ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Mustafa ERDEN

HİDROJEN ENERJİSİ ÜRETMEK İÇİN GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE ENTEGRE BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN PERFORMANSININ

İNCELENMESİ

FİZİK ANABİLİM DALI

ADANA, 2014

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

Mustafa ERDEN

YÜKSEK LİSANS TEZİ

FİZİK ANABİLİM DALI

Bu Tez 21/08/2014 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu ile Kabul Edilmiştir.

... ... ...

Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Prof. Dr. Hüseyin AKILLI Doç. Dr. Murat ÖZTÜRK

DANIŞMAN ÜYE ÜYE

Bu Tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır.

Kod No:

Prof. Dr. Mustafa GÖK Enstitü Müdürü

Bu Çalışma Ç. Ü. Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir.

Proje No: FEF2013YL42

Not: Bu tezde kullanılan özgün ve başka kaynaktan yapılan bildirişlerin, çizelge ve fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullanımı, 5846 sayılı Fikir ve Sanat Eserleri Kanunundaki hükümlere tabidir.

HİDROJEN ENERJİSİ ÜRETMEK İÇİN GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE ENTEGRE BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN PERFORMANSININ

İNCELENMESİ

ÖZ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Mustafa ERDEN

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

FİZİK ANABİLİM DALI

Danışman : Doç Dr. Mehmet KARAKILÇIK Yıl: 2014, Sayfa: 61

Jüri : Doç Dr. Mehmet KARAKILÇIK : Prof. Dr. Hüseyin AKILLI : Doç. Dr. Murat ÖZTÜRK

Güneş enerjisi bakımından yeterli potansiyeli bulunan ülkemiz için güneş enerjisinden en verimli şekilde yararlanma yollarının araştırılması büyük önem taşımaktadır. 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.

Böylece entegre sistemin enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Sonuç olarak, güneş enerjisini uzun süre depolayabilen güneş havuzu ile desteklenen düzlem güneş kolektöründen daha kısa sürede ve daha yüksek sıcaklılarda çıkış suyu elde edilebileceği görülmüştür. Entegre sistemden gelen termal enerji kullanılarak ORÇ çevrimi sayesinde önemli miktarda elektrik enerjisi üretilmiştir. Aynı zamanda, üretilen elektrik enerjisi ile suyun elektrolizi yöntemiyle taşınabilir enerji olan hidrojen enerjisi üretim performansı belirlenmiştir. Buradan elde edilen kuramsal sonuçların, yapılması planlanan entegre sistemler hakkında önceden gerçeğe yakın ve doğru tahminler yapılması konusunda yardımcı olacağı kanaatindeyiz.

Anahtar Kelimeler: Güneş havuzu, düzlem güneş kolektörü, hidrojen üretimi HİDROJEN ENERJİSİ ÜRETMEK İÇİN GÜNEŞ KOLEKTÖRLERİ İLE

ENTEGRE BİR GÜNEŞ HAVUZUNUN PERFORMANSININ İNCELENMESİ

ABSTRACT

MSc THESIS

Mustafa ERDEN

CUKUROVA UNIVERSITY

INSTTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES DEPARTMENT OF PHYSICS

Supervisor : Assoc. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK Year: 2014, Page: 61

Jury : Assoc. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK : Prof. Dr. Hüseyin AKILLI

: Assoc. Prof. Dr. Murat ÖZTÜRK

It is very important to investigate the most efficient way to benefit from the solar energy for our country which has a sufficient potential. In this study, an integrated system consists of a solar pond, flat plate collectors and an Organic Rankine Cycle (ORC), was designed. Both thermal and electricity as well as hydrogen energy generation performances of the integrated system were determined.

In addition, mass, enthalpy, entropy, energy and exergy balance equations were tried to solve by using a software which is called Engineering Equation Solver (EES).

Thus, energy and exergy analysis of the system were done. As a result, output water at higher temperature can be obtained from the flat plate collectors which are supported by a solar pond. Than a significant amount of electrical energy was produced by using ORC which uses thermal energy comes from integrated system.

At the same time, the performance of the hydrogen energy which is called portable energy production with the electrical energy was determine. We believe that the theoretical results obtained in this work are very useful in making realistic and accurate predictions about the pre-planned integrated systems to produce the hydrogen energy.

KeyWords: Solar pond, flat-plate collector, hydrogen production

INVESTIGATION OF PERFORMANCE OF A SOLAR POND INTEGRATED WITH SOLAR COLLECTORS FOR HYDROGEN

ENERGY PRODUCTION

TEŞEKKÜR

Yüksek lisans tezi olarak hazırlanan bu çalışmanın hazırlanması süresince, değerli görüş ve önerileri ile beni yönlendiren, yardımlarıyla destek olan danışman hocam Doç. Dr. Mehmet KARAKILÇIK’ a sonsuz saygı ve teşekkürlerimi sunarım.

Tez yazım aşamasında yardımlarını esirgemeyen sevgili arkadaşlarım Ayhan ATIZ ile Müzeyyen ÇİLOĞULLARI’na, yeğenim M. Murat Aksoy’a ve tüm Fizik Bölümü hocalarıma saygı ve teşekkürlerimi sunarım.

Çalışmalarım sırasında fazla zaman ayıramadığım ailemden özür dileyerek onlara da sonsuz sevgi ve teşekkürlerimi sunarım.

İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ ... .I ABSTRACT ... .II TEŞEKKÜR ... .III İÇİNDEKİLER ... IV ŞEKİLLER DİZİNİ ... VI TABLOLAR DİZİNİ ... VIII SİMGELER VE KISALTMALAR ... X

1. GİRİŞ ... 1

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR ... 5

2.1. Doğal Güneş Havuzları ... 5

2.2. Yapay Güneş Havuzları ... 5

2.3. Güneş Havuzu Uygulamaları ... 9

2.4. Güneş Kolektörü Uygulamaları ... 9

2.5. Entegre Sistemler ... 10

3. GÜNEŞ ENERJİSİ ... 13

3.1 Yatay ve Eğimli Yüzeye Gelen Güneş Enerjisi ... 14

4. GÜNEŞ HAVUZU ... 19

5. DÜZLEM GÜNEŞ KOLEKTÖRÜ ... 23

6. ORGANİK RANKİNE ÇEVRİMİ (ORÇ) ... 25

7. MATERYAL VE METOT ... 27

7.1. Materyal ... 27

7.1.1. Model Güneş Havuzu ... 27

7.1.2. Isı Eşanjör Sistemi ... 28

7.1.3. Elektrikli Devirdaim Pompası ... 28

7.1.4. Model Düzlem Güneş Kolektörü ... .29

7.1.5. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ)’nin Termodinamiği ... 29

7.1.6. Elektroliz Sistemi ... .30

7.1.7. Engineering Equation Solver (EES) Programı ... .30

7.2. Metot ... 31

7.2.1. Güneş Havuzunun Termodinamik Analizi... 32

7.2.2. Eşanjörün Termodinamik Analizi ... 40

7.2.3. Düzlem Güneş Kolektörünün Termodinamik Analizi ... 41

7.2.4. ORÇ’nin Termodinamik Analizi... 42

7.2.5. Elektroliz Sistemi ... .45

8. BULGULAR VE TARTIŞMA ... 47

9. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 55

KAYNAKLAR ... 57

ÖZGEÇMİŞ ... .61

ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 3.1. Deklinasyon açısının bir yıldaki değişimi ... .15

Şekil 4.1. (a) Tipik bir güneş havuzunun katmanları, (b) sıcaklık dağılımı profili ve (c) yoğunluk dağılımı profili ... .19

