GÜNEŞ ENERJİSİNDEN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİM SİSTEMLERİ

Güneş sistemi içinde yer alan Güneş, Dünya için temel bir enerji kaynağı olarak karşımıza çıkar. Gezegenimizdeki yaşamın devamı için Güneş vazgeçilemez bir kaynaktır. Dünya, odağı Güneş olan eliptik bir yörüngede ve kendi ekseni etrafında dönmektedir. Dünya’nın bu kendi ekseni etrafında dönmesinden gece-gündüz, Güneş etrafında dönüşünden ise mevsimler oluşmaktadır. Bu yörüngesel hareketi nedeniyle yıl boyunca Dünya üzerine gelen Güneş enerjisinin miktarı değişmektedir. Güneşin sahip olduğu enerjinin dönüştürülüp kullanılması hem doğal yollarla hem de yapay yollarla olur. Doğal yollar ile enerji dönüşümüne fotosentez olayı, su döngüsü, rüzgâr ve dalga oluşumu, yangınlar, toprak ve suyun ısınması örnek olarak verilebilir. Benzer şekilde Güneş enerjisi yapay dönüştürücülerle ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Toplayıcılar ve güneş pilleri bunlara örnektir. Günlük yaşantımızda Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için güneş pilleri veya bir başka deyişle fotovoltaik hücreler yaygın olarak kullanılmaktadır.

Güneşten gelen ışınların dağılımına bakıldığında bunların % 46’sının kırmızı altı (infrared) bölgede, % 45’inin görünür bölgede ve % 6’sının ise morötesi (ultraviole) bölgede olduğu görülmektedir. Morötesi ışınlar, 0,4 mikrometreden küçük dalga boylu ışınlardır. Kırmızı altı ışınlarının dalga boyları 0,7 ile 2,5 mikrometre arasındadır. Görünür bölgeye karşı gelen ışınlar ise dalga boyları 0,4 ile 0,7 mikrometre arasında olan ışınlardır. Bu ışınlardan morötesi bölgesine karşı gelen ışınlar, enerjisi daha yüksek olan ışınlardır ve canlılara zarar verici özelliğe sahiptir. Ozon tabakası morötesi ışınların uzaya tekrar yansıtılmasında önemli bir rol oynar.

Günümüzde ticari amaçlı güneş pili üretiminde kullanılan malzemelerin başında kristal-silikon malzeme gelmektedir. Kristal silikon, mükemmel düzenli yapı (tek kristal) veya rastgele düzenli yapı (monokristal, multikristal, polikristal) olarak üretilebilir. Silikon dışında fazla pahalı olmayan cam, plastik veya paslanmaz çelik üzerine birkaç mikrometre kalınlığında ince filmler de güneş pili olarak kullanılmaktadır. Bu filmlerde, yarı iletken materyallerden amorf-silikon (a-Si), galyum arsenit (GaAs), bakır indiyum selenyum (CuInSe2 veya CIS) ve kadmiyum telur (CdTe) en çok kullanılanlar arasındandır. Amorf silikon, yapısı belirli bir düzende olmayan yapıdır ve üzerine ışın düştüğünde güneş enerjisini dönüştürebilmek için özel olarak tasarlanması gerekir. Tek kristal silikon güneş pilleri, diğer malzeme- lerle üretilen güneş pillerine göre üretim maliyeti daha yüksek olmasına rağmen verimi en yüksek olan pillerdir. Güneş pili malzemesi olarak organik polimer kullanılması çalışmaları son yıllarda hız kazanmıştır. Bu çalışmaların sonucunda düşük maliyetli, yüksek verimli ve esnekliğin ön planda olduğu sistemler öngörülmektedir. Üretilen malzemelerin çatı kaplamalarında da kullanılabileceği ve insan sağlığını için de tehdit oluşturmayacağı düşünülmektedir.

