ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Ayhan ATIZ YALITIMLI SİLİNDİRİK MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2011

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YALITIMLI SİLİNDİRİK MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Ayhan ATIZ YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu Tez /01/2011 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği ile Kabul Edilmiştir Yrd.Doç.Dr.Mehmet KARAKILÇIK Prof.Dr.Metin ÖZDEMİR Doç.Dr.Ramazan BİLGİN DANIŞMAN 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: FEF2010YL26 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 YALITIMLI SİLİNDİRİK MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN OPTİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ Ayhan ATIZ ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yıl: 2011, Sayfa: 117 Jüri :Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Prof.Dr. Metin ÖZDEMİR Doç.Dr. Ramazan BİLGİN Güneş havuzlarının enerji kaynağı güneş ışınımıdır. Güneş ışınımının yeryüzüne ulaşan kısmını ısı enerjisine dönüştürebilen çeşitli sistemler bulunmaktadır. Bu sistemlerden birisi de güneş havuzlarıdır. Güneş havuzlarının iç bölgeleri, farklı yoğunluklarda ve farklı kalınlıklarda temiz tuzlu su tabakalarında oluşmaktadır. Bunlar; üst konveksiyonlu bölge, konveksiyonsuz bölge ve depolama bölgesidir. Üst konveksiyonlu bölge temiz su bölgesidir. Havuz yüzeyine gelen ışığın uzun dalga boyuna karşılık gelen kısmı burada soğurulur. Işığın görünür bölgede kalan kısmı ise, yansımaya, soğurulmaya, saçılmaya uğradıktan sonra geri kalan kısmı konveksiyonsuz bölgeye oradan depolama bölgesine ulaşır. Depolama bölgesine gelen güneş ışınımını burada soğurularak ısı enerjisi biçiminde toplanmakta ve depolanmaktadır. Depolama bölgesine gelen güneş ışınımı, enerjisin önemli bir kısmını tuzlu suyun yapısı ve sudaki kirlilik yüzünden de kaybetmektedir. Bu kayıplar güneş havuzunun verimini önemli ölçüde etkilemektedir. Bu çalışmada, 3 ay boyunca 10 farklı tabakadan alınan tuzlu su numunelerinin geçirgenlik analizlerinden, tuzlu sudaki paslanma (demir oksit) ve çevreden havuz suyuna karışan kirletici toz ve diğer parçacıkların özellikle depolama bölgesinin üst kısmının geçirgenliğini önemli ölçüde etkilediği gözlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Havuzları, Isı Depolaması, Tuzlu Suda Geçirgenlik I

4 ABSTRACT MSc THESIS INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES OF INSULATED CYLINDRICAL MODEL SOLAR POND Ayhan ATIZ CUKUROVA UNIVERSITY INSTTITUTE OF NATUREL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSICS Supervisor: Asst.Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Year: 2011, Page: 117 Jury :Asst.Prof.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Prof.Dr. Metin ÖZDEMİR Assoc.Prof.Dr. Ramazan BİLGİN The energy source of solar pond is solar beam. Solar radiation reaching the earth is part of the various systems taht can convert heat energy. One of the systems is solar ponds. Solar ponds interior regions is composed of layers of different densities and different thicknesses, clean salt water. These are upper convective, non convective and heat storage zone. The upper convection zone is clean water. Reacing to the portion of long-wavelength light on the surface of the solar pond is absorbed here. In the remaning part of the visible region of light is reached from convective zone to storage zone after reflection, absorbtion, scattering in convective zone. Storage area where incoming solar radiation is collected and stored in the form of heat energy Incoming solar radiation to storage area are lost the significant part due to the the structure of the salt water and water pullution. These losses significantly affect the efficiency of the solar pool.in this study, for 3 months to diffrent layer of diffussion analysis of samples taken from salt water, rust (iron oxide) in salt water and the environment are involved in solar pond water, dust and other contaminants significantly affect the permeability of the particles were observed, especially the upper part of the storage area. Key Words: Solar Energy, Solar Ponds, Haet Storage, Salt Water Transmission II

5 TEŞEKKÜR Yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmanın hazırlanması süresince, değerli görüş ve önerileri ile beni yönlendiren danışman hocam Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK a sonsuz saygı ve teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım sırasında Uzay Bilimleri ve Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezinde bana rahat çalışma ortamı sağlayan Prof. Dr. Aysun AKYÜZ e ve spektrometrenin kullanılmasına izin veren ve ölçümler sırasında yardımcı olan Yrd.Doç.Dr. Cebrail GÜMÜŞ e, tez yazım aşamasında bana yardımcı olan arkadaşlarım Muhammet KILIÇ, Sevinç MANTAR, Abdullah İSKENDER, İsmail BOZKURT ve ismini sayamadığım diğer tüm arkadaşlarıma teşekkür ederim. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ..I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER... IV ŞEKİLLER DİZİNİ VI TABLOLAR DİZİNİ... VIII SİMGELER VE KISALTMALAR. X 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR 3 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Yeryüzüne Gelen Güneş Enerjisi Güneş Enerjisi ve Teknolojileri Güneş Pilleri Isıl Güneş Enerjisinden Elektrik Üreten Enerji Santralleri Enerji Kuleleri Yoğunlaştırıcılı Kollektörler ve Buhar Motorları Türkiye de Güneş Enerjisi Potansiyeli IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Işık Işığın Farklı Maddelerle Etkileşim Güneş Işığının Suda Soğurulması Suyun Molekül Yapısı Suyun Molekülünün Hidrojen Bağı Suyun Fiziksel Özellikleri Suyun İçindeki Maddeler ve Optik Özellikleri Deniz Suyunun Optik Özellikleri GÜNEŞ HAVUZLARI Güneş Havuzlarının Yapısı Gelen Güneş Enerjisi Güneş Havuzunun Optik Özellikleri IV

7 Güneş Işınının Doğrultusu Güneş Enerjisinin Havuz Yüzeyine Gelişi ve İzlediği Yol Güneş Enerjisinin Tuzlu Suda Soğurulması Güneş Havuzlarında Güneşin Ortalama Konumunun Günlük Etkisi Background Teori MATERYAL VE METOT Materyal Yalıtımlı Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) SMGH un Isısal Yalıtımı Tuz Gradyentli Güneş Havuzunun İç Yapısı SMGH'da Kullanılan Isı Yalıtım Malzemesi SMGH nın İç Bölgeleri SMGH nın İç Yalıtım Bölgesinin (Tabakaların) Oluşturulması Tuzlu Su Örneklerin Alındığı Tabakalar Metot BULGULAR VE TARTIŞMA SONUÇLAR VE ÖNERİLER..105 KAYNAKLAR ÖZGEÇMİŞ V