Şekil 4.2. Güneş havuzlarında kullanılan NaCl, MgCl₂, NaHCO₂, Na₂CO₃ ve Na₂SO₄ tuzlarının sıcaklıkla değişen çözünürlüğü ... 21

Şekil 5.1. Düzlem güneş kolektörünün şematik görünümü ... 23

Şekil 6.1. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) şeması ... 25

Şekil 7.1. Isı eşanjör sistemi ... 28

Şekil 7.2. Termodinamik çevrim grafiği ve ORÇ şeması ... 29

Şekil 7.3. Sistem bileşenlerinin şematik görünümü ... 31

Şekil 7.4. Güneş havuzuna gelen ve yansıyan ışınlar ile havuzdaki ısı akışı ... 33

Şekil 7.5. Depolama bölgesi için ekserji akışı ... .38

Şekil 7.6. Eşanjör sistemi ... .40

Şekil 8.1. Güneş havuzu yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık dağılımı ... 48

Şekil 8.2. Düzlem kolektör yüzeyine gelen ortalama güneş enerjisi ve ekserjisinin aylık dağılımı ... 49

Şekil 8.3. Güneş havuzu yüzeyine gelen güneş enerjisi ve ekserjisinin 15 Temmuz için saatlik dağılımı ... 49

Şekil 8.4. Güneş havuzunun 15 Temmuz için enerji ve ekserji verimi ... .50

Şekil 8.5. Düzlem kolektör yüzeyine gelen güneş enerjisi ve ekserjisinin 15 Temmuz için saatlik dağılımı ... 50

Şekil 8.6. Düzlem kolektörün 15 Temmuz için enerji ve ekserji verimi ... 51

Şekil 8.7. ORÇ sisteminin yüzde olarak enerji ve ekserji verimi ... 52

Şekil 8.8. ORÇ’den elde edilen net işin ORÇ’deki akışkanın kütle debisine bağlı grafiği ... 52

Şekil 8.9. ORÇ’den elde edilen net işin giriş sıcaklığına bağlı grafiği ... .53

Şekil 8.10. 15 Temmuz’da üretilen hidrojen miktarının günlük dağılımı…………. 53

TABLOLAR DİZİNİ SAYFA

Tablo 8.1. Entegre sistemin termodinamik verileri ... .47

SİMGELER VE KISALTMALAR

As : Eşanjörün yüzey alanı AKB : Alt Konveksiyonlu Bölge cp : Özgül ısı

DB : Depolama Bölgesi En : Enerji

Ex : Ekserji

EES : Engineering Equation Solver F : Fresnel katsayısı

G_gs : Güneş sabiti

H₀ : Atmosfer dışı saatlik güneş enerjisi h : Entalpi

h(x-δ) : Güneş ışınımının suda soğurulma oranını veren fonksiyon I : Yatay düzleme gelen toplam güneş radyasyonu

I₀ : Güneş radyasyonu I_b : Direk ışınım I_d : Difüze ışınım

IG : Eğimli düzleme gelen toplam güneş ışınımı I_X : Işık demetinin x derinliğindeki şiddeti I_T : Yatay düzleme gelen toplam güneş ışınımı k_T : Berraklık indeksi

: Kütle debisi n : Yılın günleri

ORÇ : Organik Rankine Çevrimi U :Toplam ısı transfer katsayısı ÜKB : Üst Konveksiyonlu Bölge s : Entropi

T : Sıcaklık

YB : Yalıtım Bölgesi

x : Havuzun düşey doğrultudaki derinliği : İş

w1 : Güneşin yükselme saati w2 : Güneşin batış saati w_s : Güneş saat açısı η_en : Enerji verimi ηex : Ekserji verimi a : Eğim açısı

β : Güneş ışınının suya girme oranı θ : Güneş ışınımı geliş açısı

θz : Zenith açısı

δd : Eğiklik açısı (deklinasyon)

c : Direk güneş ışınımı dönüşümü katsayısı f : Enlem açısı

φ : Enlem açısı

ρ_g : Yüzeyin ışını yansıtma oranı

1. GİRİŞ

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

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.

2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR

Güneş havuzlarının ilk örnekleri doğal güneş havuzlarıdır. Bu havuzların benzerleri ise yapay olarak yapılan güneş havuzlarıdır.

2.1. Doğal Güneş Havuzları

Güneş havuzlarının doğadaki ilk örneği Kalecksinsky tarafından 1902’de Romanya’nın Karpat dağları eteğindeki Transylvania bölgesindeki Medve gölünde sıcaklığın yaz ayları sonunda 1,32 m’lik derinlikte 70 ºC’ye kadar yükseldiği ve ilkbaharda ise 26 ºC’ye düştüğü gözlemlenerek keşfedilmiştir. Bu gölde ilk kez tuz yoğunluğu ölçümleri yapılmış ve ölçümler sonucunda yukarıdan aşağıya doğru arttığı saptamıştır. Bu yoğunluk eğiminin, konveksiyonla ısı kaybını önlemesi nedeniyle, gölün derin bölgelerinin yüksek sıcaklığa ulaşmasına sebep olduğu görülmüştür.

Por ve arkadaşları (daha sonra Cohen tarafından rapor edilen) Eliat yakınındaki 300 yıldır var olan doğal bir güneş gölcüğü bulmuş ve bunu 1967’de bir güneş havuzu olarak tanımlamıştır (Tabor, 1981).

İsrail’in Hayfa şehrinde bir tuz bataklığı üzerinde kurulan yüzey alanı 1375 m², derinliği 1,5 m olan bir güneş havuzunda araştırmalar yapılmış ve havuzun en yüksek sıcaklığının 74 ºC’ye çıktığı görülmüştür (Tabor ve Matz, 1965).

2.2. Yapay Güneş Havuzları

Yapay güneş havuzları fikri ilk kez 1948 yılında pratik uygulamalar için düşünülmeye başlanmıştır. 1950 yılında güneş havuzlarından elektriksel güç elde edilmesi ve evlerin ısıtılması için ilk ciddi çalışmalar yapılmaya başlanmıştır ve ilk kez İsrail’de Dr. R. Bloch tarafından yapay tuz gradyentli güneş havuzu ile enerji depolanabileceği gösterilmiştir (Tabor, 1964).

Ülkemizde güneş havuzları üzerine ilk araştırmalar 1978 yılında Çukurova Üniversitesi Fizik Bölümünde yapılmaya başlanmıştır (Kayalı, 1980). Aynı

üniversitede Karakılçık (1992) tarafından da deneysel ve teorik çalışmalar yapılmıştır.

