T.C.
SELÇUK ÜNĠVERSĠTESĠ FEN BĠLĠMLERĠ ENSTĠTÜSÜ
GÜNEġ (FOTOVOLTAĠK) VE/VEYA RÜZGÂR ENERJĠSĠ DESTEKLĠ HĠBRĠT ISI POMPASI SĠSTEMĠNĠN DĠNAMĠK PERFORMANSININ
ARAġTIRILMASI Kadir ERDOĞAN YÜKSEK LĠSANS TEZĠ Makine Mühendisliği Anabilim Dalı
Ekim-2010 KONYA Her Hakkı Saklıdır
TEZ BĠLDĠRĠMĠ
Bu tezdeki bütün bilgilerin etik davranıĢ ve akademik kurallar çerçevesinde elde edildiğini ve tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalıĢmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
DECLARATION PAGE
I hereby declare that all information in this document has been obtained and presented in accordance with academic rules and ethical conduct. I also declare that, as required by these rules and conduct, I have fully cited and referenced all material and results that are not original to this work.
Kadir ERDOĞAN Tarih. 08.10.2010
iv
ÖZET
YÜKSEK LĠSANS TEZĠ
GÜNEġ (FOTOVOLTAĠK) VE/VEYA RÜZGÂR ENERJĠSĠ DESTEKLĠ HĠBRĠT ISI POMPASI SĠSTEMĠNĠN DĠNAMĠK PERFORMANSININ ARAġTIRILMASI
Kadir ERDOĞAN
Selçuk Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makine Mühendisliği Anabilim Dalı DanıĢman: Doç. Dr. Muammer ÖZGÖREN
2010, 147 Sayfa Jüri
Doç. Dr. Muammer ÖZGÖREN Yrd. Doç. Dr. Faruk KÖSE Yrd. Doç. Dr. Ali KAHRAMAN
Bu çalıĢmada, örnek bir binanın ıĢınım zaman serileri metoduna göre saatlik olarak dinamik ısı kazancı değerleri hesaplanmıĢtır. Binanın ısı kazancı hesaplanırken Antalya, Konya, Mersin, Muğla, ġanlıurfa gibi güneĢ alma kapasitesi yüksek olan illere ait meterolojiden temin edilen (1997-2008 yılları arasında) sıcaklık, rüzgar hızı ve ıĢınım Ģiddeti dataları kullanılmıĢtır. Binanın soğutma ihtiyacını karĢılamak için Türkiye‟nin çeĢitli iklim Ģartlarında buhar sıkıĢtırmalı soğutma çevrimine göre çalıĢan hava-hava ısı pompası sisteminin termodinamik analizi yapılmıĢtır. Kompresörün elektrik ihtiyacının temiz enerji kaynağı olan güneĢ ve rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretilmesi ile karĢılanması durumları farklı fotovoltaik ve rüzgâr türbin verimleri kabul edilerek değerlendirilmiĢtir. Saatlik kompresör gücü, soğutma tesir katsayıları ve diğer parametrelerin hesabı geliĢtirilen MATLAB programı ile yapılmıĢtır. Seçilen iller için meteorolojik veriler kullanılarak, farklı soğutucu akıĢkanlar (R134a, R410a ve R407), değiĢik buharlaĢma (-5oC, 0oC ve 5oC) ve yoğuĢma sıcaklıklarının dıĢ ortam sıcaklığından (10oC, 15oC ve 20oC) yüksek olması durumları, izentropik verim, 5oC aĢırı ısıtma, 5oC aĢırı soğutma, buharlaĢtırıcıdaki ve yoğuĢturucudaki basınç kayıpları da dikkate alınarak hesaplar yapılmıĢtır. Aynı zamanda Selçuk Üniversitesinde kurulan veri ölçüm sistemi ile sıcaklık ve güneĢ ıĢınımı veri ölçümleri yapılarak da analizler gerçekleĢtirilmiĢtir. Örnek konutun kısmen soğutulması durumunda elektrik ihtiyacının yenilebilir enerji ile karĢılanması durumu da araĢtırılmıĢtır. Soğutma sistemi için gerekli elektrik enerjisi ihtiyacının sadece elektrik hattından, güneĢ enerjisinden (PV), rüzgâr enerjisinden veya bunların birbirini destekleyen farklı kombinasyonlarından karĢılanması durumları değerlendirilmiĢtir. Hesaplamalarda %17-20 PV verimi ve %30 rüzgar türbin verimi olduğu kabul edilmiĢtir. Elde edilen sonuçlardan seçilen beĢ il için sistemin kullanılabileceği görülmüĢtür.
Anahtar Kelimeler: GüneĢ enerjisi, ısı pompası, meteorolojik data, rüzgar
v ABSTRACT
MS THESIS
DYNAMIC PERFORMANCE INVESTIGATION OF A HYBRID HEAT PUMP SYSTEM DRIVEN BY SOLAR (PHOTOVOLTAIC) AND/OR WIND ENERGY
Kadir ERDOĞAN
Selçuk University Graduate School of Natural and Applied Science Department of Mechanical Engineering
Advisor: Assoc. Prof. Dr. Muammer ÖZGÖREN 2010, 147 Pages
Jury
Assoc. Prof. Dr. Muammer ÖZGÖREN Assist. Prof. Dr. Faruk KÖSE Assist. Prof. Dr. Ali KAHRAMAN
In this study, hourly dynamic cooling load capacities (heat gain) of a sample building according to radiant time series (RTS) method are determined by using Meteorological Data such as solar radiation, outside air temperature and wind speed along the years (1997-2008). Antalya, Konya, Mersin, Muğla and ġanlıurfa provinces of Turkey that are the most promising from the point of the solar energy potential are preferred for the analysis. Thermodynamic analysis of an air to air heat pump system designed according to the real vapor compressed refrigeration cycle is done. It is assessed that the electric energy consumption of the compressor is supposedly met from clean energy sources such as solar energy (photovoltaic panels) and wind energy depending on different efficiencies. Compressor power consumption of the cooling requirement and coefficient of performance are hourly computed by a developed in-house MATLAB program for the cooling system working with various refrigerants (R134a, R407c and R410a) under the assumed conditions of pressure losses, isentropic efficiency, 5oC superheated at evaporator, 5oC subcooled at condenser, evaporator temperatures in the range of (-5oC, 0oC and 5oC) and condenser temperatures such as 10oC, 15oC and 20oC higher than the outside ambient air temperature. In addition, the calculations are done by using the data such as solar radiation and outside temperature obtained from the local measurement station at Selcuk University. The meeting of the electric energy demand of the sample building including partially cooling need from the renewable energy is also investigated. In order to meet the electric energy demand of the cooling system, a hybrid combination of photovoltaic panels (PVs) and/or wind turbines (WTs) depending the efficiency ranges of 17%-20% of PV and 30% of the WT is used since the solar and wind energy system supports and balances each other through the day. It is seen from the evaluation of the results that the proposed system driven by hybrid energy can successfully be operated for the chosen provinces.
vi
ÖNSÖZ
Gün geçtikçe geliĢen teknolojiyle birlikte insanların enerji gereksinimleri her gün daha da artmaktadır. Mevcut durumda kullanılan yakıt kaynakları gün geçtikçe tükenme noktasına yaklaĢmakta ve Dünyamız git gide bir enerji çıkmazına doğru yönelmektedir. Artan enerji ihtiyacının karĢılanması için Dünyamız üzerinde var olan yenilebilir enerji kaynaklarının kullanımının bir an önce yaygınlaĢması gerekmektedir. Çevreye zarar vermeyen ve sürekli kendini yenileyebilen bu enerjilerden güneĢ ve rüzgâr enerjisi üzerinde en çok çalıĢılan konu olmuĢtur.
Bu çalıĢmada yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneĢ ve rüzgâr enerjisinin bir uygulaması üzerinde durulmuĢtur. Özellikle ülkemiz açısından yüksek potansiyele sahip olan bu enerji türleri düĢük enerji ihtiyaçlarına yönelik olarak kullanılabilirler. Henüz fotovoltaik hücrelerin ve rüzgâr türbinlerinin tam anlamıyla geliĢmiĢ teknolojilere sahip olmamaları nedeniyle yüksek enerji ihtiyaçlarına yönelik bu teknolojilerin kullanılması ekonomik yönden geleneksel elektrik enerjisi üretim yöntemlerine göre avantajlı olmamaktadır.
Gün geçtikçe yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik çalıĢmalar yoğunlaĢmaktadır. Konvansiyonel enerji kaynaklarının tükenme eğilimde olması bilim insanlarını bu temiz enerji kaynaklarını kullanma üzerine çalıĢmaya yöneltmiĢtir. Bu çalıĢmalar ile yakın gelecekte yenilenebilir enerji kaynakları kullanımı yaygınlaĢması öngörülmekte ve Dünya‘nın enerji gereksinimi karĢılanması için %20‘lere varan katkı sağlanması planlanmaktadır.
Yüksek Lisans öğrenimim süresince çalıĢmalarına yön veren, değerli zamanlarını harcayan, ilgi ve yardımlarını esirgemeyen, düĢüncelerinden her zaman istifade ettiğim ve maddi ve manevi yardımlarını her zaman hissettiğim danıĢman hocam Sayın Doç. Dr. Muammer ÖZGÖREN‘e göstermiĢ olduğu sabır ve güvenden dolayı teĢekkür eder saygılarımı sunarım.
Ayrıca, çalıĢmalarım sırasında her konuda yardımlarını esirgemeyen Yrd. Doç. Dr. Ali KAHRAMAN‘a ve her türlü konuda yardımlarını hiçbir zaman esirgemeyen ArĢ. Gör. Özgür SOLMAZ‘a teĢekkürlerimi sunarım. Ayrıca, yüksek lisans dönemi boyunca bana her türlü izini sağlayan maddi ve manevi desteklerini esirgemeyen sayın iĢverenim Umut AKGÜN‘e de teĢekkürlerimi sunarım.
Değerli fikirleri ile hayatıma yön veren, sevgili AĠLEM‘e hayatım boyunca yaptıkları fedakârlıklardan, sonsuz sabır ve anlayıĢlarından dolayı teĢekkürü bir borç bilirim.
