ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Abdullah İSKENDER GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2010

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Abdullah İSKENDER YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez 22/01/2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza: İmza: İmza: Yrd.Doç.Dr.Mehmet KARAKILÇIK Yrd.Doç.Dr.Zeki Kurt Yrd.Doç.Dr.Güray KILINÇÇEKER Danışman Üye Üye Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No: Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma ÇÜ. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2008YL34 * Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge, şekil ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 Sayılı Fikir ve sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

3 ÖZ YÜKSEK LİSANS TEZİ GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Abdullah İSKENDER ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yıl: 2010, Sayfa: 65 Jüri : Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yrd.Doç.Dr. M. Zeki KURT Yrd.Doç.Dr. Güray KILINÇÇEKER Güneş enerjisi, temiz, yenilenebilir ve sonsuz bir enerji kaynağıdır. Bu yüzden güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin geliştirilmesi ve performanslarının artırılması oldukça önemlidir. Bu sistemlerden birisi de güneş havuzlarıdır. Güneş havuzları, üç farklı bölgeden oluşur. Bu bölgeler farklı yoğunluklarda tuzlu su tabakalarına sahiptir. En yoğun tuzlu su bölgesi havuzun tabanındadır ve güneş enerjisini ısı biçiminde depolamaktadır. Bu bölgenin ısı depolama performansını etkileyen etmenlerden birisi de iç bölgeden kaynaklanan ısı kayıplarıdır. Bu kayıplar, iletim, taşınım ve tuzun moleküler difüzyonuyla oluşmaktadır. Bu araştırmada, silindirik model güneş havuzunun iç bölgelerindeki tuzlu su tabakalarının termodinamik özellikleri incelenecektir. Ayrıca tabakaların kararlı tutulması ve tuzun moleküler difüzyonla sebep olduğu ısı kayıplarının belirlemeye çalışılacaktır. Bu amaçla, iç bölgedeki difüzyonun bir boyutlu matematiksel modeliyle iç bölgenin sıcaklık dağılımlarına bağlı olarak tuz moleküllerinin difüzyonu hesaplanmıştır. Sonuç olarak, silindirik model bir güneş havuzunun difüzyon ısı kayıpları hem deneysel ve hem de teorik olarak belirlenmesinin mümkün olduğu görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Havuzları, Isı Depolaması, Isı Transferi, Tuzlu Suda Difüzyon I

4 ABSTRACT MSc THESIS INVESTIGATION OF THERMODYNAMIC PROPERTIES OF SOLAR PONDS Abdullah İSKENDER DEPARTMENT OF PHYSICS INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF CUKUROVA Supervisor: Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Year: 2010, Page : 65 Jury: Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Asst. Prof. Dr. M. Zeki KURT Asst. Prof. Dr. M.Güray KILINÇÇEKER Solar energy is a energy source which is clean, renewable and unlimited. Therefore, development of systems working with solar energy and increased in their performances are important. One of the systems working with solar energy is solar ponds. Solar ponds consist of three different zones. This zones have salty water layers with different concentrations. The most density salty water zone is bottom of the pond and it stores solar energy form of heat. One of factors that affect parts of storing the heat is heat loss which stems from internal zones as well. This heat losses comes into existence with conduction, convection and salt s molecular diffusion. In this study, it is going to be examined thermodynamics properties of salty water layer at inner zones. Besides, it is going to be determined heat loss that salt causes molecular diffusion and make layers stay stable. With this purpose, the diffusion of the inner zones is determined depending on internal dispersion heat via one dimonsional mathematical model salt the diffusion of salt molecules As a results, diffusion heat loss of a cyclindrical model solar pond is calculated both experimental and theoretically. Key words: Solar Energy, Solar Ponds, Thermal Storage, Heat Transfer, Diffusion in the Salty Water II

5 TEŞEKKÜR Öncelikle, bu tezin yönetiminde ve oluşumunda aynı zamanda çalışmalarım sırasında karşılaştığım sorunların çözümünde her türlü desteğini esirgemeyen, çalışmalarım için bütün olanakları sağlayan danışman hocam Yrd. Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK a teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca çalışmalarımda tavsiyelerini, önerilerini ve yardımlarını eksik etmeyen İsmail BOZKURT a ve Sevinç MANTAR a çok teşekkür ederim. Çalışmalarımda her türlü maddi ve manevi destek olan aileme sonsuz teşekkürlerimi sunarım. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTARCT...II TEŞEKKÜR....III İÇİNDEKİLER...IV TABLOLAR DİZİNİ...VI ŞEKİLLER DİZİNİ...VII SİMGELER ve KISALTMALAR...VIII 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Yenilenemez Enerji Kaynakları Yenilenebilir Enerji Kaynakları Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli Güneş Havuzları Konveksiyonsuz Güneş Havuzları Konveksiyonlu Güneş Havuzları Güneş Havuzu Uygulamaları Su Isıtması Bina Isıtması Hububat Kurutulması Elektrik Üretimi Diğer Uygulamalar GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ Güneş Havuzlarında Tuzlu Suyun Isıl Özellikleri Tuz Yoğunluğunun Sıcaklıkla Değişimi Güneş Havuzlarında Isı Akışı Konveksiyon İle Isı Akışı Işıma Yolu İle Isı Akışı İletim Yolu İle Isı Akışı...18 IV

7 Yüzeyden Buharlaşma Yolu İle Isı Kaybı MATERYAL ve METOD Materyal Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) Yapısı SMGH' un İç ve Dış Bölgelerinin Yalıtımı SMGH' un İç Yalıtım Bölgesi SMGH' un İç Yalıtım Bölgesinin (Tabakalarının) Oluşturulması Havuz Tuz Yoğunluğu Dağılımını Ölçme Sistemi Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sisteminin Çalışma Prensibi Sıcaklık Dağılımını Ölçme Sistemi Metod Güneş Havuzuna Gelen Radyasyonun Soğrulması Model Havuza Gelen Radyasyonun Derinlikle Azalması Hava Sıcaklığının Ölçülmesi Sıcaklık Ölçüm Sistemi Güneş Havuzunun İç Bölgelerindeki Tuz Yoğunluğu Dağılımı Termal Isı İletim Katsayısı Tuz Yoğunluğunun Kararlılığı(Fick Yasası) Güneş Havuzlarının Tuz Yoğunluğu Eğiminin Kararlılığı BULGULAR ve TARTIŞMA Tuzlu Suyun Isı İletim Katsayısı Tuzlu Suyun Özgül Isısı SMGH da Tuz Gradyentinin Oluşturulması ve Korunması SONUÇLAR ve ÖNERİLER...41 KAYNAKLAR 53 ÖZGEÇMİŞ V

8 TABLOLAR DİZİNİ SAYFA Tablo 3.1. Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli Tablo 6.1. Atmosfer basıncında suyun ve tuzlu su çözeltisinin ısı iletim katsayısı...38 VI

9 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1. Türkiye de toplam güneş radyasyonu dağılımı...10 Şekil 4.1. Güneş havuzlarında kullanılabilen NaCl, MgCl 2, NaHCO 3, Na 2 CO 3 ve Na 2 SO 4 tuzlarının sıcaklıkla değişen konsantrasyonları 16 Şekil 5.1. SMGH nın iç bölgeleri.22 Şekil 5.2. Tuz yoğunluğunu ölçme sistemi...24 Şekil 5.3. Güneş havuzunun tuz gradyentini koruma sistemi 25 Şekil 5.4. LM35 in kontak noktalarının alttan görünüşü...26 Şekil 5.5. Güneş havuzunun tuz tabakaları...32 Şekil 5.6. Sıcaklık değişim hızına bağlı olarak ısı geçiş yönleri...33 Şekil 5.7. Farklı sıcaklıklardaki tuzlu su tabakalarından ısı geçişi Şekil 6.1. Tuzlu suyun özgül ısının konsantrasyonla değişimi.. 38 Şekil 6.2. Tabakaların başlangıç yoğunluk dağılımı ve gradyentin oluşumu 41 Şekil 6.3. Tuz gradyentini koruma sistemi ile tuz yoğunluklu tabakaları..41 Şekil 6.4. Tuz yoğunluklu tabakaların durum değişimi. 42 Şekil 6.5. Model bir güneş havuzunun ÜKB nin ısı iletim katsayısı değişimi.. 42 Şekil 6.6. Model bir güneş havuzunun YB nin ısı iletim katsayısı değişimi Şekil 6.7. Model Bir Güneş Havuzunun DB nin ısı iletim katsayısı değişimi...43 Şekil 6.8. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden difüzyonla kütle Akışı...46 Şekil 6.9. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı enerjisi.47 Şekil Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden yalıtım bölgesine ısı transferi...48 Şekil SMGH nın depolama bölgesinden yalıtım bölgesine difüzyonla kütle akışı Şekil SMGH nın bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı enerjisi Şekil SMGH nın depolama bölgesinden difüzyonla ısı transferi bölgesine ısı transferi VII

