Dünyada her geçen gün artan enerji talebi, teknik, ekonomik ve ekolojik sorunları da beraberinde getirmektedir. Uluslararası Atom Enerjisi Ajansı’nın (UAE) tahminleri, dünyadaki enerji talebinin 2005-2030 yılları arasında yüzde 55 oranında artacağı yönündedir. Bu artıştaki en büyük pay ise yüzde 84 ile fosil yakıtlarda yani petrol, kömür ve doğal gazda olacaktır. Sınırlı kaynaklar olan fosil yakıtların hızla tüketilmesi sadece enerji krizine değil ekolojik krize de yol açmaktadır; çünkü bu kaynakların yakılması küresel ısınma olarak da adlandırdığımız iklim değişikliğinin sebebi olan sera gazlarının atmosfere bırakılmasına neden oluyor.

Yenilenebilir olmayan fosil yakıtlar bakımından fakir bir ülke olan Türkiye, enerji bakımından yüzde 70 oranında dışa bağımlı olup her yıl elektrik, doğal gaz, petrol ve yüksek kalitede kömür alımı için milyarlarca dolar ithalat yapmaktadır. Halbuki, Türkiye hem güneş hem de rüzgar bakımından oldukça kuvvetli bir potansiyele sahiptir. Temiz enerji sistemlerini tercih etmenin en büyük avantajlarından biri, yakıt sorunu olmaması yani sınırsız birer enerji kaynağı olmalarıdır. Enerji literatüründe temiz enerji kaynakları için, güneş var olduğu sürece var olacaklarından dolayı ‘sınırsız kaynaklar’ tanımı kullanılır. Bunun  yanı sıra, enerjide bağımsızlık, doğal afetlere karşı güvenlik, bireylerin kendi enerji üretimlerini yapabilmesi, enerji kaynağının çeşitlendirilmesi ve merkezi enerji üretiminden kurtulmak temiz enerji kaynaklarının en önemli avantajları olarak sıralanabilir.

20 yıl önce, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanılma nedeni, daha çok, fosil yakıtların fiyatlarının yükselme beklentisiyle ilgiliydi. Günümüzde ise bu nedene, geçtiğimiz yüzyıl içerisinde sınırlı enerji kaynaklarının bilinçsizce tüketilmesi, bunun sonucunda yaşanan küresel iklim değişikliği ve ekolojik kriz de eklendi. Ekolojik dengeye verilen zararın telafi edilmesi ve daha sonraki nesillere, içinde bulunduğumuzdan çok daha iyi şartlarda bir dünya bırakılması için yeni bir yaşam modeli yaratılması kaçınılmaz görünmektedir.

Temiz enerji kaynaklarının yaygın kullanımı ile günlük yaşamımıza daha değişik bir dünya görüşü hakim olacaktır. Sınırsız ve sorumsuzca enerji tüketiminin yerini bilinçli, çevreye saygılı ve ihtiyacı karşılamaya yönelik enerji kullanımı alacak ve böyle bir ortamda da refah düzeyini, en fazla enerji tüketen yerine en verimli enerji kullanan belirleyecektir.

Bugün, insanların kullandığı çeşitli enerji kaynaklarına baktığımızda bunların neredeyse hepsinin güneş kökenli olduğunu görmekteyiz. Dünyanın aydınlatılmasından, yağışlar ile su döngüsünün sağlanmasına ve rüzgarların esmesine kadar her şey güneşin varlığına bağlıdır.

İnsanların besin kaynakları da , insanlar dışındaki tüm canlılar da yaşamlarını güneşten gelen enerjiye borçludur.

Güneş enerjisi, bilinen enerji kaynakları arasında en temizi ve en tükenmez olanıdır. Güneş radyasyonu çok yüksek miktarda enerji içerir ve doğadaki süreçlerin neredeyse hepsinden sorumludur. İnsanoğlunun güneş enerjisine olan ihtiyacı tartışmasız olarak sonsuzdur. Dünyamızda fosil yakıtların kullanımının negatif etkileri nedeniyle insanların yaşam tarzlarının değişmesi, konutlarda ve sanayideki enerji ihtiyaçlarına yeni bir bakış açısı getirmiştir. Güneş enerjisi neredeyse sınırsız olmasına rağmen ancak son zamanlarda doğrudan kullanılmaya başlanmıştır.

Güneş, kütlesindeki hidrojen atomlarının çok yüksek basınçlar altında helyum atomlarına dönüştürüldüğü füzyon reaksiyonları ile çok büyük miktarlarda enerji üretmektedir. 5.500 santigrat derecelik yüzey sıcaklığı ile güneş, yaklaşık 5 milyar yıldır bir nükleer füzyon reaktörü gibi çalışmaktadır. Güneşten gelen enerji, dünyamıza radyo dalgalarına benzer biçimde ama farklı bir frekans aralığında elektromanyetik dalga olarak ulaşır. Mevcut güneş enerjisi genelde W/ m2 birimiyle yani alana düşen vat cinsinden enerji olarak gösterilir. Dünyamızı çevreleyen atmosferin dışına ulaşan güneş enerjisi miktarı yaklaşık 1367 W/m2’dir. Bu enerjinin bir kısmı dünyanın yüzeyine ulaşmadan atmosferden geçerken soğurulur, bir kısmı ise yansıtılır. Ayrıca toz parçacıkları, gaz molekülleri ve kirlilik yüzünden bir kısmı da saçılır. Bunun sonucunda açık bir günde güneşin yönünde dünya yüzeyine düşen mevcut enerji miktarı yaklaşık 1000 W/ m2’dir.  Bu miktar, bulunulan coğrafi konuma göre 650 ila 2300 W/ m2 aralığında değişebilmektedir. Ekvator enlemlerindeki m2’ye düşen ışınım miktarı, yaklaşık 230 lt petrole eşdeğer enerji kapasitesine sahiptir.

Atmosfer dışına gelen güneş ışınlarının dalga boyları, görünür bölgeyi de içerecek şekilde, mor ötesinden kızıl ötesine dek uzanmaktadır. Başka bir deyişle, güneş ışınımlarının dalga boyları 0.1-3 µm (mikrometre) arasındadır. Her dalga boyunun şiddeti aynı değildir. Güneşten gelen ışınımların dağılımına bakıldığında, bunların %9’u mor ötesi , %45’i görünür ışık ve geri kalan %46’sı kızıl ötesi bölgesinde bulunur. Yeryüzüne ulaşan güneş ışınımları, doğrudan ve yayınık olarak iki kesimde yeryüzüne çarpar. Yayınık ışınlar, bulutlar ve tozlar nedeniyle saçılmaya uğramış ışınımlardır. Doğrudan gelenler ise bu tür etkilere uğramamış ışınlardır.

Güneşten gelen enerjinin yaklaşık %30’u yansıma ve saçılmalarla uzaya geri gider. Yaklaşık %20’si atmosferde soğurulur. Geri kalan %50’si ise yeryüzünde soğurulur.

Yeryüzüne ulaşan bu güneş enerjisi doğal dönüşümlere uğrar. Bu dönüşümlerden biri, suların buharlaştırılarak dünyadaki su döngüsünün sağlanmasıdır. Bu işlem, gerek biz insanlar  gerekse tüm canlılar için çok önemlidir. Böylece derelerimiz akabilir, yer altı sularımız kurumaz, yağmur ve kar yağışları olabilir. Bugün sadece Türkiye üzerine bir yılda düşen yağış miktarının 500 milyar ton suya karşılık geldiği göz önüne alınırsa, bu işlemin ne denli önemli olduğu anlaşılabilir.

İkinci bir dönüşüm, fotosentezdir. Bu işlem, dünyadaki canlılar için yaşam anlamına gelir. Bir saniyede gelen güneş enerjisinin yaklaşık on binde ikisi bu işlem için harcanır. Diğer bir deyişle, bitkilerde toplanır. Bitkiler, gelen güneş enerjisini kullanarak fotosentez yapmakta ve böylece biyokütle oluşturmaktadırlar. Yani, gelen güneş enerjisinin bu kısmı, biyokütleye dönüştürülmektedir. Tüm canlıların besin kaynağı ise bu enerjidir.

Güneş enerjisinin bir diğer dönüşümü de rüzgarlar, deniz dalgaları ve okyanus akıntılarıdır. Rüzgarların oluşmasında, değişik etkenler nedeniyle havanın bazı bölgelerde diğer bölgelere kıyasla daha sıcak ya da daha soğuk olmasından kaynaklanan basınç farklılıkları etkin olmaktadır. Bu ısınma ve soğumalarda da güneş etkin rol oynamaktadır. Deniz dalgaları ve akıntıları, temelde rüzgarın etkisiyle ortaya çıkarlar. Dolayısıyla, hem rüzgar hem de deniz dalgaları ve akıntılar birer güneş enerjisi türevidir.

Güneş enerjisinin kullanılabilirliliği güneşin gökyüzünde ne kadar yüksekte olduğu yani güneş ışınlarının katettiği yol, güneş ışınlarının düşme açısı ve bulutlanma durumuna bağlıdır. Yıllık veya aylık bazda mevcut güneş enerjisinin miktarı aynı zamanda coğrafi konumla da ilişkilidir. Bunlara ek olarak, kullanılabilir güneş enerjisi, var olan güneş enerjisine, diğer hava koşullarına, kullanılan teknolojilere ve yapılan uygulamaların özelliklerine göre değişmektedir.


Enerji, Milli Eğitim Bakanlığı, s.19.

Güneş enerjisinin verimli kullanılması için pek çok yol vardır. Güneş enerjisi teknolojileri güneş ışınlarından gelen enerjiyi ya doğrudan kullanılabilir elektriğe ya da ısıya dönüştürür. Güneş enerjisi teknolojileri genelde ‘Isıl Teknolojiler’ ve ‘Fotovoltaik Sistemler’ olarak 2 başlık halinde incelenebilir. Güneş enerjisi uygulamaları  ısıtma/soğutma, elektrik üretimi ve kimyasal prosesler olarak da sınıflandırılabilirler.

Isıl Uygulamalar, sıcak su ısıtıcıları ve havuz ısıtma teknolojileri, güneş ışığının herhangi bir şekilde odaklanarak yoğunlaştırılması işleminin yer aldığı orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları ile  ısıtma ve havalandırmaya yönelik pasif güneş sistemi uygulamalarını içerir.

Fotovoltaik sistemler ise güneş enerjisinden doğrudan elektrik üreten sistemler olarak tanımlanmaktadır. Bu tür sistemlerin ana elemanı fotovoltaik (güneş) hücrelerdir. Güneş panellerinin çalışma ilkesi de fotovoltaik etki ilkesine dayanır. Çok sayıda materyal fotovoltaik etkiye sahip olmasına rağmen elektrik üretecek kapasiteye sahip olan grup, yarı iletken grubudur.

Dünyada güneş enerjisinin en geniş kullanım alanları, su ısıtma ve ısınmada güneş enerjisinden doğrudan faydalanma şeklindedir. Termal hava sistemleri ile iklimlendirme yöntemlerinde güneş ısısından yararlanmak da yaygınlaşmaktadır.

Yoğunlaştırıcılı güneş kolektörleri yüksek sıcaklıkta ve yüksek ışınım şiddetlerinde kızgın proses buharı üretir. Bu buhar, soğutma ve konvansiyonel yöntemlerle türbin çevrimli elektrik üretimi uygulamaları için kullanılır. Fotovoltaik (PV) hücreler yukarıda da bahsedildiği üzere yarı iletken teknolojisini kullanarak ışık enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirir. Bu elektrik enerjisi hemen kullanılabildiği gibi bir aküde depolanıp sonradan da kullanılabilir. Güneş panelleri, çok yönlü olmaları, binalara ve diğer yapılara kolaylıkla monte edilebilmeleri sayesinde günümüzde yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş panelleri, elektriğin yerini alabilen, temiz ve yenilenebilir enerji sağlar. Bu paneller, ana enerji şebekesinden uzak olan yerlerde (elektrik dağıtım altyapısı olmayan yerleşim merkezleri, acil durum telefonları, telekomünikasyon istasyonları gibi) elektrik ihtiyacını karşılarlar.

Güneş enerjisi ve ilgili terimleri, temel olarak yabancı kaynaklı bazı kelimelerin yoğun kullanımı ile tanınmaya başlandı. Ancak, son dönem gelişen sektör, daha fazla tüketici ve ilgili ile karşı karşıya gelmektedir. Bu nedenle, sektöre ilişkin özel terminolojinin ana dilimiz olan Türkçe’ye doğru ve gerçek anlamlı çevirisi çok önem kazanmaktadır.

Bu terminoloji, aynı zamanda evrensel enerji ve elektrikle ilgili kavramları ve birimleri yoğunlukla kullandığı için burada yeniden hatırlatmakta yarar görüyoruz.

Enerji : En basit anlamıyla, iş yapma yeteneğidir.Başka bir deyişle, maddede var olan ısı veya ışık olarak açığa çıkan güç olarak da tanımlanabilir.

Güç : İş yapabilme oranı olarak tanımlanır. Yani belirli bir zamanda yapılan işe güç denir.

Dalga Boyu : Dalga boyu, bir dalga örüntüsünün tekrarlanan birimleri arasındaki mesafedir. Yaygın olarak, Yunanca lamda (λ) harfi ile gösterilmektedir. Dalga boyu frekans ile ters orantılıdır. Dolayısıyla dalga boyu uzadıkça frekans azalır.

Frekans : Bir dalganın frekansı, dalga boyuyla ilişkilidir. Dalganın dalga boyuyla, frekansının çarpımı, o dalganın hızını belirler. Dolayısıyla dalga boyu bilinen bir dalganın frekansı, bu ilişki kullanılarak belirlenebilir.

Elektromanyetik Radyasyon : Elektromanyetik ışın veya elektromanyetik radyasyon, atomlardan çeşitli şekillerde ortaya çıkan enerji türleri ve bunların yayılma şekillerine verilen addır. İçinde X ve γ ışınlarının ve görülebilir ışığın da bulunduğu ışımalar, dalga boyları ve frekanslarına göre elektromanyetik spektrumu oluştururlar.

Bu spektrumun bir ucunda dalga boyları en büyük, enerjileri ve frekansları ise en küçük olan radyo dalgaları bulunur. Diğer ucunda ise dalga boyları çok küçük, fakat enerji ve frekansları büyük olan X ve γ ışınları bulunur.

Vat (Watt, W) : Elektrik gücünün standart metrik ölçüm birimidir. Yapılan işin hızını tanımlar.

Vat= Volt* Amper

Vat-saat (Watthour, Wh) : Gücü, 1 vat olan bir makinenin bir saat işlemekle yapmış olacağı işi belirten birimdir. Elektrik dağıtım şirketleri, faturalardaki tüketim bedelini hesaplamak için bu birimi kullanır.

Amper (A) : Bir elektrik devresinde bir noktadan geçen akımı gösteren birimdir. Bir iletkenden saniyede akan elektronların miktarını gösterir.

Volt (V) : Bir elektrik kuvvetinde iki nokta arasındaki gerilim farkını ölçen birimdir. Bir telde elektronların üzerindeki kuvvet akıma neden olur. Buradaki gerilimi borulardaki su basıncına benzetebiliriz.

AC (Alternatif akım) : Bu akım türü, dağıtım şirketlerinden evimize gelen akımı temsil eder. Evlerde kullandığımız elektriğin gerilimi Türkiye için 220 Volt iken bazı ülkelerde 110 Volt olabilir. Uzun mesafelerde dağıtımın kolay olması nedeniyle AC tercih edilir. Depolanması mümkün değildir. Örneğin, elektrikli ev aletleri bu tip akımı kullanır.

DC (Doğru akım) : Yalnızca tek yöne akan elektriği temsil eder. Güneş panelleri ve küçük rüzgar türbinleri doğru akım enerjisi üretir. DC olarak çalışan aletleri, AC ile çalıştırmak için  AC/DC dönüştürücüler (Konvertörler) gerekir.

Fotovoltaik (PV) Hücre, Güneş Gözesi (Solar Cell) : Üzerine ışık düştüğünde elektrik üreten yani güneş enerjisini elektriğe çeviren, genelde 100×100 mm (veya 125x125mm , veya 156×156 mm) boyutlarındaki çok ince elektronik plakalara fotovoltaik hücre veya güneş gözesi denir..

Güneş Paneli (Phovoltaic (PV) Module) : Çok sayıda PV hücrelerinin seri ve/veya paralel bağlanması ile oluşturularak, güneşin ışıma enerjisinden kullanıma uygun elektrik enerjisi üreten üründür. Güneş panelleri, İngilizce’de “PV module” olarak tanımlanır ve güneş hücrelerinin (solar cell) birleştirilmesi ile oluşur. Ancak, Türkçe’ye çevrilirken “cell” yani hücre kelimesi, batarya hücresi gibi algılanıp pil olarak tercüme edilmiştir. Oysa, hiç bir enerji depolama kabiliyeti olmayan ve iki cam arasına sıkıştırılmış özel silikon ve katman tabakalardan oluşan bu ürünler, sektörde hatalı olarak güneş pili olarak anılmaktadır. Doğru olanı, “güneş paneli” olarak kullanımdır.

Evirici (İnvertör) : Yenilenebilir enerji kaynakları ile elektrik üretilirken elde edilen gerilim genel kullanım gereksinimimize uygun değildir. Çoğunlukla, 12-24-48 volt olarak üretilen bu gerilim, akülerin şarj edilmesi için kullanılmakta ve gereksinim duyulan elektrik de kaynaktaki dalgalanmalardan etkilenmememiz için bu akülerden çekilmektedir. Aküden alınan 12-24-48 volt elektriğin, gereksinime göre 110-220 volta çıkarılması için arada evirici(invertör) kullanılmaktadır. Bu kelimenin işaret ettiği cihaz, hayatımızın ayrılmaz bir parçası olacağı için İngilizce’de “inverter” olarak geçen bu kelimenin, “invertör” olarak dilimize kazandırılması kaçınılmazdır.

Karbon Emisyonu (Karbondioksit Salımı) : Yaşamımızı derinden etkileyen küresel iklim değişikliğinin baş aktörlerinden sayılan sera etkisinin nedeni, fosil yakıtların kullanılmasından kaynaklanan CO2 (karbondioksit) salımıdır. İngilizce’de carbon emission diye geçen terimin, Türkçe teknik ifadeleri olarak, karbon emisyonu veya karbondioksit salımı şeklinde kullanımı daha doğru bir yaklaşım olacaktır.

