Güneş Enerjisi

Güneş, 1.39 x 109

m çapında, yoğun sıcak gazlar içeren bir küredir ve dünyadan ortalama 1.5 x 1011 m uzaklıktadır. Yüzey sıcaklığı tahminlere göre 5777 K civarındadır. Güneşten gelen ışınım enerjisinin kaynağı çeşitli füzyon reaksiyonlarıdır. Bu reaksiyonlarda enerji açığa çıkmaktadır. Bu enerji, çeşitli dalga boylarında ışınlar halinde dünyaya ulaşır. Güneş ışınımının bir kısmı dünya atmosferinden girerken yutulur. Geri kalan ışınımın bir miktarı havada toz parçacıkları, bulutlar ve hava tarafından yansımaya uğrar. Yansımaya uğrayan bu kısım difüz güneş ışınımı, dünya üzerine yansımaya uğramadan direk gelen ışınımda direk güneş ışınımı olarak adlandırılır. Güneşten yeryüzüne gelen ışınım şiddeti, gün içinde geliş açısına bağlı olarak değişir. Bu şiddet, öğle vaktinde o gün içindeki en yüksek değerine ulaşır. Bunun sebebi, güneş ışınlarının atmosfer içinde izlediği yolun öğle vaktinde en az olmasıdır (Şenol, 2005). Güneş açıları Şekil 3.4’de gösterilmiştir.

Şekil 3.4. Güneş açıları (Anonim, 2009b)

Şekil 3.4’de güneş açıları gösterilen açılar aşağıda açıklanmıştır.

α:Yükseklik açısı olup, güneş ışınımı ile yatay arasındaki açıdır. Tanımlamaya göre αs = 90 - θz olur.

γs: Güneş azimut açısı olup, güneş ışınlarının kuzeye göre, saat dönüş yönünde,

sapmasını gösteren açıdır.

γ: Yüzey azimut açısı olup, yüzeyin dikeyinin, yerel boylama göre, sapmasını gösteren

açıdır. Güneye bakan yüzeyler için γ=0o

olur. Doğuya yönelen yüzeyde artı değer alır. Batıya yönelen yüzeyde eksi değer alır.

θ : Geliş açısı olup yüzeyin normali ile güneş ışını arasındaki açıdır.

θz : Zenit açısı olup, ışın ile yatay yüzeyin dikeyi arasındaki açıdır. Tanımlamaya göre

θz=90-α olur.

φ : Enlem açısı olup, kuzey yarım kürede artı değerini alır. ω : Saat açısı olup, saat 12’de ω = 0o

olur. Bir saat 15 o boylama eşittir. Öğleden önce açı artı değer alır. Öğleden sonra açı eksi değer alır.

β: Eğim açısı olup yüzey ile yatay arasındaki açıdır. Ekvatora yönelen yüzey için artı

değer alır.

3.2.1. Fotovoltaik paneller

Güneş enerjisinden elektrik üretimi konusunda sıkça bahsedilen fotovoltaik (photovoltaic - PV) terimi, ışıktan gerilim üretilmesi anlamına gelir. Güneş pilleri, enerjinin korunumu yasasına uygun olarak, ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren cihazlar olup enerjiyi depolayamazlar (Şenol, 2005). Güneş pilleri fotovoltaik ilkelere dayalı olarak üzerine düşen enerjiyi elektriğe dönüştürürler. Yarı iletken malzemeler üzerine ışık düştüğü zaman uçları arasında bir potansiyel fark oluşur. Malzeme uçları bir dış devreye bağlanarak elektrik üretimi sağlanır. Fotovoltaik etki, ışık bir yarıiletken tarafından soğurulduğunda oluşur. Yarı iletken bant aralığı küçükse; fotovoltaik sistemin uçları arasında oluşan potansiyel fark küçük ve dış devre akımı büyük olur (Küpeli, 2005). Şekil 3.5’de fotovoltaik etki şematik olarak gösterilmektedir.

Şekil 3.5. Fotovoltaik hücre çalışma prensibi (Anonim, 2009)

3.2.2. Fotovoltaik paneller için kullanılan malzemeler

Tek Kristalli Silisyum Fotovoltaikler: Fotovoltaik panel üretiminde yüksek verimli olduğu için kullanılan malzemelerden biridir. Elektrik, optik ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi ve silisyum üretim teknolojilerinin gelişmesine bağlı olarak bu malzeme popülerlik kazanmıştır. Saf silisyum elde edilmesi zor ve maliyetli olmaktadır. Bu bakımdan üretim maliyetleri yüksek olmaktadır. Çeşitli uygulamalar için n- tipi ve p- tipi olarak katkılanırlar. Katkı maddesi olarak Arsenik,

Boron, Galyum, Fosfor ve Alüminyum kullanılır. Laboratuar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir (Erdoğan, 2010).

