..

..
..

26 Mayıs 2020 Salı

TÜBİTAK’IN YENİ NÜKLEER TEKNOLOJİ YOL HARİTASI ÜZERİNE



 “Ülkemizde Hızlandırıcıya dayalı teorik düzeyde  ileri nükleer çalışmalar 2003’den beri süründürülmektedir”

Canip SEVİNÇ
Mak.- End.Yük.Müh.- Ekonomist
OAP YET Grubu Başkanı


Türkiye’nin geleceğe yönelik  hedefi  Cumhuriyetin  100. yılında  dünyada ekonomisi en güçlü 10  ülke içinde yerini almaktır. Bu hedefe ulaşmanın tek yolu da sistem içindeki kurumların görevini en iyi şekilde yerine getirmekten geçmektedir.

Bu amaca ulaşmak için Türkiye’nin ihracatını 500 milyar dolarların üzerine çıkartılması gerekmektedir. Bunun içinde ülkede önce yüksek teknolojik ürünlerin üretilmesi, ihracatın temellerinin bu teknolojik ürünlerin üzerine oturtulması zorunlu görülmektedir.

2017 yılı World Bank  verilerine göre  yüksek teknoloji  ürünlerinin ihracattaki payı toplam ihracat içinde % 3-3.5  seviyelerindedir. Ülkenin  “orta gelir” seviyelerinden  çıkabilmek için  kişi başına GSMH’nın 25.000 $’ın üzerine yükselmesi gerekmektedir. Temmuz 2019 itibarı ile kişi başına düşen GSYH 9.127 $ olmuştur. AR-GE’ye ayrılan payı enaz % 3 seviyesine çıkarmalıyız.

Dünyada sadece 11 ülkenin yüksek teknolojili ürün ihracatı;  dünyadaki toplam yüksek teknolojili ürün ihracatının yaklaşık %78’ini oluşturmaktadır. Bu ülkeler arasında Çin 496 milyar $ ile 1. sırada yer alırken,  Almanya ve Amerika Birleşik Devletleri (ABD) sırasıyla 190 ve 153 milyar $ ile onu takip etmektedir.

Bu sıralama içinde diğer ülkeler Singapur, Kore, Fransa, Japonya, İngiltere, Malezya, İsviçre  ve Hollanda olup  Türkiye 2.2 milyar $  ile 37. sırada yer almaktadır (Knoema, 2018).

2010 yılı itibarı ile yapılan değerlendirmede dünyada  ülkelerin AR-GE ve innovasyon üstünlüğü sağlamadan  ileri teknoloji ürünü üretebilmeyi  başarabilmeleri  mümkün görülmemektedir.

2003 yılında ülkemizde konuşulmaya başlayan ve 2007 sonrası  BTYK (Bilim ve Teknoloji Yüksek Kurulu)  kararları ile programa alınan ve desteklenen   ileri teknolojiler arasında yer alan “GeV Enerjili Proton Hızlandırıcı“ kurulması bu alanda atılmış önemli bir adımdı.  Ayrıca söz konusu  hızlandırıcı aracılığı ile  Türkiye’deki toryum  rezervlerinin de hızlandırıcı sistemlerde kullanılması, yeni nesil nükleer enerjiye dönüştürülmesi üzerinde de çalışmalar yürütülmesi planlanmıştı.

Diğer taraftan TAC “Türk Hızlandırıcı Kompleksi”, “Toryum Mükemmeliyet Merkezi”  kurulması hepsi  ileri teknoloji  hamleleri de söz konusu   BTYK  kararları kapsamında alınmıştı.

Bu görevlerin yerine getirmesi görevi de    TAEK’e verilmişti. Bu çalışmaların 2007-2015 arasında  tamamlanması planlanmıştı.  Ancak TAEK   bu konuda hiç  bir şey yapmamıştır. Yapamamıştır.


2013 sonrası  ETKB’da  ülkemiz Toryum rezervlerinden enerji üretilmesi ile ilgili çalışmaların  aksaması konusu  gündeme getirilmiştir. Bu konu  üzerinde  bir seri  toplantı ve çalıştaylar yapılmış, ancak bu çalışmalara  TAEK  kayıtsız kalmıştır . Bu nedenledir ki bir sonuca varılamamıştır. Bu gelişmeler sonrası  2015 yılında  ETKB’ğı,Toryum Strateji Koordinatörü , TOBB  İstanbul Kimya Meclisi ile yapılan Toryum Konulu  özel  bir toplantıda ülkemiz   özel sektörünü  bu konuda  yatırım yapmaya  ikna ve davet  etmeye çalışmıştır.

2016 yılında ise kamu kurumu olarak TÜBİTAK’ın  destek ve katkısı ile özel sektörümüzden  FİGES AŞ ,AB’nin Beşçika’da yürütülen  ortak toryum yakıtlı yeni nesil ergimiş tuz nükleer reaktörü projesi olan SAMOFAR projesinde  proje bazında iş ortağı olarak  yer almış,  2019 yılına kadar bu projede yer almıştır.Proje 2019 ‘dan itibaren SAMOSAFER ismli ile Fransa ve Belçika’nın milli projesi olarak devam etmektedir.

2019’da Türkiye, Ocak-2002’de  ABD’’de kurulan “Uluslararası Nükleer Enerji İşbirliği Forumu”na veya GİF IV’a (Genaration İnternational Forum  IV)’a, 19 yıl  aradan sonra  ilk kez TÜBİTAK aracılığı ile üye olmak için müracaat etmiştir. TAEK’in bu konuda müracaatı olmamıştır.Bunun üzerine bir GIF IV  Heyeti Türkiye’de 2019’da  incelemeler yapmış ve Nisan 2020’de TÜBİTAK , GİF IV’e  resmen üyelik sürecini başlatacak bir yol haritasını hazırlayarak “Bilim Teknoloji ve İnnovasyon Kuruluna” sunmuştur. Buradan sonra GİF IV’e   üyelik müracaatı  yapılacaktır. Bu müracaattan  olumlu bir sonuç alınacağı düşünülmektedir.

