GÜNEŞ ENERJİSİ

Tolga Kaan KANATLI

Yakıt ve Enerji Teknolojileri Dersi Ödevi

Kimya Mühendisliği Bölümü

Nisan 2013

1

1. NEDEN GÜNEŞ ENERJİSİ

Jeotermal ve gelgit enerjisi dışında, diğer yenilenebilir enerjilerin

neredeyse hepsinin kaynağı güneştir. Örneğin rüzgarların oluşmasının sebebi

sıcaklık farkı, sıcaklık farkının en büyük oluşma sebebi ise yine güneşin yaydığı

ısıdır. Bu sebepten ötürü güneşin enerjisini dolaylı yollardan kullanmak yerine

doğrudan kullanmak daha verimli olacaktır.

Güneş enerjisi Neredeyse sonsuz bir enerji kaynağıdır, ve en güvenilir

enerjilerden birisidir. Güvenilirlik ise şu sebeptendir: Güneş, tutulmaların olacağı

günler dışında kesin olarak her sabah doğup her akşam batar. 24 saat boyunca

güneş enerjisinden yararlanamayacak olsak bile, her gün en az 8 saat boyunca

yararlanabileceğimiz kesindir. Güneşin aksine 24 saat boyunca yararlanılabilecek

olan rüzgar ise daha değişkendir. Rüzgarın haftalarca esmemesi mümkündür ama

güneş her gün kesinlikle doğacaktır. Sadece havanın kapalı olması durumunda

bazı sistemlerde enerji düşüşü yaşanır ama az da olsa enerji akışı her sabah

sağlanır.

Hidroelektrik santaller de çok önemli yenilenebilir enerji kaynaklarından

birisidir. Ancak kuraklık olursa bazen bir sene boyunca elektrik kısıtlı olarak

üretilmek zorunda kalınılabilir.

Biyokütle de çok önemli ve gelecek vaadeden bir enerji kaynağıdır.

Ancak onun da güvenilirliği güneşin yanında az kalmaktadır. Bir ülke biyokütleyi

örneğin ayçiçeğinden üretiyorsa ve o sene don olursa üretim sıkıntıya girecektir.

Yukarıda bahsedilmiş olan sebeplerden ötürü güneş enerjisi neredeyse en

güvenilir yenilenebilir enerji kaynağıdır.

Güneş en büyük enerji kaynağıdır. Dünyaya gelen güneş enerjisinin

miktarı aşağıdaki şekilde belirtilmiştir.

2

Şekil 1: Güneşten dünyaya gelen enerjinin gösterimi

Şekil 1’de de görüldüğü gibi sadece 89 PW’lık bir miktar kara ve

okyanuslarca emilmekte, ve gelen enerjinin neredeyse yüzde 30’u geri yansıyıp

ziyan olmaktadır. Fotosentez senede 3000 EJ’lık bir enerjiyi biyo kütle olarak

yakalar. Biyokütlenin teknik potansiyali senelik 100 ila 300 EJ arasındadır ancak

güneşten yansıyan bütün enerjiyi kullanabilirsek, güneş ışınlarından senede 3 850

000 EJ’lik enerji elde edebiliriz. Bir yıl boyunca dünyaya gelen ve normalde

yansıyıp ziyan olacak olan güneş enerjisinin hepsini toplar isek, dünyadaki bütün

kömür, petrol, doğal gaz ve çıkarılmış olan uranyumun vereceği enerjinin

neredeyse iki katı enerji toplamış oluruz.

2. GÜNEŞ ENERJİSİNİN KULLANIM YÖNTEMLERİ

Güneş enerjisini kullanmak için temel olarak şu yöntemler vardır:

1. Güneşten gelen fotonların kinetik enerjisini kullanmak

2. Güneşten gelen ısıyı ve radyasyonu kullanmak

3

Bu temel yöntemler ile elektrik eldesi veya ısıtma uygulamaları

geliştirilmiştir.

2.1. Fotonları Kullanmak

Güneşten gelen fotonların uygun bir malzeme üzerine düşürülmesiyle

fotoelektrik etki yaratılır ve bu sayade elektrik üretilir.

Fotoelektrik etki çeşitli katı sıvı ve

gazların ışığı absorbe ettikten sonra elektron

salınımı gerçekleştirmesi olayına denir.

Einstein fotoelektrik etki üzerine

yaptığı çalışmadan dolayı 1921 yılında nobel

ödülü almıştır. Bu çalışma çeşitli kuantum

fiziği ilkelerinin temelini oluşturmuştur.

Fotoelektrik etkinin oluşması için kullanılan malzemeye göre birkaç

eV*’lik enerjili fotonlardan başlayıp 1 MeV’lik fotonlar da gerekebilir. Gerekli

olan enerji, kullanılan maddenin atom numarası ile doğru orantılı olarak artar.