Silikon atomu 14 proton (mavi ile gösterilen bölgede “+” işaretli) ve 14 nötron (mavi ile gösterilen bölgede içi dolu koyu işaretli) içeren bir çekirdekten (mavi bölge) ve 14 elektrondan (içleri “-” işaretli) oluşur. Elektronların 10 tanesi çekirdeğe kuvvetli bir şekilde bağlı iken değerlik elektronu olan 4 tanesini az bir enerji ile atomdan ayırabiliriz. Değerlik elektronları kimyasal bağ yapmak için uygundur. Bu nedenle silikon “dört bağ” yapar anlamında tettravalent yapı olarak da bilinir. Silikonun sahip olduğu 14 elektrondan 10 tanesi çekirdeğe sıkı bağlı olduğu için bu yapıya kapalı yapı denir. Geriye kalan 4 elektron ile +4 değerlikli bir atom olarak isimlendirilir. İki silikon atomu karşılıklı değerlik elektronlarını kullanarak birbirlerine bağlanır. Bu kimyasal bağ çeşidine kovalent bağ denir. Silikon sahip olduğu 4 elektron ile komşu atomlar ile 4 kovalent bağ yaparak kristal yapıyı oluşturur. Sıcaklığın 0 K diğer bir ifadeyle -273 °C olduğu zaman elektrik alanı iletebilecek serbest taşıyıcılar bulunmaz. Bu durumda silikon yalıtkan gibi davranır. Eğer ısıl etkiler, elektromagnetik ışıma (foton) veya yüksek hızlı serbest elektronların örgüye hızla çarpası sonucu bağ yapısı bozulursa değerlik elektronları serbest hale geçer ve bağın olması gereken yerde boşluk (hole) oluşur. Bu durumda elektriksel iletim için yeterli koşullar gerçekleşir. Sıcaklık arttıkça serbest taşıyıcı sayısı artar. Diğer bir bakış tarzı ise olaya band yapısı ile bakmaktır. Bu yaklaşıma göre elektronlar kesikli enerji seviyelerinde bulunur. Silikon için ele alırsak elektronlar tarafından tamamen doldurulan band değerlik bandı olarak boş olan üst band ise ilettim bandı olarak isimlendirilir. Bu iki band arası uzaklık ise yasak enerji aralığı olarak isimlendirilir ve bu değer silikon için 1,1 eV’dur. Yapı içinde, serbest elektronlar negatif yüklü taşıyıcıları, boşluklar ise pozitif yüklü taşıyıcıları temsil eder. Elektrik alan altında pozitif yüklü taşıyıcılar elektrik alan yönünde (akım yönünde) negatif yüklü taşıyıcılar ise ters yönde hareket eder.

Eğer silikon örgü içine değerlik elektron sayısı 5 olan bir fosfor atomu yerleştirilirse fosforun 4 elektronu kristal bağ yapısına katkıda bulunurken geriye kalan 1 elektronu bağ yapmadan yapı içinde bulunur. Bu tip yapılara n-tipi yapı ve yine kristal örgü ile hareket etmeden denge hâlinde bulunan elektrona ise verici (donor) ismi verilir. Benzer şekilde silikon örgü içine değerlik elektron sayısı 3 olan bir berilyum atomu yerleştirilirse berilyumun 3 elektronu kristal bağ yapısına katkıda bulunurken geriye kalan 1 silikon elektronuna karşılık elektron bulunamadığından bağ oluşmayan bir boşluk oluşturulur. Bu tip yapılara p-tipi yapı ve yine kristal örgü ile hareket etmeden denge halinde bulunan boşluklara ise alıcı (acceptor) ismi verilir. Verici ve alıcılar hareket etmediklerinden dolayı elektriksel alanı ileten taşıyıcılar değildirler.

İletkenliği kontrollü şekilde yapmak için kristal yapının içine safsızlık atomlarını koyma işlemine katkılama denir. Her 10.000 silikon atomuna karşılık 1 katkı atomunun olmasına aşırı katkılama, her 100 milyon silikon atomuna karşılık 1 katkı atomunun olmasına ise zayıf katkılama denir. n-tipi ve p-tipi iki malzemenin birbiri üzerine büyütülmesi sonucunda pn eklem (juncttion) denilen yapı oluşturulur. Bu yapının her iki tarafındaki elektron ve boşluk sayıları birbirinden farklı olacağı için bir potansiyel farkı oluşur. Bu durumda dışarıdan yasak enerji aralığından büyük veya eşit büyüklükte bir ışın yapı üzerine uygulanırsa elektron-boşluk çifti yaratılır. Bir başka deyişle değerlik bandındaki elektron uyarılarak üst seviyeye çıkartılır. İletim bandındaki bu elektron çok kısa bir zaman diliminde etrafa bir ışın yayarak geri dönmek isteyecektir. Fakat elektron, bulunduğu konumda eklemden dolayı oluşan potansiyel farkı (veya elektrik alan) nedeniyle sürüklenebilir. Benzer şekilde elektronun ayrıldığı konumdaki boşluk da sürüklenecektir. Bu sürüklenmeler sonucunda bir akım oluşur.

Akım yoğunluğu: Birim alan başına düşen akım miktarıdır.  

Dolum faktörü: Akım-gerilim eğrisi altında kalan en büyük dikdörtgenin alanıdır.

