1. GÜNEŞ ENERJİSİ
Tolga Kaan KANATLI
Yakıt ve Enerji Teknolojileri Dersi Ödevi
Kimya Mühendisliği Bölümü
Nisan 2013
2. 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.
3. 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
4. 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:
Şekil 2: Fotoelektrik etki
5. 4
Ek = hv – Φ veya
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.
6. 5
2.2.Fotoelektrik Güneş Panelleri
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
7. 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
8. 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.
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.
9. 8
Fotoelektrik etki ile üretilen elektrik doğru akımdır. Evlerimizde
kullandığımız elektrik ise alternatif akımdır. Bu nedenle bir çevirme işlemi
yapılmalıdır.
Şekil 6: Odaklanmış güneş panelleri
Şekil 7: Doğru akımın alternatife çevrilmesi
10. 9
2.3. Güneşten 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 (500
C altı)
2. Orta sıcaklık toplayıcıları (500
C - 950
C)
3. Yüksek sıcaklık toplayıcıları (500
C üstü)
Doğrudan güneş ışığına maruz bırakmayla çalışan sistemler 2000
C’den
yüksek sıcaklığa ulaşamazlar. Daha yüksek sıcaklıklar için odaklanmış güneş ışığı
gereklidir. Elektrik ve/veya mekanik enerji üretimi için 2000
C’den daha yüksek
bir sıcaklık gereklidir.
2.3.1.1. Düşük sıcaklıklı toplayıcılar
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.
Şekil 8: Düşük sıcaklıklı toplayıcılar
11. 10
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.
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
Şekil 10: Kurutma sistemleri
Şekil 9: Auroville, Hindistan'daki güneş kubbesi.
Yemek pişirme işleminde kullanılmak üzere buhar
üretir.
12. 11
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.
Şekil 11: Deniz suyu arıtma sistemi
Şekil 12: Kirli su arıtma sistemi
13. 12
2.3.1.3. Yüksek sıcaklıklı toplayıcılar
200 derece verimli elektrik üretimi için çok düşüktür. Isı makinelerinin
verimi ısı kaynağının sıcaklığıyla birlikte artar. Doğrudan güneş ışığı alan
sistemler 2000
C’nin üzerine çıkamazlar. Bu nedenle daha yüksek sıcaklıklar için
odaklanmış ışınlar kullanılır.
6000
C’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
14. 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.
Şekil 15: Güç kulesi dizaynı
Şekil 14: Anten şeklindeki toplayıcılar
15. 14
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.
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.
Tablo 3: Ülkelerin odaklanmış güneş panelli
kullanımına göre sıralanması
16. 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
