GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİNDE FAZ DEĞİŞTİREN MALZEME İLE ISIL ENERJİ DEPOLAMADA KULLANILAN BİR ISI DEĞİŞTİRİCİSİ TASARIMI VE SAYISAL ANALİZİ

GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİNDE FAZ DEĞİŞTİREN MALZEME İLE ISIL ENERJİ DEPOLAMADA KULLANILAN BİR ISI DEĞİŞTİRİCİSİ

TASARIMI VE SAYISAL ANALİZİ

Meltem KOŞAN

YÜKSEK LİSANS TEZİ

ENERJİ SİSTEMLERİ MÜHENDİSLİĞİ ANABİLİM DALI

GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

HAZİRAN 2017

Meltem KOŞAN tarafından hazırlanan “GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİNDE FAZ DEĞİŞTİREN MALZEME İLE ISIL ENERJİ DEPOLAMADA KULLANILAN BİR ISI DEĞİŞTİRİCİSİ TASARIMI VE SAYISAL ANALİZİ” adlı tez çalışması aşağıdaki jüri tarafından OY BİRLİĞİ ile Gazi Üniversitesi Enerji Sistemleri Mühendisliği Anabilim Dalında YÜKSEK LİSANS TEZİ olarak kabul edilmiştir.

Danışman: Doç. Dr. Mustafa AKTAŞ

Enerji Sistemleri Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ...………

Başkan: Prof. Dr. Kamil SAÇILIK Tarım Makinaları/Enerji, Ankara Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...

Üye: Prof. Dr. Kurtuluş BORAN

Enerji Sistemleri Mühendisliği, Gazi Üniversitesi

Bu tezin, kapsam ve kalite olarak Yüksek Lisans Tezi olduğunu onaylıyorum. ………...

Tez Savunma Tarihi: 21/06/2017

Jüri tarafından kabul edilen bu tezin Yüksek Lisans Tezi olması için gerekli şartları yerine getirdiğini onaylıyorum.

……….…….

Prof. Dr. Hadi GÖKÇEN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü

ETİK BEYAN

Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Tez Yazım Kurallarına uygun olarak hazırladığım bu tez çalışmasında;

 Tez içinde sunduğum verileri, bilgileri ve dokümanları akademik ve etik kurallar çerçevesinde elde ettiğimi,

 Tüm bilgi, belge, değerlendirme ve sonuçları bilimsel etik ve ahlak kurallarına uygun olarak sunduğumu,

 Tez çalışmasında yararlandığım eserlerin tümüne uygun atıfta bulunarak kaynak gösterdiğimi,

 Kullanılan verilerde herhangi bir değişiklik yapmadığımı,

 Bu tezde sunduğum çalışmanın özgün olduğunu,

bildirir, aksi bir durumda aleyhime doğabilecek tüm hak kayıplarını kabullendiğimi beyan ederim.

Meltem KOŞAN 21/06/2017

GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİNDE FAZ DEĞİŞTİREN MALZEME İLE ISIL ENERJİ DEPOLAMADA KULLANILAN BİR ISI DEĞİŞTİRİCİSİ TASARIMI VE SAYISAL

ANALİZİ (Yüksek Lisans Tezi)

Meltem KOŞAN GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Haziran 2017 ÖZET

Bu çalışmada, ısıl enerji depolama sistemlerinde kullanılan bir ısı değiştiricisinde faz değiştiren malzemenin ısıl davranışı sayısal analiz yapılarak incelenmiştir. Sayısal analizler, Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği yaklaşımını kullanan ANSYS Fluent 16.2 ticari programı ile iki boyutlu ve zamana bağlı olarak gerçekleştirilmiştir. Literatürde mevcut deneysel bir çalışma referans alınarak sayısal analiz iç içe borulu ısı değiştiricisi için % 7.8 hata payı ile doğrulanmıştır. Isı transfer akışkan sıcaklığının faz değiştiren malzemelerin erime sürelerine etkisini incelemek için ısı transfer akışkan sıcaklıkları 50 ^oC, 60 ^oC ve 70 ^oC alınarak sayısal analizler yapılmıştır. Faz değiştiren malzemenin düşük ısıl iletkenliğinden dolayı ısı transfer akışkanından ısıyı uzun sürede depolamaktadır. Erime süresini kısaltmak için bu ısı değiştiricisinde dikdörtgen kesitli 6, 9, 12 ve 15 adet kanatçık kullanılarak tasarımlar yapılmış ve kanatçıklı ısı değiştiricisindeki faz değiştiren malzemenin sayısal analizleri yapılmıştır. Yapılan sayısal çalışmada elde edilen sonuçlar, ısı transfer akışkan sıcaklığı ve kanat sayısı arttıkça faz değiştiren malzemenin erime süresinin azaldığını, bu şekilde faz değiştiren malzemenin daha hızlı bir şekilde ısı transfer akışkanından ısıyı depoladığını göstermektedir. Kanat etkenlikleri sırasıyla 2.66, 3.49, 4.32 ve 5.15 olan 6, 9, 12 ve 15 kanatçıklı modellerin kanatçıksız modele göre erime süresini %72.5, %76.7, %78.4 ve %80 oranlarında azalttığı tespit edilmiştir. Böylelikle kanatçık kullanımının erime-katılaşma süresi açısından olumlu etkilerinin olduğu gözlemlenmiştir.

Bilim Kodu : 92802

Anahtar Kelimeler : Isıl enerji depolama, faz değiştiren malzemeler, hesaplamalı akışkanlar mekaniği, kanatçık

Sayfa Adedi : 79

Danışman : Doç. Dr. Mustafa AKTAŞ

A HEAT EXCHANGER DESIGN AND NUMERICAL ANALYSIS OF THERMAL ENERGY STORAGE USED WITH PHASE CHANGE MATERIALS IN SOLAR

ENERGY SYSTEMS (M. Sc. Thesis) Meltem KOŞAN GAZİ UNIVERSITY

GRADUATE SCHOOL OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES June 2017

ABSTRACT

In this study, the thermal behavior of a phase change material in a heat exchanger used in thermal energy storage systems was investigated by numerical analysis. Two dimensional transient numerical analyzes have been carried out with the ANSYS Fluent 16.2 commercial program using the computational fluid dynamics approach. The study has been validated with a 7.8% error for the tube heat exchanger reference to an experimental study available in the literature.In order to investigate the effect of heat transfer fluid temperature on the melting process of phase change materials, numerical analyzes were carried out by taking heat transfer fluid temperatures 50 ^oC, 60 ^oC and 70 ^oC. Due to the low thermal conductivity of the phase change material, heat is stored from the heat transfer fluid for a long time. In order to shorten the melting time, designs were made by using 6, 9, 12 and 15 fins with rectangular cross section in this heat exchanger and numerical analysis of the phase change material in the fin heat exchanger was performed. The results obtained in the numerical study show that as the heat transfer fluid temperature and the number of fins increase, the melting time of the phase change material decreases and thus the phase change material stores the heat from the heat transfer fluid more rapidly. It has been identified that the fin models with 6, 9, 12 and 15 which are 2.66, 3.49, 4.32 and 5.15 of fin effectiveness reduce the melting time by 72.5%, 76.7%, 78.4% and 80% respectively, according to without fin model. Thus, it was observed that the use of the fin was positively influenced by the melting-solidification time.

Science Code : 92802

Key Words : Thermal energy storage, phase change materials, computational fluid dynamics, fin

Page Number : 79

Supervisor : Assoc. Prof. Mustafa AKTAŞ

TEŞEKKÜR

Bu tez çalışmam boyunca bilgisini ve deneyimlerini esirgemeyen tez danışmanım Sayın Doç. Dr. Mustafa AKTAŞ’a, çalışmam esnasında kıymetli bilgilerini ve katkılarını esirgemeyen sevgili eşim Muhammed Ali KOŞAN’a ve ayrıca eğitim hayatım boyunca maddi ve manevi olarak desteklerini esirgemeyen aileme sonsuz teşekkür ederim.

İÇİNDEKİLER

Sayfa

ÖZET ... iv

ABSTRACT ... v

TEŞEKKÜR ... vi

İÇİNDEKİLER ... vii

ÇİZELGELERİN LİSTESİ ... ix

ŞEKİLLERİN LİSTESİ ... x

SİMGELER VE KISALTMALAR... xii

1. GİRİŞ

2. GÜNEŞ ENERJİSİ

2.1. Güneş Enerjisine Genel Bakış ... 9

2.2. Türkiye’nin Güneş Enerji Potansiyeli ... 11

2.3. Güneş Enerjisi Sistemleri ... 13

2.3.1. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmesi ... 14

2.3.2. Güneş enerjisinden ısı enerjisi elde edilmesi ... 16

3. ISIL ENERJİ DEPOLAMA (IED)

3.1. Fiziksel Yöntem ... 22

3.1.1. Duyulur ısı ile depolama... 22

3.1.2. Gizli ısı ile depolama ... 24

3.2. Kimyasal Yöntem ... 25

3.2.1. Termokimyasal ısı ile depolama ... 25

3.3. Faz Değiştiren Malzemeler ... 26

3.3.1. Parafinler ... 31

3.4. Isı Değiştiricisi Seçimi ... 31

Sayfa

4. SAYISAL (NÜMERİK) YÖNTEMLER

4.1. Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği (HAD) ... 37

4.1.1. Hesaplamalı akışkanlar dinamiğinde ağ yapısı ... 38

4.2. Faz Değiştiren Malzemelerde Sayısal Yöntem ... 40

5. MATERYAL VE YÖNTEM

5.1. Sayısal Analizde Kullanılan Yönetici Denklemler ... 43

5.2. Isı Değiştiricisinde Kanat Etkenliği Hesabı ... 45

5.3. Sistemin Tanımı ve Isı Değiştiricisi Tasarımı ... 50

5.4. Sayısal Analiz İçin Geometrinin Çizilmesi ... 52

5.5. Ağ Yapısının Oluşturulması ve Seçimi ... 54

5.6. Sayısal Analiz İşlemleri ... 56

6. SAYISAL ANALİZ SONUÇLARI

7. SONUÇ VE ÖNERİLER

7.1. Sonuçlar ... 71

7.2. Öneriler ... 72

KAYNAKLAR ... 73

ÖZGEÇMİŞ ... 79

ÇİZELGELERİN LİSTESİ

Çizelge Sayfa

Çizelge 2.1. Türkiyenin aylık toplam güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri... 12

