Trakya Univ J Sci, 10(2): , 2009 ISSN DIC: 284SMAT Araştırma Makalesi / Research Article

Transkript

1 Traya Univ J Sci, 10(2): , 2009 ISSN DIC: 284SMAT Araştırma Maalesi / Research Article GÜNEŞ IŞIĞININ GÜNEŞ HAVUZUNDA DEPOLANMASININ TEORİK OLARAK İNCELENMESİ Sevinç MANTAR 1, Mehmet KARAKILÇIK 2 1 Çuurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizi Anabilim Dalı, Adana sevincmantar0101@hotmail.com 2 Çuurova Üniversitesi Fen Edebiyat Faültesi, Fizi Bölümü, Adana ilci@cu.edu.tr Alınış: 10 Ağustos 2009 Kabul Ediliş: 10 Eim 2009 Özet: Güneş havuzları m arasında değişen derinlilerde tuzlu su havuzlarıdır. Yapay güneş havuzları üç bölgeden oluşmatadır. Bunlar; Üst onvetif, onvesiyonsuz ve alt onvetif bölgelerdir. Üst onvetif bölge, tatlı su tabaasın oluşmatadır. Konvesiyonsuz bölge, aşağıya doğru artan yoğunlularda tuzlu su içeren yalıtım bölgesidir. Alt onvetif bölge ise, en yoğun tuzlu su içeren ve güneş gelen ışığı soğuran ve ısı enerjisi olara depolayan bölgedir. Üst bölgeye gelen güneş ışınlarının bir ısmı yüzeyden yansır, geri alan ısmı havuz tabanına doğru ilerler. Bu sırada çeşitli dalga boylu ışınlar, farlı derinlilerde değişi oranlarda soğurulur ve tabana %25-35 adarı ulaşır. Havuzun tabanında bulunan depolama bölgesine giren güneş ışınları burada soğurulmata ve depolanmatadır. Güneş enerjisinin depolanmasında havuza yüzeyine gelen ve giren güneş ışını açılarının bilinmesi önemlidir. Bu amaçla, (SGHS) Çuurova Üniversitesinde, Adana da 1,6 m çapında ve 2,0 m derinliğinde bir silindiri güneş havuzu sistemi inşa edilmiştir. Güneş havuzuna giren güneş ışınlarının, güneş havuzunda her tabaa da meydana gelen ırılma açılarını belirleme amacıyla bir teori çalışma yapılmıştır. Elde edilen sonuçlarına göre, havuza giren güneş ışığının üst bölge için ırılma açı değerleri sırasıyla Q i : 30, 45, 60 ve Q :13.3,19.6, Yalıtımlı bölge için Q i : 13.3, 19.6, 24.3 ve Q : 9.02, 13.22, olara bulunmuştur. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Havuzları, Enerji depolaması, Yenilenebilir Enerji Kaynaları. Theoretıcal Investigation Storing of SolarLight in a Solar Pond Abstract: Artificial solar ponds are saline water ponds that about m depth contains salt water in increasing intensity. Solar ponds are genarally comprise of three zones. These are upper convective, non convective and bottom convective zones. Upper convective zone is composed of fresh water. Non convectine zone is insulated zone which contains different density salty water that increase in downward, and bottom convective zone is contain higly intensity solar water that storage and absorb solar energy. Incoming solar light a part of the solar pond surface is reflected from the upper convetive surface, the remainder solar light goes to down to solar pond. This time various wave length of light absorption in the different rates at different depths and 25-35% of this light is reached in down. In this study, a cylindrical solar pond system (CSPS) with a radius of 1.6 m and a depth of 2.0 m was built in Çuurova University in Adana, Turey. The Solar ponds entering of sun light that occurs in each layer to determine the refraction angles is a theoretical study. According to the analysis results, into stored of solar radiation, for upper convection zone entering light and angle of refraction values respectively Q i : 30, 45, 60 and Q : 13.3, 19.6, For non convection zone entering light and angle of refraction values respectively found Q i : 13.3, 19.6, 24.3 and Q : 9.02, 13.22, Keywords: Solar Energy, Solar Ponds, Energy Storage, Renewable Energy Resources.