8 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1. Güneşin Uzak Bir Açıdan Görünümü...15 Şekil 3.2. Dünyaya Üzerine Gelen Yıllık Ortalama Güneş Işığı Miktarı...16 Şekil 3.3. Global Güneş Enerjisi Dağılımları..16 Şekil 3.4. Güneş Pilleri ile Elektriğini Üretebilen Yat...20 Şekil 3.5. Enerji Kulelerinin Görünümü.21 Şekil 3.6. Solar İki Yoğunlaştırılmış Güneş Enerji Kulesi.22 Şekil 5.1. Işığın Güneş Havuzunda İzlediği Yol...45 Şekil 6.1. SMGH nin İç Bölgeleri Şekil 6.2. Tuz Yoğunlunu Ölçme Sistemi..64 Şekil 6.3 Spektrometrenin Önden Görünümü...65 Şekil 6.4. Spektrometrenin Çalışır Görünümündeki Hali...65 Şekil 6.5. Havuzdan Alınan Numuneler ve Spektrometre.66 Şekil 6.6. Numunelerin İçine Konulduğu Küçük Plastik Kaplar...66 Şekil 6.7. Havuzdan Alınan Numunenin Plastik Kaplara Konularak Optik Özelliklerini Belirlemek İçin Numunenin Spektrometre İçine Konulan Düzeneğin Görünümü Şekil 6.8. Spektrometrenin Nasıl Çalıştığını Gösteren Şematik Yapı...67 Şekil 6.9. Bilgisayarda Kullanılan Qbasic Programının Başlangıç Şeması...67 Şekil Ölçümler başlamadan Önce Qbasic Programının Görünümü..68 Şekil a) Örnek Soğurma ve b) Geçirgenlik Eğrisi.69 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinlikle Değişimi Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinlikle Değişimi Şekil 7.3. Su ile Farklı Yoğunluklarda Hazırlanan Tuzlu Suyun Geçirgenlikleri..73 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi 74 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi 76 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi 77 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi 78 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi...79 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi..80 VI

9 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi..81 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi...82 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi...83 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi.84 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi...85 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi.87 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi. 88 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi...89 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi.90 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi. 91 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi...92 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişim..93 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi. 94 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi. 95 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi.96 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi. 97 Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi...98 Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi.99 Şekil Tarihinde Yoğunluğun Derinliğe Göre Değişimi Şekil Tarihinde Sıcaklığın Derinliğe Göre Değişimi Şekil Tarihinde Dalga Boyuna Karşı % Geçirgenlik Değişimi Şekil 8.1. Farklı.Miktarlarda Tuz İçeren Suyun Geçirgenliği..106 Şekil 8.2. Farklı Miktarlarda Kirlilik İçeren Suyun Geçirgenliği Şekil 8.3. Farklı Tabakaların Dalga Boyunda 10 Haftalık Ortalama Geçirgenliği Şekil 8.4. Tabakaların Tabandan İtibaren 10 Haftalık Ortalama Sıcaklık Dağılımı.107 VII

10 TABLOLAR DİZİNİ SAYFA Tablo 3.1. Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli...23 Tablo 3.2. Türkiye'nin Yıllık Toplam Güneş Enerjisi Potansiyeli.24 VIII

11 IX

12 SİMGELER VE KISALTMALAR 0 C: Sıcaklık birimi (santigrat) Nm: Metrenin 10 9 da biri K w : İncelme katsayısı a w : Soğurma katsayısı W: Güç birmi K: Sıcaklık birimi(kelvin) J: Enerji birmi h: Saat λ: Dalga boyu c: Işık hızı h: Planck sabiti Hz: Frekans birimi (Herzt) E(λ,z): z Derinliğindeki spektral parlaklık c=a+b : Işığın toplam incelme katsayısı a: Soğurma katsayısı b=b f +b b : Toplam saçılma katsayısı b f : İleriye doğru saçılan ışığın saçılma katsayısı b b : Geriye doğru saçılan ışığın saçılma katsayısı c w : Saf su için incelme katsayısı K w fw : En temiz doğal tatlı suyun incelme katsayısı 1/2b m fw : Tatlı su içinde moleküler saçılma (rayleight) B= b p / b: Geri saçılma fonksiyonu ÜKB: Üst Konveksiyon Bölgesi YB: Yalıtım Bölgesi DB: Depolama Bölgesi SMGH: Silindirik Model Güneş Havuzu δ d : Eğiklik açısı (denklinasyon) φ: Enlem açısı X

13 ϕ: Dikkate alınan yüzeyin yatay düzlemle yaptığı eğim açısı γ: Yüzeyin azimut açısı w s : Güneş saat açısı θ z : Zenith açısı G gs : Güneş sabiti n: Yılın günleri n h : Havanın kırılma indisi n c : Camın kırılma indisi θ 1 : Güneş ışınının havuzun yüzeyine geliş açısı θ 2 : Güneş ışının havuzun yüzeyinden kırılma açısı τ : Geçirme katsayısı I λ (x): λ dalga boylu ışık demetinin x derinliğindeki şiddeti α i : Güneş yüksekliğinin fonksiyonu x: Havuzun düşey doğrultudaki derinliği I i : i. zaman aralığında ortalama güneş radyasyonu α et : Günlük olarak ortalama aylık güneş radyasyon açısının etkisi t 1 : Güneşin yükselme saati t 2 : Güneşin batış saati F: Fresnel katsayısı θ y : Yansıma açısı I x : x derinliğindeki ışın I s : Yüzeye düşen ışının suya giren miktarı F δ : Yüzeyde soğurulan güneş enerjisi kesri µ: Etkin soğurma katsayısı G: Gölgeleme uzunluğu h: Düşey yan duvarın tabandan itibaren yüksekliği C: Tuz derişimi T: Sıcaklık ν: Tuzlu suyun viskosluk katsayısı α tuz : Tuzlu suyun ısısal difüzyon katsayısı XI

14 D: Tuzun difüzyon katsayısı k ts : Tuzlu suyun ısı iletkenlik katsayısı T (x) : Düşey doğrultuda sıcaklık yayılması T (ç) : Ortalama hava sıcaklığı λ m : Kara cisim ışıması yoluyla yayınlanan ışının maksimum dalga boyu E r : Radyasyon sabiti h konv : Isı taşınım katsayısı k su : Suyun ısı iletim katsayısı k y : Yalıtım malzemesinin ısı iletim katsayısı A: İki tabaka arasındaki yüzeyin alanı q gr : Yansımadan sonraki net güneş radyasyonu akısı g ar : Net atmosferik radyasyon akısı g sr : Yüzey suyunun gerisindeki radyasyon akısı q b : Buharlaşma ısı akısı q i : İletimle ısı akısı K: x,y düzlem boyunca hücreler arasındaki birim uzunluk başına iletkenliktir TEP: Ton eşdeğer petrol R: Sınır yüzey direnci h(x) : Soğrulma oranını veren fonksiyonu s n λ : Saçılmasının yoğunluğu k ve k w : Saf suyun ve asılı parçacıkların soğurma katsayısı ε ve ε w : Saf su, asılı parçacık ve çözülmemiş maddelerin saçılma katsayısı B ( λ, x) : x derinliğinden geçen enerji TR(x): Birim miktarda geçmiş olan enerjinin oranı di λx : Radyasyonun değişimi A m : Havanın yoğunluğu α, β λ λ ve γ λ : Tek renkli dalga boyuna bağlı katsayılar ε λ, ξ, η veζ : Tek renkli dalga boyuyla ilişkisi olan katsayılar λ λ λ XII

