ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ YÖNTEMLERİNDE GELİŞMELER

ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİM Y ÖNTEMLERİNDE GELİŞMELER

Doç. Dr. H. Nusret Y ÜKSELER İ.T.Ü. Elektrik Fakültesi öğretim Üyesi

ÖZET

Elektrik enerjisi üretiminde alışılmış yöntemler en iyimser bir olasılıkla yaklaşık % 40 verime ve gelişen yöntemlerle, eğer alt çevrimlerle kombine sistemlere geçilirse % 6 0 8 0 verime ulaşılabilmektedir (l). Fark lı bir teknolojiye sahip olan MHD generatörlerde giriş enerjisi bir ara dönüşüme uğramaksızın doğrudan elek triktrik enerjisine dönüştürülmekte ve verim, maliyet, temel ve tepe yüklere uygunluk, kolayca servise alıp çıkarabilirle vb. bütün özellikleri bakımından üstünlük göstermektedir. Bu incelemede yöntem ayrıntıları ile ele alınarak generatörün yapısı, dönüşüm olayları, yön tem karşılaştırmaları ve uygulamadaki durumlar gibi konulara değinilmiştir.

GİRİŞ

Alışılmış elektrik enerjisi üretim yöntemlerinde çeşit li birincil enerji kaynaklarından dönüşümle elde edilen ısı enerjisi bir buhar türbinine veya su enerjisi bir su türbinine verilir ve bir senkron makinanın rotoruna akuple edilen bu türbinlerle üretim için gerekli meka nik güç sağlanır. Rot orun hareketi bir döner alan oluş turur ve bu alan statordaki sargılarla zincirlenir. Bu durum bilinen Faraday yasasına göre stator sargıların da bir gerilim endükler. Uçların bir yük devresine bağ lı olması durumunda rotorun mekanik enerjisi elek trik enerjisine dönüşerek devreyi besler. Elektrik ener ji santrallarımn çıkışı böyle bir enerji akışıyla sağ lan a gelmiştir.

Böyle bir üretim şekli yeni gelişmelere göre ileride ta mamen terkedilmeyecek ise de temel enerji üretim yöntemi olma durumunu kaybedecek görünmektedir. Senkron makinalar gelişen enerji üretim yöntemlerin de artık enerji kademelerinin değerlendirilmesinde ya rarlı olabilecektir, önceki yazımızda gelişen yöntem ler üzerinde verilen genel bilgilerde şimdiki durum ve gelecek üzerinde durulmuştur ( l ) . Gerek tesis gerekse üretim maliyetleri yönünden M HD yöntemin tartışıla mayacak üstünlükleri yanı sıra aynı zamanda geleceğin ideal bir enerji üretim yöntemi olduğu belirlenmiştir. Bu yazımızda yöntem tanıtılarak ayrıntılar ile ilgili açıklamalar verilecektir.

Tarihsel gelişim olarak ilk önce elektriksel yükler cins leri ve etkileşim şekilleri ile gözlenmiştir. Bunları izle yen magnetik alan ile ilgili gözlemlerle bir yüke etki yen elektromagnetik kuvvetler anlaşılabilir ve formüle edilebilir duruma gelmiştir. Lorentz Kuvveti adlandı rılan bağıntı, değinilen gözlemleri aydınlatan temel bir bağıntıdır. Faraday yasası ile bir gerilimin oluşu munu ve ortamda bir yükün varlığı ile de bunun ha reket ve iş yapabilme olanaklarını anlıyoruz. Senkron makinadaki sargıları oluşturan bakır tellerdeki serbest yükler endüklenen gerilimle hareket etmekte ve dış devre ile kapanan yol üzerinde iş yapmakta, bu devre ye güç vermektedir. Gene Faraday zamanından bili nir ki güç oluşturan serbest yüklerin hareketi katı bir iletken ortamda olabildiği gibi sıvı veya gaz şeklindeki bir ortamda da olabilir. Bu nokta üzerinde fazla durul mamıştır. Çünkü iletken bir gaz ortamın oluşturulma sı çok yüksek sıcaklıklar gerektirir ve malzeme tekno lojisi bu sıcaklıklardaki olanakları kısıtlar. Bu kısıtlı olanaklarla yapısında bakır iletkenlerin oluşturduğu sargılar bulunan üreteçler kullanılagelmiştir. Söz ko nusu kısıtlamalar üretimin en az iki kademede olması nı zorunlar. Gaz halindeki sıcak bir ortam enerjisini alışılmış yöntemde bir buhar türbini ile mekanik ener

