DÜNYADA VE TÜRKİYEDE BİNALARDA KULLANİLAN YENİLENEBİLİR ENERJİ (GÜNEŞ VE RÜZGÂR) SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 DÜNYADA VE TÜRKİYEDE BİNALARDA KULLANİLAN YENİLENEBİLİR ENERJİ (GÜNEŞ VE RÜZGÂR) SİSTEMLERİNİN İNCELENMESİ Abdil Karakan 1, Yüksel Oğuz 2, Riyad Şihab 3 Özet Bu çalışmada; Dünyada binalarda kullanılan yenilenebilir (rüzgâr ve güneş) enerji sistemleri örneklerle incelenmiştir. Dünyada binalarda kullanılan güneşten enerji üreten sistemler (fotovoltaik sistemler) incelendiğinde; sistemlerin binalarda üç farklı şekilde; eğik çatı, düz çatı ve cephe olarak uygulandığı görülmüştür ve yapılan çalışmada dünyada fotovoltaik sistem örnekleri üç başlık adı altında toplanarak incelenmiştir. İncelemeler sonucunda en yüksek verimli sitem eğik çatı düzlenmelerinde uygulanan fotovoltaik sistemler olduğu anlaşılmıştır. Binanın konumuna ve çatının durumuna göre düz çatı ve cephe uygulama fotovoltaik sistemlerde binalarda uygulanmaktadır. Rüzgâr enerjisi uygulamaları daha çok enerji potansiyelinin yüksek olduğu çok katlı binalarda kullanılmaktadır. Böylelikle rüzgâr enerjisi ile binanın enerji ihtiyacının büyük bir bölümü karşılanmaktadır. Ayrıca Dünyada ve Türkiye de kullanılan rüzgâr enerji sistem örnekleri de verilmektedir. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir enerji, fotovoltaik sistem, binalar, rüzgâr ve güneş enerjisi. THE INVESTIGATION OF USING RENEWABLE ENERGY (WIND AND SOLAR) AT BUILDINGS IN TURKEY AND WORLDWIDE Abstract In this study; the investigation of using renewable energy (wind and sun) at building in Worldwide has carried out with examples. When the system for production of renewable energy is researched for using in worldwide is photovoltaic system, it can be conclude that the setting system can be existed in three different forms; oblique and vertical which is fixed on the building and investigated under three categories. From the result of research it can said that the oblique system is giving effective and efficient for production of electricity by using photovoltaic system. According of building it can be applied for ceiling or front of buildings. The production of renewable energy from wind has huge potential energy so it can used for meeting the need of energy for multistory buildings. The use of wind energy in Turkey and worldwide has been studied with examples. Keywords: Renewable energy, photovoltaic system, buildings, wind and solar energy. 1 Öğr. Gör., Afyon Kocatepe Üniversitesi, abdilkarakan@hotmail.com 2 Doç. Dr., Afyon Kocatepe Üniversitesi, yukseloguz@aku.edu.tr 3 Yrd. Doç. Dr., Afyon Kocatepe Üniversitesi, rishihab@gmail.com

2 Giriş Güneş dünyadan ortalama 149,6 milyon km uzaklıkta, 1.392x108 km çapında ve 1,99x1030 kg kütlesindedir. Güneşin yüzey sıcaklığı 6000 o K iç bölgelerde ise sıcaklığın 8x10 6 o K - 40x10 6 o K arasında değiştiği tahmin edilmektedir. Güneş sonsuz bir enerji kaynağı olup dünyadaki bütün enerjilerin kaynağıdır. Güneşten dünyaya gelen yıllık enerji miktarı, dünyanın yıllık enerji miktarının yaklaşık olarak katıdır [Erkınay 2012, Koyürek 2008]. Dünyadaki kurulu olan tüm enerji santrallerinin gücü güneşten dünyaya gelen gücün çok altındadır. Güneşten gelen güç dünyada kurulu olan nükleer santrallerin ürettiği toplam gücün katıdır [İnt. Kay.]