GÜNEŞ HAVUZLARI SOLAR PONDS
GİRİŞ INTRODUCTION
Güneş havuzları ilk kez Kalecsinsky tarafından ortaya çıkarılmıştır. İlk güneş havuzlarının doğal ortamda kendiliğinden oluştuğu belirtilmektedir. Macaristan ın Karpat dağlarının eteklerindeki doğal göllerde kış aylarında sıcaklığın 65 C olduğunu gözlemiştir. Bunun nedenleri araştırılmış ve bu göllerde ilk kez tuz yoğunluğu ölçümleri yapılmıştır.
Ölçümler sonucunda gölün derişimin yukarıdan aşağıya doğru arttığı saptanmıştır. Bu yoğunluk artışının konveksiyonla ısı kaybını önlemesi nedeniyle, göllerin derin bölgelerinin yüksek sıcaklığa ulaştığını tespit edilmiştir. Yazın sonunda gölün 1.32 m derinliğinde sıcaklığın 70 C ye kadar çıktığı ve ilkbahar aylarında ise en düşük sıcaklığın 26 C olduğu gözlenmiştir.
Lake Bucura in Romania
ABD Orovillve de (Washington), yaz aylarında sıcaklığın 50 C ye ulaştığı 2 m derinlikli bir göl tespit edilmiştir. Antartika daki Vanda Gölünün buz ile örtülü ve çevre sıcaklığı -20 C olmasına rağmen taban sıcaklığının 25 C olduğu tespit edilmiştir.
Güneş havuzları, güneş enerjisinin doğrudan depolanıp muhafaza edildiği metotlardan birisidir. Sıradan bir havuzda da güneş enerjisi depolanabilir. Ancak sıvı içerisindeki doğal konveksiyon, sıvı yüzeyinden taşınım ve gizli ısı kayıpları çok fazladır. Su kütlesinin fazla olması nedeniyle, güneş radyasyonunun olmadığı durumlarda havuzdaki sıcaklık düşmesi birkaç haftada 10 C civarındadır.
Konveksiyon ve buharlaşma yoluyla olan ısı kayıpları yaklaşık olarak birbirine eşittirler. Işımayla olan ısı kaybının, havuzun enerji depolama kabiliyeti üzerinde önemli bir rolü vardır. Tabandan toprağa olan ısı kaybı o kadar önemli değildir. Bu nedenle, bütün çalışmalar konveksiyon yoluyla olan ısı kaybını durdurma, buharlaşmayı azaltma ve yüzeyden olacak olan ısı kayıplarını azaltmak için alınacak tedbirler üzerine yoğunlaştırılmalıdır.
Bir büyük problem de kış boyunca havuzda toplanacak olan ısıdan daha fazlasının çevreye kaybolacak olmasıdır. Bu da yaz boyunca toplanan ısının bir kısmının kış boyunca çevreye kaybolacağını gösterir.
Güneş havuzlarının iki amacı gerçekleştirmesi istenir. Bunlar; İç bölgelerdeki doğal ısı taşınımını önlemesi ve su yüzeyinden havaya olan ısı kayıplarını azaltmasıdır. Güneş havuzlarını genel anlamada ikiye ayırmak mümkündür. Konveksiyonsuz Güneş Havuzları Konveksiyonlu Güneş Havuzları
Bu güne kadar yapılan çalışmalarda geliştirilen güneş havuzları tiplerine göre yaklaşık olarak beş gruba ayrılır. Bunlar; Konveksiyonsuz (non-convective) Tuz gradyentli güneş havuzları (salinity gradient solar ponds, SGSP) Zar örtülü güneş havuzları (coffered solar ponds) Petek örtülü güneş havuzları (honeycomb solar ponds) Jel örtülü güneş havuzları (gel stabilized solar ponds) Konveksiyonlu (convective) Sığ güneş havuzları (shallow solar ponds SSP)
Güneş Havuzları Konveksiyonlu Konveksiyonsuz Sığ havuzlar Tuz gradyentli Jel örtülü Petek örtülü Zar örtülü
Yukarıda sınıflandırılan güneş havuzlarında güneş enerjisi su tarafından doğrudan soğurulur. Derin olmayan yani sığ güneş havuzlarında depolanan enerji anında kullanılırken, diğer dört (ilk dört) güneş havuzunda depolanan enerji uzun süre depolanıp daha sonra da kullanılabilir.