10 SİMGELER VE KISALTMALAR ÜKB: Üst Konveksiyon Bölgesi YB: Yalıtım Bölgesi DB: Depolama Bölgesi SMGH: Silindirik Model Güneş Havuzu q kon: Konveksiyonla Isı Kaybı h kon : Isı Taşınım Katsayısı T s : Su Sıcaklığı T ç : Çevre Sıcaklığı ΔQ: Tabakalar Arasındaki İletim Yoluyla Isı Akışı Farkı k su : Suyun İletim Katsayısı A: İki Tabaka Arasındaki Yüzeyin alanı Δt: Belirli Bir Zaman Aralığı λm: Dalga Boyu P ort : Ortalama Basınç ρ: Çözelti Yoğunluğu h s : Su seviyesi h: Su Seviyesi Farkı E(x): x Derinliğindeki Güneş Akısı τ g : Işık Enerjisinin Havuza Giriş Oranı E : Yüzey Alana Gelen Ortalama Güneş Enerjisi H (x) :Derinlikle Azalma Fonksiyonu E g : Havuz Yüzeyinin Altındaki Güneş Radyasyonu µ: Azaltma Katsayısı η i : Sabit Sayı δ :Sabit Bir Parametre θ k: Kırılma açısı L: Malzeme Uzunluğu h s : Yükseklik VIII

11 m: Tuz Çözeltisi Kütlesi J: Difüzyon Akışı ya da Akısı D: Difüzyon Katsayısı C: Tuz Konsantrasyonu ya da Derişimi ν: Tuzlu Suyun Viskozluk katsayısı α tuz : Tuzlu Suyun Isısal Difüzyon Katsayısı T: Sıcaklık n: Yılın kaçıncı günü k ts : Tuzlu suyun ısı iletkenlik katsayısı T (x) : Düşey doğrultuda sıcaklık yayılması T (ç) : Ortalama hava sıcaklığı IX

12 1. GİRİŞ Abdullah İSKENDER 1. GİRİŞ İnsanoğlu var olduğundan bu yana yaşamını doğal çevrede sürdürmüş ve ihtiyaçlarını da doğal kaynaklardan karşılamıştır. Kurutmayı ve ısınmayı güneşle, tahıl üretimini rüzgârla yapmış, bir kandilin ışığıyla aydınlanmıştır. Dünya nüfusundaki artışla birlikte enerji ihtiyaçları çeşitlenmiştir. İhtiyaçların çeşitlenmesiyle birlikte enerji ihtiyacı da hızla artmıştır. Bu artışın karşılana bilmesi için daha fazla kömür, petrol ve doğal gaz gibi yakılabilen enerji kaynakları tüketilmeye başlanmıştır. Bu enerji kaynaklarının hızlı üretime paralel olarak hızlı tüketilmesi beraberinde bazı sorunların ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Bunlar enerji kaynaklarının sınırlı olması ve çevreye verdikleri zararlardır. Fosil yakıtların kullanılmaya başlanmasından bu yana yaklaşık 100 yıl gibi kısa bir sürede doğaya ve canlılara verdiği zararlarla birlikte tükenmeye başlaması bilinen bir gerçektir. Bunların en başında da iklim değişikliği gelmektedir. İklimde meydana gelen değişme yer küredeki canlı dokuyu oluşturan türlerin yok olmasına sebep olmakta ve yerküreyi bütünüyle tehdit etmektedir. Bugün fosil yakıtların çevre ve insan sağlığı açısından yarattığı olumsuzluklar her geçen gün katlanarak artmaktadır. Fosil yakıtların yakılmasıyla altı tür sera gazının açığa çıkmaktadır. Bunlar; karbondioksit (CO 2 ) ve metan, kükürt, partikül, azotoksit, kurum ve küldür. Bunlardan en belirleyicisi ise, karbondioksit (CO 2 ) ve metandır. Yanma sırasında ortaya çıkan karbonmonoksit (CO) ise oksijenden çok daha hızlı bir şekilde kandaki hemoglobine tutunarak vücuttaki oksijeni bloke etmekte ve baş ağrısı vb. hastalıklara yol açmaktadır. Kömür ve petrolün yanmasıyla ortaya çıkan, kükürtdioksit (SO 2 ) ise kokusuyla fark edilebilmektedir. Bu madde de sülfürik aside dönüşerek insan sağlığına ve doğal çevreye onarılmaz zararlar verebilmektedir. Bu gazların ve partiküllerin, kanser ve diğer hastalıklara yol açtıkları bilinmektedir. Sürdürülebilir bir yaşam için, fosil yakıtların canlı doğa ve insanlar üzerinde yarattığı olumsuz etkilerin ortadan kaldırılması veya azaltılması hayati bir önem taşımaktadır. Bu olumsuz etkilerden kurtulmak ve yaşamı sürdürebilmek için fosil yakıtlar yerine yenilebilir enerji kaynakların kullanılması büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle, mevcut enerji ihtiyacının karşılanabilmesi için yeni kaynakların aranması gittikçe 1

13 1. GİRİŞ Abdullah İSKENDER artan bir kazanmaya başlamıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları hiç tükenmeyen ve çevreye zarar vermeyen enerji çeşitleridir. Yenilenebilir enerji kaynakları ise; güneş, rüzgar, su, jeotermal, biokütle gibi yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarıdır. Bu enerji kaynaklarından en önemli olanı olan güneş enerjisidir. Güneş enerjisi ise, kirletmeyen, tükenmeyen, en temiz ve sonsuz bir enerji kaynağıdır. Güneşten gelen ve hiçbir işletme masrafı olmayan bir enerji kaynağıdır. Bu nedenle, güneş enerjisinden en verimli bir şekilde yararlanılabilen sistemlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Bu sistemler ikiye ayrılmaktadır. Birincisi doğrudan elektrik enerjisi elde üretebilen güneş pilleri, ikincisi ise ısı enerjisi üretebilen güneş toplayıcıları ve güneş havuzlarıdır. Güneş toplayıcıları ısı enerjisini günlük olacak şekilde üretebilen ve depolayabilen sistemlerdir. Güneş havuzları ise, topladığı ısı enerjisini daha uzun süreli depolayabilen sistemlerdir. Bu nedenle güneş havuzlarının performansını etkileyen termodinamik özelliklerinin çok iyi bilinmesi gerekmektedir. Bu amaçla, çapı 1.60 m, derinliği 2 m olan 0.10 m kalınlığında cam yünü ile yalıtılmış silindirik model bir güneş havuzunun (SMGH) termodinamik özelliklerini belirlenmeye çalışılacaktır. Silindirik bir havuzun ısıl performansı üzerinde iç bölgeleri oluşturan tabakaların sıcaklığına ve yoğunluğuna bağlı olan ısı iletim katsayıları, öz ısı, difüzyon katsayıları ve tabakalar arası tuzun moleküler difüzyon akışı belirlenecektir. Elde edilen tuzlu suyun bu ısı parametreleri kullanılarak model bir güneş havuzunun iç bölgelerinin sıcaklık ve enerji dağılımları elde edilmeye çalışılacaktır. Böylece depolama bölgesinde daha fazla ısı enerjisinin daha uzun bir süre nasıl depolanabileceği konusunda önemli sonuçlar elde edilmesi beklenmektedir. Bu çalışmadan elde edilecek sonuçlar ışığında, sistemin performansını nasıl etkilediği elde edilen sonuçlarla belirlenmeye çalışılacaktır. Böylece bu tez yeni sistemlerin ve yeni yöntemlerin geliştirilmesine örnek bir çalışma olacaktır. 2

