ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ YÜKSEK LİSANS TEZİ Abdullah ...

67 Pages·2010·0.41 MB·Turkish

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

YÜKSEK LİSANS TEZİ

Abdullah İSKENDER

GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN
İNCELENMESİ

FİZİK ANABİLİM DALI

ADANA, 2010
ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ

GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN
İNCELENMESİ

Abdullah İSKENDER

YÜKSEK LİSANS TEZİ
FİZİK ANABİLİM DALI

Bu tez 22/01/2010 Tarihinde Aşağıdaki Jüri Üyeleri Tarafından Oybirliği/Oyçokluğu
İle Kabul Edilmiştir.

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

Bu tez Enstitümüz Fizik Anabilim Dalında hazırlanmıştır.
Kod No:

Prof. Dr. İlhami YEĞİNGİL
Enstitü Müdürü

Bu Çalışma ÇÜ. Bilimsel Araştırma Projeleri Birimi Tarafından Desteklenmiştir.
Proje No: FEF2008YL34

* Not: Bu tezde kullan ılan özgün ve ba şka kaynaktan yap ılan bildiri şlerin, çizelge, şekil ve
fotoğrafların kaynak gösterilmeden kullan ımı, 5846 Say ılı Fikir ve sanat Eserleri Kanunundaki
hükümlere tabidir.
ÖZ
YÜKSEK LİSANS TEZİ

GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİNİN
İNCELENMESİ

Abdullah İSKENDER

ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ
FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
FİZİK ANABİLİM DALI

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

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

Güneş enerjisi, temiz, yenilenebilir ve sonsuz bir enerji kayna ğıdır. Bu
yüzden güne ş enerjisi ile çal ışan sistemlerin geli ştirilmesi ve performanslar ının
artırılması oldukça önemlidir. Bu sistemlerden birisi de güne ş havuzlarıdır. Güneş
havuzları, üç farkl ı bölgeden olu şur. Bu bölgeler farkl ı yo ğunluklarda tuzlu su
tabakalarına sahiptir. En yo ğun tuzlu su bölgesi havuzun taban ındadır ve güne ş
enerjisini ısı biçiminde depolamaktad ır. Bu bölgenin ısı depolama performans ını
etkileyen etmenlerden birisi de iç bölgeden kaynaklanan ısı kayıplarıdır. Bu kayıplar,
iletim, ta şınım ve tuzun moleküler difüzyonuyla olu şmaktadır. Bu ara ştırmada,
silindirik model güne ş havuzunun iç bölgelerindeki tuzlu su tabakalar ının
termodinamik özellikleri incelenecektir. Ayrıca tabakaların kararlı tutulması ve tuzun
moleküler difüzyonla sebep oldu ğu ısı kayıplarının belirlemeye çal ışılacaktır. Bu
amaçla, iç bölgedeki difüzyonun bir boyutlu matematiksel modeliyle iç bölgenin
sıcaklık da ğılımlarına ba ğlı olarak tuz moleküllerinin difüzyonu hesaplanm ıştır.
Sonuç olarak, silindirik model bir güne ş havuzunun difüzyon ısı kayıpları hem
deneysel ve hem de teorik olarak belirlenmesinin mümkün olduğu görülmüştür.
Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Havuzları, Isı Depolaması, Isı
Transferi, Tuzlu Suda Difüzyon

I
ABSTRACT
MSc THESIS

INVESTIGATION OF THERMODYNAMIC PROPERTIES OF SOLAR
PONDS

Abdullah İSKENDER

DEPARTMENT OF PHYSICS
INSTITUTE OF NATURAL AND APPLIED SCIENCES
UNIVERSITY OF CUKUROVA

Supervisor: Asst. Prof. Dr. Mehmet KARAKILÇIK
Year: 2010, Page : 65

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

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

diffusion heat loss of a cyclindrical model solar pond is calculated both experimental
and theoretically.

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

Öncelikle, bu tezin yönetiminde ve olu şumunda aynı zamanda çalışmalarım
sırasında kar şılaştığım sorunlar ın çözümünde her türlü deste ğini esirgemeyen,
çalışmalarım için bütün olanakları sağlayan danışman hocam Yrd. Doç. Dr. Mehmet
KARAKILÇIK’a teşekkürlerimi sunarım.
Ayr ıca çal ışmalarımda tavsiyelerini, önerilerini ve yard ımlarını eksik
etmeyen İsmail BOZKURT’a ve Sevinç MANTAR’a çok teşekkür ederim.
Çalışmalarımda her türlü maddi ve manevi destek olan aileme sonsuz
teşekkürlerimi sunarım.

