Investigation of corrosive behavior of magnesium oxide nanoparticles in solar salt
Magnezyum oksit katkılı solar tuzların korozif davranışlarının incelenmesi
- Tez No: 920346
- Danışmanlar: PROF. DR. MUHAMMET KÜRŞAT KAZMANLI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Metalurji Mühendisliği, Metallurgical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2025
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İstanbul Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Lisansüstü Eğitim Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Metalurji ve Malzeme Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 119
Özet
Dünya çapında artan enerji ihtiyacı ve fosil yakıt kullanımının çevresel etkileri, sürdürülebilir enerji teknolojilerine olan talebi artırmıştır. Bu durum, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımını teşvik ederek çevre dostu çözümlerin önünü açmıştır. Güneş enerjisi, en yaygın ve temiz enerji kaynaklarından biri olarak, bu alandaki çalışmalarda önemli bir yer tutmaktadır. Özellikle Yoğunlaştırılmış Güneş Enerjisi (CSP) sistemleri, güneş ışınlarını odaklayarak yüksek sıcaklıklara ulaşmakta ve bu ısıyı elektrik üretiminde kullanmaktadır. CSP sistemlerinin diğer enerji üretim yöntemlerinden farkı, enerji depolama kapasitesine sahip olmasıdır. Bu sayede, enerji üretimi yalnızca güneş ışığı mevcutken değil, depolanan enerji aracılığıyla sürekli hale getirilebilir. CSP sistemlerinde, kullanılan malzemelerin özellikleri sistem performansını doğrudan etkiler. Solar tuz, termal yağlar, organikler gibi ısı transfer akışkanları, CSP sistemlerinin temel bileşenlerinden biridir. Ancak, solar tuzun özgül ısı kapasitesi ve yüksek sıcaklıklarda malzeme korozyonuna neden olma eğilimi, CSP sistemlerinin verimliliğini sınırlayan temel faktörlerdir. CSP sistemleri, güneş enerjisinin yoğunlaştırılarak yüksek sıcaklıklara ulaştırıldığı ve bu ısının elektrik enerjisine dönüştürüldüğü sistemlerdir. Güneş ışınları, genellikle aynalar veya kolektörler yardımıyla bir odak noktasında toplanır ve bu odakta yüksek sıcaklık elde edilir. CSP sistemleri, genelde dört farklı tasarım kullanır: parabolik oluk kolektörleri, güneş kuleleri, parabolik çanaklar ve Fresnel yansıtıcıları. Bu tasarımlar, farklı uygulama alanları ve ihtiyaçlara göre optimize edilmiştir. Parabolik oluk kolektörleri (PTC), CSP sistemlerinde en yaygın kullanılan teknolojilerden biridir. Bu sistemde, parabolik bir ayna yardımıyla güneş ışınları odaklanır ve odakta bulunan tüp içerisindeki ısı transfer akışkanı ısıtılır. Bu yöntem, hem ekonomik hem de teknik açıdan avantajlıdır. Güneş kuleleri ise daha yüksek sıcaklıklara ulaşmayı mümkün kılar ve bu sayede daha yüksek termal verimlilik sunar. Parabolik çanaklar ve Fresnel yansıtıcıları da, farklı ölçeklerde enerji üretiminde kullanılmaktadır. CSP sistemlerinde termal enerji depolama (TES) sistemleri önemli bir rol oynar. TES, enerji üretimini yalnızca güneş ışığı mevcutken değil, depolanan enerji aracılığıyla gece saatlerinde veya bulutlu günlerde de sürdürülebilir kılar. Termal enerji depolama sistemlerinin verimliliği, kullanılan malzemenin özelliklerine bağlıdır. Bu nedenle, TES için kullanılan akışkanların termal performanslarının iyileştirilmesi, CSP sistemlerinin genel başarısını artırabilir. Bu çalışmada, solar tuza magnezyum oksit (MgO) nanoparçacıklarının eklenmesiyle oluşturulan nanoakışkanların termal performansı ve korozyon davranışları detaylı şekilde incelenmiştir. Ayrıca, paslanmaz çelik yüzeylere uygulanan nikel-fosfor (Ni-P) kaplamaların korozyon direnci üzerindeki etkileri araştırılmıştır. Çalışmanın temel amacı, CSP sistemlerinin enerji verimliliğini artırmak ve sistem bileşenlerinin ömrünü uzatmaktır. Solar tuz, genellikle NaNO₃ ve KNO₃'ün ikili ötektik karışımından oluşan bir erimiş tuzdur ve CSP sistemlerinde yaygın olarak kullanılır. Solar tuz, yüksek termal stabiliteye ve geniş bir çalışma sıcaklık aralığına sahip olması nedeniyle tercih edilmektedir. Ancak, bu malzemenin düşük özgül ısı kapasitesi, enerji depolama verimliliğini sınırlamaktadır. Ayrıca, yüksek sıcaklıklarda solar tuzun metal