Dünya nüfusunun artmasıyla ve gelişen teknolojiyle birlikte enerjiye olan talep artmaktadır. Günümüzde insanoğlu enerji ihtiyacının çok büyük kısmını fosil yakıtlar (petrol, doğal gaz, kömür) ve nükleer enerji (radyoaktif elementler) gibi yenilenemez enerji kaynaklarından karşılamaktadır. Yenilenemeyen enerji kaynakları yanında güneş enerjisi, jeotermal enerji, rüzgar enerjisi, gel-git, dalga enerjisi ve hidrojen gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı çok küçük oranlarda kalmaktadır. Fosil yakıtların yaygın şekilde kullanılmasından dolayı çevre büyük zarar görmekte ve sera etkisinden dolayı dünyadaki yaşam riske girmektedir. Sera etkisi, özellikle fosil yakıtlardan salınan gazların atmosferin geçirgenliğini azaltmakta, daha fazla güneş radyasyonunun soğurulmasına ve yeryüzüne gelen ışınlar yansıdıktan sonra tekrar uzaya çıkamayıp bir kısmı sera gazlarının oluşturduğu katmandan tekrar yansıyarak yeryüzünün daha fazla ısınmasına neden olmaktadır. Bu etki yerkürede özellikle kutuplardaki buzulların ve yüksek buzul dağlarının erimesine deniz suyu seviyesinin yükselmesine, kara parçasının azalmasına ve çevresel sorunlara neden olmaktadır. Hükümetler arası İklim Değişikliği Panelinin son ilerleme raporuna göre 2100 yılına kadar küresel ortalama sıcaklıklarının 1,8 °C ile 4 °C arasında artacağı, deniz suyu seviyesinin 0,18 ile 0,59 metre arasında yükseleceği öngörülmektedir (Zeydan ve Yıldırım, 2007). Ayrıca iklimler değişerek canlıların yaşamlarını zorlaştırmakta ve bazı canlı türlerinin yok olmasına neden olmaktadır. Buna ek olarak temiz su kaynaklarının azalmasıyla karşı karşıya kalınan çölleşme, orman yangınları ve iklimlerdeki kayma ile ortaya çıkan ekolojik değişiklikler sonucu bazı canlılar yaşam alanlarını değiştirmek zorunda kalmaktadır. Küresel ısınmaya neden olan başlıca sera gazları karbondioksit, metan, kloroflorokarbon, azot oksitler ve ozon’dur. Bunların içinde sera etkisi açısından en etkili olan gaz karbondioksittir. Özellikle fosil yakıtların kullanımından ortaya çıkan karbondioksit gazı dünyanın geleceğini tehdit eder boyutlara gelmiştir. Bunun yanı sıra fosil yakıtların yakın gelecekte tükenebileceği ön görüldüğünden, yenilenebilir enerji kaynaklarının ön plana çıkacağı ve enerji kullanımındaki payının artacağı da kaçınılmaz bir gerçektir.
Bundan dolayı, hiç zaman kaybetmeden yenilenebilir enerji kaynaklarının verimli kullanılabilmesi için çalışmalar yapılmalı, kullanımları yaygınlaştırılmalı ve teşvik edici önlemlerin alınması gerekmektedir. Yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi, yenilenemeyen enerji kaynaklarının (fosil yakıtlar gibi) çevreye bıraktığı toz, duman, gaz, karbon ve kükürt gibi zararlı maddeleri içermediğinden dolayı en temiz enerji kaynaklarından biridir. Güneşin çevreye yaydığı enerji, çekirdeğindeki hidrojen atomlarının kaynaşarak helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon reaksiyonundan kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş ışınımının şiddeti yaklaşık 1370 W/m
²
değerindedir. Fakat, dünyaya gelen ışınların bir kısmı atmosfere girerken yansıdığı bir kısmı da atmosferden geçerken soğurulduğu için yeryüzünde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir.Güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üretilebildiği gibi ısı enerjisi de üretilip depolanabilir. Binaların ısıtılması, soğutulması, işlem suyu üretilmesi, bitkilerin kurutulması ve elektrik enerjisi üretilmesi gibi konular güneş enerjisinin yaygın olarak kullanıldığı alanlardır. Bunun için dünyada birçok ülke, güneş fotovoltaik panelleri (PV), termal güneş fotovoltaik panelleri (PV/T), güneş toplaçları, güneş çanakları, güneş fırınları, güneş kolektörleri ve güneş havuzlarından yararlanmaktadır. Güneş enerji sistemlerinin şu an enerji ve ekserji verimleri düşük olmasına rağmen geliştirilmeye açık sistemler olduklarından dolayı verim sorunlarının aşılması halinde güneş enerjisinin geleceğin en önemli enerji kaynaklarından biri olacağı düşünülmektedir.