Kayalı (1986) tarafından 1984 yılında Çukurova Üniversitesi’nde bir seranın ısıtılması için 10 m ´ 10 m ´ 2,5 m boyutlarında bir güneş havuzu yapılmıştır. Bu havuz üzerinde Kurt (1989) tarafından yapılan ölçümlerde havuzun sıcaklığının kışın en düşük 28 ºC ve yazın en yüksek 64 ºC olduğu görülmüştür. Karakılçık (1992) tarafından 1991 yılında sürdürülen ölçümlerde depolama bölgesinin sıcaklığının Ağustos ayında 64 ºC, Aralık ayında da 24 ºC olduğu görülmüştür. Bundan sonra Karakılçık tarafından yine Çukurova Üniversitesi Kampüsü’nde 2 m ´ 2 m ´ 1,5 m boyutlarında yalıtımlı prototip bir güneş havuzu inşa edilmiş ve Eylül 1995’ten itibaren bilgisayarlı otomasyon sistemi geliştirilerek hem deneysel, hem de kuramsal olarak sıcaklık dağılımları elde edilmiştir. Yalıtımlı prototip bir havuzun iç ve dış bölgelerinin sıcaklık profilleri karşılaştırılarak deneysel ve kuramsal verilerin uyum içinde oldukları görülmüştür. Bu sonuçlar boyutları ve yapım parametreleri bilinen bir güneş havuzundaki sıcaklık dağılımlarının nasıl olacağını önceden doğru tahmin edebilme olanağı sağlamaktadır. Deneysel çalışmalar sırasında depolama bölgesinden farklı zamanlarda bir saat boyunca ısı çekilmiş ve giriş suyu sıcaklığı değişmediği halde depolama bölgesinde ve çıkış suyu sıcaklığında zamanla önemli düşüşler olduğu saptanmıştır. Bu düşüşün nedeni havuzun boyutlarının küçük olmasından dolayı güneşten gelen enerji ile depolanan ve çekilen enerjinin yeniden karşılanamadığı görülmüştür. Oysa bu azalma büyük boyutlu güneş havuzlarında ancak çok uzun bir zaman diliminde görülebileceği belirtilmiştir. Ayrıca gölgelenme etkisinin de küçük boyutlu güneş havuzlarında dikkate alınması gerektiği ortaya konulmuştur (Karakılçık, 1998).

Jaefarzadeh (2004) tarafından yapılan çalışmada küçük boyutlardaki tuz gradyentli güneş havuzlarının ısıl davranışı araştırılmıştır. Isı iletim eşitlikleri konveksiyonsuz bölge için üst ve alt konveksiyonlu bölgelerin sınır koşulları ile nümerik olarak çözülmüştür. Güneş radyasyonunun yıl boyunca değişimi ve havuzun derinliğine göre azalması tartışılmıştır. Model, düşey duvarlar için gölgelenme alanını ve güneşlenme alanını azaltmadaki etkisini içermektedir.

Depolama bölgesinin sıcaklık dağılımı teorik olarak hesaplanmış ve deneysel

verilerle karılaştırılmıştır. Yapılan analizler konveksiyonsuz bölgenin kalınlığının, yan duvar ve taban yalıtımının önemli olduğu gibi yan duvarların gölgelenme faktörünün de güneş havuzunun performansını etkilediği görülmüştür. Yapılan birkaç örnek uygulama küçük bir havuzun performansının %10 olduğunu göstermektedir.

Karakılçık ve ark. (2006a) tarafından yapılan çalışmada güneş havuzunun performansı araştırılmıştır. Bu çalışmada, küçük ölçekli yalıtımlı bir güneş havuzunun enerji verimi belirlenmeye çalışılmıştır. Bu amaçla Çukurova Üniversitesinde yüzey alanı 4 m², derinliği 1,5 m olan yalıtımlı bir güneş havuzu inşa edilmiş, Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları boyunca geliştirilen ölçüm sistemi ile havuzun tabanı, iç bölgesi ve yan duvarlarının değişik yerlerinden sıcaklık ölçümleri yapılmıştır. Havuzu oluşturan tabakaların verimliliğini hesaplamak için bir model geliştirilmiş ve en yüksek ısı verimi Ağustos ayı içinde üst konveksiyonlu bölge için

%4,5, konveksiyonsuz bölge için %13,8 ve ısı depolama bölgesi için %28,1 olarak hesaplanmıştır.

Karakılçık ve ark. (2006b) tarafından bir güneş havuzundaki sıcaklık dağılımı deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Sıcaklık ölçüm sensörleri güneş havuzunun içine ve tabanına dikey olarak, yan duvarına ise dikey ve yatay olarak yerleştirildikten sonra sıcaklık dağılımları gündüz ve gece ayrı ayrı incelenmiştir.

Teorik olarak sıcaklık dağılımının hesaplandığı bir model geliştirilmiş ve bu modelden elde edilen sonuçlarla deneysel sonuçlar arasında çok iyi bir uyum olduğu görülmüştür. Gündüz ve gece arasındaki sıcaklık farkından dolayı havuzda büyük bir ısı kaybı oluşmuştur. Ocak, Mayıs ve Ağustos ayları boyunca yapılan ölçümlerde, toplam ısı kaybının %84,94’ü yüzeyden, %3,93’ü tabandan, %11,13’ü yan duvarlardan olduğu hesaplanmıştır.

Karakılçık ve Dincer (2008) tarafından yapılan çalışmada bir güneş havuzunun ekserjetik performansı deneysel ve teorik olarak araştırılmıştır. Sistem üst konveksiyonlu bölge, konveksiyonsuz bölge ve ısı depolama bölgesi olmak üzere üç tabakadan oluşturulmuştur. Veri toplama sistemi havuzun farklı bölgelerinden saatlik sıcaklık ölçümleri yapmak için kullanılmıştır. Havuzun ekserjetik performansını belirlemek için bir ekserji modeli geliştirilmiş ve üç bölge için ekserji verimlilikleri ayrı ayrı belirlenmiştir. Daha sonra enerji verimlilikleri ile karşılaştırmalar

yapılmıştır. Ekserji analizi için referans çevre sıcaklıkları yılın her bir ayı için ortalama olarak belirtilmiştir. Böylece, en yüksek enerji ve ekserji verimlilikleri Ağustos ayında sırasıyla; üst konveksiyonlu bölge için %4,22 ve %3,02, konveksiyonsuz bölge için %13,80 ve %12,64, ısı depolama bölgesi için %28,11 ve

%27,16 olarak belirlenmiştir.

Tundee ve ark. (2010) tarafından yapılan çalışmada güneş havuzu için tasarlanan ısı çekme sistemi deneysel ve teorik olarak incelenmiştir. Deney için yüzey alanı 7 m², derinliği 1,5 m olan bir havuz inşa edilmiştir. Isı değiştirici sistem havuzun depolama bölgesine yerleştirilmiş ve başarılı bir şekilde ısı çekilmiştir.

Sistemin teorik olarak modellemesi yapılıp nümerik metotlar kullanılarak çözümü yapılmıştır. Temel olarak ısı değiştirici sistemin performansı incelenmiş ve elde edilen sonuçların deneysel verilerle uyum içinde olduğu görülmüştür.

Atız (2011) tarafından yapılan çalışmada, bir güneş havuzunun optik özellikleri incelenmiştir. Bu çalışmaya göre depolama bölgesine gelinceye kadar güneş enerjisinin önemli bir kısmı tuzlu suyun yapısı ve sudaki kirlilik yüzünden kaybolduğundan dolayı havuzun verimi önemli ölçüde etkilenmektedir. Ayrıca üç ay boyunca havuzun on farklı tabakasından alınan tuzlu su numunelerinin ışık geçirgenliği analizlerinden, çevreden havuz suyuna karışan toz ve diğer parçacıkların oluşturduğu bulanıklığın özellikle depolama bölgesinin üst kısmının ışık geçirgenliğini önemli ölçüde etkilediği gözlenmiştir.