yüzeylerle reaksiyona girerek korozyona neden olduğu bilinmektedir. Bu durum, sistem bileşenlerinin ömrünü kısaltabilir ve bakım maliyetlerini artırabilir. Nanoakışkanlar, bu sorunlara çözüm olarak ortaya çıkmıştır. Nanoakışkanlar, baz akışkana eklenen nanometre boyutundaki parçacıklarla oluşturulur. Bu parçacıklar, akışkanın termal iletkenliğini, ısı kapasitesini ve kararlılığını artırır. MgO nanoparçacıkları, CSP sistemleri için ideal bir katkı maddesidir. MgO'nun yüksek termal iletkenliği, kimyasal stabilitesi ve düşük maliyeti, bu malzemeyi CSP uygulamaları için uygun bir seçenek haline getirmektedir. Çalışmada, solar tuza MgO nanoparçacıkları eklenerek oluşturulan nanoakışkanların termal performansı ve korozyon davranışları detaylı şekilde incelenmiştir. Nanoakışkanların sentezi, baz akışkan içerisine nanometre boyutundaki parçacıkların homojen ve kararlı bir şekilde dağıtılmasını içerir. Nanoakışkanların etkinliği, sentez yöntemi ve parçacıkların dağılımına bağlıdır. İki temel sentez yöntemi bulunmaktadır: tek aşamalı ve iki aşamalı yöntemler. Tek aşamalı yöntemde, nanoparçacıkların üretimi ve akışkana dağıtılması aynı anda gerçekleştirilir. Bu yöntem, enerji ve malzeme tasarrufu sağlaması açısından avantajlıdır. İki aşamalı yöntemde ise nanoparçacıklar önceden üretilir ve ardından baz akışkana eklenir. Bu yöntemde homojen bir dağılım sağlamak için ultrasonikasyon gibi yöntemler kullanılır. Çalışmada, MgO nanoparçacıkları, ultrasonikasyon ve manyetik karıştırma teknikleri kullanılarak solar tuza homojen şekilde dağıtılmıştır. Parçacıkların boyut dağılımı ve morfolojisi taramalı elektron mikroskobu (SEM) ile analiz edilmiştir. Kristal yapıları ise X-ışını kırınımı (XRD) ile incelenmiştir. MgO katkısının özgül ısı kapasitesine etkilerini anlayabilmek için DSC analizleri yapılarak, konvansiyonel Solar Tuz ile arasındaki farklılıklar göz önüne serilmiş olup, elde edilen sonuçlar ümit vericidir. CSP sistemlerinde kullanılan yüksek sıcaklıklı ısı transfer akışkanları, metal yüzeylerde korozyon riskini artırabilir. Özellikle solar tuz, paslanmaz çelik gibi bileşenlerle reaksiyona girerek korozyon süreçlerini hızlandırır. Bu durum, sistemin ömrünü kısaltabilir ve bakım maliyetlerini artırabilir. Çalışmada, bu sorunu ekonomik ve üretim kolaylığı acısından süreci zorlaştırmayacak şekilde kaplamalar tercih edilmiştir. Bu noktada nikel kaplamaların geliştirilen sistem ile uygunluklarını anlamak için iki tuz sistemiyle beraber korozyon testine sokulmasına karar kılınmıştır. Nikel kaplamalar hem elektrolitik(akımlı) hem de akımsız yöntemlerle uygulanabilir. Elektrolitik kaplama, elektrik akımı yardımıyla metal yüzey üzerine nikel biriktirilmesini sağlarken, akımsız kaplama ise kimyasal reaksiyonlarla gerçekleştirilir ve elektrik akımına ihtiyaç duymaz. Çalışmada optimum kaplama koşulları tespit edildikten sonra bütün altlık gruplarına benzer prosedürde kaplama işlemi uygulanmıştır. Akımsız nikel kaplamalarda kaplamaların fosfor içeriği, kaplamanın yapısını ve korozyon direncini doğrudan etkiler. Yüksek fosfor içerikli kaplamalar, amorf yapıları nedeniyle daha yüksek korozyon direnci sağlarken sertlik miktarı düşmektedir. Çalışma şartlarındaki aşındırıcı yükleri de göz önünde bulundurularak düşük fosfor içerikli kaplamalar tercih edilmiştir. Kaplama kalınlıklarının benzer miktarda olmasına önem gösterilmiş, kalınlık sebebiyle oluşabilecek varyasyonlardan kaçılmıştır. Her iki yöntemin oluşturulmuş olan iki farklı tuz sistemlerindeki korozyon direnci üzerindeki etkileri incelenmiştir. Korozyon testi BS ISO 17245:2015 standardına uygun olarak tüp fırın içerisinde gerçekleştirilmiştir. Yapılan test esnasında sürekli olarak kuru hava üflenerek oluşan gazların sistem içerisindeki kompozisyonu bozmaması sağlanmıştır. Testler 100 saat süresince 550 derece sıcaklıkta kesintisiz devam edilmiştir. Yapılan testler sonrasında numuneler dikkatli bir şekilde temizlendikten sonra analiz adımlarına geçilmiştir. Analizler sonucunda elde edilen bulgular oluşturulan tuz sisteminin başarılı bir şekilde ısı kapasitesini sıvı fazda %59 varan oranda arttırıldığı tespit