ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ... · havuzları, üç farklı...

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Abdullah İSKENDER

GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ

FİZİK ANABİLİM DALI

ADANA, 2010



Abdullah İSKENDER

YÜKSEK LİSANS TEZİ FİZİK ANABİLİM DALI

Bu tez 22/01/2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu

İle Kabul Edilmiştir.

İmza: İmza: İmza: Yrd.Doç.Dr.Mehmet KARAKILÇIK Yrd.Doç.Dr.Zeki Kurt Yrd.Doç.Dr.Güray KILINÇÇEKER

Danışman Üye Üye

Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır. Kod No:

Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL

Enstitü Müdürü

Bu Çalışma ÇÜ. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir.

Proje No: FEF2008YL34 * 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.

I

ÖZ

YÜKSEK LİSANS TEZİ


Abdullah İSKENDER


FİZİK ANABİLİM DALI

Danışman: Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yıl: 2010, Sayfa: 65

Jüri : Yrd.Doç.Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yrd.Doç.Dr. M. Zeki KURT

Yrd.Doç.Dr. Güray KILINÇÇEKER

Güneş enerjisi, temiz, yenilenebilir ve sonsuz bir enerji kaynağıdır. Bu yüzden güneş enerjisi ile çalışan sistemlerin geliştirilmesi ve performanslarının artırılması oldukça önemlidir. Bu sistemlerden birisi de güneş havuzlarıdır. Güneş havuzları, üç farklı bölgeden oluşur. Bu bölgeler farklı yoğunluklarda tuzlu su tabakalarına sahiptir. En yoğun tuzlu su bölgesi havuzun tabanındadır ve güneş enerjisini ısı biçiminde depolamaktadır. Bu bölgenin ısı depolama performansını etkileyen etmenlerden birisi de iç bölgeden kaynaklanan ısı kayıplarıdır. Bu kayıplar, iletim, taşınım ve tuzun moleküler difüzyonuyla oluşmaktadır. Bu araştırmada, silindirik model güneş havuzunun iç bölgelerindeki tuzlu su tabakalarının termodinamik özellikleri incelenecektir. Ayrıca tabakaların kararlı tutulması ve tuzun moleküler difüzyonla sebep olduğu ısı kayıplarının belirlemeye çalışılacaktır. Bu amaçla, iç bölgedeki difüzyonun bir boyutlu matematiksel modeliyle iç bölgenin sıcaklık dağılımlarına bağlı olarak tuz moleküllerinin difüzyonu hesaplanmıştır. Sonuç olarak, silindirik model bir güneş havuzunun difüzyon ısı kayıpları hem deneysel ve hem de teorik olarak belirlenmesinin mümkün olduğu görülmüştür.

Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Havuzları, Isı Depolaması, Isı

Transferi, Tuzlu Suda Difüzyon

II

ABSTRACT

MSc THESIS

INVESTIGATION OF THERMODYNAMIC PROPERTIES OF SOLAR PONDS

Abdullah İSKENDER

DEPARTMENT OF PHYSICS

INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES UNIVERSITY OF CUKUROVA

Supervisor: Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK

Year: 2010, Page : 65

Jury: Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Asst. Prof. Dr. M. Zeki KURT

Asst. Prof. Dr. M.Güray KILINÇÇEKER

Solar energy is a energy source which is clean, renewable and unlimited.

Therefore, development of systems working with solar energy and increased in their performances are important. One of the systems working with solar energy is solar ponds. Solar ponds consist of three different zones. This zones have salty water layers with different concentrations. The most density salty water zone is bottom of the pond and it stores solar energy form of heat. One of factors that affect parts of storing the heat is heat loss which stems from internal zones as well. This heat losses comes into existence with conduction, convection and salt’s molecular diffusion. In this study, it is going to be examined thermodynamics properties of salty water layer at inner zones. Besides, it is going to be determined heat loss that salt causes molecular diffusion and make layers stay stable. With this purpose, the diffusion of the inner zones is determined depending on internal dispersion heat via one dimonsional mathematical model salt the diffusion of salt molecules As a results, diffusion heat loss of a cyclindrical model solar pond is calculated both experimental and theoretically.

Key words: Solar Energy, Solar Ponds, Thermal Storage, Heat Transfer, Diffusion in the Salty Water

III

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 İsmail BOZKURT’a ve Sevinç MANTAR’a çok teşekkür ederim.

Çalışmalarımda her türlü maddi ve manevi destek olan aileme sonsuz

teşekkürlerimi sunarım.

IV

İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ..................................................................................................................................I

ABSTARCT.................................................................................................................II

TEŞEKKÜR............................................................................................................... .III

İÇİNDEKİLER...........................................................................................................IV

TABLOLAR DİZİNİ.................................................................................................VI

ŞEKİLLER DİZİNİ...................................................................................................VII

SİMGELER ve KISALTMALAR………………………………………………...VIII

1. GİRİŞ........................................................................................................................1

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR..................................................................................... ...3

3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ....................................................9

3.1. Yenilenemez Enerji Kaynakları........................................................................9

3.2. Yenilenebilir Enerji Kaynakları........................................................................9

3.3. Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli...........................................................10

3.4. Güneş Havuzları..............................................................................................12

3.5. Konveksiyonsuz Güneş Havuzları..................................................................12

3.6. Konveksiyonlu Güneş Havuzları....................................................................13

3.7. Güneş Havuzu Uygulamaları..........................................................................13

3.7.1. Su Isıtması.............................................................................................13

3.7.2. Bina Isıtması..........................................................................................14

3.7.3. Hububat Kurutulması.............................................................................14

3.7.4. Elektrik Üretimi.....................................................................................14

3.7.5. Diğer Uygulamalar.................................................................................14

4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ........................15

4.1. Güneş Havuzlarında Tuzlu Suyun Isıl Özellikleri...........................................15

4.1.1. Tuz Yoğunluğunun Sıcaklıkla Değişimi...............................................16

4.2. Güneş Havuzlarında Isı Akışı.........................................................................16

4.2.1. Konveksiyon İle Isı Akışı.....................................................................17

4.2.2. Işıma Yolu İle Isı Akışı........................................................................17

4.2.3. İletim Yolu İle Isı Akışı........................................................................18

V

4.2.4. Yüzeyden Buharlaşma Yolu İle Isı Kaybı............................................18

5. MATERYAL ve METOD......................................................................................20

5.1. Materyal..........................................................................................................20

5.1.1. Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) Yapısı................................21

5.1.2. SMGH' un İç ve Dış Bölgelerinin Yalıtımı..........................................21

5.1.3. SMGH' un İç Yalıtım Bölgesi..............................................................21

5.1.4. SMGH' un İç Yalıtım Bölgesinin (Tabakalarının) Oluşturulması........22

5.1.5. Havuz Tuz Yoğunluğu Dağılımını Ölçme Sistemi...............................23

5.1.6. Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sisteminin Çalışma Prensibi...........24

5.1.7. Sıcaklık Dağılımını Ölçme Sistemi......................................................27

5.2. Metod.............................................................................................................27

5.2.1. Güneş Havuzuna Gelen Radyasyonun Soğrulması...............................28

5.2.2. Model Havuza Gelen Radyasyonun Derinlikle Azalması.....................29

5.2.3. Hava Sıcaklığının Ölçülmesi.................................................................30

5.2.4. Sıcaklık Ölçüm Sistemi.........................................................................31

5.2.5. Güneş Havuzunun İç Bölgelerindeki Tuz Yoğunluğu Dağılımı...........31

5.2.6. Termal Isı İletim Katsayısı....................................................................32

5.2.7. Tuz Yoğunluğunun Kararlılığı(Fick Yasası).........................................34

5.3. Güneş Havuzlarının Tuz Yoğunluğu Eğiminin Kararlılığı..............................35

6. BULGULAR ve TARTIŞMA................................................................................37

6.1. Tuzlu Suyun Isı İletim Katsayısı.....................................................................37

6.2. Tuzlu Suyun Özgül Isısı..................................................................................38

6.3. SMGH’da Tuz Gradyentinin Oluşturulması ve Korunması............................39

7. SONUÇLAR ve ÖNERİLER................................................................................41

KAYNAKLAR………………………………………………………………………53

ÖZGEÇMİŞ…………………………………………………………………...……..56

VI

TABLOLAR DİZİNİ SAYFA

Tablo 3.1. Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli…..………….....11

Tablo 6.1. Atmosfer basıncında suyun ve tuzlu su çözeltisinin ısı iletim katsayısı....38

VII

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 3.1. Türkiye de toplam güneş radyasyonu dağılımı..........................................10

Şekil 4.1. Güneş havuzlarında kullanılabilen NaCl, MgCl2, NaHCO3, Na2CO3 ve

Na2SO4 tuzlarının sıcaklıkla değişen konsantrasyonları…………………16

Şekil 5.1. SMGH’ nın iç bölgeleri………………………………………………….22

Şekil 5.2. Tuz yoğunluğunu ölçme sistemi………………………………………....24

Şekil 5.3. Güneş havuzunun tuz gradyentini koruma sistemi………………………25

Şekil 5.4. LM35’in kontak noktalarının alttan görünüşü…………………………...26

Şekil 5.5. Güneş havuzunun tuz tabakaları................................................................32

Şekil 5.6. Sıcaklık değişim hızına bağlı olarak ısı geçiş yönleri................................33

Şekil 5.7. Farklı sıcaklıklardaki tuzlu su tabakalarından ısı geçişi………….……...34

Şekil 6.1. Tuzlu suyun özgül ısının konsantrasyonla değişimi…………………..…38

Şekil 6.2. Tabakaların başlangıç yoğunluk dağılımı ve gradyentin oluşumu………41

Şekil 6.3. Tuz gradyentini koruma sistemi ile tuz yoğunluklu tabakaları…………..41

Şekil 6.4. Tuz yoğunluklu tabakaların durum değişimi…………………….………42

Şekil 6.5. Model bir güneş havuzunun ÜKB’nin ısı iletim katsayısı değişimi…..…42

Şekil 6.6. Model bir güneş havuzunun YB’nin ısı iletim katsayısı değişimi…....….43

Şekil 6.7. Model Bir Güneş Havuzunun DB’nin ısı iletim katsayısı değişimi….…..43

Şekil 6.8. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden difüzyonla kütle Akışı

……………………………………….....................................................46

Şekil 6.9. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı enerjisi.47

Şekil 6.10. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden yalıtım bölgesine ısı

transferi…................................................................................................48

Şekil 6.11. SMGH’nın depolama bölgesinden yalıtım bölgesine difüzyonla kütle

akışı ………………………………………………………..………........49

Şekil 6.12. SMGH’nın bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı

enerjisi ………….……………………………………....…………...…..50

Şekil 6.13. SMGH’nın depolama bölgesinden difüzyonla ısı transferi bölgesine ısı

transferi ……………………………...………………………………….51

VIII

SİMGELER VE KISALTMALAR

ÜKB: Üst Konveksiyon Bölgesi

YB: Yalıtım Bölgesi

DB: Depolama Bölgesi

SMGH: Silindirik Model Güneş Havuzu

qkon: Konveksiyonla Isı Kaybı

hkon: Isı Taşınım Katsayısı

Ts: Su Sıcaklığı

Tç: Çevre Sıcaklığı

ΔQ: Tabakalar Arasındaki İletim Yoluyla Isı Akışı Farkı

ksu: Suyun İletim Katsayısı

A: İki Tabaka Arasındaki Yüzeyin alanı

Δt: Belirli Bir Zaman Aralığı

λm: Dalga Boyu

Port: Ortalama Basınç

ρ: Çözelti Yoğunluğu

hs: Su seviyesi

∆h: Su Seviyesi Farkı

E(x): x Derinliğindeki Güneş Akısı

τ g: Işık Enerjisinin Havuza Giriş Oranı

E−

: Yüzey Alana Gelen Ortalama Güneş Enerjisi

H(x):Derinlikle Azalma Fonksiyonu

Eg: Havuz Yüzeyinin Altındaki Güneş Radyasyonu

µ: Azaltma Katsayısı

ηi: Sabit Sayı

δ :Sabit Bir Parametre

θk: Kırılma açısı

L: Malzeme Uzunluğu

hs: Yükseklik

IX

m: Tuz Çözeltisi Kütlesi

J: Difüzyon Akışı ya da Akısı

D: Difüzyon Katsayısı

C: Tuz Konsantrasyonu ya da Derişimi

ν: Tuzlu Suyun Viskozluk katsayısı

αtuz: Tuzlu Suyun Isısal Difüzyon Katsayısı

T: Sıcaklık

n: Yılın kaçıncı günü

kts: Tuzlu suyun ısı iletkenlik katsayısı

T(x): Düşey doğrultuda sıcaklık yayılması

T(ç): Ortalama hava sıcaklığı

1. GİRİŞ Abdullah İSKENDER

1

1. GİRİŞ

İnsanoğlu var olduğundan bu yana yaşamını doğal çevrede sürdürmüş ve

ihtiyaçlarını da doğal kaynaklardan karşılamıştır. Kurutmayı ve ısınmayı güneşle,

tahıl üretimini rüzgârla yapmış, bir kandilin ışığıyla aydınlanmıştır. Dünya

nüfusundaki artışla birlikte enerji ihtiyaçları çeşitlenmiştir. İhtiyaçların

çeşitlenmesiyle birlikte enerji ihtiyacı da hızla artmıştır. Bu artışın karşılana bilmesi

için daha fazla kömür, petrol ve doğal gaz gibi yakılabilen enerji kaynakları

tüketilmeye başlanmıştır. Bu enerji kaynaklarının hızlı üretime paralel olarak hızlı

tüketilmesi beraberinde bazı sorunların ortaya çıkmasına sebep olmuştur. Bunlar

enerji kaynaklarının sınırlı olması ve çevreye verdikleri zararlardır. Fosil yakıtların

kullanılmaya başlanmasından bu yana yaklaşık 100 yıl gibi kısa bir sürede doğaya ve

canlılara verdiği zararlarla birlikte tükenmeye başlaması bilinen bir gerçektir.

