BİNA DÜŞEY KABUĞUNDA FOTOVOLTAİK PANELLERİN KULLANIM İLKELERİ

Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. J. Fac. Eng. Arch. Gazi Univ. Cilt 17, No 3, 17-33, 2002 Vol 17, No 3, 17-33, 2002 BİNA DÜŞEY KABUĞUNDA FOTOVOLTAİK PANELLERİN KULLANIM İLKELERİ Gülser ÇELEBİ Mimarlık Bölümü, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Gazi Üniversitesi 06570 Maltepe Ankara, gulser@mmf.gazi.edu.tr ÖZET Enerji etkin binalar konusunda son yirmi yılda büyük ilerlemeler olmasına rağmen, pasif ve aktif yaklaşımlar gelişme sürecinin henüz başlangıcı olarak görülmektedir. Enerji etkinliğini arttırırken aynı zamanda elektrik üreten fotovoltaik (PV) panellerin yapılara entegre edilmesi, yapı teknolojisini bir ileri aşamaya götürmektedir. PV lerde ve yapı teknolojilerinde son yıllarda görülen eğilim PV lerin yapı ürünü olacağını göstermektedir. Bu yaklaşımla yapı kabuğu enerji tüketen bir yapı elemanı olmaktan çıkarak, enerji üreten yapı bileşenine dönüşmektedir. Düşey yapı kabuğunun, gerek mimari biçimin oluşturulmasında, gerekse iç-dış ortam arasında denetim yapılmasında önemli bir rolü vardır. Bu nedenle, gereksinilen konfor koşullarının sağlanabilmesi için kabuğun tasarımı, masif kısımların oranları ile yapı kabuğunun detaylandırılması özel bir önem taşır. Özellikle PV entegre edilmiş konstrüksiyonda bu özellikler daha fazla öneme sahip olmaktadır. Çünkü entegre sistemlerde sözkonusu özelliklerin sağlanmasının yanı sıra, sistem opsiyonlarını ve kabuk tasarımını etkileyen PV lerin kendi özelliklerinin de dikkate alınması söz konusudur. Örneğin, optimum bir sonuç için, PV sistemin yalnızca uygun eğimde değil, aynı zamanda en iyi güneş açısını da sağlayacak biçimde monte edilmesi gereklidir. Sonuç olarak, yapı kabuğunun olası biçimleri doğrudan doğruya PV panellerin etkin kullanımına bağlı olarak ortaya çıkar. Bu bağlamda, bu araştırmada PV panelli düşey yapı kabuğunun biçimlenme olanakları, bir bina cephesinin temel tasarım ilkeleri doğrultusunda tanıtılacaktır. Anahtar Kelimeler: Düşey bina kabuğu, bina-fotovoltaik bütünleşmesi USING PRINCIPLES OF PHOTOVOLTAIC PANELS ON VERTICAL BUILDING ENVELOPE ABSTRACT From both energy, and ecology policy points of view, buildings need to promote a trend toward the development of energy conservation, cost-effective way to reduce

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri energy use, environmentally safe facilities, and sustainable architecture. In the last twenty years, great improvements have been made in the energy efficiency of buildings. However, the gains, in passive and active approaches, already made are seemed to be just a start to the process. Photovoltaics integrated into buildings can help to take building technology to the next step, by generating electricity while enhancing efficiency. Recent trends in PV and building technologies imply that PV s make sense as a building product. The integration of PV s into buildings could effectively decrease the cost of the PV system while transforming building envelope from energy consumers to energy producers. The vertical building envelope has an important role in creation of the architectural form and the ambiance in consistency with the function and external environment of the building. Therefore, to achieve the required comfort conditions, the design, proportioning of solids, and detailing of the building envelope is essential. Especially in PV integrated construction the issue gains more importance, because PVs have their own properties that affect the system options and design of the envelope. For example, for optimum output, a PV system not only must be mounted at the proper tilt, it also must face the best altitude angle of the sun. Naturally, the designs of optional forms of envelope are directly related to the effective using of PV panels. Within this context, the article will introduce you to the basic design principles of building envelope with PV panels. The aim is to give a brief summary of PV systems, options and opportunities of effective using in vertical building envelope, and constructional necessities. Keywords: Vertical building envelope, building integrated photovoltaics 1. GİRİŞ Fosil kaynaklarının ve bu kaynaklardan elde edilen enerjinin sınırlı olması, onların tasarruflu kullanımını zorunlu hale getirmekte, kurumlar bu konudaki duyarlılıklarını ve programlarını iletişim ağında da paylaşmaktadır [1]. Enerji korunumu konusunda son yıllarda yapılan araştırmaların büyük bir bölümü enerji kaynaklarının tasarruflu tüketimi ne yönelik önlemleri içerirken; önemli bir bölümü de yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanma yolları ve ekolojik çevre konusunda yoğunlaşmaktadır. Önümüzdeki bin yılın binalarının tasarımı, onarımı ve üretimi alanlarında da; binalarda özellikle ısıtma, soğutma vb. donatıların çalışması için harcanan enerjinin korunumunu sağlamak, binaya enerji sağlayan kaynağın çevreye zarar vermeden kendini