(*eV = elektron volt = 1.6×10−19 joule = tek bir elektronun 1 voltluk bir

potansiyel farkının içinden geçerken kaybettiği ya da kazandığı enerji miktarı)

Fotovoltaik malzemenin içindeki elektronlara çarpan fotonlar, bu

elektronların fotonun kinetik enerjisi sayesinde o maddeden kopup dışarı

fırlamalarını sağlar. Bu durum sadece elektrik üretmemizi sağladığı için değil,

aynı zamanda ışığın aslında sadece dalga olmadığının, aynı zamanda foton adı

verilen maddelerden oluştuğunun anlaşılmasını sağladığı için çok önemlidir.

Her bir fotonun enerjisi Planck’ın foton teorisine göre E = hv şeklinde

bulunur.

Bir malzemeye çarpan fotonun öncelikle o malzemeden bir elektron

koparması gerekir. Bunun için de fotonun kinetik enerjisinin bir kısmı bu iş için

harcanır. Bu iş için gereken enerjiye ise eşik enerjisi (Φ) denir. Bu nedenle,

fotonun elektronu kopardıktan sonra ona aktaracağı net enerjinin formülü şudur:

Ek = hv – Φ veya

Şekil 2: Fotoelektrik etki

4

Ek = hc/λ – Φ

h = planck sabiti =6.62×10−34 Js

V = ışığın frekansı = c/lambda (c=ışık hızı, lambda = dalga boyu)

C = 300 000 km / sn

hv> Φ ise elektrik üretilir. Değilse üretilemez.

Metal Simgesi Φ(eV)

Sezyum Cs 2.1

Potasyum K 2.2

Soydum Na 2.3

Lityum Li 2.5

Kalsiyum Ca 3.2

Çinko Zn 4.2

Silikon Si 4.5

Tablo 1: Bazı elementlerin eşik değerleri

Tablo 1’de de görülebileceği gibi en uygun element sezyumdur ancak en

uygun malzemenin sezyum olmasına rağmen kullanıma en uygun ve en ucuz olanı

silikon olduğundan çoğunlukla silikon kullanılır.

2.2. Fotoelektrik Güneş Panelleri

5

Fotoelektrik etki kullanılarak güneş panelleri geliştirilmiştir. Bu paneller

genellikle iki şekilde çalışır:

1. Doğrudan güneş ışığına maruz bırakılarak

2. Güneş ışınlarının çeşitli eğimli aynalar/mercekler ile tek bir noktada

odaklanması yöntemi ile

2.2.1. Doğrudan maruz bırakma

Her bir panel doğru akım çıkışı üzerinden değerlenir ve genellikle 100-

320 Watt arası enerji üretir. Bu miktar çok düşük olduğundan, birsürü güneş

paneli seri bağlanarak kullanılır.

Bir panelin verimi,o panelin yüzey alanının; aynı güçteki, verimi bilinen,

başka bir panelin yüzey alanı ile kıyaslanmasıyla hesaplanır örneğin %8

verimdeki 230W veren panel, %16 verimdeki 230W’lık panelin iki katı yüzey

alanına sahiptir.

Elektrik üretimini sağlayan hücreler panelin en üstünde veya en alt

tabakasında olabilir. Belli bir şart yoktur. Üst tabaka panelin korunması için

genellikle cam gibi maddelerle kaplanır.

Şekil 3: Nellis güneş enerjisi santrali, 2007 Nevada, ABD

6

Şekil 4: Waldpolenz solarpark, Almanya

Çoğu modül ya kristalize silikon hücreleri ya da kadmiyum tellurit

(CdTe) veya silikondan yapılma ince film şeklindeki hücreler kullanır. Çoğu

güneş paneli serttir ancak yarı esnek güneş panelleri 1958de keşfedilmiştir. Esnek

güneş panelleri şekil 5’te görülebilir.

Verimin hesaplanması:

Şekil 5: Esnek güneş panelleri

7

Verim genellikle 25 °C sıcaklık ve 1000 W/m2 lik radiance altında

ölçülür. Bu durum altında 2 watt enerji üreten ve 100 cm2 alana sahip bir güneş

panelinin verimi %20’dir. 2013 yılında ulaşılabilmiş olan en yüksek verim

%43.5’dir. [1]

2.2.2 Odaklanmış güneş panelleri

Bu yöntemde güneş ışınları çeşitli yansıtıcılar ve mercekler vasıtasıyla

tek bir notaya odaklanır.

Bu sistemin avantajları :

Doğrudan güneş ışını kullanan sistemlere göre daha küçük bir alana

kurulabilir

Çok daha az miktarda fotovoltaik hücre kullanıldığından dolayı, güneş

panellerinde silikon gibi pek verimli olmayan ama ucuz maddeler yerine

sezyum gibi çok verimli ama daha pahalı maddeler kullanılabilir.

