Seçilmiş Yağların Güneş Enerjisi Depolama ve Pişirme Uygulamalarında Termal Performansının Deneysel İncelenmesi

1. Giriş ve Genel Bakış

Bu araştırma, Uganda'da yerel olarak bulunabilen yağların -özellikle rafine ayçiçek yağı, rafine palmiye yağı ve endüstriyel mineral yağ Thermia B'nin- güneş termal enerji depolama ve kırsal pişirme sistemlerinde uygulanabilirliği için termal performansını incelemektedir. Ele alınan temel zorluk, geleneksel endüstriyel ısı transfer akışkanlarının (HTF) aşırı pahalı olduğu şebekeden bağımsız, kırsal bağlamlara uygun, uygun maliyetli, güvenli ve verimli bir ısı transfer akışkanı ve depolama ortamı belirlemektir.

Çalışma, hava (düşük ısı kapasitesi) ve su (yüksek sıcaklıklarda buharlaşma riski) gibi yaygın ortamların sınırlamalarından ilham almıştır. Bitkisel yağlar, daha yüksek termal kararlılıkları, sızıntı durumunda güvenlikleri ve yerel bulunabilirlikleri nedeniyle umut verici bir alternatif sunmaktadır; bu da sürdürülebilir kalkınma hedefleriyle uyumludur.

2. Deneysel Metodoloji

Deneysel yaklaşım, güneş termal şarj koşullarını simüle eden koşullar altında hem statik ısı tutma hem de dinamik ısı transfer kapasitelerini değerlendirmek üzere tasarlanmıştır.

2.1. Yağ Numuneleri ve Özellikleri

Yerel bulunabilirlik ve uygunluk temelinde üç yağ seçilmiştir:

Rafine Ayçiçek Yağı: Yaygın bir bitkisel yağ.
Rafine Palmiye Yağı: Yaygın olarak bulunan bir diğer bitkisel yağ.
Thermia B: Kıyaslama için kullanılan ticari bir mineral bazlı ısı transfer akışkanı.

Temel termo-fiziksel özellikler (yoğunluk $\rho$, özgül ısı kapasitesi $c_p$, termal iletkenlik $k$) literatürden (Mawire vd., 2014) alınmış olup, bitkisel yağların genellikle Thermia B'den daha yüksek yoğunluk ve özgül ısı kapasitesine sahip olduğunu göstermektedir.

2.2. Isı Tutma Kapasitesi Testi

Birincil deney, pasif ısı tutmayı ölçmüştür. Yalıtımlı ve 1.5 kW elektrikli ısıtıcı ile donatılmış 4.5L hacimli silindirik bir tank, her bir yağ ile 4L doldurularak kullanılmıştır. Yağ, dumanlanma noktasına (bir güvenlik ve performans sınırı) yakın bir sıcaklığa kadar ısıtılmıştır. Daha sonra ısıtma durdurulmuş ve soğuma eğrisi, bir TC-08 veri kaydediciye bağlı K tipi termokupllar kullanılarak yaklaşık 24 saat boyunca kaydedilmiştir (bkz. Şekil 1 şeması). Bu test, yağın aktif dolaşım olmadan termal enerjiyi depolama ve tutma yeteneğini nicelleştirmiştir.

Grafik/Şekil Açıklaması (Şekil 1): Şema, yağ numunesini içeren yalıtımlı silindirik bir tankı göstermektedir. Bir daldırma ısıtıcısı bulunmaktadır. Sıcaklık tabakalaşmasını ölçmek için farklı yüksekliklere (5cm aralıklarla) üç termokupl yerleştirilmiştir. Termokupllardan gelen kablolar, gerçek zamanlı izleme ve veri kaydı için bir bilgisayara bağlı bir veri kaydediciye (TC-08) bağlanmaktadır.

3. Sonuçlar ve Analiz

3.1. Termal Performans Karşılaştırması

Deneysel veriler, net performans hiyerarşilerini ortaya koymuştur:

Isı Kazanım Hızı

Bitkisel Yağlar > Thermia B
Ayçiçek ve palmiye yağı, şarj aşamasında mineral yağdan daha hızlı hedef sıcaklıklara ulaşmış, bu da bir güneş kollektöründe potansiyel olarak daha iyi ısı emilimi olduğunu göstermiştir.

Isı Tutma Süresi

Ayçiçek Yağı > Palmiye Yağı > Thermia B
Ayçiçek yağı en yavaş soğuma hızını göstermiş, ısı kaynağı kaldırıldıktan sonra kullanılabilir ısıyı en uzun süre tutmuştur.