CSP, Yoğunlaştırıcı Güneş Kolektörleri (Concentrated Solar Power) : Güneş enerjisinin aynalar vb. odaklayıcı yüzeyler yardımıyla kolektörde toplanıp yüksek sıcaklıklarda ısı enerjisine çevrildiği ve daha sonra bu ısının türbinler kullanılarak elektriğe dönüştürüldüğü sistemlerdir.

Yarı İletken : Düşük sıcaklıklarda, metallere göre elektriği çok az ileten, yüksek sıcaklıklarda ise yalıtkan maddelere göre daha iletken olan maddelere “yarı iletken madde”  adı verilir. Veya başka bir ifadeyle, yalıtkanlara göre daha iletken, iletkenlere göre daha yalıtkan maddelerdir. Periyodik cetvelde, IV. grup elementleri ile III. ve V veya II. ve VI. grup elementlerinin yaptığı bileşikler yarı iletken karakterdedir.
Elektronikte en çok kullanılan yarı iletken maddeler şunlardır: Germanyum, Silisyum, Galyum Arsenür, İndiyum Fosfür

Piranometre (Pyranometer): Bir yüzeyin birim alanı üzerine birim zamanda gelen toplam güneş radyasyonunu ölçmekte kullanılan araçtır.

GHI, (Global Horizontal Irradiance Values) : Global Işınım Değerleri, dünya üzerindeki yatay bir yüzeye düşen güneş radyasyonunu tanımlar.

DNI, (Direct Normal Irradiance Values) : Direkt Işınım Değerleri, güneşin yönünden gelen ışınım miktarıdır.

DIF, (Diffuse Irradiance Values) : Yaygın Işınım Değerleri, güneşten direkt gelen ve güneşin çevresindeki ışınımı kapsamayan tüm güneş radyasyonunu tanımlar. Yaygın ışınımı ölçmek zordur çünkü piranometrenin dik açıdan gelen ve güneşin çevresindeki ışınımdan uzak tutulması gölgelenmesi gereklidir.

Güneş Enerjisi Sabiti (Solar Constant) : Dünyanın dışına, yani atmosferin dışına güneş ışınlarına dik olan bir metrekarelik alana bir saniyede gelen güneş enerjisi, 1367 W/m²’dir. Bu değer, tanım gereği, yıl boyunca değişmez varsayılabilir. Bu sayı “güneş enerjisi sabiti” olarak bilinir.

FIT(Feed-in Tariff) : Yenilenebilir enerjinin yasalar aracılığıyla benimsenmesini sağlamak için bir teşvik yapısıdır. Genelde bu yapının olduğu ülkelerde, elektrik dağıtım şirketlerinin yenilenebilir kaynaklardan elde edilen enerjiyi ortalama pazar fiyatının üzerinde bir fiyatla satın alma garantisi vermesi sağlanır.

Güneş Takip Sistemleri (Solar Tracking Systems) : Bir ya da iki eksen etrafında dönerek güneşi takip eden güneş panellerinin daha fazla enerji üretmesini sağlayan sistemlerdir. Güneş enerjisi sistemlerinin verimlerini %30 ile %50 arasında artırır.

BIPV (Building Integrated Photovoltaics) : Binaya entegre edilmiş fotovoltaik modüllerin kısaltmasıdır.

Bireysel tüketiciler

Bireyler, genelde konutlarında su ısıtma, ısınma, havalandırma, paneller aracılığıyla elektrik üretimi, pasif solar sistemler, gün ışığıyla aydınlatma veya yemek pişirme gibi alanlarda güneş enerjisinden yararlanır. Konutlarda tüketilen enerjinin yüzde 90’ı su ısıtma ve ev ısıtmada kullanılır.

Her ne kadar evlerin ve kullanılan suyun ısıtılmasında güneş enerjisinden yararlanmak teknik olarak mümkün olsa da bu her zaman ekonomik olmayabilir. Yine de,  Kuzey Avrupa ülkelerinde bile yıllık sıcak su ihtiyacı için gerekli olan enerjinin yüzde 50’sini güneş enerjisinden sağlamak mümkündür.

Güneş enerjisi kullanmanın ekonomik koşulları, çeşitli teşviklerle veya yaptırım araçlarıyla siyasi otorite tarafından sağlanmak zorundadır. Bunun için en temel koşul, çevreyi kirletmenin sınırlandırılması ya da daha sık görüldüğü üzere cezalandırılmasıyla gerçekleşebilir. Böylece, çevreye zarar veren enerji kaynaklarıyla çevreyi kirletmeyen temiz kaynaklar eşit koşullarda rekabet edebilirler.

Maliyetle ilgili olan rakamlar aslında tahmin edildiği kadar büyük değildir. Örneğin, standart bir evin, güneş enerjisi kullanarak sıcak su ve ev ısınmasını sağlaması için gerekli olan maliyet, evin anahtar teslim fiyatının sadece yüzde 1’ini oluşturur.

Ayrıca, karavan gibi kişisel hobi amaçlı kullanılan mobil araçlarda cihazların enerjilendirilmesi ya da teknelerdeki akü sistemlerinin (yaşam aküsü) şarjı gibi uygulamalarda da güneş enerjisi çok verimli olarak kullanılmaktadır.

 

Çiftçiler  

Tarım ve hayvancılıkta; ürün kurutma, sera ısıtma uygulamaları, sulama ve derin kuyulardan su pompalama, sterilizasyon ve temizleme gibi pek çok alanda güneş enerjisinden yararlanılabilir.

Güneş enerjili su pompalama sistemleri, güneş enerjisinin en verimli ve anlamlı kullanıldığı alanlardan biridir. Kuyuların ve diğer su kaynaklarının merkeze uzak, kırsal bölgelerde bulundukları düşünülürse, geleneksel enerji kaynaklarını kullanmak için ya oldukça uzun kablolar ya da benzinli jeneratör kullanmak gerekir. Her iki seçenek de hem pahalı ekipman ve bakım hem de sürekli artan yakıt maliyetleri içermektedir. Güneş enerjisi çiftçiler için fiyat artışı kaygısı yaşamadan daha ekonomik hem de daha verimli sonuçlar verebilmektedir. Örneğin, dünyanın birçok ülkesinde pek çok besici, bu su pompalama sistemlerini hayvanlarına su temin etme amacıyla kullanmaktadırlar.

 

Kurumlar

Kurumlarda güneş enerjisinin kullanımı inşaat, havacılık, telekomünikasyon,  kamu, su arıtma gibi çok çeşitli sektörlere yayılır. Hatta savunma sektörü de bu uygulamaların önemli bir kısmını kullanmaktadır.

Genel olarak tüm kurumlar, bireylerin kullandığı şekilde, konutlarda aydınlatma, ısınma, soğutma alanlarında güneş enerjisinden yararlanabilir. Fakat, havacılık ya da savunma gibi özel sektörlerde ise hava trafik kontrolü, çevre güvenlik sistemleri, arazide hareket halinde veya bir yerde geçici karargah kurma eylemleri için kullanılabilecek, sürekli ve güvenli enerji ihtiyacını karşılayabilecek mobilize sistemler, giysilerin ve bazı ürünlerin üzerine monte edilmiş ince-film bazlı fotovoltaik modüller gibi konuya özgü uygulamalar söz konusudur.

Bunun yanı sıra, turizm tesislerinde veya belediyeler vb. kamusal kurumlarda, su arıtma ve denizden içme suyu elde edilmesi prosesindeki cihazların enerjilendirilmesinde de güneş enerjisinden yararlanılır.

Telekomünikasyonda ise daha çok GSM baz istasyonlarında, RF (radyo frekansı) vericilerine enerji sağlamak için birincil enerji kaynağı olarak veya uygun lokasyonlarda rüzgar türbini, dizel jeneratör uygulamaları ile kombine bir şekilde güneş enerjisi kullanılır.

Ayrıca, güneş enerjisi, kurumsal sorumluluk projelerinde, karbon salımını azaltarak enerji gereksinimini sağlamak, kamuda yenilenebilir enerjiler konusunda dikkat çekip, öncülük edebilmek amacıyla devletin mülkiyetindeki bina ve uygulamalarda da kullanılır. Örneğin, yol aydınlatmaları, trafik işaretleri, ikaz lambaları, demiryollarındaki sinyalizasyon uygulamaları vb.)

Yapı sektöründe ise güneş enerjisinin kullanımı, çok katlı residence, butik otel, alışveriş merkezi yapılarında dış cephe fotovoltaik  modül giydirme (BIPV), güneş panelleri ile yapılacak gölgeleme sistemleri, solar duvar ile kışın ısıtma ve yazın dış duvarda yaratılacak hareketli hava katmanı sayesinde ısı izolasyonunun sağlanması, led ile aydınlatma gibi uygulamalar yoluyla yaygınlaşmıştır.

Rakamlarla Güneş Enerjisi

  • Her gün yeryüzüne ulaşan güneş enerjisi miktarı çok büyüktür. Yeryüzünde bulunan tüm kömür, petrol ve doğal gaz enerjisi, sadece 20 günlük güneş enerjisine eşittir!
  • Güneşten dünyaya saniyede yaklaşık olarak 170 milyar MW enerji gelmektedir. Türkiye’nin yıllık enerji üretiminin 100 milyon MW olduğu düşünülürse, bir saniyede dünyaya gelen güneş enerjisi, Türkiye’nin yıllık enerji üretiminin 1700 katıdır. Ayrıca bu miktar, dünyada insanoğlunun bugün için kullandığı toplam enerji miktarının 15-16 bin katıdır.
  • Güneşten gelen enerjinin yüzde 1 ya da 2′si rüzgar enerjisine dönüşür. Bu, yeryüzündeki tüm bitkilerin biyolojik kütleye dönüştürdüğü enerjinin 50-100 katıdır.
  • Günde 24 saatten, tüm dünya yüzeyinin ortalaması alındığında, her metrekareye yılda kabaca bir varil petrolden üretilecek enerjiye eşit ışınım düşer. Bu da günde, metrekare başına ortalama 4,2 kilovat-saat enerjiye denk gelir.
  • Güneş enerjisi kullanan ortalama bir sıcak su sistemi, yılda 11.4 varil petrol harcanmasını önler veya orta büyüklükte bir sedan arabanın 20.000 km gitmek için harcayacağı yakıta eşdeğer yakıttan tasarruf edilmesini sağlar.
  • Nükleer ve fosil kaynaklardan sağlanan yenilenebilir olmayan enerjinin toplam kapasitesi 10.800.000 teravat olarak hesaplanırken, güneşin mevcut enerjisi 350.000.000 teravattır.
  • Amerika Kolorado’daki 1 kilovatlık bir fotovoltaik sistem (ya da ayda 150 kWh üreten bir sistem) her ay,
    • yaklaşık 75 kg kömürün çıkarılmasını,
    • atmosfere 150 kg CO2 salımını,
    • yaklaşık 477 lt suyun harcanmasını,
    • NO ve SO2 gazlarının çevreyi kirletmesini engeller.
  • Fotovoltaik panellerin yapımında kullanılan silikon hücrelerin ana maddesi kumdur. Güneş paneli yaparken kullanılan 1 ton kum ile 500.000 ton kömür harcanarak üretilen elektriğe eşit enerji üretilebilir.
  • Tam güneşli bir havada, yalnızca 15 dk içinde, dünyadaki herkesin 1 senelik elektrik ihtiyacını karşılayacak kadar enerji yeryüzüne düşmektedir.
  • 1988 yılından itibaren kurulan fotovoltaik sistemler ile Amerika’daki 250.000 evin ya da gelişmekte olan ülkelerdeki 8 milyon evin elektrik ihtiyacını karşılayacak kadar enerji üretilmektedir.

  • Tüm dünyada 1975 yılında, 2 milyon dolardan az olan fotovoltaik endüstrisinin satış rakamı, 2001 yılında 2 milyar dolar seviyelerine kadar çıkmıştır.[2]
  • Güneş enerjisi üretiminin toplamı, küresel enerji talebi toplamının yaklaşık yüzde 0.01’ini oluşturur.
  • Güneş enerjisinin aslında nükleer güce bağımlı olduğunu biliyor muydunuz? Yalnız, güneş enerjisinin nükleer gücü yaklaşık 150 milyon km uzaktadır.
  • Dünyada, 2 milyar insan henüz elektrik enerjisinden faydalanmıyor. Bu insanlar için en ucuz çözüm güneş panellerinden elektrik üretmek olabilirdi fakat ne yazık ki gerekli ekipmanı alabilecek güce sahip değiller.
  • Yapılan araştırmalar ışığında PV destekleyici kuruluşlar, 2020 yılında enerji fiyatını 6 cent / kW-saat olarak hedeflemektedirler.

 


Photovoltaics: Energy for the New Millennium 2000-2004

[2] Solar Electric Power: Industry Roadmap

Fotovoltaik hücre ya da güneş hücreleri, güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine çeviren ve bu süreçte silikon, galyum arsenit, kadmiyum tellürid ya da bakır indiyum diselenid gibi yarı iletkenleri kullanan aygıtlardır. Genelde, yüzeyleri kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilen güneş hücrelerinin alanları 100 / 156 / 243 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.

En yaygın olanı, kristal silikon yapılı güneş hücresidir ve günümüzde güneş hücrelerinin yüzde 99’u temelde silikondan yapılmıştır. Silikon, oksijenden sonra dünyamızda en çok bulunan 2. elementtir. Aslında silikon, kimyasal element formunda değil, toprakta silikatlar halinde ve en yaygın bileşiği SiO2 olarak bulunur. Ayrıca, kuartz ve ametist benzeri mineral çeşitlerinde de silikon vardır.

Fotovoltaik etkiyi ilk keşfeden, 1839 yılında, 19 yaşındaki Fransız Fizikçi Edmund Bacquerel’dir. 1876 yılında, William Grylls Adams ve öğrencisi Richard Evans Day, selenyum gibi katı bir maddenin ışığa tutulduğunda elektrik ürettiğini görmüşlerdi. Fakat, selenyum güneş hücreleri 5 watt/m2 enerji ürettikleri için yalnızca yüzde 0.5 verime sahipti. 1883 yılında ise, Amerikalı Charles Fritts, selenyum maddesini altın ile kaplayarak %1 verimli ilk güneş hücresini imal etti. Bu icadı daha sonra kameralarda ışık sensörü olarak kullanıldı. Albert Einstein ise, ışığın doğası ve fotoelektrik etkinin çalıştığı mekanizma teoremleri ile bu çalışmaları ilerleterek, 1905 yılında Nobel ödülüne layık görüldü. Bu dönemde, yüksek maliyetleri ve düşük verimlilikleri yüzünden pek kullanılmayan fotovoltaik hücreler, daha sonra Bell Laboratuvarları’nın 1930’lu yıllarda Russell Ohl tarafından US2402662 numaralı ‘Işığa duyarlı alet’ adı altındaki patent başvurusunun ardından piyasaya girdi.

Fotovoltaiklerin asıl keşfi, 1950’lerin başında Bell Laboratuvarları’nda transistör teknolojisinin yan ürünü olarak başladı. Daryl Chapin’in önderliğindeki araştırma ekibi, Bell telefonlarının ücra köşelerde çalışabilmesi için, kurak ve nemli koşullarda çok güvenilir olmayan kuru akü teknolojilerinden farklı yöntemler ararken rüzgar ve termoelektrik güç kaynaklarını ele aldı. Kendisi de bir güneş enerjisi fanatiği olan Chapin, II. Dünya Savaşı sonrasında, yakıt sıkıntısına bağlı olarak gelişen pasif güneş tasarımlarına olan ilgisinden, fotovoltaik fikrinin incelenmesini önerdi.

Çalışmaların verim sorunları yüzünden sonlanması olası iken Chapin’in iş arkadaşlarından Calvin Fuller ve Gerald Phearson, silikonun kristal matriksine galyumdan katkılar yaparak ve sonra da galyumca zengin bu matriksi sıcak lityum banyosuna daldırarak iyi bir elektrik iletkeni olabileceğini keşfetti. Bunun üzerine Chapin, selenyumdan 5 kat daha verimli silikon güneş hücresini üretme konusunda cesaretlendi. Her ne kadar, teoride, güneş hücresinin tuttuğu güneş enerjisinin yüzde 25’ini elektriğe çevirebileceğini hesapladıysa da hedefiyle ilgili daha ulaşılabilir bir oran olan yüzde 6’da karar kıldı.

Bu çalışmalar sürerken RCA laboratuvarlarından atom pilinin bulunduğu keşfi haberi geldiğinde, güneş ekibi herhangi bir yarı iletkenin temeli olan P-N bağlantıları için en uygun yeri arıyordu. P-N bağlantısı hücrenin üzerinde olunca iletkenliğin arttığını farkeden ekip, bu bağlantının kalıcı olarak sabitlendiği maddelerle deneylerine devam etti. Silikona, arsenik ekleyip çok ince bir bor tabakası ile kaplayınca istenilen bağlantı sağlandı ve yüzde 6’lık verime ulaşıldı.

1954’ün Nisan ayında, bu gelişme halka duyurulduğunda bir gazeteci şöyle yazmıştı: ‘Birbirine elektriksel olarak bağlı Bell güneş hücreleri metrekare başına 42 vatlık enerji üretti. Oysa RCA şirketinin bulduğu atom pili ancak 1 vatın milyonda biri kadar enerji sağladı.’ New York Times ise bu haberi, ‘İnsanoğlunun en çok istediği hayallerden biri gerçekleşti. Güneşin sonsuz enerjisini uygarlık için kullanmaya başladık.’ cümlesiyle duyurdu. İşte güneş devrimi böyle başladı.

1950’lerin sonlarına doğru fotovoltaik teknolojisinin yeryüzünde ilk kullanıldığı alan, kırsal iletişim sistemleriydi. 1958’lerden beri ise neredeyse her uydu sisteminde ve uzay aracında güç üretimi için fotovoltaikler kullanılmaktadır.

Günümüzde, Uluslararası Uzay İstasyonu ve Mars Explorer ve Phoenix Mars Aracı, deneylerin sürebilmesi için gerekli elektriği sağlayan fotovoltaiklerden elde ettikleri güce bağımlılardır.

1970’lerde yaşanan petrol krizi ve Arap petrolüne konulan ambargo, özellikle Amerika’da fotovoltaikleri çok önemli bir konuma yükseltti. İlk kullanılmaya başlanılmasından bu yana, yıllardır süren çalışmalar fotovoltaiklerin üretiminde yenilikleri ve ürünlerde teknolojik gelişmeleri beraberinde getirdi. Bunun da en iyi yansıması, güneş sistemlerinin vat başına maliyetinin durmadan düşmesiydi. Dünya çapında gittikçe çarpıcı bir biçimde artan enerji maliyetlerine ve çevreye dair  kaygılara karşılık, fotovoltaik sistemlerin hem üretimi hem de kullanımları hızla artmaktadır. Tahminlere göre, hem fotovoltaik güneş uygulamaları hem de diğer yenilenebilir enerji biçimleri artarak, enerji üretim ve tüketiminin büyük bir oranını oluşturacaktır.