 Ülkemizde toryuma dayalı  yeni nesil ergimiş tuz reaktörü  kurulmasına yönelik hazırlanmış bu yol haritasına itiraz edilmesi söz konusu değildir.Bu memnuniyetle karşılanmış bir gelişmedir. Ancak  GIF IV’e gönderilecek olan yol haritası yalnız Yeni Nesil  Ergimiş Tuz Reaktörü ile ilgili olmamalıdır.

20 Kasım 2007 tarihli BTYK toplantısında görüşülerek kabul edilen 2007/102 No’lu “Ulusal Nükleer Teknoloji Geliştirme Programı (2007-2015)” başlıklı kararın gereği o tarihte  “Toryum Mükemmeliyet Merkezi” ve  “GeV Enerjili Proton Hızlandırıcısı” kurulması kararlaştırılmıştır.  BTYK kararlarının öngördüğü bu çalışmalar  TAEK tarafından  planlandığı gibi yürütülememiş ve  sonuçlandırılamamış olduğunu yukarıda ifade etmiştim.

Türkiye’nin   GİF IV’a sunacağı yeni  yol haritası ve 4. Nesil nükleer reaktörlerden  yanlızca  “Ergimiş Tuz Toryum  Hızlı Reaktör” projesinin gerçekleşmesi bakımından  hazırlanmış  bir yol haritasıdır.
Oysaki   2007/102 tarih ve sayılı BTYK  kararında  esasen söz konusu edilen  “Toryum Mükemmeliyet Merkezinin” gerçekleştirilmesi ve de  kararın özünde yer alan GİF IV.’runda  halen üzerinde çalıştığı 6 ayrı reaktör tipi içinde bulunan  4 .nesil   “Hızlandırıcıya Dayalı Yeni Tip  Tam Yeşil Nükleer Reaktörlere yönelik Deneysel ve Teorik Çalışmalar” ‘ın yürütülebilmesi içinde gönderilecek yol haritasında   bir çalışma olması gerekirdi. Bu mevcut değildir. Eğer 2007 yılı kararlarımızı çöpe atmıyorsak ; GİF IV’a  bir ikinci  yol haritasının da yeniden hazırlanıp  gönderilmesi gerekir.

Yani yeni nesil nükleer enerji  üzerinde iki  taraflı çalışmak  gereklidir.  Çünkü parçacık fizikçisi  Prof.Dr.Saleh SULTANSOY’a göre hızlandırıcı sürümlü sistemler Silikon Vadisi’nin temellerinden biri Stanford Üniversitesi’nin doğrusal hızlandırıcısıdır. Birçok yeni bilgi ve teknoloji hızlandırıcılar sayesinde elde edilmektedir. Örneğin GENOM projesinin %95’i hızlandırıcılar vasıtasıyla yürütülmüş. Hızlandırıcı teknolojisine sahip olmadan mikro-elektronik ve nanoteknoloji  gibi alanlarda da ilerlemek mümkün görülmemektedir.  Hızlandırıcılar gelişmiş ülkelerinin Ar-Ge altyapılarının en önemli parçalarından biridir. Bilim dünyası dikkatini CERN üzerinde yoğunlaştırmıştır. Bütün ileri endüstri ülkelerinde CERN benzeri hızlandırıcı merkezleri kurulmuştur.  CERN hızlandırıcı, algıç ve bilişim teknolojilerinde en ileri birikime sahiptir. Bu merkez tarım, tıp ve gıda teknolojisinden, eczacılığa, uzay çalışmalarına, yeni malzemeler üretilmesine  kadar bir çok alanda ileri teknoloji için çözümler üreten çok büyük katma değerli bir mühendislik merkezidir.

Bilim insanları bugün dünyadaki gelişmekte olan en ön sıradaki 10 ileri ve uç ürün teknolojinin gelişebilmesinde hızlandırıcı teknolojilerin anahtar konumunda olduğunu ifade etmektedirler.  İlk 10 teknolojiden 9’nunun  gelişmesi doğrudan hızlandırıcı teknolojilerindeki gelişmelere bağlıdır. Parçacık hızlandırıcılar doğrudan veya dolaylı 300’ün üzerinde kullanım alanı olan çok önemli ileri teknolojilerdir.
Bu nedenle TÜBİTAK’ın GİF IV’a  sunulmak üzere hazırlanmış   Nisan 2020 tarihli “Yol Haritası”nda  hızlandırıcı sürümlü sistemlere ilişkin bir yol haritasının olmaması büyük eksiklik olduğu gibi bir şekilde gerçekleştirilememiş olan  2007/102 sayılı BTYK  kararının da  bir kez daha göz ardı edilip unutturulması anlamına gelmektedir.

Diğer taraftan açıkça ifade etmek gerekir ki GİF IV’e üye olan veya olmayan bir çok ülkede hızlandırıcı sürümlü sistemler üzerindede  yoğun çalışmalar yürütmektedir.

GIF IV’ün programına  göre  üzerinde çalışmak üzere seçilen 6 farklı 4.nesil reaktör içinde, LFR(Kurşun Soğutmalı Hızlandırıcı Sistem Nükleer Reaktör),MSR(Ergimiş Tuz Reaktörü)’nden aşağıda verilen  sistem zaman geliştirme çizelgesine göre  biraz daha da önde  görünmektedir.

