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

Bu basınç farkının etkisi ile yer değiģtirme pistonu aģağıya doğru itilir ve soğuk hacimdeki çalıģma maddesinin sıcak hacme aktarılması sağlanır [84, 111]. Serbest pistonlu Stirling motorları lineer bir alternatörle elektrik üretimi, ısı pompası veya soğutma makinesi olarak kullanılabilmektedir [111]. Serbest pistonlu Stirling motorları basit mekanik tasarım, düģük aģıntı, yüksek enerji dönüģüm verimi, kolay ilk hareket, yüksek performans, uzun ömür ve düģük maliyet gibi avantajlara sahiptir [108, 109]. ÇıkıĢ gücünün dairesel olarak alınamaması pompa ve kompresör gibi sistemlerde kullanımında bir dezavantaj olarak ortaya çıkmaktadır [108]. 60 40 Beta tipi Stirling motorları Tek etkili beta (β) tipi motorlarda çevrim aynı silindir içerisinde çalıģan bir güç ve bir yer değiģtirme pistonu tarafından gerçekleģtirilmektedir. Krank biyel mekanizması ile hareket iletimi sağlayan beta tipi Stirling motorları rejeneratör yer değiģtirme pistonlu (Stirling) ve dıģtan rejeneratörlü (Rankine-Napier) olmak üzere iki grupta sınıflandırılmaktadır. Rejeneratör yer değiģtirme pistonlu Stirling motoru 1816 yılında Robert Stirling tarafından ilk olarak uygulanmıģtır. Rankine-Napier tipi olarak bilinen dıģtan rejeneratörlü stirling motorlarında ayrı bir rejeneratör kullanıldığı için ölü hacim artmıģtır [83]. Ġekil 3.8 de krank-biyel hareket mekanizmalı beta (β) tipi Stirling motorları görülmektedir. Krank-biyel mekanizmalı beta (β) tipi Stirling motorları [103] ġekil 3.9 da tek etkili beta (β) tipi Stirling motorunun Ģematik resmi görülmektedir. Beta tipi Stirling motorlarında yer değiģtirme pistonun kuyruğu güç pistonunun ortasından geçmektedir.

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.

• ÇalıĢma maddesinin hemen hemen tamamı soğuk silindir içerisinde sıkıģtırıldığından, soğuk silindirin cidarlarına ısı vererek sabit sıcaklıkta durum değiģimi sağlanmaktadır.
• Rankine-Napier tipi olarak bilinen dıģtan rejeneratörlü stirling motorlarında ayrı bir rejeneratör kullanıldığı için ölü hacim artmıģtır [83].
• Ġekil 3.8 de krank-biyel hareket mekanizmalı beta (β) tipi Stirling motorları görülmektedir.
• Buna ilaveten, süpürme hacim oranının artması ile iģ belirli bir değere kadar artıģ göstermekte ve daha sonra azalmaktadır [131].

Bu sebeple yer değiģtirme pistonunun AÖN’ da sabit kaldığı kabul edilmektedir. Güç pistonu ise AÖN’ ya doğru krank çapına yakın bir mesafe kat ederek iģ zamanını gerçekleģtirir. ĠĢlem esnasında çalıģma maddesi hem geniģleyerek iģ yapmakta hem de ısıtmasoğutma kanalından geçerken ısı almaktadır. Bu iģlemde çalıģma maddesinin sıcaklığının sabit kaldığı kabul edilmektedir. Biyel muylusu C noktasına vardığında çalıģma maddesinin yarısı sıcak hacimde diğer yarısı güç silindirinde bulunmaktadır. ÇalıĢma maddesinin tamamının sıcaklığı sıcak kaynak sıcaklığına yakındır [83, 94, 105, 106]. Biyel muylusu C noktasından D noktasına doğru giderken, güç pistonu AÖN civarında sabit kabul edilebilir.

Isı eģanjöründen çıkan çalıģma maddesi düģük sıcaklık depolama tankında depo edilir. Böylece çalıģma maddesi yeniden ısıtmak için alıcıya gönderilir. Bu sayede güneģ ıģığının olmadığı zamanlarda da sürekli güç üretimi sağlanabilmektedir [50]. Francia (1967) Ġtalya da Genova üniversitesinde bir merkezi alıcı sistemin pilot modelini geliģtirmiģtir. Bu sistemde, kulenin üzerindeki yaklaģık 650 C sıcaklıkta buhar üreten bir alıcıya, güneģ radyasyonunu yansıtmak için 271 heliostat kullanılmıģtır [12]. Georgia Teknoloji Enstitüsü nde, 400 kw kapasiteli bir sistem test edilmiģtir. Bu sistem toplam 532 m 2 toplam alana sahip ve her biri 111 cm çapında 550 heliostattan oluģmaktadır. Kule 21,3 m uzunluğunda ve heliostatların merkezine yerleģtirilmiģtir. Deneysel ve analiz sonuçları incelendiğinde sistemin net enerji dönüģüm verimleri sırası ile %22,5 ve %19,1 olarak elde edilmiģtir [73]. Alaphilippe ve arkadaģları, açık sistem Ericsson motoru ve bir parabolik kollektör çiftinden oluģan bir sistemi modellemiģlerdir. Sistem, 6,5 m 2 güneģ kollektör alanı, 0,6 kollektör optik verimi ve 1000 W/m 2 güneģ radyasyonu için 733 W maksimum çıkıģ gücü üretmiģtir [74]. Kaushika ve Reddy, parabolik kollektördeki malzeme ve tasarımdaki son geliģmeleri göz önünde bulundurarak düģük maliyetli bir güneģ buhar üretim sisteminin tasarımı, geliģimi ve performans karakteristiklerini incelemiģlerdir.

