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

35 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ güneş pili kapasitesinin, gelişmiş ülkelerin, güneş pillerinin evsel amaçlı kullanımına verdiği teşvikler nedeniyle, 2006 yılında da ciddi artış göstermesi beklenmektedir. Gerek kullanımdaki artış, gerekse teknolojik gelişmeler nedeniyle güneş pillerinin üretim maliyetinde her yıl azalış görülmektedir. Bir güneş pili panelinin Watt başına maliyeti 1990 yılında yaklaşık 7,5 USD iken, 2005 yıllında bu rakam yaklaşık 4 USD seviyesine inmiştir. Gelişmiş ülkelerin sunmuş olduğu teşvikler, güneş pillerinin yatırım maliyetinin 5 ile 10 yıl arasında geri dönebilmesini sağlamaktadır. Evsel amaçlı kullanılan güneş pilleri bir dönüştürücü aracılığı ile elektrik şebekesine bağlanmakta, böylece üretilen elektriğin akülerde depolanmasından tasarruf edilmektedir yılı içerisinde tüm dünyada gerçekleşen güneş pili üretiminde %32 'lik bir artış gözlenmiştir. Güneş pili kullanımındaki artış o kadar büyüktür ki, yarıiletken üretiminin talebi karşılayamaması, güneş pili üretiminin artışında kısıtlamaya neden olmuştur. Bu sorunun 2006 ve 2007 'de de devam edebileceği sanılmaktadır. Şekil 3.4. Güneş pilleri ile elektriğini üretebilen yat. Sekil 3.4 de güneş pilleri ile elektrik ihtiyacının bir kısmını karşılayabilen bir yat görülmektedir. Burada, güneş pilleri 12 voltluk aküleri, 9 Ampere kadar doğrudan güneş ışığı yardımıyla doldurabilmektedir. Burada üretilen elektrik enerjisi ile yatın enerji ihtiyacının önemli bir bölümü güneş panellerinden sağlanmaktadır. 20

36 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ Isıl Güneş Enerjisinden Elektrik Üreten Enerji Santralleri Isıl güneş enerjisi sistemleri, yaygın olarak, bir ısı eşanjörünü yüksek sıcaklıklara kadar ısıtarak, elde edilen ısının elektrik enerjisine dönüştürülmesi şeklinde kullanılırlar Enerji Kuleleri olurlar. Enerji kuleleri bir ağ şeklinde yerleştirilmiş, çok sayıda düz ve hareketli Şekil 3.5. Enerji kulelerinin görünümü Yoğunlaştırıcılı Kollektörler ve Buhar Motorları Bir yoğunlaştırıcılı kollektörde ısıya dönüştürülen güneş enerjisi, nükleer ya da kömürlü elektrik santrallerinde olduğu gibi, suyun kaynatılarak buhara dönüştürülmesi ve elde edilen buharla da bir buhar motoru ya da bir buhar türbininin tahrik edilmesi suretiyle elektrik enerjisi elde edilir. Stirling motoru buharla çalışan motorlara benzer. Bu tür motorlarda buhar yerine gaz kullanılır. Bir stirling motoru herhangi bir tür ısı kaynağı ile tahrik edilir. Stirling motoru, içinde belirli bir gaz 21

37 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ bulunan ve kapalı devre çalışan bir ısı motorudur. Stirling motorunun çalışma sistemi sıcak ve soğukluk farkına dayanır. Kapalı devre bir sisteme sahip motorun içine dışarıdan bir yakıt verilmez. Stirling motorunun çalışması için gerekli enerji dışardan ısı şeklinde verilir. Güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülmesinde stirling motorunun kullanımı, %30'luk bir verim ile en yüksek verime sahip bir sistem olarak kabul edilir. Şekil 3.6. Solar İki, yoğunlaştırılmış güneş enerji kulesi ( Türkiye de Güneş Enerjisi Potansiyeli Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Güneşten dünyaya saniyede yaklaşık olarak 170 milyon MW enerji gelmektedir. Türkiye'nin yıllık enerji üretiminin 100 milyon MW olduğu düşünülürse bir saniyede dünyaya gelen güneş enerjisi, Türkiye'nin enerji üretiminin 1.7 katıdır. Devlet Meteoroloji işleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılan çalışmaya göre, Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saattir. Ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kwh/m²yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Türkiye, 110 gün gibi yüksek bir güneş enerjisi potansiyeline sahiptir ve 22

38 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ gerekli yatırımların yapılması halinde Türkiye yılda birim metre karesinden ortalama olarak kwh lik güneş enerjisi üretebilir Tablo 3.1'de Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri aylara göre dağılımı verilmiştir. Tablo 3.1. Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli Aylık Toplam Güneş Enerjisi Güneşlenme süresi Aylar Kcal/cm 2 ay kwh/ m 2 ay (saat/ay) Ocak 4,45 51,75 103,0 Şubat 5,44 63,27 115,0 Mart 8,31 96,65 165,0 Nisan 10,51 122,23 197,0 Mayıs 13,23 153,86 273,0 Haziran 14,51 168,75 325,0 Temmuz 15,08 175,38 365,0 Agustos 13,62 158,40 343,0 Eylül 10,60 123,28 280,0 Ekim 7,73 89,90 214,0 Kasım 5,23 60,82 157,0 Aralık 4,03 46,87 103,0 TOPLAM 112, ORTALAMA 308,0 cal/cm 2 - gün 3,6 kwh/m 2 gün 7,2 saat/gün 23

39 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ Bölgeler Tablo 3.2. Türkiye'nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyeli Toplam Güneş Enerjisi En Çok Güneş Enerjisi En Az Güneş Enerjisi Ortalama Güneşlenme Süresi En Çok Güneşlenme Süresi En Az Güneşlenme Süresi kwh/m 2 kwh/m 2 kwh/m 2 Saat/yıl Saat Saat Güneydoğu Akdeniz Doğu Anadolu İç Anadolu Ege Marmara Karadeniz Tablo 3.2 de Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesinin Güneydoğu Anadolu Bölgesi olduğu ve bunu Akdeniz Bölgesinin izlediği görülmektedir. Buna göre genel olarak, Türkiye nin en çok ve en az güneş enerjisi üretilecek ayları sırası ile Haziran ve Aralık olmaktadır. Bölgeler arasında ise öncelikle Güneydoğu Anadolu ve Akdeniz sahilleri gelmektedir. Güneş enerjisi üretiminin yok denecek kadar az olduğu Karadeniz bölgesi dışında yılda birim metre kareden 1100 kwh lik enerji üretilebilir ve toplam güneşli saat miktarı ise 2640 saattir. Ancak, bu değerlerin, Türkiye nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır yılından bu yana EİE ve DMİ, güneş enerjisi değerlerinin daha sağlıklı olarak ölçülmesi amacıyla enerji amaçlı güneş enerjisi ölçümleri almaktadırlar. EİE nin ölçüm yaptığı 8 istasyondan alınan yeni ölçümler ve DMİ verileri yardımı ile 57 ile ait güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri değerleri hesaplanarak bir kitapçık halinde basılmış ve EİE in internet sitesinde satışa 24

40 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ sunulmuştur (I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, Haziran 2006, ESOGÜ, Eskişehir). 25

41 3. GÜNEŞ ENERJİSİ Ayhan ATIZ 26

42 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI 4.1.Işık Işık, doğrusal dalgalar halinde yayılan elektromanyetik dalgadır. Işığın görülebilir dalga boyu nm dir. Ancak bilimsel terminolojide gözle görünmeyen dalga boylarına da ışık denilebilir. Işığın özellikleri, radyo dalgalarından gamma ışınlarına kadar gidebilen, elektromanyetik dalganın boyuna göre değişir. Işığın ve diğer tüm elektromanyetik dalgaların temel olarak üç özelliği vardır. Bunlar; Frekans: Dalga boyu ile ters orantılıdır, insan gözü bu özelliği renk olarak algılar. Şiddet: Genlik olarak da geçer, insan gözü tarafından parlaklık olarak algılanır. Polarite: Titreşim açısıdır, normal şartlarda insan gözü tarafından algılanmaz. Işık foton denilen kütlesiz (ağırlıksız değil, kütlesiz) ve yüksüz atom-altı parçacıklardan oluşur. Tüm parçacıklar gibi fotonlar da dalga özelliği gösterirler. Yani bir dalga boyları ve bir frekansları vardır. Işık ışınları da fotonların ilerlerken aldıkları yoldan başka bir şey değildirler. Fotonlar kaynaklarından çıktıktan sonra - eğer önlerinde hiçbir engel yoksa düz doğrultuda ve hiç sapmadan yayılırlar. Herhangi bir cisme çarpınca da cismin şeffaf olup olmamasına göre yansır veya kırılırlar. Günümüzde ışığın hareketi dual (ikili, çift) model denilen dalga ve parçacık teorilerinin birleşmesinden oluşmuş bir teori ile açıklanmakta. Açıklama kısaca şöyle: Işık dalga özelliği gösteren fotonlardan oluşmuştur. Ve yayılırken iki özelliği de gösterebilir. Ama kesinlikle ikisini bir arada değildir. Bazen dalga bazen de parçacık olarak yayılır. Dalga olarak görmek istiyorsak dalga, parçacık olarak görmek istiyorsak parçacık olarak davranır. Dalga parçacık ikiliği, fizikte elektromanyetik dalgaların aynı zamanda parçacık özelliğine sahip oldukları ve parçacıkların da (örneğin elektronların) aynı zamanda dalga özelliklerine sahip 27

43 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ oldukları anlamına gelir. Başka bir deyişle, ışık ve madde aynı anda hem parçacık hem dalga özelliklerine sahiptirler; ne başlı başına bir dalga ne de başlı başına bir parçacıktırlar. Böylece ne ışık için, ne de madde için belli tek bir modelin geçerli olamayacağı görülmektedir. Gerçekte dalga ve tanecik modelleri birbirlerini dışlayan varlık biçimleri olduğundan, bir nesnenin bir anda hem dalga hem de parçacık olarak görünmesi mümkün değildir. Dalga parçacık ikiliğinden kasıt madde veya ışığın belli koşullarda dalga, belli koşullarda ise parçacık özellikleri göstermesidir. Dalga olarak mı yoksa parçacık olarak mı görüneceği ise onun nasıl gözlemlendiğine bağlıdır. Maddenin bu ikili karakteri yalnızca atom seviyesindeki gözlemlerde (mikroevren de) ortaya çıkmaktadır. Madde parçacıkları, eğer konumunu ortaya çıkaran bir gözlem de bulunulursa parçacık gibi, momentumunu (hızını) ortaya çıkaran bir gözlem de bulunulursa dalga gibi görünmektedirler. Işığın ve maddenin küçük taneciklerden mi oluştuğu, yoksa uzaya yayılmış bir dalga olarak mı görülmeleri gerektiği sorularının kökeni çok eskiye dayanır. 19. yüzyılın sonunda, kuantum kuramının gelişmesinden hemen önce J.C.Maxwell 'in elektromanyetik kuramı ışık için çok sağlam bir dalga modeli sunmuştur. Aynı zamanda atomların keşfi ile maddenin küçük taneciklerden oluştuğu fikri de netlik kazanmıştı. Böylece ışık için dalga modelinin, madde için ise tanecik modelinin geçerli olduğu düşüncesi ortaya çıkmıştır. Kuantum kuramının gelişmesiyle, hem ışığın foton denilen taneciklerden oluştuğu hem de atomu oluşturan parçacıkların aynı zamanda dalga özelliklerinin olduğu keşfedildi. Işığın parçacık teoremine göre elektromanyetik ışımanın da en küçük birimi fotondur. Görülebilir ışık için geçerli olan bütün fizik kuralları tüm elektromanyetik ışımalar için de geçerlidir. Elektromanyetik ışımaların ortak özellikleri şunlardır; Boşlukta düz bir doğrultuda yayılırlar. Hızları ışık hızına (yaklaşık km/sn) eşittir. Geçtikleri ortama; frekanslarıyla doğru orantılı, dalga boylarıyla ters orantılı olmak üzere enerji aktarırlar. 28

44 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ Enerjileri; maddeyi geçerken, yutulma ve saçılma nedeniyle azalır, boşlukta ise uzaklığın karesiyle ters orantılı olarak azalır. Elektromanyetik radyasyonlar, sinüsoidal yayılım yaparlar. Sinüsoidal yayılımı anlayabilmek için, dalga modelini incelemek gerekir. Elektromanyetik dalgaların elektriksel ve manyetik güçleri birbirine dik ve eş zamanlı olarak salınım yaparlar. Sinüsoidal yayılımdaki hız, frekans ve dalga boyu parametreleri fotonun yayılımını açıklamaktadır. Dalga yüksekliğinin (genlik) burada diğer parametrelerle bir ilişkisi yoktur. Hız; dalga boyu (λ) ile frekansın (f) çarpımına eşittir. Elektromanyetik radyasyonların hızları, ışık hızına eşittir. Bu nedenle formül "c" (ışık hızı) ile gösterilmektedir. = (4.1) Işığın yayılım alanına dikey birim alandan birim sürede geçen enerji miktarına ışık şiddeti adı verilir ve bu nicelik uzaklıktan bağımsızdır. Nokta ışık kaynağından yayılan elektromanyetik radyasyonların enerjileri, uzaklığın karesi ile azalır. I I 1 2 d = d (4.2) 4.2 eşitliğine göre ışık kaynağına 2x uzaklıkta ışığın aydınlanma şiddeti, x uzaklığına göre 4 kat azalır. Foton ışık hızı ile hareket ederler ve enerjileri frekensları ile doğru orantılıdır. Enerjileri; E=hf (4. 3) denklemiyle gösterilebilir. Burada E; fotonun enerjisi, h; Planck sabiti (4,13x10-18 kevs), f; frekası gösterir. Bu denklem daha önce verilen c = λf denklemiyle birleştirilirse, 29