Komşu ülkelerden  Romanya  da dahil olmak üzere birçok ülke   LFR üzerinde çalışmaktadır. Hızlandırıcı Sürümlü Sistemlere dayalı olarak  Türkiye 2003 yılında planlayıp 2007 yılında karar almasına ve hiçbir adım atmamasına rağmen Rusya Cumhurbaşkanı Putin’in talimatı ile 2014 yılında Hızlandırıcı Teknolojilerine dayalı olarak nükleer reaktör üretmeye karar veren  Rusya ülkemizin  11 yıl geriden gelerek ülkemize  konvansiyonel 3+ anahtar teslimi NES kurmaktadır. Buna karşı da Rusya kendi ülkesi için  Toritsk Akseleratörü adı ile bir doğrusal  hızlandırıcıya sahip nükleer reaktör üzerinde çalışmaktadır.

Belçika’daki MYRRHA, dünyadaki bir parçacık hızlandırıcı tarafından çalıştırılan bir nükleer reaktörün ilk prototipidir. 2013 yılında ETKB adına Cenevre’de   gerçekleştirilen ThEC13 Konferansına katılan heyete  Türkiye olarak bu projeye katılımı  önerilmiş, ancak  bu öneri TAEK tarafından bir gerekçe gösterilmeden uygun görülmemiştir.

2012 yılında ABD’de DOE’nin Genel Sekreterine verilen Brifing’te, “Dünyada hızlandırıcılar üzerinde çalışan  ülkeler ve  bilim adamlarının isimleri sayılarak özgeçmişleri verilmiştir. Brifing sonunda da   Hızlandırıcıların  Amerika’nın  geleceği olduğu ifade edilmiştir.

Endüstriyel Hızlandırıcı teknolojileri, özellikle  doğrusal ve dairesel  proton  hızlandırıcıları  hiçbir Ortadoğu ülkesinde ve az gelişmiş ülkede mevcut değildir. Ankara'daki Sarayköy Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi'nde kurulan Türkiye'nin ilk ve tek proton hızlandırıcı tesisi ise  tıbbi amaçlı radyo farmakosit  üretmek için   BELÇİKA Firmasınca 2006 yılındaki sözleşme ile  anahtar teslimi kurulmuştur.

Bizim ülke olarak Hızlandırıcı tesisi kurma kararları aldığımız 2007 yılında Ortadoğu’da Ürdün-Amman’da  Ülkemizinde  kurucu üyesi olduğu ve Türkiye Atom Enerjisi Kurumu tarafından temsil edildiği SESAME (Orta Doğu Sinkrotron Işığı Deneysel Bilim ve Uygulamaları Uluslararası Merkezi)’de adında  bir endüstriyel proton hızlandırıcısı kurulmuştur. Bu tesis Mayıs 2007’de Almanya’dan sökülüp alınarak Ürdün’de kurulmuş bir synchrotron  tipte proton hızlandırıcısı olup  Orta Doğunun CERN benzeri bir bilimsel araştırma merkezidir.

İleri bilim çalışmaları   bir noktada bu tesisle  Türkiye’yi atlayıp Orta Doğuya kaymıştır. Sökülmüş bu tesisin Ürdün’de yenilenip kurulması sonrası devreye alınmasında 2002’den 2018’e kadar Sabancı Üniversitesinden yine Boğaziçi Üniversitesi mezunu Prof.Dr.Zehra SAYERS  isimli Türk Akademisyende  Bilimsel Danışma Komitesi Başkanı olarak görev almış ve bu başarılı hizmeti nedeni ile ABD Bilimde İlerleme Derneği (AAAS) tarafından 2019 yılında kendisine “Bilimde Diplomasi Ödülü'ne Ülkemizden layık görülen ilk bilim adamı” olmuştur.
                       
Oysaki aynı  başlangıç tarihi itibarı ile  Ülkemiz için bir Hızlandırıcı Tesisi Kurulması Projesi üzerinde Proje çalışması yapan  Boğaziçi Üniversitesinden Prof.Dr.Engin ARIK’ın  başını çektiği  5 kişiden oluşan bir gurup bilim insanı  daha projenin başlangıç safhasında 30 Kasım-2007’de Isparta’daki  bir uçak kazasında hayatlarını yitirmiş  ve ondan sonra da proje asla yürümemiş ve gerçekleştirilememiştir.
UNESCO’nun desteği ile Ürdün-AMMAN’da  kurulan   Tesisi   ise  kuruluş yeri itibarı ile ağırlıklı olarak Ürdün’ün komşu ülkesi  olan İsrail’li araştırmacılar  tarafından ileri teknoloji araştırmalarında  kullanmaktadırlar.

Türkiye  kurucu üyeleri arasında olsa da  SESAME  ile  ülkesinde olabilecek bir üstünlüğü şimdide   bir Ortadoğu  ülkesine kaptırmıştır.

  Ülke olarak  bir proton hızlandırıcısına  ve hızlandırıcı  teknolojilerine  gereksinimimiz  vardır.

Sonuç olarak, Ülkemizin dünyanın 10 büyük ekonomisi içinde yer alabilmesi   ve hedeflerimize ulaşılabilmesi için ileri ve uç ileri teknolojilerde çalışmak,  üretmek ve bu  alanda  ihracatımızı geliştirmekle mümkündür.


Bu nedenle GIF IV’e sunulmak üzere TÜBİTAK’ın ilgili uzmanları toplayarak hızla yeni bir Hızlandırıcı Sistemlere Dayalı Nükleer Reaktör Yol Haritası da hazırlaması ve  hazırlanan mevcut yol haritası ile birlikte, her iki ayrı tip nükleer enerji  üretim  seçeneği   üzerinde çalışma  başlatacak yeni ve daha ileri bir yol haritasını ortaya koyması  ulusal çıkarlarımız için  son derece zorunlu ve gereklidir.





22 Mart 2020 Pazar

Güneş Işınlarından Elektrik Pratikte Nasıl Üretiliyor?


