YILDIZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİMAKİNA MÜHENDİSLİĞİ BÖLÜMÜ

KOMBİNE ÇEVRİM SANTRALLERİ

VE

GÜNEŞ ENERJİSİ HİBRİTLEMESİ

(Integrated Solar Combined Cycle)

09065108 Derman DUMAN

Hidromekanik ve Hidrolik Makinalar Anabilim Dalı

LİSANS BİTİRME TEZİ

Tez Danışmanı: Doç. Dr. Burhanettin ÇETİN

İSTANBUL, 2013

i

İçindekilerÖzet......................................................................................................................................... 1

Önsöz ...................................................................................................................................... 2

Giriş ........................................................................................................................................ 3

Hibritleme Seçenekleri ........................................................................................................... 6

Hibrit Santraller ...................................................................................................................... 7

Brayton Çevrimi Güneş Enerjisi Hibritlemesi...................................................................... 13

Simulasyon Araçları ............................................................................................................. 18

Güneş Kulesi TRNSYS Modeli............................................................................................ 19

Güneş Kulesi Simulasyon Sonuçları .................................................................................... 20

Hibritleme Konsepti ............................................................................................................. 23

Ambarlı Kombine Çevrim Santrali Thermoflex Modeli ...................................................... 24

SONUÇLAR......................................................................................................................... 32

Kaynakça .............................................................................................................................. 33

ii

Şekil Listesi

Şekil 1 Türkiyenin Güneş Enerjisi Potansiyeli .......................................................................... 3Şekil 2 Türkiye'nin 2050 yılı Enerji Kaynakları ........................................................................ 4Şekil 3 Elektrik Üretim Yöntemlerinin Payları (2050) ............................................................. 4Şekil 4 Güneş Enerjisi Teknolojileri Karşılaştırma.................................................................... 5Şekil 5 Güneş Enerjisi Teknolojileri Karşılaştırma 2................................................................. 6Şekil 6 Rankine Çevrimi Hibritleme Opsiyonları ...................................................................... 6Şekil 7 ISCC............................................................................................................................... 7Şekil 8 Cameo Santrali ............................................................................................................... 7Şekil 9 Fichtner Konsepti ........................................................................................................... 8Şekil 10 Termal Depo ile Elektrik Üretimi ................................................................................ 9Şekil 11 Phoebius Konsepti........................................................................................................ 9Şekil 12 Archimede Projesi...................................................................................................... 10Şekil 13 Solugas Konsepti........................................................................................................ 11Şekil 14 Soluga Combine Cycle............................................................................................... 12Şekil 15 Solugas Gas Türbini................................................................................................... 12Şekil 16 :Hibrit Brayton Çevrimin Trnsys modeli ................................................................... 13Şekil 17: Bütün 1 yılın analizi.................................................................................................. 13Şekil 18: DNI değerleri ............................................................................................................ 14Şekil 19:Kulede Yoğunlaşan Isıl Enerji ................................................................................... 14Şekil 20: Elektrik Üretimi ........................................................................................................ 15Şekil 21: Tüketilen Yakıt Debisi .............................................................................................. 15Şekil 22: DNI ve Yakıt Debisi ................................................................................................. 16Şekil 23: Receiver Çıkışı ve Yanma Odası Çıkışı Sıcaklıkları ................................................ 16Şekil 24: Dört günlük veriler.................................................................................................... 17Şekil 25:Yıllık simulasyon sonuçları ....................................................................................... 20Şekil 26: 21 Mart DNI ve Net Güç ........................................................................................ 20Şekil 27: 21 Mart Sıcaklık ve Nem .......................................................................................... 21Şekil 28: 21 Haziran DNI ve Net Güç...................................................................................... 21Şekil 29: 23 Eylül DNI ve Net Güç.......................................................................................... 22Şekil 30: 21 Aralık DNI,Net Güç,Sıcaklık ve Bağıl Nem ....................................................... 22Şekil 31: Konsept ..................................................................................................................... 23Şekil 32: Ambarlı Santrali Thermoflex Modeli ....................................................................... 24