İdealde Rsh direncinin sonsuz, Rs’nin ise sıfır olması beklenir.  Rsh ve Rs değeri güneş pilinin verimi oldukça etkiler. Rsh’nin azalması ve Rs değerinin artması dolum faktörünün (DF) azalmasına neden olur ve bu durum maksimum güç noktasının azalmasına yol açar. Yarı iletkenlerin fiziksel özellikleri sıcaklığa oldukça bağlıdır. Bu nedenle silikon gibi bir yarıiletkenden yapılmış bir güneş pili kullanıldığında sıcaklık verimi etkileyen faktörlerden biri olarak karşımıza çıkar. Bir ışıma altındaki güneş pilinde sıcaklık artar ise eklemin uçları arasındaki direnç sonsuz iken (açık devre) ölçülen potansiyel farkı Vad değeri azalırken, eklemin iki ucu arasındaki direnç sıfır iken ölçülen akım Ikd artar. Bu durum sonuçta maksimum güç noktasının azalmasına neden olur.

Piyasada genelde 10 cmx10 cm ebatlarında 0,5 V potansiyel ve 1 W’lık güce sahip güneş panelleri kullanılmaktadır. Güneş panellerinin yerleştirilmesinde en önemli kıstas doğal olarak Güneş ışınlarından en iyi yararlanma açısının bulunmasıdır. Güneş panellerinin içinden geçen ışınların en fazla olduğu durum panellerin yüzeyinin gelen ışınlara dik olduğu konumdur.

Her ne kadar Güneş ile Dünya arasındaki kütle farkı büyük ve aradaki uzaklık çok fazla olsa da kutuplar ve güneş üçgeni arasında yaklaşık 32 derecelik bir açı vardır. Yine Dünya’nın Güneş etrafındaki yörüngesi ile kutupları arasındaki 23 derecelik bir açı olduğu da unutulmamalıdır. Bu iki açı, panelin yatay düzlem ile yapacağı açının belirlenmesinde kullanılır. Bunların yanı sıra seçilen bölgenin yaz ve kış aylarında toplam ne kadar süre ile güneş ışınlarını aldığı da önem taşır. Genelde bütün yıl için aynı şekilde ışın miktarını alan bir bölge için panellerin eğim açısı seçilen bölgenin enlemidir. Eğer verim belli bir dönemde fazla diğer dönemde çok düşük ise, bu değer yaz için enlem -15°, kış için ise enlem +15° olarak alınır. Türkiye’nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat) ve ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m2-yıl (günlük toplam 3,6 kWh/m2) olarak tespit edilmiştir.

Güneş pili sistemleri istenilen yere konuşlandırılması nedeniyle kullanışlıdır. Güneş
pili, var olan şebeke hattı ile birlikte kullanılabileceği gibi şebeke desteği olmadan (off-grid) da kullanılabilir. Güneş pili çıkış gücü doğru akım (DC) çıkışlıdır. Doğru akım ile çalışan cihazlar için herhangi bir işlem yapmadan bu sistemler kullanılabilir. Bazı cihazlar ise alternatif akım (AC) ile çalışır. Bu tip cihazlar için güneş pili çıkışına inverter denen doğru akım-alternatif akım dönüştürücü yerleştirilir.

Kullanılan düzenlemeye göre güneş pili elektrik üretim sistemleri;
• Şebeke desteksiz güneş pili sistemleri
- Tek başına güneş paneli
- Batarya destekli güneş paneli
• Şebeke destekli güneş pili sistemleri olarak sınıflandırılır.

Sadece doğru akımın gereksinimi olduğu güç gereksinimlerinde tek başına güneş paneli kullanmak uygundur. Doğru akımla çalışan bir su pompası buna iyi bir örnektir. Bu uygulamada su pompası havanın yağmurlu olduğu veya kapalı olduğu zaman güneş pilinden iyi verim alınamayacağından çalışmayacaktır. Bu durumlarda pompanın çalışmaması aslında işin işleyişi bakımından kabul edilebilecek bir durumdur. Güneşli havalarda ise su tankının dolu oluşunda ise basit bir kontrolcü ile sistem bekleme konumunda tutulabilir.

Doğru akımı kullanan birçok düzenek kararlı güç kaynağına ihtiyaç duyarlar. Trafikte kullanılan ışıklandırma düzenekleri buna en iyi örnektir. Bu sistemlerin sürekli aynı verimle çalışabilmesi için güç kaynağının sürekli olması gereklidir. Dolayısıyla ışıklandırmanın batarya üzerinden çalıştırılması uygun olur. Bu tür güneş panellerinin kullanılması ile çalışan ışıklandırmanın kırsal kesimlerde kullanılmasının maliyeti diğer sistemlere göre ucuzdur. Bu tip bir ışıklandırmada genelde 48 watt’lık güneş panelleri, 12 saat boyunca güç sunan 90 amper-saat’lik batarya ve 30 watt’lık 2 floresan lambadan oluşur. Bu tip doğru akım sistemleri küçük ev aletlerinde, sokak ve bahçe aydınlatmasında, kırsal alanda acil telefon ünitelerinde olmak üzere birçok uygulama alanı vardır.

