ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Transkript

1 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ İsmail BOZKURT YALITIMLI VE ÜSTÜ KAPALI SİLİNDİRİK MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN (SMGH) PERFORMANSININ İNCELENMESİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2006

2 ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YALITIMLI VE ÜSTÜ KAPALI SİLİNDİRİK MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN (SMGH) PERFORMANSININ İNCELENMESİ İsmail BOZKURT YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez 16/01/2006 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu İle Kabul Edilmiştir. İmza:. İmza:.. İmza:. Yrd.Doç.Dr.Mehmet KARAKILÇIK Prof.Dr.Kerim KIYMAÇ Yrd.Doç.Dr.Murat AKSOY DANIŞMAN ÜYE ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No:... Prof. Dr. Aziz ERTUNÇ Enstitü Müdürü Bu Çalışma ÇÜ. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2004YL61 * 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 VE ÜSTÜ KAPALI SİLİNDİRİK MODEL BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN (SMGH) PERFORMANSININ İNCELENMESİ İsmail BOZKURT ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman: Yrd.Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yıl: 2006, Sayfa:67 Jüri: Yrd. Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ Yrd. Doç. Dr. Murat AKSOY Güneş havuzları güneş enerjisini toplayan ve uzun süre depolayan üç bölgeli bir sistemdir. Sistemde ısıyı tutan ve depolayan en önemli bölge depolama bölgesidir. Konveksiyonsuz bölge depolama bölgesindeki ısının üst bölgeden havaya kaçmasını engelleyen önemli bir yatılım bölgesidir. Bununla birlikte depolama bölgesindeki ısıyı uzun süre tutabilmek için sistemin ısı yalıtım metotları çok önemlidir. Bunlardan birisi üst bölgenin saydam cam kapaklarla kapatılmasıdır. Bu çalışmada üst yüzeyi açık güneş havuzlarından havaya iletimle, buharlaşmayla ve rüzgar etkisiyle olan ısı kayıpları önlenmeye çalışılmıştır. Bunun için yalıtımlı ve üst yüzeyi cam kapaklarla kapatılmış silindirik model bir güneş havuzu (SMGH) kullanılmıştır. Sonuç olarak, kış aylarında havuzunun üst bölgesi kapatıldığı takdirde gündüz ve gece arasındaki sıcaklık farkının başta üst bölge olmak üzere yaklaşık 1 C ye kadar düştüğü ve bununda sistemin performansının önemli oranda artırdığı görülmüştür. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Havuzları, Isı Depolaması, Isı Transferi I

4 ABSTRACT MSc THESIS INVESTIGATION OF THE PERFORMANCE OF AN INSULATED AND COVERED CYLINDRICAL MODEL SOLAR POND (CMSP) İsmail BOZKURT DEPARTMANT OF PHYSISC INSTITUTE OF NATURAL APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF ÇUKUROVA Supervisor: Assit. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Year: 2006, Pages: 67 Jury: Assit. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ Assit. Prof. Dr. Murat AKSOY Solar ponds, systems having three zones, collect and store solar energy for a long time. Storage zone is the most important zone that collects and stores heat in the system. Non-convective zone is an important insulation zone that prevents heat loss from the storage zone to upper convective zone and finally to air. Furthermore, using a heat insulation in the system ables to trap heat energy in storage zone for a long time. One of them is using a transparent glass covers for the upper surface. In this study, heat energy loss is prevented due to conduction, evaporation and wind effect by convering the open surface of the solar pond by using such a class cover. The solar pond used has an insulated wall as well as the glass cover for the upper surface and is a cylindrical model solar pond (CMSP). As a results, if the upper surface of the solar pond is closed in winter days, it is seen the temperature differences between daytime and nighttime, especially for the upper zone, decrease approximately to 1 C. Thus, it proves that the cover in proves the performance of the system. Key Words: Solar Energy, Solar Ponds, Thermal Storage, Heat Transfer II

5 TEŞEKKÜR Öncelikle, bu tezin yönetiminde ve oluşumunda aynı zamanda çalışmalarım sırasında karşılaştığım sorunların çözümünde her türlü desteğini esirgemeyen, çalışmalarım için bütün olanakları sağlayan danışman hocam Yrd. Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK a teşekkürlerimi sunarım. Ayrıca çalışmalarımda tavsiyelerini, önerilerini ve yardımlarını eksik etmeyen Prof. Dr. Kerim KIYMAÇ, Yrd. Doç. Dr. Murat AKSOY ve Arş.Gör. Zehan KESİLMİŞ e çok teşekkür ederim. Sistemin UZAYMER de kurulmasına izin veren ve bana rahat çalışma ortamı sağlayan Prof. Dr. Aysun AKYÜZ e ve çalışma arkadaşlarına ayrıca tüm Fizik Bölümü hocalarıma teşekkür ederim. Bana çalışmalarımda yardımlarını esirgemeyen ve her türlü maddi ve manevi destek olan aileme ve arkadaşlarıma sonsuz teşekkürlerimi sunarım. III

6 İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT...II TEŞEKKÜR...III İÇİNDEKİLER...IV ŞEKİLLER DİZİNİ...VI SİMGELER VE KISALTMALAR VII 1. GİRİŞ ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Doğal Güneş Havuzları Yapay Güneş Havuzları GÜNEŞ HAVUZU FİZİĞİ Güneşin Hareketi Güneş Işınının Doğrultusu Güneş Enerjisi Güneş Enerjisinin Havuz Yüzeyine Gelişi ve Havuz İçinde İzlediği Yol Güneş Enerjisinin Tuzlu Sudan Geçişi Güneş Enerjisinin Tuzlu Suda Soğurulması Güneş Enerjisinin Havuz İçerisinde Yansıması Güneş Havuzlarında Güneşin Ortalama Konumunun Günlük Etkisi Güneş Havuzlarında Yan Duvar Gölgelemesi Güneş Havuzlarında Tuz Yoğunluğu Eğiminin Kararlılığı Tuzlu Suyun Isıl Özellikleri Güneş Havuzlarında Isı Akışı MATERYAL ve METOD MATERYAL Yalıtımlı ve Üstü Kapalı Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) SMGH un Isısal Yalıtımı. 33 IV

7 Tuz Gradyentli Güneş Havuzunun İç Yapısı Tuz Yoğunluklu Tabakaların Oluşturulması Havuzun Tuz Yoğunluğu Dağılımını Ölçme Sistemi Sıcaklık Dağılımını Ölçme Sistemi METOD Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sisteminin Çalışma Prensibi Güneş Havuzuna Gelen Radyasyonun Soğurulması Model Havuza Gelen Radyasyonun Derinlikle Azalması Hava Sıcaklığının Ölçülmesi Sıcaklık Ölçümünde Kullanılan LM35 Sensör ve PCL813 Kart Güneş Havuzunu Oluşturan Bölgelerin Enerji Eşitlikleri ÜKB in Enerji Eşitlikleri YB in Enerji Eşitlikleri DB in Enerji Eşitlikleri BULGULAR VE TARTIŞMA SMGH un Yoğunluk Dağılımı Sıcaklık Ölçme Sisteminin Hata Analizi SMGH un Deneysel Sıcaklık Dağılımı SONUÇLAR VE ÖNERİLER.60 KAYNAKLAR...62 ÖZGEÇMİŞ...67 V

