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 tükenecek, 2030 büyük ölçüde 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 CO 2 (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 Güneş enerjisi Rüzgar enerjisi Dalga enerjisi Biyokütle enerjisi Jeotermal enerji Hidroelektrik enerji Hidrojen enerjisi Kaynak veya Yakıt Güneş Rüzgar Okyanus veya denizler Biyolojik artıklar Yer altı suları Nehirler 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/m 2 değerindedir; ancak yeryüzünde 0-1100 W/m 2 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/m 2 -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 cm 2 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(cuinse 2 ) ~ % 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.