45 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ hc 12.4 E= λ λ (4. 4) Eşitlik 4.4 elde edilir. Tanısal amaçlı X-ışını fotonlarının enerjileri 100 kev, dalga boyları 10-2 nm. frekansları Hz civarındadır. Elektromanyetik radyasyonların madde ile etkileşimini dalga boyları belirler. Dalga boyları metreleri bulan radyo dalgaları, radyo antenleriyle alınabilir. Mikrodalgaların dalga boyları santimetrelerle belirtilir. Görülebilir ışığın dalga boyu, görme hücrelerini (rod ve cone) etkileyecek boyuttadır. Ultraviyole ışık, X ışını ise atom ve subatomik parçacıklarla etkileşir. Eklektromanyetik spekturumun algılayabileceğimiz bölümü olan görülebilir ışık, spektrumun çok dar bir bölümünü oluşturur. Görülebilir ışığın, bir uçta uzun dalga boyu olan kırmızı radyasyona uzanan bir renk spektrumu vardır. Elektromanyetik spektrumda görülebilir ışığa yakın yerleşen morötesi ve kızılötesi radyasyonlar insan gözüyle görülmezler. Fakat, fotoğrafik emülsiyon ve benzeri diğer yöntemlerle saptanabilirler. Görülebilir ışığın madde ile etkileşimi X- ışınından farklıdır. Görülebilir ışık fotonu maddeye çarptığında madde uyarılır ve foton, maddenin moleküler yapısına göre değişen diğer bir ışık fotonu şeklinde yansıtılır. Bir madde, günışığında eğer kırmızı görülüyorsa, bu madde gün ışığındaki kırmızı dışında tüm görülebilir ışık fotonlarını soğururlar. Fakat, uzun dalga boylu olan kırmızı ışığı tekrar yayarlar. Görülebilir ışığın ve dolayısıyla elektromanyetik radyasyonların birçok özellikleri, yukarıda da belirtildiği gibi dalga modeliyle açıklanabilmiştir. Yapay dalgalarla yapılan deneylerde elektromanyetik radyasyonların; yansıma (refleksiyon), emilim (absorbsiyon) ve maddeyi geçebilme (transmisyon) gibi özellikleri gösterilebilmektedir. Görülebilir ışığı geçiren maddeler saydam (transparent), yarı geçirgen maddeler, translusent, geçirmeyen maddeler ise opak olarak adlandırılır. 30

46 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ Işığın Farklı Maddelerle Etkileşimi Işık doğrusal yolla yayılır. Maddelerin görülmesinin nedeni ışık madde etkileşimidir. Işık madde etkileşimi, bütün maddelerde aynı şekilde gerçekleşmez. Işık, maddelerle üç yolla etkileşir. Işık kaynağından çıkan ışık ışınları bir maddeye çarptığında maddenin ışık geçirme özelliğine göre; Işık ışınlarının büyük bir kısmı maddeden geçebilir. Işık ışınlarının büyük bir kısmı maddeden geçemez ve ışık ışınlarının bir kısmı maddeye çarpınca geri dönebilir yani yansıyabilir Güneş Işığının Suda Soğurulması Araştırmacılar doğal suyun içine giren güneş enerjisiyle saf suyun doğal optik özellikleri arasında yoğun bir ilişki olduğuyla yakından ilgilendiler. Prensipte bu doğal saf suyun optik özellikleri en saf doğal suyun optik özeliklerini hesaplamada kullanılabilir. Su ile ilgili foton sürecini tahmini için doğal suyun derinliklerine giren maksimum nicelikteki güneş enerjisini tanımlamak için kullanılır. Bu yüzden en temiz doğal su için bilinen deneysel değerleri saf suyun doğal optik özelliklerini tahmin etmekte kullanılabilir (Raymond et al. 1981) Suyun Molekül Yapısı Su, kimyasal olarak pek çok olağanüstü özelliğe sahiptir. Her bir su molekülü, 2 hidrojen ve 1 oksijen atomunun birleşmesiyle oluşmaktadır. Biri yakıcı, diğeri de yanıcı olan iki gazın, birleşerek suyu oluşturuyor olmaları oldukça ilginçtir. Hidrojen atomunun çekirdeğinin etrafında yalnız bir elektron vardır. Normal olarak iki elektron olması gerekir. Eğer hidrojen atomu bir elektron daha alacak olursa, bu tabaka elektron bakımından dolacak ve hidrojen daha kararlı bir yapı kazanacaktır. Oksijen atomunun ise ilk yörüngesinde 2, ikinci yörüngesinde 6 elektron olmak üzere toplam 8 elektron bulunur. Ancak oksijenin daha kararlı bir hale gelmesi için son yörüngesini 8'e tamamlaması gerekmektedir. Oksijen atomu, 31

47 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ dış yörüngesindeki boş olan iki elektronun yerini, iki ayrı hidrojen atomunun elektronlarıyla doldurur. Aynı anda oksijen atomunun dış yörüngesindeki iki elektron, iki hidrojen atomunun yörüngelerindeki boş olan birer elektronun yerini doldurur. Böylece oksijen ve hidrojen atomları elektronlarını ortaklaşa kullanarak (Kovalent bağla); oldukça kararlı bir molekül olan su molekülünü oluştururlar. Kovalent bağlar kuvvetli bağlardır. Bu bağların kırılması için yaklaşık kcal/mol 'lük bir enerji gerekmektedir. Bu nedenle sağlamdırlar ve genellikle kendi kendine kopmazlar. Kovalent bağlar iki hidrojen atomunu oksijen atomuna A uzaklıkta bağlar ve 'lik bir açı ile ayrılırlar. Su molekülü V şeklindedir. Kovalent bağlarda bağlayıcı kuvvet, ortak kullanılan elektronların her iki atomun çekirdeği tarafından çekilme kuvvetleridir. Su (H 2 O) molekülü simetrik değildir. Oksijen atomu çok elektronegatif olduğundan hidrojen atomunun elektronlarını üzerine çeker. İki hidrojen çekirdeğinin üzerinde kalan pozitif yükler karşılıklı itme oluşturur. Bu durum hidrojen atomları arasındaki açının büyümesine yol açar. Su molekülünü oluşturan atomlar arasındaki bağ arasındaki açı dır. Ve aynı zamanda polardır. Polar oluşunun nedeni ise bu elektronların tercihen oksijenin etrafında yoğunlaşmasından ileri gelir. Böylece su molekülünde, pozitif yüklerin ağırlık merkezi ile negatif yüklerin ağırlık merkezi çakışmaz. Bunun sonucu olarak su molekülü yüksek dielektrik momentine sahip kalıcı bir dipolden (çift kutup) tan ibarettir. Suyun iyi bir çözücü olma nedeni işte bu polar karakteridir. Su molekülleri arasındaki çekim kuvvetleri ve suyun az da olsa iyonlaşmaya olan eğilimi biyomoleküllerin yapı ve görevlerinin oluşmasında başlıca öneme sahiptir. Biyomoleküllerin tanınma özgüllüğünden ve gücünden sorumlu olan nonkovalent etkileşimlere, suyun çözücü özelliği yön verir (Emrumiye A., 2007 ) Su Molekülünün Hidrojen Bağı Oksijen atomu, hidrojenden daha büyük olduğundan hidrojen elektronlarına yaptığı çekim etkisi daha büyüktür. Böylece elektronlar, daha büyük olan oksijen atomunun yapısına yakın, hidrojen atomundan uzakta olacak şekilde çekilmektedirler. Sonuçta, suyun oksijen tarafında eksi yüklü iki bölge ile hidrojen 32

48 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ tarafında artı yüklü iki bölge oluşur. Birden fazla su molekülü bir araya geldiğinde, artı ve eksi yükler birbirini çekerek; "hidrojen bağı" denen çok özel bir bağ oluştururlar. Hidrojen bağı çok zayıf bir bağdır ve ömrü aklımızın alamayacağı kadar kısadır. Bir hidrojen bağının ömrü, yaklaşık olarak, bir saniyenin yüz milyarda biri kadardır. Ancak çok büyük sayılarda oldukları zaman, bulundukları bileşiğin özellikleri üzerinde çok önemli bir etkiye sahip olurlar. Yapısal durumu ile su, çok değişik katı maddeleri çözebilmekte ve biyolojik çözücü olarak görev yapmaktadır. Bağlardan biri kırıldığında hemen bir diğer bağ oluşur. Bireysel moleküllerdeki bağ değişse de, tüm sistemde hidrojen bağı miktarı sabit kalır. Böylece su molekülleri, birbirlerine yapışırken, diğer taraftan, zayıf bir bağla birbirlerine bağlandıklarından, akışkan olurlar. Bu bağlar, tam da gereken miktarda yapışkanlığa sahiptirler. Bağlar, daha da zayıf olsaydı su molekülleri parçalanır ve işe yaramaz hale gelirdi. Olduğundan güçlü olsalardı, su yeterince akışkan olamazdı (Emrumiye A., 2007). Eğer su ısıtılırsa moleküllerin ısı enerjisi artar. Böylece moleküllerin hareketleri de artar. Bu durum hidrojen bağlarının oluşmasından daha çok, hidrojen bağlarının kırılması ile sonuçlanır. Su buharında hidrojen bağları yoktur. Buna karşılık su molekülleri bağımsız birimler halindedir. Su molekülleri arasındaki ortalama uzaklık sıcaklıktan etkilenebilir. Sıcaklıktaki artışla, su moleküllerinin kinetik enerjileri de artar ve daha hızlı hareket ederler. Hem sıcaklık, hem de molekül hareketlerindeki artış, suyun yoğunluğunu etkilemektedir. Hidrojen bağlarının, suya kattığı bir başka özellik de, suyun sıcaklık değişimlerine direnç göstermesidir. Havanın sıcaklığı aniden artsa bile suyun sıcaklığı yavaş yavaş artar. Aynı şekilde havanın sıcaklığı, aniden düşse bile, suyun sıcaklığı yavaş yavaş düşer. Suyun sıcaklığının önemli miktarda artması için, çok büyük ısı enerjisine ihtiyaç vardır. Suyun ısınması için, gerekli olan ısı enerjisinin, bu derece yüksek olması, canlı hayatında önemli rol oynar. Örneğin, vücudumuzda çok büyük oranda su vardır. Su, eğer havadaki ani sıcaklık iniş ve çıkışlarıyla orantılı değişseydi; aniden ateşimiz çıkardı veya aniden donardık (Wernet et al 2004). Hidrojen bağlarının suya kazandırdığı bir diğer olağanüstü özellik ise suyun, sıvı halinde iken katı haline göre daha yoğun olmasıdır. Oysaki yeryüzündeki maddelerin çoğunun katı hali, sıvı haline oranla daha yoğundur. Ancak su, diğer 33

49 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ maddelerin tersine, donarken genleşir. Bunun sebebi ise hidrojen bağlarının su moleküllerinin birbirlerine sıkı şekilde bağlanmasını engellemesi ve arada kalan boşluklardır. Su sıvı halinde iken, hidrojen bağları kırıldığında bu durum buzun sudan daha hafif olmasını da beraberinde getirir. Normalde herhangi bir metali eritip, içine aynı metalden birkaç katı parça atsanız, bu parçalar hemen dibe çöker. Ancak durum suda farklıdır. Tonlarca ağırlıktaki buz dağları, suyun üzerinde gemi misali yüzmektedirler. Havalar çok soğuduğunda ırmaktaki suyun tamamı değil, sadece üzeri donar. Deniz seviyesinde su, +4 C de en ağır haldedir ve bu dereceye ulaşan su hemen dibe çöker. 0 C ile +4 C arasındaki su, daha sıcak sudan hafiftir ve bu yüzdende yüzeyde kalır. Suyun üzerinde, 'katman halinde buz' oluşur. Bu katmanın altında su akmaya devam eder. +4 C, canlıların yaşayabileceği bir sıcaklık olduğu için sudaki canlılar bu sayede hayatlarını sürdürürler (Wernet, et al.2004) Suyun Fiziksel Özellikleri Su, bütün sıvılar içinde, doğada en çok bulunan maddedir. Su, çok yaygın bulunması nedeni ile adeta değersiz olarak düşünülür. Oysaki su, benzer molekül yapısı ve ağırlığına sahip bileşiklerden özellikleriyle ayrılmakta ve öne çıkmaktadır. Hidrojenin bir oksidi olan ve H 2 O formülü ile gösterilen suyun katı, sıvı ve gaz olmak üzere üç faz hali vardır. 1 atmosfer basınçta ve 0 C nin altında katı (buz), 0 C ile 100 C arasında sıvı, 100 C' nin üzerinde buhar halindedir. Buzun 0 C' de iken sıvı haline dönüşmesi için hidrojen bağlarının kırılması gerekir ve bu nedenle enerjiye gerek vardır. Buz sıvıya dönüşünceye kadar sıcaklıkta değişme olmaz. Suyun kaynama sıcaklığı, hava basıncına bağlı olarak değişir. Hava basıncı düştükçe suyun kaynama sıcaklığı da düşer. Yükseklere çıktıkça hava basıncı düştüğü için buralarda su, 100 C 'den daha düşük sıcaklıklarda kaynamaya başlar. Su kaynadıktan sonra sıcaklığı artmaz. Hidrojen bağlarının uzunluğu nedeni ile suyun donma ve kaynama noktaları, benzer bileşiklerden daha yüksektir Bir su kütlesinin içindeki bir su molekülü, her yönden komşu moleküllerden gelen ve birbirlerini karşılayan, aynı büyüklükte, çekim kuvvetlerinin (hidrojen bağları) etkisi altındadır. Su yüzeyindeki bir molekül ise, içeriye doğru tek yanlı bir kuvvet tarafından 34

50 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ etkilenir. Böylece yüzey molekülleri aşağıya doğru, bir lastik zarın yaptığı gibi, çekim kuvveti uygularlar. Bu suretle, gergin bir yüzey oluşur. Buna suyun yüzey gerilimi denir. Tüm bunlar su moleküllerinin birbirine tutunma özelliği (kohezyon) sayesinde olur. Su, izotermik olarak 46 derecede minimum sıkıştırılabilirliğe, yüksek dielektrik sabite çok sayıda kristalli polymorf a, artan dış basınçla artan bir akışkanlığa, benzeri çözücülerle kıyaslandığında anormal yüksek erime kaynama ve kritik sıcaklıklara sahiptir (Emrumiye A., 2007) Suyun İçindeki Maddeler ve Optik Özellikleri Doğal yolla meydana gelen suyun içinde bulunan birçok bileşen ışıkla etkileşime girer. Birincisi ve en önemlisi suyun kendisidir, suyun en saf hali bile kompleks bir soğurma spektrumu gösterir ve kırılma indisinden dolayı ışığın önemli bir miktarı dağılır. Çeşitli tuzların yanı sıra denizin içinde olan tuz uzak ultraviole (UV) bölgesinde ekstra bir soğrulmaya neden olacaktır ve kırılma indisindeki değişmelere ek olarak değişen küçük miktarda tuz yoğunluğu ışık saçılmasının artıracaktır. Doğal suyun ikinci en önemli optik özelliği ise, suyun içine karışmış sarı maddeler olarak bilinen çözülmemiş organik maddelerdir. Bunlara aynı zamanda Almanca olarak tercih edilen Gelbstoff da denir. Bunun sarı adı güneş ışığının içindeki UV ve biyolojik kalıntılardan oluşmuş olan kompleks organik bileşenlerin mavi bölgedeki güçlü soğurmasından gelmektedir. Bu sarı madde, yaşayan değişik organizmaların parçalanması ve metabolizmasından ortaya çıkıyor. Bunların bazıları nehirler ve su yüzeylerinin okyanusa taşımasıyla karadan okyanusa süzülür. Bazıları ise bakteri virüs ve planktanlorın parçalanmasıyla oluşur ve okyanusa açılan biyolojik aktivitenin direk olarak yan ürünüdür. Bu maddelerin konsantrasyonu okyanusun içinde değişiklik gösterir. Okyanusun en saf halinde neredeyse ihmal edilecek kadar varken sahillere doğru geldikçe önemli miktarda artış gösterir ve okyanusun ortasında suyun rengini maviden yeşile değiştirir. Bunun varlığı okyanusun derinliğinde görünür bölge spektrumunu kontrol eden birinci faktördür. Bütün doğal su kütlelerinde büyük miktarda asılı parçacıklar vardır. Bunlar hem plankton gibi hem de kayalardan parçalanan kuartz, slika, silt ve kum gibi 35