1

Özetİnsanoğlu teknolojik gelişmeyle birlikte elektriğe bağımlı hale gelmiştir.Elektrik üretimi isekarbondioksit emisyonlarının temel kaynağı olarak dolaylı yoldan küresel ısınmaya sebepolmaktadır.Dünya nüfusu ve ekonomisi büyümeye devam ettikçe elektriğe olan talep de artışgösterecektir.Fosil yakıtlar ,elektrik üretiminde birincil kaynaklar olmakla beraber, ağırçevresel etkiler,sürdürülemezlik ve milli güvenlik riski gibi sakıncalar taşımaktadır.Yine defosil yakıtlar , yüksek enerji yoğunlukları ve sürekli elektrik üretimi için güvenilir olmalarısebebiyle değerli bir enerji kaynağı olmaya devam edecektir.Yakın gelecekte ise fosilyakıtların yerini güneş enerjisi gibi alternatif enerji kaynaklarının alacağı 2050 senaryolarındaöngörülmektedir.Güneşlenme süresinin miktarına bağlı olarak güneş enerjisi çekici birseçenektir.Ancak geniş ölçekte kollektör/heliostat ihtiyacı (maliyetleri arttırıyor) ve zamanlagüneşin batması (enerjinin depolanması ve/veya yedek fosil yakıt kazanı gerektirmektedir)güneş enerjisinin başlıca sorunlarıdır. Sadece CSP kurarken karşımıza çıkan en büyük engelilk yatırım maliyetlerinin çok yüksek olmasıdır Güneş enerjisi ve fosil yakıtların aynı andakullanıldığı method olan Hibrit (Melez) Güneş-Fosil yakıtlı sistemler ise yüksek maliyet vekesintili elektrik üretimi problemlerini azaltmaktadır.Mevcut veya yeni yapılacak olan termiksantrallere güneş enerjisi entegre etmek bize sürdürülebilir, düşük maliyetli, düşük karbonemisyonlu bir seçenek sunmaktadır.

Bu tez çalışmasında, Ambarlı Doğalgaz Kombine Çevrim Santrali’nin bir ünitesine merkezialıcılı kule kipi yoğunlaştırılmış güneş enerjisi entegre ederek bütün bir yıl boyunca gerçekoperasyon şartlarındaki performansını tahmin etmeye çalışılmıştır.Konseptin tasarımı vesimülasyonunda kombine çevrim kısmı için THERMOFLEX yazılımı , güneş tarlası ve alıcıiçin ise TRNSYS yazılımı ve ona bağlı STEC kütüphanesi kullanılmıştır.Pratik olarak sistemgaz türbini,buhar türbini,atık ısı kazanı, heliostat(yansıtıcı ayna) alanı ve alıcıdanoluşmaktadır. Isı girişi yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ve entegre fosil yakıtlardansağlanmaktadır. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisinden elde edilen ısı, kompresör sonrası yanmaodası girişindeki basınçlı havayı kızdırmada kullanır. Güneş kulesi teknolojisi ile yüksekyoğunlaştırma oranlarıyla beraber yüksek sıcaklıklara ulaşılabilir.Yanma odasındaki fosilyakıtlı yakma ile alıcı kule çıkış sıcaklığı ve türbin giriş sıcaklığı arasındaki farkı doldurduğugibi ayrıca değişken güneş enerjisi girişini de tamamlar.

Bu çalışmadan elde edilen sonuçlar gösteriyor ki yazın çevre sıcaklığı ve bağıl neme bağlıolarak azalan kombine çevrim gücü ve verimine zıt olarak güneş enerjisinden elde edilen netgüç artmakta bu da santral yakıt sarfiyatını azaltmaktadır.Elektrik tüketiminin peak yaptığısaatlerde ise güç artışı sağlanabilmektedir

2

Önsöz

Ayrıca Ambarlı Kombine Çevrim Santrali’nin müdür yardımcısı sayın CananKARZAN ve kıymetli çalışanlarından Fatih AKYÖRÜK 'e gösterdikleri ilgi için çok teşekkür ederim.

Yardım talebimi geri çevirmeyerek ihtiyaç duyduğum makaleleri sağlayan sayın Tolga Turan (Fitchtner Consulting) ve makale çalışmasına istinaden sorularımda yardımcı olan sayın Prof. Giovanna BARIGOZZI (Università degli Studi di Bergamo Italy) 'ye bu tez çalışmasına olan katkılarından dolayı teşekkür ederim.

