3. ÜNİTE ENERJİ ÇEŞİTLERİ KONULAR 1. ENERJİ VE ÇEŞİTLERİ 2. POTANSİYEL VE KNETİK ENERJİ 3. ENERJİNİN DÖNÜŞÜMÜ 4. ELEKTRİK ENERJİSİNİN ELDE EDİLMESİ
3.1 ENERJİ VE ÇEŞİTLERİ Enerji kısaca iş yapabilme yeteneğidir. Tıpkı uzunluklar gibi skaler büyüklüktür. Toplamda 8 ana enerji çeşidi vardır. Bunlar potansiyel, kinetik, ısı, ışık, elektrik, kimyasal, nükleer ve ses enerjisidir. Unutmamamız gereken ise hiçbir enerjinin kaybolmadığıdır. Olsa olsa başka bir enerji türü olmuştur. 3.1.1 Enerji Çeşitleri 3.1.1.1 Hidroelektrik Enerji Enerji amacı dahil su kaynaklarının geliştirilmesi ve kullanımı olarak tanımlanabilir. Diğer bir ifade ile Suyun potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesi ile sağlanan bir enerjidir. 3.1.1.2 Jeotermal Enerji Yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde birikmiş olan ısının oluşturduğu ve sıcaklıkları atmosferik sıcaklığın üzerinde olan sıcak su, buhar ve gazlar olarak tanımlanır. Ülkemiz jeotermal kaynak bakımından dünyada yedinci sırada yer almaktadır. Yüzey sıcaklığı 40 derecenin üzerinde olan 140 civarında kaynak mevcuttur. Bu kaynakların 136 tanesi merkezi ısıtma,sera ve konut ısıtılmasına ve endüstriyel kullanıma uygun iken sadece 4 tanesinden teknik ve ekonomik açıdan elektrik enerjisinin elde edilebilmesinin mümkün olduğu belirlenmiştir. Tüm kaynaklarımızın değerlendirilmesinin petrol eşdeğerinin 9 milyar dolar/yıl olduğu hesaplanmıştır. 3.1.1.3 Güneş Enerjisi Güneşten gelen ve dünya atmosferi dışında şiddeti sabit ve 1370 W/m2 olan ve yer yüzeyinde 0-1100 W/m 2 değerleri arasında değişen yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Isıtmadan soğutmaya ve elektrik üretiminde kontrollü olarak kullanılabilmektedir. Ülkemizin yıllık güneşlenme süresi ortalama olarak 2640 saattir. Maksimum güneşlenme 362 saat ile temmuz ayında, minimum güneşlenme süresi ise aralık 98 saat ile ayında görülmüştür. Güneşlenme süresi yönünden en zengin bölge Güneydoğu Anadolu bölgesi olup bunu sırası ile Akdeniz, Ege, İç Anadolu, Doğu Anadolu, Marmara ve Karadeniz bölgesi izlemektedir. Güneş enerjisi günümüzde: konutlarda ve iş yerlerinde, tarımsal teknolojide, sanayide, ulaşım araçlarında, iletişim araçlarında, sinyalizasyon ve otomasyonda, elektrik enerjisi üretiminde kullanılmaktadır. 44
3.1.1.4 Rüzgar enerjisi İndirekt yani çevrime uğramış bir güneş enerjisi olarak tanımlanabilir. Rüzgârdan elde edilecek enerji tamamen rüzgarın hızına ve esme süresine bağlıdır. Ülkemizin geneli olmasa da rüzgar enerjisi yönünden zengin sayılan yerleri mevcuttur. Rüzgar enerjisi her ne kadar kaynağı doğa olsa bile bedava bir enerji değildir. Bu enerjinin temel hammaddesi olan rüzgar her ne kadar parayla alınmasa bile rüzgarın taşıdığı enerjinin tutularak enerjiye dönüştürülmesi için bir maliyet gerekir. ABD de 750 Dolar/kW olan maliyet Avrupa da 1400 Dolar /kw olabilmektedir. Ekonomik olması için 1000 Dolar/ kw olması gerekmektedir. Denizlere kurulan rüzgar türbünleri ise karadakilere oranla iki kat pahalıya mal olmaktadır. Gelişen teknoloji ile bu rakamların yakın bir gelecekte çok daha aşağılara çekilmesi beklenmektedir. 3.1.1.5 Biyokütle Enerjisi Klasik ve modern anlamda olmak üzere iki grupta ele almak mümkündür. Birincisi; konvansiyonel ormanlardan elde edilen yakacak odun ve yine yakacak olarak kullanılan bitki ve hayvan atıkları(tezek gibi) oluşur. İkincisi yani modern biokütle enerjisi ise; enerji ormancılığı ve orman-ağaç endüstrisi atıkları, tarım kesimindeki bitkisel atıklar, kentsel atıklar, tarıma dayalı endüstri atıkları olarak sıralanır. Günümüzde enerji tarımı adını verdiğimiz bir tarım türü oluşmuştur. Bu tarım türünde C4 adı verilen bitkiler ( seker kamışı, mısır, tatlı darı,..vb.) yetiştirilmektedir. Bu bitkiler suyu ve karbondioksiti verimli kullanan, kuraklığa dayalı verimi yüksek bitkilerdir. 3.1.1.6 Deniz Kökenli Yenilenebilir Enerji Deniz dalga enerjisi, deniz sıcaklık gradyent enerjisi, deniz akıntıları enerjisi( boğazlarda) ve med-cezir enerjisi olarak tanımlanabilmektedir. Ülkemiz için üzerinde durulabilecek enerji grubu ise özellikle deniz dalga enerjisidir. Deniz dalga enerjisinin temelinde yine rüzgar enerjisi yatmaktadır. Ülkemizin Marmara hariç olmak üzere açık deniz kıyı uzunluğu 8210 km civarındadır. Bunun turizm, balıkçılık kıyı tesisleri gibi nedenle en fazla beşte birlik kısmı kullanılabilir ver bu yıllık olarak 18.5 TWh/yıl düzeyinde bir enerji elde edilebilir. 3.1.1.7 Hidrojen Enerjisi Doğada bileşikler halinde bol miktarda bulunan hidrojen serbest olarak bulunmadığından doğal bir enerji kaynağı değildir. Bununla birlikte hidrojen birincil 45