Çok Kristalli Silisyum Fotovoltaikler: Çok kristalli malzemede damarların kristal yapılarının yönlenmeleri dışında elektrik, optik ve yapısal özellikleri özdeştir. Damarların büyüklükleri kristalin kalitesi ile doğru orantılı olarak değişmektedir. Elektriksel yük değişikliklerinin aktarılmasında damarlar arasında süreksizlik önemli bir sorun olarak öne çıkmaktadır. Elektriksel özelliklerin küçülen damar büyüklüğü ile orantılı olması tek kristalli malzemeler ile karşılaştırıldığında verimin daha düşük olmasına neden olmaktadır. Bunun yanı sıra çok kristalli malzemelerin üretim teknolojileri basittir ve maliyetleri de önemli ölçüde düşüktür (Erdoğan, 2010).

Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen çok kristal silisyum güneş pilleri nispeten ucuza üretilmekte, ancak verimleri daha düşük olmaktadır. Verim laboratuar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır (Erdoğan, 2010).

Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle, laboratuar şartlarında %25 ve %28 verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenler ile oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır (Erdoğan, 2010).

Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu silisyum pillerinden elde edilen verim %10 dolaylarında, ticari modüllerde ise %5-7 düzeyindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarı saydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir (Erdoğan, 2010).

Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe’in güneş pili maliyetlerini çok aşağılara çekilebileceği tahmin edilmektedir. Laboratuar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.

Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristal yapılı pilde laboratuar

şartlarında %17.7, enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10.2 verim elde edilmiştir.

Optik Yoğunlaştırıcı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarda modül verimi %17’nin pil verimi ise %30’un üzerine çıkarılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemelerden yapılmaktadır (Erdoğan, 2010).

Fotovoltaik teknolojiler üzerine günümüzde çalışmalar hız kazanmıştır. Özellikle verimlerinin arttırılması konusunda çalışmalar mevcuttur. Concentrix firması ışığın yoğunlaştırılması ve güneş pilinin konumlandırılmasıyla modül verimliliğinde %26’nın üzerinde sonuç elde etmiştir. Ayrıca, Flatcon, teknolojisiyle daha önce sadece uzayda kullanılan yüksek verimli güneş pillerini yeryüzünde kullanmak için ilk adımı atan firma olmuştur. Bu güneş pilleri günümüz ölçülerine göre dikkat çekici şekilde %35’lik bir verimlilik düzeyine ulaşabilmektedirler (Erdoğan, 2010). Son yıllarda ABD Enerji Bakanlığı Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuar’ındaki (NREL) bilim insanları, üzerine düşen ışığın %40.8’ini elektriğe dönüştüren bir fotovoltaik aygıt geliştirdiklerini duyurmuştur (Erdoğan, 2010). Benzer bir yaklaşımı kullanan Delaware Üniversitesi bilim insanları, %42.8 oranında verimlilik aldıkları başka bir aygıt geliştirerek NREL’in rekorunu kırmışlardır (Anonim, 2008 ). Fraunhofer araştırma merkezindeki bilim adamları tarafından 2003 yılında başlatılan FP6-FullSpectrum proje kapsamında %32’lik bir verim elde edilmiş, ekim 2008’de proje sonunda %35’lik verim üzerine çıkılmıştır (Shiflette, 2009).

3.2.3. Fotovoltaik panel uygulama alanları

Fotovoltaik panellerin, aydınlatma sistemlerinden uzay teknolojilerine kadar geniş bir alanda uygulamaları yapılmaktadır. Örneğin, haberleşme istasyonlarında, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemlerinde, petrol boru hatlarının katodik korumasında, metal yapıların, köprülerin ve kulelerin korozyon korumasında, elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümlerde, bina içi ve dışı aydınlatmada, dağ evleri ya da yerleşim yerlerindeki evlerde, televizyon, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalışmasında, su pompalamada, orman gözetleme kulelerinde, deniz fenerlerinde, ilkyardım, alarm güvenlik sistemlerinde, deprem ve hava gözlem istasyonlarında, ilaç ve aşı soğutma gibi pek çok alanda yaygın olarak kullanılmaktadırlar.