Çizelge 3.1. Duyulur ve gizli ısı depolama tekniklerinin kıyaslanması ... 25

Çizelge 3.2. FDM’lerin avantaj ve dezavantajları ... 30

Çizelge 3.3. Literatürde çalışılmış parafinlerin termofiziksel özellikleri ... 33

Çizelge 5.1. Parafin RT42’nin termofiziksel özellikleri ... 51

Çizelge 5.2. Oluşturulan ağ yapılarının kalite göstergeleri ve özellikleri ... 55

ŞEKİLLERİN LİSTESİ

Şekil Sayfa

Şekil 1.1. Güneş enerjili bir sistemde ısıl enerji depolama ... 2

Şekil 2.1. Yeryüzü ve atmosfere gelen güneş ışınımlarının oranları ... 10

Şekil 2.2. Türkiye güneş atlası ... 11

Şekil 2.3. Fotovoltaik pilden elektrik üretimi ... 15

Şekil 2.4. Parabolik çanak kollektörler ... 16

Şekil 2.5. Düzlemsel güneş kollektörü ... 17

Şekil 2.6. Vakumlu güneş kollektörleri ... 18

Şekil 2.7. Güneş bacası ... 19

Şekil 3.1. Isıl enerji depolama yöntemlerinin sınıflandırılması ... 22

Şekil 3.2. Duyulur ve gizli ısının enerji-sıcaklık grafiği ... 23

Şekil 3.3. FDM’nin erime-katılaşma süreci ... 26

Şekil 3.4. FDM’lerin sınıflandırılması ... 27

Şekil 3.5. Soldaki Parafin wax, sağdaki yağ asitleri (fatty acid) ... 28

Şekil 3.6. (a) Sodyum klorür, (b) Magnezyum klorür heksahidrat ... 29

Şekil 3.7. FDM’lerin erime entalpisi-erime sıcaklığı grafiği ... 29

Şekil 4.1. İki boyutlu ağ yapısındaki temel bileşenler ... 38

Şekil 4.2. Üç boyutlu ağ yapısındaki temel bileşenler ... 39

Şekil 4.3. İki ve üç boyutlu hücre türleri ... 39

Şekil 5.1. Dikdörtgen kesitli kanat geometrisi ... 45

Şekil 5.2. Sayısal analizi yapılan iç içe borulu ısı değiştiricisinin iki boyutlu fiziksel modeli ... 50

Şekil 5.3. Tasarımı yapılan iç içe borulu ısı değiştiricisinin iki boyutlu kanatçıklı fiziksel modelleri (a) 6 kanatçık, (b) 9 kanatçık, (c) 12 kanatçık, (d) 15 kanatçık ... 52

Şekil Sayfa Şekil 5.4. IED sisteminde kullanılan üç boyutlu iç içe borulu ısı değiştiricisi ... 53 Şekil 5.5. IED sisteminde kullanılan iki boyutlu iç içe borulu ısı değiştiricisi ... 54 Şekil 5.6. 8355 eleman sayısına sahip kanatçıksız modelin ağ yapısı ... 55 Şekil 5.7. FDM’nin sıcaklığına ve zamana bağlı yapılan sayısal çalışmanın eleman

sayısından bağımsızlığı ... 56 Şekil 6.1. Kanatçıksız çalışılan model için yakınsama (converge) grafiği ... 60 Şekil 6.2.Yapılan sayısal çalışma ile referans deneysel çalışmanın kıyaslanması ... 60 Şekil 6.3. Erime (şarj olma) sırasında ısı değiştiricisindeki FDM’nin zamanla değişen

sıvı oranı ... 61 Şekil 6.4. Erime (şarj olma) sırasında ısı değiştiricisindeki FDM’nin zamanla değişen

sıcaklık ve sıvı oranı grafiği ... 62 Şekil 6.5. Erime sırasında ısı değiştiricisindeki FDM’nin zamanla değişen sıcaklık ve

akış çizgileri (stream lines)... 63 Şekil 6.6. Katılaşma (deşarj olma) sırasında ısı değiştiricisindeki FDM’nin zamanla

değişen sıvı oranı ... 64 Şekil 6.7. Katılaşma (deşarj olma) sırasında ısı değiştiricisindeki FDM’nin zamanla

değişen sıcaklık ve sıvı oranı grafiği ... 65 Şekil 6.8. ITA sıcaklıkları 50 ^oC, 60 ^oC ve 70 ℃ olan ısı değiştiricisindeki FDM’nin

sıcaklık ve zaman grafiği ... 66 Şekil 6.9. ITA sıcaklıkları 50 ^oC, 60 ℃ ve 70 ℃ olan ısı değiştiricisindeki FDM’nin

sıvı oranı ve zaman grafiği ... 67 Şekil 6.10. Kanatçıklı ısı değiştiricisindeki FDM’nin sıcaklık ve zaman grafiği ... 68 Şekil 6.11.Kanatçıklı ısı değiştiricisindeki FDM’nin sıvı oranı ve zaman grafiği ... 68 Şekil 6.12.Erime sırasında 6, 9, 12 ve 15 kanatçıklı ısı değiştiricisindeki FDM’nin

zamanla değişen sıvı oranları ... 69

SİMGELER VE KISALTMALAR

Bu çalışmada kullanılmış simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur.

Simgeler Açıklamalar

A Alan (m²)

cp Özgül ısı, (kJ/kgK)

h Isı taşınım katsayısı (W/m²K)

k Isı iletim katsayısı (W/mK)

L Erime gizli ısısı (kJ/kg)

m Kütle (kg)

P Çevre (m)

S Momentum kaynak terimi (m.s^-2)

T Sıcaklık (^oC)

Q Isı miktarı (J)

𝛌 Sıvı oranı

β Genleşme katsayısı (1/K)

ε Kanat etkenliği

ρ Yoğunluk (kg/m³)

µ Dinamik viskozite (Pa.s)

Kısaltmalar Açıklamalar

FDM Faz Değiştiren Malzeme

GEPA Güneş Enerji Potansiyeli Atlası

HAD Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiği

IED Isıl Enerji Depolama

ITA Isı Transfer Akışkanı

PEG Poli Etilen Glikol

RT Rubitherm

1. GİRİŞ

Günümüzde teknolojinin gelişmesi ve nüfusun artması enerji ihtiyacının da giderek artmasına sebep olmaktadır. Dünyadaki enerji ihtiyacının büyük bir bölümü fosil yakıtlardan (konvansiyonel enerji kaynakları) karşılanmaktadır. Fosil yakıtların yenilenme süreçleri çok uzun olduğundan enerji ihtiyacını artık karşılayamamaktadır. Ayrıca bu yakıtlar karbon gazı emisyonlarına sahip olduğundan çevreye ciddi zararlar vermektedir. Bu enerji talebi ve arzı arasındaki uyumsuzluğu giderebilmek için alternatif (yenilenebilir) enerji kaynakları bulma, var olan enerjiyi depolama ve enerjiyi verimli bir şekilde kullanma yollarına gidilmiştir.

Enerjinin sürekliliği ve güvenirliği açısından yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanan, enerji verimliliğini arttıran ve fazla olan enerjiyi depolayan teknolojilerin önemi her zamankinden daha fazla artmaktadır.

Güneş enerjisi; temiz, sürdürülebilir, bedava ve evsel ölçekten, megawatt (MW) ölçekli güç santrallerine kadar kullanılabilmesi ile umut vadeden yenilenebilir enerji türlerinden biridir.

Fakat güneş enerjisi doğa koşullarına son derece bağımlı, enerji üretimi sezonluk, günlük ve hatta anlık olarak bile büyük değişimler gösterebildiğinden sadece belirli zamanlarda enerji verebilmektedir. Bu sebeble enerji ihtiyacının her durumda karşılanabilmesi için enerji depolama sistemleri büyük bir öneme sahiptir [1].

Bu tez çalışması ile, güneş enerjisinden etkin bir şekilde faydalanabilmek için Şekil 1.1’de gösterilen sistemde ısıl enerji depolama (IED) ünitesinde kullanılan, faz değiştiren malzeme (FDM) ile uyumlu çalışan bir ısı değiştiricisi tasarımı yapmak ve bu modeli sonlu hacimler yöntemi ile hesaplama yapan hesaplamalı akışkanlar dinamiği (HAD) paket programı olan ANSYS-Fluent 16.2’de sayısal (nümerik) analizini yapmak amaçlanmıştır. Bu doğrultuda öncelikle deneysel çalışılmış bir literatür referans alınarak sayısal analiz doğrulanmıştır.

Daha sonra FDM’lerin düşük ısıl iletkenliklerini iyileştirmek amacıyla ısı değiştiricisinde farklı sayıda kanatçıklar eklenerek sayısal analizleri yapılmıştır. IED sistemindeki FDM’nin ısıl davranışı ve erime süreleri incelenmiştir.

