B?R ST?RL?NG MOTORUNA GÜNE? ENERJ?S? UYGULANMASI Fatih AKSOY DOKTORA TEZ? MAK?NE E??T?M? GAZ? ÜN?VERS?TES? FEN B?L?MLER? ENST?TÜSÜ PDF Ücretsiz indirin
Bu bas?nç fark?n?n etkisi ile yer de?i?tirme pistonu a?a??ya do?ru itilir ve so?uk hacimdeki çal??ma maddesinin s?cak hacme aktar?lmas? sa?lan?r [84, 111]. Serbest pistonlu Stirling motorlar? lineer bir alternatörle elektrik üretimi, ?s? pompas? veya so?utma makinesi olarak kullan?labilmektedir [111]. Serbest pistonlu Stirling motorlar? basit mekanik tasar?m, dü?ük a??nt?, yüksek enerji dönü?üm verimi, kolay ilk hareket, yüksek performans, uzun ömür ve dü?ük maliyet gibi avantajlara sahiptir [108, 109]. Ç?k?? gücünün dairesel olarak al?namamas? pompa ve kompresör gibi sistemlerde kullan?m?nda bir dezavantaj olarak ortaya ç?kmaktad?r [108]. 60 40 Beta tipi Stirling motorlar? Tek etkili beta (?) tipi motorlarda çevrim ayn? silindir içerisinde çal??an bir güç ve bir yer de?i?tirme pistonu taraf?ndan gerçekle?tirilmektedir. Krank biyel mekanizmas? ile hareket iletimi sa?layan beta tipi Stirling motorlar? rejeneratör yer de?i?tirme pistonlu (Stirling) ve d??tan rejeneratörlü (Rankine-Napier) olmak üzere iki grupta s?n?fland?r?lmaktad?r. Rejeneratör yer de?i?tirme pistonlu Stirling motoru 1816 y?l?nda Robert Stirling taraf?ndan ilk olarak uygulanm??t?r. Rankine-Napier tipi olarak bilinen d??tan rejeneratörlü stirling motorlar?nda ayr? bir rejeneratör kullan?ld??? için ölü hacim artm??t?r [83]. ?ekil 3.8 de krank-biyel hareket mekanizmal? beta (?) tipi Stirling motorlar? görülmektedir. Krank-biyel mekanizmal? beta (?) tipi Stirling motorlar? [103] ?ekil 3.9 da tek etkili beta (?) tipi Stirling motorunun ?ematik resmi görülmektedir. Beta tipi Stirling motorlar?nda yer de?i?tirme pistonun kuyru?u güç pistonunun ortas?ndan geçmektedir.
Pasumarthi ve Sherif güne? bacas?n?n performans karakteristiklerini belirlemek için hava h?z?, hava s?cakl??? ve güne? bacas?n?n ç?k?? gücü üzerine de?i?ik parametrelerin etkilerini inceleyen bir matematik model geli?tirmi?lerdir [43]. Pasumarthi ve Sherif taraf?ndan gerçekle?tirilen di?er bir çal??mada ise üç farkl? kollektör yap?s?na sahip güne? bacas? üzerinde teorik ve deneysel çal??malar yap?lm??t?r. Farkl? uzakl?klarda üç farkl? kollektör tipi için kollektör alt?ndaki hava s?cakl??? ayr? ayr? ölçülmü? ve sonuçlar? matematik modelle kar??la?t?rm??lard?r [44]. Manivela Böhler K100 so?uk i? tak?m çeli?inden tek parça halinde yap?lm??t?r. Manivela kollar? mukavemeti art?rmak ve a??rl??? azaltmak için I ?eklinde i?lenmi?tir. Krank kol muylusuna kolay bir ?ekilde ba?layabilmek için slot yata?? iki parçal? yap?lm??t?r. Manivela motor blo?u içerisindeki ya?a çarparak motor parçalar?n? ya?lamaktad?r. Manivela motor blo?una bir mil vas?tas? ile yatakland?r?lm??t?r [111]. Yer de?i?tirme pistonu Resim 7.6 da yer de?i?tirme pistonu görülmektedir. Yer de?i?tirme pistonu paslanmaz çelik boru ASTM 304 malzemeden imal edilmi?tir.
