Güneş Pillerinin Elektrik Üretiminde Kullanımı ve Maliyet Analizi - 1
Becquerel, belli materyallerin ışığa tutulduklarında çok küçük miktarda da olsa akım ürettiklerini keşfederek fotovoltaik etkiyi ilk gözleyen kişi olmuştur. 1870'li yıllarda ise Heinrich Hertz, selenyum gibi katı maddelerle bu etki üzerine uğraşmış ve verimi %1-%2 dolaylarında olan ilk selenyum güneş pilini geliştirmiştir. 1954 yılında ise modern anlamdaki PV hücreler (solar cell) geliştirilerek uzay teknolojisi uydu araçlarında pahalı bir elektrik üreteci olarak kullanılmaya başlanmıştır. Teknolojideki gelişmeye, üretimdeki endüstrileşme ve talepteki artışa bağlı olarak saat ve hesap makinelerinde, sokak aydınlatmasında, 1981 yılından bu yana da binalarda entegre olarak kullanılmaya başlanmıştır. PV paneller açık alanlarda kurulan güneş santrallerinde elektrik üretmek amacıyla kullanılırken, binalarda ilk kez çatılarda uygulanmaya başlanmış bu bağlamda özel çatı panelleri mevcut çatılara ek bir sistem olarak ilave edilmiş, daha sonraları ise doğrudan çatı kaplaması olarak kullanılabilen PV paneller üretilmiştir. Güneş ışınım miktarının panel üzerindeki etkileri, gölgeleme, ısı geçirgenlik değeri ve sızdırmazlık üzerine yapılan araştırmalar ve bulgular PV?lerin bina düşey kabuğunda da etkin olarak kullanılabileceğini göstermiş ve 1992 yılından bu yana pilot uygulamalar artmıştır. Günümüzdeki araştırmaların büyük bir bölümü endüstriyel yolla ekonomik PV panel elde etme yöntemleri ve pazar alanı üzerinde yoğunlaşmaktadır.
Bu çalışmada önce alternatif enerji kaynaklarının önemi tarihsel süreçler ışığında ortaya konmuş daha sonra da PV?lerin önemi ve çalışma prensibi ile birlikte PV? lerde kullanılan malzemeler verimleri ile birlikte ifade edilmiştir. Daha sonra PV kullanılarak birim kWh elektrik üretimi başına yatırım ve işletme maliyeti birlikte hesap edilerek diğer alternatif kaynaklar ile üretilen elektrik enerjisi miktarı karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, güneş pilleri ve Türkiye
Use Of Photovoltaics In The Production Of Electricity And Determination Of Cost
Abstract
Photovoltaics (PV), which are known as solar electricity to produce
electricity from sun light energy, was first studied by Becquerel in 1839. He was the first one to explore that some materials produce current, even at small levels, when they are exposed to sunlight. However, Heinrich Hertz was interested about this effect on such materials as selenium and developed first photovoltaics which had an efficiency of 1-2%. Modern PV was developed to produce electricity, though expensive, in space technology, especially in satellite
vehicles in 1954. As a result of increasing demands from users, it was started being used in watches and for lighting purposes, and since 1981 it has been used in buildings. While PV panels are used to produce electricity by the solar power plants which are uncovered, they were first used on the roof of the buildings and then produced as roof plates for modern buildings. Researching and findings on the effect of sun light amounts, shadow, the value of the thermal transitivity and damp-proofing on the PV panels show that they are used effectively on the vertical covering of the buildings and pilot applications have been increasing since 1992. Most of the researches in nowadays are focusing on finding out economic PV panel production methods.In this study, the importance of the alternative energy sources is first highlighted from view point of the historical process with the importance of PV panels and its working principles and efficiencies. Then, a comparative analysis of electrical cost of PV panels and operating costs is presented with reference to other energy sources.
Keywords: Solar energy, Photovoltaics and Turkey.
