GÜNEÅž ENERJÄ°SÄ°
GüneÅŸin çekirdeÄŸinde bulunan hidrojen gazları füzyon reaksiyonu ile helyuma dönüÅŸür ve bu sırada açığa büyük bir enerji çıkar. Bu enerji GüneÅŸ Enerjisi olarak adlandırılır. GüneÅŸ enerjisinin dünya atmosferinin dışında ki ÅŸiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² deÄŸerindedir. Dünyanın atmosferinin yapısı, Dünyanın geoit yapısı ve yeryüzünün girinti çıkıntıları nedeniyle güneÅŸ enerjisinin yeryüzündeki dağılımı farklılık göstermektedir. Dünyaya ulaÅŸan miktar 0-1100 W/m² deÄŸerleri arasında deÄŸiÅŸim gösterir.
GüneÅŸ radyasyonu enerjisinin %46’sı spektrumun kızılötesi bölgesinde, %45’i görünür ışık bölgesinde, geri kalan yüzdesi de mor ötesinde bulunur. GüneÅŸ ışınımının tamamı yeryüzüne ulaÅŸmaz, %30 kadarı dünya atmosferi tarafından geriye yansıtılır, %50’si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. GüneÅŸten gelen ışınımın %20’si ise, atmosfer ve bulutlarda tutulur. Dünyaya gelen bütün güneÅŸ ışınımı, sonunda ısıya dönüÅŸür veya geri yansıtılır.
Tarihte güneÅŸ enerjisinin ısınma amaçlı kullanımı 1900’lü yıllara dayanmaktadır. Bu yıllarda öncelikle ABD’de baÅŸlamış olup dünyada hızlı bir ÅŸekilde yayılmıştır. Bu sürecin takibinde Ä°kinci Dünya Savaşı sonrası yaygınlaÅŸan elektrik ve gaz dağıtım sistemleri yeterince ucuzlamış ve güneÅŸ enerjisine olan ilgi azalmıştır. Yalnızca fosil yakıtlara eriÅŸim sıkıntısı yaÅŸayan ülkelerde güneÅŸ enerjisinin ilkel teknolojileri kullanılmaya devam edilmiÅŸtir. Buna müteakip 1970’lerdeki enerji krizi ve fiyatların artışı tekrar yenilenebilir enerjiye yönelim saÄŸlamışken bu da pek uzun sürmemiÅŸtir. 1980’lerin sonlarında ortaya çıkan petrol bolluÄŸu enerji fiyatlarını tekrar düÅŸürmüÅŸ ve yenilenebilir enerji bir kez daha rafa kaldırılmıştır. 2000’li yıllarda yaÅŸanan enerji sorunları bu kez sadece enerji kıtlığı ile sınırlı kalmamış beraberinde çevre sorunlarını da gündeme getirmiÅŸtir. Kyoto Protokolü’nün de büyük etkisiyle daha uzun vadeli ve emin adımlarla yenilenebilir enerjinin köklü adımları atılmaya baÅŸlanmıştır. Günümüzde de bu süreç her geçen gün büyüyerek devam etmektedir.
​
GüneÅŸ enerjisinin kullanım aÅŸamasında iki farklı özelliÄŸinden faydalanılmaktadır. Bunlardan birisi güneÅŸin ısısından faydalanılan ısıl sistemler diÄŸeri ise fotonların enerjisinden faydalanılan fotovoltaik sistemlerdir.
​
Fotovoltaik Sistemler
Fotovoltaik kelimesinin kökeni Latincede ışık anlamında kullanılan “Photo” ve gerilimin birimi “Volta” kelimelerinden oluÅŸmaktadır. GüneÅŸ hücreleri seri ya da paralel baÄŸlanarak güneÅŸ panelleri oluÅŸturulur. GüneÅŸ panelleri, fotonlardan yüzeylerine ulaÅŸan ışınımı doÄŸrudan elektrik enerjisine dönüÅŸtüren yarıiletken maddelerdir.