III
İÇİNDEKİLER SAYFA

ÖZ..................................................................................................................................I
ABSTARCT.................................................................................................................II
TEŞEKKÜR............................................................................................................... .III
İÇİNDEKİLER...........................................................................................................IV
TABLOLAR DİZİNİ.................................................................................................VI
ŞEKİLLER DİZİNİ...................................................................................................VII
SİMGELER ve KISALTMALAR………………………………………………...VIII
1. GİRİŞ........................................................................................................................1
2. ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR..................................................................................... ...3
3. ENERJİ KAYNAKLARI ve GÜNEŞ ENERJİSİ....................................................9
3.1. Yenilenemez Enerji Kaynakları........................................................................9
3.2. Yenilenebilir Enerji Kaynakları........................................................................9
3.3. Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli...........................................................10
3.4. Güneş Havuzları..............................................................................................12
3.5. Konveksiyonsuz Güneş Havuzları..................................................................12
3.6. Konveksiyonlu Güneş Havuzları....................................................................13
3.7. Güneş Havuzu Uygulamaları..........................................................................13
3.7.1. Su Isıtması.............................................................................................13
3.7.2. Bina Isıtması..........................................................................................14
3.7.3. Hububat Kurutulması.............................................................................14
3.7.4. Elektrik Üretimi.....................................................................................14
3.7.5. Diğer Uygulamalar.................................................................................14
4. GÜNEŞ HAVUZLARININ TERMODİNAMİK ÖZELLİKLERİ........................15
4.1. Güneş Havuzlarında Tuzlu Suyun Isıl Özellikleri...........................................15
4.1.1. Tuz Yoğunluğunun Sıcaklıkla Değişimi...............................................16
4.2. Güneş Havuzlarında Isı Akışı.........................................................................16
4.2.1. Konveksiyon İle Isı Akışı.....................................................................17
4.2.2. Işıma Yolu İle Isı Akışı........................................................................17
4.2.3. İletim Yolu İle Isı Akışı........................................................................18
IV
4.2.4. Yüzeyden Buharlaşma Yolu İle Isı Kaybı............................................18
5. MATERYAL ve METOD......................................................................................20
5.1. Materyal..........................................................................................................20
5.1.1. Silindirik Model Güneş Havuzu (SMGH) Yapısı................................21
5.1.2. SMGH' un İç ve Dış Bölgelerinin Yalıtımı..........................................21
5.1.3. SMGH' un İç Yalıtım Bölgesi..............................................................21
5.1.4. SMGH' un İç Yalıtım Bölgesinin (Tabakalarının) Oluşturulması........22
5.1.5. Havuz Tuz Yoğunluğu Dağılımını Ölçme Sistemi...............................23
5.1.6. Tuz Yoğunluğu Eğimini Koruma Sisteminin Çalışma Prensibi...........24
5.1.7. Sıcaklık Dağılımını Ölçme Sistemi......................................................27
5.2. Metod.............................................................................................................27
5.2.1. Güneş Havuzuna Gelen Radyasyonun Soğrulması...............................28
5.2.2. Model Havuza Gelen Radyasyonun Derinlikle Azalması.....................29
5.2.3. Hava Sıcaklığının Ölçülmesi.................................................................30
5.2.4. Sıcaklık Ölçüm Sistemi.........................................................................31
5.2.5. Güneş Havuzunun İç Bölgelerindeki Tuz Yoğunluğu Dağılımı...........31
5.2.6. Termal Isı İletim Katsayısı....................................................................32
5.2.7. Tuz Yoğunluğunun Kararlılığı(Fick Yasası).........................................34
5.3. Güneş Havuzlarının Tuz Yoğunluğu Eğiminin Kararlılığı..............................35
6. BULGULAR ve TARTIŞMA................................................................................37
6.1. Tuzlu Suyun Isı İletim Katsayısı.....................................................................37
6.2. Tuzlu Suyun Özgül Isısı..................................................................................38
6.3. SMGH’da Tuz Gradyentinin Oluşturulması ve Korunması............................39
7. SONUÇLAR ve ÖNERİLER................................................................................41
KAYNAKLAR………………………………………………………………………53
ÖZGEÇMİŞ…………………………………………………………………...……..56