15 XIII

16 1. GİRİŞ Ayhan ATIZ 1. GİRİŞ Enerji kaynakları bugün sahip olduğumuz medeniyetin temel taşlarından birini oluşturmaktadır. Bu kaynakların başında da kömür, doğal gaz ve petrol gibi fosil yakıtlar gelmektedir. Bu kaynakları verimli ve etkin bir şekilde tüketen toplumlar kalkınma ve gelişmişlikte önde olan toplumlardır. Ancak, son yıllarda tüketilen bu enerji kaynakları yerine yenisi konulamayacak şekilde yok edilmektedir. Binlerce yılda oluşmuş olan fosil kaynakları günümüzde hızla azalmaktadır. Bu kaynakların ömrü birkaç yüzyıl kadardır. Bu kaynakların kullanılmasıyla, bir taraftan kalkınma sağlanırken diğer taraftan canlı doğa zarar görmektedir. Dolayısıyla, hem fosil kaynakların sınırlı olması hem de bu kaynakların kullanımı sonucu meydana gelen çevre kirliliği ile enerji üretiminde hem yenilenebilir ve sınırsız, hem de çevreyle uyumlu kaynakların araştırılması ve geliştirilmesi gerekmektedir. Bu kaynakların en başında güneş tarafından üretilen güneş enerjisi gelmektedir. Güneş enerjisi, füzyon reaksiyonuyla, 4 hidrojen atomu birleşerek bir helyum atomu oluşumu sonucu açığa çıkan bir ışınım enerjisidir. Güneşin ışınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen baslıca enerji kaynağıdır. Dünyadaki madde ve enerji akışları güneş enerjisi sayesinde mümkün olabilmektedir. Rüzgâr, deniz dalgası, okyanusta sıcaklık farkı ve biyokütle enerjileri, güneş enerjisini değişim geçirmiş biçimleridir. Güneş enerjisi, doğadaki su döngüsünün gerçekleşmesinde de rol oynayarak, akarsu gücünü yaratmaktadır. Fosil yakıtların da, biyokütle niteliğindeki materyallerde birikmiş güneş enerjisi olduğu kabul edilmektedir. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun kökeni olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğruda yararlanılmaktadır. Güneş enerjisi çevre açısından temiz bir kaynak özelliği taşındığından da fosil yakıtlara alternatif olmaktadır. Yeryüzüne her yıl düşen güneş ısınım enerjisi, yeryüzünde şimdiye kadar belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceğinden kat kadar daha fazladır. Bu bakımdan bu devasa enerjisinin insanların faydalanabileceği şekilde verimli sistemlerle uygun kullanılabilir bir enerji türüne dönüştürülebilmesi canlı doğanın geleceği için önemlidir. Yenilenebilir enerji 1

17 1. GİRİŞ Ayhan ATIZ kaynaklarının başında yer alan güneş enerjisi hem sahip olduğu mevcut potansiyel hem de üretim teknolojileri bakımından farklı ve önemli bir yere sahiptir. Bu nedenle, güneş kaynaklı enerji üretim sistemlerinin geliştirilmesi büyük önem arz etmektedir. Güneş enerjisinden yaralanılan sistemlerden biri de güneş havuzlarıdır. Güneş havuzları, genellikle üç farklı tuzlu su bölgesinden oluşan, ısı toplama ve depolama sistemidir. Güneşten gelen ışınlar havuzun üst ve konveksiyonsuz bölgesinden geçerek en alt bölgesi olan yoğun tuzlu su kütlesinde ısı biçiminde toplanmakta ve depolanmaktadır. Bu yüzden güneş havuzlarının iç bölgeleri oluşturan bölgelerinin temiz ve geçirgenliğinin iyi olması gerekmektedir. Geçirgenliği yüksek olan bölgelerden geçen ışınlar depolama bölgesinin tamamına ulaşması sistemin ısı performansı bakımından önemlidir. Bu nedenle güneş havuzlarının iç bölgelerinin saydam ve geçirgen olması gerekmektedir. Bunun için zamanla oluşabilecek çeşitli kirliklerin kontrol altında tutulmalıdır. Bu amaçla, Ç.Ü. UZAYMER de çapı 1,60 m, derinliği 2 m yalıtımlı silindirik model bir güneş havuzunun (SMGH) iç bölgelerinin optik özellikleri incelenecektir. Havuzun iç bölgelerinden, depolama bölgesi daha önce elimizde bulunan tuzlu su ile doldurulmuştur. Diğer bölgeler ise, temiz çeşme suyu ile yeniden oluşturulan farklı yoğunluklarda tuzlu su ile doldurulmuştur. Havuz iç bölgesinin tuz eğimi oluştuktan sonra bu tuz eğiminin korunması için düzenli olarak yoğunluk ölçümleri ve tabakalarda zamanla oluşabilecek kirliklerin takip edilmesi içinde suyun geçirgenliği spektrometre yardımıyla ölçülmektedir. Tuz yoğunlukları ise hidrometreler yardımı ile ölçülmüştür. Bu suretle suyun geçirgenlik dağılımlarındaki değişimlerin havuzun sıcaklık dağılımları üzerindeki etkisi saptanmaya çalışılmıştır. Bu çalışma sonucunda, güneş havuzunun depolama bölgesine daha fazla ışığın girmesi için tuzlu suyun saydamlığının ısıl performansı üzerindeki etkisi belirlenmeye çalışılmaktadır. Elde edilecek sonuçlar ışığında, böyle bir sistemin tuzlu su tabakalarının ve bu tabakalarda zamanla oluşan kirliliğin tabakaların geçirgenliği üzerindeki etkileri belirlenebilecektir. Böylece bu çalışma ışığında, yeni kurulması düşünülen güneş havuzu sistemlerine, iç bölgelerin geçirgenlik parametrelerinin önceden belirlenmesine katkı sağlaması beklenmektedir. 2

18 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Güneş havuzlarının doğada bulunan ilk benzeri Kalecksinsky tarafından 20. yy in başlarında keşfedilmiştir. Romanya nın Karpat dağları eteğindeki Transylvania bölgesindeki (42º44 K, 28º45 D) Medve gölünde sıcaklığın yaz ayları sonunda 1.32 m lik derinlikte 70 ºC ye yükseldiğini ve ilkbaharda ise 26 ºC ye düştüğünü gözlemlemiştir. Bunun nedenleri araştırılmıştır. Bu gölde ilk kez tuz yoğunluğu ölçümlerini yapılmıştır. Ölçümler sonucunda gölün derişimin yukarıdan aşağıya doğru arttığını saptamıştır. Bu yoğunluk eğiminin, konveksiyonla ısı kaybını önlemesi nedeniyle, gölün derin bölgelerinin yüksek sıcaklığa ulaşmasına sebep olduğu görülmüştür. 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 sıcaklığının C olmasına rağmen taban sıcaklığının 25 0 C olduğunu tespit etmişlerdir. Por ve arkadaşları ve 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 ise 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, 1985). 3