. Güneşin, dünya atmosferinin dışındaki enerjisi olarak sabit olmakla birlikte yaklaşık 1370 W/m 2 dir [Yıldırım 2008]. Bu değer yeryüzünün farklı bölgelerinde güneşin geliş açısı, gölgelenme ve güneşe uzaklığına bağlı olarak W/m 2 arasında farklı değerler almaktadır [Varınca 2006]. Bu enerjinin küçük bir kısmı bile, insanlığın şuan kullanmış olduğu enerji kaynaklarından daha fazladır. Güneş enerjisinden günümüzde iki türlü yararlanılmaktadır. Birincisi, konutların ve iş yerlerinin enerji ihtiyacının giderilmesi için elektrik enerjisi üretimindedir. İkincisinde ise, güneş enerjisi ısı enerjisine dönüştürülerek yararlanılmaktadır [Altın 2012]. Fotovoltaik Panellerin Mimaride Kullanımı Fotovoltaik paneller mimaride yapının bir çok farklı bölümüne entegre edilebilir. Fotovoltaik paneller binaya yapım aşamasında montaj yapılacağı gibi mevcut olan bir yapıya daha sonrada eklenebilir. Fotovoltaik panellerin binaya uygulanması panelin cinsine ve uygulanma şekline göre değişiklik göstermektedir. Fotovoltaik paneller çerçeve sistem veya yapıştırma olarak binaya uygulanmaktadır. Çerçeve sistemlerde fotovoltaik panel alüminyum bir çerçevenin içine alınarak binaya monte edilmektedir. Yapıştırma sistemi ise İnce film panellerde uygulanmaktadır. Fotovoltaik panellerin en yüksek verimlilikte çalışabilmesi için güneş ışınlarını en dik ve en uzun sürede alabilecek şekilde binaya montajı yapılması gerekmektedir. Fotovoltaik panel uygulaması yapılan bina kuzey yarım kürede ise paneller güneye, güney yarım küredeyse kuzeye bakmalıdır [Muntasser 2000]. Fotovoltaik paneller binalarda eğik çatı, düz çatı ve cephede olmak üzere üç çeşit uygulamada yapılmaktadır. Eğik Çatı Fotovoltaik Uygulamaları Eğik çatıda fotovoltaik sistemin uygulanabilmesi için; çatının uygulama yapılabilmesi için müsait olması ve sistemin yükünün taşıyabilecek güçte olması gerekmektedir. Fotovoltaik sistemin verimliliğini arttırmak için uygulama çatının güneş gören tarafına yapılır. Şekil 2.a da Almanya nın Köln kentinde bulunan apartmanın çatısının eğimine göre monte edilen bir fotovoltaik panel sistem uygulaması görülmektedir. Sistem mevcut binaya 2005 yılında sonradan ve çerçeve sistem olarak entegre edilmiştir. Sistem çok kristalli silisyum panellerden oluşmakla birlikte toplam gücü 27 kw olup yıllık üretimleri kwh dir. Şekil 2.b de Avusturya da 102 daireden oluşan sosyal evlerin eğik çatısına 2003 yılında uygulanmış görülmektedir. Uygulanan sistemin gücü 30 kw dir. Çerçeveli sistem olarak uygulanan sistemde çok kristalli silisyum paneller kullanılmıştır. Panellerin yıllık enerji üretimleri kwh olarak ölçülmüştür [Yumartacı 2013]. 87

3 Şekil 2.a. Şekil 2.b. Almanya nın Freburg kentinde 2006 yılında villanın eğik çatısı üzerine sonradan entegre edilmiştir. Sistemin kurulu gücü 11 kw olup yıllık üretimi ise kwh dir. Paneller çerçeve sistem olarak villanın güney cephesine uygulanmıştır. Sistemde çok kristalli silisyum paneller tercih edilmiştir [Aygün 2012]. Şekil 3.a da montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir. Kuzey İrlanda da 3 bloktan oluşan sitede 2003 yılında sonradan montajı yapılmıştır. Binanın çatısı panellerin yükünü kaldıramayacağından tekrar yapılmıştır. Sistemin kurulu gücü 51 kw olup yıllık üretimi kwh dir. Sistemde tek kristalli silisyum panel kullanılmıştır [Aygün 2012]. Şekil 3.b de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir. Şekil 3.a. Şekil 