yenileyebilen kaynaklardan olmasını sağlamak bina tasarımcılarının sorumlulukları arasına girmiştir [2-3]. Bu bağlamda; yenilenebilir enerji kaynaklarını dönüştürerek binaya enerji sağlayan 2000 li yılların olası sistemlerini araştırmak ve uygun sistemi seçmek, seçilen sistemin yapı sistemine entegrasyonunu sağlamak, 18 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi seçilen sistemin sağladığı teknik, konstrüktif ve biçimsel olanaklarını değerlendirerek binanın enerji performansını artırmaya yönelik önlemleri almak, entegrasyonun başarısı için uygun konstrüksiyon çözümlerini ve detayları üretmek, bina tasarımcılarının temel uğraşısı durumuna gelmektedir [4] 2000 li yılların enerji ve ekolojik çevre sorunlarına çözüm arayışları sürerken; güneş, binaya enerji sağlayan, çevreye zarar vermeden kendini yenileyebilen kaynakların başında görülmektedir [5]. Güneş ışınlarından pasif ve aktif anlamda yararlanarak binaya enerji sağlama sistemlerinde, güneş ışınlarına doğrudan maruz kalan yapı kabuğunun özel bir önemi vardır. Akıllı bir kabuk tasarımının gerçekleştirilebilmesini olası kılan pasif ve aktif sistemlerin güneş enerjisinden yararlanma yöntemleri kabukta farklı sistem bileşenlerinin kullanımını doğurmaktadır. Pasif yöntemin yaygın bir yaklaşımında ısı depolayıcı malzeme ve bileşenler kabuğun sistem bileşenleri iken [6-9]; aktif sistemde; güneş ışığı farklı bir enerji kaynağına da dönüştürülebilmekte, depolanabilmekte ve kullanılan güneş kollektör panelleri ve fotovoltaik paneller (Photovoltaic-PV) kabuğun sistem bileşenleri olmaktadır. Güneş kollektör panelleri sıcak su elde etmek, fotovoltaik paneller ise; güneş ışığını elektrik akımına dönüştürerek elektrik enerjisi üretmekte kullanılmaktadır. Fotovoltaik (PV) panellerin doğrudan kabuk sistemini oluşturabilme bağlamdaki olumlu özellikleri, binalarda elektrik üreteci akıllı kabuk tasarımını etkilemekte ve 2000 li yılların aranılan bir donatı sistemi, yapı elemanı olacağını göstermektedir [10-11]. 2. FOTOVOLTAİKLERİN KISA TARİHİ Güneş Elektriği (solar electricity) veya güneş pili olarak da bilinen ve güneş ışığından elektrik enerjisi üreten PV ler, ilk kez 1839 yılında Becquerel tarafından araştırılmış, 1954 yılında ise modern anlamdaki PV hücreler (solar cell) geliştirilerek uzay teknolojisi uydu araçlarında pahalı bir elektrik üreteci olarak kullanılmaya başlanmıştır [12-14]. Teknolojideki gelişme, üretimdeki endüstrileşme ve talepteki artışa bağlı olarak saat ve hesap makinelerinde, sokak aydınlatmasında, 1981 yılından bu yana da binalarda entegre olarak kullanılmaya başlamıştır. PV paneller açık alanlarda kurulan güneş santrallarında elektrik üretmek amacıyla kullanılırken [15], binalarda ilk kez çatılarda uygulanmaya başlanmış [16] bu bağlamda özel çatı panelleri mevcut çatılara ek bir sistem olarak ilave edilmiş, daha sonraları ise doğrudan çatı kaplaması olarak kullanılabilen PV paneller üretilmiştir [17]. Güneş ışınım miktarının panel üzerindeki etkileri, gölgeleme, ısı geçirgenlik değeri ve sızdırmazlık üzerine yapılan araştırmalar ve bulgular PV lerin bina düşey kabuğunda da etkin olarak kullanılabileceğini göstermiş [18] ve 1992 yılından bu yana pilot uygulamalar artmıştır. Günümüzdeki araştırmaların büyük bir bölümü endüstriyel yolla ekonomik PV panel elde etme yöntemleri ve pazar alanı üzerinde yoğunlaşmaktadır [19]. Bu çabalar, ön-üretimli PV panellerin binalara entegrasyonu ve bina ekonomisi konuları Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 19

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri ile de doğrudan ilişkilidir [20]. Henüz sınırlı uygulama olanakları bulunan PV panellerin yaygınlaşamamasının en önemli nedeni fiyatının yüksekliği olmuştur. Bir watt elektrik (Wp) üreten PV modülün fiyatı 1960 yılında 1000$ iken, bu fiyat 1990 yılında 5$ a, 1995 yılında ise 4$ a kadar düşmüştür [21]. 1999 tarihinde yapılan bir araştırmaya göre 4.23 ile 2.73 $ arasında olan maliyetin, 2005 yılında 1.16$ olacağı tahmin edilmektedir. Günümüzde ise, elektrik şebekesinden bağımsız bir konutun tüm elektrik ihtiyacını karşılayacak kapasitedeki PV sistemin fiyatı 10.000$ ile 20.000$ arasında değişmekte, ilk yatırım maliyeti olarak yüksek bulunmakta [22] ve en erken beş yıl sonra kendisini amorti edebileceği görülmektedir [23]. 