3

GirişTürkiye enerji ithal eden bir ülkedir ve gerçekleşen cari açığın büyük bir bölümü (%70) enerjiithali sebebiyledir.Bu yüzden ülkemizin ekonomik gelişimi ve elektriği olan ihtiyacı gözönüne alındığında bu paraların ülke içinde kalması için alternatif enerji kaynaklarıkullanılmalı ve bu teknolojiler yerli olarak geliştirilmelidir.

Ülkemiz gibi Akdeniz kuşağında yer alan ülkeler için en önemli doğal enerji kaynağı güneşenerjisidir.Güneş kuşağı adı verilen ve güneş enerjisi bakımından zengin bir bölgede yeralmasına karşın, güneş enerjisinden yeteri kadar faydalanılamamaktadır. Ülkemizde ortalamayıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat, yıllık güneş enerjisi ışınım şiddeti 1311 kwh/m2olarak belirlenmiştir. Güneşlenme süreleri dikkate alındığında güney Anadolu bölgesininyılda 3015 saat ile en zengin bölgemiz olduğu görülmektedir.

Şekil 1 Türkiyenin Güneş Enerjisi Potansiyeli

Fosil yakıtlar ,elektrik üretiminde birincil kaynaklar olmakla beraber, ağır çevreseletkiler,sürdürülemezlik ve milli güvenlik riski gibi sakıncalar taşımaktadır.Yine de fosilyakıtlar , yüksek enerji yoğunlukları ve sürekli elektrik üretimi için güvenilir olmalarısebebiyle değerli bir enerji kaynağı olmaya devam edecektir.Yakın gelecekte ise fosilyakıtların yerini güneş enerjisi gibi alternatif enerji kaynaklarının alacağı 2050 senaryolarındaöngörülmektedir.

4

Şekil 2 Türkiye'nin 2050 yılı Enerji Kaynakları

Şekil 3 Elektrik Üretim Yöntemlerinin Payları (2050)

5

Akdeniz CSP takımının 2050 öngörülerine göre elektrik üretiminde fosil yakıtların payıazalmakta ve yenilenebilir enerji teknolojilerinden en büyük payı yoğunlaştırılmış güneşenerjisi teknolojisinin alacağı görülmektedir .Hal böyleyken vakit kaybetmeden buteknolojilere yatırım yapılmalı ve ülke imkanlarıyla enerji yatırımları gerçekleştirilmelidir.Güneşlenme süresinin miktarına bağlı olarak güneş enerjisi çekici bir seçenektir.Ancak genişölçekte kollektör/heliostat ihtiyacı (maliyetleri arttırıyor) ve zamanla güneşin batması(enerjinin depolanması ve/veya yedek fosil yakıt kazanı gerektirmektedir) güneş enerjisininbaşlıca sorunlarıdır. Sadece CSP kurarken karşımıza çıkan en büyük engel ilk yatırımmaliyetlerinin çok yüksek olmasıdır Güneş enerjisi ve fosil yakıtların aynı anda kullanıldığımethod olan Hibrit (Melez) Güneş-Fosil yakıtlı sistemler ise yüksek maliyet ve kesintilielektrik üretimi problemlerini azaltmaktadır.Mevcut veya yeni yapılacak olan termiksantrallere güneş enerjisi entegre etmek bize sürdürülebilir, düşük maliyetli, düşük karbonemisyonlu bir seçenek sunmaktadır.

Şekil 4 Güneş Enerjisi Teknolojileri Karşılaştırma

6

Şekil 5 Güneş Enerjisi Teknolojileri Karşılaştırma 2

Hibritleme SeçenekleriKömür Yakıtlı Termik Santraller İçin Hibrit Alternatifleri

Şekil 6 Rankine Çevrimi Hibritleme Opsiyonları

Kömür yakıtlı santraller için hibritleme alternatiflerinden yüksek verimli olanlar Carnotçevriminden de bilindiği gibi yüksek sıcaklıklarda olan ısı girişlerinden görülmektedir.

