GÜNEŞ ENERJİSİ
Güneşin çekirdeğinde bulunan hidrojen gazları füzyon reaksiyonu ile helyuma dönüşür ve bu sırada açığa büyük bir enerji çıkar. Bu enerji Güneş Enerjisi olarak adlandırılır. Güneş enerjisinin dünya atmosferinin dışında ki şiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² değerindedir. Dünyanın atmosferinin yapısı, Dünyanın geoit yapısı ve yeryüzünün girinti çıkıntıları nedeniyle güneş enerjisinin yeryüzündeki dağılımı farklılık göstermektedir. Dünyaya ulaşan miktar 0-1100 W/m² değerleri arasında değişim gösterir.
Güneş radyasyonu enerjisinin %46’sı spektrumun kızılötesi bölgesinde, %45’i görünür ışık bölgesinde, geri kalan yüzdesi de mor ötesinde bulunur. Güneş ışınımının tamamı yeryüzüne ulaşmaz, %30 kadarı dünya atmosferi tarafından geriye yansıtılır, %50’si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Güneşten gelen ışınımın %20’si ise, atmosfer ve bulutlarda tutulur. Dünyaya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda ısıya dönüşür veya geri yansıtılır.
Tarihte güneş enerjisinin ısınma amaçlı kullanımı 1900’lü yıllara dayanmaktadır. Bu yıllarda öncelikle ABD’de başlamış olup dünyada hızlı bir şekilde yayılmıştır. Bu sürecin takibinde İkinci Dünya Savaşı sonrası yaygınlaşan elektrik ve gaz dağıtım sistemleri yeterince ucuzlamış ve güneş enerjisine olan ilgi azalmıştır. Yalnızca fosil yakıtlara erişim sıkıntısı yaşayan ülkelerde güneş enerjisinin ilkel teknolojileri kullanılmaya devam edilmiştir. Buna müteakip 1970’lerdeki enerji krizi ve fiyatların artışı tekrar yenilenebilir enerjiye yönelim sağlamışken bu da pek uzun sürmemiştir. 1980’lerin sonlarında ortaya çıkan petrol bolluğu enerji fiyatlarını tekrar düşürmüş ve yenilenebilir enerji bir kez daha rafa kaldırılmıştır. 2000’li yıllarda yaşanan enerji sorunları bu kez sadece enerji kıtlığı ile sınırlı kalmamış beraberinde çevre sorunlarını da gündeme getirmiştir. Kyoto Protokolü’nün de büyük etkisiyle daha uzun vadeli ve emin adımlarla yenilenebilir enerjinin köklü adımları atılmaya başlanmıştır. Günümüzde de bu süreç her geçen gün büyüyerek devam etmektedir.
Güneş enerjisinin kullanım aşamasında iki farklı özelliğinden faydalanılmaktadır. Bunlardan birisi güneşin ısısından faydalanılan ısıl sistemler diğeri ise fotonların enerjisinden faydalanılan fotovoltaik sistemlerdir.
Fotovoltaik Sistemler
Fotovoltaik kelimesinin kökeni Latincede ışık anlamında kullanılan “Photo” ve gerilimin birimi “Volta” kelimelerinden oluşmaktadır. Güneş hücreleri seri ya da paralel bağlanarak güneş panelleri oluşturulur. Güneş panelleri, fotonlardan yüzeylerine ulaşan ışınımı doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir.
Güneş panelleri, üzerlerine ışık düştüğü zaman hücrelerin uçlarında elektrik gerilimi oluşması olarak tanımlanan fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışmaktadır. Kısaca çalışma prensibini anlatacak olursak, fotonun enerjisi yarı iletken malzemeye geçerek malzemedeki elektron bağlarını zayıflatır. Bu sayede elektronların hareket etmesi sağlanarak elektrik akımı oluşur. 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 işlemdir. Silisyum, oksijenden sonra dünyada en fazla bulunan elementtir fakat doğada saf halde bulunmamaktadır. Hücre yapımında kullanmak için silikon saflaştırılmaktadır. Yüksek miktarda enerji ile ısıl işlem uygulanarak silikon dioksit bileşiğinden ayrılmakta ve diğer proseslerle saflık derecesi arttırılmaktadır.
1) Monokristal hücre: Yüksek verimli monokristalin hücrelerden meydana gelmektedir. Bilinen en eski üretim teknolojisi olmasına rağmen en maliyetli olanıdır. Üretim aşaması 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 aşağıdaki şekilde 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 düşüktür. Hücre verimleri %11 - %17 aralığındadır. Polikristal hücre örneği şekildeki gibidir.
İnce film güneş panelleri
Üretimleri çok hızlı gerçekleşmekte, maliyetleri düşük ve teknolojileri kolaydır. Kristal yapılara oranla verimleri çok daha düşük olmaktadır. Bu sebeple yüksek güç üretmek için büyük alanlara ihtiyaç duyarlar. Verim değerleri %7 - %11 civarlarında olmaktadır. Küçük sistemler olan solar şarj aleti gibi yerlerde kullanımı tercih edilmektedir.
