezervlerin tükenmesi bekleniyor.[1] Her ne kadar kömür ve nükleer enerji için durum daha iyimser de olsa onlar da sınırlı ve Dünya çapında güvenilir ve yaygın bir enerji kaynağı olarak kullanılmalarını engelleyen faktörler var.[2] Haliyle yenilenebilir enerji kaynaklarına olan ilgi arttı. Birçok kuruluş yenilenebilir enerji kaynaklarına destek vermeye başladı ve son yüzyılda teknolojide yaşanan gelişmeler buna izin verdi.[3] Bu teknolojilerden belki de en yaygın bilineni güneş enerjisi ile çalışan sistemlerdir. Güneş panellerini bilmeyen yoktur zaten. Evlerin çatılarından uzay araçlarına, dağcılık ekipmanlarından deneysel arabalara kadar çok çeşitli yerde fotovoltaik panelleri görüyoruz. Peki hepsi bu kadar mı?
Solar termal enerji çoğu insanın aklıma sadece çatı su ısıtma sistemleri gelir, ki o da birçok diğer uygulamadan sonra. Aslında solar termal teknolojiler enerji üretiminde de kullanışlıdırlar, hatta bu şekilde geliştirilen santraller de vardır. Bu yazının konusu bu teknolojileri basitçe tanıtmaktır.

Solar termal enerji basitçe ısıyı elektriğe çeviren sistemlerin termal panellerle kullanılmasına dayanır. Çalışma mekanizması temelde klasik termik ve nükleer santrallerle aynıdır, ama ısıyı güneş enerjisi ile toplar. Bu sistemler bazı önemli avantajlar sunarlar.
-Güneş enerjisi Dünya’da çok geniş bir alanda kullanılabilir.
-Mevcut sistemlerle çalışma mekanizmalarındaki benzerlik nedeniyle aslında aktarılabilir bir potansiyel vardır. Daha iyi bağla.
-Verimlilikleri fotovoltaik sistemlere göre daha yüksektir ve daha ucuzdur.[4]

Bu sistemlerin belli başlı bazı bilinen örnekleri vardır ki incelemeye değer.

Bu sistemlerde kullanılan kolektör tipleri, yani ışığı toplayan sistemler; sistemin kimliğini belirler.
Kullanılma amacı ister elektrik üretme ister su ısıtma olsun, bütün güneş enerjisi sisteminin en karakteristik ve belirleyici özelliği nasıl bir toplayıcı kullanılacağıdır.
Alışageldiğimiz güneş panelleri sadece üzerine düşen ışık ile çalışır ve fazladan bir toplama yapmaz. Her ne kadar su ısıtması ve bina içi iklimlendirme için uygun olsalar da ısı yoluyla elektrik üretmek için sadece yardımcı sistemler olarak kullanılmaları gündemde ve bu yazının konusunun dışındalar.
Eğer ışığı odaklamaya başlarsanız daha ilginç ev uygulamaları yapabilirsiniz. Yemek pişirmek veya su arıtmak gibi işlemler doğru toplayıcı sistemlerle mümkündür.

fırın

Fotoğraf 1: Powermax energies tarafından satılan bir güneş fırını[5]

Fakat eğer elektrik üretmek için en azından kullandığınız sıvıyı kaynatmanız gerekecektir ki bu da en az 95-100 °C gibi değerlere varmamız demektir. Dahası, sıcaklığı yükseltmek sistemimizin verimliliğini de artıracağı için belirlenmiş bir noktadaki sıcaklığın mümkün olduğunda çok olmasını isteriz. Buna da “Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi” diyoruz.