3.b. Düz Çatı Fotovoltaik Uygulamaları Çatının olmadığı binalarda bir mekanizma yerleştirilerek fotovoltaik sistemin güneş ışınlarını daha dik ve uzun süre alması sağlanır. Böylelikle sistemin verimliliği arttırılır. Fransa nın Paris kentinde bulunan apartmanın düz çatısına 2002 yılında montajı yapılmıştır. Sistemde 200 adet toplam 220 metrekare yüzey alnına sahip çok kristalli silisyum paneller kullanılmıştır. Kurulu güç 22 kw olup yıllık üretim kwh dir. Sistem çatıya kutu profiller üzerine makas sistemi kullanılarak monte edilmiştir [8]. Şekil 4.a da montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir. 88

4 Japonyanın 4. büyük kenti olan Nagoya kentinde bulunan 8 adet binanın çatısına 2000 yılında entegre edilmiştir. Sistemden elde edilen elektrik binaların ortak alan giderlerinde hollerde ve asansörlerde kullanılmıştır. Sistemin çok kiristalli silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 203 kw olup yıllık üretimi kwh dır [Aygün 2012]. Şekil 4.b de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir. Şekil 4.a. Şekil 4.b. Cephede Fotovoltaik Uygulamaları Çatının olmadığı ve binanın güneşe bakan tarafının müsait olduğu durumlarda kullanılır. Bu uygulama ile elektrik enerjisi üretilirken aynı anda binaya estetik bir görünüş kazanılmıştır. Fransa nın Lyon kentinde 1960 yılında yapılan 11 adet binaya 2005 yılında fotovoltaik paneller entegre edilmiştir. Binaların çatısında güneş kolektörleri olması nedeniyle binanın güney doğuya bakan cephesi tercih edilmiştir. Sistemin çok kristalli silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 92 kw olup yıllık üretimi kwh dır [Aygün 2012]. Şekil 5.a da montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir. Almanya da 2001 yılında apartmanın güney cephesinin uygulanmıştır. Sistemde toplam 230 m 2 yüzey alanına sahip çok kristalli silisyum panelleri kullanılmıştır. Binada enerji kaybını azaltmak için izolasyon kullanılmış ve balkonlar cam ile kaplanmıştır. Sistemin kurulu gücü 51 kw olup yıllık üretimi kwh tir [Aygün 2012]. Şekil 5.b de montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir. Şekil 5.a. Şekil 5.b. 89

5 Rüzgâr Türbinlerin Mimaride Kullanımı Dünyanın en hızlı büyüyen, ucuz enerji kaynağı olmasının yanında çevre kirliliğine neden olmayan rüzgâr enerjisi gelişmiş ülkelerde yaygın olarak kullanılmaktadır. Günümüzde özellikle A.B.D. de yapımı planlanan yüksek binalarda, rüzgâr enerjisi etkin tasarımların ağırlığı artmaktadır. Rüzgâr türbinlerinde sağlanan teknolojik gelişmeler ile dezavantajları ortadan kaldırılmıştır. Ticari olarak kullanılan ilk rüzgâr türbinleri çalışması çok gürültü ile iken yeni rüzgâr türbinlerinde bu ortadan kaldırılmış ses seviyesi düşürülmüş. Ayrıca rüzgâr türbinlerin kurulum yerleri kuşların toplu olarak yaşadıkları ve göç yolları dikkate alınarak seçilerek kuş ölümlerinin de önüne geçilmiştir [Aygün 2012]. Rüzgâr türbinleri şebeke bağlantılı ve akülü olarak ikiye ayrılmaktadır. Şebekeye bağlantılı sistemlerde üretilen elektrik enerjisi ana şebekeye aktarılmaktadır. Rüzgârın düzenli olmaması nedeniyle elektrik enerjisi üretimi süreklilik göstermemektedir. Genellikle 1-30 kilowaat gücündeki rüzgâr türbinleri akülü sistemler sınıfına girmektedir. Bu türbinler, ürettikleri elektrik enerjilerini akülere aktarmak vasıtasıyla depolama yapmaktadır. Rüzgârın yeteri hızla esmediği