Güneş Enerjisinden Elektrik Enerjisine

Güneş Enerjisinden

Elektrik Enerjisine

Dünyada Kullanılan Enerji Kaynakları

Günümüzde dünya enerji üretiminde öncelikli kaynaklar petrol, doğalgaz ve kömür gibi yenilenemeyen enerji kaynaklarıdır. Şu anki enerji kullanım koşulları göz önüne alınarak yapılan en iyimser tahminlerde göre:

 Petrol rezervlerinin 2030 büyük ölçüde tükenecek,

 Kömür için şu anki rezervlerle yaklaşık 80-100 yıl,

 Doğalgaz yaklaşık 100-120 yıllık bir kullanım süresi tahmin edilmektedir.

Ayrıca fosil yakıtların kullanımı dünya ortalama sıcaklığını da son bin yılın en yüksek değerlerine ulaştırmış, yoğun hava kirliliğinin yanı sıra milyonlarca dolar zarara yol açan sel/fırtına gibi doğal afetlerin gözle görülür biçimde artmasına sebep olmuştur.

Fosil yakıtlar içindeki karbon havadaki oksijen ile birleşerek CO₂ (tam yanma halinde) veya CO (yarım yanma halinde veya yanma havasının az olması) gazları ortaya çıkmaktadır. Yine yakıt içerisinde eser miktarda bulunan kurşun, kükürt gibi elementler yanma sıcaklığında oksijen ile birleşerek insan sağlığı açısından önemli tehdit oluşturan bileşikler (SOx, PbO, NOx, …) oluşturmaktadır. Atmosfer içinde biriken yanma gazları güneş ve yer arasında tabii olmayan katman meydana getirmekte, insan ve bitki hayatı üzerinde negatif etkiye neden olmaktadır.

Sera Etkisi (Isı enerjisinin karbondioksit gibi gazlar tarafından emilip atmosferde alıkonmasıyla ortaya çıkan ısı artışı) olarak da bilinen bu etki ve insan sağlığı bugün önemle üzerinde durulan olgulardır.

Günümüzde dünya üzerinde kullanılmakta olan alternatif enerji kaynakları :

1) Nükleer Enerji : Nükleer enerji nükleer reaktörlerde atom çekirdeğinin parçalanması veya çekirdek kaynaşması esnasında açığa çıkan enerjidir. Nükleer yakıtlar ise uranyum ve toryumdur. Bu maddelerden çok yüksek oranlarda elektrik enerjisi üretilmektedir.

2) Yenilenebilir Enerji:

Yenilenebilir enerji kaynakları adlarını sürekli olarak kendilerini yenilemelerinden alırlar ve tükenmezler. Bu sebeple sürdürülebilirlerdir.

Yenilenebilir enerji “Doğanın kendi çevrimi içinde bir sonraki gün aynen mevcut olabilen enerji’’

olarak tanımlanmaktadır. En genel olarak,

yenilenebilir enerji kaynağı; enerji kaynağından

alınan enerjiye eşit oranda veya kaynağın

tükenme hızından daha çabuk bir şekilde kendini

yenileyebilmesi ile tanımlanır.

Neden yenilenebilir enerji ?

Dünyamızda enerji ihtiyacı her geçen gün

artmaktadır. Buna karşılık bu ihtiyacı

karşılamakta olan fosil yakıt rezervi ise çok

hızlı bir şekilde tükenmektedir. Bu enerji

ihtiyacını karşılayacak ve aynı zamanda

çevreye dost enerji kaynaklarına

gereksinimimiz vardır.

Yenilenebilir enerji kaynakları nelerdir?