Singh ve ark. (2011) toplayıp depoladıkları güneş enerjisinden dolayı güneş havuzlarındaki sıcaklığın 80 ºC’ye kadar çıkabildiğini, havuzdaki suyun düşük sıcaklıkta yenilenebilir bir enerji kaynağı gibi davrandığını, bu enerjinin ısıtma ve güç üretimi uygulamalarında kullanılabileceğini söylemişlerdir. Yapılan çalışmada, güneş havuzu gibi düşük sıcaklıktaki termal kaynaklardan elektrik enerjisi üretimi için termosifon ve termoelektrik modüllerinden oluşan birleşik sistemin tasarım ve test sonucunu tartışmışlardır. Güneş havuzunun üst ve alt konveksiyonlu bölgeleri arasında oluşabilen 40-60 ºC arasındaki sıcaklık farkı, termoelektrik modüllerin güç üretiminde kullanılabileceğinden bahsetmişlerdir. Güneş havuzunun sıcak alt bölgesiyle soğuk olan üst bölgesi arasında ısı taşıyabilmek için yerçekimi destekli termosifon sistemi tasarlamışlardır. Böyle bir sistemin potansiyel avantajının gece ve

bulutlu havalarda da güneş havuzunun termal depolama kapasitelerinden dolayı güç üretimine devam edebileceğini göstermişlerdir.

2.3. Güneş Havuzu Uygulamaları

İsrail’de bulunan ve alanı 250 10³ m² olan Beit HaArava gölü en büyük güneş havuzudur. Bu havuz 1988 yılından beri 5 MW gücünde elektrik enerjisi üretmektedir.

İtalya’da bulunan ve alanı 20 10³ m² olan Margherita di Savoia tuzlasında günlük 120 ton tatlı su deniz suyundaki tuzdan arındırılmaktadır.

ABD’nin Texas eyaletinde bulunan ve yüzey alanı 3355 m² olan El Paso güneş havuzunda elektrik enerjisi üretimi yanı sıra tuzlu sudaki tuz ayrıştırılarak tatlı suda elde edilmektedir.

2.4. Güneş Kolektörü Uygulamaları

Kalogirou (2004) tarafından yapılan çalışmada çeşitli tiplerde güneş ısı kolektörleri ve uygulamaları incelenmiştir. Başlangıçta, klasik enerji kaynakları kullanımı sonucu oluşan çevre problemleri analiz edilerek, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının sağlayacağı yararlar özetlenmiştir. En yaygın olarak kullanılan güneş kolektörleri araştırılmıştır. Güneş kolektörlerinin optik, ısıl ve termodinamik analizleri yapılarak, performans değerlendirmeleri sunulmuştur. Buna ek olarak uygulama alanlarının genişliğini göstermek için kolektörlerin çeşitli uygulamaları tanımlanmıştır. Bu uygulamalar, su ısıtma, alan ısıtma, soğutma, endüstriyel işlem ısısı, tuzdan arıtma, ısıl güç sistemleri, güneş fırınları ve kimyasal uygulamalarıdır. Güneş kolektörlerinin kullanıldığı alanlar bu kadarla da sınırlı değildir. Burada tanımlanmayan diğer birçok uygulama geliştirilme aşamasında veya henüz olgunlaşmamış durumdadır. Bu çalışmada güneş kolektörlerinin çok geniş uygulama alanının bulunduğu ve aynı zamanda önemli çevresel ve finansal yararlar sağlayabileceği görülmüştür.

Farahat ve ark. (2009) tarafından düzlem güneş kolektörlerinin en verimli performans parametrelerinin belirlenmesi için belirli çalışma koşulları altında detaylı enerji ve ekserji analizleri yapılmıştır. Bu analizde ısı soğurucu levha alanı, kolektörün boyutları, boruların çapı, kütle debisi, akışkan giriş ve çıkış sıcaklıkları ile toplam ısı kaybı katsayısı gibi parametreler göz önüne alınarak enerji ve ekserji analizleri için bir simülasyon programı geliştirilmiş, hesaplanan sonuçların literatürde belirtilen önceki çalışmalarla iyi bir uyum içinde olduğu görülmüştür.

Böylece güneş kolektörlerinin tasarlanmasında daha doğru ve faydalı ekserji uygulamaları elde edilmiştir.

Jafarkazemi ve Ahmadifard (2013) tarafından yapılan çalışmada düzlem güneş kolektörlerinin enerji ve ekserji değerlendirmeleri yapılmıştır. Tüm tasarım parametrelerinin değiştirilebildiği düzlem güneş kolektörünün enerji ve ekserji analizi için teorik ve kapsamlı bir model sunulmuştur. Akışkanın kütle debisi, sıcaklığı, çeşidi ile arka yalıtım levhasının kalınlığının kolektörün enerji ve ekserji verimi üzerine etkisi incelenmiş sonuçların deneysel verilerle karşılaştırılması ve analizi ile en verimli çalışma durumu tespit edilmiştir. Elde edilen sonuçlara göre, giren suyun sıcaklığının çevre sıcaklığından 40 °C fazla ve akış hızının düşük olması durumlarında sistemin genel performansının arttığı görülmüştür.

2.5. Entegre Sistemler

Akbarzadeh ve ark. (2009) tarafından yapılan çalışmada tuzdan etkilenen Viktorya’nın kuzeyi ve Avustralya bölgeleri için tuz gradyentli güneş havuzu ile güneş bacası sisteminin birleştirildiği sistem ile enerji üretimi ele alınmıştır. Altı hektar yüzey alanlı ve 3 m derinliğindeki güneş havuzu ile 200 m yüksekliğinde ve 10 m çapındaki güneş bacası sisteminin birleştirilmesi ile oluşan entegre sistem incelenmiştir. Bu sistemin performans analizleri yapılarak, sonuçlar tartışılmış ve sistemin avantajları belirtilmiştir.

Bozkurt (2012) düzlem güneş kolektörleri ve güneş havuzundan oluşan entegre bir sistemin ısıl performansını deneysel olarak incelemiştir. Bu çalışmada 0,8 m yarı çapında ve 2 m derinliğinde silindirik bir güneş havuzu ile havuza entegre

dört tane 1,9 m 0,9 m boyutlarında düzlem güneş kolektörü kullanılmıştır.

Havuzun depolama bölgesine yerleştirilen ısı değiştiricisi güneş kolektörlerine bağlanmış ve kolektörlerin topladığı ısı havuzun depolama bölgesine aktarılmıştır.

Güneş havuzunun enerji verimi kolektörlerle entegre ve yalnız çalıştığında en fazla Ağustos ayında %33,55 ve 28,41 olarak, en azda Ocak ayında %9,48 ve %8,28 olarak görülmüştür. Sonuçlar, sistemin sağlıklı bir biçimde çalışabileceğini uygun boyut ve özelliklere sahip bir entegre güneş havuzunun konutlarda veya endüstri de gereksinim duyulan ısıtma ve işlem suyunu elde etmek amacıyla kullanılabileceğini göstermektedir.

Koçer (2013) tarafından yapılan çalışmada elektrik üretimi için güneş havuzu destekli çoklu üretim sisteminin termodinamik analizi yapılmıştır. Bu çalışmada elektrik ve hidrojen üretimi için güneş ve rüzgar enerjisi destekli entegre sistem önerilmiş ve bu sistemin termodinamik analizlerinin yapılmasında EES programı kullanılmıştır. Sonuç olarak entegre güç üretim işlemlerinin, bileşenlerinin ve tüm sistemin ekserji yıkımlarının azaltılması, enerjetik ve ekserjetik verimliliklerinin artırılması, sera gazı emisyonlarının azaltılması, yeşil bir dünya için sürdürülebilirliğin geliştirilmesinde önemli sonuçlara sahip olduğu vurgulanmıştır.

