ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ DOKTORA TEZİ İsmail BOZKURT GÜNEŞ TOPLAÇLARI VE HAVUZDAN OLUŞAN ENTEGRE BİR SİSTEMİN PERFORMANSININ İNCELENMESİ FİZİK ANABİLİM DALI ADANA, 2012

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GÜNEŞ TOPLAÇLARI VE HAVUZDAN OLUŞAN ENTEGRE BİR SİSTEMİN PERFORMANSININ İNCELENMESİ İsmail BOZKURT DOKTORA TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI Bu tez 25/01/2012 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir....... Yrd.Doç.Dr.Mehmet KARAKILÇIK Prof.Dr. Refik KAYALI Prof. Dr. Metin ÖZDEMİR DANIŞMAN ÜYE ÜYE.. Doç.Dr.Ahmet PINARBAŞI ÜYE.... Yrd.Doç.Dr. Zeki KURT ÜYE Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No:... Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL Enstitü Müdürü Bu Çalışma Ç.Ü. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir. Proje No: FEF2009D2 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.

ÖZ DOKTORA TEZİ GÜNEŞ TOPLAÇLARI VE HAVUZDAN OLUŞAN ENTEGRE BİR SİSTEMİN PERFORMANSININ İNCELENMESİ İsmail BOZKURT ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ FİZİK ANABİLİM DALI Danışman : Yrd. Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yıl: 2012, Sayfa: 119 Jüri: : Yrd. Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK : Prof. Dr. Refik KAYALI : Prof. Dr. Metin ÖZDEMİR : Doç. Dr. Ahmet PINARBAŞI : Yrd. Doç. Dr. Zeki KURT Bu çalışmada, 0,80 m yarıçapında, 2 m derinliğinde ve 1,90 m x 0,90 m boyutlarında dört düzlemsel güneş toplacına sahip entegre bir güneş havuzu sistemi yapılmıştır. Silindirik kabuk şeklindeki ısı eşanjör sistemi güneş havuzunun Depolama Bölgesine yerleştirilmiştir. Isı eşanjör sistemi güneş toplaçlarına bağlanmıştır. Düzlemsel güneş toplaçları tarafından toplanan ısı enerjisi eşanjör sistemi kullanılarak Depolama Bölgesine aktarılmaktadır. Sıcaklık sensörleri düşey olarak güneş havuzunun içine ve eşanjörün giriş-çıkışlarına yerleştirilmiştir. Güneş havuzunun bölgeleri ve ısı eşanjör sisteminin giriş-çıkış sıcaklıkları saatlik olarak kaydedilmiştir. Mayıs 2010 dan Ekim 2011 e kadar sürekli olarak güneş havuzunun hem yoğunluk hem de sıcaklık dağılımları ölçülmüştür. Sıcaklık ve yoğunluk dağılımları entegre olan ve entegre olmayan güneş havuzu için elde edilmiştir. Entegre güneş havuzunun Depolama Bölgesindeki ani sıcaklık artışına rağmen güneş havuzunun tuz gradyenti kararlı olmaktadır. Ayrıca, entegre olan ve entegre olmayan güneş havuzunun performanslarını belirlemek için entegre güneş havuzunun enerji eşitlikleri çıkarılmıştır. Entegre olan ve entegre olmayan güneş havuzunun verimleri deneysel olarak hesaplanmıştır. Sonuç olarak, entegre olan ve entegre olmayan güneş havuzunun enerji verimleri sırasıyla, Ağustos ayında maksimum % 33,55 ve % 28,41 olarak, Ocak ayında minimum % 9,48 ve % 8,28 olarak görülmüştür. Sonuçlar, sistemin sağlıklı bir biçimde çalışabileceğini uygun boyut ve özelliklere sahip bir entegre güneş havuzunun konutlarda veya endüstride gereksinim duyulan ısıtma ve işlem suyunu elde etmek amacıyla kullanılabileceğini göstermektedir. Anahtar Kelimeler: Güneş havuzları, güneş toplaçları, ısı depolaması, ısı transferi I

ABSTRACT PhD. THESIS INVESTIGATION OF THE PERFORMANCE OF THE INTEGRATED SOLAR COLLECTOR AND POND SYSTEM İsmail BOZKURT CUKUROVA UNIVERSITY INSTITUTE OF NATURAL APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSICS Supervisor: Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Year: 2012, Pages: 119 Jury : Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK : Prof. Dr. Refik KAYALI : Prof. Dr. Metin ÖZDEMİR : Assoc. Prof. Dr. Ahmet PINARBAŞI : Asst. Prof. Dr. Zeki KURT In this work, a solar pond system having a radius of 0.80 m, a depth of 2.0 m integrated with four flat plate collectors with dimensions of 1.90 m x 0.90 m was constructed. A cylindrical shell heat exchanger system was placed in the Heat Storage Zone of the solar pond. The heat exchanger system was connected to the flat plate collectors. The heat energy collected from the flat plate collectors was transferred to the Heat Storage Zone by using the heat exchanger system. Temperature sensors were placed vertically inside of the solar pond and at the inlet and the outlet of the heat exchanger. The temperature of the solar pond s zones and the inlet and the outlet temperatures of the heat exchanger have been recorded by using a computer program. Both the density and the temperature distribution of the solar pond was measured from May, 2010 until November, 2011. The density and the temperature distribution of the integrated and non-integrated solar pond was obtained. In spite of sudden temperature increase in the Heat Storage Zone of the integated solar pond, the salinity gradient of the solar pond has been stable. Furthermore, the energy balance equations of the integrated solar pond were derived to determine the heat storage performance of the integrated and non-integrated solar pond. The integrated solar pond and the non-integrated solar pond s efficiencies were calculated experimentally. As a result, the energy efficiencies of the integrated solar pond and the non-integrated solar pond were observed for the maximum as 33.55 % and 28.41 % in August, for the minimum as 9.48 % and 8.28 % in January, respectively. The results show that the integrated solar pond system works properly, and an integrated pond with suitable dimensions and properties can be used to obtain hot water for domestic and industrial use. Key Words: Solar ponds, solar collectors, thermal storage, thermal transfer II

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 sonsuz teşekkürlerimi sunarım. Çalışmalarım süresince tavsiyelerini, önerilerini ve yardımlarını eksik etmeyen Doç. Dr. Ahmet PINARBAŞI ve Yrd. Doç. Dr. Zeki KURT a 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. Ayrıca çalışmalarım sırasında sabır ve hoşgörüsünü hiçbir zaman esirgemeyen, her türlü maddi ve manevi destek olan eşime ve oğluma sonsuz teşekkürlerimi sunarım. III

İÇİNDEKİLER SAYFA ÖZ...I ABSTRACT... II TEŞEKKÜR... III İÇİNDEKİLER.....IV ÇİZELGELER DİZİNİ... VIII ŞEKİLLER DİZİNİ... X SİMGELER VE KISALTMALAR... XIV 1. GİRİŞ... 1 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR... 7 2.1. Güneş Havuzları... 7 2.2. Güneş Toplaçları... 16 2.3. Entegre Sistemler... 21 3. GÜNEŞ HAVUZLARI... 25 3.1. Güneş Enerjisi... 25 3.2. Güneş Açıları... 27 3.2.1. Eğim Açısı (Denklinasyon, δ d )... 29 3.2.2. Saat Açısı (ω)... 30 3.2.3. Güneş Yükseklik Açısı (α)... 31 3.2.4. Güneş Azimut Açısı (z)... 31 3.3. Güneş Havuzunun Yapısı... 32 3.3.1. Havuz Yüzeyine Gelen Güneş Enerjisi... 32 3.3.2. Güneş Radyasyonunun Havuz İçinde Geçişi... 33 3.3.3. Güneş Enerjisinin Tuzlu Suda Soğurulması... 34 3.3.4. Güneş Enerjisinin Havuz İçerisinde Yansıması... 35 3.4. Güneş Havuzlarında Güneşin Ortalama Konumunun Etkisi... 35 3.5. Güneş Havuzlarında Yan Duvar Gölgelemesi... 38 3.6. Güneş Havuzlarında Tuz Yoğunluğu Eğiminin Kararlılığı... 38 3.7. Tuzlu Suyun Isıl İletkenliği... 39 3.8. Tuzlu Suyun Optik Özellikleri... 40 IV