3. FOTOVOLTAİKLERİN YAPISI, PANEL TÜRLERİ VE ÖZELLİKLERİ: Binalarda ısıtma ve aydınlatma başta olmak üzere pekçok donanımın gereksindiği enerjinin tamamını veya bir kısmını güneşten karşılayabilme kapasitesi olan fotovoltaic kavramı, ışık anlamına gelen photo ve voltaj anlamına gelen voltaic kelimelerinin birleştirilmesiyle türetilmiştir. PV ler güneş ışınımını doğrudan elektrik akımına dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır [24]. Fotovoltaik akım üretimi özel işlenmiş yarı iletken malzemelerden yapılan kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilebilen solar hücrelerle sağlanır. Deniz seviyesinde, güneşli bir günde güneş ışınımının şiddeti 1000W/m 2 civarındadır. Bölgeye bağlı olarak 1m 2 ye düşen enerji miktarı yılda 800-2600 kwh arasındadır. Bu enerji PV yapısına bağlı olarak %5-%30 arasında bir verimle elektrik enerjisine dönüştürülebilir [25]. Bir PV hücrenin çıkış voltajı yaklaşık olarak 0.5 volt civarındadır [26]. Güç çıkışını arttırmak için çok sayıdaki hücreler seri veya paralel bağlanarak solar modül, modüller birleştirilerek panel, ve paneller birleşerek solar dizisi elde edilir. Panellerin çok sayıda bağlanmasıyla daha büyük yüzeyli diziler elde edilebilir (Bkz. Şekil 1). Solar modüller yalnız direkt güneş ışığından değil, yaygın ışınımda da (bulutlu havalarda) daha düşük güçte elektrik üretebilmektedir [27] (Bu araştırmada solar dizisi PV panel adı ile anılacaktır). PV piller doğru akım (DC) ve voltaj üreten aygıtlardır. Bu akım akülerde depolandıktan ve alternatif akıma (AC) dönüştürüldükten sonra bina gereksinimi Şekil 1. Fotovoltaik hücre, modül, panel ve solar dizisi 20 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi için kullanılabildiği gibi, şehir şebekesine de aktarılabilmektedir [28]. PV türleri; yarı iletken ve absorblayıcı maddelerin türü, ışığı bünyesinden geçirme kapasitesi ve üretim teknolojisi bakımından çok çeşitlidir. PV pil yapımında kullanılan kristalin yapısı özellikle bu türlerin ortaya çıkmasında etkili rol oynar. Genellikle tek kristal, çok kristal ve amof yapıda olmak üzere üç farklı türde üretilir [29]. Bu türlerin yanı sıra ince film teknolojisiyle üretilen PV paneller de vardır ancak bu pillerin performansı diğerlerine oranla düşüktür [30]. PV lerin performansını arttırmaya yönelik araştırmalar günümüzde yoğun olarak devam etmekte [31] ve yeni yöntem ve malzemelerle ilişkili PV araştırmaları literatürde mevcut bulunmaktadır [32-35]. Yarı geçirgen veya opak olmak üzere iki tür ve çeşitli renklerde PV panel üretilebilmektedir [35]. Geçirgen paneller binalarda pencerelerde kullanılabildiği gibi, opak paneller güneş ışığının bina içinde istenmediği durumlarda tercih edilebilmektedir. PV panellerin kabukta kullanılabilmesi için modüllerin çerçeve içine alınması gereklidir. Ön-üretimli modüller, ya çıkıntılı/klipsli bir çerçeve içine basınçla yerleştirilir; ya da yük taşıyıcı silikon yapıştırıcı ile taşıyıcı bir çerçeve içine veya levhaya monte edilerek yapıda kullanılabilir hale getirilir. Her iki sistemde de derzlerde hava ve su sızdırma sorunları çıkabilmektedir. Derz sorunlarını en aza indiren çift camlı PV panellerde ise dış tabakanın iç kısmına PV modülleri yerleştirilerek bir kabuk elde edilebilir [37]. İç katmanın hava geçirimsiz olması ve iki katman arasında ısınan havanın mekan içine aktarılması ile mekana ek ısı kazancı da sağlanabilir. Bu özelliği ile, çift katmanlı PV paneller, bina kabuğunda aktif olduğu kadar, pasif etkili olarak kullanılabilen bir yapı elemanı olarak önem kazanmaktadır [38,39]. Çeşitli panellerin bir araya gelmesiyle oluşturulan yüzeylerde sızdırmazlık ve geçirimsizlik sorunları giydirme cephe teknolojisinde kullanılan derz kapatma yöntemleri ile giderilebilmekte; panel-panel ve panel-taşıyıcı ızgara birleşim noktalarında geçirimsizlik detayları geleneksel yöntemlerle çözülebilmektedir. 4. BİNA KABUĞUNA ENTEGRE FOTOVOLTAİK PANELLERİN PERFORMANSINA ETKİ EDEN FAKTÖRLER PV paneller ile bina kabuğunun oluşturulması sürecinde tasarımı etkileyen önemli kriterler güneş ışınlarının kabuk yüzeyine geliş açıları, binanın yerleşim yönü ve çağdaş bir binanın biçimsel özelliklerine uygun entegrasyonu sağlayacak kararlardır. Şekil 2 de de görüldüğü gibi, kuzey yarımkürede güneş kış aylarında yeryüzüne daha yakındır ve daha eğiktir. Bu nedenle, düşey kabuk, kış günlerinde güneş ışınımından daha fazla kazanç sağlamaktadır [40]. PV panellerin kullanıldığı yerde etkili olabilmesi için maksimum güneş ışınımını alacak biçimde yerel enleme uygun bir açı ile güneşe yönlendirilmelidir. Bu nedenledir ki; 1990 lı yıllara gelinceye dek maksimum ışınımdan yararlanmak üzere bina yatay kabuğunda (çatıda) kullanılmıştır. Ancak, 1990 lı yılların ilk yarısında yapılan araştırmalar, panellerin aşırı ısınması durumunda performansında önemli kayıplar olduğunu, dolayısıyla daha az elektrik üretebildiğini göstermiştir [41,42]. Türkiye de 1000 W/m 2 ışınım altında yapılan bir çalışmada da PV modül sıcaklığının artması durumunda gücün Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 21