enerji kaynakları ile değişik hammaddelerden üretilebilmekte ve üretiminde dönüştürme işlemleri kullanılmaktadır. Bu nedenle elektrikten neredeyse bir asır sonra teknolojinin geliştirdiği ve geleceğin alternatif kaynağı olarak yorumlanan bir enerji taşıyıcısıdır. Hidrojen karbon içermediği için fosil yakıtların neden olduğu çevresel sorunlar yaratmaz. Isınmadan elektrik üretimine kadar çeşitli alanların ihtiyacına cevap verebilecektir. Gaz ve sıvı halde olacağı için uzun mesafelere taşınabilecek ve iletimde kayıplar olmayacaktır.2010 yılından itibaren hidrojenin ticari amaçlar için kullanılması düşünülmektedir. Her türlü maliyet göz önüne alındıktan sonra ilk yıllarda benzinden 1.5-5.5 arası daha pahalı olması beklenmektedir. Fakat gelecek yıllarla birlikte çevresel katkıları da göz önüne alındığı zaman bu maliyetin çok daha aşağılara çekilmesi hesaplanmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları da dahil olmak üzere hemen hemen tüm enerji kaynaklarında teknolojik olarak gelişmeler mevcuttur. Enerji bu güne kadar olduğu gibi gelecekte de insanlık için temel bir sorun olma özelliğini sürdürecektir. Bununla birlikte ; Gelecek yıllarda bugün olduğundan daha fazla enerji sağlayan yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip olunması da insanlık için uzak bir ihtimal değildir. Bununla birlikte 2020 yılına kadar yenilenebilir enerji kaynaklarının toplam enerji tüketimine getireceği katkılar ne yazıkki insanlığın ihtiyacı olan enerji rakamlarını karşılamaktan uzak görünmektedir. İnsanoğlunun bugün sahip olduğu teknik seviyeler 2020 yılında toplam enerji ihtiyacımızın maksimum % 12 sinin alternatif enerji kaynaklarından karşılanabileceğini göstermektedir. 3.2 POTANSİYEL ve KNETİK ENERJİ 3.2.1.Potansiyel Enerji Cisimlerin hareket halinde olmadıkları durumlarda sahip oldukları enerjiye potansiyel enerji denir. Bir cismi yerden daha yüksek bir noktaya kaldırdığımızda yer çekimine karşı bir iş yapar. Yapılan bu iş cisimde enerji olarak depolanır ve cismin iş yapabilecek duruma gelmesine neden olur. Potansiyel enerjinin simgesi Ep ve birimi jouledir. Yeryüzünden h yüksekliğine olan m kütlesine sahip olan bir cismin potansiyel enerjisini hesaplamak için; Ep=m.g.h Yukarıdaki şekilde bir arabanın farklı yüksekliklerde sahip olduğu potansiyel enerjiyi hesaplayalım; İlk olarak aracın 2 metre yüksekliğindeki potansiyel enerjisini bulacak olursak 46
Şekil 3.1 Ep1=m.g.h, Ep1=1100.9,8.2, Ep1=21560 jouledir. 4 metre yükseklikte arabanın potansiyel enerjisi ise Ep2=m.g.h Ep2=1100.9,8.4 Ep2=43120 jouledir. Yapılan işlemde de görüldüğü gibi cisim ne kadar yüksekte yer alırsa potansiyel enerji de o kadar artmaktadır. Aşağıdaki şekilde olduğu gibi iki farklı kütleye sahip cisimlerin yükseklikleri farklı olmasına rağmen sahip oldukları potansiyel enerjilerin eşit olduğunu hesaplayarak görebilirsiniz. 3.2.2 Kinetik Enerji Şekil 3.2 Hareketli cisimler iş yapabilme yeteneğine sahiptirler yani bu cisimlerin ener- 47