Kadir ERDOĞAN KONYA-2010
vii ĠÇĠNDEKĠLER ÖZET ... iv ÖNSÖZ ... vi İÇİNDEKİLER ... vii SİMGELER VE KISALTMALAR ... ix 1. GİRİŞ ... 1 2. KAYNAK ARAŞTIRMASI ... 3 3. MATERYAL VE YÖNTEM ... 9
3.1. Türkiye Enerji Kaynakları Kullanımı ... 10
3.2 Dünya‟da ve Türkiye‟de Fotovoltaik Enerji ÇalıĢmaları ... 16
3.3 Dünya‟da ve Türkiye‟de Rüzgâr Enerjisi ÇalıĢmaları ... 18
3.4. Rüzgâr ve GüneĢ Enerjisi Sistemleri ... 19
3.4.1. Rüzgâr Enerjisi ... 19
3.4.2. GüneĢ Enerjisi ... 23
3.5. Soğutma ve Soğutma Sistemleri ... 29
3.5.1 Soğutma Çevrimi Hesaplamaları ... 29
3.5.2 Soğutma Çevriminde Kullanılan Soğutucu AkıĢkanlar ... 31
3.6 Isı Pompaları ... 32
3.6.1. Isı Pompalarının ÇalıĢma Prensipleri ... 34
3.7 Isı Kazancı Hesaplama Yöntemi ... 35
3.7.1 IĢınım Zaman Serileri Hesap Metodolojisi ... 37
3.8 Analiz Yöntemi ... 41
3.8.1 Teorik Analiz Yöntemi ... 41
3.8.2 Bilgisayar Programı AkıĢ Diyagramı ... 43
3.9. Meteorolojik Veri Ölçümü ... 49
4. ARAŞTIRMA SONUÇLARI VE TARTIŞMA ... 56
4.1. Teorik Analiz ... 56
4.2. Ölçülen Veriler ile Analiz ... 102
4.3. Model Bir Konutun Elektrik Ġhtiyacının Rüzgâr ve GüneĢ Enerjisi Ġle KarĢılanmasının AraĢtırılması ... 108
4.3.1. GüneĢ ve Rüzgâr Enerjisinden Hibrit Elektrik Üretimi ... 109
4.3.1. AraĢtırma Bulguları ve TartıĢma ... 110
4.3.2 Sonuçlar ve Değerlendirme ... 117 4.4. Soğutma Tesir Katsayısı ve Ġzentropik Verimin Genel Değerlendirilmesi 118
viii 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER ... 127 5.1. Sonuçlar ... 127 5.2. Öneriler ... 130 KAYNAKLAR ... 132 ÖZGEÇMİŞ ... 137
ix
SĠMGELER VE KISALTMALAR
Simgeler
ASHGFgüneĢ :Yutma ısı kazanç faktörü aj :j. yutma katsayısı
APV :Fotovoltaik panel alanı (m2) ASL :Pencere alanı (m2)
Agölge :Gölgede kalan pencere alanı (m2) Apen :Pencere yüzey alanı (m2)
ART :Rüzgâr türbin süpürme alanı (m2) Cp :Havanın özgül ısısı (J/kgK)
GD :Direkt güneĢ ıĢınım Ģiddeti (W/m2) Gd :Yaygın ıĢınım Ģiddeti (w/m2)
h2 :Kompresör çıkıĢında akıĢkanın sahip olduğu entalpi değeri (kJ/kg.K) h1 :Kompresör giriĢinde akıĢkanın sahip olduğu entalpi değeri (kJ/kg.K) H2 :Rüzgâr hızı hesaplanacak olan yükseklik (m)
H1 :Referans yükseklik (m/s) I :GüneĢ ıĢınımı (W/m2)
hi :Ġç ortamdaki ısı taĢınım katsayısı (W/m2K) ho :DıĢ ortamdaki ısı taĢınım katsayısı (W/m2K) :AkıĢkan debisi (m3
/h)
Ni :Yutulan ısı kazancının içeri giren ısı kazancına oranı Py :YoğuĢturucudaki basınç (Pa)
Pb : BuharlaĢtırıcıdaki basınç (Pa)
:Pencerelerden iletimle olan ısı kazancı (W) :Pencereden absorbsiyon ile olan ısı kazancı (W) :Duvarlar ve çatıdan iletim ile olan ısı kazancı (W) :Pencerelerden iletim ile olan ısı kazancı (W) r0,r1,.. :IĢınım zaman katsayıları
Qe :Enfiltrasyon yolu ile oluĢan ısı kazancı (W) Q Saatlik soğutma yükü (W)
QL :Soğutma yükü (W)
Q zaman sonunda ısı kazancı (W) STK :Soğutma tesir katsayısı
SC :Gölgeleme katsayısı
TSHGFgölge :Ġletimle olan ısı kazanç faktörü (Gölge) TSHGFgüneĢ :Ġletimle olan ısı kazanç faktörü (GüneĢ) Te :BuharlaĢtırıcı sıcaklığı (oC)
Tk :YoğuĢturucu sıcaklığı (oC) Td :DıĢ hava sıcaklığı (oC) Ti :Ġç ortam sıcaklığı (oC) tj :j. yutma katsayısı
t e,j-n :n saat önceki güneĢ-hava sıcaklık (0C) trc :Sabit kabul edilen oda sıcaklığı (0C) te,j :GüneĢ-hava sıcaklık (0C)
UPen :Isı iletim katsayısı (W/m2K)
WRT :Rüzgar türbininden elde edilen elektrik enerjisi (W) Wkomp :Kompresör gücü (W)
x
WPV :Fotovoltaik panelden elde edilen elektrik enerjisi (W) :Havanın hacimsel debisi (m3
/s)
V :Rüzgâr hızı (m/s)
V2 :Ġstenilen yükseklikteki hız (m/s) V1 :Referans hızı (m/s)
Ypn :n‘inci tepki faktörü :Hava yoğunluğu (kg/m3) sRT :Rüzgâr türbini sistem verimi ellman katsayısı
1. GĠRĠġ
Günümüz dünyasında enerji, vazgeçilmez bir ihtiyaçtır. Her geçen gün teknolojik geliĢmelere bağlı olarak enerji tüketimi artarak devam etmektedir. KiĢi baĢına tüketilen elektrik enerji miktarı değeri toplumların geliĢmiĢlik düzeyini göstermektedir. Elektrik enerjisi, tüketilen enerji biçimlerinin baĢında gelmektedir. Elektrik enerjisini üretmek için kullanılan yöntemlerin birçoğu, tükenebilen ve çevreye zarar veren fosil yakıtlar ve benzeri kaynaklar kullanılarak gerçekleĢtirilmektedir. Özellikle, Kyoto protokolü sonrasında dünya devletleri sera gazı etkisine sahip olan bu kaynakların kullanılmasında dünya habitatına verdiği zararlar nedeniyle ciddi sınırlandırmalar getirmiĢtir. Son zamanlarda, Avrupa Birliği, çevreye dost ve yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılması için yeni enerji politikaları üretmekte ve bu yönde bazı kanuni zorunluluklar getirmektedirler. Yenilenebilir enerji kaynaklarının potansiyeli coğrafik ve meteorolojik Ģartlara göre değiĢmektedir. Bundan dolayı, sadece rüzgâr veya sadece güneĢ enerjisinin yeterli olmadığı durumlarda hem rüzgâr ve hem de güneĢ enerjisini birlikte kullanılarak elektrik üretimi yapan hibrit sistemler üzerinde araĢtırmalar artarak devam etmektedir. Hibrit sistemler birbirini dengeleyen ve destekleyen sistemler olup, sürekli olarak elektrik üretimi gerçekleĢtirebilmektedir. Bu alanda yapılan teknolojik geliĢmeler sonucunda, güneĢ enerjisinden elektrik üretmek için kullanılan fotovoltaik panellerin verimi %42,8 seviyelerine kadar çıkmıĢtır (Anonim, 2008a). Rüzgâr türbinlerinin verimleri ise %30-%50 arasında değiĢmektedir. Özellikle coğrafik olarak elektrik dağıtımının çok zor olduğu bölgelere gün boyunca birbirini destekleyen PV ve/veya rüzgâr hibrit sistemler kurularak elektrik ihtiyacının karĢılanması ekonomik açıdan daha avantajlı olmaktadır.
Dünyada enerji ihtiyacı teknolojinin geliĢmesine bağlı olarak artmaktadır. Yapılan çalıĢmalarda 2020 yılından sonra fosil yakıt üretiminin hızlı bir Ģekilde düĢmeye baĢlayacağı ve 2040 yılından sonra hemen hemen bitme noktasına geleceği öngörülmektedir. Enerji ihtiyacının ise tam tersi olarak 2020 yılından sonra büyük bir hızla artacağı öngörülmektedir. Bu durum göstermektedir ki gelecek yıllarda günümüzde yaygın olarak kullanılan fosil yakıtların enerji ihtiyacını karĢılamakta yetersiz kalacaktır. Bunun yanı sıra fosil yakıtlar çevreyi kirletmekte ve küresel ısınmaya yol açmaktadır. Çevreyi kirleten fosil kökenli yakıtların tükenme eğilimine girmesi ile yenilenebilir enerji kaynakları daha da önem kazanmıĢtır. Bu nedenle, son yıllarda alternatif enerji kaynaklarından faydalanan sistemler üzerinde çalıĢmalar
yoğunlaĢmıĢtır. Alternatif enerji kaynakları olarak güneĢ, rüzgâr, jeotermal enerji, biyokütle gibi enerjiler ön planda olup, bunların içerisinde en yaygın uygulaması olan kaynaklar rüzgâr ve güneĢtir.
Rüzgâr ve güneĢ enerjisin yaygın kullanılmasını sağlamak için özellikle Avrupa ve ABD‟lerinde hükümetler teĢvik edici programlar uygulamaktadır. Ülkemizde benzer programları uygulama giriĢimleri mevcuttur, fakat uygulama yönünden kesin bir sonuç ortaya konmamıĢtır. Türkiye güneĢ ve rüzgâr enerjisi potansiyeli yönünden oldukça iyi seviyededir. Sahip olduğu bu enerji potansiyelini değerlendirebilmek için toplum olarak, devlet kalkınma programlarında daha teĢvik edici ve destekleyici programları devreye alınmalı, üniversiteler ve sanayicilerin Ar-Ge‟ye yönelik özgün çalıĢmaların ortaya konulması gerekmektedir.