Güneş enerjisinden yararlanılan ana teknolojiler :
1.             Güneş ışınlarını doğrudan elektriğe çeviren fotovoltaik (PV) teknolojisi. Evlerin çatılarına ve güneş çiftliklerinde (parklarında)  toprak yüzeyine yerleştirilen güneş panelleriyle elektrik üretilmesi (Güneş Santralları),
2.             Güneş ışınlarını yansıtıcılarla odaklayıp, yoğunlaştırıp dar demetler halinde, su (tuz, hava gibi maddelerle) dolu kaplara yönlendirerek yüksek sıcaklıktaki suyun buharıyla türbinleri çalıştırarak elektrik üretilmesi (termal enerji / Concentrated solar power (CSP)
3.             Güneşin ısı enerjisini odaklayarak ya da soğurarak evlerin ısıtma ve havalandırma (klima) sistemlerinin çalıştırılması / Heating, ventilation and air conditioning (HVAC).
4.              İlk kez William Bailey’in 1909’da bulduğu bir teknikle çatıya konan bir su deposu ve ızgaralı boru setlerinde dolaşan suyun ısıtılarak evin sıcak suyunun sağlanması.
Bu yazımızda, konuya yabancı olanlar için, fotovoltaik (PV) yönteme dayanan, güneş hücrelerinden (pillerinden) elektrik üretiminin, pratikte nasıl yapıldığını biraz  ayrıntılarıyla ele alacağız.
       
Güneş hücresi (pili) nasıl çalışıyor?
Bir silisyum tabakası üzerine ışık düştüğünde, ışınların (fotonların) silisyuma enerji aktarımıyla, silisyumdaki bazı elektronların ya da yüklü parçacıkların enerji düzeyleri yükseltilerek, serbest kalmasıyla (ancak güneş hücresi içinde kalarak) bir elektrik akımı oluşturacak şekilde yönlendirilmesine çalışılıyor. Bu amaçla, herbir silisyum güneş hücresinin üst ve alt yüzeylerine bor ve fosfor gibi farklı yabancı maddeler katılarak elektronların bir yüzeyde, protonların ise diğer yüzeydeki bu yabancı maddelerin atomlarında toplanmaları sağlanıyor. Böylelikle, bir pilde olduğu gibi artı ve eksi iki kutup yaratılıyor. Güneş hücresinin üst ve alt yüzeyleri birer telle bağlanıp (Şekil 1) araya örneğin bir ampul takılacak olursa, güneş ışınlarına tutulan güneş hücresinin oluşturduğu elektrik akımı lambayı yakıyor (Ancak, oluşan elektrik akımı doğru akım olduğundan, bu, araya konan bir çeviriciyle alternatif akıma çevriliyor).



Şekil 1: Silisyum güneş hücresinin ışığa tutulmasıyla oluşan elektrik akımıyla ampulün yanması, şematik olarak, alternatif akıma dönüştürülmeden gösteriliyor  (Şekildeki yazılar soldan sağa: Özel işlenmiş yarıiletken madde, Yansımaya karşı kaplama maddesi, Güneş ışını, Alt iletken yüzey, Üst iletken  yüzey)

Güneş hücre ve panelleri hangi maddelerden, nasıl yapılıyor ve özellikleri neler?
Bugün dünyada kullanılan güneş hücrelerinin %90’dan fazlası kuvars kumundan (silisyum) yapılıyor. Silisyum ise yerkabuğunda en çok bulunan ve zehirli olmayan bir madde. Tüm bunlara rağmen, silisyumun yerine geçecek çok daha uygun malzemeler tüm dünyada araştırılıyor.
Silisyumu güneş hücrelerinde kullanabilmek için önce kuvars kumunun yıkanması ve kristalleştirilmesi gerekiyor. Tek kristalli silsyum hücreleri iyice temizlenmiş yarıiletken bir malzemeden yapılıyor. Ergitilmiş silisyum, çubuklar haline getirilip sonra 0,25 mm kalınlığında kesiliyor.
Güneş hücreleri kapalı havalarda dahi az da olsa bir miktar elektrik akımı üretebiliyorlar. Güneş ışınlarının şiddeti arttıkça, güneş hücresinin ürettiği elektrik akım şiddeti (Amper) de artıyor. Çok güneşli yaz aylarında güneş hücrelerinin elektrik gücu (Watt= Volt x Akım şiddeti) de iyice artıyor. Her bir güneş hücresinde oluşan voltaj, yaklaşık olarak 0,5 Volt, akım şiddeti ise hücrenin büyüklüğüne göre değişiyor. Genellikle 16 cm x 16 cm büyüklüğünde üretilen bir silisyum hücresi ortalama olarak 5,5 Amper akım şiddeti üretiyor ve kuvvetli güneşte 2,75 Watt ( = 0,5 Volt x 5,5 Amper) elektrik gücüne ulaşabiliyor. Güneş panellerinden oluşan güneş santrallarının maksimum güçleri yaz aylarında ulaşılabilecek en üst değer olan ‚peak‘ (p) değerle veriliyor. Örneğin Konya Karatay Güneş Santralın elektrik gücü: 18 MWp (18 MegaWatt peak).
Her ne kadar bir güneş hücresi güneş pili olarak adlandırılsa da normal pil ile arasında büyük fark bulunuyor. Güneş hücrelerinin, sadece güneş olduğu zaman işleyebilecekleri açık. Havanın güneşli olup olmamasına ve güneş hücrelerinin ve panellerinin büyüklüğüne göre elde edilecek elektrik akım şiddeti değişiyor. Bir güneş paneli ya da modülü:  32, 36, 48, 60, 72 ya da  96 güneş hücresinin bir birine bağlanmasından oluşuyor.

Güneş panelleri (modülleri)
Güneş Santralları’nda,  çok sayıda güneş panelleri kullanılıyor. Bu paneller (200 cm x 100 cm gibi) çeşitli büyüklükte olup her bir panel genellikle 16 cm x 16 cm büyüklükte çok sayıda (örneğin 72) güneş hücresinden oluşuyor. Bir güneş santralının elektrik gücü (MW) ve yılda üreteceği elektrik enerjisi (MWh), bulunduğu yerdeki güneş ışınlarının gücüne (Watt/m2), güneş hücrelerinin ya da panellerinin cins ve sayısına bağlı olarak değişiyor.
Güneş panellerinin büyüklükleri ve elektrik güçleriyle ilgili örnekler:
Güneş panelleri çeşitli büyüklükte yapılıyor. Bunların güçleri de farklı
·                1 panel: 166 cm x 99 cm , 16 434 cm2 ,  210-250 Watt,
·                1 Güneş hücresi: 16cm x 16cm = 256 cm2 , 64 Hücre = 1 panel
·                1 Güneş hücresi voltajı (ortalama): 0,5 Volt
1 Güneş paneli voltajı: 64 Hücre x 0,5 Volt/Hücre = 32 Volt,
Watt= V x I ,  250 W= 32 x I Amper,  Elektirk akımı: I= 7,8 Amper

Güneş panelleri de birbirlerine bağlanarak güneş üreteci (jeneratörü) ya da santralı yapılmış oluyor. Güneş santralında üretilen doğru akım, bir dönüştürücüyle alternatif akıma çevrilerek elektrik ağına (elektrik şebekesine) besleniyor. Güneş panelleri hava koşullarına dayanacak şekilde yapılıyor. Üstten bir cam tabakayla korunurken alttan da bir folye ile kaplanıyor. Güneş hücreleri arasında biraz da aralık bulunuyor (Bkz.Şekil 2) /1-5/.

Güneş santralları genellikle elektriğin kullanılacağı yerlere yakın değil. Bu nedenle uzak yerlere olacak kablo kayıplarını azaltmak amacıyla bunlar, voltajları yüksek, akım şiddetleri ise daha düşük olacak şekilde yapılıyor. Her bir güneş hücresinin voltajı yaklaşık olarak 0,5 Volt. Örneğin 96 ya da 100 hücreli bir panelden 50 Volt kadar bir voltaj sağlanabiliyor. Kaba bir hesap için genellikle güneş hücresinin veriminin en çok % 20 ve güneş ışınlarının o yöredeki gücü olarak da 1000 Watt /m2 alındığına, 1 m2 ’lik bir güneş panelelinin elektrik gücü en çok 200 Watt olabiliyor.  Örneğin, 100 MWp kurulu güçteki bir güneş santralı için 200 Watt’lık 500 000 adet panel gerekecektir (=100 milyon Watt/200 Watt).
Fotovoltaik yöntemle elektrik üretilirken paneller yaz günleri çok ısınırlarsa verimleri düşüyor. Bunun nedeni, güneşte fazla ısınan güneş hücrelerinde gereğinden çok artan elektronların, voltajı düşürmeleri.  Fotovoltaik yöntemde ısı enerjisi değil, güneş ışınlarının (fotonların) enerjisi önemli oluyor /1/. En fazla verim serin, rüzgarlı, açık ya da az nemli ancak güneşli bir havada elde ediliyor. Panellerin üzerinde biriken nem ve sıcak hava tabakasını rüzgar süpürerek ışınların elektrik üretiminde daha etkili olmasını sağlıyor.

Şekil 2 a. Bir güneş panelinin yapısı: Üstten aşağıya doğru, aliminyum çerçeve, cam plaka, plastik tabaka, güneş hücreli panel, plastik tabaka, plastik folye, cam plaka ve kablolu kutu,

Şekil 2 b. Güneş enerisi panelleriyle donatılmış bir evin ürettiği elektriğin elektrik ağını beslemesi ve elektrik ağından elektrik alması şematik olarak gösteriliyor.



Şekil 3: ABD’deki güneş panelleri için birer örnek: Evler için üstte küçük panellerin ve altta ticari yerlerin daha büyük panellerinin inch olarak büyüklükleri (1 inch= 2,54 cm),
Şekil 4. Aynı büyüklükteki Güneş Panellerinin elektrik güçlerinin zamanla gitgide artması ( 2015’de  yapılan panelin gücü, 1954’de yapılanın 13 katından fazla)


Not 1: Güneş panellerinde bulunan sağlığa zararlı kimyasal maddelerin azaltılmasıyla ilgili daha önceki yazımızdaki önerilerin göz önüne alınarak gerekli önlemlerin alınması yararlı olabilir ve 25-30 yıl sonra ülkemizin bir çok yerinin binlerce eski panel çöplüğüne dönüşmesi önlenebilir umarız /4/.
---------------------
(*) 1 Watt: Elektrik güç birimi olupEnerji aktarım (transfer) hızını’ gösteriyor (enerji değil, enerjiyle karıştırılmamalı!). Güç (W)= Ws/s
Enerji birimi: WattSaniye (Ws) = Güç (Watt) x Saniye (s).
1 WattSaniye (1Ws): 1 saniyede üretilen ya da tüketilen 1 Joule’lük enerji, elektrikte, 1 Ws’dir. 
1 Joule: Örneğin 100 gramlık çikolata paketini yerden 1m yukarıya kaldırmak için gereken enerji.
1 WattSaat (1 Wh) = Güç (Watt) x Saat (h).
1 kWh = 1000 Wh,  1 MWh= 1 Milyon Wh, 1 GWh= 1 Milyar Wh, 1 TWh= 1 Trilyon Wh= 1 Milyar kWh. Örneğin 1 milyar 100 Watt’lık ampulü 10 saat yakabilmek için 1 milyar kWh’lık enerji gerekecek.