jileri vardır. Bu hareketinden dolayı cisimlerin sahip oldukları enerjiye kinetik enerji denir. Akan su, hareket halindeki araba, fırlatılan bir taş, yüksekte uçmakta olan bir kuşun kinetik enerjileri vardır. Duran cisimlerin potansiyel enerjileri, cisimler hareket haline geçtiklerinde bu enerji kinetik enerjiye dönüşür. Örneğin duran bir araba potansiyel enerjiye sahiptir. Araç harekete geçtiğinde potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür. Araç hızlandıkça kinetik enerji artacaktır. Kinetik enerjinin simgesi Ek ve birimi jouledir. Farklı kütlelere sahip olan cisimlerin kinetik enerjileri de farklıdır. Aynı yol üzerinde hareket eden bir kamyon ile bir otomobilin kinetik enerjileri farklıdır. Bu nedenle bu iki aracın çarpışmasında kinetik enerjisi daha az olan otomobilin hasar oranı kamyona göre daha fazladır. Aynı şekilde daha hızlı hareket eden arabaların çarpışmasında da hasar daha fazla olmaktadır. Bir V hızı ile hareket eden m kütleli bir cismin kinetik enerjisi; Ek=1/2m.V2 olacaktır. m ve V2 her zaman pozitif nicelikler olduğundan kinetik enerji de pozitiftir. Şekil 3.3 Yukarıdaki arabanın kinetik enerjisini hesaplayacak olursak; Ek=1/2m.V2 Ek=1/2.1100.802 Ek=3520000 joule. Su akış halinde iken kinetik enerjiye sahiptir. Suyun bu enerjisinden farklı enerjiler elde edilerek yararlanılır. Hidro elektrik santrallerinde suyun türbinleri döndürmesi sağlanarak suyun bu enerjisi ilk olarak hareket enerjisine dönüşür daha sonra ise elektrik enerjisi elde edilir. 3.2.3 Enerjinin Korunumu Yerden belirli bir yükseklikte bulunan bir cisim serbest bırakıldığında yere doğru düşecektir. Bu cisim düşerken hızlanır ve potansiyel enerjisi azalmaya kinetik enerjisi artmaya başlar. Yani cismin potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. Yerden yukarı doğru fırlatılan bir cisim ilk atıldığında daha hızlı hareket edecek, yukarı çıktıkça hızı azalacaktır. Burada da ilk başta kinetik enerji fazla olmasına rağmen bu enerji potansiyel enerjiye dönüşür. Bu cismin hızı bir noktada durur ve bu esnada potansiyel enerjisi maksimum noktaya ulaşır. Cisim yerçekiminin etkisi ile tekrar yeryüzüne doğru hareket eder ve potansiyel enerji kinetik enerjiye dönüşür 48
Şekil 3.4 Şekil 3.5 Bir eğik düzlemde hareket eden bir arabanın potansiyel ve kinetik enerjilerini şu şekilde gösterebiliriz: Şekil 3.6 49
Cisim hareket ettiğinde enerjiler birbirine dönüşebilmektedir. Bu enerji dönüşümler esnasında toplam enerji miktarı sabit kalmaktadır. Bu ilkeye enerjinin korunumu ilkesi denilmektedir 3.3 ENERJİNİN DÖNÜŞÜMÜ Gerilim üretme yöntemlerine elektrik enerjisi üretiminde kullanılan kaynaklar konusunda kısmen değinmiştik. Orada, şebeke enerjisinin elde edilmesinde farklı enerji kaynaklarından nasıl faydalanıldığı gördük. Şimdi, en bilindik yollarla elektrik enerjisinin nasıl elde edildiğine odaklanacağız. Biliyorsunuz, elektrik enerjisi denince akla elektrik akımı gelmekte. Elektrik akımı ise elektrik geriliminden kaynaklanmaktadır. Öyleyse biz herhangi bir yolla elektrik gerilimi elde ettiğimizde bunun anlamı aslında elektrik enerjisi ürettiğimizdir. Şimdi elektrik gerilimini elde etme yöntemlerine bakalım. 3.3.1 İndüksiyon (manyetik alan) Yoluyla Lenz Kanunu na göre bir iletken, manyetik bir alan içerisinde hareket ettirilirse bu iletkenin iki ucu arasında potansiyel bir fark oluşur. Aynı şekilde bir manyetik alan bir iletkeni kesecek (görecek) şekilde hareket ettirilirse bu iletkende yine bir elektrik gerilimi oluşur. Resim 3.1 de mıknatıs hareket ettirildiğinde manyetik alanın etkisi ile bobin atomları uyarılır. Bir elektrik alanındaki gibi manyetik alanda da serbest elektronlar bir yönde harekete geçerler. Böylece bobinin bir ucunda negatif, diğer ucunda ise pozitif yüklü atomlar yoğunlukta olur. İletken uçlarındaki bu yük farkına elektrik gerilimi denir ve bu olaya da indüklenme denir. Bobin uçları bir alıcı üzerinden birleştiğinde bobinde indüklenen (oluşan) bu gerilim, devreden akım dolaştırır. Bu şekilde indüklenen gerilimin değeri iletkenin uzunluğuna, manyetik alanın yoğunluğuna (şiddetine) ve manyetik alanın ya da iletkenin hareket hızına bağlıdır. Alan sabitken iletken hareket ettirildiğinde ise iletkenin gerilimini, iletkenin hareket hızı belirler. Bir iletkende indüklenen gerilimin değeri (MKS birim sisteminde) e = B. L. V formülü ile bulunur. Formüldeki değişkenlerin anlam ve birimleri aşağıdaki gibidir. e: İletkende indüklenen emk (V) B: Manyetik akı yoğunluğu (weber/m 2 ) L: İletkenin boyu (m) V: İletkenin hızı (m/sn) 50