V
TABLOLAR DİZİNİ SAYFA

Tablo 3.1. Türkiye'nin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Potansiyeli…..………….....11
Tablo 6.1. Atmosfer basıncında suyun ve tuzlu su çözeltisinin ısı iletim katsayısı....38

VI
ŞEKİLLER DİZİNİ SAYFA

Şekil 3.1. Türkiye de toplam güneş radyasyonu dağılımı..........................................10
Şekil 4.1. Güneş havuzlarında kullanılabilen NaCl, MgCl , NaHCO , Na CO ve
2 3 2 3
Na SO tuzlarının sıcaklıkla değişen konsantrasyonları…………………16
2 4
Şekil 5.1. SMGH’ nın iç bölgeleri………………………………………………….22
Şekil 5.2. Tuz yoğunluğunu ölçme sistemi………………………………………....24
Şekil 5.3. Güneş havuzunun tuz gradyentini koruma sistemi………………………25
Şekil 5.4. LM35’in kontak noktalarının alttan görünüşü…………………………...26
Şekil 5.5. Güneş havuzunun tuz tabakaları................................................................32
Şekil 5.6. Sıcaklık değişim hızına bağlı olarak ısı geçiş yönleri................................33
Şekil 5.7. Farklı sıcaklıklardaki tuzlu su tabakalarından ısı geçişi………….……...34
Şekil 6.1. Tuzlu suyun özgül ısının konsantrasyonla değişimi…………………..…38
Şekil 6.2. Tabakaların başlangıç yoğunluk dağılımı ve gradyentin oluşumu………41
Şekil 6.3. Tuz gradyentini koruma sistemi ile tuz yoğunluklu tabakaları…………..41
Şekil 6.4. Tuz yoğunluklu tabakaların durum değişimi…………………….………42
Şekil 6.5. Model bir güneş havuzunun ÜKB’nin ısı iletim katsayısı değişimi…..…42
Şekil 6.6. Model bir güneş havuzunun YB’nin ısı iletim katsayısı değişimi…....….43
Şekil 6.7. Model Bir Güneş Havuzunun DB’nin ısı iletim katsayısı değişimi….…..43
Şekil 6.8. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden difüzyonla kütle Akışı
……………………………………….....................................................46
Şekil 6.9. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı enerjisi.47
Şekil 6.10. Model bir güneş havuzunun depolama bölgesinden yalıtım bölgesine ısı
transferi…................................................................................................48
Şekil 6.11. SMGH’nın depolama bölgesinden yalıtım bölgesine difüzyonla kütle
akışı ………………………………………………………..………........49
Şekil 6.12. SMGH’nın bir güneş havuzunun depolama bölgesinde depolanan ısı
enerjisi ………….……………………………………....…………...…..50
Şekil 6.13. SMGH’nın depolama bölgesinden difüzyonla ısı transferi bölgesine ısı
transferi ……………………………...………………………………….51

VII
SİMGELER VE KISALTMALAR

ÜKB: Üst Konveksiyon Bölgesi
YB: Yalıtım Bölgesi
DB: Depolama Bölgesi
SMGH: Silindirik Model Güneş Havuzu
q Konveksiyonla Isı Kaybı
kon:
h : Isı Taşınım Katsayısı
kon
T: Su Sıcaklığı
s
T : Çevre Sıcaklığı
ç
ΔQ: Tabakalar Arasındaki İletim Yoluyla Isı Akışı Farkı
k : Suyun İletim Katsayısı
su
A: İki Tabaka Arasındaki Yüzeyin alanı
Δt: Belirli Bir Zaman Aralığı
λm: Dalga Boyu
P : Ortalama Basınç
ort
r: Çözelti Yoğunluğu
h : Su seviyesi
s
D h: Su Seviyesi Farkı
E(x): x Derinliğindeki Güneş Akısı
t : Işık Enerjisinin Havuza Giriş Oranı
g
-
E: Yüzey Alana Gelen Ortalama Güneş Enerjisi
H :Derinlikle Azalma Fonksiyonu
(x)
E : Havuz Yüzeyinin Altındaki Güneş Radyasyonu
g
m : Azaltma Katsayısı
h : Sabit Sayı
i
d :Sabit Bir Parametre
q Kırılma açısı
k:
L: Malzeme Uzunluğu
h : Yükseklik
s
VIII