1. Giriş
Dünya nüfusunun artması, teknolojik gelişmeler, mal ve hizmet üretimindeki artışlar enerji ihtiyacının sürekli artmasına neden olmaktadır. Artan enerji ihtiyacı büyük ölçüde fosil yakıtlarla karşılanmaktadır. Ancak fosil yakıtların tüketiminin giderek artan bir biçimde çevre sorunlarına neden olduğu da bir gerçektir. Bununla birlikte fosil yakıtların neden olduğu çevre sorunlarını önleyebilmek için alınmak istenen uluslararası önlemler, sorunun büyüklüğünde asıl paya sahip ülkelerin uzlaşmaz tavırları nedeniyle amacına ulaşamamaktadır.
Fosil yakıtların neden olduğu çevresel zararları geri dönülmez noktaya ulaşmadan önlemenin, enerjinin tasarruflu ve verimli kullanımının yaygınlaştırılması ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji tüketimi içindeki payını artırmakla mümkün olduğu görülmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynakları; hidrolik, rüzgár, güneş, jeotermal, biokütle, biyogaz, dalga- akıntı enerjisi ve gel-git gibi fosil olmayan enerji kaynaklarıdır. Son yıllarda bu kaynaklara dünyada önemli oranda bir rağbet oluşmuştur. Zira ABD Enerji Departmanından R.King, enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji kaynakları için 771 milyon USD bütçe ayrıldığını bunun 539 milyon USD?ının: nükleer füzyon, güneş enerjisi, biokütle ve hidrojen olduğunu ve Almanya Çevre Bakanı Dr.K.Freier ise 2010 yılında elektrik üretiminin %12,5?i, 2020 yılında ise %20?sinin yenilenebilir kaynaklardan üretileceğini ifade etmişlerdir [1].
Ülkemizin de hızlı bir şekilde yenilenebilir kaynaklara yönelmesi ve bunlardan yararlanması gerekmektedir. Zira genel olarak Türk enerji sisteminin 3 temel probleminden bahsedilmektedir: Birincisi sistemin ithalata dayanmasıdır. İkinci ana problem, benzer ülkelerle karşılaştırıldığında Türkiye?de enerji kullanım verimlerinin düşük olmasıdır. Üçüncü ve önemli sorun da, ülkenin önemli bir yenilenebilir enerji potansiyeline sahip olmasına rağmen ki güneş enerjisi bunlardan biridir, enerji tüketiminin fosil yakıtlara dayanmasıdır [2Ğ5].
Bu çalışmada yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş pillerinin elektrik üretimindeki önemi, tarihsel gelişimi noktasından ele alınmış ve ülkemiz için birim elektrik üretim maliyeti ortaya konmuştur.
2. Enerji Kullanımı Aşamalarındaki Tarihsel Gelişimler
18. yüzyılda başlayıp 19. yüzyılın ortalarına kadar (1870'ler) süren endüstrileşme sürecinin ilk aşamasında demir ve kömür, hammadde ve enerji kaynağı olarak önemli bir rol oynamıştır. Bu dönemde İngiltere'nin sahip olduğu zengin kömür yatakları bu devletin öteki devletler üzerinde ekonomik üstünlük sağlamasına yol açmıştır.
Sürecin ikinci aşamasında (1870'ler sonrası) temel hammadde ve enerji kaynaklarında değişiklik ortaya çıktı. Kömür ve demirin yanında çelik, elektrik, petrol ve kimyasal maddeler de üretim sürecine sokulunca endüstrileşme bugün etrafımızda görülen biçimini almış oldu.
Bu süreç insanlık bilimine ve toplum yaşantısına büyük bir adım attırmıştır. Ancak sanayileşmeyle beraber atmosfere salınan aşırı karbondioksit ve diğer gazlar gelecekte beklenen iklim değişikliği için bir tetikleyici unsur olmuştur.
3. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Önemi
Bugün fosil yakıtların çevre ve insan sağlığı açısından yarattığı olumsuzluklar her geçen gün katlanarak artmaktadır. Fosil yakıtlar yakıldığında karbondioksit (CO2), kükürt, partikül madde, azot oksit, kurum ve kül vs. gibi maddeler açığa çıkmaktadır.