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri Şekil 2. Kuzey yarımkürede farklı mevsimlerde güneş yörünge diyagramı düştüğü kanıtlanmıştır [43]. Her 10 o C sıcaklık artışında verimin %1 düştüğü de saptanmıştır. PV panelin arka yüzünün havalandırılması ve ışınım açısının veya diğer bir deyişle, panel eğiminin uygun seçilmesi durumunda, aşırı ısı yükleri de azaltılabilmektedir [43]. Buna karşın, ideal çözüm PV panelli bina kabuğunun güneye yönlenmesidir [26]. Kullanıldığı yerde PV panellerin etkinliğinin düşmesine neden olan önemli faktör de yüzey kirlenmesidir [18]. Yapılan araştırmalar, kirlenme durumunda PV performansının %3.5 oranında düştüğünü göstermektedir [17]. Bu nedenle, panel yüzeylerinin zaman zaman temizlenerek performansının arttırılması gereklidir. Binalarda kabuk elemanı olarak kullanılması durumunda yüzey temizliğinin yapılabilmesine olanak tanıyacak biçimlere ve konstrüksiyon detaylarına özen gösterilmesi gerekmektedir. 5. BİNA KABUĞUNDA FOTOVOLTAİK PANELLERİN UYGULAMA OLANAKLARI Yapıların mimari biçimlenişlerinde, dış çevre koşullarını denetleyerek iç fiziksel konfor ortamının yaratılmasında, yapı kabuğu önemli rol oynar. Çağdaş yapım ve üretim teknolojilerinin, yeni gereç ve malzemelerin kullanımının yaygınlaştığı, daha etkili yeni sistemlerin yapıya entegre olduğu ve yapı sisteminin giderek karmaşıklaştığı günümüz yapılarında konu çok daha fazla önem kazanmaktadır. Bu nedenle; PV panellerin kabuğun sistem bileşeni olduğu durumlarda yönlenme ve biçimlenme, yapı kabuğunda taşıyıcı konstrüksiyonun tasarımı, PV türleri (geçirgen veya opak), dolu-boş alanların oranları ve uygun detaylandırma (panel-panel ve panel-taşıyıcı eleman birleşim noktaları) yapı içinde oluşturulması gereken görsel, işitsel ve ısısal konfor için doğru seçilmelidir. 22 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi Bina içine doğrudan giren güneş ışınımlarının olumsuz etkilerinin önlenmesi için bunların kabukta denetlenmesi ön koşuldur. Günümüz binalarında doğal ışığı geçiren yüzeylerin büyümesi, yüksek yapılarda perde duvarların (giydirme cephe) kullanılması, bu duvarların tamamının veya büyük bir bölümünün cam olması denetimin boyutlarına da etki etmektedir. Bu denetimde, seçici camların yanı sıra; yatay, eğik veya düşey güneş kırıcıların da yoğun olarak tercih edildiği görülmektedir. Büyük boyutlu cam yüzeyler yerine, ön-üretimli PV paneller kullanarak istenilen performansta bir yapı kabuğunun elde edilmesi olasıdır (41,45]. PV panellerin kullanıldığı bir kabukta da iklimsel konfor ve enerji ekonomisi bağlamında denetim yapacak biçimde şeffaf, yarı geçirgen ve opak kısımlar düzenlenerek konfor koşullarını bozan etkilerin denetlenmesi gerekir. Düşey düzlemsel uygulamanın yanı sıra, kırıklı ve açılı/eğimli perde duvarlarda farklı geçirgenlik özelliğe sahip bileşenlerle gerekli denetimin yapılması olasıdır. Bu uygulamalarda, PV paneller bina kabuğunu doğrudan oluşturabildiği gibi, dış ve iç ortam arasında yer alarak gerekli işlevi üstlenen geleneksel kabuğa aplike olarak da tasarlanabilir. Kabuğa aplike olarak kullanılan PV panelleri elektrik üreteci olmasının yanı sıra mevcut kabukta yağmur perdesi veya güneş kırıcı olarak da kullanılabilir. 5.1. Doğrudan Bina Düşey Kabuğunu Oluşturan PV Paneller İle Uygulama Olanakları PV panellerin doğrudan bina düşey kabuğunu oluşturduğu uygulamalarda, biçimsel olarak düzlemsel, açılı/eğimli ve kırıklı olmak üzere üç tür perde duvar elde edilebilir. Bu duvarların performansı güneş ışınımlarını denetleme kapasitesi ve su/hava sızdırmazlık özelliği ile doğrudan bağlantılıdır. Perde duvarlar genellikle yüzeyi oluşturan bileşenlerin takılı olduğu metal ızgaradan oluşur ve bu ızgara doğrudan binanın strüktürel sistemine taşıtılır [18, 45-46]. Perde duvarın güneş ışınımından yararlanma ve zararlı etkilerinden korunma olanağı uygun yönlenme (güney), opak, geçirgen ve yarı geçirgen bileşen organizasyonu, PV panellerin ısı geçirgenlik direnci ve güneş ışınımını karşılayabilme açısı ile ilişkilidir. Şeffaf malzeme ve PV panellerle oluşturulan çeşitli biçimlerdeki dış kabuğu oluşturan perde duvarların ek konstrüksiyon masrafları, elektrik üretim performansı ve temizleme sorununun çözümü açısından özelliklerini aşağıdaki gibi açıklayabiliriz: 5.1.1 Düşey Düzlemsel ve Kırıklı Perde Duvarlar Düzlemsel perde duvar Standart cam giydirme duvar konstrüksiyonu için gerekli olan ve yükünü yapının strüktürel sistemine aktaran taşıyıcı ızgara konstrüksiyon dışında özel bir konstrüksiyon gerektirmez. Bu açıdan ek taşıyıcı konstrüksiyon masrafı yoktur. Şekil 10 da da ifade edildiği gibi PV panelli düşey düzlemsel perde duvarlarda sağlanan elektrik üretimi eğimli yüzeylere oranla daha düşüktür. Paneller, iki katmanlı ve katmanlar arası havalandırılan boşluklu türden seçildiği durumlarda, iç Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 23