jiye dönüştürmekte ve bu da mekanik kuplajla senk ron makinanın rotoruna aktarılmaktadır. Bu enerji dönüşümleri önemli kayıplara ve verimin sınırlandırıl masına neden olur. Acaba içinde iyonların, elektron ların, moleküllerin bulunduğu sıcak gazın enerjisi or tamın uygun bir iletkenliğe kavuşturulması ve bilinen yasaların uygunluğu nedeni ile doğrudan elektrik ener jisine dönüştürülemez mi ve böyle bir direk dönüşüm daha yüksek verim sağlamaz mı? Bu düşünceler M H D generatörlerin geliştirilmesinde temel hareket nokta sı olmuştur. Gelişen malzeme teknolojisi ile gerekli sı caklıklara ç (kılabileceği anlaşıldığından, önceden üze rinde durulmayan bu konu günümüzde yeni bir çağın başlangıcına neden olmuştur. Böyle bir yöntem M AG NETOHİ DRODİ NAM İ K (MHD) adını alır.

MHD GENERATÖRLER

Şekil 1 'de bir M H D generatörün basitleştirilmiş görün tüsü verilmiştir. Generatörün temel elemanları olarak içinden plazma akışının sağlandığı bir kanal, magne t ik alanı oluşturan bir kutup ç i f t i , dış devreyi besle yen yüklerin üzerinde toplandıkları kanal yüzeyindeki elektrotlar ve dış yük devresi bu şekilde görülmekte dir. Kanalın elektrotlarla bitişik ve karşılıklı olan yü zeyleri çok iyi bir iletim sağlayan malzemeden, ku tuplara bitişik diğer iki karşılıklı yüzey ise yalıtkan malzemedendir. Isı enerjisi taşıyan sıcak gaz kanaldan geçerken bu enerjinin önemli bir kısmı elektrik enerji sine dönüşerek dış devreyi besler. Çıkış gazındaki enerji ise alt kademelerde dönüşüme uğrar.

Şekil 1. M H D bir generatörün basitleştirilmiş görü nümü.

MHD ENERJİ DÖNÜŞÜMÜ

Konu iki yönden ilginçtir. Birincisi, acaba kanalda enerji dönüşümü nasıl oluyor? ikincisi, böyle bir dü zenin teknolojik ayrıntıları nasıldır? Diğer bir deyişle alışılagelen sistemlerden ne gibi farklılıkları vardır? ikinci yön bilhassa son iki on yıldır üzerinde geniş

araştırma ve geliştirmelerin yapıldığı bir konu olu yor (2). Birinci yön ise elektromekanik bir dönüşüm den büyük farklılıklar gösteren, farklı ara dönüşümleri kapsayabilen bir olay olması nedeni ile ilginçtir.

Bir katı iletken magnetik alanda hareket durumunda ise serbest yüklerin endüksiyonla hareketi bu iletken tarafından kılavuzlanmakta, mekanik kuvvet ve ener jiler elektromagnetik kuvvet ve enerjilere doğrudan dönüşmektedir. Oysa kanaldaki olaylar zinciri daha farklıdır. Kısaca ayrıntıları şöylece belirleyebiliriz: Enine alan nedeniyle üzerinde yüklerin bulunduğu parçacıkların hareketi yavaşlar. Magnetik alanın varlığı ve Lorentz kuvveti nedeniyle elektronlar enine alanın etrafında ve dairesel bir yörünge üstünde harekete zorla nır. Böylece oluşan negatif yüklü bir ekran Coulomb kuvveti nedeniyle akış halinde pozitif iyonları da ya vaşlatır. Pozitif iyonların kitlelerinin çok daha büyük olması, yavaşlamayı elektronlardaki kadar etkilemez. Bu bağıl yavaşlamalarla oluşan yoğun plazma ekranı (pozitif iyonlar ve serbest elektronlar) doğrudan elas tik çarpışmalarla nötr parçacıklar üzerine yavaşlatıcı bir kuvvet etkisi yaratır. Ekranın gösterdiği basınca karşı olan gaz akışı, elektronları alan içinde ve elek trotlar doğrultusunda harekete zorlar. Sonuç, gazın kinetik enerjisinde azalma ve bu kadar bir enerjinin de elektrik enerjisi olarak yük devresine verilmesi şek linde oluşur.