3. 1. Güneş?in Özellikleri
Güneş dünyadan ortalama 1,496*108 km (@150 milyon km) uzaklıktadır. Çapı yaklaşık 1,392*106 km?dir. Güneşin elektromanyetik radyasyonu 10-8 cm den 10-4 mikrometreye kadar değişen dalga boylarına sahiptir. Güneş yüzeyindeki sıcaklık 5770 K mertebesindedir. Korona sıcaklığı 106 K. Kütlesel Bileşimi: %75 H2, %24 He, %1?de diğer ağır elementlerdir. Yeryüzünün tüm petrol, kömür, doğalgaz rezervleri, dünya üzerine düşen 20 günlük güneş ışığına eşdeğerdir [6Ğ8].
Güneşte bulunan hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon süreci sonucunda kütle farkından dolayı ısı açığa çıkmaktadır. Dünyaya güneşten gelen bir yıldaki enerji, dünyada bir yılda kullanılan enerjinin yaklaşık olarak 15 bin katıdır. Şekil 1?de görüldüğü gibi güneş ışınımının tamamı yer yüzeyine ulaşmaz. %30 kadarı dünya atmosferi tarafından geriye yansıtılır. Güneş ışınımının ortalama olarak %50?si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Bu enerji ile dünyanın sıcaklığı yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur. Rüzgár hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Güneşten gelen ışınımının %20?si atmosfer ve bulutlarda tutulur. Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının %1?den azı bitkiler tarafından fotosentez olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş ışığıyla birlikte karbondioksit ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez, yeryüzünde bitkisel yaşamın kaynağıdır. Dünyaya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir [6Ğ8].
3.1.1. Güneşin Elektromanyetik Spektrumu
Güneş ışınımı değişik dalga boylarında yayınlanır. Yayınlanan bu dalga boylarının sıralı görünümü de güneş spektrumu olarak isimlendirilir. Bilinen tam adı ise elektromanyetik güneş spektrumudur. Tam olarak ifade edilecek olursa; güneşten yayınlanan ve bilinen farklı dalga boylarındaki tüm elektromanyetik radyasyonun bütünü Elektromanyetik Güneş Spektrumu olarak isimlendirilir. Anılan bu spektrumda, güneş ışınımı dalga boylarına göre sıralanır ve aşağıda verilen temel gruplar ile ifade edilir [6]:
Gama Işınları
X- Işınları
Ultraviole (mor ötesi) Işık
Görünür (Visible) Işık
Kızıl Ötesi (Infrared, kızıl altı) Işık
Radyo Dalgaları
Şekil 2?de gösterilen güneş ışınına ait dalga boyu sınırları arasında bir çakışma söz konusu olabilir, yani sınırlarda bir örtüşme söz konusudur. Bu nedenle sınırlar kesin çizgilerle belli değildir. Örtüşme alanlarındaki farklı ışınımların madde ile olan etkileşimleri aynıdır [6].
3.2. Güneş Enerjisinin Özellikleri
Güneş enerjisinden faydalanan sistemlerin tasarımında öncelikle faydalanılabilir güneş ışınımının bilinmesi gerekir. Toplayıcıların boyutlandırılması, binalardaki ısı kazancının hesaplanması, binaların aydınlatma yükünün tayini, güneş fırınları, güç sistemleri (güneş pilleri) ve diğer bütün güneş enerjisi uygulamalarında yeryüzüne gelen güneş ışınımı miktarı esas alınır [6].
