GÜNEŞ ENERJİSİ

1. GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş enerjisi ya da Güneş erkesi, Güneş ışığından enerji elde edilmesine dayalı bir teknolojidir. Güneşin yaydığı ve Dünya'mıza da ulaşan enerji, Güneş'in çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışınım enerjisidir. Güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında Güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m2 değerindedir; ancak yeryüzünde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin Dünya'ya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, Güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, Güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir.

2. GÜNEŞ’ten elde edilebilecek ENERJİ Dünyanın yörüngesi üzerinde, uzayda, birim alana ulaşan Güneş ışınları, Güneş'e dik bir yüzey üzerinde ölçüldükleri zaman 1,366 W/m2’dir. Bu değer Güneş enerjisi sabiti olarak da anılır. Atmosfer bu enerjinin %6’sını yansıtır, %16’sını da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek Güneş enerjisi 1065 W/m2’dir. Bulutlar gelen ışımayı, yansıtma suretiyle yaklaşık %20, sönümleme suretiyle de yaklaşık %16 azaltırlar. Örneğin Kuzey Amerika’ya ulaşan Güneş enerjisi 375 ile 1020 W/m2 arasında değişirken, günlük elde edilebilen enerji miktarı, 3 ila 9 kWh/m2 arasında değişmektedir. Bu değer, elde edilebilecek mümkün en yüksek değer olup, Güneş enerjisi teknolojisinin sağlayacağı en yüksek değer anlamına gelmez. Örneğin, fotovoltaik (Güneş pili) panelleri, bugün için yaklaşık %15’lik bir verime sahiptirler. Bu nedenle, aynı bölgede bir GüneşPili paneli, 140 ile 160 W/m2 ya da günlük 1.15-1.40 kWh/m2 enerji sağlayacaktır.

3. GÜNEŞ ENERJİSİ TARİHİ • Güneş ışınları, asırlardan beri yeryüzüne geldiği halde, faydalanmaya başlama oldukça yenidir. Archimedes (Arşimed)in (M.Ö. 267) iç bükey aynalarla güneş enerjisini odaklayarak Sirakuza’yı kuşatan gemileri yaktığı iddia edilmektedir. • Güneş enerjisi konusundaki çalışmalar 1600 yılında Galile’nin merceği bulmasıyla artmıştır. İlk defa Fransa’da, Belidor (1725) tarafından güneş enerjisi ile çalışan bir pompa yapılmıştır. Mouchot, 1860 yılında parabolik aynalar yardımıyla güneş ışınlarını odaklayarak, küçük bir buhar makinası yapmıştır. İlk defa güneş enerjisi ile çalışan, hava çevrimli makinayı, 1868 yılında Ericsson geliştirmiştir. Bu yıllarda güneş enerjisi konusunda çalışmalar yoğunlaşmış, tatlı su elde edilmesi ve güneş ocakları ile ilgili çok sayıda çalışmalar yapılmıştır. Adams, Hindistan’da yedi askerin yemeğini en soğuk ay sayılan Ocak ayında, konik yansıtıcılı güneş ocağıyla iki saatte pişirmiştir. Shuman ve Boys, 1913 yılında parabolik aynalar yardımıyla bir buhar üreticisi yapmışlar ve bundan faydalanarak Nil Nehrinden su çeken 50 BG’deki sulama pompasını çalıştırmışlardır. • - Birinci Dünya Savaşı ve sonrasında petrolün önem kazanmasıyla güneş enerjisi üzerindeki çalışmalar araştırma seviyesinde kalmıştır. Güneş enerjisinin önem kazanması daha çok 1973 yılındaki dünya enerji kriziyle başladı. Petrol fiyatının gittikçe artması, yeni kaynaklar üzerindeki çalışmaları artırmış, özellikle güneş enerjisi, üzerinde en çok çalışılan konu olmuştur.

4. GÜNEŞ ENERJİSİNİN AVANTAJLARI • Güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda avantajı mevcuttur: • Tükenmeyen enerji kaynağı olmasıdır, nakil problemi yoktur. • b) Temiz enerji türüdür. • c) Doğabilecek ekonomik bunalımdan etkilenmez. • d) Mahalli uygulamalara elverişlidir. • e) Çok sayıdaki ülkede faydalanılabilir. • f) Karmaşık teknolojiye ihtiyaç duyulmamaktadır. • g) İşletme masrafları çok azdır. • h) Güneş enerjisinin gaz (CO, CO2,vb.) duman (partikül), kükürt dioksit ve radyoaktif madde gibi zararlı artıkları yoktur.

