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 olup ‘Enerji 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,
ybatakan3@gmail.com, Almanya
………………………..
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
Hiç yorum yok:
Yorum Gönder