GüneÅŸ panelleri, üzerlerine ışık düÅŸtüÄŸü zaman hücrelerin uçlarında elektrik gerilimi oluÅŸması olarak tanımlanan fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışmaktadır. Kısaca çalışma prensibini anlatacak olursak, fotonun enerjisi yarı iletken malzemeye geçerek malzemedeki elektron baÄŸlarını zayıflatır. Bu sayede elektronların hareket etmesi saÄŸlanarak elektrik akımı oluÅŸur. Yarı iletkenler üzerine konulan metal kollektörler bu elektrik akımını toplarlar.
Fotovoltaik Hücre Tipleri
Kristal silikon yapılar
Kristal silikon yapılı hücrenin hammaddesi silisyumdur. Bunun temelde iki nedeni vardır:
-
Silisyum atomunun kimyasal ve elektriksel niteliklerini uzun zaman koruması
-
Silisyum üretim teknolojisindeki ilerlemeler
Bunun yanında saf kristal üretimi oldukça zor ve maliyetli bir iÅŸlemdir. Silisyum, oksijenden sonra dünyada en fazla bulunan elementtir fakat doÄŸada saf halde bulunmamaktadır. Hücre yapımında kullanmak için silikon saflaÅŸtırılmaktadır. Yüksek miktarda enerji ile ısıl iÅŸlem uygulanarak silikon dioksit bileÅŸiÄŸinden ayrılmakta ve diÄŸer proseslerle saflık derecesi arttırılmaktadır.
1) Monokristal hücre: Yüksek verimli monokristalin hücrelerden meydana gelmektedir. Bilinen en eski üretim teknolojisi olmasına raÄŸmen en maliyetli olanıdır. Üretim aÅŸaması uzun sürmektedir. Bulunan hücre tipleri arasında en yüksek verime sahip olanı monokristalindir. Yapısında sadece yüksek saflıktaki kristal kullanıldığından mono adını almaktadır. Uzun ömürlü sistemlerdir. Verimlilikleri %16 - %20 civarındadır. Hücre örnekleri aÅŸağıdaki ÅŸekilde gösterilmektedir.
2) Polikristal hücre: Monokristal hücrelerin maliyetli olması polikristal hücrelerin üretilme ihtiyacını ortaya çıkarmıştır. Yeterince saf olmayan heterojen bir yapıya sahiptir. Teknolojisi daha ucuz ve kolay olup verimleri de daha düÅŸüktür. Hücre verimleri %11 - %17 aralığındadır. Polikristal hücre örneÄŸi ÅŸekildeki gibidir.
Ä°nce film güneÅŸ panelleri
Üretimleri çok hızlı gerçekleÅŸmekte, maliyetleri düÅŸük ve teknolojileri kolaydır. Kristal yapılara oranla verimleri çok daha düÅŸük olmaktadır. Bu sebeple yüksek güç üretmek için büyük alanlara ihtiyaç duyarlar. Verim deÄŸerleri %7 - %11 civarlarında olmaktadır. Küçük sistemler olan solar ÅŸarj aleti gibi yerlerde kullanımı tercih edilmektedir.