Bu tez çalıĢmasında öncelikle konuyla ilgili kaynak araĢtırması ikinci bölümde derlenmiĢtir. Materyal ve yöntem bölümünün baĢında Dünya‟da ve Türkiye‟de enerji kaynaklarının genel durumu verilmiĢtir. Ayrıca Türkiye‟nin enerji üretimi ve tüketimi ile ilgili ayrıntılı rakamlardan bahsedilmiĢtir. Dünya ve Türkiye‟deki yenilenebilir enerji kaynakları hakkında da bilgiler bu bölümde sunulmuĢtur. Hesaplamalarda kullanılan meteorolojik dataların ölçülmesi, temin edilmesi ve proses edilmesi, örnek bir binanın ısı kazancı hesaplarının yapılması, mekanik soğutma sisteminin soğutma etkinlik katsayının saatlik hesaplanmasında kullanılan formüller de materyal ve yöntem bölümünde verilmiĢtir. Elde edilen sonuçlar yılın çeĢitli gün ve saatlerinde oluĢan kritik soğutma yükü ihtiyacını karĢılayacak sadece fotovoltaik panel veya rüzgâr türbini ve bunların bileĢimden oluĢan hibrit (melez) sistemlerin karakteristikleri araĢtırma sonuçları ve tartıĢma bölümünde detaylı olarak değerlendirilmiĢtir. Model bir konutun elektrik ihtiyacının ölçülen datalar kullanılarak Konya Ģartlarında rüzgâr ve güneĢ enerjisi ile karĢılanmasının araĢtırılması da teorik olarak yapılmıĢtır. Soğutma tesir katsayısı (STK) ve izentropik verimin genel değerlendirmesi yapılarak bu tür sistemlerin tasarımları için faydalı bilgiler verilmiĢtir. Sonuç ve öneriler bölümünde elde edilen sonuçlar dikkate alınan beĢ il için karĢılaĢtırılmıĢ ve gelecekte yapılması gereken çalıĢmalar için önerilerde bulunarak tez çalıĢması tamamlanmıĢtır.
2. KAYNAK ARAġTIRMASI
Bu çalıĢma için yapılan kaynak araĢtırmasında genellikle ısı pompalarının elektrik enerji ihtiyaçlarını karĢılamak amacıyla kullanılan hibrit (PV/rüzgâr) enerji sistemlerine rastlanılmamıĢtır. Fakat özellikle güneĢ enerjisi destekli ısı pompaları üzerine yapılan birçok çalıĢma yer almaktadır. Ayrıca, hibrit enerji dönüĢüm sistemleri üzerine yapılan çalıĢmalar ise sistem optimizasyonu üzerine yoğunlaĢmıĢtır. Isı pompaları, güneĢ ve/veya rüzgâr enerjisinden elektrik üretimi ve bunun ısı pompası sistemlerinde kullanımı ile ilgili yapılan çalıĢmalardan bazıları aĢağıda özetlenmiĢtir. Literatür özeti hazırlanırken özelikle son yıllarda yapılmıĢ çalıĢmalar göz önüne alınarak tarih sırasına göre aĢağıda verilmiĢtir.
Aksoy ve ark. (2010), Konya ilinde sulama amaçlı hibrit güç üretim sisteminin uygulanabilirliğini teorik olarak araĢtırmıĢlardır. Hesaplamalarında iki yıl boyunca oluĢan 10 m‟deki rüzgar hızlarını ve uzun zaman boyunca olan güneĢ ıĢınım verilerini kullanmıĢlardır. Hibrit sistemin yıllık 4080 kWh/yıl elektrik üretimi sağlayacağını hesaplamıĢlardır. GüneĢ-rüzgar enerjisi bazlı hibrit sistemin yüksek maliyetlerine sahip olmasına rağmen düĢük bakım maliyetine sahip, çevre dostu olduğunu belirtmiĢlerdir.
Dursun ve ark. (2010), Ege bölgesindeki iller için fotovoltaik, rüzgâr türbini ve yakıt pili güç üretim sistemlerinin performansını araĢtırmıĢlardır. GüneĢ ve rüzgar enerjisinin tüm dünyada en yaygın olarak kullanılan yenilenebilir enerji kaynakları olduğunu vurgulamıĢlardır. Hesaplamalarında NASA‟nın atmosferik data merkezinden aldıkları rüzgar hızlarını kullanmıĢlardır. Rüzgar ve GüneĢ enerjisi sistemlerinin meterolojik Ģartlara bağlı yaygın olarak kullanılabileceğini, yakıt pilinin ise iyi bir destek sistemi olduğunu belirtmiĢlerdir.
Nema ve ark. (2010), telefon baz istasyonları için hibrit sistemin uygulanabilirliğini araĢtırmıĢlardır. ĠĢletme ve bakım maliyetleri göz önüne alındığında hibrit sistemin geri ödeme süresinin 2–4 yıl kadar çok kısa süre olacağını belirlemiĢlerdir. Dizel sisteme göre hibrit sistemin daha az iĢletme ve bakım maliyetlerinin olduğu ve bunun yanı sıra hibrit sistemin çevre dostu olduğunu vurgulamıĢlardır.
Sopian ve ark. (2009), hidrojen üretiminde PV-rüzgar enerjisi hibrit sistemin performansının deneysel araĢtırmasını yapmıĢlardır. Konvansiyonel elektroliz iĢlemi ve PV-rüzgar hibrit sistemin karĢılaĢtırmasını yapmıĢlar ve her iki sisteminde birbirine yakın sonuçlar verdiğini görmüĢlerdir. Hibrit sistemin hidrojen üretiminde
uygulanmasının herhangi bir sorun teĢkil etmediğini deney sonuçlarına dayanarak belirtmiĢlerdir. Fakat elektrolizer sisteminin daha geliĢmiĢ teknoloji olduğunu ve daha güvenli iĢletim teknolojisinin içerdiği ifade etmiĢlerdir.
Karaghouli ve ark. (2009), Arap bölgelerinde su arıtma iĢlemleri için güneĢ ve rüzgâr enerjisi olanaklarını araĢtırmıĢlardır. GüneĢ enerjisi uygulamasını içme suyu arıtılması için en uygun enerji olarak belirlemiĢlerdir. Küçük kapasiteli arıtma tesislerinde güneĢ enerjisinin teknik ve ekonomik olarak uygulanabileneceğini vurgulamıĢlardır.
Liu ve Wang (2009), Çin‟in enerji yapısının mevcut durumunu değerlendirdikleri çalıĢmalarında Çin‟deki rüzgâr ve güneĢ enerjisi uygulamalarını tanımlamıĢlardır. Merkezi ve yerel yönetim politikalarının karĢılaĢtıkları engelleri açıklamıĢlardır. Sadece güneĢ veya rüzgâr enerjisi sağlanmasının hava ve iklim koĢullarındaki değiĢimlerin doğru olarak tahmin edilemediğinden dolayı elektrik enerjisi üretiminin doğru olarak hesap edilemediğini belirtmiĢlerdir. GüneĢ ve rüzgâr enrjisinden oluĢan hibrit sistemlerin yol aydınlatması, sulama için pompalama enerjisinin sağlanması uygulamalarını analiz etmiĢlerdir.
Hongxing ve ark. (2008), Çin‟in güneydoğu bölgesinde telekomünikasyon istasyonu için PV/rüzgâr hibrit elektrik üretim sistemi modelinin uygulanması üzerine çalıĢma yapmıĢlardır. Yapılan çalıĢmada bir yıllık saatlik veri ölçümü gerçekleĢtirmiĢler, PV ve rüzgâr türbininin aylık enerji üretimine katkılarını, batarya çalıĢma durumunu ve enerji dengesini incelemiĢlerdir. PV ve rüzgâr türbinin olduğunu fakat PV ve rüzgâr türbinin birbirini tamamlayıcı özellik göstermesinden dolayı aylık enerji üretiminin sadece PV veya rüzgâr enerjisine göre çok daha fazla olduğunu belirlemiĢlerdir.
Hepbasli ve Kalinci (2008), yaptıkları çalıĢmada hava kaynaklı, toprak kaynaklı, güneĢ destekli ve jeotermal kaynaklı ısı pompalarını karĢılaĢtırmıĢlardır. Toprak kaynaklı ısı pompasının ısıtma ve soğutma modunda STK değerini 1,656 ve 3,307 hava kaynaklı ısı pompasının STK değerini 1,8 ve 5,66 olarak hesaplamıĢlardır. GüneĢ destekli ısı pompasının değiĢik kollektörler kullanıldığında verim değeri 0,08 ile 1,7 arasında ve STK değerlerinin ise 1,08 ile 6 arasında değiĢtiğini belirtmiĢler ve jeotermal kaynaklı ısı pompasının diğerlerinden daha verimli olduğu sonucuna varmıĢlardır.
Diaf ve ark. (2008), yapmıĢ oldukları çalıĢmada Corsica adası için bir PV/rüzgâr hibrit elektrik üretim sisteminin tasarım boyutlarını ve tekno-ekonomik optimum Ģartlarını yaptıkları benzeĢimle belirlemiĢlerdir. Corsica adasında 5 farklı bölgede
inceleme yapmıĢlardır. BenzeĢim sonuçlarının yaptıkları çalıĢma alanında hibrit sistemin en iyi yöntem olduğunu göstermiĢlerdir. BenzeĢimi yapılan hibrit sistem performansının, sadece rüzgâr veya güneĢ enerjili sisteme göre daha yüksek olduğunu ifade etmiĢlerdir. Rüzgâr enerjisinin potansiyelinin yüksek olduğu bölgelerde üretilen toplam gücün %40‟nın, rüzgâr enerjisinin potansiyelinin düĢük olduğu bölgelerde ise %20‟sinin rüzgâr enerjisinden sağlandığını belirlemiĢlerdir.