Toplam Depolanan Enerji

Ayçiçek Yağı > Palmiye Yağı > Thermia B
Soğuma eğrileri ve ısı kapasitesine dayalı hesaplamalar, ayçiçek yağının birim hacim başına en büyük miktarda termal enerji depoladığını göstermiştir.

3.2. Temel Bulgular ve Veriler

Çalışma, kesin olarak rafine ayçiçek yağını, test edilen yağlar arasında güneş pişirme sistemlerinde entegre ısı transferi ve depolama için en uygun aday olarak belirlemiştir. Üstün özgül ısı kapasitesi ve termal tutma özelliği, doğrudan daha yüksek sistem verimliliğine ve tek bir şarjdan daha uzun pişirme sürelerine dönüşmektedir. Palmiye yağı saygın bir performans sergilemiş ancak ayçiçek yağı tarafından geride bırakılmıştır. Thermia B, özel bir endüstriyel akışkan olmasına rağmen, muhtemelen daha düşük hacimsel ısı kapasitesi nedeniyle bu spesifik uygulama bağlamında daha az etkili olmuştur.

Temel İçgörü: En iyi performans gösteren, özel endüstriyel akışkan değil, yerel olarak temin edilen, gıda sınıfı bir bitkisel yağ olmuştur; bu da bağlama uygun teknolojinin değerini vurgulamaktadır.

4. Teknik Derinlemesine İnceleme

4.1. Matematiksel Modeller ve Formüller

Deney sırasında yağda depolanan enerji, temel kalorimetri denklemi kullanılarak modellenebilir:

$$Q = m \int_{T_{initial}}^{T_{final}} c_p(T) \, dT$$

Burada $Q$ termal enerji (J), $m$ yağın kütlesi (kg) ve $c_p(T)$ sıcaklığa bağlı özgül ısı kapasitesidir (J/kg·K). Çalışma, $c_p$ için Mawire vd. (2014)'ten ampirik formüller kullanmıştır, örneğin ayçiçek yağı için: $c_p = 2115.00 + 3.13T$.

Soğuma süreci, ısı kaybı oranını yaklaşık olarak ifade etmek için Newton'un Soğuma Kanunu kullanılarak analiz edilebilir:

$$\frac{dT}{dt} \approx -k (T - T_{ambient})$$

Burada $k$, yağın özelliklerine ve sistem yalıtımına bağlı bir soğuma sabitidir. Ayçiçek yağı için daha yavaş olan $dT/dt$, enerji depolama için daha elverişli bir $k$ olduğunu göstermektedir.

4.2. Deneysel Kurulum Açıklaması

Temel aparat, çevreye olan parazitik ısı kaybını en aza indirmek için iyi yalıtılmış bir tanktı; bu, ölçülen soğuma eğrilerinin öncelikle yağın içsel özelliklerini yansıtmasını sağlamıştır. Birden fazla termokupl kullanımı, durgun akışkan depolamada tipik olan termal tabakalaşmanın -daha soğuk bir tabakanın üzerinde daha sıcak bir katman- gözlemlenmesine olanak tanımıştır. Veri kayıt sistemi, doğru enerji hesaplamaları ve karşılaştırmalı analiz için kritik olan yüksek çözünürlüklü zamansal sıcaklık verileri sağlamıştır.

5. Eleştirel Analiz ve Sektör Perspektifi

Temel İçgörü: Bu makale, güçlü ve sezgisel olmayan bir vuruş sunmaktadır: düşük maliyetli, kırsal güneş termal depolama nişinde, sıradan bir mutfak temel ürünü (ayçiçek yağı), özel olarak üretilmiş bir endüstriyel akışkanı (Thermia B) mühendislik açısından geride bırakabilir. Gerçek atılım yeni bir malzeme değil, mevcut bir malzemenin radikal bir şekilde yeniden bağlamsallaştırılmasıdır. Yenilik odağını yüksek teknoloji sentezinden akıllı, uygun teknoloji seçimine kaydırmaktadır.

Mantıksal Akış: Araştırma mantığı, takdire şayan derecede basit ve uygulama odaklıdır. Net, gerçek dünya problemiyle (kırsal pişirme için HTF'lerin maliyeti ve güvenliği) başlar, ilgili performans metriklerini (ısı kazanımı, tutma, toplam depolama) tanımlar ve temel sistem operasyonlarını (şarj ve pasif soğutma) doğrudan simüle eden kontrollü bir deney kurar. Yerel bitkisel yağlar ile endüstriyel bir kıyaslama arasındaki karşılaştırma, ustaca bir hamledir ve anında, uygulanabilir bir alaka sağlamaktadır.