7

Kombine Çevrim İçin Hibrit Alternatifleri

Şekil 7 ISCC

Kombine çevrimlerle yapılan hibritlemelerde şimdiye kadar parabolik oluklu sistemlerkullanışm olsada bu sistemlerin ulaşabileceği sıcaklıklar sınırlı olduğu için verimleri nispetendüşük kalmıştır.Daha yüksek sıcaklıklarda ( 800-1000) ısı girişleri ise kule tipi sistemlerleyapılacak olan hibritlemelerle mümkün olabilmektedir.Güneş kuleleri ile kombine çevrimlerihibritlenmesi yüksek sıcaklıklara ulaşılabildiği için daha verimli olmaktadır.

Hibrit SantrallerDünyada İlk Hibrit CSP-Kömür Santrali Cameo (Colorada)

Amerika’nın Colorada eyaletinde Xcel Energytarafından operasyonu yapılan bir hibritsantraldir.Mevcut 44 MW kapasiteli kömür yakıtlıtermik santral Cameo ‘ya ilave olarak 4 MWCSP entegre edilmiştir.Deneysel amaçlı olarakyapılan bu çalışmada CSP’nin yakıt tasarrufunaetkileri incelenmiştir. Her biri 150 m uzunluğundaolan 8 adet parabolik oluk ve toplam 26000 m2alandan oluşmaktadır.

Isı transfer akışkanı food-grade mineralyağıdır.Yaklaşık olarak 300 C sıcaklığa ulaşanakışkan eşanjöre iletilir.Burada kazan beslemesuyuna ön ısıtma yaparak sıcaklığını 182 C den

Şekil 8 Cameo Santrali

8

209 C çıkartır. Kazanda pülverize kömür yakılır ve buhar üretilir.Santral genel verimi %5 ‘ekadar artmış ve yıllık karbondioksit emisyonları 2000 ton azalmıştır.Yakıt sarfiyatı da %2 -%3 azalmaktadır. Testler tamamlandıktan sonra santral faaliyetine son verilecektir. ( 2010 )

Fichtnersolar ISCC Konsepti

Şekil 9 Fichtner Konsepti

Kombine çevrimde egzoz gazları atık ısı kazanında buhar üretmek için kullanılır.Entegre edilenparabolik oluk güneş tarlası ile gündüz saatlerinde de ilave buhar üretilir.

Kurulu Santraller

Yazd, Iran

Kuraymat,Egypt

Ain-Beni-Mathar, Morocco

Mathania , India

9

Şekilde termal deponun saatlik simülasyonu görülmektedir.Gün boyunca depoladığı enerjiyigün batımından sonra da buhar üretmek için kullanır.Atmosferik Güneş Kulesi ve Kombine Çevrim

Çevrim şeması TSA (Technology Program Solar Air Receiver) tarafından geliştirilenPHOEBIUS konseptini baz almaktadır.Fanla üflenen atmosferik hava receiver’dan geçirilerek

Şekil 10 Termal Depo ile Elektrik Üretimi

Şekil 11 PHOEBIUS Konsepti

10

sıcaklığı 545 C ye kadar çıkartılır ve gaz türbininden gelen egzoz gazları ile karışıpkızdırıcı,buharlaştırıcı,ekonomizer ve ön ısıtıcılardan geçerek buhar üretir.

Archimede ISCC (Priolo Gargallo-Italy)

İtalyan devi Enel’in geliştirdiği Archimede projesi doğal gaz yakmalı bir kombine çevrimesonradan güneş enerjisi entegre edilmesi ve ısı transfer akışkanı olarakta sentetik yağ yerinemolten salt kullanmasıyla da dünyada kurulu ilk örnektir.

Entegre sonrası ilave 5 MW güç ve yıllık 10 milyon kilowatt saat elektrik üretir.Buda yıllık2000 ton termal yağ tüketilmesi ve 6200 ton karbonbioksit salınmasından kurtulunmasıdemektir.Güneş tarlası her biri 100 m uzunluğunda olan 54 adet parabolik aynadanoluşmaktadır ve toplam yüzey alanı 31000 metrekaredir.

Şekil 12 Archimede Projesi

11

Solugas - Solar Up-scale Gas Türbin Sistemi

Kombine çevrim santrallerindeki Brayton çevriminin üst noktasından güneş enerjisi girişisağlamak maliyetleri azaltmak için gelecek vaat eden bir konseptir.Bu yöntem güneşenerjisinin, modern kombine santrallerin yüksek çevrim verimleriyle birlikte verimliliği deartar.