Bunların en başında da iklim değişikliği gelmektedir. İklimde meydana gelen

değişme yer küredeki canlı dokuyu oluşturan türlerin yok olmasına sebep olmakta ve

yerküreyi bütünüyle tehdit etmektedir. Bugün fosil yakıtların çevre ve insan sağlığı

açısından yarattığı olumsuzluklar her geçen gün katlanarak artmaktadır. Fosil

yakıtların yakılmasıyla altı tür sera gazının açığa çıkmaktadır. Bunlar; karbondioksit

(CO2) ve metan, kükürt, partikül, azotoksit, kurum ve küldür. Bunlardan en

belirleyicisi ise, karbondioksit (CO2) ve metandır. Yanma sırasında ortaya çıkan

karbonmonoksit (CO) ise oksijenden çok daha hızlı bir şekilde kandaki hemoglobine

tutunarak vücuttaki oksijeni bloke etmekte ve baş ağrısı vb. hastalıklara yol

açmaktadır. Kömür ve petrolün yanmasıyla ortaya çıkan, kükürtdioksit (SO2) ise

kokusuyla fark edilebilmektedir. Bu madde de sülfürik aside dönüşerek insan

sağlığına ve doğal çevreye onarılmaz zararlar verebilmektedir. Bu gazların ve

partiküllerin, kanser ve diğer hastalıklara yol açtıkları bilinmektedir. Sürdürülebilir

bir yaşam için, fosil yakıtların canlı doğa ve insanlar üzerinde yarattığı olumsuz

etkilerin ortadan kaldırılması veya azaltılması hayati bir önem taşımaktadır. Bu

olumsuz etkilerden kurtulmak ve yaşamı sürdürebilmek için fosil yakıtlar yerine

yenilebilir enerji kaynakların kullanılması büyük önem arz etmektedir. Bu nedenle,

mevcut enerji ihtiyacının karşılanabilmesi için yeni kaynakların aranması gittikçe

1. GİRİŞ Abdullah İSKENDER

2

artan bir kazanmaya başlamıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları hiç tükenmeyen ve

çevreye zarar vermeyen enerji çeşitleridir. Yenilenebilir enerji kaynakları ise; güneş,

rüzgar, su, jeotermal, biokütle gibi yenilenebilir ve temiz enerji kaynaklarıdır. Bu

enerji kaynaklarından en önemli olanı olan güneş enerjisidir. Güneş enerjisi ise,

kirletmeyen, tükenmeyen, en temiz ve sonsuz bir enerji kaynağıdır. Güneşten gelen

ve hiçbir işletme masrafı olmayan bir enerji kaynağıdır. Bu nedenle, güneş

enerjisinden en verimli bir şekilde yararlanılabilen sistemlerin geliştirilmesi

gerekmektedir. Bu sistemler ikiye ayrılmaktadır. Birincisi doğrudan elektrik enerjisi

elde üretebilen güneş pilleri, ikincisi ise ısı enerjisi üretebilen güneş toplayıcıları ve

güneş havuzlarıdır. Güneş toplayıcıları ısı enerjisini günlük olacak şekilde üretebilen

ve depolayabilen sistemlerdir. Güneş havuzları ise, topladığı ısı enerjisini daha uzun

süreli depolayabilen sistemlerdir. Bu nedenle güneş havuzlarının performansını

etkileyen termodinamik özelliklerinin çok iyi bilinmesi gerekmektedir. Bu amaçla,

çapı 1.60 m, derinliği 2 m olan 0.10 m kalınlığında cam yünü ile yalıtılmış silindirik

model bir güneş havuzunun (SMGH) termodinamik özelliklerini belirlenmeye

çalışılacaktır. Silindirik bir havuzun ısıl performansı üzerinde iç bölgeleri oluşturan

tabakaların sıcaklığına ve yoğunluğuna bağlı olan ısı iletim katsayıları, öz ısı,

difüzyon katsayıları ve tabakalar arası tuzun moleküler difüzyon akışı belirlenecektir.

Elde edilen tuzlu suyun bu ısı parametreleri kullanılarak model bir güneş havuzunun

iç bölgelerinin sıcaklık ve enerji dağılımları elde edilmeye çalışılacaktır. Böylece

depolama bölgesinde daha fazla ısı enerjisinin daha uzun bir süre nasıl

depolanabileceği konusunda önemli sonuçlar elde edilmesi beklenmektedir. Bu

çalışmadan elde edilecek sonuçlar ışığında, sistemin performansını nasıl etkilediği

elde edilen sonuçlarla belirlenmeye çalışılacaktır. Böylece bu tez yeni sistemlerin ve

yeni yöntemlerin geliştirilmesine örnek bir çalışma olacaktır.

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Abdullah İSKENDER

3

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

Güneş havuzlarına 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 0C olduğunu gözlemiştir. Bunun nedenleri araştırılmıştır. Bu göllerde ilk kez tuz

yoğunluğu ölçümlerini yapılmıştır. Ölçümler sonucunda gölün derişimin yukarıdan

aşağıya doğru arttığını saptamıştır. Bu yoğunluk eğiminin konveksiyonla ısı kaybını

önlemesi nedeniyle, göllerin derin bölgelerinin yüksek sıcaklığa ulaştığını görmüştür.

Yazın sonunda gölün 1,32 m derinliğinde sıcaklığın 70 0C ye kadar çıktığı ve

ilkbahar aylarında ise en düşük sıcaklığın 26 0C olduğunu gözlemiştir. Anderson 2 m

derinlikli, Orovillve’de (Washington) yaz aylarında sıcaklığı 50 0C ye ulaşan bir gölü

rapor etmiştir. Wilson ve Wellman Antartika’daki Vanda Gölünün buz ile örtülü ve

çevre -20 0C olmasına rağmen taban sıcaklığının 25 0C olduğunu tespit etmişlerdir.

Por ve arkadaşları daha sonra Cohen tarafından rapor edilen İsrail’ de Eliat

yakınındaki 300 yıldır var olan doğal bir güneş gölcüğü bulmuş ve bunu 1967 de bir

güneş havuzu olarak tanımlamıştır (Tabor, 1981).

1948 de İsrail deki ölü deniz araştırmalarında, Block, buharlaşmayı azaltmak

için yoğunluğu eğiminin bir gölcük toplayıcısı içinde %15 oranında kaybolduğunu

belirtmiştir. 1954 de Block, yapay tabakalanmış gölcüklerin, güneş enerjinin

kullanımı amacıyla toplanması ve depolanmasını, İsrail ulusal araştırma konseyine

önermiştir. İlk öncü çalışma 1950’nin sonlarında, Tabor tarafından Ulusal İsrail Fizik

laboratuvarında başlatılmıştır. Bu süreçte, Tabor ve arkadaşları birkaç güneş

gölcüklerinde araştırmalar yapmıştır. Küçük yataklarda sıcaklığın en yüksek 103 °C

olduğunu ve toplayıcı verim oranının %15 olduğunu kaydetmişlerdir. Laboratuardaki

güneş gölcükler teorik ve deneysel gözlemlerle olduğu kadar fiziksel olarak da

gölcüklerin anlaşılması konusundaki çalışmalar, Weinberger, Eleta ve Lavin, Tabor

ve Matz ve Hirschmann tarafından yapılmıştır (Gar, 1987).

Güneş havuzları çoğunlukla büyük boyutlu düzlemsel güneş enerjisi

toplayıcılarıdır. Büyük miktarda enerjiyi ucuz maliyetle sağlayabilme tarafı havuzun

en büyük özelliğidir. Bu güne kadar yapılan çalışmalarda geliştirilen güneş havuzlar


4

tiplerine göre yaklaşık olarak beş gruba ayrılır. Bunlar tuz gradyentli güneş

havuzları, zar örtülü güneş havuzları, petek örtülü güneş havuzları, jel örtülü

havuzları ve sığ güneş havuzlarıdır. Bu güneş havuzlarında güneş enerjisi su

tarafından doğrudan soğurulur. Derin olmayan yani sığ güneş havuzlarında

depolanan enerji anında kullanılırken, diğer dört güneş havuzunda depolanan enerji

uzun süre depolanıp daha sonra da kullanılabilir (Sokolov ve Arbel, 1990).

Güneş havuzları 2-3 m derinliğinde olup en üstte tatlı su aşağıya doğru ise

artan yoğunluklarda tuzlu su içeren havuzlardır. 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 (Özek,

1985).

Güneş havuzunun 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 ve %3,7’si AKB(depolama bölgesi) altındaki yere olan ısı akışı ile

kaybolur. Sadece gelen ışınımın %6,42’si havuzda depo edilir. Bunun dışında sadece

AKB (depolama bölgesi) içinde depolanan güneş enerjisinin bir kısmı kullanılabilir

enerji olarak havuzdan alınabilir. Konveksiyon ve buharlaşma yoluyla olan ısı

kayıpları yaklaşık olarak birbirine eşittirler. Işımayla olan ısı kaybı havuzun enerji

depolama kabiliyeti üzerinde önemli bir rol oynar. Toprağa olan ısı kaybı o kadar

önemli değildir. Bu nedenle, bütün çalışmalar konveksiyon yoluyla olan ısı kaybını

durdurma ve buharlaşmayı azaltma ile 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 (Subhakar ve Murthy, 1993).

Tuz gradyentli bir güneş havuzu üzerinde çalışan Kooi, havuzda bulunan

tuzun miktarının çok olması ve depolama bölgesi sıcaklığının yeteri kadar yüksek

olmaması durumunda erimeyen tuzlar dip yansıtıcılığını artıracağı sonucuna


5

varılmıştır. Bu aynı zamanda konvektif olmayan bölgenin kalınlığının azalması ve

ciddi bir şekilde havuzun performansının bozulması anlamına gelmektedir.

Araştırmacı sıcaklık dağılımını, havuzun dibinden yansıtılan ışığı göz önüne alarak

hesaplamıştır. Kooi, bu çalışmasında dipte yansıtıcılık olduğu zaman bir güneş

havuzunun performansının azalacağı sonucuna varmıştır (Kooi, 1980).

Farklı yoğunluklar ile oluşturulan suyun doğal yayılmasına bağlı olarak,

güneş havuzları içinde tuzun tekrar oluşturulması için pasif bir metot Akbarzadeh ve

arkadaşı tarafından önerilmiştir. Seçilmiş bir derinlikteki su, bu sisteme göre güneş

havuzunda tuzluluk oranının çok olduğu güneş havuzunun taban bölgesine

gönderilmeden önce, bitişik tanktaki bir tuz yatağından geçirilir. Dışa çıkacak ve içe

girecek noktalardaki yoğunluk farkını, güneş havuzunun sürücü kuvveti

sağlamaktadır. Tuz gradyentli güneş havuzlarında üst difüzyonu karşılamak için

havuzun dip bölgesine yeteri kadar tuz transferini bu başarılı sistem dizaynının

sağlayacağı düşünülmüştür (Abarzadeh ve Macdonald, 1982).

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 ( Subhakar ve Murthy, 1994).

Angeli ve Leonardi 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 gradyentli

bölgedeki bozulmaların, sıcaklık gradyenti ve tuz konsantrasyonu yüksek olduğunda

daha fazla olduğu sonucuna varılmıştır söylenmiştir (Angeli ve Leonardi, 2005).


6

Abdullah A.Kendoush (2008) bir düzlem tabaka boyunca sıvı akışkan için ısı

ve kütle transferinin teorik analizi araştırılmıştır. Yeni çözümler türeterek diğer

araştırmacıların çözümlerini ve deneysel verileri karşılaştırmışlardır.

Farklı yoğunluklar ile oluşturulan suyun doğal sirkulasyonuna bağlı olarak,

güneş havuzları içinde tuzun tekrar oluşturulması için pasif bir metot Akbarzadeh ve

arkadaşı tarafından önerilmiştir. Seçilmiş bir derinlikteki su, bu sisteme göre güneş

havuzunda tuzluluk oranının çok olduğu güneş havuzunun taban bölgesine

gönderilmeden önce, bitişik tanktaki bir tuz yatağından geçirilir. Dışa çıkacak ve içe

girecek noktalardaki yoğunluk farkını, güneş havuzunun sürücü kuvveti

sağlamaktadır. Tuz gradyentli güneş havuzlarında üst difüzyonu karşılamak için

havuzun dip bölgesine yeteri kadar tuz transferini bu başarılı sistem dizaynının

sağlayacağı düşünülmüştür (Abarzadeh ve Macdonald, 1982).

Sherman ve Imberger, daha önce 1981’de inşa edilen Alice Springs güneş

havuzunda, konveksiyonsuz bölgede tuz akış nedeniyle bozulan tuz gradyentini

geliştirdikleri bir yöntemle korumayı başarmışlardır. Araştırmacılar bu problemi,

çift-difüzyon konveksiyon yöntemi diye adlandırdıkları, üst tabakada oluşan tuzu

havuzun değişik tabakalarına enjekte ile bu problemi çözmüşlerdir. Bunun

sonucunda havuz sıcaklığının bir kaç ay içinde 85 0C’ nin üzerine çıktığını

gözlemişlerdir (Sherman ve Imberger, 1991).

Güneş havuzlarının performansını etkileyen birçok parametreler vardır.

Bunlardan biri de tuz gradyentininin zamanla değişik etkilerle bozulmasıdır. Büyük

öneme sahip olan bu konu üzerinde birçok araştırmacı çalışmıştır. Bu gruplardan biri

Sreenivas ve arkadaşlarıdır. Bu araştırmacılar konveksiyonsuz bölgelerde değişik

nedenlerle zamanla oluşan bozulmaların havuzun performansını üzerine etkisini

inceleyen kapsamlı teorik bir çalışma yapmışlardır. Bu çalışmada araştırmacılar

konveksiyonsuz bölgenin kalınlığının büyümesi ve küçülmesinin tuzlu su

tabakalarındaki konveksiyon hızına, konveksiyonsuz bölgenin sıcaklığına ve tuzluluk

değerine nasıl bağlı olduğunu ortaya koymuşlardır (Sreenivas ve Ark, 1995). ,

Angeli ve Leonardi tuz gradyentli bir güneş havuzunda tuz difüzyonun tek

boyutlu nümerik bir çalışmasını yapmışlardır. Bir güneş havuzunda yoğunluk

eğiminin kararlılığı ve tuz difüzyonu araştırması için tek boyutlu süreksiz


7

matematiksel model kullanmışlardır. Tuz difüzyon denklemini çözmek için sıcaklık

ve tuz konsantrasyonunun her ikisine bağımlı bir difüzyon katsayısı ile sonsuz fark

yöntemi kullanmışlardır. Güneş havuzunun alt tabakasından çekilen enerji

üzerindeki, tuz eğiminin etkisini analiz etmişlerdir. Modelleri için elde edilen

denklem sonsuz fark yöntemini kullanarak nümerik olarak çözmüşlerdir. Yıl içindeki

güneş gücü yoğunluğu, alt ve üst konveksiyonsuz bölgelerin sıcaklıklarının

değişimini tanımlamak için keyfi ama uygun fonksiyonlar tanımlamışlardır. Tuz

difüzyonu çok küçük bir süreç olmasına rağmen güneş havuzunu uzun yıllar geçerli

kılmak için, konvektif olmayan sınırlarda tuz konsantrasyonunun değişimini

dengeleyebilmek için alt depolama bölgesine doymuş tuzlu su ekleyerek işlem

yapılması gerekliliğini doğrulamışlardır (Angeli ve Leonardi, 2004).