 Yüksel Atakan, 
Dr.Radyasyon Fizikçisi, 



………………………..
Kaynaklar:
/1/ Güneş ışınlarından elektrik üretimini kimler akıl etti ve geliştirdi, Y.Atakan, HBT 28 Şubat 2020,   Sayı  205;  Yüzer Güneş Santralları Y.Atakan, HBT 6 Mart 2020
  /5/ Güneş Enerjsisinden Elektrik üretimi Y.Atakan, Herkese Bilim Teknoloji Dergisi 198. Sayısı Ocak 2020



9 Mart 2020 Pazartesi

HOLLANDA’DAKİ ERGİMİŞ TUZ YAKIT TESİSİ TAMAMLANDI. BY DAVID SZONDY, NRG, HOLLANDA



(newatlas.com’dan Doç.Dr.Çetin ERTEK tarafından tercüme edilmiştir.)
Hollanda Nükleer Araştırma Danışma Grubu (NRG) Petten’deki yüksek akı reaktöründe ergimiş tuz yakıtlarını incelemiştir. Petten Araştırma Merkezi Amsterdam’ın 60 km kuzeyinde büyük ve saygın nükleer araştırma merkezidir. Ergimiş tuzla yapılan araştırmalar Amerika’da DRNL laboratuvarlarında 1950’lerde, 1960’larda başlamıştır. Hafif sulu reaktörlerde MSR’lerde aynı fisyon kaynağını kullanırlar, fakat mühendislik dizaynları farklıdır. Hafif sulu reaktörlerde, nükleer yakıt zenginleştirilmiş uranyum veya plutonyum çubuklardan yapılmıştır. Bunlar moderatör ve soğutucu olarak kullanılan su içine yerleştirilirler. Çubukları zirkonyum alaşımları tarafından kaplıdır. Bir nötron uranyum veya plutonyum içine girer, fisyon yapar enerji ortaya çıkar, fazladan 2 veya 3 nötron da ayrıca çıkarak zincir reaksiyonunu meydana getirir. Su moderatör ödevini görür, atomların daha fazla fisyon yapmasını sağlar. 60 seneden beri kullanılan bu sistem, halktaki intibaya karşıt kilowatt başına en emniyetli rekora sahiptir. Bu tip reaktörlerin dezavantajı suyu çok yüksek basınç ve sıcaklıkta kullanmasıdır. Su yerine tuz kullanılması halinde avantajlar artar. Artık çubuklar yoktur, yakıt tuzla karışmıştır. Sıvı halinde dolaşır, yüksek sıcaklığa rağmen artık basınç altında değildir. Çeşitli ergimiş tuz reaktör cinsi vardır, karışım çok farklı olabilir. Uranyum yanında toryum kullanılabilir, radyo-aktif atıklar yakıt olarak kullanılabilir. Hafif su reaktörlerinin kullanılmış yakıt elemanlarındaki radyo-aktiviteyi düşük seviyelere çekebilir.
Ergimiş tuz reaktörünün kapatılmasına gerek yoktur. Kullanılmış yakıt kimyasal bir düzenekle sistemden alınır, yeni yakıt içine pompalanır. Düşük basınçlarda sistem çalışabilir. Buhar meydana getirmez, su buharı üretmez, dolayısıyla hidrojen gaz patlaması olmaz, bundan dolayı çok ağır ve hantal basınç kazanına ihtiyaç yoktur. MSR molten salt reaktörleri yüksek sıcaklıkta çalıştıkları için verimleri daha yüksektir ve hacimleri küçüktür.
Ergimiş tuz sıcaklıkla genleşir. Bundan dolayı kendi kendini kapatma özelliğine sahiptir. (negatif sıcaklık katsayısına sahiptir.) Bu tip reaktörlerde korozyona ve radyasyon tahribine dikkat edilmesi gerekir. Sistem istenmeyen yüksek sıcaklıklara çıktığında alttaki tıpa kendiliğinden eriyerek yakıtı otomatik olarak depoya gönderir.
Ralph Hania, NRG laboratuvarlarında, bu tip reaktörlerin düşük sıcaklıklarda nasıl davrandığını incelemek üzere hazırlıklarını yapmaktadır. Ergimiş tuzun arıtılması gibi çalışmalar devam etmektedir. Ergimiş tuzun radyo-aktivite ile bütün etkileşiminin iyi bilinmesi gerekir.
KAYNAK: NRG
07.03.2020

4 Mart 2020 Çarşamba

GÜNEŞ IŞIĞINI ELEKTRİĞE ÇEVİRMEYİ KİMLER, NASIL AKIL EDİP BAŞARDILAR?


Fransız Alexandre Edmond Becquerel’in, 1839‘da, henüz 19 yaşındayken, babasının fizik laboratuvarında yaptığı ilk gözlemleriyle başlayan buluşu nasıl geliştirildi?