14 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Güneş havuzlarına ilk kez Kalecsinsky tarafından ortaya çıkarılmıştır. İlk güneş havuzlarının doğal ortamda kendiliğinden oluştuğu belirtilmektedir. Macaristan ın Karpat dağlarının eteklerindeki doğal göllerde kış aylarında sıcaklığın 65 0 C olduğunu gözlemiştir. Bunun nedenleri araştırılmıştır. Bu göllerde ilk kez tuz yoğunluğu ölçümlerini yapılmıştır. Ölçümler sonucunda gölün derişimin yukarıdan aşağıya doğru arttığını saptamıştır. Bu yoğunluk eğiminin konveksiyonla ısı kaybını önlemesi nedeniyle, göllerin derin bölgelerinin yüksek sıcaklığa ulaştığını görmüştür. Yazın sonunda gölün 1,32 m derinliğinde sıcaklığın 70 0 C ye kadar çıktığı ve ilkbahar aylarında ise en düşük sıcaklığın 26 0 C olduğunu gözlemiştir. Anderson 2 m derinlikli, Orovillve de (Washington) yaz aylarında sıcaklığı 50 0 C ye ulaşan bir gölü rapor etmiştir. Wilson ve Wellman Antartika daki Vanda Gölünün buz ile örtülü ve çevre C olmasına rağmen taban sıcaklığının 25 0 C olduğunu tespit etmişlerdir. Por ve arkadaşları daha sonra Cohen tarafından rapor edilen İsrail de Eliat yakınındaki 300 yıldır var olan doğal bir güneş gölcüğü bulmuş ve bunu 1967 de bir güneş havuzu olarak tanımlamıştır (Tabor, 1981) de İsrail deki ölü deniz araştırmalarında, Block, buharlaşmayı azaltmak için yoğunluğu eğiminin bir gölcük toplayıcısı içinde %15 oranında kaybolduğunu belirtmiştir de Block, yapay tabakalanmış gölcüklerin, güneş enerjinin kullanımı amacıyla toplanması ve depolanmasını, İsrail ulusal araştırma konseyine önermiştir. İlk öncü çalışma 1950 nin sonlarında, Tabor tarafından Ulusal İsrail Fizik laboratuvarında başlatılmıştır. Bu süreçte, Tabor ve arkadaşları birkaç güneş gölcüklerinde araştırmalar yapmıştır. Küçük yataklarda sıcaklığın en yüksek 103 C olduğunu ve toplayıcı verim oranının %15 olduğunu kaydetmişlerdir. Laboratuardaki güneş gölcükler teorik ve deneysel gözlemlerle olduğu kadar fiziksel olarak da gölcüklerin anlaşılması konusundaki çalışmalar, Weinberger, Eleta ve Lavin, Tabor ve Matz ve Hirschmann tarafından yapılmıştır (Gar, 1987). Güneş havuzları çoğunlukla büyük boyutlu düzlemsel güneş enerjisi toplayıcılarıdır. Büyük miktarda enerjiyi ucuz maliyetle sağlayabilme tarafı havuzun en büyük özelliğidir. Bu güne kadar yapılan çalışmalarda geliştirilen güneş havuzlar 3

15 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER tiplerine göre yaklaşık olarak beş gruba ayrılır. Bunlar tuz gradyentli güneş havuzları, zar örtülü güneş havuzları, petek örtülü güneş havuzları, jel örtülü havuzları ve sığ güneş havuzlarıdır. Bu güneş havuzlarında güneş enerjisi su tarafından doğrudan soğurulur. Derin olmayan yani sığ güneş havuzlarında depolanan enerji anında kullanılırken, diğer dört güneş havuzunda depolanan enerji uzun süre depolanıp daha sonra da kullanılabilir (Sokolov ve Arbel, 1990). Güneş havuzları 2-3 m derinliğinde olup en üstte tatlı su aşağıya doğru ise artan yoğunluklarda tuzlu su içeren havuzlardır. Havuz yüzeyine gelen güneş ışınlarının küçük bir kesri yüzeyden yansır, geri kalan kısmı havuz tabanına doğru ilerler. Bu sırada çeşitli dalga boylu ışınlar, farklı derinliklerde değişik oranlarda soğurulur ve tabana %25-35 kadarı ulaşır. Biriken enerji depolama bölgesine yerleştirilen bir ısı aktarma sistemi ile istenildiği zaman alınıp kullanılabilir (Özek, 1985). Güneş havuzunun yüzeyine gelen güneş enerjisinin yaklaşık olarak %21 i yüzeyden havaya konveksiyon ile, %22 si havuzun üst kısmından suyun buharlaşmasıyla, %16 sı yansıma yoluyla, %31 i havaya yaydığı uzun dalga boylu radyasyon ile ve %3,7 si AKB(depolama bölgesi) altındaki yere olan ısı akışı ile kaybolur. Sadece gelen ışınımın %6,42 si havuzda depo edilir. Bunun dışında sadece AKB (depolama bölgesi) içinde depolanan güneş enerjisinin bir kısmı kullanılabilir enerji olarak havuzdan alınabilir. Konveksiyon ve buharlaşma yoluyla olan ısı kayıpları yaklaşık olarak birbirine eşittirler. Işımayla olan ısı kaybı havuzun enerji depolama kabiliyeti üzerinde önemli bir rol oynar. Toprağa olan ısı kaybı o kadar önemli değildir. Bu nedenle, bütün çalışmalar konveksiyon yoluyla olan ısı kaybını durdurma ve buharlaşmayı azaltma ile yüzeyden olacak olan ısı kayıplarını azaltmak için alınacak tedbirler üzerine yoğunlaştırılmalıdır. Bir büyük problem de kış boyunca havuzda toplanacak olan ısıdan daha fazlasının çevreye kaybolacak olmasıdır. Bu da yaz boyunca toplanan ısının bir kısmının kış boyunca çevreye kaybolacağını gösterir (Subhakar ve Murthy, 1993). Tuz gradyentli bir güneş havuzu üzerinde çalışan Kooi, havuzda bulunan tuzun miktarının çok olması ve depolama bölgesi sıcaklığının yeteri kadar yüksek olmaması durumunda erimeyen tuzlar dip yansıtıcılığını artıracağı sonucuna 4