KONVEKSİYONSUZ GÜNEŞ HAVUZLARI NON-CONVECTIVE SOLAR PONDS
Bu havuzlar, ısıl yüzdürmeden doğacak doğal taşınımın engellenmesi amacıyla yapılır. Isınan suyun yüzeye doğru yükselmesini engellemek amacıyla tuzluluğu faklı tabakalar oluşturulur. Tuz olarak genellikle MgCl 2 ya da NaCl kullanılır. Tuz konsantrasyonu olmazsa, ısınan saf suyun yoğunluğu düşer ve yukarı doğru hareket eder. Bu durum, sürekli olarak taşınım ısı kaybının artmasına sebep olur.
TUZ GRADYENTLİ GÜNEŞ HAVUZU SALINITY GRADIENT SOLAR POND, SGSP
Yapay bir havuzda güneş enerjisi, havuz suyu tarafından absorbe edilerek suyun ısınmasına sebep olur ve bir sıcaklık gradyanı oluşturur. Bunun sonucunda yoğunluk farkı oluşarak havuz içerisinde suyun aşağı-yukarı hareket etmesine sebep olur. Bu şekilde suyun hareketi sonucunda konveksiyon akımları oluşur ve ısınan su yukarı çıkarak enerjisini havaya taşır. Bu şekilde havuz suyu sıcaklığı, atmosfer sıcaklığı ile aynı aralıklarda kalır.
Güneş radyasyon enerjisini depolamak için, bu yoğunluk farkından kaynaklanan su hareketinin mutlaka önüne geçilmesi veya minimum seviyede tutulması gerekmektedir. Bunu sağlamanın yolu, sıcaklığa bağlı farklı yoğunluklu bölgeler oluşturmak ve her bir katmanı diğerinden ayrıştırmaktır. Böylece, tuz gradyanından dolayı yukarı doğru kaldırma kuvveti engellenir.
Bu tip havuzlar, genellikle 2-3 m derinliğinde olup en üstte tatlı su aşağıya doğru ise artan yoğunluklarda tuzlu su içeren havuzlardır. Su içerisinde belirli konsantrasyonlarda tuz çözünmüştür. Tuz konsantrasyonu derinlikle değişir ve bu değişim yapay olarak sağlanmaktadır.
Bu şekilde güneş havuzu üç farklı bölgeye ayrılır. Üst Konvektif Bölge (UCZ, Upper Convective Zone): Tuzluluk oranının çok düşük olduğu katmandır ve derinlikle aşağı yukarı sabit kalır. Konvektif olmayan bölge (NCZ Non Convective Zone): Derinlikle tuzluluk oranının arttığı bir gradyandır. Alt Konvektif Bölge (LCZ Lower Convective Zone): Tuzluluk derecesi, doymuş çözelti olarak kabul edilebilir ve üniformdur.
Havuz yüzeyine gelen güneş ışınlarının küçük bir kesri yüzeyden yansır, geri kalan kısmı havuz tabanına doğru ilerler. Bu sırada çeşitli dalga boylu ışınlar, farklı derinliklerde değişik oranlarda soğurulur ve tabana % 25-35 kadarı ulaşır. Biriken enerji depolama bölgesine yerleştirilen bir ısı aktarma sistemi ile istenildiği zaman alınıp kullanılabilir. Bu uygulama, ucuz bir yolla termal enerji depolama yöntemidir.
Havuzun yüzeyine gelen güneş enerjisinin yaklaşık olarak %21 i yüzeyden havaya konveksiyon ile, %22 si havuzun üst kısmından suyun buharlaşmasıyla, %16 sı yansıma yoluyla, %31 i havaya yaydığı uzun dalga boylu radyasyon ile %3.7 si Alt Konvektif Bölge (Lower Convective Zone, LCZ) altındaki yere olan ısı akışı ile kaybolur. Sadece gelen ışınımın % 6.3 si havuzda depo edilir. Bunun dışında sadece LCZ içinde depolanan güneş enerjisinin bir kısmı kullanılabilir enerji olarak havuzdan alınabilir.