2 160 Sevinç MANTAR, Mehmet KARAKILÇIK GİRİŞ Artan nüfus ve gelişen sanayinin enerji geresinimleri ısıtlı enerji aynalarıyla arşılanamamatadır. Ayrıca, dünyada artan nüfuzdan ve sanayileşmeden aynalanan enerji geresiniminden dolayı, enerji üretimi ve tüetimi arasındai açı gidere artmatadır. Bu nedenle ihtiyacı arşılama için çeşitli enerji aynaları ullanılmatadır. Bu enerji aynaları ii ayrı türe ayrılmatadır. Bunlar; Birincil enerji aynaları ve türetilmiş enerji aynalarıdır. Birincil enerji aynalarından birincisi, ömür, petrol, doğal gaz gibi fosil yaıtlar ve nüleer enerjidir. Yani, yenilenemeyen enerji aynalarıdır. İincisi ise, su, jeotermal, bioütle, rüzgar ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir ve temiz enerji aynalarıdır. Türetilmiş enerji aynaları ise, birincil enerji aynaları ullanılara tüetime hazır hale getirilmiş olan eletri ve ısı enerjisi gibi aynalardır. Dünyamızda enerji ihtiyacı her yıl yalaşı olara %4-5 oranında artmatadır. Buna arşılı bu ihtiyacı arşılamata olan fosil yaıt rezervi ise ço daha hızlı bir şeilde tüenmetedir. Ayrıca Fosil yaıtlar içindei arbon havadai osijen ile birleşere CO 2 veya CO gazları ortaya çımatadır. Yine yaıt içerisinde eser mitarda bulunan urşun, üürt gibi elementler yanma sıcalığında osijen ile birleşere insan sağlığı açısından önemli tehdit oluşturan bileşiler (SOx, PbO, NOx) oluşturmatadır ve bunlarda dünyaya sera etisi yapmatadır. Bu eti sonucunda üresel ısınma meydana gelmetedir. Şeil 1. Güneşten gelen güneş ışınlarının dünya yüzeyinde yansımaları (The Met Office; Hadley Center for Climate Prediction and Research) Güneşten gelen toplam ışınların % 46 sı atmosfer tarafından % 23 ü de bulutlar tarafından soğurulur, %23 ünü de bulutlar geri yansıtır ve %4 lü bir bölüm ise yer yüzeyinden geri yansımatadır. Dünyaya gelen ışınların anca %24 lü bir bölümü yeryüzüne ulaşır ve gezegenimizi ısıtır. Isınan yeryüzü uzun dalga boyunda olan enerjiyi geriye atmosfere yayar. Sera gazları (su buharı, arbon diosit ve metan) yeryüzünden atmosfere geri yayılan ışınları soğurup terar atmosfere salara sıcalığın yüselmesine sebep olurlar. Aslında sera etisi doğal bir süreç olup gezegenin sıcalığının orunması için gerelidir. Anca sanayi devrimi ile birlite tarımsal ve endüstriyel faaliyetlerdei hızlanma, ömür ve petrol gibi fosil yaıtlarının fazlaca tüetilmesi ve sera gazları için alıcı ortam olan ormanların tahrip edilmeye başlanmasıyla bu gazlarının atmosferdei onsantrasyonları zamanla artmıştır ve artmaya da devam etmetedir. Günümüzde artı fosil yaıtlar yerine ayna sorunu olmayan, tüenmeyen ve çevreye zarar vermeyen alternatif enerji aynalarını ullanma zorundayız. Bunlar; güneş, rüzgar, hidrojen, bioütle, jeotermal, dalga ve hidroli enerjidir. Bu alternatif aynaların en önemlilerinden biri olan güneş, irletmeyen, tüenmeyen, en temiz ve sonsuz bir enerji aynağıdır. Güneş enerjisi, güneşten gelen ve hiçbir işletme masrafı olmayan bedava bir enerji aynağıdır. Güneş havuzları, güneş enerjisinin doğrudan toplanıp, yine aynı ortamda depolandığı basit bir güneş enerjisi uygulamasıdır. Havuzdai ısının dağılımı suya elenen tuz onsantrasyonu ile düzenlenir, tuz onsantrasyonu en üstten alta doğru artar. Böylece en üstte soğu su yüzeyi bulunsa bile havuzun alt ısmında doymuş tuz onsantrasyonu bulunan bölgede sıcalı yüse olur. Havuzda oluşan tuz yoğunlu gradyenti depolama bölgesi ile yüzey arasında onvesiyonla ısı iletimini önler ve böylece depolama bölgesinde aynama notasına yalaşan sıcalılara ulaşılabilir. Güneş havuzlarının uzun süreli enerji depolama özellileri olmasından dolayı, yaz aylarında depolanan enerjiyi ış aylarına adar salayabilme özellileri vardır. Bu da güneş havuzlarının önemini ve ullanışlılığını arttırır (Tabor, 1981). Havuz üzerine gelen güneş enerjisinin yalaşı olara %16 sı