Güneş enerjisi, doğrusal yönde hareket eden güneş ışınlarıyla iletilir. Güneş ışınımı atmosferi geçerken atmosferde bulunan parçacıklar (atom, molekül, toz v.s.) tarafından yutulur ve saçılır. Doğrudan yeryüzüne gelen kısmına direkt güneş ışınımı; saçılan ışınımların yeryüzüne gelen kısmına ise yayılı (diffuse) güneş ışınımı adı verilir. Direkt ve yayılı güneş ışınımı pratik olarak 0,3Ğ3,0 ğm dalga boyu aralığında olduğundan buna kısa dalga boylu ışınım da denir. Direkt ve yayılı ışınımların toplamı tüm (global) güneş ışınımı olarak bilinir. Atmosferdeki gazlar (özellikle su buharı ve karbondioksit) tarafından neşredilenlerden aşağı doğru olanı atmosfer ışınımı, yer tarafından neşredilen ve yansıtılan ışınımlar da (uzun dalga boylu) yer ışınımı olarak tanımlanırlar. Bütün bu ışınımlara toplam (total) güneş ışınımı denir. Şekil 3?de toplam ışınımın bileşenleri şematik olarak gösterilmiştir [6].
Bir cisim üzerine gelen güneş ışınları dört kısma ayrılır. Bunların bir kısmı cismin içine girerek arka tarafa geçer, bir kısmı yansır, bir kısmı dağılım (diffuse) yoluyla yansır, geriye kalan kısmı ise, cisim tarafından soğurulur (absorbe edilir). Güneş enerjisinin tamamı, bu güneş ışınlarının toplamına eşittir. Bunların her birinin toplam enerjiye oranı o cismin geçirme, yansıtma, dağılım, yansıtma ve soğurma özelliklerini gösterir [6]. Güneş radyasyonu (ısıl ışınım): üç kısımdan oluşur, bunlar enfraruj (kızıl ötesi-altı) radyasyon, görünür ışık ve ultraviole (mor ötesi) radyasyondur. Güneş enerjisinin % 55-60'ı enfraruj bölgededir. Güneş enerjisinin ısıtıcı etkisi, enfraruj radyasyondan ileri gelmektedir. Yatay bir düzleme gelen günlük tüm güneş ışınımı aşağıdaki (1) eşitlikten elde edilir [6].
t
Q = Q0 a+b(ĞĞ) (1)
t0
a= 0,103 + 0,000017 x Z + 0,198 x Cos(e-d) (1a)
b = 0,533 Ğ 0,165 x Cos(e-d) (1b)
d= 23,45 sin (360 x (n+284)/365),
n:gün sayısı (1 ocak için n = 1)(1c)
Q0:atmosfer dışına gelen güneş ışınımı
t:güneşlenme süresi
t0:gün uzunluğu
Z:deniz seviyesinden olan yükseklik (m)
e:enlem
d:deklinasyon açısı (dünya-güneş doğrultusunun yerin ekvator düzlemi ile yaptığı açı).
Güneş, gerçekte dünyamızın esas enerji kaynağıdır. Dünyamızı aydınlatması ve ısıtması yanında canlıların yaşamasını ve büyümesini ve bazı enerji kaynaklarının oluşmasını sağlar. Birincil enerji olarak atmosferi geçip bir yılda yeryüzüne ulaşan güneş enerjisi miktarı yaklaşık olarak 9*1013 TET/Yıl değerindedir (106 TET (ton eşdeğer taşkömürü) = 7*1012 kCal [6]. Bu miktarın dünyada bir yılda kullanılan enerjinin 15.000 katı olduğu yukarıda belirtilmişti ancak, birim zamanda birim alana gelen güneş ışınımı çok küçük olduğundan ve sürekli gelmediğinden güneş ışınımından faydalanmak kolay ve ucuz olmamaktadır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1.370 W/m2 değerindedir, ancak yeryüzüne gelen kısım 0Ğ1.100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Türkiye?nin yıllık ortalama güneş ışınımı değeri 350 W/m2 [6].
3.2.1. Türkiye?nin Güneş Enerjisi Değerleri
Türkiye genelinde ve bölgeler bazında maksimum güneşlenme temmuz ayında, minimum güneşlenme ise aralık ayında olmaktadır. Türkiye'nin en fazla güneş alan bölgesi Güney-Doğu Anadolu olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir (Tablo 1). Buna göre Türkiye'nin tüm yüzeyine yılda gelen toplam güneş enerjisi miktarı 1.016 x 10 12 kWh olmaktadır [8].