Yenilenebilir enerji kaynakları

Kaynak veya Yakıt

Güneş enerjisi Güneş

Rüzgar enerjisi Rüzgar

Dalga enerjisi Okyanus veya denizler Biyokütle enerjisi Biyolojik artıklar

Jeotermal enerji Yer altı suları Hidroelektrik enerji Nehirler

Hidrojen enerjisi Su ve hidroksitler

Gel-git ve akıntı enerjileri Okyanus veya denizler

Güneş Enerjisi:

Güneş enerjisi, son yıllarda yenilenebilen enerji kaynakları içinde, üzerinde en çok çalışılanı olmuştur. Güneş enerjisi güneş ışığından enerji elde edilmesine dayalı bir teknolojidir. Güneşin yaydığı ve Dünya’mıza da ulaşan enerji, Güneş’in çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışınım enerjisidir. Güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında Güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m² değerindedir; ancak yeryüzünde 0-1100 W/m² değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin Dünya’ya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır.

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

1. Fotovoltaik Güneş Teknolojisi: Fotovoltaik hücreler denen yarı-iletken malzemeler güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler.

2. Isıl Güneş Teknolojileri: Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir.

Rüzgar Enerjisi:

Temiz ve yenilenebilen bir enerji kaynağı olan rüzgardan eskiden yel değirmenleri sayesinde günümüzde ise modern türbinler yardımıyla elektrik elde edilmektedir. Rüzgar gücünden elektrik elde eden ülkelerin başında Almanya gelmektedir. Dünya rüzgar enerjisi üretiminin:

Almanya %27 ABD %25,5 Danimarka %14,7

Danimarka’da 4000′e yakın rüzgar türbini çalışmaktadır. Bir yılda elde edilen rüzgar enerjisinin iki milyar yüz milyon ton petrole eşdeğer olduğu hesaplanmıştır.

Dalga Enerjisi: Denizlerde rüzgarların etkisiyle oluşan dalgalardan enerji elde edilmektedir. Dalga enerjisi suya yerleştirilen tribünlerle veya dalgaların kıyıya çarptıkları yerlerde kullanılan merceklerle elde edilir.

Bütün dünyada dalgalardan 200 milyon ton

taşkömürünün vereceği enerjiyi karşılayacak

enerji elde edilebilir. Okyanusların kıyı şeridi

yaklaşık 100.000 km’dir. Bu kıyı şeridinin

ortalama potansiyel gücü 4 milyar kWsaat

bulmaktadır. Bu da dünyadaki bütün su

gücünden 7 kat fazladır.

Biyokütle Enerjisi: Biyokütle, fosilleşmemiş organik maddeler için kullanılan bir terimdir. Bitkilerden elde edilen madde, başka maddelere, kimyasallara, yakıta ve enerjiye dönüştürülebilir. Bitki ve hayvan atıklarından yararlanma yöntemidir.

Başlıca biyokütle kaynakları şunlardır;

Odun (çeşitli ağaçlar)

Bazı yağlı tohumlu bitkiler (ayçiçeği, kolza, soya fasulyesi) Elyaf bitkileri (keten, kenevir, sorgum v.b)

Karbonhidratlı bitkiler (patates, buğday, mısır, pancar v.b) Bitkisel artıklar (dal, sap, saman, kök, kabuk v.b)

Sanayi atıkları

Hayvansal atıklar.

Biyogaz: Bazı organik bazlı atıkların oksijensiz ortamdaki fermantasyonu (mayalanma) sonucu ortaya çıkan renksiz, kokusuz, mavi bir alevle yanan gazdır. Çin ve Hindistan’da biyogaz üretimi çok önemlidir. Çin’de hayvan ve insan atıklarının kullanıldığı yedi milyon biyogaz üretim ünitesi bulunmaktadır. Biyogaz enerjisi için bitkiler de kullanılmaktadır. Bitki atıkları arasında şeker kamışı, mısır, kauçuk ve kavak vardır. Bu bitkilerin atıklarındaki çürüme bazı yakıtların meydana gelmesine yol açar. Brezilya’ya mısır ve şeker kamışından alkol elde edilmekte, bu alkol da motor yakıtı olarak kullanılmakta ve %20 oranında da petrole katılabilmektedir. Bazı yağlı tohum bitkilerinden (kolza, aspir, ayçiçeği gibi) elde edilen yağların bir katalizör eşliğinde alkol ile reaksiyonu sonucu ortaya çıkan yakıt biyodizel’dir.