19 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ Kanayama ve ark. (1997) tarafından sodyum klorürlü su ile suyun ışık geçirgenliğini, farklı yoğunluklarda tuzlu suyun geçirgenliğini araştırılmıştır. Suyun ve NaCl çözeltisi için spektral geçirgenliği ölçümü ve toplam geçirgenliğin hesaplanmasıyla ilgilenmişlerdir. NaCl çözeltisinin spektral geçirgenliği artan tuz yoğunluğu ile kalınlığı ve hava kütlesi sabit olan bir numunenin kızılötesi ve yakınındaki bölgelerin üzerinde geçirgenliği artığını gözlemlediler. Spektral geçirgenliğin güneş havuzunun termal performansını eksiksiz olarak hesaplamak için kullanışlı olacağını ve geçerli olan bir soğurma katsayısı kullanılarak, suyun üç metreye kadar toplam geçirgenliği beş parça metoduyla dalga boylarını beş bant aralığına bölerek hesaplanabileceğini ve bunun güneş havuzları için pratik bir metot olabileceğini bulmuşlardır. Li ve ark. (2000) tarafından tuz gradyentinde dengeye ulaşmış olan bir güneş havuzunun spektral güneş radyasyonu altında havuzdaki ısının spektroskopik sonucunu ölçmeye uygun bir yöntem üzerinde çalışılmışlardır. Ayrıca güneş havuzunun yüzeyinin üzerindeki yansıyan ışının, tuzlu su tabakları arasında yansıyan ışını ve güneş havuzunun içindeki tuz difüzyonunu hesaplamayla uğraşmışlardır. Diğer taraftan güneş havuzunda toplanan ve depolanan ışının mekanizmasını oluşturmak için 1,6 m derinliğinde 2 m genişliğinde güneş havuzunda X lambasından gelen ışık radyasyonu altında bir deneyle, küçük bir alanda tuz gradyentinin sayısal analizi yapmışlardır. Deneysel analize göre güneş havuzunun termal performansı için bir model oluşturarak dengelenen ısıyı ölçmeyi başarmışlar ve bulunan simulasyonun deneysel sonuçlara uygun olduğunu görmüşlerdir. Böylece termal simulasyon modeli ve metodunun doğru olabileceği savunuldu. Aynı zamanda bir holojen lamba ve X lambasından gelen ışık ışını değiştirerek termal ısı ölçüldü. Sonuç olarak, havuzun içindeki sıcaklık dağılımın açıkça farklı olmasının kullanılan ışık ışının spektroskopik karakterinin (dalga boyunun faklı olması ) etki ettiğini görmüşlerdir. Bu yüzden herhangi bir güneş havuzun termal performansını doğru olarak elde etmek için kullanılan ışığın spektral özellikleri (yani dalga boyları) dikkate alınmasının gerekli olduğunun sonucuna varılmıştır. Husain ve ark. (2004) tarafından güneş havuzunun için giren toplam ışık akısın tahmin etmek için iki basit formül oluşturuldu. Birinci formül Bryant and 4

20 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ Colbeck in korelasyonunu kullanılarak havuzun dibinden ve yüzeyinden yansıyan ışık ışınını da kapsayacak şekilde genişletilmiş bir formulasyondur. Diğer formülasyon ise dördüncü dereceden ampirik bir polinom fonksiyonudur. Giren ışık akısının tahminin doğruluğunu kıyaslamak için Hull un genel fonksiyonları baz alınmıştır. Formüllerin amacı ölçülen zamanda önemli miktarda tasarruf sağlayacak şekilde çok daha basit analitik hesaplar yaparak havuzun dibindeki ışık akısını doğru ve akla yatkın elde edilmesini sağlamaktadır. Bu formüllerin etkisinin havuzun içindeki termal hareketlerin uzun dönemdeki hareketlerini ve hesaplama açısından kazancı analiz edildi. Hull un metoduyla kıyaslandığında % bir tasarruf sağladığı görülmüştür. Afeef Mohammed ve L.B. Mullett (1989) tarafından güneş havuzlarındaki güneş radyasyonunun geçirgenliği üzerine yapılan çalışmaların çoğu okyanus suyu ile aynı olduğu belirtilmiştir. Yani damıtılmış su ya da son derece iyi filtre edilmiş deniz suyunu çalışılmışlardır. Ölçümler saf su baz alınarak yapılmıştır. Bir güneş havuzunun % 20 ya da daha fazla sodyum, magnezyum ya da ikisinin karışmış halini içerebilen çözeltilerden oluştuğunu belirlemişlerdir. Filtre edilmemiş çözeltilerin büyük miktarda geçirgenlik kaybına sebep olduğu halde, iyi filtre edilmiş saf suyun geçirgenliği kolaylaştırdığını görmüşlerdir. Viskanta and Toor (1978) tarafından radyasyon transfer teorisi kullanılarak bir güneş havuzunda soğrulan bölgesel güneş enerjisinin tahmini için analizler oluşturulmuştur. Fiziksel model su tarafından soğrulan ve saçılmayı içermektedir ve su ile hava arasından ve dipten yansıyan ışınları da kapsamaktadır. Bir ileri saçılma yaklaşımı ve radyasyon transfer eşitliğinin faklı koordinatlardaki bir yaklaşım tartışılmıştır. Suyun içindeki soğrulan güneş enerjisinin oranını gösteren yerel büyüklüğü için sayısal sonuçlar gösterilmiştir. Bu çalışmada su yüzeyine gelen güneş radyasyonun ışınlarının yönünün etkisi, gündüz döngüsü sırasında atmosfer tarafından inceltilen güneş radyasyonu, kirleticiler ve katkılar tarafından suyun spektral radyasyonun değişikliğinin soğurma üzerinde ve havuzun içinde soğrulmuş enerji dağılımı araştırılmıştır. Y. A. Cengel and M. N. Özişik, (1984) tarafından güneş havuzu içinde güneş ışınlarının yerel soğurma oranı 0 den 75 arası doğrudan geliş açılarında ve 15 5

21 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ derece aralığında yayılan bileşenle birlikte radyasyon probleminin doğru çözümü belirlenmeye çalışılmıştır. Havuzun derinliklerinden ve dibinden yansıyan ışının etkisi ve havuzun termal performansı üzerindeki radyasyon modeli araştırılmıştır. Direk olarak gelen ışının yayılan radyasyonun doğru olarak belirlemek için yeni kaba bir yaklaşım benimsenmiştir. Değişik şartlar altında suyun ilk 10 cm arasında soğrulan güneş radyasyonun formülü belirlemişlerdir. Herhangi bir derinlikteki yerel soğurman oranı ve herhangi bir geliş açısı dördüncü dereceden polinomla hızlıca hesaplanabildiği ve katsayılar değişik geliş açılarıyla dipteki yansıtırlık elde edilmiştir. John T. O. Kirk (1988) tarafından su kütlelerine giren güneş enerjisin anlaşılması için gerekli hidrolojik optik kavramlarının kurulmasını minimum olarak özetlenmiş ve güneş havuzları için bu kavramların pratik uygulama özellikle Monte Carlo modelindeki yöntem tartışılmıştır. Herhangi bir güneş havuzuna gelen ışın transferini anlamak için yapılması gereken optik ölçümler için bir hesaplama bulunmuştur. Güneş radyasyonun hareketlerinin, Monte Carlo serisinin ölçüm sonuçlarını mükemmeliyet içinde olduğu ifade edilmiştir. Ama gerçek optik özellikleriyle birlikte güneş havuzlarının geniş bir sahayı kapsadığını belirtilmiştir. Renkli maddelerin konsantrasyon değişim verimliliğinin, toplanan enerji üzerindeki etkisi, saçılma katsayısı ve taban temizliği detaylı bir biçimde araştırılmıştır. Ayrıca başarılı güneş havuzunun çalışması için yerine getirilmesi gereken optik kriterler kısaca tartışılmıştır. Huovinen ve ark., (2003) tarafından Finlandiya daki beş göl içerisinden alınan bütün ölçümlerde güneşin UV ışınlarının incelmesi değerlendirilerek, 1999 yazında gölün optik özellikleri belirlenmiştir. Spektral UV havadaki birim alandaki radyasyon (parlaklık) ve üç gölün birkaç metre altında çözülmemiş organik karbonla ölçümler alınmıştır. Alınan bu ölçümlere göre UV-B bölgesi radyasyonun %99 yaklaşık olarak suyun yarım metre altında en temiz gölde inceldiği belirlenmiştir. Radyasyonda ise 380 nm lik UV A bölgesi 1 metrenin üstünde uygun incelme meydana geldiği gözlenmiştir. Küçük kirli bir gölde UV-B ısınları yukarıdan aşağıya 10 cm de %1 kadar inceldiği ve UV-a ışınları maksimum 25 cm kadar derine girdiği belirlenmiştir. Bu sonuçlar göl suyunun içindeki kirliliğin UV ışınlarının incelmesini 6