Teknik Bilgi "Fotovoltaik Etki"
Klasik güneÅŸ hücrelerinde yarı iletken devre elemanlarının yapımında kullanılan silisyum kullanılmaktadır. Silisyum atomu dış kabuÄŸunda dört valans elektronu bulunan bir has yarı iletken malzemedir. Has yarı iletken bir malzeme yabancı atomlarından arıtıldıktan sonra düzgün kristalleÅŸtirildiÄŸinde düzgün bir kristal yapı oluÅŸturmaktadır. Kristal yapıdaki bir Si atomunun her valans elektronunun en yakın dört komÅŸu Si atomu ile ortaklaÅŸa kullanılmasının sonucu komÅŸu atomlar arasında baÄŸlayıcı kuvvetler oluÅŸur. Isıl uyarma ile bu elektronlar yerlerinden koparak “serbest elektron” haline geçerler. Kristal yapı içinde rastgele dolaÅŸan bu elektronlar bir elektriksel alan uygulandığında bu alana zıt yönde
(negatif uçtan pozitif uça) sürüklenmekte ve bir elektrik akımının akmasına sebep olmaktadırlar. Isıl uyarma ile bulunduÄŸu yerinden ayrılan elektron sonrası bu yerde bir pozitif yük bulunur. Bu pozitif yüklere delik (hole) adı verilir. Delikler de komÅŸu atomlardan çalınan elektronlarla doldurularak kristal yapı içinde rastgele hareket ederler. Bir elektriksel alan uygulandığında delikler de elektronların tersi olacak ÅŸekilde alanın belirlediÄŸi yönde (pozitif uçtan negatif uca) sürüklenerek bir akım akmasına sebep olurlar.
​
Periyodik cetvelin 5. Grup elementleri ile 4. Grup elementlerini katkıladığımızda iki elementin dörder elektronu kovalent baÄŸ yaparlar. 5. Grup elementi kalan 1 fazla elektronunu kristal yapıya verir. Bu tür atomlara donör atom denilmektedir. Her verici atom kristale 1 fazlalık elektron kattığı için kristalde (-) yüklü taşıyıcı yoÄŸunluÄŸu artar. Bu tür katkılanmış yarı iletkenler n-tipi yarı iletken olarak adlandırılmaktadır. Yarı iletkende iletim elektronlarla gerçekleÅŸmektedir.
​
Has yarı iletkenler eÄŸer 3. grup elementleri ile katkılanırsa kovalent baÄŸ gerçekleÅŸtirmek için kristalden 3. grup elementi kristalden 1 elektron alır. Kristalden elektron alan bu atomlara akseptör (alıcı) denilmektedir. Her alıcı atom kristalden 1 elektron alır ve kristalde pozitif yüklü deliklerin yoÄŸunluÄŸu artmış olur. Bu tür katkılanmış yarı iletkene p-tipi yarı iletken denmektedir. Ä°letim deliklerle gerçekleÅŸmektedir.
​
Bir güneÅŸ pilinin çalışması aÅŸağıdaki ÅŸekilde gösterilmiÅŸtir. Bu tip güneÅŸ pilleri p-n eklemi olarak adlandırılan P-tipi ve N-tipi yarı iletkenlerin birleÅŸiminden oluÅŸmaktadır. Elektronlar ve boÅŸluklar bu eklemden yayılarak bir elektrik alanı oluÅŸtururlar. Serbest elektronlar, n tabakasına gelen fotonların etkisi ile üretilmektedir. GüneÅŸ ışığının fotonları güneÅŸ pilinin yüzeyine çarptığında ve yarı iletken tarafından soÄŸurulduÄŸunda elektron ve boÅŸluk çiftleri oluÅŸturur. EÄŸer bu çiftler P-N eklemine yeterince yakın ise elektrik alanı yüklerin ayrılması sebep olur ve elektronlar N-tipi tarafına ve boÅŸluklar da P-tipi tarafına hareket eder. EÄŸer güneÅŸ pilinin iki tarafı bir yüke baÄŸlanmış ise, pile güneÅŸ geldiÄŸi sürece bir elektrik akımı devam edecektir.
On-Grid Sistem
Hybrid Sistemler
Off-Grid Sistem
-
Üretilen enerji ÅŸebeke elektriÄŸine verilir.
-
Üretilen enerji ÅŸebeke elektriÄŸine verilir.
-
Üretilen enerji ÅŸebeke elektriÄŸine verilir.
Isıl Sistemler
Bu tip sistemlerde GüneÅŸ Enerjisi'nin ısısından faydalanılır. Bu ısı direkt ısı enerjisi olarak ya da elektrik enerjisine dönüÅŸtürülerek kullanılır.