Konsantrasyon oranları alt noktada % 20 - % 30, en tepede ise % 0 dır. Sonuç olarak, bu tip sistemlerde yoğunluk farkından dolayı oluşan konveksiyon akımları yoktur ve NCZ boyunca sadece kondüksüyon ile ısı transferi mümkündür. Bununla beraber suyun düşük kondüksiyon katsayısından dolayı NCZ katmanı izolasyon görevi görür.
Alt katmandan üst katmana tuz difüzyonu düşüktür çünkü konveksiyon hareketleri engellenmiştir. Böylece alt katman ısı depolama sistemi olarak çalışır. LCZ, 80 C sıcaklık değerlerine ulaşabilir ve bu değer sabah saatlerinden sonra 50 C civarlarındadır. Alt katmandaki salamura sıcaklığı, temiz suyun kaynama noktasını geçmez.
NCZ katmanının kalınlığının artması, LCZ katmanı için daha fazla izolasyon anlamına gelir. Daha düşük UCZ kalınlığı, daha fazla miktarda güneş enerjisinin LCZ ye ulaşmasını sağlar. Ayrıca UCZ de depolanan solar radyason, temiz suda meydana gelen konveksiyon akımlarından dolayı kaybolur; bu nedenle güneş havuzunun derinliği 1-2 metre aralıklarında ise UCZ kalınlığı 10-20 cm aralıklarında kalmalıdır. LCZ ne kadar derinde olursa, termal depolama kapasitesi o kadar fazla olur, fakat bu durumda güneş havuzu kurulum maliyetini artırmaktadır.
Tuz gradyentli güneş havuzları tamamen dinamik sistemlerdir. Yani sürekli bakım, düzenleme, vs. gibi işlemlerin yapılması gerekmektedir. Üst kısımdan (UCZ) buharlaşan suyun yerine mutlaka su takviyesi yapılmalıdır. Ayrıca alttaki konsantre salamura gradyanının muhafazasının sağlanması gerekmekte ve aynı tuzluluk oranında kalması sağlanmalıdır. Tuzlukluk oranındaki azalmanın nedeni, farklı konsantrasyon oranlarındalarındaki katmanlardan tuzun üst katmana difüzyonudur.
Bu işlemler güneş havuzlarının temel sorunlarıdır. En üstte sıfır tuz konsantrasyonuna sahip bir tabakayı muhafaza etmek, alt katmanlardan yukarıya tuz difüzyonundan ve buharlaşmadan dolayı zordur. Aynı zamanda, tabandaki tuz konsantrasyonunu aynı miktarda kalacak şekilde korumak ta ayrı bir problemdir.
Bir güneş havuzunda kullanılan tuzun özellikleri çok önemlidir ve aşağıda şartları sağlaması istenir; Zararsız olmalı; Ucuz ve kolay bulunabilir olmalı Renksiz olmalı ve içerisinde canlıların üremesine engel olmalı. Bu koşuları sağlayan bazı tuzlar; Magnesium chloride MgCl 2, potassium nitrate KNO 3, ammonium nitrate NH 4 NO 3, sodium nitrate NaNO 3, urea NH 2 CO NH 2
Sistem verimi arttırmak için havuz tabanı karartılmalı ve dış ortama karşı iyice izole edilmelidir. Araştırmacılar, SGSP lerin ilk geliştirilmesi aşamalarında üç katman arasında yatay membranlar içeren sistem dizaynları üzerinde durmuşlardır. Fakat onarımı, monte edilmesi ve sızdırmazlığı zor olmasından dolayı membran kullanımı problemlidir.
Büyük SGSP sistemlerinde de rüzgar problemi vardır. Rüzgar akımları tuz gradyanlerinin dağılmasına neden olmaktadır ve ayrıca konveksiyonu arttırmaktadır. Bunu engellemek havuzun üst noktasına hareketli özel bariyerler monte edilmelidir. Yapılan deneyler, rüzgarın sebep olduğu 2 cm lik dalganın, suyun 20 cm aşağıya kadar karıştırdığını göstermektedir.
Yazın absorbe edilen güneş enerjisi, kışa göre daha fazladır. Düz güneş kollektörlerinin aksine güneş havuzlarına eğim verilmez. Bu nedenle performansları yıl boyunca aynı değildir. Enlem yükseldikçe yaz ile kış şartlarındaki performans farkları artmaktadır.
Bu tip güneş havuzlarında görülenilecek diğer problemler ise tabanda alglerin ve çökeltilerin oluşumudur. Bunlar havuzun yansıtıcılığını artırmakta ve alglerin suya renk vermesinden dolayı absorbe edilen enerjide azalma meydana getirmektedir. Genellikle güneş havuzu ısısı, günün 24 saati boyunca kullanışlıdır. Bu nedenle gündüz depolanan enerji, gün içerisinde ve gece kullanılabilir.
SGSP nin binalarda kullanıma bir örnek, Melbourne de RMIT üniversitesinde çatıya kurulan bir SGSP sistemidir. Havuz, 5 m çapındadır. UCZ, NCZ ve LCZ katmanlarının derinliği sırasıyla 10, 60 ve 15 cm dir. Havuz 70 C ye kadar ulaşabilmektedir.
Diffuser and wall bracket used to setup gradient.
Dünyanın ilk ticari ölçekte güneş havuzu Ein Boqek İsrail de (Tabor and Doron) kurulmuştur. Havuz 1979 yılında tasarlanmış ve 1984 te üretime başlamıştır. İsrail deki bir başka havuz yine En Boqeq te, elektrik üretmek amaçlı kurulmuştur. 7000 m 2 alana sahip ve 2.5 m derinliğindedir. Havuza Rankine Çevrimi entegre edilmiştir ve 150 kw jeneratöre sahiptir. Havuz 90 C ye çıkabilmekte fakat genellikle 70-80 C aralıklarında çalılşmaktadır.
Bet Ha Arava Solar pond power station in the Dead Sea Israel
Bir başka örnek Hindistan Bhuj dadır. Buradaki havuz 100 m uzunluğunda, 60 m genişliğinde ve 3.5 m derinliğindedir. 6000 m 2 lik havuz Kutch Mandırasına sıcak su sağlamak için kurulmuştur. Sistem günlük 70 C sıcaklığında 80000 litre sıcak su sağlayabilmektedir.
Solar pond, Bhuj, India
1983 yılında El Paso Solar Pond projesi, University of Texas ta kurulmuştur. 1986 dan beri çalışmaktadır ve ısı üretimi, elektrik üretimi ve temiz su üretimi başarıyla yapılmıştır. Proje Bruce Foods da varolan, 3350 m 2 alanında 3 metre derinliğinde bir havuzun keşfedilmesiyle planlanmıştır.
Installation of the flexible polypropylene geomembrane liner. Installation of Geo-textile between the polypropylene liner and GCL. The pond with the liner system installed.
Solar pond in El Paso, Texas
Solar pond in El Paso, Texas
Yine RMIT üniversitesi tarafından Pyramid Hill, Victoria, Avustralya da kurulan bir güneş havuzu 3000 m 2 alanındadır. Sistem 2000 lerin başında Pyramid Salt Factory de tuz kurutma işleminde ısı üretimi için kurulmuştur. Havuzun derinliği 2.3 m, ısı depolama alanı 0.8 m ve gradyan bölgesi 1.2 m kalınlığındadır. Başlangıçta, havuzdan elde edilen ısı tuz kurutmak için kullanılsa da daha sonraları ısının bir kısmı fabrika alanında kurulu bir balık yetiştirme çiftliğinde de kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde ise, bir sel baskını sonucu fabrika kullanılamaz hale gelmiştir ve havuz kullanılmamaktadır.
3000 m 2 solar pond at Pyramid Hill, Australia.
Heat extraction tubes and Inlet Manifold.
Güneş havuzu sistemleri, ticari olarak çok yaygın değildir, fakat deneysel olarak bir çok çalışma yapılmıştır. Yakın gelecekte, enerji krizlerinin çözülmesi için güzel bir alternatif olabilir. Bu teknoloji ile ilgilenen endüstriyel kuruluşlar genellikle düşük sıcaklık (45-80 C) kaynaklarına ihitiyaç duyan firmalar olmalıdır. Bunlar; Tuz imalatçıları Su kültürü Mandıra tesisleri Tahıl ve sebze kurutma endüstrileri Su üreticileri (for desalination).