51 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ parçacıkları içerir. Bunlar suyun içinde ışık saçılmasını domine eden en önemli parçacıklardır. Bunların doğal suyun içinde oluşan ışık saçılmasına toplam katkısı kırılma indisindeki değişiklikten dolayı, Einstein-Smoluchowki olarak bilinen diğer terimden çok daha fazladır. Böylece standart elektromanyetik teori kurallarını kullanılarak onların saçılma özellikleri çalışılabilir. Bunların şekli yaklaşık olarak, kutupları yassılaşmış ve yayık kürelere benzetiliyor. Bu parçacıkların neredeyse hepsi ışığın saçılma problemlerini basitleştirmede düşükte olsa bir ilişkiye sahiptirler. Suyun infrared ve görünür bölge soğurma spektrumu su moleküllerinin içindeki hidrojen çekirdeklerinin dönmesi ve titremesi tarafından açıklanmaktadır. UV spektrumu tek bir molekülün elektronik enerji düzeyleri arasında hem bir geçiş hem de başka bir su molekülü ile çarpışarak etkileşim genişletmektedir (Morel et al., 2007). Hidrojen atomlarının aynı anda oksijen atomunda doğru yaklaşıp uzaklaşması modeline simetrik gerilme modu diyoruz. Hidrojen atomunun bir oksijen atomuna doğru ilerlerken, diğeri uzaklaşıyorsa buna asimetrik gerilme modu diyoruz. Her iki hidrojen atomu birbirlerine doğru yaklaşıp, uzaklaşırken oksijen çekirdeğiyle arasındaki mesafeyi koruyorsa buna makas modu diyoruz. Makas modu diğer modlara göre daha az enerji tüketimi yapmaktadır. Her bir atomun çekirdeği diğer molekülün çekirdekleriyle birbirlerine girdiğinden molekül içindeki atomik çekirdeklerin titreşim hareketi oluşturur(morel et al., 2007) Deniz Suyunun Optik Özellikleri Deniz suyun optik özellikleri ikiye ayrılır. Birincisi denizin doğasında var olan optik özellikleri, ikincisi çevrenin(denizin içinde sudan başka bulunan diğer parçacıklar) görünen optik özellikleri diye sınıflandırılır. Suyun doğasında var olan optik özellikler, direk olarak çevrenin saçılma ve soğurma özelliklerini doğru bir şekilde belirtir ve çevrenin elektromanyetik özellikleri ve suyun içinde bulun asılı ve çözülmemiş materyallere bağlıdırlar. Bu özellikler okyanusun sularına doğru yüksek çözünürlükte geçirgenliği hesaplarken pratik olarak önemli parçacıklardır. Parlaklık 36

52 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ için incelme katsayısı olan K d okyanusun içine direk olarak giren ışının enerjisini ölçülmesini sağlamaktadır. Dalga boyuna ve derinliğe bağlı olarak ışık enerjisi E(λ,z) = E(λ,O-) exp[-k( λ ) z] (4.5) eşitliğine göre verilir. Burada E( λ,z),z derinliğindeki spektral parlaklık, E(λ,O-) ise yüzeyin hemen altındaki parlaklık, K( λ ) ise okyanusun doğal olarak var olan optik özellikleriyle doğrudan ilişkisi olan okyanusun optik özellikleri çözmek için gerekli olan katsayıdır. Deneysel ve teorik çalışmalar doğal suyun iç optik özellikleri ile incelme katsayısı arasında bir ilişki olduğu belirtilmiştir. Mesala Preisendorfer aşağıdaki eşitlikleri elde etti. c K+ b f >K=D. a+ b b >a+ b b >a (4.6) burada c=a+b, c ışığın toplam incelme katsayısı a, soğurma katsayısı, b=b f +b b (4.7) toplam saçılma katsayısıdır b f ileriye doğru saçılan ışığın saçılma katsayısı, b b ise geriye doğru saçılan ışın saçılma katsayısıdır. D ise dağılım fonksiyonudur. Bütün katsayılar dalga fonksiyonudur. İncelme katsayısı; c = c w + b p + a p + a y (4.8) şeklinde yazılabilir. Burada, c w, saf su için incelme katsayısı, b p ; parçacıklar için ışığın saçılma katsayısı a p ; ise parçacıların ışığı soğurma katsayıları, a y ; ise sarı maddeler yani çözülmemiş organik parçacıkların ışığı soğurma katsayılarıdır. Optiksel olarak saf su için asılı ve 37

53 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ çözülmemiş parçacıklar yok sayılacağı için çevrenin saçılma katsayısı şu şekilde tanımlanıyor. Böylece, (b p = a p = a y =0) dır. Ve c w ; c w = a w +b m (4.9) eşitliği seklinde verilmiştir. Burada, a w ; saf suyun soğurma katsayısı, b m ; ise saf su için moleküler saçılma katsayısıdır. Yukarıdaki bağlantılardan, K w fw a w + 1/2b m fw (4.10) eşitliği elde edilir. Burada K w fw ; en temiz doğal tatlı suyun incelme katsayısı, 1/2b m fw ise tatlı su içinde moleküler saçılma (Rayleight) için geri saçılma katsayısıdır. Böylece eşitlik 10 a göre laboratuvar ortamında saf su için ölçülmüş olan saf suyun doğal optik özelliklerinin değerleri temel alınarak doğal tatlı suyun içinde karşılaması beklenebilen en düşük değeri temsil ediyor. Eğer tatlı suyun ve tuzlu suyun soğurma katsayılarının aynı olduğunu farz edersek deniz suyu için incelme katsayısı minumum bir değere sahip olmasını beklenir. O halde 4.10 eşitliği, K min sw =, a w + 1/2b min sw (4.11) şeklinde yazılabilir. Eğer deniz suyunun içindeki tuz UV bölgesinde düşük miktarda soğurma yaparsa, yavaş yavaş daha kısa dalga boylarında artarak eşitsizliği daha güçlü hale getirir. Bu eşitlikte biraz daha düzeltme yapılırsa en temiz okyanus suları için toplam geri saçılma katsayısı şu şekilde yazılabilir. B.b = B. b sw m +B. b p ( λ 0 ). λ λ 0 n (4.12) 38

54 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ Burada B= b p / b geri saçılma fonksiyonudur. n ise parçacıkların saçılmasına bağlı dalga fonksiyonu ifade eden kuvvettir. Sargasso, deniz için b p (515) 0,0023/m ve B olarak alınırsa, 4.11 eşitliği, K min = a w + 1/2b min sw λ 515 n olur. (4.13) şeklinde yazılabilir. Bu eşitlik ters çevrilip tekrardan yazılırsa, a w K w - 1/2b m (4.14) elde edilir. Böylece çok temiz okyanus suları için verilen K w için a maximum değerleri şu şekilde olduğu tahmin edilir. a max = Kw +1/2b m (4.15) veya (K w -Bb) olarak elde edilir (Raymond et al. 1981). 39

55 4. IŞIĞIN VE SUYUN YAPISI Ayhan ATIZ 40

56 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ 5. GÜNEŞ HAVUZLARI 5.1. Güneş Havuzlarının Yapısı Güneş enerjisinin depolanması bakımından uygun olan sistemlerden biride güneş havuzlarıdır. Güneş havuzlarının yapım teknolojileri basit, maliyetleri düşük, gün boyu güneş enerjisi toplama ve depolama özelliğine sahip sistemlerdir. Güneş havuzlarında kullanılan malzemeler her zaman doğadan bol ve ucuz olarak elde edilir. Bu nedenden dolayı havuz maliyeti oldukça düşüktür (Kayalı, 1992). Güneş havuzları yaklaşık 5-6 metre derinliğe sahip sistemlerden meydana gelmişlerdir. Bu sistemlerdeki siyah renkli zemin, güneş ışınımını daha fazla yakalayarak 90 C sıcaklıkta sıcak su elde edilmesinde kullanılırlar. Ayrıca havuzdaki ısının dağılımı suya eklenen tuz ile sağlanır ve sürekli olarak tuz yoğunluğu kontrol edilir. Tuz yoğunluğu, en üstten alta doğru giderek artar ve böylece en üstte soğuk su bulunsa bile havuzun alt kısmında doymuş tuz konsantrasyonu bulunduğu için bu bölgede sıcaklık daima yüksek olur. Güneş havuzlarında, NaCl, MgCl 2, NaHCO 2, Na 2 CO 3, Na 2 SO 4 gibi tuzlardan yararlanılır. Ancak, bu tuzlardan NaCl ve MgCl 2 ün çözünebilirliği sıcaklıkla fazla değişmediği için güneş havuzlarında kullanılmaları daha uygunlardır (Demirdöver, 1995). Güneş havuzları, güneş ışınlarının yaklaşık olarak %20-30 unu toplarlar ve bu enerjiyi uzun süre depolarlar. Faydalı ısı çekilebilme özelliğe sahip sistemlerdir. Bu da güneş havuzlarının önemini ve kullanım kolaylığını arttıran başlıca sebeplerdendir (Tabor,1981). Güneş havuzları 2-3 m derinliğinde olup en üstte tatlı su aşağıya doğru ise artan yoğunluklarda tuzlu su içeren havuzlardır. Yüzeyine gelen güneş ışınlarının küçük bir kesri yüzeyden yansır, geri kalan kısmı havuzun 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. Tuz gradyentli bir güneş havuzu üst konvektif bölge (ÜKB), konvektif olmayan bölge veya yalıtım bölgesi, (YB) ve alt konvektif bölge veya depolama bölgesi, (AKB) olmak üzere üç bölgeden 41

57 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ oluşmaktadır. Havuzda oluşturulan tuz yoğunluk gradyenti, depolama bölgesi ile yüzey arasında taşınımla ısı geçişini önler ve böylece depolama bölgesinde kaynama noktasına yaklaşan sıcaklıklara ulaşılabilir. Güneş havuzlarının uzun süreli enerji depolama özellikleri olmasından dolayı, yaz aylarında depolanan enerjiyi kış aylarına kadar saklayabilme özellikleri vardır. Bu da güneş havuzlarının önemini ve kullanışlılığını artırır. Güneş havuzları gün boyu güneş enerjisi toplama ve depolama özelliğine sahip olan sistemlerdir. Güneş havuzlarında kullanılan malzemeler her zaman doğadan bol ve ucuz olarak elde edilebildiğinden havuzun maliyeti oldukça düşüktür ( Bezir Ç. ve ark, 2007) Gelen Güneş Enerjisi Bize en yakın olan güneş, 93 milyon km uzaklıkta çoğunlukla hidrojen, biraz helyum, çok az miktarda oksijen, azot, karbon, neon ve diğer elementleri içeren sıcak bir kütledir. Sıcaklık, güneşin merkezinde yaklaşık 12 milyon santigrat derecede, yüzeyinde ise yaklaşık K dır. Güneşin bu sıcaklıkta karacisim ışıması sonucu yaydığı elektromanyetik dalgalar, 1350 W/m 2 şiddetinde dünya atmosferinde ulaşır (Duffie ve Beckman,1962). Daha sonra, su buharı, toz ve çeşitli gazlardan oluşan atmosferden geçer. Bu geçiş sırasında güneş ışınları, ortamda bulunan su ve diğer madde molekülleri tarafından hem soğurulur hem de saçılmaya uğratılırlar. Bu iki olaydan soğurulma, güneş ışını şiddetini azalmasına neden olurken, saçılma da atmosfer dışında yalnız doğrusal ışın bileşeni olan güneş ışınının, bir kısmının yaygın ışın haline dönüşmesine neden olur. Onun için yeryüzüne ulaşan güneş ışını, yaygın ve doğrusal ışın bileşenlerinden oluşur. Gelen güneş ışınlarının, atmosferden geçerken yalnız şiddeti ve özelliği değişmekle kalmaz, bazı dalga boylarının yutulması sonucunda tayfsal dağılımı da değişir. Atmosferde toz ve su buharının artması veya havanın bulutlu olması güneş enerjisinin hem şiddetini hem de yaygın ve doğrusal ışın bileşenlerinin oranını değiştirir. Güneş havuzlarında, gelen ışınımın doğrusal veya yaygın olması, havuzun performansını pek etkilemez. Güneş havuzları için yalnız gelen enerjinin miktarı önemlidir. 42

58 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ Güneş Havuzunun Optik Özellikleri Bu bölümde güneş havuzu fiziği hakkında bilgi verilecektir. Güneş havuzunun enerji kaynağı güneştir. Bu nedenle ilk olarak güneşin hareketi konusunda bilgi sunulacaktır. Daha sonra güneş ışınlarının güneş havuzuna kadar olan yolculuğu anlatılacaktır Güneş Işınının Doğrultusu Güneşten gelen ışın ile yüzeyin normali arasındaki açı θg geliş açısıdır. Yatay düzlem için geliş açısı Zenith açısına (θz) eşittir (Duffie ve Beckmann, 1980). Geliş açısını aşağıdaki gibi yazabiliriz; Cosθ = [ Sin( δ ) Sin( φ) Cos( ϕ) Sin( δ ) Cos( φ) Sin( ϕ) Cos( γ)) g d d + Cos( δ ) Cos( φ) Cos( ϕ) Cos( w ) + Cos( δ ) Sin( φ) Sin( ϕ) Cos( γ) Cos( w) d s d s + Cos( δ ) Sin( ϕ) Sin( γ) Sin( w)] d s (5.1) bu eşitlikte; δ d, eğiklik açısı (denklinasyon); φ, enlem açısı; φ, dikkate alınan yüzeyin yatay düzlemle yaptığı eğim açısı; γ, yüzeyin azimut açısıdır, yerel boylamdan yüzey normalinin sapmasıdır ve güneye bakan yüzey için sıfırdır. Doğu için pozitif, batı için negatif değerler alır. w s, güneş saat açısı ve θ z, Zenith açısıdır (gelen ışının yatay düzlemin normali ile yaptığı açıdır). Yatay yüzey için φ=0 olduğundan güneşin geliş açısı Zenith açısına eşit olur ve geliş açısı aşağıdaki gibi daha basit şekilde yazılabilir; θ = θ = Cos -1 [ Cos( δ ) Cos( φ) Cos( w ) + Sin( δ ) Sin( φ)] (5.2) g z d s d Burada φ ( 90 < φ < +90), güneş yükseklik açısının bulunacağı bölgenin enlem derecesidir. Kuzey Yarım Küre için (+), Güney Yarım Küre için ( ) dir. Adana, Çukurova Üniversitesi, UZAYMER için doğu boylamı ve