MHD ÇALIŞMA KARAKTERİSTİKLERİ Meslektaşlarıma yönelen dergimizde konuyu soyut laştırmadan ve mühendislik görüşleriyle ortaya koy mak bakımından yukardaki kavramların formüle edj lerek verilmesi uygun düşer kanısındayım. Gaz akışı nın zamanla değişmeyen süreklilikde, bir boyutla yak laşımlı olması kabul edilerek J akım yoğunluğu, B magnetik endüksiyon, E elektrik alan şiddeti, v akış hızı (Şekil 2'deki gibi) olmak üzere sistemin :

Birim hacim için enerji çıkışı,

w = —(avB J) a

Elektriksel verim,

J2/c

vB

b kanal genişliği olmak üzere generatörün terminal (uç) gerilimi,

V = Eb Elektrik alan şiddeti ver?e, yük akımının artışı ile doğ rusal azalır ve J = <J VB için sıfır olur. J = 0 için r?e= % 100 dür. Çıkış gücü ise J ile parabolik değişir ve maksimum J nin yarı değerinde ve r?e = % 50 iken maksimum değerini alır. Bu özellikler, kullanılagelen generatördeki güç çıkışı ve verim bağıntılarına benze mektedir. MHD generatörün söz konusu karekteristik leri Şekil 2'de gösterilmiştir.

Akım Y oğunluğu ,J

«vB

Şekil 2. MHD generatörün çalışma karakteristikleri.

KANAL GAZLARININ ÖZELLİKLERİ

Kanal gazlarının sahip olması istenen temel özelliği mümkün olduğu kadar iyi bir iletken olmasıdır. Gazla rın doğru akım elektriksel iletkenlikleri bağıntısı ile verilir ki burada, ne elektron yoğunluğu, e elektron yükü ve jue ise elektron mobilitesi olarak ta nımlanan bir büyüklüktür. Yaklaşık bir değer olarak ti pik bir MHD generatör kanal gazında iletkenlik, bakı rın iletkenliğinden 10*> civarındaki bir faktör kadar daha küçüktür. Elektriksel iletkenliğin yükseltilmesi amacı ile metalik bir eleman örneğin Cs, Na, K katkı maddesi olarak kullanılır, iyi bir iyonizasyonunun sağ lanması için yüksek sıcaklıklara çıkılması uygundur. Generatörün hareketli parçalarının olmaması bu ba kımdan uygundur. Bu nokta MHD generatörün en önemli özellik ve tercih nedenlerinden biridir. Hare ketli parçaların olmaması, sürtünme, ısı kaybı, meka nik titreşimler, mukavemet sorunları, gürültü, çalışma sürekliliğinde riskler vb. birçok aksama, kayıp, çevre sorunları ve verim düşüklüğüne neden olacak durumla rın oluşmamasını sağlar.

MHD generatörlerde maksimum sıcaklık 3500°C kadar olup, kanal duvarlarında ısı kayıplarının büyük olma ması ve kısa süreli çalışmalarda bu sıcaklığa kadar çı kılması tercih edilebilir. Böylece MHD generatörlerde Carnot verimi oldukça yüksek değerlere çıkabilir. Ve rim için önemli olan diğer bir nokta sıcaklığın 1800 2000° C i n altına düşürülmemesidir. Çünkü bu durum da katkı yapılmasına rağmen gaz iletkenliğini kaybe der. Bu özellikler elektrot yapısını etkileyen önemli faktörlerdir (3).

MHD GENERATÖRÜN TEMEL BAĞINTILARI

Viskozite nedeni ile kanaldaki akış Uç boyutludur. Ma mafih bir boyutlu quasi akış kabulü incelemeleri ol dukça basitleştirir ve birçok durumlar için yeterlidir. Keza ısı iletkenliği göz önüne alınmayarak, doğru alan la uyarılmış olma durumunda bağıntılar :

Durum denklemi, P = pRT olup burada p yoğunluk, R birim gaz kütlesi için gaz sabitidir. Süreklilik denklemi, p\v = Sabit

olup A kesit alanıdır. Ohm kanunu,

\ = a(vB E)

Hareket denklemi,

dv

dP

JB

Enerji denklemi,

d pv dz ( h

)=JE

Görülmektedir ki tüm Maxwell denklemleri gerekme mektedir ve sabit bir vo hızı için çözüm kolaylıkla el de edilir. şeklinde tanımlanan büyüklük 0 < a < 1 arasında de herler alır. a nın değeri 1'e yaklaşırken J de sıfıra yak laşır ve a nın 1 den büyük olması ile akışkan yön de ğiştirip MHD pompa durumu oluşur. a=0, yüksüz ça Şekil 3'de yutardaki faktörlerinde göz önüne alınarak gerçekleştirildiği muhtelif kanal geometrileri görül mektedir.

lışmayı gösterir. Bu özellikler kartal inşası üzerinde önemle durulması gerektiğini gösterir, aksi durumda darbeli akışlar ve kanalda mekanik zorlanmalar ile teh likeli durumlar oluşur.