Teknik Bilgi "Fotovoltaik Etki"
Klasik güneş hücrelerinde yarı iletken devre elemanlarının yapımında kullanılan silisyum kullanılmaktadır. Silisyum atomu dış kabuğunda dört valans elektronu bulunan bir has yarı iletken malzemedir. Has yarı iletken bir malzeme yabancı atomlarından arıtıldıktan sonra düzgün kristalleştirildiğinde düzgün bir kristal yapı oluşturmaktadır. Kristal yapıdaki bir Si atomunun her valans elektronunun en yakın dört komşu Si atomu ile ortaklaşa kullanılmasının sonucu komşu atomlar arasında bağlayıcı kuvvetler oluşur. Isıl uyarma ile bu elektronlar yerlerinden koparak “serbest elektron” haline geçerler. Kristal yapı içinde rastgele dolaşan 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 bulunduğu yerinden ayrılan elektron sonrası bu yerde bir pozitif yük bulunur. Bu pozitif yüklere delik (hole) adı verilir. Delikler de komşu atomlardan çalınan elektronlarla doldurularak kristal yapı içinde rastgele hareket ederler. Bir elektriksel alan uygulandığında delikler de elektronların tersi olacak şekilde alanın belirlediği 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 bağ 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 yoğunluğu artar. Bu tür katkılanmış yarı iletkenler n-tipi yarı iletken olarak adlandırılmaktadır. Yarı iletkende iletim elektronlarla gerçekleşmektedir.
Has yarı iletkenler eğer 3. grup elementleri ile katkılanırsa kovalent bağ gerçekleştirmek 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 yoğunluğu artmış olur. Bu tür katkılanmış yarı iletkene p-tipi yarı iletken denmektedir. İletim deliklerle gerçekleşmektedir.
Bir güneş pilinin çalışması aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Bu tip güneş pilleri p-n eklemi olarak adlandırılan P-tipi ve N-tipi yarı iletkenlerin birleşiminden oluşmaktadır. Elektronlar ve boşluklar bu eklemden yayılarak bir elektrik alanı oluştururlar. Serbest elektronlar, n tabakasına gelen fotonların etkisi ile üretilmektedir. Güneş ışığının fotonları güneş pilinin yüzeyine çarptığında ve yarı iletken tarafından soğurulduğunda elektron ve boşluk çiftleri oluşturur. Eğer bu çiftler P-N eklemine yeterince yakın ise elektrik alanı yüklerin ayrılması sebep olur ve elektronlar N-tipi tarafına ve boşluklar da P-tipi tarafına hareket eder. Eğer güneş pilinin iki tarafı bir yüke bağlanmış ise, pile güneş geldiği sürece bir elektrik akımı devam edecektir.
On-Grid Sistem
Hybrid Sistemler
Off-Grid Sistem
-
Üretilen enerji şebeke elektriğine verilir.
-
Üretilen enerji şebeke elektriğine verilir.
-
Üretilen enerji şebeke elektriğine verilir.
Isıl Sistemler
Bu tip sistemlerde Güneş Enerjisi'nin ısısından faydalanılır. Bu ısı direkt ısı enerjisi olarak ya da elektrik enerjisine dönüştürülerek kullanılır.
Güneş enerjisi uygulamaları elde edilen sıcaklık değerlerine göre;
-
Düşük sıcaklık (20-100°C) uygulamaları
-
Orta sıcaklık (100-300°C) uygulamaları
-
Yüksek sıcaklık (>300°C) uygulamaları
Düşük Sıcaklık Uygulamaları
Düzlemsel Güneş Kolektörleri: Güneş enerjisini toplar ve akışkana ısı olarak aktarırlar. En çok evlerde sıcak su ısıtma amacıyla kullanılmaktadır. Ulaştıkları sıcaklık yaklaşık 70°C civarındadır. Absorban plakanın yüzeyi genellikte koyu renkte olup bazen seçiciliği artıran bir madde ile kaplanır. Kolektörler, yörenin enlemine bağlı olarak güneşi maksimum alacak şekilde, sabit bir açıyla yerleştirilirler. Güneş kolektörlü sistemler tabii dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılır. Bu sistemler evlerin yanında, yüzme havuzları ve sanayi tesisleri için de sıcak su sağlanmasında kullanılır.
Güneş Havuzları: Güneş havuzları, tuzlu suyun kaynama noktasının altındaki sıcaklıklarda Güneş enerjisinin toplanmasını ve depolanmasını sağlayan üniteler olarak tanımlanmaktadır. Havuzun birim alanından kazanılan enerji, aynı depolama sıcaklığında çalışan düzlemsel kolektörle kıyaslandığı zaman, havuzun düşük maliyet ve büyük ısı depolama kapasitesi gibi avantajları belirtilmektedir. Bununla birlikte havuzların çatılar üzerine ve yüksek eğimli yerlere kurulamaması gibi kısıtlamaları da bulunmaktadır. Küçük havuzların toprağa karşı izole edilememesi de verimi düşürür.