durumlarda enerji üretimi gerçekleşmez. Bu durumlarda elektrik enerjisi ihtiyacı akülerden karşılanır [Aygün 2012]. Mimaride rüzgâr türbinleri üç şekilde gruplandırılır. Bina Bağımsız Rüzgâr Türbinleri Bu tür rüzgâr türbinleri, bina veya binalarda mimari tasarım ve strüktür bakımından bağımsız düşünülen sistemlerdir. Rüzgâr santralleri ve çiftlikleri bu tür grubuna girmektedirler [Aygün 2012]. Yapılan araştırmalara göre rüzgâr enerjisi potansiyeli açısından denizlerin karalardan daha zengin olduğu anlaşılmaktadır. İlk olarak denizde üstü rüzgâr enerjisi projesi İsveç te 1990 yılında gerçekleşmiştir. Daha sonra Avrupa ülkeleri başta olmak üzere birçok gelişmiş ülkede deniz üstü rüzgâr enerjisi projeleri gerçekleştirilmiştir. Şekil 6 da deniz üstü rüzgâr santralleri gösterilmektedir [Aygün 2012]. Şekil 6: Deniz üstü rüzgâr santralleri. Bina Monte Rüzgâr Türbinleri Bina veya binaların tasarım aşamasında ya da sonradan monte edilen, bina veya binaların formuna uyum kaygısı taşımayan ve formu rüzgâr akışını değiştirmek amacıyla kullanılmayan türbinlerdir. Genellikle binalarda kule olarak kullanılmaktadır. 90

6 Yatay ve düşey rüzgâr türbinleri bina veya binalara monte edilmektedir. Bina veya binaların rüzgâr açısı türbinlerden maksimum verim almak açısından önemlidir. O bölgenin hâkim rüzgâr yönü ve binanın konumu, monte edilecek türbinin binaya monte edilecek yüzeyini belirler. Şekil 7 de binaya monte rüzgâr türbinlerin montaj şekilleri gösterilmektedir [Aygün 2012]. Şekil 7: Binaya monte rüzgâr türbinlerin montaj şekilleri. Bina Entegre Rüzgâr Türbinleri Bina entegre rüzgar türbinleri, mimari tasarım sırasında sürece dahil edilmiş olup, bina veya binaların formu tarafından desteklenerek, rüzgar yönünü, hızını yada yoğunluğunu değiştirmek veya arttırmak suretiyle, elde edilecek olan enerjinin maksimum seviyelere yükselmesi hedeflerine yönelik olarak tasarlanan türbinlerdir. Rüzgâr türbinleri mimari form üzerinde büyük etkiye sahip olup bina veya binaların tasarımda asıl amaç rüzgâr enerjisini kullanmaktır. Şekil 8 de çeşitli olarak binaya entegre rüzgar türbinleri gösterilmektedir [Aygün 2012]. Şekil 8: Lighthouse, Castlehouse, Pearl River Towers. Dünyada Mimarisinde Kullanılan Rüzgâr Türbini Örnekleri Şekil 9.a da İngiltere nin Londra şehrinde 2004 yılında rüzgâr türbini gösterilmektedir. Bina aerodinamik biçimiyle gelen rüzgârın bina çevresinde dönmesini sağlamakta ve yapı üzerindeki baskıyı azaltmaktadır. Binanın çevresinde hava akımları oluşması nedeniyle cephe basınç farkları oluşmakta ve binanın doğal havalandırılması sağlanmaktadır [Aygün 2012]. Şekil 9.b de Taiwan da 2011 yılında yapılmış olan Bionic Arc binasında uygulan rüzgâr türbini gösterilmektedir. Taşıyıcı sisteme entegre edilen rüzgar türbinleri sayesinde bina tükettiği enerjinin büyük bir kısmını rüzgar enerjisi ile üretmeyi hedeflemiştir. Binanın 91