22 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ etkilediğini gösterilmiştir. Alınan ölçümler temel alınarak dikey incelme katsayısı K d ile laboratuvar ortamından ölçülen soğurma katsayısı ve çözülmemiş organik maddelerin K d ile önemli derecede bağlantısı olduğu anlaşılmıştır. Raymond ve ark., (1981) tarafından 300 den 400 nm ye kadar olan bölgede en temiz doğal suların içinde birim alandaki radyasyon için incelme katsayısını K w belirlemek için su altına batabilen bir UV spekrodiameter kullanılmıştır. K w ile suyun doğal optik yapısı radyasyon transfer teorisinden elde edilen denklemlerle özellikle saçılma katsayısı ve toplam soğurma katsayısıyla (a w ) ilişkilendirilebileceği belirtilmiştir. K w nin sınır değerlerini toplam soğurma katsayısından yararlanarak tahmin edilebilir olduğunu gösteren bir analizi mevcut olduğunu göstermişlerdir. Alınan a w data ile tahmin edilen a w arasında sanılandan çok daha büyük bir çelişki olduğunu gösterilmiş ve yeniden kısaca incelenmiş ve aldıkları K w verisiyle kıyaslamışlardır. Bu kıyaslamalı analizlerle, 300 ile 800 nm arasında yeni tutarlı bir veri sağlayarak, en temiz doğal suyun, saf suyun ve tuzlu su için doğru optik özellikler elde edilmiştir. Okyanus yüzeyine yakın bir yerde ışığın incelme katsayısı (c), ışığın yansıması (R) ve aşağıya doğru akan ışının incelme katsayısı (K d ) baz alınarak alınan ölçümlerde soğurma (a), saçılma (b) ve geri saçılma katsayılarının bulmak için bir metot geliştirilmiştir. Bu metot kullanılarak, okyanus-atmosfer sisteminde ışığın transferi Monte Carlo simülasyonuyla test edilmiştir. Metot, eğer güneş tepedeyse, R nin değerinin tahmini için güneşin dik geliş açısıyla birlikte R nin değişiklerini değerlendirilmiştir. B b i elde etmek için bulanan R nin değerleri K d ile birlikte birleştirilmiştir. Işığın incelmesi saçılmaya oranlanarak a ve b katsayıları elde edilerek saçılma fonksiyonunun β(α) büyüklüğü 60 α 150 saçılma açısı aralığında bulunmaya çalışılmıştır. Bu tahmin B b ve β(α) tahminleri 10 ile 1000 m 3 hacminin üzerindeki ışığın yayılması üzerine baz alınarak yapılmıştır. Okyanusun üst tabakasındaki radyasyon ışın transferinin tahmini için klasik saçılma ölçümleri alan aletlerle beraber yapılan ölçümlerin uygulanabilirliğini değerlendirmenin önemli olduğu belirtilmiştir. Yüzeye yakın yerlerde Raman saçılması ve fluorescence, K d ve r içinde ihmal edilmiştir (American Society of Limnology and Oceanography, 1991). 7

23 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ Tsilingiris, (1990) tarafından Tuz grandyentli güneş havuzlarında tuzluluğun sanılandan çok daha fazla bir şekilde ışığın transferini etkilediğini ve havuzun suyun spektral sönme karakterinin büyük miktarda buna bağlı olduğu belirlenmiştir. Li ve ark., (2010) tarafından deniz suyunu kaynak olarak kullanarak güneş havuzlarındaki kirliliği azaltılması ç hakkında birçok deney yapılmıştır. Deneylerde kirliliği iyi derece kontrol edebilen kimyasalların (KAl(SO 4 ) 2 12H 2 O) kirliliği azaltmasıyla beraber deniz suyunun içindeki yosunun ve bakterinin artmasının bastırarak bunların çoğalması kontrol edilmeye çalışılmıştır. Yapılan deneylerde kirli su ile deniz suyu ile kıyaslandığında tuzlu suyun arındırmasından sonra uzun bir süre herhangi bir kimyasal kullanmadan berraklığın korunabileceğini gösterilmiştir. Deneyler tuzun ve kirliğin difüzyonu hangi yöne olduğu hakkında bilgi vermiştir ve kirliliğin yukarı doğru yayılmadığı görülmüştür. Deneyler kirli su ile tuzlu su üzerinde aynı miktarda tuz kullanılarak beraber yapılmıştır. Toprağın temiz tuzlu suda hızlı bir şekilde çöktüğü fakat kirli su içinde çok yavaş bir şekilde çöktüğü bulunmuştur. Bu çalışmada aynı zamanda güneş havuzlarını yağmurun etkilerinden korumak için ekonomik bir model oluşturmaya çalışılmıştır. En sonunda güneş havuzunu farklı kirlilikteki termal performansını incelemek için termal difüzyon modelinin benzetimini yapmışlardır. Wang J. ve J. Seyed-Yagoobi (1995) tarafından tuz grandyentli bir güneş havuzunda su kirliliğinin havuzun termal performansı üzerinde etkisini incelemek için bir boyutlu teorik bir model kullanılarak çalışılmıştır. Teorik model suyun kirliliğinin etkisinin su içine giren güneş radyasyonunu da dahil ederek ampirik bir bağlantı kullanılmıştır. Bağlantı suyun içinde dağılan düzgün bir kirliliği temel almıştır fakat bağlantı suyun derinliğine göre düzgün olmayan bir kirlilik dağılımı da dahil ederek genişletilmiştir. Sonuçlar güneş havuzun temizliliğin havuzun termal performansı üzerinde son derece önemli bir rol oynadığını göstermiştir. Ouni ve ark., (1998) tarafından Tunus un güneyinde El Bibane de kurulan bir güneş havuzunun içinde olan durumları belirlemek için bir boyutlu simülasyon modeli geliştirilmiştir. Bu modelde meteorolojik veriler kullanılmış, yüzey ve topraktan ısı kayıpları hesaba katılmıştır. Yazılan diferansiyel eşitlikler sonlu farklar metodu kullanılarak çözülmüştür. Sistemin performansının hesaplanması için bir 8