Aşağıda bahsedilen durumlarda güneş havuzları daha da ilgi çekici bir hale gelebilir: Sisteme uygun boş bir arazinin olması, petrole erişimin zor olduğu bir bölgede olması ve enerji maliyetlerinin yüksek olması, İhtiyaç duyulan sıcaklığın 40-80 C arasında olması; Düz, verimsiz bir alanın olması Ortalama yıllık güneş radyasyonu değerlerinin iyi olması Büyük miktarlarda tuzun ucuza bulunması.
Salt deposit on wave suppression rings. (b) New wave suppression nets being installed.
In-pond heat exchanger. Corrosion of metal supports due to low ph. Jimmy Leblanc, Aliakbar Akbarzadeh, John Andrews, Huanmin Lu, Peter Golding, Heat extraction methods from salinity-gradient solar ponds and introduction of a novel system of heat extraction for improved efficiency, Solar Energy, 85(12), 3103 3142
JEL ÖRTÜLÜ GÜNEŞ HAVUZLARI GEL STABILIZED SOLAR POND
SGSP sistemlerinin problemlerinden dolayı 1978 de Shaffer tarafından yeni bir sistem önerilmiştir. Bu fikir, hem izalasyon görevi gören ve hem de güneş radyosyonunun en alt tabakaya erişmesine izin veren jel polimer kullanmaktır. Bu metotta jel, LCZ üzerinde yüzmekte ve NCZ nin yerini almaktadır.
Bu tip havuzda, LCZ nin üstünde yüzen jel, NCZ nin yerine izolasyon görevi görür. En üst katmanda kullanılan jel ise
Bu teknolojinin avantajları; UCZ ye buharlaşmadan dolayı eksilen suyun yerine su ekleme problemi ortadan kalkmaktadır. Depolama bölgesine çökelti ve tortular geçememektedir.. Jel yüzeyine belirli aralıklarla temizlenmesi Rüzgar problemi yoktur.
Bu sistemin en temel problemi jelin yüksek maliyetidir. Bu nedenle büyük sistemlerde kullanımı çok pahalı olacağından zordur. Bu uygulamanın bir örneği 1980 de Wilkins vd. tarafından inşa edilmiştir. Jel örtülü bu güneş havuzu University of New Mexico ya yakın bir yere kurulmuştur.
Schematic diagram of the gel pond built
Deneyler tuz konsantrasyonları ve jel kalınlıkları değiştirilerek yapılmıştır. Havuz, 1981 yılının güz mevsiminde, 25 cm jel kalınlığı ile 57 C ye ulaşmıştır. Chamberino (New Mexico) da bir gıda firmasına ısı enerjisi sağlamak için ticari bir havuz inşa edilmiştir. Havuzun alanı 110 m 2 dir ve havuzun taban sıcaklığı 60 C ye ulaşmıştır.
PETEK ÖRTÜLÜ GÜNEŞ HAVUZU HONEYCOMB SOLAR PONDS, HSP
Hava dolgulu petekli bir yapı havuz üzerinde yüzer vaziyette yerleştirilmiş ve solar radyosyonun geçmesine izin verirken ısı kaybına da engel olmaktadır. İzalasyon tabakasının altındaki havuz, taze su ile doldurulmuştur.
Petekli sistemin daha iyi izalasyon özelliğine sahip olması ve güneş radyasyonunu daha iyi geçirmesi için geliştirilmesi mümkün olmakla beraber ilk yatırım maliyetleri artmaktadır. Bu nedenle, küçük ölçekli uygulamalar için uygundur. Petekli sistemin öngörülen bir diğer uygulaması, bir su tankının duvarı olarak kullanılması ve güneş radyasyonunu içeri alması yada akışkan kullanılmayan depolama ortamında izalasyon görevi yapmasıdır.