Kızartma yağları ve hayvansal yağlar da biyodizel hammaddesi olarak kullanılır.

Jeotermal Enerjisi: Yerkabuğunun derinliklerindeki ısının fay hatlarından sıcak su veya buhar olarak kendiliğinden ya da sondajlarla çıkartılmasıyla elde edilen enerjiye jeotermal enerji denir. Dünya üzerindeki jeotermal enerji kapasitesinin 7000 MW dolayında olduğu tahmin edilmektedir. 1790-1980 yılları arasında jeotermal enerji kullanımı 10 kat artmıştır.

Fakat potansiyel daha fazladır. Japonya 270 MW’lık kapasiteye sahip olmasına rağmen bunun 69 MW’lık kısmını ancak kullanabilmektedir. Jeotermal enerjiden ısıtmada, endüstride, tarımda ve elektrik elde etmede yararlanılmaktadır.

Hidroelektrik Enerjisi (hidro): Hidroelektrik enerjinin kaynağı sudur. Akan suyun kinetik enerjisi türbinler ve jeneratörler sayesinde elektrik enerjisine dönüştürülür. Dünya elektrik üretiminin %17′si hidroelektrik enerjisi tarafından karşılanmaktadır. Hidroelektrik santraller termik santraller gibi çevreyi fazla kirletmezler. Fakat baraj yapılacak alanın sular altında kalmasıyla çevrede değişiklikler meydana gelmektedir.

Hidrojen Enerjisi: Hidrojen ve güvenli olarak taşınabilen, her yerde kullanılabilen, tükenmeyen, temiz ve ekonomik bir yakıttır. Bu yüzden 21. yüzyıla damgasını vuracak en önemli enerji kaynağıdır. Atmosferde saf olarak bulunan hidrojen, oksijenle beraber reaksiyona girdiğinde su oluşmaktadır.

Artan çevre sorunları ve fosil yakıtların tükenmeye başlaması gibi nedenler hidrojen yakıtını çok önemli bir duruma getirmiştir. Motor yakıtı olarak, sanayide, elektrik üretiminde ve konutları ısıtmada hidrojen enerjisi kullanılabilir. Gaz ve

sıvı olarak depolanarak uzun mesafelere taşınabilmektedir

Gel – Git ve Akıntı Enerjisi: Okyanuslardaki suyun alçak ve yüksek olduğu zamanlar arasındaki farktan doğan enerjidir.

Gel-git enerjisi tesisi ilk olarak 1966 yılında Fransa’nın kuzeybatısında Rance Nehri’nin ağız kısmındaki haliçte inşa edilmiştir. Bu tesisten 240 MWsaat elektrik üretilmektedir.

Rusya’da 400, Çin’de 10, Kanada’da 18 MWsaat enerji üreten tesisler kurulmuştur. Hindistan’da ise proje aşamasında olan tesisler vardır.

İki türbinli bir gel-git barajının Temsili gösterimi.

Güneş’ten enerji elde etme çalışmaları son

zamanlarda çok hızlanmıştır. Küresel

ekonominin akaryakıta dayalı olarak işlemesi,

bu alandaki kaynakların sınırlılığı ve ortaya

çıkan krizler güneş enerjisinden daha çok

yararlanmanın yollarını açtırmıştır. Dünya

üzerinde birçok devlet kuruluşu ve özel

şirketler güneşten yararlanmanın çeşitli

yollarını aramaktadırlar. Her geçen gün

araştırmacılar güneş enerjisi teknolojisine

ilişkin geliştirdikleri yeni yöntemleri

açıklamaktadırlar.

Neden Güneş Enerjisi?

 Yakıtı sonsuz ve ücretsizdir.

 Ülkemizin de güneş enerjisi potansiyeli Avrupa’daki İspanya hariç tüm ülkelerden daha fazladır.

 Ses, zararlı emisyonlar veya kirletici gazlar olmaksızın en temiz ve çevreye zararsız enerji üretir.