3 Güneş Işığının Güneş Havuzunda Depolanmasının Teori Olara İncelenmesi 161 yansıma yoluyla, %21 i yüzeyden havaya onvesiyon ile, %22 si havuzdan suyun buharlaşmasıyla, %31 i göyüzüne yaydığı uzun dalga boylu radyasyon ile, %3,7 si alt onvesiyonlu bölgeden yere olan ısı aışı ile aybolur. Işınımın sadece %6,4 ü havuzda depolanır. Bunun dışında sadece AKB (depolama bölgesi) içinde depolanan güneş enerjisinin bir ısmı ullanılabilir enerji olara havuzdan alınabilir (Subhaar ve Murthy,1993). MATERYAL VE METOD Bu çalışmada, Çuurova Üniversitesi Uzay Bilimleri ve Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merezi (UZAYMER) de inşa edilen ve güneş enerjisi ile çalışabilen yalıtımlı silindiri model bir güneş havuzu (SMGH) ullanılmıştır. SMGH yerden 130 cm yüsete ve metal bir aide üzerine yerleştirilmiştir. SMGH un çapı 160 cm, derinliği 2 m ve dış ısmının (dış duvarları) 10 cm alınlığında cam yünü (izocam) yalıtımlı bir model güneş havuzu ullanılması planlanmıştır ve güneş havuzu üzerine gelen güneş ışınlarının havuzun her tabaasında ırılması hesaplanmıştır. Böylece havuzda depolanan enerji mitarına göre de çeşitli modeller geliştirilmeye çalışılmıştır. Şeil 2. Silindiri model güneş havuzu (SMGH) dış görünümü. Güneş Enerjisi Yansıma Tuz Gradyentini Koruma Sistemi-1 Tabaalar Üst Konvetif Bölge (ÜKB) Geçme (YB) ρ= g/m 3 Tuz Gradyentini Koruma Sistemi-2 Soğurulma Depolama Bölgesi (DB) ρ= g/m 3 Şeil 3. Silindiri model güneş havuzunun şemati görünüşü Traya Univ J Sci, 10(2), , 2009

4 162 Sevinç MANTAR, Mehmet KARAKILÇIK Şeil 4. Güneş havuzunda güneş ışığının ırınımının her 3 tabaa için görünümü Güneş havuzunun yüzeyine ulaşan güneş ışınının havuz içerisinde izleyeceği yol Şeil 4 de gösterilmiştir. Şeil 4 de görüldüğü gibi güneş ışığının bir mitarı havuzun yüzeyi tarafından yansıtılır alanı havuzun üst onvetif bölgesinden (ÜKB) yalıtım bölgesine (YB) iletilir. Bir mitarı ÜKB tarafından soğurulur. Yalıtım bölgesine ulaşan güneş ışınının büyü bir ısmı depolama bölgesine (DB) iletilir. Bir mitarı YB tarafından soğurulur ço az bir mitarı ise YB den ÜKB ye yansıtılır. Güneş havuzunun yüzeyine gelen güneş enerjisinin büyü bir ısmı DB ne ulaşır ve burada soğurulara depolanır. Ço az mitarı havuzun tabanı tarafından yansıtılır. Güneş radyasyonunun havuz içerisinde soğurulması dalga boyuna bağlıdır. Güneş radyasyonunun suyun farlı derinlilerindei dağılımı yalaşı olara aşağıdai gibi verilmiştir. I x = I s ( 1 Fδ )exp( µ x) (1) Burada x, x = ( x 1 δ ) secθ (2) ile belirtilmiştir. Snell Yasasına göre θ açısı, aşağıdai eşitliten bulunur. θ = (3) sin 1 (sinθ / n z ts ) Burada, I x, x derinliğindei ışın; I s, yüzeye düşen ışının suya giren mitarı; F δ, yüzeyde soğurulan güneş enerjisi esridir ve ortalama değeri yalaşı olara 0.4 dür. μ, etin soğurma atsayısı; x, havuzdai yol uzunluğu; δ, F δ fatörü ile verilen ve güneş radyasyonunun uzun dalga bölümünün soğurulduğu yüzey tabaa alınlığıdır ve önerilen alınlı yalaşı olara 0.06 m dir. θ y yatay bir yüzeyden yansıyan ışının yüzeyin normali ile yaptığı açısıdır. θ z yatay bir yüzeye gelen ışının yüzeyin normali ile yaptığı açıdır. n ts tuzlu suyun ırılma indisidir (Hawlader ve Brinworth, 1981). Suyun ırılma indisi n su = 1,33 tür ve tuzlu su için aynı değer abul edilebilir. Faat bu çalışmamızda havuz üzerine gelen ışığın sadece ırılma açısına bağlı olara depolanmadığı, bunun yanında sıcalı ve yoğunluğa bağlı olaratan ırılara depolandığı varsayılara bir teori bir çalışma yapılmıştır. Her bölgedei yoğunlular diate alınara ayrı ayrı hesaplama yapılmıştır. Aşağıdai tablolarda depolama bölgesine ulaşan ışınlar hesaplanara, her bir bölgedei ırılma mitarları da bulunmuştur. Q i güneş ten gelen güneş ışının havuzun normali ile yaptığı açısıdır. Q havuza giren güneş ışının havuzda i ırılma açısıdır. Ayrıca sistem 3 ayrı yoğunlu ve sıcalı bölgesine sahiptir. T havuzun her bölgesindei sıcalığını ve ρ ise her bölgesindei ayrı ayrı yoğunlularını göstermetedir.