3.3. Güneş Enerjisinden Yararlanma Teknolojileri
Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından da düşme eğilimi göstermiş ve çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş enerjisi teknolojileri, yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir:
Isıl Güneş Teknolojileri: Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi, elektrik üretiminde de kullanılabilir.
Güneş Pilleri: Fotovoltaik piller (PV) de denen bu yarı-iletken malzemeler, güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler. z
Devamı gelecek sayıda
Ünal ÇAMDALI(*)
Türkiye Kalkınma Bankası
u-camdali@tkb.com.tr
ucamdali@yahoo.com
Bu çalışmada önce alternatif enerji kaynaklarının önemi tarihsel süreçler ışığında ortaya konmuş daha sonra da PV?lerin önemi ve çalışma prensibi ile birlikte PV? lerde kullanılan malzemeler verimleri ile birlikte ifade edilmiştir. Daha sonra PV kullanılarak birim kWh elektrik üretimi başına yatırım ve işletme maliyeti birlikte hesap edilerek diğer alternatif kaynaklar ile üretilen elektrik enerjisi miktarı karşılaştırılmıştır.
Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, güneş pilleri ve Türkiye
Use Of Photovoltaics In The Production Of Electricity And Determination Of Cost
Abstract
Photovoltaics (PV), which are known as solar electricity to produce
electricity from sun light energy, was first studied by Becquerel in 1839. He was the first one to explore that some materials produce current, even at small levels, when they are exposed to sunlight. However, Heinrich Hertz was interested about this effect on such materials as selenium and developed first photovoltaics which had an efficiency of 1-2%. Modern PV was developed to produce electricity, though expensive, in space technology, especially in satellite
vehicles in 1954. As a result of increasing demands from users, it was started being used in watches and for lighting purposes, and since 1981 it has been used in buildings. While PV panels are used to produce electricity by the solar power plants which are uncovered, they were first used on the roof of the buildings and then produced as roof plates for modern buildings. Researching and findings on the effect of sun light amounts, shadow, the value of the thermal transitivity and damp-proofing on the PV panels show that they are used effectively on the vertical covering of the buildings and pilot applications have been increasing since 1992. Most of the researches in nowadays are focusing on finding out economic PV panel production methods.In this study, the importance of the alternative energy sources is first highlighted from view point of the historical process with the importance of PV panels and its working principles and efficiencies. Then, a comparative analysis of electrical cost of PV panels and operating costs is presented with reference to other energy sources.
Keywords: Solar energy, Photovoltaics and Turkey.
1. Giriş
Dünya nüfusunun artması, teknolojik gelişmeler, mal ve hizmet üretimindeki artışlar enerji ihtiyacının sürekli artmasına neden olmaktadır. Artan enerji ihtiyacı büyük ölçüde fosil yakıtlarla karşılanmaktadır. Ancak fosil yakıtların tüketiminin giderek artan bir biçimde çevre sorunlarına neden olduğu da bir gerçektir. Bununla birlikte fosil yakıtların neden olduğu çevre sorunlarını önleyebilmek için alınmak istenen uluslararası önlemler, sorunun büyüklüğünde asıl paya sahip ülkelerin uzlaşmaz tavırları nedeniyle amacına ulaşamamaktadır.
Fosil yakıtların neden olduğu çevresel zararları geri dönülmez noktaya ulaşmadan önlemenin, enerjinin tasarruflu ve verimli kullanımının yaygınlaştırılması ile birlikte yenilenebilir enerji kaynaklarının enerji tüketimi içindeki payını artırmakla mümkün olduğu görülmektedir.