59 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ kuzey enlemleri kullanılmıştır. w s saat açısı, güneş tam tepede iken (saat de) sıfırdır ve sabah (+), öğleden sonra ise ( ) değerdedir. Boylamın her 15 derecesi bir saate eşit olduğuna göre, saat için +15 iken saat için -15 değerindedir. Denklinasyon açısı aylara ve mevsimlere göre, güneş ışınlarının dünyaya geliş açılarıdır. Bu açının en büyük değeri yaz ve kış gündönümlerinde, ±23.45 dir. Bu açının oluşumundan dolayı güneş ışınları kış gündönümünde en düşük değeri 21 Aralık ta güney enlemine, yaz gündönümünde de 21 Haziran da kuzey enlemine diktir. Dünyanın, kendi çevresinde ve güneşin çevresinde dönüşü sırasında oluşan bu açıya Denklinasyon açısı denir. Denklinasyon açısının yaklaşık değeri Cooper eşitliği ile bulunabilir. δ d n = 23.45sin (5.3) Burada, n, yılın herhangi bir günüdür ve 1 n 365 dir (Duffie ve Beckman,1980). 44

60 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ Güneş Enerjisinin Havuz Yüzeyine Gelişi ve Havuz İçinde İzlediği Yol Şekil 5.1 Işığın güneş havuzunda izlediği yol Duffie ve Beckman (1980), atmosfer dışındaki yatay bir yüzeye gelen güneş enerjisini aşağıdaki gibi yazmıştır; n Gsc = G gs cos (5.4) Burada G gs, (güneş sabiti) güneş yüzeyinden yayılarak dünya atmosferine kadar ulaşabilen enerji (1353 W/m 2 ); n, yılın günleridir. Atmosfer dışı yatay yüzeye gelen ışınım miktarı J/m 2 cinsinden; 45

61 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ n I0 = Ggs / π cos 360 [ Cos( ) Cos( d) Sin( ws) 365 φ δ + (2 πw /360)( w - w) Sin( φ) Sin( δ )] s 2 1 d (5.5) Aynı yüzeye gelen güneş enerjisinin saatlik ortalama değerleri ise, n H0= Ggs / π cos 360 [ Cos() φ Cos( δd) Sin( w2 w1) (2 πw /360)( w - wsin ) () φ Sin( δ )] s 2 1 d (5.6) Burada, w 2 ve w 1 günün saatlerini; n, yılın günlerini ve w s, günlük saat açısını ifade eder (Duffie-Beckman, 1980). Güneş havuzunun yüzeyine ulaşan güneş ışınının havuz içerisinde izleyeceği yol Şekil 5.1 de gösterilmiştir. Gelen güneş ışının bir miktarı havuzun yüzeyi tarafından yansıtılır kalanı havuzun üst konvektif bölgesinden (ÜKB) yalıtım bölgesine (YB) iletilir. Bir miktarı ÜKB tarafından soğurulur. Yalıtım bölgesine ulaşan güneş ışının büyük bir kısmı depolama bölgesine (DB) iletilir. Bir miktarı YB tarafından soğurulur çok az bir miktarı ise YB den ÜKB ye yansıtılır. Güneş havuzunun yüzeyine gelen güneş enerjisinin büyük bir kısmı DB ne ulaşır ve burada soğurularak depolanır. Çok az miktarı havuzun tabanı tarafından yansıtılır Güneş Enerjisinin Tuzlu Suda Soğurulması Güneş havuzlarında bulunan tuz molekülleri ve su molekülleri gelen güneş enerjisinin soğurulan kısmına göre çok az miktarının saçılmasına neden olur. Güneş havuzunun kirli olması havuzun performansını etkiler. Güneş ışınının derinliğe ve kirliliğe bağlı olarak su içerisinde nasıl soğurulduğu önemlidir. Dalga boyu λ olan bir ışın demeti, dalga boyuna ve aldığı yola bağlı olarak soğurulur. Buna göre ışının x derinliğindeki şiddeti; 46

62 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ I = I 0 exp( x) (5.7) λ µ λ İfadesi ile verilir. Burada, I λ ; (x), λ dalga boylu ışık demetinin x derinliğindeki şiddetini x, ışığın su içinde düşey doğrultuda aldığı yolu, I 0 i ; demetin havuz yüzeyinden suya giren kısmın enerjisidir. Ve µ λ = 1/δ λ, λ dalga boylu ışının soğurulma katsayısıdır. δ λ, λ dalga boylu gelen ışının karakteristik soğurulma derinliğini verir. Bu ifadeyi (5.7) eşitliğinde yerine yazarız. Bu eşitlik kullanılarak her dalga boyu için soğrulma enerjisi hesabı yapılabilir. Fakat bu oldukça zaman alır ve pratikte uygulaması zordur. Onun için, güneş enerjisi tayfının n parçaya bölündüğü varsayılırsa bu eşitlik; n n I i = I 0i exp( µ i x) = 1 i= 1 (5.8) i şeklinde genelleştirilebilir. Elde edilen bu son eşitliğin, ilk enerjiye I 0 a bölünmesiyle soğrulma oranını veren h(x) fonksiyonu elde edilir. h( x) n I 0 i exp( µ i x) i= 1 = n i= 1 I 0i (5.9) şeklinde elde edilir. Eşitlik 5.9 da i inci ışın demetinin toplam enerjiye göre oranını gösteren n I i= 1 0i I 0i yerine, η i koyarsak, h(x) fonksiyonu, (5.10) 47

63 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ n h( x) = η i exp( µ i x) i= 1 (5.11) şeklinde elde edilir. Yukarıdaki soğrulma fonksiyonla uyum içinde olan birçok çalışma yapılmıştır. Rabl ve Nielsen 1975 te soğrulma fonksiyonu şu şekilde tanımladılar h (x) = In( x) (5.12) Daha sonra Bryant ve Colberk 1977 de soğrulma fonksiyonunu h( x) = In( x) (5.13) şeklinde bulmuşlardır. Bunlardan başka Hull 1980 de deneysel değerlere daha iyi sağlayan bir fonksiyon geliştirmiştir. h( x) = In(100x) (5.14) Yalnız daha önceki çalışmalar x in değeri cm alınırken burada metre alınmaktadır. Hull bu fonksiyonu, güneş enerjisi tayfını 40 eşit parçaya bölerek elde etti. Buradaki değerler evrensel sabitler değillerdir. Tamamen suyun kirliliğine bağlıdır ve sadece temiz sular için geçerlidir. Tsilingiris 1988 de yukarıdaki formülleri kullanarak tuz grandyentli güneş havuzu için soğrulma foksiyonunu güneş tayfını 19 parçaya bölerek formulü aşağıdaki gibi elde etmiştir. h( x) = In( x) (5.15) 48

64 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ Burada x; 5.5 x 0. 2 m aralığındadır. Daha sonra biz bu formüllerden hangisi bizim için uygunsa onu güneş havuzundaki hesaplamaları yapmak için kullanacağız Güneş Havuzlarında Güneşin Ortalama Konumunun Günlük Etkisi Rabl ve Nielsen (1975) temsili olarak seçilen güneşin ortalama yıllık konumu için gün dönümünü, öğleden sonra saat olarak belirlemişlerdir. Güneş radyasyonun yaklaşık yarısının sabah saat ile öğleden sonra saat arasını kapsadığı belirtilmiştir. Duffie ve Beckman (1980), tarafından yatay bir yüzey üzerine günde saatlik olarak gelen toplam radyasyon oranı Liu ve Jordan eğrilerinden verilmiştir. Güneşin günlük konumunun etkisi hesaplanmıştır ve günlük en düşük değerleri tahmin edilmiştir. Böylece, geçici davranışı günlük zaman basamakları biçiminde yapılmasına olanak veren güneş havuzu simülasyonları yapılabilmektedir. Bu simülasyonlarla, konuma bağlı gerçek radyasyon verilerinin saatlik olarak alınması gerektiği sonucuna varılmıştır (Reddy ve Arkadaşları 1986). Tüm bir gün boyunca havuz tabanında soğurulan güneş enerjisi, t 2 (, ) τ ( α, ) E Hτ α x I x = = et i i i= t1 (5.16) eşitliği ile verilebilir. Burada τ, havuz suyunun geçirgenliği; α i, güneş yüksekliğinin bir fonksiyonu ve x, havuzun düşey doğrultudaki derinliğidir. I i, i. saatte, saatlik olarak aylık ortalama veya günlük olarak ortalama aylık toplam güneş radyasyonudur. α et, günlük olarak ortalama aylık güneş radyasyon açısının etkisi, t 1 ve t 2 sırasıyla güneşin yükselme ve batış saatleridir. (5.16) eşitliğinin her iki tarafını H ile bölersek, et = ( ) τα (, x) r(i) τ α, x i (5.17) 49

65 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ (5.17) eşitliği elde edilir. Burada r(i) aşağıdaki eşitlik ile verilir; (5.18) I = H () i r i Bir güneş havuzunun geçirgenliği için ampirik birkaç ilişki bulunmaktadır. Bunların her birinin kapalı değerleri ispat edilmeden önce Bryant ve Colbect (1977) tarafından orijinal olarak basit bir ilişki önerilmiştir ve daha sonra Wang ve Akbarzadeh (1983) tarafından değiştirilmiştir. 90cosθy τα ( i, x) = 0.08(1 F)ln x (5.19) Burada, F, havuz yüzeyinden yansımanın Fresnel katsayısıdır; x, havuzun derinliği; θ y ise havuz suyu yüzeyinden olan yansıma açısıdır. Güneş zamanının bir yıllık etkisinin belirlenmesi, konumdan bağımsız olamaz ve yıl boyunca H ın değerinden bağımsız elde edilemez (Reddy ve Arkadaşları 1986). Havuz yüzeyine ulaşan güneş ışınlarının bir kısmı yansır, bir kısmı da suya girer. Hava-su yüzeyinden yansıyan ve içeri giren güneş enerjisi yüzdeleri, frensel denklemleri kullanılarak hesaplanabilir (Mantar, 2010). Yansıyan ve içeri giren ışın miktarı gelen ışının normalle yaptığı açıya göre değişir. Gelen güneş enerjisinin suya giren kısmının, gelen enerjiye oranını hesaplayalım. Eğer güneş havuzunun yüzeyi düz ya da sadece biraz pürüzlü ise yüzeyden içeri giren güneş enerjisinin fonksiyonu şu şeklidedir sin ( θ z θ k ) tan ( θ z θ k ) Τ= sin ( θ z + θ k ) tan ( θ z + θ k ) (5.20) Burada, T =1- F s ve x derinliğine bağlı olarak suya giren ışık enerjisi 50

66 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ I = I T exp( x) x s µ (5.21) fonksiyonu şeklinde verilir. Burada x, x = x δ θ (5.22) ( 1 - ) sec k eşitliği ile verilmektedir. Snell Yasasına göre θ k açısı, θ -1 k = sin (sin θz / nts) (5.23) Eşitliğine göre bulunur. Burada, I x, x derinliğindeki ışın; I s, yüzeye düşen ışının suya giren miktarı; F δ, yüzeyde soğurulan güneş enerjisi kesridir ve ortalama değeri yaklaşık olarak 0.4 dür. μ, etkin soğurma katsayısı; x, havuzdaki yol uzunluğu; δ, F δ faktörü ile verilen ve güneş radyasyonunun uzun dalga bölümünün soğurulduğu yüzey tabaka kalınlığıdır ve önerilen kalınlık yaklaşık olarak 0.06 m dir. θ y yatay bir yüzeyden yansıyan ışının yüzeyin normali ile yaptığı açısıdır. θ z ; yatay bir yüzeye gelen ışının yüzeyin normali ile yaptığı açıdır. n ts, tuzlu suyun kırılma indisidir (Hawlader ve Brinkworth, 1981). Suyun kırılma indisi n su =1.33 tür ve tuzlu su için aynı değer kabul edilebilir Background Teori Doğal suyun yüzeyinden giren güneş enerjisi, saf su, asılı parçacıklar ve çözülmemiş maddeler tarafından soğrulmaya ve saçılmaya uğratılarak ışık yoğunluğunu azaltırlar. Soğrulan enerji çoğunlukla ısıya dönüştürülmesine rağmen, küçük miktarda kimyasal enerji ve saçılmadan dolayı küçük parçacıklarda ve kaloidal çözeltilerde yansıma ve kırılmaya sebep olur. Işığın yönünün değişmesinin 51

67 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ sebebi budur. Işığın saçılmasının yoğunluğu s n λ oranına eşittir. Burada s cismin yoğunluğudur. Saçılmaya cismin büyüklüğü dalga boyundan küçükse n=4 değilse n<4 tür ( Rayleigh Saçılması). Suyun moleküllerinin Brownian hareketlerinden dolayı saf suyun içinde optik olarak saçılma oluşuyor, bu da çok küçük miktarda yoğunluğun değişmesine ve su içinde homojen olmayan bir optik değişimine neden oluyor. Böylece moleküler büyüklükteki alanı içinde düzenli olmayan ışık saçılmasına yol açıyor. Yukarıdaki etmenlerin her biri bağımsız bir şekilde ışık yoğunluğunun azalmasına katkıda bulunuyor. Ve çıkarılan katsayı güçlü bir şekilde dalga boyuna bağlıdır. Bütün etmenlerin katsayıları dahil edilerek elde edilen katsayı dalga boyuna bağlı olarak elde edilmiştir. E(λ) = k(λ) + ε (λ) + k w (λ) + ε w (λ) (5.24) ediyor. ε ve Burada k ve k w ; saf suyun ve asılı parçacıkların soğurma katsayısını temsil ε w ise saf suyun, asılı parçacıların ve çözülmemiş maddelerin saçılma katsayısını temsil ediyor. Buna ek olarak güneş havuzlarında, Usmanov ve ark. (1971), E(λ) nin yoğunluk ve derinliği de bağlı olduğunu belirmiştir. Böylece toplam radyasyon enerjisi için ortalama E katsayısının çıkarımını tanımlamak mümkün olabilir. Beer s kanunlarına göre belli bir derinlikteki radyasyonu şu şekilde tanımlamıştır. B ( λ, x) =B(λ,0 ) exp[-e(λ )x] (5.25) Burada, B(λ,0) yüzeyin hemen altındaki x=0 noktasındaki λ dalga boyundaki güneş enerjisi, x ise güneş enerjisi tam dik gelirkenki havuzun derinliği veya optik derinliğidir. B ( λ, x) ise x derinliğindeki geçen enerji, E( λ ) ise λ dalga boyunda saçılma ve soğurmayı da dahil ederek çıkarılmış katsayıdır. Havuzun x noktasında toplam enerji şu şeklide ifade ediliyor. 52