Parabolik çanak kolektörler bu alanda öne çıkan en önemli teknolojilerden biridir. Bu teknoloji basitçe parabolik aynaları kullanarak ışığı bir tüp üzerine düşürmeyi ve buradaki suyu ısıtmayı hedefler. Aynalar yan yana dizilmiş bir halde bulunur ve her birinin odağı içinden sıvı geçen bir tüpü hedefler. Tüplerin tasarımı burada önemli bir faktördür. İki katman halinde olan tüplerin arası vakumlanmıştır. Gerektiğinde gün içerisinde aynaları bu eksen etrafında döndürmek mümkündür ve ayna düzlemi dışında açılı gelen ışık da sonunda tüp üzerinde odaklandığı için sistemin verimliliğini çok az etkiler. Bütün bu önlemler sonunda enerjiyi kaybını minimuma düşürmeyi hedefler. Bu şekilde 400 °C gibi değerler mümkündür.[6]

yen

Fotoğraf 2: Bir Parabolik Çanak Kolektör Çizimi, sunwindenergy.com
Türkiye’de de Konya’ya kurulması planlanan[7] bu sistem Dünya’da en yaygın şekilde İspanya ve ABD’de kullanılmaktadır. Bunun haricinde BAE, Hindistan, Çin gibi ülkeler de bu toplayıcıyı kullanmaktadır.[8]

güneş kulesi

Fotoğraf 3: Güneş Kulesi Örneği, PS10/PS20 Abengoa Solar
Güneş kulesi biraz daha karmaşık ve yenilikçi bir sistemdir. Belli bir boru hattı yerine aynalar ışığı bir kulenin üzerindeki bir alana odaklar. Çanak toplayıcılardan farklı olarak her aynanın 2 farklı eksen etrafında ve dönmesi gerekir ve her ayna pozisyonuna göre farklı bir şekilde döner. Yine ışığın odaklandığı noktanın tasarımı önemlidir ki çok çeşitli toplayıcılar mevcuttur. Birkaç tanesini saymak gerekirse:
-Bazı sistemler süngerimsi bir yapıya ışığı odaklar ve sıvı buradan geçerken ısınır. “Open volumetric air receiver” diye geçen bu en basit toplayıcılardır. Almanya’nın Jülich kentinde bulunan güneş kulesi bu sistemle çalışır. Gaz ısıtmak için kullanılır.[9] -Işığı kule üzerinde bir tünele odaklayan ve borular yoluyla ısı transferini sağlayan “tube receiver” teknolojileri ısının havaya dağılmasını veya radyasyonla kaybını azaltır. Birçok farklı çeşidi vardır.
Genelde sıvılar için daha uygundur.[10] -“Cavity receiver” olarak adlandırılan sistemler kısaca ışığı aynalarla çevrili bir bir çukura yansıtır.
Arkadan dolaşan akışkan yüzeyden temas yoluyla ısıyı toplar. Verimliliği diğerlerine göre daha yüksek bir sistemdir.[11] Güneş kuleleri parabolik toplayıcılardan daha yüksek sıcaklıklara varabilirler ve göreceğiniz üzere
daha çeşitli toplayıcılar sunarlar. Fakat toplama aşamasında ısı kaybı daha fazla olmaktadır ve sistemi büyütmek daha zordur. Sonuç olarak daha az popüler bir sistemdir. Dünya’da kullanıldığı yerler yine parabolik toplayıcılarla benzerlik gösterir. Türkiye’de Mersin’de böyle bir santral mevcuttur.[12]

Devasa kuleler ya da boru hatlarını tercih etmeyenler için daha küçük birimlere ayrılmış sistemler de mevcuttur. Elbette ki bunlardan çok sayıda olanı aynı anda kullanarak büyük bir enerji santrali inşa etmek mümkündür.
Yukarıdaki büyük güneş fırınının daha büyük bir modelini bu iş için kullanabiliriz.
Güneş Çanağı tam olarak bu işi yapmaktadır. Devasa bir çukur aynayı alıp odak noktasına güneş kulesinde kullanılan toplayıcıları bir stirling buhar motoru ile kullanıyoruz ve güneş çanağı enerji santrali bu oluyor. Bu sistemin en büyük avantajı oldukça modüler olması ve verimliliğin yukarıda bahsedilen yöntemlere göre daha yüksek olması. Fakat her bir ayna için bir motora ihtiyaç olunması ve odaklı aynalar daha masraflı bir sistem demektir. Dahası, birazdan da anlaşılacağı üzere depolama avantajı sağlamamaları da bir problem olarak çıkıyor.