Ozturk ve Dincer (2013) yenilenebilir tabanlı çoklu-üretim enerji sisteminin termodinamik analizini teorik olarak yapmışlardır. Bu güneş tabanlı çoklu üretim sistemi içerisinde Rankine çevrimi, Organik Rankine Çevrimi (ORÇ), soğurmalı soğutma ve ısıtma, hidrojen üretimi ve kullanımı olmak üzere dört ana alt sistem vardır. Sistem bileşenlerinin ekserji yıkımı oranları ile enerji ve ekserji verimleri bazı parametrik çalışmalar yapılarak hesaplanmıştır. Buna göre sistemin ekserji verimliliğini % 57,35 olarak hesaplamışlardır. Alt sistemler ve tüm sistemin ekserji kayıpları ve ekserji verimliliği değerlendirildiğinde, parabolik çanak kolektörlerin güneş tabanlı çoklu üretim sistemini oluşturan parçalar arasında en yüksek ekserji yıkım oranına sahip olduğu bulunmuştur.

Güneş havuzları ve güneş kolektörleri ile ilgili birçok çalışma yapıldığı görülmektedir. Ancak güneş havuzu, güneş kolektörleri ve ORÇ’ den oluşan entegre bir sistem kullanılarak hem elektrik hem de hidrojen enerjisi üretebilen bir çalışmaya yapılan literatür çalışmalarında rastlanmamıştır. Bu çalışmanın amacı, elektrik

enerjisi ve suyun elektrolizi ile hidrojen enerjisi üretimi için tasarlanan güneş havuzu, düzlem güneş kolektörü ve ORÇ’den oluşan entegre bir sistemin performansını incelemektir.

3. GÜNEŞ ENERJİSİ

Yarıçapı 1,39 10⁹ m, yeryüzüne uzaklığı yaklaşık 1,5 10⁸ km olan ve çok yüksek sıcaklıktaki gazlardan oluşan güneşin enerjisi ışık hızı ile yeryüzüne 8 dakika 20 saniyede ulaşabilmektedir. Güneşin yüzey sıcaklığı 5760 K iken merkezine doğru bu sıcaklık çok daha yüksek seviyelere ulaşmaktadır. Güneş, hidrojeni helyuma dönüştüren devamlı bir füzyon reaktörüdür. Buna göre güneşte her saniyede 564 milyon ton hidrojen, 560 milyon ton helyuma dönüşmekte ve kaybolan 4 milyon ton kütleden 3,86 10²⁶ J enerji açığa çıkmakta ve bu enerji ışınım şeklinde uzaya yayılmaktadır. Güneşin toplam çıkış enerjisi 3,8 10²⁰ MW’tır. Bu enerji güneşten tüm yönlere doğru yayılır. Toplam radyasyonun sadece çok küçük bir kısmı yeryüzüne ulaşır bu da 1,7 10¹⁴ kW’tır. Buna rağmen güneşten yeryüzüne gelen enerji hesaplandığında 84 dakikada yeryüzüne ulaşan enerji toplamı bir yıllık dünya enerji ihtiyacını karşılayacak kadardır (Kalogirou, 2009).

Güneş enerjisi, elektrik, ısıl ve kimyasal enerji türlerine dönüştürülüp depolanabilir. Bunun yan sıra fosil yakıtlar, rüzgar enerjisi, hidrolik enerji, biyogaz, termik ve dalga gibi tüm enerji kaynakları güneş enerjisinin türevleridir. Dünyamıza bir yılda düşen güneş enerjisi, dünyadaki çıkarılabilir fosil yakıt kaynakları rezervlerinin tamamından elde edilecek enerjinin yaklaşık 15-20 katına eşdeğer olduğu göz önüne alınırsa, güneş enerji sistemlerinin geliştirilip kullanılmalarının ne kadar önemli olduğu da ortaya çıkar.

Ülkemiz güneş enerjisi açısından birçok ülkeye nazaran daha şanslıdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü’nde mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verileri, Elektrik İşleri Etüt (EİE) idaresi tarafından yapılan çalışmalarla belirlenmiştir. Bu çalışmaya göre, Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat) ve ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m

²

²

hesaplanmıştır. Çeşitli kaynaklara göre, ülkemizin yılda almış olduğu güneş enerjisi bilinen kömür rezervimizin 32, bilinen petrol rezervimizin 2200 katıdır (www.

wikipedia.com.tr, 10 Haziran 2014).

3.1. Yatay ve Eğimli Yüzeye Gelen Güneş Enerjisi

Güneşten çevreye yayılan elektromanyetik dalgalar, 1353 W/m² şiddetinde dünya atmosferine ulaşır (Duffie ve Beckman, 1980). Güneş ışınları yeryüzüne ulaşıncaya kadar su buharı, toz ve çeşitli gazlardan oluşan atmosfer tarafından hem soğurulur hem de saçılmaya uğratılırlar. Bu iki olaydan soğurulma, güneş ışını şiddetinin azalmasına neden olurken, saçılma da atmosfer dışında yalnız doğrusal ışın bileşeni olan güneş ışınının, bir kısmının yaygın ışın haline dönüşmesine neden olur. Onun için yeryüzüne ulaşan güneş ışını, yaygın ve doğrusal ışın bileşenlerinden oluşur. Gelen güneş ışınlarının, atmosferden geçerken yalnız şiddeti ve özelliği değişmekle kalmaz, bazı dalga boylarının yutulması sonucunda tayfsal dağılımı da değişir. Atmosferde toz ve su buharının artması veya havanın bulutlu olması güneş enerjisinin hem şiddetini hem de yaygın ve doğrusal ışın bileşenlerinin oranını değiştirir. Güneş havuzlarında, gelen ışınımın doğrusal veya yaygın olması, havuzun performansını pek etkilemez. Güneş havuzları için yalnız gelen enerjinin miktarı önemlidir.

Güneşten gelen ışın ile üzerine ışın düşen yüzeyin (güneş havuzu veya kolektör gibi) normali arasındaki açıya θ_g geliş açısı denir. Buna göre θ_g açısı;

g d d

cos q = [sin d sin cos f j - sin d cos sin cos f j g +

d s d s

cos d cos cos cos f j w + cos d sin sin cos cos f j g w +

d s

cos d sin sin sin j g w ]

eşitliği ile verilir. Burada; δ_d, deklinasyon (eğiklik) açısı; f, enlem açısı; φ, dikkate alınan (ışın gelen) yüzeyin yatay düzlemle yaptığı eğim açısı; γ, yüzeyin azimut açısı; w_s, güneş saat açısıdır.

Gelen ışının yatay düzlemin normali ile yaptığı açıya Zenith açısı denir ve θz

ile gösterilir. Güneş havuzları gibi ışın düşen yüzeyi yatay olan bölgeler için geliş

açısı Zenith

olduğundan güneşin geliş açısı

cos cos sin sin cos cos cos

Burada f

derecesidir. Kuzey yarım k

Çukurova Üniversitesi, UZAYMER için 35 enlemleri kullanılmıştır. w

sabah ( ), öğleden sonra ise ( olduğuna göre, saat 11

1998).

Deklinasyon açısı, g açısıdır ya da başka bir söylemle Şekil 3.1’de görüldüğü gibi b

±23.45°dir.

Şekil 3.1. Deklinasyon açısının açısı Zenith açısına eşittir olduğundan güneşin geliş açısı

g z d d s

cos q = cos q = sin d sin f + cos d cos cos f w

derecesidir. Kuzey yarım k

Çukurova Üniversitesi, UZAYMER için 35 enlemleri kullanılmıştır. w

), öğleden sonra ise ( olduğuna göre, saat 11

Deklinasyon açısı, g açısıdır ya da başka bir söylemle Şekil 3.1’de görüldüğü gibi b

dir.