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri katman açılarak PV panel temizliği bina içinden yapılabilir, yüzeyde açılan pencereler düzenlenebilir veya yüzey temizliği bina dışından yapılabilir [47] (Şekil 3 ve Şekil 10). Şekil 3. Düzlemsel perde duvar Düşeyde kırıklı perde duvar: Kırıklı yüzey çözümünün gerektirdiği ek taşıyıcı konstrüksiyon masrafı vardır. Uygun yönlenmede iyi bir elektrik üretim performansı elde edilebilir. Köşelerde açılabilen pencereler oluşturulabilir ve cephenin temizlenebilmesi olanağını verir (Şekil 4). Şekil 4. Düşeyde kırıklı perde duvar Akordeon perde duvar: Kırıklar fazla olduğu için karmaşık bir taşıyıcı konstrüksiyon çözümü gerektirir. Bu nedenle ek konstrüksiyon masrafı vardır. Panellerin açısı güneş ışınım yönüne uyarlanabildiği için, yüksek oranda performans alınabilir. Cephenin temizlenebilme sorunu bina dışından çözümlenebilir. Eğimli yüzeyde şeffaf cam ve opak PV panel kullanılarak elde edilmiş bir sistemin gölgeleme ve PV performansı açısından kesit özellikleri Şekil 5 te gösterilmektedir. Bu sistemin elektrik üretim performansı eğimli duvarlara oranla daha düşük, düşey düzlemsel duvarlara oranla ise daha yüksektir (Şekil 10). Yatayda kırıklı perde duvar: Yatayda oluşturulan paneller ek konstrüksiyon masrafı gerektirir. Paneller güneş ışınımını açılı veya dik olarak karşılayabildiği için düşey kırıklı perde duvardan daha iyi bir performans elde edilir. Pasif gölgeleme ve gün ışığı denetimi yapılabildiği için, kabuk performansı da daha olumludur. 24 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi Şekil 5. Akordeon perde duvar Cephenin temizlenebilme sorunu vardır. Şeffaf cam ve opak PV panel kullanılarak oluşturulmuş bir sistemin farklı kesitlerdeki gölgeleme olanakları Şekil 6 da gösterilmektedir. 5.1.2. Açılı/Eğimli Perde Duvar Şekil 6. Yatayda kırıklı perde duvar Eğimli düzlemsel perde duvar: Şekil 10 da da görüldüğü gibi 40-60 o açılarda en yüksek PV performansı sağlayan perde duvar biçimi eğimli perde duvardır. Eğik düzlemde kurgulanan perde duvarlarda, opak ve yarı geçirgen PV paneller ile geçirgen veya seçici cam yüzeyler kullanılarak etkin bir sistem elde edilebilir. Binanın taban alanının büyümesi arsanın efektif kullanımını olumsuz yönde etkiler. Yüzeyin temizlenme sorunu düşünülmelidir (Şekil 7). 60 o eğimli, şeffaf, yarı geçirgen ve opak bileşenlerin kullanıldığı bir perde duvar sisteminin güneş ışınımını değerlendirme ve dolayısıyla enerji sağlama açısından özelliği Şekil 10 da da görüldüğü gibi oldukça yüksektir. Yapılan bir araştırmada, kuzey enlemler arasında Şekil 7. Eğimli düzlemsel perde duvar Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 25

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri ve güneye yönlenmiş bir bina yüzeyinin yıllık 27.357 kilovat saat enerji üretebildiği saptanmıştır [18]. Eğimli kırıklı perde duvar: Kırıklar nedeniyle perde duvar taşıyıcı konstrüksiyonu ek maliyet gerektirir. Eğimli yüzeyde opak PV panel, dik yüzeyde de ışık geçirgen cam kullanılarak, yüzeyin önemli bir bölümünde ışınım denetimi sağlanabilir. PV panel eğimli kullanıldığı için özellikle yaz aylarında daha efektiftir. Eğimli düzlemsel perde duvar ile aynı performansa sahip olarak görülmektedir (Şekil 8 ve Şekil 10). Şekil 8. Eğimli kırıklı perde duvar 5.2. Mevcut Kabuğa Aplike PV Paneller Yağmur perdesi: Geleneksel uygulamaya benzer şekilde oluşturulan bir taşıyıcı ızgaraya, modüler boyuttaki fotovoltaik panellerin yerleştirilmesiyle yağmur perdesi elde edilebilir. Yağmur perdesi elektrik üreteci olmasının yanı sıra kabuğu atmosferik etkilerden de korur. Kabuk ile yağmur perdesi arasında oluşturulan boşluğun serbest havalandırılması durumunda, PV panelli yağmur perdesi derzlerinde özel bir su yalıtım önlemi almaya gerek olmaz. Perde duvarda doğal aydınlatma işlevinin aranmadığı durumlarda genellikle metal plaka üzerine monte edilmiş opak PV paneller tercih edilmektedir [46]. Güneş Kırıcı: Gerek güneş enerjisini toplamak, gerekse iç mekana giren doğal ışığı denetlemek, pasif gölgeleme yaparak bu denetimi gerçekleştirmek amacıyla PV panellerden yararlanmak ve mevcut bir kabuğa sonradan PV panel ilave etmek olasıdır. Güneş kırıcılar için kabuktan bağımsız olan özel taşıyıcı konstrüksiyon oluşturulması gerekir. Güneş kırıcılar, yatay veya eğimli olarak düzenlenebilir. Özellikle gün ışığı aydınlığının direkt istendiği durumlarda opak veya yarı geçirgen PV panellerin yatay, kontrollü istendiği durumlarda ise eğimli düzenlenmesi ile güneş ışınımı denetlenebilir ve pencere gölgelenebilir. Düşey düzlemsel bir perde duvarda yatay PV güneş kırıcının sağladığı gölgeleme Şekil 9 da, 40 o eğimli PV 26 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi Şekil 9. Yatay güneş kırıcılı perde duvar güneş kırıcının belirli mevsimlerde ve yıllık sağladığı elektrik enerjisi miktarı Şekil 10 da gösterilmektedir. Bina düşey kabuğunun biçimi PV panellerin performansı üzerinde etkili olmaktadır. Bu bağlamda, Kuzey yarımkürede ve 34. enlemdeki bir bölgede bulunan bir binanın, yaklaşık 300m 2 lik yüzeyli cephesinde, farklı kabuk biçimlerine bağlı olarak PV performansının da değiştiği saptanmıştır. Simülasyon programı kullanılarak PV etkinliğinin ölçüldüğü araştırmada; 254x122 cm. boyutlarında, %5 verimlilikte, sıcaklığa bağlı ısıl katsayısı 0.0027 olan amorf silikon PV panellerin kullanılması durumunda elde edilen elektrik enerjisi miktarları Şekil 10 da gösterilmektedir. Tablodan da izlendiği gibi 60 o eğimli düzlemsel veya kırıklı perde duvarlar PV verimliliği açısından en uygun duvarlardır [41]. Bunun temel nedeni yüzey alanının artması ve panellerin optimum enerji sağlayacak biçimde konumlanabilmesi olanağıdır. 