 Güneş elektrik sistemleri oldukça güvenilir ve uzun ömürlüdür.

 Güneş elektrik panelleri geri dönüştürülebilir ve üretim prosesi için tekrar kullanılabilir.

 Her bölge ve noktaya kurulabildiğinden, üretildiği yerde tüketilir ve hatta tüketim fazlası üretim şebekeye beslenebilir. Bu sayede iletim hatlarının yükünü azaltarak, Avrupa’nın da gelecek için hedef gördüğü

‘dağınık enerji’ sistemlerini yaratır.

 Çok az bakım gerektirir. Kurulumu çok hızlı ve kolaydır.

 Elektrik üretimimizin %73’ü ithal kaynaklara bağlı olduğundan(özellikle yakıt için ödenen milyarlarca dolar) ülkemizde üretilecek güneş elektriği, enerjide dışa bağımlılığımızı azaltacaktır.

 Her türlü ev, bina, işyeri, fabrika çatılarına kurulabildiğinden, küçük yatırımlarla ülke çağında çok geniş bir kitlenin elektrik üretmesine imkan verir ve elektrik piyasasının halkla iletişim kurmasını sağlar.

Türkiye’nin Güneşlenmesi

Türkiye’nin Yerel Radyasyon Değerleri (kWsaat/m²-gün)

Türkiye’nin Güneşlenme Süreleri (Saat)

Güneş enerjisi potansiyeli Avrupa’da İspanya’dan sonra en yüksek değere sahip olan Türkiye’nin yıllık ortalama güneş ışınımı 1311 kWsaat/m²yıl, ortalama yıllık güneşlenme süresi ise 2640 saattir. Bu rakam günlük 3,6 kWsaat/m² güce, günde yaklaşık 7,2 saat, toplamada ise 110 günlük bir güneşlenme süresine denk gelmektedir.

Türkiye’nin, özellikle güney bölgeleri dünyanın güneşlenme kuşağı adı verilen kesimde bulunmasından dolayı, Türkiye’de Güneş’den elektrik üretmek çok elverişlidir. Dünya’da özelliklede Avrupa’da bu enerji potansiyeline denk düzeyde veya üzerine çıkabilecek nadir bölgeler vardır. Türkiye’nin bir diğer avantajı da kurulum yapılabilecek geniş alanların bulunmasıdır.

Türkiye’nin tüm bu özelliklerini değerlendirecek olursak, gerekli yatırımların yapılması durumunda bu teknolojiden ne kadar fazla yararlanacağı ortadadır.

 Güneş enerjisi yararlı ısı kaynağı olarak pasif sistemlerde de kullanılabilir. Bu sistemlerin başında, özellikle, Akdeniz kıyısındaki yerleşim bölgelerinde çok rastlanan su ısıtıcı sistemler gelmektedir. Sistemin çalışma prensibi siyah renkli cisimlerin ısıyı soğurma prensibine dayanır.

Güneş’ten gelen ısı siyaha boyanmış geniş, düz toplayıcılar üzerine düşer ve soğrulur. Soğrulan ısı enerjisi toplayıcıların içinde sürekli olarak akmakta olan suyu aktarılır. Bu enerji ile sıcaklığı artan su, evin sıcak su deposunda daha sonra kullanılmak üzere toplanır.

 Dünyada güneş panellerinin yarısını üreten Almanya, Avrupa’da güneş enerjisi konusunda başı çekmektedir. Bu ülkedeki güneş enerjisi sistemlerinin 750 MW kapasitesi vardı.

Almanya’da toplam üretilen enerji içinde %3 gibi küçük bir payı olsa da 2020’de yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen enerjinin, toplamın

%27’sine çıkarmayı planlanıyor. Almanya’dan iki kat daha çok güneş alan İspanya, ikinci sırada geliyor: 60 MW kapasitesi var. ABD’de de 2050’de güneş enerjisinden elde edilen enerjinin toplam enerji içinde %35’e ulaşacağı öngörülüyor. Japonya ise 2030’da uzayda bir güneş enerjisi santrali kurmayı planlıyor.