Mullett ve arkadaşları, güneş havuzlarında moleküler difüzyon etkilerini

araştırmışlardır. Tuzun moleküler difüzyon etkisi sadece düzleştirme süreci için

önemli değil aynı zamanda havuzun çalışması içindir. Mullet, moleküler difüzyon

sürecine göre izotermal bir sıvı içinde tuz taşımasının oranını hesaplamak için çözüm

sunmuştur. Laboratuvar havuz modellerinde tuz taşınım ölçümleri teorik tahminlerle

iyi bir uyum içinde veri sağlamaktadır. Genel görüş, moleküler difüzyonun mevcut

analizi doğru olmasına rağmen teoriksel düzleştirmeyi fazla tahmin etmişlerdir.

Kullanılan nümerik metotlarla henüz keşfedilmemiş olayların hesaplanılmasını

sağladılar. Özellikle, difüzyon tuzluluk tabakasının sınırı karşısında tuzluluk

basamaklarının difüzyonla düzleşmesi ve lineer tuzluluk gradyenti önemlileridir.

Çünkü; güneş havuzlarında taşınım bölgesi ve gradyenti arasındaki sınırın hareketi

ara yüzey karşısındaki tuzluluk gradyentine ve sıcaklığın büyüklüğüne bağlıdır.

Difüzyonla tuzluluk basamaklarının düzlemleşmesi, gradyent bölgenin korunmasına

katkı sağlamamıştır (Mullett ve Tsilingiris, 1988).

Bansal ve Katti, tuz dağılımın ilk halini için basamak fonksiyonu

kullanarak bir yığın güneş havuzundaki tuzun difüzyonunun kinetiğini ve tuz

konsantrasyonu için kapalı form çözümünü uygulamalı bir güneş havuzunun sınır

koşullarıyla elde etmişlerdir.1m derinlikli konveksiyon olmayan bölgeyle, denge

konsantrasyonuna ulaşabilmek için 2 tabakalı bir havuzunun 585 güne ihtiyacı


8

olduğunu tahmin etmişlerdir.10 tabakalı bir havuz için ise sadece 96 güne ihtiyacı

olduğunu tahmin ettiler (Bansal ve Katti, 2007).

Farklı yoğunluklar ile oluşturulan suyun doğal sirkulasyonuna bağlı olarak,

tuz gradyentli güneş havuzlarındaki tuz konsantrasyonu genellikle derinlikle

artmaktadır ve oluşan gradyent tabandan yukarıya doğru tuz difüzyonuna sebep

olmaktadır. Bu difüzyonun miktarı tuzun moleküler difüzyonuna bağlıdır. Tuz

konsantrasyon gradyenti ve yüzey dalgaları yada diğer karışıklıklar, girdap şeklinde

dönerek giden kütlesel difüzyona sebep olmaktadır. Güneş havuzlarının önemli bir

problemi olan gradyenti koruma sorununu çözmek için yeni bir yol önerilmiştir. Bu,

güneş havuzlarında tuzun tekrar havuza doldurulmasını sağlayan basit bir yöntemdir.

Bu yöntemin çalışma prensibi, tabakaların farklı yoğunlukları nedeniyle suyun doğal

sirkülasyonu üzerine kurulmuştur. Doğal sirkülasyon güneş havuzuna göre seçilen

bir derinlikte buna bitişik tankta bulunan tuz yatağı arasından geçirilerek

yapılmaktadır. Buradan yoğunluğu artırılan az tuzlu su havuzun dip bölgesine

yoğunluğu artmış olarak geri döndürülmektedir. Giriş ve çıkış noktaları arasındaki

yoğunluk farkı doğal sirkülasyon için sürücü bir kuvvet sağlamaktadır. Tuz

gradyentli güneş havuzlarında yukarıya doğru olan tuz difüzyonunu karşılamak için

sistemdeki bu dolaşımla havuzun dip bölgesine yeterli bir şekilde tuz transfer

edilebilmektedir. Bu metot normalde tuzun tekrar doldurulması için gerekli olan

pompalama tesisatı ihtiyacını ortadan kaldırmakta ve güneş havuzlarının

yoğunluğunu kendi kendine düzenleyen ve taban bölgesindeki yoğunluğu kontrol

etmesi bakımından bir basitlik sağlamaktadır (Akbarzadeh ve MacDonald, 1982).

Bugüne kadar yapılan bu çalışmalar ışığında, tasarımı ve yapımı

gerçekleştirilen Güneş havuzunun termodinamik özellikleri incelenecektir.

3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ Abdullah İSKENDER

9

3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ

Enerji kaynakları iki çeşit olarak incelenmektedir. Bunlar; yenilenebilir ve

yenilenemeyen enerji kaynaklarıdır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının başında da

güneş enerjisi gelmektedir. Ülkemiz bulunduğu konum gereği, güneş enerjisi

yönünden zengin bir ülkedir. Bu nedenle güneş enerjisinden yararlanma yollarının

araştırılması büyük bir önem taşımaktadır. Güneş enerjisinden ısı enerjisi olarak

yararlanma yollarından biriside güneş havuzu sistemidir. Bu sistemlerin daha verimli

uygulanabilir olması için yeni ve gelişmiş teknolojiler gerekmektedir.

3.1. Yenilenemez Enerji Kaynakları

Fosil yakıtlar ve radyoaktif elementler yenilenemez enerji kaynaklarıdır. Bu

kaynakların bu şekilde isim almalarının nedeni kullandıkça bitmeleri ve yenilerinin

gelmesinin çok uzun sürmesidir 1. Fosil yakıtlar: Kömür, petrol, doğalgaz gibi fosil

yakıtlar en çok termik santrallerde elektrik enerjisi üretmek için kullanılmaktadır.

Günlük hayatta kullandığımız benzin, mazot, LPG, plastik, naftalin, boya, teflon gibi

maddeler petrol kaynaklıdır. Kömür, petrol, doğalgaz gibi binlerce yılda oluşmuş

fosil yakıtlar insanlığın gelişmesi ile hızla azalırken atıkları ile hava su ve toprak

kirliliğine yol açar. Fosil yakıtlardaki karbon yanma tepkimeleri ile atmosferde CO2

ve CO bileşiklerinin birikmesine neden olur. Bu gazların havada çok fazla birikmesi

sera etkisine ve küresel ısınmaya neden olması açısından oldukça tehlikelidir.

3.2. Yenilenebilir Enerji Kaynakları

Yenilenebilir enerji gücünü güneşten alan ve hiç tükenmeyeceği düşünülen

ve çevreye zarar vermeyen enerji kaynakları yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Bazı

yenilenebilir enerji kaynakları ise, güneş enerjisi, hidroelektrik enerji, rüzgar

enerjisi, jeotermal enerji, hidrojen enerjisi, dalga enerjisi, biyokütle enerjisidir.

Bunların kaynakları ise sırasıyla; güneş, nehir ve akarsular, rüzgarlar, yeraltı suları,

su ve hidroksitler, okyanus ve denizler ve bitkisel kaynaklarıdır.


10

3.3. Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli

Türkiye dünya üzerinde 36o- 42o kuzey enlemleri ve 26o- 45o doğu boylamları

arasında bulunmaktadır. Türkiye'nin yıllık ortalama güneş ışınımı 1303 kWh/m2yıl,

ortalama yıllık güneşlenme süresi ise 2623 saattir. Bu rakam günlük 3,6 kWh/m2

güce, günde yaklaşık 7,2 saat, toplamada ise 110 günlük bir güneşlenme süresine

denk gelmektedir. 9,8 milyon TEP (ton eşdeğer petrol) ısıl uygulamalara olmak üzere

yıllık 26,2 milyon TEP enerji potansiyeli mevcuttur. Yılın 10 ayı boyunca teknik ve

ekonomik olarak ülke yüzölçümünün %63’ünde ve tüm yıl boyunca %17'sinden

yaralanabilir. Güneş radyasyonu bu dünyanın atmosferine dik ise, bir düşme 1.367

W/m2 (güneşi sabit kabul edersek, yoksa dünya döndüğü için bu açı devamlı olarak

değişecektir) 1.367 W/m2 olan bu değerin 50 W/m2 atmosferde emilir ve yeryüzüne

1.000 W/m2'lik bir değer ile ulaşır. Yıllık olarak, Türkiye'de bu değer 1.100

kWh/m2yıl ile 1.300 kWh/m2yıl arasında değişmekle beraber, çöllerde 2.500

kWh/m2yıl ‘ı bulmaktadır. Gerekli yatırımların yapılması halinde Türkiye yılda birim

m2'sinden ortalama 1.100 kWh’ lik güneş enerjisi üretebilir.

Şekil 3.1. Türkiye de toplam güneş radyasyonu dağılımı


11

Tablo 3.1. Türkiye'nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli

Aylık Toplam Güneş Enerjisi

Aylar (Kcal/cm2-ay) (kWh/m2-ay) Güneşlenme Süresi (Saat/ay)

Ocak 4,45 51,75 103,00

Şubat 5,44 63,27 115,00

Mart 8,31 96,65 165,00

Nisan 10,51 122,23 197,00

Mayıs 13,23 153,86 273,00

Haziran 14,51 168,75 325,00

Temmuz 15,08 175,38 365,00

Ağustos 13,62 158,40 343,00

Eylül 10,60 123,28 280,00

Ekim 7,73 89,90 214,00

Kasım 5,23 60,82 157,00

Aralık 4,03 46,87 103,00

Toplam 112,74 1311,00 2640,00

Ortalama 308,00 cal/cm2-gün 3,60 kWh/m2-gün 7,20 saat/gün

Kaynak: EİE Genel Müdürlüğü

Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970’lerden

sonra hız kazanmıştır. Bununla birlikte, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak

ilerleme kaydetmiştir. Maliyet bakımından ise düşme göstermiş, güneş enerjisi

çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş

enerjisi günümüzde birçok alanda kullanılmaktadır. Bunlar;

• Konut ve iş yerlerinde, ısıtma, soğutma, yemek pişirme, sıcak su ve yüzme

havuzu ısıtılmasında,

• Tarımsal teknolojisinde, sera ısıtması ve tarım ürünlerinin kurutulmasında,

• Sanayide, güneş ocakları, güneş fırınları, pişiriciler, deniz suyundan tuz ve

tatlı su üretilmesi, güneş pompaları, güneş pilleri, güneş havuzları, ısı borusu

uygulamalarında,

• Ulaşım ve iletişim araçlarında, sinyalizasyon ve otomasyonda, elektrik

üretiminde kontrollü olarak kullanılmaktadır.


12

3.4. Güneş Havuzları

Güneş havuzları, güneş enerjisinin doğrudan depolanıp muhafaza edildiği

metotlardan birisidir. Herhangi bir havuz da güneş radyasyonunu depolayabilir.

Ancak sıvı içerisindeki doğal ısı taşınımı, sıvı yüzeyinden taşınım ve gizli ısı

kayıpları çok fazladır. Su kütlesinin fazla olması nedeniyle, hiç güneş radyasyonu

olmaması halinde, havuzdaki sıcaklık düşmesi birkaç haftada 10 civarındadır.

Güneş havuzları birim ısı girişine göre, birim kollektör yüzeyi yönünden düzlem

kollektörlerden daha ucuzdur. Kışın yüzeyi donsa bile, iç kısımlar düşük sıcaklıkta

çalışan ısı pompası uygulamalarına yetecek sıcaklıktadır. Düzlemsel kollektörlere

göre sakıncası, çatılara kurulamayışıdır.

Bu kısımda tuz gradyenti (tuzluluğu faklı tabakalar) esasına göre çalışan güneş

havuzları tanıtılacaktır. Güneş havuzlarında aynı su kütlesi, hem kollektör hem de

enerji depolayıcı olarak kullanılabilir. Güneş havuzlarının iki amacı gerçekleştirmesi

istenir. Bunlar; İç bölgelerdeki doğal ısı taşınımının önlemesi ve su yüzeyinden

havaya olan ısı kayıplarını azaltmasıdır.

3.5. Konveksiyonsuz Güneş Havuzları

Bu havuzlar, ısıl yüzdürmeden doğacak doğal taşınımın engellenmesi

amacıyla yapılır. Isınan suyun yüzeye doğru yükselmesini engellemek amacıyla

tuzluluğu faklı tabakalar oluşturulur. Tuz olarak genellikle MgCl2 ya da NaCl

kullanılır. Tuz konsantrasyonu olmasaydı, ısınan saf suyun yoğunluğu düşecek ve

yukarı doğru hareket edecekti. Bu durum, sürekli olarak taşınım ısı kaybının

artmasına sebep olacaktı. Güneş havuzunda ise derinlere indikçe artan tuzluluk,

yoğunluğu arttıracak ve bu olay frenlenecektir. Bunun sonucu, yüzey sıcaklığı da

fazla yükselmeyeceğinden, yüzeyde az miktarda taşınım ısı kaybı olacak, buharlaşma

önemli derecede azalacaktır. En üst tabaka, ısı depolamasına yaramadığı için,

olabildiğince ince olmalıdır. Bundan sonraki tabaka yaklaşık 1 m derinliktedir ve tuz

oranı derinlikle artar. En alt tabakada ise ısı depolanmaktadır.


13

3.6. Konveksiyonlu Güneş Havuzları

Bunlar 2 çeşit yapılabilir; gölgeli ve tuzsuz sulu havuzlar. Gölgeli güneş

havuzlarında su derinliği 10 cm kadardır. Su kapalı büyük bir cepte bulunur.

Boyutlar tipik olarak 3.5x60 m olabilmektedir. Taban siyaha boyanmış ve üst kısım

cam çatı ile örtülür. Geceleri su büyük bir depoya pompalanır, gündüz tekrar sisteme

gönderilir. Bazı hallerde su sürekli devir dayım yapılabilir. Su yüksekliği arttıkça

depolama sıcaklığı düşmekte, buna karşı daha çok güneş enerjisi

depolanabilmektedir.