8 ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 3.1. Güneş ışının havuz içinde izlediği yol 23 Şekil 4.1. Güneş havuzunun iç bölgeleri 35 Şekil 4.2. Tuzlu su çözeltilerini hazırlayan karıştırıcı sistemin şeması..36 Şekil 4.3. Tuz gradyenti koruma sisteminin yandan görünüşü Şekil 4.4. LM35 sensörün alttan görünüşü Şekil 4.5. LM35 in temel sıcaklık sensörü olarak bağlanması Şekil tahinde başlangıçta oluşturulan tuzlu su tabakaları ve tarihinde ölçülen tuz yoğunluğu dağılımları.48 Şekil 5.2. Havuzun iç bölgelerindeki tuz gradyentini koruma sistemi çalışmaya başladıktan sonraki tuz yoğunluğu dağılımı...49 Şekil 5.3. Havuzun iç bölgelerinin yoğunluk dağılımı 50 Şekil 5.4. Termometre ve sensörlerle yapılan ölçümlerin karşılaştırılması.51 Şekil Aralık 2005 tarihinde havuzun iç bölgelerinin gündüz-gece sıcaklık dağılımı 52 Şekil Aralık 2005 tarihinde havuzun iç bölgelerinin gündüz-gece sıcaklık dağılımı 53 Şekil Aralık 2005 tarihinde havuzun yalıtımlı yan duvarının gündüz-gece sıcaklık dağılımı..54 Şekil Ocak 2006 tarihinde havuzun iç bölgelerinin gündüz-gece sıcaklık dağılımı 55 Şekil Ocak 2006 tarihinde havuzun iç bölgelerinin gündüz-gece sıcaklık dağılımı 56 Şekil Ocak 2006 tarihlerinde havuzun yalıtımlı yan duvarının gündüzgece sıcaklık dağılımı..57 Şekil Aralık Ocak 2006 tarihleri arasında gündüz çevre sıcaklığı dağılımı 57 Şekil Aralık Ocak 2006 tarihleri arasında gece çevre sıcaklığı dağılımı 58 VI

9 SİMGELER VE KISALTMALAR ÜKB: Üst Konvektif Bölge YB: Yalıtım Bölgesi DB: Depolama Bölgesi SMGH: Silindirik Model Güneş Havuzu δ d : Eğiklik açısı (denklinasyon) φ: Enlem açısı 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 açısıdır I x : x derinliğindeki ışın I s : Yüzeye düşen ışının suya giren miktarı VII

10 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 diffüzyon katsayısı D: Tuzun diffüzyon 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 VIII

11 1. GİRİŞ İsmail BOZKURT 1. GİRİŞ İnsanoğlu enerji ihtiyacını karşılamak için çeşitli enerji kaynaklarını kullanmaktadır. Bu enerji kaynaklarını iki ana başlık altında toplayabiliriz; a) Kömür, petrol, doğalgaz, uranyum gibi sınırlı kaynaklar veya yenilenebilir olmayan kaynaklar. b) Su, rüzgar, güneş veya bitkisel kökenli sınırsız kaynaklar, yenilenebilir veya alternatif kaynaklar. Fosil yakıtların çevreye verdikleri zararları 20.yy in ortalarından itibaren bizi alternatif enerji kaynaklarına yönlendirmiştir. Fosil yakıtlardan bir yandan enerji elde ederken bir diğer yandan da CO 2, CO, NO 2, H 2 O ve SO 2 gibi canlı doğaya zarar veren gaz atıklar, buhar, is ve kül açığa çıkar. Nükleer yakıtlardan ise radyasyon yayan kanserojen atıklar ortaya çıkar. Atmosfere yollanan atıklar, yoğunluk kazandığında dünyayı örten bir gaz tabakası oluşumuna sebep olmaktadır. Bu gazlar genellikle SO x, NO x ve CO x bileşenlidir ve yeryüzünde sera etkisi meydana getirmektedir. Bu etki sonucunda da küresel ısınma meydana gelmektedir. Küresel ısınmanın da özellikle Antartika bölgesinde bulanan buzulların erimesine yol açabileceği bu nedenle de yeryüzünde iklimsel ve coğrafik değişimler meydana getirebileceği bilinmektedir. Sera etkisinin oluşmasında, %46 enerji biçimleri, %24 sanayi, %18 orman yangınları, %9 tarım, %3 de diğer kaynakların etkisi saptanmıştır. 2 milyon yıl önce yaşanan buzul çağından günümüze kadar yer küre sıcaklığının 3 C arttığı ve bu artışın olan 0.5 C lik artışın ise son 50 yılda gerçekleştiği saptanmıştır. Son 130 yılın en sıcak 7 yılı son 11 yıl içinde yaşanmıştır. Bu 2 milyon yıl boyunca süregelen sıcaklık temposunun birdenbire 6666 kez büyümesi anlamına gelmektedir. Yenilenebilir olmayan enerji kaynakları hem çevreye zararlar vermekte hem de sınırlı miktarda bulunmaktadır. Günümüzde yıllık enerji tüketimi açısından bakıldığında ise, dünya enerjisinin önemli bir kısmı birincil enerji kaynaklarından elde edilmekte olup, bunun %38.5 petrolden, %24.7 kömürden, %23.7 doğal gazdan, %6.6 Nükleer, %3 Hidrolik ve %3 yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilmektedir. Ülkemizde ise birincil enerji kaynağı tüketimi, %42 petrolden, %14 1

