LEE- Enerji Bilim ve Teknoloji-Doktora
Bu koleksiyon için kalıcı URI
Gözat
Son Başvurular
1 - 5 / 6
-
ÖgeInvestigation of diffusion of redox sensitive elements in nuclear waste in polymer-based barrier systems(Graduate School, 2023-09-14)Despite the promotion of nuclear power due to its high capacity factor, low volume of wastes, low operation cost, and low greenhouse effect contribution, some issues, such as high radioactive wastes, continue to be a concern. Nonetheless, research into the disposal and storage of radioactive waste in waste repositories has continued. The migration of radioactive waste into the biosphere and the access of water to waste repositories are the main issues with these facilities. There is widespread agreement that waste repositories should have multiple barriers made up of geological formation and engineered barriers. Where the radionuclides first come into contact, the engineered barrier typically consists of buffer material. In this work, the composite barrier material PAN/clinoptilolite composite ion exchanger was used to describe interactions with 126Sn and 79Se adsorption behavior. This PhD thesis' findings have been presented at two conferences internationally and published in three top-notch peer-reviewed journals. The first chapter mentions the importance of nuclear, the challenges of nuclear, Turkiye's position in nuclear and problems that will arise in the future for radioactive waste issues. Being reliable, high capacity factor, solution for the concerns of climate change and environment and providing the high-technology opportunity make the nuclear power attractive. Besides these brilliant advantages, there are some concerns about nuclear power to create hesitation in public such as safety and radioactive wastes. The root reasons of these concerns and the persuasive arguments are presented. Moreover, the motivation, driven force and objectives and aims of this study are explained in this chapter. The comply with the energy strategy of Turkiye, the nucler power plants, that can vary different technologies such as SMRs are planned to serve and the amount of waste generation because of the NPPs need to manage. Therefore, the radioactive waste management should be planned in detail. The second chapter present the literature review belonging to the key concepts of this study. The position of the radioactive waste in nuclear fuel cycle, the classification and production of the radioactive wastes, applied radioactive waste management and immolization techniques in the world, disposal of the radioactive wastes, the types of the disposal and some applications of the disposal in some countries are taken into account. Furthermore, the adsorption concept tin and selenium, which are the two of the most important but rarely found in literature redox-sensitive radionuclides in the radioactive waste area are taken account. With this motivation, it is aimed to develop and characterize new barrier materials with more effective and safe barrier properties that will be an alternative to existing barrier systems and to examine the applicability of these barrier materials for the retention of 126Sn and 79Se. The third chapter is related with the used material and applied method during this study. A new polymer/clay nanocomposite material as a barrier material are synthesized and characteristic of this new barrier material are investigated in terms of thermal stability and surface analysis. Moreover, interaction between tin and selenium radionuclides in the radioactive waste area and developed barrier material are characterized by data collected with examining under different circumstances, such as variable initial concentrations, interaction times, and temperatures and using adsorption isotherms, kinetic calculations, thermodynamic parameters, kinetic models based on diffusion. Furthermore, the risk assessments because of tin and selenium from radioactive waste area are analyzed in terms of radiologicaly dose assessment for freshwater and terrestrial biotas by using the ERICA Assessment Tool, exposure in human because of accidental migration of the these radionuclides by using the GoldSim Monte Carlo Simulation Software and carcinogenic and non-carcinogenic risks and excess lifetime cancer risks. The forth chapter gives the result and discussion of the experiments and analysis