3.7. Güneş Havuzu Uygulamaları

Güneş enerjisinden sıcak işlem suyu ve ısı enerjisi elde etmek amacıyla

birçok alanda kullanılabilen sistemlerdir. Bu uygulamalardan bazıları; su ısıtılması,

bina ısıtması, hububat kurutulması, elektrik üretilmesidir.

3.7.1. Su Isıtması

Güneş havuzlarının sıcak su ısıtması için mükemmel potansiyelleri vardır. Bu

uygulama için 2000 m2’ lik bir güneş havuzu Miamishurg, Ohio'da inşa edilmiş olup,

halen kullanılmakladır. Bu havuz açık bir yüzme havuzunu ilkbahar ve sonbaharda

ısıtmaktadır. Yüzme havuzu ısıtması, güneş enerjisinin uygulanmasında oldukça

uygundur. Çünkü alınan ısı düşük sıcaklıktadır. El Paso, Texas ‘da inşa edilmiş bir

güneş havuzu da, gıda sanayine sıcak su sağlamaktadır. Güneş havuzunun daha genel

uygulaması ise endüstride proses için (60°C) sıcak su kaynağı olarak kullanılmasıdır.

Böyle havuzların toplam verimi, bölgenin güneşlenme değerleri ve gereken su

sıcaklığına bağlı olarak, % 15-40 arasında değişir.


14

3.7.2. Bina Isıtması

Isının depolanma kabiliyeti, kısın bina ısıtması olarak havuzların

kullanılmasını sağlayabilir. Havuz düşük sıcaklıklarda bir ön ısıtıcı olarak

kullanıldığı zaman, daha yüksek verim elde edilir. İstenilen son sıcaklığa ulaşmak

için konvansiyonel enerji kaynakları ile birleştirilebilir. ABD ve Portekiz'de sera

ısıtması için güneş havuzları inşa edilmiştir.

3.7.3. Hububat Kurutulması

Güneş havuzları, ılıman zirai bölgelerde hububatın kurutulması için idealdir.

Çünkü güneş havuzu maksimum sıcaklığa yazın sonuna doğru ulaşır ve havuz tahıl

kurutma mevsiminin basında enerjisinin çoğunu depolanmış olarak tutar.

3.7.4. Elektrik Üretimi

İsrail'de çalışma sıcaklığı maksimum 80 -90 °C arasında olan güneş havuzları

vardır. Lut gölü bölgesinde, 7500 m2 'lik bir alana sahip olan elektrik üreten büyük

bir havuz bulunmaktadır. İsrail ölü denizde yapılan 250.000 m2 ' lik güneş havuzu 5

MW, Orta Avustralya'da küçük güneş havuzlu güç istasyonları 20-200 kW aralığında

elektrik üretmektedir. Batı Çin’deki kıraç ve seyrek nüfuslu Oinghai ve Xingiang

bölgelerinde de benzer uygulamalar vardır.

3.7.5. Diğer Uygulamalar

Cape Verde adaları gibi, güneşli ve kuru iklimlerde, suyun tuzunun

giderilmesi için güneş havuzundan alınan ısı kullanılmaktadır.

Güneş havuzu, tuz yatakları veya tuzlu gollerde maden ayırma çalışmalarında

kullanılabilir. Bu çalışmalar, güneş havuzunun en düşük maliyetli kullanımıdır.

Arjantin'de, sodyum sülfat kullanan 400 m2 'lik tuz katmanlı güneş havuzu ticari

olarak kullanılmaktadır.

4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ ..Abdullah İSKENDER

15

4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ

Güneş havuzlarının enerji kaynağı güneş olan sistemlerdir. Bu sistemler

güneşten gelen ışını, çok yoğun tuzlu su içeren depolama bölgesinde ısıya

dönüştürebilmektedir. Depolanma bölgesinde üretilen bu enerji aynı zamanda ısı

enerjisi olarak uzun süre depolanabilmektedir. Güneşten gelen ışınların gerek burada

soğurulması ve gerekse depolanmasını etkileyen en önemli etmenlerin başında da

sistemin termodinamik özellikleri gelmektedir. Bu nedenle güneş havuzu

sistemlerinin iyi anlaşılması için sistemi oluşturan bileşenlerin ısı özelliklerinin iyi

bilinmesi gerekmektedir. Bunlar; güneş havuzlarının iç bölgelerini oluşturan tuzlu

suyun ısı özellikleri ve ısı akışıdır.

4.1. Güneş Havuzlarında Tuzlu Suyun Isıl özellikleri

Güneş havuzlarında güneşten gelen enerjinin havuzun iç bölgelerinde

soğurulmasıyla ısı üretilebilmektedir. İç bölgeler yukarıdan aşağıya doğru azalan

yoğunluklarda meydana gelmektedir. Havuz tabanında bulunan en yoğun bölge ise

güneş enerjisinin soğurularak ısı enerji dönüştürüldüğü bölgedir. Güneş havuzlarında

tuz kullanılmasının başlıca nedeni, suyun saydamlığını bozmaması, tuzun doğada bol

bulunması, ucuz olmasıdır. Ancak, tuzla hazırlanan çözeltilerin ısı iletim ve öz ısı

katsayıları hem sıcaklığına hem de tuz konsantrasyonuna bağlı olarak değişmektedir

Bu nedenle, güneş havuzlarının iç bölgelerinin ısı iletim katsayısı ve öz ısının

belirlenmelidir. Çünkü, güneş havuzlarındaki tabakalardaki sıcaklık artışıyla birlikte

tabakalar arasında tuz difüzyonu da artmaktadır. Bu difüzyon artışı ile iç bölge

tabakalarının yoğunlukları bozulmaya başlar. Bu da tuz eğimini bozulması demektir.

Bu bozulmanın havuzu iç bölgelerinin yoğunlaştırılmış tuzlu su ile dışardan

beslenmesi gerekmektedir. Aksi takdir de, tabakaların yoğunlukları bozulmaktadır.

Bu da tabakaların hem ısı iletim katsayısını hem de öz ısını etkilemektedir. Bu

bozulma depolama bölgesinde tutulan ısının kaybolmasına neden olmaktadır.


16

4.1.1. Tuz Yoğunluğunun Sıcaklıkla Değişimi

Güneş havuzlarında NaCl, MgCl2, NaHCO3, Na2CO3 ve Na2SO4 tuzlarından

yararlanmak mümkündür. Bu tuzlardan NaCl ve MgCl2 ‘ün çözünürlüğü sıcaklıkla

fazla miktarda değişmez. Bu nedenle güneş havuzlarında kullanımları yaygındır.

Şekilde güneş havuzlarında kullanılabilen bu tuzların sıcaklığa göre konsantrasyonla

değişimleri görülmektedir.

Şekil 4.1. Güneş havuzlarında kullanılabilen NaCl, MgCl2, NaHCO3, Na2CO3 ve Na2SO4 tuzlarının sıcaklıkla değişen konsantrasyonları (Demirdöver,1995).

4.2. Güneş Havuzlarında Isı Akışı

Güneş havuzlarının performansını etkileyen ısı akışı konveksiyon, iletim,

ışıma ve yüzeyden buharlaşma yollarıyla meydana gelmektedir. Bunlar ortadan

kaldırıldığında ya da minimuma indirildiğinde güneş havuzunun performansını

artırabilmekteyiz. Şimdi bunları kısaca bahsedelim.


17

4.2.1. Konveksiyon İle Isı Akışı

Konveksiyon ile meydana gelen ısı kaybı, ısınan moleküllerin akışkan

içerisinde bir yerden başka bir yere taşınması yoluyla olur. Kararlı bir tuz yoğunluk

eğimi sağlanabilirse, yalıtımlı bölgeden olacak konveksiyonla ısı kaybı tamamen

önlenmiş olur. Bu nedenle konveksiyon ile ısı taşınması sadece depolama bölgesinde

ve yüzey tabakası arasında meydana gelir. Depolama bölgesinde ısınan su

molekülleri yalıtımlı bölgeye gelir ve geri döner. Bu hareket sonucunda, depolama

bölgesinin üst bölümü en dip bölümüne göre bir kaç santigrad derece daha sıcak olur.

Konveksiyonla ısı kayıpları en genel olarak,

qkon=hkon ( T s -T ç ) (4.1)

eşitliği ile verilir. Burada, hkon, ısı taşınım katsayısı (W/m2K); Ts, suyun sıcaklığı ve

Tç çevre sıcaklığıdır.

4.2.2. Işıma Yoluyla Isı Akışı

Güneş havuzlarında kullanılan çözeltinin kaynama noktası çözeltinin

içindeki çözünen maddenin ısıl özelliklerine göre değişir. Siyah cisim ışımasıyla

yayınlanan ışın, kızıl ötesi bölgededir ve dalga boyu Wien yer değiştirme yasasına

göre,

λmT = Er (4.2)

bulunur. Burada, λm, kara cisim ışıması yoluyla yayınlanan ışının maksimum dalga

boyu; T, cismin sıcaklığı ve Er, radyasyon sabitidir ve değeri 2897.8 μmK dir.

Yapılan hesaplamalar sonucunda kızıl ötesi ışınlarla kaybedilecek enerjinin iletimle

kaybolacak ısı kayıpları ile kıyaslanmayacak kadar az olduğu görülür (Karakılçık,

1998).


18

4.2.3. İletim Yoluyla Isı Akışı

Güneş havuzlarında ısı alışverişi havuz ile havuzu çevreleyen bölgeler

arasındaki sıcaklık farkı nedeniyle iletim yoluyla her yönde olmaktadır. Havuz içi ve

dışı farklı kalınlıklarda su ve yalıtımlı tabakalardan meydana geldiği için en yakın iki

tabaka arasındaki iletim yoluyla ısı akışı en genel olarak su ve yalıtım malzemeleri

için aşağıdaki denklemler verilir,

ΔQ = ksu A (ΔT/Δx)Δt (4.3)

ΔQ = ky A (ΔT/Δx) Δt (4.4)

Eşitlikleri ile verilir. Burada, ksu, suyun ısı iletim katsayısını; ky, yalıtım

malzemesinin ısı iletim katsayısını; A, iki tabaka arasındaki yüzeyin alanını; ΔT,

tabakalar arasındaki sıcaklık farkını; Δx, iki tabakanın komşu noktaları arasındaki

uzaklığı ve Δt, belirli bir zaman aralığını gösterir.

4.2.4. Yüzeyden Buharlaşma Yoluyla Olan Isı Kaybı

Güneş havuzunun üst yüzeyinden buharlaşma yoluyla ısı kaybı meydana

gelir. Buharlaşmanın meydana gelmesi ile ÜKB’ in tuz yoğunluğu artmaya başlar.

Bu nedenle buharlaşmanın en aza indirilmesi için SMGH sistemimizin üzeri cam ile

kaplanmıştır. Havuzun üst yüzeyinden net ısı akışı,

iqbqsrqarqgrqnetq ++++= (4.5)

eşitliği ile verilir (Keren ve ark, 1993).

Burada qnet, net yüzey ısı akışı; qgr, yansımadan sonraki net güneş radyasyonu

akısı; gar, net atmosferik radyasyon akısı, gsr, yüzey suyunun gerisindeki radyasyon


19

akısı; qb, buharlaşma ısı akısı ve qi, iletimle ısı akısıdır. Bu akı bileşenlerinin her biri

Atkinson ve Harleman (1983) tarafından tartışılmıştır. Güneş ve atmosferik

radyasyon akısı sadece meteorolojik koşullara bağlıdır. qsr sadece tabaka sıcaklığına

bağlı, qb ve qi‘nin her ikisi de çevredeki hava ve yüzey tabaka koşullarına bağlıdır.

5. MATERYAL ve METOD Abdullah İSKENDER

20

5. MATERYAL ve METOD

Güneş havuzlarının ısı toplama ve depolama performansı üzerinde en önemli

etmenlerden birisi sistemin termodinamik özellikleridir. Bu nedenle güneş havuzu

konusunda daha önce yapılmış çalışmalar ışığında bir güneş havuzu sisteminin

termodinamik özellikleri incelenmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar ışığında da

yeni kurulan silindirik model bir yalıtımlı bir güneş havuzu sisteminin termodinamik

özellikleri önceden belirlenmeye çalışılacaktır. Bunun için, önce 2x2x1.5 m

boyutlarında inşa edilmiş olan bir güneş havuzunun termodinamik özellikleri

incelenmiştir. Buradan elde edilen sonuçlar göre yeni inşa edilen 1,60 m çapında ve 2

m derinliğindeki güneş havuzunun termodinamik özellikleri önceden belirlenmeye

çalışılacaktır.

5.1. Materyal

Bu bölümde yalıtımlı ve üstü kapalı silindirik model bir güneş havuzunun

(SMGH) yapısı, özellikleri, yalıtımı, tuz yoğunluklu tabakaların oluşturulması, tuz

yoğunluğu ve sıcaklık dağılımlarını ölçüme sistemi, tuz yoğunluğunu koruma sistemi

sisteminin çalışma prensipleri hakkında bilgiler verilecektir.

5.1.1. Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) Yapısı

Bu çalışmada, Çukurova Üniversitesi Uzay ve Güneş Enerjisi Araştırma ve

Uygulama Merkezi (UZAYMER)’de inşa edildi inşa edilmiş olan silindirik model

bir güneş havuzu (SMGH) kullanılmaktadır. Model havuz 1,60 m çapında 2 m

yüksekliğinde ve 5 mm kalınlığında çelik sacdan yapılmıştır. Yerden 130 cm

yüksekliğinde çelik bir kaide üzerine yerleştirilmiştir. SMGH’ un çelik bir kaide

üzerine yerleştirilmiş olmasının nedenlerinden birisi de havuzun depolama

bölgesinden toprağa olan ısı kayıplarını ortadan kaldırmaktır. Havuzun gövdesini

oluşturan iç ve dış kısımlarının paslanmaya karşı korunması için boya ile

boyanmıştır. SMGH‘un taban ve yan duvarları 10 cm kalınlığında cam yünü ile


21

yalıtılmıştır. Cam yününün yağmur, rüzgar vs. gibi dış etkenlere karşı korumak için

dış kısımları galvanizli sac ile kapatılmıştır.