Şayet iletkenin hareketi açısal bir karakter taşıyorsa o zaman eşitlik, e = B. L. V.Sinα şeklini alır. Örneğin alternatörlerde gerilimin indüklendiği rotor üzerindeki iletkenler dairesel bir dönüş yaparlar. Dolayısıyla da stator sargılarını 0-360 derecelerde kestiklerinden elde edilen gerilimin formu sinüzoidal dir. Sinüzoidal gerilim elde etmenin diğer bir yolu da sabit kutupların etkisindeki bir iletkeni ya da iletken sarımlarını döndürmektir. Normalde alternatörler çok kuvvetli elektromıknatıslara, çok sarımlı ve kalın tellere sahiptirler. Bu şekilde yüksek miktarlarda enerji üretebilmektedirler. Alternatörler gibi elektrik enerjisi üreten diğer elektrik makineleri de dinamolardır. Dinamolar doğru akım üreten makinelerdir. Resim 3.1 Bir bobinde oluşan gerilim (emk) 3.3.2 Kimyasal Etki Yoluyla Elektrik enerjisinin, birtakım elektroliz düzenekleri ile (kimyasal tepkimeler sonucu) elde edildiğini biliyoruz. Klasik pillerin yanında aküler ve yakıt pilleri ile de kimyasal etki yoluyla elektrik enerjisi elde edilmektedir. 3.3.2.1 Yakıt Pilleri Yakıt pillerinde elektroliz düzeneğine uygun bir yakıtın dahil edilmesi söz konusudur. Yakıt pilleri temiz ve verimli bir enerji kaynağıdır. Yakıt olarak hidrojen bakımından zengin olan maddeler kullanılır. Örneğin doğal gaz, petrol türevleri, sıvı propan ve gazlaştırılmış kömür gibi fosil kökenli yakıtlar veya etanol, metanol ya da hidrojen gibi yakıtlar bu pillerde kullanılabilir. 51
Yakıt pilleri, temiz enerji üretimi ve yüksek verimleri ile enerji tasarrufu sağlayan bir güç kaynağı olarak kullanımları gittikçe yaygınlaşmaktadır. 3.3.2.2 Aküler Aküler, çalışma prensibi olarak nerdeyse bir pilden farksızdır. Akü çeşitleri ve gerilimleri yapı ve kullanım amaçlarına göre farklılık göstermektedir. Ancak genellikle sulu 12 V luk aküler kullanıldığı için biz de bu aküler üzerinde duracağız. Resim 3.2 Akünün yapısı Akülerde elektrolit olarak kurşun sülfat (PbSO4) kullanılmaktadır. Aküler pillerden farklı olarak bünyelerinde altı adet pil (hücre) bulundururlar. İçeride seri bağlanan her bir hücrenin potansiyel farkı 2 volt olmak üzere, toplamda (dışarıya çıkarılan kutuplarda) 12 V luk bir potansiyel fark sağlamaktadırlar. Elektrotlar, aralarında delikli ayırıcılar bulunan ve iç içe geçmiş çok sayıda kurşun (Pb) ve kurşun dioksit (PbO2) plakadan oluşmuştur (Resim 3.2). Çok sayıda plaka kullanılmasının nedeni hem birden fazla pil elde etmek hem de elektrolit ile temas yüzeyini arttırarak daha fazla enerji elde edebilmektir. Ayrıca 2 şer voltluk altı ayrı pil düzeneği birbirlerine seri bağlanarak akü uçlarından 12 V elde edilmektedir. Akünün altı hücreden oluştuğunu söylemiştik Şimdi akü boşalırken ve dolarken, sadece bir hücrede gerçekleşen kimyasal reaksiyonlara bakalım (Bütün hücrelerde aynı olay gerçekleşmektedir.). Akünün Deşarjı Akü uçları bir alıcı üzerinden birleştirildiğinde kurşun ve kurşun dioksit pla- 52
kaları arasındaki potansiyel fark nedeniyle kurşun plakanın atomlarından elektron koparılarak (atom başına iki elektron) elektronlar kurşun dioksit plakasına çekilir. Bu anda kurşun atomları Pb +2 şeklinde iyon durumuna geçerek -2 değerlikli sülfat iyonları (SO 4-2 ) ile birleşerek kurşun sülfat (PbSO 4 ) oluştururlar. Kurşun dioksit (PbO 2 ) plakasına gelen elektronlardan her biri, bir oksijen atomuna geçer. Her bir oksijen atomu kurşun atomlarından birer elektron alarak -2 değerlikli iyon durumuna geçerler. -2 değerlikli oksijen iyonları elektrolitteki +2 değerlikli hidrojen iyonları ile su (H 2 O) oluştururlar. Aynı zamanda oksijen atomlarının ayrışmasıyla +2 değerlik kazanan kurşun atomları da elektrottan koparak elektrolit içerisindeki -2 değerlikli sülfat iyonları (SO 4-2 ) ile birleşerek kurşun sülfat (PbSO4) oluştururlar. Bu şekilde devrede kurşun elektrottan kurşun dioksit elektroda doğru bir elektron akışı gerçekleşir. Akünün Şarjı Boşalmış olan batarya bir doğru akım kaynağına bağlanıp deşarj akımına ters yönde bir şarj akımı geçirilirse pozitif ve negatif plakalardaki kurşun sülfat ayrışır. Akünün deşarjında gerçekleşen tepkimeler tersine işlemeye başlar. Aküye bağlanan güç kaynağının eksi ucu kurşun elektroda elektron yolladıkça elektrolitteki kurşun