Güneş enerjisinden ısı enerjisi üretilip depolanması önemli güneş enerjisi uygulamalarındandır. Güneş kolektörleri ve güneş havuzları kullanılarak düşük sıcaklıklarda işlem suyu elde edilirken, odaklayıcı aynalar kullanılarak yüksek sıcaklıklarda elde etmek mümkündür. Güneş kolektörleri düşük sıcaklıkta günlük ısı ihtiyacını karşılayabilir. Fakat uzun süre ısı depolama özelliğine sahip değildirler.
Bundan dolayı uzun süre ısı depolama özelliğine sahip olan güneş havuzları bir adım öne çıkmaktadır.
Birçok ülkede güneş havuzlarından düşük sıcaklıklarda verimli ve bol ısı enerjisi üretmenin mümkün olduğu çalışmalar yapılmıştır. Güneş havuzlarının performansı arttırılarak ısıtma-soğutma yapılabileceği, sıcak su ihtiyacının
karşılanabileceği ve elektrik enerjisi üretilebileceği görülmektedir. Bunun yanı sıra güneş havuzlarından elde edilen termal enerji bitki kurutma, tuz, alkol ve metan üretiminde de kullanılmaktadır (Karakılçık, 1998).
Güneş havuzları genel olarak, üst konveksiyonlu bölge (ÜKB), konveksiyonsuz ya da yalıtım bölgesi (YB) ve alt konveksiyonlu bölge (AKB) olmak üzere üç bölgeden meydana gelir. ÜKB havuzun en üst kısmındaki tatlı su tabakasıdır. ÜKB’nin altında yoğunluğu derinlikle artan tabakalardan oluşan YB veya bir başka söylemle tuz gradyentli bölge bulunmaktadır. Bu bölge, konveksiyonu önlemek için farklı yoğunluklu tabakalardan meydana geldiğinden konveksiyonsuz bölge olarak da adlandırılır. AKB ise havuzun en altındaki yoğunluğun ve sıcaklığın en fazla olduğu bölgedir. Gelen güneş enerjisinin büyük bir kısmı burada soğurulur ve ısıl enerji olarak depolanır. Bu bölgede konveksiyon az olduğu için düşük konveksiyonlu bölge veya depolama bölgesi (DB) olarak adlandırılır. Havuz yüzeyine gelen güneş ışınlarının bir kısmı yüzeyde yansır ve kalanı havuzun tabanına doğru ilerler. Güneş radyasyonundaki farklı dalga boyundaki ışınlar farklı derinliklerde soğurulurlar. Dalga boyu büyük (enerjisi düşük) olan ışınlar havuzun yüzeyinden girer girmez soğurulmaya uğrarlar ve bunların depolama bölgesine katkısı çok az olur. Havuzun yüzeyine gelen ışınların yaklaşık olarak %40-46’sı dalga boyu büyük ışınlardır. Dalga boyu küçük (enerjisi yüksek) olan ışınlar daha derinlere ilerleyebilirler. Temiz bir suda toplam enerjinin yaklaşık olarak %25-35’lik bir oranı 1,5 m derinliğe ulaşabilmektedir (Bozkurt, 2006).
