Termal enerji depolamada biyoesinlenme, biyokimyasal malzemeler ve yöntemler
Bio inspiration, biochemical materials and methods in thermal energy storage
Yazar: ÖZGE GÜNGÖR
Danışman: PROF. DR. HALİME ÖMÜR PAKSOY
Çukurova Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Kimya Ana Bilim Dalı
Derece: Doktora, 2023
Konu: Kimya = Chemistry

Özet:
Günümüzde enerji üretimi ağırlıklı olarak fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Ancak yaşanan iklim krizi ve enerji güvenliği gibi sorunlar nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarının verimli uygulamaları öne çıkmaktadır. Termal Enerji Depolama (TED) Sistemleri yenilenebilir enerji kaynaklarının kesintisiz kullanımını sağlamaktadır. TED sistemlerinde gizli ısı depolama yöntemi yüksek depolama kapasitesinde faz değiştiren malzemelerden (FDM) yararlanarak günümüzde yaygın olarak uygulanmaya başlanmıştır. FDM'ler ısıtma, soğutma ve sıcaklık kontrolü için TED sistemlerinde kullanılmaktadır. Doğada sıcakkanlı canlılar yaşamlarını sürdürebilmek için vücut sıcaklıklarını, organ ve sistemlerinin çalışabildiği optimum sıcaklıkta tutmak zorundadırlar. Bunun için yüzlerce yıl süren adaptasyonlara uğramışlar ve hayatlarını sürdürmüşlerdir.
Bu tez çalışmasında canlılardaki sıcaklık kontrolünden esinlenilerek FDM'ler ve TED için sistemler geliştirilmiştir. Soğuk okyanuslarda yaşayan birçok memeli gibi vücut ısılarının kontrolü için balinaların vücutlarında da 'blubber' dokusu bulunmaktadır. Yapılan araştırmalarda 'blubber'da en yüksek oranda bulunan yağ asitlerinin oleik asit, palmitik asit, stearik asit ve miristik asit olduğu belirlenmiştir. Bu yağ asitleri ve bunlara ek olarak yine 'blubber' tabakasında bulunan oleil alkol kullanılarak yedi farklı FDM geliştirilmiştir. FDM'lerin faz değişimi esnasında ortamdan uzaklaşmasını engellemek için destek materyalleri olarak geliştirilen hidrojellerde tutuklanarak şekil kararlı yapı kazandırılmıştır. Kararlı ve sızdırmazlık özelliğiyle PVA en uygun hidrojel olarak belirlenmiştir. Geliştirilen, %25 FDM içeren şekil kararlı PVA/FDM kompozit yapısında 4 farklı geometride borusuz ısı değiştiricisi tasarlanmıştır.   Bu sistemlerle yapılan TED deneylerinin sonuçları %67-%82 arasında değişen verim elde edilebileceğini göstermiştir. Bu sonuçlar PVA/FDM kompoziti borusuz ısı değiştiricilerinin daha ekonomik ve etkin TED uygulamaları için potansiyel oluşturduğunu göstermektedir.  Bu çalışma doğadaki mükemmel örneklerden biyo-esinlenmeyle yapılan tasarımların daha yenilikçi ve etkin ilerlemelere yol açabileceğini göstermektedir.

Abstract:
Today, energy production is heavily dependent on fossil fuels. The current problems like climate crisis and energy security make efficient renewable energy applications more important.  Thermal Energy Storage (TES) systems provide uninterrupted use of renewable energy resources. Among the TES systems, latent heat storage method that uses Phase Change Materials (PCM) with high storage capacity is started being used commonly.  PCMs can be used for heating, cooling and temperature control TES systems. 
In nature, especially warm-blooded living beings have to keep their body temperatures at the optimum temperature in which their organs and systems can work in order to survive. For this reason, they have undergone process esof adaptation for hundreds of years and have continued their lives.
In this thesis, PCMs and their composites and systems for TES were developed with bio-inspiration from temperature control of warm-blooded living beings. Like all mammals living in cold oceans, whales have a 'blubber' tissue in their bodies for body temperature control. Previous studies show that fatty acids with high concentration in blubber are oleic acid, palmitic acid, stearic acid and myristic acid. Using these fatty acids and oleyl alcohol, which is also found in 'blubber', seven different PCMs were developed.  By incorporating PCMs in hydrogels as support materials to prevent their leakage during phase change, form stable PCMs were achieved. The best hydrogel option was determined as PVA with its stability and anti-leakage property. Four different type of heat exchanger without any pipes was designed using the developed form stable composite with 25% PCM. Results of TES experiments with these systems showed that efficiency values of 67%-82% can be achieved. These results show that PVA/PCM composite pipeless heat exchanger can be promising for more efficient and economic TES applications. This study showed that designs bio-inspired from perfect examples in nature can lead to more innovative and efficient advances.