68 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ B(x)= B( λ, x) dλ 0 (5.26) B B(x)= ( λ,0) exp[ E( λ). x] dλ 0 (5.27) Eğer güneş enerjisi ışınları sınırlı bir dalga boyunda düşünüldüğü zaman genellikle ifade şu şekle dönüşüyor. λmax λmin [ E( λ). x] dλ B( λ, o)exp (5.28) Saf suyun içinde küçük yoğunlukta çözülmemiş tuz olmasına rağmen bunun geçirgenliği gözle görünür şekilde etkilemediği bilinmektedir. Fakat yüksek yoğunluktaki güneş havuzlarında özellikler havuzun dibine yakın bölgelerde yoğunluk ışığın geçirgenliğini etkilemektedir. Tek renkli dalga boyu için tuz yoğunluğu sıfırdan başlayarak lineer bir şekilde artan güneş havuzunun yüzeyinden x metre uzaklıkta dx kalınlığındaki tabaka için radrasyon şu şekildedir. db ( λ, x) = E( λ, x) B( λ, x) dx (5.29) 0 dan x e integralini alırsak, InB(λ,x)= x 0 E(λ, x). dx +C (5.30) 53

69 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ şeklinde elde edilir. Başlangıç koşullarında x=0 da B(λ,x)=B(λ,0) buradan sayısal sabit elde edilerek ifade şu şekle dönüşüyor. B(λ,x)=B(λ,0). exp x E(λ, x). dx 0 (5.31) x derinliğindeki belirlenen dalga boyları arasındaki enerji şu şekildedir. B(x)= x B( λ,0).exp E( λ, x). dx. dλ 0 λmax λmin (5.32) Eşitlik 5.31 ve 5.32 de x noktasındaki toplam enerjiyi tam olarak vermektedirler. B(λ,0), E(λ ) ve E( λ,x) fonksiyonları grafiksel olarak veya elde edilen verilerden integrali alınarak sayısal değerler şu şekilde elde edilebilir. Havuzun herhangi bir derinliğindeki geçmiş olan enerjiyi hesaplamak için sayısal hesaplamalardan kaçarak daha az komplike olan dalga boyunu n tane spektruma bölen λ 1, λ 2, λ 3,... λ n, λ n+ 1 yaklaşım tercih edilir. Her bir dalga boyundaki çıkarılan katsayının değerine göre, B(x)= N i= 1 B. e i Ei. x (5.33) Burada B = λi + 1 B( λ). dλ λ1 λi + 1 λ1 dλ (5.34) ve 54

70 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ E = λ i + 1 λ 1 E( λ). dλ λ i + 1 λ 1 dλ (5.35) Eğer toplam enerji güneş spektrumu için şu şekilde tanımlanır ise λ i + 1 = λ1 B B( λ). dλ (5.36) birim miktarda geçmiş olan enerjinin oranı şu şekilde tanımlanıyor. B( x) TR( x) = (5.37) B Eğer dalga boyu daha fazla spektruma bölünüp hesaplamalar yapılırsa sonuçlar daha fazla doğru olacaktır ( Tsilingiris, 1988) Güneş havuzunda hava-su yüzeyinden içeri giren güneş ışınları, gelem açısına, ışığın dalga boyuna, canlı organizmaların su içindeki dağılımına ve havuz içindeki toz-toprak gibi kirlilik miktarına, bağlı olarak değişik derinliklerde değişik oranlarda soğurulur. Canlı organizmaların ve diğer kirliliklerin çokluğu, havuzun performansını büyük ölçüde etkiler (Tabor, 1981). Güneş ışınları su içinde ilerlerken yalnız soğrulmakla kalmaz aynı zamanda ortamda bulunan parçacıklar tarafından saçılmaya uğratılırlar. Işığın saçılmaya uğrayan kısmının miktarı, soğurulandan daha azdır. Diğer taraftan, saçılan ışının birkaç metre aşağıda saçılma açısı, 3 0 ile 9 0 arasında değişmektedir (Rothmayer 1980) ve (Cengel ve Özışık 1984). Bu da hesapları etkileyecek kadar, büyük bir saçılma değildir. Güneş enerjisi havuzun üst kısmındaki su yüzeyine geldiğinde ışığın bir kısmı yansımaya uğrar ama ışığın çoğu havuzun içine doğru girer. Aynı zamanda ışığın bir 55

71 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ kısmı havuzun (ÜKB) ve YB tabakları tarafından soğrulur. Geriye kalan ışık, AKB bölgesine varır ve ısıya dönüştürülerek depo edilir. Güneş havuzlarının soğurma kapasitesi suyun tuz yoğunluğuyla birlikte değişime uğrar. Ancak bu olağandışı durum spektral analizler sonucu anlaşılabilir çünkü gelen ışın bir radyasyon yoğunluğu spektrumu dağılımına sahip olmasıdır. Diğer taraftan havuzun optik özellikleri örneğin soğurma, geçirgenlik ve saçılma gibi özellikleri gelen ışığın dalga boyuna bağlıdır. Bu yüzden havuzun termal performansı hem gelen ışığın spektral dağılımı hem de havuzun spektral özellikleri hesaba katılarak doğru bir şekilde hesaplanabilir. Depolama bölgesindeki toplam enerjinin artması için havuzun ÜKB ve DB kısmının mümkün olduğu kadar geçirgen olmalıdır. Çünkü hem gelen ışığın radyasyon yoğunluğu hem de tuzlu suyun soğurması dalga boyuna bağlıdır. Toplam geçirgenliği tam olarak hesaplamak için sırasıyla spektral yoğunluk (gelen ışığın yoğunluğu) ve soğurma katsayılarını belirtmek zorundayız. Güneşin spektrumu hava yoğunluğuyla değişirken, soğurma katsayısı spektrumu tuz yoğunluğuyla değişmektedir. Güneş radyasyon spektrumu ve güneşin yükseklik açısı ve soğurma katsayısı ve yoğunluk arasında bir bağlantı kurmak gereklidir. Lambart kanunlarına göre tek renkli dalga boyuna λ sahip bir ışın havuza farklı tabakalarına girdiğinde, soğurma katsayısı k λ ve radyasyonun değişimi di λ x arasındaki eşitlik şu şekilde veriliyor. di λ x = -k λ I λx dx (5.38) Bu eşitlik; x=0 sınır koşulunda, I λx = I λ0 ve x=l sınır koşulunda ise I λx = I λl eşittir. Soğurma katsayısı, k λ = I λl In I λ 0 L eğer soğurma katsayısı biliniyorsa spektral geçirgenlik (5.39) Τλ şu şekilde hesaplanabilir. 56

72 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ I λ Τ λ = L = exp( kλ L) I λ 0 (5.40) suyun x derinliğindeki bütün dalga boyu üzerinden integral alındığından toplam geçirgenlik şu şekilde hesaplanabilir. T x = Tλ x I λ0dλ 0 0 = 0 I λ0 dλ exp(k X)I I λ λ0 0 dλ λ0 dλ (5.41) Burada havuzun dikey derinliği olan x belirtilmek zorundadır. Aslında havuzun yüzeyine gelen ışık ışınların çoğunun dik gelmediği daha tercih edilen bir durumdur. Bu yüzden gelen ışık dik değilse geçirgenliği doğru olarak bulmak için bazı zor hesaplamalar yapmak gereklidir. Her farklı renkteki dalga boylu ışık için gelen ışık miktarı şu kilde ifade ediliyor. I 2 3 ( ξ A + η A M A M ) λ 0 ε λ exp λ M λ + ζ = ) (5.42) Bu eşitlikte ε λ, ξ, η ve λ λ ζ λ katsayıları her tek renkli dalga boyuyla ilişkisi olan katsayılardır. A M ise havanın yoğunluğu ya da hava kütlesidir. Ayrıca spektral soğurmayı yoğunluğa bağlı olarak şu şekilde ifade edilmiştir. kλ = α λ + β λ C + γ λ C 2 (5.43) Burada, C yoğunluk, α, β katsayılardır (Li XY et al. 2000). λ λ ve γ λ katsayıları tek renkli dalga boyuna bağlı 57

73 5. GÜNEŞ HAVUZLARI Ayhan ATIZ 58

74 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ 6. MATERYAL ve METOT 6.1. Materyal Bu bölümde yalıtımlı silindirik model bir güneş havuzundan haftalık olarak alınan numunelerin optik özelliklerinin hangi aletle yapıldığı ve bu özelliklerin nasıl belirlediğimiz açıklanacaktır. Aynı zamanda SMGH un yapısı, özellikleri, yalıtımı hakkında bilgiler verilecektir Yalıtımlı Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) Bu çalışmanın amacı, yalıtımlı silindirik model bir güneş havuzunun (SMGH) ısıl dağılım performansını araştırmaktır. SMGH, 160 cm çapında 200 cm yüksekliğinde olacak şekilde ve 5 mm kalınlığında çelik sacdan yapılmış olup yerden 130 cm yüksekliğinde çelik bir kaide üzerine yerleştirilmiştir. Çukurova Üniversitesi Uzay ve Güneş Enerjisi Araştırma ve Uygulama Merkezi (UZAYMER) de silindirik model bir güneş havuzu inşa edilmiştir. Havuzun gövdesini oluşturan iç ve dış kısımlarının paslanmaya karşı korunması için boyanmıştır. SMGH un taban ve yan duvarları 10 cm kalınlığında cam yünü ile yalıtılmıştır. Cam yününün yağmur, rüzgar gibi dış etkenlere karşı korumak için dış kısımları galvanizli sac ile kapatılmıştır SMGH un Isısal Yalıtımı Güneş havuzları güneş enerjisini toplayan ve ısı enerjisi olarak depolayan sistemlerdir. Depolanan ısının uzun süre saklanması ve ısı kayıplarının önlenmesi için çeşitli yalıtım önlemlerinin alınması gerekir. Bunların başında da havuzun iç ve dış kısımlarının yalıtılması gelir. İç kısmın iyi bir yalıtım görevi yapması için tuz gradyentinin oluşturulması ve korunması, dış yüzeylerin uygun bir kalınlıkta ve iyi bir yalıtım malzemesi ile kaplanması gerekmektedir. Bu çalışmada, SMGH un iç kısımları eşit kalınlıklarda fakat farklı yoğunluklarda 10 farklı tabakadan olacak 59

75 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ şekilde konveksiyonsuz bir bölgeden oluşturulmuştur. Dış kısımları ise maliyeti düşük ve iyi bir yalıtım malzemesi olan cam yünü yalıtılmıştır Tuz Gradyentli Güneş Havuzunun İç Yapısı Güneş havuzları, güneş enerjisini ısı enerjisi biçiminde depolama bölgesi denilen yüksek yoğunluklu tuzlu su içinde depolayan basit ve düşük maliyetli sistemlerdir (Angeli ve Leonardi, 2004). Güneş havuzları genellikle 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 ara konveksiyonsuz bölge olarak adlandırılır. YB deki tuzlu su yükselemez çünkü onun hemen üzerindeki tuzlu su tabakası daha az yoğunluğa sahiptir. Aynı şekilde aşağıya da inemez çünkü hemen altında daha fazla yoğunluklu tuzlu su vardır. 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 nin üzerinde bulunan tatlı sudan oluşan bölge ise üst konveksiyonlu bölge (ÜKB) olarak adlandırılır SMGH da Kullanılan Isı Yalıtım Malzemesi Yapı endüstrisinde yalıtım malzemeleri sıkça kullanılan bir üründür. Isı yalıtım malzemelerinin en temel özelliği ısı iletim katsayılarının düşük olmasıdır. Aşağıda binalarda kullanılan ısı yalıtım malzemeleri verilmiştir. Isı yalıtım malzemelerinde uygulamaya göre aranması gereken özellikler; Isı İletim Katsayısı (W/mK) Yoğunluk (kg/m 3 ) Yangın Sınıfı (DIN 4102, BS476) Sıcaklık Dayanımı (ºC) 60

76 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ Mekanik Dayanım (kpa) Buhar Difüzyon Direnci Su Emme Boyutsal Kararlılık SMGH da kullanıla ısı yalıtım malzemesi olarak cam yünü seçilmiştir. Bu madde, inorganik hammadde olan silis kumunun 1200ºC 1250ºC de eritilerek elyaf haline getirilmesi sonucu oluşan ısı yalıtım malzemesidir. Şilte ve levha halinde kullanılabilir. Her türlü ahşap oturtma çatıda, metal çatılarda, sandviç çatılarda, tavuk çiftliklerinde, hayvan barınaklarında ve güneş enerjisi toplayıcı sistemlerinde ısı yalıtımı amacıyla kullanılır ( Cam Yününün Teknik Özellikleri: Isı iletkenlik beyan değeri λ W/mºK dır. Su buharı difüzyon direnç faktörü µ = 1 dır. Kullanım sıcaklığı -50/+250 ºC aralığındadır. Bağlayıcısız cam yünü ürünler 500 C ye kadar kullanılabilmektedir. Ayrıca 200/+400 ºC aralığında kullanılan özel cam yünü ürünler de üretilebilmektedir. Alman Normu olan DIN 4102 ye ve Türk Standardı TS EN e göre yanmaz malzemeler olan A sınıfındandır SMGH nın İç Bölgeleri 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 61

77 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ bulunan tatlı sudan oluşan bölge ise üst konvektif bölge (ÜKB) olarak adlandırılır. Depolama bölgesi havuzun tabanından 80 cm yüksekliğine kadar yoğunluğu yaklaşık 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 6.1 de gösterilmiştir. Şekil 6.1. 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 62

78 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ bölgelerini oluşturmak için önceden belirlenen yoğunlarda tuz çözeltileri hazırlanır. Şekil 6.1 de 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 Tuzlu Su Örneklerin Alındığı Tabakalar 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. 63

79 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ Bu çalışmada kullanılan sistemde Şekil 5.2 de görüldüğü gibi, et kalınlığı 8 mm, iç çapı 30 cm ve yüksekliği 120 cm olan silindirik plastik (PVC) kaplar kullanılmıştır. Silindirik kabın tabanından bir kaç cm yukarıya tuz tanelerinin havuza erimeden akmaması için üzerinde 2 mm çapında çok sayıda delikler bulunan bir elek sistemi yerleştirilmiştir (İskender, 2010). Şekil 6.2. Tuz yoğunlunu ölçme sistemi 5.2. Metot Bu bölümde, materyal bölümünde tanıtılan sistemlerin nasıl çalıştığı, çalışma prensipleri ve alınan verilerin nasıl değerlendirildiği anlatılacaktır. Spektrometreler malzemelerin ışık geçirgenlik, soğurma ve yansıması gibi optik özelliklerini ölçmeye yarar. Başlıca kullanım alanı ince filmler fotovoltaik hücrelerin karakterizasyonu belirlemektedir. Ayrıca yüksek sıcaklıktaki yakıt pilleri malzemelerinin radyasyon özelliklerinin ölçülmesi için de kullanılabilir. 64