Mahmoudi ve ark. (2008), yaptıkları çalıĢmada güneĢ ve rüzgâr enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının birleĢtiren sistemlerin kullanımının artan bir Ģekilde devam ettiğini belirtmiĢlerdir. Bu sistemlerin petrolden üretilen enerjinin yerine yaygın olarak kullanımı ile küresel ısınmayı minimize etmede yardımcı olacağını belirtmiĢlerdir. Hibrit sistemin en büyük avantajının, güneĢ ve rüzgâr enerjisinin birlikte kullanımı ile sistemin güvenilirliğini arttığını vurgulamıĢlardır. Oman körfezinde rüzgâr ve güneĢ enerjisini saatlik olarak ölçebilecek bir istasyon kurmuĢlardır. Sera için gerekli su ihtiyacının deniz suyu arıtarak karĢılandığı sistemin ihtiyacı olan güç için güneĢ ve rüzgâr enerjisinden üretilen gücün kullanılabileceğinin fizibilite çalıĢmasını yapmıĢlardır. Sistemin çalıĢması esnasında toplanan verilerin incelenmesinden, deniz suyu arıtma tesisini çalıĢtırmak için gerekli olan enerjinin yenilenebilir enerjiden karĢılanmasının teknik olarak mümkün ve avantajlı olduğunu belirtmiĢlerdir. Rüzgâr/güneĢ enerjisi, fosil yakıt enerjisine ihtiyaç duymaksızın temiz su üretimi için gerekli gücü üretebileceğini görmüĢlerdir. Ölçüm yaptıkları sera boyutları 16 m geniĢliğinde ve 60 m uzunluğunda ve günlük su kullanımı 297 litredir. Seranın saat 9:00–17:00 arasında toplam kullandığı suyun %98‟ini kullandığını belirtmiĢler ve bu zaman aralığının rüzgâr ve güneĢ ıĢınımının yoğun ve verimli olduğu sürelere karĢılık geldiğini ifade etmiĢlerdir.
Ji Jie ve ark. (2008), fotovoltaik güneĢ enerjisi destekli ısı pompası üzerine yaptıkları performans çalıĢmasında 4 gün boyunca Çin‟in Hefei bölgesinde çalıĢtırmıĢlar ve ısı pompasının STK değerlerini hesaplamıĢlardır. Fotovoltaik pil ile çalıĢan ısı pompasının STK‟nın daha yüksek olduğunu belirlemiĢler ve maksimum STK, maksimum STKp/t, ortalama STK, ortalama STKp/t, ve ortalama PV veriminin sırasıyla 10,4 , 16,1 , 5,4 , 8,3 ve %13,4 olduğunu söylemiĢlerdir.
GüneĢ hava kaynaklı ısı pompası kullanma suyu ısıtması simülasyonu üzerine bir çalıĢma Guoying ve ark. (2006) tarafından yapılmıĢtır. Çin‟in Nanjing bölgesindeki meteorolojik verileri kullanarak yıl boyunca STK değerlerinin 3,98 ile 4,32 arasında
değiĢtiğini tespit etmiĢlerdir. Bu STK değerlerine göre kompresör gücünün yıl boyunca 0,75 kWh değerinden 0,43 kWh değerine düĢtüğünü bulmuĢlardır.
Kılıç (2006), güneĢ enerjisi destekli ısı pompası tasarımı, imalatı ve performans deneyleri konulu yüksek lisans çalıĢmasında ısı pompasının STK hesaplamalarını yapmıĢ ve güneĢ kollektörlerinden elde edilen enerji ile ısı pompasının STK‟sinin daha yüksek olduğunu görmüĢtür. Buhar sıkıĢtırmalı çevrime göre yapmıĢ olduğu hesaplarda
STK değerini 3,79 bulmuĢtur.
Ünlü (2005), “Hava ve toprak kaynaklı ısı pompalarına etki eden parametrelerin incelenmesi” konulu doktora çalıĢmasında toprak kaynaklı ısı pompası ile hava kaynaklı ısı pompası performans analizlerini yapmıĢ ve her iki sistemin performanslarını karĢılaĢtırmıĢtır. Hava kaynaklı ısı pompasının veriminin toprak kaynaklı ısı pompasına göre daha yüksek olduğunu bulmuĢtur. Ayrıca, hava kaynaklı ısı pompasının 40C‟nin altında seyreden bölgeler için uygun olmadığını tespit ederek, kıĢ mevsiminin sert geçtiği bölgeler için toprak kaynaklı ısı pompası tercih edilmesini önermiĢtir.
Yamaç (2005) , “GüneĢ enerjisi destekli ısı pompaların teorik incelenmesi” konulu yüksek lisans tezinde ısı ihtiyacına göre gereken PV panel alanını hesaplamıĢ ve diğer enerji kaynaklarıyla karĢılaĢtırarak maliyetlerinin düĢük olduğunu göstermiĢtir. Ayrıca, sistemin 8 ay boyunca yüksek verimde çalıĢabileceğini belirtmiĢtir.
Uğuz (2005), rüzgâr enerjisi ile elektrik üretimi üzerine yaptığı çalıĢmada bir evin ihtiyacını karĢılayabilecek gerçek boyutlarda bir rüzgâr türbini imal etmiĢ ve sistemin deneysel sonuçlarını değerlendirmiĢtir. Rüzgâr türbininin elemanlarını türbin verimi ve iĢletme ve yatırım maliyetin üzerine etkilerini incelemiĢtir. YurtdıĢında üretilen ve yurtiçinde satılan türbinler ile kendi imal ettiği türbin arasında fiyat karĢılaĢtırması yapmıĢtır ve yaklaĢık yarı fiyatı kadar daha ucuza imal edileceğini göstermiĢtir. Fakat imal edilen türbinin daha düĢük verimle çalıĢtığını ve kullanım ömrünün az olacağını vurgulamıĢtır.
Engin ve Çolak (2005), Ege Üniversitesi GüneĢ Enerjisi Enstitüsü tarafından 4 yıl süreyle ölçülen güneĢ ıĢınımı, rüzgâr hızı ve ortam sıcaklık değerleri kullanılarak yapılan analizler sonucunda güneĢ ve rüzgârdan elde edilebilecek enerjilerin birbirlerini tamamlayıcı özellik gösterdiklerini belirlemiĢlerdir. Bu sonuçtan yola çıkarak Enstitü binasının gece güvenlik aydınlatmasını yapabilecek boyutta bir güneĢ-rüzgâr hibrid enerji üretim sistemini tasarlamıĢlardır. Kurulan sistemde, bir yıl süreyle temel değiĢkenlerin onar dakikalık aralıklarla ortalama değerlerini alarak değerlendirmiĢlerdir.
Ding ve ark. (2004), yaptıkları çalıĢmada ısıtma ve soğutma sezonunda ısı pompasının uzun zaman boyunca istenilen verimi sorunsuz çalıĢarak sağladığını tespit etmiĢlerdir. Çoğu durumda kıĢ sezonunda ısıtma gücü STK değerinin ancak yardımcı bir devre ile enerji sağlandığında arttığını gözlemlemiĢlerdir. Yaz sezonunda ise soğutma yükünde artıĢ olmasıyla beraber yardımcı devrenin maliyetinin fazla olduğunu bulmuĢlardır. Ancak, sistemin çok sıcak hava Ģartlarında kullanılmasının uygun olduğunu tavsiye etmiĢlerdir.
Bulut ve ark. (2006) yaptıkları çalıĢmada ASHRAE tarafından önerilen soğutma yükü hesap metotlarını karĢılaĢtırmıĢ ve kullanılan metodolojileri belirtmiĢtir. ÇalıĢmada 5 adet soğutma yükü metodu ayrı ayrı değerlendirilmiĢ ve birbirleri olan üstünlükleri, avantajları, dezavantajları, metodolojisi ve kullanılan varsayımlar belirtilmiĢtir. ÇalıĢmada karĢılaĢtırılan soğutma yükü metotları Ģunlardır;
1) Isı Balansı Metodu
2) IĢınım Zaman Serileri Metodu
3) Soğutma Yükü Sıcaklık Farkı Metodu 4) Admittance Metodu
5) VDI 2078 Metodu
Erbil (2002) ―GüneĢ enerjisi destekli ısı pompası enerji ve ekserji analizi‖ üzerine yüksek lisans çalıĢmasında buharlaĢtırıcı hattına bağlanan güneĢ kolektörü sıcak su deposunu etkisini araĢtırmıĢtır. GüneĢ kollektörü hattı devre dıĢı iken gün boyunca ısıtma tesir katsayısı (ITK) değeri 2,4 ve 3,0 arasında, kollektör hattı devrede iken STK değeri 2,9 ile 3,4 arasında değiĢtiğini belirtmiĢtir. Sistemin veriminin çevre Ģartlarına bağlı olarak değiĢtiğini ve bu Ģartlara bağlı ısı pompası tipi seçilmesi gerektiğini vurgulamıĢtır.
Hamada (2001), yapmıĢ olduğu çalıĢmasında Hokkaido Üniversitesi kampüsünde yenilenebilir enerji kaynakları destekli ısı pompası üzerine çalıĢmıĢtır. Isı pompasını 4 saat aralıklı olarak, 10 0C sabit dıĢ sıcaklıkta soğutma modunda çalıĢtırmıĢ ve STK değerini 9,1 olarak belirlemiĢtir. Isıtma modunda ise STK değerini 4 olarak bulmuĢtur. Tipik bir ev için enerji tüketiminin %87,5 ve CO2 emisyon değerinin %77 azaldığını tespit etmiĢtir.
Swart ve Meyer (2001), yaptıkları çalıĢmada hava kaynaklı ısı pompası ile toprak kaynaklı ısı pompasını karĢılaĢtırmıĢlardır. Hava kaynaklı ısı pompasının soğutma modunda STK değerini 2,504, diğerinin ise 3,049, ısıtma modunda hava kaynaklı ısı pompasının ITK değerini 2,998, diğerinin ise 3,307 olarak hesaplamıĢlardır.
Böylece toprak kaynaklı ısı pompası performansının daha yüksek olduğunu göstermiĢlerdir.
Habib ve ark. (1999), hibrit photovoltaik/rüzgâr enerji sisteminin optimizasyon iĢlemi, verilen herhangi bir yük dağılımının gereksinimi karĢılamak için kullanılabilmesi durumunu araĢtırmıĢlardır. Offshore platformun katodik koruması için gerekli olan 5 kW lık sabit bir yükü sağlamak için önerdiği analiz yöntemini uygulamıĢtır. Minimum maliyetle optimum rüzgâr/ güneĢ enerjisi güç üretim oranının %70 olabileceğini göstermiĢlerdir.
