Güneş Enerjisi

Tanım, Amaç ve Kapsam

Güneş enerjisi, güneşten gelen ve dünya atmosferinin dışında şiddeti sabit ve 1370 W/m2, yeryüzünde ise 0-1100 W/m2 değerleri arasında olan yenilenebilir bir enerjidir. Bu enerji ısıtmadan soğutmaya dek çeşitli ısıl uygulamalarda ve elektrik üretiminde kontrollü olarak kullanılabilmektedir. Türkiye coğrafi konumu itibarıyla güneş kuşağı içerisinde yer alıp, güneş enerjisi kullanımının uygun olduğu bir ülkedir. Güneş enerjisinin kullanımı ile enerji dış alım artış hızının frenlenmesi, fosil yakıtlardan kaynaklanan çevre kirliliğinin engellenmesi mümkündür.

 

Türkiyede Kaynak Varlığı ve Mevcut Durum

Türkiyenin güneş enerjisi potansiyelinin belirlenmesi konusunda çeşitli kurum ve kişilerce değerlendirme çalışmaları yapılmış olmasına rağmen, bu çalışmalarda kullanılan değerlendirme yöntemleri ve periyotların farklı olması nedeniyle aralarında bir benzerlik bulunmamaktadır. EİE, güneş enerjisi konusunda geliştirilen sistemlerin ülkemiz genelinde uygulanabileceği yerlerin ve elde edilebilecek enerjinin tesbiti için başlattığı potansiyel belirleme çalışmalarını sürdürmektedir.

 

Güneş Enerjisi Potansiyeli

Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiyenin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kWh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Aylara göre Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri ise Tablo-1de verilmiştir.

 

 

Türkiyenin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı da Tablo-2 de verilmiştir.

 

Ancak, bu değerlerin, Türkiye’nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır. 1992 yılından bu yana EİE ve DMİ,  güneş enerjisi değerlerinin daha sağlıklı olarak ölçülmesi amacıyla enerji amaçlı güneş enerjisi ölçümleri almaktadırlar. Devam etmekte olan ölçüm çalışmalarının sonucunda, Türkiye güneş enerjisi potansiyelinin eski değerlerden %20-25 daha fazla çıkması beklenmektedir.

 

EİE’nin ölçü yaptığı 8 istasyondan alınan yeni ölçümler ve DMİ verileri yardımı ile 57 ile ait güneş enerjisi ve güneşlenme süreleri değerleri hesaplanarak bir kitapçık halinde basılmıştır.

 

 

Enerji üretimi amacına yönelik olarak yürütülen fizibilite çalışmaları sırasında, güneş enerjisi konusunda ülkemizdeki mevcut meteorolojik verilerin yeterli olmadığı tesbit edilmiştir. Bu amaçla EİE, Devlet Meteoroloji İşleri (DMİ) ile işbirliği içerisinde bir proje başlatmıştır. Bu proje kapsamında Antalya, İzmir, Didim, Ankara ve Adanaya birer adet bilgisayar destekli güneş enerjisi gözlem istasyonu kurularak veri (saatlik bazda toplam ve difüz güneş enerjisi, güneşlenme süresi ve sıcaklık) toplanmaktadır. Antalyadaki istasyon, beş yılı doldurması nedeniyle İspartaya taşınmıştır. DMİ ise benzer istasyonları Ankara, Antalya, Konya, Şanlıurfa ve Samsuna tesis ederek veri toplamaktadır. Ancak bu tür istasyonların sayısının artırılması gerekmektedir. EİE ve DMİ tarafından toplanacak enerji amaçlı verilerin ışığı altında ülkemizin güneş enerjisi potansiyeli daha sağlıklı bir şekilde belirlenebilecektir.

 

Güneşten Elektrik Üretimi ve Elektrik Santralları

Güneş enerjisinden elektrik üretimi direkt ve indirekt olarak ikiye ayrı yöntemle gerçekleştirilir. Direkt yöntem kapsamında fotovoltaik, termoelektrik ve termoiyonik çeviriciler yer alır. Güneş enerjisinin indirekt biçimde elektriğe dönüştürülmesi ise, güneşten yararlanılarak üretilen buhar ve bunu değerlendiren bir buhar güç çevrimi ya da güneş enerjisiyle elde olunan hidrojen ve bunun kullanıldığı termik elektrik üreteci ve yakıt pili ile olmaktadır.

 

Güneş elektrik santralları PV (fotovoltaik) tipi ve termik elektrik tipi olarak ikiye ayrılmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi ilk kez 1954 yılında Amerikada Bell Telefon Laboratuvarlannda üretilen PV güneş pilleri ile gerçekleştirilmiştir. Güneş enerjisi girdili buhar makine ve buhar türbin sistemleri ile güneş fırınlarının çok öncelerde yapılmasına karşın, güneş termik elektrik santrallarının kurulması 1970lerin sonlarını bulmuştur.

 

Güneş Pilleri ve Fotovoltaik (PV) Santrallar

Elektrik üretimi için bir diğer olanak da güneş pilleridir. Güneş pilleri, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Güneş pilleri 40 yılı aşkın bir süredir uzayda güvenilir olarak kullanılmaktadır. Yeryüzünde kullanılması 19701i yıllarda başlamıştır. Güneş pili geniş alanlı bir yarı iletken pn diyottur. Yarı iletkene giren ışığın yeterli düzeyde enerji taşıyan fotonlannın, kristalin n ve p bölgelerinde serbestleştirdikleri yük taşıyıcılar, diyodun pn ekleminde oluşan elektrik alanı etkisiyle ayrı kalarak diyot uçları arasında bir gerilim oluşturur. Diyot uçları bir iletkenle birleştirilerek yüklendiğinde ise diyottan akım çekilir.

 

Güneş pillerine dayalı PV güç sistemleri, akım ve voltaj gereksinimlerine bağlı olarak düzenlenmiş PV modüller, sistemde depolamaya gereksinim varsa aküler ve kontrol alt sistemi ile DC/AC dönüşümünü sağlayan invertörlerden oluşur. Son 20 yılda PV teknolojisindeki gelişmelere ve PV pazarının büyümesine paralel olarak maliyetler düşüş eğilimine girmiştir. Uluslararası Enerji Ajansının 17 ülkeyi içeren değerlendirmesine göre, 1990-1995 döneminde her yıl %25 artışla 53 MWe gücünden 180 MWe gücüne ulaşılmıştır.

 

Elektronik sanayiinde çok önemli bir rol oynayan silisyum, gelişmiş teknolojisi ile günümüzde güneş pili üretiminde en yaygın kullanılan yan iletkendir. Teknolojik olarak tek kristal-çok kristal (c-kristal) ve incefılm (a-silisyum) olarak üretilen güneş pilleri ile oluşturulan ticari fotovoltaik modüllerde günümüzde sırasıyla %15-17.5, 12-14 ve 5-8 verim elde edilmektedir. Çok katlı (tandem) güneş pillerinde elde edilebilecek teorik verim ise %40 dolaylarındadır.

 

Değişik yarı iletken malzemeler güneş pili yapımında kullanılmaktadır. Ancak, silisyum kullanılan en yaygın malzeme olmaya devam etmektedir. Güneş pili, tek/çok kristal blok veya tabakadan elde edilerek dilimlenmiş kalın kristal malzemeden veya bir taşıyıcı üzerinde oluşturulmuş çok kristal veya amorf ince film tabakalardan üretilmektedir. Aşağıda günümüzde kullanılan başlıca malzemeler verilmiştir.