Şekil 3.1. Deklinasyon açısının dd(deklinasyon)

açısına eşittir (Duffie ve Beckmann, 1980).

olduğundan güneşin geliş açısı ya da Zenith açısı

g z d d s

cos q = cos q = sin d sin f + cos d cos cos f w

+90), güneş yükseklik açısının bulunacağı böl derecesidir. Kuzey yarım küre için (

Çukurova Üniversitesi, UZAYMER için 35

enlemleri kullanılmıştır. w_s saat açısı, güneş tam tepede iken (saat 12 ), öğleden sonra ise (+) değerdedir. Boylamın her 15

olduğuna göre, saat 11⁰⁰ için 15

Deklinasyon açısı, güneş ışınlarının aylar ve mevs açısıdır ya da başka bir söylemle

Şekil 3.1’de görüldüğü gibi bu açının en büyük değeri yaz

Şekil 3.1. Deklinasyon açısının bir yıldaki

0 50

-30 -20 -10 0 10 20 30

(Duffie ve Beckmann, 1980).

ya da Zenith açısı

g z d d s

cos q = cos q = sin d sin f + cos d cos cos f w

90), güneş yükseklik açısının bulunacağı böl e için (+), güney yarım k

Çukurova Üniversitesi, UZAYMER için 35

saat açısı, güneş tam tepede iken (saat 12 ) değerdedir. Boylamın her 15

15° iken saat 13

üneş ışınlarının aylar ve mevs

açısıdır ya da başka bir söylemle güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.

u açının en büyük değeri yaz

bir yıldaki değişimi.

50 100

(Duffie ve Beckmann, 1980).

ya da Zenith açısı aşağıdaki gibi

g z d d s

cos q = cos q = sin d sin f + cos d cos cos f w

90), güneş yükseklik açısının bulunacağı böl ), güney yarım k

Çukurova Üniversitesi, UZAYMER için 35°18’ doğu boylamı ve 36 saat açısı, güneş tam tepede iken (saat 12

) değerdedir. Boylamın her 15 iken saat 13⁰⁰ için +

üneş ışınlarının aylar ve mevs

güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.

u açının en büyük değeri yaz

değişimi.

150 200

(gün)

(Duffie ve Beckmann, 1980). Yatay yüzey için aşağıdaki gibi yazılabilir;

g z d d s

cos q = cos q = sin d sin f + cos d cos cos f w

90), güneş yükseklik açısının bulunacağı böl ), güney yarım küre için (

doğu boylamı ve 36 saat açısı, güneş tam tepede iken (saat 12

) değerdedir. Boylamın her 15° derecesi bir saate eşit +15° değerindedir (Karakılçık,

üneş ışınlarının aylar ve mevsimlere göre dünyaya geliş güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.

u açının en büyük değeri yaz ve kış gün

250 300

Yatay yüzey için yazılabilir;

90), güneş yükseklik açısının bulunacağı bölgenin enlem

üre için (−) dir. Adana, doğu boylamı ve 36°59’ kuzey saat açısı, güneş tam tepede iken (saat 12⁰⁰’de) sıfırdır ve derecesi bir saate eşit değerindedir (Karakılçık,

imlere göre dünyaya geliş güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.

ve kış gün dönümlerinde,

300 350

Yatay yüzey için φ=0

(3.2) genin enlem ) dir. Adana, 59’ kuzey

’de) sıfırdır ve derecesi bir saate eşit değerindedir (Karakılçık,

imlere göre dünyaya geliş güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır.

dönümlerinde,

Bu açının oluşumundan dolayı güneş ışınları kış gündönümünde en düşük değeri 21 Aralık’ta −23.45° güney enlemine, yaz gündönümünde de 21 Haziran’da +23.45° kuzey enlemine diktir. Deklinasyon açısının yaklaşık değeri Cooper eşitliği ile bulunabilir;

d

284 n 23, 45sin 360

365

é + ù

d = ê ë ú û

burada, n bir ocaktan itibaren gün sayısıdır ve 1 ≤n ≤ 365 tir.

Duffie ve Beckman (1980), atmosfer dışındaki yatay bir yüzeye gelen güneş enerjisini aşağıdaki gibi yazmıştır;

0 gs Z

I G 1 0,033cos 360 n cos 365

é æ ö ù

= ê ë + ç è ÷ ø ú û q

Burada G_gs, (güneş sabiti) güneş yüzeyinden yayılarak dünya atmosferine kadar ulaşabilen enerji (1353 W/m²); n, yılın günleridir.

Atmosfer dışı yatay yüzeye gelen anlık ışınım miktarı J/m² cinsinden;

0 gs d s

I G 1 0,033cos 360 n [cos cos cos 365

é æ ö ù

= ê ë + ç è ÷ ø ú û d f w +

sin d

sin ] f

Aynı yüzeye gelen atmosfer dışı güneş enerjisinin saatlik ortalama değerleri ise;

gs 0

24 3600G n

H 1 0,033cos 360

365

é ´ ù é æ ö ù

= ê ë p ú ê û ë + ç è ÷ ø ú û ´

( )

( )

d 2 1 2 1 d

cos cos cos 2 sin sin

360

é d f w - w + æ ç pw ö ÷ w - w d f ù

ê è ø ú

ë û

Atmosfer dışı gelen güneş enerjisi bulunduktan sonra buradan yararlanılarak yatay ya da eğimli yüzeye gelen (m²’ye düşen) toplam güneş enerjisi radyasyonu (Duffie ve Beckman, 1980) tarafından formüle edilmiştir.

( )

( )

d

G b

I 1 cos I 1 cos

I I

2 2

r - a

+ a

æ ö

= c + ç ÷ +

è ø

Burada I_T, yatay düzleme gelen toplam güneş ışınımı, ρ_g ise yüzey yansıtma oranını ifade etmektedir. Çalışmalarda genellikle kullanılan 0,2 değeri yüzey yansıtma oranı olarak hesaplamalarda esas alınmıştır. a ise yüzey eğim açısıdır. Eğer a=0 ise yatay yüzeye gelen güneş enerjisi bulunur. Yatay düzleme gelen ışığı aşağıdaki gibi elde ederiz.

I_b yatay düzleme gelen saatlik direkt güneş ışınım ve I_d ise difüze ışınımdır.

Aralarında şöyle bir bağlantı vardır

T b d

I = + I I

χ direkt ışınım dönüşüm katsayısı olup geliş açısının Zenit açısına oranı olarak verilmektedir.

( )

( )

z d d

sin sin cos cos cos

cos

cos sin sin cos cos cos

f - a d + f - a d w

c = q =

q f d + f d w

Difüze ışınımı (I_d) bulmak için saatlik berraklık indeksine (k_t) ihtiyacımız vardır.

Saatlik berraklık indeksi şu şekilde verilmektedir.

t 0

k I

= I

(3.10)

Burada I₀ atmosfer dışı yatay düzleme gelen güneş ışınımı değeri olup denklem (3.5) ile hesaplanmıştır. Yatay düzeleme gelen I toplam güneş ışını genellikle meteoroloji tarafından ölçülmektedir. Bulunan saatlik berraklık indeksi hangi değer aralığında ise Erbs ve ark. (1982) tarafından formüle edilmiştir ve difüze ışınım buradan çekilmektedir. Kullanılan formül şu şeklide verilmiştir.

(3.11)

k_T değerlerinin çok azı 0,8 den büyüktür. Bu da havanın çok berrak olduğu günler geçerlidir. Bu günlerde ışığın dağılması çok az olduğundan dolayı k_T değeri 0,165 alınabilir.