16 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER varılmıştır. Bu aynı zamanda konvektif olmayan bölgenin kalınlığının azalması ve ciddi bir şekilde havuzun performansının bozulması anlamına gelmektedir. Araştırmacı sıcaklık dağılımını, havuzun dibinden yansıtılan ışığı göz önüne alarak hesaplamıştır. Kooi, bu çalışmasında dipte yansıtıcılık olduğu zaman bir güneş havuzunun performansının azalacağı sonucuna varmıştır (Kooi, 1980). Farklı yoğunluklar ile oluşturulan suyun doğal yayılmasına bağlı olarak, güneş havuzları içinde tuzun tekrar oluşturulması için pasif bir metot Akbarzadeh ve arkadaşı tarafından önerilmiştir. Seçilmiş bir derinlikteki su, bu sisteme göre güneş havuzunda tuzluluk oranının çok olduğu güneş havuzunun taban bölgesine gönderilmeden önce, bitişik tanktaki bir tuz yatağından geçirilir. Dışa çıkacak ve içe girecek noktalardaki yoğunluk farkını, güneş havuzunun sürücü kuvveti sağlamaktadır. Tuz gradyentli güneş havuzlarında üst difüzyonu karşılamak için havuzun dip bölgesine yeteri kadar tuz transferini bu başarılı sistem dizaynının sağlayacağı düşünülmüştür (Abarzadeh ve Macdonald, 1982). Subhakar ve Murthy (1994) tarafından inşa edilen doymamış güneş havuzlarında yoğunluk farklılıkları nedeniyle alt tabakalardan üst tabakalara doğru tuz difüzyonunun olduğu belirtilmiştir. Tuz difüzyonunun meydana getirdiği bozulan tuz gradyentinin korunmasının tuz gradyentli güneş havuzlarının en önemli problemlerinden biri olduğu söylenmiştir. Bu problemin üstesinden ancak, sıcaklık ile çözünürlüğü artan tuzun özellikleri dikkate alınarak havuzun bütün seviyelerinin tuz ile doymuş hale getirilmesiyle mümkün olabileceği belirtilmiştir. Böylece doymuş bir havuzun yoğunluk gradyentinin bölgesel sıcaklığa bağlı olarak kendisini sürdürebileceği bildirilmiştir ( Subhakar ve Murthy, 1994). Angeli ve Leonardi tarafından tuz gradyentli güneş havuzlarında NaCl difüzyonu bir boyutlu matematiksel model kullanılarak araştırılmıştır. Geliştirilen model, ısıl difüzyonu ve aynı zamanda mümkün olan tuz gradyentli bölgenin alt kısmına derişik tuzlu su enjeksiyonu etkisini içermektedir. Geliştirilen model ısıl difüzyon ile moleküler difüzyonun aynı yönde olduğunu göstermektedir. Moleküler difüzyon, tuz gradyentli bölgede bozulmalara neden olmaktadır. Tuz gradyentli bölgedeki bozulmaların, sıcaklık gradyenti ve tuz konsantrasyonu yüksek olduğunda daha fazla olduğu sonucuna varılmıştır söylenmiştir (Angeli ve Leonardi, 2005). 5

17 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER Abdullah A.Kendoush (2008) bir düzlem tabaka boyunca sıvı akışkan için ısı ve kütle transferinin teorik analizi araştırılmıştır. Yeni çözümler türeterek diğer araştırmacıların çözümlerini ve deneysel verileri karşılaştırmışlardır. Farklı yoğunluklar ile oluşturulan suyun doğal sirkulasyonuna bağlı olarak, güneş havuzları içinde tuzun tekrar oluşturulması için pasif bir metot Akbarzadeh ve arkadaşı tarafından önerilmiştir. Seçilmiş bir derinlikteki su, bu sisteme göre güneş havuzunda tuzluluk oranının çok olduğu güneş havuzunun taban bölgesine gönderilmeden önce, bitişik tanktaki bir tuz yatağından geçirilir. Dışa çıkacak ve içe girecek noktalardaki yoğunluk farkını, güneş havuzunun sürücü kuvveti sağlamaktadır. Tuz gradyentli güneş havuzlarında üst difüzyonu karşılamak için havuzun dip bölgesine yeteri kadar tuz transferini bu başarılı sistem dizaynının sağlayacağı düşünülmüştür (Abarzadeh ve Macdonald, 1982). Sherman ve Imberger, daha önce 1981 de inşa edilen Alice Springs güneş havuzunda, konveksiyonsuz bölgede tuz akış nedeniyle bozulan tuz gradyentini geliştirdikleri bir yöntemle korumayı başarmışlardır. Araştırmacılar bu problemi, çift-difüzyon konveksiyon yöntemi diye adlandırdıkları, üst tabakada oluşan tuzu havuzun değişik tabakalarına enjekte ile bu problemi çözmüşlerdir. Bunun sonucunda havuz sıcaklığının bir kaç ay içinde 85 0 C nin üzerine çıktığını gözlemişlerdir (Sherman ve Imberger, 1991). Güneş havuzlarının performansını etkileyen birçok parametreler vardır. Bunlardan biri de tuz gradyentininin zamanla değişik etkilerle bozulmasıdır. Büyük öneme sahip olan bu konu üzerinde birçok araştırmacı çalışmıştır. Bu gruplardan biri Sreenivas ve arkadaşlarıdır. Bu araştırmacılar konveksiyonsuz bölgelerde değişik nedenlerle zamanla oluşan bozulmaların havuzun performansını üzerine etkisini inceleyen kapsamlı teorik bir çalışma yapmışlardır. Bu çalışmada araştırmacılar konveksiyonsuz bölgenin kalınlığının büyümesi ve küçülmesinin tuzlu su tabakalarındaki konveksiyon hızına, konveksiyonsuz bölgenin sıcaklığına ve tuzluluk değerine nasıl bağlı olduğunu ortaya koymuşlardır (Sreenivas ve Ark, 1995)., Angeli ve Leonardi tuz gradyentli bir güneş havuzunda tuz difüzyonun tek boyutlu nümerik bir çalışmasını yapmışlardır. Bir güneş havuzunda yoğunluk eğiminin kararlılığı ve tuz difüzyonu araştırması için tek boyutlu süreksiz 6

18 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER matematiksel model kullanmışlardır. Tuz difüzyon denklemini çözmek için sıcaklık ve tuz konsantrasyonunun her ikisine bağımlı bir difüzyon katsayısı ile sonsuz fark yöntemi kullanmışlardır. Güneş havuzunun alt tabakasından çekilen enerji üzerindeki, tuz eğiminin etkisini analiz etmişlerdir. Modelleri için elde edilen denklem sonsuz fark yöntemini kullanarak nümerik olarak çözmüşlerdir. Yıl içindeki güneş gücü yoğunluğu, alt ve üst konveksiyonsuz bölgelerin sıcaklıklarının değişimini tanımlamak için keyfi ama uygun fonksiyonlar tanımlamışlardır. Tuz difüzyonu çok küçük bir süreç olmasına rağmen güneş havuzunu uzun yıllar geçerli kılmak için, konvektif olmayan sınırlarda tuz konsantrasyonunun değişimini dengeleyebilmek için alt depolama bölgesine doymuş tuzlu su ekleyerek işlem yapılması gerekliliğini doğrulamışlardır (Angeli ve Leonardi, 2004). Mullett ve arkadaşları, güneş havuzlarında moleküler difüzyon etkilerini araştırmışlardır. Tuzun moleküler difüzyon etkisi sadece düzleştirme süreci için önemli değil aynı zamanda havuzun çalışması içindir. Mullet, moleküler difüzyon sürecine göre izotermal bir sıvı içinde tuz taşımasının oranını hesaplamak için çözüm sunmuştur. Laboratuvar havuz modellerinde tuz taşınım ölçümleri teorik tahminlerle iyi bir uyum içinde veri sağlamaktadır. Genel görüş, moleküler difüzyonun mevcut analizi doğru olmasına rağmen teoriksel düzleştirmeyi fazla tahmin etmişlerdir. Kullanılan nümerik metotlarla henüz keşfedilmemiş olayların hesaplanılmasını sağladılar. Özellikle, difüzyon tuzluluk tabakasının sınırı karşısında tuzluluk basamaklarının difüzyonla düzleşmesi ve lineer tuzluluk gradyenti önemlileridir. Çünkü; güneş havuzlarında taşınım bölgesi ve gradyenti arasındaki sınırın hareketi ara yüzey karşısındaki tuzluluk gradyentine ve sıcaklığın büyüklüğüne bağlıdır. Difüzyonla tuzluluk basamaklarının düzlemleşmesi, gradyent bölgenin korunmasına katkı sağlamamıştır (Mullett ve Tsilingiris, 1988). Bansal ve Katti, tuz dağılımın ilk halini için basamak fonksiyonu kullanarak bir yığın güneş havuzundaki tuzun difüzyonunun kinetiğini ve tuz konsantrasyonu için kapalı form çözümünü uygulamalı bir güneş havuzunun sınır koşullarıyla elde etmişlerdir.1m derinlikli konveksiyon olmayan bölgeyle, denge konsantrasyonuna ulaşabilmek için 2 tabakalı bir havuzunun 585 güne ihtiyacı 7

