Makaleler / Elektrik / Elektrik Enerjisi / Güneş Enerjisi


Yazar: Güney Güngör
Gönderen: Elektro   Tarih: 11-04-2002 13:50
Yorumlar: (0)   Oylar:
Güneş Enerjisi

Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreciyle açığa çıkan ısınma enerjisidir,güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir.

  • Dünya ile güneş arasındaki mesafe 150 milyon km’dir.
  • Dünyaya güneşten gelen enerji, dünyada bir yılda kullanılan enerjinin 20 bin katıdır.
  • Güneş, 5 milyar yıl sonra tükenecektir.

    Güneş ışınımının %50 si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Bu enerji dünyanın sıcaklığıyla yükselir ve yeryzün-de yasam mümkün olur. Rüzgar hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Güneşten gelen ışınımının % 20’si atmosfer bulutlarda tutulur. Yeryüzüne gelen güneş ışınımının % 1’inden azı bitkiler tarafından fotosentez olayında kullanılır. Bitkiler fotosentez sırasında güneş ışığıyla birlikte karbondioksit ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez yeryüzünde bitkisel yaşamın kaynağıdır.

    GÜNEŞ ENERJİSİ TEKNOLOJİLERİ

    Güneş enerjisi teknolojisi yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok eşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir:

  • ISIL GÜNEŞ TEKNOLOJİLERİ: Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir.
  • GÜNEŞ PİLLERİ: Fotovoltaik pillerde denen bu yarı iletken malzemeler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler.
    ISIL GÜNEŞ TEKNOLOJİLERİ

    DÜZLEMSEL GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ:
    Güneş enerjisini toplayan ve bir akışkana ısı olarak aktaran çeşitli tür ve biçimlerdeki aygıtlardır. En çok evlerde sıcak su ısıtma amacıyla kullanılmaktadır. Ulaştıkları sıcaklık 70 derece civarındadır. Bu kollektörler, üstten alta doğru, camdan yapılan üst örtü, cam ile absorban plaka arasında yeterince boşluk, metal veya plastik absorban plaka, arka ve yan yalıtım ve bu bölümleri içine alan bir kasadan oluşmuştur. Absorban plakanın yüzeyi genellikle koyu renkte olup bazen seçiciliği artıran bir madde ile kaplanır. Kollektörler yörenin enlemine bağlı olarak güneşi maksimum alacak şekilde sabit bir açı ile yerleştirilirler. Güneş kollektörlü sistemler tabi dolaşımlı ve pompalı olmak üzere ikiye ayrılırlar. Bu sisteler evlerin yanında, yüzme havuzları ve sanayi tesisleri içinde sıcak su sağlanmasında kullanılır.

    GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ:

    Bu sistemlerde, vakumlu cam borular ve gerekirse absorban yüzeyine gelen enerjiyi artırmak için metal yada cam yansıtıcılar kullanılır. Bunların çıkışları daha yüksek sıcaklıkta olduğu için (100-200 derece), düzlemsel kollektörlerin kullanıldığı yerlerde ve ayrıca yiyecek dondurma, bina soğutma gibi daha geniş bir yelpazede kullanılabilirler. 

    GÜNEŞ HAVUZLARI:
    Yaklaşık 5-6 metre derinlikteki suyla kaplı havuzun siyah renkli zemini güneş ışınımını yakalayarak 90 derece sıcaklıkta sıcak su elde edilmesinde kullanılır. Havuzdaki ısının dağılımı suya eklenen tuz konsantrasyonu ile düzenlenir, tuz konsantrasyonu en üstten alta doğru artar. Böylece en üstten soğuk su yüzeyi bulunsa bile havuzun alt kısmında doymuş tuz konsantrasyonu bulunan bölgede sıcaklık yüksek olur. Bu sıcak su bir eşanjöre pompalanarak ısı olarak yararlanılabileceği gibi Rakin çevrimi ile elektrik üretiminde de kullanılabilir. Güneş havuzları konusunda en fazla İsrail’de çalışmalar yapılmıştır Bu ülkede 150 KW gücünde 5 MW gücünde iki sistem yanında Avustralya’da 15 KW ve ABD’de 400 KW gücünde güneş havuzları bulunmaktadır.

    GÜNEŞ BACALARI:
    Bu yöntemde güneşin ısı etkisinden dolayı oluşan hava hareketinden yararlanılarak elektrik üretilir. Güneşe maruz bırakılan şeffaf malzeme ile 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. Bu tesisin gücü 30-100 MW gücünde olabilir. Deneysel bir kaç sistem dışında uygulaması yoktur.

    SU ARITMA SİSTEMLERİ:
    Bu sistemler esas olarak sığ bir havuzdan ibarettir. Havuzun üzerine eğimli şeffaf-cam yüzeyler kapatır. Havuzda buharlaşan su, bu kapaklar üzerinde yoğunlaşarak toplanırlar. Bu tür sistemler, temiz su kaynağının bulunmadığı bazı yerleşim yerlerinde yıllardır kullanılmaktadır. Su arıtma havuzları üzerinde yapılan Ar-Ge çalışmaları ilk yatırım ve işletme maliyetlerinin azaltılmasında ve verimin artırılmasına yöneliktir.