Kanal inşası başka bir yönden de önemlidir. Kanalda enerji yoğunluğu çok yüksek değerlere çıkar. Akışın ses üstü veya ses altı olmasına göre Mach (M) sayısı ka nal boyunca değişir. Küçük bir hidrodinamik darbe, güç çıkışında önemli bir değişime neden olmasa bile kuvvetli bir darbede yük akımı yön değiştirebilir. Bu bakımlardan kanal uzunluğu önem kazanır veyukarki durumların görülebileceği uzunluğa etkileşim uzunlu ğu adı verilir. Bu uzunluğu etkileyen faktörler dikkat le göz önüne alınmalıdır.

HALL ETKİSİ

Kanal gazlarının iletkenlik durumu ve bununla bağın tılı yük hareketleri elektromagnetik bir olay olarak or taya çıkan Hail Etkisine neden olur. Bir magnetik alanda bulunan iletkenden geçen akım, alan ve akı mın her ikisine dik bir elektromotor kuvveti oluşturur. Bu olaya Hail Etkisi diyoruz. Reynold sayısı denen a v L juo'nin Y ve a mobilitenin büyük olduğu durum larda bu etki ağırlık kazanır. Örneğin, E elektrotlar arasındaki gerilimden oluşan bir alan, ue elektronların sürüklenme hızı, v gazın (elek tronlar kanala gaz içinde bu hızla girer) hızı, B magne tik endüksiyon, 0 Hail açısı ve/ie f e x B ise Hail akımı adını almak üzere genel bir durumun vnktör diyagramı Şekil 4'de görülmektedir.

Şekil 3. MHD generatör geometrileri. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 296

\.

( k\ E1'

T

N \

©İ3

S

v xB

Şekil 4. Elektron sürüklenmesinin etkisini belirleyen, hareketli iyonize bir gaz içindeki alan ve akımların vektör diyagramı.

ELEKTROTLARIN ŞEKİLLENDİRİLMESİ

Elektrotların şekil ve bağlantıları işletme karakteris tiklerini etkiler. Şekil 5'de vektör diyagramı ile birlik te sürekli elektrot tipli bir MHD generatörün elektrot bağlantıları görülmektedir. Böyle bir MHD generatör de,

vxB

Şekil 5. Sürekli Elektrot tipli MHD Generatör ve vektör diyagramı.

Hail tipi MHD generatörlerde ise bağıntılar: o ( E x + 0 e v B)

Jex

Jey""l^Z

\ v ——

Bu tip MHD generatör için elektrot bağlantıları ve vektör diyagramı Şekil 7'de gösterilmiştir.

Jex =

Jey =

~

aı>2B2a(1 a)

bağıntıları verilebilir. Burada 0e = jueB olup Hail Etki Katsayısı adı da verilmektedir.

Şekil 6'da ise Faraday Tipi (parçalı elektrot) bir MHD generatörün vektör diyagramı ve elektrot bağlantıları gösterilmiştir. Bu tipde :

B2a(1 a)

"L;

bı

1 :=;,

V*

Şekif 6. Faraday tipi MHD generatör ve vektör di yagramı.

Bu üç temel tip MHD generatörlere ait mukayeseler ise Tablo 1'de gösterilmiştir, T? dönüşüm verimini be lirlemektedir.

Şekil 7. Hail tipi MHD generatör ve vektör diyagramı.

Tablo 1. Temel tiplerdeki MHD generatörlerin mukayeseleri.

Tip

Fayda

Mahzur

Sürekli Elektrot

(D Basit (2) Y alıtım problemleri kolay

(D Büyük 0 ele r de düşük w (2) Boyuna kuvvet ve gerilmeler

Faraday

(D E n i y i * (2) Sadece aksiyal kuvvetler (3) Makul bir büyüklük teki 0e için uygun

(D Karmadık yük devresi (2) Daha zor bir kontrol (3) Büyük aksiyal potansiyel gradyandarı

Hail

(1 ) Tek yük devresi

(1 ) Düşük w

(2) BUyük0e den yararlanma (3) Y üksek gerilim,

(2 ) Sınırlı T ) m a x (fie genellikle istenildiği kadar

zayıf akım

büyük değil)

(3) Büyük aksiyal

potansiyel

gradyantları

(4) Enine kuvvetler

ENERJİ SİSTEMLERİNDE UY GULAMALAR

Gaz şeklinde kanal akışı bulunan MHD generatörler uygulamada iki türlü geliştirilmektedir. Şekil 8'de açık çevrimli bir sistem görülmektedir.