Kristal Silikon Hücreler:

Kristal silikon hücrelerin en önemli ana maddesi silisyumdur. Silisyum, oksijenden sonra en bol bulunan element olmasına rağmen, saf kimyasal madde formunda bulunmaz ve silikondioksit bileşiğinden yüksek sıcaklıklar gerektiren proseslerle ayrılması gerekir. Oluşan metalürjik silikonun saflığı, elektronik uygulamalar için yine yeterli olmadığından kimyasal bir proses yardımıyla saflığı arttırılır ve istenen saflığa ulaşıldığında bu yüksek kalitedeki silikon, güneş hücreleri üretiminde kullanılır.

Monokristal Hücreler

En eski ve en pahalı üretim tekniğini içermesine rağmen, varolan hücreler arasında ticari olarak en verimlileridir. Modüllerde verim, güneşten kabloya yaklaşık olarak ortalama %15 ile % 18 arasındadır. Laboratuvar koşullarında %22’lik hücre verimlerine ulaşılmış olsa da bunlar ticari olarak kullanımda ekonomik olmayan değişik bileşenlerin kullanıldığı hücrelerdir.

Polikristal Hücreler

Bu teknikte, saf erimiş silikon, silindir ya da blok şeklinde kalıba dökülür. Sonra, soğutulan 400 mm x 400 mm boyutlarında ve 300 mm uzunluğundaki bu çoklu kristal yapılı bloktan, plakalar dilimlenir. Monokristale kıyasla elektriğe dönüştürme verimliliği az miktarda düşer, fakat üretim metodundaki hassasiyet azaldığı için maliyetler de düşüktür. Modül verimliliği, güneşten kabloya %13 ile %16 arasındadır. Kristallerin büyüklüğü yaklaşık 1 cm’dir ve koyu mavi yüzeyde açıkça görülebilirler. Katkılama ve montaj yukarıda açıklandığı biçimdedir.

‘Power’ Silikon Hücreleri

Bu hücreler, ingot döküm sonucu üretilmiş polikristal plakalardan yapılır. Bunun yanı sıra, mekanik şekillendirme işlemlerinden de geçerler. Silikon plakaların ön ve arka yüzüne, hızla dönen bir freze bıçağı yardımıyla minik çukurlar işlenir. İşlenmiş bu parçalar dik açılı bir şekilde yerleştirilir ve de kesişme noktalarında küçük boşluklar oluşturulur. Bu boşluklar, hücrenin geçirgenliğini sağlar. Bu geçirgenlik, boşlukların büyüklüğüne bağlı olarak  %0 ile %30 arasında değişir.  Verimlilik, %10 oranında geçirgen bir hücrede yine %10 civarındadır. Şekilleri 100 mm x 100 mm boyutunda karedir. Renkleri polikristal hücrelerle aynıdır.

Ribbon Drawn’ (Şerit Çekme) Silikon Hücreler

Geleneksel hücre üretim metotlarında neredeyse hammaddenin yarısı kesme işlemleri sırasında kayba uğrar. Bu kaybı önlemek ve kullanımı arttırmak için farklı şerit çekme işlemleri geliştirilmiştir. Bu işlemler, erimiş silikondan doğrudan folyoların üretilmesini sağlar. Bu folyolar, istenen plaka kalınlığına sahiptir ve yalnızca şerit parçalara ayrılması için lazerle kesilirler. Bu teknikle daha az enerji ve malzeme harcanır. Ayrıca ingot döküm ya da kristal çekme proseslerinden maliyet bakımından çok daha hesaplıdır. Seri ve ticari üretim için aşağıdaki dört teknoloji geliştirilmiştir.

Polikristal yapılı Apex Hücreler

Apex hücreler, ince-film teknolojisinin seri üretime hazır kristal silikon için yapılmış ilk uygulamalarıdır. Silikon içeren iletken bir seramik substrat, kalın silikon plakasının yerine geçer ve seri bir prosesle 0.03-0.1 mm ince bir polikristal yapılı silikon filmle kaplanır. Bu metotla, özellikleri bakımından geleneksel polikristal hücrelere benzer ama daha büyük ölçekli güneş hücreleri üretilir. Bu metot sayesinde, yüksek kalitedeki yarı iletkenlerin üretimi için daha düşük sıcaklıkların yeterli olması ve üretimin daha hızlı gerçekleşmesi maliyet avantajları sağlamaktadır.

Bu hücrelerin verimlilikleri %9.5 civarındadır. 208 mm x 208 mm boyutunda, kare biçiminde ve küçük kristallere sahip polikristal bir yapıdadır.

İnce Film Hücreler

1990’lardan itibaren güneş hücresi üretiminde ince film teknolojilerinin gelişimi çok önemli rol oynamıştır. Bu teknolojide, çoğunlukla cam olan bir substratın üzerine, fotoaktif yarı iletkenler ince tabakalar halinde uygulanır. Kullanılan metotlar elektrolitik banyo ve katot tonlanması gibi kimyasal prosesleri içermektedir. Yarı iletken malzemeler olarak genelde şekilsiz silikon, bakır indiyum diselenid (CIS) ve kadmiyum tellürid (CdTe) kullanılır. Bu malzemelerin yüksek ışık soğurma yeteneği yüzünden, güneş ışığını elektriğe çevirmek için teoride 0.001 mm kalınlık bile yeterlidir. Ayrıca, bu malzemeler farklı atomlardan kaynaklı kirliliğe daha toleranslıdır ve yalnızca 200-500ºC arası sıcaklıklarda üretim yapılabilir. Kristal silikon teknolojisiyle kıyaslandığında, daha az kullanılan hammadde ve enerjiye rağmen daha makineleşmiş seri üretim ve daha fazla çıktı olanakları bu teknolojiyi cazip kılmaktadır.

Şekilsiz (Amorf) Silikon Hücreler

Şekilsiz silikon, düzenli bir kristal yapı oluşturmak yerine düzensiz bir ağ oluşturur. Sonuç olarak, doyma noktasına kadar hidrojen tutabilen açık bağlar meydana gelir. Bu hidrojene silikon, gaz halindeki silanın (SiH4) kimyasal buhar kaplama (CVD, chemical vapor disposition) işlemiyle plazma reaktöründe üretilir. Katkılama, ilgili maddeleri içeren gazların karıştırılmasıyla gerçekleştirilir.

Bakır İndiyum Diselenid (CIS) Hücreler

Bu hücrelerin aktif yarı iletken malzemesi adından da anlaşıldığı üzere bakır indiyum seleniddir. Bu CIS bileşiği, sıklıkla galyum ve sülfür ile alaşım oluşturur. Hücreler üretilirken, cam substrat ilk olarak ince bir molibdenum tabakasıyla kaplanarak arka yüzey bağlantısı oluşturulur. P tipi CIS soğurucu tabaka ise vakumlu bir bölmede 500ºC sıcaklıkta arka arkaya bakır, indiyum ve selenyumun buharlaştırılmasıyla üretilir.

 

Kadmiyum Tellürid (CdTe) Hücreler

CdTe hücreler, cam substrat üzerine genellikle indiyum kalay oksit (ITO) gibi, saydam bir iletken tabakayla üretilirler. Bu ön bağlantı, mümkün olan en ince n tipi bir CdS tabakasıyla kaplanır. Daha sonra da p tipi CdTe soğurucu tabakası eklenir. Serigrafi, galvanizleme ya da sprey proliz gibi basit üretim metotları kullanılır. Büyük ölçekli modüller ve yüksek verimler, substratın buhar maddelerine çok yakın tutulduğu buhar fazında kaplama prosesiyle elde edilir. Vakumlama işleminde CdS ve CdTe tabakaları yaklaşık 700ºC sıcaklıkta kaplanır. CdS tabakası, spektrumun mavi bölümündeki görünen ışığın bir kısmını soğuran, pencere tabaka gibi çalışır. Geri kalan ışınımın aktif  CdTe tabakaya geçmesini sağlar.

Yeni Nesil Hücreler

Yeni nesil hücreler, ilk nesil silikon hücrelere ve hem düşük maliyetli hem de düşük verimli olan ince film teknolojisine alternatif olarak yapılan çalışmaları kapsamaktadır. Nanoteknolojiler gibi ince film teknolojisinden de gelişkin metotları içerir. Geleneksel silikon hücrelerden daha verimli ve ucuz alternatiflere odaklanan araştırmalar kapsamında, yeni hücre tipleri ve fotovoltaik teknolojileri yakın zamanlarda keşfedilmiş ve önerilmiştir.

Gratzel (Dye sensitized nanokristal) hücreleri

1991 yılında İsviçreli profesör Michael Graetzel’in bulduğu bu hücreler silikon teknolojisine alternatif olarak daha da geliştirilebilir. Graetzel hücresinin temel malzemesi, bir yarı iletken olan titanyum dioksittir (TiO2). Bu yarı iletken, p-n bağlantısı prensibiyle çalışmaz. Bunun yerine, bitkilerin fotosentezi sırasında klorofilin güneş ışığını kullanması gibi, güneş ışığını bir organik boya sayesinde soğurur.

Mikrokristal ve Mikromorf Güneş Hücreleri

Silikon, tamamen zehirsiz ve neredeyse hiç tükenmeyecek kadar çoktur. Gelecek vaatedenbir teknoloji de, hücrelerin kristal silikondan ince film şeklinde üretimidir. Bu teknolojide, silikonun malzeme olarak avantajının yanı sıra, ince film üretim teknolojisinin nimetlerinden yararlanılır. Araştırmalar iki yönde ilerlemektedir. Daha önce bahsi geçen Apex hücrelerdeki üretim metodu ilk yöndür. Burada söz konusu olan, yüksek sıcaklıklarda elde edilen yüksek kaliteli silikon film, ucuz substrat yüzeye kaplanır ve polikristal hücrelerdeki gibi büyük granüllü yapılar elde edilir.

Hibrit (HIT) Hücreler:

HITgüneş hücreleri konvansiyonel kristal ve ince film güneş hücrelerinin  kombinasyonundan oluşur.HIT(Hetero-junction with Intrinsic Thin Layer) terimi, bu melez hücrelerin yapısını tanımlar. Bu yapı,  katkısız ek bir ince film tabakayla bağ yapan kristal ve amorf silikon içermektedir. Şekilsiz ince film hücrelerinde olduğu gibi, ışığa bağlı olarak verimlilikte azalma yoktur. Kristal hücrelerle kıyaslandığındaHIThücreleri yüksek sıcaklıklarda daha verimlidir.HIThücreleri, üretim sürecinde hem daha az enerji hem de daha az hammadde tüketir. Gerekli işlem sıcaklığı yalnızca 200ºC’dir. Bunun sonucunda, plakalar fazla termal strese maruz kalmaz ve kalınlıkları 0.2 mm’e kadar düşürülebilir.

Şebeke bağlantılı sistemlerde genelde ya monokristal yapılı ya da polikristal yapılı silikon hücreler kullanılmaktadır. Polikristal hücrelerin daha düşük olan verimi, üretim maliyetlerinden kaynaklı fiyat avantajıyla dengelenir. Şekilsiz yani amorf yapılı hücreler ise kampçılıkta, teknelerde kullanım gibi küçük uygulamalarda yani daha çok hobiyle ilişkili faaliyetlerde kullanılır. Çok yakın zamanda tamamlanan bir araştırmanın sonuçlarına göre, amorf hücrelerin uzun dönem performansları ve yıpranma süreleri ile ilgili kaygıların yersiz olduğu anlaşılmıştır. Bu nedenle, bu hücrelerin daha büyük sistemlerde de kullanılacağı öngörülmektedir. Piyasada olan hücreler arasındaHITyani Hibrit modüller en çok verimliliğe sahiptir. CIS ve CdTe ince film modüller ise seri üretime geçmiş ve önemli referans projelerde kullanılmaya başlanmıştır.III-V yarı iletkenleri diye bilinen ve periyodik tablodaIII. ve V. grupta yer alan elementlerden oluşan galyum arsenid (GaAs) gibi maddeler ise en verimli güneş hücrelerinin üretiminde kullanılır. Fiyat bakımından diğer hücrelerle rekabet edemedikleri için bu hücrelerden, yalnızca uzay araştırmalarında ve de GaSb ile GaInP gibi diğerIII-V grubu bileşikleriyle beraber yoğunlaştırıcı sistemlerde yararlanılır. Tandem ve üçlü hücreler, verimlilik açısından dünya rekoru kırma yolunda ilgi çekici araştırmalara konu olmaktadır. Boyalarla duyarlı hale gelen organik hücreler ise geleceği çok parlak, oldukça ilginç ve değişik bir alandır. Hem renk seçenekleri hem de şeffaflıklarıyla özellikle binalara entegre edilen sistemler için yeni bir trend yaratacakları kesindir.

Aşağıda yer alan tabloda hücre tiplerine göre modül ve hücrelerin maksimum verimlilikleri özetlenmiştir.

 



 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Aşağıdaki tabloda ise 1kWp gücündeki güneş paneli türünün nekadarlık bir alan kapladığını görebilirsiniz:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Hücre Performansları

Şüpheci ve kötümser kişilerin tam da önceden tahmin ettikleri gibi fotovoltaikler bu kadar basit ve bu kadar da mükemmel olamazdı. En gelişmiş ve şık teknolojilerin bile nihayetinde bir kusuru vardır. Tabi ki güneş panelleriyle de ilgili dikkat edilmesi gerekli birtakım noktalar bulunmaktadır. Sonuçta, modüllerin güç değerlendirmeleri laboratuvardaki ideal koşullarda, yani gölgelenme faktörünün olmadığı ortamlarda yapılıyor. Oysa gerçek dünyada durum bambaşkadır. Panellerin performansını en çok etkileyen 2 ana faktör olan gölgelenme ve çalışma sıcaklığı verim değerlerini belirler.

Gölgelenme

Güneş panellerinde, doğrudan bir fiziksel zararın dışında,  panelin çalışmasını etkileyecek en kötü durum, üzerinde oluşacak büyük bir gölgedir. Küçük bir gölge bile panelin enerji üretim miktarında çok etkili olacaktır. Elektronları suyun akışına benzetebiliriz. Elektronlar, yüksek gerilimden alçak gerilime doğru akarlar. Genelde PV modülünde gerilim yüksektir ve de bağlı olan yük ya da akü ise alçak gerilimi temsil eder. Bir panel serisinde ya da modülde, elektronlar akü yerine gölgelenmis olan düşük voltajlı alana doğru akmayı tercih edecektir. Dolayısıyla bu elektronlar elektrik üretmek yerine ısı ortaya çıkaracak ve bizim işimize yaramaz hale gelecektir. İşte bu yüzden, kuş pislikleri, panele düşen yapraklar ya da toprak, toz benzeri diğer şeyler bizim için bu kadar önemlidir. Bir yumruk büyüklüğündeki gölge bile neredeyse panelin çalışmasını rahatlıkla durdurabilir. Bundan dolayı, panellerin, en çok üretim yapacakları zaman olan gün ortasında yani saat 10 ile 15 arasında kesinlikle üzerine gölge düşmeyecek şekilde yerleştirilmeleri gereklidir. Günün erken ya da geç saatlerinde güneş oldukça yatay açılardayken zaten çok az enerji üretilir, bu nedenle de gölge durumu bu saatler için ihmal edilebilir. Teknelerde, gölgeyi önlemek çok zor olabilir ama verimi arttırmak için mümkün olduğunca panellerin ön yüzeyinin güneşe tam maruz kalabilecek şekilde yerleştirilmesi gereklidir. Büyük sistemlerde gölgeye bağlı verim düşmesi yılda % 5 ile 10 arasında hesaplanmıştır. Gölgelenme geçici ya da konuma ya da binaya bağlı olarak iki biçimde olabilir.

Sıcaklık

Neredeyse her tip güneş panelinde artan sıcaklıkla birlikte üretim kapasitesi de düşer. Ortam sıcaklığının 26-27 ºC’yi aşmadığı durumlarda bu faktör çok önemli değildir. Fakat tam güneşlenme koşullarında, ortamın rahatlıkla bu sıcaklıkların üstüne çıkması mümkündür. Bu nedenle, panellerin arka yüzeyleri olabildiğince havadar bırakılmalıdır. Sıcak havalarda panellerin üretiminin düşmemesi için panellerin arka yüzünde yeterince açıklık kalmalıdır. Bu faktörün tek olumlu yanı, açık ve soğuk kış günlerinde elektriğe ihtiyaç duyulabilirken üretimin belirlenen değerlerden %30 ya da 40 üzerinde olmasıdır.

Pratik bir kural olarak, çok sıcak iklim koşullarında şebeke bağlantılı sistemlerde, güneş paneli üreticilerinin belirttiği spesifikasyonlardan %25 ile 30, akülü sistemlerde ise %40 ya da 50 daha az üretim gerçekleşir. Solar pompalar gibi akü kullanmadan doğrudan panele bağlı sistemlerde ise, pompanın sıcak günlerde de yeterince güçlü çalışmasını sağlamak için, verilen değerlerden %20 daha az üretim yapacağı hesaba katılmalıdır.

Tam güneşlenme koşulları kolaylıkla sağlanamaz. Tam, parlak ve gölgeden arınmış bir güneş ışınımı yoksa üretim de az olacaktır. Güneşli bir günde genellikle %100 değil de %80 ya da %85’lik bir ışınıma maruz kalırız. Yüksek yerlerde, çöllerde ya da çukur bölgelerde ışınım %100’e yakındır. Hatta, yüksek çöl platolarında %105’lik bir orana ulaşmak bile mümkündür. Böyle coğrafi bölgeler boşu boşuna güneş kuşağı diye adlandırılmamıştır.

Montaj Temelleri

Paneller, güneşe dik bir açıyla yerleştirildiklerinde gelen ışığı tamamen yakalayıp maksimum üretim yapabilirler. Bu, şu anlama gelir; güneşi doğudan batıya doğru, gökyüzündeki konumuna göre takip edersek daha fazla elektrik üretebiliriz. Fakat ne yazık ki, güneşi takip eden sistemler hem maliyetlidir hem de elektriksel ya da mekanik arızalara çok daha yatkındır. Özellikle, güneş panellerinin maliyetlerinin sürekli düştüğünü hesaba katarsak, eğer yazın su pompalama gibi enerji tüketimi yüksek bir iş söz konusu değilse, bireysel uygulamalarda güneş takip sistemlerine yatırım yapmak çok makul görünmeyebilir. Bu sistemler, daha çok üretim yapan güneş santralleri gibi büyük yatırımlarda, üretimi maksimum düzeye çıkarmak amacıyla kullanılır.