Şekil 1.1. Güneş enerjili bir sistemde ısıl enerji depolama [2]

Yapılan literatür araştırmalarında IED sistemleri ve FDM’ler ile ilgili pekçok deneysel ve sayısal çalışmalar ile karşılaşılmıştır. Tez konusu ile ilgili önceki çalışmaların bazıları şu şekilde özetlenmiştir:

Osterman ve diğerleri, binalardaki enerji tüketimini azaltmak için ısı depolamada FDM’leri bir çözüm olarak görmüşler ve çalışmalarında ısıl enerjiyi depolayarak hem ısıtma hem de soğutma sistemlerinde incelemişlerdir. Nümerik analizlerin sonuçlarını doğrulamak için parafin RT22 ile dolu 30 kanatçıklı plaka içeren ısıl depolama ünitesini deneysel olarak incelemişlerdir. Nümerik hesaplamalarda bir ticari HAD yazılımı olan FLUENT programı kullanarak iki boyutlu modelin deneysel sonuçlarla uyumlu olduğu ve 4mx3mx2.8m boyutlarındaki bir ofisin yıllık enerji tüketimini kışın ısıtma için % 8, yazın da soğutma için

% 15 azaltılabileceğini göstermişlerdir [3].

Sheddegh ve diğerleri, yatay ve dikey konumdaki gövde borulu bir ısı değiştiricisinde FDM’nin ısıl davranışını ve ısı transfer karakteristiğini nümerik çalışarak incelemişlerdir.

Bu çalışmada, erime sıcaklığı 318-324 K olan Parafin RT50 ve ısı transfer akışkanı olarak da sıcaklığı 343 K, debisi 1 L/dk olan su kullanılmıştır. FDM, ısı değiştiricisi yatay konumdayken dikey konuma göre 30 dakika daha erken eridiği fakat hem yatay hem de dikey konumdayken aynı sürede katılaştığını gözlemlemişlerdir. Isı transfer akışkanının (ITA) giriş sıcaklığı 343 K’den 348 K ve 353 K’ne artırıldığında, FDM’nin erime süresi

yatay sistemde %14 ve %27, dikey sistemde ise %12 ve %27 oranlarında azaldığını; ITA’nın debisini 1 L/dk’dan 2.5 L/dk ve 5 L/dk’ya artırıldığında ise hem erime hem de katılaşma sürecinde önemli bir değişiklik olmadığını göstermişlerdir [4].

Al-Abidi ve diğerleri, FDM’lerin sayısal çözümlemelerini bu çözümlemelerde kullanılabilecek IED geometrileri ve FDM uygulamaları üzerine kapsamlı bir çalışma sunmuşlardır. Bu çalışmalarından elde ettikleri sonuçlardan bazıları; farklı mühendislik uygulamalarında kullanılan FDM’ler için yapılan sayısal çalışmaların analitik çalışmalardan daha doğru bir yaklaşım olduğu, sayısal çalışmalar için HAD yazılımlarının (ANSYS- Fluent, Comsol Multiphysics and Star-CCM+) kullanılabileceği, en yaygın kullanılan ve başarılı olan ANSYS-Fluent yazılımının olduğu, iki boyutlu çalışılan sayısal modelin sonuçlarının üç boyutlu modelin sonuçlarıyla genellikle aynı olduğu ve araştırmacıların simülasyonlarda gerekli sürenin kısaltılabilmesi için iki boyutlu sayısal bir model ile çalışılabileceği, FDM’ler için sayısal çalışmaların deneysel çalışmalarla uyumlu ve doğru sonuçlar içerdiği ayrıca HAD uygulamaları zamandan ve paradan kazanç sağlayarak kullanıcıların maksimum verim elde etmesine olanak sağladığıdır [5].

Tay ve diğerleri, IED sisteminin etkinliğinin artırılması için pimli-kanatçıklı ve düz bakır borulu ısı değiştiricilerinin sayısal analizlerini yapmışlardır. Isı değiştiricisinde kullanılan boru tipinin IED sistemi performansına olan etkilerini katılaşma sürecinde araştırarak ısı değiştiricilerini birbirleri ile kıyaslamışlardır. Pimli-kanatçıklı model ile düz bakır borulu ısı değiştiricilerinin tüp hacimleri aynı aralıkta kabul edilmiş ve pimli-kanatçıklı modelin ısı transfer alanı daha büyük olduğundan daha yüksek ısı transferi sağladığı, akışa bağlı olarak ortalama etkinliğinin % 20-40 daha iyi ve faz değişim süresinin de % 25 daha kısa olduğunu gözlemlemişlerdir [6].

Medrano ve diğerleri, gizli ısı ile IED sistemlerindeki FDM’lerin düşük ısıl iletkenlikleri yüzünden pratik uygulanabilirliğinin sınırlı olması gibi olumsuz özelliğini iyliştirebilmek için beş farklı ısı değiştiricisi kullanarak, FDM’lerin erime ve katılaşma sırasında ısı transfer işlemini deneysel olarak araştırmışlardır. FDM olarak ticari parafin RT35 kullanılmış ve uygulama sıcaklık aralığı 35 ^oC ile 40 ^oC olarak seçilmiştir. Isı değiştiricileri ise çift borulu, çift borulu grafit matris, çift borulu kanatçıklı, kompakt ve düz plakalı olarak seçilmiştir. Isı değiştiricilerinin ortalama ısıl güç değerleri çeşitli çalışma şartlarında incelenmiş, birim alan ve sıcaklık dağılımları kıyaslanmıştır. Isı transferi artışı suyun giriş sıcaklığı ve FDM faz

değişim sıcaklığı arasındaki fark 15 ^oC’den 25 ^oC’ye çıkarıldığında, faz değişim zamanının

% 30 ve % 60 arasında düştüğünü ve ortalama depolama süresinin arttığını göstermişlerdir.

Çift borulu ısı değiştiricisinin daha küçük ısı transfer alanına sahip olması ve düz plakalı ısı değiştiricsinin de ısı kapasitesinin çok düşük olması sebebiyle bu ısı değiştiricilerininin yeterli ısıyı depolayamadıkları gözlemlenmiştir. Çift borulu grafit matris, çift borulu kanatçıklı ve kompakt ısı değiştiricilerinin daha iyi sonuçlar vermelerinden dolayı gerçek uygulamalar için uygun ısı değiştiricileri oldukları rapor edilmiştir [7].

Mat ve diğerleri üç borulu tüplü (iç içe geçmiş üç tüp) ısı değiştiricisinde parafin RT82 kullanarak erime sürecini ticari bir HAD yazılımı olan Fluent programında iki boyutlu nümerik modelde incelemişlerdir. Erime sürecinde ısı transferini üç borulu tüplü ısı değiştiricisinde içten kanatçıklı, dıştan kanatçıklı ve hem içten hem de dıştan kanatçıklı olarak üç modelde inceleyerek FDM erime oranlarında önemli bir fark olmadığını ve erime zamanının içten ve dıştan kanatçıklı üç borulu tüplü ısı değiştiricisi kullanarak erime süresini

% 43 azaltılabileceğini göstermişlerdir [8].

Hosseini ve diğerleri, çalışmalarında çift borulu ısı değiştiricisinde ticari bir parafinin ısıl davranışını ve ITA’nın giriş sıcaklığının ısı transferi üzerindeki etkisini deneysel ve nümerik olarak incelemişlerdir. Deneysel sonuçlar ile sıcaklıklardaki ani artışın kaldırma kuvveti nedeniyle deponun en üstünde olduğu gözlemlenmiştir. ITA giriş sıcaklığı 70 ^oC’den 80

oC’ye arttırıldığında toplam erime süresinin de % 19’dan % 37’ye kadar azaltılacağını göstermişlerdir. Böylelikle erime süresini kısaltarak daha çok enerji depolama kapasitesi de artırılmış olmaktadır [9].

Li ve Kong, gövde borulu ısı depolama ünitesinde ITA olarak hava ve su kullanarak birbirleri ile kıyaslamışlar ve faz değişiminin ısıl performansını nümerik olarak incelemişlerdir. FDM olarak erime sıcaklığı 41 ^oC, gizli ısısı 140 kJ/kg olan parafin kullanmıştır. Isıl depolama ünitesi faz değişimi esnasında ITA olarak hava kullanıldığında erime işleminin son aşamalarında; ısı transferinin çok düşük olduğu, istenilen hava sıcaklığı ve hızının yeterli olmadığını gözlemlemişlerdir. Aynı şekilde ITA olarak su kullanıldığında suyun yoğunluğu ve özgül ısıl kapasitesi büyük olduğundan erime işleminin hızla artarak havaya göre çok kısa sürede gerçekleştiği gözlemlenmiştir [10].

Jmal va Baccar, iklimlendirme sistemleri için kanatçıklı ısı değiştiricisi içindeki FDM’nin katılaşma sürecini ve ısı transferi gelişiminde kanatçık sayısının etkileri nümerik olarak çalışmışlardır. Kanatçıklı yapının olması ITA’ya FDM’den enerji aktarımını hızlandırmasını böylelikle deşarj zamanının azalmasına ve akışkanın çıkış sıcaklığının artmasını sağlamıştır.

Katılaşma süreci FDM tank yüzeyinden ilerledikçe ve sıvı merkeze doğru yayıldıkça kanatçıklar ve tankın yüzeyi çevresinde yalıtım tabakası oluşmuş, bu nedenle de FDM ve akışkan arasında ısı transferi düşmüştür. Yapılan bu çalışmada yedi saat sonra FDM’nin % 70’i katı hale gelemekte ve ısı transferi hemen hemen tamamlanmış olmaktadır [11].