3.9. Tuzlu Suyun Isı Kapasitesi... 41 3.10. Güneş Havuzlarında Isı Akışı... 42 4. GÜNEŞ TOPLAÇLARI... 45 4.1. Sabit Güneş Toplaçları... 45 4.1.1. Düzlemsel Güneş Toplaçlar... 45 4.1.2. Bileşik Parabolik Toplaçlar... 48 4.1.3. Boşaltılmış Tüp Toplaçlar... 49 4.2. Güneşi Takip Ederek Odaklayan Toplaçlar... 49 4.3. Su Dolaşımlı Düzlemsel Güneş Toplaç Sistemleri... 50 4.3.1. Tabii Dolaşımlı Sistemler... 51 4.3.2. Pompalı Sistemler... 52 4.3.3. Açık Sistemler... 53 4.3.4. Kapalı Sistemler... 54 5. MATERYAL VE METOD... 55 5.1. Materyal... 55 5.1.1. Yalıtımlı Silindirik Model Güneş Havuzu... 55 5.1.2. Silindirik Model Güneş Havuzunun Isı Yalıtımı... 56 5.1.3. Silindirik Model Güneş Havuzunun İç Yapısı ve Tuz Yoğunluklu Tabakaların Oluşturulması... 56 5.1.4. Tuz Yoğunluğunu Ölçme Sistemi... 57 5.1.5. Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sistemi... 58 5.1.6. Sıcaklık Dağılımını Ölçme Sistemi... 59 5.1.7. Düzlemsel Güneş Toplaçları... 61 5.1.8. Isı Eşanjör Sistemi... 61 5.2. Metod... 63 5.2.1. Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sisteminin Çalışma Prensibi... 63 5.2.2. Güneş Havuzuna Gelen Radyasyonun Soğurulması... 65 5.2.3. Havuza Gelen Radyasyonun Derinlikle Azalması... 66 5.2.4. Isı Eşanjör Sisteminin Çalışma Prensibi... 67 5.2.5. J Tipi Isıl Çift, Dönüştürücü Kart ve Program... 67 5.2.6. Güneş Toplaçları ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistem... 68 V

5.2.7. Entegre Sistemin Enerji Eşitlikleri... 70 6. BULGULAR VE TARTIŞMA... 75 6.1. Aylık Ortalama Güneş Radyasyonu... 75 6.2. Güneş Havuzunun Aylık Ortalama Güneşlenme Oranı... 76 6.3. Aylık Ortalama Çevre Sıcaklığı... 77 6.4. Silindirik Model Güneş Havuzunun Yoğunluk Dağılımı... 78 6.5. Silindirik Model Güneş Havuzunun Sıcaklık Dağılımı... 80 6.6. Güneş Toplaçları ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistemle Yapılan Deneyler.. 84 6.6.1. Bir Güneş Toplacı ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistem... 84 6.6.2. İki Güneş Toplacı ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistem... 86 6.6.3. Üç Güneş Toplacı ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistem... 88 6.6.4. Dört Güneş Toplacı ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistem... 90 6.7. Güneş Toplaçları ve Havuzdan Oluşan Entegre Sistem... 94 7. SONUÇLAR VE ÖNERİLER... 109 KAYNAKLAR... 111 ÖZGEÇMİŞ... 119, VI

VII

ÇİZELGELER DİZİNİ SAYFA Çizelge 6.1. Güneş havuzu ve bir toplaçtan oluşan sistemin yoğunluk değişimi...85 Çizelge 6.2. Güneş havuzu ve iki toplaçtan oluşan sistemin yoğunluk değişimi...87 Çizelge 6.3. Güneş havuzu ve üç toplaçtan oluşan sistemin yoğunluk değişimi....89 Çizelge 6.4. Güneş havuzu ve dört toplaçtan oluşan sistemin yoğunluk değişimi...91 Çizelge 6.5. Entegre güneş havuzu sisteminin bir yıllık yoğunluk dağılımı 104 VIII

IX

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA Şekil 1.1. Küresel sıcaklık artışı 1850-2006 (Shein ve ark., 2006)... 2 Şekil 3.1. Zaman denkleminin günlere göre değişimi (Kalogirou, 2009)... 26 Şekil 3.2. Dünyanın güneş etrafındaki bir yıllık hareketi (Kalogirou, 2009)... 28 Şekil 3.3. Güneş eğim açısı, saat açısı ve boylamı (Kalogirou, 2009)... 30 Şekil 3.4. Güneş eğim açısının hesaplanan değerleri (Kalogirou, 2009)... 30 Şekil 3.5. Temiz su ile farklı yoğunluklarda hazırlanan tuzlu suyun görünür bölgede % geçirgenlikleri... 40 Şekil 3.6. Entegre güneş havuzunun bir yıllık ısı kapasitesi değişimi... 42 Şekil 4.1. Düzlemsel güneş toplacının kesiti (Tezcan, 2001)... 46 Şekil 4.2. Tabii dolaşımlı açık sistemin görünümü... 51 Şekil 4.3. Pompalı kapalı sistemin şematik görünümü... 52 Şekil 4.4. Pompalı açık sistemin şematik görünümü... 53 Şekil 4.5. Tabii dolaşımlı kapalı sistemin şematik görünümü... 54 Şekil 5.1. Silindirik model güneş havuzunun iç bölgeleri... 57 Şekil 5.2. Tuz yoğunluğu eğimini koruma sistemi... 59 Şekil 5.3. Sıcaklık sensörünün görünümü... 60 Şekil 5.4. Dönüştürücü kartın görünümü... 60 Şekil 5.5. Sıcaklık değerlerini kaydeden programın görünümü... 60 Şekil 5.6. Isı eşanjör sistemi... 61 Şekil 5.7. Isı eşanjör sisteminin fotoğrafı... 62 Şekil 5.8. Sıcaklık ölçüm sisteminin şematik görünümü... 68 Şekil 5.9. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistem... 69 Şekil 5.10. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin fotoğrafı... 69 Şekil 6.1. 2010 yılı aylık toplam güneş radyasyonu (Meteoroloji Bölge Müdürlüğü, Adana)... 76 Şekil 6.2. Güneş havuzunu oluşturan bölgelerin aylık ortalama güneşlenme oranı. 77 Şekil 6.3. Meteorolojiden alınan sıcaklık verileri ile havuzun hemen üstünde ölçülen sıcaklık verilerinin bir yıllık karşılaştırılması... 78 Şekil 6.4. Silindirik model güneş havuzunun yoğunluk dağılımı... 79 X