80 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ Şekil 6.3. Spektrometrenin önden görünümü Şekil 6.4. Spektrometrenin çalışır görünümündeki hali 65

81 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ Şekil 6.5. Havuzdan alınan numuneler ve spektrometre Şekil 6.6. Numunelerin içine konulduğu küçük plastik kaplar. Şekil 6.7. Havuzdan alınan numunelerin plastik kaplara konularak optik özelliklerini belirlenmesi için numunenin spektrometre içine konulduğu düzeneğin görünümü. 66

82 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ Şekil 6.8. Spektrometrenin nasıl çalıştığını gösteren şematik yapı. Şekil 6.9. Bilgisayarda kullanılan Qbasic programının başlangıç şeması 67

83 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ Şekil Ölçümler başlamadan önce Qbasic programının görünümü Numune kaplarının içine sıvı numuneler boşaltıldıktan sonra spektrometrede suyun temiz halinde kalibrasyon yapılarak havuzdan alınan her bir numune için nm arasında % geçirgenliğini belirlemek için Qbasic program başlatılarak veri alınmaya başlanır. 68

84 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ (a) %Geçirgenlik Dalgaboyu(nm) (b) Şekil a) Örnek soğurma ve b) Geçirgenlik eğrisi 69

85 6. MATERYAL METOT Ayhan ATIZ 70

86 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Bu bölümde, deneysel çalışmalarımızda silindirik model yalıtımlı bir güneş havuzunun (SMGH) iç bölgelerinin yoğunluk ve sıcaklık dağılım profilleri elde edilmeye çalışılmıştır. Bu amaçla, iç bölgenin sıcaklık dağılımları saatlik olarak ve 10 farklı tabakadan alına tuzlu su numunelerinin ise yoğunlukları ve geçirgenlikleri ölçülmüştür. Bu ölçümler Haziran, Temmuz ve Ağustos aylarında eş zamanlı olacak şekilde yapılmıştır. Aynı zamanda, tuzlu su tabakaların geçirgenliğini etkileyen etmenler ve bunların iç bölgelerin sıcaklık dağılımları üzerindeki etkisi belirlenmeye çalışılmıştır. Şekil tarihinde yoğunluğun derinlikle değişimi. Şekil 7.1 deki yoğunluk dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğunu 1180 kg/m 3 ile 1179 kg/m 3 arasında değişmemektedir. Bu değişme, Haziran ayında depolama bölgesinin sıcaklığının hızlı artmasıyla beraber tuzlu sudaki moleküler difüzyonun artışıyla beraber üst tabakaların yoğunluğun artmasına neden olduğu görülmüştür. Konveksi- 71

87 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ yonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun aşağıdan yukarıya doğru azalması ile oluşan eğim ise beklenen bir durumdur. Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü, depolama bölgesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir. Şekil tarihinde sıcaklığın derinlikle değişimi Şekil 7.2 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-100 cm) sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabanda sıcaklık 36 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 41,3 C olarak ölçülmüştür. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının depolama bölgesindeki kirlilik ve gölgelemeden kaynaklandığı kanısındayız. Tuzlu sudaki kirliliğin belirlenebilmesi için temiz tuzlu su ve havuzdan alınan kirli tuzlu suyun geçirgenlik analizlerinin karşılaştırılması gerekmektedir. Bunun için, önce temiz su ile farklı yoğunluklarda hazırlanan tuzlu suyun görünür bölgede % geçirgenlikleri ölçülmüştür. 72

88 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil 7.3. Temiz su ile farklı yoğunluklarda hazırlanan tuzlu suyun görünür bölgede % geçirgenlikleri Şekil 7.3 de temiz su ile farklı yoğunluklarda olacak şekilde hazırlanan tuzlu suyun % geçirgenlik dağılımları görülmektedir. Görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda ( nm) yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenlikleri temiz su ve düşük yoğunluklu tuzlu su için sırasıyla, %97 ile %98, yüksek yoğunluklu tuzlu su için ise sırasıyla, %89 ile %93 lük küçük farklar olduğu görülmektedir. Suda çözünen yüksek yoğunluklu tuzlu suyun, geçirgenliği yoğunluğa bağlı olarak düşük dalga boyunda yaklaşık % 8, yüksek dalga boyunda ise % 5 oranında azalttığı görülmüştür. 73

89 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.4 de havuzun farklı tabakalarından alınan farklı yoğunluklardaki tuzlu suyun % geçirgenlik dağılımları görülmektedir. Üst konveksiyonlu bölgede ( cm) görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenlikleri sırasıyla, %98 ve %99, konveksiyonsuz bölgenin ( cm) yoğunluğu 1029 kg/m 3 ilk tabakasının ( cm) geçirgenliği %98,5 ve %99, yoğunluğu 1069 kg/m 3 olan ikinci tabakasının ( cm) geçirgenliği %98 ve %99, yoğunluğu 1108 kg/m 3 olan üçüncü tabakasının ( cm) geçirgenliği %97 ve %98, yoğunluğu 1140 kg/m 3 olan dördüncü tabakasının ( cm) geçirgenliği %95 ve %97 ve yoğunluğu 1163 kg/m 3 olan beşinci tabakanın ( cm) ise, geçirgenliği %94,5 ve %97 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinde (0-100 cm) ise, yoğunluğu 1179 kg/m 3 olan tabakanın (60-80 cm) geçirgenlik %77,5 ve %87, yoğunluğu 1180 kg/m 3 olan tabakanın (40 ve 60 cm) geçirgenliği %70,5 ve %85, yoğunluğu 1180 kg/m 3 olan üçüncü tabakanın (20-40 cm) geçirgenliği %69 ve %80, yoğunluğu 1181 kg/m 3 olan dördüncü tabakanın (0-20 cm) geçirgenliğinin ise, %75 74

90 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ ve %85 olduğu görülmektedir. Şekil 7. 3 de farklı yoğunluklardaki temiz tuzlu suyun geçirgenlik değerleri yoğunluk farkıyla sırasıyla görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda sırasıyla, %99 ve %95 arasında değişirken, Şekil 7.4 deki havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %90 ve %99, depolama bölgesinde ise, %70 ve %85 arasında değişmektedir. Tabakaların geçirgenliklerindeki düşüşlerin Şekil 7.2 de görülen depolama bölgesinde yaklaşık 4-5 C lik sıcaklık farkı oluşmasına neden olduğu görülmektedir. Bu da yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamadığı sonucunu doğurmaktadır. Geçirgenlik düşüşlerinin en önemli nedenlerinden birisinin de suda zamanla oluşan biyolojik, kimyasal, çevreden suya karışan toz partiküllerinden ve kullanılan tuzda bulunan çeşitli kirliliklerde kaynaklandığı kanaatindeyiz. Bu kirliliğin başında daha önce kullanılmış olan tuzlu suyun güneş havuzunda yeniden kullanılması ve kaynaklandığı düşüncesindeyiz. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan 20, 40, 60 ve 80 cm ler deki tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellikle de cm deki tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %60-70 lere kadar düştüğü görülmüştür. Bu düşüşlere, depolama bölgesine gelen güneş ışınlarının önemli bir bölümünün depolama bölgesinin tabanına kadar ulaşmasını engellediği ve üst bölgelerde soğurularak bu bölgelerde sıcaklık farkının oluşmasına sebep olduğunu göstermektedir. 75

91 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.5 deki yoğunluk dağılımı profiline göre, depolama bölgesinin üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğunun 1180 kg/m 3 ile 1179 kg/m 3 arasında değişmektedir. Haziran ayında depolama bölgesinin sıcaklığındaki hızlı artışın tuzun moleküler difüzyonla artmasına neden olduğu sonucunu oluşmuştur. Konveksiyonsuz bölgede, yoğunluğun aşağıdan yukarıya doğru azalması ile oluşan eğim ise beklenen bir durumdur. Bu eğimin bozulması cm deki yoğunluğun hemen hemen aynı olmasının ve yaklaşık bir ya da iki hafta en üst kısma su takviyesi yapılmadığı için tuz difüzyonundan dolayı yoğunluklarda birbirine çok yaklaşmıştır. Bundan dolayı eğim biraz bozulmuştur. Ancak bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü depolama bölgesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir 76

92 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.6 daki sıcaklık dağılımı profiline göre, depolama bölgesinin sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 38 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 43-43,5 C e yükseldiği görülmektedir. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık 4-5 C lik sıcaklık farkının tuzlu suyun saydamlığının bozulması ile suyun geçirgenliğinde meydana gelen azalmasından kaynaklandığı düşüncesindeyiz 77

93 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.7 görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda, yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenliklerinin sırasıyla, üst konveksiyonlu bölgede %98-100, konveksiyonsuz bölgede yoğunluklar sırasıyla, 1026 kg/m 3, 1069 kg/m 3, 1100 kg/m kg/m 3 ve 1163 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %98,5-100, %99-100, %98-99, %96-98 ve %94-99 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinin yoğunluğu ise sırasıyla, 1179 kg/m 3, 1179 kg/m 3, 1180 kg/m 3 ve 1180 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %82-90, %88-80, %85-72 ve %84-72 olduğu görülmektedir. Şekil 7.7 de ise havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %92 ve %99, depolama bölgesinde ise %72 ve %88 arasında değişmektedir. Şekil 7.6 da depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonucunu doğurmaktadır. Bunun en önemli nedeni suda bulunan çeşitli kirliliklerde kaynaklandığı düşüncesindeyiz. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellikle de cm deki taba- 78

94 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ kalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda geçirgenliklerin %70 lere kadar düştüğü görülmüştür. Bu düşüşlerin, depolama bölgesine gelen güneş ışınlarının önemli bir bölümünün depolama bölgesinin tabanına kadar ulaşmasını engellediği ve üst bölgelerde soğurularak bu bölgelerde 5-6 C kadar sıcaklık farkının oluşmasına sebep olduğunu göstermektedir. Şekil tarihinde yoğunluğu derinliğe göre değişimi Şekil 7.8 deki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Fakat üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğunu 1161kg/m 3 den 1180 kg/m 3 e çıkarmıştır. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devreye girmesiyle beraber artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur. (180-20) arasındaki en üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 den 1020 kg/m 3 çıkmasıyla %2 lik bir artış meydana gelmiştir. Ancak bu eğim yaklaşık olarak korunduğunu görülmektedir. 79

95 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü depolama bölgesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir. Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.9 daki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 37 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 40 C olarak ölçülmüştür. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının daha az olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından daha az kırılarak sıcaklıkların birbirine yakın olmasını sağlamıştır. Ancak sıcaklığın 40 C de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir. 80

96 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.10 görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenliklerinin sırasıyla, üst konveksiyonlu bölgede % dür. Konveksiyonsuz bölgedeki tabakaların yoğunlukları sırasıyla, 1020 kg/m 3, 1069 kg/m 3, 1100 kg/m 3, 1156 kg/m 3 ve 1180 kg/m 3 dir. Geçirgenliklerinin ise sırasıyla, %99-100, %97-99, %96-98, %93-96 ve %71-89 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinin yoğunluğu ise sırasıyla, 1180 kg/m 3, 1180 kg/m 3, 1181 kg/m 3 ve 1181 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %70-89, %69-88, %69-87 ve %64-87 olduğu görülmektedir. Şekil 7.10 da havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %98 den %71 e kadar düşmüştür. Bu düşüşün nedeni, difüzyonla beraber hem kirlilik hem de tuz yoğunluğu üst kısımda artmasıdır. Depolama bölgesindeki geçirgenlikler ise %65 ve %90 arasında değişmektedir. Şekil 7.9 daki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamadığı sonucunu doğurmuştur. Bunun en önemli nedenin de tabakalarda oluşan çeşitli kirliliklerde kaynaklandığı kanaatindeyiz. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenlik- 81

97 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ lerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu özellikle de 80. ve 100. cm deki tabakalarda görünür bölgenin en düşük dalga boyunda (400 nm) geçirgenliklerin %60 ve %70 lere kadar düştüğü görülmüştür. Fakat artan sıcaklıkla beraber difüzyon artmış ve havuzun alt kısmında bir konvektif hareketin başlamasına sebep olmuştur. Bu da depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın en fazla 3-4 C olmasını sağlamıştır. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.11 deki yoğunluk dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80 cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğunun kararlı olduğu gözlenmektedir bu da tuz koruma sitemin iyi çalıştığını ve bu tabakaya yakın yerlerde tuz difüzyonundan dolayı yoğunlukta bir artışa sebep olmuştur. Bu, Haziran ayında depolama bölgesinin sıcaklığının hızlı artışına ve dolayısıyla da tuzun moleküler difüzyonun artışına sebep olması sonucunda oluşmuştur. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun aşağıdan yukarıya doğru azalması ile oluşan eğim ise beklenen bir durumdur. Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü, depolama bölgesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir. 82

98 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.12 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-100 cm) sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 38 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 42,5 C olarak ölçülmüştür. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının daha az olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından daha az kırılarak sıcaklıkların birbirine yakın olmasını sağlamıştır. Ancak sıcaklığın 40 de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir. 83

99 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.13 de görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenlikleri, üst konveksiyonlu bölgede %99-100, konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4 ve 5. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1028 kg/m 3, 1069 kg/m kg/m 3, 1155 kg/m 3 ve 1178 kg/m 3, geçirgenlikleri ise sırasıyla, % , %97-99, %96-98, %93-96 ve %71- %90 oldukları görülmektedir. Depolama bölgesinin 1., 2., 3. ve 4. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1178 kg/m 3, 1180 kg/m 3, 1181 kg/m 3 ve 1181 kg/m 3, geçirgenlikleri ise sırasıyla, %69-88, %70-87, %67-87 ve %70-87 olduğu görülmektedir. Şekil 7.3 de farklı yoğunluklardaki temiz tuzlu suyun geçirgenlik değerleri yoğunluk farkıyla sırasıyla görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda % arasında değişmektedir. Şekil 7.13 de ise havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %71-99 dir. Bunun nedeni ise difüzyonla beraber hem kirlilik hem de tuz yoğunluğu üst kısımda artmasıdır. Depolama bölgesinde ise %67-86 arasında değişmektedir. Şekil 7.12 deki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonucunu doğurmuştur. Özellikle de cm deki 84