4. GÜNEŞ HAVUZU

Dünyanın birçok bölgesine bol miktarda ulaşan ve en büyük yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisini toplama ve uzun süreli depolayabilmenin en iyi yollarından birisi de güneş havuzlarıdır.

Tuz gradyentli bir güneş havuzu, üst konveksiyonlu bölge (ÜKB), konveksiyonlu olmayan bölge veya yalıtım bölgesi (YB) ve alt konveksiyonlu bölge veya depolama bölgesi (DB) olmak üzere üç bölgeden oluşmaktadır. Havuzda oluşturulan tuz yoğunluk gradyenti, depolama bölgesi ile yüzey arasında konveksiyonla ısı geçişini önler ve böylece depolama bölgesinde kaynama noktasına yaklaşan sıcaklıklara ulaşılabilir. Güneş havuzlarının termal enerjiyi uzun süreli depolama özellikleri olmasından dolayı, yaz aylarında depolanan termal enerjinin ilerleyen günlerde de kullanılabilmesi mümkündür. Bu da güneş havuzlarının önemini ve kullanışlılığını artırır. Güneş havuzları çok yüksek teknoloji gerektirmezler, dışa bağımlı kılmazlar ve kullanılan malzemeler ucuz ve boldur (Karakılçık ve ark., 2006a).

Tipik bir güneş havuzunun katmanları, sıcaklık ve yoğunluk profilleri Şekil 4.1’de görülmektedir (Srinivasan, 1993).

Şekil 4.1. (a) Tipik bir güneş havuzunun katmanları, (b) sıcaklık dağılımı profili ve (c) yoğunluk dağılımı profili (Srinivasan,1993).

ÜKB’nin içerdiği tuz oranı ve sıcaklığı diğer iki tabakaya göre nispeten azdır.

Gelen güneş enerjisinin bir kısmı bu tabakada soğurulur ve havuzdan çevreye olan ısı kaybının önemli bir bölümü bu tabakadan gerçekleştiğinden bu tabakada soğurulan güneş radyasyonundan yararlanılamaz.

Konveksiyonlu olmayan ara bölge ya da yalıtım bölgesi (YB) sahip olduğu düşey doğrultudaki tuz gradyenti sayesinde depolama bölgesinden yukarıya doğru olan konveksiyon hareketini önler ve ısı yalıtımı görevi görür. Bu bölgenin kalınlığı havuzun verimini en çok etkileyen parametrelerden biri olduğu için YB’nin kalınlığının optimum düzeyde belirlenmesi gereklidir. Bu bölgenin kalınlığının az olması durumunda alttan yukarıya doğru iletim yoluyla ısı kaybı çok olurken fazla olması durumunda da depolama bölgesine daha az güneş enerjisinin ulaşmasına neden olmaktadır.

Alt konveksiyonlu bölge ya da depolama bölgesi (DB) ısı enerjinin depolandığı ve uzun süre saklandığı yerdir. Bu bölgedeki su kütlesi güneş enerjisini soğurduğu için sıcaklığı artacaktır. Bu artışla birlikte yoğunluğu bir miktar azalacaktır. Bu durumda tuzlu su yükselmek istese de tuz yoğunluğu yüksek olduğu için yükselemez ve ısı enerjisi burada depolanmış olur. DB’nin kalınlığının artması sıcaklığın zamanla değişimini azaltıp ısıl kapasiteyi artırır. Fakat diğer taraftan da kurulum ve işletme maliyetini yükselteceği için amaca uygun bir kalınlık belirlenmelidir.

Etkin bir güneş havuzu yapabilmek için aşağıdaki kurallara uyulması faydalıdır (Armağan, 2003).

· Havuz için gerekli olan su ve tuz kolay yoldan ekonomik olarak elde edilmelidir.

· Hafriyat masraflarını azaltmak için havuz düz bir bölgeye kurulmalıdır.

· Havuzun kurulacağı yerdeki toprağın olabildiğince homojen yapıda olması ve çatlak içermemesi gerekir.

· Havuzun yüzeyi yıl boyunca güneş görebilmeli ve rüzgar almamalıdır.

· Havuzun üretiminde kullanılan malzemeler ucuz olmalıdır.

· İlk yatırım maliyetini düşürmek için arazi fiyatlarının düşük olduğu bir yörede kurulmalıdır.

Güneş havuzlarında, NaCl, MgCl₂, NaHCO₂, Na₂CO₃, Na₂SO₄ gibi tuzlardan yararlanılır. Ancak, Şekil 4.2’de görüldüğü gibi bu tuzlardan NaCl ve MgCl₂’nin çözünürlüğü sıcaklıkla fazla değişmediği için güneş havuzlarında kullanılmaları daha uygundur (Demirdöver, 1995).

Şekil 4.2. Güneş havuzlarında kullanılan NaCl, MgCl₂, NaHCO₂, Na₂CO₃ ve Na₂SO₄ tuzlarının sıcaklıkla değişen çözünürlüğü (Demirdöver, 1995).

5. DÜZLEM GÜNEŞ KOLEKTÖRÜ

Tipik bir düzlem güneş kolektörü Şekil 5.1’de görüldüğü gibi arkası ve yanları yalıtılmış bir kasa içine yerleştirilmiş soğurucu levha ve bu levhaya kaynak yapılmış veya içine gömülmüş akışkan taşıyan borulardan oluşmaktadır. Isı iletkenliği yüksek olan metalden yapılan soğurucu levhanın yüzeyi ışın soğurma özelliğini artırmak için özel siyah boyalarla boyanmaktadır. Ayrıca hava akımıyla ısı kaybını önlemek ve soğurucu levhayı kirden korumak için kasanın ön yüzü genellikle camdan oluşan saydam örtü ile örtülür. Gelen güneş ışınının az bir kısmı saydam örtüden yansırken büyük çoğunluğu saydam örtüyü geçerek soğurucu levha tarafından soğurularak ısıya dönüştürülür ve buradan da borular içinden geçen akışkana aktarılır.

Şekil 5.1. Düzlem güneş kolektörünün şematik görünümü.

Düzlem güneş kolektörleri belirli bir eğimle sabitlendiklerinden güneş ışınlarından en faydalı şekilde yararlanabilmek için en iyi eğim açısı tespit edilmelidir. Bu açı da bulunulan bölgenin enlem değerine eşittir ve uygulama amacına bağlı olarak 10º ile 15º arasında fazlası ya da eksiği alınabilir (Kalogirou, 2003).

Çok yaygın olarak kullanılmakta olan düzlem güneş kolektörleri genellikle düşük sıcaklıklarda evsel kullanım veya işletmeler için sıcak su üretirken seçici soğurucu yüzeyler kullanılarak rahatlıkla 100 ºC’nin üzerinde işlem suyu da üretilebilmektedir.

6. ORGANİK RANKİNE ÇEVRİMİ (ORÇ)

Rankine Çevrimi (RÇ) ve Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) ile ısı enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Rankine Çevrimlerinde çalışma akışkanı olarak yüksek sıcaklıkta ve basınçta su buharı kullanılırken, ORÇ’de su yerine kaynama noktası suya göre daha düşük olan organik akışkanlar kullanılmaktadır.

Çalışma akışkanı olarak su kullanan Rankine çevrimlerinde ısı kaynağının sıcaklığı 370 ºC’den düşük olduğu durumlarda çevrim verimi düşük olmaktadır. Bu yüzden bu sıcaklığın altındaki çalışmalarda ORÇ kullanmak daha ekonomik olmaktadır (Hung ve ark., 1996).