Güçlü Yönler ve Eksiklikler:
Güçlü Yönler: Çalışmanın en büyük gücü pragmatik geçerliliğidir. Deneysel koşullar (dumanlanma noktasına yakın sıcaklıklar, 24 saatlik soğutma) gerçek kullanım senaryolarını yakından yansıtmaktadır. Yerel olarak bulunabilir yağların seçimi, bulguların hemen uygulanabilir olmasını sağlayarak teknoloji transferi engellerini azaltmaktadır. Bu, Dünya Bankası'nın Enerji Sektörü Yönetim Yardım Programı (ESMAP) gibi kurumlar tarafından belgelenen "tutumlu yenilik" alanıyla uyumludur.
Eksiklikler: Analiz öncelikle ampirik ve karşılaştırmalıdır, performans farklılıklarının arkasındaki nedenlere derinlemesine bir dalış yapmamaktadır. Özellik verilerine atıfta bulunsa da, ayçiçek yağının neden palmiye yağından daha iyi performans gösterdiğinin moleküler veya bileşimsel nedenlerini tam olarak araştırmamaktadır. Ayrıca, çalışma, gerçek uygulamalar için kritik olan uzun vadeli stabilite testlerini atlamaktadır. Bitkisel yağlar, tekrarlanan termal döngüler altında polimerleşebilir, oksitlenebilir ve bozulabilir (kızartma yağı araştırmalarında iyi çalışılmış bir fenomen). Ayçiçek yağı 100 ısıtma döngüsünden sonra çamur oluşturur mu? Makale bu operasyonel kilit noktada sessiz kalmaktadır. Ayrıca, pişirme gıda kalitesi veya koku transferi üzerindeki potansiyel etkileri ele alınmamaktadır.

Uygulanabilir İçgörüler: Gelişmekte olan bölgeler için güneş ocakları üzerinde çalışan mühendisler ve STK'lar için talimat nettir: şimdi ayçiçek yağı ile prototip oluşturun. Performans faydası kanıtlanmıştır. Bir sonraki kritik AR-GE aşaması dayanıklılık ve yaşam döngüsü testi olmalıdır. Termal bozulmayı anlamak ve azaltmak için gıda kimyagerleri ile ortaklık kurun. Yağ ömrünü uzatmak için basit filtrasyon veya katkı maddesi stratejilerini araştırın. Ayrıca, bu çalışma daha geniş bir malzeme arayışını tetiklemelidir: eğer ayçiçek yağı işe yarıyorsa, belirli tohum yağları veya hatta şeker bazlı çözeltiler gibi diğer yerel olarak bol, yüksek ısı kapasiteli akışkanlar ne olacak? Burada oluşturulan araştırma çerçevesi, böyle sistematik, yere özgü bir tarama süreci için mükemmel bir şablondur.

6. Analiz Çerçevesi ve Vaka Örneği

Yerel Termal Depolama Akışkanlarını Değerlendirme Çerçevesi:
Bu araştırma, belirli bir sosyo-teknik bağlamda herhangi bir potansiyel akışkanı değerlendirmek için tekrarlanabilir bir çerçeve sağlamaktadır. Çerçeve, dört sıralı filtreden oluşmaktadır:

Bağlam Filtresi (Bulunabilirlik ve Güvenlik): Malzeme yerel olarak bulunabilir, uygun fiyatlı ve tehlikesiz mi (örn. toksik olmayan, su gibi yanıcı olmayan)? Ayçiçek yağı geçer; sentetik yağ maliyet/bulunabilirlik açısından başarısız olabilir.
Özellik Filtresi (Termo-Fiziksel): Yüksek hacimsel ısı kapasitesine ($\rho c_p$) ve operasyonel sıcaklık aralığına sahip mi? Literatürden veya basit laboratuvar testlerinden alınan veriler burada uygulanır.
Performans Filtresi (Deneysel): Simüle edilmiş bir sistemde gerçekte nasıl davranıyor? Bu, makalede açıklanan ısı kazanımı ve tutma testlerini içerir.
Dayanıklılık ve Yaşam Döngüsü Filtresi (Uzun Vadeli): Tekrarlanan döngüler boyunca performansını koruyor mu? Bozulma profili ve toplam yaşam döngüsü maliyeti nedir?