mentioned above. The tin ion adsorption on the barrier material has been seen to fit into the D-R isotherm model. The thermodynamic characteristics were used to determine that the tin's adsorption onto the barrier was endothermic. The tin adsorption process was shown to be consistent with the pseudo second-order model based on the kinetic evaluation. Using GOLDSIM Monte Carlo Simulation Software, the risk of 126Sn migration as a result of an accident in the radioactive waste repository was evaluated. Tin was assessed for its excess lifetime cancer risks and its carcinogenic and non-carcinogenic risks. For selenium, it has been found as a consequence that a crucial part of the composite barrier material's effectiveness in preventing selenium transfer from the waste storage region to the biosphere is played by this. For adults, the total carcinogenic risk (TCR) values for ingestion ranged from 4.93E-17 to 4.03E-16, while for infants, they ranged from 6.30E-22 to 5.16E-21. For adults, TCR values for the dermal way vary from 5.28E-21 to 4.32E-20, whereas for infants, they range from 7.74E-31 to 6.34E- 30. The exposed total dose range of reference biota as such crustaceans, phytoplankton, and vascular plants in freshwater was calculated as 4.02E6-3.87E9 μG h-1 for 126Sn isotope, and 3.35E07-1.92E12 μG h-1 for 79Se isotope using composite barrier material. In terrestrial reference biota such as annelids, grasses and grasses, lichens, and bryophytes, mammals and trees, the exposed total dose range was calculated as 4.51E06-7.41E04 μG h-1 for 126Sn and 2.15E06-5.53E09 μG h-1 for 79Se. Thus, it was determined that the existence of barrier material significantly reduced the total exposure of freshwater and terrestrial biota. The fifth and last chapter includes the chapter mentioned key findings of all these studies.
-
ÖgeEnergy, exergy, economic and environmental-based design, analysis and multi objective optimization of novel solar tower-based gas turbine cycle multi-generation systems with new performance criteria(Graduate School, 2022-05-20)Global demand for energy has been rising steadily with increasing population, industrialization, urbanization and life standards. In order to meet this demand, fossil fuels such as oil, coal, natural gas etc. have been utilized intensively. However, this intense use resulted in environmental issues caused by harmful emissions of fossil fuels. Therefore, utilization of renewable energy such as solar, wind, geothermal etc. have been proposed as a solution to cope with these problems caused by fossil fuels. Additionally, energy efficiency has also been considered as another pillar for decarbonization. Firstly, cogeneration systems which produce power and heating simultaneously from the same energy source evolved with a significant increase in total energy efficiency of the plant compared to only power generation. Later, tri-generation systems are evolved to further improve the efficiencies and to provide cooling in addition to heating and power. Recently, multi-generation (MG) systems which provide at least four utilities such as power, heating, cooling, fresh water, hydrogen, domestic hot water (DHW), drying, various chemicals etc. have become focus point for research due to higher efficiencies, compactness, product versatility, economic feasibility and ability to work with renewables. Among various renewable energy sources, solar energy has received increased attention, and several attempts to use concentrated solar energy as a primary energy source for MG systems have been observed. Despite several detailed analysis of other technologies-based MG systems, solar tower-based open air gas turbine cycle (SGTC)-driven MG systems lacked sound research, comprehensive analysis considering thermodynamic, economic and environmental performances simultaneously and multi-criteria multiobjective optimization. Furthermore, investigations of complicated Brayton cycle (BC) structures such as intercooling, regeneration, and reheat systems, as well as inclusion and extensive study of hydrogen production in such systems, were lacking. Moreover, proper evaluation criteria for comparison of such systems to each other were not considered thoroughly in literature. Therefore, fulfilling lack of research in these areas constitutes the motivation behind this PhD study. The present PhD thesis is composed