Enerji üretim sistemlerinin ekolojik performans analizi ve optimizasyonu

Abstract

Son yıllarda klasik termodinamik ve sonlu zaman termodinamiği teorilerini kullanarak enerji üretim sistemleri için farklı amaç fonksiyonlarına dayalı olarak birçok optimizasyon çalışması yapılmıştır. Bu optimizasyon çalışmalarında güç, ısıl verim, entropi üretimi, güç yoğunluğu, ekserji, termoekonomi ve ekserjoekonomi ve ekoloji gibi kriterler amaç fonksiyonu olarak seçilmiştir. Son yirmi yıllık dönem içerisinde doğal kaynakların hızla azalmasına bağlı olarak, enerji üretim sistemlerinin çevre üzerindeki etkilerinin incelenmesi oldukça önem kazanmıştır. Bazı araştırmacılar bu amaca yönelik olarak farklı enerji üretim sistemlerinin ekolojik performansını incelemişlerdir. Literatürde yer alan ekolojik amaç fonksiyonunun eksi değerler alabilmesi, boyutlu olması ve fiziksel anlamının açık olmaması nedeniyle bu kritere alternatif olarak boyutsuz ve fiziksel olarak daha anlamlı bir ekolojik performans kriteri tanımlanmıştır. Ekolojik Performans Katsayısı (ECOP) adını verdiğimiz bu kriter, güç çıktısının kayıp kullanılabilir enerjiye oranı şeklinde tanımlanmıştır. Bu çalışmada, tanımlanmış olan ekolojik performans kriteri farklı enerji üretim sistemlerine(Carnot ısı makinası, gaz türbinleri, içten yanmalı motorlar, soğutma makinaları ve ısı pompaları) uygulanarak optimum performans ve dizayn şartları araştırılmıştır. Bu bağlamda optimum şartlardaki entropi üretimi, ısıl verim ve güç çıktısı farklı amaç fonksiyonlarına göre belirlenerek mukayese edilmiştir. Ayrıca kaynak sıcaklıkları oranı, iç tersinmezlik ve ısı kaçağı gibi genel parametreler ile her bir enerji üretim sistemine ait özel parametrelerin genel ve optimum ekolojik performans üzerindeki etkileri incelenmiş ve tartışılmıştır. Tanımlanmış olan ekolojik performans kriterinin güç, ısıl verim ve entropi üretimi yönünden en uygun performansı sağladığı gösterilmiştir. Yapılan performans analizi ve elde edilen optimizasyon sonuçları enerji üretim sistemlerinin termo-ekolojik yönden optimum tasarımı için teorik bir temel oluşturabilir.