6.TÜRKİYE DE GÜNEŞ ENERJİSİ VE FOTOVOLTAİK UYGULAMALARI 36. ve 42. kuzey enlemleri arasında bulunan Türkiye, dünya ülkeleri içinde güneş enerjisi yönünden çok elverişli bir bölgededir [48]. Güneşin ısı enerjisi olarak değerlendirildiği ve sıcak su üretiminde kullanıldığı güneş kollektörlerinin binalarda kullanımı Türkiye de artmaktadır. Ancak, bu uygulamalar için geliştirilen projeler güneş enerjisinin tek yönlü olarak değerlendirildiği salt ekonomik yaklaşımlardır ve geleceğe dönük gelişmeler için açık uygulamalar değildir. Türkiye elektrik enerjisini ithal eden bir ülkedir ve son yıllardaki elektrik tüketiminin kwh olarak bazı kullanım yerlerine göre dağılımı Tablo 1 deki gibidir. Tablo 1. Türkiye de elektrik tüketiminin bazı kullanım yerlerine göre dağılımı [49] KONUT RESMİ SOKAK GENEL TİCARETHANE DAİRELER AYDINLATMASI TOPLAM 1993 12.157.265.300 2.644.527.248 3.867.776.447 2.228.296.026 53.813.603.430 1994 13.083.352.261 3.271.298.132 4.185.074.019 2.467.693.836 54.201.983.482 1995 13.595.407.378 3.988.917.657 4.511.331.672 2.463.943.180 67.092.322.386 1996 15.760.712.317 3.201.747.334 5.831.195.625 2.691.752.539 74.326.846.097 1997 18.310.637.707 4.384.692.571 6.289.255.385 3.117.195.102 81.884.912.253 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 27

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri Şekil 10. Kabuk biçimine bağlı olarak elde edilen elektrik enerjisi miktarları [41] %40 ı sanayi işletmelerinde tüketilen elektriğin, yaklaşık %26 sı elektrik donanımlı binaları olan ve tabloda adı geçen sektörler tarafından tüketilmektedir. Elektrik maliyeti devlet politikası olarak düşük tutulmakta [50], tüketimde tasarruf sağlayacak teknolojik tedbirler yeterince alınmamakta ve bu durumdan ülke ekonomisi olumsuz yönde etkilenmektedir. Binaların ısıtılmasında çoğu kez elektrik enerjisi yerine ekonomik nedenlerle fosil kaynaklı enerjinin tercih edildiği ülkemizde; PV sistemler ile ilişkili araştırma ve uygulamalar araştırma kurumlarının 28 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi içinde maddi olanaksızlıklar içinde yürütülmektedir [51]. Avrupa Ekonomik Topluluğu nun bir alt kuruluşu olan ve enerji politikaları üreten Uluslararası Enerji Ajansı (IEA), Dünya Bankası desteğiyle uluslararası PV sistem gelişimi ve uygulama konularını içeren projeler düzenlemekte [52], ancak, bu kuruluşa üye olan Türkiyenin bu projelerde yer almadığı görülmektedir. Türkiye de PV ile entegre bina örneği çok az sayıda olmakla birlikte, pazarda pay sahibi olabilmek amacıyla uğraşıların bulunduğu da gözlenmektedir [53]. SONUÇ Bugünü olduğu kadar geleceği de düşünerek yeni binaları enerji etkin tasarlamak, mevcut binaları enerji etkin konuma getirmek ve binanın gereksindiği enerjiyi yenilenebilir enerji kaynaklarından seçerek ekolojik çevre sorunları yaratmamak bir gereklilik olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu gerekliliğin yeni yüzyılda zorunluluğa dönüşeceği; dolayısıyla yapı sistem tasarımını etkileyeceği ve binaların kendini besleyen sistemler olacağı kaçınılmaz görülmektedir. Gelişmiş ülkeler, sürdürülebilir kalkınma planlarının bir parçası olan sürdürülebilir enerji politikaları ile yaşam standartlarını yükseltecek ve ekonomiyi büyütecek teknolojik önlemleri almaktadırlar. Bu ülkeler yapı sektöründe de enerjinin etkin kullanımına yönelik temiz ve yeni teknolojilerin uygulanması ve yaygınlaştırılması için araştırmalara kaynak ayırmakta, 2005 yılına kadar tüm binalarda güneş ve diğer yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılmasını hedeflenmektedirler [54]. Bu bağlamda, güneş enerjisinden aktif yararlanma sistemlerinden birisi olan ve enerjiyi dönüştürerek alternatif bir enerji sağlayan sistemler, 2000 li yılların donanımları olarak görülmektedir. Güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren PV sistemlerin yeni boyutlar kazandığı bir dönemde, maliyet ve pazar sorunlarını giderecek tedbirler için araştırmaların yanı sıra [55], mühendislik alanında da her gün yeni gelişmeler izlenmektedir. PV panelleri bilimsel bulgular ışığı altında bir yapı elemanı olarak değerlendirmek ve sistem etkinliğini arttıracak önlemleri almak bütünleşik bir mühendislik konusu olmakla birlikte, bina tasarımcısının da bu sistemleri tanıması temel görevi olmaktadır. PV panellerle binaya enerji sağlama sistemlerinde, güneş ışınlarına doğrudan maruz kalan yapı kabuğu özel bir önem taşımaktadır. Çatıda kullanılan entegre veya aplike PV sistemlerinin yanı sıra [56], doğrudan doğruya yapının düşey kabuğunu oluşturan PV entegre sistemler her geçen gün artan oranlarda yapı üretim alanında sesini duyurmaktadır. Performansı yüksek PV sistemler üretilmekle birlikte, bu sistemlerin yapılara entegrasyonunda bazı kurallara uyulmaması durumunda sistem performansında önemli ölçüde düşüşlerle karşılaşmak da olası görülmektedir. Düşey yapı kabuğu biçiminin, PV bileşenlerin elektrik üretim performansı üzerinde önemli etkileri olduğu görülmektedir. Yapılan araştırmalarla ve denemelerle de düşey kabuğun kendi biçiminin, veya kabukta yer alan diğer elemanların biçimlerinin PV bileşenlerin elektrik üretim performansı üzerinde önemli etkileri olduğu saptanmıştır. Bu nedenle, PV lerin bina düşey kabuğunda kullanılması durumunda, özellikle gerekli olan eğimi ve yörüngesel Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 29