5.1.2. SMGH’ un İç ve Dış Bölgelerinin Yalıtımı

Güneş havuzlarında depolanan ısının uzun süre saklanması ve ısı kayıplarının

önlenmesi için çeşitli yalıtım önlemlerinin alınması gerekir. Bunların başında da

havuzun iç, dış kısımlarının yalıtılması gerekmektedir. İç kısmın iyi bir yalıtım

görevi yapması için tuz gradyentinin oluşturulması ve tuz gradyentini koruma

sistemiyle de korunması, dış yüzeylerin uygun bir kalınlıkta ve iyi bir yalıtım

malzemesi ile yalıtılması gerekmektedir. Bu çalışmada, SMGH’ un iç kısımları eşit

kalınlıklarda fakat farklı yoğunluklarda 5 farklı tabakadan olacak şekilde

konveksiyonsuz bir bölgeden oluşturulmuştur. Dış kısımları ise maliyeti düşük ve iyi

bir yalıtım malzemesi olan cam yünü yalıtılmıştır. Cam yününün 20 °C deki fiziksel

özellikleri ise ısı iletim katsayısı (k) yaklaşık olarak 0,0398 W/m°C veya 143,28

J/m°C, yoğunluğu yaklaşık olarak 200 kg/m³ ve öz ısısı (C) 670 J/kg°C dir (Kakaç,

1982).

5.1.3. SMGH’ nın İç Yalıtımı Bölgesi

SMGH’ nin iç bölgesi üç bölgeden oluşmaktadır. Havuzun en alt kısmında

bulunan çok yoğun bölge, depolama bölgesi (DB) veya alt konvektif bölge (AKB)

olarak adlandırılır. Depolama bölgesinin üzerinde bulunan havuzun yüzeyine doğru

yoğunluğu azalan tabakalardan oluşan bölge yalıtım bölgesi (YB) veya

konveksiyonsuz bölge olarak adlandırılır. YB’ deki tuzlu su tabakaları yoğunluk

farkı nedeniyle birbirine karışmazlar. Böylece DB’ den konveksiyonla ısı kayıpları

engellenir. DB’ den ÜKB’ ye ısı kayıpları sadece iletim yolu ile olur. YB saydam bir

yalıtkan gibi davranır güneş ışınının DB’ ye geçmesine izin verir aynı zamanda

konveksiyonla ısı kayıplarını önler (Angeli ve Leonardi, 2004). YB’ in üzerinde

bulunan tatlı sudan oluşan bölge ise üst konvektif bölge (ÜKB) olarak adlandırılır.

Depolama bölgesi havuzun tabanından 80 cm yüksekliğine kadar yoğunluğu yaklaşık


22

olarak 1182 kg/m³ olan tuzlu su ile oluşturulmuştur. Güneş havuzunun yüzeyine

gelen güneş enerjisinin büyük bir bölümü DB’ ye ulaşır ve burada soğurularak ısı

enerjisi olarak depolanır. YB, havuzun yüzeyine doğru yoğunluğu azalmakta olan 20

cm kalınlığında 5 tabakadan oluşmaktadır. Bu tabakların yoğunluğu 1150 kg/m³ den

1000 kg/m³‘ e kadar kademeli olarak azalmaktadır. Bu bölgenin konveksiyonsuz

olması nedeniyle iletim ile ısı kayıpları önlenmiştir. ÜKB’ in kalınlığı 20 cm olup

yoğunluğu 1000 kg/m³ de olan su ile oluşturulmuştur. Güneş havuzunu oluşturan bu

bölgeler Şekil 4.1’ de gösterilmiştir.

Şekil 5.1. SMGH’ nin iç bölgeleri

5.1.4. SMGH’ nıın İç Yalıtım Bölgesinin (Tabakaların) Oluşturulması

Bu çalışmada kolay temin edilebilmesi, ucuz olması ve sistemimiz için uygun olması

nedeniyle çözeltileri oluşturmak için tuz kullanılmıştır. SMGH’ in iç bölgelerini

oluşturmak için önceden belirlenen yoğunlarda tuz çözeltileri hazırlanır. Şekil 5.1.’de


23

görüldüğü gibi havuzun tabanın başlama suretiyle en yoğun bölge olan depolama

bölgesi oluşturulur. DB’ nin hemen üstünde bulunan yalıtım bölgesi, azalan

yoğunluklarda olacak şekilde tuzlu su çözeltileri bir hortum vasıtasıyla sırasıyla

havuza akıtılmak suretiyle iç bölgeler oluşturulmuştur. DB için 1182 kg/m³

yoğunluğundaki tuzlu su çözeltisi hazırlanmıştır. Hazırlanan tuzlu su çözeltileri

tabandan itibaren 80 cm yüksekliğe kadar doldurulmuştur. Güneş havuzunun YB’ si

yani konveksiyonsuz bölge, yoğunlukları DB’ nin üst kısmından itibaren yukarıya

doğru belli oranlarda yoğunluğu azalan tuzlu çözeltiler 20’şer cm kalınlıklı tabakalar

halinde üst üste yığılarak yalıtım bölgesi olarak oluşturulmuştur. Bu tabakaları

oluşturmak için 1150, 1120, 1090, 1060, 1030 kg/m³ yoğunluklu tuzlu su çözeltileri

karıştırıcı ile hazırlanarak yoğunluğu havuzun yüzeyine doğru azalacak şekilde DB’

in üzerine yerleştirilmiştir. Daha sonra YB’ in üzerine 20 cm kalınlığında çeşme suyu

doldurulmuştur Tabakalar üst üste yığılırken sarsıntı ile farklı yoğunluklu tabakaların

birbirine karışmasını önlemek için havuzun içinde yüzen ince bir sunta

yerleştirilmiştir ve çözeltiler bu sunta levha üzerine yavaş yavaş boşaltılmıştır.

5.1.5. Havuzun Tuz Yoğunluğu Dağılımını Ölçme Sistemi

Güneş havuzlarının iç bölgeleri farklı yoğunluklu tabakalardan meydana

gelmektedir. Tabaklar arasındaki bu yoğunluk farkları havuzun performansı için çok

önemlidir. Bu nedenle havuzu oluşturan bu tabakaların yoğunluklarının sürekli takip

edilmesi gerekmektedir. İç bölgelerin yoğunluklarını ölçmek için havuzun. 2 m

boyunda 5x5 cm kalınlığında bir tahta direk üzerine 5 mm çapında 10 adet şeffaf

plastik hortumlar kroşeler yardımı 20’şer cm ara ile tahta direk üzerine

tutturulmuştur. Üzerine hortumlar bulunan direk düşey doğrultuda havuz içine

yerleştirilmiştir. Diğer uçları havuzun dışında bulanan hortumlar sifonlanmak

suretiyle tuzlu su numuneleri alınmaktadır. İstenilen zaman aralıklarında havuzun

belirlenen derinliklerinden bir miktar tuzlu su çekilerek 250 ml ölçekli bir behere

konulup yoğunlukları, yoğunluk ölçme aralıkları 1000-1100 ve 1100 -1200 kg/m3

arasında değişen hidrometreler yardımıyla yapılmaktadır.


24

Bu çalışmada kullanılan sistemde Şekil 5.2.’ de görüldüğü gibi, et kalınlığı 8

mm, iç çapı 30 cm ve yüksekliği 120 cm olan silindirik plastik (PVC) kaplar

kullanılmıştır. Silindirik kabın tabanından bir kaç cm yukarıya tuz tanelerinin havuza

erimeden akmaması için üzerinde 2 mm çapında çok sayıda delikler bulunan bir elek

sistemi yerleştirilmiştir.

Şekil 5.2. Tuz yoğunlunu ölçme sistemi

5.1.6. Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sisteminin Çalışma Prensibi

Tuz gradyentini koruma sisteminin çalışma prensibi birleşik kaplar yöntemine

dayanmaktadır. Şekil 5.3’ de görüldüğü gibi az tuzlu su konveksiyonsuz bölgeden bir

PVC hortum vasıtasıyla, içinde tuz bulunan silindirik kaba yükseklik ve yoğunluk

farkı yaratmak suretiyle akıtılır ve buradan yoğunluğu artmış olarak yeniden

depolama bölgesinin üst kısmına yayıcı boru vasıtasıyla akıtılır. Bu yoğunluk farkı

sayesinde, tuz gradyentli bölgede meydana gelecek bozulmaların ilk önce


25

başlayacağı depolama bölgesinin üst kısmı tuzla beslenerek güneş havuzlarında

zamanla bozulmaya başlayan tuz gradyenti büyük ölçüde korunmuş olur.

Şekil 5.3. Güneş havuzunun tuz gradyentini koruma sistemi.

Şekil 5.3’ de görüldüğü gibi az tuzlu su konveksiyonsuz bölgeden bir PVC

hortumlar vasıtasıyla, içinde tuz bulunan silindirik kaba yükseklik ve yoğunluk

farkı yaratmak suretiyle akıtılır ve buradan yoğunluğu artmış olarak yeniden

depolama bölgesinin üst kısmına dairesel biçimli plastik yayıcı boru vasıtasıyla

akıtılır.

Havuz tabanından hd yükseklikteki bir noktada ortalama basınç,

P h X hort g g=+

++

−ρ ρ ρ ρ3 2 2 1

22 2( ) (5.1)

eşitliği ile bulunur. Tuz bulunan kaptaki çözelti hs seviyesinde ise meydana

getirdiği basınç,


26

Ps = ρ hs (5.2)

eşitliğinden hesaplanır. Burada ρ, az yoğun olarak tuz gradyentini koruma kabına

giren ve buradaki tuz sütunundan geçerek çok yoğun hale geldikten sonra yeniden

havuza giren çözeltinin yoğunluğudur. Sistemin dengede olması için,

Port = Ps (5.3)

şartı sağlanırsa,

h h X hs g g=+

+

+

−

ρ ρρ

ρ ρρ

3 2 2 122 2

( ) (5.4)

yüksekliği elde edilir. Buradan koruyucu sistemin içindeki su seviyesinin denge

noktasına göre yüksekliği hs olduğuna göre, iki kaptaki su seviyeleri arasındaki

fark,

∆h = X2 - hs (5.5)

olup, sistemin çalışması için yeterlidir. Şekil 4.6’ da belirtilen yoğunluk ve

yüksekliklere göre (5.4) ve (5.5) eşitlikleri kullanılarak SMGH için hesaplanan

yükseklik farkını saptanır. Önce hs yüksekliği,

)20120(400.2

000.1150.125400.2

150.1182.1−

+

+

+

=Sh

hs ≅ 113.873 cm

olarak bulunur. Suyun doğal devir-dayımı için gerekli yükseklik farkının,


27

∆h =120 – 113.873 = 6.127 cm

olması yeterlidir. Bu fark sayesinde, bozulmaların ilk önce başlayacağı depolama

bölgesinin üst kısmı tuzla beslenecek ve güneş havuzlarında zamanla bozulmaya

yüz tutan tuz yoğunluklu tabakalara yeniden düzenlenebilecektir. Böylece,

başlangıçta havuzda oluşturulan tuz gradyenti profili büyük ölçüde

korunabilmektedir.

5.1.7. Sıcaklık Dağılımını Ölçme Sistemi

Güneş havuzunun performansının saptanabilmesi için güneş havuzunun

sıcaklık dağılımının iyi bir şekilde belirlenmesi gerekmektedir. SMGH’ in sıcaklık

ölçümlerini yapabilmek için yarıiletken transistörler ve bilgisayara takılan 32 kanallı

PCL813 kart kullanılarak geliştirilen bir ölçüm sistemi kullanılmıştır. Ölçme sistemi,

transistörlerden gelen gerilim sinyalleri sıcaklığı verecek şekilde kalibre

edilmektedir. Havuzun içine ve dışına yerleştirilen sensörler tarafından üretilen

sinyaller, bilgisayar bir bilgisayar ve Visual Basic ile yazılan program yardımı ile

sıcaklığa dönüştürülerek bilgisayara kaydedilmiştir.

5.2. Metod

Bu bölümde, materyal bölümünde belirtilen silindirik model güneş

havuzunun (SMGH) çalışma prensibi açıklanacaktır. Bunlar; havuz yüzeyine gelen

güneş enerjisinin tuzlu su tabakalarında soğrulması, sıcaklık ölçüm sisteminin

çalışması, tuzlu su tabakalarının korunması için tuz yoğunluğu koruma sisteminin

çalışma prensibi ve sistemin doğal devir dayımı için gereken en uygun yüksekliğin

belirlenmesi için kullanılan eşitlikler, tabakalar arası tuz difüzyonu ve taşınan madde

miktarlarını belirleme yöntemlerdir. Böylece, tuzlu tabakalarının ısı iletimi ve öz ısı

katsayılarının hesaplanması, tuzlu suyun bir boyutlu tuz difüzyonu modeli, difüzyon


28

katsayılarının hesaplanması ve tabakalar arası transfer edilen kütle miktarları

belirlenmeye çalışılacaktır.

5.2.1. Güneş Havuzuna Gelen Radyasyonun Soğurulması

Güneş havuzunu oluşturan üç bölgeden ÜKB’ in, sıcaklığı ve yoğunluğu

yaklaşık olarak sabittir. YB’ in sıcaklığı ve yoğunluğu derinlikle artmaktadır. DB’ in

yoğunluğu yaklaşık olarak sabittir ve yalıtımı iyi yapılırsa sıcaklığı da yaklaşık

olarak sabit kalır. Şekil 5.1.’de görüldüğü gibi ÜKB’ in kalınlığını X1, YB’ in

kalınlığını X2, DB’ in kalınlığını X3 şeklinde ifade edebiliriz. Bir güneş havuzunun

ısıl performansı, depolama bölgesine ulaşan radyasyon miktarına ve ısıl enerji

kaybına bağlıdır (Beniwal ve ark., 1987). ÜKB’ ye ulaşan güneş radyasyonunun bir

kısmı havuzun yüzeyinden yansır bir kısmı kırılarak ÜKB’ den havuzun içine geçer.

Yansıyan güneş ışınının güneş havuzunun performansına katkısı olmamaktadır.

Kırılarak güneş havuzuna giren güneş radyasyonunun büyük bir kısmı DB’ ne ulaşır.