- Çal??ma maddesinin hemen hemen tamam? so?uk silindir içerisinde s?k??t?r?ld???ndan, so?uk silindirin cidarlar?na ?s? vererek sabit s?cakl?kta durum de?i?imi sa?lanmaktad?r.
- Rankine-Napier tipi olarak bilinen d??tan rejeneratörlü stirling motorlar?nda ayr? bir rejeneratör kullan?ld??? için ölü hacim artm??t?r [83].
- ?ekil 3.8 de krank-biyel hareket mekanizmal? beta (?) tipi Stirling motorlar? görülmektedir.
- Buna ilaveten, süpürme hacim oran?n?n artmas? ile i? belirli bir de?ere kadar art?? göstermekte ve daha sonra azalmaktad?r [131].
Bu sebeple yer de?i?tirme pistonunun AÖN’ da sabit kald??? kabul edilmektedir. Güç pistonu ise AÖN’ ya do?ru krank çap?na yak?n bir mesafe kat ederek i? zaman?n? gerçekle?tirir. ??lem esnas?nda çal??ma maddesi hem geni?leyerek i? yapmakta hem de ?s?tmaso?utma kanal?ndan geçerken ?s? almaktad?r. Bu i?lemde çal??ma maddesinin s?cakl???n?n sabit kald??? kabul edilmektedir. Biyel muylusu C noktas?na vard???nda çal??ma maddesinin yar?s? s?cak hacimde di?er yar?s? güç silindirinde bulunmaktad?r. Çal??ma maddesinin tamam?n?n s?cakl??? s?cak kaynak s?cakl???na yak?nd?r [83, 94, 105, 106]. Biyel muylusu C noktas?ndan D noktas?na do?ru giderken, güç pistonu AÖN civar?nda sabit kabul edilebilir.
Is? e?anjöründen ç?kan çal??ma maddesi dü?ük s?cakl?k depolama tank?nda depo edilir. Böylece çal??ma maddesi yeniden ?s?tmak için al?c?ya gönderilir. Bu sayede güne? ?????n?n olmad??? zamanlarda da sürekli güç üretimi sa?lanabilmektedir [50]. Francia (1967) ?talya da Genova üniversitesinde bir merkezi al?c? sistemin pilot modelini geli?tirmi?tir. Bu sistemde, kulenin üzerindeki yakla??k 650 C s?cakl?kta buhar üreten bir al?c?ya, güne? radyasyonunu yans?tmak için 271 heliostat kullan?lm??t?r [12]. Georgia Teknoloji Enstitüsü nde, 400 kw kapasiteli bir sistem test edilmi?tir. Bu sistem toplam 532 m 2 toplam alana sahip ve her biri 111 cm çap?nda 550 heliostattan olu?maktad?r. Kule 21,3 m uzunlu?unda ve heliostatlar?n merkezine yerle?tirilmi?tir. Deneysel ve analiz sonuçlar? incelendi?inde sistemin net enerji dönü?üm verimleri s?ras? ile %22,5 ve %19,1 olarak elde edilmi?tir [73]. Alaphilippe ve arkada?lar?, aç?k sistem Ericsson motoru ve bir parabolik kollektör çiftinden olu?an bir sistemi modellemi?lerdir. Sistem, 6,5 m 2 güne? kollektör alan?, 0,6 kollektör optik verimi ve 1000 W/m 2 güne? radyasyonu için 733 W maksimum ç?k?? gücü üretmi?tir [74]. Kaushika ve Reddy, parabolik kollektördeki malzeme ve tasar?mdaki son geli?meleri göz önünde bulundurarak dü?ük maliyetli bir güne? buhar üretim sisteminin tasar?m?, geli?imi ve performans karakteristiklerini incelemi?lerdir.