Şekil 6.5. Güneş havuzunun Haziran ayı günlük sıcaklık değişimleri... 81 Şekil 6.6. Güneş havuzunun Temmuz ayı günlük sıcaklık değişimleri... 81 Şekil 6.7. Güneş havuzunun Ağustos ayı günlük sıcaklık değişimleri... 82 Şekil 6.8. Güneş havuzunun Eylül ayı günlük sıcaklık değişimleri... 83 Şekil 6.9. Güneş havuzu bölgelerinin aylık ortalama sıcaklık değişimleri... 83 Şekil 6.10. Güneş havuzu ve bir toplaçtan oluşan entegre sistemin sıcaklık dağılımı... 85 Şekil 6.11. Soğutma sırasında eşanjör giriş-çıkış ve DB nin sıcaklık değişimi (Bir güneş toplacı kullanıldığında)... 86 Şekil 6.12. Güneş havuzu ve iki toplaçtan oluşan entegre sistemin sıcaklık dağılımı... 87 Şekil 6.13. Soğutma sırasında eşanjör giriş-çıkış ve DB nin sıcaklık değişimi (İki güneş toplacı kullanıldığında)... 88 Şekil 6.14. Güneş havuzu ve üç toplaçtan oluşan entegre sistemin sıcaklık dağılımı... 89 Şekil 6.15. Soğutma sırasında eşanjör giriş-çıkış ve DB nin sıcaklık değişimi (Üç güneş toplacı kullanıldığında)... 90 Şekil 6.16. Güneş havuzu ve dört toplaçtan oluşan entegre sistemin sıcaklık dağılımı... 91 Şekil 6.17. Soğutma sırasında eşanjör giriş-çıkış ve DB nin sıcaklık değişimi (Dört güneş toplacı kullanıldığında)... 92 Şekil 6.18. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan sistemde depolanan enerjiler... 93 Şekil 6.19. Kullanılan güneş toplaçları sayısına göre Eylül ayının ilk günleri için entegre sistemin enerji verimi... 94 Şekil 6.20. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Ekim ayı günlük sıcaklık değişimleri... 95 Şekil 6.21. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Kasım ayı günlük sıcaklık değişimleri... 96 Şekil 6.22. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Aralık ayı günlük sıcaklık değişimleri... 97 Şekil 6.23. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Ocak ayı XI

günlük sıcaklık değişimleri... 98 Şekil 6.24. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Şubat ayı günlük sıcaklık değişimleri... 98 Şekil 6.25. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Mart ayı günlük sıcaklık değişimleri... 99 Şekil 6.26. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Nisan ayı günlük sıcaklık değişimleri... 100 Şekil 6.27. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Mayıs ayı günlük sıcaklık değişimleri... 101 Şekil 6.28. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Haziran ayı günlük sıcaklık değişimleri... 101 Şekil 6.29. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Temmuz ayı günlük sıcaklık değişimleri... 102 Şekil 6.30. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Ağustos ayı günlük sıcaklık değişimleri... 103 Şekil 6.31. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin Eylül ayı günlük sıcaklık değişimleri... 103 Şekil 6.32. Güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre sistemin bir yıl boyunca ortalama sıcaklık dağılımı... 105 Şekil 6.33. Entegre güneş havuzu sistemi (EGH) ile güneş havuzunu (GH) oluşturan bölgelerin aylara göre ortalama sıcaklıklarının karşılaştırılması... 106 Şekil 6.34. Entegre güneş havuzu sistemi (EGH) ile entegre olmayan güneş havuzunun (GH) aylara göre verimlerinin karşılaştırılması... 106 XII

XIII

SİMGELER VE KISALTMALAR A : İki tabaka arasındaki yüzeyin alanı a : Ortalama güneş-dünya arası uzaklık A DB A YB : DB nin güneş alan yüzey alanı : YB nin güneş alan yüzey alanı A ÜKB : ÜKB nin güneş alan yüzey alanı AKB : Alt Konvektif Bölge BB : Bölgesel boylam BSZ : Bölgesel standart zaman C : Tuz derişimi C p D DB : Isı kapasitesi : Tuzun difüzyon katsayısı : Depolama Bölgesi EGH : Entegre Güneş Havuzu e : Dünyanın dış eksenliliği E gh E gt E r F F δ G g ar G gs : Havuz yüzeyine gelen güneş enerjisi : Güneş toplaçlarının yüzeyine gelen güneş enerjisi : Radyasyon sabiti : Fresnel katsayısı : Yüzeyde soğurulan güneş enerjisi kesri : Gölgeleme uzunluğu : Net atmosferik radyasyon akısı : Güneş sabiti GGZ : Gerçek güneş zamanı GH : Güneş Havuzu GI : Gün ışığı tasarrufu G on g sr h konv I λ (x) : Yüzeyin normaline gelen enerji : Yüzey suyunun gerisindeki radyasyon akısı : Isı taşınım katsayısı : λ dalga boylu ışık demetinin x derinliğindeki şiddeti XIV

I i I s I x k k su k ts k y L DB L YB : i. zaman aralığında ortalama güneş radyasyonu : Yüzeye düşen ışının suya giren miktarı : x derinliğindeki ışın : Isı iletim katsayısı : Suyun ısı iletim katsayısı : Tuzlu suyun ısı iletkenlik katsayısı : Yalıtım malzemesinin ısı iletim katsayısı : Depolama bölgesinin kalınlığı : YB nin kalınlığı L ÜKB : ÜKB nin kalınlığı m& : Kütle akış hızı N : Toplaç sayısı n : Yılın günleri P : Basınç Q alt : Bir alt tabakadan gelen enerji Q ÜKB : ÜKB de depolanan toplam enerji Q ÜKB,g : ÜKB ye güneşten gelen enerji Q YB : YB de depolanan toplam enerji Q YB,g : YB ye ulaşan güneş enerjisi Q DB Q gt,y : DB de depolanan toplam enerji : Güneş toplaçları tarafından DB ye aktarılan yararlı ısı enerjisi Q DB,g : DB ye ulaşan güneş enerjisi Q tb Q üst Q yd Q YB : Tabandan ısı kayıpları : Bir üst tabakaya ısı kayıpları : Yan duvardan ısı kayıpları : YB de depolanan toplam enerji Q YB,g : YB ye ulaşan güneş enerjisi Q alt : Bir alt tabakadan gelen enerji Q ÜKB : ÜKB de depolanan toplam enerji Q ÜKB,g : ÜKB ye güneşten gelen enerji Q net : Havuzda depolanan toplam enerji XV

R : Güneşin dünyaya olan uzaklığı R B r dış r iç SB T T h T g T ç T YB : Güneş ışınımı eğim faktörü : Havuzun dış yarıçapı : Havuzun iç yarıçapı : Standart boylam. : Sıcaklık : Havuz çevresindeki hava sıcaklılığı : Eşanjör giriş sıcaklığı : Eşanjör çıkış sıcaklığı : YB nin ortalama sıcaklığı T ÜKB : ÜKB nin ortalama sıcaklığı U : Yüzeyden havaya olan ısı kayıpları ÜKB : Üst Konvektif Bölge YB : Yalıtım Bölgesi z : Yüzeyin azimut açısı ZD : Zaman denklemi. ω : Güneş saat açısı ω 1 ω 2 β : Güneşin yükselme saati : Güneşin batış saati : Güneş ışınının suya giriş oranı φ γ δ d φ α τ α i x α et θ y : Güneş toplaçlarının eğim açısı : Enlem açısı : Eğim açısı (denklinasyon) : Zenit açısı : Yükseklik açısı : Geçirme katsayısı : Güneş yüksekliğinin fonksiyonu : Havuzun düşey doğrultudaki derinliği : Günlük olarak ortalama aylık güneş radyasyon açısının etkisi : Yansıma açısı XVI

ρ : Yoğunluk µ : Etkin soğurma katsayısı ν : Tuzlu suyun viskosluk katsayısı α tuz λ m q gr q b q i T x t : Tuzlu suyun ısısal difüzyon katsayısı : Maksimum dalga boyu : Yansımadan sonraki net güneş radyasyonu akısı : Buharlaşma ısı akısı : İletimle ısı akısı : Tabakalar arasındaki sıcaklık farkı : İki tabakanın orta noktaları arasındaki uzaklık : Belirli bir zaman aralığı XVII