5 Güneş Işığının Güneş Havuzunda Depolanmasının Teori Olara İncelenmesi 163 T ρ n sinθ T ρ n2 sinθ i = 2 1 (4) Tablo 1. Üst Konvetif Bölgeye Giren ve Kırılan Işın Değerleri Q i : Havuza giren Güneş ışığı ( ) Q : Havuzda ırılan Güneş ışığı ( ) Tablo 2. Konvesiyonsuz Bölgeye Giren ve Kırılan Işın Değerleri Qi: Havuza giren Güneş ışığı ( ) Q : Havuzda ırılan Güneş ışığı ( ) SONUÇLAR Bu çalışmada, Adana ilinde bulunan güneş havuzu için, yatay düzleme gelen güneş ışınım değerleri ullanılmıştır. Havuza gelen ışığın sadece saf suyun meydana getirdiği ırılması göz önüne alınmayıp, ayrıca tuzlu su içinde meydana gelen ırılma da düşünülere yoğunlu farının sıcalıla olan ilişisi de göz önüne tutulara teori bir çalışma yapılmıştır. Her bölgeye ulaşan güneş ışınları mitarı ve buna bağlı olara ırınım mitarı hesaplanmıştır. Güneş Havuzuna 60 ile giren bir güneş ışığı anca depolama bölgesinde ile ulaşabilirliği hesaplanmıştır. Böylece, güneş havuzuna giren ışığın her bölgede ayrı ayrı ırılara depolandığı bulunmuştur. Buda depoda bulunan su yoğunluğunun ne adar önemli olduğunu ortaya oymatadır. Sonuç olara depolama bölgesinde meydana gelece ısıyı, güneş ışınımı hesabıyla önceden tahmin edebileceğiz. KAYNAKLAR [1] Liu, B.Y.H. and Jordan, R.C., The long-term average performance of flat-plate solar energy collectors, Solar Energy, 7, 53, [2] Bozdemir S. and Kayali R. (1983) Mathematical modelling of a solar pond and comparison of experimental observations.doga Tur J. Phy. 7, 3, [3] Dinçer, I., Optimum tilt angle for solar collectors used in Cyprus, Renewable Energy, 6, 7, ,1995. [4] Karaılçı, M., Yalıtımlı Prototip Bir Güneş Havuzunun Performansının Saptanması, Dotora Tezi, Çuurova Üniversitesi, Adana, [5] Karaılçı, M, Kıymaç, K., and Dıncer, I., (2006) Experimental and Theoretical Temperature Distributions in a Solar Pond. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49, 5-6, 2006, [6] Bozurt, I., Yalıtımlı ve Üstü Kapalı Silindiri model bir Güneş Havuzunun (SMGH) Performansının İncelenmesi, Yüse Lisans Tezi, Çuurova Üniversitesi, Adana, [7] Durmaz, A.F., Eği yüzeylere gelen güneş ışınımının analizi ve cam yüzeylerden geçen güneş ışınımının tespiti, Yüse Lisans Tezi, Harran Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, Maine Mühendisliği Anabilim Dalı, Şanlıurfa, 2007 [8] The Met Office; Hadley Center for Climate Prediction and Research, ( Traya Univ J Sci, 10(2), , 2009