Yansıtı aynalar (heliostat) ile güneş ışınları güç kulesinin üstündeki alıcıya odaklanır.Alıcıdayoğunlaştırılan güneş ışınları absorblanır ve ısısını basıçlı havaya transfer ederek sıcaklığını1000 C ye kadar çıkartabilir.Güneş alıcısından geçen basınçlı ve kızdırılmış hava doğruca gaztürbininin yanma odasına beslenip doğal gaz yakılarak sağlanan ilave ısı ile türbin girişsıcaklığına çıkartılır.Değişken güneş ışınlarından dolayı alıcıda oluşacak olan sıcaklık farkıyanma odası ile telafi edilerek türbin şartları sağlanır.Böylece değişken güneş açısı vemeteorolojik şartlardan bağımsız olarak talep edilen güç çıkışı garanti edilir.

Şekil 13 Solugas Konsepti

12

Performansı Etkileyen Parametreler

Heliostat tarlasının verimi ve optik kalitesi Alıcının ısı transfer verimi Alıcıda basınç ve ısı kayıpları Türbin ve alıcı arasındaki boru

bağlantılarında basınç ve ısı kayıpları Türbin performansı Tesis operasyon ve kontrolü Yüksek sıcaklıklarda ekipmanların tepkisi

1->2:Ortam havası basıncıarttırılır ve sıcaklığıyükselir.

2->A: Basınçlandırılmışhava güneş ışınlarınınodaklandığı alıcıda ısıtılır.

A->3: Yanma odasındadoğal gaz yakılarak tekrarkızdırılır.

3->4: Sıcak hava türbinitahrik ederek atmosferbasıncına kadar genişler vegenerator elektrik üretir.

4->1: Egzoz gazları atık ısıkazanından geçirilerekbuhar çevrimi sağlanır veyareküperator ile 2 noktası vealıcı arasında akışkana önısıtma yapılır.

Şekil 14 Solugas Combine Cycle

Şekil 15 Solugas Gas Türbini

13

Brayton Çevrimi Güneş Enerjisi Hibritlemesiİdeal Brayton çevriminde kompresör sonrası havanın güneş kulesinde sıcaklığının arttırılmasıile elektrik üretimi ve yakıt sarfiyatına etkileri basit bir şekilde gösterilmiştir.Değişken güneşenerjisi kaynağına rağmen yanma odasındaki takviye ile türbin giriş sıcaklığının sabit 1149C’de sabit kalması sağlanmıştır.Konsept performansı çevre sıcaklığı ve bağıl nemparametrelerine bağlıdır.Meteoroloji bilgisi için İstanbul şehrinin hava durumu verilerikullanılmış olup çizdirilen grafiklerle de konsepte ilişkin analizler gösterilmiştir.

Simulasyon Sonuçları

Şekil 17: Bütün 1 yılın analizi

Şekil 166 :Hibrit Brayton Çevrimin Trnsys modeli

14

Şekil 18: DNI değerleri

DNI değerleri yaz mevsiminde artarken kışın ise azalmaktadır.

Şekil 19:Kulede Yoğunlaşan Isıl Enerji

Güneşli saatlerin ve radyasyon değerlerinin artmasıyla birlikte kulede toplanan termal enerjide artmaktadır.Grafikte kimi yerlerin kesintili olması havanın kapalı veya yağışlı olmasınayorumlanabilir.

15

Şekil 20: Elektrik Üretimi

Yaz mevsiminde çevre sıcaklığının artmasıyla birlikte kompresör işi artmış, santral yük kapasitesiazalmıştır.Üretilen güçte azalma eğilimi göstermektedir.

Şekil 21: Tüketilen Yakıt Debisi

Yaz mevsiminde güneş radyasyonun artmasıyla birlikte güneş kulesinde elde edilen termalenerji de artmakta dolayısıyla yanma odasına giren havanın sıcaklığı yanma odası çıkışsıcaklığına yaklaşmaktadır.Sonuç olarak yanma odasında verilmesi gereken ısıl güçgereksinimi azalmakta buna paralel olarak yakıt tüketimi de düşmektedir.

16

Şekil 22: DNI ve Yakıt Debisi

İkili grafikte radyasyon değerlerinin artmasıyla birlikte yakıt sarfiyatının azaldığı daha kolayanlaşılmaktadır.

Şekil 23: Receiver Çıkışı ve Yanma Odası Çıkışı Sıcaklıkları

Şekilde görüldüğü gibi Receiver çıkışı hava sıcaklığı değişim göstermesine rağmen yanma odasındasabit bir sıcaklık elde edilmektedir.Buda santral işletmesini kolaylaştırıcı rol oynamaktadır.

17

Şekil 24: Dört günlük veriler

Günlük verilerden elde edilen sonuçlara göre de radyasyon değerlerindeki dalgalanmalar doğrudandoğruya receiver çıkış sıcaklığını ve yakıt sarfiyatını etkilemektedir.Radyasyon değerlerinin artışıylabirlikte elektrik üretiminin azaldığı görülmekle birlikte asıl azaltıcı etkiler çevre sıcaklığının artışı,kompresör de tüketilen elektrik ve kapasite düşümü nedeniyledir.

18

Simulasyon AraçlarıTRNSYS

Amerikada Wisconsin üniversitesi tarafında geliştirilen TRNSYS (Transientsystem simulation) programı binaların,elektrik sistemlerinin,termal sistemlerinve daha birçok geçici sistem simülasyonlarının yapılabildiği modüler biryazılımdır. Tez çalışmamızda ihtiyaç duyulan bileşenleri içeren TRNSYS’ebağlı STEC kütüphanesi ile güneş tarlası ve alıcı kulenin modellemesiyapılmıştır. DLR tarafından geliştirilen STEC kütüphanesi Rankine çevrimi,Brayton çevrimi,güneş enerjisi ve termal depo bileşenlerini içermektedir.Bileşenler arasındakurulan bağlantılar ile giriş-çıkış veri akışı sağlanmakta sonuçlar grafik veya txt dosyasıolarak alınabilmektedir.

THERMOFLEX

Thermoflex konvensiyonel buhar santralleri, kombineçevrimler ve diğer termal güç sistemlerinin dizayn vesimulasyonlarının yapılabildiği tam anlamıyla flexiblekullanımı kolay bir yazılımdır.Grafiksel kullanıcıarayüzü ile modellemeler yapılabilir ve maliyetanalizleri oluşturulabilir.

ISCC Modelleme

Komple bir ISCC , TRNSYS ile modellenebileceği halde konuyla ilgili fikir vermesi içinsadece Brayton çevrimine güneş kulesi entegre edilip modellenmiştir.Asıl çalışma AmbarlıDoğal Gaz Çevrim santraline TRNSYS ve THERMOFLEX’in birlikte kullanıldığı uygulamaolacaktır.Konseptte kompresör ile güneş kulesinin seri bağlanarak gün ışığının olduğusaatlerde mevsimsel olarak yakıt tüketimine etkileri incelenmiştir.

Isı girişi yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ve entegre fosil yakıtlardan sağlanmaktadır.Yoğunlaştırılmış güneş enerjisinden elde edilen ısı, kompresör sonrası yanma odasıgirişindeki basınçlı havayı kızdırmada kullanır. Güneş kulesi teknolojisi ile yüksekyoğunlaştırma oranlarıyla beraber yüksek sıcaklıklaraulaşılabilir.Yanma odasındaki fosil yakıtlı yakma ilealıcı kule çıkış sıcaklığı ve türbin giriş sıcaklığıarasındaki farkı doldurduğu gibi ayrıca değişken güneşenerjisi girişini de tamamlar.

19

Ambarlı Kombine Çevrim Santralinin Güneş Enerjisi ile Hibritlenmesi

Güneş kulesi, her biri 120 m^2 alana sahip 900 adet heliostat ve toplam 10800 m^2 yansıtıcıyüzey alanına sahiptir.Kule yüksekliği 140 m, alıcı yüzey genişliği 25 m^2 olarak kabuledilmiştir.Heliostat tarlası verim matrixi için Stec kütüphanesi içindeki örnek çalışmanınverileri kullanışmıştır.Yıl içinde maksimum 50 Mw net ısıl güç üreteceği hesaplanmıştır.İstanbul ili saatlik hava durumu verileri için NREL’in hazırladığı (National Solar RadiationDatabase 1961-1990) meteoroloji verileri kullanılmıştır “Typical Meteorological Year”(TMY2).

Güneş Kulesi TRNSYS Modeli

Kuleye yönlendirilmiş olan güneş ışınlarının meydana getirdiği ısıl enerji , kompresör sonrasıhavanın entalpisine ilave edilmiştir.Aynı zamanda hava durumu verilerinden çevre sıcaklığıve bağıl nemin saatlik verileri kombine çevrim analizlerinde gerçek operasyon şartlarınısağlamak için kullanılmıştır.21 Mart,21 Haziran, 23 Eylül ve 21 Aralık tarihleri mevsimselşartları göstermesi açısından seçilmiş ve elde edilen veriler grafiklerle gösterilmiştir.

20

Güneş Kulesi Simulasyon Sonuçları

Şekil 25:Yıllık simulasyon sonuçları

Şekildeki grafikte yılın 8760 saati simule edilmiştir.Mavi renk receiver’a yönlendirilen ısıenerjisi, kırmızı renk kulede elde edilen net gücü,yeşil renk direk güneş ışınımı ve diğerrenklerde çevre sıcaklığı ve bağıl nemi temsil etmektedir.Yaz aylarında radyasyondeğerlerinin ve buna bağlı olarak termal gücün arttığı görülmektedir.

Şekil 176: 21 Mart DNI ve Net Güç

21

Şekil 27: 21 Mart Sıcaklık ve Nem

Şekil 28: 21 Haziran DNI ve Net Güç

22

Şekil 29: 23 Eylül DNI ve Net Güç

Şekil 30: 21 Aralık DNI,Net Güç,Sıcaklık ve Bağıl Nem

23

Hibritleme Konsepti

0-1 Hava filtre edilir. 1-2 Hava basınçlandırılır Güneş kulesi gönderilir 2-5 By-pass hattı 3-4 Güneş ışınları alıcıda odaklanır ve havayı ısıtır. 4-5 Sıcaklığı artan hava yanma odasına girer 5-6 Türbin giriş sıcaklığı yanma ile tamamlanır 6-7 Sıcak gaz türbini tahrik ederek elektrik üretir

Şekil 31: Konsept

Meteoroloji verilerinden alınan DNI,Zenith,Azimuth açıları toplam güneş radyasyonu kulekazanılan güçler belirlenmiş.Thermoflex ile modellenen Ambarlı Santralinin bir ünitesindekigas türbinlerinden birine kompresör sonrasına entegrasyon yapılmıştır.

24

Ambarlı Kombine Çevrim Santrali Thermoflex Modeli

Şekil 32: Ambarlı Santrali Thermoflex Modeli

Hibrit Çevrimin Simulasyon Sonuçları

Öğlen saatlerine doğru artan çevre sıcaklığı ve bağıl neme bağlı olarak santral yükdüşmektedir.Ayrıca güneş enerjisi ile ısıtılan havanın daha az yakıt ihtiyacı sonucu akış debisiazalmakta ve tüm bunlarda çevrim net gücünü azaltıcı etki yapmaktadır.

25

Çevre sıcaklığı ve güneş enerjisi katkısındaki artış ile birlikte çevrimin termik verimininazaldığı görülmektedir.Güneş enerjisinin bedava olduğu ve yakıt olarak göstermediğimiztakdirde ise sanal olarak verimin artacağı bilinmektedir.

Şekilden açıkça görüldüğü gibi aynı şartlar altında çalışan iki gas türbininden güneş enerjisientegreli olan hibrit sistemin öğle saatlerinde yakıt tasarrufu yapmaya başladığı ancak azalandebi ile sadece gas türbinine göre daha az güç üreteceği görülmektedir.

26

Gerçek operasyon şartlarında sümule edilen ünitelerin her ikisinde de artan çevre sıcaklığınabağlı olarak kompresör sonrası (yanma odası öncesi) havanın sıcaklığının arttığıgörülmektedir.Hibrit sistemde ise kompresör sonrası havanın güneş kulesinde ısıtılmasıdolayısıyla sıcaklığı daha yüksek seviyelere çıkmaktadır.Grafiklerin anlamlı olabilmesi içinakış debisi 100 kg/s alınmıştır.Pratikte ise bu debide bir hava kızdırıcılı kule tasarımı henüzyoktur.

Hibrit sistemin sağladığı yakıt tasarrufu çevre dostu etkiler göstermiş CO2 ve diğer zararlıemisyonlar göreli olarak azalmıştır.