Yenilenebilir enerji kaynakları; hidrolik, rüzgár, güneş, jeotermal, biokütle, biyogaz, dalga- akıntı enerjisi ve gel-git gibi fosil olmayan enerji kaynaklarıdır. Son yıllarda bu kaynaklara dünyada önemli oranda bir rağbet oluşmuştur. Zira ABD Enerji Departmanından R.King, enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji kaynakları için 771 milyon USD bütçe ayrıldığını bunun 539 milyon USD?ının: nükleer füzyon, güneş enerjisi, biokütle ve hidrojen olduğunu ve Almanya Çevre Bakanı Dr.K.Freier ise 2010 yılında elektrik üretiminin %12,5?i, 2020 yılında ise %20?sinin yenilenebilir kaynaklardan üretileceğini ifade etmişlerdir [1].
Ülkemizin de hızlı bir şekilde yenilenebilir kaynaklara yönelmesi ve bunlardan yararlanması gerekmektedir. Zira genel olarak Türk enerji sisteminin 3 temel probleminden bahsedilmektedir: Birincisi sistemin ithalata dayanmasıdır. İkinci ana problem, benzer ülkelerle karşılaştırıldığında Türkiye?de enerji kullanım verimlerinin düşük olmasıdır. Üçüncü ve önemli sorun da, ülkenin önemli bir yenilenebilir enerji potansiyeline sahip olmasına rağmen ki güneş enerjisi bunlardan biridir, enerji tüketiminin fosil yakıtlara dayanmasıdır [2Ğ5].
Bu çalışmada yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş pillerinin elektrik üretimindeki önemi, tarihsel gelişimi noktasından ele alınmış ve ülkemiz için birim elektrik üretim maliyeti ortaya konmuştur.
2. Enerji Kullanımı Aşamalarındaki Tarihsel Gelişimler
18. yüzyılda başlayıp 19. yüzyılın ortalarına kadar (1870'ler) süren endüstrileşme sürecinin ilk aşamasında demir ve kömür, hammadde ve enerji kaynağı olarak önemli bir rol oynamıştır. Bu dönemde İngiltere'nin sahip olduğu zengin kömür yatakları bu devletin öteki devletler üzerinde ekonomik üstünlük sağlamasına yol açmıştır.
Sürecin ikinci aşamasında (1870'ler sonrası) temel hammadde ve enerji kaynaklarında değişiklik ortaya çıktı. Kömür ve demirin yanında çelik, elektrik, petrol ve kimyasal maddeler de üretim sürecine sokulunca endüstrileşme bugün etrafımızda görülen biçimini almış oldu.
Bu süreç insanlık bilimine ve toplum yaşantısına büyük bir adım attırmıştır. Ancak sanayileşmeyle beraber atmosfere salınan aşırı karbondioksit ve diğer gazlar gelecekte beklenen iklim değişikliği için bir tetikleyici unsur olmuştur.
3. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Önemi
Bugün fosil yakıtların çevre ve insan sağlığı açısından yarattığı olumsuzluklar her geçen gün katlanarak artmaktadır. Fosil yakıtlar yakıldığında karbondioksit (CO2), kükürt, partikül madde, azot oksit, kurum ve kül vs. gibi maddeler açığa çıkmaktadır.
3. 1. Güneş?in Özellikleri
Güneş dünyadan ortalama 1,496*108 km (@150 milyon km) uzaklıktadır. Çapı yaklaşık 1,392*106 km?dir. Güneşin elektromanyetik radyasyonu 10-8 cm den 10-4 mikrometreye kadar değişen dalga boylarına sahiptir. Güneş yüzeyindeki sıcaklık 5770 K mertebesindedir. Korona sıcaklığı 106 K. Kütlesel Bileşimi: %75 H2, %24 He, %1?de diğer ağır elementlerdir. Yeryüzünün tüm petrol, kömür, doğalgaz rezervleri, dünya üzerine düşen 20 günlük güneş ışığına eşdeğerdir [6Ğ8].