Vaka Örneği Uygulaması:
Hindistan'da bir STK, topluluk pişirmesi için bir güneş termal depolama birimi geliştirmek istiyor. Bu çerçeveyi kullanarak:
1. Bağlam: Hardal yağı ve hindistancevizi yağını yaygın olarak bulunabilen, uygun fiyatlı ve gıda ile tesadüfi temas için güvenli olarak belirlerler.
2. Özellik: Literatür taraması, hindistancevizi yağının yüksek özgül ısıya (~2000 J/kg·K) ve yüksek dumanlanma noktasına (~177°C) sahip olduğunu, bu da onu umut verici kıldığını gösterir.
3. Performans: Makalenin Şekil 1'ine özdeş bir test düzeneği kurarlar, hardal yağı, hindistancevizi yağı ve su baz hattını karşılaştırırlar. Hindistancevizi yağının, hedef sıcaklık bandı için sudan %40 daha uzun süre ısı tuttuğunu bulurlar.
4. Dayanıklılık: Hindistancevizi yağı üzerinde 50 ardışık ısıtma-soğutma döngüsü çalıştırırlar, viskozite ve asitliği izlerler. 30 döngüden sonra viskozitede önemli bir artış, yağ değişimi veya işleme ihtiyacını gösterir ve nihai sistem tasarımı için bakım protokollerini tanımlar.

7. Gelecek Uygulamalar ve Araştırma Yönleri

Bu araştırmanın etkileri basit güneş ocaklarının ötesine uzanmaktadır:

Kademeli Güneş Termal Sistemler: Ayçiçek yağı bazlı depolama, sadece pişirme ısısı değil, aynı zamanda kırsal kliniklerde veya okullarda alan ısıtması veya su ön ısıtması için daha düşük dereceli ısı sağlayabilir, böylece genel sistem ekonomisini iyileştirebilir.
Güneş Parabolik Oluklarla Entegrasyon: Küçük ölçekli parabolik oluk kollektörleri, merkezi olmayan uygulamalar için sistem mimarisini basitleştirerek bitkisel yağları doğrudan HTF ve depolama ortamı olarak kullanabilir.
Malzeme Bilimi Hibritleri: Gelecekteki araştırmalar, güvenlik veya maliyetten ödün vermeden termal iletkenliği ($k$) artırmak için dağıtılmış nanoparçacıklarla (örn. alümina, grafit) "geliştirilmiş bitkisel yağlar" oluşturmayı araştırmalıdır; bu, gelişmiş nanoakışkan araştırmalarında (örn. International Journal of Heat and Mass Transfer'da yayınlanan çalışmalar) araştırılan bir kavramdır.
Yapay Zeka ile Optimize Edilmiş Karışımlar: Makine öğrenimi modelleri, termo-fiziksel özellik veritabanları üzerinde eğitilerek, belirli bir iklim bölgesi için $\rho c_p$'yi maksimize etmek ve maliyeti minimize etmek amacıyla farklı yerel yağların optimal karışımlarını tahmin edebilir.
Döngüsel Ekonomi Modelleri: Atık kızartma yağının (uygun işlemden sonra) termal depolama ortamı olarak kullanılmasına yönelik araştırma, maliyetleri ve atığı daha da azaltan ikna edici bir döngüsel ekonomi döngüsü yaratabilir.

Bir sonraki kritik adım, laboratuvar performansından, saha tarafından doğrulanmış, dayanıklı sistem tasarımına geçmek ve bu temel çalışmanın açtığı uzun vadeli stabilite sorularını ele almaktır.

8. Kaynaklar

Nyeinga, K., Okello, D., Bernard, T., & Nydal, O. J. (2017). Experimental Investigation of Thermal Performance for Selected Oils for Solar Thermal Energy Storage and Rural Cooking Application. ISES Solar World Congress 2017 Proceedings. doi:10.18086/swc.2017.14.05
Mawire, A., McPherson, M., & van den Heetkamp, R. R. J. (2014). Simulated performance of storage materials for pebble bed thermal energy storage (TES) systems. Applied Energy, 113, 1106-1115. (Termo-fiziksel özellik verileri için kaynak).
Okello, D., Nyeinga, K., & Nydal, O. J. (2016). Experimental investigation of a rock bed thermal energy storage system for solar cooking. International Journal of Sustainable Energy.
World Bank / ESMAP. (2020). Frugal Innovation in the Energy Sector: A Guide to Doing More with Less. [Çevrimiçi Rapor].
International Energy Agency (IEA) Solar Heating and Cooling Programme (SHC). (2021). Task 58: Material and Component Development for Thermal Energy Storage. [Araştırma Programı].
Said, Z., vd. (2021). Recent advances on nanofluids for low to medium temperature solar collectors: energy, exergy, economic analysis and environmental impact. Progress in Energy and Combustion Science, 84, 100898. (Nanoakışkan geliştirme bağlamı için).