of three (3) peer-reviewed international journal papers and one (1) international conference proceeding paper. In the first part, a novel MG system is developed for production of power, heating, cooling, green hydrogen and DHW. A unique power system structure is developed by using intercooling-regenerative (IR)-SGTC, organic Rankine cycle (ORC) and Kalina cycle (KC). By this thesis, intercooling waste heat is used for power generation in an IR-SGTC based MG system for the first time in the literature. MO optimization, environmental analysis and hydrogen production were introduced into such system analysis for the first time in addition to energy and exergy analyses. A novel thermodynamic performance criterion is coined as "exergetic quality factor" (EQF) to compare, analyze and maximize exergy content (quality) within energy quantity of MG products. Additionally, a significant contribution to literature is done by correcting a common misuse in exergy value calculation of solar energy in majority of other works in literature. This study is published in Energy Conversion and Management. In the second part, a unique MG structure is proposed with an intercooling-regenerative-reheat (IRR)-SGTC system for the first time in literature. Moreover, first time in literature, a MO optimization is performed for a multi-product IRR-SGTC system. Furthermore, an optimization by using thermodynamic, economic and environmental criteria simultaneously on IRR-SGTC system is performed first time in literature. The proposed system is designed to produce electricity, cooling, various temperature level heating purposes, green hydrogen, fresh water, hot air for drying and DHW. The study is published in ASME Journal of Energy Resources Technology. In the third part, a thermal energy storage (TES) is coupled to a MG system based on IRR-SGTC for the first time. Furthermore, a unique set of power cycles are formed by addition of RC and KC in series to the exhaust of IRR-SGTC. Effect of electrolyzer (EL) power size fraction to the total MG power size is investigated for the first time. Furthermore, first time in literature hydrogen is considered as the main product in MO optimization, and thermodynamic and economic analyses are performed. The proposed products are green hydrogen, power, cooling and DHW. The study is published in International Journal of Hydrogen Energy. In the fourth part, integration of two (2) ORCs into intercooling and exhaust waste heat streams of a MG system driven by an IR-SGTC is performed for the first time. Also, it is the first solar-based MG study in literature that investigates various climatic conditions and critical utilities of the Mediterranean region cities of Turkey. MO optimization and energy, exergy and environmental analyses are conducted. Proposed MG products are power, fresh water, green hydrogen, cooling, DHW and industrial process heating. The study is disseminated in the 11th International 100% Renewable Energy Conference (IRENEC 2021) and published in the proceedings book. In summary, within the scope of this PhD thesis, various novel MG systems based on IR- and IRR-SGTC are proposed with increased energy and exergy efficiencies, improved economical feasibilities and significant emission reductions. Furthermore, rigorous MO optimizations are performed by using these performance criteria simultaneously. A novel thermodynamic performance criterion is coined and a common misuse in literature is corrected in the present PhD study. Hydrogen production is introduced as the main product, fraction of EL power is introduced as a design parameter and investigated thoroughly and intercooling waste heat is recovered to produce power for the first time. Climatic conditions of Mediterranean region cities of Turkey are compared for the optimum performance of such systems. The present PhD study proposes a broader range of utilities as MG products of SGTC-based systems than any previous study in the literature, including power, green hydrogen, cooling, varied temperatures and purposes heating, DHW, hot air for drying, and fresh water.
-