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER olduğunu tahmin etmişlerdir.10 tabakalı bir havuz için ise sadece 96 güne ihtiyacı olduğunu tahmin ettiler (Bansal ve Katti, 2007). Farklı yoğunluklar ile oluşturulan suyun doğal sirkulasyonuna bağlı olarak, tuz gradyentli güneş havuzlarındaki tuz konsantrasyonu genellikle derinlikle artmaktadır ve oluşan gradyent tabandan yukarıya doğru tuz difüzyonuna sebep olmaktadır. Bu difüzyonun miktarı tuzun moleküler difüzyonuna bağlıdır. Tuz konsantrasyon gradyenti ve yüzey dalgaları yada diğer karışıklıklar, girdap şeklinde dönerek giden kütlesel difüzyona sebep olmaktadır. Güneş havuzlarının önemli bir problemi olan gradyenti koruma sorununu çözmek için yeni bir yol önerilmiştir. Bu, güneş havuzlarında tuzun tekrar havuza doldurulmasını sağlayan basit bir yöntemdir. Bu yöntemin çalışma prensibi, tabakaların farklı yoğunlukları nedeniyle suyun doğal sirkülasyonu üzerine kurulmuştur. Doğal sirkülasyon güneş havuzuna göre seçilen bir derinlikte buna bitişik tankta bulunan tuz yatağı arasından geçirilerek yapılmaktadır. Buradan yoğunluğu artırılan az tuzlu su havuzun dip bölgesine yoğunluğu artmış olarak geri döndürülmektedir. Giriş ve çıkış noktaları arasındaki yoğunluk farkı doğal sirkülasyon için sürücü bir kuvvet sağlamaktadır. Tuz gradyentli güneş havuzlarında yukarıya doğru olan tuz difüzyonunu karşılamak için sistemdeki bu dolaşımla havuzun dip bölgesine yeterli bir şekilde tuz transfer edilebilmektedir. Bu metot normalde tuzun tekrar doldurulması için gerekli olan pompalama tesisatı ihtiyacını ortadan kaldırmakta ve güneş havuzlarının yoğunluğunu kendi kendine düzenleyen ve taban bölgesindeki yoğunluğu kontrol etmesi bakımından bir basitlik sağlamaktadır (Akbarzadeh ve MacDonald, 1982). Bugüne kadar yapılan bu çalışmalar ışığında, tasarımı ve yapımı gerçekleştirilen Güneş havuzunun termodinamik özellikleri incelenecektir. 8

20 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Enerji kaynakları iki çeşit olarak incelenmektedir. Bunlar; yenilenebilir ve yenilenemeyen enerji kaynaklarıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının başında da güneş enerjisi gelmektedir. Ülkemiz bulunduğu konum gereği, güneş enerjisi yönünden zengin bir ülkedir. Bu nedenle güneş enerjisinden yararlanma yollarının araştırılması büyük bir önem taşımaktadır. Güneş enerjisinden ısı enerjisi olarak yararlanma yollarından biriside güneş havuzu sistemidir. Bu sistemlerin daha verimli uygulanabilir olması için yeni ve gelişmiş teknolojiler gerekmektedir Yenilenemez Enerji Kaynakları Fosil yakıtlar ve radyoaktif elementler yenilenemez enerji kaynaklarıdır. Bu kaynakların bu şekilde isim almalarının nedeni kullandıkça bitmeleri ve yenilerinin gelmesinin çok uzun sürmesidir 1. Fosil yakıtlar: Kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil yakıtlar en çok termik santrallerde elektrik enerjisi üretmek için kullanılmaktadır. Günlük hayatta kullandığımız benzin, mazot, LPG, plastik, naftalin, boya, teflon gibi maddeler petrol kaynaklıdır. Kömür, petrol, doğalgaz gibi binlerce yılda oluşmuş fosil yakıtlar insanlığın gelişmesi ile hızla azalırken atıkları ile hava su ve toprak kirliliğine yol açar. Fosil yakıtlardaki karbon yanma tepkimeleri ile atmosferde CO 2 ve CO bileşiklerinin birikmesine neden olur. Bu gazların havada çok fazla birikmesi sera etkisine ve küresel ısınmaya neden olması açısından oldukça tehlikelidir Yenilenebilir Enerji Kaynakları Yenilenebilir enerji gücünü güneşten alan ve hiç tükenmeyeceği düşünülen ve çevreye zarar vermeyen enerji kaynakları yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Bazı yenilenebilir enerji kaynakları ise, güneş enerjisi, hidroelektrik enerji, rüzgar enerjisi, jeotermal enerji, hidrojen enerjisi, dalga enerjisi, biyokütle enerjisidir. Bunların kaynakları ise sırasıyla; güneş, nehir ve akarsular, rüzgarlar, yeraltı suları, su ve hidroksitler, okyanus ve denizler ve bitkisel kaynaklarıdır. 9

21 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER 3.3. Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli Türkiye dünya üzerinde 36 o - 42 o kuzey enlemleri ve 26 o - 45 o doğu boylamları arasında bulunmaktadır. Türkiye'nin yıllık ortalama güneş ışınımı 1303 kwh/m 2 yıl, ortalama yıllık güneşlenme süresi ise 2623 saattir. Bu rakam günlük 3,6 kwh/m 2 güce, günde yaklaşık 7,2 saat, toplamada ise 110 günlük bir güneşlenme süresine denk gelmektedir. 9,8 milyon TEP (ton eşdeğer petrol) ısıl uygulamalara olmak üzere yıllık 26,2 milyon TEP enerji potansiyeli mevcuttur. Yılın 10 ayı boyunca teknik ve ekonomik olarak ülke yüzölçümünün %63 ünde ve tüm yıl boyunca %17'sinden yaralanabilir. Güneş radyasyonu bu dünyanın atmosferine dik ise, bir düşme W/m 2 (güneşi sabit kabul edersek, yoksa dünya döndüğü için bu açı devamlı olarak değişecektir) W/m 2 olan bu değerin 50 W/m 2 atmosferde emilir ve yeryüzüne W/m 2 'lik bir değer ile ulaşır. Yıllık olarak, Türkiye'de bu değer kwh/m 2 yıl ile kwh/m 2 yıl arasında değişmekle beraber, çöllerde kwh/m 2 yıl ı bulmaktadır. Gerekli yatırımların yapılması halinde Türkiye yılda birim m 2 'sinden ortalama kwh lik güneş enerjisi üretebilir. Şekil 3.1. Türkiye de toplam güneş radyasyonu dağılımı 10

22 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER Tablo 3.1. Türkiye'nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli Aylık Toplam Güneş Enerjisi Aylar (Kcal/cm 2 -ay) (kwh/m 2 -ay) Güneşlenme Süresi (Saat/ay) Ocak 4,45 51,75 103,00 Şubat 5,44 63,27 115,00 Mart 8,31 96,65 165,00 Nisan 10,51 122,23 197,00 Mayıs 13,23 153,86 273,00 Haziran 14,51 168,75 325,00 Temmuz 15,08 175,38 365,00 Ağustos 13,62 158,40 343,00 Eylül 10,60 123,28 280,00 Ekim 7,73 89,90 214,00 Kasım 5,23 60,82 157,00 Aralık 4,03 46,87 103,00 Toplam 112, , ,00 Ortalama 308,00 cal/cm 2 -gün 3,60 kwh/m 2 -gün 7,20 saat/gün Kaynak: EİE Genel Müdürlüğü Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970 lerden sonra hız kazanmıştır. Bununla birlikte, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme kaydetmiştir. Maliyet bakımından ise düşme göstermiş, güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş enerjisi günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır. Bunlar; Konut ve iş yerlerinde, ısıtma, soğutma, yemek pişirme, sıcak su ve yüzme havuzu ısıtılmasında, Tarımsal teknolojisinde, sera ısıtması ve tarım ürünlerinin kurutulmasında, Sanayide, güneş ocakları, güneş fırınları, pişiriciler, deniz suyundan tuz ve tatlı su üretilmesi, güneş pompaları, güneş pilleri, güneş havuzları, ısı borusu uygulamalarında, Ulaşım ve iletişim araçlarında, sinyalizasyon ve otomasyonda, elektrik üretiminde kontrollü olarak kullanılmaktadır. 11