GüneÅŸ enerjisi uygulamaları elde edilen sıcaklık deÄŸerlerine göre;
-
DüÅŸük sıcaklık (20-100°C) uygulamaları
-
Orta sıcaklık (100-300°C) uygulamaları
-
Yüksek sıcaklık (>300°C) uygulamaları
​
DüÅŸük Sıcaklık Uygulamaları
Düzlemsel GüneÅŸ Kolektörleri: GüneÅŸ enerjisini toplar ve akışkana ısı olarak aktarırlar. En çok evlerde sıcak su ısıtma amacıyla kullanılmaktadır. UlaÅŸtıkları sıcaklık yaklaşık 70°C civarındadır. Absorban plakanın yüzeyi genellikte koyu renkte olup bazen seçiciliÄŸi artıran bir madde ile kaplanır. Kolektörler, yörenin enlemine baÄŸlı olarak güneÅŸi maksimum alacak ÅŸekilde, sabit bir açıyla yerleÅŸtirilirler. GüneÅŸ kolektörlü sistemler tabii dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılır. Bu sistemler evlerin yanında, yüzme havuzları ve sanayi tesisleri için de sıcak su saÄŸlanmasında kullanılır.
​
GüneÅŸ Havuzları: GüneÅŸ havuzları, tuzlu suyun kaynama noktasının altındaki sıcaklıklarda GüneÅŸ enerjisinin toplanmasını ve depolanmasını saÄŸlayan üniteler olarak tanımlanmaktadır. Havuzun birim alanından kazanılan enerji, aynı depolama sıcaklığında çalışan düzlemsel kolektörle kıyaslandığı zaman, havuzun düÅŸük maliyet ve büyük ısı depolama kapasitesi gibi avantajları belirtilmektedir. Bununla birlikte havuzların çatılar üzerine ve yüksek eÄŸimli yerlere kurulamaması gibi kısıtlamaları da bulunmaktadır. Küçük havuzların topraÄŸa karşı izole edilememesi de verimi düÅŸürür.
Bu uygulamada yaklaşık 5-6 metre derinlikteki suyla kaplı havuzun siyah renkli zemini, güneÅŸ ışınımını yakalayarak 90 °C sıcaklıkta sıcak su elde edilmesinde kullanılabilmektedir. Bu sıcak su, bir eÅŸanjöre pompalanarak, doÄŸrudan ısı olarak yararlanılabileceÄŸi gibi, Rankin çevrimi ile elektrik üretiminde de kullanılabilmektedir.
​
Vakumlu GüneÅŸ Kollektörleri: Bu tip sistemlerde, vakumlu cam borular ve gerekirse absorban yüzeyine gelen enerjiyi artırmak için metal ya da cam yansıtıcılar kullanılmaktadır. Vakumlu güneÅŸ kolektörlerinin çıkışları daha yüksek sıcaklıkta olduÄŸu için (100-120 °C), düzlemsel kolektörlerin kullanıldığı yerlerde ve ayrıca yiyecek dondurma, bina soÄŸutma gibi daha geniÅŸ bir yelpazede kullanılabilmektedir.
​
GüneÅŸ Bacaları: Bu yöntemde güneÅŸin ısı etkisinden dolayı oluÅŸan hava hareketinden yararlanılarak elektrik üretilir. GüneÅŸe maruz bırakılan ÅŸeffaf malzemeyle kaplı bir yapının içindeki toprak ve hava, çevre sıcaklığından daha çok ısınacaktır. Isınan hava yükseleceÄŸi için, çatı eÄŸimli yapılıp, hava akışı çok yüksek bir bacaya yönlendirilirse baca içinde 15 m/sn hızda hava akışı-rüzgar oluÅŸacaktır. Baca giriÅŸine yerleÅŸtirilecek yatay rüzgar türbini bu rüzgarı elektriÄŸe çevirecektir. Bir tesisin gücü 30-100 MW arasında olabilir. Deneysel bir kaç sistem dışında uygulaması yoktur.