Potasyu

Alternatif Akım Enerji Cıkı$ı

Ek Alternatif Akım Enerji Üretimi

Hava Girişi

Katkı Ayrımı ve Kir Temizlisi (Elektrostatik)

Besleme Pompası

Şekil 8. Açık çevrimli sistem.

Bu tip santrallarda yanma odasında yakıt, hava ve kat kı maddesi birleşerek yanma sonucu çıkan gaza gene ratörün giriş enerjisini verir ve bu gaz doğrudan kana la yönlendirilir. Kanal çıkışı artık enerji taşıyan gazlar bir ön ısıtıcı ve bir de kazandan geçirilerek yararlanı labilir tüm enerjilerini bırakırlar ve arınma odalarına geçerler. Bacadan çıkan gazların çevre kirliliği oluş turmaması ve katkı maddelerinin tekrar kullanılabilir duruma getirilmesi için bu işlem gereklidir, ön ısıtı cılar yanma odasına giden havayı ısıtırlar. Kazan sis temi ise bilinen yöntemlerle arda kalan ısı enerjisinin

310 n lAttcrnotif Akım)

Şekil 9. Kapalı çevrimli sistem. ELEKTRİK MÜHENDİSLİĞİ 296

elektrik enerjisine dönüştürülmesi için buhar türbin lerini besler. Bu sistemin en büyük mahzuru kanal du varlarının çabuk kirlenmesi ile sık sık temizlik yapıl ma gereği ve bu nedenle işletmede kalma süresinin kı sa peryotlu olmasıdır. Şekil 9'da ise kapalı devre bir sistem görülmektedir. Bir reaktörle kombine olarak görülen bu sistemde ise kanaldan geçen gaz sürekli olarak bir kapalı devreyi izlemekte ve dış ortamla te mas ettirilmemektedir. Bu nedenle çalışma gazının ki kanaldan geçmektedir, temiz kalması sağlanır. Bu sis temin en büyük mahzuru ise ısı enerjisinin MHD gene ratöre iki kademede ulaşması ve bu nedenle oluşan ısı kayıplarının verimi düşürmesidir. Şekillerde görülen MHD generatör çıkışları doğru akım şeklinde olup al ternatif akıma çevrilerek enterkonnekte şebeke bes lenmektedir.

MHD generatörler üzerinde araştırma ve geliştirmeler sürekli devam ettirilmekte ve bunların yanısıra fark lı tipteki MHD generatörler üzerinde de çalışmalar ya pılmaktadır (2, 4 , 5 , 6 , 7 ) . Örneğin sıvı metal çevrim li MHD generatörler, doğrudan alternatif akım üreten MHD generatörler (7) gibi. Bazı ülkelerde oldukça dü şük sıcaklıklarda çalıştırılan MHD generatörlerin ge liştirilmekte olduğu da belirlenmekte ise de (6) henüz ticari alana uygulanabilme olasılıkları hakkında ayrın tılı bilgiler basına aksetmem iştir.

SONUÇ

Alışılmış yöntemlerle erişilemeyen bir verimi, daha düşük tesis ve işletme maliyetleri olan ve gerek temel yük ve gerekse de kısa süreli tepe yükler için uygun bulunan, kalitesiz kömürlerin dahi kullanılabildiği MHD enerji üretim sistemleri elektrik enerjisine dönüşüm de yeni bir çağ getirmektedir. 1985'den önce ticari alana girmesi beklenen bu yöntem (4) umutla beklen mektedir.

KAYNAKLAR (1) H. Nusret Yükseler, "Enerji Dönüşüm Olanakları", Elek trik Mühendisliği Dergisi, Cilt 27, Sayı 291/292, 1982/11 2.

(2) H. Nusret Yükseler; "Magnetohidrodinamik Enerji", Tür kiye Elektrik Kurumu'nda konferans^ 15 Haziran 1981, An kara. (3) "MHD eleetrode ceramic developed", Modern Power Sys tems, Volume 2, No. 7, August 1982, Technology Briefs pg. 16. (4) "MHD Research Centre To Be Set Up", Modern Povver Systems, Volume 2, No. 1, January/February 1982, World Digest, pg. 10. (5) "USSR Visits MHD Plant", Modern Povver Systems, Vo lume 2, No. 8, September 1982, World Digest, pg. 7. (6) Arthur Convvay; "Small Cool MHD Generators Could Povver the Industrial and the Third World", Modern Povver Systems, Volume 1, No. 4, April 1981, MPS Revievv, pg. 16. (7) MasakiSAITO,ShojiINOUE,YoichiFUJII E "Induction MHD Generatör Using Alternating Magnetic Field", Journal of Nuclear Science and Technology, 16 | 3 |, pp. 161 174 (March 1979).