Daha önce de belirttiğimiz gibi fotovoltaik modüllerin en verimli olduğu yerleşim şekli, öğle saatlerinde güneş ışınlarını dik olarak aldığı konumdur. Genelde, paneller için yıl boyunca en uygun olacak açı, yaklaşık olarak bulunulan yerin enlem açısıyla aynıdır. Tabi ki güneş ışınlarının gelme açısı mevsimlere göre değişeceği için, panellerin konumu, içinde bulunulan mevsime göre değiştirilirse daha iyi verim alınır. Kış ayları için kabaca, bulunulan enlemin açısına 10 derece daha ekleyerek açıyı arttırabiliriz. Yazın ise benzer bir yaklaşımla, panelleri 10 derece daha eğik konuma getirmek ideal olacaktır. Türkiye örneğinde, panel eğim açısı değerleri kış koşullarında 25, baharda 40, yaz için ise 55 derece olarak verilmektedir.

Bu açı ayarları, panellerin bağımsız olarak oturtulduğu montaj üniteleri için kolaylıkla uygulanabilirken, çatı gibi sabit eğimli yüzeylere monte edilen panellerde ne yazık ki mümkün olmayabilir. Aslında, eğimi büyütmek, yani paneli kaldırmak için çözüm üretilebilir. Ancak, eğimi küçültmek fiziksel kısıtlardan dolayı mümkün olmayacaktır. Konutlarda, pratik olarak, yazın enerji üretimini azami düzeye çıkaracak ayarlamalar yapılır. Sonuç olarak, panel dizileri, genelde, sabit duran bir çerçeve ya da düzenek üzerine monte edilir. Çatı üstünde, çatıya entegre veya düz yüzey, cephe ve zeminlerde her ne şekilde olursa olsun, panellerin montajında estetik ve özel çözümler bulmak mümkündür. Mimari gerekliliklere uygun, göz zevkine hitapedenmontaj yöntemleri uygulamak hiç zor değildir.

Çatı üstü montaj

Bu montaj yönteminde, güneş panelleri, çatının 10-15 cm yukarısında bir alt-strüktür  üzerine yerleştirilir. Sırtta kalan bu boşluk sayesinde, panellerin soğuması için gerekli hava akımı sağlanır. Hücre verimi konusunda bahsedildiği üzere, panellerin sıcaklığı ne kadar düşük olursa üretim verimi de o kadar artar. Çatı üstüne montaj, hem basit, hem ekonomik hem de neredeyse her çatı için uygundur.

Çatıya entegre montaj

Güneş panellerinin, mimari bir bakışla çatı altyapısına entegre edilmesi, çatı üstü montaja göre daha detaylı ve karmaşıktır. Bu varyasyonda paneller, çekici görünüşlerine ek olarak, çatının bazı işlevlerini üstlenerek maliyet avantajı da sağlayabilir. Yeterli havalandırma koşulları bu yöntemde de mutlaka sağlanmalıdır. Bu uygulamalar konusunda, uzman mimari çözüm merkezleri ve pek çok farklı marka bulunmaktadır.

Düz Çatı montajı

Güneş panelleri, düz çatılarda güneye doğru ve azami düzeyde üretim için optimum açıda kolayca monte edilebilir. Bu yöntemde kullanılan taşıyıcı yapı, maliyet bakımından çok uygundur ve güneş enerjisi sektöründe ‘taşıyıcı sehpa’ olarak bilinir. Özellikle, çevresinde bariyer olmayan endüstriyel tesislerdeki gibi geniş düz çatılarda bu sehpalar çok kullanışlıdır. Sadece, montaj öncesi, statik analiz hesaplarının yapılması iyi olur.

Cephe montajı

Güneş panellerinin bina cephelerine montajında, cephenin soğuk ya da sıcak olmasına göre getirilen mimari çözümler farklıdır. Soğuk cephelerde, özel paneller kullanılarak, hem enerji üretimi hem de binanın soğuktan korunması sağlanır. Binanın bütün bir dış duvarının özel panellerle kaplanması ve bu kaplamanın tüm duvar işlevlerini yerine getirmesi durumu sıcak cephe uygulamasına tekabül eder.

AdaSistemleri

Güneş enerjisinden elektrik üreten sistemlerin esas olarak iki ana uygulama alanı vardır. Bunlar şebeke dışı depolamalı (akülü) fotovoltaik ada sistemleri ve şebeke bağlantılı fotovoltaik elektrik üretim sistemleri olarak tanımlanır. Şu an dünyada bazı ülkelerde

uygulanan güneş elektriği satış tarifeleri ve satınalmagarantileri nedeniyle şebeke bağlantılı sistem uygulamaları şebeke dışı akülü sistemlere göre ciddi bir ağırlık ve hız kazanmış olsa da, güneş enerjisinden elektrik üretimi ile ilgili ilk uygulamalar akülü sistemlerle ve şebekenin olmadığı alanlarda başlamıştır.

Şebekeden bağımsız sistem tasarımı için aşağıda listelenen adımlar izlenir.

1-      Günlük tüketimin, mevcut elektrikli aletlerin tüketim değerlerinin vat (W) ve kullanım sürelerinin saat birimleri göz önüne alınarak vatsaat(Wh ) biriminde hesaplanması

2-      Sistemin kurulacağı konumdaki yıllık efektif güneşlenme süresinin ve güneş paneli kapasitesinin belirlenmesi.

3-      Sistemin montaj  yerinin ve  buna uygun montaj konstrüksiyonunun seçilmesi (Çatı montajı, sabit açılı bahçe montajı, direk üzerine montaj, güneş izleme sistemi kullanılması vb.).

4-      Montaj alanının etrafında gün içerisinde gölge yapması muhtemel  yapıların ve günün ilgili saatlerindeki gölge miktarının, gün boyu güneşin hareketinden kaynaklanan gölge miktarının belirlenmesi ve hesaplanması.

5-      Sistemin kurulacağı konumda halihazırda başka yenilenebilir kaynaklar varsa ve hibrit bir sistem tasarlanması düşünülüyorsa, diğer enerji kaynaklarından hangilerinin destek sistem olarak kullanılacağının belirlenmesi  (küçük/orta  rüzgar türbini, mikro-hidro uygulamalar, jeneratör).

6-      Akü şarj kontrol ünitesi (regülatör) kapasitesinin belirlenmesi.

7-      Evirici(İnvertör) kapasitesinin hesaplanması.

8-      Kablolama altyapısının oluşturulması.

9-      Tasarlanacak sistemde daha sonra kullanılmak üzere (uygun olmayan hava koşullarında, gece vb.) enerjinin depolanacağı akü grubunun tipinin ve  kapasitesinin belirlenmesi.

Bir Konut İçin Ada Sistemi

Şebekeye bağlı olmayan bir temiz enerji sistemi temelde iki elemandan oluşur; birincil kaynaktan elektriği üreten rüzgar türbini veya güneş paneli ve bu enerjiyi depolamaya yarayan akü bankası. Temiz enerji sistemlerinin en büyük dezavantajı olan süreksizlik sorunu, sistemlerde kullanılan elektronik şarj kontrol üniteleri ve yüksek performanslı aküler sayesinde çözülmüştür. Yani bu sistemlerde kullanacağınız elektrik, o anda esen rüzgara veya ışıyan güneşe bağlı değildir. Bulutlar açtığında ve rüzgar estiğinde akü bankası ihtiyacınız olan enerjiyi şarj olarak depolar ve buzdolabınız için gerekli elektriği sağlar, tıpkı aracınızın aküsünün seyir halinde şarj olması, arabayı durduğunuzda ise teybinizin veya klimanızın sorunsuzca çalışması gibi

Müstakil bir konutta veya çiftlik evinde temiz enerji sistemi kurmanın ekonomik olup olmadığını anlamak için öncelikle evin elektrik hattına yakınlığını bilmeliyiz. Zira temiz enerji sisteminin ekonomik olması için en yakın şebeke hattından en az ortalama 800m uzak bir bölgede kurulması iyi olur. Bu şartlarda şebeke elektriği taşımak için kurulacak trafo, direk ve kablolama masrafları karşısında temiz enerji sistemi kurmak maliyet, kurulum süresi ve güvenilirlik açısından çok daha avantajlıdır. Temiz enerji sistemi tasarımında ikinci önemli faktör de beslenecek yükün, yani evde kullanılacak elektrikli cihazların kurulu gücü ve günlük kullanım sürelerinin belirlenmesidir. Bu konu hakkında gerekli bilgiler Fotovoltaik Sistemler bölümünde yeralmaktadır.

Aküler

Akü, enerjiyi kimyasal konumda depolayan elektrokimyasal bir cihazdır. Bir elektrik devresiyle bağlantı kurulduğunda, kimyasal enerji, elektrik enerjisine dönüşür. Bütün aküler, yapısal olarak birbirine benzer ve bir grup elektrokimyasal hücreden oluşur. Her hücre bir pozitif, bir negatif elektrot ve bir ayıraçtan (seperatörden) oluşur. Akü deşarj edilirken, iki elektrotun içinde bulunan farklı malzemeler arasında elektrokimyasal bir değişim meydana gelir. Elektronlar, pozitif ve negatif elektrotlar arasında hareket ederken, bir dış devreyi de faaliyete geçirir.

Solar Aküler

Genel olarak bakımsız aküler tercih edilir. Bunlar, kendi içinde de kullanım alanı ve kullanım amacına göre çeşitlenir. En çok kullanılanlar olarak OPzS, OPzV, Jel ve Sulu Stasyoner aküler sayılabilir.

Jel Aküler
Jel akülerin sulu akülerden teknik açıdan farkı yoktur ve çalışma şekli neredeyse aynıdır. Jel akülerin özelliği kapalı ve bakımsız olmasıdır. Bunu elde etmek için elektrolit karışımı, sülfürik asit ile silik asitten oluşmaktadır. Silik asit ve sülfürik asit karıştırıldığında elektrolit jel halini alır. Jel aküler neredeyse bakım gerektirmezler ve tamamen kapalıdırlar.

Jel aküler, yüksek iç dirence sahip oldukları için yüksek elektrik akımı sağlayamazlar ve marş motorunun çalıştırılması için uygun değillerdir. Genelde jel aküler gaz yapmazlar ama kısa devre sonucu akülerin çok fazla ısınmasından dolayı jel çözülür ve gaz oluşabilir. Buna karşın, jel akülerde valf entegre edilmiştir ve yüksek iç basıncı ayarlarlar. Jel akülerin şarj edilmesi için kullanılacak şarj regülatörlerinin, jel aküleri desteklemesi gerekmektedir.

OPzS ve OPzV Aküler

Akümülatörlü bir sistem, tüm yıl boyunca her gün şarj ve deşarj edilecek bir şekilde kullanılacaksa ve bu akülerin çok uzun süreyle dayanması isteniyorsa, OPzS ve OPzV akümülatör seçimi en uygunudur. Bu tip akülerin maliyeti, diğer akülerden ortalama 2-3 kat fazla olsa da bu tip akülere yapılan yatırımın sonucunda daha kazançlı olunur.

OPzS sulu ve OPzV jel tipi akülerdir.  Hücrenin gerilimi 2 V olup 3000 Ah kapasite gücünde olan aküler vardır. Bu tip aküler ile küçük bir alanda büyük güç kaynağı kurma imkanı sağlanabilir.

OPzS ve OPzV akülerin döngü sayısı (charge-recharge capacity)  diğer akülerden daha yüksektir ve çok ağırdırlar. OPzS/V aküler çok ağır olduğundan dolayı sabit olarak kurulması ve kuruldukları yerin (taban) bunları taşıyabilecek güçte olması gerekir. Bu tip akülerin kurulduğu yerin taşıma gücünü yükseltmek için tabana metal levha konulur.

Ada sistemlerinde PV panel dizisinin gerilimi akü bankasının gerilimine uydurulmalıdır.

Tipik olarak kullanılan akü bankası gerilimleri 12 V, 24 V , 48 V DC değerlerindedir.

Örneğin 12 V DC gerilimli kurşun asit bir akümüz olduğunu varsayalım. Güneş panelleri tipik olarak 17V MPP, 21V Açık Devre gerilimi üretmektedir. Bu gerilim seviyeleri 12V aküyü şarj etmek için gerekli 13.8V kayan şarj gerilimi değerinden yüksektir. Diğer taraftan yükselen sıcaklık ile güneş paneli gerilimi azalmakta, azalan sıcaklıkla ise artmaktadır.

Dolayısı ile yüksek sıcaklıklarda aküyü şarj etmek için gerekli gerilimi üretememe ve düşük sıcaklıklarda aküyü aşırı şarj ederek kaynamasına ve sıvı kaybetmesine yol açarak aküyü bozma riski vardır. Şarj kontrol ünitelerinin birincil görevi akünün aşırı şarj olmasına engel olmaktır. Aşağıda şarj kontrol ünitesi tipleri ve çalışma şekli açıklanmıştır:

  • Seri kontrol üniteleri: Akü gerilimi şarj sonu gerilimini aşınca akü devresini ayırır.
  • Şönt kontrol üniteleri : Akü gerilimi şarj sonu gerilimini aşınca PV devresini kısa devre eder.
  • MPPT kontrol üniteleri: Akü şarj sonu gerilimine ulaşmadığı sürece PV gerilim ve akımını maksimum güç noktasında çalışacak şekilde ayarlar, şarj sonu gerilimine ulaşınca akü devresini ayırır, MPPT üniteler Panelden %15-%25 daha fazla güç elde eder. (MPPT:Maximum Peak Power Tracking, Maksimum Tepe Güç İzleme)

Buna ek olarak modern bir şarj kontrol ünitesi akü ömrünü maksimize eden gelişmiş şarj kontrol algoritmalarıyla donatılmış ve ayrıca sıcaklık konrollü kayan şarj, yıldırım koruma, istenmeyen deşarjların engellenmesi, derin deşarj koruması, akü şarj durumu ile ilgili bilgilerin kaydedilmesi , aşırı gerilim koruması, kısadevre koruması, aküye geri besleme koruması,  rüzgar türbinleri ve güneş panellerinden gelen tüm verileri kaydetme, oluşan alarmları ve verileri uzaktan iletişim ile merkeze  yollama gibi işlevlere sahiptir. Güneş enerjili aydınlatma sistemlerinde kullanımı rahatlatan gece fonksiyonu da mevcuttur. Bu fonksiyon sayesinde, bu özelliğe sahip regülatörlere bağlı herhangi 12 veya 24 V DC akımla çalışan bir elektrikli alet, istenilen saatlerde otomatik olarak açılıp kapanabilmektedir.

Ada Sistemlerinde Eviriciler (İnvertörler)

Günlük hayatımızda elektrik enerjisini 12V , 24V , 48V akülerde depolarız  ve bazı yükleri doğru akım (DC-Direct current) ile akülerden besleyebiliriz. Eğer çamaşır makinesi, buzdolabı, televizyon gibi 220V 50Hz alternatif akım (AC- Alternative current) ile çalışan aletleri de akülerden beslemek istiyorsak akü gerilimini AC’ye çeviren eviricileri (invertör) , diğer adıyla DC-AC çeviricileri, kullanmamız gereklidir.  Ada sistemleri için eviriciler 12V, 24V veya 48V’ luk bir akü bankasından aldıkları doğru akımı, evlerde kullandığımız 220 V alternatif akıma çevirerek her türlü elektrikli cihazı  çalıştırlar.

Birçok eviricinin üzerinde akü şarj cihazının da entegre edilmiş olması sayesinde, şebekeden ya da dizel jeneratörden gelen elektrik akülerin şarjında kullanılır.Transfer hızlarının oldukça yüksek olmasından dolayı bu sistemler Kesintisiz Güç Kaynağı (KGK, UPS) olarak da kullanılabilir.

Ada sistemlerinde kullanılan eviricilerde aşağıdaki nitelikler aranır:

  • Çıkış geriliminin şeklinin ideal sinüs dalga şekline yakın olması, başka bir deyişle Çıkış gerilimi Toplam Harmonik Bozulmasının (THD) küçük olması.
  • Çıkış geriliminin genlik ve frekansının kararlı olması, başka bir deyişle çıkış geriliminin statik regülasyonunun iyi olması: 220V 50Hz değerini koruması.
  • Çıkış geriliminin yük değişimlerinde kararlılığını sürdürmesi, başka bir deyişle dinamik regülasyonunun iyi olması, yük değişimlerinde 220V değerinden küçük sapmalar göstermesi ve çok kısa sürede çıkış geriliminin 220V değerine toparlanması.
  • Çıkış geriliminin akü gerilim değişimlerinde kararlılığını sürdürmesi, dinamik regülasyonun iyi olması. Akü gerilim değişimlerinde çıkış geriliminin küçük sapmalar yapması ve hızla 220V değerine doğru toparlanması.
  • Özellikle bilişim teknolojileri cihazları ve elektronik cihazların çektiği yüksek harmonikli akımları ve tepe akımları karşılayabilmek için yüksek tepe faktörlü (Crest Factor) akım verebilme yeteneği.
  • Motor ve kompresör içeren cihazların ilk çalışma (demeraj) akımlarını karşılayabilmek için kısa süreli aşırı yükleme (overload) yeteneği
  • Tam ve kısmi yüklerde yüksek çevirme verimi: çok pahalı olan güneş elektriğinin boşa harcanmasını azaltır.
  • Yüksüz durumda az güç tüketen hazır bekle(stand-by) durumuna geçme
  • Yüksek gerilim ve yıldırım koruması
  • Kısa devre koruması
  • Elektromanyetik emisyonların sınırlandırılması
  • Güneşsiz günlerde jeneratörden şarj etmek için akü şarj devresi

Şebeke Bağlantılı Eviriciler (Grid-tied Inverters)

Şebeke bağlantılı eviriciler(invertörler), daha önce ele alınan ada sistemlerinde kullanılan tek başına eviricilerle karıştırılmamalıdır. Ada sistemleri için olan tek başına eviricilerin bazı tiplerinde akü şarj devresi vardır ve bu tip eviriciler de şebekeye bağlanabilmektedir. Fakat ada sistemlerinde  eviricilerde güç akışı daima şebekeden eviriciye doğru gerçekleşir. Buna karşılık bu bölümün konusu olan şebeke bağlantılı eviricilerin görevi PV panellerden gelen gücü bağlı bulundukları AC şebekeye aktarmaktır. Bu sayede güç akışı daima eviriciden şebekeye doğru gerçekleşmektedir. PV paneller ve şebeke bağlantılı eviriciden oluşan fotovoltaik elektrik üretim sistemi adeta bir mini elektrik santrali gibi çalışmaktadır.