5. GÜNEŞ ENERJİSİNİN DEZAVANTAJLARI • Güneş enerjisinin diğer enerji kaynaklarına göre çok sayıda üstünlükleri olmasına rağmen, günümüzde uygulamalarının az oluşunun sebepleri vardır: • Birim yüzeye gelen güneş ışınları devamlı olmadığından depolama gerekmektedir. • b) Enerji ihtiyacının fazla olduğu kış aylarında, güneş ışınları az ve geceleri ise hiç yoktur. • c) Güneş enerjisinden faydalanılan birçok tesisatın ilk yatırım masrafları fazladır. • Bu nedenle özellikle güneşi yeterli olmayan bölgelerde ( < 1650 KWh/m2) Halihazırda ekonomik değildir. Günümüzde, özellikle petrol fiatlarının çok hızlı artması güneş enerjisini gittikçe cazip kılmakta ve güneş enerjisinden faydalanılan sistemlerin sayısı her geçen gün artmaktadır.

6. GÜNEŞ ENERJİSİNDEN YARARLANMA Güneş enerjisinden direkt faydalanılan sistemler, aktif ve pasif sistemler diye iki açıdan incelenmektedir. Toplayıcılar veya diğer herhangi bir dönüştürücü ile güneşten enerji teminine aktif faydalanma denir. Özellikle binaların yön, geometri ve yapı elemanlarının değişimiyle güneşten enerji teminine pasif faydalanma denir. Güneş enerjisinden faydalanma şekillerinden bazıları: 1) Sıcak su temini, 2) Mekanların (mesken, sera, havuz vb.) ısıtılması / soğutulması 3) Kurutma, 4) Tarımda aydınlanma (fotosentez), 5) Güneş fırınları ve güneş ocakları, 6) Elektrik elde edilmesi, 7) Deniz suyundan saf su elde edilmesi, tuz üretimi, 8) Aydınlatma ( fiber optik ) Yukarıda belirtilen uygulamaların birçoğunda güneş ışınları biri ısı değiştiricisi (genellikle düz toplayıcı) aracılığıyla bir akışkana (su, hava) aktarılır. Sıcaklığı artan akışkan, faydalanma maksadına göre depolanır veya sisteme gönderilir.

7. GÜNEŞ KOLLEKTÖRLERİ (TOPLAYICILARI) • Konstrüksiyon şekline göre düz ve odaklı, • Kullanılan (ısıtılan) akışkan cinsine göre sıvılı ve gazlı (havalı) toplayıcılar • olarak gruplandırılabilir. • Akışkan sıcaklığının 100°C’den daha düşük olabileceği sistemlerde (sıcak su temini ve hacim ısıtması gibi) düz toplayıcılar kullanılır. • Pratikte, güneş enerjisinin en yaygın kullanıldığı su ısıtması gibi durumlarda 100°C’den daha düşük sıcaklıklar yeterli olduğundan düz toplayıcılar daha çok kullanılmaktadır. • 100°C’den yüksek sıcaklıkta basınçlı sıcak su ve buhar eldesi için odaklı tip kollektör kullanılmalıdır. • Toplayıcı tipi, faydalanılan enerji türüne göre seçilir. Sıcak su temininde sıvılı toplayıcılar, ev ısıtmasında havalı toplayıcılar tercih edilir.

8. DÜZ KOLLEKTÖRLER • Doğal sirkülasyonlu (dolaşımlı), • Zorlamalı/Pompalı sirkülasyonlu • şeklinde iki tipte imal edilirler • Avantajları • 1) Konstrüksiyonu daha basittir. • 2) Yayılı ışınımdan da faydalanabilir. • 3) Tesisatın yerleştirileceği zeminin hazırlanması kolaydır. • 4) Hareketli kısımları yoktur. • 5) Hava şartlarına karşı mukavim ve daha uzun ömürlüdür. • 6) İşletme masrafları azdır. • Dezavantajı • Maksimum 100°C sıcaklığa kadar çıkabilir.