Krank mili 4140 ?slah çeli?inden tek parça halinde yap?lm?? ve 52 Rockwell C derecesinde sertle?tirilmi?tir. 82 Stirling Motorlar?n?n Avantaj ve Dezavantajlar? Stirling motorlar?n?n avantajlar? Motor çal??maya ba?lamadan önce içeri ?s? sürüldü?ü için ilk harekete geçirilmeleri kolayd?r. Güne? enerjisi, gaz yak?tlar, s?v? yak?tlar, fosil yak?tlar, bio-dizel yak?tlar, nükleer enerji, termal ?s? kaynaklar? vb. Termik verimleri içten yanmal? motorlara k?yasla daha yüksektir. Is? d??tan verildi?i için yanman?n olu?turaca?? kirlenmeden motor parçalar? etkilenmemektedir. ?çten yanmal? motorlarda oldu?u gibi yanmadan kaynaklanan ani bas?nç yükselmeleri olmad???ndan hareketli motor parçalar? zarar görmemektedir. ?çten yanmal? motorlara göre yard?mc? sistemlerin az olu?u imalat kolayl??? ve ekonomi sa?lar.
Resim 5.1 de manivela hareket mekanizmal? Stirling motoru ve aynadan olu?an sistemin resmi görülmektedir. Bu sistemde 1,7 m çap?nda ayna kullan?larak güne? enerjisi 0,25-0,35 m uzunlu?unda yer de?i?tirme silindiri d?? yüzeyine odaklanmaktad?r. Deneylerde, 2 bar ?arj bas?nc?nda çal??ma maddesi olarak helyum kullan?larak 344 dev/dk motor devrinde 23,59 W motor gücü elde edilmi?tir. Bu sistemin verimi geri yans?ma ve radyasyon kay?plar? nedeniyle oldukça dü?ük elde edilmi?tir [143]. ?ekil 5.3 de görüldü?ü gibi, güne? ???nlar? kaviti iç yüzeyine odaklayarak güne? enerjisinin geri yans?ma ve radyasyon kay?plar? minimize edilmeye çal???lm??t?r. 90 70 Senft (2002) Schmidt analiz metodunu kullanarak gama tipi bir Stirling motorunun termodinamik analizini gerçekle?tirmi?tir. Optimum ko?ullarda; süpürme hacim oran?, ölü hacim ve faz aç?s?n?n motor ç?k?? gücüne etkisini incelemi?lerdir. 0,5 s?cakl?k oran?, 0,75 süpürme hacim oran?, 0,5 mekanik verim ve 0,5 ölü hacim oran? için maksimum i? faz aç?s? aras?nda elde edilmi?tir. Buna ilaveten, süpürme hacim oran?n?n artmas? ile i? belirli bir de?ere kadar art?? göstermekte ve daha sonra azalmaktad?r [131]. Kongtragool ve Wongwises (2006) izotermal analiz metodu kullanarak so?uk, s?cak ve rejeneratördeki ölü hacimlerinin bir Stirling motorunun performans?na etkilerini incelemi?lerdir. Net i?in yaln?zca ölü hacimlere ba?l? oldu?unu, ?s? giri?i ve motor veriminin ise hem rejeneratör verimine hem de ölü hacimlere ba?l? oldu?unu belirtmi?lerdir. Ölü hacmin artmas? ve rejeneratör veriminin azalmas? ile motor verimi azalm??t?r [132].
Çal??ma maddesi ?s? e?anjörlerinden geçtikten sonra güne? kollektörlerindeki al?c?lara gönderilmekte ve çevrim yeniden ba?lamaktad?r [30]. Resim 2.1 de parabolik oluklu güne? enerji sisteminin resmi görülmektedir. Kullan?larak 1 bar ?arj bas?nc?nda motorlar?n çevrimlik i?leri belirlenmi?tir. Manivela, krank ve Rhombic hareket mekanizmal? motorlar?n çevrimlik i?leri s?ras? ile 10,87 J, 8,46 ve 8,47 J olarak elde edilmi?tir. Manivela hareket mekanizmal? motorun üst bas?nc?n?n dü?ük olmas? nedeni ile çal??ma maddesi kaçaklar? azalmakta ve motorun çevrimlik i?i di?er iki motora göre daha yüksek olmaktad?r. Kütle geçi?lerinin sebep oldu?u enerji kay?plar? motor gücünü dü?ürmekte ve ilk hareket için daha yüksek ?s?t?c? s?cakl???n? gerektirmektedir. Manivelal?, Rhombic ve Krank tahrikli motorlar?n ayn? ?arj bas?nc?nda p-v diyagramlar?n?n kar??la?t?r?lmas? ?ekil 4.8 de 2 bar ?arj bas?nc?nda çal??ma bo?lu?una ba?l? olarak çevrimlik i?in de?i?imi görülmektedir. ?ekilde görüldü?ü gibi, piston boyu uzad?kça çevrimlik i? artmaktad?r. Çal??ma bo?lu?u 0,03 mm nin üzerinde oldu?u zaman segman kullanmak gerekmektedir. Buna ilaveten, çal??ma bo?lu?unun 0,03 mm nin üzerinde verilmesinin önemli bir faydas? görülmemektedir. 66 46 Serbest pistonlu Stirling motorlar? Serbest pistonlu motorlar ilk defa 1960 l? y?llarda Ohio Üniverhttps://Paribahis-tr.site/ nde Prof. Beale taraf?ndan tasarlanm??t?r [ ]. Tasar?m olarak beta tipi Stirling motorlar?na benzeyen serbest pistonlu motorlar, s?zd?rmazl?k problemlerini azaltmak için geli?tirilmi?tir [108].
