Güneş havuzlarında güneş enerjisinin toplama ve depolama karakteristiklerinin deneysel ve teorik olarak incelenmesi

Abstract

Güneş enerjisi, son yıllarda artan enerji ihtiyacı karşısında yenilenebilir enerji kaynakları arasında popüler hale gelmiştir. Teknolojinin hızla gelişmesiyle birlikte, günlük yaşantımızda ihtiyaç duyduğumuz sıcak suyun ısıtılmasından, elektrik üretimine kadar değişik uygulama alanları mevcuttur. Güneş enerjisi uygulamalarında karşılaşılan en önemli sorun, güneş enerjisinin sürekli ve yoğun bir enerji türü olmaması nedeniyle uzun süre depolama gerektirmesidir. Bu nedenle, maliyeti düşük ve verimi yüksek toplayıcı ve depolayıcı sistemlerinin geliştirilmesi zorunlu hale gelmiştir. Günümüzde güneş enerjisinin toplanması ve depolanması bakımından geliştirilmiş sistemler arasında en uygun olanı, yüzeyine gelen güneş ışınımının % 20-30'unu toplayıp, topladığı bu ışınımın yaklaşık % 15'ini depolayabilen tuz tabakalı güneş havuzlarıdır. Güneş ışınımını toplayan ve topladığı bu ışınımı ısı enerjisi formunda aynı ortamda uzun zaman aralığında depolayabilen bir güneş enerjisi sistemi olan tuz tabakalı güneş havuzları (TTGH), alternatif güneş enerjisi sitemlerine göre düşük maliyetli, basit bir sitemdir. Bu çalışmanın amacı, bugüne kadar bu alanda test edilmemiş olan çamaşır sodası olarak bilinen sodyum karbonat tuzunun (Na2CO3), TTGH'ların yoğunluk gradyeninin oluşturulmasında uygun bir tuz olup olmadığını araştırmak ve havuzun ısı depolama karakteristiğini deneysel ve teorik olarak incelemektir. Bu amaç doğrultusunda, 60x50x60 cm boyutlarında 1.5 mm kalınlığında galvanizli paslanmaz sacdan laboratuvar ölçekli bir güneş havuzu inşa edilerek, 2x1000 W Philips halojen lambalardan oluşan güneş simülatörü enerji kaynağı olarak kullanılmak suretiyle laboratuvar şartlarında deneysel bir çalışma yapılmıştır. Deneylere TTGH'ın fiziki yapısını incelemek ve ısı depolama karakteristiğini gösterebilmek amacıyla ilk olarak tatlı sulu bir ortamda gerçekleşen olayların gözlemlenmesiyle başlanmıştır. Daha sonra, TTGH'larda yoğunluk gradyeninin oluşturulmasında ilk defa kullanılacak olan soda çözeltili deney sonuçlarını karşılaştırabilmek için aynı şartlarda NaCl çözeltisiyle İki farklı deney yapılmıştır. Tatlı su ve NaCl çözeltili deneylerden sonra, soda çözeltisiyle dört farklı deney yapılarak, havuzda ısı depolanabilmesi için gerekli olan tuz yoğunluk gradyeni büyüklüğü belirlenmeye çalışılmıştır. Soda çözeltili havuzda ısı depolanabilmesi için başlangıçta havuz içerisinde % 12 büyüklüğünde tuzluluk oranına sahip bir yoğunluk gradyeninin oluşturulması gerektiği tespit edilmiştir. NaCl çözeltili deneylerden havuz tabanı ile yüzeyi arasında maksimum 13 °C sıcaklık farkı elde edilirken, soda çözeltili deneylerden maksimum 12 °C sıcaklık farkı elde edilmiştir. Deney sonuçlarının geçerliliğini gösterebilmek amacıyla, enerjinin ve kütlenin korunumu prensibine göre TTGH'ın bir boyutlu zamana bağlı ısı ve kütle transferi matematik modeli oluşturulmuş, modeli oluşturan diferansiyel denklemler sonlu farklar metodu kullanılarak nümerik olarak çözülmüştür. Deney ve modelden elde edilen sonuçlar karşılaştırılarak, her iki sıcaklık ve yoğunluk profillerinin benzer temayüller içinde değişim gösterdiği, TTGH sıcaklık dağılımına göre nitelik bakımdan birbirleriyle uyum içinde oldukları görülmüştür. Elde edilen sonuçlara göre, soda çözeltisiyle yeterli büyüklükte bir tuz yoğunluk gradyeni oluşturularak, gradyenin kararlılığı sağlandığı takdirde, havuzda toplanan ışınımın uzun zaman aralığında depolanabilmesi mümkün gözükmektedir. Tuz Tabakalı Güneş Havuzları, Matematik Model, Nümerik Çözüm, Sonlu Farklar Metodu, Deneysel Çalışma, Sodyum Karbonat Tuzu