1. GİRİŞ İSMAİL BOZKURT 1. GİRİŞ Yenilenebilir enerji kaynakları; çevre dostu ve sonsuzdur. Yenilenebilir olmayan enerji kaynakları ise hem çevreye zarar vermekte hem de dünyamızda sınırlı miktarda bulunmaktadır. Dünya petrol rezervinin 1200 milyar varil (2005) ve doğal gaz rezervinin ise 180 trilyon m 3 (2004) olduğu tahmin edilmektedir. Günümüzde petrol üretimi günlük 80 milyon varil ve doğal gaz üretimi günlük 7,36 milyar m 3 kadardır. Bu nedenle dünya petrol rezervinin önümüzdeki 41 yıl için doğal gaz rezervinin ise 67 yıl için yeterli olabileceği tahmin edilmektedir. Kömür için durum biraz daha iyi olmakla birlikte bugünkü kömür rezervlerinin de 230 yıl içinde tükeneceği beklenmektedir (Goswami, 2007). Fosil yakıtların yakılması, ormansızlaşma, arazi kullanımı değişiklikleri, tarımsal etkinlikler ve sanayi süreçleri ile atmosfere salınan sera gazlarının atmosferdeki birikimleri, sanayi devriminden beri hızla artmaktadır. Bu ise, atmosferin doğal sera etkisini kuvvetlendirerek, şehirleşmenin de katkısıyla, dünyanın yüzey sıcaklıklarının artmasına neden olmaktadır. (Sekizinci Beş Yıllık Kalkınma Planı, 2000). Amerika da ki Ulusal Okyanus ve Atmosferik Yönetim ve İklimsel Veri Merkezi kayıtlarına göre; 1900 yılından beri küresel yüzey sıcaklığındaki artış doğrusal olarak hesaplandığında 0,66 C dir. 2005 yılı hem yüzey sıcaklığı hem de troposfer sıcaklığı için önemli bir yıldır. Global olarak bu yılda ortalama sıcaklık değerleri rekor düzeye çıkmış ve tüm yıl boyunca ortalama sıcaklık değerlerinin üstünde seyretmiştir. Bu anormal sıcaklık artışı, 1900 yılından beri devam eden uzun vadeli sıcaklık artışının bir parçasıdır. Yaklaşık olarak her yüz yıl için 0,7 C sıcaklık artışı olmakla birlikte 1976 yılından beri bu oranın üç kat daha fazla olduğu görülmektedir. Şekil 1.1 de 1850 yılından 2006 yılına kadar olan küresel sıcaklık değerlerinin yıllık ve beş yıllık ortalamalarından görüldüğü gibi hızlı sanayileşme ile birlikte 1970 lerin başlarından itibaren küresel sıcaklık değerlerinde yukarı yönde ciddi bir artış meydana gelmektedir (Shein ve ark., 2006). 1

1. GİRİŞ İSMAİL BOZKURT Şekil 1.1. Küresel sıcaklık artışı 1850-2006 (Shein ve ark., 2006) Fosil yakıtların dünyamıza verdiği zararların ne derece büyük tehlike oluşturduğu yukarıda verilen bilgilerden anlaşılmaktadır. Bu nedenle, yenilenebilir enerji kaynaklarının araştırılması ve kullanımının yaygınlaştırılması ülkemiz ve tüm dünya için büyük önem arz etmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının, mevcut teknik ve ekonomik sorunların çözümlenmesi halinde 21. yüzyılın en önemli enerji kaynaklarından olacağı düşünülmektedir. Enerji tüketiminin giderek arttığı günümüzde fosil yakıtların azalması sonucunda fiyatının ileriki yıllarda yükseleceği ve teknolojik gelişmelerin ilerlemesi ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarının maliyetlerinin giderek azalacağı beklenmektedir. Böylece yenilenebilir enerji kaynakları, fosil yakıtlarla rekabet edebilecek duruma gelecektir. Yenilenebilir enerji kaynakları doğrudan ya da dolaylı olarak güneşten kaynaklanır. Güneş potansiyeli açısından ülkemiz coğrafi konumu nedeniyle şanslı ülkelerden birisidir. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü nün güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti ölçümleri üzerinde EİE tarafından yapılan çalışmaya göre; Türkiye nin yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat ve ortalama toplam ışınım şiddeti 1,311 kw saat/metrekare-yıl olarak hesaplanmıştır (Kılıç, 2008). Güneş enerjisi hem ülkemizde hem de dünyada enerji ihtiyacının önemli bir bölümünü sağlayabilecek potansiyele sahiptir. Bu önemli enerji kaynağından faydalanmak için kullanılan sistemlerin başında güneş enerjisi sistemleri gelmektedir. Bu tür sistemlerin sağladığı çok önemli yararlarla birlikte bazı 2

1. GİRİŞ İSMAİL BOZKURT olumsuzluklar da bulunmaktadır. Güneş enerji sistemlerinin sağladığı yararları toplumsal ve sosyoekonomik olmak üzere iki başlık altında inceleyebiliriz. Toplumsal yararlar; Sera gazı ve zehirli gaz yayılımını azaltmaktadır, Arazilerin tarıma elverişli duruma getirilmesine katkı sağlamaktadır, Elektrik iletim hatlarına olan gereksinimi azaltmaktadır, Su kaynaklarının kalitesinin artmasına katkı sağlamaktadır. Sosyoekonomik yararlar; Bölgesel ve ulusal enerji bağımsızlığı artmaktadır, Yeni iş imkanları sağlamaktadır, Yeni teknolojik gelişmelere bağlı olarak enerji pazarı yeniden yapılanmakta ve bunun sonucu olarak yeni üretim aktiviteleri artmaktadır, Enerji kaynaklarının güvenilirliği ve çeşitliliği artmaktadır, Kırsal toplumlara elektrik ulaştırma hızlanmaktadır, Dışa bağımlılığı azaltmakta ve tasarruf sağlamaktadır. Güneş enerji sistemlerinin çevreye verdiği negatif etkiler ise; Sistemin üretimi, kurulumu, bakımı ve yıkımından kaynaklanan kirlilikler, Yapımı sırasındaki gürültü kirliliği, Yerleştirildiği yerde kapladığı alan, Görsel kirlilik olarak sıralanabilir. Bu zararlı etkiler teknik gelişmelerle birlikte zaman içinde en aza indirilecektir (Abu-Zour ve Riffat, 2006). Yenilenemeyen enerji kaynaklarına göre güneş enerjisi sistemlerinin çevreye verdiği zararlı etkilerin çok daha az olduğu bilinen bir gerçektir. Bu nedenle güneş enerji sistemlerine gereken önemin verilmesi gerekmektedir. Güneş enerjisi ile çalışan sistemler, güneş ışınlarını ısı veya elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Güneş enerjisinden ısı enerjisinin üretilmesi ve depolanması güneş enerjisi uygulamalarının en önemli konularından birisidir. Binaların ısıtılması, soğutulması, işlem suyu üretilmesi, bitkilerin kurutulması ve elektrik üretimi güneş 3