​
YoÄŸunlaÅŸtırılmış GüneÅŸ Enerji Sistemleri
Parabolik çanak tipi yoÄŸunlaÅŸtırıcı sistemler: Parabolik çanak tipi yoÄŸunlaÅŸtırıcılar noktasal olarak yoÄŸunlaÅŸtırma yapan sistemlerdir. Yansıtıcı yüzey olarak aynalar kullanılmaktadır. Ä°ki eksende güneÅŸi takip ederek, sürekli olarak güneÅŸi odaklama bölgesine yoÄŸunlaÅŸtırırlar. Termal enerji, odaklama bölgesinden uygun bir çalışma sıvısı ile alınarak, termodinamik bir dolaşıma gönderilebilir ya da odak bölgesine monte edilen bir Stirling motor yardımı ile elektrik enerjisine çevrilebilir. Çanak-Stirling bileÅŸimiyle güneÅŸ enerjisinin elektriÄŸe dönütürülmesinde % 30 civarında verim elde edilmektedir. Bu sistemler küçük modüllerden oluÅŸtuÄŸu için, enerji ihtiyacı duyulan yerlerin yakınında ve ihtiyaç duyulan kapasitede tesis edilebilirler.
​
Merkez Alıcılı Sistemler: Tek tek odaklama yapan ve heliostat adı verilen aynalardan oluÅŸan bir alan, güneÅŸ enerjisini, alıcı denen bir kule üzerine monte edilmiÅŸ ısı eÅŸanjörüne yansıtır ve yoÄŸunlaÅŸtırır. Alıcıda bulunan ve içinden akışkan geçen boru yumağı, güneÅŸ enerjisini üç boyutta hacimsel olarak absorbe eder. Bu sıvı, Rankine makineye pompalanarak elektrik üretilir. Alıcıda ısıtılan akışkan, buhar jeneratörüne gönderilerek buhar üretilir. Bu buhar, buhar türbininden geçirilerek elektrik üretilir. Bu çevrimden sonra buhar, kondansatörde soÄŸutma suyu çevrimi ile soÄŸutulur ve tekrar buhar jeneratörüne döner. Bu sistemlerde ısı aktarım akışkanı olarak termal yaÄŸ, tuz eriyiÄŸi su ya da hava kullanılabilir, bu durumda sıcaklık 800°C 'ye çıkar.
​
​
Fresnel Mercekli YoÄŸunlaÅŸtırıcı Sistemler: Yan yana, çok sayıda dar ve düz aynanın doÄŸrudan ışınımı ayrı bantlar halinde, orta üst kısımdaki alıcı boru üstünde doÄŸrudan odaklaması ile çalışır. Parabolik oluk kollektörlere kıyasla imalatları daha ekonomik olan bu sistemde güneÅŸ ışınımını daha geniÅŸ bir alandan toplamak ve çalışma sıvısı kullanmadan suyu doÄŸrudan ısıtmak mümkündür, ancak toplam sistem verimi daha düÅŸüktür ve ticari olarak parabolik oluk kollektörler kadar yaygınlaÅŸmamıştır.
​
Parabolik Oluk Tipi YoÄŸunlaÅŸtırıcı Sistemler: DoÄŸrusal yoÄŸunlaÅŸtırıcı termal sistemlerin en yaygınıdır. Kollektörler, kesiti parabolik olan yoÄŸunlaÅŸtırıcı dizilerden oluÅŸur. Kollektörün iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneÅŸ enerjisini, kollektörün odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah bir absorban boruya odaklarlar. Kollektörler genellikle, güneÅŸin doÄŸudan batıya hareketini izleyen tek eksenli bir izleme sistemi üzerine yerleÅŸtirilirler. Enerjiyi toplamak için absorban boruda bir sıvı dolaÅŸtırılır. Toplanan ısı, elektrik üretimi için enerji santraline gönderilir. Bu sistemler yoÄŸunlaÅŸtırma yaptıkları için daha yüksek sıcaklığa ulaÅŸabilirler.
​