Rahimi ve diğerleri, FDM’nin katılaşma ve erime sürecini alüminyumdan yapılmış kanatçık ve bakırdan yapılmış borulu ısı değiştiricisinde deneysel olarak araştırmışlardır. Yapılan bu çalışmada kanatçık ve boru arası kimyasal olarak dengede, uzun süre faz değişim döngüsünde sabit bir performans gösteren, zehirli ve aşındırıcı olmayan parafin RT35 malzemesi ile doldurulmuştur. IED esnasında erime ve katılaşma sürecine akış debisinin, giriş sıcaklığının ve geometrik parametrelerin etkileri incelenmiştir [12].

Zhou ve Zhang, enerji yoğunluğu düşük şehirlerde yada kırsal yerleşim alanlarda soğuk kış dönemlerinde bina ısıtılmasında, güneşten gelen ısıl enerjiyi küçük ölçekli ısı değiştiricilerinde yeni inorganik FDM olan NH4Al(SO4)12H2O kullanarak gizli ısı olarak depolanmasının hem deneysel hem de sayısal çalışmasını yürütmüşlerdir. Isı kaynağı sıcaklığı ile FDM’nin erime sıcaklığı arasındaki farkın 26.5 ^oC’den daha büyük olduğunda ısı depolamanın daha etkin olacağı sonucunu bulmuşlardır [13].

Kibria ve diğerleri, yaptığı çalışmada kabuklu ısı değiştiricilerinde FDM ve ITA’nın arasındaki ısı transferini iyileştirmek için sıcaklık ve ısıl direncin iterasyonuna dayalı nümerik analizler yapmış ve nümerik analizlerin doğruluğunu test etmek için ise deney düzeneği kurmuştur. Nümerik ve deneysel sonuçların birbirleriyle uyumlu olduğu ve kolay ve basit nümerik metodun gizli ısı enerji depolama sisteminin faz değişim davranışının simülsyonu için kullanılabileceğini göstermiştir. Sonuçlar, ITA’nın giriş sıcaklığı FDM’nin erime ve katılaşmanın büyük oranda etkilediğini, depolama ünitesinin performansının geliştirilmesinde tüp çapının tüp kalınlığından daha önemli bir parametre olduğunu göstermiştir [14].

Khadiran ve diğerleri, ısıl enerji depolama sistemlerinde kullanılan faz değiştiren malzemelerin termofiziksel, kimyasal ve binalardaki potansiyel uygulamalarını araştırmışlar ve bina malzemeleriyle birleşmiş FDM’lerin ısıl özelliklerini tartışmışlardır. FDM esaslı gizli ısı depolama sistemleri duyulur ısı depolamaya göre birim hacimde küçük sıcaklık aralıklarında ve daha küçük kütlede yüksek enerji depolama kapasitesine sahip olduğu ve FDM sudan üç kat, betondan ise altı kat daha fazla enerji depolama kabiliyetinde olduğunu bulmuşlardır. Binayla birleşik FDM uygulamaları enerji kullanımını azaltıp büyük bir konfor sağlamasına rağmen hala pek çok çalışma ve araştırmalarda eksikliklerin olduğunu göstermişlerdir [15].

Diao ve diğerleri, ITA’nın giriş sıcaklıkları ve akış debisi gibi çeşitli parametreler altında yeni tip düz mikro ısı borulu ısıl depolama ünitesinin birbirinden bağımsız olan şarj ve deşarj işlemlerinin performanslarını deneysel olarak incelemişlerdir. Bu yeni tip ısı değiştiricisinin şarj ve deşarj esnasında düzgün ve etkili çalıştığını ve ısıl depolama ünitesinin ısı transfer etkinliğinin önemli derecede iyileştirdiğini gözlemlemişlerdir. Şarj sırasında eriyen çoğu FDM’yi ünitenin tavanında gözlemleyerek, doğal taşınımın şarj prosesinde önemli etkisi olduğunu ve ısı transferini artırdığını görmüşlerdir. IED ünitesi için yaklaşık olarak şarj ve deşarj güçleri sırasıyla 658 W ve 894 W olarak hesaplamışlardır [16].

Iten ve Liu, etkili bir IED sistemi tasarımı için uygun bir FDM seçimi, geliştirilmiş ısı değiştiricisi tasarımı ve sistem performansının değerlendirilmesi gibi kapsamlı bir çalışma sunmuşlardır. FDM için termofiziksel, kimyasal ve kinetik özelliklerini sınıflandırmış, en uygun tank geometrisinin silindirik ve dikdörtgen, tank malzemesinin de paslanmaz çelik kullanımının uygun olduğunu ve ısı transfer mekanizmasının iyileştirilmesi için yüksek iletkenliğe sahip metal kanatçıklı ısı değiştiricilerinin geliştirimesinin önemli olduğunu vurgulanmıştır [17].

Seddegh ve diğerleri, dikey konumlandırılmış gövde borulu gizli ısı depolama ünitesinde sadece ısı iletimi ile olan ısı transferi ve birleşik ısı iletimi ve ısı taşınımı ile olan ısı transferi modellerini kullanarak FDM’nin ısı transfer karakteristiğini ve ısıl davranışını iki boyutlu nümerikolarak çalışmışlardır. Nümerik çalışmalarını daha önce benzer şartlarda deneysel yapılmış bir çalışma ile kıyaslamışlardır. FDM’nin erime sürecinde birleşik iletim ve taşınım ile olan ısı transferi modelinin deneysel sonuçlarla daha iyi uyum içinde olduğunu, bunun

aksine katılaşma sürecinde ise sadece iletim ile olan ısı transferi modelinin daha iyi sonuçlar verdiğini bulmuşlardır [18].

Eslamnezhad ve Rahimi, triplex tüplü bir ısı değiştiricisinde FDM’yi eritebilmek için dikdörtgen kesitli kanatçıklar kullanarak ısı transferinin iyileştirilmesini nümerik olarak incelemişlerdir. İki boyutlu yaptıkları analizlerde FDM olarak parafin RT82, ısı değiştiricisinin malzemesini de bakır kullanmışlardır. Triplex tüplü ısı değiştiricisinde kanatçıkları farklı düzenlerde koyarak daha önce nümerik çalışılan benzer bir çalışmayla sonuçlarını kıyaslamışlar ve erime zamanını % 17.9 azalmasını sağlamışlardır [19].

Darzi ve diğerleri, FDM’nin erime ve katılaşma sürecini yatay bir ısı değiştiricisinin üç farklı konfigürasyonlu geometrilerinde sayısal analizlerini yürütmüşlerdir. Analizi yapılan bu geometriler iki boyutlu olup iç içe iki dairesel silindir, dairesel bir silindirin içinde eliptik bir silindir ve kanatçıklı bir silindirden oluşmaktadır. Elipsin yatay ve dikey konumu ile kanat sayısının ısı transferine etkilerini araştırmışlardır. Ayrıca FDM’nin içine bakır nano- parçaçıklarını ekleyip ısı transferine nano-parçaçıkların etkisini incelenmişlerdir. Nano- parçacıklarının ısı transferini iyileştirdiğini ve FDM’nin erime ve katlaşma süresini azalttığını belirlemişlerdir. Elipsin dikey konumda olarak yaptıkları analizler en iyi sonucu vermiştir [20].

Cano ve diğerleri, binalardaki iklimlendirme sistemi için tasarladığı ısı değiştiricisinde dört farklı FDM kullanarak deneysel çalışma yapmışlardır. Çalışmalarında parafin RT55, parafin RT42, parafin RT25 ve FDM 35 kullanmışlardır. Parafin RT42’nin ısıl performansının en iyisi olduğunu ve 2218.7 kj enerji depolayabildiğini tespit etmişlerdir. Bu parafin için ayrıca ITA giriş sıcaklığı sabit 60 ^oC, ITAdebileri 0.4 l/dk, 0.5 l/dk ve 0.7 l/dk alınarak FDM’nin erime süresine etkisini incelemişlerdir. Akışkan debisi 0.4 l/dk olduğunda FDM yaklaşık 240 dakikada, 0.5 l/dk olduğunda yaklaşık 180 dakikada ve 0.7 l/dk olduğunda ise yaklaşık 160 dakikada eridiğini göstermişlerdir [21].

Literatürdeki bu çalışmalar incelendiğinde FDM’lerin düşük ısıl iletkenliklerinden dolayı IED ünitelerinde ısı transferini iyileştirilmesi ve FDM’nin erime sürelerinin azaltılması ile ilgili pek çok deneysel ve sayısal çalışmalarda farklı tasarımlar yapılmış ve farklı çözüm yöntemleri denenmiştir. Bu yapılan sayısal çalışmalarda HAD sayısal yöntemini kullanan ANSYS-Fluent programı kullanılmıştır. Genellikle FDM’nin erime ve katılaşma süreçleri

incelendiğinden sayısal analizler zamana bağlı çalışılmıştır. FDM’ler için yapılan sayısal çalışmalarda iki boyutlu çalışılan sayısal modelin sonuçlarının üç boyutlu modelin sonuçlarıyla aynı olduğudan ve analiz sürelerinin kısaltılabilmesi için iki boyutlu sayısal bir model ile çalışılabileceği anlaşılmaktadır. IED sistemlerinin pratikte kullanımının yaygınlaşabilmesi için FDM’lerin hızlı bir şekilde şarj/deşarj olmaları yani kısa sürede erimeleri ve katılaşmaları gerekmektedir. Bu sebeble FDM’nin düşük ısıl iletkenliklerinden dolayı IED ünitesindeki ısı transferini iyileştirecek etkin bir ısı değiştiricisi tasarımı önemlidir. Bu olumsuzluklar göz önüne alınarak yapılan tez çalışmasında, IED sisteminde kullanabilecek ısı transferini arttıran kanatçıklı bir ısı değiştiricisi tasarımı yapılarak FDM’nin sayısal analizleri iki boyutlu zamana bağlı olarak ANSYS-Fluent yazılımında incelenmiştir.