Bu uygulamada yaklaşık 5-6 metre derinlikteki suyla kaplı havuzun siyah renkli zemini, güneş ışınımını yakalayarak 90 °C sıcaklıkta sıcak su elde edilmesinde kullanılabilmektedir. Bu sıcak su, bir eşanjöre pompalanarak, doğrudan ısı olarak yararlanılabileceği gibi, Rankin çevrimi ile elektrik üretiminde de kullanılabilmektedir.
Vakumlu Güneş Kollektörleri: Bu tip sistemlerde, vakumlu cam borular ve gerekirse absorban yüzeyine gelen enerjiyi artırmak için metal ya da cam yansıtıcılar kullanılmaktadır. Vakumlu güneş kolektörlerinin çıkışları daha yüksek sıcaklıkta olduğu için (100-120 °C), düzlemsel kolektörlerin kullanıldığı yerlerde ve ayrıca yiyecek dondurma, bina soğutma gibi daha geniş bir yelpazede kullanılabilmektedir.
Güneş Bacaları: Bu yöntemde güneşin ısı etkisinden dolayı oluşan hava hareketinden yararlanılarak elektrik üretilir. Güneşe maruz bırakılan şeffaf malzemeyle kaplı bir yapının içindeki toprak ve hava, çevre sıcaklığından daha çok ısınacaktır. Isınan hava yükseleceği için, çatı eğimli yapılıp, hava akışı çok yüksek bir bacaya yönlendirilirse baca içinde 15 m/sn hızda hava akışı-rüzgar oluşacaktır. Baca girişine yerleştirilecek yatay rüzgar türbini bu rüzgarı elektriğe çevirecektir. Bir tesisin gücü 30-100 MW arasında olabilir. Deneysel bir kaç sistem dışında uygulaması yoktur.
Yoğunlaştırılmış Güneş Enerji Sistemleri
Parabolik çanak tipi yoğunlaştırıcı sistemler: Parabolik çanak tipi yoğunlaştırıcılar noktasal olarak yoğunlaştırma yapan sistemlerdir. Yansıtıcı yüzey olarak aynalar kullanılmaktadır. İki eksende güneşi takip ederek, sürekli olarak güneşi odaklama bölgesine yoğunlaştırırlar. 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 bileşimiyle güneş enerjisinin elektriğe dönütürülmesinde % 30 civarında verim elde edilmektedir. Bu sistemler küçük modüllerden oluştuğu için, enerji ihtiyacı duyulan yerlerin yakınında ve ihtiyaç duyulan kapasitede tesis edilebilirler.
Merkez Alıcılı Sistemler: Tek tek odaklama yapan ve heliostat adı verilen aynalardan oluşan bir alan, güneş enerjisini, alıcı denen bir kule üzerine monte edilmiş ısı eşanjörüne yansıtır ve yoğunlaştırır. Alıcıda bulunan ve içinden akışkan geçen boru yumağı, güneş 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 soğutma suyu çevrimi ile soğutulur ve tekrar buhar jeneratörüne döner. Bu sistemlerde ısı aktarım akışkanı olarak termal yağ, tuz eriyiği su ya da hava kullanılabilir, bu durumda sıcaklık 800°C 'ye çıkar.
Fresnel Mercekli Yoğunlaştırıcı Sistemler: Yan yana, çok sayıda dar ve düz aynanın doğrudan ışınımı ayrı bantlar halinde, orta üst kısımdaki alıcı boru üstünde doğrudan odaklaması ile çalışır. Parabolik oluk kollektörlere kıyasla imalatları daha ekonomik olan bu sistemde güneş ışınımını daha geniş bir alandan toplamak ve çalışma sıvısı kullanmadan suyu doğrudan ısıtmak mümkündür, ancak toplam sistem verimi daha düşüktür ve ticari olarak parabolik oluk kollektörler kadar yaygınlaşmamıştır.
Parabolik Oluk Tipi Yoğunlaştırıcı Sistemler: Doğrusal yoğunlaştırıcı termal sistemlerin en yaygınıdır. Kollektörler, kesiti parabolik olan yoğunlaştırıcı dizilerden oluşur. Kollektörün iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, güneş enerjisini, kollektörün odağında yer alan ve boydan boya uzanan siyah bir absorban boruya odaklarlar. Kollektörler genellikle, güneşin doğudan batıya hareketini izleyen tek eksenli bir izleme sistemi üzerine yerleştirilirler. Enerjiyi toplamak için absorban boruda bir sıvı dolaştırılır. Toplanan ısı, elektrik üretimi için enerji santraline gönderilir. Bu sistemler yoğunlaştırma yaptıkları için daha yüksek sıcaklığa ulaşabilirler.