dish

Fotoğraf 4: Güneş Çanağı ile Çalışan 10 kw kapasiteli bir sistem, Dalian Great Ocean New Energy Development CO.,Ltd

Neden solar termal önemli hale geliyor?
Enerji sistemlerinin çözmesi gereken bazı problemler vardır. Ürettiğiniz enerjinin maliyetinin ucuz olması ve sistemin belirlenen bir sürede kendini amorti etmesi gerekir. Sisteminizin verimliliğinin yüksek olması, atıkların yönetilebilir olması gerekir. Ve elbette, sistemin güvenilir olması gerekir. Güvenilir olmaktan kastımız, sistemin istenilen zamanda beklenilen verimi sağlaması ve bunu gereken süre boyunca korumasıdır. Verimlilik ve masrafta yaşanan sorunlarda yapılan iyileştirmeler bir tarafa, çok uzun bir süre boyunca, güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin problemi, sistemlerin güvenilirlik kriterini sağlamıyor oluşlarıydı. Sistemler gece çalışmıyordu, gün içerisinde üretilen enerji değişebiliyordu. Mevsimler ve hava durumu bölgesel olarak farklı şekillerde etkileyebiliyordu ki bütün bu faktörler güneş enerjisini kullandığınız zaman buna ek olarak başka bir yöntem daha kullanmanızı gerektiriyordu. Yenilenebilir enerji kaynaklarına baktığımız zaman hidroelektriğin hem Türkiye, hem de Dünya için en popüler yöntem olmasına şaşmamalı.[13][14] Fakat bu konudaki çehre değişiyor. En büyük oyun değiştiricilerden biri de artık 24 saat boyunca çalışan sistemlerin mümkün olması.
Erimiş Tuz Yoluyla Güneş Enerjisi Depolama

Basitçe açıklamak gerekirse, solar termal santrallerin çalışma mekanizması temelde klasik termik ve nükleer santrallerle aynıdır. Basitçe, buhar enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek için bir dizi işlem yapılır ve buna basitçe döngü denir. Döngüler arasında elbette farklar vardır. Termik santraller bir kazanda suyu yüksek basınç altında kaynatır ve bu su ile türbinleri çalıştırır. Nükleer santrallerde çekirdek etrafında ısınan su genelde başka bir su hattını ısıtır ve bu ikinci su enerji üretimi için kullanılır ki bu sayede çekirdek ile temas eden suyun kontrolü kolaylaşır. Termal güneş santrallerini diğer termal sistemlerden ayıran bir özellik sistemde kullanılan sıvıdır. İlk ısıtılan sıvı su olmak zorunda değildir. Aynı nasıl klimalarımızda farklı soğutucu akışkanlar varsa, enerji sistemleri için de bu düşünülebilir. Termal güneş santrallerinde düzgün bir şekilde sıvıyı ısıtmak ve ısıyı kaybetmeden dönüşümü sağlamak daha zor olduğundan zaten sistemler aynı nükleer enerjiye benzer bir şekilde, ama erime noktası ve öz ısısı daha yüksek akışkanlar tercih ediliyordu.
Bunların arasında eriyik tuz olarak bildiğimiz akışkan uzun bir süre ısısını kaybetmemesi ve kolay depolanabilmesi nedeniyle nihayet 24 saat boyunca çalışan bir güneş santraline İspanya’da 2011 yılında kurulan GemaSolar ile kavuşmuş olduk.
Gün içerisinde aynı diğer güneş santralleri gibi çalışan sistem o anki saate, hava durumuna ve her türlü dış etkene bağlı olarak tuzu farklı performanslarda ısıtıyor. Fakat ısıtılıp eriyik hale getirilen tuz klasik bir buhar türbinini döndüren suyu ısıtmak için istenilen miktarda kullanılıyor ve bu sayede 24 saat boyunca sabit bir güç sağlıyor. [15]