12 1. GİRİŞ İsmail BOZKURT taş kömüründen, %16 Linyitten, %15 doğal gazdan, %19 Hidrolik yenilenebilir vs. enerji kaynaklarından sağlanmaktadır. Petrolün 42 yıl, kömürün 224 yıl ve doğal gazın 62 yıl içinde tükenmeye başlayacağı bilinmektedir. Dünya Uranyum rezervinin %20 sinin bulunduğu Avustralya nın çevresel kaygılarla bunu kullandırmayacağı ve bu yüzden dünyaya en çok 50 yıl yetecek kadar Uranyumun bulunması nedeniyle önümüzdeki yıllarda Uranyumda aşırı derecede fiyat artışı olacağı beklenmektedir. Günümüzde artık fosil yakıtlar yerine kaynak sorunu olmayan ve çevreye zararı bulunmayan alternatif kaynakları kullanmak zorundayız. Bu nedenle bir bölgeye ya da bir kaynağa bağlı olmayan yenilenebilir enerji kaynağı arayışları bu yüzyılın ortalarından itibaren büyük bir hız kazanmıştır li yıllarda ortaya çıkan petrol krizi çevre sorunlarının ve alternatif enerji kaynak arayışlarının önemini bir kez daha bizlere göstermiştir. Yenilenebilir enerjinin, dolaylı etkisini dikkate almazsak, ortak ve direkt kaynağı güneştir. Günümüzde geçerli olan alternatif(yenilenebilir) enerji kaynakları ise güneş enerjisi, hidrojen enerjisi, rüzgar gücü, jeotermal enerji, bio-kütle, su kütlelerinin dalga, akıntı, met-cezir gibi yer değiştirme gücü ve enerji hammaddesi olarak bitkilerdir. Bütün bu kaynaklar; Güneş sistemi var oldukça tükenmeyecektir. Emisyonları büyük çoğunlukla kabul edilebilir olacaktır. Bu enerji çeşitlerinin büyük çoğunluğundan da bölgesel olarak yararlanmak mümkün olacaktır. Güneş enerjisinden çeşitli şekillerde faydalanılmaktadır: 1. Güneş pilleri ile elektrik üretimi. 2. Odaklayıcı aynalarla yüksek sıcaklıklarda buhar gücü üretimi. 3. Düzlemsel güneş toplaçları, güneş fırınları ve güneş havuzları ile düşük sıcaklıklarda ısı enerjisi üretimidir. (1.) ve (2.) gruba giren sistemler ileri teknoloji gerektirdiği ve düşük verimle çalıştıkları için şimdilik ekonomik olarak uygun değildir. Üçüncü gruba giren sistemler ileri teknoloji gerektirmediği ve maliyeti düşük olduğu için günümüzde yaygın olarak kullanılması mümkün sistemler olarak görülmektedir. Bunlardan günümüzde en çok kullanılan sistemler güneş kollektörleridir. Güneş kollektörleri günlük ısı ihtiyacını karşılamak için kullanılır. Ancak ısı enerjisi uzun süre 2

13 1. GİRİŞ İsmail BOZKURT depolama özelliğine sahip değildir ve günlük depolama yapabilmektedir. Güneş havuzları ise güneş kollektörleri gibi güneş enerjisini toplar bunun yanı sıra güneş enerjisini ısı enerjisi olarak uzun süre depolama özelliğine sahiptir. Güneş havuzları düşük maliyeti, basit yapısı ve ısı enerjisini daha uzun süre depolama özellikleri nedeniyle verimli ve ucuz ısı enerji üretebilmektedir. Güneş enerjisinin geceleri olmayışı ve kış aylarında oldukça azalması nedeniyle güneş enerjisini çok olduğu günlerde ısı enerji olarak toplayan ve depolayan güneş havuzları oldukça kullanışlı sistemlerdir. Güneş havuzlarının ileri teknoloji gerektirmemesi ve ekonomik olması nedeniyle performanslarını arttırmak için çalışmalar yapılmaktadır. Güneş enerjisini mevsimlik olarak toplayan ve depolayan güneş havuzlarının güneşle ısıtma ve soğutmanın yanı sıra, endüstriyel işlem ısısı olarak da yaygın uygulama potansiyeli nedeniyle günümüzde çok kullanışlı ve en ucuz güneş enerjisi sistemlerinden birisi olduğunu belirtilmiştir. Güneş havuzlarının kullanışlı ve ekonomik olması güneş havuzu uygulamalarının hızla artmasını sağlamıştır. Birçok ülkede yapılan çalışmalarda, güneş havuzlarından düşük sıcaklıklarda verimli ve bol ısıl enerji üretiminin mümkün olduğu ortaya konmuştur. Güneş havuzlarının performansı arttırılarak konutların ısıtılabileceği ve sıcak su ihtiyacının karşılanabileceği görülmektedir. Güneş havuzlarıyla elektrik enerjinin üretilebileceği, ısıtma, soğutma, sıcak su elde etmenin yanında kurutma, tuz, alkol ve metan üretiminde de kullanılabileceği belirtilmiştir (Karakılçık, 1998). Ülkemizde birim yüzeye gelen günlük enerji miktarı en çok Akdeniz kıyılarında 19 MJ/m 2 -gün, en düşük doğu Karadeniz kıyılarında 12 MJ/m 2 gün civarında olduğu belirtilmiştir. Yıllık toplam güneşlenme zamanı yaklaşık olarak 2608 saat olarak hesaplanmıştır (Taşdemiroğlu,1993). Güneş enerjisi bakımından çok zengin bir ülkeye sahip bulunmaktayız. Ülkemizin birçok yerinde güneş enerjisinden faydalanmak mümkündür. Güneş enerjisinden ısıl enerji elde etmenin en önemli yollarından biri güneş havuzlarıdır. Güneş havuzlarının veriminin arttırılması ve her bölge için uygun modellerin geliştirilmesi gerekmektedir. Böylece, enerji sorununun çözümüne önemli ölçüde katkıda bulunulmuş olunacaktır. Ülkemizde güneş havuzları üzerine ilk araştırmalar 1978 yılında Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümünde yapılmaya başlanmıştır (Kayalı,1980). Bu 3

14 1. GİRİŞ İsmail BOZKURT çalışmaları takiben de Özek (1985), Kayalı (1986), Kurt (1989), Karakılçık (1992) tarafından deneysel ve teorik çalışmalar yapılmıştır. Bu çalışmalar ışığında, Karakılçık tarafından Çukurova Üniversitesi Kampusun de 2 m x 2 m x 1.5 m boyutlarında yalıtımlı prototip model bir güneş havuzu inşa edilmiştir. Eylül 1995 den itibaren bilgisayarlı otomasyon sistemi geliştirilerek ölçümlere başlanmıştır. Bunun yanı sıra havuzun iki boyutlu matematiksel bir modeli çıkarılmıştır ve bu modeli çözümleyebilen bilgisayar programı Pascal dilinde yazılmıştır. Hem deneysel ve hem de kuramsal olarak sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Yalıtımlı prototip bir havuzun iç ve dış bölgelerinin sıcaklık profilleri karşılaştırılmıştır ve uyum içinde oldukları görülmüştür. Bu sonuçlar boyutları ve yapım parametreleri bilinen bir güneş havuzundaki sıcaklık dağılımlarının nasıl olacağını önceden doğru bir şekilde tahmin edebilme olanağını ortaya koymaktadır. Deneysel çalışmalar sırasında depolama bölgesinden farklı zamanlarda bir saat boyunca ısı çekilmiş ve giriş suyu sıcaklığı değişmediği halde depolama bölgesinde ve çıkış suyu sıcaklığında zamanla önemli düşüşler olduğu saptanmıştır. Bu düşüşün nedeni havuzun boyutlarının küçük olmasından dolayı güneşten gelen enerji ile depolanan ve çekilen enerjinin yeniden karşılanamadığı görülmüştür. Oysa bu azalma büyük boyutlu güneş havuzlarında ancak çok uzun bir zaman diliminde görülebileceği belirtilmiştir. Ayrıca gölgelenme etkisinin de küçük boyutlu güneş havuzlarında dikkate alınması gerektiği ortaya konulmuştur (Karakılçık 1998). Günümüzde ise güneş havuzları doğadaki benzerlerinden yararlanılarak yapay olarak yapılmaktadır. Güneş havuzları genel olarak üç bölgeden meydana gelir. Havuzun en üst kısmında tatlı su tabakası bulunur. Bu bölge konveksiyonlu bölgedir ve bu tabakaya üst konveksiyonlu bölge (ÜKB) denilmektedir. ÜKB in altında yoğunluğu derinlikle artan tabaklardan oluşan yalıtım bölgesi (YB) veya tuz gradyentli bölge bulunmaktadır. Bu bölge yoğunluk farklarıyla oluşan tabakalardan meydana geldiğinden konveksiyonsuzdur ve konveksiyonsuz bölge olarak da adlandırılır. Havuzun en alt bölgesinin yoğunluğu fazladır ve gelen güneş enerjisinin büyük bir kısmı burada soğurulur ve ısıl enerji olarak depolanır. Bu bölgede konveksiyon azdır ve depolama bölgesi (DB) veya düşük konveksiyonlu bölge olarak adlandırılır. Havuz yüzeyine gelen güneş ışınlarının bir kısmı yüzeyde 4