100 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %60-70 lere kadar düştüğü görülmüştür. Fakat artan sıcaklıkla beraber difüzyon artmış ve havuzun alt kısmında bir konvektif hareketin başlamasına sebep olmuştur. Bu da depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın en fazla 4 C olmasını sağlamıştır. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.14 deki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80 cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Fakat üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğunu 1161 kg/m 3 den 1180 kg/m 3 e çıkartmıştır. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devrede olması ve artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur cm arasındaki en üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 da olmasının sebebi suyun yeni değiştirilmesidir. Ve eğim hemen hemen korunmuştur. Oluşan eğim ise beklenen bir durumdur. Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü depolama bölgesindeki 85

101 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.15 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80 cm) sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 39 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 43,6 C olarak ölçülmüştür. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının daha az olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından daha az kırılarak sıcaklıkların birbirine yakın olmasını sağlamıştır. Ancak sıcaklığın 40 ler de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir 86

102 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.16 da görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenliklerinin sırasıyla, üst konveksiyonlu bölgede %99-100, konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4. ve 5. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1028 kg/m 3, 1068 kg/m 3, 1108 kg/m 3, 1156 kg/m 3, 1180 kg/m 3, geçirgenlikleri ise, %98,5-99, %98-99, %97-99, %95-97 ve %73-90 dir. Depolama bölgesinde ise 1., 2., 3. ve 4. tabakaların yoğunlukları sırasıyla, 1182 kg/m 3, 1182 kg/m 3, 1182 kg/m kg/m 3, geçirgenliği ise sırasıyla, %66,5-84, %72-87, %72-90 ve %66-85 olduğu görülmektedir. Şekil 7.16 da havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede geçirgenlikleri %70-99 dur. Depolama bölgesinde ise %65-90 arasında değişmektedir. Şekil 7.15 deki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonucunu doğurmaktadır. Bunun en önemli nedeni suda bulunan çeşitli kirliliklerde kaynaklandığı kanaatindeyiz. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellik- 87

103 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ le de cm deki tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %60-70 lere kadar düştüğü görülmüştür. Bu da depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın en fazla 4,5 C olmasına neden olmuştur. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.17 deki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Artan tuz yoğunluğu ve difüzyonuyla beraber diğer üst bölgelerde yoğunluğun artmasına sebep olmuştur. Üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğu 1175 kg/m 3 ile 1069 kg/m 3 arasında değişmektedir. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devreye girmesiyle beraber artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur cm arasındaki en üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 den 1020 kg/m 3 çıkmasıyla %2 lik bir artış meydana gelmiştir. Ancak, eğim hemen hemen korunmuştur. Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü depolama böl- 88

104 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ gesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye, oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir. Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.18 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandaki sıcaklık 40 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 44 C olarak ölçülmüştür. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının daha az olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından daha az kırılarak sıcaklıkların birbirine yakın olmasını sağlamıştır. Ancak sıcaklığın 40 C ler de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir 89

105 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.19 da görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenliklerinin sırasıyla, üst konveksiyonlu bölgede, %97-99, konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4. ve 5. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1030 kg/m 3, 1069 kg/m 3,1106 kg/m 3, 1154 kg/m 3 ve 1175 kg/m 3 dir. Geçirgenliği ise sırasıyla, %97-99, %97-99, %97-99, %88-95 ve %87-94 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinin 1., 2., 3. ve 4. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1180 kg/m 3, 1180 kg/m 3, 1180 kg/m 3 ve 1181 kg/m 3 geçirgenlikleri ise sırasıyla, %60-84, %55-82, %60-84 ve %54-83 olduğu görülmektedir. Şekil 7.19 da ise havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede geçirgenlik %87-99 dur. Depolama bölgesinde ise, %54-84 arasında değişmektedir. Şekil 7.18 deki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonucunu doğurmaktadır. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde 90

106 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ azalmasına sebep olduğu ve özellikle de cm deki tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %50-60 lare kadar düştüğü görülmüştür. Yoğunluğun azalmasıyla beraber kirliliğin alt tabakalara doğru hareket ettiği kanısındayız. Bu da depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın en fazla 4 C olmasını sağlamıştır. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.20 deki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Fakat üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğunu 1175 kg/m 3 de sabit kalınmıştır. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devreye girmesiyle beraber artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur. (180-20) arasındaki en üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 den 1020 kg/m 3 çıkmasıyla %2 lik bir artış meydana gelmiştir. Ancak bu eğim hemen hemen korunmuştur. Oluşan eğim ise beklenen bir durumdur. Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü 91

107 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ depolama bölgesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.21 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-100 cm) sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 40 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 44.7 C olarak ölçülmüştür. Bu da ışık şiddetinin daha diğer günlere göre daha yoğun olduğunu göstermektedir. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının daha az olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından daha az kırılarak sıcaklıkların birbirine yakın olmasını sağlamıştır. Ancak sıcaklığın 40 C ler de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir 92

108 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.22 görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenliklerinin sırasıyla, üst konveksiyonlu bölgede %100-99, konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4. ve 5. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1028 kg/m 3, 1061 kg/m 3,1105 kg/m 3, 1153 kg/m 3 ve 1179 kg/m 3 dir. Geçirgenliği ise sırasıyla, %100-99, %99-97, %98-93, %85-67ve %87-94 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinin 1., 2., 3. ve 4. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1179 kg/m 3, 1180 kg/m 3, 1180 kg/m 3 ve 1181 kg/m 3 geçirgenlikleri ise sırasıyla, %82-63, %82-62, %82-59 ve %80-57 olduğu görülmektedir. Şekil 7.22 de ise havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %67-99, bunun sebebi difüzyonla beraber hem kirlilik hem de tuz yoğunluğu üst kısımda artmıştır. Depolama bölgesinde ise %57-82 arasında değişmektedir. Şekil 7.21 deki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonu- 93

109 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ cunu doğurmaktadır. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellikle de üst tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %50-60 lara kadar düştüğü görülmüştür. Bu da depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın en fazla 4 C olmasını sağlamıştır. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.23 deki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Fakat üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğunu 1175 kg/m 3 de sabit kalınmıştır. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devreye girmesiyle beraber artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur. En üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 den 1020 kg/m 3 çıkmasıyla %2 lik bir artış meydana gelmiştir.. Bu eğimin bozulmaması ve korunması gerekmektedir. Çünkü depolama bölgesindeki 94

110 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir. Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.24 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermesi beklenen bir durum değildir. Tabanda sıcaklık 40 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 44 C olarak ölçülmüştür. Bu haftada da ışık şiddetinin biraz daha yoğun olduğu gözlemlenmektedir. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının biraz fazla olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından biraz daha kırılarak sıcaklıkların birbirinden uzak olmasına neden olmuştur. Ancak sıcaklığın 40 ler de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir. 95

111 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.25 de görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunun yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenlikleri sırasıyla, üst konveksiyonlu bölgede %100-99, konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4. ve 5. tabakalarının yoğunluğu sırasıyla, 1020 kg/m 3, 1066 kg/m 3, 1100 kg/m 3, 1153 kg/m 3 ve 1175 kg/m 3 geçirgenlikleri ise sırasıyla, %100-98, %99-97, %99-97, %98-89 ve %85-63 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinde 1., 2., 3. ve 4. tabakalarının yoğunlukları sırasıyla, 1180 kg/m 3, 1181 kg/m 3, 1183 kg/m 3 ve 1183 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %54-81, %57-81, %57-80 ve %80-53 olduğu görülmektedir. Şekil 7.25 de ise havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %63-99 dir. Depolama bölgesinde ise %53 ile %81 arasında değişmektedir. Şekil 7.24 deki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonucunu doğurmaktadır. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun 96

112 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellikle üst tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %50-60 lara kadar düştüğü görülmüştür. Bu da depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın en fazla 5-6 C e kadar yükselmesine neden olmuştur. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.26 daki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Fakat üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğunu 1175 kg/m 3 ten 1171 kg/m 3 e düşürmüştür. Bunun tuz difüzyonundan kaynaklandığını düşünmekteyiz. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devreye girmesiyle beraber artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur. (180-20) arasındaki en üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 den 1020 kg/m 3 çıkmasıyla %2 lik bir artış meydana gelmiştir. Ancak bu eğim hemen hemen korunmuştur. Bu eğimin bozulmaması ve 97

113 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ korunması gerekmektedir. Çünkü depolama bölgesindeki ısının, konveksiyonla üst bölgeye ( cm) oradan da atmosfere kaçmasını önleyen yüksek geçirgenlik özelliğine sahip saydam bir bölgedir. Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.27 deki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-100 cm) sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 39 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 44 C olarak ölçülmüştür. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının daha az olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından biraz az kırılarak sıcaklıkların birbirine yakın olmasına sağlamıştır. Ancak sıcaklığın 40 de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir. 98

114 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.28 de görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenlikleri üst konveksiyonlu bölgede %99-100, konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4. ve 5. tabakalarının yoğunluğu sırasıyla, 1023 kg/m 3, 1069 kg/m 3, 1100 kg/m 3, 1151 kg/m 3 ve 1171 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %99-100, %97-99, %90-97, %88-97 ve %58-82 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinde ise yoğunluklar sırasıyla, 1171 kg/m 3, 1180 kg/m 3, 1181 kg/m 3 ve 1181 kg/m 3, geçirgenlikleri ise sırasıyla, %57-71, %52-72, %53-72 ve %55-71 olduğu görülmektedir. Şekil 7.28 de ise havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %58-99 dur. Depolama bölgesinde ise %53-71 arasında değişmektedir. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellikle de üst tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin 99

115 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ %50-60 lare kadar düştüğü görülmüştür. Alt tabaklarda geçirgenlik daha yüksek olduğundan sıcaklığın düşmesi beklenmektedir. Düşen sıcaklıkla beraber difüzyon azalmış ve havuzun alt kısmında bir konvektif harekette azalmış ve depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın 5 C olmasını neden olmuştur. Şekil tarihinde yoğunluğun derinliğe göre değişimi Şekil 7.29 daki yoğunluk dağılımı profilinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80cm) üst bölümünü oluşturan tabakanın yoğunluğu değişmemiştir. Fakat üst konveksiyonsuz bölgenin yoğunluğunu 1171 kg/m 3 dan 1170 kg/m 3 e düşmüş yani yoğunluk hemen hemen sabit kalınmıştır. Tuz yoğunluğunu koruyan sistemin devreye girmesiyle beraber artan yoğunluğun sıcaklığın etkisiyle difüzyona başladığını göstermektedir. Konveksiyonsuz bölgede ( cm) yoğunluğun biraz daha yükselmesine sebep olmuştur. Aşağıdan yukarıya doğru azalan eğimde bir miktar değişim oluşturmuştur. (180-20) arasındaki en üst kesimde yoğunluğun 1000 kg/m 3 den 1020 kg/m 3 çıkmasıyla %2 lik bir artış meydana gelmiştir. 100

116 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde sıcaklığın derinliğe göre değişimi Şekil 7.30 daki sıcaklık dağılımı profillerinden görüldüğü gibi, depolama bölgesinin (0-80 cm) sıcaklığı tabandan yukarıya doğru artış göstermektedir. Bu beklenen bir dağılım değildir. Tabandan sıcaklık 40 C iken depolama bölgesinin üst kısmında 44.5 C olarak ölçülmüştür. Bu haftada da ışık şiddetinin biraz daha yoğun olduğu gözlemlenmektedir. Depolama bölgesinin üst kısmı ile tabanı arasındaki sıcaklık farkının biraz fazla olması ışığın depolama bölgesinin üst kısmından biraz daha kırılarak sıcaklıkların birbirinden uzak olmasına neden olmuştur. Ancak sıcaklığın 40 C ler de kalmasının en büyük sebebinin depolama bölgesinde ciddi bir kirliliğin olduğunu göstermektedir. 101

117 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ Şekil tarihinde dalga boyuna karşı % geçirgenlik değişimi Şekil 7.31 de görünür bölgenin en düşük ve en yüksek dalga boyunda yoğunluğa bağlı olarak % geçirgenlikleri üst konveksiyonlu bölgede % dir. Konveksiyonsuz bölgenin 1., 2., 3., 4. ve 5. Tabakalarının yoğunluğu sırasıyla, 1021 kg/m kg/m 3, 1100 kg/m 3, 1151 kg/m 3 ve 1170 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %99-100, %97-100, %94-98, %91-97 ve %61-82 olduğu görülmektedir. Depolama bölgesinin yoğunlukları sırasıyla, 1180 kg/m 3, 1180 kg/m 3, 1180 kg/m 3 ve 1181 kg/m 3 dir. Geçirgenlikleri ise sırasıyla, %70-48, %72-50, %,70-47 ve %70-45 olduğu görülmektedir. Şekil 7.31 de havuz içinden alınan ilk örneklerde üst ve konveksiyonsuz bölgede %61-99 ve depolama bölgesinde ise, %45-70 arasında değişmektedir. Şekil 7.30 deki depolama bölgesindeki sıcaklık farkı, yeteri kadar güneş enerjisinin depolama bölgesine tamamına ulaşamaması sonucunu doğurmaktadır. Dolayısıyla, optik özellikleri bozulan suyun özellikle depolama bölgesini oluşturan tabakalarda 102

118 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ geçirgenliklerinin önemli ölçüde azalmasına sebep olduğu ve özellikle de cm deki tabakalarda görünür bölgenin 400 nm dalga boyunda % geçirgenliklerin %45-50 lere kadar düştüğü görülmüştür. Yoğunluğun düşmesiyle beraber kirliliğin üst tabakalardan aşağıya doğru hareket ettiği kanısındayız. Alt tabaklarda geçirgenlik daha yüksek olduğundan sıcaklığın düşmesi beklenmektedir. Düşen sıcaklıkla beraber difüzyon azalmış ve havuzun alt kısmında bir konvenksiyonal harekette azalmış ve depolama bölgesinde tabakalar arası sıcaklığın 4,5 C olmasını neden olmuştur. 103