Şekil 6.1. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) şeması.

Şekil 6.1’de şeması görülen ORÇ’de sıcak kaynaktan alınan ısı enerjisi çevrimde dönen iş ya da çalışma akışkanına buharlaştırıcıda aktarılarak sıvı halden buhar haline gelmesi sağlanır. Yüksek basınçlı buhar haline gelen çalışma akışkanı türbin üzerinde genleşerek iş üretilmesini sağlar. Türbinden çıkan basıncı ve sıcaklığı düşen buhar yoğuşturucuda soğutma sistemi sayesinde soğutularak sıvı hale getirilir

ve çevrim tamamlanmış olur. Sistemde akışkanların hareketleri pompalar sayesinde gerçekleştirilir.

ORÇ teknolojisi ilk olarak 1961’de İsrail’de geliştirilmiş ve özellikle ikili jeotermal enerji santralleri olmak üzere birçok alanda hızlı gelişen bir teknoloji haline gelmiştir. Rankine çevriminde buhar türbinleri yüksek sıcaklık ve basınçta kullanıldığı için genellikle daha verimli olsalar da ORÇ aşağıda belirtilen kendine has bazı özellikler nedeniyle birçok uygulamada tercih edilmektedir (Özden ve Paul, 2011).

· Jeotermal kaynaktan doğrudan alınan su buharında bulunabilecek yabancı maddeler Rankine çevriminde türbin kanatçıklarına hasar verirken, ORÇ’de temiz organik çalışma akışkanının buharı türbin kanatçıklarına hasar vermez.

· Rankine çevriminde su buharı molekülleri yüksek sıcaklık ve hızla çarparak türbin kanatçıklarında tahribata neden olup bakım maliyetini artırırken, ORÇ’deki organik akışkan daha düşük sıcaklık ve hızda türbin kanatçıklarına çarptığından tahribata neden olmaz. Bu yüzden ORÇ sistemlerinin ömrü Rankine çevrimlerinde kullanılan buhar türbinlerinden uzundur.

7. MATERYAL VE METOD

7.1. Materyal

Bu bölümde hidrojen enerji üretimi için güneş havuzu, düzlem güneş kolektörleri, Organik Rankine Çevrimi (ORÇ) ve suyun elektrolizi sisteminden oluşan bir entegre sistemin bileşenleri ve termodinamik analizler için kullanılan Engineering Equation Solver (EES) bilgisayar programı tanıtılacaktır.

7.1.1. Model Güneş Havuzu

Güneş havuzlarının güneş enerjisini iyi depolayabilmesi için boyutlarının iyi tasarlanması gerekir. Bundan dolayı güneş havuzumuzun gölgelenme etkisinden de en az etkilenmesi için yarıçapı 10 m, derinliği 2 m olacak şekilde silindirik bir model tasarlanmıştır. Güneş havuzunda daha önce birçok deneysel çalışmalarda kullanılan NaCl tuzu kullanılması öngörülmüştür. Havuz her birinin yüksekliği 20 cm olmak üzere 10 tabakadan oluşturulmuştur. Tabandan itibaren ilk dört tabaka yoğunluğu 1180 kg/m³ olan depolama bölgesi (DB) kabul edilmiştir. Sonraki yukarıya doğru olan beş tabakanın yoğunluğu sırasıyla 1150 kg/m³, 1120 kg/m³, 1090 kg/m³, 1060 kg/m³, 1030 kg/m³ olan yalıtım bölgesini (YB) oluşturmaktadır. En üstteki son tabaka 1000 kg/m³ olan üst konveksiyonlu bölgeyi (ÜKB) oluşturmaktadır.

Güneş havuzlarında depolanan ısının uzun süre saklanması ve ısı kayıplarının önlenmesi için çeşitli yalıtım önlemlerinin de alınması gerekir. Bunun için dış yüzeyin uygun kalınlıkta ve iyi bir yalıtım malzemesi ile yalıtılması gerekir. Cam yünü yalıtım malzemesi olarak iyi bir alternatiftir. Cam yününün 20 °C deki fiziksel özellikleri yaklaşık olarak; ısı iletim katsayısı 0,0398 W/m°C, yoğunluğu 200 kg/m

³

7.1.2. Isı Eşanjör Sistemi

Isı eşanjörleri ısının bir ortamdan diğerine aktarılmasını sağlar. Eşanjörün sıvı ile temas eden yüzey alanının büyük olması ısı akışını kolaylaştırmaktadır. Eşanjörün yüzey alanının büyük olması ve güneş radyasyonunun havuza girişini engellememek için bu çalışmada silindirik kabuk şeklinde eşanjör sistemi kullanılmıştır. Silindirik kabuk şeklinde tasarlanan eşanjörlerden bir tanesi havuzun depolama bölgesine diğeri üst konveksiyonlu bölgesine yerleştirilmiştir.

Şekil 7.1. Isı eşanjör sistemi.

Şekil 7.1’de görüldüğü gibi depolama bölgesine yerleştirilen eşanjör-1 havuzdan ısı çekmek için, üst konveksiyonlu bölgeye yerleştirilen eşanjör-2 ise soğutma yapmak amacıyla tasarlanmıştır. Eşanjör-1 sisteminin yarıçapı 9 m, yüksekliği ise 70 cm olacak şekilde tasarlanıp havuzun dibinden itibaren 5 cm yukarda olacak şekilde yerleştirilmiştir.

7.1.3. Elektrikli Devirdaim Pompası

Elektrikli devir daim pompası elektrik enerjisini kullanarak boru içindeki akışkanı bir yöne doğru harekete zorlayan düzenektir. Sistem içinde havuz ve kolektördeki ısıtma suyunun devirdaimi için bir pompa, soğutma suyunun devirdaimi için ikinci bir pompa ve ORÇ içindeki çalışma akışkanının devirdaimi içinde üçüncü bir pompa kullanılmıştır.

7.1.4. Model Düzlem Güneş Kolektörü

Bu çalışmada her birinin boyutları 90 cm 190 cm olan düzlem güneş kolektörlerinden kullanılmıştır. Isı taşıyıcı akışkanı olarak su, soğurucu yüzey olarak ta bakır tercih edilmiştir. Güneş kolektörüyle güneş havuzundan gelen ön ısıtma yapılmış suyun, daha yüksek sıcaklığa çıkarılarak ORÇ’ye aktarılması amaçlanmıştır.

7.1.5. Organik Rankine Çevrimi (ORÇ)’nin Termodinamiği

ORÇ çevrimlerinde arka arkaya gerçekleşen dört tane termodinamik işlemle ısı enerjisinden iş üretilip elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. Şekil 6.2 de ORÇ’ de kullanılan ideal bir organik akışkanın sıcaklık-entropi grafiği ile çevrimde yer alan elemanlar verilmiştir.

Şekil 7.2. Termodinamik çevrim grafiği ve ORÇ şeması.

Pompa, doymuş sıvı durumundaki çalışma akışkanını düşük basınçlı 1.

durumdan yüksek basınçlı 2. duruma yükseltir. Buharlaştırıcı, 2. durumdaki yüksek basınçlı ve sıvı durumunda olan çalışma akışkanını sabit basınçta 3. durumdaki buhar durumuna çevirir. 3. durumdaki yüksek basınçlı ve buhar durumunda olan çalışma akışkanı türbinde genleşerek türbinden güç elde edilmesini sağlar ve 4. durumdaki düşük basınçlı ve sıcaklıkta buhara dönüşür. Yoğuşturucu, 4. durumdaki düşük