Yaklaşık sıfır enerjili konutlar için güneş enerjisi destekli organik rankine çevriminin ısıl performansının araştırılması
Investigation of the heat performance of the solar energy supported organic rankine cycle for nearly zero energy residants
Yazar: SERKAN PALAMUT
Danışman: DR. ÖĞR. ÜYESİ GÖKHAN ARSLAN
Mersin Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2018
Konu: Enerji = Energy ; Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering

Özet:
Küresel ısınma ve iklimlerin değişikliği, insanlığın geleceği açısından önemli bir tehdit olarak gözükmektedir. Küresel ısınmanın en önemli nedeni doğaya salınan CO2 miktarıdır. Gün geçtikçe enerji tüketimi artmaktadır. Fosil yakıtların temel enerji kaynağı olarak kullanılması CO2 salınımını artırmaktadır. Enerji işleri genel müdürlüğüne göre Türkiye'de 2010-2014 yılları arasında harcanan enerji miktarının yüzde 35'lik kısmının konut ve hizmet alanı kaplamaktadır. Bu nedenle konutlarda fosil yakıt kaynaklı enerji tüketimini azaltmaya yönelik bilimsel çalışmalar hem doğaya hem de enerji ithal eden bir ülke olan Türkiye'nin ekonomisine çok ciddi katkılar sağlayacaktır. Yaklaşık sıfır enerjili bina tasarımında, enerji sarfiyatı en aza indirilirken binanın enerji ihtiyacını sıfır karbon hedefine ulaşabilmek açısından yenilenebilir enerji kaynaklarından (güneş, rüzgar, jeotermal, vb.) karşılamak zorundadır. Konutun elektrik ihtiyacı fotovoltaik paneller ve rüzgar türbinlerinden karşılanabildiği gibi Rankine çevrimi prensibine göre çalışan güneş enerjili destekli güç santrallerinden de elde edilebilir. Güneş enerji destekli organik Rankine çevriminin (ORC) konutun gün içerisinde saatlik enerji ihtiyacını karşılayacak şekilde tasarlanması gerekir. Bu çalışmamızda 75 m2' lik bir binanın seçilen tasarım gününe göre günlük ısıtma, soğutma ve elektrik ihtiyacı hesaplanmıştır. Bu tasarlanan binanın elektrik ihtiyacını Rankine çevrimi prensibine göre çalışan güneş enerjili destekli güç santrallerinden yaklaşık sıfır enerjili bina tanımına göre karşılayacak şekilde hesaplanmıştır. Bu çalışmada Güneş ışınımlarının en çok olduğu gün(6 Temmuz) ve en düşük olduğu gün(31 Aralık) tasarım günleri olarak seçilmiştir. Bu tasarım günlerinde EnergyPlus programında Mersin ili verileri için yapılan analiz yapılmıştır. 6 Temmuz günü için günlük toplam elektrik tüketiminin 8.9 kWh olduğu, 31 Aralık günü için günlük toplam elektrik tüketimi 2.77 kWh olarak bulunmuştur. Parabolik kolektör tasarlanırken uluslararası çalışmalardaki küçük boyutlardaki prototipler örnek alınmıştır ve PTC1000 teknik detayları incelenmiştir. Bu kolektör 1m genişliğinde ve 2 m uzunluğundadır. Parabolik kolektörün optik kayıp ve güneş absorpsiyon ifadeleri, literatürdeki çalışmalara göre alınmıştır ve parabolik kolektörün verimi %74 olarak hesaplanmıştır. Güneş ışınım verilerini ve parabolik kolektörün özelliklerini kullanarak, Organik Rankine Çevriminde türbinin ürettiği elektrik hesaplanmıştır. Bu hesaplamalar sonucunda 6 Temmuz günü ORC sisteminin elektrik tüketimini karşılaması için en az 11 tane kolektöre ihtiyaç olduğunu ortaya konulmuştur. 6 Temmuz gününde bulunan 11 kolektör için hesap yapıldığında, 31 Aralık gününde türbinin ürettiği elektrik gerekli olan elektrik ihtiyacının %46'sını karşıladığı ortaya konulmuştur.

Abstract:
Global warming and climate change seem to be an important threat to the future of humanity. The most important cause of global warming is the amount of CO2 emitted to the environment. Energy consumption is increasing day by day. The use of fossil fuels as a primary energy source increases CO2 emissions. Energy service area of housing and jobs 35 per cent of the amount of energy consumed in Turkey between 2010-2014, according to the headquarters covers. Therefore, scientific studies aimed at reducing the energy consumption of fossil fuels in homes with both the nature of a country that imports energy will provide a significant contribution to the economy of Turkey. When designing a building with almost zero energy, the energy consumption of the building must meet renewable energy sources (solar, wind, geothermal, etc.) in order to reach the zero carbon target while the energy consumption is minimized. The electricity requirement of the house can be met by photovoltaic panels and wind turbines, as well as from solar powered power plants operating according to the Rankine cycle principle. The solar energy-assisted organic Rankine cycle (ORC) must be designed to meet the hourly energy needs of the house during the day. In this study, daily heating, cooling and electricity requirements were calculated according to the selected design date of a 75 m2 building. This is calculated to meet the electricity requirement of the designed building according to the definition of building with almost zero energy from the solar powered power plants operating according to the Rankine cycle principle. In this study, design days were chosen as the day of the highest solar radiation (July 6) and the day of lowest solar radiation (December 31). During these design days, analysis for Mersin province data was done in EnergyPlus program. On July 6, the total daily electricity consumption was 8.9 kWh and on December 31, the daily total electricity consumption was 2.77 kWh. While designing the parabolic collector, prototypes in small dimensions in international studies have been taken as examples and technical details of PTC1000 have been examined. This collector is 1 m wide and 2 m long. The optical loss and solar absorptions of the parabolic collector were taken according to the studies in the literature and the parabolic collector yield was calculated as 74%. Using the solar radiation data and the properties of the parabolic collector, the electricity generated by the turbine in the Organic Rankine Cycle is calculated. As a result of these calculations, it was revealed that on July 6, ORC system needs at least 11 collections to meet electricity consumption. When calculations were made for 11 collectors found on July 6, it was found that on December 31, the electricity generated by the turbine meets 46% of the required electricity.