2. GÜNEŞ ENERJİSİ

2.1. Güneş Enerjisine Genel Bakış

Güneş enerjisi, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi ile füzyon (çekirdek birleşmesi) tepkimesinden açığa çıkan ışıma/ışınım enerjisidir. Güneş, 1 391 980 km çapa ve 1,9891x1030 kg kütleye sahip, merkez sıcaklığı 1,622x10⁷ K ve merkez yoğunluğu 1,622x10⁵ kg/m³ olan, %35 H, %63 He ve %2 C, N, O2 gibi bileşenlerden oluşan termonükleer bir reaktördür. Güneşten çeşitli dalga boylarında (62 MW/m²) enerji yayılmakta ve güneşin bütün yüzeyinden yayılan enerjinin sadece iki milyarda biri yeryüzüne ulaşmaktadır. Güneşten 150 milyon km yol kat ederek dünya’ya gelen bu enerji, dünyada bir yılda kullanılan enerjinin yaklaşık 15 bin katıdır.

Güneş enerjisinin atmosfer dışındaki ışınım değeri yaklaşık 1.370 W/m²’ dir. Güneş enerjisinin yeryüzündeki dağılımı dünyanın şekli nedeniyle büyük farklılıklar göstermekte olup, dünyaya gelen ortalama güneş enerjisi 0-1.100 W/m² mertebesindedir. Güneş radyasyonunun enerji olarak % 46’sı spektrumun kızılötesi bölgesinde, % 45’i görünür ışık bölgesinde geri kalan yüzdesi de mor ötesinde bulunur [22].

Şekil 2.1’de görüldüğü gibi güneşten gelen enerjinin yaklaşık olarak % 30’u yansımalarla ve saçılmalarla uzaya geri gider. Yaklaşık % 20’si hava kürede soğurulur ve geri kalan % 50’si de yeryüzünde soğurulur. Bu enerji ile Dünya'nın sıcaklığı yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur. Rüzgâr hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Yeryüzene ulaşan güneş enerjisinden doğal ve yapay dönüşümler ile yararlanılır.

Toprak ve suyun ısınması, fotosentez, su döngüsü, rüzgar ve dalga oluşumu doğal dönüşümlere örnek verilebilir. Güneş enerjisinin yapay dönüşümleri ise bu enerjiden değişik amaçlarla yararlanmak isteyen insanoğlu tarafından geliştirilmiş olan dönüşümlerdir.

Bunlar; güneş ışınımından direk ısı ve elektrik enerjisinin elde edilmesi ve su, rüzgar ve fosil yakıtlar gibi dolaylı olarak elektrik enerjisinin elde edilmesidir. Günümüzde güneş enerjisi sistemleri; teknoloji, maliyet ve çevresel etkiler bakımından yaygın bir şekilde kullanım olanağı bulmaktadır [23].

Şekil 2.1. Yeryüzü ve atmosfere gelen güneş ışınımlarının oranları [23]

Güneş enerjisi aşağıdaki üstünlüklere sahiptir:

 Fosil yakıtların aksine güneş enerjisi tükenmeyen sonsuz bir enerji kaynağıdır.

 Gaz, duman, toz, karbon veya kükürt gibi atmosferi kirletecek zararlı madddeleri içermeyen güneş enerjisi temiz bir enerji türüdür. Ayrıca çalışırken ses çıkarmadığından gürültü kirliliğine de neden olmamaktadır.

 Güneş, tüm ülkelerin enerji bağımlılıklarını ortadan kaldıracak sınırsız bir enerji kaynağıdır.

 Güneş enerjisi, iletim ve dağıtım giderleri olmaksızın her yerde sağlanabilir. Özellikle şebekeden uzak kırsal yerlerde en ideal enerji türüdür.

 Güneşin yeryüzüne geliş açısı ve ışınımına bağlı olarak verimi değişmekte fakat dağların tepelerinde vadiler veya ovalarda bu enerjiden yararlanmak mümkündür.

 Güneş enerjisi yakıt maliyeti gerektirmeden sıcak su, ısınma, soğutma, endüstriyel uygulamalar, elektrik üretimi gibi birçok uygulamayı sağlamaktadır.

 Güneş enerjisi sistemlerinde üretim ve kurulum maliyetlerinden sonra kullanımda çok fazla bakım maliyeti oluşturmamaktadır.

 Güneş enerjisi karmaşık ve ileri bir teknoloji gerektirmemektedir. Hemen hemen bütün ülkeler bu enerjiden kolaylıkla yararlanabilirler.

Güneş enerjisine ilişkin sorunlar ise aşağıdaki gibi özetlenebilir:

 Güneş enerjisinin ışınım şiddeti sürekli değildir. İstenilen anda istenilen miktarda

bulunamayabilir.

 Güneş enerjisiden elektrik üreten teknolojilerin yatırım giderleri, bugünkü teknolojik aşamada yüksektir.

 Güneşten gelen enerji yoğunluğu bizim isteğimize bağlı değildir ve kontrol edilemez.

 Güneşten gelen enerji miktarı ve gereksinim duyulan enerji miktarı arasındaki uyuşmazlığın zaman ve oran olarak azaltılabilmesi için güneş enerjisinin depolanması gereklidir. Depolanacak ısı enerjisi miktarı ve uygulanacak depolama yöntemi, mevcut ısı miktarı (kaynak) ve gereksinim duyulan miktar (talep) arasındaki uyuşmazlık derecesine bağlıdır.

2.2. Türkiye’nin Güneş Enerji Potansiyeli

Türkiye coğrafi konumundan dolayı güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre çok avantajlı durumdadır. Güneşten dünyaya saniyede yaklaşık olarak 170 milyon MW enerji gelmektedir. Türkiye’nin yıllık enerji üretiminin 100 milyon MW olduğu düşünülürse bir saniyede dünyaya gelen güneş enerjisi, Türkiye’nin enerji üretiminin 1700 katıdır.

Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü tarafından güneş enerjisi çalışmaları için oluşturulmuş il bazlı Güneş Enerji Potansiyeli Atlası (GEPA) Şekil 2.2’de gösterilmiştir.

GEPA’ya göre, ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2460 saat (günlük toplam 7,2 saat), yıllık toplam gelen güneş enerjisi 1.311 kWh/m².yıl (günlük toplam 3,6 kWh/m²) olduğu tespit edilmiştir [24].

Şekil 2.2. Türkiye güneş atlası [24]

Ülkemiz 781.000 km² yüzey alanıyla, 36° - 42° kuzey enlemleri arasında güneşli bir kuşakta yer almakta ve güneş enerjisi potansiyeli bakımından coğrafi olarak son derece iyi bir konumda bulunmaktadır. Ülkemizde en fazla güneş ışınımını alan ay Haziran en az alan ay ise Aralık ayıdır. GEPA’ya bakacak olursak ülkemizin güney kısımları bol güneş ışınımı alırken kuzey kısımları az güneş ışınımı almaktadır. Güneş ışınımı bölgeden bölgeye zamanla farklılık göstersede ortalama 1.311 kWh/m².yıl değere sahip olması yüksek bir enerji potansiyelinin olduğununun bir göstergesidir. Çizelge 2.1’de Türkiye’nin aylara göre toplam güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri verilmiştir.

Çizelge 2.1. Türkiye’nin aylık toplam güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri [24]

Güneş; çevre dostu, temiz ve tükenmeyen bir enerji kaynağıdır. Enerji açısından büyük bir ölçüde dışa bağımlı olan ülkemiz, güneş gibi sınırsız bir enerji kaynağından tamamıyla faydalanmaya ihtiyacı vardır. Enerji ihtiyacımızı bu temiz kaynaktan sağlayarak hem petrol veya doğalgaz tüketimini azaltır hem de çevre kirliliğini önlemiş oluruz.

2.3. Güneş Enerjisi Sistemleri

Yeryüzünde kullanılan tüm enerji kaynakları güneş enerjisinden türemiştir. Günümüzde halen ısı enerjisi elde etmek için kullandığımız fosil yakıtlar da yüzyıllar önce bitki ve hayvan kalıntılarında güneş enerjisinin depo edilmiş şeklidir. Fosil yakıtların çevreye kiriliğine yol açması ve yakın gelecekte bitmeleri söz konusu olduğu için enerji ihtiyacının büyük bir kısmını başka enerji kaynaklarından mümkün olduğunca kısa sürede karşılanması gerekmektedir. Bu enerji kaynaklarından en alternatifli olanı güneş enerjisidir.

İnsanoğlu güneş enerjisinden faydalanabimek için geçmişten günümüze kadar pek çok çalışmalar yapmıştır. Güneş enerjisinden faydalanma, ilk defa Sokrat’ın (M.Ö. 400) evlerin güney yönüne fazla pencere konularak güneş ışınımının içeri alınmasıyla başlamıştır. Daha sonraki yıllarda Arşimet’in (M.Ö. 250) içbükey aynalarla güneş ışınımını odaklayarak Sirakuza'yı kuşatan gemileri yakmasıyla güneş enerjisinin gücü ortaya çıkmıştır. Galile'nin 1600'lü yıllarda merceği bulmasıyla çalışmalar gelişme göstermiştir. İlk kez 1725 yılında Belidor tarafından güneş enerjisi ile çalışan bir su pompası geliştirilmiştir. Fransız bilim adamı Mohuchok 1860'da parabolik aynalar yardımı ile güneş ışınımını odaklayarak küçük bir buhar makinesi üzerinde çalışmış, güneş pompaları ve güneş ocakları üzerinde deney yapmıştır.

Güneş enerjisine yönelik çalışmalar, birinci dünya savaşı esnasında petrolün önem kazanması ile azalmıştır. 1960'lı yıllarda ortaya çıkan petrol krizi insanları alternatif enerji kaynakları konusunda araştırma yapmaya itmiştir. Öncelikli olarak, temiz ve masrafsız enerji kaynağı olan güneş enerjisi üzerine yoğunlaşılmıştır.