Hulin ve ark. (1999), güneĢ enerjisi destekli ısı pompasının iki farklı durumda ısıl performansını teorik olarak araĢtırmıĢlardır. Birinci durumda ısı pompasının buharlaĢtırıcısı sürekli olarak ortam sıcaklığında tutulan güneĢ enerjisi kolektörüne direk olarak bağlandığını düĢünmüĢlerdir. GüneĢ enerjisi kolektöründen ısı kaybı olmadığında, kolektör veriminin yüksek ve kolektör plakasının güneĢ enerjisini yutmasının eĢit olduğunu ifade etmiĢlerdir. Ġkinci durumda ise ısı pompası buharlaĢtırıcısının yüksek verimli bir sıcak su tankı içine yerleĢtirildiğini kabul etmiĢlerdir. BuharlaĢtırıcının bulunduğu ortam oldukça yüksek sıcaklıkta çalıĢtığı için ısı pompasının STK değeri artmaktadır. Elde ettikleri sonuçlardan ikinci durumun kullanıldığı güneĢ enerjisi destekli ısı pompası etkinliğinin birinci duruma göre oldukça yüksek olduğunu göstermiĢlerdir.
Yamankaradeniz ve Horuz (1998), tarafından Ġstanbul‟da kıĢın güneĢli günler için, güneĢ enerjisi kaynaklı ısı pompasının teorik ve deneysel incelemesi üzerine bir çalıĢma yapılmıĢlardır. Teorik çalıĢmalarında, Ġstanbul Ģartlarında açık günler için anlık, aylık ve mevsimlik ortalama ısıtma tesir katsayıları ve sistemin diğer özelliklerini incelemiĢlerdir. Isı pompası devresinde 0,75 kW gücünde tam hermetik kompresör, hava soğutmalı maksimum 4,5 kW soğutma kapasiteli yoğuĢturucu, enerji deposu içerisine daldırılmıĢ maksimum 3,5 kW ısı çekebilen buharlaĢtırıcı ve soğutucu akıĢkan olarak da R-12 kullanmıĢlardır.
Yapılan literatür araĢtırmasından güneĢ ve rüzgâr enerjisinden bir mahalin ısı kazancının yıl boyunca hesaplanarak bu ihtiyacının yenilebilir enerjiden elektrik üretimi ile karĢılanması ile ilgili herhangi araĢtırmaya rastlanmamıĢtır.
3. MATERYAL VE YÖNTEM
Temel enerji denilen ve tabiattan çıkartılan fosil yakıtlar (katı, sıvı ve gaz) ısı enerjisine kolayca dönüĢerek enerji ihtiyacı giderebilir. Ancak, bu enerji kaynaklarının tükenebilir olması, pahalı olması ve çevre kirliliğine sebep olması insanlığın geleceği için endiĢe yaratmaktadır. Bu durum bilim adamlarını yeni enerji kaynaklarını araĢtırmaya yöneltmiĢtir. Özellikle 1974 enerji krizinden sonra bütün dünyada bu alandaki çalıĢmalara daha çok ağırlık verilmiĢtir ve çalıĢmalar devam etmektedir. Bu alanda üzerinde en çok çalıĢılan enerji kaynakları ise güneĢ ve rüzgâr enerjisidir. ġekil 3.1‘de enerjinin yıllık üretim/ihtiyaç oranının yıllara göre değiĢimi ve gelecekteki değiĢim beklentisi gösterilmiĢtir. Bu Ģekilde dünya yakıt ihtiyacının giderek artmakta olduğu bunun yanı sıra sıvı ve gaz yakıtların yıllık üretimleri düĢmeye baĢladığı görülmektedir. Artan enerji ihtiyacını karĢılamak için yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı yaygınlaĢtırılmalıdır.
Çevreyi kirleten fosil kökenli yakıtların tükenme eğilimine girmesi ile yenilenebilir enerji kaynakları daha da önem kazanmıĢtır. Bu nedenle, son yıllarda alternatif enerji kaynaklarından faydalanan sistemler üzerinde çalıĢmalar yoğunlaĢmıĢtır. Alternatif enerji kaynakları olarak güneĢ, rüzgâr, jeotermal enerji, biyokütle gibi enerjiler ön planda olup bunların içerisinde en yaygın olan ve bilinen en eski kaynak güneĢtir. GüneĢ enerjisi sürekli yenilenen ve masrafsız olması bakımından geniĢ bir kullanım alanına sahiptir. Su ısıtma baĢta olmak üzere kurutma, piĢirme, ortam ısıtma, elektrik üretme gibi pek çok alanda güneĢ enerjisinden faydalanılmaktadır.
Günümüzde fosil yakıtlar kullanılmakta olup bunların atıkları çevreye olumsuz etki oluĢturmaktadırlar. Özellikle fosil yakıtların atıkları çevreyi kirletmekte ve küresel ısınmaya neden olmaktadırlar. Küresel ısınma ile iklim Ģartları değiĢmekte, verimli araziler çölleĢmekte, su kaynakları azaltmakta ve tüm canlılar bu sorunlardan büyük ölçüde etkilenmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarını çevreye olumsuz etki yapacak atık bırakmayacağı için, bu kaynakların kullanımı ile sorunların önüne geçilebilir. Bu tez çalıĢması ile yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi vurgulanmıĢ, yapılan analizler ile uygulanabilir olduğu gösterilmiĢtir.
ġekil 3.2‘de dünya enerji kaynakları tüketimi oranları gösterilmiĢtir. Buna göre en az oran %2‘lik payla yenilenebilir enerjiye aittir. Bu oran yapılacak yeni yatırımlarla arttırılmalıdır.
ġekil 3.2. Dünya Enerji Kaynakları Tüketimi (Anonim,2006a)
3.1. Türkiye Enerji Kaynakları Kullanımı
Türkiye‟nin temel enerji kaynakları petrol, linyit, kömür, doğalgaz, jeotermal odun ve hidrolik enerji olarak gözükmektedir. Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı (ETKB)‟nın rakamlarına göre Türkiye‟de 2004 yılında birincil enerji kaynakları üretimi 24,33 milyon TEP, tüketimi ise 87,81 milyon TEP olmuĢtur. Bu rakamlara göre enerji tüketiminin % 72‟si ithalatla karĢılanmaktadır. Birincil enerji kaynakları tüketiminin % 36‟sı petrole dayalıdır. Tüketilen petrolün yaklaĢık % 7‟si yerli üretimle karĢılanmaktadır(Anonim, 2006b).
Bunun yanında elektrik üretimi de giderek artan düzeyde büyük çoğunluğu ithal bir kaynak olan doğal gaza dayalı hale gelmiĢtir. Doğal gazın kurulu güç içindeki payı % 35,7‟dir. Elektrik üretimi 2005 yılında yaklaĢık 162 milyar kWh olarak gerçekleĢmiĢtir. 2005 yılı Türkiye elektrik enerjisi üretiminin yaklaĢık %75‟lik bir orana karĢılık gelen, 122.268 Milyon kWh‟lık bölümü termik ve yaklaĢık %25‟lik bir orana karĢılık gelen 39.658 Milyon kWh‟lık bölümü ise hidrolik kaynaklardan elde edilmiĢtir. ġekil 3.3. de Türkiye‟de elektrik üretim kapasitesi artıĢı görülmektedir. Artan enerji ihtiyacını karĢılamak için kurulu elektrik güç üretiminde yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanma da dikkate alınmalıdır (Anonim, 2006b).
Türkiye‟de enerji alanına iliĢkin rakamlar enerji sektöründe önemli ölçüde dıĢa bağımlılığı göstermektedir. Günümüzde enerji arz güvenliğinin uluslararası bir sorun haline geldiği de göz önünde bulundurulursa birincil kaynakların temini, fiyatlar, yatırımların finansmanı, teknoloji, verimlilik vb. konular Türkiye‟nin de öncelikleri arasında olmak durumundadır.
Şekil 3.3. Türkiye‟de elektrik üretim kapasitesinin artıĢı (Anonim, 2009a)
Türkiye‟de enerji alanına iliĢkin rakamlar enerji sektöründe önemli ölçüde dıĢa bağımlılığı göstermektedir. Günümüzde enerji arz güvenliğinin uluslararası bir sorun haline geldiği de göz önünde bulundurulursa birincil kaynakların temini, fiyatlar, yatırımların finansmanı, teknoloji, verimlilik vb. konular Türkiye‟nin de öncelikleri arasında olmak durumundadır. Devlet Planlama TeĢkilatı, enerji sektörünü de içine alan tüm sektörler için uzman organizasyonlara yardımcı olmak için her 5 yıllık süre içinde Kalkınma Planı programı hazırlamaktadır. Buna göre, Türkiye‟nin enerji politikası güvenilir ve ekonomik olarak enerji ihtiyacının karĢılanmasının sağlaması üzerine
yoğunlaĢmıĢtır. Programlar hazırlanırken çevresel etki ve hedeflenen sosyal geliĢim ve büyüme dengesi göz önünde bulundurulmaktadır.
Bu bağlamda, var olan enerji politikası aĢağıdaki gibi özetlenebilir.
• Önceki gereksinimleri karĢılamak için enerji araĢtırmaları ve geliĢtirme aktiviteleri planlanması,
• Kamu, özel, yerel ve yabancı sermayeleri kullanarak uzun zamanlı talepleri karĢılanması,
• Yeni kaynakların araĢtırılması teĢvik edilirken, mevcut enerji kaynaklarını geliĢtirme
• Enerji gereksinimlerini karĢılamak için mümkün olduğu kadar yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanma oranını arttırma,
• Ġthal edilen enerji maliyetlerini göz önünde bulundurmak,
• Enerji taleplerini mümkün olduğunca yerel kaynaklardan sağlamak,
• Enerji verimliliği ölçmelerini iyileĢtirmek ve enerjinin üretimi, nakli ve tüketimi sırasındaki kayıpları azaltmak ve atıkları önlemek,
• Enerji gereksinimlerini karĢılarken halk sağlığının ve çevrenin korunmasını ihmal etmemek.