Güneşte bulunan hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon süreci sonucunda kütle farkından dolayı ısı açığa çıkmaktadır. Dünyaya güneşten gelen bir yıldaki enerji, dünyada bir yılda kullanılan enerjinin yaklaşık olarak 15 bin katıdır. Şekil 1?de görüldüğü gibi güneş ışınımının tamamı yer yüzeyine ulaşmaz. %30 kadarı dünya atmosferi tarafından geriye yansıtılır. Güneş ışınımının ortalama olarak %50?si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Bu enerji ile dünyanın sıcaklığı yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur. Rüzgár hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Güneşten gelen ışınımının %20?si atmosfer ve bulutlarda tutulur. Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının %1?den azı bitkiler tarafından fotosentez olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş ışığıyla birlikte karbondioksit ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez, yeryüzünde bitkisel yaşamın kaynağıdır. Dünyaya gelen bütün güneş ışınımı, sonunda ısıya dönüşür ve uzaya geri verilir [6Ğ8].
3.1.1. Güneşin Elektromanyetik Spektrumu
Güneş ışınımı değişik dalga boylarında yayınlanır. Yayınlanan bu dalga boylarının sıralı görünümü de güneş spektrumu olarak isimlendirilir. Bilinen tam adı ise elektromanyetik güneş spektrumudur. Tam olarak ifade edilecek olursa; güneşten yayınlanan ve bilinen farklı dalga boylarındaki tüm elektromanyetik radyasyonun bütünü Elektromanyetik Güneş Spektrumu olarak isimlendirilir. Anılan bu spektrumda, güneş ışınımı dalga boylarına göre sıralanır ve aşağıda verilen temel gruplar ile ifade edilir [6]:
Gama Işınları
X- Işınları
Ultraviole (mor ötesi) Işık
Görünür (Visible) Işık
Kızıl Ötesi (Infrared, kızıl altı) Işık
Radyo Dalgaları
Şekil 2?de gösterilen güneş ışınına ait dalga boyu sınırları arasında bir çakışma söz konusu olabilir, yani sınırlarda bir örtüşme söz konusudur. Bu nedenle sınırlar kesin çizgilerle belli değildir. Örtüşme alanlarındaki farklı ışınımların madde ile olan etkileşimleri aynıdır [6].
3.2. Güneş Enerjisinin Özellikleri
Güneş enerjisinden faydalanan sistemlerin tasarımında öncelikle faydalanılabilir güneş ışınımının bilinmesi gerekir. Toplayıcıların boyutlandırılması, binalardaki ısı kazancının hesaplanması, binaların aydınlatma yükünün tayini, güneş fırınları, güç sistemleri (güneş pilleri) ve diğer bütün güneş enerjisi uygulamalarında yeryüzüne gelen güneş ışınımı miktarı esas alınır [6].
Güneş enerjisi, doğrusal yönde hareket eden güneş ışınlarıyla iletilir. Güneş ışınımı atmosferi geçerken atmosferde bulunan parçacıklar (atom, molekül, toz v.s.) tarafından yutulur ve saçılır. Doğrudan yeryüzüne gelen kısmına direkt güneş ışınımı; saçılan ışınımların yeryüzüne gelen kısmına ise yayılı (diffuse) güneş ışınımı adı verilir. Direkt ve yayılı güneş ışınımı pratik olarak 0,3Ğ3,0 ğm dalga boyu aralığında olduğundan buna kısa dalga boylu ışınım da denir. Direkt ve yayılı ışınımların toplamı tüm (global) güneş ışınımı olarak bilinir. Atmosferdeki gazlar (özellikle su buharı ve karbondioksit) tarafından neşredilenlerden aşağı doğru olanı atmosfer ışınımı, yer tarafından neşredilen ve yansıtılan ışınımlar da (uzun dalga boylu) yer ışınımı olarak tanımlanırlar. Bütün bu ışınımlara toplam (total) güneş ışınımı denir. Şekil 3?de toplam ışınımın bileşenleri şematik olarak gösterilmiştir [6].