Gelen güneş ışınları güneş havuzunun katmanlarından geçerken bir kısmı yansırken kalanları soğurulur. Tabakalarda soğurulan güneş ışınları yalıtım bölgesini oluşturan tabakaların sıcaklığının yukarıdan aşağıya doğru artmasına sebep olur.
Bunun sebebi, yoğunluğun derinlikle artması ve ısı kayıplarının azalmasıdır. Güneş havuzunda oluşturulan yoğunluk gradyenti konveksiyonla ısı kayıplarını önlemektedir. Havuzdaki ısı kaybının büyük bir kısmı iletim yolu ve yüzeyden buharlaşma ile olmaktadır.
Güneş kuşağı içinde yer alan Türkiye (36-42° Kuzey enlemleri arasında) güneş enerjisi açısından büyük bir potansiyele sahiptir. Bundan dolayı ülkemizde güneş enerjisinden verimli şekilde yararlanma yollarının araştırılıp bulunması büyük
önem taşımaktadır. Bölgelere gelen yıllık ortalama güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri dikkate alındığında, yıllık ortalama en yüksek güneş enerjisi Haziran ayında 1491 kWh/m2 ile Güney Doğu Anadolu Bölgesine, en az ise Aralık ayında 409 kWh/m2 ile Karadeniz Bölgesine gelmektedir.
Güneş enerjisi bakımından yeterli potansiyeli bulunan ülkemizde, güneş enerjisinden yararlanmak suretiyle enerji açığının önemli bir kısmını karşılamak mümkündür. Bu nedenle, ülkemiz için de güneş enerjisinden en verimli şekilde yararlanma yollarının araştırılması büyük önem taşımaktadır. Güneş enerjisi ile çalışabilen ısıl sistemlerin geliştirilmesi ve uygulanabilirliğinin araştırılması gerekmektedir. Şu an dünyada birçok ülke, PV, PV/T, güneş çanakları, güneş fırınları, güneş kolektörleri ve güneş havuzlarından yararlanmaktadır.
Bu çalışmada, güneş havuzu, düzlem güneş kolektörü ve Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) olmak üzere birbirleriyle entegre üçlü bir model sistem tasarlanmıştır. Yeni model bu sistemin, hem termal ve elektrik hem de hidrojen enerjisi üretme performansının belirlenmesi için kütle, entropi, entalpi, enerji ve ekserji dengelerini veren matematiksel eşitlikler çıkarılmış ve bu eşitlikler Engineering Equation Solver (EES) programı yardımıyla çözülmeye çalışılmıştır.
Ayrıca, bol ısı enerjisi toplayıp uzun süreli depolayabilen güneş havuzu kullanılarak düzlem güneş kolektörünün giriş suyunun sıcaklığını yükselmek ve böylece düzlem güneş kolektöründen daha kısa sürede ve daha yüksek sıcaklılarda çıkış suyu elde edilmesi amaçlanmıştır. Buradan kazanılan termal enerji kullanılarak ORÇ sayesinde elektrik enerjisi elde edilmesi planlamıştır. Aynı zamanda, üretilen elektrik enerjisinden suyun elektrolizi yöntemiyle taşınabilir enerji olan hidrojen enerjisi üretimi ve hidrojen gazı üretim performansı modellenmeye çalışılmıştır. EES bilgisayar programı yardımıyla bir entegre sistemin enerji ve ekserji analizleri yapılmak suretiyle de sistem performansı belirlenmeye çalışılacaktır. Bu kuramsal çalışmalardan elde edilecek sonuçların, yapılması planlanan entegre güneş enerjisi sistemleri hakkında önceden gerçeğe yakın ve doğru tahminler vermesi konusunda yardımcı olacağı kanaatindeyiz.