ġekil 3.4.‟de Türkiye‟nin yenilenebilir enerjinin kaynaklara dağılımı gösterilmiĢtir. Modern biyokütle ve güneĢ enerjisi en yüksek oranda potansiyele sahip olduğu bunları hidrotermal enerjinin izlediği söylenebilir. Rüzgâr enerjisi ise bunlardan sonra gelmektedir.
ġekil 3.4. Türkiye‟nin yenilenebilir enerji potansiyeli (Anonim, 2000)
Hükümet, yenilebilir enerjiden faydalanmak için yerel üretim geliĢtirmelerine ve var olan güç üretim tesisleri yeniden yapılandırılması ile verimliliği arttırmaya ve
mevcut yatırım giriĢimlerini programlarını hızlandırmak için çabalarını yoğunlaĢtırmıĢtır.
Bu stratejiyi karĢılamak için, enerji yönetimi, ulusal yararlanma ve enerji korunumu, yerel kaynakların kurtarılması süresince ulusal enerji politikasının diğer elemanları gibi benimsenmiĢtir.
Bu bağlamda, doğal kaynakları en fazla oranda kullanmak için özel ve yabancı sektörler Türkiye tarafından teĢvik edilmelidir.
Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı endüstrideki enerji verimliliğini arttırmak için yönetmelikler yayınlamıĢtır (Anonim, 2009a). Bu yönetmeliklere göre, endüstri tarafından aĢağıdaki önlemler alınmalıdır.
• Yakıt ve yanma sistemleri verimli kullanılmalıdır, • Isıtma ve soğutma verimli olarak sağlanmalıdır,
• Isı yalıtımı standartlara uygun olarak yapılmalıdır. Isı üreteçleri ve dağıtıcıları izole edilmeli, ve ısı kayıpları azaltılmalıdır,
• Atık ısı geri kazanılmalıdır, • Elektrik kaçakları önlenmelidir,
• Kojenerasyon tesisleri teĢvik edilmelidir,
• Güç tesislerinde otomatik kontrol geliĢtirilmelidir.,
• Hava kirliliği emisyonları azaltılmalı ve enerjinin atıklarının çevreye olan etkileri azaltılmalıdır.
ġekil 3.5‟de Türkiye rüzgâr atlasında ülkenin genelinin 50 m yükseklikteki rüzgâr hız dağılımı verilmiĢtir. Haritada Ege ve Marmara sahillerinin, Ġç Anadolu ve Doğu Anadolu‟da yüksek yerlerin ve Akdeniz bölgesinde bazı yerlerin yüksek rüzgâr hızlarına sahip oldukları görülmektedir.
Şekil 3.5. 50 m yükseklik için rüzgâr hızı (rüzgâr atlası) değerleri (Anonim, 2007b)
ġekil 3.6‟da Türkiye‟nin GüneĢ Enerjisi Potansiyel Atlası (GEPA) verilmiĢtir. Türkiye‟de güneĢ enerjisi konusunda yapılabilecek çok büyük proje imkânları olduğunu kaydeden Enerji ve Tabi Kaynaklar Bakanlığı yaptığı potansiyel atlası çalıĢması ile yatırımların önünü açtı. Atlas oluĢturulurken Devlet Meteoroloji iĢleri Genel Müdürlüğü ve Elektrik ĠĢleri Etüt Ġdaresi‟nin 22 yıllık güneĢ ölçümleri baz alındığı belirtilmiĢtir. Atlasta güneĢ enerjisiyle elektrik üretmek için belirlenen alanların büyük bir kısmı Konya ovasında yer almaktadır.
ġekil 3.7‟de GüneĢ Enerjisi Potansiyel yönünden ıĢınım Ģiddeti 1650 kWh/m2 değerinden büyük alanlar diğer bir deyiĢle güneĢ enerjisinden faydalanılarak elektrik enerjisi üretilebilecek bölgeler gösterilmiĢtir. Türkiye'nin özellikle Konya, Antalya, Muğla, Mersin ve GAP bölgesi civarında güneĢ enerjisinden elektrik üretme potansiyeli olduğu görülmektedir.
Şekil 3.7. GüneĢ Enerjisi Potansiyel yönünden ıĢınım Ģiddeti 1650 kWh/m2 değerinden büyük alanlar (Anonim, 2008c)
Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneĢ enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre Ģanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji ĠĢleri Genel Müdürlüğünde (DMĠ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneĢlenme süresi ve ıĢınım Ģiddeti verilerinden yararlanarak EĠE tarafından yapılan çalıĢmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneĢlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ıĢınım Ģiddeti 1311 kWh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kWh/m²) olduğu tespit edilmiĢtir. Aylara göre Türkiye güneĢ enerji potansiyeli ve güneĢlenme süresi değerleri çizelge 3.1‟de verilmiĢtir (Anonim, 2010a). Türkiye‟nin bölgelere göre güneĢlenme süreleri ise çizelge 3.2‟de verilmiĢtir (Anonim, 2010a).
Çizelge 3.1. Türkiye güneĢ enerji potansiyeli ve güneĢlenme süresi değerleri
AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEġ ENERJĠSĠ GÜNEġLENME SÜRESĠ
(kcal/cm2-ay) (kWh/m2-ay) (Saat/ay)
OCAK 4,45 51,75 103 ġUBAT 5,44 63,27 115 MART 8,31 96,65 165 NĠSAN 10,51 122,23 197 MAYIS 13,23 153,86 273 HAZĠRAN 14,51 168,75 325 TEMMUZ 15,08 175,38 365 AĞUSTOS 13,62 158,4 343 EYLÜL 10,6 123,28 280 EKĠM 7,73 89,9 214 KASIM 5,23 60,82 157 ARALIK 4,03 46,87 103 TOPLAM 112,74 1311 2640 ORTALAMA 308,0 kcal/cm 2 -gün 3,6 kWh/m2-gün 7,2 saat/gün
Çizelge 3.2. Türkiye‟nin bölgelere göre güneĢlenme süresi değerleri
BÖLGE TOPLAM GÜNEġ ENERJĠSĠ
(kWh/m2-yıl) GÜNEġLENME SÜRESĠ (Saat/yıl)
G.DOĞU ANADOLU 1460 2993 AKDENĠZ 1390 2956 DOĞU ANADOLU 1365 2664 ĠÇ ANADOLU 1314 2628 EGE 1304 2738 MARMARA 1168 2409 KARADENĠZ 1120 1971
3.2 Dünya’da ve Türkiye’de Fotovoltaik Enerji Çalışmaları
Dünya'da enerji krizleri güneĢ enerjisinin teknolojik geliĢimini ve geleceğini büyük ölçüde etkileyerek, özellikle yapılan aktif veya pasif biçimde ısıtma ve iklimlendirilmesi, fotovoltaik (güneĢ enerjisi fotoelektriksel yöntemle toplanması) veya ısı olarak güneĢten elektrik üretilmesi ve geleceğin yakıtı olan hidrojenin suda üretilmesinde güneĢ enerjisi kullanılması (güneĢ hidrojen sistemi) konularında araĢtırma geliĢtirme ve uygulama baĢlanmıĢtır.
Dünya‟da elektrik enerjisi üretimi için kurulan fotovoltaik güç sistemleri 10 GWp (10.000 Mwp) değerine ulaĢmıĢtır (Anonim, 2009). Bazı ülkelerdeki çalıĢmalar aĢağıda örnek olarak verilmiĢtir.
Almanya'da 110 Hektarlık alana kurulu olan Waldpolenz güneĢ parkında üretim tam kapasiteye ulaĢtığında 40.000 kW saat (40MW) enerji üretilecek.
20 MW gücündeki Beneixama solar parkı Ġspanya'da bulunuyor. 500 bin metrekare alana kurulu parkta 100.000 güneĢ pili kullanılmıĢ.
Kore'de bulunan SinAn GüneĢ Parkı 18 MW gücünde. 109.000 güneĢ pilinden oluĢan park yılda 20.000 ton karbondioksitin doğaya bırakılmasını engelliyor.
17 yılda yapımı tamamlanan "Nevada Solar One" güneĢ pilleri yerine parabolik kolektörler yardımıyla sıcak su üretiyor. 391 0
C kadar sıcak sıvı oluĢturabilen parkta 760 kolektör yaklaĢık 180.00 aynadan oluĢturulmuĢ. Platform 64 MW gücündeki jeneratörleri besliyor. Bu sayede 14.000 evin ihtiyacını karĢılayacak enerji üretiyor (Anonim , 2009a).
Ülkemizde güneĢ enerjisinden elektrik enerjisi üretimi amacıyla kullanılan güneĢ gözelerinin kurulu gücü yaklaĢık olarak 3 MWp civarındadır ve daha çok iletiĢim baz istasyonları, aydınlatma sistemleri, Ģebekeden uzak ada sistemleri gibi elektrik Ģebekesinden bağımsız otonom sistemlerde kullanılmaktadır. Bu kurulu güçten elde edilen yıllık enerji miktarı, yıllık elektrik tüketiminin ancak % 0,01 miktarına karĢılık gelmektedir (Anonim, 2009a).
Türkiye'de bu konudaki çalıĢmalar 1980'li yıllarda baĢlamıĢtır. Ġlk güneĢ pili ile çalıĢan ısı pompası Ege Üniversitesi GüneĢ Enerjisi Laboratuarı‟nda kurulmuĢtur. Elektrik Ġsleri Etüt Ġdaresi tarafından da 1983 yılından itibaren baĢlatılan çalıĢmalar sonucunda ilk güneĢ pilleri ile çalıĢan laboratuvar ölçekli güç santrali Didim'deki AraĢtırma Laboratuvarında 1998 yılı Haziranında tesis edilmiĢtir. 1990'ların sonuna doğru bu yöndeki çalıĢmalar artarak devam etmiĢ ve dört adet güneĢ pilleri ile çalıĢan ve yaklaĢık olarak toplam kurulu gücü 50 kWp olan sistemler telekomünikasyon amaçlı olarak Afyonkarahisar, Göcek, UĢak ve KahramanmaraĢ'a kurulmuĢtur (Anonim,2009a). Güneydoğu Anadolu bölgesinde toplam kapasitesi 100 kWp kurulu güce eriĢmiĢ olan güneĢ PV güç ünitesi Berke Barajında bazı ünitelerin ilk enerji taleplerini karĢılamak için kurulmuĢtur.