Yüksel Atakan, Dr.Radyasyon Fizikçisi, ybatakan3@gmail.com, Almanya

Güneş, devasa enerjisini (*) milyarlarca yıldır ışıyarak yayıyor ve  bu ışımanın ‚4 milyar yıl kadar‘ daha süreceği kestiriliyor. 1700’lü yıllarda dünyaca tanınmış fizikçi Newton’a –  Güneş ışığı, güneşte nasıl ortaya çıkıyor, ışığın kaynağını fizikte nasıl açıklarsınız? diye sorduklarında – o Tanrı’nın işidir, bilemem demiş ! Bugün artık, güneş ışınlarının, güneşteki hidrojen, döteryum, trityum, helyum gibi hafif atom çekirdeklerinin çok yüksek sıcaklık ve basınç altında FÜZYON dediğimiz olay sonucu kaynaşmaları sırasında oluştuğunu biliyoruz.
Güneş enerjisinden insanların çok az da olsa yararlanmaları ise yeni olmayıp, insanların yer yüzünde dolaşmalarıyla başlıyor. Güneş enerjisini doğru düzgün kullanmaları da Milat‘tan 7 YY öncesine kadar gidiyor.  İnsanlar, başlangıçta ya kızgın güneş altındaki yerlerde ya da büyüteçlerle, aynalarla güneş ışınlarını odaklayıp ateş yakarak yemek pişiriyorlar ve  güneş ışınlarıyla ısıtılan odalar yapıyorlardı /1/. Milattan önce 3.YY’da Yunanlılar ve Romalılar ‚yakan aynalarla‘ kutsal meşaleleri‘ dini törenlerde ateşliyorlardı. Yunanlı Arşimed’in, MÖ 3.YY“da,  Romalı‘ların tahtadan bir savaş gemisini bronz aynalardan yansıttığı güneş ışınlarıyla yaktığı ve Roma askerlerinin karaya çıkamadıkları öyküsü, anlatılır. Bunun doğruluğu kanıtlanamasa da, Yunan donanmasının, 1970’de tahtadan bir deneme gemisini bronz aynalardan yansıtılan güneş ışınlarıyla 50 metre uzaktan yaktığı ve eski öykünün doğru olabileceğini gösterdiği ise bir gerçek /1/.

Güneş ışınlarının bir metal yüzeye çarptığında, elektrik oluşturduğu, ilk kez 19.YY’da gözlemleniyor. Fransız fizikçi Alexandre Edmond Becquerel (1820-1891), fizik profesörü olan babası Antoine Cesar Becquerel‘in laboratuvarında o zamanlarda ilk sayılacak pillerle uğraşıyor ve bazı deneyler yapıyordu. Elektroliz deneylerinde, platin anod ile katod arasındaki akım şiddetinin, ışıklı laboratuvarda, karanlıktakinden biraz daha fazla olduğunu görünce, ışığın elektrolizde elektrik akımını artırdığı sonucuna, henüz 19 yaşındayken, varıyor. Bu, sonradan fotovoltaik olay olarak adlandırılıyor. Ancak ışığın ya da elektromanyetik radyasyonun, o zamana kadar klasik fizikte bilinen dalga kuramıyla bu olayın temelini, Becquerel de daha sonraki araştırmacılar da, açıklayamıyorlar. Edmond Becquerel (**) bu arada güneş ışığı tayfındaki kısa dalgalı mor ışınları da buluyor. 

A.E.Becquerel’in 1839’daki bu gözleminden sonra, 1873’de Willoughby Smith, Selenyum’un iyi bir fotoiletken olduğunu buluyor. 3 yıl sonra da 1876‘da William Grylls Adams ve öğrencisi Richard Evans Day, fotovoltaik yöntemi Selenyum’a uygulayıp gerçekten de Selenyum’un ışıkta elektrik akımını artırdığını kanıtlıyorlar. 1883’de ABD’li araştırmacı Charles E. Fritts, selenyumu çok ince bir altın tabakasıyla kaplayarak çalışan ilk güneş hücresini yapıyor. Fotovoltaik olayın nasıl olduğu o günlerde  anlaşılmadığından Fritts, tanınmış bir uzman olan Werner von Siemens ile ilişki kuruyor ve Siemens, Fritts‘in güneş hücresinin çalıştığını deneylerle doğruluyor.
Fotovoltaik olayın dayandığı temel, fizikte 1900‘lü yılların başlarına kadar anlaşılamadığından, güneş ışınlarından elektrik elde etmenin teknolojisinde de pek ilerleme olmuyor.

Einstein ışığın, kendi frekansıyla orantılı olacak şekilde kesikli enerji paketçiklerinden (taneciklerinden, kuantalardan ya da fotonlardan) oluştuğunu, ışınlar bir metal yüzeye çarptıklarında fotonlar bu enerjilerini, elektronlara aktararak, bunları atomlardan söküp, serbest bıraktığını 1905’deki bilimsel makalesinde ‚fotoelektrik olay‘ olarak açıklıyor.  
……………………..
(*) 5 000 trilyon kWh kadar (Birim için yazının sonuna bkz.).
Einstein’ın bu açıklamasını, ABD’li Rober Millikan yaptığı deneylerle 1916’da doğruluyor. Einstein’a, çok bilinen Görelilik / Relativite buluşu nedeniyle değil, ‘Fotoelektrik Olay’a getirdiği bu açıklama sonucu, 1921’de Nobel Ödülü veriliyor.
Fotovoltaik olay, temelde fotoelektrik olaya dayanıyor, ancak aralarında önemli bir fark bulunuyor. Her iki olayda da soğurulan ışık (fotonlar), bir elektronun ya da yüklü bir parçacığın daha yüksek bir enerji düzeyine yükselmesiyle sonuçlanıyor. Fotoelektrik olayda, güneş ışınlarından (fotonlardan) iletken (metal) malzemenin cinsine bağlı olarak belirli bir eşik enerjinin  üzerinde enerji alan elektronlar tam serbest kalırlarken , fotovoltaik olayda, elektronlar yarıiletken malzemenin içinde (örneğin silisyum) yönlendirilerek bir elektrik akımı oluşturuyorlar ve böylece güneş ışınlarının enerjisi, elektrik akımına dönüştürülüyor . Buradan güneş hücrelerinde neden metallerin kullanılmalarının uygun olmadığı da anlaşılabilır.
Yarıiletken bir madde olan silisyumun özellikle kristal yapısı güneş hücresi olarak çok uygun. Siliisyum atomunun 3 yörüngesinde toplam 14 elektron bulunuyor. İlk 2 yörüngede sırasıyla 2 ve 8 elektron bulunuyor ve bunlar tümüyle dolu. Dış yörünge ise 4 elektron boşluğuyla sadece yarı dolu. Bu yörünge komşu atomlardan elektron çekip doldurmaya ya da komşu atoma elektron vermeye eğilimli olduğundan silisyum yarıiletken güneş hücresi olarak çok uygun bir madde.