H. Buchberg ve J.R. Roulet tarafından güneşi kolektörü ve deposu olan bir sistem yapılmıştır ve sistemin fiziki olarak yeterlilikleri incelenmiş, maliyetleri azaltmak için de çalışmalar yapılmıştır. Y. Jalurai ve S.K. Gupta adlı bilim adamları da güneş enerjisi depolama teknikleri üzerinde çalışmalar yapmışlardır. Normal çevre şartları altında depoda sirküler olan suyun depo içerisinde sıcaklık farkına neden olduğunu, deponun alt tabakasında daha soğuk, üst tabakasında ise daha sıcak su bulunduğunu belirtmişlerdir [25].

Günümüzde artık güneş enerjisinden ısı ve elektrik enerjisi olarak faydalanabilmekteyiz.

Güneş enerjisini, aktif veya pasif olarak ısı enerjisi olarak kullanabildiğimiz

(depolayabildiğimiz) gibi yarı iletken malzemelerle elektronların hareketlerinden ya da güneş ışınımını odaklanması ile elektrik elde ederek kullanabilmekteyiz. Güneş enerjisi sistemleri uygulama alanlarını düşük sıcaklık (20°C ile 100°C), orta sıcaklık (100°C ile 300°C) ve yüksek sıcaklık (>300°C) şeklinde de sınıflandırabiliriz.

2.3.1. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmesi

Güneş enerjisinden elektrik enerjisi iki farklı yöntemle elde edilir. Bu yöntemlerden ilki güneş ışınımının doğrudan elektrik enerjisine çevrilme prensibine göre çalışan fotovoltaik sistemler, ikincisi ise yüksek sıcaklık uygulaması olan yoğunlaştırıcı sistemlerdir.

Fotovoltaik Güneş Panelleri;

İçerisinde yarı iletken maddeler içeren panellerin yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu paneller, genellikle 125 mm x 125 mm veya 156 mm x 156 mm boyutlarında, kalınlıkları 0,15 mm - 0,2 mm arasında değişen kare, dikdörtgen veya daire şeklindeki hücrelerden oluşur. Hücrelerin üzerine ışık düştüğü zaman hücrelerin uçlarında elektrik geriliminin oluşması fotovoltaik ilke olarak adlandırılmaktadır. Güneş hücreleri mekanik olarak hareketli parça içermediğinden teorik ömürleri sonsuz olarak tanımlanmaktadır. Ayrıca güneş enerjisini yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimde çalışırlar.

Şekil 2.3’de gösterildiği gibi fotovoltaik panellerde, fotonların koparttığı elektronların eklemde dolaşarak elektrik akımı üretmesi ile elektrik üretilir. Bu paneller, temel olarak N tipi ve P tipi yarı iletken olmak üzere iki katmandan oluşurlar. N tipi yarı iletken çoğunlukla kullanılan silisyum eriğine periyodik cetvelin 5. grubundan fosfor gibi bir elementin eklenmesiyle elde edilmektedir. Silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron bulunduğundan fosforun fazla olan elektronu güneşten gelen fotonların enerjisi ile dışarıya verir. P tipi yarı iletken de silisyum eriğine periyodik cetvelin 3. grup alüminyum, indiyum veya bor elementlerinden birinin eklenmsiyle elde edilmektedir. Bu elementlerin son yörüngesinde eksik eksik elektron olduğundan N tipi yarı iletkenden P tipi yarı iletkene elektron akışı olur ve bu yarı iletkenler güneş ışınımı olduğu sürece sürekli doğru akım oluştururlar [26].

Şekil 2.3. Fotovoltaik pilden elektrik üretimi [27]

Çok sayıda güneş hücresi birbirine paralel ya da seri bağlanarak güneş paneli ya da fotovoltaik paneli oluştururlar ve güç çıkışını arttırırlar. Güneş panelleri de talep edilen güce bağlı olarak seri ya da paralel bağlanıp birkaç Watt’lık küçük enerji üreteçlerinden dev enerji santrallerine kadar sistemler oluştururlar.

Yoğunlaştırıcı Sistemler;

Bu sistemlerde güneş ışınımı tek bir yerde odaklanarak elde edilen kızgın buhardan elektrik elde edilmesidir. Güneş ısıl güç santralleri olarak da bilinen bu sistemlerde güneş enerjisini odaklayıp toplama, kullanılan kollektöre göre farklılık gösterir. Şekil 2.4’de gösterilen parabolik kolektörlerin kullanıldığı güç santrallerinde; çalışma sıvısı, kolektörlerin odaklarına yerleştirilmiş olan absorban boru içerisinde dolaştırılmaktadır. Isınan bu sıvıdan eşanjörler yardımı ile kızgın buhar elde edilmektedir. Parabolik çanak kolektörler kullanılan sistemlerde de, ya aynı yöntem kullanılmakta ya da merkeze yerleştirilen bir motor (Stirling) yardımı ile doğrudan elektrik üretilmektedir [26].

Şekil 2.4. Parabolik çanak kollektörler [28]

Merkezi alıcılı sistemlerde ise, güneş ışınları düzlemsel aynalar (heliostat) yardımı ile alıcı adı verilen ısı değiştiricisine yansıtılmaktadır. Alıcıda ısıtılan çalışma sıvısından, konvansiyonel yollarla elektrik elde edilmektedir [26].

2.3.2. Güneş enerjisinden ısı enerjisi elde edilmesi

İnsanoğlu eski çağlardan beri güneşi ısınma/ ısıtma aracı olarak kullanmıştır. Teknolojinin gelişmesiyle birlikte basit düzeneklerden karmaşık olanlarına kadar güneşten ısı enerjisi elde edilebilmektedir. Yüksek sıcaklıklara gerek kalmadan düşük sıcaklıklarda evsel kullanım için düzlemsel veya vakumlu tip kollektörler kullanılabilir. Ayrıca pasif ısıtma sistemlerinin değişik kullanımlarıda günümüzde görülmektedir.

Düzlemsel güneş kollektörleri;

Güneş enerjisini kollektörlerde toplayan ve enerjisini bir akışkana aktaran sistemlerdir. Şekil 2.5’de gösterildiği gibi düzlemsel güneş kolektörleri, üstten başlayarak alta doğru, camdan yapılmış üst örtü, cam ile absorban plaka arasında yeterince boşluk, metal veya plastik absorban plaka, arka ve yan yalıtım ve bu bölümleri içine alan bir kasadan oluşmaktadır.

Absorban plakanın yüzeyi genellikte koyu renkte olup bazen seçiciliği artıran bir madde ile

kaplanmaktadır. Kolektörler, yörenin enlemine bağlı olarak güneşi maksimum alacak şekilde, sabit bir açıyla yerleştirilmektedirler [26].

Şekil 2.5. Düzlemsel güneş kollektörü [29]

Güneş kolektörlü sistemler doğal (tabii) dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılmaktadır. Bu sistemler, ev içi kullanımlarının yanı sıra, yüzme havuzları ve sanayi tesisleri için de sıcak su sağlanmasında kullanılabilmektedirler. Dünya genelinde kurulu bulunan güneş kolektörü alanının 30 milyon m² 'nin üzerinde olduğu düşünülmektedir. En fazla güneş kolektörü bulunan ülkeler arasında Çin, ABD, Japonya, Avustralya, İsrail ve Yunanistan gösterilmektedir. Ülkemiz de 7,5 milyon m² kurulu kolektör alanı ile dünyanın önde gelen ülkelerinden biri konumundadır.

Vakumlu güneş kollektörleri;

Şekil 2.6’da gösterilen bu sistemlerde ise vakumlu cam borular ve gerekirse absorban yüzeyine gelen enerjiyi artırmak için metal ya da cam yansıtıcılar kullanılmaktadır. Vakumlu güneş kolektörlerinin çıkışları daha yüksek sıcaklıkta olduğu için (100°C ile 120 °C), düzlemsel kolektörlerin kullanıldığı yerlerde ve ayrıca yiyecek dondurma, bina soğutma gibi daha geniş bir yelpazede kullanılabilmektedirler [26].

Şekil 2.6. Vakumlu güneş kollektörleri [30]

Güneş havuzları;

Bu sistemde tuzlu suyun kaynama noktasının altındaki sıcaklıklarda güneş enerjisinin toplanmasını ve depolanmasını sağlayarak doğrudan ısı enerjisi olarak yararlanılabileceği gibi Rankin çevrimi ile elektrik enerjisi de elde edilebilir. Yaklaşık 5-6 metre derinlikteki suyla kaplı havuzun siyah renkli zemini, güneş ışınımını yakalayarak 90 °C sıcaklıklara kadar ulaşmaktadır. Güneş havuzlarında sodyum klorür ve magnezyum klorür tuzları kullanılmaktadır [26].

Güneş bacaları;

Güneş enerjisini önce ısı enerjisine sonra bu ısı enerjisinin doğal hareketini kinetik enerjisine ve son olarak da elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Şekil 2.7’de da görüldüğü gibi güneşe maruz bırakılan şeffaf malzemeyle kaplı bir yapının içindeki toprak ve hava ısınmaktadır. Isınan hava yükseleceği için, çatı eğimli yapılıp, hava akışı hayli yüksek bir bacaya yönlendirilip baca içinde yüksek hızda hava akışı sağlanmaktadır. Baca girişine yerleştirilen bir yatay rüzgâr türbini ile bu hava akışı elektriğe çevrilebilmektedir. Bu tip uygulamalar için değişik güçlerde tesisler kurulabilmektedir [26].