7 gövdesindeki rüzgâr türbinleri için gerekli rüzgâr hızını arttırmayı amaçlayan tasarıma sahiptir. Dubai de yapılması planlanan otel projesinde kullanılan rüzgâr türbine sayesinde ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi rüzgârdan elde edilecek elektrik enerjisinde karşılanması planlanmaktadır. Şekil 9.c de Anara Tower binasında uygulanması planlanan rüzgâr türbini gösterilmektedir [Aygün 2012]. Şekil 9.a Şekil 9.b Şekil 9.c Türkiye de Mimaride Kullanılan Rüzgâr Türbini Örnekleri Anakara da yapılan bu uygulamada 1 adet rüzgâr türbini binaya yerleştirilmiştir. Türbinin gücü 1,1 kw olup binanın ihtiyacı olan elektrik enerjisinin bir kısmı buradan karşılanmaktadır. Şekil 10.a da Eser Yeşil binasında uygulan rüzgâr türbini gösterilmektedir [Aygün 2012]. İstanbul da gerçekleştiren bu sistemde 500 W gücünde paralel kanatlı dikey rüzgâr türbini kullanılmıştır. Dikey türbinin kanat sayısı bel, kanat materyali özel olarak güçlendirilmiş üçlü örgülü fiber ve özel koruma boyasından yapılmıştır. Şekil 10.b de Marmara Üniversitesi Araştırma binasında uygulan rüzgâr türbini gösterilmektedir [Aygün 2012]. Şekil 10.a. Şekil 10.b. Sonuç Fosil yakıtların giderek tükenmesi ve hava kirliliği yaratıp çevreye zarar vermesi insanları yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönlendirmiştir. Yenilenebilir enerji kaynakları gelişmiş ülkelerde enerji üretiminde kullanılırken bu kaynaklar ülkemizde yeteri kadar ilgiyi görmemekte ve kullanılmamaktadır. Bu kaynakların en önemlilerinden olan 92

8 güneş enerjisinin sonsuz ve kolay erişilebilir olması, güneş pilleri sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi tercih sebeplerindendir. Ülkemizde kullanılmama sebeplerinin en önemlisi sistem maliyetinin özellikle fosil kaynaklara göre daha fazla olmasıdır. Dünyada kullanılan fotovoltaik sistemler incelendiğinde; eğik çatı, düz çatı ve cephe sistemleri olarak üç uygulaması bulunabildiği örneklerde bulunmaktadır. Dünyada kullanılan fotovoltaik sistemler incelendiğinde eğik çatı uygulaması verimlilik bakımından en iyi sonucu veren uygulama olduğu anlaşılmaktadır. Binanın konumuna ve çatının durumuna göre uygulanan fotovoltaik sistem çeşidi değişmektedir. Rüzgâr enerjisi fotovoltaik sisteme göre binalarda daha yüksek enerjiye sahiptir. Özellikle rüzgâr enerjisi yüksek binalarda kullanılmaktadır. Dünyada ve Türkiye de binalarda kullanılan rüzgâr enerjisine bakıldığında üretilen enerji binalarda kullanılan enerjinin büyük bir kısmını karşılamaktadır. Kaynakça Aygün, O. D. (2012). Mevcut Yapılara Fotovoltaik Panel Sistemlerin Entegre Edilmesi, İzmir Örneği. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, Adana, Türkiye Erkınay, P. U. (2012). Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Rüzgâr Enerjisinin Binalarda Kullanımı Üzerine Bir İnceleme. Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, Adana, Türkiye Koryürek, E. (2008). Fotovoltaik Sistemlerin Binalarda Kullanımı. Yüksek Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye (Erişim Tarihi: 6 Şubat 2015) Yıldırım, T. (2008). Güneş ve Rüzgâr Enerjisi Veri Toplama Sisteminin Geliştirilmesi. Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen Bilimleri, Temiz Tükenmez Enerjiler Anabilim Dalı, Ankara, Türkiye Varınca, K. B. (2006). Türkiye de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir Araştırma. I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi. Eskişehir, Türkiye, Altın, M. (2012). Yeni Yapı Malzemesi Fotovoltaik Paneller, Özellikleri ve Tarihçesi. 2. Ulusal Yapı Malzemesi Kongresi ve Sergisi Muntasser, M.A., Bara, M.F.,Quadri, H.A., EL Tarabelsi, R. ve La-azeb,, I.F. (2000). Photovoltaics marketing İn Developing Countries. AppliedEnergy, Cilt 65, Sayfa Yumurtacı, Z.,Dönmez, A.H. (2013). Konutlarda Enerji Verimliliği. Mühendis Ve Makine Dergisi, Cilt 54 Sayı 637 Sayfa