1. GİRİŞ İSMAİL BOZKURT enerjisinin yaygın olarak kullanıldığı alanlardır. Güneş enerjisi ile çalışabilen ısıl sistemlerin geliştirilmesi ve uygulanabilirliklerinin araştırılması gerekmektedir. Bu sistemlerin en başında güneş toplaçları ve güneş havuzları gelmektedir. Fakat bu sistemler tek tek düşünüldüğünde düşük verimli sistemlerdir. Güneş havuzları doğada ki benzerlerinden yararlanılarak yapay olarak yapılabilmektedir. 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 nin 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. Güneş havuzunda oluşturulan yoğunluk gradyenti konveksiyonla ısı kayıplarını önlemektedir. Isı kaybının büyük bir kısmı iletim yolu ve yüzeyden buharlaşma ile olmaktadır. Güneş havuzları düşük maliyeti, basit yapısı ve uzun süre ısı enerjisi depolama özellikleri ile verimli ve ucuz ısıl enerji üretebilmektedir. Güneş enerjisinin geceleri olmayışı ve kış aylarında oldukça azalması nedeniyle güneş enerjisini çok olduğu günlerde ısıl enerji olarak toplayan ve depolayan güneş havuzları oldukça kullanışlı sistemlerdir (Bozkurt, 2006). Ülkemizde güneş havuzları ile ilgili yapılan çalışmalar yetersizdir. Güneş havuzları üzerine ilk araştırmalar 1978 yılında Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümünde yapılmaya başlanmıştır (Kayalı, 1980). 4,5 m x 4,5 m x 1,5 m boyutlarında bir güneş havuzunda yapılan ölçümler ve değerlendirmeler sonucunda verimliliğin % 16 olduğu görülmüştür. 1984 yılında 2,6 m x 2,6 m x 1,6 m boyutlarında bir güneş havuzu Özek (1985) tarafından kurulmuştur. Yapılan ölçümler sonucunda sıcaklığın yazın en fazla 54,4 ºC ye ve kışın ise en düşük 29 ºC ye 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. Bu havuz üzerinde Kurt (1989) tarafından yapılan 4

1. GİRİŞ İSMAİL BOZKURT çalışmalarda havuzun sıcaklığının kışın en düşük 28 ºC ve Ağustos ayında en yüksek 64 ºC olduğu görülmüştür. Karakılçık (1992) tarafından sürdürülen ölçümlerde Ağustos 1991 de depolama bölgesinin sıcaklığının 64 ºC ye çıktığı, Aralık 1991 de 24 ºC olduğu görülmüştür. Kış aylarında havuza gelen güneş enerjisinin azalması, havuzun gradyentli (konveksiyonsuz) bölgesinin zamanla bozulması, havuzun tabanından sızıntıların meydana gelmesi, biyolojik ve kimyasal kirlenmeler sebebiyle kış aylarında sıcaklık düşüşü olduğu belirtilmiştir (Karakılçık, 1992). Karakılçık (1998), tarafından Çukurova Üniversitesi kampüsünde 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 başlandı. Bunun yanı sıra havuzun matematiksel modellemesi yapıldı. Yalıtımlı ve prototip bir havuzun kuramsal ve deneysel çalışmalarla elde edilen havuz içi ve dışının sıcaklık profilleri karşılaştırıldı, uyum içinde oldukları görüldü. Bu sonuçlar boyutları ve yapım parametreleri bilinen bir güneş havuzundaki sıcaklık dağılımlarının nasıl olacağını önceden doğru bir şekilde tahmin edebilme olanağını ortaya koymaktadır. Bozkurt (2006), tarafından yalıtımlı ve üstü kapalı silindirik model bir güneş havuzunun performansı incelenmiştir. Aynı zamanda, silindirik model güneş havuzunun termodinamik özellikleri İskender (2010), iç bölgelerindeki enerji dağılımları Heat 2 programı yardımıyla teorik olarak Mantar (2010), kirliliğin havuzun ısı depolama performansındaki etikleri belirlemek için görünür bölgede (400-700 nm) optik özellikleri ise Atız (2011), tarafından incelenmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen bilimsel sonuçlara göre, eğer güneş havuzları iyi yalıtılır ve yazın depolanan ısıl enerji kışa kadar saklanabilirse, Çukurova Bölgesi koşullarında güneş havuzları ile seraların, konutların ve endüstriyel işletmelerin kışın ısıl enerji gereksiniminin bir bölümünün karşılanabileceği görülür. Bu yüzden, ülkemizde yapılan bu çalışmalar ışığında güneş havuzlarının performansının daha da artırılabilmesi için yeni çalışmalara gereksinim vardır. Bu nedenle silindirik model güneş havuzunun verimini etkileyen olumsuz etmenleri yok etmek için güneş havuzu ve toplaçlardan oluşan entegre güneş havuzunun kullanımının önemli olduğu görülmüştür. Entegre güneş havuzu konusundaki bu çalışmada, güneş toplaçları ve havuzdan oluşan entegre bir sistemin performansı incelenecektir. Bu sistem ile güneş 5

1. GİRİŞ İSMAİL BOZKURT havuzunun depolama bölgesinin performansı arttırılacaktır. Böylece iki sistemden oluşan entegre bir sistemle, ısı toplama ve depolama süreleri iyileştirilmiş olacaktır. Entegre sistem sayesinde, hem güneş toplaçlarından daha etkin bir şekilde yararlanılması sağlanacak hem de güneş havuzunda daha kısa sürede ve daha uzun ömürlü ısı depolaması yapılabilecektir. Entegre ve entegre olmayan güneş havuzu sistemlerinin verimleri belirlenecek ve karşılaştırmalı olarak verilecektir. 6

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT 2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Bu bölüm üç ana başlık altında toplanmaya çalışılmıştır. İlk olarak güneş havuzları ile ilgili yapılan çalışmalar ele alınmıştır. Daha sonra güneş toplaçları ile ilgili çalışmalar gözden geçirilerek son kısımda ise entegre güneş havuzu sistemleri ile ilgili yapılan çalışmalar verilmektedir. 2.1. Güneş Havuzları Tabor (1981), uzun zamandır doğada var olan doğal güneş havuzlarını ilk kez Kalecsinsky (1902) nin gözlemlediğini bildirmektedir. Kalecsinsky, Romanya nın Karpat dağları eteğinde, Transylvania bölgesindeki 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 özellikteki göller bulunduğu tespit edilmiştir. Doğal güneş havuzlarına benzer şekilde yapay güneş havuzu yapma fikri ilk kez Kalecsinsky (1902) tarafından ortaya atılmıştır. İsrail de ilk kez Dr.R. Bloch, yapay tuz gradyentli güneş havuzu ile enerji depolanabileceğini göstermiştir (Tabor, 1964). 1973 deki enerji krizinden sonra güneş enerjisi konusunda yapılan çalışmalarda ciddi artışlar gözlenmiştir. Taylor tarafından yapılan çalışmalarda güneş havuzlarından düşük sıcaklıklarda işlem suyu elde etmenin yanı sıra düşük sıcaklıklarda buharlaşabilen sıvılar kullanarak elektrik üretilmeye çalışılmıştır (Taylor, 1978). Bardan ve ark.(1997), tarafından yapılan çalışmada sonlu farklar yöntemi ile çözülebilen bir boyutlu nümerik model kullanılarak Ürdün iklim koşullarında tuz gradyentli güneş havuzu kullanılarak sera ısıtılması araştırılmıştır. Güneş akısının ve ısı kayıplarının hesaplanmasında birkaç ampirik bağıntı kullanıldı. Parametreler ısı çekilmesini, serayı kapatan malzemenin geçirgenliğini, seranın alanını, havuzun duvarlarının eğim açısını, konveksiyonsuz bölge ve düşük konveksiyonlu bölgenin 7