24 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ bilgisayar programı önerilmiştir. Yaz aylarında ortalama 80 W/m 2 ve kış aylarında ise ortalama 19 W/m 2 ısı çekilebileceği belirtilmiştir. Tsilingiris,( 1988) tarafından güneş spektrumunu uygun spektral bantlara ayırarak ve Beer s kanunlarına göre farklı değerlerle integral alınarak, iki alternatif analitik yaklaşım öne sürüldü. Schmidt in orijinal çalışmalarına dayanılarak üst kısmındaki geçirgenlik limitleri kullanılarak ve temiz suyun geçirgenlik özellikleri de dikkate alındığı kadarıyla genel olarak kullanılan soğurma kanunu elde edilmiştir ( Wang ve Seyed-Yagoobi (1994) tarafından değişik derinliklerde kirliliğin ve tuz yoğunluğunun giren güneş üzerindeki etkilerini araştırmak için dışarıda iki büyük tank inşa etmişlerdir. Tuzlu suyun ve kirliliğin farklı konsantrasyonda suyun sönüm katsayısı ve spektral geçirgenliğini araştırmak için laboratuarda deneyler yapılmıştır. Hem dışarıdaki hem de içerde yapılan deneylerin sonuçlarına göre tuz yoğunluğunun giren güneş enerjisi üzerinde çok etkisi olmadığı belirtilmiştir. Ancak suyun temizliğin giren güneş enerjisi üzerinde kritik bir öneme sahip olduğu ve suyun derinliğiyle birlikte giren enerjiyi etkilediği görülmüştür. Suyun derinliğine ve kirliliğe bağlı olarak giren güneş enerjisini veren çok iyi bir fonksiyon geliştirilmiştir. Kurt ve ark., (2000) tarafından güneş havuzlarının performansını önceden tahmin edebilmek için bir boyutlu matematiksel bir model geliştirilmiştir. Bunun yanı sıra İstanbul Teknik Üniversitesi nde bir güneş havuzu kurulmuştur. Elde edilen deneysel veriler teorik hesaplamalarla karşılaştırılmıştır. Teorik olarak yapılan çalışmalarda kütle ve enerji dengeleri kullanılmıştır. Matematiksel modelde yazılan eşitlikler analitik ve nümerik olarak çözülmüştür. Çözümlerden alınan sonuçlar deneysel çalışma ile karşılaştırılarak sıcaklık profilleri çıkarılmıştır. Teorik ve deneysel sıcaklık profilleri arasında iyi bir benzerlik olduğu görülmüştür. Konsantrasyon profilleri deneysel ve teorik olarak çıkarılmış, deneysel ve teorik profiller arasında çok az farklılıkların olduğu görülmüştür. Güneş havuzunun güneş enerjisini depolamak için doğru bir şekilde planlandığında güneş enerjisini uzun süre depolamasının mümkün olduğu belirtilmiştir Husain ve ark., (2004) tarafından güneş havuzlarında radyasyon değişimi düşüncesi hakkında basit metotlar önerilmiştir. Güneş havuzlarında belirli bir 9

25 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ derinlikte kullanılabilir net radyasyon için iki basit formül önerilmektedir. Bunlardan birincisi, Bryant ve Colbeck in (1977) geliştirdiği formüldür. İkincisi ise ampirik dördüncü dereceden polinom fonksiyonudur. Formüllerin doğruluğunun karşılaştırılması için Hull (1980) tarafından geliştirilen genel formüllerle karşılaştırma yapılmıştır. Yapılan karşılaştırmada geliştirilen formüllerin Hull un modeline göre doğru sonuçlar verdiği aynı zamanda hesaplama süresinin kez azaldığı görülmüştür. Önerilen formüller geçirgenlik fonksiyonunu matematiksel olarak kolaylaştırdığından araştırmacılar için programlamanın daha kolay olacağı belirtilmiştir. Angeli ve Leonardi (2004) tarafından tuz gradyentli güneş havuzlarında tuz difüzyonunun bir boyutlu nümerik bir çalışması yapılmıştır. Bir boyutlu matematiksel model kullanılarak tuz difüzyonu ve tuz yoğunluğu gradyentinin kararlılığı araştırılmıştır. Sonlu farklar yöntemi ile sıcaklık ve tuz konsantrasyonuna bağlı olan difüzyon katsayısı kullanılarak tuz difüzyonu eşitliği çözülmeye çalışılmıştır. Tuz difüzyonu çok az olmasına rağmen konveksiyonsuz bölge sınırlarındaki tuz konsantrasyonu değişikliğini telafi etmek için doymuş tuzlu su çözeltisini depolama bölgesine ekleyerek üst konvektif bölgeye yükselmesini sağlayıp konveksiyonsuz bölgenin kararlı tutulması gerektiği söylenmiştir Karakılçık (1992) tarafından yalıtımsız bir güneş havuzunun ısısal davranışı ve bu davranışı etkileyen faktörler deneysel olarak saptanmaya çalışılmıştır. Havuz içi ve havuzu çevreleyen toprağın farklı derinliklerinde sıcaklık ölçümleri ve su içerisinde çeşitli derinliklerde yoğunluk ölçümleri yapılmıştır. Yapılan ölçümler ile havuzu oluşturan bölgelerin kalınlık değişimleri ve bunların havuz performansına etkileri belirlenmiştir. Bunun yanı sıra havuz suyundaki kirliliklerin havuz performansı üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Bu etmenlerin, tuzlu su tabakalarındaki konveksiyon hareketleri, havuz suyunun kimyasal ve biyolojik olarak kirlenmesi olduğu tespit edilmiştir. Zamanla konveksiyonsuz bölgelerde oluşan ara bölgelerin konveksiyonsal hareketlere sebep olduğu saptanmıştır. Ayrıca alt ve üst konveksiyonlu bölgelerdeki konveksiyonsal hareketlerin konveksiyonsuz bölgeyi incelttiği görülmüştür. 10

26 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ Karakılçık ve ark., (2005) tarafından bir güneş havuzundaki sıcaklık dağılımı deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Güneş havuzundaki sıcaklık dağılımları gündüz ve gece ayrı ayrı incelenmiştir. Birçok sıcaklık ölçüm sensörü güneş havuzunun içine, tabanına ve dikey ve yatay olarak yan duvarlarına yerleştirilmiştir. Teorik olarak sıcaklık dağılımının hesaplandığı bir model geliştirilmiş, modelden elde edilen sonuçlarla deneysel sonuçlar karşılaştırılmış deneysel verilerle hesaplanan veriler arasında çok iyi uyum olduğu görülmüştür. Sıcaklık farkına bağlı olarak gündüz ve gece ısı kayıpların arasında büyük bir fark olduğu görülmüştür. Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları boyunca, havuzun iç yüzeyi, yan duvarları ve tabanından olan toplam ısı kayıpları % ü iç yüzeyinden, % 3.93 ü tabandan, % ü yan duvarlardan olmak üzere MJ olarak hesaplanmıştır. Karakılçık ve ark., (2006) tarafından bir güneş havuzunun performansı deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Deneysel çalışma için 4 m yüzeyli ve 1.5 m derinlikli yalıtımlı bir güneş havuzu Çukurova Üniversitesinde inşa edilmiştir. Güneş havuzu tuzlu su ile üç bölge olarak oluşturulmuştur. Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları boyunca havuzun tabanı, iç bölgesi ve yan duvarlarının değişik yerlerinden sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Havuzun ve havuzu oluşturan tabakaların verimliliğini hesaplamak için bir model geliştirilmiştir. Isı transferinde sıcaklık farkı önemli bir sürücü güçtür. En yüksek ısı verimi Ağustos ayı içinde üst konvektif bölge için % 4,5, konveksiyonsuz bölge için % 13,8 ve ısı depolama bölgesi için % 28,1 olarak hesaplanmıştır. Kayalı (1992) tarafından 100 m 2 yüzey alanlı ve 2,50 m derinliğinde bir güneş havuzunun yalıtımlı ve yalıtımsız olması halinde 1 m 2 sinin maliyeti ve Çukurova Bölgesi şartlarında bu güneş havuzlarından alınabilecek enerji miktarları hesaplandı. Hesaplanan değerler kullanılarak ekonomik analizler yapılmış ve güneş havuzlarının kendilerini amorti etme süreleri bulunmuştur. Bezir. Ç. ve ark., (2008) tarafından tuz gradyentli güneş havuzunun sayısal ve deneysel analizlerinin performansını kapalı bir yüzey yansıtıcı veya yansıtıcısız olarak araştırmışlardır. Bu çalışmada bir tuz gradyentli güneş havuzu 3.5x3.5 m 2 yüzey alanı ve derinliği 2 m olarak inşa edilmiştir. Gün boyunca güneş havuzunun 11