ÖgeYüksek yoğunlaştırıcılı bir mikro fotovoltaik/termal kombine hibrit enerji sistemi önerisi ve modellemesi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2022-03-31)Lineer Fresnel reflektörlerle (yansıtıcılarla) entegre bir fotovoltaik (PV) sistem, bir termal soğutma sistemi ile birleştirildiğinde çok çekici bir enerji üretim sistemi ortaya çıkmaktadır. Bu tez çalışmasında, bir lineer Fresnel reflector sistemine alıcı olarak entegre edilmiş bir PV panel ile, basit ve fakat özgün bir konfigürasyona sahip yoğunlaştırıcılı bir fotovoltaik-termal (CPV/T) sistem teorik olarak elde edilerek teknik modellemesi yapılmaktadır. Öngörülen bu sistem optik, elektriksel ve termal kısımlardan meydana gelmektedir. Üretim kolaylığı ve düşük maliyetli olmasının yanı sıra aynı zamanda daha az yer kaplayan düzlemsel aynalar sistemin optik kısmını, yüksek verimli ve son derece dayanıklı monokristal PV panel systemin elektriksel kısmını ve diğer soğutma konfigürasyonlarına göre daha verimli olan PV "alıcının" arka yüzeyine yerleştirilen kanallardan su geçirilmesi suretiyle oluşturulan sistem de önerilen PV/T systemin termal kısmını oluşturmaktadır. Bu tez çalışmasıyla önerilen CPV/T sistemi, bir durum çalışması olarak İstanbul şehri için incelenmektedir. İstanbul iline ait güneş radyasyonu verileri kullanılarak yapılan bu durum çalışmasının sonuçları, İstanbul iline ait güneş ışınım değerlerinin diğer illerle karşılaştırıldığında görece düşük olmasına karşın, önerilen böyle bir enerji üretim sisteminin, daha yüksek güneş enerjisi değerlerine sahip lokasyonlarda uygulanması halinde daha cazip sonuçlar elde edileceği hususunda ümit verici ve yol gösterici olmaktadır. Çalışmada, saatlik direk normal radyasyon (HDNI) dikkate alınarak, yılın her ayını "temsil eden günler" için, gün doğumundan gün batımına kadar geçen sürede, aynaların eğim açıları saatlik olarak tüm aylar için hesaplanmaktadır. Hesaplamalarda, literatürdekinden farklı olarak bilgisayar yardımıyla geometrik hesaplama yöntemleri kullanılmaktadır. Aynalara gelen güneş radyasyonundan en fazla faydanın sağlanabilmesi için, aynaların her biri farklı açılara sahip olacak şekilde güneşi izlemelidir. Saatlik açı hesapları yapılarak bir izleme mekanizması oluşturulmaktadır. İzleme yapılıyor olmasına rağmen, sistemin bir yansıtıcı sistem olması sebebiyle, doğası gereği sistemin optik kısmında kayıplar oluşmaktadır. Örneğin, yansıtma mekanizması sebebiyle, gelen güneş radyasyonu ile ayna normali aynı doğrultuda olamayacağı için kosinüs kayıpları kaçınılmaz olarak meydana gelmektedir. İzleme sistemi ile bu kayıp azaltılsa da kaçınılmazdır. Bu tür bir optik kaybın dışında, aynaların birbirini gölgelemesi, engellemesi, alıcı destek elemanları ve alıcının kendisinin aynaları gölgelemesi gibi nedenlerle ve alıcıda enine ve/veya boyuna uçlarda kayıplar meydana gelmektedir. Bu kayıpların yanında, hava koşullarından, izleme sistemi konstrüksiyonundan kaynaklı izleme hassasiyetinin azalması gibi kayıplar da meydana gelmektedir ancak bu kayıplar bu çalışmada ihmal edilmektedir. Sistemin optik verimini tespit etmek amacıyla kullanılan birçok benzetim yazılımı olmasına rağmen, başlangıçta bir deneme yapmak amacıyla, kullanım kolaylığı sağlayan Tonatiuh isimli yazılım ile optik modelleme yapılmıştır. Ancak gerek Tonatiuh gerekse diğer modelleme programlarında optik verim, sadece bir parametrenin sabit tutulup diğer parametrelerin değiştirilmesi suretiyle hesaplanabilmektedir. Bu tez çalışmasında, daha hassas bir hesap yapmak ve sistemde doğru optimizasyonların yapılabilmesi için, kayıpların doğrudan ölçümler yaparak tespit edilmesini sağlayan bilgisayar destekli vektörel çizim programları ile optik modelleme yapılmaktadır. Modelleme yılın her ayını temsil eden gün için, gün doğumundan gün batımına kadar saatlik olarak yapılmaktadır. Sistemde, nispeten ekonomik olan yansıtıcılarla toplanan güneş radyasyonu, daha küçük alana sahip olan bir alıcı (PV panel) üstüne yoğunlaştırılarak gönderilmektedir. Bu yoğun radyasyon, PV panelin aşırı ısınmasına ve bunun sonucunda da PV hücrelerde bozulmalara ve en önemlisi de panelin elektriksel veriminin düşmesine neden olmaktadır. Verim düşüşünü önlemek amacıyla, PV panelin arka yüzeyine yerleştirilen kanallar içerisinden soğutucu akışkan olarak su dolaştırılarak PV panel soğutulmuş ve verim düşüşü önlenmiş olmaktadır. Bununla birlikte, nispeten düşük sıcaklıkta da olsa, örneğin evsel kullanıma uygun sıcaklıklarda çıkış suyu elde edilerek, bir PV/T sistem meydana getirilmektedir. Böylece öngörülen sistem hem elektrik hem de termal enerji üreterek, toplamda daha verimli bir sistem elde edilmiş olmaktadır.
