Enerji Kaynağı olarak Güneş

Geçmişte ve günümüzde yararlandığımız tüm enerjilerin kaynağı güneştir. Evrimsel kozmolojik süreçte karbon atomunun oluşması ile başlayan organik maddeler, güneş ışınlarından soğurduğu enerjiyi fotosentez yaparak gövdelerinde dallarında ve yaprak-larında depo etmişlerdir. Jeolojik devirlerde bitkilerde dahil tüm canlılar, yani organik yapılanmalar, çok çeşitli fiziksel kimyasal ve jeolojik değişimler sonucu yerküreyi mey-dana getiren katmanların altında kalarak kömürü, petrolü ve doğalgazı oluşturmuşlar-dır. Fosil yakıt olarak bilinen kömür, petrol ve doğal gaz esasında güneş enerjisinin şe-kil değiştirmiş halleridir. Aşağıdaki şeşe-kilde fosil yakıtların ve uranyum rezervlerin güneş ışınımı ile tahmini karşılaştırılması verilmiştir.

Şekil 1.2. Dünyadaki enerji kaynaklarının potansiyel olarak karşılaştırılması

Karaların ısınma ısısı denizlerin ısınma ısısından yüksektir. Bunun sonucu olarak kara-lar denizlere göre daha çabuk ısınırkara-lar. Karakara-ların üzerindeki hava ısındıkça yükselirken yoğunluğu düşer ve boşluk oluşturur. Denizler karalara göre daha geç ısındığından üzerlerindeki hava, kara üzerinde oluşan boşluğu doldurmak üzere karalara doğru ha-reket eder ve rüzgar meydana gelir. Kıyı ötesi rüzgar türbinlerine ilginin nedeni bu

bölgelerdeki rüzgar kalitesidir. Görüldüğü gibi rüzgarı meydana getiren de güneştir.

Dolayısıyla rüzgar enerjisi güneş enerjisinden soyutlanamaz.

Şekil 1.3. Güneş ve Dünya

Güneş enerjisini ışıyarak yayar. Dünyanın yörünge yarıçapı yaklaşık 150 milyon kilo-metredir. Bir başka değişle güneşten dünyamıza enerji bu uzun yolu 8 dakika içinde alarak gelir. Güneşe her baktığımızda onun 8 dakika önceki durumunu görürüz. Bu kadar uzun bir yol olmasına rağmen, yerküre 40 dakika içersinde, dünya üzerinde bir senede tüketilen toplam enerjiye eşit enerjiyi güneş ışınlarından soğurur. Bu akıllara durgunluk verecek bir miktardır. Dolayısıyla bu enerjiden yararlanma yollarını araştır-mak kadar doğru bir şey olamaz. Eski uygarlıkların güneşe tapmalarının nedeni belki de onun bu muazzam gücüdür.

Güneş’in çeşitli yöntemler ile ölçülen sıcaklığı 5.800 santigrat derecedir. Böylesine sı-cak bir cismin gücü, yani bir saniyede yaydığı ışıma enerjisi, yaklaşık 4 x 10²³ kW tır.

Bu 100 watt’lık 400 trilyon çarpı bir trilyon ampul gücüne denktir. Güneşi bir küre olarak düşünürsek, (yaklaşık küre şeklindedir) enerjisini tüm yönlerde homojen olarak yayar.

Atmosferde soğurulduktan sonra yeryüzünün her metre karesine düşen güç ortalama yaklaşık 1.000 watt/m²’dir.

Şekil 1.4. Güneş’ten Dünya’ya gelen ışınım (Einstein’ın el yazısı ile….) 1.3.3. Güneş Pilleri

Güneş pilleri ışıma enerjisini elektrik akımına dönüştüren düzeneklerdir. Işımanın ne olduğunu anlamadan güneş enerjisinin ne olduğunu anlama ve ondan yararlanma ola-nağı yoktur. Şimdi çok kısa olarak ışımanın ne olduğuna bakalım.

Genel anlamda ışıma, özel anlamda ışık, bir elektromanyetik dalgadır. Elektromanye-tik dalga ise, enerjinin elektrik ve manyeElektromanye-tik alanlarının birbirine dik düzlemlerde dalga hareketi yaparak ilerlemesidir. Gözümüze ışık olarak gelen dalganın taşıdığı enerjiyi, fizyolojimiz beynimizde görüntüye dönüştürür. İster deniz dalgası, ister ses dalgası olsun her cins dalga enerji taşır. Deniz kenarındaki kayalara vuran dalgaların veya bir dev dalga türü olan tsunami’ye enerji bağlamında bakılırsa, dalga hareketi ve enerji arasındaki ilişki hemen kavranır. Güneşten yerküreye enerjiyi, elektromanyetik dalga-lar, yani güneş ışınları, deniz dalgalarının kıyılara taşıdığı kinetik enerji gibi taşır.