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri hareketi sağlayacak biçimsel önlemlerin alınması bir zorunluluk olarak karşımıza çıkmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından yararlanmak Türkiye için de yaşamsal önemi olan bir konudur. Buna karşın, Türkiye deki binalarda da güneş enerjisinin aktif kullanılabilmesi için öncelikle yasaları kapsayan bir mevzuat ve ivedilikli bir enerji programı gerekmektedir. Devlet politikası olarak benimsenmesi gereken bu program, yapı sektöründe de enerjinin etkin kullanımına ilişkin araştırma, düzenleme ve uygulama programları geliştirilebilecek; böylece, Türkiye nin geleceğe dönük enerji politikaları bilimsel bulgularla desteklenecek ve ülke çıkarları bağlamında uygun teknolojilerin değerlendirmesi yapılabilecektir. KAYNAKLAR 1. Enerjinin etkin kullanımı konusunda ağ bağlantılı paylaşımlı sitelerinden bazıları: www.eren.doe.gov; www.caddett_ee.org: www.energy-efficiency.gov.uk; www.eeca.govt.nz; www.ornl.gov; www.oee.nrcan.qc.ca; www.energy.gov/efficiency; www.energy.ca.gov; www.iea.org 2. Boyle, G., Renewable Energy: Power for a Sustainable Future, Oxford University Press, Oxford, 1996. 3. Environmental Design, Ed: Thomas R., E&FN Spon, London, 1999. 4. Tuluca, A., Energy-Efficient Design and Construction for Commercial Buildings, McGraw-Hill, NewYork, 1997. 5. Wrixon, G. T., Rooney, P.W., Renewable Energy-2000, Springer-Verlag, Berlin, 1999. 6. Hui H. F., Fong T., Lai K. W., Passive Solar Design in Architecture, www.hku.hk/bse/e-conf/k/solar_k.htm 7. Passive Solar Guidelines, www.greenbuilder.com/sourcebook/passsolguide1-2.html 8. Energy in Architecture: The European Passive Solar Handbook, Ed: Goulding J. R., Lewis J. O., Steemers T. C., Batsford for the Commission of the European Communities, London, 1992. 9. Crosbie, M. J. Steven Winter Associates, Inc., The Passive Solar Design and Construction Handbook, John Wiley &Sons, New York, 1997. 10. Intelligent Buildings in South East Asia, Ed: Harrison A., Loe E., Read J., E&FN Spon, London, 1998. 11. Solar energy in Architecture and Urban Planning, Ed: Herzog T., Prestel, Munich, 1996. 12. Solar Electricity,, Ed: Markvart T., John Wiley&Sons Ltd., West Sussex, 2000. 13. The History Of PV, www.pvpower.com/pvhistory.html 14. Photovoltaics in Buildings - A Design Handbook for Architects and Engineers, Ed: Sick, F., Erge, T., The Fraunhofer Institute for Solar Energy Systems ISE, Freiburg, Germany, 1996. 30 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi 15. Green Grid Power, www.bpsolarex.com/contentpage.cfm?page=77 16. Shugar D. S., Dinwoodie T. L., Photovoltaic roof tiles for commercial buildings, Fuel and Energy, Volume 37, Issue 6, 440-444, November 1996. 17. Watt, M., Kaye, J., Travers, D., MacGill, L., March, Opportunities for the Use of Building Integrated Photovoltaics, Photovoltaics Special Research Centre University of NSW, 1999, www.pv.unsw.edu.au/miscpapers/bipv/chap2.pdf 18. Eiffert, P., Kiss, G. J. Building-Integrated Photovoltaic Designs for Commercial and Institutional Structures: A Sourcebook for Architects, www.nrel.gov/docs/fy00osti/25272.pdf 19. Oliver, M., Jackson, T., The market for solar photovoltaics, Energy Policy, 27, 371-385, 1999. 20. A. Hunter Fanney and Brian P. Dougherty, Building Integrated Photovoltaic Test Facility, The Journal of Solar Energy Engineering, Vol. 123, No.2, 194-199, August 2001. 21. Photovoltaic Systems: Commercial Status, Sustainable Building Sourcebook, www.greenbuilder.com/sourcebook/photovoltaic.html HKU Photovoltaic Study: Progress in PV-What's new? www1.arch.hku.hk/research/photovoltaic/page2.html Cost/Capacity Analysis for PVMaT Participants www.nrel.gov/pvmat/pvmat_frame.shtml?pvmatsolicit.html 22. Development of Photovoltaics, www.nrel.gov/ncpv/documents/seb/sebexplain.html 23. Wenger, H., Hoff, t., Photovoltaic Economics and Markets, 1996. www.energy.ca.gov/reports/1996-09-01_500-94-030_smud.pdf 24. About Photovoltaics, www.eren.doe.gov/pv/pvmenu.cgi?site=pv&idx=1&body=aboutpv.html 25. Güneş Pilleri, Elektrik İşleri Etüd İdaresi Genel Müdürlüğü Yayını, Ankara, 1992. 26. Strong, S., Scheller, W., (1993), The Solar Electric House, Sustainability Press, Massachusetts. 27. Photovoltaics: Basic Design Principles and Components, Consumer Energy Information: EREC Fact Sheets, www.eren.doe.gov/erec/factsheets/pvbasics.html 28. www.eren.doe.gov/re/solar_photovoltaics.html 29. Sarıtaş, M., Review Paper on Solar Cell Technology, Proceedings of ECA Elektronics Technology Workshop TUBITAK, Gebze, (February 1988) 30. Zweibel K., Thin Films: Past, Present, Future, Progress in Photovoltaics, Vol.. 3, No. 5. 92-99, Sept/Oct 1997. 31. Sarıtaş, M. ve Gökpınar, H., Efficiency Optimization of Silicon Solar Cells 3 rd National Con. On Electrical Engineering, ITÜ, İstanbul, 46-49, September 1989. 32. Green M. A. Third generation photovoltaics: solar cells for 2020 and beyond, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 71, Issue 3, 15, 375-385, February 2002. Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 31

