Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi Saha ve Potansiyel Belirleme Şenol Tunç

Orta Doğu Teknik Üniversitesi KOSGEB Teknoloji Merkezi No:403 ODTÜ Kampüsü 06530 - ANKARA Tel : 312-210 1056 Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi Saha ve Potansiyel Belirleme Şenol Tunç 31 Ocak 2009 Ankara 1

1. Güneş, Radyasyon 2. Güneş Enerjisi ile Elektrik Enerjisi Üretiminde Tesis Türleri 3. Saha Özellikleri 4. Potansiyel Belirleme 5. Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli 2

1. Güneş Milyarlarca güneş sistemini içeren galaksiler... Bizim Galaksi miz : Samanyolu Güneş 150.000 ışık yılı Plasma kütlesi Temsili samanyolu resmi... 4 veya 5 ana kolu olan sprial yapı.. Katı, sıvı, gaz ve plasma kütleleri merkez etrafında dönmekte.. 100 400 milyar adet yıldız içermekte... 3

Güneş Dünyadan 109 kat büyük, Çapı 1,39 milyon km, Ağırlığı dünyanın 330.000 katı, 1.989 X 10 18 milyon ton. Dünyamıza uzaklığı 150 milyon km.dir. Güneş sistemi, güneş ve güneşin çekimi ile etrafında dönmekte olan gezegenler, toz ve gazlardan oluşmakta. Güneşin kütlesi, güneş sistemi kütlesinin %99.9 unu oluşturmaktadır. 4

Dünyadaki kayaların yaşına bakılarak yapılan tahminlere göre güneşin 4,6 milyar yıl yaşında olduğu ve 4,5 milyar yıl sonra da soğumuş olacağı tahmin ediliyor. Hali hazırda 2 kez diğer galaksilerle çarpıştığı öne sürülen samanyolu galaksimizin, yaklaşık 3 milyar yıl sonra komşu galaksimiz Andromeda galaksisi ile çarpışacağı hesaplanıyor...! Güneşin ekvator çizgisini baz alırsak kendi etrafında doğudan batıya doğru yaklaşık 27 günde bir, yine kendi kutup eksenini baz alırsak yaklaşık 31 günde bir tur atarak döndüğü hesaplanmıştır. Çekirdek ısısı ~ 15,7 milyon derece, dış yüzey ısısı ~ ortalama 5.550 derece Dış yüzeyinin %70 hidrojen, %28 Helyum ve %2 oranında karbon, nitrojen, oxijen, neon, magnezyum, silikon ve demir elementlerinden oluştuğu, çekirdeğinin ise 35% Hidrojen, 63% Helyum ve 2% oranında diğer elementlerden oluştuğu tahmin edilmektedir. Güneş in ısısı, çekirdeğinde meydana gelen nükleer füzyon ile oluşmaktadır. Çekirdekte her saniye 700 milyon ton hidrojen in 695 milyon ton helyum a dönüşerek bu dönüşümde ortaya ortalama olarak 3,8 X 1026 watt/saniye gama ışını enerjisi çıkardığı tahmin ediliyor. Bu müthiş enerjiyi ifade etmek gerekirse, insanlar varoluşlarından beri bugüne kadar, güneş in 1 saniyede uzaya bıraktığı enerjiden çok daha az enerji tüketmiştir diyebiliriz. 5

Radyasyon : Güneşin uzaya yaydığı enerji Birbirlerine dik açı ile salınarak (oscillate) maddede veya boşukta birilikte ilerleyen 2 alanın, elektrik alanı ve manyetik alanın bileşenidir (kısaca elektromanyetik alan). Diğer bir ifade ile elektromanyetik dalga halinde taşınan enerjiye (elektromanyetik dalgaya) radyasyon diyoruz. Yüksek enerjiye sahip elektromenyetik dalga, atom çekirdeğinin parçalanması ile çekirdekten çıkan en küçük partiküller(!) olarak, düşük enerjiye sahip elektromanyetik dalgalar ise atomdan veya moleküllerden salınan partiküller olarak ifade edilmektedir. Radyoaktivite olarak bilinen yüksek enerjili elektromanyetik dalgalar, partiküllerin parçalanması (Fission-Fizyon) veya partiküllerin birleşmesi (fusion-füzyon) ile ortaya çıkmaktadır. 6

Güneşten değişik dalga boyları ile salınan elektomanyetik dalgalar (radyasyon) dünyaya saniyede 299,793 km hızla ilerleyerek yaklaşık 8,34 dakikada ulaşır. Dalga boyları farklı da olsa, radyasyonun (elektromanyetik dalgaların) hızının boşlukta değişmediği varsayılmaktadır ve bu hıza ışık hızı diyoruz. Frekans elektromanyetik dalganın (ışının) tepe noktasının, 1 saniyede kaç milyon adet tekrar ettiğini ifade eder (MegaHertz (MHz) ), -dalganın yükseliğinin birim zamanda ne sıklıkta tekrar ettiğidir. Dalga boyu azaldıkça frekansın artttığını, dalga boyu arttıkça frekansın azaldığını söyleyebiliriz. Elektromenyetik dalga yayımı gerçekleştiren tüm kaynaklar (canlılar dahil), radyasyon (elektromenyetik dalga) kaynağıdır. Örneğin insan vücudu 10 mikron dalga boyunda kızılötesi ışın yayar 7