GüneĢ pillerinin uygulanmasına yönelik özel sektör çalıĢmaları devam etmektedir. Ayrıca güneĢ pili ile çalıĢan araçlar, aydınlatmalar, trafik ıĢıkları Ģeklinde de uygulamalar mevcuttur.
Ülkemiz coğrafi konumu nedeni ile yenilenebilir enerji kaynakları arasında güneĢ enerjisi potansiyeli yönünden oldukça iyi seviyededir. Ortalama olarak güneĢten sağlanan enerji, yıllık 36x106 ton taĢ kömürüne eĢdeğer enerji sağlayabilecek potansiyele sahiptir. Yılda 2640 saat güneĢ ıĢınımı alan ülkemizde, ortalama güneĢ enerjisi miktarı 290 W/m2 civarındadır. Ülkemizde güneĢ enerjisinden faydalanarak sıcak su ihtiyacını gideren ev örnekleri, güney sahillerinde bol miktarda mevcuttur. GüneĢ enerjisi ile konut ısıtması, konut soğutması, sıcak su temini, sera ısıtması, elektrik enerjisi üretimi, yüzme havuzu ısıtması ve endüstrinin sıcak su gereksinimi karĢılanabilmektedir (Anonim, 2009a).
3.3 Dünya’da ve Türkiye’de Rüzgâr Enerjisi Çalışmaları
Diğer yenilenebilir enerji kaynakları gibi rüzgar enerjisi üzerine araĢtırmaların yapılması 1974-1978 yıllarındaki petrol krizinden sonra hızlanmıĢtır. Yıllardır küçük çapta kullanılan rüzgar türbinleri yerine bu petrol krizi modern rüzgar türbinlerinin kullanılmasını gündeme getirmiĢti (Atılgan ve ark., 2009).
Dünyada rüzgar enerjisi alanında bazı çalıĢmalar aĢağıda örnek olarak verilmiĢtir.
Danimarka'da, 1918 yılında baĢlatılan bir çalıĢma ile, yaklaĢık 120 kırsal yerleĢmede elektrik üretimi amacıyla, 20-35 kW'lık rüzgâr türbinleri kurulmuĢtur. 1996-1999 yılları arasında kurulu güç, iki katından fazla arttırılarak, 614 MW'tan 1560 MW'a çıkarılmıĢtır. GerçekleĢtirilen bu artıĢla, günümüzde Danimarka'nın elektrik enerjisi ihtiyacının %8'i, rüzgâr enerjisi yoluyla sağlanmaktadır.
Almanya'da yıllarca devam eden çalıĢmalar, ülkenin AĢağı Saksonya eyaletinin özellikle kuzey kıyılarında potansiyelin yüksek düzeyde olduğu ortaya çıkarmıĢ, 1960 yılından sonra bu bölgede, toplam kurulu gücü 8.265 kW olan, üç adet rüzgâr santrali kurulmuĢtur. Almanya'nın kurulu rüzgâr gücü, 1996'da 932 MW'iken, 1999 yılında 3.000 MW'ı aĢmıĢtır (Hayli, 2009).
Ġngiltere'de ise rüzgâr gücü ile ilgili ilk çalıĢmalar, II. Dünya SavaĢı'ndan sonra, 1945 yılında baĢlanmıĢ ve ilk kez Enfeild kentinde 100 kW kurulu güce sahip bir türbin inĢa edilmiĢtir. 1995 yılındaki 171 MW'lık kurulu güç, bir yıl sonra yaklaĢık
olarak 20 MW artırılarak, 1996'da 190 MW'a ve nihayet 1999 yılında, 341 MW'a çıkarılmıĢtır (Hayli, 2009).
A.B.D'nde, ilk kez 1940 yılında Vermont Eyaleti'ndeki Montpelier kenti yakınlarında (Grandpa's Knob) dönemin en büyük rüzgâr santrali olan ve 1.250 kW kurulu güce sahip Putnam rüzgâr santrali kurulmuĢtur. Günümüzde Dünya'nın en büyük rüzgâr çiftliği, A.B.D'nin California bölgesinde 370 MW gücündeki, Altamount Pass Rüzgâr Çiftliği'dir. Kapladığı alan 81.600 dekarı aĢmakta ve 3.540 adet rüzgâr türbini bulunmaktadır ( 3500 adedi 100 kW, 40 adedi 300-405 kW'lıktır) (Hayli, 2009).
Türkiye'de rüzgâr enerjisiyle ilgili ilk bilimsel çalıĢmalar; 1960'larda Ankara Üniversitesi, 1970'lerde ise Ege Üniversitesi, Ortadoğu Teknik Üniversitesi ve Tübitak Marmara AraĢtırma Merkezi, 1981 yılından sonra ise EĠEĠ tarafından yürütülmüĢ ve 1989 yılında bu kuruluĢ bünyesinde Rüzgâr Enerjisi ġube Müdürlüğü kurulmuĢtur. 1992 yılında, AREB(Avrupa Rüzgâr Enerjisi Birliği) Türkiye ġubesi açılmıĢtır. 1993 yılından itibaren ise, DMĠGM tarafından, 43 meteoroloji istasyonunun rüzgâr değerleri, topoğrafik veriler ile geniĢletilerek, Türkiye Rüzgâr Atlası'nın çıkarılmasına baĢlanmıĢtır (Hayli, 2009).
Türkiye'nin rüzgâr enerjisi potansiyelinin kullanımına yönelik ciddi anlamda ilk adımlar 1996 yılında atılmıĢ, ilk rüzgâr santrali olan ÇeĢme-Germiyan Rüzgâr Santrali, 1,5 MW (yaklaĢık 5000 hanelik bir yerleĢmenin ihtiyacını karĢılayacak) gücü ile 21 ġubat 1998'de açılmıĢtır. Bu ilk rüzgâr santrali, 3 adet 500 kW'lık türbinden oluĢmaktadır.
2009 yılının Kasım ayında Tekirdağ'ın ġarköy ilçesinde Demirer Holding A.ġ. tarafından kurulumu tamamlanan rüzgar enerji santralini toplam 28,8 MW gücünde 15 türbinden oluĢmaktadır. 14 türbin 20.000 kWh gücünde bir adedi 800 kWh gücündedir ve yılda 97 milyon kWh‘lik enerji üretecektir (Hayli, 2009).
3.4. Rüzgâr ve Güneş Enerjisi Sistemleri
3.4.1. Rüzgâr Enerjisi
Yenilenebilir enerji kaynaklarından olan Rüzgâr enerjisi güneĢin neden olduğu enerji türlerinden biridir. GüneĢ ıĢınımlarının Dünya üzerindeki farklı dağılımlarının oluĢturduğu sıcaklık ve basınç farkından dolayı hava akımları dolayısıyla rüzgârlar
oluĢmaktadır. Rüzgârlar hava akımlarından dolayı kinetik enerjiye sahiptir. Bu enerjinin elektrik enerjisi veya mekanik enerji olarak kullanılabilmesi için Rüzgâr türbinleri geliĢtirilmiĢtir.
3.4.1.1. Rüzgâr Türbinleri
ġekil 3.8 ‗ de dikey eksenli rüzgâr türbini gösterilmiĢtir. Dönme ekseni rüzgâr yönüne göre dik ve düĢey yöndedir. Kanatların yüzeylerine gelen itme kuvvetinin farkından dolayı dönme hareketi oluĢur.
Şekil 3.8. Dikey Eksenli Rüzgâr Türbini (Anonim, 2008b)
ġekil 3.9 ‗da yatay eksenli Rüzgâr türbini gösterilmiĢtir. Dönme ekseni Rüzgâr yönüne paralel ve kanatları Rüzgâr yönüne dik olarak geliĢtirilmiĢtir. Günümüzde genellikle bu tip Rüzgâr türbinleri kullanılmaktadır. Rüzgâr enerjisini maksimum güce çevirmek için dönme ekseni daima rüzgâr yönünde olmalıdır.
Şekil.3.9. Yatay Eksenli Rüzgâr Türbini (Anonim, 2008b)
Rüzgâr Türbini yapısında aĢağıdaki elemanlar bulunur. Kanatlar
Gövde DiĢli Kutusu Jeneratör
Elektronik Kontrol Sistemi Kule
Kanatlar; türbin kanatları rüzgâr türbinin en önemli bileĢenleridir ve yüksek
yoğunluklu ahĢap veya camfiber ve epoksi kompozitlerinden yapılır. Modern Rüzgâr türbinleri 2 veya 3 kanatlı olarak imal edilirler. Rüzgârın itme kuvvetini mil vasıtası ile gövdeye dairesel hareket olarak aktarırlar.
Gövde; rüzgâr türbinin temel parçalarını bir arada tutan elemandır. Gövdenin uç
kısmında kanatlar ve göbekten oluĢan rotor bulunur.
DiĢli Kutusu; diĢli kutusu döndürme kuvvetini düĢük hız milinden yüksek hız miline
aktarılmasını sağlayan diĢlilerden oluĢur. Yüksek hız mili ile düĢük hız mili arasında genelde yaklaĢık 50 kat fark vardır.
Jeneratör; rüzgâr türbinin mekanik gücünü elektrik gücüne dönüĢtüren elemandır.
Senkron veya asenkron motora sahip olabilirler.
Elektronik Kontrol Sistemi; elektronik kontrol sistemi, Rüzgâr türbinin durumunu
sürekli izleyen bir sistemdir. Yön mekanizmasını kontrol eder. Herhangi bir arıza oluĢması durumunda Rüzgâr türbinini otomatik olarak durdurur ve operatöre uyarı gönderir.
Kule; kule, gövde ve rotoru taĢır. Yerden yükseldikçe Rüzgâr hızlarının artmasından
dolayı kulenin yüksek olması bir avantajdır. Kuleler, dairesel ve kafes biçiminde olabilirler. Dairesel kulelerde türbin gövdesine ulaĢmak için bir iç merdiven bulunur.