G. Çelebi Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri 33. Arvind, S. J., Meier, E., vd., Microcrystalline silicon and micromorph tandem solar cells, Thin Solid Films, Volumes 403-404,179-187, February 2002. 34. Slaoui, A., Bourdais, S., vd. Polycrystalline silicon solar cells on mullite substrates, Solar Energy Materials and Solar Cells, Volume 71, Issue 2, 1, 245-252, February 2002. 35. Green, M. A., Solar Cell Efficiency Tables, Key Centre for Photovoltaic Engineering UNSW, www.pv.unsw.edu.au/eff/ 36. Kwok K.C., Dixon, S., Pearsall, N. Development of a design tool for building integrated photovoltaics, 5 th International Conference on Information Visualisation, Proceedıngs, 97-102, July 25-27, 2001. 37. Lloret, A. vd., Lessons Learned in the Electrical System Design, Installation and Operation of the Mataró Public Library, Proceedings of 14 th European PV Solar Energy Conference, Barcelona, 1659-1664, 30 June-4 July 1997. 38. Bücher, K., Batzner D., Photovoltaic Modules in Buildings: Performance and Safety, Renewable Energy, 15, 545-551, 1998. 39. Baziliana, M. D., vd., Thermographic analysis of a building integrated photovoltaic system, Renewable Energy, 26, 449 461, 2002. 40. Sunspace Basics, National Renewable Energy Laboratory, Colorado, November 1994. 41. Kiss, G., Kinkead, J., Building Integrated Photovoltaics, (NREL) National Renewable Energy Laboratory, Colorado 1993. 42. Yang, H., Burnett, J., Ji, J., Simple approach to cooling load component calculation through PV walls, Energy and Buildings, Volume 31, Issue 3, 285-290, April 2000. 43. Alaçakır, B., Didim de Kurulan Şebeke Bağlantılı Güneş Pili Sisteminin Tanıtılması ve Performansının İncelenmesi, Güneş Günü Sempozyumu, Kayseri, 25-27 Haziran 1999. 44. Lloret, A., A technical description of the Pompeu Fabra: Library of Mataró, Joule II CT92-046 of the European Commission General Direction XII, Barcelona, 1997. 45. Design Brief: Building Integrated Photovoltaics, www.energydesignre- sources.com/publications/design_briefs/pdfs/vol_02/db- BldgIntegPhotovoltaics.pdf 46. Kiss, G., Kinkead, J., Raman, M., Building Integrated Photovoltaics: A Case Study, (NREL) National Renewable Energy Laboratory, UC Category:1600, Colorado, 1995. 47. Brooks, B. Smith, J., Integrating PV into commercial buildings aesthetically and cost effectively: A PV awning case study, The 1996 American Solar Energy Society annual conference: Proceedings. Ed: Campbell-Howe, R., Wilkins-Crowder, B., American Solar Energy Society, Boulder, 45-50, 1996. 48. Tan, E. Şahin, A. D Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu Bildiri Kitabı, Ed: Z. Şen, F. Karaosmanoğlu, Şahin, A. Tan, E., İTÜ İnşaat Fakültesi Matbaası, İstanbul,2000. 32 Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002

Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri G. Çelebi 49. Elektrik Tüketimlerinin Sektörel Dağılımları, Devlet İstatistik Enstitüsü 1998 Verileri; ftp://ftp.dpt.gov.tr/pub/ekutup99/il99/il99-71.xls 50. Energy Policies of IEA Countries: Turkey 2001 Review, International Energy Agency, 2001. 51. Ulusal temiz Enerji Sempozyumu 15-17 Kasım 2000, Bildiri Kitabı, Ed: Z. Şen, F. Karaosmanoğlu, Şahin, A. Tan, E., İTÜ İnşaat Fakültesi Matbaası, İstanbul. 52. IEA Pover Systems Programme, Country Summarıes, www.iea-pvps.org/ ve www.oja-services.nl/iea-pvps/nsr/home.htm sitelerinden üye ülkelerin PV programlarına ilişkin bilgiyi almak mümkündür. 53. www.aresenerji.com/app/app_catalca.htm www.pvportal.com/int/country.php?countid=tr www.alternatifenerji.com/gunesp.htm www.orjinsolar.com 54. Developing a New Generation of Sustainable Energy Technologies Longterm R&D Needs, A Report on a Workshop of the Renewable Energy Working Party (REWP) of the International Energy Agency (IEA), Paris. 2000. 55. Eiffert, P., Economic assessement of building Integrated Photovoltaics, The 2 nd World Solar Electric Buildings Conference, Sydney 8th-10th March 2000,www.task7.org/Public/IEA_Sydney_conference_papers/Paper_C_Patrina_ Eiffert.pdf 56. Roecker, C., New Mountıng Systems For Pv On Buıldıngs, The 2 nd World Solar Electric Buildings Conference, Sydney, 8th-10th March 2000. ww.task7.org/public/iea_sydney_conference_papers/paper_w_christian_roe cher.pdf Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der. Cilt 17, No 3, 2002 33