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT kalınlıklarını ve havuzun yüzey alanını içermektedir. Ürdün iklim koşulları altında güneş havuzunun seranın ısı ihtiyacının % 30 unu karşılayabileceği bulunmuştur. Kayalı ve ark. (1998), tarafından yapılan çalışmada dikdörtgen yüzeyli yalıtımsız bir güneş havuzunun herhangi bir zamandaki iç veya dış sıcaklık dağılımını verebilen teorik bir model geliştirilmiştir. Sonlu farklar yönteminde, tuzlu su ve toprak için yazılan bir ve iki boyutlu ısı denklemeleri kullanılmıştır. Bu simülasyon eşitlikleri bir bilgisayar programı kullanılarak bölgesel sıcaklık değerleri için çözülmüştür. Yapılan modelleme deneysel olarak yapılan güneş havuzu sıcaklık profilleri ile karşılaştırılmıştır. Modelde ulaşılan sıcaklık profilleri ile deneysel verilerin uyum içinde olduğu görülmüştür. Al-Jamal ve Khashan (1998), tarafından güneş havuzlarının performansına yüklenen ısının çekilmesinin etkisi araştırılmıştır. Oluşturulan eşitliklerin çözümünde sonlu farklar yöntemi kullanılmıştır. Çekilen ısı miktarına bağlı olarak konveksiyonsuz bölgenin kalınlığı bulunmuştur. Sırasıyla 30 ve 10 W/m 2 arasında ısı çekilmesi halinde bu kalınlığın 0,91 ve 1,18 m olması gerektiği bulundu. Konveksiyonsuz bölgenin bu kalınlık değerleri için maksimum depolama sıcaklıkları elde edilmiştir. Isı çekilmediği durumlarda havuzdan ısı kayıplarının maksimum olduğu görülmüştür. Bununla birlikte havuzdan ısı çekilmesini arttırarak havuzda soğrulan güneş radyasyonu miktarı arttırılmıştır. Alkhalaileh ve ark. (1999), tarafından yapılan çalışmada bir güneş havuzu zemin ısıtma sistemi analizi ve simülasyon modellemesi geliştirilmiştir. Ürdün de ki iklim koşulları altında kullanılabilir potansiyelde çalışacak bir sistem için geliştirilen bilgisayar simülasyonu kullanılmıştır. Ürdün de kış mevsimin en az iki ayı için % 80-100 oranında güneş ışınında güneş havuzu ısıtma sistemi ile ısı ihtiyacının karşılanacağı bulunmuştur. Böyle bir sistemin alan ısıtmasında kullanılabilir olduğu ancak bireysel ev kullanımında küçük ev uygulamaları için güneş havuzunun maliyetinin yüksek olması nedeniyle kullanılabilirliğinin sınırlandığı belirtilmektedir. Tahat ve ark. (2000), tarafından yapılan deneysel çalışmada 32 kuzey enleminde bulunan Ürdün Bilim ve Teknoloji Üniversitesine mini bir güneş havuzu yerleştirilmiştir. Havuzun duvarları yatay ile 45 açı yapmaktadır. Havuz 1 m 2 dairesel yüzey alanlı ve 500 mm derinliğinde galvaniz kaplı çelik (1,44 mm 8

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT kalınlıklı) kullanılarak inşa edilmiştir. Tuzlu suyun ve havuzun derinliğinin depolama sıcaklığı dağılımı üzerindeki etkisi deneysel olarak belirlendi ve teorik olarak yapılan tahminlerle karşılaştırılmıştır. Boyut analizleri küçük bir güneş havuzunun ısıl davranışın da boyutların etkisini ortaya çıkarmıştır. Kurt ve ark. (2000), tarafından yapılan çalışmada tuz gradyentli güneş havuzunun ısıl performansını önceden belirleyebilmek için bir boyutlu süreksiz matematiksel bir model geliştirilmiştir. Bu çalışmada literatürde tanıtılan doğal ve farklı yapay güneş havuzları bulunmaktadır. Deneysel sistem İstanbul Teknik Üniversitesinde gerekli değişiklikler yapılarak kuruldu ve tanıtılmıştır. Farklı güneş havuzu çeşitleri gözlenen doğal koşullar altında kullanılarak üretilmiştir. Teorik çalışmada, havuzun her bölgesi için enerji ve kütle dengesi eşitlikleri ısı üretimi ile kararsız durumda ısı iletimi modeli göz önünde bulundurularak diferansiyel olarak yazılmıştır. Bu eşitlikler analitik ve nümerik olarak çözülmüştür. Analizler sonunda elde edilen sonuçlar deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Jaefarzadeh (2000), tarafından yapılan çalışmada laboratuar ölçeklerinde tuz gradyentli bir güneş havuzunun performansı tanımlanmıştır. Farklı metotlar ile alt tabakalara tuz enjeksiyonu, derinliğin bir fonksiyonu olarak sıcaklık ve konsantrasyon profillerinin uyum içinde olduğu gözden geçirildi ve deneysel sonuçlarla karşılaştırılmıştır. Zamanla sıcaklığın artması ile tuzlu suyun alt tabakalardan üst tabakalara yükselmesi çeşitli iklimsel koşullar için rapor edilmiştir. Dinamik kararlılık, denge sınır ölçütleri tartışıldı ve alt konvektif bölge ve üst konvektif bölge için deneysel olarak doğrulanmıştır. Li ve ark. (2001), tarafından bir güneş havuzunun gradyentli bölgesindeki erozyonu incelemek için küçük bir güneş havuzu kullanılarak deneysel bir çalışma yapılmıştır. Isı koruma tabakasındaki ısı akışının gözlenmesi vasıtasıyla bu tabakadaki dikey sıcaklık farklarının doğal bir sonucu olarak ortaya çıkan konveksiyon tarafından gradyentli bölgede erozyonun oluşturulduğu görülmüştür. Başka bir deyişle gradyentli bölgede meydana gelen erozyonda rol oynayan faktörlerin başında ısı koruma tabakasındaki dikey sıcaklık farkları gelmektedir. Doğal güneş havuzları düşünülerek ısı koruma bölgesindeki dikey sıcaklık farklarını mümkün olduğu kadar azaltacak konveksiyonsuz bölgenin sıcaklık gradyentini 9

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT koruyan güneş havuzunun çalışma koşullarını kontrol ederek erozyon hızını bastıracak bir plan önerilmiştir. Analizler rasyonel değişimlerin boyutsuz bir sayı olan ve sıcaklık ve hız alanı üzerinde su üstünde durmanın etkisini gösteren Groshof sayısından etkilendiği görülmüştür. Sonuç olarak, boyutsuz olan Groshof sayısının modifiye edilmesi ile gradyentli bölgedeki erozyon hızının iyi bir şekilde açıklanabileceği görülmüştür. Husain ve ark. (2003a), tarafından yapılan çalışmada tuz gradyentli güneş havuzunun ısıl davranışının bilgisayar simülasyonu birkaç matematiksel yöntem kullanılarak araştırılmıştır. Temel eşitlik Crank-Nicholsen metodu ile sonlu farklar yöntemi kullanılarak konvektif olmayan bölgede ısı akışı için çözüldü. Çevre verilerinin değişiminin günlük girişi, saatlik değişimler ile aynı doğruluğu sağladığı görülmüştür. Havuzun uzun süreli performansı için üst konvektif bölgeden ısı kayıpları farklı hesaplama yöntemleri kullanılarak karşılaştırma yapılmıştır. Havuzun yüzeyi ve tabanı arasında çoklu yansımalar için belirli derinliklerde radyasyonla ısı akışını hesaplama yöntemleri önerilmiştir. Bu metod simülasyon kullanıldığından sayısal zamanlama kazandırdı. Aynı zamanda elle hesaplama içinde uygun bir yöntemdir. Husain ve ark. (2003b), tuz gradyentli güneş havuzlarının önemli ısınma süresi ile uzun süreli ısı depolama sistemlerinden biri olduğunu söylemektedirler. Havuz istenilen sıcaklığa çabuk ulaştığı ve maksimum ısıya geri erişilebildiğinde verimlidir. Bunun sağlanması konveksiyonsuz bölgenin optimum boyutlarda olmasını gerektirir. Yapılan çalışmada konveksiyonsuz bölgenin optimum büyüklüğü hızlı ısıtma için hesaplanmıştır. Hesaplamalar kararlı durum kriterlerinin optimum boyutlarındaki farklılıklar için bulunmuştur. Hızlı ısınma ve maksimum ısı depolamanın her ikisi için ulaşılabilecek performans parametreleri analiz edilmiştir. İlk olarak hızlı ısıtma oranı kriterlerinde konveksiyonsuz bölgenin optimum değerleri daha sonra kararlı durum kriterleri için optimum boyutlar değiştirilerek öneriler yapılmıştır. Ouni ve ark. (2003), tarafından Tunus un güneyinde tuz gradyentli bir güneş havuzunun modellenmesi ve kontrolü üzerinde çalışılmıştır. Kapalı döngü tuz gradyentli güneş havuzu için bir yıl boyunca çalışmasının başarılı olduğundan emin 10