19. yüzyıl ve öncesinde mekanik güç üretmek amacıyla kullanılan rüzgâr türbinleri artık çoğunlukla elektrik üretimi için imal edilmektedir. Modern türbinler kullanma amacına göre 4 grupta incelenebilir. Bunlar: su pompalama sistemi, hacim veya su ısıtılmasında kullanılan sistem, uzak bölgelerde enerji üretimi için kullanılan Ģebekesiz sistem ve Ģebekeye bağlantılı olarak kullanılan sistemlerdir. Su pompalama sistemleri, çok kanatlı, düĢük rüzgâr hızında yüksek moment sağlayabilen, su pompası ile bağlantılı olarak çalıĢan sistemlerdir. Uzak yörelerde, pompaj derinliği az olan küçük çapta sulama ve sulu tarım için kullanılmaktadır. Bu amaçla genellikle 3-5 kW'lık türbinler kullanılmaktadır. Hacim veya su ısıtılmasında kullanılan sistemler aynı Ģekilde uzak bölgelerde ya da rüzgâr enerjisinin daha ekonomik olabildiği bölgelerde su ısıtılmasında ya da sera gibi büyük hacimlerin ısıtılmasında kullanılmaktadır. Kullanılan türbin kapasitesi 5-10 kW arasındadır. ġebekesiz sistemler akülü veya uzak yerlerde emniyetli sistemler Ģeklinde iki gruba ayrılabilirler. Akülü sistemlerin çoğu, küçük, ucuz rüzgâr türbinleri olup bireysel veya konutlar içindir. Uzak yerlerde emniyetli sistemler küçük, tek baĢına, uzak yerler için güvenilir güç üretirler. Bu sistemlerde de depolama ünitesi olarak akü bulunmalı ve mutlaka diğer kaynaklarla beraber kullanılmalıdır. Tipik kullanımları deniz fenerleri ve telekomünikasyon uygulamalarıdır. Rüzgâr türbinleri bir yerleĢim yerinin elektrik yükünü karĢılayabilir. Burada, türbin elektrik yükünün yakınında ve yük ayrıca Ģebeke ile bağlantılıdır. Bu türbinler 10-100 k W arasında güce sahip türbinlerdir. Ayrıca, merkezî yerde çok sayıda tesis edilmiĢ türbinlerle rüzgâr tarlaları da oluĢturulabilir. Burada da asıl amaç Ģebekeye enerji temin etmektir. Bu türbinlerin güçleri 50- 500 kW' tır (TaĢgetiren, 2008).
3.4.1.2. Rüzgâr Türbini Hesaplamaları
Rüzgâr türbinleri rüzgâr hızını mekanik bir sistemle elektrik enerjisine dönüĢtüren sistemlerdir. Rüzgâr türbinleri yatay eksenli ve dikey eksenli olmak üzere 2‟ye ayrılır. Rüzgâr türbini sistem verimleri %10 ile %35 arasında değiĢmektedir. Betz kanununa göre türbin verimi en fazla %59,3 olabilir. Rüzgâr türbini güç hesaplamaları aĢağıdaki formül ile yapılmıĢtır.
WRT=0.5**ART*V3*sRT (3.1)
Burada havanın yoğunluğunu (kg/m3), ART rüzgar türbini süpürme alanını (m2), V rüzgar hızını (m/s) ve sRT rüzgar elektrik üretme sistemi genel verimini göstermektedir. Genelde evlerde kullanılan bireysel rüzgâr türbinlerinin 2 m/s ile 15 m/s Rüzgâr hızları arasında çalıĢmasından dolayı analizler bu iki hız değeri arasındaki rüzgar hızları için yapılmıĢtır. Hesaplamalarda rüzgâr türbin çapına göre ölçülen Rüzgâr hızı değerlerindeki değiĢime atmosferik sınır tabakanın etkisi eĢitlik 3.2‟ye göre dikkate alınmıĢtır. Rüzgâr türbini hesaplamaları yükseklik etkisi dikkate alınarak 10 m ve 20 m yükseklikteki hızlar için aĢağıdaki formül kullanılarak yapılmıĢtır (Patel,1999).
V2=V1*(H2/H1) (3.2)
Burada V2 istenilen yükseklikteki hızı (m/s), V1 referans hızı (m/s), H2 rüzgar hızı hesaplanacak olan yüksekliği (m), H1 referans yüksekliği (m) ve ise Hellman katsayısını göstermekte olup bu çalıĢmada 0.25 olarak alınmıĢtır. (Patel, 1999)
3.4.2. Güneş Enerjisi
GüneĢ, 1,39 x 109 m çapında yoğun sıcak gazlar içeren bir küredir ve dünyadan ortalama 1,5 x 1011 m uzaklıktadır. Yüzey sıcaklığı 5.777 K‟dir. Bu sıcaklık merkeze doğru 4 x 106 ile 8 x 106 K arasında değiĢim gösterir. Sudan 100 kez daha yoğundur. GüneĢten gelen ıĢınım enerjisi çeĢitli füzyon reaksiyonlara uğramaktadır. GüneĢteki yüksek sıcaklıktan dolayı elektronlar atom çekirdeklerine ayrılır. Bu sebeple, güneĢte serbest elektron ve atom çekirdekleri bulunur. Dört hidrojen çekirdeği birleĢerek bir
helyum çekirdeğini oluĢturur. Füzyon adı verilen bu reaksiyon çok yüksek sıcaklıkta oluĢur. GüneĢte oluĢan helyum miktarı, harcanan hidrojen miktarından daha azdır. Aradaki fark güneĢ ıĢınımı ile oluĢan enerjiyi verir. Bu enerji çeĢitli dalga boylarında ıĢınlar halinde dünyaya ulaĢır. GüneĢ ıĢınımının bir kısmı atmosferden girerken yutulur. Geri kalan ıĢınımın bir miktarı havada toz parçacıkları ve hava tarafından yansımaya uğrar. Yansımaya uğrayan bu kısım difüz güneş ışınımı, dünya üzerine yansımaya uğramadan direk gelen ıĢınımda direk güneş ışınımı olarak adlandırılır. GüneĢten yeryüzüne gelen ıĢınım Ģiddeti, gün içinde geliĢ açısına bağlı olarak değiĢir. Bu Ģiddet, öğle vaktinde o gün içindeki en yüksek değerine ulaĢır. Bunun sebebi, güneĢ ıĢınlarının atmosfer içinde izlediği yolun öğle vaktinde en az olmasıdır (ġenol, 2005). GüneĢ Açıları Ģekil 3.10‟da gösterilmiĢtir.
ġekil 3.10. GüneĢ Açıları (Anonim, 2009b)
ġekil 3.10.‟da güneĢ açıları gösterilen açılar aĢağıda açıklanmıĢtır.
α:Yükseklik Açısı olup GüneĢ ıĢınımı ile yatay arasındaki açıdır. Tanımlamaya göre
αs = 90 - θz olur.
γs: GüneĢ azimut açısı olup güneĢ ıĢınlarının kuzeye göre, saat dönüĢ 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.
δ : Deklinasyon açısı olup Saat 12‟de güneĢ ıĢını ile ekvator düzlemi arasındaki açıdır. θ : GeliĢ açısı olup yüzeyin normali ile güneĢ ıĢını arasındaki açıdır.
θz : Zenit açısı olup ıĢın 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 eĢittir. 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.
3.4.2.1 Fotovoltaik Paneller (Güneş Pilleri)
GüneĢ enerjisinden elektrik üretiminde karĢımıza çıkan fotovoltaik (photovoltaic) terimi, ıĢıktan gerilim üretilmesi anlamına gelir ve genellikle “PV” ile gösterilir. GüneĢ pilleri, enerjinin korunumu yasasına uygun olarak, ıĢık enerjisini elektrik enerjisine dönüĢtüren cihazlar olup enerjiyi depolayamazlar (ġenol, 2005). GüneĢ pilleri fotovoltaik ilkelere dayalı olarak üzerine düĢen enerjiyi elektriğe dönüĢtürürler. Yarıiletken malzemeler üzerine ıĢık düĢtüğü zaman uçlar arasında bir potansiyel farkı oluĢur. Malzeme uçları bir dıĢ devreye bağlanarak elektrik üretimi sağlanır.
Fotovoltaik etki, ıĢık bir yarıiletken tarafından soğurulduğunda oluĢur. Fotonların enerjisi, yarıiletkenin valans bandındaki elektronlara aktarılır. Valans bandındaki elektronların iletim bandına yükseltilmesi sonucunda elektron-hol çifti oluĢur. Sadece yarıiletkenin yasak bant enerji aralığını aĢan enerjilere sahip fotonlar bu olayda etkili olabilir. Yarıiletken bant aralığı küçükse; fotovoltaik sistemin uçları arasında oluĢan potansiyel farkı küçük, dıĢ devre akımı büyük olur (Küpeli, 2005). ġekil 3.11.‟de fotovoltaik etki görülmektedir.
Şekil 3.11. Fotovoltaik Panel ÇalıĢma prensibi
3.4.2.2. 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 değiĢmemesi ve silisyum üretim teknolojilerinin geliĢmesine bağlı olarak bu malzeme popülerlik kazanmıĢtır. Saf silisyum elde edilmesi zor ve maliyetli olmaktadır. Bu bakımdan üretim maliyetleri yüksek olmaktadır. ÇeĢitli uygulamalar için n- tipi ve p- tipi olarak katkılanırlar. Katkı maddesi olarak Arsenik, Boron, Galyum, Fosfor ve Alüminyum kullanılır (Anonim, 2007a). Laboratuvar Ģartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir. (Anonim, 2010c)
Çok Kristalli Silisyum Fotovoltaikler: Çok kristalli malzemede damarların kristal yapılarının yönlenmeleri dıĢında elektrik, optik ve yapısal özellikleri özdeĢtir. Damarların büyüklükleri kristalin kalitesi ile doğru orantılı olarak değiĢmektedir. Elektriksel yük değiĢikliklerinin aktarılmasında damarlar arasında süreksizlik önemli bir sorun olarak öne çıkmaktadır. Elektriksel özelliklerin küçülen damar büyüklüğü ile orantılı olması tek kristalli malzemeler ile karĢılaĢtırıldığında verimin daha düĢük olmasına neden olmaktadır. Bunun yanı sıra çok kristalli malzemelerin üretim teknolojiler basittir ve maliyetleri de önemli ölçüde küçüktür (Anonim, 2007a).
Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıktaki ince tabakalar halinde dilimlenen tek kristal silisyum bloklarından üretilen güneĢ pillerinde laboratuar Ģartlarında %24, ticari modüllerde ise %15‟in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme
