Carnot bataryaları ile enerji depolanmasının incelenmesi
Investigation of energy storage with carnot batteries
Yazar: GÜVEN HASRET YILMAZ
Danışman: DOÇ. DR. MUSTAFA ZEKİ YILMAZOĞLU
Gazi Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin: Akıllı kentler = Smart cities ; Batarya = Battery ; Enerji depolama = Energy storage ; Sürdürülebilirlik = Sustainability ; Termal enerji = Thermal energy

Özet:
Tüm dünyada artan küresel ısınma endişeleri ve fosil yakıtlar yerine yenilenebilir enerjinin kullanımının artması enerji arz ve talebinde de bir takım sorunları beraberinde getirmektedir. Akıllı şehirler konsepti ile elektrik enerjisinin tümüyle yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılandığı durum arz ve talep senaryolarında gün içinde ve mevsimsel olarak dengesizlikleri ortaya çıkaracaktır. Yenilenebilir enerjinin kesikli yapısı emre amadelik konusunda da sürekliliğin sağlanamamasını beraberinde getirecektir. Bu kapsamda enerji depolama teknikleri büyük önem kazanmaktadır. Ancak, maliyet ve uygulanabilirlik açısından termal enerji depolama daha ön planda yer bulmaktadır. Termal Enerji Depolama sistemleri kısa ya da uzun vadeli olarak ısı enerjisinin depolandığı sistemlerdir. Bununla birlikte, bu enerjinin tekrar elektriğe çevrilmesi ile elektrik enerjisinde arz-talebin dengelenmesi Carnot Batarya'ları ile sağlanabilir. Yenilenebilir enerji kaynakları ile üretilen arz fazlası enerjinin ısıl direnç, ısı pompası gibi teknolojilerle ısı enerjisine çevrilmesi ve depolanması sonrasında talep olduğunda ve yenilenebilir kaynaklar mevcut olmadığında konvansiyonel elektrik üretim sistemleri ile tekrar elektrik eldesi Carnot Bataryaları ile mümkün olabilmektedir. Carnot Batarya'ları, yüksek verime, uzun ömre, düşük maliyetlere sahip sistemlerdir. Ayrıca, bu sistemlerde herhangi bir coğrafik koşula ihtiyaç duyulmaz. Bu çalışmada, fotovoltaik sistemler üzerinden elde edilen talep fazlası elektrik enerjisinin ısıl dirençler yoluyla ısı enerjisine çevrilmesi ve sonrasında Brayton çevrimi ile iki farklı konfigürasyonda (Model 2 ve Model 3) elektrik üretiminin enerji, ekserji ve maliyet çalışmaları yapılmıştır. Çalışmada incelenen Modeller için dört farklı basınç oranının ve dört farklı ısı depolama malzemesinin etkileri incelenmiştir. Analizlerde MATLAB'de oluşturulan ve güneş yolunu da hesaplayan genel bir kod yazılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, Model 2'nin ortalama çevrim verimi farklı basınç oranlarına göre %18,76 – 20,27 aralığında iken şarj-deşarj verimi ise farklı malzemelere ve basınç oranlarına göre % 35,4 – 56,96 aralığında olmuştur. Model 3'ün ortalama çevrim verimi ise yine farklı basınç oranlarına göre % 28,7 – 31,06 aralığında iken şarj-deşarj verimi de farklı malzemelere ve basınç oranlarına göre % 35,4 – 52,81 aralığında olmuştur.

Abstract:
Increasing global warming concerns all over the world and the increase in the use of renewable energy instead of fossil fuels bring along some problems in energy supply and demand. With the concept of smart cities, the situation where electrical energy is completely supplied from renewable energy sources will reveal daily and seasonal imbalances in supply and demand scenarios. The intermittent nature of renewable energy will also lead to the lack of continuity in terms of availability. In this context, energy storage techniques gain great importance. However, thermal energy storage is more prominent in terms of cost and applicability. Thermal Energy Storage systems are systems where heat energy is stored for short or long term. However, by converting this energy back into electricity, the supply and demand balance in electrical energy can be achieved with Carnot Batteries. After the excess supply of energy produced by renewable energy sources is converted into heat energy and stored with technologies such as thermal resistance and heat pump, when there is electricity demand and renewable sources are not available, it is possible to obtain electricity again with conventional electricity generation systems with Carnot Batteries. In this study, energy, exergy and cost analyses of electricity production were carried out by converting excess demand electrical energy from photovoltaic systems to heat energy through thermal resistors and then using the stored in the two different Brayton cycle configuration (Model 2 and Model 3). In the analysis, a general code was written, which was created in MATLAB and also calculates the solar path. According to the results obtained, the average cycle efficiency of Model 2 was between 18.76% and 20.27% according to different pressure ratios, while the round-trip efficiency was between 35.4 - 56.96% according to different materials and pressure ratios. While the average cycle efficiency of Model 3 was between 28.7 - 31.06% according to different pressure ratios, the round-trip efficiency was between 35.4 - 52.81% according to different materials and pressure ratios.