sülfat, kurşun (Pb +2 ) ve sülfat (SO 4-2 ) şeklinde parçalanır ve kurşun iyonları elektron kaybeden elektrotla birleşerek nötr hale gelirler. Kaynağın artı ucu kurşun dioksitten elektron çektikçe su da iki hidrojen (H + ) ve bir oksijen (O -2 ) şeklinde iyonlarına ayrılır. Aynı zamanda PbSO 4, Pb +2 ve SO 4-2 şeklinde iyonlarına ayrılır. Bunun nedeni kurşun dioksit plakanın pozitif yüklenmesidir. Sudan parçalanan her iki oksijen iyonu ve kurşun sülfattan parçalanan bir kurşun iyonu birleşirler kurşun dioksit (PbO 2-2 ) iyonunu oluştururlar. Bu iyonlar pozitif yüklü plaka ile birleşerek nötr hale gelirler. Bu tepkimeler olmaya devam ettikçe kurşun plakada kurşun ve kurşun dioksit plakada ise kurşun dioksit depolanacak ve akü şarj olacak yani dolacaktır. 3.3.2.3 Isı Yoluyla İletkenler ısıtıldıklarında, iletken madde atomlarının elektronlarında bir hareketlenme meydana gelir. İletken maddesinin sıcaklık katsayısına göre bu hareketin miktarı az ya da çok olabilir. İki farklı metalin (iletkenin) birer uçları birleştirilip birleşim noktası ısıtıldığında sıcaklık miktarına bağlı olarak iletkenlerin boştaki uçlarından mili voltlar seviyesinde bir gerilim elde edilir (Şekil 72). Bu gerilimin değeri kullanılan iletkenlerin cinsine ve birleşim yüzeyinin ısınma miktarına bağlıdır. Farklı iki metal ya da metal alaşımlarından oluşan bu elemana termokupl ya da ısıl çift denmektedir. 53
Şekil 3.7 Termokuplun yapısı Termokupl un yapımında genellikle bakır, demir, konstantan, platin, mangan, nikel gibi metaller ve bunların alaşımları kullanılır. Resim 3.3 Basit bir termokupl uygulaması Termokupllar genellikle ısı kontrol devrelerinde ve sıcaklık ölçümünde kullanılırlar. Resim 3.3 te basit bir termokupl uygulaması ve Resim 3.4 te ise çeşitli termokupllar görülmektedir. Metallerin birleşim yerlerinin ısıtılması ile elektrik gerilimi elde edildiği gibi yarı iletkenlerin ısıtılması ile de gerilim elde edilebilmektedir. Bir yarıiletken termik üreteç, aslında bir sonraki konuda ele alacağımız bir fotopil in uyarlanmış halidir. Bu elemanların fotopiller den farkı, ısı toplayan bir katman sayesinde daha verimli olmalarıdır. Kısaca bir termik üreteç, bir fotopil den daha fazla enerji üretir. Bir N (Negatif) ve bir P (Pozitif) olmak üzere iki yarı iletkenin birleşim yüzeyleri ısıtıldığında yarı iletkenin uçlarında bir gerilim oluşur (Şekil 3.8). Bu gerilimin değeri 54
çok küçüktür ve yarıiletken elemanlar seri bağlanarak gerilim değeri arttırılır. Seri bağlı blokların paralel bağlanması ile de akım kapasitesi arttırılır. Resim 3.4 Çeşitli termokupllar Şekil 3.8 Termik pil hücresi Yarıiletken termik gerilim üreteçlerine termo fotovoltaik pil denir. Kısaca termo fotopil ya da termo pil de diyebiliriz. Bir termopil, Şekil 3.8 de görüldüğü gibi P ve N tipi yarıiletkenlerin birleştirilmesi ile elde edilmekte ve ısıya dayanıklı bir ısıtma levhası ve bir de soğuma levhası ihtiva etmektedirler. Bir termopilin ısıtma yüzeyi ısıtıldığında pil uçlarında bir gerilim artışı olur. 55
Resim 3.5 Bir termopil uygulaması Termo piller sıcaklık ölçümünde kullanıldığı gibi ısı kontrol devrelerinde ve küçük güçlü devrelerin beslenmesinde de kullanılabilir. Esas kullanım amacı ise yarıiletken hücrelerin seri ve paralel bağlanarak yüksek miktarlarda enerji elde etmektir. 3.3.2.4 Işık yoluyla Daha önce foto pillerden bahsetmiştik. Foto pillere ışık pili ya da güneş pili de denmektedir. Fotopiller ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletkenlerdir. Yarıiletken maddeler, atomlarının son yörüngesinde dört elektron bulunduran maddelerdir. Yarıiletkenlerin temel malzemesi P (pozitif) ve N (negatif) yapıdaki maddelerdir. P ya da N tipi maddeleri, silisyum (S) ve germanyum (Ge) gibi kristal yapıdaki yarı iletkenlere katkı maddeleri eklenerek elde edilirler. Elde edilen maddenin P ya da N tipi olması katkı maddesine bağlıdır. Örneğin silisyum maddeye bir miktar fosfor (P) karıştırılmışsa, atomlarının son yörüngesinde beş elektronu bulunan fosforun bir elektronu açıkta kalacaktır. Açıkta kalan bu elektron serbest haldedir. Elde edilen bu maddeye negatif madde ya da N tipi madde denmektedir. Şayet silisyuma bir miktar Bor (B) karıştırılırsa elde edilen madde pozitif madde ya da P tipi madde olacaktır. Bor, silisyumla kristal bir yapı ile birleşince bir elektron eksikliği ortaya çıkmaktadır. Çünkü bor atomlarının son yörüngelerinde üç elektron vardır. Bir yarıiletken eleman, P ve N olmak üzere en az iki plakadan oluşur. Şekil 3.9 da silisyumdan yapılmış bir yarıiletken elemanın kristal yapısı görülmektedir. 56