%1 %45 %54 Elektromanyetik dalgaların (ışınların) tanımlanmasında veya ifade edilmesinde, dalga boyu ve frekansın dışında kullanılan diğer bir ölçü birimi de taşıdıkları enerji miktarıdır. Elektromanyetik dalganın taşıdığı enerji miktarı, dalganın boyu ile ters, frekansı ile düz orantılıdır 8

1997 başı 1998 ortası 1999 Sonu Solar and Helisocopic Observatory-SOHO Tarafından mor ötesi uydu kamerası görüntüleri 9

1991-2001 yılları arasında güneşin aktivite görüntüleri 10

Nasa Güneşin yüzeyinde dünya çapının 30 kat büyüklüğüne kadar alanlarda görülebilen döngüsel fırtına görüntüsü. Nasa 11

Şekil ölçekli değildir Şekil ölçekli değildir Canlılar üzerinde öldürücü etkiye sahip yüksek enerji taşıyan çok kısa dalga boylarındaki ışınlar manyetosfer olarak isimlendirilen dünyanın koruyucu elektromenyetik kalkanı tarafından uzaya yansıtılır 12

Aurora: Dünyaya gelen ve dünyadan geri salınan radyasyon 13

Nasa Nasa Dünyamızın Enerji Dengesi 14

Nasa 15

http://cdiac.ornl.gov/trends/co2/vostok.html Kuzey Kutbunda Vostok ta yapılan 3.623 metrelik sondajdan elde edilen ölçümlere göre dünyamız yaklaşık her 150.000 yılda bir buzul ve aşırı sıcak döngü geçiriyor. Halen bu döngünün üst kısımlarında (sıcağa yakın) bulunuyoruz. 16

Atmosfer dışına ortalama dünya güneş uzaklığında gelen anlık radyasyon : 1367Wm 2 Açık gökyüzünde yeryüzüne dik gelen miktar: 1000 1200W/m2 18

Transmitivity (clearness index); ; defines the ratio of radiation that can reach to the earth s surface passing through the atmospheric attenuators such as air molecules, ozon, CO 2, O 2, aeresols, condense vapor, etc. Transmitivity changes between 0 and 1. High transmitivity values indicate clear sky and low transmitivity values indicate overcast (cloudly) sky Diffuse proportion (diffuse fraction) denoted by D is the proportion of scattered (diffuse) raditaion that reaches the surface of the earth after being scattered in the atmsphere by air molecules, aerosols, water wapor etc. Diffuse proportion is also a measure of athmospheric turbidity. Diffuse proportion changes between 0 and 1. Low diffuse proportion values indicate clear sky (low turbidity) and high diffuse proportion values indicate overcast (high turbidity) sky. Linke turbidity factor (TL, for an air mass equal to 2) describes the optical thickness of the atmosphere due to both the absorption by the water vapor and the absorption and scattering by the aerosol particles relative to a dry and clean atmosphere. 1 TL defines clear sky, factors larger than ~ 6-7 define very turbid sky(e.g. polluted cities) 19

Güneş Enerjisinin Odaklanması ile elektrik üreten (termik) sistemler Fresnel Technology SEGS Plants at Kramer Junction PS10 Solar Power Tower Plant in Spain (Courtesy of Solúcar). 21

One of nine solar electric energy generating systems at Kramer Junction, California, with a total output of 354 Mwe: Kramer Junction Operating Company 22

Termik Sistemler Parabolic Trough Fresnel lens Parabolic Dish 23

Güneş Pilleri Bahçe uygulaması Çatı uygulaması Su Pompajı Aydınlatma Şebekeye Üretim Kiremit + G. Pili 24

400px-PS10_solar_power_towerThe 11 MW PS10 solar power tower near Seville in Spain 26