crescent-dunes-nevada_idema-750x439

Fotoğraf 5: GemaSolar
15 saatlik bir depolama kapasitesine sahip olan sistem 565 °C sıcaklığa çıkabiliyor ve sene boyunca maksimum kapasitesinin 55%si ile çalışabiliyor. Yaklaşık 20 MW kapasitesi ve 230 milyon € fiyatı düşünüldüğünde Türkiye için henüz çok pahalı bir teknoloji olmaktadır, fakat sektörün gelişmesi devam etmektedir.

Yeni gelişen sistemler ve Dünya’daki enerji elde etmek yöntemlerinin sınırları bizi güneş enerjisine itmektedir ve bu teknolojiler önemli avantajlar sunmaktadır. Fakat, güneş enerjisinin önünde, özellikle termal sistemlerin önünde, ne tür engeller var? Bu konuyu da gelecek yazılarda değinilecektir.

 

Kaynakça

1. Worldometers. (2017, Kasım 9). ENERGY. http://www.worldometers.info/ adresinden erişildi.
2. Abott, D. (2011, Ekim 10). Is Nuclear Energy Scalable? Proceedings of the IEEE. Vol 99, 10.
3. US Department of Energy. (N. D.). https://www1.eere.energy.gov/solar/pdfs/solar_timeline.pdf adresinden erişildi.
4. Tourkow, E, K. (2016). Analysis of Solar Thermal Efficiency of Biomass, Solar Thermal and Photovoltaic Technologies and Evaluation of Potential Improvements via Combinations of Technologies.
5. Powermax Energies (N.D.) Parabolic Solar Cooker. https://dir.indiamart.com/thane/solar-cookers.html adresinden alınmıştır.
6. Bhatia, S,C. (2014) advanced renewable energy systems, part 1. Sayfa 101, pr 1.
7. Hakimiyet. (2013, Ocak 21). Güneş Enerjisi Santrali Hayal Olmaktan Çıkıyor. http://www.hakimiyet.com/gunes-enerjisi-santrali-hayal-olmaktan-cikiyor-39817h.htm adresinden alınmıştır.
8. Werner, W et all. (2017) Solar Heat WorldWide, 2017 Edition.
9. Hoffschmidt, B. (2014, Haziran 24). Receivers for Solar Tower Systems. Sayfa 16.
10. Hoffschmidt, B. (2014, Haziran 24). Receivers for Solar Tower Systems. Sayfa 19.
11. Hoffschmidt, B. (2014, Haziran 24). Receivers for Solar Tower Systems. Sayfa 21.
12. T24. (2013, Nisan 23). Mersin’de Türkiye’nin ilk güneş enerjisi kulesi kuruldu. http://t24.com.tr/haber/mersinde-turkiyenin-ilk-gunes-enerjisi-kulesi-kuruldu,228514 adresinden alınmıştır.
13. World Energy Council. (2016). World Energy Resources, Hydropower, 2016. Sayfa 5.
14. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı (2017, Temmuz). Elektrik. pr 5. http://www.enerji.gov.tr/tr-TR/Sayfalar/Elektrik adresinden alınmıştır.
15. NREL. (2017, Mart 20). Gemasolar Thermosolar Plant. https://www.nrel.gov/csp/solarpaces/project_detail.cfm/projectID=40 adresinden alınmıştır.

Yazar: Barış ALTUN

Buna da bakın

sosyal-medya

SOSYAL MEDYA TRENDLERİ

Gelişen teknoloji ve elimizden düşmeyen akıllı telefonlar sayesinde sosyal medyayı kullanmak hepimiz için kaçınılmaz oldu. …

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir