Ünite 5: Güneş Enerjisi

Giriş

Yirminci yüzyılın ikinci yarısından itibaren dünya nüfusunun hızlı artış göstermesi ve teknolojik gelişmelere bağlı olarak da günlük yaşantıda bazı alışkanlıklarımızın değişmesi enerji ihtiyacının artmasına neden olmaktadır. Artan bu enerji ihtiyacının karşılanmasına yönelik çabalar, fosil yakıtların sınırlı rezervleri dolayısıyla hızla tükeniyor olmaları, yurt dışından ithal edilmeleri nedeniyle fiyatlarının yüksek olması ve dalgalanma göstermesi, telafisi mümkün olmayan çevresel sorunlar yaratması, sosyal ve ekonomik faktörler nedeniyle her geçen gün insanoğlunu yenilenebilir enerji kaynaklarına götürmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği, doğada sürekli var ve tekrarlanabilir olmalarıdır. Bu kaynaklara örnek olarak Güneş, rüzgâr, jeotermal, biyoenerji, dalga, gelgit, hidrolik ve hidrojen gösterilmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları ve ilgili teknolojilerinin çevre dostu ve nispeten ucuz olması bu tür enerjiye ilgiyi daha da arttırmıştır. Bu ilginin artmasında Kyoto Protokolü gibi uluslararası çevre sözleşmelerinin de etkisi olduğunu belirtmek yerinde olur. Yenilenebilir enerji kaynakları ile ilgili bazı teknolojik sorunların çözülmesi ve buna bağlı olarak maliyetlerin daha da aşağı çekilmesi durumunda dünyada ve yurdumuz da 21. yüzyılda en önemli enerji kaynaklarının yenilenebilir enerji kaynakları ola cağı görüşü gün geçtikçe kabul görmektedir. Günümüzde yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisinden, ısıtmadan soğutmaya, buhar üretiminden, tarım ürünlerini kurutmaya ve elektrik üretimi gibi çok farklı alanlarda faydalanılmaktadır.

Güneş Enerjisi ve Oluşumu

Günümüzde yenilenebilir enerji kaynakları dendiğinde akla ilk güneş enerjisi gelmekte ve güneş enerjisine duyulan ilgi her geçen gün artmaktadır. Bunun bir nedeni genelde fosil yakıtların küresel ısınmadan sorumlu tutulması özelde ise ülkemize getirdiği büyük ekonomik yüktür. Yeryüzüne her yıl Güneş’ten gelen enerji, yeryüzünde şimdiye kadar belirlenmiş fosil yakıt rezervlerinin 160 katıdır. Güneş’ten bir yılda Dünya’ya gelen enerji, Dünya’da bir yılda kullanılan enerjinin yaklaşık değeri olan 13 Terawatt (TW)’dan yaklaşık olarak 20 bin kat daha fazladır. Bir başka ifadeyle yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceğinden 15 bin kat daha fazladır. Bu bakımdan güneş enerjisinin bulunması sorun değil, asıl sorun bu enerjinin insanlığın hizmetine uygun ve kullanılabilir bir enerji türüne kolayca dönüştürülememesindedir.

Güneş yarıçapı 700.000 km (Dünya yarıçapının yaklaşık 109 katı), kütlesi 2x10 ³⁰ kg (Dünya kütlesinin yaklaşık 330.000 katı) ve Dünya’dan 1,5x10 ¹¹ m uzaklıkta olan yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı, kendi ekseni etrafında dönen bir yıldızdır. Güneş’in %93’ü hidrojen %7’si helyumdur. Bu dönüş, Ekvator bölgesinde 24 günde, kutup bölgelerinde de 30 günde olmaktadır. Yüzey sıcaklığı yaklaşık 6000 Kelvin (K) olup iç bölgelerindeki sıcaklığın 8x10 ⁶ ile 40x10 ⁶ Kelvin arasında değiştiği tahmin edilmektedir. Güneş, çekirdek, ışınımsal bölge, konvektif bölge, fotosfer, kromosfer, korono, güneş lekesi, granüller olarak tanımlanan kısımlardan oluşmaktadır.

Güneş’in merkezinde hidrojen çekirdeklerinin kaynaşmasıyla füzyon meydana gelerek helyum çekirdekleri oluşmakta ve bu tepkimeler sonucu büyük bir enerji ortaya çıkmaktadır. Doğal ve sürekli bir kaynaşma (füzyon) reaktörü olan Güneş’in enerjisinin kaynağı, 4 hidrojen atomunun 1 helyum atomuna dönüşmesinde gizlidir. 4 hidrojen atomu 4,032 birim kütlesindeyken 1 helyum atomu 4,003 birim kütlesindedir. Bu süreç sonucu 0,029 birim kütle Einstein’ın madde-enerji bağıntısına göre enerjiye dönüşmektedir. Buna göre Güneş’te her saniyede 564 milyon ton hidrojen, 560 milyon ton helyuma dönüşmekte ve kaybolan 4 milyon ton kütle karşılığı 3,86x10 ²⁶ Joule (J) enerji açığa çıkmakta ve bu enerji ışınım şeklinde uzaya yayılmaktadır. Toplam enerji rezervi 1,785x10 ⁴⁷ J olan bu yıldız daha milyonlarca yıl ışımasını sürdüreceğinden Dünya için sonsuz bir enerji kaynağı durumundadır. Güneş enerjisi, uzaya ve gezegenlere elektromanyetik ışınım (radyasyon) biçiminde yayılır. Kaynaşma reaksiyonları sonucu Güneş merkezinde oluşan sıcaklığın yaklaşık 20x10 ⁶ K mertebesinde olduğu tahmin edilmektedir. Bu sıcaklıkta kaynaşma reaksiyonları sürekli oluşur. Güneş merkezinden çıkan yoğun ışıma yüzeye yakın bölgedeki hidrojen iyonları tabakası tarafından soğurulur. İyon tabakasında soğurulan bu ısı fotosfer tabakasına yayılır. Fotosfer tabakası da 6000 K civarındaki sıcaklıkta sürekli olarak uzaya elektromagnetik ışınım yayar. Yeryüzüne ulaşan Güneş ışınımının toplam gücü 1,7x10 ¹⁴ kW olup ışınımın %43’ü görünür bölgede, %52’si ise infrared bölgesindedir.

Isıtılan her cisim etrafına ışıma yapar. Güneş’te sıcak bir cisim gibi ışınım yaymaktadır. Yalnız Güneş’in yaymış olduğu ışınım siyah cisimin yaymış olduğu ışınıma benzemektedir. Siyah cismin yaydığı ışınım, cismin yapıldığı maddeye bağlı değildir. Sadece cismin sıcaklığına bağlıdır. Güneş spektrumunun incelenmesi Güneş’ten gelen ışınımın 6000 K sıcaklıktaki siyah cisim ışımasına benzer olduğunu göstermiştir. Siyah cismin yaydığı enerji ya da ışıma Stefan-Boltzman Yasası’na göre şu şekilde verilmektedir: Q = ?AT4 .Burada; ?: Stefan - Boltzman sabiti (5,67 x 10–8 W/m2 K4 ), A: Cismin yüzey alanı (m2 ), T: Kelvin (K) cinsinden sıcaklıktır.

Güneş Enerjisi ile İlgili Temel Hesaplamalar

Atmosfer dışında bütün dalga boylarındaki güneş ışınlarının birim dik yüzeye birim zamanda aktardığı enerji, Güneş ışınım değeri olarak adlandırılır. Dünya ile Güneş arasındaki uzaklık değiştiğinden ortalama DünyaGüneş uzaklığındaki Güneş ışınım değerinin kullanılması hesaplamalarda kolaylık sağlar. İdeal şartlar altında, diğer bir deyişle havada veya atmosferin hemen dışında alınan Güneş ışınım şiddetine, güneş sabiti (Gsco) adı verilir. Güneş sabitinin değeri son yıllarda yapılan ölçüm ve hesaplamalar sonucunda %1 hata ile Gsco= 1367 W/m ² =136,7 mW/cm ² = 1,960 cal/cm ² min olarak belirlenmiştir.

Yeryüzüne gelen Güneş ışınımı, atmosfer dışına gelen Güneş ışınımı miktarına dayanılarak bulunur. Güneş ışınları Dünya’ya ulaştığında atmosferi geçerken çoğu yutulan morötesi, gamma ve x-ışınları gibi zararlı ışınları ihtiva eder. Atmosferin dışına gelen Güneş ışınımı şiddeti atmosferi geçerken atmosferde bulunan çeşitli moleküller, aerosol ve havadaki toz parçacıkları tarafından saçılması ve oksijen, ozon, su buharı gibi gaz ve buharlar tarafından soğurulması gibi sebeplerden dolayı azalır. Bu olay her dalga boyundaki ışık için gerçekleşir ancak genelde ışığın kısa dalga boylarında daha etkilidir. Güneş ışınımının saçılan bu kısmına yaygın Güneş ışınımı, doğrudan yeryüzüne ulaşan kısmına da direkt Güneş ışınımı adı verilir. Güneş ışınımının enerji yoğunluğu oldukça düşüktür. Güneş ışınımındaki azalma güneş tepede iken minimumdur. Bulutsuz bir günde yeryüzüne ulaşan radyasyonun %10 - %20 arasındaki oranı yaygın ışınımdan oluşur. Güneşli bir yaz gününde uygun yöndeki 1m ² alana gelen enerji miktarı hemen hemen 1 litre petrolün verebileceği enerji miktarına eşittir. Bununla beraber Dünya’nın yalnız kara alanlarına düşen Güneş ışınımı ile elde edilecek enerji miktarı, dünyanın yıllık enerji tüketiminden yaklaşık 2900 kat daha fazladır.

Herhangi bir yerin bir gün içinde Güneş’i görme süresine güneşlenme zamanı denilmektedir. Güneşlen me zamanı birimi derece ( ^o ) veya saat (h) olarak verilir. Yurdumuzda meteoroloji istasyonlarında güneşlenme zamanı “helyograf” adı verilen bir cihazla ölçülmektedir. Bu cihazla yapılan ölçümler havadaki nemin sonuçları etkilemesi nedeniyle hassas değildir. Günümüzde artık çoğu meteoroloji istasyonlarında gün eşlenme zamanı ölçümleri güneş pilleri ile çalışan “solarimetre” adı verilen cihazlarla yapılmaktadır. Güneşlenme zamanı güneş açıları adı verilen açılardan yararlanılarak hesaplanır. Bir yere ait ölçülen günlük güneşlenme zamanının aylık ortalamasının (ÖGGZAO) o yerdeki hesaplanan günlük güneşlenme zamanının aylık ortalamasına (HGGZAO) bölünmesiyle birden küçük olan güneşlenme oranı (GO) elde edilir. GO = ÖGGZAO / HGGZAO.

Güneş enerjisi uygulamalarında en önemli girdilerin başında ışınım şiddeti gelmektedir ve aktinograflarla yapılan ölçümlerde %50’ye ulaşan hatalar saptanmış tır. Güneşlenme zamanı, ortam sıcaklığı, bağılnem gibi meteorolojik parametreler e ve enlem açısı ve yükseklik gibi astronomik parametrelere kıyasla, daha güç ölçü len ışınım şiddetinin teorik olarak hesaplanması amacıyla sayıları yüzü aşan ampirik bağıntılar ileri sürülmektedir. Bu bağıntıların temel prensibi, ölçümü kolay parametrelerden yaralanarak ışınım şiddetini hesaplamak, bulunan bu teorik değeri, ölçülmüşse ölçülen değerle karşılaştırmak böylece ileri sürülen bağıntının hata yüzdesini ve ne dereceye kadar evrensel olabileceğini araştırmaktır. Henüz evren sel bir ışınım şiddeti eşitliği bulunamamıştır. Işınım şiddet eşitliğinin genel formu aşağıda verilmiştir. H = f(Gsco, ?, ws, z, R, Tm, h, ?). Burada: H, hesaplanan ışınım şiddetini; Gsco, güneş sabitini; ?, enlem açısını; ws, ölçülen güneşlenme zamanını; z, teorik güneşlenme zamanını; R, bağıl nemi; Tm, maksimum günlük sıcaklığını; h, ilgili yerin denizden itibaren ölçülen yüksekliğini (rakım) ve ?, yerin yansıma katsayısını ifade etmektedir.

Yatay düzleme gelen toplam Güneş ışınımının ölçülmediği bölgelerde, ölçüm yapılan bölgelerin verileri yardımıyla türetilen eşitliklerden yararlanılır. Toplam Güneş ışınım bağıntılarında güneşlenme süresi, bağıl nem, atmosfer basıncı, sıcaklık ve bulutluluk oranı gibi meteorolojik verilerin biri veya birkaçı kullanılır. Belirli bir bölgede, yatay yüzeye gelen aylık ortalama günlük Güneş ışınımının havanın açık olduğu (bulutsuz) bir günde yatay yüzeye gelen aylık ortalama atmosfer dışı Güneş ışınımına oranı için yaygın olarak kullanılan eşitlik izafi güneşlenme süresine bağlı olarak şu şekilde verilmektedir:

H/Ho =a+b(n/N)

Güneş Enerjisi Teknolojileri

Güneş enerjisinden yararlanma teknolojileri Fotovoltaik Güneş Teknolojileri ve Isıl Güneş Teknolojileri olmak üzere genel olarak iki başlık altında toplanabilir.

Fotovoltaik Hücreler: Fotovoltaik (PV) hücreler, yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken teknolojisi ile üretilmiş bir elektrik enerjisi üretim aracıdır. Kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilen güneş hücrelerinin yüzey alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,1 – 0,4 mm arasındadır. Fotovoltaik cihazların yapımında en çok kullanılan yarı iletken malzemeler, silisyum ve silisyum alaşımlarıdır. Güneş hücrelerinin üzerine ışık düştüğü zaman bağlantı uçlarında doğru akım (DC) oluşur. Oluşan elektrik enerjisinin performans değeri, üzerine düşen güneş ışığının miktarına, geliş açısına ve iklimsel parametrelere göre değişir. Fotovoltaik hücreler yapılarına bağlı olarak %5 ile %30 arasındaki bir verimle güneş enerjisini elektrik enerjisine çevrilebilir.

Fotovoltaik hücre yapısı iki katmanlı silisyum yapıdan meydana gelmiştir. N tipi taban üzerinde ince bir P tipi malzeme bulunmaktadır. N tipi malzeme, valans elektron sayısı beş olan antimon, arsenik, bizmut ve fosfor gibi bir katkı maddesinin germanyum veya silisyum tabana önceden belirlenmiş miktarda eklenmesiyle elde edilmektedir. P tipi malzeme ise valans elektron sayısı üç olan indiyum, boron, aluminyum ve galliyum gibi bir katkı maddesinin germanyum veya silisyum tabana önceden belirlenmiş miktarda eklenmesiyle elde edilmektedir. Işık bu iki malzemenin eklemine (bağlanmasına) düştüğünde, N-tipi malzemenin P-tipine göre pozitif olduğu bir gerilim meydana gelir. Çıkış gerilimi, elemanın üzerine düşen ışık şiddetine bağlıdır ve maksimum 0,6V değerini alabilir. Çıkışa bir yük bağlandığında, bir akım akacaktır. Bu akımın şiddeti, eleman üzerine ve eleman yüzey alanına düşen ışık şiddetine bağlıdır. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş hücresi birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu yapıya güneş hücresi modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir.

Fotovoltaik hücreler pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan maddeler şunlardır; Kristal Silisyum, Galyum Arsenit(GaAs), Amorf Silisyum, Kadmiyum Tellürid(CdTe), Bakır İndiyum Diselenid(CuInSe2), Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler.

Isıl Güneş Teknolojileri: Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi elektrik üretiminde de kullanılabilir. Isıl teknolojiler, sıcak su ısıtıcıları ve havuz ısıtma teknolojileri gibi düşük sıcaklık uygulamaları, güneş ışığının herhangi bir şekilde odaklanarak yoğunlaştırılması işleminin yer aldığı orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları ve ısıtma ve havalandırmaya yönelik pasif Güneş sistemi uygulamaları olmak üzere üç grupta ele alınabilirler. Toplayıcıların çalışma ilkesi kısaca güneş enerjisini seçici özelliğe sahip bir yüzey yardımıyla soğurarak kullanılabilir enerjiye çeviren su veya hava ısıtma amaçlı sistemlerdir. Toplayıcılar Güneş’e bakan yüzün şekline göre düzlem toplayıcı, parabolik toplayıcı ve silindirik-parabolik toplayıcı olmak üzere üç grupta incelenir. Düzlemsel toplayıcıda yüzey tek veya çift cam örtü olabilirken yoğunlaştırma katsayısı artıkça, bu yüzey silindirik veya küresel saydam borulara dönüşmekte verimin artması içinde taşınım ve ısıl ışımanın en aza indirilmesine yönelik önlemler artmaktadır. Bir toplayıcı yüzeyine gelen güneş enerjisi miktarını coğrafik konum, toplayıcının konumu, toplayıcının yöneltilmesi, toplayıcının tipi, gün zamanı, atmosfer koşulları etkiler.

Güneş Enerjisinin Kullanım Alanları

Güneş enerjisi ile çalışan ilk makine 1878’de Fransa’da bir sergide gösteri amaçlı denenen bir baskı makinesidir. Güneş ışınları bir su kazanına odaklanarak su buharı elde edilmiş, su buharı da buhar türbinini harekete geçirmiş, buhar türbini yardımıyla da matbaa makinesi çalıştırılmıştır. Güneş makinesi adı verilen bu ilk ısı makineleri özellikle tarımda ve su pompalama işlemlerinde aktif olarak kullanılmıştır. Günümüzde, diğer güneş uygulamalarında kullanılan düzenekler aşağıdaki gibidir.

Noktasal Yoğunlaştırıcılı Güneş Toplayıcıları (Güneş Kuleleri): Büyük bir alana yerleştirilmiş, “Heliostat” (gün dönüştürücü) adı verilen yüzlerce yansıtıcı, güneşten gelen ışınları, heliostat tesisinin merkezindeki kulenin tepesine odaklar. Bu odaklama bölgesinde (alıcı) güneş ışınları yoğunlaştırılarak elde edilen yüksek ısı enerjisi elektrik enerjisine çevrilir (Bk. Şekil 5.14). Bu tür güneş güç kulesi sisteminde, 290°C’de sıvı haldeki tuz eriğiyi, düşük sıcaklık depolama tankından alıcıya doğru pompalanır. Burada sıcaklığı 565°C’ye kadar çıkarılarak yüksek sıcaklık depolama tankına gönderilir. Tesisten güç çekileceği zaman sıcak tuz, klasik bir Rankine çevrim türbini (jeneratör) sistemi için aşırı kızdırılmış buhar üreten bir buhar üretme sistemine pompalanır. Buhar jeneratöründeki tuz, soğuk tanka geri dönerek depolanır ve sonunda da alıcıda yeniden kızdırılır.

Yoğunlaştırmayan Güneş Toplayıcıları (Güneş Bacaları): Bu yöntemde güneşin ısısından kaynaklanan sera etkisinden yararlanılır. Oluşan hava hareketinden faydalanılarak rüzgâr türbinleri yardımı ile elektrik enerjisi üretilir. Güneş bacaları çok ileri teknoloji gerektirmez ve bu sistemde ilk yatırım maliyetinin 900 $/kWh’in altında olduğu kabul edilir. Bu özellikleriyle güneş bacaları, ülkemiz iklim ve güneşlenme özelliklerine en uygun sistemlerdir. Güneş bacası santrali 1982 yılında, Manzanares–İspanya’da deneysel amaçlı olarak küçük ölçekli inşa edilmiş bir projedir. Güneş bacasının aşağı kısmındaki toplayıcı çatı altında kalan alanın 75%’inde seracılık yapılabilmekte olup sera çapı 244 m ve sera alanı 46.750 m ² ’dir. Güneş bacası santralinin baca yüksekliği 200 m ve baca çapı 10 m olup tesisten 50 kW maksimum güç çıkısı elde edilmektedir. Avustralya’da inşa edilen Mildura Güneş Bacası; 1000 m yüksekliği, 130 m çapı ve 40 km ² kolektör alanı özellikleri ile dünyadaki en yüksek güneş bacasıdır. 200 MW’lık (4 MW’lık 50 türbin) santral 200.000 evin ihtiyacını karşılayabilecek kapasitededir.

Güneş Pişiricileri ve Fırınları: İlk güneş pişiricisinin 1767 yılında İsveçli doğa bilimcisi Horace de Saussure’nin yaptığı söylenmektedir. Güneş fırınları Çin’de, Hindistan’da ve Kenya’da yaygın olarak kullanılmaktadırlar. Fakir ve kırsal alanlarda odun, çalı çırpı vb. yakarak yemek pişirmek yerine, güneş enerjisini kullanarak pişirmenin, bazı üstünlükleri ortaya çıkmaktadır. Odun yakmada ortaya çıkan duman zehirlenmeleri önlenmektedir. Odun vb. bulunmadığı, gazkömür gibi yakıtların kısıtlı olarak kullanıldığı yörelerde yakıt masrafını azaltmaktadır.

Işık Boruları: Her evde banyolar, koridorlar, giyinme odaları gibi karanlık, penceresiz alanlar bulunabilir. Hiç gün ışığı almadıkları takdirde bu alanlar soğuk ve kasvetli olabilir. Işık boruları ile en karanlık ve izole alanlarına dahi doğal güneş ışığı taşınabilmektedir. Işık borularının çalışma prensibi Güneş’ten alınan ışığın yansıtıcı yüzeylere sahip borular yardımıyla kapalı alanlara ulaştırılması esasına dayanmaktadır. Güneş ışınlarının yönünü aynalarla değiştirip belli bir alanın tümünü aydınlatmak için kullanılan fiber optik ışık borularından, mimari aydınlatma efektleri oluşturmak için dünyanın çoğu yerinde yaygın bir şekilde faydalanılmaktadır.

Güneş ile Su Damıtma Sistemleri: Küresel su çevriminde Güneş, su kaynaklarını ve yüzey sularını buharlaştırır, hayvan ve bitkilerde solunuma sebep olur. Atmosferdeki nem arttıkça buhar bulutlarda yoğunlaşır ve uygun soğutma koşulları ile Dünya’ya yağmur olarak geri döner. Güneş enerjili havuzlarla damıtma işlemi doğal olarak gerçekleşmektedir. Geliştirilen güneş enerjisi ile damıtma sistemleri de bu prensibe/bu çevrime göre çalışır.

Damıtma havuzuna alınan tuzlu su, güneş enerjisiyle buharlaştırılır. Buharlaşan su, daha soğuk saydam örtüde yoğunlaşır. Yoğunlaşan su toplanarak içilebilir ve kullanılabilir su elde edilir.

Yukarıda verilen güneş enerjisinden faydalanma yöntemlerine ek olarak soğutma (ev ve sanayi amaçlı), ısıl-kimyasal işlemler, kurutma (tarım ürünleri, balık gibi), su pompalama, hidrojen gazı elde etme ve güneş seraları da diğer güneş enerjisi kullanım alanları olarak verilebilir.