Derinliğe bağlı olarak depolama bölgesine ulaşan güneş radyasyonu miktarı, Bryant

ve Colbeck (1977), Rabl ve Nielsen (1975) tarafından verilmiştir. Bunların her

ikisinin de tahmini değerleri Defant (1961) tarafından yaklaşık bir sonuçla

bulunmuştur. Sonuçlar, 0.01 m’ den daha büyük derinlikler için birbiriyle yeteri

kadar uyumludur. Bunlar, güneş radyasyon geçişini kolaylaştırmak için logaritmik

bir ifadeyle verilmiştir. “x” derinliğinde güneş ısı akısı,

E(x) = τ g E−

b

+ 1

0lnxx

Cosx kθ (5.6)

olur. Burada E(x), Havuz yüzeyine gelen toplam radyasyon akısının (güneşlenme)

günlük ortalamasının x derinliğindeki yüzeye ulaşan miktarı (W/m2);τ g, birim yüzey

alana gelen ışık enerjisinin havuza giriş oranı (geçiş katsayısıdır); E−

, yüzey alana

gelen ortalama güneş enerjisi (W/m2), b ve x0, sabitler (m); x, yalıtım bölgesi üst


29

yüzeyinden ölçülen herhangi bir derinlik (m); x1, üst konvektif bölgenin kalınlığı; θk,

kırılma açısıdır (Beniwal ve ark., 1987).

5.2.2. Model Havuza Gelen Radyasyonun Derinlikle Azalması

Güneş havuzuna gelen radyasyon derinlikle azalmaktadır. Havuzun “x”

derinliğine ulaşan güneş radyasyonu,

E(x) = Eg H(x) (5.7)

eşitliği ile verilmektedir (Rabl ve Nielsen, 1975). Burada, Eg, havuz yüzeyinin tam

altındaki güneş radyasyonudur. Derinlikle azalma fonksiyonu H(x) sadece “x”e bağlı

olmayıp aynı zamanda, θk, kırılma açısı ve zamana bağlı bir parametredir. H(x), Rabl

ve Nielsen’ e (1975) (RN modeli) göre, verilerine eşit olan sekiz parametre

yeterlidir. Rabl-Nielsen (RN) modeli;

H(x) = η µ θii

i kSec=∑ −

1

4

1exp( ) (5.8)

eşitliği ile açıklanmaktadır. Bryant ve Colbect (1977) iki parametreli basit bir eşitlik önermektedir. Bu eşitlik,

H(x) = a − b ln( X Secθk) (5.9)

ile verilir. Kooi (1979) tarafından örneklerle açıklanan Defant’ in (1961) orijinal

verilerine gayet iyi bir şekilde uymaktadır. Yukarıdaki (5.9) eşitliğinde Rabl-Nielsen

tarafından verilen ηi ve µi ya da Bryant-Colbect tarafından deniz suyu için verilen a

ve b değerleri sırasıyla 0.36 ve 0.08 dir. Bunlar, Defant’ in özellikle belirttiği deniz

suyu için geçerlidir (Joshi ve Kishore, 1985). Bu iki eşitlik artık enerji miktarının

aşağıya doğru azaldığını ifade eder ve Kooi’ in verdiği örneklerle gayet iyi

uyumludur. Bu konuda ilk olarak Weinberger (1964), son olarak da Hawlader ve


30

Brinkwort (1981) tarafından HB modeli denilen ve tek parametreli bir eşitlik

önerilmiştir. Bu eşitlik,

H(x) = (1-F) exp {-µ (X-δ) Secθk} (5.10)

ile verilir. Burada, µ, azaltma katsayısının değerleri farklı tuzlar için seçilmektedir.

Bu katsayı, gayet temiz ve temiz olmayan sular için 0.32 m-1 ve 1 m-1 ve F

parametresi 0.4 ve δ 'de 0.06 m alınabilir (Joshi ve Kishore, 1985).

5.2.3. Hava Sıcaklığının Ölçülmesi

Hava sıcaklığında ki değişimler güneş havuzunun ısısal davranışını etkiler.

Bu nedenle hava sıcaklığının sürekli takip edilmesi gerekmektedir. Hava sıcaklığının

sürekli takip edilebilmesi için güneş havuzumuzun biraz yukarısına yerleştirilen

LM35 transistör kullanılmıştır. Buradan alınan sinyaller kablo ile PCL813 karta

iletilmiş ve bilgisayar yardımı ile sıcaklık değerine dönüştürülerek kaydedilmiştir.

Daha sonra elde edilen veriler ile hava sıcaklık dağılımı çıkarılmıştır.

Kayalı (1986) tarafından Çukurova bölgesi sıcaklık değerlerini veren bir

ampirik bir denklem geliştirilmiştir. Deneysel olarak ölçtüğümüz sıcaklık değerleri

ile Kayalı (1986) tarafından verilen denklem kullanılarak elde edilen sonuçlar

karşılaştırılmıştır. Bu denklem,

+

−+= t

243605Sin103n

3653608Sin20Tsh (5.11)

şeklinde verilmektedir ve bununla yılın herhangi bir gününün herhangi bir saatinde

hava sıcaklığını ±5°C civarında bir sapmayla saptamak mümkün olabilmektedir.

Burada n; yılın kaçıncı günü olduğunu, t ise saattir ve bir gün için 1-24 arasında

değişmektedir.


31

5.2.4. Sıcaklık Ölçüm Sistemi

Sıcaklık ölçüm sensörü olarak LM35 transistörleri kullanılmaktadır. Bu

transistor lineer voltaj çıkışı verdiği için sıcaklık ölçümlerinde çok iyi sonuçlar

vermektedir. Transistörler Celsius derecesine kalibre edilmiştir. Bir Celsius derecelik

sıcaklık artışına karşılık transistörler 10 mV’ luk sinyal oluşturmaktadır. Yani 10

mV/°C’ lik lineer çarpana sahiptir. Çalışma sıcaklık aralığı −55 ile +150 °C

arasındadır. Şekil 5.4.’ da görülmektedir (Bozkurt, 2006).

Şekil 5.4. LM35’in kontak noktalarının alttan görünüşü

PCL813 kart 32 kanallıdır ve 32 farklı noktadan ölçüm yapılabilir. SMGH

sistemimizin istenilen yerlerine yerleştirilen LM35 transistörler kablo ile PCL813

kartımızın kanallarına bağlanır. Böylece LM35 transistörlerin sıcaklığa karşı

oluşturdukları sinyaller PCL813 karta iletilir. PCL813 kart bilgisayara bağlıdır.

PCL813 karta gelen sinyaller yazılan Visual Basic programı yardımı ile okunur ve

sıcaklık değerine dönüştürülerek kaydedilmiştir.

5.2.5 Güneş Havuzunun İç Bölgelerindeki Tuz Yoğunluğu Dağılımı

Güneş havuzlarında konveksiyon ile oluşacak ısı kayıplarını önlemek için

kararlı bir tuz yoğunluğu eğimini sağlamak ve de aşağıdan yukarıya doğru bir şekilde

yoğunluğu artan tuzlu su tabakaları oluşturmak gerekmektedir. Bu da basamak

şeklinde olan bir grafikle ifade edilebilmektedir. Güneş havuzlarında bir alt

tabakanın sıcaklığı üst tabakaya göre daha büyük olduğundan yukarı doğru tek

boyutlu moleküler difüzyon meydana gelmektedir. Bu yüzden belirli bir süre sonra

basamak şeklindeki grafik asimptotik hale gelmektedir.

+Vs Vçıkış GND


32

Şekil 5.5. Güneş havuzunun tuz tabakaları

5.2.6. Termal Isı iletim Katsayısı

Isı iletimi, bir katı malzeme veya durgun akışkan içerisindeki sıcak bir

bölgeden daha soğuk bir bölgeye doğru ısının geçmesidir. Bir katı cisim içinde

sıcaklık farkları varsa yüksek sıcaklık bölgesinden düşük sıcaklık bölgesine ısı,

iletim yolu ile geçer. Akışkan içerisinde ise, ısı iletimi konveksiyonla ve iletimle

olmaktadır. Isı geçişi deneysel gözlemlere dayanan Fourier kanunu ile belirlenir.

Fourier kanununa göre herhangi bir x yönünde geçen ısı miktarı, x yönündeki

sıcaklık sıcaklık değişim miktarı dT/dx ve ısı geçiş yönüne dik alan A ile orantılıdır.

dxdTkAQx −= [W] (5.12)

Şeklinde ifade edilmektedir. Burada; Qx, x yönünde ve bu x yönüne dik A alanı

üzerinden geçen ısı miktarıdır. Orantı sabiti k, ısı iletim katsayısı olarak adlandırılır

ve maddenin bir özeliğidir. Eşitlik (1)’ deki (-) işareti ısı geçiş yönünü belirler.

Şekil 1a’ da görüldüğü gibi eğer sıcaklık x yönünde azalıyorsa dT/dx negatiftir ve ısı


33

geçişi pozitif x yönünde olmalıdır. Şekil 1b’ de görüldüğü gibi eğer dT/dx pozitifse

Qx negatif olur ve bu durumda da ısı akışı negatif x yönündedir.

(a) (b)

Şekil 5.6. Sıcaklık değişim hızına bağlı olarak ısı geçiş yönleri

x yönündeki sıcaklık değişimi ise;

xTlim

dxdT

0x ∆∆

=→∆

(5.13)

şeklinde tanımlanır. Örneğin Şekil 2’ deki homojen ve izotropik silindir için; T1>T2

olması durumunda x yönünde A alanından geçen ısı Fourier ısı iletim kanununa göre;

L

TTkA

xTkAQ x

21. −

=−=∆∆ [W] (5.14)

şeklinde ifade edilebilir. Burada; k, malzemenin ısı iletim katsayısı olup SI birim

sistemindeki birimi W/m K'dir.

T

x

Isı geçişi

0Q

0dxdT

x <

>

T

x

Isı geçişi

0Q

0dxdT

x >

<


34

Şekil 5.7. Farklı sıcaklıklardaki tuzlu su tabakalarından ısı geçişi

Genellikle katılar ısıyı akışkanlardan daha iyi iletirler. Akışkanlar katılardan

farklı olarak kayma gerilmesi taşırlar ve akışkanlarda ısı geçişi daha çok taşınım yolu

ile gerçekleşir. Akışkanların ısı iletim katsayılarının belirlenebilmesi için ise doğal

taşınım etkileri ihmal edilebilecek düzeyde olmalıdır. Durgun bir akışkanda ısı geçişi

sadece iletim yolu ile gerçekleşir. Katı malzemelerden farklı olarak, ısı iletim

katsayısı belirlenecek olan akışkanın içerisinde doğal taşınım etkileri görülmeyecek

kadar küçük bir hazne içinde yer alması gerekmektedir. Akışkanların ısı iletim

katsayıları Fourier Kanunu ile hesaplanabilir.

5.2.7. Tuz Yoğunluğunun Kararlılığı (Fick Yasası)

Özellikleri her yönde aynı olan ortamlarda yani izotropik ortamda difüzyonun

temel diferansiyel denklemi Fick’in birinci kanunundan türetilir. Birinci Fick kanunu

ile sabit bir A kesitinden geçen, difüze olan molekül miktarının belirlenmesi

yapılabilir. Birinci Fick kanunu olarak bilinen matematiksel ifade ile aşağıdaki gibi

belirtilir;

xCDJ

∂∂

−= ( 5.15 )


35

Burada, J; akı veya akış, yani tuz molekülünün (m), t zamanı içerisinde A

yüzeyinden bu düzleme dik olarak difüzyon doğrultusunda yer değiştirme değeridir.

D; difüzyon katsayısı (m2/s) dır. Denklemdeki eksi işareti moleküllerin düşük

yoğunluğa doğru akışından dolayı gelmektedir. Difüzyon katsayısını etkileyen en

önemli faktör sıcaklıktır.

5.3. Güneş Havuzlarında Tuz Yoğunluğu Eğiminin Kararlılığı

Havuzun alt tabakaları üst tabakalarından daha sıcak olmasından dolayı sabit

yoğunluk gradiyentli bir güneş havuzunun uygun çalışması için, konveksiyonu

önlemek gerektiğini daha önce açıkladık. Tuz yoğunluğu yukarıdan aşağıya doğru

artmaktadır. Yoğunluğun derinliğe göre değişim oranı, derinlik “x” olmak üzere Fick

yasına göre,

0xC

≥∂∂ (5.16)

şeklinde yazılabilir. Eğer konsantrasyon gradyenti sıfırdan farklı bir değerde ise, bir

difüzyon hızı mevcuttur, eğer sıfıra eşitse,

0xC

=∂∂ (5.17)

ile belirtilmektedir. Yani konsantrasyon değişimi yoktur ve karalı durum vardır ve

konsantrasyon gradyentinin x mesafesindeki difüzyon miktarıdır. Doymuş

çözeltilerdeki kararlı durumlarda doymuş konsantrasyon sıcaklığın bir fonksiyonudur

ve de tuzlu çözeltinin yoğunluğu sıcaklığa bağlıdır ve

dρ/dx=[(dρ/dT).(dT/dx)] ≥ 0 (5.18)

eşitliği ile yazarız.


36

Gelen güneş enerjisinin soğurulmasından dolayı havuzdaki su kütlesinin

sıcaklığı artar. Sıcaklığı artan su kütlesinin yoğunluğu azalır böylece su molekülleri

yukarı doğru hareket ederler. Bu kütle transferi, yoğunluk eğiminin bozulmasına

neden olur. Bozulmanın önlenebilmesi için gereken şart; tuz derişimi ile oluşan

yoğunluk değişiminin ısının neden olduğu yoğunluk değişiminden büyük olmasıdır.

Bunu,

dρ/dx=[(dρ/dC).(dC/dx)+(dρ/dT).(dT/dx)] ≥ 0 (5.19)

eşitliği şeklinde yazılabilir. Isınan bölgedeki kütle hareketi zamanla harmonik bir

hareket yapmakta ise tuz yoğunluğu eğiminin denge şartı,

dρ/dx=[(ν+αtuz)(dρ/dC).(dC/dx)+( ν+D)(dρ/dT).(dT/dx)] ≥ 0 (5.20)

Burada, C, gr/cm3 cinsinden tuz derişimi; T, sıcaklık; ν, tuzlu suyun viskozluk

katsayısı;αtuz, tuzlu suyun ısısal difüzyon katsayısı ve D, tuzun difüzyon katsayısıdır.

6. BULGULAR ve TARTIŞMA Abdullah İSKENDER

37

6. BULGULAR ve TARTIŞMA

Güneş havuzunun performansını arttırmak için tuz yoğunluğu eğimini kararlı

tutmamız gerekmektedir. SMGH’ in tuz yoğunluğu eğimini kararlı tutabilmek için

Akbarzadeh ve MacDonald (1982), tarafından önerilen sisteme benzer bir sistem

geliştirilmiştir. Daha önce buna benzer sistemler, Çukurova Üniversitesi Kampusu’

nde yapılan 100 m2 yüzey alanlı ve 2.5 m derinliğinde tuz gradyentli, yalıtımsız bir

güneş havuzunda Kayalı (1986) tarafından ve 4 m2 yüzey alanlı, 1.5 m derinliğinde

tuz gradyentli, yalıtımlı bir güneş havuzunda Karakılçık tarafından (1998) denenmiş

ve tuz yoğunluğunu korumada önemli başarılar sağlanmıştır.

6.1. Tuzlu Suyun Isı İletim Katsayısı

Kaufmann’ın verilerine göre, NaCl içeren sulu bir çözeltinin ısıl iletkenlik

katsayısı şu yaklaşımla bulunabilir,

kts = a+b(C)+ ga(ΔT) (6.1)

a, b ve ga birer sabit olmak üzere,

kts = 0,5553−0,0000813 C +0,0008 [T(x) − T(ç)] (6.2)

dir. Burada, kts, tuzlu suyun ısı iletkenlik katsayısı (W/m°C); C, tuz konsantrasyonu

(kg/m3); T(x), düşey doğrultuda sıcaklık yayılması; T(ç), ortalama hava sıcaklığıdır

(T(ç)=20 °C alınabilir). Tablo 6.1 ’de suyun ve tuzlu su çözeltisinin 0-100 arasındaki

ısı iletim özellikleri verilmektedir. Burada (6.2) eşitliği kullanılarak yaklaşık olarak

doymuş tuzlu suyun yoğunluğu 1200 kg/m3 seçilmiştir. Tablo 6.1’de görüldüğü gibi

doymuş tuzlu su çözeltisinin suya göre ısı iletim katsayısının düştüğü görülmüştür.


38

Tablo 6.1. Atmosfer basıncında suyun ve doymuş tuzlu su çözeltisinin ısı iletim katsayıları

T(x) (°C) 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

Suyun ısı İletim katsayısı (W/m°C)

0.56 0.58 0.59 0.61 0.63 0.64 0.65 0.66 0.67 0.67 0.68

Tuzlu su ısı iletim katsıyısı (W/m°C)

0.44 0.45 0.45 0.46 0.47 0.48 0.49 0.49 0.50 0.51 0.52

6.2. Tuzlu Suyun Özgül Isısı

Özgül ısı, bir maddenin birim kütlesinin sıcaklığını birim derece arttırmak

için gerekli olan ısı enerjisi miktarıdır. Bir maddenin cinsinin ısınmaya etkisi öz ısı

olarak da ifade edilir Isınma ısısı, öz ısı veya özgül ısı kapasitesi olarak da ifade

edilir. Özgül ısı maddenin ayırt edici özelliklerinden biridir. Özgül ısı maddenin

bulunduğu fiziksel hal, basınç ve sıcaklığa göre az da olsa değişkendir. Pratik

uygulamalarda genellikle sabit olarak alınır. Şekil 6.1’de görüldüğü gibi sabit

atmosfer basıncında ve sıcaklıkta (300 K) tuzlu suyun özgül ısının konsantrasyonla

değişimi verilmiştir. Konsantrasyon artışıyla özgül ısıda azalmaktadır. Bu durum ısı

depolamak için kullanılan güneş havuzlarının ısı depolama performansının

azaltmasına yol açmaktadır. Tuzlu suyun konsantrasyona bağlı olan özgül ısı

değişimleri aynı zamanda sıcaklıklarda özgül ısıları değişebilmektedir. Isı depolama

sistemlerinde kullanılan materyallerin hangi şartlar altında yapıldıkları önemlidir.

Güneş havuzlarında ısı toplanmak ve depolamak için kullanılan tuzlu su tabakaları

sistemin en önemli bileşenleridir. Bu tabakaların termodinamik özellikleri sistemin

ısıl performansı üzerinde önemli bir etkileri olduğu görülmüştür.


39

Şekil 6.1. Tuzlu suyun özgül ısının konsantrasyonla değişimi

6.3. SMGH’da Tuz Gradyentinin Oluşturulması ve Korunması

Güneş havuzunun tuz yoğunluklu tabakaların önceden belirlenen yoğunluk

değerlerinde hazırlanmış ve üst üste yığılmak suretiyle en yoğu tabaka aşağıdan

başlayacak üst üst yığılmıştır. Şekil 6.2’de görüldüğü gibi aralık ayında basamaklar

halinde oluşturulan başlangıç yoğunlukları yaklaşık bir ay içinde gradyentli tuzlu su

tabakaları şeklini almıştır. Düzgün bir şekilde tuz gradyentini oluşturulması oldukça

önemlidir. Çünkü, iç bölge ısı yalıtımı bu eğim sayesinde önemli ölçüde

sağlanabilmektedir. Aksi takdirde, iletimle, taşınılma ve difüzyonla olan ısı kayıpları

üzerinde olumsuz etkiler yaratabilecektir.


40

980

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200Tabandan itibaren yükseklik, h (cm)

Yoğu

nluk

, (kg

/m3 )

Gradientli YoğunlukBaşlangıç Yoğunluğu

Şekil 6.2. Tabakaların başlangıç yoğunluk dağılımı ve gradyentin oluşumu

SMGH’nın tuz gradyenti oluşmasıyla birlikte güneş havuz ısı toplamaya ve

depolama başlamıştır. Aynı zamanda tuz gradyentini koruma sistemi de

çalıştırılmıştır. Havuzun çalıştırılmasıyla birlikte sistem ısı depolamaya başlamıştır.

Tabakalarının sıcaklıkları yavaş yavaş çevre sıcaklığının üzerine çıkmıştır.

Tabaklardaki sıcaklık artışıyla birlikte iç bölgede termodinamik hareketlenmede

başlamıştır. Sıcaklık artışı ile birlikte moleküler tuz difüzyonda artmaya başlamıştır.

Bu difüzyon artışı tabakaların yoğunluk dağılımlarının bozulmasına yol açmaktadır.

Şekil 6.3’de görüldüğü gibi, gradyentli yoğunluğun tuz gradyentini koruma sistemi

sayesinde başlangıçta oluşturulan tuz gradyentine yaklaştırılabileceği görülmektedir.


41

980

1030

1080

1130

1180

1230

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Tabandan itibaren yükseklik, h (m)

Yoğu

nluk

dağılı

mı,

(kg/

m3)

Başlangıç YoğunluğuGradientli YoğunlukKoruma Sistemli Yoğunluk

Şekil 6.3. Tuz gradyentini koruma sistemi ile tuz yoğunluklu tabakaların

korunması

Şekil 6.4’de SMGH çalışmaya başladıktan sonraki aylarda havuz

sıcaklığındaki artışa paralel olacak şekilde tuz difüzyonunu da artırmıştır. Fakat tuz

difüzyonu sonucunda Durum 1 (Aralık), Durum 2 (Ocak) ve Durum 3 (Şubat) ‘de

meydana gelen bozulmaların koruma sistemi sayesinde korunmaya çalışılmıştır.

Fakat tuz difüzyonu sistemde ısı kaybına neden olmaktadır. Bu kayıpların

belirlenebilmesi için sistemin bazı termodinamik özellikleri belirlenmeye

çalışılmıştır. Bunlar; iletim katsayıları, özgül ısı, tuz tabakaları arasındaki difüzyon

akış ve kütle transferiyle ısı kayıplarıdır.


42

980

1000

1020

1040

1060

1080

1100

1120

1140

1160

1180

1200

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200

Tabadan itibaren yükseklik (m)

Yoğu

nluk

(kg/

m3)

Durum 1

Durum 2

Durum 3

Şekil 6.4. Tuz yoğunluklu tabakaların durum değişimi

Güneş havuzlarının performansını etkileyen en önemli etmenlerden birisi iç

bölgeden olan ısı kayıplarıdır (Mantar, 2010). İç bölge ısı kayıplarının nedenlerinden

birisi de iç bölgede meydana gelen tuz difüzyonu sonucu olan kayıplardır. Tuz

difüzyonu ile ısı kayıplarının belirlenmesi için tabakaların kalınlığı, ısı iletim

katsayıları, yoğunluğu, sıcaklığı ve difüzyon katsayılarının bilinmesi gerekmektedir.

Bu nedenle, öncelikle model bir güneş havuzunun iç bölgelerinin ısı iletim ve

difüzyon katsayıları belirlenmiştir. Daha sonra ise moleküler tuz difüzyonu akışı ve

bunun sebep olduğu difüzyonla ısı kayıpları belirlenmeye çalışılmıştır.

Şekil 6.5’ de görüldüğü model bir güneş havuzunun üst konveksiyonlu

bölgesinde, havuz sıcaklık dağılımlarına bağlı olarak aylara göre ısı iletim katsayıları

değişmektedir. Sıcaklığın en düşük 12 °C -15 °C olduğu ocak, şubat aylarında ısı

iletim katsayıları en az iken, sıcaklığın en yüksek 50 °C – 56 °C olduğu temmuz

ağustos ve eylül aylarında en yüksek değere ulaştığı görülmektedir. Isı iletim

kaysının artışıyla birlikte iletimle olan ısı kayıpları artacaktır. Isı kayıplarındaki bu

artışla da havuzun depolama performansı olumsuz yönde etkilenmektedir. Ekim

ayında ısı iletim kaysındaki ani düşüşün nedeni ise, difüzyonla yoğunluğu artan üst


43

bölgedeki tuz tabakasının alınarak yerine temiz su yerleştirilmesi sebebiyle bu

bölgedeki hem yoğunluğun hem de sıcaklığın düşmesi sonucudur.

0.469

0.47

0.471

0.472

0.473

0.474

0.475

0.476

0.477

0.478

0.479

Oc. Şub. Mar. Nis. May. Haz. Tem. Agu. Eyl. Ek. Kas. Ara.Ay

Isı i

letim

kat

sayı

sı, W

/m°C

ÜKB

Şekil 6.5. Model bir güneş havuzunun üst bölgesinin ısı iletim Katsayısı

Şekil 6.6’ da model bir güneş havuzunun yalıtım bölgesinde, havuz sıcaklık

dağılımlarına bağlı olarak aylara göre ısı iletim katsayıları değişimleri verilmiştir.

Sıcaklığın en düşük 15 °C – 17 °C olduğu ocak, şubat aylarında ısı iletim katsayıları

en az iken, sıcaklığın en yüksek 40 °C – 45 °C olduğu temmuz ağustos ve eylül

aylarında en yüksek değere ulaştığı görülmektedir. Isı iletim kaysının artışıyla

birlikte iletimle olan ısı kayıpları artacaktır. Isı kayıplarındaki bu artışla da havuzun

depolama performansı olumsuz yönde etkilenmektedir. Ekim ve aralık ayında ısı

iletim kaysındaki ani düşüşün nedeni ise, yalıtımlı bölgeyi oluşturan tabakaların tuz

yoğunluğunun ve sıcaklığın düşmesi azalmasıdır.


44

0.46

0.462

0.464

0.466

0.468

0.47

0.472

0.474

0.476

0.478

0.48


Isı i

letim

kat

sayı

sı, W

/m°C

YB

Şekil 6.6. Model bir güneş havuzunun yalıtım bölgesinin ısı iletim katsayısı

Şekil 6.7’ de ise model bir güneş havuzunun depolama bölgesi sıcaklık ve

yoğunluk dağılımlarına bağlı olarak aylara göre değişimleri verilmiştir. Sıcaklığın en

düşük 18 °C -20 °C olduğu ocak, şubat aylarında ısı iletim katsayıları en az iken,

sıcaklığın en yüksek 50 °C – 56 °C olduğu temmuz ağustos ve eylül aylarında en

yüksek değere ulaştığı görülmektedir. Isı iletim kaysının artışıyla birlikte iletimle

olan ısı kayıpları da artacaktır. Bu bölge çok yoğun tuzlu su bölgesidir. Bölgenin

yoğunluk dağılımları devamlı olarak korunmaya çalışılmaktadır. Bu nedenle diğer iki

bölgeye göre ısı iletim katsayıları ani düşüşlere maruz kalmamaktadır. Sadece

yoğunluk ve sıcaklıkları ısı iletim katsayıları üzerinde etkili olmaktadır.


45

0.45

0.455

0.46

0.465

0.47

0.475

0.48

0.485


Isı i

letim

kat

sayı

sı, W

/m°C

DB

Şekil 6.7. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinin ısı iletim katsayısı

Şekil 6.8’ de görüldüğü model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden

yalıtım bölgesine difüzyonla moleküler tuz difüzyonunun dağılımları görülmektedir.

Difüzyonu artıran en önemli parametrelerin başında tabakaların kalınlığı, yoğunluğu

ve sıcaklıkları gelmektedir. Difüzyon akışını aylara göre değişimleri, sıcaklığın en

düşük 18 °C olduğu ocak ayında yaklaşık 0.5 kg/m2ay, en yüksek 56 °C olduğu

ağustos ayında ise yaklaşık 1.7 kg/m2ay olduğu görülmektedir. Tuzun moleküler

difüzyonunun artışıyla birlikte difüzyon ısı kayıpları artacaktır. Isı kayıplarındaki bu

artışla da havuzun depolama performansı olumsuz yönde etkilenmektedir.


46

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

Oc. Şub. Mar. Nis. May. Tem. Agu. Eyl. Ek. Kas. Ara.

Ay

Difü

zyon

akışı

, kg/

m²a

y

DB®YB

Şekil 6.8. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden difüzyonla kütle akışı

Şekil 6.9’ de görüldüğü model bir güneş havuzunun depolama bölgesinde

depolanan enerji miktarı görülmektedir. Sıcaklığın en düşük olduğu ocak ayında

80000 kJ enerji depolanabilmekte iken, sıcaklığın en yüksek olduğu ağustos ayında

ise 300000 kJ değerine ulaştığı görülmektedir. Depolanan ısı enerjinin kasım ve

aralık ayından itibaren ısı kayıplarındaki artış nedeniyle önemli ölçüde azalmaya

başladığı görülmektedir. Isı kayıplarındaki bu artışla da havuzun depolama

performansı olumsuz yönde etkilenmektedir. Depolanan ısının tutulması ve daha

uzun süre saklanabilmesi için ısı yalıtımı için gerekli bütün önlemlerin alınması

gerekmektedir. Bu kayıplardan birisi de difüzyon ısı kayıplarıdır.