Günümüzde birçok tüketici bu tip bir sistemi evlerine kurmak istemektedir. Bu yöntemde güneş panelleri tarafından elde edilen elektrik enerjisi şebekeye bağlanır. Şebekeye bağlantı, tüketiciye ayrılan hat üzerinde ve sayaçtan sonra yapılır. Gündüz elde edilen fazla elektriksel güç şebekeye aktarılır. Gece ise evin ihtiyacı şebeke hattından sağlanır. Genelde gündüz elde edilen güç gece harcanandan daha fazla ola- cak şekilde tasarım yapılmaktadır. Yurtdışında bu tip sistemler için yasal düzenlemeler mevcuttur. Ülkemizde ise tasarıları hazırlanmış ve yakın zamanda yürürlüğe girmesi planlanmaktadır. Şebeke bağlantılı sistemlerde genelde batarya kullanılmaması maliyeti ve bakım masraflarını azaltmaktadır. Sistemde kullanılan inverter hem güneş panellerinden gelen hem de şebekeden gelen AC gerilimi kontrol altına alır. Bu durum evdeki cihazların şebekeden gelen ani gerilim yükselmelerine karşı korunmasını sağlar.
Bu tip sistemler içine batarya da yerleştirmek mümkündür. Batarya şebeke hattının kesilmesi sonucunda evin elektrik ihtiyacının sağlanmasına yardımcı olur.

Geleneksel elektrik enerjisi üreten sistemlerle karşılaştırıldığında güneş pillerinin verimi diğer sistemlere göre oldukça düşüktür. Kristal silikon sistemlerde verim %15’lerde iken bazı ince film sistemlerinde % 5’e kadar düşmektedir. Önümüzdeki yıllarda ise kristal silikon sistemlerde en yüksek verimin % 18’lere kadar çıkması beklenmektedir.
Her ne kadar verim bu şekilde tarif edilse de watt başına kurulum giderleri yönünden sistemleri birbirleriyle karşılaştırmak daha uygundur. Hâlihazırda günümüz teknoloji ile üretilen sistemlerin maliyet fiyatı watt başına 2 dolar civarında iken bu değerin önümüzdeki yıllarda 1 dolara kadar düşürüleceği tahmin edilmektedir. Bu durumun güneş pillerinin kullanılma olasılığını artırılacağı kaçınılmazdır. Hidroelektrik ve petrol kaynaklı elektrik üretim istasyonlarında bu değer watt başına 1 dolar, nükleer santrallerde ise watt başına 5 dolar civarındadır. Fakat burada göz önünde tutulması gereken diğer nokta ise bu sistemlerin gece ve gündüz boyunca aynı mertebede enerji üretirken, güneş pillerinin ise sadece gündüz enerji ürettiği ve üretim miktarının
ışıma şiddetine büyük oranda bağlı olduğudur.

Yoğunlaştırılmış güneş ışığı, çok eski dönemlerden beridir birçok işte kullanılmıştır. Bir efsaneye göre, Arşimet cilalanarak parlatılmış kalkanlar vasıtasıyla güneş ışınlarını Roma donanmasına karşı kullanmış ve onların kuşatmadan geri çekilmelerini sağlamıştır. İlk kez 1866 yılında, Fransız Auguste Mouchout parabolik aynalar kullanarak buhar kazanı için gerekli olan buharı üretmiştir. Bu çalışmadan 50 yıl sonra, John Ericsson ve Frank Shuman adlı mucitler soğutma, sulama ve devinme elde etmek için yoğunlaştırılmış güneş ışığı güç ünitelerini kurmuşlardır. 1913 yılında Shuman 55 HP’lık bir parabolik güneş-termal enerji santralini Meadi, Mısır’da sulama amacıyla kurmuştur. Yoğunlaştırılmış güneş ışığı güç üretim yöntemi, güneş ışınlarının bir noktaya toparlanması, toplanan noktada bir sıvı üzerine aktarılması ve sıvının üzerindeki fazla enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi olarak tarif edilebilir. Bu sistemlerde güneş ışınları 80 kattan başlayarak 3.000 kata kadar yoğunlaştırılmaktadır. Üretilen elektrik enerjisi birkaç watt’tan başlayarak 350 megawatt’a kadar artırılabilmektedir. 350 megawatt’lık sistem Amerika Birleşik Devletleri’nin Kaliforniya eyaletindedir ve eyaletin güney bölgesinin elektriğini nerdeyse üretebilmektedir.
Yoğunlaştırılmış güneş ışığı güç üretim yönteminde doğrudan güneş ışınlarına ihtiyaç duyulduğu için kurak araziler için oldukça uygundur. Kurulum ve işletme maliyetleri fosil yakıtlı güç ünitelerine göre oldukça düşüktür. Şebeke bağlantıları ise kolaydır ve yıllık verimi oldukça yüksektir. Yoğunlaştırılmış güneş enerji santralleri, yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri ve yoğunlaştırılmış fotovoltaik güneş enerjisi santralleri olarak ikiye ayrılır. Yakın gelecekte ise her iki yöntem kullanılması sonucunda ev tipi üretim sistemlerin kurulması öngörülmektedir.

Yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri hem ısı enerjisi hem de elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılabilirler. Bu sistemler aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleriyle geniş bir alana düşen güneş ışınlarını küçük bir alana odaklar. Yoğunlaştırılmış güneş ışınların sahip olduğu enerji, elektrik enerjisine dönüştürülerek geleneksel enerji santrallerine ihtiyaç duyulan yerlerde kullanılır. Güneş ışınlarını toplamakta en yaygın olarak parabolik şekilde bükülmüş yansıtıcılar kullanılmaktadır. Oluğun odak noktasına bir alıcı yerleştirilir. Alıcı, yansıtıcıların odak noktaları doğrultusunda uzanan ve içinde akışkanının bulunduğu bir tüpten oluşur. Parabolik yansıtıcılar, oldukları donanımlar ile güneşi gün boyu takip eder. Akışkan 150-350 °C civarında ısınır. Sonraki adımda açığa çıkan bu ısı enerjisi elektrik enerjisi üretim tesisinde kullanılır. Bir başka güneş ışınlarını yoğunlaştırma yönteminde ise çok sayıda düz ayna dizileri kullanılır. Bu yöntemde parça parça olan aynalar uygun bir geometride dizilerek güneş ışınlarının odaklanması sağlanır. Bu sistem parabolik sisteme göre daha az maliyetlidir. Bununla birlikte, aynı büyüklükte bir alana parabolik sistemin kaplayacağı alandan daha az yer kaplar. Çanak ocakları (dish stirling) sistemi tek başına bir yansıtıcı ile bu yansıtıcının odak noktasında bulunan bir alıcıdan oluşan sistemdir. Alıcı içerisinden geçen akışkanı 250-700 °C seviyesinde ısıtılır ve ardından stirling motorunda enerji üretimi maksadıyla kullanılır. Bu sistemler yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri arasında güneş enerjisinden elektrik enerjisine dönü- şümde en yüksek verimliliği sağlayan sistemdir. Diğer bir güneş ışınlarını yoğunlaştırma yöntemi ise güç kuleleri yöntemidir. Bu yöntemde birden fazla yansıtıcı plaka (heliostat) ve bir kuleden oluşur. Yansıtıcı plakalar güneş ışınlarını kulenin tepesinde bulunan bir merkezde toparlayacak şekilde yerleştirilmiştir. Kulenin tepesindeki merkezde bulunan akışkan üzerine güneş enerjisi aktarılır. Sıvı buhar fa-zına geçer ve türbini hareketlendirir ve elektrik enerjisi elde edilir. Sıvı olarak, ısı transfer oranı ve enerji hapsetme derecesi yüksek eritilmiş nitrat tuzu kullanılır. Günümüzde kurulmuş bu tip sistemlerden elde edilen enerji miktarı 38 milyon kWh’i bulanlar hâlihazırda kullanılmaktadır.

Yoğunlaştırılmış fotovoltaik sistemler üzerinde araştırma - geliştirme çalışmaları 1970’li yıllarda başlamıştır. Bu sistemler güneş ışığının yoğunlaştırılarak güneş paneli üzerine yansıtılması prensibine dayanarak çalışır ve güneşi gün içinde takip eden bir takip mekanizmasına sahiptir. Bir güneş pilinin sıcaklıkla veriminin azalacağını daha önce belirtmiştik. Yoğunlaştırılmış fotovoltaik sistemlerde sıcaklık güneş ışınlarının toplandığı yerde sıcaklığında artışı kaçınılmaz olacağı için panellerin soğutulması gerekir. Soğutulan panellerden ise yüksek verim alınır.