-
ÖgeThe use of doped ZnO nanomaterials with enhanced optoelectronic properties as an electrode(Graduate School, 2021-01-15)In this thesis, the structural characteristics of ZnO:Al thin film have been modified for its improvement of optical parameters and electrical properties to applying in optoelectronic devices. ZnO:Al thin film has presented optimum properties for optoelectronic applications such as photovoltaic solar cells, transparent conductors, semiconductor heterojunctions due to the improvement of its optical model and energy band gap. The optical parameters have been improved with Al concentration to exploit ZnO:Al thin film due to the enhancement of electronic properties as semiconductor materials in diode technology. The refractive index and extinction coefficient were changed slightly due to the increase of Al concentration. The examinations of extinction coefficient (k) and refractive index (n) have presented the importance to use this cost-effective thin film in the semiconductor devices. For this purpose, the main objective of this research to focuses on investigation structural, optical, and electrical properties of ZnO thin films as a transparent layer for thin films. This research focused on three interrelated topics in this dissertation; i) different Al doping concentration, ii) pre-post annealing temperature, and iii) various annealing ambient showed important impact on structural, optical, and electrical properties of ZnO metal oxides. Pure and Al-doped ZnO thin films were deposited on the glass substrates by sol-gel dip and spin coating techniques. During the study, the influence of the techniques compared on the ZnO:Al films structural and optoelectronic features. The films were prepared by dip coating technique provided lower sheet resistivity and higher surface roughness. Due to the better optoelectronic result of the dip coating technique, the ZnO:Al /p-Si heterojunction films were prepared by sol-gel dip coating technique. Various different techniques applied to characterized ZnO:Al thin films structural, optical, and electrical properties for analyzing doping concentration, pre-post annealing effects, and different annealing ambient conditions. Controlling doping concentration, pre and post annealing temperature, and ambient condition provided high quality crystal structure (hexagonal wurtzite structure), lowest grain boundaries and sheet resistivity (oxygen and vacuum ambient) and lowest lattice defects and good surface roughness (at 700°C and 800°C). Al doped ZnO thin films were deposited on p-Si substrate to preparing ZnO:Al/p-Si heterojunction films for optoelectronic applications. Al doped ZnO played a critical role in the heterojunction films as a transparent electrode layer. ZnO:Al films show high transparency (%85), low absorption in the visible-infrared region where electromagnetic waves and atoms displayed lowest interaction, large band gap (~3.37eV) which only absorb high frequency electromagnetic waves in the UV region, and high rectification ratio (good rectifying behavior) with p-Si. Additionally, ZnO:Al/p-Si heterojunction films show good compatible at interface and tune band bending.