Cutaway of honeycomb cover
ZAR ÖRTÜLÜ GÜNEŞ HAVUZLARI COFFERED SOLAR PONDS, CSP
Akışkandaki konveksiyon akımlarını engellemenin bir diğer yolu, vizkozitesini arttırmaktır. Bunun için, suya vizkozitesini arttıran koyulaştırıcı bir madde eklenebilir. Fakat, bu organik maddelerin bir çok dezavantajları vardır. En önemlileri; Zamanla ve sıcaklığın 55 C nin üstüne çıkmasıyla fiziksel ve kimyasal yapılarının doğal olarak bozulması Yüksek maliyet. Bu nedenle vizkozitesi arttırılmış güneş havuzları uygulanamamaktadır.
Güneş havuzu yapmanın bir başka yolu ise, doğal tuzlu gölün bir kısmının uygun ısıl izalasyonlu zarla ayrıştırılmasıdır. Bu sisteme zar örtülü güneş havuzu denir (coffered solar pond (CSP). Bu metotda, çukur kazma maliyeti yoktur, fakat membranlar maliyetlidir. Farklı yerlere yerleştirilmiş yatay borular tuz gradyanlarını oluşturmaktadır. Tabandaki diğer borular sıcak salamurayı toplar.
Coffered solar pond
1990 da Sokolov ve Arbel tarafından yeni bir güneş havuzu geliştirilmiştir. Sistemde taban kısmında temiz su vardır. Havuz, yerden izole edilmiştir. Suyun üzerinde yüzer şekilde duran bir köpükleştirilmiş polystyrene katman bulunmaktadır (8). Bunun iki amacı vardır. İlki havuzun dış oratama karşı izalasyonunun sağlanması, ikincisi ise boru şebekesine destek sağlamasıdır. Bu borular suyu polyester katmanın karartılmış yüzeyi üzerinde yaymaktadır.
Freshwater floating collector solar pond
Su, havuzun tabanından pompalanır, solar radyasyon ile ısınır ve yüzen katmana açılmış bazı deliklerden aşağıya doğru hareket eder. Polisitirenlevha üzerindeki suyu izole etmek için, havuz üzerinde duran şeffaf ince plastik bir levha (9) yardımıyla hava tabakası katmanı (13) oluşturulmuştur. Hava, fan yardımıyla pompalanmaktadır (10). Sistem oldukça basittir fakat karartılmış plastik levha üzerinden sıcak suyu püskürtecek bir boru şebekesine gereksinim vardır ve şeffaf plastik katmanın şişkin durmasını sağlayacak fana ihtiyaç vardır.
KONVEKSİYONLU GÜNEŞ HAVUZLARI CONVECTIVE SOLAR PONDS
Tuz gradyanlarının olmadığı konveksiyonlu havuzlarda, anlık güneş radyasyonu, hava ile su arasındaki farklı geçirgenlik katsayısından dolayı belirli bir açıda havuza nüfuz eder. Absorbe edilen enerji suyu ısıtırak bir sıcaklık gradyanı oluşturur ve bunun sonucunda yoğunluk farkı oluşarak havuz içerisinde suyun aşağı-yukarı hareket etmesine sebep olur. Bu şekilde havuz suyu sıcaklığı, atmosfer sıcaklığı ile aynı aralıklarda kalır.
En çok araştırma yapılan konvektif güneş havuzu tipi sığ güneş havuzudur. Bu havuz, tuzsuz su ile doludur ve üzeri örtü ile kaplıdır. Bu örtü konveksiyonu izin verirken suyun buharlaşmasını önler. Havuzun alt kısmı siyah ve izolasyonludur. Üst kısımdaki örtü plastik veya cam olabilir. Güneş, gün boyu örtü altındaki suyu ısıtır. Geceleri ise sıcak su, ısı kaybını önlemek için bir ısı depolama tankına depolanır. Sıcak suyun depolama tankına pompalanması esnasındaki aşırı ısı kaybı sığ güneş havuzlarının gelişmesini engellemiştir.
Sığ güneş havuzu, 4 m 200 m, Dickenson vd, tarafından yapılmıştır (1976).
Bir diğer konvektif güneş havuzu tipi derin tuzsuz havuzdur. Bu tip havuzun sığ havuzlardan tek farkı, suyun depolama tankına pompalanmasına gerek yoktur. Havuzun üstünde çift kaplama vardır. Geceleri veya güneşin olmadığı durumlarda, kaplamanın üstüne konan izolasyon ısı kayıplarını azaltır.