23 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER 3.4. Güneş Havuzları Güneş havuzları, güneş enerjisinin doğrudan depolanıp muhafaza edildiği metotlardan birisidir. Herhangi bir havuz da güneş radyasyonunu depolayabilir. Ancak sıvı içerisindeki doğal ısı taşınımı, sıvı yüzeyinden taşınım ve gizli ısı kayıpları çok fazladır. Su kütlesinin fazla olması nedeniyle, hiç güneş radyasyonu olmaması halinde, havuzdaki sıcaklık düşmesi birkaç haftada 10 civarındadır. Güneş havuzları birim ısı girişine göre, birim kollektör yüzeyi yönünden düzlem kollektörlerden daha ucuzdur. Kışın yüzeyi donsa bile, iç kısımlar düşük sıcaklıkta çalışan ısı pompası uygulamalarına yetecek sıcaklıktadır. Düzlemsel kollektörlere göre sakıncası, çatılara kurulamayışıdır. Bu kısımda tuz gradyenti (tuzluluğu faklı tabakalar) esasına göre çalışan güneş havuzları tanıtılacaktır. Güneş havuzlarında aynı su kütlesi, hem kollektör hem de enerji depolayıcı olarak kullanılabilir. Güneş havuzlarının iki amacı gerçekleştirmesi istenir. Bunlar; İç bölgelerdeki doğal ısı taşınımının önlemesi ve su yüzeyinden havaya olan ısı kayıplarını azaltmasıdır Konveksiyonsuz Güneş Havuzları Bu havuzlar, ısıl yüzdürmeden doğacak doğal taşınımın engellenmesi amacıyla yapılır. Isınan suyun yüzeye doğru yükselmesini engellemek amacıyla tuzluluğu faklı tabakalar oluşturulur. Tuz olarak genellikle MgCl 2 ya da NaCl kullanılır. Tuz konsantrasyonu olmasaydı, ısınan saf suyun yoğunluğu düşecek ve yukarı doğru hareket edecekti. Bu durum, sürekli olarak taşınım ısı kaybının artmasına sebep olacaktı. Güneş havuzunda ise derinlere indikçe artan tuzluluk, yoğunluğu arttıracak ve bu olay frenlenecektir. Bunun sonucu, yüzey sıcaklığı da fazla yükselmeyeceğinden, yüzeyde az miktarda taşınım ısı kaybı olacak, buharlaşma önemli derecede azalacaktır. En üst tabaka, ısı depolamasına yaramadığı için, olabildiğince ince olmalıdır. Bundan sonraki tabaka yaklaşık 1 m derinliktedir ve tuz oranı derinlikle artar. En alt tabakada ise ısı depolanmaktadır. 12

24 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER 3.6. Konveksiyonlu Güneş Havuzları Bunlar 2 çeşit yapılabilir; gölgeli ve tuzsuz sulu havuzlar. Gölgeli güneş havuzlarında su derinliği 10 cm kadardır. Su kapalı büyük bir cepte bulunur. Boyutlar tipik olarak 3.5x60 m olabilmektedir. Taban siyaha boyanmış ve üst kısım cam çatı ile örtülür. Geceleri su büyük bir depoya pompalanır, gündüz tekrar sisteme gönderilir. Bazı hallerde su sürekli devir dayım yapılabilir. Su yüksekliği arttıkça depolama sıcaklığı düşmekte, buna karşı daha çok güneş enerjisi depolanabilmektedir Güneş Havuzu Uygulamaları Güneş enerjisinden sıcak işlem suyu ve ısı enerjisi elde etmek amacıyla birçok alanda kullanılabilen sistemlerdir. Bu uygulamalardan bazıları; su ısıtılması, bina ısıtması, hububat kurutulması, elektrik üretilmesidir Su Isıtması Güneş havuzlarının sıcak su ısıtması için mükemmel potansiyelleri vardır. Bu uygulama için 2000 m 2 lik bir güneş havuzu Miamishurg, Ohio'da inşa edilmiş olup, halen kullanılmakladır. Bu havuz açık bir yüzme havuzunu ilkbahar ve sonbaharda ısıtmaktadır. Yüzme havuzu ısıtması, güneş enerjisinin uygulanmasında oldukça uygundur. Çünkü alınan ısı düşük sıcaklıktadır. El Paso, Texas da inşa edilmiş bir güneş havuzu da, gıda sanayine sıcak su sağlamaktadır. Güneş havuzunun daha genel uygulaması ise endüstride proses için (60 C) sıcak su kaynağı olarak kullanılmasıdır. Böyle havuzların toplam verimi, bölgenin güneşlenme değerleri ve gereken su sıcaklığına bağlı olarak, % arasında değişir. 13

25 3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER Bina Isıtması Isının depolanma kabiliyeti, kısın bina ısıtması olarak havuzların kullanılmasını sağlayabilir. Havuz düşük sıcaklıklarda bir ön ısıtıcı olarak kullanıldığı zaman, daha yüksek verim elde edilir. İstenilen son sıcaklığa ulaşmak için konvansiyonel enerji kaynakları ile birleştirilebilir. ABD ve Portekiz'de sera ısıtması için güneş havuzları inşa edilmiştir Hububat Kurutulması Güneş havuzları, ılıman zirai bölgelerde hububatın kurutulması için idealdir. Çünkü güneş havuzu maksimum sıcaklığa yazın sonuna doğru ulaşır ve havuz tahıl kurutma mevsiminin basında enerjisinin çoğunu depolanmış olarak tutar Elektrik Üretimi İsrail'de çalışma sıcaklığı maksimum C arasında olan güneş havuzları vardır. Lut gölü bölgesinde, 7500 m 2 'lik bir alana sahip olan elektrik üreten büyük bir havuz bulunmaktadır. İsrail ölü denizde yapılan m 2 ' lik güneş havuzu 5 MW, Orta Avustralya'da küçük güneş havuzlu güç istasyonları kw aralığında elektrik üretmektedir. Batı Çin deki kıraç ve seyrek nüfuslu Oinghai ve Xingiang bölgelerinde de benzer uygulamalar vardır Diğer Uygulamalar Cape Verde adaları gibi, güneşli ve kuru iklimlerde, suyun tuzunun giderilmesi için güneş havuzundan alınan ısı kullanılmaktadır. Güneş havuzu, tuz yatakları veya tuzlu gollerde maden ayırma çalışmalarında kullanılabilir. Bu çalışmalar, güneş havuzunun en düşük maliyetli kullanımıdır. Arjantin'de, sodyum sülfat kullanan 400 m 2 'lik tuz katmanlı güneş havuzu ticari olarak kullanılmaktadır. 14

26 4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ..Abdullah İSKENDER 4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ Güneş havuzlarının enerji kaynağı güneş olan sistemlerdir. Bu sistemler güneşten gelen ışını, çok yoğun tuzlu su içeren depolama bölgesinde ısıya dönüştürebilmektedir. Depolanma bölgesinde üretilen bu enerji aynı zamanda ısı enerjisi olarak uzun süre depolanabilmektedir. Güneşten gelen ışınların gerek burada soğurulması ve gerekse depolanmasını etkileyen en önemli etmenlerin başında da sistemin termodinamik özellikleri gelmektedir. Bu nedenle güneş havuzu sistemlerinin iyi anlaşılması için sistemi oluşturan bileşenlerin ısı özelliklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Bunlar; güneş havuzlarının iç bölgelerini oluşturan tuzlu suyun ısı özellikleri ve ısı akışıdır Güneş Havuzlarında Tuzlu Suyun Isıl özellikleri Güneş havuzlarında güneşten gelen enerjinin havuzun iç bölgelerinde soğurulmasıyla ısı üretilebilmektedir. İç bölgeler yukarıdan aşağıya doğru azalan yoğunluklarda meydana gelmektedir. Havuz tabanında bulunan en yoğun bölge ise güneş enerjisinin soğurularak ısı enerji dönüştürüldüğü bölgedir. Güneş havuzlarında tuz kullanılmasının başlıca nedeni, suyun saydamlığını bozmaması, tuzun doğada bol bulunması, ucuz olmasıdır. Ancak, tuzla hazırlanan çözeltilerin ısı iletim ve öz ısı katsayıları hem sıcaklığına hem de tuz konsantrasyonuna bağlı olarak değişmektedir Bu nedenle, güneş havuzlarının iç bölgelerinin ısı iletim katsayısı ve öz ısının belirlenmelidir. Çünkü, güneş havuzlarındaki tabakalardaki sıcaklık artışıyla birlikte tabakalar arasında tuz difüzyonu da artmaktadır. Bu difüzyon artışı ile iç bölge tabakalarının yoğunlukları bozulmaya başlar. Bu da tuz eğimini bozulması demektir. Bu bozulmanın havuzu iç bölgelerinin yoğunlaştırılmış tuzlu su ile dışardan beslenmesi gerekmektedir. Aksi takdir de, tabakaların yoğunlukları bozulmaktadır. Bu da tabakaların hem ısı iletim katsayısını hem de öz ısını etkilemektedir. Bu bozulma depolama bölgesinde tutulan ısının kaybolmasına neden olmaktadır. 15