 

a) Kaim Kristal Malzeme

       a1) Kristal Silisyum

       a2) Galyum Arsenit (GaAs)

 

b) İnce Film Malzeme

     b1) Amorf Silisyum

     b2) Kadmiyum Tellürid (CdTe)

     b3) Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2)

 

c) Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler

 

Uygulamada fotovoltaik elektriğin klasik kullanımı, elektrik dağıtım sisteminin, yani şebekenin, erişemediği yerler ile sınırlıdır. Elektriğin zaten var olduğu yerlerde ise PV akla gelmemektedir; çünkü maliyeti konvansiyonel santrallarda üretilene göre daha yüksek görünmektedir. Güneş pili üretimi, yüksek teknoloji gerektiren bir yapım tekniği istemekte, dolayısiyle pahalıya mal olmaktadır. Ancak, gelişen teknoloji ile bu mal oluşlar geçmişte çok hızlı bir düşme göstermiştir ve maliyetlerin azalma eğilimi devam etmektedir. Bu alanda yapılacak Ar-Ge yatırımları, devletlerin bu alandaki çalışmaları desteklemeleri ile geliştirilecek teknikler sonucu, fiyatların daha da düşeceği kesindir.

 

Güneş pilleri ticari olarak, yaklaşık 50 cm x 100 cm alan ve 3 cm kalınlıkta olan güneş pili modülleri halinde pazarlanmaktadır. Genelde 36 adet seri bağlı kristal tip Si hücrelerden oluşan bir modül gündüz saatlerinde 3 amper civarında akım ve 16 voltun üzerinde gerilim verir. Daha yüksek gerilim ve akımlar modüllerin seri ve paralel bağlanmasıyla elde edilir. 5 MW toplam gücü aşan PV jeneratörler tesis edilerek başarıyla çalıştırılmıştır.

 

PV jeneratörler akümülatör yedekli, dizel ve/veya rüzgar jeneratörü yedekli veya şebekeye bağlı olarak çalıştırılır. Fotovoltaik sistem, vvatt mertebelerinden (küçük elektronik devrelerin beslenmesi) W-kW mertebelerine (katodik koruma, sinyalizasyon, iletişim üniteleri, pompalama ve sulama tesisleri, evler, çiftlikler) ve MW mertebelerine (PV santrallar) kadar uzanmaktadır. Bu sistemler şebekeden bağımsız ve şebekeye bağlı olmak üzere iki grupta ele alınabilir.

 

Şebekeye bağlı PV elektrik santrallannın güçleri 100 kWe ile onlarca MWe arasında olmaktadır. Yine şebekeye bağlı, ancak dağıtılmış durumda olan bina çatı ve yüzeylerine yerleştirilen sistemler ise 1 kWe ile 50 kWe arasında değişmektedir. Bu sistemlerde iki yönlü sayaç kullanılır. Bu tür dağınık uygulamaların dünya genelindeki toplam gücünün 1995 itibari ile 35 MWe olduğu belirtilmektedir. Avrupada bu tür sistemler devlet sübvansiyonları ile yaygınlaştırılmak istenmekte ve dünyanın 1997 yılı PV pazar hacminin 100 MWe dolayında olduğu söylenmektedir.

 

Güneş PV santrallan olarak, 1982de Californiada 1 MWlık Edison Lugo PV Santralı kurulmuş, bunu Los Angales-San Francisco arasında kurulan 6.5 MWlık Carissa Plains Santralı izlemiştir. Amerikanın dışında başka ülkelerde de PV santrallan bulunmakla birlikte, toplam kurulu güçleri güneş termik santrallannın %10u düzeyini aşmamaktadır. Bunun çeşitli nedenleri olmakla birlikte, PV üreteçlerinin merkezi santraldan çok otoprodüktörler için uygun oluşu, aynca birim kurulu güç maliyetinin termik tiplerden 3.7-5.2 kat daha yüksek bulunuşu başta gelen nedenlerdir.

 

Fotovoltaik santral olarak adlandırılan yüksek güçteki PV jeneratörlere yeni bir örnek olarak, halen Girit adasında yapımı sürmekte olan 5 MWlık santral verilebilir. Bu santralın kurulu gücünün 2003 yılına kadar 50 MWa yükseltilmesi planlanmıştır.

 

Yıllık güneş pili piyasasının 500 milyon dolan aşkın olduğu kestirilmektedir. Güneş pili üretim kapasitesinin yıllık 50-100 MW olduğu sanılmaktadır. Bu rakamlar, dünyadaki enerji kullanımı göz önüne alındığında denizde bir damla gibi görünse de, gerek bu alandaki teknolojik gelişmeler, gerekse giderek kullanım alanlannın çeşitlenmesi ve ayrıca çevre dostu bir enerji niteliğinde olması, bu alanda hızlı gelişmelerin beklendiğine işaret etmektedir.

 

Güneş pili sistemlerinin maliyeti, temel olarak iki kısımda incelenebilir. Bunlardan ilki, güneş pili modüllerinin maliyetidir, ikinci kısım ise invertörler, elektronik denetim aygıtları, depolama, kablolama, arazi, altyapı hazırlama gibi sistem destek elemanlarının maliyetidir. Genelde, güneş pillerinin maloluşu, toplam sistemin maloluşunun yaklaşık yansı kadar olmaktadır.

 

Ancak güneş pili sistemleriyle ilgili maliyet karşılaştırmalarında çevre etkileri dikkate alınmamaktadır. Ulusal enerji kaynaklarının yetersizliği konu olduğunda, şebekeye bağlı münferit PV sistemlerinin genelde önemli bir tasarruf potansiyeli oluşturduğu, bu konuda yapılan çalışmaların sonuçlarından anlaşılmaktadır. Örneğin, Almanyada yapılan bir çalışmada, bireysel tüketicilerin evlerinin çatılarına koydukları güneş pilleri ile ürettikleri elektriğin üçte birini kendilerinin tükettikleri, geri kalanını ise enterkonnekte sisteme vererek ulusal elektrik enerjisi üretimine katkıda bulundukları saptanmıştır. Sonuç olarak, Almanya şartlarında, binalarda güneş pilleri kullanıldığında üçte bir oranda tasarruf doğmaktadır.

 

Benzer bir çalışma NREL (National Renevvable Energy Laboratory) tarafından Coloradoda başlatılmıştır. Bu projede, 2 kWlık bir PV jeneratör karşılığı olan 8000$, gönüllü yatırımcı­lardan nakit olarak veya ayda 100 $ taksitle kredili olarak alınmaktadır. Büyük çapta enerji üretimi sözkonusu olduğunda ise, örneğin, halen Girit Adasında yapımı sürdürülmekte olan PV santral için, birim kW başına yatırım maliyeti ilk 5 MWlık kısım için 3500 $, toplam 50 MW için ise 2400 $ olarak verilmektedir. Bu maliyet, doğalgaz (680 $/kW), hidrolik (1200 $/kW), ithal kömür (1450 $/kW), linyit kömür (1600 $/kW) ve nükleer (1800-2700 $/kW) santral maliyetleri ile karşılaştırıldığında, PV santral seçildiğinde ilk yatırım için önemli oranda bir fark ödenmesi gerektiği ortaya çıkmaktadır. Ancak, yakıt giderinin olmaması, bakım giderlerinin ise diğerlerine göre çok daha az olması, birim kWh başına enerji maliyetini çok aşağılara çekmektedir. Çevre maliyeti ise, güneş pillerinin üretimi aşamasında gerekli olan dışında sıfır olarak kabul edilebilir.

 

Güneş pili teknolojileri genç teknolojilerdir ve hızla gelişme eğilimi içindedir. Alışılagelmiş enerji üretim yöntemleri bugün çevre kirliliğinin önemli nedenlerinden biri durumundadır. Ayrıca bu yöntemlerde kullanılan fosil yakıtların da bir süre sonra bitecek olmaları gerçeği bilinmektedir. Bu yönüyle gelecek yüzyıl, güneş ve onun türevleri ile diğer tükenmez ve temiz enerji kaynaklarının kullanımında atılım yapılacağı bir yüzyıl olma görünümündedir. (Anılan bilgiler bağlayıcı değildir)

Renewable Energy, Solar Energy, Solar Enerji, Photovoltaic …