Termik Sistemler : Direkt radyasyonu kullanabilmektedir. Güneşi sürekli dik açı ile izlemelidir. Kollektörler genelde 30-150 derece açı ile güneş izleyebilmektedir. Radyasyon Elektrik Enerjisi Dönüşüm Oranları ~ %10 - %19 arasında değişmektedir. 1 MWp tesis için ~ 15-20 dönüm arazi ihtiyacı vardır. Kollektör ömrü yaklaşık 25 sene, 2008 itibarıyla kurulum süresi ~ 3-4 yıldır. Yatırım: 1 MW tesis : ~2-4 milyon ABD doları. Yeni yatırımlar genelde 100 MW ve uzeri güçtedir. Elektrik Satış Fiyatları 10-13 Euro Cent / Kwh ( 10-14 $ cent /Kwh ABD ) Fotovoltaik Sistemler : Direkt ve Difüz radyasyonu kullanabilmektedir. Radyasyon Elektrik Enerjisi Dönüşüm Oranları ~ %4 - %18 arasında değişmektedir. Silikon ve İnce Film olmak üzere 2 temel teknoloji grubuna ayrılmaktadır. İnce Film tabanlı 1 MW PV tesisi için ~ 20-30 dönüm, silikon tabanlı 1 MW PV tesisi için ~ 12-15 dönüm arazi ihtiyacı vardır. Panel ömrü ~25 sene, 2008 itibarıyla kurulum süresi ~1 yıldır. 1 MW tesis : ~ 3 5 milyon Avro. Genelde 1 50 MW kurulumlar yapılmaktadır. Elektrik Satış Fiyatları: ~20-30 $cent/kwh 2009 dan itibaren arz fazlası olacaktır (7 adet büyük silikon üreticisi ~ 80 adede çıkıyor) 27

Saha Özellikleri Ortalama eğimi 0-3 derece olmalıdır. Güney yönünde gölgelenme etkisi olmamalıdır. İletim ve trafo kısıtları elverişli olmalıdır. İklim koşulları: Termik sistemlerde gözkyüzü açıklığı yüksek değerlerde, gökyüzü bulanıklığı (ör. Nem, toz) düşük değerlerde olmalıdır. Sıcaklık PV panellerin verimliliğini ~40 dereceden itibaren hızla düşürmektedir. Yağmur ve kar yağışı en az düzeyde olmalıdır. Soğutma etkisi sebebiyle hafif rüzgarlı alanlar tercih edilir. Yerleşim yerlerindeki sahalar avantajlı değildir. Termik Sistemler su kaynağına yakın olmalıdır. Orman, Tarım, Koruma alanı, askeri alan olmamalıdır. Karayoluna çok uzak olmamalıdır. Tesis kurulumu kolay yapılabilir bir yerde olmalıdır. Deprem Ana fay hattı üzerinde olmamalıdır. 29

Sahanın Gölgelenmesi 30

ViewShed, SunMap, Skymap 32

Kırmızı : Uygun Alanlar 33

www.meteonorm.com 35

Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli 1/100.000 Yükseklik modeli 200 m X 200 m skysize 500 metre x metre grid formatında KWh/m 2 aylık gün ortalaması verileri 1985-2006 yılları 156 DMİ saatlik ölçüm verisi www.eie.gov.tr 37

TÜRKİYE Ortalama Global Radyasyon Değerleri (KWh/m2-gün) TÜRKİYE Ortalama Güneşlenme Süreleri (Saat) www.eie.gov.tr 38

Kullanılabilir Alanlar www.eie.gov.tr 40

Ölçüm İstasyonları 41

Doğrulama, Örnek İstasyon 43

Örnek İstasyon : 11 Yıllık Saat Ortalamaları Ocak Şubat Haziran Kasım Aralık Temmuz 44

Ham Veri Aynı Skala Doğrulanmış Veri 45

Ankara, Bakanlık Bahçesi PE 11 Yıl Ortalaması Tahmini Yüzey Türü Gelen Radyasyon (KWh/m2-Yıl) Sabit Yatay -Global 1.554 Sabit Opt. Açı-Global 1.589 1 Eksen Global 1.980 1 Eksen Direkt 1.568 2 Eksen Global 2.130 2 Eksen Direkt 1.757 1 Eksende Güneş İzleyen Sistem ile 1 MW PV tesisin yıllık tahmini üretimi : 1800 MWh 46

Türkiye nin tüm elektrik ihtiyacının 2 katı kadar elektrik enerjisi sadece bu gölgede güneş ten üretilebilir Saha (Dönüm) Toplam Dönüm 0-20 98.300 20-75 402.546 75-150 307.722 150-300 394.517 300-600 474.898 600-1000 409.068 1000-1500 347.380 1500-3000 607.415 3000-4500 363.886 4500-6000 310.554 6000-7500 261.280 7500-9000 180.249 9000+ 4.039.224 toplam 8.197.039 İşaretli bölgede iletim trafolarına en fazla 20 km mesafede bulunan, yatırıma uygun alanların toplamı ~ 8200 km 2 dir. Gölgeleme etkisi sıfıra yakın ve Yıllık radyasyon potansiyeli 1650 KWh/m2 den yüksek olan alanlarıdan üretilebilecek elektrik enerjisi yılda yaklaşık 400 TWh dır. TR 2008 Elektrik tüketimi yaklaşık 200 TWh dır. 47

DİNLEDİĞİNİZ İÇİN TEŞEKKÜR EDERİZ 48