15 1. GİRİŞ İsmail BOZKURT yansır ve kalanı havuzun tabanına doğru ilerler. Güneş radyasyonundaki farklı dalga boyundaki ışınlar farklı derinliklerde soğurulurlar. Düşük enerjili ışınlar (dalga boyu büyük) hemen havuzun yüzeyinden girer girmez soğurulmaya başlanırlar ve bunların depolama bölgesine katkısı çok az olur. Havuzun yüzeyine gelen ışınların yaklaşık olarak %40-46 sı düşük enerjili ışınlardır. Sistemimizde havuzun yüzeyi kapatılarak düşük enerjili ışınlarında havuzun performansını arttırması sağlanmıştır. Dalga boyu küçük olan ışınlar daha fazla enerjiye sahiptir ve daha derinlere ilerleyebilirler. Temiz bir suda toplam enerjinin ancak yaklaşık olarak %25-35 lik bir oranı 1.5 m derinliğe ulaşabilmektedir. Gelen güneş ışınları güneş havuzunun tabakalarından geçerken soğurulur ve güneş havuzunun sıcaklığını arttırır. Bu artış yukarıdan aşağıya doğru çoğalır. Bunun sebebi yoğunluğun derinlikle artmasıdır. Güneş havuzunda oluşturulan yoğunluk gradyenti konveksiyonla ısı kayıplarını önlemektedir. Isı kaybının büyük bir kısmı iletim yolu ve yüzeyden buharlaşma ile olmaktadır. Güneş havuzlarının performansı üzerinde ciddi ısı kayıplarına neden olmaktadır. En fazla ısı kayıpları güneş havuzlarının üst bölgesinden olduğu görülmüştür. Bu nedenle üst yüzeyin güneş ışığını engellemeyen ve yüksek geçirgenli olan saydam bir camla kapatılması gerektiği belirtilmiştir. Bu çalışmada, çapı 1.60 m, derinliği 2 m olan 0.10 m kalınlığında cam yünü ile yalıtılmış ve üst kısmı açılır kapanır bir cam kapak sistemi ile kapatılabilen silindirik model bir güneş havuzu (SMGH) inşa edilmiştir. SMGH in üst yüzeyi cam ile kapatılmak suretiyle buharlaşma ve iletimle ısı kayıpları en aza indirilmesi planlanmaktadır. Silindirik bir havuzun ısıl performansı üzerinde yalıtımın ve cam kapakların etkisi saptanmaya çalışılmıştır. Böylece depolama bölgesinde daha fazla ısı enerjisinin daha uzun bir süre nasıl depolanabileceği konusunda önemli sonuçlar elde edilmesi beklenmektedir. Bunun için bir güneş havuzunun üst bölgesinin açık ve kapalı durumları için sıcaklık dağılımları elde edilmeye çalışılmaktadır. Sıcaklık dağılımlarını ölçmek için bilgisayar kontrollü ve 32 kanallı yeni bir ölçüm sistemi kurulmuştur. SMGH un sıcaklık dağılımının doğru ve istenilen zaman aralıklarında bilgisayar kontrollü olacak şekilde ölçülebilmesi için bilgisayara bağlanan 32 kanallı AD/DA-PCL kart ve LM35 sensor olarak kullanılmıştır. PCL kart ve 5

16 1. GİRİŞ İsmail BOZKURT sensörün özelliklerine uygun yazılan bir bilgisayar programı aracılığıyla sıcaklıklar saniyelik, dakikalık veya saatlik olarak ölçülebilmektedir. Yapılan testler sonucunda havuzun belirlenen noktalarında meydana gelen sıcaklık dağılımı doğru ve istenilen zaman aralıklarında ölçülebileceği görülmüştür. Bu deneylerden elde edilen sonuçlar ışığında da kapalı ve açık durumları için performans değerlendirmesi yapılacaktır. Böylece farklı tip ve özelliklere sahip sistemlerin performanslarının nasıl olacağının önceden bilinmesinde de önemli bir ön bilgiler sağlayacağı kanaatindeyiz. Bu çalışmadan elde edilecek sonuçlar, yeni sistemler ve yeni yöntemler geliştirilmesine örnek bir çalışma olacaktır. Ayrıca, SMGH un yoğunluk dağılımını kararlı tutarak üstü açık ve kapalı durumlar için deneysel ve teorik olarak sıcaklık dağılımlarını elde edilecektir. Elde edilen sonuçlara göre sıcaklık dağılımlarının aylara göre bir karşılaştırması yapılacak ve güneş havuzunun üzerinin kapalı olması durumunda havuzun performansı incelenecektir. 6