Şekil 3.9 Silisyum yarıiletkenin atom dizili Fotopiller de bir N ve bir P tipi maddeden oluşan yarıiletkenlerdir. Şekil 75 te görüldüğü gibi ışık fotopilin birleşim yüzeyine düşürüldüğünde, P ve N tipi plakalar arasında bir elektrik alanı oluşur. Fotopilin uçları bir alıcı üzerinden birleştirildiğinde ise N tipi plakadan P tipi plakaya doğru bir elektron akışı olur ve alıcı çalışır. Şekil 3.10 Fotopilin yapısı ve çalışması Bir fotopil hücresinden elde edilen gerilim çok düşüktür. Bu nedenle fotopiller seri bağlanarak istenilen gerilim elde edilebilir. Elde edilen fotopil enerjisi ile yüksek güçlü bir alıcı çalıştırılacağı zaman, çok sayıda seri bağlı fotopil blokları paralel bağlanarak sistemin akım kapasitesi arttırılır. (Şekil 3.11) 57
Şekil 3.11 Fotopil Fotopiller temiz enerji kaynaklarıdır. Buna karşın verimleri % 10 - % 20 civarındadır ve ekonomik olarak çok cazip değildirler. 3.3.2.5 Sürtünme Yoluyla İki cisim birbirlerine sürtüldüğünde, cisimlerin atomlarının kinetik enerjileri artar. Böylece pozitif yükler bir cisimde, negatif yükler ise diğer cisimde birikerek aralarında bir gerilim oluşur. Resim 3.6 Van de Graaff Jeneratörü Statik elektrikle gerilim elde etmenin en bilinen örneği, Van de Graaff jeneratörleridir (Resim 3.6). Bu jeneratörler, yalıtkan bir madde ile iletken bir maddenin sürtünmesi ile oluşan zıt yüklerin iki farklı iletkende toplanması esasına göre çalışırlar. 58
Sürtünme yoluyla elde edilen gerilimin büyüklüğü, sürtünen maddelerin cinsi, sürtünme yüzeylerinin büyüklüğü ve sürtünme hızına (şiddetine) bağlıdır. 3.3.2.6 Kristal Deformasyon Yoluyla Kristal yapılı quartz, turmalin gibi maddelere basınç uygulanınca basıncın uygulandığı yüzeylerden elektrik gerilimi elde edilir. Bir kristal maddeye basınç uygulanınca, kristal kafesi esner ve kristal yapıdaki zıt iyon yükleri basınç yüzeylerine toplanır. Basınç ortadan kalktıktan bir süre sonra kristal kafes eski şeklini alır ve yük dağılımı normale döner. Yani yüzeyler arasındaki potansiyel farkı sıfır olur. Bu nedenle kristal yalnızca deformasyona uğradığı zamanlarda yani basıncın etkisindeyken gerilim üretir. Resim 3.7 Piezo elektrik ile bir ledin çalışması Kristal deformasyon ile elde edilen elektrik enerjisine piezo elektrik de denmektedir. Resim 3.7 de bir piezo elektrik devresi görülmektedir. Resimdeki kristal, parmakla basınç uygulanınca bir ledi çalıştırabilecek kadar elektrik enerjisi üretebilmektedir. Kristaller çakmaklarda gerilim kaynağı olarak kullanılırken, elektronik devrelerde osilatör olarak kullanılmaktadır. Mesafe ölçümleri, akustik testler, basınç ölçümü ve kontrolü gibi işlerde de kullanılmaktadırlar. Ayrıca ses devrelerinde mikrofon olarak da kullanılmaktadırlar. Kristallerden elektrik akımı geçirilince, akımın formuna bağlı olarak kristallerde titreşimler gerçekleşir. Bu özelliğinden faydalanılarak küçük boyutlu hoparlörler yapılmaktadır. Bu hoparlörleri hem güçleri, hem de kendileri küçük olduğu için küçük güçlü cihazlarda (örneğin cep telefonları) kullanılmaktadır. 59