27

21 Mart

21 Mart

28

21 Mart

21 Mart

29

30

31

32

SONUÇLAR Kombine çevrim santrallerine güneş enerjisi entegre etmek, sadece güneş enerjisi

santrali kurmaktan çok daha ucuzdur. Güneşli saatlerde radyasyon değerleri artmakta ve kuleden geçen havanın sıcaklığı

artmaktadır.Bu sayede yakıt tüketimi tasarruf sağlanmaktadır. Yakıt tüketiminin azalması üretilen gücü de azaltacağından kapasite düşümü

yaşamamak için hava debisi arttırılmalıdır. Yüksek çevrim verimlerinden dolayı önemli ölçüde maliyet düşüşü sağlar Daha az çevresel etkiler ile doğa dostu Daha az arazi gereksinimi duyar Hava şartlarından bağımsız elektrik üretimi başlıca avantajlarıdır

33

Kaynakça

[1] BARİGOZZİ, G., ‘Performance Comparison between CSP Conventional Steam Plants and

ISCC Operating in a South Africa Site’

[2] POPOV, D., ‘An option for solar thermal repowering of fossil fuel fired power plants’

[3] BRAKMANN, G., MOHAMMAD, F. A., DOLEJSİ, M., WİEMANN, M., 'Constructıon

of the ıscc kuraymat’

[4] FALCHETTA, M., MAZZEİ, D., CRESCENZİ, T., MERLO, L., ‘Design of the

archimede 5 MW molten salt parabolic trough solar plant’

[5] BEHAR, O., KELLAF, A., MOHAMEDİ, K., BELHAMEL, M., ‘Instantaneous

performance of the first Integrated Solar Combined Cycle System in Algeria’

[6] BRAKMANN, G., ‘Integrated Solar Combined Cycle Power Plants in Egypt and

Morocco’

[7] EL KHAJA, R. M. F., ‘Solar-thermal hybridization of advanced zero emissions power

plants’

[8] JONES, S.A., PİTZ-PAAL, R., SCHWARZBOEZL, P., BLAİR, N., CABLE, R., ‘Trnsys

modelıng of the segs vı parabolıc trough solar electrıc generatıng system’

[9] BARİGOZZİ, G., BONETTİ, G., FRANCHİNİ, G., PERDİCHİZZİ, A., RAVELLİ, S.,

‘Solar Hybrid Combined Cycle Performance Prediction Influence of Gas Turbine Model and

Spool Arrangements’

[10] NOUREDDİNE, Y., ABDALAH, K., KAMAL, M., ‘study of performance of a solar

power tower (15 mw) sımulatıon and results’

[11] GİULİANO, S., BUCK, R., EGUİGUREN, S., ‘Analysıs of solar thermal power plants

wıth thermal energy storage and solar-hybrıd operatıon strategy’

[12] BARİGOZZİ, G., BONETTİ, G., FRANCHİNİ, G., PERDİCHİZZİ, A., RAVELLİ, S.,

‘Thermal performance prediction of a solar hybrid gas turbine’

[13] TURCHİ, C.S., MA, Z., ERBES, M., ‘Gas turbıne/solar parabolıc trough hybrıd desıgns’

[14] ‘105 MW Siemens V94.2 Gas Turbine Power Plant’

[15] ‘European concentrated solar thermal road-mapping’

[16] ‘Integrated Solar Combined Cycle (ISCC) projects’

[17] ‘Concentrating Solar Power for the Mediterranean Region’

[18] ‘SOLGATE, Solar hybrid gas turbine electric power system’

[19] ‘THERMOFLOW, Comprehensive thermal engineering software, Spotlight on solar

thermal modeling’

34

[20] DARWİSH, M., Modular hybridization of solar thermal power plants for developng

nations’

[21] SPELLİNG, J. D., ‘Hybrid Solar Gas-Turbine Power Plants’

[22] USTA, Y., ‘Sımulatıons of a large scale solar thermal power plant ın Turkey usıng

concentratıng parabolıc trough collectors’

[23] www.fichtner.com

[24] www.thermoflow.com

[25] www.trnsys.com

[26] www.archimede.be

[27] www.alstom.com

[28] www.siemens.com

[29] www.dlr.de

[30] www.nrel.gov

[31] www.enel.it

[32] www.solugas.com