Dezavantajları:

Güneş ışınları tek bir noktaya yansıtıldığı için bu nokta çok ısınır. Bu

ısının güneş paneline zarar vermemesi için soğutucu sistemler

kurulmalıdır.

8

Güneş ışınlarının hep aynı noktaya yansıması için, yansıtıcılara güneşi

takip edecek sistemler kurulmalıdır.

Ayna ve merceklerin ekstra maliyeti.

Kullanılan alan küçülüp üretilen enerji arttırılsa bile bütün bu sistemler

hem kurulma maliyetini hem de bakım masraflarını arttıracaktır. Bu sistemlerin

bakım maliyeti diğerlerine nazaran daha yüksektir.

Fotoelektrik etki ile üretilen elektrik doğru akımdır. Evlerimizde

kullandığımız elektrik ise alternatif akımdır. Bu nedenle bir çevirme işlemi

yapılmalıdır.

Şekil 6: Odaklanmış güneş panelleri

9

2.3. Gü

neşt

en

Gelen Isının Kullanılması

Güneşten gelen ısı şu iki amaç için kullanılabilir:

1. Çeşitli ısıtma uygulamaları

2. Mekanik enerji ve/veya elektrik eldesi

Bu yöntem için kurulacak paneller için de doğrudan maruz bırakma ve

odaklanmış güneş ışığı kullanma gibi iki çeşit uygulama mevcuttur. Isıtma

uygulamaları için ışığın bir noktaya odaklanması daha uygundur.

2.3.1. Isıtma uygulamaları

Bu tür güneş panelleri, elde edilen sıcaklığa göre üç sınıfa ayrılır.

1. Düşük sıcaklık toplayıcıları (500C altı)

2. Orta sıcaklık toplayıcıları (500C - 950C)

3. Yüksek sıcaklık toplayıcıları (500C üstü)

Doğrudan güneş ışığına maruz bırakmayla çalışan sistemler 2000C’den

yüksek sıcaklığa ulaşamazlar. Daha yüksek sıcaklıklar için odaklanmış güneş ışığı

gereklidir. Elektrik ve/veya mekanik enerji üretimi için 2000C’den daha yüksek

bir sıcaklık gereklidir.

2.3.1.1. Düşük sıcaklıklı toplayıcılar

Şekil 7: Doğru akımın alternatife çevrilmesi

10

Su ve hava ısıtma amacıyla kullanılır ve Isı emen kütlelerin (thermal

mass) – su, grafit, beton gibi- ısıyı emip, soğuk olan yerde bu ısının kullanılması

prensibine dayanır. Türkiyenin özellikle güneş alan illerinde çatılarda görülen

güneş panellerinin çoğu bu sınıfa girmektedir.

2.3.1.2. Orta sıcaklıklı toplayıcılar

Bu kategorideki toplayıcılar Kurutma işlemleri (örneğin odun yakıtı

oluşturmak için odun kurutma veya meyve, vs gibi çeşitli biyo kütleleri kurutma),

Pişirme (güneş fırını ve ocağı), Distilasyon ve arıtma işlemleri için

kullanılmaktadır.

Şekil 8: Düşük sıcaklıklı toplayıcılar

Şekil 9: Kurutma sistemleri

Şekil 10: Auroville, Hindistan'daki güneş kubbesi.

Yemek pişirme işleminde kullanılmak üzere buhar

üretir.

11

Çoğu insan geceleri yemek yemek istediği için güneş ocakları pek pratik

değildir. Bu nedenle bu yolu kullanmak isteyenler için şu sistem önerilmiştir:

a) Güneş ocağı; b) çeşitli sorunlarla karşılaşıldığında kullanılması için yakıtı

verimli kullanan bir ocak c) Sıcak yemeği depolaması için iyi yalıtılmış bir

kap. İyi yalıtılmış bir kaptaki yemek saatlerce pişmeye devam eder. Bu

yönteme entegre pişirme yöntemi denir.

Güneşten gelen ısı kullanılarak distilasyon işlemleri yapılabilir. Çoğu

cankurtaran botunda deniz suyunu distile ederek içme suyu üretebilmek için ısı

kaynağı olarak güneşi, soğutma suyu olarak da deniz suyunu kullanan portatif

distilasyon sistemleri mevcuttur. Bu sistemlerin örneği şekil 11’de görülmektedir.

Afrika gibi güneş ışınlarının bol olduğu ama temiz suyun zor bulunduğu

bölgelerde; çıkan kuyu suyunun arıtılması için şekil 12’de görülen sistemler

kullanılmaktadır.