9. DÜZ KOLLEKTÖRLER

10. DÜZ KOLLEKTÖR YAPISI • Düz toplayıcı tipi genellikle beş kısımdan meydana gelir: • 1) Güneş ışınlarını geçiren ve üstten ısı kaybını önleyen, bir veya çok sayıdaki saydam veya yarı saydam örtü. • 2) Enerji toplayan siyah yüzey. • 3) Isı taşıyan akışkanın dolaştığı borular veya tüpler. • 4) Toplayıcının alt kısmında olan, ısı kaybını azaltmak için kullanılan yalıtkancisim (cam yünü, strofor, mantar vs.). • 5) Toplayıcıyı dış etkenlerden koruyan ve yukarıda belirtilen elemanları bir araya getiren kılıf.

11. 1) Yüksek sıcaklıklar (180- 280 C) elde edebilir. 2) Konstrüksiyonları daha zor ve daha pahalıdır. 3) Sadece direkt güneş ışınlarından faydalanılabilir. 4) Tesisatın yerleştirilmesi için özel yerler hazırlanmalıdır. 5) Güneşi takip eden mekanizmalara ihtiyaç duyulur. 6) Yatırım maliyetleri ve işletme masrafları düz toplayıcılara göre daha fazladır. KONKAV - ODAKLI KOLLEKTÖR Mojave – Deser ABD

12. DAİRESEL TİP ODAKLI KOLLEKTÖR • Düz ve rüzgarsız alanlarda.

13. Pennsylvania’da bir binanın üstündeki güneş kolektörleri

14. Nevada Solar One Amerika Birleşik Devletleri'nde Mojave Çölü üzerine kurulu olan Nevada Solar One güneş enerjisi santralı 100 hektarlık bir alana yayılmış durumda. Santralda 182 civarında ayna kullanılıyor.

15. Nevada Solar One santralında güneş pilleri kullanılmıyor. Güneşin fotovoltaik etkisi değil de ısıtma etkisi kullanılıyor. Şöyle ki; aynalar güneş ışığını içinde sıvı bulunan boru üzerinde topluyor. Boruda bulunan sıcak buharın basıncı türbin ve jeneratör sistemini harekete geçiriyor.

16. Güneşli günlerde 350 C derecelere çıkabilen buhar ısısı güneşin durumuna göre 380 Cdereceye varabiliyor. Yukarıda çalışma mekanizmasını gördüğümüz Newada Solar one enerjisini güneşten almasına karsın bir doğalgaz santralından pek de farklı çalışmıyor. Isı kaynağı birinde güneşken diğerinde doğalgaz oluyor. Sıcak buhar ve türbin-jeneratör ilişkisi neredeyse tüm santralerin genel çalışma ilkesidir.(PV Hariç)

17. Güneş Enerjisiyle Soğutma Alternatif enerji türlerinde en yaygın olanlarından biri olan güneş enerjisi başlangıçta sıcak su üretmekte kullanıldı. Daha sonra güneşten elektrik üreten güneş panelleri yaygınlaşmaya başladı. Günümüzde bu iki tür de belirli ölçülerde kullanılmaktadır.Güneş enerjisinin bu kısımda ele alacağımız kullanım alanı teorikte 1970'lerde ortaya konulmasına karşın çok yoğun bir kullanım seviyesine ulaşamamış olan soğutma teknolojisidir. Güneş enerjisiyle soğutma teknolojileri üzerine yapılan çalışmalar dünyadaki mevcut enerji sorunları nedeniyle hız kazanmış, ülkemizde de bu teknoloji uygulama alanına sahip olmuştur. Güneş enerjisiyle soğutmanın temeli Absorbsiyonlu Soğutma ilkelerine dayanır. Absorbsiyonlu soğutmada buz dolaplarındaki kompresörlerde olduğu gibi gaz sıkıştırılmaz, bunun yerine sıcak buharın çeşitli sıvılarca soğurulması (absorbe edilmesi) gerçekleştirilir. Absorpsiyonlu (Soğurmalı) Soğutma Nedir?Sıcaklığı 100°C ile 200°C arasında olan ucuz bir ısı kaynağı bulunduğu zaman ekonomik açıdan kazançlı olabilecek bir soğutma yöntemi absorbsiyonlu soğutma sistemidir. Absorbsiyonlu  soğutma sistemlerinde soğutucu akışkanın bir ikinci akışkan içinde soğurulması gereklidir. Bu sistemler  buhar sıkıştırmalı soğutma sistemine çok benzer fakat buradaki kompresörün yerini karmaşık bir  absorpsiyon mekanizmasının aldığı görülür. Soğutma mekanizması; absorber, buhar jeneratörü (güneş ısısı burada kullanılır), yoğuşturucu ve evaporatörden (buharlaştırıcı) oluşmakta ve sıkıştırma işlemini gerçekleştirmektedir. Absorpsiyonlu sistemde buhar yerine sıvı sıkıştırılmaktadır. Bu sistemlerin çalışması dış kaynaktan sağlanan  ısıya dayanır.  Sıkıştırma için gerekli iş, ısıtıcıda sağlanan ısının yüzde biri mertebesinde olup, çevirimin termodinamik çözümlemesinde genellikle ihmal edilir.  Absorpsiyonlu sistemlerde çevirimi çalıştıran enerji ısıdır.