17 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Doğal güneş havuzlarının keşfinden sonra benzer çalışma prensipleri kullanılarak yapay güneş havuzları oluşturulmaya başlanmıştır. Bu bölümde öncelikle doğal güneş havuzlarının keşfi daha sonra yapay güneş havuzlarının oluşturulması ve bunlarla ilgili günümüze kadar yapılan deneysel ve teorik çalışmalar sırasıyla ele alınmaya çalışılmıştır Doğal Güneş Havuzları Güneş havuzlarının doğada bulunan ilk benzeri Kalecksinsky tarafından 20.yy ın 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 kadar yükseldiğini ve ilkbaharda ise 26 ºC ye düştüğünü gözlemlemiştir. Daha sonra dünyanın birçok yerinde aynı özellikte göller bulunduğu tespit edilmiştir. Washington un kuzeyinde bulunan Orovillve de 2 m derinlikli meromictic sığ tuzlu gölde Anderson (1958) tarafından, yaz aylarında sıcaklığının 50 ºC olduğu gözlenmiştir. Wilson ve Wellman (1962) tarafından, yapılan gözlemlerde ise Antartika da yüzeyi buzla kaplı Vanda gölünde Aralık ayında çevre sıcaklığı -20 ºC iken 60 m lik derinlikte yaklaşık 25 ºC lik sıcaklık ölçülmüştür. Bununla birlikte, Venezuela yakınındaki Los Roqures adasındaki Pueblo gölünün, Antartika daki MC Murdo Sound bölgesinde bulunan Bonney gölünün güneş havuzu özelliğine sahip göllerden olduğu belirtilmiştir (Hodec ve Sonnenfield, 1974). Sinai Peninsula üzerindeki Eliat Güneş Gölü nün tabanında 48 ºC ye kadar sıcaklık artışı olduğu görülmüştür. Kaliforniya da Castle gölünde yapılan ölçümler yüzeyden itibaren 5 m lik derinlikte yaklaşık 20 ºC sıcaklık farkı olduğunu göstermiştir. Romanya da Baren Gölü, A.B.D de Salton Denizi, Büyük Tuz Gölü ve İsrail deki Ölü Deniz güneş havuzu özelliğine sahip doğal güneş havuzlarındandır(özek, 1985). Daha 7

18 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT sonra doğal güneş havuzlarına benzer olarak yapay güneş havuzları oluşturulmuştur Yapay Güneş Havuzları Yapay güneş havuzları fikri ilk kez 1948 yılında pratik uygulamalar için düşünülmeye başlanmıştır yılında güneş havuzlarından elektriksel güç elde edilmesi ve evlerin ısıtılması için ilk ciddi çalışmalar yapılmaya başlanmıştır ve ilk kez Dr. R. Bloch tarafından yapay tuz gradyentli güneş havuzu ile enerji depolanabileceğini belirtmiştir. Tabor 1958 de yapay güneş havuzu yapmış ve 1967 yılına kadar çalışmalarını sürdürmüştür. Çalışmalarında güneş havuzun depolama bölgesinin sıcaklığının 60 ºC ye kadar çıktığı gözlemlenmiştir. Bir başka çalışmasında ise 625 m 2 lik bir havuzda MgCl 2 tuzu kullanmış ve havuz sıcaklığının 96 ºC ye çıktığını gözlemiştir(tabor, 1961). İsrail in Hayfa şehrinde bir tuz bataklığı üzerinde kurulan 1375 m 2 yüzey alanlı 1.50 m derinlikli bir güneş havuzunda araştırmalar yapılmış ve havuzun en yüksek sıcaklığının 74 ºC ye çıktığı Tabor ve Matz (1965) tarafından gösterilmiştir. Havuzun dip bölgesinde meydana gelen bakteriyel bozulma sonucu oluşan gaz kabarcıklarının havuzdaki tuz yoğunluğunu bozduğu, havuzun performansını düşürdüğü ve bir süre sonra havuzun kullanılamaz hale geldiği belirtilmiştir yılında meydana gelen petrol krizinden sonra yenilenebilir enerji kaynakları üzerinde yapılan çalışmaların önem kazanmasıyla birlikte güneş havuzları ile ilgili çalışmalar da hız kazanmaya başlamıştır. Taylor tarafından yapılan çalışmalarda güneş havuzundan düşük sıcaklıklarda işlem suyu elde etmenin yanı sıra düşük sıcaklıklarda buharlaşabilen sıvılar kullanarak elektrik üretilmeye çalışılmıştır (Taylor, 1978). Yavne de 90 C sıcaklıkta çalıştırılmak üzere 1500 m 2 lik güneş havuzu ile beslenen ORMAT santralinde 6 kw lık turbo jeneratör kullanılmıştır da açılan bu santral dünyanın en büyük güneş güç santrali olarak bilinmektedir (Tabor,1981). Ein Bokek deki Ölü Deniz kenarında m 2, m 2 ve m 2 lik havuzlar yapılmış ve sırasıyla 150 kw, 5 MW ve 10 MW üretim kapasiteli santraller inşa edilmiştir (Gar, 1985). 8

19 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT Kayalı tarafından, 4.5 m x 4.5 m x 1.5 m boyutlarında bir güneş havuzunda yapılan ölçümler ve değerlendirmeler sonucunda verimliliğin %16 olduğu görülmüştür (Kayalı, 1980). Bu çalışmaya göre, güneş havuzlarının maliyetinin, düzlemsel topaçlara göre 2.5 kez daha ucuz olduğu, bakım ve onarımın daha kolay yapılabildiği saptanmıştır yılında 2.60 m x 2.60 m x 1.60 m boyutlarında bir güneş havuzu Özek (1985) tarafından kurulmuştur. Yapılan ölçümler sonucunda yazın en fazla 54.4 ºC e ve kışın ise en düşük 29 ºC e düştüğü görülmüştür. Kayalı (1986) tarafından 1984 yılında Çukurova Üniversitesi nde bir seranın ısıtılması için 10 m x 10 m x 2.5 m boyutlarında bir güneş havuzu yapılmıştır. Ölçümler yapılmış, matematiksel bir model geliştirilerek havuzun sıcaklık dağılımı önceden tahmin edilmeye çalışılmış ve deneysel verilerle uyum içinde olduğu görülmüştür. Bu havuz üzerinde Kurt (1989) tarafından yapılan çalışmalarda havuzun sıcaklığının kışın en düşük 28 ºC ve Ağustos ayında en yüksek 64 ºC olduğu görülmüştür. Tabor ve Doron (1990), tarafından 5 MW lık güneş havuzu ile çalışan bir güç santralinin yapısı ve deneme çalışmaları yapılmıştır. Santralin maliyet ve verim hesapları yapılmış gelecekte bu tip santrallerin maliyeti hakkında bilgi verilmiştir. Hassab ve arkadaşları (1991), tarafından küçük boyutlu güneş havuzlarında yan duvarların yaptığı etkiler araştırılmıştır. Yan duvarların meydana getirdiği gölgelenmenin küçük boyutlu güneş havuzlarında güneş enerjisinin toplanması ve depolanmasını büyük ölçüde etkilediği görülmüştür. Ayrıca güneş havuzlarında havuz tabanından yansıma, konveksiyonlu bölge kalınlığı, havuz kenarı ve eğim oranı gibi faktörlerin önemi analitik olarak gözden geçirilmiştir. 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 başlıcalarının, konvektif hareketler, havuz suyunun kimyasal ve biyolojik olarak kirlenmesi olduğu tespit edilmiştir. Zamanla konveksiyonsuz bölgelerde oluşan ara bölgelerin 9