3.4 Elektrik Enerjisinin Elde Edilmesi Enerji kaynaklarının hepsi bize yaşantımızı devam ettirmek için gerek duyduğumuz enerjiyi sağlarlar. Enerji kaynakları, yenilenebilir enerji kaynakları; güneş, su, rüzgar, jeotermal, biyomas ve yenilenebilir olmayan (fosil kökenli) enerji kaynakları ; kömür, petrol, doğal gaz, nükleer diye ikiye ayrılır. Enerji farklı şekillerde elde edilir: Isı (termal), ışık (radyant), mekanik, elektrik, kimyasal ve nükleer enerji olmak üzere. Enerjinin iki tipi vardır, depolanmış (potansiyel) enerji, ve hareket (kinetik) enerjisi olmak üzere. Örneğin, yediğimiz yiyecekler kimyasal enerji ihtiva eder, vücudumuz bu enerjiyi kullanmaya başlayıncaya kadar depo eder. İş yaparken bu enerji serbest bırakılır. Enerjinin tüm formları her gün kullandığımız enerji kaynaklarında farklı bir şekilde depo edilir. Bu kaynaklar yukarda söylediğimiz yenilenebilen ve yenilenmeyen kaynaklardır. Yenilenebilir enerjileri sürekli kullanabiliriz. Yenilenemeyenler tükenince çok kısa zamanda yeniden üretilmesi mümkün değildir. Solar enerji güneşten, rüzgar ve jeotermal enerjisi yerkürenin kendisinden, biyomas enerjisi bitkilerden ve hidrogücü, sudan elde edilen yenilenebilir birer kaynaktır ve bu enerjiler ısı ve elektrik enerjisine çevrilebilirler. Ancak bugüne kadar kullandığımız enerjilerin çoğu yenilenebilir olmayan, fosil kaynaklardandır, kömür, petrol, doğal gaz gibi. Bunlara fosil kaynaklar denir çünkü milyonlarca yıl yerin derinliklerinde kaya ve toprak altında kalmış, ısı ve basınç altında fosilleşmiş bitki ve hayvanlardan oluşmuşlardır. Diğer yenilenemeyen bir enerji kaynağı, atomlarını parçalayarak (nükleer bir işlem, fission vasıtasıyla ) ısı ve bunun sonucunda elektrik elde ettiğimiz uranyum elementidir. Tüm bu enerji kaynaklarını, evlerimizde, iş yerlerimizde, okullar ve fabrikalarımızda ihtiyaç duyduğumuz elektriği üretmek için kullanırız. Kompütürleri, lambaları, buzdolabı, çamaşır makinaları ve klimalarımızı,.., çalıştırmak için elektrik gücünü kullanırız. Arabalarımızı çalıştırmak için de enerji kullanırız. Arabalarımızda kullandığımız bu enerji petrolden elde edilen benzindir. Pişirmek için de enerji kullanırız. Bu enerjiler doğalgaz yada petrolden elde edilen propan gazı gibi diğer gazlar, yada diğer kaynaklardan biridir. Yapmak istediğimiz her iş için, kullandığımız bir enerji kaynağı vardır. Kırda yemek yapmak için sıvılaştırılmış gaz kaynaklarından, uzaya astronotları göndermek için kullanılan hidrojen yakıtlarına kadar. Uzun mesafeler üzerinden elektriği göndermedeki problemi çözmek için, George Westinghouse, transformatör diye adlandırılan bir alet geliştirdi. Transformatör 60
uzun mesafeler üzerinden verimli bir şekilde elektriğin iletilmesini sağladı. Böylece elektriğin üretildiği santrallerden çok uzaklardaki ev ve işyerlerinde kullanılması mümkün oldu. Bu gün elektriksiz bir hayatı düşünmek bile zordur. Su gibi hava gibi vazgeçilmez bir durum diye düşünülmektedir. Elektrik, ısı, ışık ve güç gerektiren kullanımlarda uygun ve kontrol edilebilir bir enerji şeklidir. Bugün, herhangi bir anda ihtiyaç duyduğumuz ve kullanmaya hazır bir enerjidir. Bir elektrik jeneratörü mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştüren bir cihazdır. Buradaki işlem elektrik ve manyetizma arasındaki ilişkiye dayanır. Bir manyetik alan içinde bir tel yada elektrik ileten herhangi bir iletken hareket ettiği zaman telde elektrik akımı oluşur. Elektrik kullanım endüstrisinde kullanılan büyük jeneratörler, durgun bir iletkene sahiptir. Dönen bir şaftın ucuna eklenmiş olan bir mıknatıs, durgun bir iletken halka içine yerleştirilir. Halka uzun bir tel ile sarılmıştır. Mıknatıs döndüğü zaman, telin her bir kesiminde küçük bir elektik akımı üretilir. Telin her kesimi küçük ayrı bir iletkenden oluşur. Her bir bölümdeki küçük akımların toplamı önemli derecede büyük bir akım oluşturur. Elektrik gücü için kullanılan akım işte bu akımdır. Şekil 3.12 Elektrik Jenereratörü 61
ÖZET Enerji kısaca iş yapabilme yeteneğidir. Tıpkı uzunluklar gibi skaler büyüklüktür. Toplamda 8 ana enerji çeşidi vardır. Hidroelektrik Enerji: Enerji amacı dahil su kaynaklarının geliştirilmesi ve kullanımı olarak tanımlanabilir. Diğer bir ifade ile Suyun potansiyel enerjisinin kinetik enerjiye dönüştürülmesi ile sağlanan bir enerjidir. Jeotermal Enerji: Yer kabuğunun çeşitli derinliklerinde birikmiş olan ısının oluşturduğu ve sıcaklıkları atmosferik sıcaklığın üzerinde olan sıcak su, buhar ve gazlar olarak tanımlanır. Güneş Enerjisi: Güneşten gelen ve dünya atmosferi dışında şiddeti sabit ve 1370 W/m2 olan ve yer yüzeyinde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişen yenilenebilir bir enerji kaynağıdır. Rüzgar enerjisi: İndirekt yani çevrime uğramış bir güneş enerjisi olarak tanımlanabilir. Rüzgârdan elde edilecek enerji tamamen rüzgarın hızına ve esme süresine bağlıdır. Ülkemizin geneli olmasa da rüzgar enerjisi yönünden zengin sayılan yerleri mevcuttur. Biyokütle Enerjisi: Klasik ve modern anlamda olmak üzere iki grupta ele almakmümkündür. Birincisi; konvansiyonel ormanlardan elde edilen yakacak odun ve yine yakacak olarak kullanılan bitki ve hayvan atıkları(tezek gibi) oluşur. İkincisi yani modern biokütle enerjisi ise; enerji ormancılığı ve orman-ağaç endüstrisi atıkları, tarım kesimindeki bitkisel atıklar, kentsel atıklar, tarıma dayalı endüstri atıkları olarak sıralanır. Deniz Kökenli Yenilenebilir Enerji: Deniz dalga enerjisi, deniz sıcaklık gradyent enerjisi, deniz akıntıları enerjisi( boğazlarda) ve med-cezir enerjisi olarak tanımlanabilmektedir. Hidrojen Enerjisi: Doğada bileşikler halinde bol miktarda bulunan hidrojen serbest olarak bulunmadığından doğal bir enerji kaynağı değildir. Bununla birlikte hidrojen birincil enerji kaynakları ile değişik hammaddelerden üretilebilmekte ve üretiminde dönüştürme işlemleri kullanılmaktadır. Cisimlerin hareket halinde olmadıkları durumlarda sahip oldukları enerjiye potansiyel enerji denir. Bir cismi yerden daha yüksek bir noktaya kaldırdığımızda yer çekimine karşı bir iş yapar. Yapılan bu iş cisimde enerji olarak depolanır ve cismin iş yapabilecek duruma gelmesine neden olur. Potansiyel enerjinin simgesi Ep ve birimi jouledir. 62
Hareketli cisimler iş yapabilme yeteneğine sahiptirler yani bu cisimlerin enerjileri vardır. Bu hareketinden dolayı cisimlerin sahip oldukları enerjiye kinetik enerji denir. Yerden belirli bir yükseklikte bulunan bir cisim serbest bırakıldığında yere doğru düşecektir. Bu cisim düşerken hızlanır ve potansiyel enerjisi azalmaya kinetik enerjisi artmaya başlar. Yani cismin potansiyel enerjisi kinetik enerjiye dönüşür. Lenz Kanunu na göre bir iletken, manyetik bir alan içerisinde hareket ettirilirse bu iletkenin iki ucu arasında potansiyel bir fark oluşur. Aynı şekilde bir manyetik alan bir iletkeni kesecek (görecek) şekilde hareket ettirilirse bu iletkende yine bir elektrik gerilimi oluşur. Klasik pillerin yanında aküler ve yakıt pilleri ile de kimyasal etki yoluyla elektrik enerjisi elde edilmektedir. Yakıt pillerinde elektroliz düzeneğine uygun bir yakıtın dahil edilmesi söz konusudur. Yakıt pilleri temiz ve verimli bir enerji kaynağıdır. Aküler, çalışma prensibi olarak nerdeyse bir pilden farksızdır. Akü çeşitleri ve gerilimleri yapı ve kullanım amaçlarına göre farklılık göstermektedir. Akü uçları bir alıcı üzerinden birleştirildiğinde kurşun ve kurşun dioksit plakaları arasındaki potansiyel fark nedeniyle kurşun plakanın atomlarından elektron koparılarak (atom başına iki elektron) elektronlar kurşun dioksit plakasına çekilir. Boşalmış olan batarya bir doğru akım kaynağına bağlanıp deşarj akımına ters yönde bir şarj akımı geçirilirse pozitif ve negatif plakalardaki kurşun sülfat ayrışır. Akünün deşarjında gerçekleşen tepkimeler tersine işlemeye başlar. İletkenler ısıtıldıklarında, iletken madde atomlarının elektronlarında bir hareketlenme meydana gelir. İletken maddesinin sıcaklık katsayısına göre bu hareketin miktarı az ya da çok olabilir. Termokupllar genellikle ısı kontrol devrelerinde ve sıcaklık ölçümünde kullanılırlar. Yarıiletken termik gerilim üreteçlerine termo fotovoltaik pil denir. Kısaca termo fotopil ya da termo pil de diyebiliriz. Fotopiller ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletkenlerdir. Yarıiletken maddeler, atomlarının son yörüngesinde dört elektron bulunduran maddelerdir. Yarıiletkenlerin temel malzemesi P (pozitif) ve N (negatif) yapıdaki maddelerdir. İki cisim birbirlerine sürtüldüğünde, cisimlerin atomlarının kinetik enerjileri artar. Böylece pozitif yükler bir cisimde, negatif yükler ise diğer cisimde birikerek aralarında bir gerilim oluşur. Kristal yapılı quartz, turmalin gibi maddelere basınç uygulanınca basıncın uy- 63