27 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ termal etkinliğini artırmak ve gece boyunca da güneş havuzunun yüzeyinden termal enerji kayıplarını azaltmak için 2 tane açılır kapanır kapak kullanmışlardır. Analitik fonksiyonlar, Isparta bölgesindeki yerel meteoroloji istasyonundan hava ve toprak için elde edilen veriler ortalama saatlik ve günlük sıcaklık değerlerinin kullanımı ile türetilmiştir. Hesaba dayalı model yalıtımlı ve yalıtımsız güneş havuzunun üzeri kapalı ve yansıtıcı ile veya kapaksız ve yansıtıcısız performansını tanımlamak için meydana getirilmiştir. Yansıtıcılar güneş havuzunun performansını %25 artırmışlardır. Sonuç olarak bu model bir deneysel tuz gradyentli güneş havuzunun çeşitli sıcaklıklarının tahmini için kullanılmıştır. Angeli ve ark., (2005) tarafından Bir güneş havuzunda tuz kontrasyonlarının sorunlarını çözmeye yönelik bir profil üzerinde çalışmışlardır. Aynı zamanda termodifüzyonu da hesaplamışlardır ve sonlu fark yaklaşımını ve bir boyutlu matematiksel modeli kullanılmıştır. Güneş havuzundaki ısı miktarları iki boyutlu akışkanlar dinamiğini hesaplayan simülasyonla beraber bir tablo şeklinde gösterilmiştir. Kurt ve ark., (2004) tarafından tuz yoğunluk gradyentlerinin oluşturulmasında bu güne kadar kullanılmamış olan sodanın (sodyum karbonat) tuz Tabakalı Güneş Havuzu TTGH 'ların yoğunluk gradyentinin oluşturulmasında uygun bir tuz olup olmadığı denenerek, soda çözeltili havuzun ısı depolama karakteristiği deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Bu amaç doğrultusunda, laboratuar şartlarında küçük ölçekli bir havuzda yapılan deneysel çalışma ile birlikte TTGH ın bir boyutlu ısı ve kütle transferi matematik modeli oluşturulmuştur. Modelden elde edilen diferansiyel denklemler, sonlu farklar metodu ile nümerik olarak çözülerek, deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara göre, soda çözeltili havuz içerisinde sıcaklık gradyentinin oluşabilmesi için, %12 büyüklüğünde tuzluluk oranına sahip bir yoğunluk gradyentinin oluşturulması gerektiği tespit edilmiştir. Bu bölümde tanıtılan önceki çalışmalar ışığında, yalıtımlı silindirik model bir güneş havuzunun iç bölgelerini oluşturan tuzlu su tabakalarının optik özelliklerini etkileyen etmenlerden bazıları belirlenmeye çalışılmıştır. Söz konusu havuzun ve tuzlu su numunelerinin geçirgenliklerini ölçen spektrometrenin özellikleri 6. Bölümde verilmektedir. Bu çalışmada, havuzun iç bölgelerini oluşturan tabakaların yoğunluk, sıcaklık ve geçirgenlik dağılımları eş zamanlı olarak ölçülmüştür. Burada 12

28 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ amaç, zamanla oluşabilen kirliklerin, tuzlu suyun optik özelliklerini hangi oranda etkilediğini belirlemektir. 13

29 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Ayhan ATIZ 14

30 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş 1,4 milyon km çapıyla dünyanın 110 katı büyüklüğünde ve dünyadan 1,5x10 11 m uzaklıkta yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı bir yıldızdır. Güneş yüzeyi kütlesinin %74 'ünü ve hacminin %92 'sini oluşturan hidrojen, kütlesinin % 'ini ve hacminin %7 'sini oluşturan helyum ile Fe, Ni, O, Si, S, Mg, C, Ne, Ca, ve Cr gibi diğer elementlerden oluşur. Yüzey sıcaklığı yaklaşık 6000 K olup iç bölgelerindeki sıcaklığın 8x10 6 K ile 40x10 6 K arasında değiştiği tahmin edilmektedir. Doğal ve sürekli bir füzyon reaktörü olan güneşin enerji kaynağı 4 Hidrojen atomunun 1 Helyum atomuna dönüşmesinde gizlidir. 4 hidrojen atomu 4,032 birim ağırlıkta, 1 Helyum atomu 4,003 birim ağırlıktadır. Bu olay sonucu 0,029 birim ağırlık Einstein ın madde-enerji bağıntısı sonucu enerjiye dönüşmektedir. Yani güneşte her saniyede 564 milyon ton hidrojen, 560 milyon ton helyuma dönüşmekte ve kaybolan 4 milyon ton kütle karşılığı 3,86x10 26 J enerji açığa çıkmakta ve bu enerji ışınım seklinde uzaya yayılmaktadır. Toplam enerji rezervi 1,785x10 47 J olan bu yıldız daha milyonlarca yıl ışımasını sürdüreceğinden Dünya için sonsuz bir enerji kaynağıdır. Dünyanın çapına eşit bir dairesel alan üzerine çarpan güneş gücü, 178 trilyon kw düzeyindedir. Güneş enerjisi uzaya ve gezegenlere elektromanyetik ışınım (radyasyon) biçiminde yayılır. Dünya ya güneşten gelen enerji, Dünya da bir yılda kullanılan enerjinin 20 bin katıdır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Şekil 3.1. Güneşin uzak bir açıdan görünümü 15

31 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ Güneş dünyanın yörünge eksenine 1,366 W/m² enerji iletir, fakat yeryüzüne ulaşan enerji miktarı biraz daha azdır. Şekil 3.2. Dünyaya üzerine gelen yıllık ortalama güneş ışığı miktarı. Şekil 3.3 Global güneş enerjisi dağılımları 16