Güneş (Fotovoltaik) Pili

Fotovoltaik piller ilk olarak 1839 yılında Fransız fizikçi Edmond Becquerel tarafından bulunmuştur. Güneş pilleri, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen yarıiletken malzemelerden oluşan düzeneklerdir. Güneş pillerinin üzerine güneş ışığı düştüğünde güneş enerjisini doğrudan DC elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerden (p ve n tipi) oluşan sistemlerdir. Genelde yüzeyleri kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilen kristalin güneş hücrelerinin alanı 100 / 156 / 243 cm² civarında ve kalınlıkları ise 0,2 - 0,4 mm arasındadır. Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur.

Güneş hücreleri güneş ışınlarının soğurarak, onların enerjisini elektron ve hollere (pozitif yük) aktadır. Bu yükler hücrelerin ön ve arka kısımlarında toplanır. Burada yaratılan gerilim bir elektrik akımı yaratır.

Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel yada seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri yada paralel bağlanarak bir kaç Watt’tan MW

’lara kadar sistem oluşturulabilir.

Hücre

Modül

Paneller

Güneş panellerinden elde edilen enerji akü ve pillerde olduğu gibi doğru akımdır(DC). Bu nedenle üretim tesislerinde ve evlerde kullanabilmek için inverter(evirici) yardımıyla alternatif akıma (AC) dönüştürülmeleri gerekmektedir.

Günümüzde güneş pillerinin verimliliğini artırmak için son derece gelişmiş yeni teknolojiler denenmektedir. Örneğin, GaAs yarıiletken bileşiğine dayanan ve tabakalar halinde yapılan piller, üzerine düşen ışık enerjisinin %35 ‘ini elektrik enerjisine çevirmeleri açısından son derece verimli olmalarına karşın, üretimleri çok pahalı olduğu için ancak uydularda enerji gereksinimini karşılamak üzere güneş panellerinde kullanılır.

Silisyum Kristali: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen tek kristal silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında %24,

ticari modüllerde ise %15'in

üzerinde verim elde edilmektedir.

Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen polikristal silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim,

laboratuvar şartlarında %18,

ticari modüllerde ise %14 civarındadır.

Amorf silisyum’dan yapılan güneş pilleri son derece ucuz ve verimlilikleri ticari uygulamalarda %10-12 arasında olup, günlük yaşamda pek çok uygulama alanı bulmuşlardır. Örneğin;

Son yıllarda üretim maliyetlerinin oldukça düşük ve performansları da makul olan ince film güneş pilleri oldukça çekici hale gelmiştir.

Bazı ince film güneş pilleri:

Kamiyum tellürit (CdTe) ~ % 16 (Laboratuvar)

% 7 (Ticari)

Bakır indiyum diselenit(CuInSe₂)

~ % 17(Laboratuvar)

% 10,2 (Ticari)

Bu süreçte en zorlayıcı olan, verimli güneş panellerinin yapımıdır. Şu anda dünyada yaygın kullanılan panellerde, panel başına verim %20 düzeyindedir. Daha karmaşık panellerse %40'a civarında verimlilik sağlanabilmektedir. Sürece bir bütün olarak bakıldığında, kilowatt-saat başına maliyet, diğer alternatiflere göre hâlâ 3-6 kat daha fazladır. Araştırma ve geliştirme kuruluşları yalnızca bu nedenle, temiz ve yenilenebilir enerji kaynaklarının yaygınlaştırılması için daha verimli Güneş panelleri geliştirmek zorunda olduklarının bilinciyle çalışıyorlar. Son 3-4 yılda alınan mesafe gelecek için çok ümit verici olup, özellikle nanoteknolojinin gelişimiyle alınacak mesafenin çok daha büyük olması bekleniyor.

Gelecekte yaygın olarak dış yüzleri milyonlarca hücreden oluşan piller içeren güneş panelleriyle kaplı evleri, karayollarında otomobilleri ve gökyüzünde uçan uçakları görebiliriz.