Şekil 1a: Fotovoltaik olayın temeli olan Fotoelektrik olayda kısa dalgalı ışık fotonlarının, metal yüzeyden söktükleri elektronlar serbest kalıyorlar.   Daryl Chapin (1906 – 1995) ve  Gerald Pearson (1905 – 1987), Calvin Fuller (1902 – 1994)) 

yarıiletken silisyum güneş hücrelerini, birlikte gerçekleştirerek, güneş enerjişini doğrudan elektriğe dönüştüren araştırmaların teknolojide gelişmesine 1954’de çok büyük katkıda bulundular (ATT Bell Labs)



Güneş hücrelerinin ortaya çıkarılmasında ve geliştirilmesinde bir çok fizikçi katkıda bulunuyor /1/. A.Edmond Becquerel fotovoltaik olayın perdesinin aralanmasını sağlarken, güneş hücrelerinin ortaya çıkmasının öncülüğünü ise Charles E. Fritts (1850-1903) yapıyor. Daha sonra Einstein’ın yukarıda belirtilen  çalışması ışığın karakterinde çığır açarak fotovoltaik teknolojinin gelişmesini sağlıyor. Transistörlerin bulunmasından hemen sonra da 1941’de Russel Ohl kullanılabilecek ilk güneş hücresini yapıyor. Bell laboratuvarında  çalışan üç araştırmacı 1954’de (Daryl Chapin, Calvin Fuller ve Gerald Pearson)  yarıiletken silisyum maddesinden güneş hücreleri yapıyorlar /1,2,3/.

İlk güneş hücreleri nerede kullanıldı?
16 cm çapındaki fotovoltaik güneş hücreleri ilk kez 1958‘de Vanguard 1 Uydusunda kullanılıyor ve 7 yıl boyunca uydunun dünyaya veri aktarması böylece sağlanıyor. 1955–1973 arası, fotovoltaik yöntemle elektrik üretimi, hem veriminin düşük (% 6 kadar) hem de pahalı olması nedeniyle ancak uzay teknolojisine ve bazı yerlere sınırlı kalıyor, fazla yayılamıyor.
1973’deki petrol krizi, 1979 ABD Harrisburg TMI ve 1986 Çernobil nükleer santral kazaları, güneş ışınlarından fotovoltaik yöntemiyle elektrik üretimine hız verilmesine ve bu konuda büyük paralar ayrılarak bu teknolojinin gelişmesine yol açıyorlar.
Her geçen yıl tüm dünyada güneş ışınlarından fotovoltaik yöntemle elektrik üretimi gitgide artıyor. Dünyada 2019’da güneş enerjisinin toplam kurulu elektrik gücü, 500 GigaWatt ya da 100 adet büyük nükleer santralın kurulu elektrik gücüne kadar yükseldi (Güneş Santralları en çok % 20 verimle çalıştıklarından, yılda ürettikleri elektrik enerji, nükleer santralların ancak 1/5 kadar).  Formularbeginn
Fotovoltaik yöntemle güneş ışığının elektrik akımına çevrilmesini Şekil 3  ve 4 açıklamalarla gösteriyor.
Şekil 2 :  Charles Frıtts’in 1884’de NewYork’ta sergilediği ilk fotovoltaik panel




Şekil 3 :  Bu örnekte 9 güneş hücreli (silisyum) bir panele çarpan güneş ışınları, artı ve eksi yüklü silisyum (yarıiletken) tabakaları arasındaki elektrik alanı sonucu voltaj oluşturarak elektrik akımı üretmesi gösteriliyor.
Yarıiletken (örneğin silisyumdan) bir güneş paneline, güneş ışığı çarpması sonucu, elektrik devresine elektrik akımının beslenmesi gösteriliyor.


Not 1:Güneş panellerinde bulunan sağlığa zararlı kimyasal maddelerin azaltılmasıyla ilgili daha önceki yazımızdaki önerilerin göz önüne alınarak gerekli önlemlerin alınması yararlı olabilir ve 25-30 yıl sonra ülkemizin bir çok yerinin binlerce eski panel çöplüğüne dönüşmesi önlenebilir umarız /4/.

Not 2: Güneş ışınlarından elektrik üretimiyle ilişkili diğer konuları bundan sonraki yazılarımızda ele alacağız.
---------------------
(*) 1 Watt: Elektrik güç birimi olupEnerji aktarım (transfer) hızını’ gösteriyor (enerji değil, enerjiyle karıştırılmamalı!). Güç (W)= Ws/s
Enerji birimi: WattSaniye (Ws) = Güç (Watt) x Saniye (s).
1 WattSaniye (1Ws): 1 saniyede üretilen ya da tüketilen 1 Joule’lük enerji, elektrikte, 1 Ws’dir. 
1 Joule: Örneğin 100 gramlık çikolata paketini yerden 1m yukarıya kaldırmak için gereken enerji.
1 WattSaat (1 Wh) = Güç (Watt) x Saat (h).
1 kWh = 1000 Wh,  1 MWh= 1 Milyon Wh, 1 GWh= 1 Milyar Wh, 1 TWh= 1 Trilyon Wh= 1 Milyar kWh
Örneğin 1 milyar 100 Watt’lık ampulü 10 saat yakabilmek için 1 milyar kWh’lık enerji gerekecek.
………………………..
(**) Alexandre Edmond Becquelerl’in oğlu olan Antoine Henri Becquerel, Marie ve Pierre Curie ile birlikte uranyum’un radyoaktif olduğunu göstererek radyoaktiviteyi açıkladılar ve  kendilerine bu buluşları nedeniyle Nobel ödülü verildi. Dededen toruna kadar Becquerel’ler profesör olarak çalışıp bilime katkıda bulundular.
Not: Bu yazı HBT dergisinin 205 nolu sayısında 28 Şubat 2020 günü yayımlanmıştır.