18. Şekilde de görülebileceği gibi parabolik oluklu kolektör kullanarak 180-200°C cıvarında sıcaklığa ulaşmak mümkündür. Üretilen sıcak su buhar oluşturmakta, bu buhar doğrudan ısıtma amaçlı kullanılabileceği gibi absorpsiyon aşamalarından geçerek soğutma amaçlı da kullanılabilmektedir. Güneş enerjisiyle soğutma sistemlerinde gece güneşlenme olmayacağı için soğuk su ve sıcak su depolarının bulunması gerekmektedir. Bu soğutma modeli çevreye uyumlu olması, doğayı kirletme miktarının az olması nedeniyle oldukça faydalı görülmektedir. Güneş enerjisiyle soğutma sistemleri özellikle yüksek oranda soğutma giderleri bulunan otel, iş yeri, turistik tesis, ve sanayi kuruluşlarında elektriğe oranla çok daha ekonomik bir çözüm yoludur. Türkiye'de de güneş enerjisiyle soğutma faaliyeti yapan firmalar bulunmaktadır.

19. Buhar Sıkıştırmalı Klasik Soğutma Sistemleri Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi en yaygın uygulanan sistemdir. Sistemin temel elemanları sıkıştırma işinin yapıldığı kompresör, yoğuşmanın gerçekleştiği yoğuşturucu (kondenser),genleşme işleminin gerçekleştiği vana (nozıl)ve buharlaşmanın gerçekleştiği buharlaştırıcıdan oluşur. Şekil: Buhar sıkıştırmalı soğutma çevrimi

20. Amonyak - Su Absorpsiyonlu Soğutma Çevrimi Akış Diyagramı (şematik)

21. Absorpsiyonlu soğutma çevrimi

22. Amonyak (NH3)- Su Akışkanlı Absorpsiyonlu Su Soğutma Sistemi

23. Mimari bakımdan özenle yapılmış binaların pek çoğu gün ışığından en üst seviyede yararlanacak şekilde tasarlanmıştır. Ancak kentlerdeki yapılaşmanın hızla artması çoğu binanın istenilen seviyede gün ışığı almasını engellemektedir. Bu da enerji maliyetlerini artırmaktadır. Bu probleme çözüm bulmak için bir çok deneme yapılmaktadır. Günümüzde başlıbaşına bir sektör haline gelen aydınlatma sektörü gün ışığını ulaşması mümkün olmayan alanlara olaştırmanın yöntemleri üzerinde çeşitli teknikler geliştirmektedir. SunLight Direct - Fiber Optik Çözüm: Bu yönteme göre çatıya yerleştirilen ışık toplayıcı(kollektör) güneş ışığını fiber optik kablolar yardımıyla yine fiber optik özellikteki ışık tüplerine ulaştırır. Bu sayede gün ışığından yararlanarak son derece ekonomik bir aydınlatma sağlanmaktadır. Amerikan Sunlight Direct şirketi tarafından patenti alınan teknolojide her iki aydınlatma tüpünün 50Watt akkor flamalı lambaya denk geldiği belirtiliyor. Bu hibrit(çift fonksiyonlu) sistem sayesinde gün ışığının az olduğu zamanlarda elektrik enerjisini aydınlatma için kullanmak mümkün olmaktadır.

25. Yansıtıcı sistemler: Bu sistemlerde kullanılan teknoloji daha düşük olduğu için kısmen maliyetleri daha düşüktür. Teknoloji, güneşten alınan ışığın yansıtıcı yüzeylere sahip borular yardımıyla kapalı alanlara ulaştırılması esasına dayanır. Ulkemizde de bazı aydınlatma firmaları tarafından bu hizmet verilmektedir.(www.gunisigiaydinlatma.com) Üsteki resimdede görebileceğiniz gibi güneş ışığı hangi açıdan gelirse gelsin içeri ulaştırılmaktadır. Sistemin simüle edilmiş hali.