Şekil 2.7. Güneş bacası [31]

Pasif güneş sistemleri;

Pasif güneş sistemi ile kış aylarında ısı kazancı, yaz aylarında doğal havalandırma ve soğutma olarak faydalanılmaktadır. Pasif olarak güneş enerjisinden doğal ısı transferi ile güneş ışınları toplanmakta, depolanmakta ve dağıtılmaktadır. Pasif güneş sistemlerinden binalarda yararlanılabildiği gibi ürünlerin kurutulmasında ve seracılıkta da kullanılmaktadır [26].

Sonsuz bir enerji kaynağı olan güneşten sadece gündüzleri yararlanabilmekteyiz. Ayrıca güneş ışınlarının geliş açısı ve atmosferik olaylar nedeniyle gündüzleri güneş enerjisi, sürekli olarak aynı ışınım şiddetiyle yeryüzüne ulaşamamaktadır. Bu sebeble güneş enerjisinden sürekli ve maksimum derecede faydalanabilmek için bu enerjinin fazla olduğu zamanlarda depolanması gerekmektedir. Enerji hem elektrik hem de ısı olarak birçok yöntemlerle depolanabilir. Bu tez kapsamında güneş enerjili bir sistemde, güneş ışınımlarından ısı enerjisini depolama yöntemi olan ısıl enerji depolama çalışılmıştır.

3. ISIL ENERJİ DEPOLAMA (IED)

Isıl enerji depolama, enerji kaynaklarının daha etkin ve verimli kullanılmasını sağlayan en umut vadeden teknolojilerden birisidir. IED’in yenilenebilir enerji kaynaklarıyla kullanımı enerji üretimi ile talebi arasındaki uyumsuzluğun üstesinden gelirken aynı zamanda fosil yakıt tüketiminin azaltılmasıyla da çevreye olan salınımlar azaltılmış olmaktadır. Güneş uygulamalarında, özellikle binalarda, kısa süreli depolamadan mevsimsel depolamaya kadar ısıl enerjiyi depolamayı gerektirmektedir. Binalar için güneş sisteminde kullanılan IED’in en büyük avantajı kesikli (aralıklı) olan güneş enerjisinin enerji talebinin karşılanmasında başarılı olmasıdır. IED ayrıca binaların maliyetsiz soğutulmasında da kullanılabilir.

Isıl enerji depolaması kullanım süresine göre ikiye ayrılır. Bunlar kısa süreli depolama (gece-gündüz) ve mevsimlik depolama (yaz-kış)’dır. Kullanım sıcaklığına göre sıcak depolama, soğuk depolama ve her iki amaçlı olan sıcak ve soğuk depolama olarak belirlenmiştir. Uzun dönem IED ile temel olarak hedeflenen, yazın sıcağını koruyup kışın kullanmak, veya kışın soğuğunu depolayıp yazın kullanmaktır [32]. Isıl enerjinin elde edilmesiyle kullanımı arasındaki zaman farkı enerji depolamasıyla kapatılabilir.

IED sistemlerinin temelinde depolama sistemine enerji sağlanması, bu enerjinin depolanması ve depolanan enerjinin ihtiyaç duyulan zamanlarda kullanılması prensibi yatmaktadır. Bu sistemlerinin faydaları şunlardır:

 Yenilenebilir enerji kaynaklarının sürekli kullanılmasını sağlar (Güneş enerjisi, vs.).

 Elektriğin ucuz olduğu zamanlarda depolama yapılabilir.

 Çok çeşitli sıcaklıklardaki atık ısıdan faydalanılmasına olanak sağlar.

 Enerji verimliliğini artırarak elektrik enerjisi tüketimini azaltır ve şebekeye destek olur.

 Kojenerasyon santrallerinin daha etkin çalışmasını sağlar.

 Özellikle elektronik cihazların güvenliğini ve uzun ömürlülüğünü sağlar [33].

Enerji sistemlerinde IED’in kullanılmasıyla sistemin verimliliği ve güvenirliği artarken yatırım ve işletme maliyetleri ve çevrenin kirlenmesi (CO2 emisyonu) azalır. Isıl enerji duyulur, gizli ısı ve termokimyasal olarak depolanabilir. Enerji, duyulur ısı depolamada maddenin sıcaklığının değişmesi yoluyla depolanırken, gizli ısı depolamada maddenin faz

değiştirmesi yoluyla, termokimyasal depolamada ise kimyasal bağlarda depolanmaktadır.

Isıl enerji depolama, enerjinin daha sonra kullanılabilmesi için ısıyı sarj/deşarj eder. Şekil 3.1’de ısıl enerji depolama yöntemleri gösterilmiştir.

Şekil 3.1. Isıl enerji depolama yöntemlerinin sınıflandırılması [33]

3.1. Fiziksel Yöntem

3.1.1. Duyulur ısı ile depolama

En yaygın ısıl enerji depolama yöntemi olan duyulur ısı depolamada, depolama maddesinin sıcaklığındaki değişim sonucunda ortaya çıkan duyulur ısıdan yararlanılır. Isı depolama materyali olarak, sıcaklığı arttırıldığında duyulur ısı şeklinde ısı depolayabilen katı ve sıvı materyaller kullanılır. Duyulur ısı depolama materyallerinin birçoğu bol miktardadır ve ucuzdur. Duyulur ısı depolama malzemeleri su, erimiş tuzlar ve işlenmiş petrol ürünleri olup yüksek ısı depolama sıcaklıklarında tercih edilmektedir. Bu sistemler sürekli ve güvenilir çalışmaktadırlar fakat sistemin korozyona uğraması ve sızıntı yapması en önemli problemleridir. Ayrıca bir diğer problemi ise; duyulur ısı depolama sistemleri yüksek basınç, yalıtım gereksinimi ve yüksek ısı depolama boyutlarına ihtiyaç duyulmasından dolayı maliyetli olmasıdır.

Isıl Enerji Depolama Yöntemleri

FizikselYöntem

Duyulur Isı Gizli Isı

Katı-Sıvı Faz Değişimi

Sıvı-Gaz Faz Değişimi

Katı-Katı Faz Değişimi

Katı-Gaz Faz Değişimi Kimyasal

Yöntem

Duyulur ısı ile depolanan ısı miktarı aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır:

𝑄 = 𝑚 𝑐_𝑝 ∆𝑇 = 𝑚 𝑐_𝑝 (𝑇_𝑠𝑜𝑛− 𝑇_𝑖𝑙𝑘) (3.1)

burada; 𝑄, depolanan ısı (kJ), 𝑚, depolanan maddenin kütlesi (kg), 𝑐_𝑝, depolanan maddenin özgül ısısı (kJ/kg.^oC), ∆𝑇, ilk ve son sıcaklık (^oC) arasındaki değişimdir [15,17].

Şekil 3.2’de duyulur ve gizli ısının ısıl enerji ve sıcaklık değişim garfiği gösterilmiştir.

Grafiğe göre enerji; duyulur ısı olarak, katı ve sıvılarda belirli bir sıcaklık değişimi arasında depolanmaktayken gizli ısı olarak, malzemenin erime sıcaklığına bağlı katı - sıvı şeklinde sabit sıcaklıkta depolanmaktadır.

Şekil 3.2. Duyulur ve gizli ısının ısıl enerji-sıcaklık grafiği [34]

3.1.2. Gizli ısı ile depolama

Gizli ısı depolama sistemlerinde de madde bir fazdan diğer bir faza geçerken aldığı ısıyı şarj ve deşarj etmektedir. Bu esnada saf maddelerin sıcaklıkları değişmez. Bir maddenin faz değişimi katı - katı, katı - sıvı, katı - gaz, sıvı - gaz şeklinde olmaktadır. Gizli ısı depolama sistemleri duyulur ısı depolamaya göre daha küçük sıcaklık aralıklarında ve daha küçük hacimlerde daha fazla ısı depolama kapasitesine sahiptirler. Gizli ısı depolama yönteminde, ısı depolama kapasitesinin yüksek olması ve faz değiştirme sıcaklığının sabit olması diğer ısıl depolama yöntemlerine göre bir avantajdır [17].

Gizli ısı depolama sistemlerinde gerekli depo hacmi, duyulur ısıya göre 4 - 5 kat daha küçüktür. Örneğin suyun gizli ısısının duyulur ısısına oranı 80’dir. Yani, 1 kg buzun erimesi için gerekli enerji miktarı 1 kg suyun sıcaklığını 1 ^oC artırmak için gerekli ısıdan 80 kat daha fazladır. Bu durum depo tasarımında önemli bir avantajdır. Hem depolama hem de enerji dönüşümü için maliyeti de düşürür [35].

Gizli ısı ile depolanan ısı miktarı aşağıdaki eşitlik ile hesaplanır:

𝑄 = ∫ 𝑚 𝑐𝑝 𝛿𝑇 + 𝑚 𝐿 + ∫ 𝑚 𝑐_𝑇^𝑇𝑠 𝑝 𝛿𝑇 = 𝑚[𝐿 + 𝑐_𝑝𝑘(𝑇_𝑒− 𝑇_𝑜) + 𝑐_𝑝𝑠(𝑇_𝑠− 𝑇_𝑒)]

𝑒 𝑇𝑒

𝑇_𝑜 (3.2)

Burada; 𝐿, erime gizli ısısı (kJ/kg), 𝑐_𝑝𝑘, katı fazın sabit basınçtaki özgül ısısı (kJ/kg.^oC), 𝑐_𝑝𝑠, sıvı fazın sabit basınçtaki özgül ısısı (kJ/kg.^oC), 𝑇_𝑜, başlangıç, 𝑇_𝑒, erime ve 𝑇_𝑠, son sıcaklıktır (^oC) [17].