Elektromanyetik dalga spektrumu bir birinden titreşim frekansları ile ayrılmış çeşit-li bantlardan oluşur. Haberleşme bantları, radyo, telsiz, radar bantları, kırmızı ötesi, görünür ışık, mor ötesi, X veya gama ışınları küçükten büyüğe frekans değerlerine göre sıralanırlar. Haberleşme bantları Şekil (1.5) deki resmin sol kenarına yaklaştıkça uzayan dalga boyları ile gösterilmiştir. Görünür ışık, spektrumda çok dar bir aralıkta yer alır. Güneş ışınları genelde kırmızı ışıktan başlayarak görünür, morötesi, X, gama

ışın-larını içerir. Özellikle mor ötesi, X ve gama ışınları gibi, güneş ışığının yüksek frekanslı yani küçük dalga boylu bileşenleri madde ile etkileşirken bir parçacık gibi davranır ve bir noktadan diğerine dalga hareketi ile giderler. Bu parçacıklara ışıma enerji paketi anlamına gelen foton denir. Güneş enerjisinden yararlanma, güneş ışınları içersindeki yüksek frekanslı bileşenlerin parçacık karakteri taşımasından (yani foton) ileri gelir.

Şekil 1.5. Elektromanyetik Spektrum

Elektromanyetik spektrumun fiziksel özelliklerini anlamadan güneş ışınlarının nasıl elektrik akımına dönüştüğünü anlamak mümkün değildir.

Güneş ışınları, her dakika küresel enerji tü-ketiminden çok daha fazla enerjiyi yerküre-ye taşırlar. Güneş enerjisinin çok büyük bir kısmını görünür ışık bandında yayınlar (2 x 10^-7 ile 4 x 10^-6 metre dalga boyu. Resimde kırmızı dikdörtgen içine alınan bölge.). Yer-küre sıcaklığını yayınlanan bu enerji belirler.

Görüldüğü gibi görünür bölge elektromanye-tik spektrumun dar bir bölgesine karşı gelir.

Güneş enerjisinden yararlanma bağlamında mor ve kırmızı ötesi bantlarındaki yayın önem taşır. Dalga boyu küçülüp frekans arttıkça ışınların taşıdığı enerji miktarı artar. Güneş spektrumundaki mor ötesi bant güneş pil-lerinin üzerine düştüğünde elektrik akımına dönüşür. Görünür bandın uzun dalga boyu düşük frekans ucunda yer alan kırmızı ötesi ışınlar ısı enerjisi taşırlar.

Şekil 1.6. Işık Tayfı

Fotoelektrik paneller çok sayıda güneş pilinden meydana getirilen modüler akım üre-teçleridir. Güneş pilleri dünya üzerinde yokluğu hiçbir zaman hissedilmeyecek silikon gibi basit bir malzemeden üretilir.

Teknolojideki tüm gelişmeler istenilen özellikte malzeme üretimine bağlıdır. Her pilin, batarya gibi, pozitif ve negatif kutupları vardır. Bu kutuplar arasında oluşturulan elektrik alanı, ışınların pil yüzeyindeki ince film tabakasına düştüğünde yarıiletken malzeme-den kopardığı elektronları elektrik akımına dönüştürür. Önemli olan güneş ışınlarının pilin yapıldığı malzemenin üzerine düştüğünde elektron koparabilmesidir. Yarı iletken teknolojisi malzemeye bu özelliği kazandırır. Dolayısıyla güneş enerjisi üzerinde özgün bir şeyler yapabilmek için önce yarıiletken teknolojisinde ustalaşmak gerekir. Gelişmiş ülkelerin bu konularda yaptığı araştırma ve geliştirmelerin ülkemizde yapılmaması için ortada hiçbir neden yoktur. Üniversitelerimizde sadece kişisel gayretler ile bu konular-da çalışmalar yapılmaktadır. Ancak sistematik bir destek söz konusu değildir. Enerji problemini çözmek istiyorsak mutlaka kendi kaynaklarımıza ve kendi kabiliyetlerimize güvenmemiz gerekir. Günümüzde yarıiletken teknolojisinin kalbi olan silikon vadisi yok iken, ülkemiz üniversitelerinin çoğu, araştırma-geliştirme yapmakta idiler. Gecikmiş sayılmayız, ancak ortada, bu konuda, bir milli bilim ve teknoloji politikasının mevcut olmaması nedeniyle ülke olarak güneş panellerini kendimiz üretme yerine gelişmiş ülkelerden ithal etmek zorunda kalmaktayız.