26. TÜRKİYE’nin GÜNEŞ RADYASYON HARİTASI

28. TÜRKİYE BÖLGELERİNİN GÜNEŞ RADYASYON ORTALAMA DEĞERLERİ

29. TÜRKİYE Global Radyasyon Değerleri (KWh/m2-gün) TÜRKİYE Güneşlenme Süreleri (Saat)

31. GÜNEŞ PİLİ TARİHİ - devam - • 1887 'de Heinrich Rudolf Hertz morötesi ışınığın fotovoltaik etki üzerinde yansımalarını araştırdı. Albert Einstein güneş etkisiyle elektrik akımı oluşumuna yönelik bir makale yayınladı. Aynı yıl Wilhelm Hallwachs bakır ve bakır oksit bazlı bir güneş pili denemesinde bulundu. • Audobert ve Stora 1932 yılında Cadmium-Selenide (CdS) kullararak uzun bir süre kullanılacak olan fotovoltaik bir yöntem keşfetmiş oldu. 1954'de Pearson ve Fuller Silisyum (silikon)'un fotovoltaik etkisini keşfettiler. Böylece % 5 verimli bir güneş pili üretmeyi başardılar. 1957 yılına gelindiğinde Pearson ve arkadaşlarının çalışmalarını meyvelerini verdi ve güneş pilindeki verim % 8'lere kadar ulaştı. • 1958'de Vanguard I isimli uzay aracında ilk defa bir güneş pili kullanıldı. • Bu güneş pili % 9 verimle çalışıyordu ve 100 santimetrekareye 0.1W güç üretiyordu. • 1961'de Brleşmiş Milletler solar Enerji Konferansı düzenlendi.1967 yılında Güneş pilleri Soyuz I uydusuna enerji sağlamak için kullanıldı. • 1980 de Delaware Üniversitesinde %10 verim elde edebilen Cu2S/CdS teknolojileri geliştirildi

32. Elektrik Üreten Sistemler: Fotovoltaik Piller Fotovoltaik sistemler(PV) olarak da anılan bu sistemde güneş (ışık) enerjisi, yarı iletken maddeler aracılığı ile elektrik enerjisine dönüştürülür. Işık foton ismi verilen küçük taneciklerle yayılır. Bu tanecikler belirli bir enerji taşırlar. Taşınan bu enerjiyi bitkiler fotosentezde, kolektörler su ısıtmada, güneş panelleri ise elektrik üretmede kullanır.

33. GÜNEŞ PİLİ TİPLERİ Amorf silisyum güneş pilleri: Kristal yapılı değildir. Bu silisyum piller ticari ürünlerde % 5 - 7 verimle çalışmaktadırlar. Daha çok küçük elektronik aletlerde kullanılmaktadır. Gelecekte binaların dış cephesine entegre olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir. Çok kristalli silisyum güneş pilleri: Çok (poly) kristalli silisyum güneş pillerinin üretimi daha yoğundur. Bunun başlıca nedeni poli kristal üretiminin görece kolay ve ucuz olmasıdır. Erimiş yarı iletken silisyum kalıplara dökülür ve soğutulur. Sonrasında kare şeklinde kesilirler. 1950'lerden beri güvenle kullanılan bu yöntem verim olarak tek kristallilere oranla daha düşüktür,(%14). Tek kristalli silisyum güneş pilleri:Laboratuar koşullarında %24 verim sağlamasına rağmen ticari ürünlerde verim %15 civarındadır. Tekli kristaller üretmek uzun ve pahalı bir yöntem olduğu için bu yöntem genellikle fazla tercih edilmemektedir.Silisyum elektriksel ve optik özelliklerini uzun süre koruyabilmektedir. Bu da silisyumu güneş pilleri için uygun bir malzeme haline getirmiştir.

34. Malzeme Çeşidine göre Güneş Pili Performansları

36. Fotovoltaik sistemlerin şebekeden bağımsız (stand-alone) olarak kullanıldığı tipik uygulama alanları aşağıda sıralanmıştır. - Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri- Petrol boru hatlarının katodik koruması- Metal yapıların (köprüler, kuleler vb) korozyondan koruması- Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, hava gözlem istasyonları- Bina içi ya da dışı aydınlatma- Dağevleri ya da yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması- Tarımsal sulama ya da ev kullanımı amacıyla su pompajı- Orman gözetleme kuleleri- Deniz fenerleri- İlkyardım, alarm ve güvenlik sistemleri- Deprem ve hava gözlem istasyonları- İlaç ve aşı soğutma