Şebeke bağlantılı eviricinin AC şebekeye aktardığı güç öncelikle lokal yükler tarafından tüketilmektedir, artan güç elektrik şebekesine verilir ve daha uzaklarda bulunan yükler tarafından tüketilir. Genellikle 5kW altındaki güçlerde tek fazlı şebeke bağlantılı eviriciler, daha yüksek güçlerde ise üç fazlı şebeke bağlantılı eviriciler kullanılır. Çok sayıda tek fazlı eviricinin üç fazlı şebekede fazlara eşit sayıda bölüştürülerek kullanılması da oldukça yaygın bir uygulamadır.

Şebekeye olabilecek en yüksek güneş gücünü aktarmak için eviriciler MPPT (Maksimum Power Point Tracking- En yüksek Güç Noktası İzleme ) modunda çalışır. Bu mod, mevcut sıcaklık ve ışınım koşullarında en yüksek gücün elde edildiği PV panel gerilimi ve akımını saptayarak eviricinin panel dizisinden aynı gerilim ve akım değerlerini çekmesini sağlar. Eviriciler bu şekilde elde ettikleri gücü Alternatif Akıma (AC) çevirerek minimum harmonik distorsiyon ve faz kayması ile AC şebekeye aktarır. Şebekeye aktarılan akımın harmonik distorsiyonunun düşük olması ve faz kayması olmamasının göstergesi, eviricinin çıkış güç faktörünün 0.99 değerine yakın bir değerde olmasıdır.

Modern bir şebeke bağlantılı evirici aşağıdaki niteliklere sahiptir:

  • DC PV panel gücünün AC ye çevrilerek şebekeye aktarılması
  • Evirici çalışma noktasının PV panel dizisinin MPP noktasına ayarlanması
  • Aşırı gerilim, ters gerilim, aşırı akım gibi koruma işlevleri
  • Şebeke kesintisi durumunda eviricinin çalışmayı durdurarak şebekeden yalıtılması.
  • Veri kaydı, verilerin uzaktan ve cihaz üzerindeki göstergeden sorgulanabilmesi

Güneş enerjisinin en önemli özelliği, sistemlerin istenilen büyüklükte tasarlanıp kurulabilmesine olanak tanımasıdır. İster bir evin çatısı, isterse dönümlerce bir tarla olsun bu alanlar PV modüller ile tamamen kaplanabilir. Daha önceden ev tipi uygulamalardan bahsedilmişti. Bu bölümde ise çok büyük güneş enerjisi sistemlerini inceleyeceğiz. Aşağıda çeşitli uygulamalarla ilgili istatistiksel bilgiler yer almaktadır. Bu bilgiler 2008 yılı başı itibarıyla kaydedilmiş verilerden oluşmaktadır.

Aslında kurulan büyük ölçekli bu sistemlerle, evlerde kurulan küçük sistemler arasında çok büyük fark yoktur. Örneğin 1 kW’lık bir çatı uygulaması ile 1 MW’lık bir santral uygulamasını karşılaştıralım. Kullanılacak temel ekipmanlar her ikisinde de güneş panelleri ve evirici(invertör)lerdir. Bir ev uygulamasında 8 adet 120 Wp gücünde güneş paneli kullanılırken, santral uygulamasında aynı panelden 8.000 adet kullanılır. Bağlantı şekillerinde de hiçbir fark yoktur. Aynı şekilde evirici için de bu geçerlidir. 1 kW’lık bir sisteme 1kW’lık evirici yerleştiriliyorsa; 1 MW (1000kW)’lık sisteme de 1MW’lık evirici yerleştirilecektir. Büyük sistemlerin tek farkı enerji arz güvenliğini sağlamak açısından evirici sayısının daha çok olmasıdır. 1 MW kurulu gücünde bir PV sistemi için, 1 adet 1000kW’lık evirici(invertör) kullanmak yerine, 10 adet 100 kWp’lık evirici(invertör) kullanmak bu açıdan daha uygun olacaktır. Böylece eviricinin arızalanması ya da PV bağlantılarında bir sorun olması durumunda, sadece o eviriciye bağlı panellerden üretilen enerji şebekeye aktarılamayacaktır. Yani 900 kW’lık enerji şebekeyi beslemeye devam edecektir. Bu da toplam sistem %90 verimle çalışıyor anlamına gelir. Diğer durumda ise yani tek bir evirici kullanıldığında sistem tamamen çalışmayacaktır.

Dünya çapında büyük ölçekli PV uygulamaları giderek artmaktadır.  2007 yılı sonu itibarıyla dünya çapında büyük ölçekli PV sistemlerinin kurulu gücü 955 MWp’ı bulmuştur. Ortalama santral kurulu gücü ise 1.24 MWp civarındadır. Bu konuda başı çeken ülkeler Almanya, Amerika ve İspanya’dır.

Güneş enerjisi santralleri uygulamanın yapıldığı yere göre çeşitli tiplere ayrılmaktadır. 2007 sonu yapılan büyük ölçekli uygulamaların %70’i yere monte edilmiş uygulamalardır. Geriye kalanların %29’u çatı uygulaması iken %1’lik kısım ise binaya entegre sistemler, ses bariyerleri olarak kurulan sistemler  gibi uygulamalardan oluşmaktadır.

Büyük ölçekli güneş enerjisi sistemleri panellerin yerleştirildiği konstrüksiyonlar açısından, tek ya da çift eksenli güneşi takip eden sistemler ve  sabit açılı sistemler olarak ikiye ayrılırlar. Tek eksenli sistemler güneşi sadece doğu-batı yönünde takip ederken çift eksenli sistemler ise doğu-batı ve kuzey-güney doğultusunda takip özelliğine sahiptir. Bu sistemlerin %73’ü sabit sistemlerden oluşurken; % 27’si ise güneş takip etme özelliğine sahiptir.

Yapılan santrallerin kurulduğu alanlara bakıldığında, sistemlerin %81’inin Avrupa’da olduğu gözlenmektedir. Avrupa’daki toplam kurulu güç 770 MWp’dır. Avrupa’yı %14 ile Amerika (148 MWp) ve %4’den az bir değer ile Asya (34 MWp) izlemektedir.

Ülkeler bazında kurulu güçler gözönüne alınınca hemen hemen dünyadaki güneş enerjisi santrallerinin yarısı Almanya’da kurulmuştur. İspanya ise en dinamik pazar özelliği taşımaktadır. Amerika ve Almanya pazarı son on yıl içerisinde her sene sabit değerlerde bir artış gösterirken İspanya pazarı son üç sene içerisinde aşırı hızlı bir şekilde büyümüştür.

2008 yılı başı itibarıyla Avrupa’da kurulu olan büyük ölçekli güneş enerji santrali uygulamalarının hemen hemen %60’ı Almanya’dadır. 451 MWp’lık Almanya kurulu gücünü % 35 ile İspanya (266 MWp) ve %2,3 ile İtalya (18 MWp) izlemektedir. Aynı hızlı büyümenin İtalya, Fransa, Yunanistan ve Kore’de de yaşanacağı gözlenmektedir. Yukarıda bahsedilen ülkeler haricinde kalan yerler (Afrika, Güney Amerika, Avustralya) ise kurulu güç olarak %1’lik bir paya sahipti

Güneş enerjisiyle su pompalama

Güneş enerjili su pompalama sistemleri, güneş enerjisinin en verimli ve anlamlı kullanıldığı alanlardandır. Kuyuların ve diğer su kaynaklarının merkezlere uzak, kırsal bölgelerde bulundukları düşünülürse, geleneksel enerji kaynaklarını kullanmanın ya oldukça uzun kablolama ya da sahada benzinli jeneratör kullanımını gerektireceği bilinmektedir. Bu metotlar hem pahalı ekipman ve bakım, hem de sürekli artan yakıt maliyetleri içermekte olduklarından, güneş enerjisi genellikle hem daha ekonomik hem de daha verimli sonuçlar vermektedir.

Solar su pompaları pek çok tarımsal amaçla kullanılabilirler: Örneğin Amerika, Avustralya ve Güney Afrika’daki pek çok besici, kablolamanın zor ve maliyetli olduğu arazilerde hem kolayca taşınabilir hem de kendi enerjisini kendi üreten bu su pompalama sistemlerini hayvanlarına su temini amacıyla kullanmaktadırlar. Küçük çiftliklerde, seralarda, bahçelerde sulama amaçlı olarak, yine çiftlik evlerinde su temini için son derece uygundurlar.

Bu sistemde kullanılan pompalar, normal dalgıç pompalama sistemleridir; farkları, motor için gereken enerjinin, paneller tarafından doğru akım(DC) olarak sağlanmasıdır. Dolayısıyla da bu pompaların doğru akımla çalışmaları gerekmektedir. AC motorlu pompalarda DC’yi AC’ye çevirmek için bir evirici (invertör) gerekir. Bu artı maliyet ve dönüşümden kaynaklı güç kaybı demek olduğundan, güneş enerjili pompalama sistemlerinde DC motorlu pompalar kullanılır.

Bir solar su pompalama sistemi 4 ana parçadan oluşur: Pompa, pompa konrol ünitesi, solar paneller ve (isteğe bağlı olarak) depolama ünitesi, yani akü. Sistem, su kaynağının (depo ya da kuyu) derinliğine ve gereken su miktarına bağlı olarak tasarlanır. Pompa, gücünü güneş panellerinden elde edilen enerjiyle sağlar. Kullanılacak güneş paneli sayısı gereken güce (yani yüksekliğe) bağlı olarak değişmektedir. Örneğin, basit bir sistem ile, 2 adet 12 vatlık güneş paneli sayesinde 20 m. kadar olan yüksekliklerde (çekilecek olan suyun derinliğiyle depo yüksekliği toplamı), derinliğe bağlı olarak saatte 44 ila 106 m3 debi elde etmek mümkündür. Daha güçlü bir sistem ile, 70 m.ye kadar olan yüksekliklerde saatte 310 ila 445 m3 debi elde etmek mümkündür. Bazı güneş enerjili dalgıç pompaları ise 240 metreye varan derinliklerden bile su çekebilmektedir.

Paneller ve pompa arasındaki akım bir “kontrol ünitesi” aracılığıyla kontrol edilir. Kontrol ünitesi, kuyuda/depoda su kalmadığı zaman pompayı kapatarak yanmasını engeller.

Peki hava kapalıysa ne olur? Tüm güneş enerjisi sistemleri en iyi sonucu elbette güneşli havalarda verir. Kapalı havalarda sistem çalışmaya devam etmekle beraber, çekilen su verimi azalacaktır. Bu nedenle de güneş enerjili pompalama sistemlerinde iki farklı açıdan depolama yapılabilir. En ekonomik ve güvenilir metot, rezervuar görevi yapacak olan geniş bir su deposu kurmaktır. Gündüz depoya dolacak olan ihtiyaç fazlası su, geceleri yahut güneş ışığının az olduğu günlerde su temininde sıkıntı çekilmemesini sağlayacaktır. Bu yüzden de depolu bir sistem kuracaksanız, deponuz günlük ihtiyacınızdan biraz fazlasını karşılayacak büyüklükte olmalıdır. Diğer bir alternatif ise, güneş panellerinin gündüz ürettiği enerjiyi akülerde depolayarak gece veya havanın kapalı olduğu günlerde suyu çekmek için rezerv olarak kullanmaktır. Bu sistem hayli güvenilir olmakla birlikte fazladan maliyet ve bakım gerektirecektir.

Solar su pompalama sistemlerinin en önemli avantajlarından biri de kullanımı basit ve dayanıklı olmalarıdır. Buradaki hareketli tek parça olan pompalar, (güneş panellerine göre) toplam maliyetin daha küçük bir kısmını oluştururlar. Sistem çok tozlu bir bölgede kurulmadığı sürece, kabloların ve bağlantıların ara sıra kontrol edilmesi ve panellerin tozunun alınması yetecektir.

Kurulumları kolay olan bu sistemler, kullanıcı tarafından da rahatça monte edilebilir. Bununla birlikte satın aldığınız yerin, sistemin çalışması için gereken tüm parçaları ve bağlantı  şemalarını, kurulum ve çalıştırma kılavuzlarını sunduğundan emin olmakta yarar vardır. Satın aldığınız paneller için kuvvetli rüzgârlara dayanıklı montaj ayakları gerekecektir, çünkü bu paneller güneşten en iyi verimi almaları için belirli bir açıyla ve güneye bakar şekilde kurulur. “Solar tracker” denen sistemler kullanarak panellerin gün boyunca güneşi takip etmelerini sağlamak, böylece %15–20 daha fazla verim elde etmek mümkündür, ancak elbette bu da artı maliyet demektir.

Türkiye’de güneş enerjili su pompalama sistemi kullanımı Akdeniz Bölgesi’nde yaygınlaşmakta, Ege Bölgesi’nden gelen taleplerse yoğunlaşmaktadır. Bu sistemin ilk uygulamalarından biri deAnkaraElmadağ’da yapılmış, bir köyün ortak su deposuna kaynaktan su getirilmesi sağlanmıştır. Diğer bir proje ise Diyarbakır’da Dicle Üniversitesi kampüsünde damla sulama sistemine destek amaçlı olarak hayata geçirilmiştir.

Genel olarak kullanılan elektriğin %20’si aydınlatma için harcanmaktadır ve aydınlatmanın toplam elektrik tüketimi içindeki oranı da her yıl artmaktadır. Güneş enerjili aydınlatma sistemleri güneş panellerinin en çok kullanıldığı alanlardan biridir. Güneş enerjili aydınlatmalarının dünya üzerinde on binlerce örneği bulunmakta ve her geçen gün de yaygınlaşmaktadır.

Solar sistem ilke olarak yenilebilir bir enerji sağlaması nedeniyle hayatımızın en önemli enerji kullanım alanlarından olan aydınlatma ihtiyaçlarımız için temiz, sürekli,verimli ve sonsuz bir çözümdür. Elektrik şebekesinin uzak olduğu bölgelerde vazgeçilmez olmasının yanı sıra, yüksek elektrik maliyeti getiren şebekeye bağlı sistemler yerine, sıfır tüketim harcaması olan bir sistem olarak tercih edilmektedir. Bu sistemlerde gündüz güneş enerjisi ile şarj olan aküler gece otomatik olarak 12 volt’luk özel kompakt flüoresan güneş ampüllerini veya LED’li ampülleri çalıştırarak aydınlatma sağlamaktadır. Bu basit ama etkili sistemler enerjinin olduğu yerlerde kazı ve kablo hattı gerektirmediği için, enerjinin olmadığı yerlerde ise en acil, uygun ve kesin çözüm olması nedeniyle tercih edilmektedir. Sistemin aydınlatma değerleri park, bahçe ve sokak aydınlatmasında gerekli olan uluslararası standart lüks değerlerini sağladığından bu alanlarda da kullanıma uygundur. Şebekeye bağlantı içermediğinden kablo çürümesi, kablo arızaları, elektrik kesintisi gibi sorunlar oluşmaz.

Portatif güneş enerjili aydınlatma ünitelerinde üniteye bağlı güneş panelleri kullanılmaktadır. Merkezî güneş enerjili aydınlatma sisteminde ise oluşturulan merkezî bir sistemden çok sayıda aydınlatma direğinin elektrik ihtiyacı karşılanmaktadır.

Daha özel projelerde ise güneş ve rüzgâr enerjisi (hibrit sistemler) birlikte kullanılmaktadır. Güneş enerjili güvenlik aydınlatması da son zamanlarda çok rağbet görmektedir. Genelde aydınlatma sistemleri ile kompakt bir şekilde tasarlanan bu cihazlar işletmeye hazır şekilde pazarlanmaktadır. Gündüz güneş panelinin ürettiği elektrik özel akülerde bir şarj kontrol ünitesi (regülatör) sayesinde depolanmakta, akşam olduğunda ise özel otomasyon sistemiyle sokak lambası istenilen saatte açılıp, istenilen saatte kapatılabilmektedir.

Türkiye’de çeşitli ölçekte yapılmış olan güneş enerjili aydınlatma örneklerine Toyota, Kent, ve Şişecam fabrikalarında, Isparta, Etimesgut, Esenler ve Avcılar Belediyelerinde tasarlanan ve kullanılan uygulamalar verilebilir.

Güneş Enerjili Aydınlatma Sistemlerinin Başlıca Uygulama Alanları

  • Belediye park ve bahçe aydınlatmaları,
  • Tatil köyleri ve otellerin dış mekân aydınlatmaları,
  • Site çevre aydınlatmaları,
  • Organize sanayi bölgeleri dış aydınlatmaları,
  • Üniversitelere ait çevre aydınlatmaları,
  • Geniş arazi aydınlatması,
  • Benzin istasyonları aydınlatması,
  • Fabrika ve işyeri çevre aydınlatması,
  • Totem, reklam panoları ve şantiye aydınlatması
  • Sinyalizasyon, güvenlik sistemleri v.b. uygulamaları.

Sistemi Oluşturan Temel Cihazlar

Güneş paneli (Pv=fotovoltaik modül)
Aydınlatma direklerinde elektrik ihtiyacını karşılayacak 20-120 Watt’lık paneller kullanılmaktadır.

Şarj kontrol ünitesi
Güneş panelinin ürettiği elektrikle aküleri kontrollü bir şekilde şarj eden ve akülerin deşarj durumunu kontrol eden cihazdır.

Armatür
İstenen ışık değerinde aydınlatma veren ürünlerdir. Armatürler istenen peyzaja göre özel çözümler olabilir. Direğin yüksekliğine ve istenen ışık değerine göre üretilmektedir.

Akümülatör
Üretilen enerjiyi depolayan ve ihtiyaç duyulduğunda sisteme veren cihazdır. İhtiyaca göre 12-24 volt, 24-125 amper arasında aküler kullanılmaktadır.

Evirici (İnvertör)
Alternatif akımla çalışan armatürler kullanıldığında Doğru Akımı (DC) Alternatif Akıma (AC) çeviren elektronik devredir.

Ampuller

Özel tip AC ampuller, solar sisteme uygun DC ampuller ve uzun ömürlü  Led ampuller kullanılmaktadır.