20 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT konvektif hareketlere sebep olduğu saptanmıştır. Ayrıca alt ve üst konvektif bölgelerdeki konvektif hareketlerin konveksiyonsuz bölgeyi incelttiği görülmüştür. 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. Keren ve arkadaşları (1993), tarafından konvensiyonel ve geliştirilmiş düzeyli iki güneş havuzu sisteminin performansının teorik ve deneysel olarak karşılaştırılması yapılmıştır. Konvensiyonel tuz gradyentli güneş havuzu, gelişmiş düzeyli bir güneş havuzu gibi çalıştırılmıştır. Fiziksel deneylerle gelişmiş düzeyli bir güneş havuzu için gerekli akış sisteminin devamlılığı ve yapılabilirliği testi yapılmıştır. Gelişmiş düzeyli bir güneş havuzu ile tuz gradyentli bir güneş havuzunun performansı karşılaştırılmış ve gelişmiş düzeyli bir güneş havuzunun veriminin yüksek olduğu ve sabit bir akışkan tabakasının sürekli olabileceği gösterilmiştir. Böylece havuzdan ısı çekme alanı genişletilmiş ve konvektif bölgeden yukarı doğru iletilen ısı geri kazanılmaya çalışılmıştır. Subhakar ve Murthy (1994), tarafından inşa edilen doymamış güneş havuzlarında yoğunluk farklılıkları nedeniyle alt tabakalardan üst tabakalara doğru tuz difüzyonunun olduğu belirtilmiştir. Tuz difüzyonunun meydana getirdiği bozulan tuz gradyentinin korunmasının tuz gradyentli güneş havuzlarının en önemli problemlerinden biri olduğu söylenmiştir. Bu problemin üstesinden ancak, sıcaklık ile çözünürlüğü artan tuzun özellikleri dikkate alınarak havuzun bütün seviyelerinin tuz ile doymuş hale getirilmesiyle mümkün olabileceği belirtilmiştir. Böylece doymuş bir havuzun yoğunluk gradyentinin bölgesel sıcaklığa bağlı olarak kendisini sürdürebileceği bildirilmiştir. Çomaklı ve arkadaşları (1996), tarafından yapılan çalışmada Türkiye de kullanılan enerjinin çoğunun konut ısıtmak ve sıcak su elde etmek için kullanıldığı tespit edilmiştir. Bunlardan konutlarda kullanılan enerjinin %42 sinin düşük sıcaklık uygulamaları için kullanıldığı belirtilmiştir. Bu nedenle güneş enerjisinden 10

21 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT ısıl enerji üretmek için, güneş enerjisini etkin bir şekilde toplayan ve depolayan geniş ölçekli uygulamalar kullanılması gerektiği söylenmiştir. Kayalı ve arkadaşları (1998), tarafından dikdörtgen prizma şeklinde bir güneş havuzunun içindeki ve dışındaki her noktada sıcaklık değişimini zamanla verebilen kuramsal bir model önerilmiştir. Sonlu farklar yöntemine göre, model havuza bitişik toprakta ve tuzlu suyun tabakalara ayrılmış bölgeleri için bir ve iki boyutlu ısı denge denklemleri yazılmıştır. Bu denklemler bilgisayar kullanılarak bölge sıcaklıkları için çözülmüştür. Sonuç olarak, bir güneş havuzunun konveksiyonsuz bölgesinin kalınlığının 1.30 m den daha az olmaması gerektiği belirtilmiştir. 100 m 2 den daha büyük güneş havuzlarının kenar duvarlarında meydana gelen ısı kayıplarının havuzun performansına etki etmediği belirtilmiştir. Ouni ve arkadaşları (1998), tarafından Tunus un güneyinde El Bibane de kurulan bir güneş havuzunun geçici davranışını 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 bilgisayar programı önerilmiştir. Yaz aylarında ortalama 80 W/m 2 ve kış aylarında ise ortalama 19 W/m 2 ısı çekilebileceği belirtilmiştir. Alkhalaileh ve arkadaşları (1999), tarafından güneş havuzları ile taban ısıtma sistemi uygulaması yapılmıştır. Sistemin Ürdün iklim koşullarında kullanım potansiyelini araştırmak için matematiksel bir model ve bilgisayar programı geliştirilmiştir. Yapılan analizler, güneş havuzunun taban ısıtma sistemi ile kış mevsiminde en az iki ay ısınmayı % oranında karşıladığını göstermiştir. Kurt ve arkadaşları (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 kurulmuş ve 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. 11

22 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT 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. Rivera ve Romero (2000), tarafından güneş havuzları ile desteklenen bir ısı transformatörünün değerlendirilmesi yapılmıştır. Tek aşamalı su ve Lityum Bromit karışımı ile çalışan ısı transformatörü ile güneş havuzu kullanılmıştır. Güneş havuzundan sağlanan ısı ile sıcaklığın yükseltilmesi için kullanılan sistemin fizibilite çalışması yapılmıştır. Toplam sıcaklık artışı, kullanılabilir ısı ve performans katsayısı ısı transformatörü için sıcaklık ve yoğunluğa göre belirlenmiştir. Toplam sıcaklık artışı 44 C olarak sağlanmıştır. Su ve lityum Bromit karışımlı ısı transformatörü tarafından üretilen kullanılabilir ısı sıcaklığı 124 C olarak bulunmuştur. Maksimum performans katsayısı 0.16 olarak belirtilmiştir. Tek aşamalı cam ısı transformatörünün toplam sıcaklık artışının tuzlu su yoğunluğu, soğurucu ve buharlaştırıcı sıcaklıkları ile artmakta olduğu belirtilmiştir. Tahat ve arkadaşları (2000), tarafından küçük bir taşınabilir güneş havuzunun performansını hesaplama çalışması yapılmıştır. Deneysel güneş havuzu sistemi 32 kuzey enleminde bulunan yerleşim biriminde kurulmuştur. Güneş havuzunun duvarları 45 eğimli olarak yapılmıştır. Güneş havuzu 1.44 mm kalınlıklı çelik galvanizden yapılmıştır. Havuzun yüzeyi dairesel alanı 1 m 2 ve toplam derinliği ise 0.5 m dir. Güneş havuzunun derinliği ve tuz yoğunluğunun depolanan sıcaklık dağılımı üzerine etkisi deneysel olarak saptanmış ve teorik olarak yapılan tahminlerle karşılaştırılmıştır. Bir boyutlu analizler sonucunda küçük güneş havuzunun boyutlarının havuzun ısıl davranışına etkisi ortaya çıkarılmıştır. Küçük güneş havuzlarının ekonomik olarak uygulanabilir olduğu belirtilmiştir. Ayrıca taşınabilir olması, az yer kaplaması ve çevre dostu olması gibi avantajlarının olduğu söylenmiştir. Jaefarzadeh (2000), tarafından tuz gradyentli bir güneş havuzunun performansı incelenmiştir. Laboratuar boyutlarında bir güneş havuzunun performansı belirlenmeye çalışılmıştır. Yoğunluk ve sıcaklık profilleri gradyentli 12