Gizli ısı ile enerji, faz değiştiren malzemelerle sabit bir sıcaklık aralığında depolanır. Bu malzemelerin erime sıcaklığına bağlı olarak hem ısıtma hem de soğutma amaçlı kullanılmaktadırlar. FDM’lerin geleneksel ısı depolama ortamlarına göre avantajı FDM’lerin erime sıcaklığının sisteme uygun sıcaklık aralığında seçilme imkanının olmasıdır. Çizelge 3.1’de duyulur ısı depolama ve gizli ısı depolama sistemlerinde kullanılan malzemelerin fiziksel, ekonomik, ısı transferi ve uygulama yönlerinden karşılaştırılması verilmiştir.

Çizelge 3.1. Duyulur ve gizli ısı depolama tekniklerinin kıyaslanması [36]

Duyulur ısı depolama Gizli ısı depolama

Su Kaya FDM

Fiziksel özellikler

Sıcaklık aralığı Sınırlı(0 ^oC ile 100^oC)

Geniş Geniş

Özgül ısı Yüksek Düşük Orta

Isıl iletkenlik Düşük Düşük Çok düşük

Isıl depolama kapasitesi

Düşük Düşük Yüksek

Isıl döngü

kararlılığı İyi İyi Yetersiz veri

Ekonomik yönler

Mevcut olma durumu

Bol Bol Malzeme

seçimine bağlı

Malzeme maliyeti Ucuz Ucuz Pahalı

Isı transferi artışı

Gerekli geometri Basit Basit Karışık

Gerekli sıcaklık farkı

Büyük Büyük Küçük

Isıl katmanlaşma etkisi

Pozitif Pozitif Malzeme

seçimine bağlı Eş zamanlı

Şarj&deşarj

Mümkün Mümkün

değil

Uygun ısı ile mümkün Uygulama Solar

ısıtma/soğutma sistemleriyle bütünleşme

Doğrudan su sistemleriyle

Doğrudan hava

sistemleriyle

Dolaylı

Yapı malzemeleri ile korozyonu

İnhibitöre ihtiyaç var

Paslanmaz Malzeme seçimine bağlı

Ömrü Uzun Uzun Kısa

3.2. Kimyasal Yöntem

3.2.1. Termokimyasal ısı ile depolama

Kimyasal bir tepki sırasında alınan veya verilen ısıl enerjinin (ısının) daha sonra tekrar kullanılması için depolanmasıdır. Termokimyasal ısı depolama sistemi, kimyasal bağlarda enerjiyi endotermik reaksiyonla depolayan ve ekzotermik reaksiyonlarla tekrar enerji sağlayan ısı depolama sistemidir. Depolama sırasında enerji kayıplarının minimum seviyede olması sistemin avantajıdır. Fakat bu teknoloji kimyasal tehlikeleri barındırdığı için çoğu uygulamalarda kullanımının uygun olmadığı bilinmektedir [15].

3.3. Faz Değiştiren Malzemeler

FDM’ler maddenin faz değiştirmesine neden olan gizli ısıyı depolayan malzemelerdir ve ısı transferi faz değişimi sırasında gerçekleşir. FDM’ler, erime sıcaklıklarının üzerideki bir sıcaklığa maruz kaldıklarında atomik bağların gevşemesiyle katıdan sıvıya doğru bir faz değişimine uğrarlar ve aldıkları ısıyı malzemenin içine sabit sıcaklıkta absorbe ederler.

Böylece çevresindeki ısıyı alıp depolamış olurlar. Bu olay, FDM’nin şarj olması ya da FDM’nin erimesi olarak da adlandırılır. Bu işlemin tam tersi ise FDM’nin deşarj olması ya da FDM’nin katılaşması işlemidir. Çevre sıcaklıklığı düştüğünde FDM’deki depolanan ısı çevreye doğru sabit sıcaklıkta salınmaya başlar ve FDM enerjisini kaybeder [2]. Çok yaygın olarak bilinen FDM’nin erime-katılaşma döngüsü şekil 3.3’de verilmiştir.

Şekil 3.3. FDM’nin erime-katılaşma süreci [2]

FDM’ler gizli ısı depolama malzemeleridir ve FDM’lerin istenilen erime sıcaklığında seçilmesi en büyük avantajıdır. FDM’ler için IED sistemi tasarımında ilk adım istenilen erime sıcaklığının seçilmesidir. İkinci adım ise termofiziksel, kimyasal ve ekonomik parametrelerin değerlendirilmesidir. Bu parametreler:

 Sisteme uygun erime sıcaklık aralığında seçilme imkanının olması,

 Birim hacim ya da kütle başına depoladığı faz değişim ısısının yüksek olması,

 Yüksek ısıl iletkenliğe sahip olması,

 Düşük buhar basıncına sahip olması,

 Faz değişimi esnasında küçük hacim değişimi göstermesi,

 Düzenli erime ve katılaşma davranışı göstermesi,

 Sıvı fazın aşırı soğumasını önlemek için çekirdekleşme hızının yüksek olması,

 Isının hızlı geri kazanımı için kristal büyüme hızının yüksek olması,

 Çok sayıda erime/katılaşma döngüsünden sonra kimyasal kararlılık göstermesi,

 Yapı malzemelerine karşı korozif olmaması,

 Toksik, yanıcı ve patlayıcı olmaması,

 Kolay temin edilebilir ve düşük maliyete sahip olmasıdır [13,15,17,37].

FDM’de ısıl enerji depolama uygulamaları çok çeşitli olmakla beraber en çok kullanılma alanları; yapı malzemelerinde, binaların ısıtma ve soğutma yükünün azaltılmasında, fotovoltaik elementlerin soğutulması, tekstil, ev ısıtma ve sıcak su, gıda, medikal alanda (kan üniteleri), motorlu taşıtlar için ısı depolama sistemi, taze gıdaların depolanması, sıcaklığa duyarlı cihazların soğutulması şeklinde özetlenebilir. Gizli ısı depolamada kullanılan FDM’ler, organik, inorganik ve ötektik olarak sınıflandırılmaktadır. Bu sınıflandırma aşağıda verilen Şekil 3.4’de sunulmuştur.

Şekil 3.4. FDM’lerin Sınıflandırılması [37,38]

Organik FDM'ler bol miktarda mevcuttur, nispeten ucuzdur ve çalışılması kolaydır. Bu sebeble en çok tercih edilen ve kullanılan FDM’lerdir. Organik FDM’ler, alkanları (parafin) (CnH2n+ 2) ve yağ asitlerini (CH3(CH2)2nCOOH) içerir. Şekilde 3.5’de görüldüğü gibi, alkanlar ve yağ asitleri yumuşak ve mumlu görünümde beyaz bir yüzey sergileyen benzer fiziksel özelliklere sahiptir.

Şekil 3.5. Soldaki Parafin wax, sağdaki yağ asitleri (fatty acid) [2]

Organik FDM’ler, özellikle parafinler, elektronik ve ısıl uygulamalarda en çok çalışan FDM’lerdir. Parafinlerin erime sıcaklğı spesifik hidrokarbon yapısına bağlı olarak 0 ^oC ile 100 ^oC aralığındadır. Yağ asitleri parafinlere kıyasla daha düşük erime noktalarına sahiptir, bu da insanların konforu ile ilgili uygulamalar için daha uygun hale getirir. Yağ asitleri kompozit materyalleri, iklimlendirme sistemlerinin maliyetlerini azaltmak amacıyla enerji depolama yapı malzemeleri olarak kullanılmak üzere tasarlanmıştır.

İnorganik FDM'ler, tuzlar ve tuz hidratları içerir. Tuz hidratları, inorganik tuz ailesinin (oksitler, karbonatlar, sülfatlar, nitratlar ve halojenürler) belirli bir oranda su molekülleri ile olan kombinasyonlarıdır. Tuz hidratlarına tuz bileşiği * n H2O adı verilir. FDM olarak kullanılan yaygın tuzlar ve tuz hidratları MgCl2.6H2O, CaCl2.6H2O, Na2SO4.10H2O (Glauber Tuzları), NaNO3, KNO3, KOH, MgCl2 ve NaCl'yi içerir. Tuzlar ve tuz hidratları benzer özelliklere sahiptir. Tuz hidratları, su moleküllerinin kristal kafesinin içine sığmasına izin verecek kadar açık üç boyutlu bir yapı sergiler. Şekil 3.6’de tuz ve tuz hidratların fiziksel özellikleri gösterilmektedir [2].

Şekil 3.6. (a) Sodyum klorür, (b) Magnezyum klorür heksahidrat [2]

Tuzlar ve tuz hidratların erime noktaları 10 ^oC ile 900 °C arasında çok geniş bir çalışma aralığında bulunur. Fakat erime noktalarının parafinlerin ve yağ asitlerinin erime noktalarıyla çakıştığı daha düşük erime sıcaklık aralıklarında, tuzlar ve tuz hidratları yaygın olarak kullanılmamaktadır. Bununla birlikte, daha yüksek erime sıcaklık aralıklarında, inorganikler FDM'lerin birincil tercihi haline gelir. Şekil 3.7’de FDM’lerin erime sıcaklık aralıkları verilmiştir. İnorganik FDM’ler, yoğunlaştırılmış güneş santrallerinde olduğu gibi, eriyik sıcaklıklarının aşırı yüksek olduğu güneş enerjisi uygulamaları için yaygın olarak kullanılmaktadır [2].

Şekil 3.7. FDM’lerin erime entalpisi - erime sıcaklığı grafiği [17]

İki ve ya daha fazla organik ve inorganik FDM’lerden enerji depolama amacına uygun olarak ötektik karışımlar hazırlanabilir. Isıl özellikleri isteğe göre yapılabilir fakat maliyetinin yüksek olmasından dolayı şuanda kullanımı yaygın değildir. Çizelge 3.2’de FDM’lerin avantaj ve dezavantajları özetlenmiştir.