    GÜNEŞ ISIL ELEKTRİK SANTRALLERİ
    (YOĞUNLAŞTIRICI SİSTEMLER)

    PARABOLİK OLUK KOLLEKTÖRLER:
    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 odaklar. Kollektörler genellikle, güneşin doğudan batıya hareketini izleyen tek eksenli bir izleme sistemi üzerine yerleştirilirler. Toplanan ısı, elektrik üretimi için enerji santraline gönderilir. Bu sistemler yoğunlaştırma yaptıkları için daha yüksek sıcaklığa ulaşabilirler. Doğrusal yoğunlaştırıcı termal sistemler ticari ortama girmiş olup, bu sistemlerin en büyük ve en tanınmış olanı 350 MW gücündeki şimdiki Kramer&Junction eski luz İnternational santrallerdir.

    PARABOLİK ÇANAK SİSTEMLER:
    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 yada odak bölgesine monte edilen bir stirling birleşimiyle güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülmesinde % 30 civarında verim elde edilmiş olur.

    MERKEZİ ALICI SİSTEMLER:

    Tek tek odaklanma 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. Bu sistemlerde ısı aktarım akışkanı olarak hava da kullanılabilir, bu durumda sıcaklık 800 dereceye çıkar. Heliostatlar bilgisayar tarafından kontrol edilerek alıcının sürekli güneş alması sağlanır. Bu sistemlerin kapasite ve sıcaklıkları, sanayi ile kıyaslanabilir düzeyde olup Ar-Ge çalışmaları devam etmektedir.

    GÜNEŞ PİLLERİ (FOTOVOLTAİK PİLLER)

    Güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddedir. Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye bağlı olarak çalışırlar, yani üzerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.

    Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel yada seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü yada fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirine seri yada paralel bağlanarak bir kaç Watt’tan megaWatt’lara kadar sistem oluşturulur.Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan maddeler ;kristal silisyum, amorf silisyum, Galyum Arsenit, Kadmiyum Tellürid (CdTe), Bakır İndiyum Diselenid’dir. Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatör, invertörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak güneş pili sistemi (fotovoltaik sistem ) oluştururlar. Bu sistemler, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Bunun dışında dizel jeneratörler ya da başka güç sistemleri ile birlikte karma olarak kullanılmaları da mümkündür.

    Bu sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda ya da özellikle gece süresince kullanılmak üzere genellikle sistemde akümülatör bulundurulur. Güneş pili modülleri gün elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolar, yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesini engellemek için kullanılan denetim birimi ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı ya da yükün çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir invertör eklenerek akümülatördeki DC gerilim, 220 V, 50Hz’lik sinüs dalgasına dönüştürülür. Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli destek elektronik devreler sisteme katılabilir. Bazı sistemlerde, güneş pillerinin maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayan maksimum güç noktası izleyici cihazı bulunur.

    Şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri ise iki ana gruba ayrılır. İlk tür sistem, temelde bir yerleşim biriminin örneğin, bir konutun elektrik gereksinimini karşılar. Bu sistemlerde, üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılır, yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda ise şebekeden enerji alınır. Böyle bir sistemde enerji depolamaya gerek yoktur, yalnızca üretilen DC elektriğin, AC elektriğe çevrilmesi ve şebekeye uyumlu olması yeterlidir. İkinci tür şebekeye bağlı güneş pili sistemleri kendi başına elektrik üretip, bunu şebekeye satan büyük güç üretim merkezleri şeklindedir. Bunların büyüklüğü 500 KW den megawattlara kadar değişir. Güneş pili sistemlerinin kullanıldığı tipik uygulama alanları aşağıda sıralanmıştır.


    -Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri.
    -Petrol boru hatlarının katodik korunması.
    -Metal yapıların ( köprüler, kuleler vb. ) korozyondan korunması.
    -Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, hava gözlem istasyonları.
    -Bina içi yada dışı aydınlatma.
    -Dağ evleri yada yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması.
    -Tarımsal sulama yada ev kullanımı amacıyla su pompajı.
    -Orman gözetleme kuleleri.
    -Deniz fenerleri.
    -İlk yardım, alarm ve güvenlik sistemleri.
    -Deprem ve hava gözleme istasyonları.
    -İlaç ve aşı soğutma.

    GÜNEŞ PİLLERİNİN YAPISI ve ÖZELLİKLERİ

    Güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları 100 cm kare civarında , kalınlıkları ise özellikle en yaygın olan silisyum güneş pillerinde 0,2-0,4 mm arasındadır.

    Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Deniz seviyesinde, parlak bulutsuz bir gündeki güneş ışınımının şiddeti maksimum 1000 w/m kare civarındadır, yöreye bağlı olarak 1 m kareye düşen güneş enerjisi miktarı yılda 800 ile 2600 KWH arasında değişir. Bu enerji, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.