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT olunan bir model geliştirilmiştir. Bu model çeşitli kontrol tekniklerinin güneş havuzlarında nasıl çalıştığını görmek için kullanılmıştır. Model, havuzun kısa süreli davranışının simüle edilmesi, havuzdaki tuz difüzyonu ve ısı hesaplamalarını, gradyentli bölge ile konveksiyonlu bölge arasındaki sınır davranışlarını içermektedir. Sonuçlar, güneş havuzlarının başarılı olarak çalışmasının; depolama bölgesinden ısı çekilmesi sırasında sıcaklığını sürdürebilmesi, tuzlu su enjeksiyonu, üst bölgede karışan tabakanın kalınlığına göre yüzeyin yıkanması, iç bölgeyi oluşturan tabakaların iyi bir şekilde dizayn edilmesine bağlı olduğunu göstermektedir. Murthy ve Pandey (2003), tarafından yapılan çalışmada deneysel olarak potasyum klorür ile oluşturulan bir güneş havuzunun simüle edilmiş koşullar altında, özellikle alt konvektif bölge sıcaklığını korumak ve ısı girişini değiştirmek için bir güneş havuzu simülasyonu geliştirilmiştir. Farklı sıcaklık rejimlerinde ve alt konvektif bölge sıcaklıklarında tuzsuz, sodyum klorür ve potasyum klorür ile oluşturulmuş güneş havuzlarının performansı sıcaklık ve yoğunluk profilleri açısından çalışılmıştır. Simüle edilmiş koşullar altında potasyum klorür ve sodyum klorür kullanılan güneş havuzları için tüm ısıtma kombinasyonlarında havuzu oluşturan üç bölgenin oluşumu farklılık göstermektedir. Simüle edilmiş koşullar altında alt konvektif bölgenin sıcaklığının 70 C ve yukarısı olduğunda içeride yavaş yavaş konveksiyonun başladığı görülmektedir. Alt konvektif bölgedeki sıcaklık düşüşünün tuzsuz ve sodyum klorürlü havuzlarla karşılaştırıldığında daha az olduğu görülmektedir. Angeli ve Leonardi (2004), tarafından yapılan çalışmada güneş havuzlarında yoğunluk eğiminin kararlılığı ve tuz difüzyonu çalışması için bir boyutlu matematiksel model kullanılmıştır. Tuz difüzyonu denklemlerini çözmek için sonlu farklar yöntemi ile sıcaklık ve tuz yoğunluğuna bağlı olarak difüzyon katsayısı kullanılmıştır. Tuz eğimi olan tabakanın kalınlığının depolama bölgesinde depo edilen kullanılabilir enerjiye etkisi analiz edilmiştir. Güneş havuzuna enjekte edilen yoğun tuzlu suyun yükselme hızı incelendi. Sistemin kararlılığını araştırmak için Rayleigh analizi yapılmıştır. Bardan ve Hamdan (2004), tarafından güneş kollektörleri ile zemin ısıtmaları için teorik ve deneysel bir çalışma yapılmıştır. Aynı zamanda aynı bölgesel 11

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT koşullarda güneş havuzları kullanılarak benzer bir sistem için araştırma yapılmıştır. Elde edilen sonuçlar güneş kolektörlerinin güneş havuzlarından % 7 daha verimli olduğunu gösterilmiştir. Ekonomik analizler güneş kolektörlerinin kendisini güneş havuzlarından daha erken amorti ettiğini göstermektedir. Uygulamalar güneş kollektör sistemlerinin daha az çalışma ve bakım gerektirdiğini göstermiştir. Husain ve ark. (2004), tarafından yapılan çalışmada güneş havuzlarında belirli derinliklerde net uygun radyasyonun tahmin edilebilmesi için iki basit formülasyon önerilmiştir. İlk formülasyonda Bryant-Colbeck in bağıntıları kullanıldı, havuzun yüzeyi ve tabanına gelen radyasyonun yansıyan kısımları birleştirilerek bağıntı aynı şekilde uzatılmıştır. Diğer fonksiyon ise dördüncü dereceden bir ampirik polinom fonksiyondur. Radyasyon akışının tahmininde doğruluğunu karşılaştırmak için Hull un evrensel fonksiyonu temel alındı. Önerilen formülasyonlar hesaplama zamanında önemli bir kazanç, analitik hesaplamalarda basitlik ve güneş havuzunun içindeki radyasyon akışının tahmininde oldukça iyi doğruluk sağlamıştır. Bu formülasyonların havuzun uzun süreli ısı depolama davranışının önceden belirlenmesindeki doğruluğu ve hesaplama hızı açısından kazancı üzerindeki etkileri analiz edilmiştir. Hull un metodu ile mukayese edilebilir doğrulukta karşılaştırıldığında % 20-25 hesaplama zamanında kazanç sağladığı görülmüştür. Jaefarzadeh (2004), tarafından yapılan çalışmada küçük boyutlardaki tuz gradyentli güneş havuzlarının ısıl davranışı araştırılmıştır. Isı iletim eşitlikleri konveksiyonsuz bölge için üst konvektif bölge ve alt konvektif bölge sınır koşulları ile nümerik olarak çözülmüştür. Güneş radyasyonunun yıl boyunca değişimi ve havuzun derinliğine göre azalması tartışılmıştır. Model, düşey duvarlar için gölgelenme alanını ve güneşlenme alanını azaltmada ki etkisini içermektedir. Depolama bölgesinin sıcaklık dağılımı teorik olarak hesaplandı ve deneysel verilerle karşılaştırılmıştır. Yapılan analizler konveksiyonsuz bölgenin kalınlığının, yan duvar ve taban yalıtımının önemli olduğu gibi yan duvarların gölgelenme faktörünün de güneş havuzunun performansını etkilediği görülmüştür. Yapılan birkaç örnek uygulamalar havuzun performansının % 10 olduğunu göstermektedir. 12