27 4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ..Abdullah İSKENDER Tuz Yoğunluğunun Sıcaklıkla Değişimi Güneş havuzlarında NaCl, MgCl 2, NaHCO 3, Na 2 CO 3 ve Na 2 SO4 tuzlarından yararlanmak mümkündür. Bu tuzlardan NaCl ve MgCl 2 ün çözünürlüğü sıcaklıkla fazla miktarda değişmez. Bu nedenle güneş havuzlarında kullanımları yaygındır. Şekilde güneş havuzlarında kullanılabilen bu tuzların sıcaklığa göre konsantrasyonla değişimleri görülmektedir. Şekil 4.1. Güneş havuzlarında kullanılabilen NaCl, MgCl 2, NaHCO 3, Na 2 CO 3 ve Na 2 SO 4 tuzlarının sıcaklıkla değişen konsantrasyonları (Demirdöver,1995) Güneş Havuzlarında Isı Akışı Güneş havuzlarının performansını etkileyen ısı akışı konveksiyon, iletim, ışıma ve yüzeyden buharlaşma yollarıyla meydana gelmektedir. Bunlar ortadan kaldırıldığında ya da minimuma indirildiğinde güneş havuzunun performansını artırabilmekteyiz. Şimdi bunları kısaca bahsedelim. 16

28 4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ..Abdullah İSKENDER Konveksiyon İle Isı Akışı Konveksiyon ile meydana gelen ısı kaybı, ısınan moleküllerin akışkan içerisinde bir yerden başka bir yere taşınması yoluyla olur. Kararlı bir tuz yoğunluk eğimi sağlanabilirse, yalıtımlı bölgeden olacak konveksiyonla ısı kaybı tamamen önlenmiş olur. Bu nedenle konveksiyon ile ısı taşınması sadece depolama bölgesinde ve yüzey tabakası arasında meydana gelir. Depolama bölgesinde ısınan su molekülleri yalıtımlı bölgeye gelir ve geri döner. Bu hareket sonucunda, depolama bölgesinin üst bölümü en dip bölümüne göre bir kaç santigrad derece daha sıcak olur. Konveksiyonla ısı kayıpları en genel olarak, q kon =h kon ( T s -T ç ) (4.1) eşitliği ile verilir. Burada, h kon, ısı taşınım katsayısı (W/m 2 K); T s, suyun sıcaklığı ve T ç çevre sıcaklığıdır Işıma Yoluyla Isı Akışı Güneş havuzlarında kullanılan çözeltinin kaynama noktası çözeltinin içindeki çözünen maddenin ısıl özelliklerine göre değişir. Siyah cisim ışımasıyla yayınlanan ışın, kızıl ötesi bölgededir ve dalga boyu Wien yer değiştirme yasasına göre, λ m T = Er (4.2) bulunur. Burada, λ m, kara cisim ışıması yoluyla yayınlanan ışının maksimum dalga boyu; T, cismin sıcaklığı ve E r, radyasyon sabitidir ve değeri μmk dir. Yapılan hesaplamalar sonucunda kızıl ötesi ışınlarla kaybedilecek enerjinin iletimle kaybolacak ısı kayıpları ile kıyaslanmayacak kadar az olduğu görülür (Karakılçık, 1998). 17

29 4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ..Abdullah İSKENDER İletim Yoluyla Isı Akışı Güneş havuzlarında ısı alışverişi havuz ile havuzu çevreleyen bölgeler arasındaki sıcaklık farkı nedeniyle iletim yoluyla her yönde olmaktadır. Havuz içi ve dışı farklı kalınlıklarda su ve yalıtımlı tabakalardan meydana geldiği için en yakın iki tabaka arasındaki iletim yoluyla ısı akışı en genel olarak su ve yalıtım malzemeleri için aşağıdaki denklemler verilir, ΔQ = k su A (ΔT/Δx)Δt (4.3) ΔQ = k y A (ΔT/Δx) Δt (4.4) Eşitlikleri ile verilir. Burada, k su, suyun ısı iletim katsayısını; k y, yalıtım malzemesinin ısı iletim katsayısını; A, iki tabaka arasındaki yüzeyin alanını; ΔT, tabakalar arasındaki sıcaklık farkını; Δx, iki tabakanın komşu noktaları arasındaki uzaklığı ve Δt, belirli bir zaman aralığını gösterir Yüzeyden Buharlaşma Yoluyla Olan Isı Kaybı Güneş havuzunun üst yüzeyinden buharlaşma yoluyla ısı kaybı meydana gelir. Buharlaşmanın meydana gelmesi ile ÜKB in tuz yoğunluğu artmaya başlar. Bu nedenle buharlaşmanın en aza indirilmesi için SMGH sistemimizin üzeri cam ile kaplanmıştır. Havuzun üst yüzeyinden net ısı akışı, q = q + q + q + q + q (4.5) net gr ar sr b i eşitliği ile verilir (Keren ve ark, 1993). Burada q net, net yüzey ısı akışı; q gr, yansımadan sonraki net güneş radyasyonu akısı; g ar, net atmosferik radyasyon akısı, g sr, yüzey suyunun gerisindeki radyasyon 18

30 4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ..Abdullah İSKENDER akısı; q b, buharlaşma ısı akısı ve q i, iletimle ısı akısıdır. Bu akı bileşenlerinin her biri Atkinson ve Harleman (1983) tarafından tartışılmıştır. Güneş ve atmosferik radyasyon akısı sadece meteorolojik koşullara bağlıdır. q sr sadece tabaka sıcaklığına bağlı, q b ve q i nin her ikisi de çevredeki hava ve yüzey tabaka koşullarına bağlıdır. 19

31 5. MATERYAL ve METOD Abdullah İSKENDER 5. MATERYAL ve METOD Güneş havuzlarının ısı toplama ve depolama performansı üzerinde en önemli etmenlerden birisi sistemin termodinamik özellikleridir. Bu nedenle güneş havuzu konusunda daha önce yapılmış çalışmalar ışığında bir güneş havuzu sisteminin termodinamik özellikleri incelenmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar ışığında da yeni kurulan silindirik model bir yalıtımlı bir güneş havuzu sisteminin termodinamik özellikleri önceden belirlenmeye çalışılacaktır. Bunun için, önce 2x2x1.5 m boyutlarında inşa edilmiş olan bir güneş havuzunun termodinamik özellikleri incelenmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar göre yeni inşa edilen 1,60 m çapında ve 2 m derinliğindeki güneş havuzunun termodinamik özellikleri önceden belirlenmeye çalışılacaktır Materyal Bu bölümde yalıtımlı ve üstü kapalı silindirik model bir güneş havuzunun (SMGH) yapısı, özellikleri, yalıtımı, tuz yoğunluklu tabakaların oluşturulması, tuz yoğunluğu ve sıcaklık dağılımlarını ölçüme sistemi, tuz yoğunluğunu koruma sistemi sisteminin çalışma prensipleri hakkında bilgiler verilecektir Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) Yapısı Bu çalışmada, Çukurova Üniversitesi Uzay ve Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezi (UZAYMER) de inşa edildi inşa edilmiş olan silindirik model bir güneş havuzu (SMGH) kullanılmaktadır. Model havuz 1,60 m çapında 2 m yüksekliğinde ve 5 mm kalınlığında çelik sacdan yapılmıştır. Yerden 130 cm yüksekliğinde çelik bir kaide üzerine yerleştirilmiştir. SMGH un çelik bir kaide üzerine yerleştirilmiş olmasının nedenlerinden birisi de havuzun depolama bölgesinden toprağa olan ısı kayıplarını ortadan kaldırmaktır. Havuzun gövdesini oluşturan iç ve dış kısımlarının paslanmaya karşı korunması için boya ile boyanmıştır. SMGH un taban ve yan duvarları 10 cm kalınlığında cam yünü ile 20