23 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT bölgede deneysel olarak çıkarılmış ve teorik olarak çıkarılan profillerle uyum içinde olduğu görülmüştür. Düşük ve yüksek konvektif bölgelerin fiziksel karakteristikleri zamanla değiştirilmiştir. Alt konvektif bölgenin sıcaklığının yazdan kışa doğru düzenli olarak azalmakta ve üst konvektif bölgenin sıcaklığının yaklaşık olarak atmosfer sıcaklığına yakın olduğu belirtilmiştir. Güneş havuzlarının geniş bir alanlı kullanımında kararlı ve dinamik kararlılık koşullarının normal olarak memnun edici olduğu belirtilmiştir. Nielsen in denge sınır ölçütlerinin düşük yüzey durumunun açıklanmasında başarılı olduğu belirtilmiştir. Bununla birlikte yüzey tabakasında dolaşım sürecinin çok kompleks ve üst yüzey tanımlamasının bu basit eşitliklerle yapılmasının kolay olmadığı söylenmiştir. Rivera ve arkadaşları (2001), tarafından güneş havuzunda tek aşamalı lityum Bromit karışımı ile çalışan ileri soğurucu ısı transformatörleri kullanılarak havuzun sıcaklığının yükseltilmesi için çalışmalar yapılmıştır. Güneş havuzlarında üretilen ısıyı arttırmak ve havuzun sıcaklığını yükseltmek için ısı transformatörleri ile güneş havuzları birlikte kullanılmıştır. Sistemin performansını belirlemek için matematiksel bir model geliştirilmiştir. Tek aşamalı ısı transformatörü kullanarak güneş havuzunun sıcaklığını 0.48 performans katsayısı ile 50 ºC ye kadar ve çift aşamalı ısı transformatörü kullanarak 0.33 performans katsayısı ile 100 ºC ye kadar yükseltmenin mümkün olduğu görülmüştür. Hongfei ve arkadaşları (2002), tarafından tuz gradyentli güneş havuzlarının ısıl yararlanma katsayıları için matematiksel bir model geliştirilmiştir. Güneş havuzlarını oluşturan üç bölgenin enerji toplama ve depolama performansları düz güneş kolektörlerine benzer bir şekilde hesaplanmaya çalışılmıştır. Isıl yararlanma katsayısının matematiksel bir modeli önerilmiş ve bunu etkileyen birçok faktör tartışılmıştır. Yapılan analizler ısıl yararlanma katsayısının tanımının kullanılabilir enerji çıkışı hesaplamalarında, konveksiyonsuz bölgenin kalınlığının ve kullanılma durumunun kararlaştırılmasında birçok rahatlık sağladığını göstermektedir. Bu nedenle ısıl yararlanma katsayısının güneş havuzları için pratik uygulamalarda önemli bir parametre olduğu belirtilmiştir. Agha ve arkadaşları (2002), tarafından tuz gradyentli güneş havuzları ile buharlaşma havuzunun birlikte düşünüldüğü bir sistem oluşturulmuştur. Tuz 13

24 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT gradyentli güneş havuzu alanı için buharlaşma havuzu alanının oranını önceden bileceğimiz basit bir matematiksel model geliştirilmiştir. Buharlaşma havuzu fikrinin özellikle buharlaşmanın yüksek olduğu ve yağmurun az olduğu Kuzey Afrika gibi ülkeler için buharlaşmayla kaybolan tuzun geri kazandırılmasında etkileyici bir metot olduğu belirtilmiştir. Bu modelde iki tür yüzey kullanılmaktadır. Bunlar; Tripoli-Libya koşullarında su ile temizlenen yüzey ve buharlaşma oranının hesaplandığı yüzeydir. Yaz koşullarında su ile yüzeyin temizlendiği durumlar için yüzey alanları oranı yaklaşık 0.17 olarak tahmin edilmektedir. Deniz suyu kullanıldığında bu oran ciddi miktarda artmakta yaklaşık olarak 14.4 olmaktadır. Zamanla azalan tuz konsantrasyonunu yükseltmek için çok yoğun tuzlu su konsantrasyonu havuzun tabanına enjekte edilmektedir. Tuz konsantrasyonunu %3.5 den %35 e yükseltme süresi yaz aylarında yaklaşık olarak gün, kış aylarında ise gün gerektirmektedir. Havuzun depolama bölgesinden ısı kayıplarının çok az olması için yüksek konsantrasyonlu tuzlu suyun enjekte edilme zamanı öğle sonu saat 14:30 olarak tahmin edilmiştir. Husain ve arkadaşları (2003), tarafından tuz gradyentli güneş havuzlarının ısıl performansının geliştirilmesi için en iyi konveksiyonsuz bölge kalınlığının belirlenmesi konusunda çalışma yapılmıştır. Güneş havuzları istenilen sıcaklığa ulaştığında etkili olabilmektedir. Bu en iyi konveksiyonsuz bölge kalınlığını gerektirmektedir. Hızlı sıcaklık artışı için en iyi konveksiyonsuz bölge kalınlığı hesaplanmıştır. Güneş havuzunun çalışması sırasında ilk önce sıcaklık artış oranı kritik olduğunda konveksiyonsuz bölge kalınlığı en iyi değerinde olmalıdır ama daha sonra kararlı durum için en iyi konveksiyonsuz bölge kalınlığı değeri değiştirilebilir. Yapılan deneysel çalışma, geniş güneş havuzları için konveksiyonsuz bölgenin kalınlığındaki artışın ilk sıcaklık artışından sonra kullanışlı olabileceğini göstermektedir. Husain ve arkadaşları (2003), tarafından tuz gradyentli güneş havuzunun bilgisayar simülasyonu yapılmıştır. Konveksiyonsuz bölge için temel olarak yazılan ısı akışı eşitliği Crank-Nicholsen metodu kullanılarak sınırlı diferansiyel yaklaşımlar ile çözülmüştür. Kararlılık ve birleştirme metotları, özellikle güneş havuzları için geniş derinlik farkları ve zaman farkları için incelenmiştir. Gerçek 14

