BİR STİRLİNG MOTORUNA GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZİ MAKİNE EĞİTİMİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ PDF Ücretsiz indirin
Bu analizde konsantrasyon oranı, ısıl kayıplar gibi güneģ kollektör tasarım parametrelerinin ve motor tasarım parametrelerinin güneģ enerji sisteminin verimi üzerine etkisini incelemiģlerdir [76]. Chen ve arkadaģları, bir Stirling motoru ve bir güneģ kollektöründen oluģan birleģik bir sistemin performansını belirlemek amacı ile bir model geliģtirmiģlerdir. Bu modeli kullanarak sistemin maksimum verimini ve güneģ kollektörünün optimum çalıģma sıcaklığını belirlemiģlerdir [77]. 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]. GüneĢ enerji kule sistemi [30] GüneĢ enerji kule sistemi, bir kule üzerine yerleģtirilen merkezi bir alıcı ve heliostat olarak adlandırılan özel aynalardan oluģmaktadır. Kule heliostatların merkezine yerleģtirilmiģ ve güneģ ıģınları kule üzerindeki merkezi alıcıya odaklanmaktadır. 68 Hareket Mekanizmaları Rhombic hareket mekanizması 1953 yılında Meijer tarafından icat edilen Rhombic hareket mekanizması [83] beta tipi Stirling motorlarında kullanılmaktadır [112].
John Ericsson 373 W gücünde küçük bir motora hareket vermek için 3,25 m 2 lik bir parabolik kollektör tasarlamıģ ve imal etmiģtir. Buhar direkt olarak güneģ kollektörünün içerisinde üretilmektedir yılında, Ericsson bir güneģ motorunu New York da sergilemiģtir. Bu sistemde 3,35 m uzunluğunda, 4,88 m geniģliğinde bir parabolik oluklu kollektör kullanılmıģtır. Sistemde güneģ ıģınları 15,88 cm çapında bir boruya odaklanmaktadır. Parabolik oluklu kollektörlerin odak noktasına cam kaplı tüpler yerleģtirmiģlerdir. GüneĢ kollektörleri alıcı tüplerin içerisinde 0,1 MPa doymuģ buhar üretmiģtir. Kollektörler 1250 m 2 toplam yüzey alanına sahiptir [31] 1936 yılında, Abbot 0,37 kw lık bir buhar motoru ve bir parabolik oluklu kollektör kullanarak güneģ enerjisini mekanik enerjiye dönüģtürmüģtür. Çevrimlik net iģlerin hesaplanmasında izotermal yaklaģım kullanılmıģtır. Her üç motorun aynı sıcak ve soğuk kaynak sıcaklıkları arasında çalıģtığı kabul edilmekte, süpürme hacimleri ve motor devirleri birbirine eģit alınmaktadır.
Krank mili 4140 ıslah çeliğinden tek parça halinde yapılmıģ ve 52 Rockwell C derecesinde sertleģtirilmiģtir. 82 Stirling Motorlarının Avantaj ve Dezavantajları Stirling motorlarının avantajları Motor çalıģmaya baģlamadan önce içeri ısı sürüldüğü için ilk harekete geçirilmeleri kolaydır. GüneĢ enerjisi, gaz yakıtlar, sıvı yakıtlar, fosil yakıtlar, bio-dizel yakıtlar, nükleer enerji, termal ısı kaynakları vb. Termik verimleri içten yanmalı motorlara kıyasla daha yüksektir. Isı dıģtan verildiği için yanmanın oluģturacağı kirlenmeden motor parçaları etkilenmemektedir. Ġçten yanmalı motorlarda olduğu gibi yanmadan kaynaklanan ani basınç yükselmeleri olmadığından hareketli motor parçaları zarar görmemektedir. Ġçten yanmalı motorlara göre yardımcı sistemlerin az oluģu imalat kolaylığı ve ekonomi sağlar.
BirleĢik güç sistemlerinin enerji çıkıģının mevcut sisteminin güç seviyesinin maksimum %65 i kadar olduğunu belirlemiģlerdir [24]. Cucumo ve arkadaģları (2005), Calabria Üniversitesinde yer alan 3 kw kapasiteli bir fotovoltaik sistemin performansını incelemiģlerdir. Sistemin verimi, deney parametrelerine bağlı olarak %2,9-%9,2 arasında değiģim göstermiģtir [25]. Li ve arkadaģları (2005), Hong Kong ġehir Ünivercasinomhub giriş adresi nde kurulan küçük ölçekli bir fotovoltaik sistemin verim ve performans karakteristiklerini incelemiģlerdir. GüneĢ ve fotovoltaik sistem tarafından üretilen güç verileri sistematik olarak kayıt edilmiģtir. Kasım, Aralık, Ocak ve ġubat aylarında sistemin ortalama günlük verimleri sırası ile %9,7; %8,7; 9,6 ve %9,4 olarak elde etmiģtir [26].