32 5. MATERYAL ve METOD Abdullah İSKENDER yalıtılmıştır. Cam yününün yağmur, rüzgar vs. gibi dış etkenlere karşı korumak için dış kısımları galvanizli sac ile kapatılmıştır SMGH un İç ve Dış Bölgelerinin Yalıtımı Güneş havuzlarında depolanan ısının uzun süre saklanması ve ısı kayıplarının önlenmesi için çeşitli yalıtım önlemlerinin alınması gerekir. Bunların başında da havuzun iç, dış kısımlarının yalıtılması gerekmektedir. İç kısmın iyi bir yalıtım görevi yapması için tuz gradyentinin oluşturulması ve tuz gradyentini koruma sistemiyle de korunması, dış yüzeylerin uygun bir kalınlıkta ve iyi bir yalıtım malzemesi ile yalıtılması gerekmektedir. Bu çalışmada, SMGH un iç kısımları eşit kalınlıklarda fakat farklı yoğunluklarda 5 farklı tabakadan olacak şekilde konveksiyonsuz bir bölgeden oluşturulmuştur. Dış kısımları ise maliyeti düşük ve iyi bir yalıtım malzemesi olan cam yünü yalıtılmıştır. Cam yününün 20 C deki fiziksel özellikleri ise ısı iletim katsayısı (k) yaklaşık olarak 0,0398 W/m C veya 143,28 J/m C, yoğunluğu yaklaşık olarak 200 kg/m³ ve öz ısısı (C) 670 J/kg C dir (Kakaç, 1982) SMGH nın İç Yalıtımı Bölgesi SMGH nin iç bölgesi üç bölgeden oluşmaktadır. Havuzun en alt kısmında bulunan çok yoğun bölge, depolama bölgesi (DB) veya alt konvektif bölge (AKB) olarak adlandırılır. Depolama bölgesinin üzerinde bulunan havuzun yüzeyine doğru yoğunluğu azalan tabakalardan oluşan bölge yalıtım bölgesi (YB) veya konveksiyonsuz bölge olarak adlandırılır. YB deki tuzlu su tabakaları yoğunluk farkı nedeniyle birbirine karışmazlar. Böylece DB den konveksiyonla ısı kayıpları engellenir. DB den ÜKB ye ısı kayıpları sadece iletim yolu ile olur. YB saydam bir yalıtkan gibi davranır güneş ışınının DB ye geçmesine izin verir aynı zamanda konveksiyonla ısı kayıplarını önler (Angeli ve Leonardi, 2004). YB in üzerinde bulunan tatlı sudan oluşan bölge ise üst konvektif bölge (ÜKB) olarak adlandırılır. Depolama bölgesi havuzun tabanından 80 cm yüksekliğine kadar yoğunluğu yaklaşık 21

33 5. MATERYAL ve METOD Abdullah İSKENDER olarak 1182 kg/m³ olan tuzlu su ile oluşturulmuştur. Güneş havuzunun yüzeyine gelen güneş enerjisinin büyük bir bölümü DB ye ulaşır ve burada soğurularak ısı enerjisi olarak depolanır. YB, havuzun yüzeyine doğru yoğunluğu azalmakta olan 20 cm kalınlığında 5 tabakadan oluşmaktadır. Bu tabakların yoğunluğu 1150 kg/m³ den 1000 kg/m³ e kadar kademeli olarak azalmaktadır. Bu bölgenin konveksiyonsuz olması nedeniyle iletim ile ısı kayıpları önlenmiştir. ÜKB in kalınlığı 20 cm olup yoğunluğu 1000 kg/m³ de olan su ile oluşturulmuştur. Güneş havuzunu oluşturan bu bölgeler Şekil 4.1 de gösterilmiştir. Şekil 5.1. SMGH nin iç bölgeleri SMGH nıın İç Yalıtım Bölgesinin (Tabakaların) Oluşturulması Bu çalışmada kolay temin edilebilmesi, ucuz olması ve sistemimiz için uygun olması nedeniyle çözeltileri oluşturmak için tuz kullanılmıştır. SMGH in iç bölgelerini oluşturmak için önceden belirlenen yoğunlarda tuz çözeltileri hazırlanır. Şekil 5.1. de 22

34 5. MATERYAL ve METOD Abdullah İSKENDER görüldüğü gibi havuzun tabanın başlama suretiyle en yoğun bölge olan depolama bölgesi oluşturulur. DB nin hemen üstünde bulunan yalıtım bölgesi, azalan yoğunluklarda olacak şekilde tuzlu su çözeltileri bir hortum vasıtasıyla sırasıyla havuza akıtılmak suretiyle iç bölgeler oluşturulmuştur. DB için 1182 kg/m³ yoğunluğundaki tuzlu su çözeltisi hazırlanmıştır. Hazırlanan tuzlu su çözeltileri tabandan itibaren 80 cm yüksekliğe kadar doldurulmuştur. Güneş havuzunun YB si yani konveksiyonsuz bölge, yoğunlukları DB nin üst kısmından itibaren yukarıya doğru belli oranlarda yoğunluğu azalan tuzlu çözeltiler 20 şer cm kalınlıklı tabakalar halinde üst üste yığılarak yalıtım bölgesi olarak oluşturulmuştur. Bu tabakaları oluşturmak için 1150, 1120, 1090, 1060, 1030 kg/m³ yoğunluklu tuzlu su çözeltileri karıştırıcı ile hazırlanarak yoğunluğu havuzun yüzeyine doğru azalacak şekilde DB in üzerine yerleştirilmiştir. Daha sonra YB in üzerine 20 cm kalınlığında çeşme suyu doldurulmuştur Tabakalar üst üste yığılırken sarsıntı ile farklı yoğunluklu tabakaların birbirine karışmasını önlemek için havuzun içinde yüzen ince bir sunta yerleştirilmiştir ve çözeltiler bu sunta levha üzerine yavaş yavaş boşaltılmıştır Havuzun Tuz Yoğunluğu Dağılımını Ölçme Sistemi Güneş havuzlarının iç bölgeleri farklı yoğunluklu tabakalardan meydana gelmektedir. Tabaklar arasındaki bu yoğunluk farkları havuzun performansı için çok önemlidir. Bu nedenle havuzu oluşturan bu tabakaların yoğunluklarının sürekli takip edilmesi gerekmektedir. İç bölgelerin yoğunluklarını ölçmek için havuzun. 2 m boyunda 5x5 cm kalınlığında bir tahta direk üzerine 5 mm çapında 10 adet şeffaf plastik hortumlar kroşeler yardımı 20 şer cm ara ile tahta direk üzerine tutturulmuştur. Üzerine hortumlar bulunan direk düşey doğrultuda havuz içine yerleştirilmiştir. Diğer uçları havuzun dışında bulanan hortumlar sifonlanmak suretiyle tuzlu su numuneleri alınmaktadır. İstenilen zaman aralıklarında havuzun belirlenen derinliklerinden bir miktar tuzlu su çekilerek 250 ml ölçekli bir behere konulup yoğunlukları, yoğunluk ölçme aralıkları ve kg/m 3 arasında değişen hidrometreler yardımıyla yapılmaktadır. 23