-
ÖgeYüksek güçlü LED (ışık yayan diyot) ışık kaynaklı armatürlerin soğutma sistemlerinde ısı borularının kullanım analizi(Lisansüstü Eğitim Enstitüsü, 2021-01-25)LED ışık kaynakları günümüzde genel aydınlatma uygulamalarında sıklıkla kullanılmaktadır. Işık akısı, etkinlik faktörü ve ömür gibi kriterler dikkate alındığında LED ışık kaynakları geleneksel ışık kaynaklarının alternatifi olabilecek performanslar ortaya koyabilmektedir. Ancak çalışma sırasında yüksek ısıl güçlerin açığa çıkması sebebiyle LED ışık kaynaklı armatürlerin ısıl yönetimleri bir diğer deyişle soğutmaları önemli bir sorun olarak ortaya çıkmaktadır. Sürekli ve etkili bir soğutma sistemi olmadan LED'lerin beklenilen etkinliği sağlamaları mümkün değildir. Bu tezde öncelikle LED ışık kaynaklarının özelliklerine sıcaklığın etkisinin belirlenebilmesi amacıyla ölçümler gerçekleştirilmiştir. Sonuç olarak LED'lerin özelliklerinin sıcaklıktan farklı oranlarda etkilendiği gözlemlenmiştir. Bununla birlikte ölçülen tüm LED'lerin özellikleri artan sıcaklıktan olumsuz etkilenmiştir. Literatürde mevcut soğutma sistemleri ile ilgili araştırma gerçekleştirildiğinde, aktif ve pasif pek çok sistemle karşılaşılmıştır. Üstünlük ve zayıflık analizleri yapıldığında ise sadece soğutucu kanatların kullanıldığı sistemler ile soğutucu kanatlar ve ısı borularının birlikte kullanıldığı sistemler ön plana çıkmıştır. Bu kapsamda noktasal ısıl yüklerin yüksek, dolayısıyla sıcaklık etkileşiminin kritik olduğu COB LED'lerin kullanıldığı bir aydınlatma armatürü prototibinin sadece kanatlı ve ısı borulu kanatlı iki farklı soğutma sistemine sahip versiyonlarının ısıl simülasyonları yapılmış, üretimleri gerçekleştirilmiş ve deneysel analizleri yapılmıştır. Deneysel ölçümler ile ısıl simülasyon sonuçları doğrulanmış ve iki sistem birbiriyle karşılaştırılmıştır. Belirlenen noktalarda iki sistem arasında ortalama sıcaklık farkının yalnızca 3,3°C olduğu gözlemlenmiştir. Işık akısı olarak 253 lümene karşılık gelen bu değer armatür toplam ışık akısında sadece % 0,6'lık bir farklılığı göstermektedir. Değerlendirilen armatür prototibi için iki soğutma sistemi arasında yüksek sıcaklık ve ışık akısı farkı ortaya çıkmamıştır. Çalışmada, iki sistem için gerçekleştirilen ek ısıl simülasyonların parametrik irdelemesi istatistiksel olarak analiz edilmiştir. Öncelikle seçilen parametreler için faktöriyel analizler gerçekleştirilmiştir. Faktöriyel analizlerden elde edilen ön bilgiler de göz önüne alınarak daha fazla simülasyon sonucu içeren bir regresyon analizi yapılmıştır. Soğutucu malzemesinin, termal macunun (gres) ısıl direncinin ve ısıl gücün etkili parametreler olduğu belirlenmiştir. Ayrıca sistemin maksimum sıcaklığına etki eden parametre etkileşimleri de belirlenmiştir. Detaylı regresyon analizleri sonucunda, soğutucu sistem tasarımının yani sadece kanatlı ya da ısı borulu kanatlı sistem ayrımının tek başına etkili olmadığı görülmüştür. Diğer yandan tasarımın diğer parametreler ile ikili ve üçlü etkileşimlerinin olduğu gözlemlendiğinden, soğutucu sistem farklılığının regresyon denklemlerinde bulunması gerektiği sonucuna varılmıştır. Tez kapsamında yapılan ölçümler ile ortaya çıkan bir diğer önemli sonuç, LED ışık kaynağı özelliklerinin sıcaklık ve sürüş akımından farklı oranlarda etkilenebildiğinin görülmesidir. Bu durum tasarım aşamasına geçilmeden önce LED özelliklerinin ölçüm ile belirlenmesinin gerekliliğini ortaya çıkarmaktadır. LED üreticilerinin kataloglarında LED özelliklerini farklı sıcaklık ve farklı sürüş akımı değerleri için vermesinin armatür üreticilerine tasarımda yol gösterici ve doğru yönlendirici olacağı açıktır.