25 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT uygulamalarla ilgili diğer matematiksel yönlerde araştırılmıştır. Havuzun performansına atmosfer verilerinin girişlerinin etkisi de incelenmiştir. Üst konvektif bölgeden ısı kayıplarının farklı hesaplamaları uzun zaman için havuzun performansı ile karşılaştırılmıştır. Havuzun tabanı ve yüzeyi arasındaki çoklu yansımaların sonucu radyasyon akışının hesaplanması için basit bir metot önerilmiştir. Bu metot simülasyon için kullanıldığında zaman kazandırmaktadır ve elle hesaplamalar içinde uygun olduğu belirtilmiştir. Ouni ve arkadaşları (2003), tarafından Tunus un güneyinde tuz gradyentli güneş havuzlarının kontrolünün simülasyonu yapılmıştır. Kapalı devirli tuz gradyentli güneş havuzu için yıllık uygulamada başarılı bir model geliştirilmiştir. Bu model güneş havuzları için kullanılmıştır. Tuz gradyentli bölgenin kararlılığı ve gradyentli bölge ile konvektif bölge sınırlarında ki davranışlar incelenmiştir. Diferansiyel eşitlikler nümerik olarak çözüldü. Sonuçlar güneş havuzlarının başarılı uygulanabilmesi için; depolama bölgesinin sıcaklığının ve yoğunluğunun sabit tutulması, yüzeyin yıkanmasının kontrollü olarak yapılması ve gradyentli bölgenin kararlı tutulması gerekmektedir. Nümerik hesaplamalar %10-30 verimlilik olduğunu göstermektedir. Husain ve arkadaşları (2004), tarafından güneş havuzlarında radyasyon değişimi düşüncesi hakkında basit metotlar önerilmiştir. Güneş havuzlarında belirli bir derinlikte kullanılabilir net radyasyon için iki basit formül önerilmektedir. Bunlardan ilki Bryant ve Colbeck in (1977) geliştirdiği formülü, diğer formül ise ampirik dördüncü dereceden polinom fonksiyonudur. Formüllerin doğruluğunun karşılaştırılması için Hull (1982) 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 programlama daha kolay olmaktadır. Husain ve arkadaşları (2004), tarafından tuz gradyentli güneş havuzunun kararlı durumda ki ısıl verimliliğine taban yansımasının ve bulanıklığın etkisi araştırılmıştır. Yansıma güneş radyasyonu kayıplarına yol açmaktadır. Bulanıklık güneş radyasyonunun yayılmasını engellemektedir. Bu nedenle bulanıklık ve taban 15

26 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT yansımasının güneş havuzunun verimliliğini azalttığı açıktır. Taban yansıması ve suyun bulanıklığının belirli bir sınır içinde tutulması havuzun verimini arttırmaktadır. Taban yansıması ve bulanıklığın birleştirilerek düşünülmesi ikisinin etkisinin belirli sınırlarda telafi edilebilir olduğunu göstermektedir. Taban yansıması sudaki bulanıklığın en uygun olduğu değerde havuzun boyutlarına bağlıdır ve bulanıklığın olmadığı durumlardan daha verimlidir. Bu uygun bulanıklık oranı taban yansımasını karşılamaktadır. 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. B.A. Jubran ve arkadaşları (2004), tarafından güneş havuzunun yan duvarlarının konvektif bölgeler üzerindeki etkisini önceden belirleyebilmek için üç boyutlu sonlu farklar yöntemini kullanarak nümerik bir çalışma yapılmıştır. Güneş havuzunun yan duvarlarının eğimli yapılması ile toprakla temas eden yüzey azaltılabileceğinden toprağa olan ısı kayıpları ve gölgelenmenin azalacağı söylenmiştir. Yapılan nümerik hesaplamalar ile eskiden yapılmış deneysel çalışmalar karşılaştırılmış yan duvarların eğiminin konvektif bölgeleri büyük ölçüde etkilediği belirtilmiştir. Mansour ve arkadaşları (2004), tarafından tuz gradyentli güneş havuzlarında ısı, kütle transferi ve havuzun kararlılığı problemi için nümerik olarak üç boyutlu bir model geliştirilmiştir. Nümerik olarak hesaplanan sonuçlar yapılan deneysel çalışmaların sonuçları ile karşılaştırılmış ve uyum içinde oldukları görülmüştür. Yapılan deneysel çalışmalar hava koşullarının havuz sıcaklığını önemli ölçüde etkilediği gibi havuzun kararlılığını da etkilediğini ortaya koymuştur. Havuzun saydamlığının, havuzun kararlılığında önemli bir etkiye sahip olduğu ve havuz 16

27 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT yüzeyinin açık olması yüzeyden ısı kayıpları nedeniyle havuzun ısınmasını ve havuzun kararlılığını etkilediği belirtilmiştir. Jaefarzadeh (2004), tarafından küçük bir güneş havuzunun duvar gölgelemesi etkisi ile ısıl davranışı incelenmiştir. Isı iletimi eşitlikleri konveksiyonsuz bölge için üst ve alt konvektif bölgenin sınır koşulları ile nümerik olarak çözüldü. Bir yıl boyunca güneş radyasyonu değişiklikleri ve derinlikle güneş radyasyonunun değişimi tartışıldı. Önerilen model, düşey duvar alanı gölgelemesinin havuzun güneşlenme alanına etkisini içermektedir. Depolama bölgesindeki sıcaklık değişimi teorik olarak hesaplanmış ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler güneş havuzunun performansına duvar gölgelemesinin etkisi kadar yan ve taban yalıtımı ve konveksiyonsuz bölgenin kalınlığının da önemli olduğunu göstermektedir. Küçük güneş havuzlarında yapılan ısı depolama uygulamalarında verimlilik %10 olarak verilmektedir. Dah ve ark. (2005), tarafından tuz gradyentli model bir güneş havuzunda sıcaklık değişimi ve yoğunluk profili deneysel olarak araştırılmıştır. Deneysel çalışmada 1 m yüksekliğinde 0.9 m çapında silindirik plastik bir tank kullanılmıştır. Silindirik tank yalıtılmış, siyaha boyanmış ve tuz gradyenti laboratuarda oluşturulmuştur. Güneş radyasyonu 2000 W lık projektör kullanılarak taklit edilmiştir. Deneysel veriler 28 gün süresince alınmıştır. Depolama bölgesindeki maksimum sıcaklık 45 ºC olarak ölçülmüştür. Projektör yerleştirildiğinde havuzun tabanı ile yüzeyi arasındaki sıcaklık farkı 17 ºC iken projektör kaldırıldığında sıcaklık farkının 23 ºC olduğu görülmüştür. Sıcaklık ve yoğunluk profilleri karşılaştırıldığında Newell in deneysel hesaplamaları ile uyum içinde oldukları görülmüştür. Angeli ve Leonardi (2005), tarafından tuz gradyentli güneş havuzlarında NaCl difüzyonu bir boyutlu matematiksel model kullanılarak araştırılmıştır. Geliştirilen model, ısıl difüzyonu ve aynı zamanda mümkün olan tuz gradyentli bölgenin alt kısmına derişik tuzlu su enjeksiyonu etkisini içermektedir. Geliştirilen model ısıl difüzyon ile moleküler difüzyonun aynı yönde olduğunu göstermektedir. Moleküler difüzyon, tuz gradyentli bölgede bozulmalara neden olmaktadır. Tuz 17

28 2.ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İsmail BOZKURT gradyentli bölgedeki bozulmaların, sıcaklık gradyenti ve tuz konsantrasyonu yüksek olduğunda daha fazla olduğu görülmüştür. 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 2 yüzeyli ve 1.5 m 2 derinlikli yalıtımlı bir güneş havuzu Çukurova Üniversitesinde inşa edilmiştir. Güneş havuzu tuzlu su ile üç bölge olarak oluşturulmuştur. Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları boyunca geliştirilen ölçüm sistemi ile 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. Bugüne kadar yapılan bu çalışmalar ışığında, tasarımı ve yapımı gerçekleştirilen yalıtımlı ve üstü kapalı silindirik model bir güneş havuzunun performansı incelenecektir. 18