Güneş Enerjili Aydınlatma Sisteminin Avantajları

  • Montaj ve taşıma kolaylığı sağlar.
  • Panel ömrü yaklaşık 25 yıldır.
  • İşletme maliyeti diğer sistemlerle karşılaştırıldığında neredeyse sıfırdır.
  • İşletme açısından fosil kaynaklara göre dışa bağımlılık yoktur.
  • Mobilize olabilir, bağlantısızdır.
  • En uzun ömürlü kaynaktan beslenir.
  • Çevreye, atmosfere ve insana zararlı etkisi yoktur.
  • Faturasızdır.
  • 220 volt 50 Hz tam sinüs çıkış stabilizasyon sağlar.

Güneş Arabalarının çalışma prensibi normal bir elektrikli araçla aynıdır. Elektrikli araçlar hareketleri için gerekli gücü herhangi bir yanma işleminden elde etmediği için çalışma prensipleri günümüz araçlarından oldukça farklı olmasının yanı sıra, çok da basit bir temele dayanmaktadır. Elektrikli araçlar bu gücü doğrudan elektrik motorlarından alır. Bu nedenle  motoru tahrik etmek için gereken enerjinin bir şekilde depolanması hatta üretilmesi gerekmektedir. Araçların üst kabuklarında yer alan güneş hücreleri güneş ışığı altında elektrik üretir ve bu enerjiyi çeşitli güç elektroniği devrelerinden geçirerek akülere iletir. Akülerde depolanan bu enerji motoru tahrik etmek için kullanılır. Sistemden de anlaşılabileceği üzere dengeli bir kullanım sırasında güneşten alınan enerji, motorun harcadığı enerjiye eşit olursa teorik olarak sınırsız süre boyunca yol alabiliriz. Bu günümüz teknolojisi ve yöntemleriyle mümkündür ve bu durumda hızımız yaklaşık olarak 45 km/s’ye denk gelir. Ortalama maliyetteki güneş modüllerinin verimlerinin %15-20 arasında değişmesi nedeniyle çok fazla güneş hücresine ihtiyaç duyan ve elde edebildiği düşük miktardaki enerjiyle en uzun mesafeleri kat edip en yüksek hızlara çıkmak için hafif olması gereken bu araçlar birkaç beygirlik motorlarıyla kilometrelerce yol kat edebilir ve hatta saatte150 kmhıza ulaşabilir.

Güneş kolektörlü ısıtma sistemleri, güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştüren sıcak su veya hava üretme sistemleridir. Bu sistemler güneş enerjisini toplayan düzlemsel kolektörler, ısınan suyun toplandığı depo ve boyleyler ile iki kısım arasında bağlantıyı sağlayan yalıtımlı borular, pompa ve kontrol cihazı gibi sistemi tamamlayan elemanlardan oluşmaktadır.

Bugün ticari olarak pazarlanan termal güneş enerjisi sistemleri, kolektör matrisine düşen enerji miktarının %30 ila %60 ını termal enerjiye dönüştürebilmektedirler. İyi tasarlanmış ve kaliteli bileşenlere sahip sistemlerin kullanım ömürleri 20-25 yıl, ilk yatırım geri dönüşleri ise 3-5 yıl arasındadır. Dolayısı ile termal güneş enerjisi sistemleri oldukça fizibil alternatif enerji yatırımları olarak konumlanabilir.

2005 yılında AEEIntec tarafından yapılan bir çalışmada, dünyada toplam 111Gwth eşdeğer kolektör kapasitesi olduğu belirlendi. 52Gwth kapasite ile Çin birinci, 22Gwth kapasite ile ABD ikinci ve yaklaşık 7Gwth kapasite ile Türkiye üçüncü olarak konumlandı. Ülkemiz 3,5-4 milyon yerleşkesinde, yaklaşık 17 milyon m2 kurulu kolektör alanı ile Avrupa ölçeğinde en büyük kuruluma sahip ülkelerden biri olmasına rağmen , maalesef kullanılan bileşenlerin belirli bir kalite ve standardın altında olması dolayısı ile ciddi istatistiklerde yer almamaktadır. Örneğin Avusturya, Almanya ve Yunanistan gibi ülkeler, ülkemizin yarısı kadar kurulu kolektör alanı ile aynı seviyede termal enerji kapasitesine sahiptirler.

Temel Termal Güneş Enerjisi Sistem Tipleri:

Genel olarak termal sıvı ve mekan ısıtma destekli güneş enerjisi sistemleri iki ana tipten oluşur;

  • Doğal Sirkülasyonlu Termosifon Sistemler (Açık veya Kapalı Devre),
  • Cebri Sirkülasyonlu Sistemler (Kapalı Devre),

Doğal Sirkülasyonlu sistemler, kolektör taşıyıcı boruları içerisindeki termal sıvının, kolektör kanatları ile soğurularak transfer edilen ısı sonucu genleşmesi ve yükselmesi esasına dayalı sistemlerdir. Bu sistemlerde kullanım suyu boyleri veya su tankı, kolektör üst seviyesinin daha üzerinde bir noktaya yerleştirilir. Genleşen termal sıvı, kolektör matrisinin üst bölümünden matrisi terkederek bünyesindeki ısıyı, boyler içerisinde kullanım suyuna aktarır ve yerçekimi marifeti ile tekrar kolektörün alt kısmından matrise geri döner. Bu sistemler saatte 15 lt mertebesinde düşük akımlı, düşük basınçlı sistemler olarak, sirkülasyonlarını tamamlamak için belirli bir enerji seviyesine ihtiyaç duyarlar. Dolayısı ile kullanım alanları kısıtlı, verimlilikleri nisbeten düşük ve dönemsellikleri daha kısadır. Gelişmiş termosifon sistemlerde, termal sıvı kullanım suyu ile asla karışmaz. Bu tip devrelere kapalı devre adı verilir. Ülkemizde, özellikle evsel kullanımda açık veya kapalı devre doğal Sirkülasyonlu termosifon sistemler kullanılmaktadır. Dolayısı ile kurulu kolektör alanı büyüklüğüne kıyasla elde edilen termal enerji, özellikle ülkemiz potansiyeli göz önüne alındığında oldukça düşüktür. Gelişmiş ülkelerde bu sistemler, hem estetik hem de verim kısıtları dolayısı ile kullanılmamaktadırlar. Şekilde basit bir doğal sirkülasyonlu sistem şeması görülmektedir.

Cebri sirkülasyonlu sistemler, sirkülasyonun harici bir pompa ile sağlandığı sistemler olarak kurgulanır. Bu sistemlerde belirli diferansiyel ısı senaryolarına göre, pompa veya pompalar bir kontrol cihazı  tarafından yönetilir. Büyük sistemlerde su hatlarındaki direncin artması sonucu tabii dolaşımın olmaması ve büyük bir deponun yukarıda tutulmasının zorluğu nedeniyle pompa kullanma zorunluluğu doğmuştur. Saatte ortalama 80 ile 100 lt akım hızlarına ulaşabilen bu sistemler uygun bileşenler ile tasarlandığında birim zamanda aynı kolektör matris alanından 2-3 kat daha fazla enerji üretebilirler. Sistem bileşenlerinin birbirinden ayrı olarak konumlanabildiği bu sistemler daha estetik ve yüksek verim gerektiren uygulamalarda tercih edilmektedirler. Pompalı sistemler otomatik kontrol devresi yardımı ile çalışırlar. Depo tabanına ve kollektör çıkışına yerleştirilen diferansiyel termostatın sensörleri, kollektörlerdeki suyun depodaki sudan yaklaşık 10ºC daha sıcak olması durumunda pompayı çalıştırarak sıcak suyu depoya alır, bu fark yaklaşık 3ºC olduğunda ise pompayı durdurur.

Yoğunlaştırıcı Güneş Enerjisi Sistemleri

Bugüne kadar güneş enerjisi ile elektrik üretiminde başlıca iki sistem kullanılmıştır. Birincisi, güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik sistemlerdir. İkinci sistem ise, güneş enerjisinin yoğunlaştırıcı sistemler kullanılarak odaklanması sonucunda elde edilen kızgın buhardan, konvansiyonel yöntemlerle elektrik üretimidir.

Termal güneş enerjisi sistemleri, birincil enerji kaynağı olarak güneş enerjisini kullanan elektrik üretim sistemleridir. Bu sistemler temelde aynı yöntemle çalışmakla birlikte, güneş enerjisini toplama yöntemleri yani kullanılan kolektörler bakımından farklılık gösterirler. Güneş enerjisi uygulamalarında, düzlemsel güneş kolektör sistemlerinin yanı sıra daha yüksek sıcaklıklara ulaşmak için yoğunlaştırıcı kolektör sistemleri kullanılmaktadır. Günlük sıcak su temininde kullanılan termal güneş enerjisi sistemlerinde elde edilen sıcaklık göreceli olarak düşüktür. Bu sistemlerin tasarlanma amacı, 200ºC altındaki uygulamalarda en düşük fiyat/performans oranını yakalamaktır. Öte yandan, proses ısı veya geniş çapta elektrik üretimi gibi endüstriyel uygulamalar için bu sıcaklıkların üzerinde sıcaklıklara ulaşmanın gerekliliği, yoğunlaştırıcı güneş enerjisi sistemlerinin geliştirilmesini sağlamıştır.

Düzlemsel güneş kolektörleri için kullanılan kavram ve tarifler, yoğunlaştırıcı kolektörler için de geçerlidir. Bununla birlikte, yoğunlaştırıcı kolektör teknolojisinin daha karmaşık olması nedeniyle, yeni tariflerin yapılması gereklidir. Kolektörlerde güneş enerjisinin düştüğü net alana “açıklık alanı” ve güneş enerjisinin yutularak ısı enerjisine dönüştürüldüğü yüzeye de “alıcı yüzey” denir. Düzlemsel güneş kolektörlerinde açıklık alanı ile alıcı yüzey alanı birbirine eşittir. Yoğunlaştırıcı kolektörlerde ise güneş enerjisi, alıcı yüzeye gelmeden önce optik olarak yoğunlaştırıldığı için alıcı yüzey, açıklık alanından daha küçük olmaktadır.

Güneş enerjisini yoğunlaştıran kolektörlerde en önemli kavramlardan biri  “yoğunlaştırma oranı”dır. Yoğunlaştırma oranı, açıklık alanının alıcı yüzey alanına oranı şeklinde tarif edilir. Yoğunlaştırma oranı, iki boyutlu yoğunlaştırıcılarda (parabolik oluk) 300, üç boyutlu yoğunlaştırıcılarda (parabolik çanak) 40.000 mertebesindedir.

Bu tür kolektörlerde güneş enerjisi, yansıtıcı veya ışın kırıcı yüzeyler yardımı ile doğrusal ya da noktasal olarak yoğunlaştırılabilir.

Bu sistemlerde güneş ışığı, tek veya iki akslı takip sistemlerine monte edilmiş yüksek yansıtma özelliğine sahip yüzeyler tarafından yoğunlaştırılarak odaklanır ve odaklanan enerji bir soğurucu tarafından soğurularak verimli termal enerjiye dönüştürülür.

Toplama elemanı olarak parabolik oluk kolektörlerin kullanıldığı güç santrallerinde, çalışma sıvısı kolektörlerin odaklarına yerleştirilmiş olan absorban boru içerisinde dolaştırılır. Daha sonra, ısınan bu sıvıdan eşanjörler yardımı ile kızgın buhar elde edilir. Parabolik çanak kolektörler kullanılan sistemlerde de ya aynı yöntem kullanılır ya da merkeze yerleştirilen bir motor (Stirling) yardımı ile direkt olarak elektrik üretilir. Merkezi alıcılı sistemlerde ise, güneş ışınları düzlemsel aynalar (heliostat) yardımı ile alıcı denilen ısı eşanjörüne yansıtılır. Alıcıda ısıtılan çalışma sıvısından konvansiyonel yollarla elektrik elde edilir.

Teorik olarak, 46.211 konsantrasyon ölçeğine ve güneşin yüzey ısısı olan 5500ºC’ye ulaşmak mümkün olmakla birlikte, pratikte bu değerlere ulaşılması ne mümkündür ne de gereklidir. Birçok uygulama 250 – 1500ºC  aralığında seyretmektedir.

Termal Güneş Sistemleri ile Elektrik Üretimi

Sahra Çölü’nün %1’lik yüzey alanına kurulacak yoğunlaştırıcı termal güneş enerjisi sistemleri ile tüm dünyanın gereksinim duyacağı elektrik enerjisi üretilebilir. PV sistemlerine kıyasla, tropikal iklimlerde çok daha düşük maliyet ile elektrik üretilebilir. Elektrik üretimine yönelik termal güneş enerjisi sistemleri üç ana başlık altında toplanabilir;

  • Parabolik Oluk Santralleri
  • Güneş Kuleleri
  • Çanak/Stirling Sistemleri

Termal Güneş Güç Santrallerinin Tasarım İlkeleri

Termal güneş güç santrallerinin tasarımında dikkate alınması gereken en önemli parametreler şunlardır;

  • Bölge seçimi
  • Güneş enerjisi ve iklim değerlendirmesi
  • Parametrelerin optimizasyonu

Parabolik Oluk Santralleri (POS)

POS’ların kuruluşu ve işletimi karmaşık olmakla birlikte işleyiş prensipleri oldukça basittir. Parabolik biçimli yansıtıcılar, ışınımı, odak noktasında bulunan ve içerisinde ısı transfer ortamı bulunan bir tüpe yansıtırlar. Bu tüp güneş enerjisini yüksek oranda soğurabilen ve etrafı ikince bir cam zarf ile kaplı bir tüptür. Tüpün içerisinde yaklaşık 400 ºC‘lere ısıtılan ortam (termal yağ) enerjisi, eşanjörler aracılığı ile su/buhar çevrimine aktarılır. Basıncı arttırılan besleme suyu, ön ısıtıcılar tarafından ısıtılır, buharlaştırılır ve tüp içerisindeki yüksek sıcaklıktaki ortam aracılığı ile yüksek sıcaklıklara ulaştırılır. Yüksek basınç ve sıcaklıktaki buhar, geleneksel buhar türbinlerine aktarılarak elektrik enerjisi elde edilir. Fosil yakıtlar ile birlikte de kullanılabilen POS’lar, tutarlı elektrik enerjisi üretiminde PV sistemlere bir alternatif  olabilmektedir.

Güneş Kuleleri

Termal güneş enerjisi sistemlerine bir alternatif de güneş kuleleridir. Bu sistemlerde yüzlerce hatta binlerce yansıtıcı güneşi takip ederek, ışınımı bir kule üzerine yerleştirilen merkezi soğurucuya yansıtırlar. 1000ºC derecelere kadar ısıtılan hava veya eriyik tuz karışımı tarafından soğurulan ısı, gaz veya buhar türbinlerine aktarılarak elektrik elde edilir.

Çanak/Stirling Sistemleri

Çanak/Stirling sistemleri, nispeten daha düşük kapasiteli ve şebeke elektriğinin ulaştırılamadığı veya ulaştırma maliyetlerinin yüksek olduğu segmentler için önerilebilir. Bu sistemlerde, güneş ışınımı, iki aksta takip sistemi üzerine kurulu yansıtıcı çanak tarafından odakta bulunan özel bir motor olan Stirling motorlarına yönlendirilir. Bu motorlar, kapalı devre gazların sıcaklık ve basınç değişimlerine göre faz değiştirme prensibi ile çalışan, ısının mekanik enerjiye dönüştürülebildiği motorlardır. Bu motor tarafından üretilen kinetik enerji doğrudan elektrik üretebilen kinetik bir jeneratöre aktarılır. Sistem, atık ısı üretebilen başka enerji kaynaklarıyla da beraber çalıştırılabilir. Parabolik çanak kolektörler ile elde edilen elektrik, diğer yöntemlerle elektrik üreten santrallere destek amacıyla ve maden ocakları, radar istasyonları ya da uzak köylerin elektrik ihtiyacının karşılanmasında kullanılır. Ayrıca, endüstride buhar üretimi, yer altı enjeksiyonu, petrol çıkartılması gibi işlemler için de kullanılır.

Pasif Güneş Mimarisi

‘Ekolojik mimari’, ‘sürdürülebilirlik’, ‘güneş mimarisi’ ve benzeri terimler son zamanlarda sıkça duyulur oldu. Bu terimlerin bir anda popülerleşmesi, bir yandan yeni kavramlar oldukları izlenimini yaratırken, diğer yandan da kimilerince “gelip geçici bir moda” şeklinde algılanmalarına yol açtı. Aslında her iki izlenim de yanlış.

Genel anlamda ekolojik mimarinin, özellikle de güneş mimarisinin tarihi binlerce yıl geriye uzanıyor. Aslında, belki de şu şekilde ifade etmek gerekli: Endüstri Devrimi öncesi yapılan binaların tümüne yakını ekolojik mimari ürünleridir, bunların büyük çoğunluğunda da pasif güneş prensipleri uygulanmıştır. Özetle, geleneksel mimari zaten ekolojiktir ve günümüzde yapılacak örneklere büyük ölçüde örnek teşkil eder.

Bu konuda kayda geçmiş en erken örneklerden biri M.Ö. 4. yüzyıla dayanır. Ünlü Romalı mimar Vitruvius’a göre, M.Ö. 470-399 yıllarında yaşayan Sokrat, pasif güneş enerjisinden faydalanan bir ev tasvir eder. Sokrat, tasvirinde, evin asıl cephesinin güneye bakması gerektiğini, böylece güneşin ısısından faydalanılabileceğini yazar. Çatıya geniş bir saçak ekleyerek hem yaz güneşinden korunulabileceğini hem de kışın güneşin içeri alınabileceğini kaydeden Sokrat, aynı zamanda da soğuk rüzgârlardan korunabilmek için kuzey cephesinin alçak yapılmasını önerir.

Türkiye’de halen geçerli Isı Yalıtım Yönetmeliği uyarınca, İstanbul’un da bulunduğu 2. Bölge’deki bir binanın dış duvarları en fazla 0,6 W/m²K’lik bir ısı iletkenlik (U) değerine sahip olmalıdır.