Pasumarthi ve Sherif güneģ bacasının performans karakteristiklerini belirlemek için hava hızı, hava sıcaklığı ve güneģ bacasının çıkıģ gücü üzerine değiģik parametrelerin etkilerini inceleyen bir matematik model geliģtirmiģlerdir [43]. Pasumarthi ve Sherif tarafından gerçekleģtirilen diğer bir çalıģmada ise üç farklı kollektör yapısına sahip güneģ bacası üzerinde teorik ve deneysel çalıģmalar yapılmıģtır. Farklı uzaklıklarda üç farklı kollektör tipi için kollektör altındaki hava sıcaklığı ayrı ayrı ölçülmüģ ve sonuçları matematik modelle karģılaģtırmıģlardır [44]. Manivela Böhler K100 soğuk iģ takım çeliğinden tek parça halinde yapılmıģtır. Manivela kolları mukavemeti artırmak ve ağırlığı azaltmak için I Ģeklinde iģlenmiģtir. Krank kol muylusuna kolay bir Ģekilde bağlayabilmek için slot yatağı iki parçalı yapılmıģtır. Manivela motor bloğu içerisindeki yağa çarparak motor parçalarını yağlamaktadır. Manivela motor bloğuna bir mil vasıtası ile yataklandırılmıģtır [111]. Yer değiģtirme pistonu Resim 7.6 da yer değiģtirme pistonu görülmektedir. Yer değiģtirme pistonu paslanmaz çelik boru ASTM 304 malzemeden imal edilmiģtir.
- Kol muylusu C noktasından D’ ye giderken soğuk silindirin pistonu AÖN ya doğru, sıcak silindirin pistonu ise ÜÖN ya doğru hareket etmektedir.
- 79 59 ġekil 3.26 da çalıģma maddesi olarak helyum kullanan bir Stirling motorunun farklı Ģarj basınçlarında gürültü seviyesi değiģimleri görülmektedir.
ÇalıĢma maddesi ısı eģanjörlerinden geçtikten sonra güneģ kollektörlerindeki alıcılara gönderilmekte ve çevrim yeniden baģlamaktadır [30]. Resim 2.1 de parabolik oluklu güneģ enerji sisteminin resmi görülmektedir. Kullanılarak 1 bar Ģarj basıncında motorların çevrimlik iģleri belirlenmiģtir. Manivela, krank ve Rhombic hareket mekanizmalı motorların çevrimlik iģleri sırası ile 10,87 J, 8,46 ve 8,47 J olarak elde edilmiģtir. Manivela hareket mekanizmalı motorun üst basıncının düģük olması nedeni ile çalıģma maddesi kaçakları azalmakta ve motorun çevrimlik iģi diğer iki motora göre daha yüksek olmaktadır. Kütle geçiģlerinin sebep olduğu enerji kayıpları motor gücünü düģürmekte ve ilk hareket için daha yüksek ısıtıcı sıcaklığını gerektirmektedir. Manivelalı, Rhombic ve Krank tahrikli motorların aynı Ģarj basıncında p-v diyagramlarının karģılaģtırılması ġekil 4.8 de 2 bar Ģarj basıncında çalıģma boģluğuna bağlı olarak çevrimlik iģin değiģimi görülmektedir. Ġekilde görüldüğü gibi, piston boyu uzadıkça çevrimlik iģ artmaktadır. ÇalıĢma boģluğu 0,03 mm nin üzerinde olduğu zaman segman kullanmak gerekmektedir. Buna ilaveten, çalıģma boģluğunun 0,03 mm nin üzerinde verilmesinin önemli bir faydası görülmemektedir. 66 46 Serbest pistonlu Stirling motorları Serbest pistonlu motorlar ilk defa 1960 lı yıllarda Ohio Ünivermostbet giriş nde Prof. Beale tarafından tasarlanmıģtır [ ]. Tasarım olarak beta tipi Stirling motorlarına benzeyen serbest pistonlu motorlar, sızdırmazlık problemlerini azaltmak için geliģtirilmiģtir [108].
Parlak ve arkadaģları (2009) gama tipi bir Stirling motorunun termodinamik analizini Urielli ve Berchowitz in çalıģmalarında kullandığı yarı kararlı akıģ (quasi-steady flow) yaklaģımını kullanarak gerçekleģtirmiģlerdir. Stirling motoru sıkıģtırma, geniģleme, soğutucu, ısıtıcı ve rejeneratör olmak üzere beģ hacme bölünmüģtür. Kütle ve enerjinin korunumu yasası kullanılarak beģ hacim bölgesindeki basınç, sıcaklık ve kütle değiģimleri Fortran programında yazılan bir kod yardımıyla hesaplanmıģtır. Bu model ile motorun termal verimi %25 olarak elde edilmiģtir [133] Manivela Hareket Mekanizmalı Motorun ÇalıĢma Prensibi ġekil 4.2 de manivela hareket mekanizmalı bir Stirling motorunun parçaları ve kısımları tanıtılmaktadır. Motor; bir güç pistonu, bir yer değiģtirme pistonu, bir manivela, deveboynu Ģeklinde eğri bir yer değiģtirme pistonu biyeli, iki parçalı bir piston biyeli, bir krank mili ve motor bloğundan oluģmaktadır. 24 4 Stirling ya da Brayton çevrimi ile çalıģan ısı makineleri kullanılmaktadır [13]. Bu ısı makineleri arasında Stirling motoru en yaygın olanıdır [14]. Fotovoltaik piller, yüzeylerine gelen güneģ ıģınlarını doğrudan elektrik enerjisine dönüģtüren yarı iletken maddelerdir.