edilmiştir. Aynı zaman da oluşan MgO taneciklerinin boyutları 62,2 nm mertebesinde bulunmuş olup bu oluşturulan tuz sisteminin nanoakışkan olarak tanımlandırılabilir. Akımsız nikel kaplamaların test sonrasında Solar tuza olan dirençleri oldukça iyi gözükürken MgO katkısı yapıldığında korozyon direncinin yetersiz kaldığı tespit edilmiştir. Akımlı kaplamaların direnci ise MgO katkısı yapıldığında arttığı, bunun kaplama esnasında yüzeyde oluşan gaz çıkışları sebebiyle oluşan poroz yapı olduğu görülmüştür. Ayrıca paslanmaz çeliklerin yüzeyinde MgO katkısı sebebiyle oluşan MgCrxOy spinellerinin korozyon direncini arttırdığı görülmüştür.
Özet (Çeviri)
The global shift towards renewable energy has highlighted the critical need for sustainable and efficient technologies to address the growing energy demand and mitigate the environmental impact of fossil fuels. Concentrated Solar Power (CSP) systems, particularly parabolic trough collectors (PTCs), represent a promising solution due to their capacity for energy storage and dispatchability. This thesis focuses on advancing the cost-effectiveness and durability of CSP technologies by enhancing the thermal energy storage medium and protecting structural materials. A primary focus of this study is on molten solar salt (a binary eutectic mixture of NaNO₃ and KNO₃), commonly used as a heat transfer fluid (HTF) in CSP systems. While molten salts offer thermal stability and economic advantages, their relatively low specific heat capacity limits their efficiency. To address this, the thesis investigates the incorporation of magnesium oxide (MgO) nanoparticles into molten salts to improve specific heat capacity, leveraging the unique properties of nanofluids. Experimental results demonstrate significant improvements in thermal performance, reduced investment costs, and enhanced energy storage efficiency. Corrosion is a critical challenge in CSP systems, particularly at elevated temperatures. The thesis explores nickel coatings, specifically electrolytic and electroless nickel-phosphorus (Ni-P) coatings, as protective layers for stainless steel components exposed to molten salts. Both coating methods are analyzed for their ability to mitigate corrosion. The integration of advanced nanofluids and protective coatings contributes to extending the service life and reducing operational costs of CSP systems. This research provides valuable insights into material and process optimization for renewable energy technologies, promoting their broader adoption as sustainable energy solutions.
Benzer Tezler
- AZ31 magnezyum alaşımı üzerine CeO2 ilaveli peo kaplamaların korozyon davranışının araştırılması
The investigation of corrosion behavior of peo coatings on AZ31 magnesium alloy by incorporation the CeO2 particles
AHMET MELİK YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Metalurji MühendisliğiAtatürk ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ERSİN ARSLAN
- Düşük çinkolu Li2O-ZnO-SiO2 camlarının kristalizasyon davranışı ve cam seramiklerinin eğme mukavemetlerine P2O5'in etkisi
Başlık çevirisi yok
ONUR MENTEŞE
- Magnezyum alaşımlarının ergitme prosesinde kullanılan koruyucu gaz atmosferlerinin incelenmesi
Investigation of the protective gas atmospheres used for melting process of magnesium alloys
MELTEM DEMİRCİ
Yüksek Lisans
Türkçe
2014
Makine MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. HÜSEYİN SÖNMEZ
DR. ALİ SERDAR VANLI
- 5754 alüminyum alaşımının kaynak davranışının incelenmesi
The analysis of 5754 aluminum alloy?s welding behaviour
SAVAŞ AKINCI
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Metalurji Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. YILMAZ TAPTIK
- Magnezyum alaşımı AZ63'ün pH 7'deki korozyon davranışının elektrokimyasal empedans spektroskopisi yöntemiyle araştırılması
Investigation of the corrosion behavior of AZ63 magnesium alloy at pH 7 with electrochemical impedance spectroscopy
İLTER MEHMET GÜNEŞDOĞDU
Yüksek Lisans
Türkçe
2007
Metalurji MühendisliğiEskişehir Osmangazi ÜniversitesiMetalurji Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ.DR. MUSTAFA ANIK