Bu, bir metrekarelik duvar yüzeyinden, iç-dış sıcaklık farkı bir derece Kelvin (= bir derece Santigrad) olduğunda, 0,6 vatlık ısı kaybolduğu anlamına gelir. Oysa, iyi yalıtılmış bir binada bu değer rahatlıkla 0,2 W/m²K mertebelerine indirilebilir.[2]

Güneş enerjisini toplama yöntemleri

Güneş enerjisini toplamak için kullanılan en önemli öğe camdır. Camın pasif güneş mimarisi bakımından en önemli özelliklerinden biri, görünen ışığı geçirmesine rağmen, kızıl ötesi ışınları büyük ölçüde bloke etmesidir. Güneşten gelen ışınlar, camdan neredeyse hiç engellenmeden iç mekâna geçerler. Çeşitli nesnelere çarpan bu ışınlar soğurulup, farklı bir ışınım türü olan kızıl ötesi ışınıma dönüşürler. Kızıl ötesi ışınımın bir diğer adı “ısı”dır. İçeride biriken bu kızıl ötesi ışınım, yani ısı, camdan pek kolay geçmediğinden mekânın içinde hapsolur. Aşağıda, camın ne tür mimari elemanlar bünyesinde kullanıldığını göreceğiz.

Güneye Bakan Pencere

En basit ısı toplama elemanı, bildiğimiz penceredir. Güneye bakan pencereler, gün boyu güneşten gelen ısıyı toplayıp, mekânın içinde hapsederler. Güneye bakan pencerelerin en önemli dezavantajı, yaz aylarında iç mekânın fazla ısınmasına yol açmalarıdır. Bunu engellemek için, Sokrat’ın 2.500 yıl önce de belirttiği gibi, saçaklardan faydalanılabilir (Şekil 1). Yaz güneşi, kış güneşine kıyasla daha dik bir açıyla geldiğinden, pencerelerin üzerindeki saçaklar, yaz güneşinin mekâna giremeyeceği şekilde boyutlandırılmalıdır. Daha etkili bir yöntem pencerenin kepenklerle örtülmesidir. Söz konusu kepenklerin ısı yalıtım değerleri yüksek tutulursa, aynı zamanda kış mevsimi güneş olmayan vakitlerde pencereden ısı kaybedilmesini de hatırı sayılır derecede yavaşlatır.

Güneye bakan pencere sayısını artırdıkça, güneşten elde edebileceğimiz enerji miktarı da artar. Bu yüzden, pasif güneş mimarisi prensiplerini uygulayan binalar, genellikle uzun kenarlarından biri güneye bakacak şekilde, dikdörtgen veya benzeri formlarda tasarlanırlar.

Güneş Sobası

Güneş sobası, temelde güneye bakan pencereye benzer. Ancak burada güneş ışınımı daha verimli biçimde ısıya dönüştürülür. Soba, bir çift cam katmanının arkasına yerleştirilmiş koyu renkli bir metal plakadan ve bu öğeleri barındıracak iyi yalıtımlı bir kutudan ibarettir. Söz konusu kutu, binanın güney cephesine düşey konumda veya güneş ışınlarını dik olarak görecek şekilde eğimli yerleştirilir ve iki adet hava kanalıyla binanın iç mekânına bağlanır. Sobanın içindeki hava, güneşin etkisiyle ısınır ve yukarıdaki hava kanalından binanın içine akar. Bu, alttaki hava kanalından serin havanın sobanın içine dolmasını sağlar. Serin hava ısınır ve tüm işlem tekrarlanır. Yaz aylarında güneş sobasının hava kanalları kapatılarak binayı gereksizce ısıtması engellenebilir. Ya da soba, mekânın havalandırılması amacıyla kullanılabilir. Sobanın üst kısmındaki bir kapak, ısınan havanın mekân içine değil, dışarı atılmasını sağlar. Soba içindeki havanın bu yukarı doğru hareketi de, alttaki hava kanalında bir negatif basınç oluşturur. Bu negatif basınç, binanın içindeki havanın emilmesini sağlar. Eğer binaya nisbeten serin bir noktadan temiz hava girişi sağlanabiliyorsa (örneğin kuzey cephesindeki bir pencereden), bina serinletilebilir.

Kış Bahçesi

Kış bahçesi, yukarıda bahsi geçen ısı bölgelemesi kavramını içerdiğinden ve kısmen güneş enerjisini depolama işlevini de yerine getirdiğinden, güneş enerjisini toplamanın en etkili yöntemlerinden biridir. Kış bahçesinin ısı toplama özelliklerinden bahsetmeden önce, ısı bölgelemesi kavramını ele alalım.

Isı bölgelemesi için anahtar kelime “tampon bölge”dir. Amaç, binanın yaşanan mekânlarıyla dış mekân arasında bir geçiş mekânı, yani tampon mekân yaratmaktır. Her zaman kullanılmadığından, kış bahçesinin içindeki sıcaklıklar, insan konforu için gereken sınırların dışında kalabilir. Örneğin, gece dış sıcaklığının 0 dereceye düştüğü bir ortamı düşünelim. Bu durumda, kış bahçesinin sıcaklığı 10 derece bile kalsa, esas yaşam mekânlarından buraya “kaçacak” ısı miktarı daha az olacaktır.

 


Isı bölgelemesinin bir diğer uygulama alanı da, kullanımda olmayan mekânların ısıtılmaması ya da soğutulmamasıdır. Böylece, sadece gerekli mekânlar iklimlendirilir, fazlası için enerji harcanmaz. Aynı olgu, binanın yazın ve kışın kullanılacak mekânlar şeklinde tasarlanması durumunda da geçerlidir. Genel bir kural olarak (kuzey yarımkürede geçerli), binaların kuzeye bakan odaları yaz aylarında, güneye bakan odaları kış aylarında daha uygun konfor koşulları sağlarlar.

Güneş enerjisini depolama yöntemleri

Trombe duvarı, kullanımını yaygınlaştıran Fransız mühendis Felix Trombe’un adıyla anılır. Trombe, mimar Jacques Michel’in 1964’te Odeillo, Fransa’da tasarladığı bir pasif güneş evinde kullandığı ısı depolama sistemi sayesinde tasarımını dünya kamuoyuna duyurmuştur. Söz konusu tasarım daha sonra, özellikle de 1970’li yıllarda inşa edilen pasif güneş evlerinin “olmazsa olmaz” öğesi haline gelmiştir. En yalın şekliyle Trombe duvarı, güneş gören çift camlı bir pencerenin arkasına yerleştirilen, ısı depolama kapasitesi yüksek malzemeden inşa edilmiş bir duvardan ibarettir. Söz konusu duvar, özellikle koyu bir renge boyanmışsa, gün boyunca güneşten gelen enerjiyi soğurur ve depolar. Akşam, güneş çekildikten sonra da bu ısıyı yavaş yavaş iç mekâna verir. Bu esnada, bina cephesindeki camın bir ısı yalıtım malzemesiyle örtülmesi, duvardaki ısının dışarıya kaçmasını engeller. Trombe duvarı, malzemesi ve kalınlığına bağlı olarak farklı miktarda ısı depolar ve bu depoladığı ısıyı belirli bir gecikmeyle (ısının dış yüzeyden iç yüzeye kadar ulaşması için gereken süre) iç mekâna iletir. Aşağıda, değişik kalınlıklardaki tuğla Trombe duvarların ısıyı ne kadar sürede iç mekâna ilettikleri ve duvar iç yüzey sıcaklığının gece-gündüz arasında ne kadar oynadığını gösteren bir grafik bulunmaktadır.

Trombe Wall

Yukarıda açıklanan şekilde inşa edilen Trombe duvarları, gayet etkin ısıtma sağlarlar, ancak ufak bir detaylandırma farkıyla duvarın etkinliği hatırı sayılır biçimde artırılabilir. Tıpkı güneş sobasında olduğu gibi, Trombe duvarına iki adet hava kanalı açılırsa, mekândaki hava ısı akışımı (konveksiyon) yoluyla da ısıtılır. Güneş çekildikten sonra hava akışının tersine dönmemesi için hava kanalları kapatılır.

Güneş enerjisinin soğutma amacıyla kullanılması

Pasif güneş mimarisi dendiğinde öncelikle akla binanın güneş ışınlarıyla ısıtılması gelir. Doğrudur da. Ancak güneş, binayı serinletmek için de kullanılabilir. Bu başta akla ters gelse de, güneşi ısı değil de enerji kaynağı olarak düşünürsek, konuyu kavramak kolaylaşır. Nasıl klimalar elektrik enerjisi kullanarak binalarımızı soğutuyorlarsa, ısı enerjisi kullanarak da aynı işi yapabiliriz. Tabii bunu pasif güneş mimarisi sınırları içinde yapmak her zaman kolay olmayabilir. Ama bu imkânsız olduğu anlamına gelmez.

Güneş bacası

Güneş bacası, binanın çatısına yerleştirilmiş ufak bir Trombe duvarından ibarettir. Ancak söz konusu duvar ısıtma için değil, salt havalandırma için kullanılır. Tıpkı hava kanallı Trombe duvarında olduğu gibi, duvar ısınır ve çevresindeki havayı ısıtır. Isınan hava yükselir ve havalandırma menfezinden dışarı atılır. Dışarı atılan havanın yerine serin bir noktadan temiz hava girişi sağlanır

Toprak altı hava kanalları (Kanatlar)

Toprağın 5-6 m. altına inildiğinde, sıcaklık yaz kış 12-16 derece civarında kalır. Bu, yazın binaları serinletmekiçin müthiş bir olanaktır. Söz konusu serinletme yöntemi o kadar etkilidir ki, özellikle Mezopotamya’da binyıllarca kullanılmıştır. Farklı coğrafyalarda kanat, karez, galeria, falaj gibi değişik isimlerle anılan bu kanallar, başlangıçta yeraltı suyunun yerüstüne çıkartılarak sulama amaçlı kullanılması için inşa edilmiştir. Ancak zamanla kanada inen düşey kanallardan (kanadın kazılması sırasında bunların açılması zorunludur) serin hava elde edilebildiği fark edilince, kanatlar binalarda serinletme amacıyla da kullanılmıştır


1 Kasım 2008 tarihli Binalarda Isı Yalıtımı Yönetmeliği.

[2] Söz konusu yalıtım değeri, bina duvarına kabaca 15 cm. genleştirilmiş polistren uygulayarak elde edilebilir.

Şahmuratlı Köyü’nün Güneşli Yemekleri

Güneşin olduğu yerde yemek pişirmek ve sebze kurutmak için başka bir enerjiye ihtiyacınız olur mu? Şahmuratlı Köyü ve Kerkenes’i Tanıtma Derneği’yle (Yozgat) ODTÜ Kerkenes Proje Ekibi’nin ortak olarak gerçekleştirdikleri projede, güneş ocakları ve güneş kurutma fırınlarının etkinliği köyde denendi ve gösterildi. Güneş ocaklarının çalışma prensibi, güneşin tencere üzerine odaklanması; kurutma fırınlarının çalışma prensibiyse güneşle ısınan havanın ünite içinde raflar arasında dönmesi olarak özetlenebilir.

Kirazlı Köyü’nde Geleneksel Ürünleri Güneşle Kurutma

Kuşadası Kirazlı Köyü’nün yerli domatesleri, patlıcanları, kara kirazları, osmancık üzümleri artık güneş fırınlarında kurutulacak. Kirazlı Ekolojik Yaşam Derneği, 2007 yılında hayata geçirdiği, yerli sebze ve meyvelerinin devamlılığını hedefleyen projenin ardından, ürünlere katma değer kazandırmak ve uzun kullanım ve pazar ömrü sağlamak amacıyla yeni bir çalışma başlatıyor. Bu çalışmada, 2007 projesinde denemesi yapılan güneş kurutma fırını tasarımının geliştirilmesi ve güneş enerjisinin sebze meyve kurutmada köy halkınca yaygın kullanımı hedefleniyor.

Proje, Met Mekanik Firması’nın teknik danışmanlığı, GEF Küçük Destek Programı (SGP) ve Değirmen Çiftliği’nin maddi destekleri ile yürütülecek. Kurutma fırınlarında, güneş kolektörlerinde ısınan havanın yükselerek fırın içindeki raflar arasında dolaşması, nemlenen havanın da bacadan çıkarak kurutmanın sağlanması üzerine kurulu bir sistem var. Proje ile, güneş enerjisinin mevsimsel ve günlük değişiminden etkilenmeyecek ve değişik meyve ve sebze özellliklerine göre ayarlanabilecek şekilde fırınların kullanımı, gösterimi ve yayımı gerçekleşecek. Hızlı, sağlıklı ve kaliteli kurutmanın aracı olan güneş kurutma fırınlarının Kirazlı’da denenip kullanılmasının ardından, fırınların önce civar köylere, sonra yöreye ve tüm Türkiye’ye yayılması bekleniyor.

Fotovoltaikler ve Uygulamaları

Fotovoltaik (PV), iki kelimenin birleşiminden oluşur. “Foto” yani ışık ve “voltaik” yani elektrik. Fotovoltaik teknolojiler, güneş enerjisini (ışığını) elektriğe çevirmekte kullanılır.

Güneş ışığı altında elektronları açığa çıkarmak için özel yarı iletken malzemeler kullanılır. En çok kullanılan yarı iletken malzeme silikondur. Silikon, dünya üzerinde en bol bulunan ikinci malzemedir. Burada, ışık kullanılarak doğru akım (DC) yaratılır. Sıklıkla, bu akım, invertörler yardımıyla daha yaygın olarak kullanılan alternatif akıma (AC) çevrilir.

Fotovoltaik paneller pek çok alanda kullanılabilir. Genel olarak, kullanım alanları, şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız uygulamalar olarak ikiye ayrılabilir.

Şebekeye bağlı uygulamalar, ya yalnızca üretici tarafından tüketilmeyen fazla elektrik enerjisini ya da üretilen enerjinin tümünü şebekeye besler. Tipik şebekeye bağlı uygulamalara örnek olarak konutların çatılarındaki sistemler (ortalama 3 kilovat büyüklükte) verilebilir. Bu uygulamalar birkaç megavat büyüklükteki daha büyük tesislerde de yapılabilir.

Şebekeden bağımsız sistemlerin ise elektrik şebekesiyle bağlantısı yoktur (Bkz. Şekil). Bu sistemler, gelişmekte olan ülkelerde, kırsal bölgelerdeki elektrik üretimine katkıda bulunur. PV, ayrıca şebekeyle bağlantının mümkün olmadığı pek çok endüstriyel uygulamada da (telekomünikasyon vb) kullanılmaktadır. PV’nin kullanıldığı bir diğer alan da tüketici ürünleridir;örneğin, hesap makineleri.

Kaynak: Avrupa Fotovoltaik Teknoloji Platformu

2006 yılında, PV endüstrisi yaklaşık 10 milyar Avro ciro yaptı. PV hücre üretiminde Japon şirketleri önde gelse de, Avrupalı şirketler de giderek pazar payı kazanmaktadır.

PV’nin ömrü boyunca, üretilen her bir megavat, 50 iş imkânı yaratmaktadır. Küresel PV endüstrisi bugüne kadar 50.000’den fazla istihdam yarattı bile. Endüstride beklenen büyüme göz önüne alındığında, potansiyel istihdam artışı oldukça çarpıcıdır.

Halihazırda farklı formlardaki (mono kristal, poli kristal, şerit) kristalli silikon solar (c-Si) hücrelerinin %90’lık bir pazar payı mevcuttur. Gerisi ise ince film (TF) teknolojilerine (amorf Si, Cl(G)S, CdTe) ait. Dünyanın dört bir tarafında, PV katma değer zincirinin her bir halkasında üreticiler (silikon, hücre katmanı, hücre, modül) mevcuttur ve bu endüstriler, ulusal ekonomilere büyük katkı sağlamaktadır.

Bunların arasında, ince film teknolojileri, en hızlı gelişenidir. Uzun vadede de belli özelliklere sahip çeşitli PV teknolojileri farklı uygulamaların ve ihtiyaçların hizmetinde olacaktır.Halihazırda farklı formlardaki (mono kristal, poli kristal, şerit) kristalli silikon solar (c-Si) hücrelerinin %90’lık bir pazar payı mevcuttur. Gerisi ise ince film (TF) teknolojilerine (amorf Si, Cl(G)S, CdTe) ait. Dünyanın dört bir tarafında, PV katma değer zincirinin her bir halkasında üreticiler (silikon, hücre katmanı, hücre, modül) mevcuttur ve bu endüstriler, ulusal ekonomilere büyük katkı sağlamaktadır.Halihazırda farklı formlardaki (mono kristal, poli kristal, şerit) kristalli silikon solar (c-Si) hücrelerinin %90’lık bir pazar payı mevcuttur. Gerisi ise ince film (TF) teknolojilerine (amorf Si, Cl(G)S, CdTe) ait. Dünyanın dört bir tarafında, PV katma değer zincirinin her bir halkasında üreticiler (silikon, hücre katmanı, hücre, modül) mevcuttur ve bu endüstriler, ulusal ekonomilere büyük katkı sağlamaktadır.

Kaynak: Avrupa Fotovoltaik Teknoloji Platformu

Kimileri, PV elektriğin maliyetinin diğer seçeneklerle rekabet etmeye engel olduğunu iddia ediyor.

İşin doğrusu, fotovoltaik (PV) enerji, teknolojiden güç alan bir endüstridir. Fiyat eğrisi, yirmi yıldan uzun zamandır masrafların sürekli düştüğünü ve daha da düşeceğini göstermektedir. Diğer yandan, alışılagelmiş enerji masrafları çeşitli nedenlerle sürekli artmaktadır. Fotovoltaik enerjinin çeşitli uygulamalarda diğer seçeneklerle rekabet ettiğini bundan sonra daha da sık göreceğiz.

Çatıya yayılmış fotovoltaik bir sistem, enerjiyi tam ihtiyaç duyulan noktada üretir. Fotovoltaik bir sistemin ürettiği elektrik, yaz günleri, öğleden sonra tüketilen elektriğin tepe noktasıyla optimal düzeyde örtüşür. Fiyatları karşılaştırırken bunu dikkate almak gerekir.

Bu nedenle şöyle demek daha doğru olur: “PV elektrik, diğer seçeneklerle bütünüyle rekabet edebilecek duruma gelmek üzeredir.”

Pazarın bugünkü büyüme hızıyla, fotovoltaik elektrik fiyatları, Güney Avrupa’da 2015’e kadar diğer seçeneklerle rekabet edebilir hale gelecektir. Orta ve Kuzey Avrupa’da ise bu 5-10 yıl daha sonra olacaktır. Alışıldık enerji kaynaklarının harici maliyetlerinin hesaba katılmasıyla fotovoltaik elektriğin fiyat verimliliği daha da artacaktır.

“PV elektrik, alışıldık yakıtlarla rekabet edecek hale geliyor. 2030’da elektrik ihtiyacımızın büyük bir kısmını PV karşılıyor olacak.”