32 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ Şekil 3.3 de Haritadaki renk dağılımları yılları arasında gerçekleşen ortalama yerel güneş enerji değerleri hakkında W/m 2 cinsinden bilgi vermektedir Yeryüzüne Gelen Güneş Enerjisi Dünyanın yörüngesi üzerinde, uzayda, birim alana ulaşan güneş ışınları, güneşe dik bir yüzey üzerinde ölçüldükleri zaman 1,366 W/m 2 dir. Bu değer güneş enerjisi sabiti olarak da anılır. Atmosfer bu enerjinin %6 sını yansıtır, %16 sını da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek güneş enerjisi 1,020 W/m 2 dir. Bulutlar gelen ışımayı, yansıtma suretiyle yaklaşık %20, sönümleme suretiyle de yaklaşık %16 azaltırlar. Şekil 3.3 e göre Kuzey Amerika ya ulaşan güneş enerjisi 125 ile 375 W/m 2 arasında değişirken, günlük elde edilebilen enerji miktarı, 3 ila 9 kwh/m 2 arasında değişmektedir. Bu değer, elde edilebilecek mümkün en yüksek değer olup, güneş enerjisi teknolojisinin sağlayacağı en yüksek değer anlamına gelmez. Örneğin, fotovoltaik (güneş pili) panelleri, bugün için yaklaşık %15 lik bir verime sahiptirler. Bu nedenle, aynı bölgede bir güneş paneli, 19 ile 56 W/m 2 ya da günlük kwh/m 2 enerji sağlayacaktır. Şekil 3.3 teki koyu renkli alanlar, güneş paneli kaplanması durumunda aynı bölgede 2003 yılında üretilen toplam enerjiden biraz daha fazla enerji üretebilecek örnek alanları göstermektedir. Bugünkü %8 verime dayalı teknoloji ile dahi, işaretli bölgelere yerleştirilecek güneş panelleri, bugün fosil yakıtlar, hidroelektrik vb kaynaklara dayalı tüm santrallerin ürettiği elektrik enerjisinden biraz daha fazlasını üretebilecektir. Hava kirliliğinin neden olduğu küresel loşluk ise daha az miktarda güneş ışının yeryüzüne ulaşmasına neden olduğu için, güneş enerjisinin geleceği ile ilgili az da olsa endişe yaratmaktadır yılları arasını kapsayan bir araştırmada, aynı dönem içerisinde deniz seviyesine ulaşan ortalama güneş ışını miktarında %4 azalma olduğu gözlenmiştir. 17

33 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ 3.2. Güneş Enerjisi Ve Teknolojileri Güneş ışınlarından yararlanmak için pek çok teknoloji geliştirilmiştir. Bu teknolojilerin bir kısmı güneş enerjisini ışık ya da ısı enerjisi şeklinde direk olarak kullanırken, diğer teknolojiler güneş enerjisinden elektrik elde etmek şeklinde kullanılmaktadır. Güneş enerjili sıcak su sistemleri, suyu ısıtmak için güneş ışınlarından yararlanır. Bu sistemler evsel sıcak su ya da bir alanı ısıtmak için kullanılabildiği gibi çoğunlukla bir havuzu ısıtmak için kullanılır. Bu sistemler çoğunlukla bir termal güneş paneli ile bir de depodan oluşur. Güneş enerjili su ısıtıcıları üç grupta toplanır. Aktif sistemler, suyun ya da ısı transfer sıvısının çevirimi için pompa kullanırlar. Pasif sistemler, suyun ya da ısı transfer sıvısının devrini doğal çevirim ile sağlarlar. Kütle sistemleri su tankının doğrudan güneş ışığı ile ısınmasını amaçlarlar. Yaygın güneş enerjisi uygulamaları şunlardır: Düzlemsel güneş kollektörleri: Ülkemizde de çok yaygın olarak kullanılan, evlerde sıcak su elde etmede kullanılan sistemlerdir. Yek-odaklı güneş enerjisi santralleri: Bunlarda, doğrusal, çanak şeklinde ya da merkezi bir odağa yönlendirilmiş dev aynalar kullanılarak, odak noktasında çok yüksek sıcaklıkta ısı elde edilir. Genellikle elektrik üretiminde kullanılır. Ancak henüz bir yaygınlık kazanamamışlardır. Vakum Tüplü Güneş Enerjisi Sistemleri: Vakum tüplü güneş enerjisi kolektörleri: iç içe geçmiş 2 adet silindirik cam tüpün ısı yolu ile birbirine bağlanması ve bu işlem sırasında arasındaki havanın alınması ile üretilir. Dış silindirik tüpün yüzeyine düşen Güneş ışınları aradaki havasız ortamdan geçerek iç kısımdaki silindirik tüpün yüzeyinde soğurulmasıyla ile çalışır. Arada madde olmadığından dolayı sadece ışıma ile ısınan sistem suyu dış hava sıcaklığından bağımsızdır. Güneş ocakları: Çanak şeklinde ya da kutu şeklinde güneş ısısını toplayan yapılardır. Gelişmekte olan ülkelerde daha yaygın kullanılır. 18

34 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ Trombe duvarı: Sandviç şeklinde cam ve hava kanalları ile paketlenmiş bir pasif güneş enerjisi sistemidir. Güneş ışınları gün boyunca, duvarın altında ve üstünde yer alan hava geçiş boşluklarını tahrik ederek, doğal çevirim ile termal kütleyi ısıtırlar. Gece ise trombe duvarı biriktirdiği enerjiyi ışıma yolu ile yayar. Geçişli hava paneli: Aktif güneş enerjili ısıtma ve havalandırma sistemidir. Termal güneş paneli gibi davranan, güneşe bakan delikli (perfore) bir duvardan oluşur. Panel, binanın havalandırma sistemine ön ısıtma uygular. Ucuz bir yöntemdir. %70 e kadar verime ulaşılabilir. Yaygınlaşmamış ancak araştırılma aşamasındaki bazı güneş enerjisi teknolojileri: Güneş Havuzları: Tuzlu su tabakalarından oluşur. En yoğun tuzlu su tabakası olan depolama bölgesi yardımı ile güneş enerjisi toplanır ve burada depolanır. Güneş Bacaları: Bir binanın zemininde toplanan ısı, yüksek ve dar bir bacaya yönlendiğinde, bacada kurulu türbini çalıştırır Su Arıtma Sistemleri: Bunlar da bir çeşit havuz sistemidir. Havuzun üstüne eğimli cam kapak yerleştirilir, buharlaşan su tuzdan arınarak bu kapakta yoğunlaşır. Temiz su ve tuz elde etmek amacıyla kullanılır. Ürün kurutma sistemleri: Bu sistemler güneş enerjisinden yararlanmak suretiyle sebze ve meyve kurutulması amacıyla kullanılan sistemlerdir Güneş Pilleri Güneş pilleri ya da fotovoltaik piller diye bilinen aygıtlar, yarıiletkenlerin fotovoltaik etki özelliğini kullanarak, güneş ışığından elektrik enerjisi üretirler. Güneş pilleri, kurulan sisteme bağlı olarak bir kaç kw 'dan birkaç MW 'a kadar elektrik üretebilir. Yüksek üretim maliyetleri nedeniyle, yakın zamana kadar oldukça az kullanılmıştır 'lerden bu yana uzayda uydularda, 1970 'li yıllarda, elektrik hattından uzak yerlerde, yol kenarlarındaki acil telefon cihazları ya da uzaktan algılama gibi uygulamaların enerji gereksiniminin karşılanmasında kullanılmıştır. Son yıllarda, evlerde elektrik şebekesi ile birlikte çalışan sistemler de yaygınlaşmıştır sonu itibarı ile toplam 5300 MW olduğu zannedilen kurulu 19