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.

Resim 5.1 de manivela hareket mekanizmalı Stirling motoru ve aynadan oluģan sistemin resmi görülmektedir. Bu sistemde 1,7 m çapında ayna kullanılarak güneģ enerjisi 0,25-0,35 m uzunluğunda yer değiģtirme silindiri dıģ yüzeyine odaklanmaktadır. Deneylerde, 2 bar Ģarj basıncında çalıģma maddesi olarak helyum kullanılarak 344 dev/dk motor devrinde 23,59 W motor gücü elde edilmiģtir. Bu sistemin verimi geri yansıma ve radyasyon kayıpları nedeniyle oldukça düģük elde edilmiģtir [143]. Ġekil 5.3 de görüldüğü gibi, güneģ ıģınları kaviti iç yüzeyine odaklayarak güneģ enerjisinin geri yansıma ve radyasyon kayıpları minimize edilmeye çalıģılmıģtır. 90 70 Senft (2002) Schmidt analiz metodunu kullanarak gama tipi bir Stirling motorunun termodinamik analizini gerçekleģtirmiģtir. Optimum koģullarda; süpürme hacim oranı, ölü hacim ve faz açısının motor çıkıģ gücüne etkisini incelemiģlerdir. 0,5 sıcaklık oranı, 0,75 süpürme hacim oranı, 0,5 mekanik verim ve 0,5 ölü hacim oranı için maksimum iģ faz açısı arasında elde edilmiģtir. Buna ilaveten, süpürme hacim oranının artması ile iģ belirli bir değere kadar artıģ göstermekte ve daha sonra azalmaktadır [131]. Kongtragool ve Wongwises (2006) izotermal analiz metodu kullanarak soğuk, sıcak ve rejeneratördeki ölü hacimlerinin bir Stirling motorunun performansına etkilerini incelemiģlerdir. Net iģin yalnızca ölü hacimlere bağlı olduğunu, ısı giriģi ve motor veriminin ise hem rejeneratör verimine hem de ölü hacimlere bağlı olduğunu belirtmiģlerdir. Ölü hacmin artması ve rejeneratör veriminin azalması ile motor verimi azalmıģtır [132].

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 Üniverhttps://Paribahis-tr.site/ nde Prof. Beale tarafından tasarlanmıģtır [ ]. Tasarım olarak beta tipi Stirling motorlarına benzeyen serbest pistonlu motorlar, sızdırmazlık problemlerini azaltmak için geliģtirilmiģtir [108].

Soğuk hacim güç pistonu ile yer değiģtirme pistonu arasında, sıcak hacim ise yer değiģtirme pistonunun üst tarafında bulunmaktadır. Sıcak hacmin güç pistonu ile yer değiģtirme pistonu arasında, soğuk hacmin yer değiģtirme pistonunun üst tarafında bulunduğu motor tipleri de görülmektedir. Burada motorun çalıģması açıklanırken birinci hal göz önünde bulundurulacaktır. Fiat-Lux programı ile elde edilen veriler ölçümler sonucunda elde edilen sonuçlarla uyumlu bulunmuģtur [56]. Caldes ve arkadaģları Ġspanya da mevcut 50 MW ve 17 MW kapasiteli güneģ enerji sistemlerinin ve 2010 yılına kadar 500 MW kapasiteye ulaģması beklenen güneģ enerji sistemlerinin, sosyo-ekonomik etkilerini incelemiģlerdir [57]. Wei ve arkadaģları güneģ enerji kule sisteminde heliostatların yerleģim alanının tasarımı için yeni bir metot geliģtirmiģlerdir. Bu yeni metotta, heliostat sınırını alıcının geometrik açıklığı ve verim faktörüne bağlı olarak belirlenmiģtir. Heliostat yerleģim alan dizaynı için yeni bir kod geliģtirilmiģtir.

ĠĢlemin neticesinde güç pistonunun tepesi ile yer değiģtirme pistonunun eteği arasında birbirine temas etmeyecek kadar küçük bir boģluk kalacaktır. Yer değiģtirme pistonu muylusu D noktasına geldiğinde yer değiģtirme pistonunun eteği ve güç pistonunun tepesi 4 noktasında olacaktır. Güç pistonu ve yer değiģtirme pistonunun bu pozisyonunda çalıģma maddesinin hemenhemen tamamı sıcak hacimde sıkıģtırılmıģ, yüksek basınç ve sıcaklıkta iģ yapmaya hazır bulunmaktadır [84, 104]. Yer değiģtirme pistonu muylusu D noktasından A noktasına giderken yer değiģtirme pistonu AÖN civarında sabit kalacak, güç pistonu kendi kursunun yarısından fazla AÖN’ya doğru hareket ederek iģ zamanının gerçekleģtirecektir. Parabolik ayna/ısı-motoru sistemi [60] 1978 yılında kırsal alanlarda uygulanmak üzere 1 ve 1,9 kw gücünde güneģ enerjili motorlar geliģtirilmiģtir [61]. 1 ve 1,9 kw gücündeki motorlardan sırası ile %5,5 ve %5,7 termal verim elde edilmiģtir [61] yılında Fujita ve arkadaģları, üç farklı ayna/ısı-motoru güneģ enerji sisteminin performanslarını karģılaģtırmıģtır. 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.