Dr. Winfried Hoffmann, Uygulamalı Malzemeler Başteknisyeni, Avrupa Fotovoltaik Endüstri Derneği Başkanı

Kaynak: Avrupa Fotovoltaik Teknoloji Platformu

Kimilerinin güneşten elektrik üretmenin zengin ülkelerin harcı olduğunu, dolayısıyla kırsal uygulamalar için uygun olmadığını söylediği kulağınıza gelmiştir.

İşin doğrusu, 25 yıl önce fotovoltaik (PV) enerji üretimine başlandığında, bu sistemler ilk olarak şebekeden bağımsız, kırsal alanlarda konvansiyonel sistemlerle rekabet etmiştir. Şebekeden bağımsız, profesyonel ve konutsal PV sistemler dünya üzerindeki ilk uygulamalardır.

Dünya nüfusunun üçte biri kırsal alanlarda, elektriksiz, dolayısıyla da temiz sudan yoksun ve modern hayattan kopuk yaşamaktadır. PV elektriğin modüler özelliği sayesinde bu insanların kalkınması, eğitim ve iletişim olanakları için temiz elektrik kullanılabilir.

Bu nedenle şöyle demek daha doğru olur: “Gelişmekte olan pek çok ülkede fotovoltaikler, temel kırsal enerji ihtiyaçlarını en düşük maliyetle karşılayan seçenektir.”

Japonya, ABD ve Almanya gibi gelişmiş ülkelerdeki seri üretim ve pazarlar, üretim masraflarının düşmesini sağlamaktadır. Bunun sonucunda, gelişmekte olan ülkeler de yakın bir gelecekte PV sistemlerin masraflarını karşılayabilecek hale gelecektir.

“Biz petrol ve su için savaşlar yaparken, dünya nüfusunun giderek büyüyen bir kısmı temiz sudan ve elektrikten mahrum. Bu konudaki sorumluluğu üstlenmemiz lazım.”

Ord. Prof. Dr. Joachim Luther, Fraunhofer Güneş Enerjisi Sistemleri Enstitüsü (ISE), Fotovoltaik Alanında Üstün Başarılar İçin Verilen Becquerel Ödülü Sahibi

Kaynak: Avrupa Fotovoltaik Teknoloji Platformu

Kimileri fotovoltaiklerin mevcut elektrik şebekesine entegre edilemeyeceğini iddia ediyor.

İşin doğrusu, Avrupa’daki yaklaşık 3 GW’lık fotovoltaik (PV) kapasite şebekeye bağlıdır. Bugüne kadar edinilen deneyimlere göre bu teknolojiyi mevcut elektrik ağının içinde kullanmanın hiç de zor olmadığı söylenebilir.

Tüm enerji sistemlerinde, elektriğin üretimi ile tüketimi daima örtüşmelidir. Araştırmalar, rüzgâr enerjisinde 0,15’lik bir korelasyon ortaya çıkarmıştır. Yani rüzgâr türbinlerinin, enerji talebinin ancak %15’ini karşılaması beklenebilir. Bu oran düşük olmakla birlikte, Danimarka’da rüzgâr enerjisi, talebin %32’sini karşılamaktadır. Aynı araştırmaya göre, PV elektrik üretiminin korelasyonu 0,21’dir. Yani PV, elektrik talebini karşılamada rüzgârdan daha iyi durumdadır.

Elektrik üretimi tahminlerine bakıldığında, şebekeli bir elektrik sisteminde veya rüzgâr enerjisinin hâkim olduğu bir sistemde, PV elektrik, bir güç kaynağı olarak çekici hale gelecektir.

Bu nedenle şöyle demek daha doğru olur: “PV’nin tanımlı bir üretim profili vardır ve genellikle diğer şebeke veya merkezi elektrik kaynaklarını tamamlayıcı niteliktedir.”

Bir PV elektrik santrali, günün ve yılın elektrik talebinin en yoğun olduğu saatlerde (klimaların sonuna kadar açıldığı gündüz saatlerinde), üretimde tepe noktasını yapar.

Çatı üzerine yerleştirilen şebekeye bağlı PV sistemler, kullanıcının gündüz elektrik ihtiyacını, dolayısıyla da genel elektrik talebini azaltacaktır.

“Şebeke elektriği üreten bir sistem operatörü için esas sorun üretimin kendisi değil, üretim sürekliliğine çözüm getirmektir.”

Lise Nielson, PV Teknoloji Platformu’nun ayna grubu üyesi ForskEL programı koordinatörü, Energinet.dk

Kaynak: Avrupa Fotovoltaik Teknoloji Platformu

Kimileri şebekeden bağımsız fotovoltaik sistemlerin, ticari gereksinimlere cevap verecek yeterlilikte olmadığını iddia ediyor.

İşin doğrusu, fotovoltaik (PV) sistemler çoğu zaman bağımsız uygulamalar için en uygun çözüm oluyor. Ayrıca, güneş enerjisi, merkezden uzak noktalarda enerjiye ihtiyaç duyulan endüstriyel enerji hizmet uygulamaları için her geçen gün daha verimli çözümler sunuyor. Büyük elektrik yükleri gerektiğinde, fotovoltaikler, başka yenilenebilir enerji teknolojileriyle veya küçük bir dizel jeneratörle bir arada kullanılarak bir hibrit sistem oluşturulabilir.

Hibrit sistemlerin parçası olan PV sistemler, merkezden uzak noktalardaki çeşitli uygulamalar için uygun çözümler sunmaktadır. PV hibrit sistemler, konutlar ve atölyeler gibi tek tek kullanıcılardan, MW mertebesindeki mini-şebekelere kadar uygulama imkânı bulur. Buralarda PV, rüzgâr türbini, mikro-hidroelektrik ve diğer üretim yöntemleriyle birleştirilerek kullanılır. Böylece PV sistemler, çiftlik, su pompası, dükkân, küçük işletme ve endüstriyel tesisler ile eğitim tesisleri gibi yerlerde gelir elde etmeye katkıda bulunabilir.

Bu nedenle şöyle demek daha doğru olur: “Güneş enerjisi, çeşitli ticari uygulamalarda tercih edilen elektrik kaynağıdır. Daha büyük elektrik yükleri gerektiğinde, PV içeren hibrit sistemler kurmak, fiyat verimliliği sağlar.”

Fotovoltaikler sıklıkla, diğer enerji üretim biçimleriyle en rekabetçi olabildikleri bir alanda, yani merkezden uzak noktalarda kullanılır. 2005’te şebekeden bağımsız PV uygulamaları, 96 MW kurulu güçle PV pazarının %8’ini oluşturuyordu.

Güneş enerjisinin ticari uygulamaları arasında şunlar bulunur:

  • İletişim sistemleri
  • Navigasyon sistemleri
  • Katodik koruma
  • Sokak aydınlatması
  • Güvenlik uygulamaları

Kimilerinin fotovoltaik enerjinin ekonomi üzerinde bir etkisinin olmadığını söylediği kulağınıza gelmiştir.

İşin doğrusu, 2006’da 50.000’den fazla çalışanın PV endüstrisinde iş bulmuş olduğu ve bu sektörde 10 milyar Avro’luk ciro yapıldığıdır. Geleceği parlak bu yüksek teknolojili endüstride yeni iş imkânları yaratmaya devam edilmektedir.

Yüksek teknolojili PV endüstrisi, halihazırda dünya çapında yeni üretim kapasitesine yatırım yapmaktadır. Tesisler MW ölçeğinden GW ölçeğine geçmektedir. Finans sektöründeki çeşitli analizlerin de desteklediği gibi PV, yatırımcılar açısından ümit vaat eden bir iş koludur.

Bu nedenle şöyle demek daha doğru olur: “PV elektrik, güçlü bir büyüme potansiyeli olan  stratejik bir iş alanıdır.”

10 yıldır yıllık ortalama %35’lik büyüme oranıyla, PV, en hızlı büyüyen endüstrilerden biridir. Temkinli davranıp yılda %25’lik bir büyüme oranı varsaydığımızda bile, 2030’da PV iş kolu, dünya çapında 175 milyar Avro’yla yarı iletken endüstrisini geçmiş olacaktır.

“Alman EEG, PV endüstrisine yatırım alanında olumlu bir yol açtı. Bu sayede, binlerce yeni iş yaratıldı.”

Gerhard Stryi-Hipp, Alman PV İşletmeler Derneği Yöneticisi, Bundesverband Solarwirtschaft (BSW)

Kaynak: Avrupa Fotovoltaik Teknoloji Platformu

Bina Etüdü

Bu bölümde, tek veya çift ailelik bir binanın çatısına konacak bir PV sistem için bir liste sunuyoruz. İnşaat belgelerinin kopyaları (zemin planı, kesit, çatı planı ve vaziyet planı) mevcutsa müşteriden alınmalıdır. Daha büyük PV sistemlerde daha ayrıntılı bir incelemeye ihtiyaç vardır. Gerekirse, bu modele dayanarak kendi listenizi oluşturabilirsiniz. Sistem kısmen gölgeli olacaksa, ilave listeler de kullanılabilir.

Gölge unsurlarının PV sistem üzerindeki etkisini değerlendirmek için, Şekil 3.14’teki gibi kaba bir eskiz yapmak iyi olur. Bu, listenin üzerine, yönleri gösteren alana veya vaziyet planının üstüne yapılabilir. Yeni bir binada, etrafta başka bina ve ağaçlandırma yapılıp yapılmayacağı ve ağaçların büyümesi de göz önüne alınmalıdır.

Eskizin veya vaziyet planının üzerine aşağıdakiler işaretlenmelidir (gerektiği takdirde fotoğraflar da eklenmelidir):

  • Çatı alanı (yönler de dikkate alınarak)
  • PV sistem için kullanılabilecek alan
  • Baca, anten, uydu çanakları
  • Civardaki binalar (yaklaşık mesafe ve yükseklik)
  • Ağaçlar (yaklaşık mesafe ve yükseklik), yapraklarını döken ağaçları ve kozalaklı ağaçları işaretleyerek
  • PV sistemi gölgeleyeceklerse, tepeden geçen hatlar (elektrik, telefon)
  • Diğer gölge unsurları: Binaların düşen gölgeleri, çatı pencereleri, vs.

 

Gölge siluetleri, ilgili güneş yolu diyagramının üzerine işaretlenebilir (bkz. 3.3.2). Bu, ilk alan ziyaretinde yapılırsa, gölgeleme konusunda müşteriye bir ön tahmin verilebilir.

Etiketler (gerekiyorsa, yükseklikleriyle):

PV için kullanılabilir alan = PV

Çatı penceresi =

Anten =

Baca =

Kozalaklı ağaç=

Yaprak döken ağaç=

Şekil 3.14

Bina incelemesi örnek eskizi

 

3..4.1 PV sistem listesi

Müşterinin ismi: ____________________________

Sokak, numara: _____________________________

Posta kodu, şehir: ___________________________

Telefon (özel): ________________

Telefon (iş):_____________ Şu saatler arasında: ________ – _________

Faks: _______________

İnşaat alanının adresi (yukarıdakinden farklıysa): _________________________ _________________________________________________________________

 

Gerekirse:                   Mimar: _______________________

Elektrikçi: _____________________

Çatı ustası: ____________________

 

Şekil 3.15 PV sistem listesi – gerekli ölçüler

Müsait çatı alanı: Uzunluk =_________ m. x genişlik =________ m. = __________ m2

 

Diğer çatı elemanları:             Baca                           Anten

Tepe penceresi            Paratoner

Çatı penceresi             Diğer _________

 

FAYDALI BELGELER

İnşaat planları             Vaziyet planı              Zemin planı                Çatı planı

Cepheler                     Kesitler                       Binanın tanımı

 

Fotoğraflar                 Çatı                             Evin seçilen çatı alanıyla görünüşü

Saatin yeri                  Gölgeleme: Gölge durumu

 

MÜŞTERİNİN İSTEKLERİ VE BEKLENTİLERİ

PV modül türü                       Çatıya monte              Çatıya entegre                        Diğer

Mono-kristalli             Poli-kristalli                Amorf

İnce film

 

PV güç (yaklaşık) _________ kWp

Maksimum yatırım ___________

İstenen enerji üretimi ___________ kWh/yıl

Maksimum alan _____________ m2

Diğer _________________________

 

ÇATI

Çatı şekli         Beşik çatı        Düz çatı          Tek eğimli çatı

Kırma çatı       Topuz çatı       Mansart çatısı

Testeredişi çatı                       Beşik-topuz karma çatı

Diğer ____________________________

 

Çatı kaplaması                        Arduvaz          Oluklu Eternit             Bitümlü membran

Kiremit           Çakıl                           Zift

Alaturka (oluklu) kiremit       Düz kiremit     Marsilya kiremidi

Diğer ____________________________

 

Çatı inşaatı                 Isı yalıtımı?                 Evet                Hayır

Çatı alt strüktürü_________________________________________

Kirişlerin arasındaki mesafe=________________ m

Çatının erişilebilirlik durumu             Vinç gerekli                İskele gerekli

Araç erişimi                                        Evet                            Hayır

Kablo döşerken kullanılabilecek çatı açıklıkları        Evet                Hayır

Havalandırma kiremitleri

Diğer çatı açıklıkları

 

3.4.2 PV jeneratör, inverter ve elektrik saati

PV jeneratörün yönü

Güney yönü 0° kabul edilerek (-90° (doğu) +90° (batı)): ____________°

PV jeneratörün eğilme açısı 0°den (yatay) 90°ye (dikey): ____________°

Paratoner var mı?       Evet                Hayır

PV jeneratör nerede topraklanabilir? ________________________________

Jeneratör buatının yeri? __________________________________________

Elektrik saati nerede? Bodrum          Koridor           Salon

Depo               Binanın dışında: Mesafe_______m

Diğer ________________________________

Saat bağlantısı? ________________________________

Saate yer kalıyor mu?             Evet                Hayır

İnvertere de yer var mı?                     Evet                Hayır

İnverterin yeri? ________________________________

DC ana anahtarının yeri? _________________________

 

3.4.3 Hatlar ve kurulum

Yaklaşık kablo uzunluğu

PV jeneratörle buat arasındaki mesafe: _________________m

PV jeneratörle eşgerilimli dağıtım hattı arasındaki mesafe: _________________m

Jeneratör buatıyla inverter arasındaki mesafe: _________________m

İnverterle şebeke bağlantısı arasındaki mesafe: _________________m

DC ana kablosunun yeri ve tesisat türü: _________________m

AC bağlantı kablosunun yeri ve tesisat türü: _________________m

Çatı kırılmalı mı?        Evet                Hayır               Kaç kez?:_______

 

3.4.4 Diğer

Yıllık elektrik tüketimi? _______kWh/yıl

Yeni binada                Civardaki ağaçlandırma ve yeni bina projelerini araştır.

Gölgeleme için           Gölgeleme listesini kullan!

Ev tescilli mi ya da sit alanında mı?                    Evet                Hayır

3.4.5 Gölgeleme listesi

Çizin (ya da gerekiyorsa fotoğraf çekin)

  • Çatı alanı (yönünü belirtin)
  • PV sistemin için kullanılabilecek alan (PV sistemin merkezini koordinatların orijinine yerleştirin)
  • Baca, anten, uydu çanakları
  • Civardaki binalar (yaklaşık mesafe ve yükseklik)
  • Ağaçlar (yaklaşık mesafe ve yükseklik). Yapraklarını döken ağaçlarla kozalaklı ağaçları işaretleyin
  • Tepeden geçen hatlar (elektrik, telefon)
  • Diğer gölge unsurları: Binaların düşen gölgeleri

Evsel Kullanımda Pratik Maliyet Hesaplama:

[Fotovoltaik Panel Büyüklüğü(vat) × Güneşlenme Süresi(saat/gün) × Sistem Verimi ]= [Sistem Üretimi(vatsaat/gün)]

Ada Sistemi:

[Ortalama Günlük Elektrik Tüketimi (vatsaat/gün)] ÷ [Güneşlenme Süresi (saat/gün)] ÷[ %55 sistem verimi] = [Gerekli PV gücü vat olarak]

Tahmini Hesaplama:

[PV Panel Büyüklüğü(W) × 3] = [Üretim Miktarı(Wh/gün)]

[Üretim Miktarı (Wh/gün) × (1/3)] =[ PV Panel Büyüklüğü (W)]

Şebeke Bağlantılı Sistem:

[Ortalama Günlük Elektrik Kullanımı( kW-saat/gün) ÷ Güneşlenme Süresi(saat/gün) ÷ %70 Sistem Verimi] = [Gerekli PV gücü kilovat olarak]

Tahmini Hesaplama:

[PV Panel Büyüklüğü(W) × 4] = [Üretim Miktarı(kWh/day)]

[Üretim Miktarı (Wh/gün) × (1/4)] = [PV Panel Büyüklüğü (kW)]

(1kW’lık güç = 75 m2 PV Panel alanı)

1MW’lık kurulu PV Sistemi, Amerika Birleşik Devletleri’nde 31kWh/gün’lük tüketime sahip yaklaşık 130 konutun ihtiyacını karşılayabilmektedir. Türkiye’de dört kişilik bir ailenin aylık ortalama elektrik tüketimi 230kWh olmaktadır. 1 MW’lık kurulum, ülkemizde yaklaşık 520 evin aylık ihtiyacını karşılayabilir.

Elektrik Üretiminin Toptan Satışı (Dünya Genelindeki Ortalama Rakamlar):

Kömür = 4Euro/kWh

Doğal Gaz = 6 Euro/kWh

Rüzgar = 7Euro/kWh

PV = 14 Euro/ kWh (Bireysel üretim)

Hidroelektrik = 11 Euro/kWh

Jeotermal = 11 Euro /kWh

Nükleer = 14 Euro/ kWh

Merkezi PV Santralleri  = 15 Euro/kWh

Ülkemizde yoğunluklu kullanılan enerji çeşitlerinin maliyetleri ise 2008 sonu itibariyle;

  • 1 m3 doğal gazın her şey dahil tüketiciye satış fiyatı: 107, 87 ykr’dir.

(4 kişilik bir ailenin yıllık ortalama doğalgaz tüketimi: 1500m3’tür.)

  • 1kWh elektriğin konutlardaki satış fiyatı her şey dahil 24,9 Ykr’dir.
  • Enerji kaynakları dağılımı ise aşağıdaki tabloda özetlenmektedir.

VII. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, UTES’2008

Batarya Boyutları:

(kWh/gün) ÷ (3-5 Depolama Günü) × 3 = (Gerekli kWh Batarya Boyutu)

Şarj Kontrol Üniteleri Boyutları:

(PV Devre Akımı, amp) × 1,56 = (Toplam Amper Boyutu)

Şalter Boyutları:

(Devre Akımı, amp) × 1,56 = (Şalter Boyutu)