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT Angeli ve ark. (2006), tarafından yapılan çalışmada güneş havuzlarında tuz konsantrasyon profilini geliştirme problemi sıcaklığın difüzyona katkısı da göz önünde bulundurularak bir boyutlu matematiksel modellemesi ve sonlu farklar yöntemi ile incelenmiştir. Güneş havuzlarından ısı çekme ve iki boyutlu sayısal akış dinamiği simülasyonu başlangıç olarak araştırılmıştır. Difüzyon denklemlerinin sonlu farklar yöntemi ile çözümü sonucunda sıcaklığın moleküler difüzyonu etkilediği ve bunun sonucunda tuz eğiminin bozulmasına katkı sağladığı belirlenmiştir. Bu katkının nispeten küçük olduğu ancak ihmal edilemeyeceği görülmüştür. Tuz eğiminin kararlılığını sağlamak amacıyla havuzun depolama bölgesi ile konveksiyonsuz bölge arasına yoğun tuzlu su enjekte edilmesi değerlendirilmiştir. Karakılçık ve ark. (2006a), tarafından yapılan çalışmada yalıtımlı bir güneş havuzunun gündüz ve gece saatlerinde sıcaklık dağılımı deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Birçok sıcaklık sensörü içerde dikey ve havuzun tabanına, yalıtımlı yan duvarlarda ise dikey ve yatay olarak sıcaklık değişimlerini zamana ve konuma bağlı ölçmek için belirli konumlara yerleştirilmiştir. Bununla birlikte teorik olarak sıcaklık dağılımını hesaplamak için havuzun modellemesi yapılmıştır. Deneysel ve teorik ölçümler karşılaştırıldı uyum içinde oldukları görülmüştür. Gece ve gündüz arasında sıcaklık farklarına bağlı olarak büyük miktarda ısı kaybı olduğu görülmüştür. Bu kayıplar enerji tasarrufu ve depolaması için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları boyunca havuzun iç yüzeyinden, tabanından ve yan duvarlarından toplam ısı kayıpları sıcaklık farklarının bir fonksiyonu olarak 227,76 MJ olarak hesaplanmıştır. Bu kayıpların % 84,94 ü iç yüzeyden, % 3,93 ü tabandan ve % 11,13 ü yan duvarlardan kaynaklanmaktadır. Karakılçık ve ark. (2006b), tarafından yapılan çalışma hem teorik hem de deneysel bölümlerden oluşmaktadır. Havuzun deneysel performansını belirlemek için Çukurova Üniversitesi Adana Türkiye de 4 m 2 yüzey alanlı ve 1,5 m derinliğinde yalıtımlı bir güneş havuzu inşa edilmiştir. Sistem tuzlu su ile oluşturulan üç bölgeden (üst konvektif bölge, konveksiyonsuz bölge ve ısı depolama bölgesi) meydana gelmektedir. Havuzun farklı bölgelerinde (altında ve içinde dik olarak, yalıtımlı duvarların içinde yatay ve dikey olarak) Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları için 13

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT veri depolama sistemi kullanılarak sıcaklık ölçümleri alınmıştır. Teorik çalışmada, havuzun ve havuzu oluşturan çeşitli bölgelerin verimini hesaplamak için bir performans modeli geliştirilmiştir. Sıcaklık farklılıklarının ısı transferinde önemli bir kuvvet olduğu görülmüştür. Beklenildiği gibi en yüksek ısı verimliliği Ağustos ayı için elde edilmiştir. Havuzun farklı bölgelerinin verimliliği sırasıyla üst konvektif bölge için % 4,5, konveksiyonsuz bölge için % 13,8 ve depolama bölgesi için % 28,1 olarak elde edilmiştir. Jaefarzadeh (2006), tarafından yapılan çalışmada tuz gradyentli güneş havuzundan ısı enerjisi çekme konusu araştırılmıştır. Küçük güneş havuzunun boyutları 4 m 2 alana ve 1,1 m derinliğe sahiptir. Düşük konvektif bölgeye yerleştirilen iç ısı değiştirici sistemin içinde taze su dolaşmakta ve ısı enerjisini dış ısı değiştirici sisteme transfer etmektedir. Bu çalışmada, kışın iki ay için ve yazın bir hafta için yükleme yapılmıştır. Depolama bölgesi, yüzey bölgesi, çevre sıcaklığı, iç ısı değiştirici sistemin giriş ve çıkış sıcaklıkları değişimi günlük olduğu gibi saatlik olarak ölçüldü ve analiz edilmiştir. Sınırlı bir zaman için geçiş aşamasında yüksek ısı verimliliği ile havuzun ısı verebileceği görülmüştür. Aynı zamanda düşük verimlilik ile sürekli olarak yararlanılabilir. Küçük bir havuzun verimliliği son durumda % 10 civarında olabilecektir. Karakılçık ve Dinçer (2008), tarafından yapılan çalışmada bir güneş havuzunun ekserjitik performansı deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Sistem üst konvektif bölge, konveksiyonsuz bölge ve ısı depolama bölgesi olmak üzere üç tabakadan oluşturulmuştur. Veri toplama sistemi havuzun farklı bölgelerinden saatlik sıcaklık ölçümleri yapmak için kullanılmıştır. Havuzun ekserjitik performansını belirlemek için bir ekserji modeli geliştirildi ve üç bölge için ekserji verimlilikleri ayrı ayrı belirlenmiştir. Daha sonra enerji verimlilikleri ile karşılaştırmalar yapılmıştır. Ekserji analizi için referans çevre sıcaklıkları yılın her bir ayı için ortalama olarak belirtilmiştir. Böylece, en yüksek enerji ve ekserji verimlilikleri Ağustos ayında sırasıyla; üst konvektif bölge için % 4,22 ve % 3,02, konveksiyonsuz bölge için % 13,80 ve % 12,64, ısı depolama bölgesi için % 28,11 ve % 27,16 olarak belirlenmiştir. Beklenildiği gibi, ekserji verimlilikleri her bir tabaka için enerji 14

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR İSMAİL BOZKURT verimliliklerinden biraz az çıkmıştır. Havuzun performansını arttırmak için kayıpların doğru hesaplanması çok önemlidir. Bezir ve ark. (2008), tarafından yapılan çalışmada 3,5 m 2 yüzey alanlı ve 2 m derinliğinde bir güneş havuzu inşa edilmiştir. Güneş havuzunun yüzeyine açılır kapanır kapak sistemi yerleştirilmiştir. Bu kapak sistemi geceleri ısı kayıplarını önlerken gündüzleri yansıtıcı yüzeyleri sayesinde havuzun yüzeyine daha fazla enerji gelmesi için tasarlanmıştır. Yansıtıcı yüzeyler elektrikli motor ile istenilen açılara ayarlanabilmektedir. Yapılan modelleme ile yalıtımlı ve yalıtımsız farklı boyutlardaki güneş havuzlarının kapaklı ve kapaksız performansları hesaplanmıştır. Sonuç olarak yansıtıcı yüzeylerin güneş havuzlarının performansını % 25 arttırdığı belirlenmiştir. Deneysel ve nümerik hesaplamaların uyum içinde olduğu görülmüştür. Karim ve ark. (2010), tarafından yapılan çalışmada küçük boyutlu güneş havuzlarının gradyenli bölgesinin kararlı tutulmasında gözenekli tabaka kullanımının araştırılması için iki farklı deney yapılmıştır. İlk deney laboratuar koşullarında gerçekleştirilmiştir. İkinci deneyde ise iki küçük güneş havuzu kurulmuştur. Bu havuzların gradyentli bölgesinin davranışı deneylerle izlenmiş ve gradyentli bölgenin alt kısmına gözenekli bir malzemenin yerleştirilmesinin difüzyon sonucu meydana gelecek bozulmaları azalttığı görülmüştür. Tundee ve ark. (2010), tarafından yapılan çalışmada güneş havuzu için tasarlanan ısı çekme sistemi deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Deneysel güneş havuzu olarak 7 m 2 yüzey alanlı ve 1,5 m derinlikli bir havuz kullanılmıştır. Isı değiştirici sistem kullanılarak havuzun depolama bölgesinde başarılı bir şekilde ısı çekilmiştir. Sistemin teorik olarak modellemesi yapıldı ve nümerik metotlar kullanılarak çözülmüştür. Isı değiştirici sistemin performansı incelenmiştir. Elde edilen sonuçların deneysel verilerle uyum içinde olduğu görülmüştür. Dah ve ark. (2010), tarafından yapılan çalışmada küçük bir güneş havuzunun performansı ve kararlılığı deneysel ve nümerik olarak analiz edilmiştir. Deneysel sonuçlar havuzun günlük ortalama sıcaklığının yirmi gün içerisinde 54 C ye kadar hızlı bir şekilde yükseldiğini göstermektedir. Güneş havuzunun sıcaklık ve yoğunluğunu önceden belirleyebilmek için bir boyutlu nümerik bir model 15