EXPERIMENTAL AND THEORETICAL INVESTIGATION OF COLLECTING AND STORING CHARACTERISTICS OF SOLAR ENERGY IN THE SOLAR PONDS Solar energy has become popular among the renewable energy sources due to increasing energy requirements in recent years. Therefore, it found a variety of application fields including hot water for domestic uses and electricity production. The main problem in solar energy applications is the long term storage requirement of the energy. This is because, solar radiation is discontinuous and is of low energy density. Therefore, collector and storage technology with low cost and high efficiency is required and a device that keeps the energy for a sufficiently long period of time has to be developed. Nowadays, among the developed systems, which collect and store solar energy, the most suitable one is salt gradient solar pond (SGSP). This system can store 20-30 % of incident solar energy. SGSP is a simple and low cost solar energy system which collects solar radiation and stores it as thermal energy in the same medium for a long period of time. For this reason, SGSP becomes more attractive among the alternative solar energy systems. The objective of this study is to investigate experimentally and theoretically whether sodium carbonate (Na2CO3) salt is suitable for establishing density gradient in SGSP or not, and to examine the ability of heat storage of a solar pond. For this purpose, a prismatic solar pond sized 60x50x60 in cm with 1.5 mm of thickness of galvanized sheet metal was built. The experiments were carried out with a solar simulator designed with two 1000 W Philips halogen lamps whose radiation spectrum are close to the solar radiation. For the experiments, pure water and sodium chloride salt solutions in different concentrations which were tested earlier as cited in literature, were firstly tested. Then, the pond was filled with sodium carbonate salt solution, which has not been investigated earlier as seen from the literature, in different concentration and was tested first time for this purpose, and the heat storage capability of SGSP has been examined. Moreover, a one dimensional transient mathematical model that determines the thermal and mass transfer behaviour of the SGSP was developed by using the mass and energy balances in the zones of SGSP. Heat and mass balance equations were written in terms of differential equations and these were solved numerically using finite difference method. It was found from the experiments that the density gradient, which must be 12 % salinity difference in the pond achieved using sodium carbonate, can suppress the convection from the bottom to the top surface of the pond. Hence, it was seen that heat can be stored at the bottom of SGSP with the sodium carbonate solution. Unlike the sodium chloride solution which was saturated at the bottom of the pond, the sodium carbonate solution was not saturated. However, the density gradient achieved with sodium carbonate salt was more stable than that achieved with sodium chloride. When the temperature profile of SGSP with sodium carbonate solution was compared to the temperature profile of SGSP with sodium chloride solution, it was seen that they were both similar to the physics of a SGSP. The experimental results were compared to the results obtained from mathematical model analysis. Temperature and density values obtained from both the experimental and the mathematical model showed similar trends. They are qualitatively in good agreement in terms of the physics of a SGSP. According to the results obtained, it is concluded that if SGSP is correctly designed, thermal energy storage for a sufficiently long time period can be possible. Therefore, SGSP can be an alternative energy source in thermal applications