So?uk hacim güç pistonu ile yer de?i?tirme pistonu aras?nda, s?cak hacim ise yer de?i?tirme pistonunun üst taraf?nda bulunmaktad?r. S?cak hacmin güç pistonu ile yer de?i?tirme pistonu aras?nda, so?uk hacmin yer de?i?tirme pistonunun üst taraf?nda bulundu?u motor tipleri de görülmektedir. Burada motorun çal??mas? aç?klan?rken birinci hal göz önünde bulundurulacakt?r. Fiat-Lux program? ile elde edilen veriler ölçümler sonucunda elde edilen sonuçlarla uyumlu bulunmu?tur [56]. Caldes ve arkada?lar? ?spanya da mevcut 50 MW ve 17 MW kapasiteli güne? enerji sistemlerinin ve 2010 y?l?na kadar 500 MW kapasiteye ula?mas? beklenen güne? enerji sistemlerinin, sosyo-ekonomik etkilerini incelemi?lerdir [57]. Wei ve arkada?lar? güne? enerji kule sisteminde heliostatlar?n yerle?im alan?n?n tasar?m? için yeni bir metot geli?tirmi?lerdir. Bu yeni metotta, heliostat s?n?r?n? al?c?n?n geometrik aç?kl??? ve verim faktörüne ba?l? olarak belirlenmi?tir. Heliostat yerle?im alan dizayn? için yeni bir kod geli?tirilmi?tir.
??lemin neticesinde güç pistonunun tepesi ile yer de?i?tirme pistonunun ete?i aras?nda birbirine temas etmeyecek kadar küçük bir bo?luk kalacakt?r. Yer de?i?tirme pistonu muylusu D noktas?na geldi?inde yer de?i?tirme pistonunun ete?i ve güç pistonunun tepesi 4 noktas?nda olacakt?r. Güç pistonu ve yer de?i?tirme pistonunun bu pozisyonunda çal??ma maddesinin hemenhemen tamam? s?cak hacimde s?k??t?r?lm??, yüksek bas?nç ve s?cakl?kta i? yapmaya haz?r bulunmaktad?r [84, 104]. Yer de?i?tirme pistonu muylusu D noktas?ndan A noktas?na giderken yer de?i?tirme pistonu AÖN civar?nda sabit kalacak, güç pistonu kendi kursunun yar?s?ndan fazla AÖN’ya do?ru hareket ederek i? zaman?n?n gerçekle?tirecektir. Parabolik ayna/?s?-motoru sistemi [60] 1978 y?l?nda k?rsal alanlarda uygulanmak üzere 1 ve 1,9 kw gücünde güne? enerjili motorlar geli?tirilmi?tir [61]. 1 ve 1,9 kw gücündeki motorlardan s?ras? ile %5,5 ve %5,7 termal verim elde edilmi?tir [61] y?l?nda Fujita ve arkada?lar?, üç farkl? ayna/?s?-motoru güne? enerji sisteminin performanslar?n? kar??la?t?rm??t?r. Sistemlerde bir Stirling motoru, bir Brayton çevrimi ile çal??an gaz türbini ve bir Brayton/Rankin birle?ik çevrimi ile çal??an gaz türbini test edilmi?tir. Stirling motorunun verimi 950 ºC nin alt?ndaki s?cakl?klarda di?er motorlara göre daha yüksek de?erdedir.