    GÜNEŞ PİLİ NASIL ÇALIŞIR:

    Yarıiletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bantlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman enerjisini valans banttaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece elektron-hol çifti oluşur. Bu olay, PN eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmişse elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları N bölgesine, holleri de P bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri güneş pilinin uçlarında yaralı bir güç çıkışı oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.

    GÜNEŞ PİLİ YAPIMI:

    Çok çeşitli yapım yolları olmakla birlikte günümüzde tipik bir tek kristal yapılı PN eklem güneş pili şöyle yapılır:
    Silisyum bir pil için, hem P hem N tabakanın saf silisyumdan yapılması gereklidir. Saf silisyum, tek kristal yapısına sahiptir. Silisyum büyütme sürecinde, silisyum eriyiğine az miktarda 3. Grup maddesi ellenerek P tabakası elde edilir. N tabakası ise, eklem oluşturma yada difüzyon sürecinde elde edilir. Bu süreç sırasında P tipi silisyum tabakaları, yüksek sıcaklıklarda 5.grup elementi içeren ortama tutulurlar. Böylece N tipi katkı maddesi, silisyum yüzeye girerek kristal ağ içine yerleşir, konsantrasyonu daha fazla olduğu için P tipi maddeyi aşırı katkılaşarak N tabakayı oluşturur. Bu şekilde bir PN eklem elde edilmiş olur.

    Daha sonra ön yüzey olan N tabakadan olabildiğince az alan kapatılacak şekilde metal bağlantılar alınır, arka yüz olan P tabakası ise tamamen metalle kaplanır. Ön yüzey güneş ışığının yansımasını minimize etmek için yansıma önleyici bir madde ile kaplanır ve son olarak aygıt, çevre koşullarından zarar görmemesi için saydam bir koruyucu malzeme ( cam vb. )ile kaplanarak güneş pilinin fabrikasyonu tamamlanır.

    GÜNEŞ PİLİ TÜRLERİ:


    -Kristal silisyum güneş pilleri.
    a)Monokristal silisyum güneş pilleri
    b)Semi kristal (yarı kristal ) silisyum güneş pilleri.
    c)Ribbon silisyum güneş pilleri.
    d)polikristal silisyum güneş pilleri
    -İnce film güneş pilleri.
    a)amorf silisyum güneş pilleri
    b)Diğer yapılar .

    BAĞIMSIZ GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİ

    Fotovoltaik sistemlerde en tipik en yaygın kullanım şekli yerleşim yerlerinden uzak yörelerde enerji gereksinimini karşılayan bağımsız sistemlerdir. Bu sistemler birkaç wattan birkaç yüz watta kadar değişebilen güçlerde ve çok çeşitli türlerde yüklerin enerji talebini karşılayabilir.

    ÜLKEMİZDE GÜNEŞ PİLLERİ İLE İLGİLİ ÇALIŞMALAR

    Özellikle gelişmiş ülkelerce, güneş pilleri konusunda sürdürülen Ar-Ge ve uygulama çalışmaları paralelinde, ülkemizde de başta elektrik işleri etüt idaresi genel müdürlüğü olmak üzere kamu kurum ve kuruluşları ile bazı üniversitelerde çalışmalar sürdürülmektedir.

    E.İ.E. bünyesinde yürütülen, bu konudaki uygulama, Ar-Ge ve demostrasyon çalışmaları aşağıda özetlenmiştir.

    -Güneş pilleri konusunda, mevcut teknolojiyi takip etmek amacıyla, 1983 yılında Türkiye Atom Enerjisi Kurumu ( TEAK )ile E.İ.E. ortak bir proje yapmıştır. Bu proje sonucunda “ Metal-Yalıtkan-Yarıiletken ( MİS ) “ türü 2 Wp gücünde güneş pili paneli yerli imkanlarla laboratuar şartlarında imal edilmiştir.
    -Elektrik enerjisinin götürülemediği küçük yerleşim birimlerinde çevre aydınlatmasında kullanılmak üzere güneş enerjisi ile çalışan bağımsız bir birim geliştirilmiştir. Bu birim, iki adet güneş pili modülü ( her biri 48 w ) , 18 w gücünde alçak basınçlı sodyum buharlı lamba, invertör, regülatör, 12 v kuru akü ve direkten oluşmaktadır. Bu proje kapsamında 5 adet aydınlatma birimi geliştirilmiştir .
    Araştırma kuruluşları (TÜBİTAK MARMARA ) ve bazı üniversitelerimizde (GAZİ ÜNİVERSİTESİ, OTDÜ, İTÜ, HACETTEPE ÜNİVERSİTESİ ÇUKUROVA ÜNİVERSİTESİ ) güneş pilleri ile ilgili olarak

    -Su pompajı
    -Elektrik üretimi
    -Aydınlatma
    -Laboratuar koşullarında imalat gibi konularda araştırma, geliştirme ve demonstrasyon çalışmaları sürdürülmektedir.