Bir cisim üzerine gelen güneş ışınları dört kısma ayrılır. Bunların bir kısmı cismin içine girerek arka tarafa geçer, bir kısmı yansır, bir kısmı dağılım (diffuse) yoluyla yansır, geriye kalan kısmı ise, cisim tarafından soğurulur (absorbe edilir). Güneş enerjisinin tamamı, bu güneş ışınlarının toplamına eşittir. Bunların her birinin toplam enerjiye oranı o cismin geçirme, yansıtma, dağılım, yansıtma ve soğurma özelliklerini gösterir [6]. Güneş radyasyonu (ısıl ışınım): üç kısımdan oluşur, bunlar enfraruj (kızıl ötesi-altı) radyasyon, görünür ışık ve ultraviole (mor ötesi) radyasyondur. Güneş enerjisinin % 55-60'ı enfraruj bölgededir. Güneş enerjisinin ısıtıcı etkisi, enfraruj radyasyondan ileri gelmektedir. Yatay bir düzleme gelen günlük tüm güneş ışınımı aşağıdaki (1) eşitlikten elde edilir [6].
t
Q = Q0 a+b(ĞĞ) (1)
t0
a= 0,103 + 0,000017 x Z + 0,198 x Cos(e-d) (1a)
b = 0,533 Ğ 0,165 x Cos(e-d) (1b)
d= 23,45 sin (360 x (n+284)/365),
n:gün sayısı (1 ocak için n = 1)(1c)
Q0:atmosfer dışına gelen güneş ışınımı
t:güneşlenme süresi
t0:gün uzunluğu
Z:deniz seviyesinden olan yükseklik (m)
e:enlem
d:deklinasyon açısı (dünya-güneş doğrultusunun yerin ekvator düzlemi ile yaptığı açı).
Güneş, gerçekte dünyamızın esas enerji kaynağıdır. Dünyamızı aydınlatması ve ısıtması yanında canlıların yaşamasını ve büyümesini ve bazı enerji kaynaklarının oluşmasını sağlar. Birincil enerji olarak atmosferi geçip bir yılda yeryüzüne ulaşan güneş enerjisi miktarı yaklaşık olarak 9*1013 TET/Yıl değerindedir (106 TET (ton eşdeğer taşkömürü) = 7*1012 kCal [6]. Bu miktarın dünyada bir yılda kullanılan enerjinin 15.000 katı olduğu yukarıda belirtilmişti ancak, birim zamanda birim alana gelen güneş ışınımı çok küçük olduğundan ve sürekli gelmediğinden güneş ışınımından faydalanmak kolay ve ucuz olmamaktadır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1.370 W/m2 değerindedir, ancak yeryüzüne gelen kısım 0Ğ1.100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Türkiye?nin yıllık ortalama güneş ışınımı değeri 350 W/m2 [6].
3.2.1. Türkiye?nin Güneş Enerjisi Değerleri
Türkiye genelinde ve bölgeler bazında maksimum güneşlenme temmuz ayında, minimum güneşlenme ise aralık ayında olmaktadır. Türkiye'nin en fazla güneş alan bölgesi Güney-Doğu Anadolu olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir (Tablo 1). Buna göre Türkiye'nin tüm yüzeyine yılda gelen toplam güneş enerjisi miktarı 1.016 x 10 12 kWh olmaktadır [8].
3.3. Güneş Enerjisinden Yararlanma Teknolojileri
Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından da düşme eğilimi göstermiş ve çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş enerjisi teknolojileri, yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte iki ana gruba ayrılabilir:
Isıl Güneş Teknolojileri: Bu sistemlerde öncelikle güneş enerjisinden ısı elde edilir. Bu ısı doğrudan kullanılabileceği gibi, elektrik üretiminde de kullanılabilir.
Güneş Pilleri: Fotovoltaik piller (PV) de denen bu yarı-iletken malzemeler, güneş ışığını doğrudan elektriğe çevirirler. z
Devamı gelecek sayıda
Ünal ÇAMDALI(*)
Türkiye Kalkınma Bankası
u-camdali@tkb.com.tr
ucamdali@yahoo.com