47

Ay

0

50000

100000

150000

200000

250000

300000

350000

Oc. Şub. Mar. Nis. May. Tem. Agu. Eyl. Ek. Kas. Ara.

Dep

olan

an ısı e

nerji

si, Q

(DB

) kJ

Q (DB), kJ

Şekil 6.9. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı enerjisi

Şekil 6.10’ de görüldüğü model bir güneş havuzunun difüzyon ısı kayıpları

görülmektedir. Difüzyon ısı kayıpları havuz sıcaklık ve yoğunluk dağılımlarına bağlı

olarak aylara göre değişimleri verilmiştir. Difüzyon ısı kayıpları depolama bölgesi

için sıcaklığının en düşük 18 °C -20 °C olduğu ocak ayında 0.8 kJ iken, sıcaklığın en

yüksek 56 °C olduğu ağustos ayında ise en yüksek 13 kJ ulaştığı görülmektedir.

Depolama bölgesinden yalıtım bölgesine olan tuz difüzyonu artışıyla birlikte

depolama bölgesinden yalıtım bölgesine difüzyonla enerji transfer edildiği ev

transfer edilen bu enerjiyle ısı kaybının küçük bir miktar artığı görülmektedir.


48

0

2

4

6

8

10

12

14

Oc. Şub. Mar. Nis. May. Tem. Agu. Eyl. Ek. Kas. Ara.Ay

Difü

zyon

ısı k

aybı

, Q (k

J)

Q(NaCl), kJ

Şekil 6.10. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden yalıtım bölgesine ısı transferi Model bir güneş havuzundan elde edilen bu sonuçlara göre, benzer

hesaplamaları SMGH için yapılmıştır. Bu havuzdan deneysel olarak elde edilen

yoğunluk ve sıcaklık değerleri kullanılmıştır.

Şekil 6.11’ de görüldüğü SMGH’ nın depolama bölgesinden yalıtım

bölgesine difüzyonla moleküler tuz difüzyonu akışı görülmektedir. Difüzyonu artıran

en önemli parametreler iç bölge yoğunluğu ve sıcaklıklarıdır. Bu nedenle difüzyon

akışı kış ayları için, sıcaklığın en düşük 18-25 °C olduğu ocak, şubat ve mart ayı için

sırasıyla, yaklaşık olarak 0.09, 0.09 ve 0.11 kg/m2ay olduğu görülmektedir. Tuz

difüzyonunun artışıyla birlikte difüzyon ısı kayıpları meydana gelmektedir.


49

0

0.02

0.04

0.06

0.08

0.1

0.12

0.14

Oc. Şub. Mar.

Ay

Difü

zyon

akışı

, kg/

m² a

y

DB®YB

Şekil 6.11. SMGH’nın depolama bölgesinden yalıtım bölgesine difüzyonla kütle akışı

Şekil 6.12’ de görüldüğü SMGH ’nun depolama bölgesinde depolanan ısı

enerjisi enerji miktarı görülmektedir. Sıcaklığın en düşük olduğu ocak ayında

yaklaşık 40000 kJ enerji depolanabilmekte iken, Sıcaklığın artmaya başladığı şubat

ayında 60000 kJ ve sıcaklığın en yüksek olduğu mart ayında ise 85000 kJ değerine

ulaştığı görülmektedir.


50

0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

70000

80000

90000

100000

Oc. Şub. Mar.Ay

Dep

olan

an ısı e

nerji

si, Q

(kJ)

Q (DB), kJ

Şekil 6.12. SMGH’nın bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan

ısı enerjisi

Şekil 6.13’ de görüldüğü SMGH ’nın difüzyon ısı kayıpları görülmektedir.

Difüzyon ısı kayıpları havuz sıcaklık ve yoğunluk dağılımlarına bağlı olarak aylara

göre değişimleri verilmiştir. Difüzyon ısı kayıpları depolama bölgesi için sıcaklığının

en düşük olduğu ocak ayında 0.15 kJ iken, subat ayında 0.45 kJ ve sıcaklığın artmaya

deva etmesi sonucunda mart ayında ise 0.8 kJ olduğu görülmektedir. Depolama

bölgesindeki sıcaklık artışıyla birlikte depolama bölgesinden yalıtım bölgesine tuz

difüzyonu artmıştır. Bu artışla birlikte depolama bölgesinden yalıtım bölgesine

difüzyonla transfer edilen enerjide artacaktır. Böylece depolama bölgesinden yalıtım

bölgesine küçük bir miktar ısı transferinin gerçekleştiği görülmüştür.


51

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

Oc. Şub. Mar.Ay

Difü

zyon

la ısı t

rans

fer,

Q (k

J)

Q(NaCl), kJ

Şekil 6.13. SMGH’nin depolama bölgesinden difüzyonla ısı transferi

7. SONUÇLAR ve ÖNERİLER Abdullah İSKENDER

52

7. SONUÇLAR ve ÖNERİLER

Bu çalışmada model bir güneş havuzunun iç bölgelerini oluşturan tuzlu su

tabakalarının ısı iletim, özgül ısı ve difüzyon katsayıları gibi termofiziksel bazı

özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmalardan elde edilen sonuçlar ışığında da yalıtımlı

silindirik model bir güneş havuzu (SMGH)’ un iç bölgelerini oluşturan tabakalardaki

moleküler difüzyonla kütle taşınımları incelenmiştir. Kütle taşınımı yoluyla

depolama bölgesinden önemli miktarda tuz moleküllerinin bir üst bölge olan yalıtım

bölgesine taşındığı görülmüştür. Taşınan bu kütle beraberinde bir miktar ısı enerjisini

de depolama bölgesinden yalıtım bölgesine taşımıştır. Sistemin yoğunluk dağılımı

kararlı durumda tutmak içinde tuz eğimi koruma sisteminde düşük sıcaklıkta

yoğunlaştırılmış tuzlu su kütlesi de depolama bölgesine doğal sirkülasyonla

taşınmıştır. Bu durumda depolama bölgesi bir taraftan ısı depolarken diğer taraftan

depolama bölgesinden difüzyonla bir miktar ısı kaybına sebep olmaktadır. Elde

edilen sonuçlara göre, güneş havuzlarının performansını etkileyen etmenlerden

birisinin de kütle taşınımı yoluyla ısı kayıpları olduğu belirlenmiştir. Bu kayıpların

ortadan kaldırılabilmesi için SMGH’ un gerek difüzyonla kütle taşınımın önlenmesi

gerekse tuz gradyentini koruma sisteminin yeniden gözden geçirilerek ısı kaybına

yola açmayan yeni sistemlerin geliştirilmesi gerekmektedir. Böylece sistemin

depolama bölgesindeki ısı kayıplarının önemli ölçüde azaltılabilmesi mümkündür.

Sonuç olarak, depolama bölgesinden difüzyon ısı kaybı önlenebildiği takdirde model

bir havuz için yılda 60 kJ W/m2 küçük bir enerji kazanılabileceği görülmüştür.

53

KAYNAKLAR

AKBARZADEH, A., MACDONALD, R.W.G., 1982. Reduction of surface mixing

in solar ponds by floating rings. Solar Energy, 314, 377–380.

ANGELI, C., LEONARDI, E., 2004. A One Dimensional Numerical Study of the

Salt Diffusion in a Salinity-Gradient Solar Pond. International Journal of

Heat and Mass Transfer, 47, 1-10.

, 2005. and LEONARDI, E., The Effect of Thermodiffusion on the Stability

of a Salinity Gradient Solar Pond. Heat and Mass Transfer, 48, 4633-4639.

BANSAL, P.K., KATTI, Y., 2007. Kinetics of Diffusion of Salt in Solar Ponds. 9

4, 463 – 469.

BOZKURT. İ., 2006. Yalıtımlı ve Üstü Kapalı Silindirik Model Bir Güneş

Havuzunun Performansının İncelenmesi. Yüksek Lisans Tezi. Çukurova

Üniversitesi, Adana.

CHEPURNIY, N., ve SAVAGE, B.S., 1975. Effect on diffusion on concentration

profiles in a solar pond. Solar Energy, 17, 203-205, Britain.

GAR, H.P., 1985. Solar Ponds-As an Energy Storage Device. Workshop on the

Physics of Non-Convectional Energy Sources and Material Science for

Energy, Trieste, Italy.

KARAKILÇIK, M., 1992. Yalıtımlı ve Yalıtımsız Güneş Havuzlarının

Performansını Etkileyen Etmenler. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova

Üniversitesi, Adana.

, 1998. Yalıtımlı Prototip Bir Güneş Havuzunun Performansının Saptanması.

Doktora Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana.

, 2006. KIYMAÇ, K., and DINCER, I., Experimental and Theoretical

Temperature Distributions in a Solar Pond. Heat and Mass Transfer, 49,

825-835.

, 2006. DINCER, I., and ROSEN, M.A., Performance Investigation of a Solar

Pond. Applied Thermal Engineering, 26, 727-735.

54

KATTI. Y., BANSAL. P. K., (1984). Salt Diffusion in a Temperature Field

Application to Salinity Profiles in Solar Ponds. International Journal of

Energy Research, 10, 1, 29-38

KAYALI, R., (1986). Kullanılabilir Boyutlarda Bir Güneş Havuzunun Fiziksel

Parametrelerinin İncelenmesi ve Matematiksel Modellemesi. Doktora

Tezi,Çukurova Üniversitesi, Adana.

, (1992). Yalıtımlı ve Yalıtımsız Güneş Havuzlarının Çukurova Bölgesi

Şartlarında Ekonomik Analizi, Güneş Enerjisi Enstitüsü Dergisi, 1,(4), 95-

101.

, (1998).BOZDEMİR, S., and KIYMAÇ, K., A Rectangular Solar Pond

Model Incorporating Empirical Functions For Air and Soil Temperatures.

Solar Energy, 63, 6, 345-353.

KENDOUSH, A. A., 2008. Hydrodynamic Solution of the Virtual Mass Coefficient

of a Vortex Ring Moving in a Fluid. Florida University, USA.

KEREN, Y., RUBIN, H., ATKINSON, J., PRIVEN, M., and BEMPORAD, G.A.,

(1993). Theoretical and Experimental Comparation and Advanced Solar

Pond Performance. Solar Energy, 51, 4, 255-270.

KURT, H., ÖZKAYMAK, M., BİNARK, K. A., 2005. Tuz Tabakalı Güneş

Havuzlarında Sıcaklık ve Yoğunluk Gradyentlerinin Teorik ve Deneysel

Olarak İncelenmesi. 20, 1, 125-135.

MANTAR, S., 2010. Yalıtımlı Silindirik Model Bir Güneş Havuzunun Matematiksel

Modellemesi. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi, Adana.

MULLET, L.B., TSILINGIRIS, P.T., 1988. Effects of Moleculer Diffusion of Salt

Gradient Solar Ponds, 55-71, Great Britain.

ÖZ. S.E., UYAREL.Y.A., 1988. Güneş Enerjisi ve Uygulamaları, Birsen Yayınevi,

İstanbul, 237.

ÖZEK, N., (1985). Bir Tuzlu Güneş Havuzu Tasarımı ve Yapımı. Doktora Tezi,

Gazi Üniversitesi, Ankara.

SHERMAN, B.S., IMBERGER J.1991. Control of a solar pond. Solar Energy, 46, 2,

71-81, U.S.A.

55

SOKOLOV, M., ARBEL, A., 1990. Fresh water floating collector type solar pond.

Solar Energy, 44, 1, 13-21, U.S.A.

SREENIVAS, K. R., JAYVANT, H., SRINIVASAN, J., 1995. Modeling the

dynamics of the mixed layer in solar ponds. Solar Energy, 54, 3, 193-202,

U.S.A.

SUBHAKAR, D., MURTHY, S.S., 1994. Saturated Solar Ponds: 3. Experimental

Verification. Solar Energy, 53, 6, 469-472.

SOKOLOV, M., ARBEL.,A. 1990. Fresh water floating collector type solar pond.

Solar Energy, 44, 1, 13-21, U.S.A.

TABOR, H., DORON,, 1961. Large-Scale Solar Collcetors (Solar Ponds) for Power

Production. Proc. UN. Cont. New Sources of Energy, 5147, Rome.

, 1964. Solar Ponds. Electronic and Power, 5, 296-299.

, 1965. and MATZ, R., Solar Pond Project. Solar Energy, 9, 4, 177-182.

, 1981. Solar Ponds. Solar Energy, 27, 3, 181-194.

, 1990. The Beith Ha’Arava 5 MW(e) Solar Pond Power Plant (SPPP)

Progress Report. Solar Energy, 45, 4, 247-253.

WEINBERGER, H., (1964). The Physics of the Solar Ponds. Solar Energy, 8, 2, 45

55.

www.engineeringtoolbox.com

www.tubitak.gov.tr

www.teias.gov.tr/eBulten/makaleler/yenilenerj/yenilenebilirenerj.htm

www.wikipedia.org

www.izocam.com.tr/izocam/Urunler/Cam-Yunu.aspx

www.buildingphysics.com/index-filer/heat2.htm

http://www.engineeringtoolbox.com

http://www.tubitak.gov.tr

http://www.teias.gov.tr/eBulten/makaleler/yenilenerj/yenilenebilirenerj.htm

http://www.wikipedia.org

http://www.izocam.com.tr/izocam/Urunler/Cam-Yunu.aspx

http://www.buildingphysics.com/index-filer/heat2.htm

56

ÖZGEÇMİŞ

28 Kasım 1980 yılında Gaziantep’te doğdu. İlk, orta ve lise öğrenimimi

Gaziantep’te tamamladı. 2000 yılında Ege Üniversitesi Fizik bölümünü kazandım.

Aynı bölümden 2006 yılında mezun oldu. 2006 yılında Çukurova Üniversitesi Fizik

bölümünde yüksek lisansı başladı. 2008 de yüksek lisans derslerini tamamladıktan

sonra tez çalışmasının bir dönemini Almanya’nın Tecnic Universitat Bergakaemia

Freiberg üniversitesinde geçirdi. Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Fizik

Anabilim Dalında Yüksek Lisans öğrenimine halen devam etmektedir.

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ... · havuzları, üç farklı...

Documents

Transcript of ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK ... · havuzları, üç farklı...