119 7. BULGULAR VE TARTIŞMA Ayhan ATIZ 104

120 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayhan ATIZ 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Güneş havuzlarının enerji kaynağı güneştir. Güneş enerjisi, yenilenebilir ve sonsuz bir enerji kaynağıdır. Güneş enerjisi ışınım olarak yeryüzüne ulaşmaktadır. Güneş ışınımı yeryüzüne ulaşmadan önce atmosferde yansımaya, soğurulmaya, saçılmaya ve geri kalan kısmı da atmosferden geçerek yeryüzüne ulaşır. Yeryüzüne ulaşan güneş ışığını ısı enerjisine dönüştürebilen çeşitli sistemler bulunmaktadır. Bu sistemlerden birisi de güneş havuzlarıdır. Güneş havuzlarıyla düşük sıcaklıklarda ısı enerjisi elde etmek ve depolamak mümkündür. Fakat bu sistemler düşük verimli sistemlerdir. Bu güneş enerjisi sistemini oluşturan sistem bileşenlerinden kaynaklanmaktadır. Bu nedenle bileşenlerin iyi seçilmesi ve temiz olması gerekmektedir. Güneş havuzlarının en önemli bileşenlerinin başında da iç bölgeleri oluşturan farklı yoğunluklarda ve farklı kalınlıklarda tuzlu su tabakaları gelmektedir. Bu bölgeler; üst konveksiyonlu bölge, konveksiyonsuz bölge ve depolama bölgesidir. Üst konveksiyonlu bölge temiz su bölgesidir. Yüzeye gelen ışığın uzun dalga boyuna karşılık gelen kısmı burada soğurulur. Işığın görünen bölümüne karşılık gelen kısmı ise yansımaya, soğurulma ve geçerek konveksiyonsuz bölgeye ulaşır. Konveksiyonsuz bölge, havuzun tabanına doğru farklı yoğunluklarda ve kalınlıklarda tuzlu su tabakalarıdır. Bu bölgeye gelen ışığın önemli bir bölümü buradaki farklı yoğunluk ve kalınlıklarda tabakalar tarafından yansıtılmakta, soğurulmakta ve geri kalan kısmı ise tabakalardan geçerek depolama bölgesine ulaşmaktadır. Depolama bölgesi en yoğun tuzlu su bölgesidir. Havuz yüzeyine gelen güneş ışığının geri kalan kısmı burada soğurularak ısı enerjisi biçiminde toplanmakta ve depolanabilmektedir. Depolama bölgesine gelen güneş ışığı depolama bölgesine gelinceye kadar tuzlu su tabakalarında enerjisinin önemli bir kısmını kaybetmiştir. Bu kayıplar güneş havuzu sisteminin verimi önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle, güneş havuzunun en önemli bileşenlerinden olan tuzlu su tabakalarının optik özelliklerinin belirlenmesi ile güneş enerjisi ile çalışan sistemlerinin verimleri üzerindeki etkilerinin belirlenmesi mümkün olacaktır. Buradan elde edilecek sonuçlar göre de sistem bileşenlerinin modellerin sunulması mümkün olacaktır. 105

121 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayhan ATIZ Şekil 8.1. Farklı miktarlarda tuz içeren suyun geçirgenliği Şekil 8.2. Farklı miktarlarda kirlilik içeren suyun geçirgenliği 106

122 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayhan ATIZ Şekil 8.3. Farklı tabakaların farklı dalga boyunda 10 haftalık ortalama geçirgenliği Şekil 8.4. Farklı tabakaların tabandan itibaren tabakaların 10 haftalık ortalama sıcaklık dağılımları 107

123 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayhan ATIZ Havuzdan aldığımız tuzlu suları içine koyduğumuz 150 ml lik plastik şişeleri temizleyip içine temiz su koyduktan sonra içine kirlilik ve tuz ekleyerek hangisinin geçirgenliği daha çok etkilediğini kıyaslamak istedik. Şekil 8.1 ve Şekil 8.2 ye baktığımızda ortaya şaşırtıcı derecede büyük miktarda fark çıktığını gördük. Kirlilik için sırasıyla 0.2gr/150ml %66 a kadar 0.4gr/150ml %45 e kadar 0.6gr/150ml %32 ye kadar 0.8 gr/150ml %21 e kadar geçirgenliği düşürdüğü görülüyor. Tuz için 4gr/150ml %95 e kadar 8gr/150ml %87 e kadar 12gr/150ml %88 e kadar 16gr/150ml %87 e kadar 20gr/150 ml %85 e kadar geçirgenliği düşürdüğünü gördük. Bu da bize tuz oranını kirliliğe göre 10 ile 20 kat daha fazla koyduğumuzda halde kirliliğin suyun geçirgenliği üzerinde daha büyük bir etkiye sahip olduğunu gösteriyor. Havuzdan aldığımız numunelerinin geçirgenliğine bakarken kirli olan plastik şişelerin numunelerin daha fazla geçirgenliği düşürdüğü görülmüştür. Havuzun üst konveksiyonlu bölgesi ile konveksiyonsuz bölgenin depolama bölgesine göre daha çok ışığı geçirmesinin sebebi çok daha az kirli olmalarından kaynaklanmaktadır. Bunu Şekil 8.3 de on haftalık ortalamada da görmekteyiz. Havuzun üst kısmının ve konvektif olmayan bölgenin ışığın geçirgenliğini etkilemediğini ama depolama bölgesinin geçirgenliği çok daha fazla düşürdüğü görülmektedir. Havuz suyu doldururken depolama bölgesindeki su daha önce başka bir havuzda kullanılmış sudan alınmıştır. Bu da suyun içinde zamanla kirliğin artığı bilinmekle beraber havuz içerisindeki suyun demiri çözdüğünü ve suyun içerisinde yoğun miktarda bir kirliliğin oluştuğu kanısındayız. Üç ay içerisinde bile havuzun geçirgenliğin %70 lerden %45 lere kadar düştüğü görülmektedir. Bu da havuzda oluşan kirliliğinin daha çok depolama bölgesinde toplandığını ve bu yüzden havuzun depolama bölgesinde geçirgenliğin daha çok düştüğü kanısındayız. Fakat tuz difüzyonuyla beraber artan yoğunluk kirliliğin hemen hemen aynı olan yoğunluklu tabaklarda bir difüzyon oluşturulduğu da görülmüştür. Ve geçirgenlik değerlerinin farklı farklı olmasının sebebini havuzun içerisindeki kirliliğin homojen olmadığını göstermektedir. Özellikle depolama bölgesinde bu kirliliğin bir konveksiyonel harekete sahip olduğu kanısındayız. Şekil 8.4 deki tabakaların 10 aylık sıcaklık dağılımlarından görüldüğü gibi depolama bölgesinin üst bölümündeki kirlikler sebebiyle güneş ışınlarının önemli bir bölümünü burada soğurulduğu görülmüştür. 108

124 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayhan ATIZ Soğurulan ışınlar sıcaklık artışına neden olduğu saptanmıştır. Bu sonuçlar bize eğer bir güneş havuzunda daha fazla enerji toplanmak isteniyorsa mutlaka havuzun suyunun ve kullanılan tuzun temiz olması gerekmektedir. Böylece havuz daha uzun zamanda kirlenecek ve havuzdan daha uzun süre faydalanılabilecektir. Havuzun verimliliğini etkileyen en önemli etkeninin kirlilik olduğu belirlenmiştir. 109

125 8. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Ayhan ATIZ 110

126 KAYNAKLAR AFEEF, M. and MULLETT, L.B., Solar Transmission in Salt Solutions with Reference to Solar Ponds Solar & Wind Technology, 6, 1, 1-9. AMERICAN SOCIETY OF LIMNOLOGY ANDOCEANOGRAPHY, INC., Absorption and Scattering Estimates From Irradiance Measurements, Monte Carlo Simulations. Lmnol. Oceanogr., 36 4, ANGELI, C., and LEONARDI, E., A One Dimensional Numerical Study of the Salt Diffusion in a Salinity-Gradient Solar Pond. International Journal of Heat and Mass Transfer, 47, BEZİR, N.Ç., ŞENCAN, A., ÖZEK N., YAKUT, A.K., KAYALI, R., VE DİKMEN, E., Deneysel Tuz Gradiyentli Prototip Bir Güneş Havuzunun Isıl Performansı, Gazi Üniversitesi Mühendislik-Mimarlık Fakültesi Dergisi, Cilt 23, Sayı 2, ,2008. DÖNMEZ, O., KAYALI, R., OZEK, N., Numerical And Experimental Analysis of a Salt Gradient Solar Pond Performance With or Without Reflective Covered Surface.Applied Energy, 85, BRYANT, H.C., and COLBECK, I., A Solar Pond for London. Solar Energy, 19, 321. CENGEL, Y. A and ÖZİŞİK, M. N., (1984) Solar Radiation Absorption in Solar Ponds, Solar Energy, 33, 6, 1984, DEMİRDÖVER, A., İzmir Bornova koşullarında güneş havuzlarının deneysel Araştırılması. İzmir Güneş Enerjisi Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, İzmir. DUFFIE, J. and BECKMAN, W.A., Solar Engineering of Thermal Proceses. John Wiley and Sons, New York, 71. EMRUMİYE A., Suyun Hidrojen Bağı ve Özellikleri. Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Adana. GAR, H.P., Solar Ponds-As an Energy Storage Device. Workshop on the Physics of Non-Convectional Energy Sources and Material Science for Energy, Trieste, Italy. 111

127 HAWLADER, M.N.A. and BRINKWORTH, B. J., An Analysis of the Non- Convecting Solar Pond. Solar Energy, 27, 3, HUOVİNEN, P.S. H. PENTTİLEA, M.R. SOİMASUO., Spectral Attenuation of Solar Ultraviolet Radiation in Humic Lakes in Central Finland. Chemosphere. 51, HUSAİN M., S.R. PATİL, P.S. PATİL, S.K. SAMDARSHİ Simple Methods for Estimation of Radiation Flux in Solar Ponds. Energy Conversion and Management, 45, HULL, J.R.,(1980). Computer simulation of Solar Pond Thermal Behaviour. Solar Energy, 25, İSKENDER, A., Güneş Havuzlarının Termodinamik Özelliklerinin İncelenmesi. Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Adana. JOHN T.O. KİRK., Effect of Scattering and Absorption on Solar Pond Efficiency. Solar Energy, 40, 2, KARAKILÇIK, M., Yalıtımlı ve Yalıtımsız Güneş Havuzlarının Performansını Etkileyen Etmenler. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana., DİNCER, İ., and ROSEN, M.A., Performance Investigation of a Solar Pond. Applied Thermal Engineering, 26, , KIYMAÇ, K., and DİNCER, İ., Experimental and Theoretical Temperature Distributions in a Solar Pond. International Journal of Heat and Mass Transfer, 49, KAYALI, Yalıtımlı ve Yalıtımsız Güneş Havuzlarının Çukurova Bölgesi Şartlarında Ekonomik Analizi, Güneş Enerjisi Enstitüsü Dergisi, 1, (4), KAMİL B. VARINCA ve M. TALHA GÖNÜLLÜ., Türkiye de Günes Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma. 1. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, Haziran 2006, ESOGÜ, Eskişehir. 112

128 KURT, H., HALICI, F., and BINARK, A.K., Solar Pond Conception Experimental and Theoretical Studies. Energy Conversion & Management 41, , OZKAYMAK, M., and BINARK, A.K., Experimental and Numerical Analysis of Sodium-Carbonate Salt Gradient Solar-Pond Performance Under Simulated Solar-Radiation, 83, , Güneş Havuzlarında Güneş Enerjisinin Toplama ve Depolama Karakteristiklerinin Deneysel ve Teorik Olarak İncelenmesi, M.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Doktora Tezi, İstanbul. KANAYAMA, K., Lİ, XY., BABA, H. and ENDOH, N., Conventional Equation For Calculation of Total Transmittance of Nacl Water Solution Used To Solar Pond. J of Thermophysical Properties, 11, 34-8 (in Japanese). Lİ, XY., KANAYAMA, K, BABA, H., Spectral Calculation of The Thermal Performance of a Solar Pond And Comparison of The Results with Experiments. Renewable Energy 20, Lİ NAN, FANG YİN B, WENCE SUN, CAİHONG ZHANG, YUFENG SHİ., Turbidity Study of Solar Ponds Utilizing Seawater As Salt Source. Solar Energy. 84, 2, MOREL, A., GENTİLİ, B., CLAUSTRE, H., BABİN, M., BRİCAUD, A., RAS, J. and TIECHE, F., Optical Properties of the Clearest Natural Waters American Society of Limnology and Oceanography., 52 (1), OUNI, M., GUIZANI, A., and BELGUITH, A., Simulation of The Behaviour of a Salt Gradient Solar Pond in Tunisia. Renewable Energy 14, RABL, A., and NIELSEN, C.E., Solar Ponds for Space Heating. Solar Energy, 17, 1, 1-2. RAYMOND C.S. and KAREN, S.B., Optical Properties of The Clearest Natural Waters. Applied Optics, 20, 2, REDDY, T.A., JUMPA, S., and SAUNIER, G.Y., Effective Daily Mean Position of The Sun for Solar Ponds. Solar Energy, 37, 1,

129 ROTHMEYER, M The Soret Effect and Salt-Gradient Solar Ponds. Solar Energy, 25, MANTAR S., Yalıtımlı Silindirik Model Bir Güneş Havuzunun Matematiksel Modellemesi. Ç.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi Adana USMANOV, Y., ELISEEV, V., and UMAROV, G.Y.,1971. On the Optical Properties of a Solar Pond. Applied Solar Energy, 7, TABOR, H., Solar Ponds. Solar Energy, 27, 3, TSILINGIRIS, P. T., (1990), Effect of Salinity-Concentration Gradient on Radiation Transmission İn Salt-Gradient Ponds. Applied Energy, 35, 2, ,1988, An Accurate Upper Estimate for The Transmission of Solar Radıatıon in Salt Gradient Ponds. Solar Energy, 40, 1, VISKANTA, R. and TOOR. J. S., Absorption of Solar Radiation in Ponds. Solar Energy, 21, 1, WANG, Y.F., and AKBARZADEH, A., A Parametric Study on Solar Ponds. Solar Energy, 30, 6, WANG, J. and J.SEYED-YAGOOBI, J., Effects of Water Turbidity And Salt Concentration Levels on Penetration of Solar Radiation Under Water. Solar Energy. 52, 5, ,1995 Effect of Water Turbidity on Thermal Performance of a Salt-Gradient Solar Pond. Solar Energy, 54, 5, WERNET,P., NORDLUND, D., BERGMANN, U., OGASAWARA, H., CAVALLERİ, M., NÄSLUND, L. Å., HİRSCH, T. K., OJAMÄE, L., GLATZEL, P., ODELİUS,M.,PETTERSSON,L.G.M. and NİLSSON, A., 2004, The Structure of The Firstcoordination Shell in Liquid Water, Science. 304,

130

131 116

132 ÖZGEÇMİŞ 1983 yılında Bingöl de doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimini Adana da tamamladı yılında Selçuk Üniversitesi Fizik Öğretmenliği bölümünü kazandı. Aynı bölümden 2005 yılında mezun oldu yılında Çukurova Üniversitesi Fizik bölümünde yüksek lisans eğitimine hak kazandı yılında yüksek lisans derslerinde başarı sağlayarak tez çalışmasına başladı. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik Anabilim Dalında Yüksek Lisans öğrenimine halen devam etmektedir. 117