2.3.1.3. Yüksek sıcaklıklı toplayıcılar

Şekil 11: Deniz suyu arıtma sistemi

Şekil 12: Kirli su arıtma sistemi

12

200 derece verimli elektrik üretimi için çok düşüktür. Isı makinelerinin

verimi ısı kaynağının sıcaklığıyla birlikte artar. Doğrudan güneş ışığı alan

sistemler 2000C’nin üzerine çıkamazlar. Bu nedenle daha yüksek sıcaklıklar için

odaklanmış ışınlar kullanılır.

6000C’ye kadar buhar türbinleri %41e kadar verimle kullanılabilir.

Daha yüksek sıcaklıklarda gaz türbinleri daha verimli olur.

Daha yüksek sıcaklık farkı tesisin daha yüksek sıcaklığa uygun heat-

exchanger kullanmasına olanak verir, bu da tesisin soğutma suyuna olan

bağımlılığını azaltır.

Yüksek sıcaklıklar ısı depolanmasını da daha etkili hale getirir çünkü aynı

miktar sıvıda daha fazla Watt-saat’lik enerji depolanır.

Günümüz teknolojisi ile ısı depolamak elektrik depolamaktan daha ucuz

ve verimlidir. Bu nedenle fotoelektrik etkiyle çalışan santrallerin aksine bu

santraller gece gündüz kullanıma daha uygundur.

Yüksek sıcaklıklar ısı depolanmasını da daha etkili hale getirir çünkü aynı

miktar sıvıda daha fazla Watt-saat’lik enerji depolanır.

Günümüz teknolojisi ile ısı depolamak elektrik depolamaktan daha ucuz

ve verimlidir. Bu nedenle fotoelektrik etkiyle çalışan santrallerin aksine bu

santraller gece gündüz kullanıma daha uygundur.

Bu sistemin güvenilirliğini arttırmak için jeneratörler kurulabilir ve bu

jeneratörler gündüz depolanmış olan ısının üzerine yakıttan gelen ısıyı da

katarak yakıtı çok daha verimli kullanabilir.

Şekil 13: Parabolik yansıtıcı dizaynı

Şekil 14: Güç kulesi dizaynıŞekil 15: Anten şeklindeki toplayıcılar

13

Şekil 14’te görülmekte olan toplayıcılar “Stirling Motoru” kullanırlar. Bu motor

doğrudan ısı değişimi ile mekanik enerji üretimini sağlar. Stirling motoru havanın

veya başka bir gazın, kısacası “iş yapan akışkanın” aynı sistem sınırları içinde

sürekli sıkıştırılarak genleştirilmesi prensibi ile çalışır. Herhangibir soğutucu

akışkan kullanılmadığı için maliyeti azaltıp, çöl gibi yerlerde kullanım imkanı

sunar.

3. TÜRKİYE’NİN GÜNEŞ ENERJİSİNDEKİ YERİ

Türkiye fotoelektrik etki ile çalışan güneş panelleri kullanımında

maalesef 36 ülke içinde 36. Olarak son sırada yer almaktadır. Bu durum tablo

2’de açıkça gözükmektedir.

14

Tablo 2: Ülkelerin fotovoltaik panel kullanımına göre sıralaması

Güneş enerjisinden elektrik üretmenin en verimli yolu, ışınların bölüm

2.3.1.3’de belirtildiği gibi bir noktada odaklanması ve bu noktada biriken ısının

çeşitli türbinler veya stirling motoru vasıtasıyla önce mekanik sonra da elektrik

enerjiye dönüştürülmesidir. Türkiye’de maalesef bu yönde hiçbir uygulama

mevcut değildir.

36

1

Tablo 3: Ülkelerin odaklanmış güneş panelli

kullanımına göre sıralanması

15

Ş

Şekil 16’da da görüldüğü gibi türkiyenin güneş potansiyeli orta-yüksek

arasıdır. Şekilde görüldüğü üzere Almanya’nın güneş potansiyeli

Türkiye’ninkinden daha düşüktür ancak Almanya bu duruma rağmen güneş

enerjisi kullanımında lider ülkelerden birisidir. Buradan anlaşılacağı üzere, düşük

potansiyele sahip olan ülkeler dahi güneş enerjisini verimli kulandığına göre,

Türkiye’nin onlara göre daha yüksek olan potansiyeli ona çok büyük imkanlar

sunmaktadır.

Şekil 17: Türkiye'nin güneş potansiyeli

Şekil 16: Dünyanın güneş potansiyeli

16

KAYNAKLAR

http:// en.wikipedia.org/wiki/Solar_energy

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_thermal_energy

http:// en.wikipedia.org/wiki/Solar_power

http://en.wikipedia.org/wiki/Concentrated_solar_power

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_power_by_country

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_panel

http://en.wikipedia.org/wiki/Solar_cell_efficiency