Güneş Enerjisi Uygulamalarının Tarihsel Gelişimi İnsanların güneş enerjisinden teknolojik olarak yararlanması, yani güneş enerjisini kendi geliştirdiği yollarla başka enerjilere dönüştürmesi, bir hayli eskilere dayanır. Bilinen ilk uygulamalardan biri, Arşimed'in Sirakuza'da güneş ışınlarını büyük aynalarla yoğunlaştırarak düşman gemilerine odaklaması ve onları yakması olarak bilinir. 17. yy da, yine aynalarla güneş ışınlarının yoğunlaştırılarak odun yığınlarının yakılmasında kullanıldığı, 18. yy da yoğunlaştırılmış güneş ışınlarının kimyasal tepkimelerde ve güneş ocaklarında kullanıldığı görülür. 19. yy da güneş enerjisi uygulamaları artmıştır. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile aaaal eritme, su dağıtma, buhar üretme, güneşle çalışan buhar makinası, baskı makinası gibi yapılan çalışmalar, uygulama örnekleri olarak gösterilebilinir. 20. yy da insanların yaşamına giren petrol, güneş enerjisi kullanımıyla ilgili gelişmeleri bir ölçüde frenlemiştir. Bununla birlikte, 1974'deki yapay petrol bunalımı ve petrol fiyatlarının artması sonucu güneş enerjisi üzerindeki çalışmalar, yeniden hız kazanmıştır. Özellikle evlerde sıcak su sağlanmasında güneş toplaçları kullanımı bu yüzyılda yaygınlaşmıştır. Yine, yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin kullanıldığı güneş santralleri bu yüzyılda yapılmaya başlanılmıştır. 1954 yılında Bell laboratuarında güneş pillerinin geliştirilmesi ile güneş pilleri güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım alanları bulmuşlardır. Güneş pillerinin ilk büyük ölçekli uygulama alanı, uzay çalışmalarında olmuştur. Uzay araçlarına enerji sağlamada bu piller en uygun araçlar olmuşlardır. Önceleri küçük ölçeklerde çeşitli yerlerde kullanılan güneş pilleri giderek daha geniş kullanım alanlarına yayılmışlardır. Yaygın kullanımla birlikte bu pillerin fiyatları da oldukça düşmüştür. Bu gün bu pillerle çalıştırılan güneş otomobilleri, güneş uçağı, elektrik şebekesine uzak yerlerdeki uygulamalar, güneş pilleri ile çalışan elektrik santralleri bulunmaktadır. Güneş enerjisi dışında kullanılan enerjiler ise, yerin iç ısısından yararlanma, Dünya-ay arasındaki çekim enerjisinden yararlanma ve çekirdeksel yakıtlardan yararlanma olarak sıralanabilir. Çekirdeksel yakıtlar yeryüzünde sınırlı miktarlarda bulunmaktadır. Aynı şekilde, depolanmış güneş enerjisi olarak kullanılan fosil yakıtlar da sınırlı miktarda bulunmaktadırlar ve tüketim hızıyla orantılı olarak oluşmamaktadırlar. Bu yönleriyle, gerek fosil yakıtlar, gerekse çekirdeksel yakıtlar, tükenir enerji kaynaklarıdır. Oysa diğer kaynaklar tükenmez enerji kaynaklarıdır ve bu gün artık dünya bu tükenmez enerji kaynaklarının daha verimli ve yaygın kullanılmasına yönelik teknolojik çalışmalaraın hızlandırıldığı bir döneme girilmiştir. Günlük güneş enerjisinin seyreltik ve kesikli olması, bu enerjinin daha etkin ve verimli kullanılmasında sorun olmakyadır. Oysa, bugün dünya ya gelen güneş enerjisi, dünyada kullanılan tüm enerjinin 15-16 bin katı dolayındadır. Bu durumda, dünya üzerinde bu enerjiyi olabildiğince verimli ve etkin kullanabilme yolunu bulmamız gerekmektedir. Bunun yanı sıra, en akıllıca yollardan biri de güneş enerjisini dünyanın dışında yakalayarak bunu bir şekilde elektrik enerjisine çevirerek dünyaya aktarmaktır. Uzayda, ya da bize en yakın gök cismi olan ay da bu işi başarabiliriz. Gerek uzayda gerekse ayda ne bulutluluk engeli ve ne de gece gündüz sorunu vardır. Ayrıca hava kürenin soğurucu etkileri de burada söz konusu olmamaktadır. Şimdilik düşünce ve kuram düzeyindeki çalışmaların, çok uzun olmayacak sürede gerçekleşmesi beklenmektedir Ülkemizinde, güneş enerjisinden ve diğer tükenmez enerjilerden yararlanma konusundaki yarışta geri kalmaması gerekir. Çünkü, ülkemiz üç kıtaya en yakın konumda bulunmakta, ayrıca güneş kuşağı denilen ve ekvatora göre kuzey ve güney 40 enlemlerini kapsayan bölgede bulunmaktadır. Ülkemizin bu iki özelliği, güneş enerjisinin teknolojik uygulamalarına bir vitrin durumuna gelmesinde büyük bir üstünlük sağlayabilir. Dengeli bir kalkınmanın, temiz ve tükenmez enerji kaynaklarına dayalı olacağı unutulmamalıdır. 1.2-Güneş Pili Sisteminin Yapısı ve Sistemin Gelişimi Güneş pillerinin çalışma ilkesi, Fotovoltaik olayına dayanır. Güneş pilleri üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren cihazlardır. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm2 civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Bu enerji çevriminde herhangi devingen parça bulunmaz. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel yada seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü yada fotovoltaik modül adı verilir. Güç ihtiyacına bağlı olarak modüller birbirlerine seri yada paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan mega Watt'lara kadar sistem düzenlenebilir. Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili modülü uygulamaya bağlı olarak, akümülatör, inverterler, akü şarj kontrol cihazları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi oluştururlar. Bu sistemler, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Ayrıca dizel jeneratörlerle yada başka güç sistemleri ile birlikte karma olarak kullanılmaları da mümkündür. İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G. W. Adams ve R. E. Day tarafından gerçekleştirilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1 değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin tarafından silikon kristali üzerinde gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960'ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954'ler de başlamış olmasına rağmen, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki 1. petrol bunalımı'nı izleyen yıllarda olmuştur. Amerika'da, Avrupa'da, Japonya da büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu nedenle daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu olan fotovoltaik sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması görevi uzun yıllar üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak kalmıştır. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek 'sosyal maliyet' göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerden daha ekonomik olarak değerlendirilebilir. Güneş pilinin, bir fotovoltaik diyod olup, üzerine ışık düştüğünde iki uç arasında potansiyel farkı ortaya çıkar. Ancak, bir güneş pilinden elde edilebilecek gerilim çok küçük (0.5-1V dolayında) olduğundan, arzulanan gerilime uygun olacak sayıda güneş pili seri olarak bağlanır. Seri bağlı pillerin oluşturduğu birime PV modülü adı verilir. PV modüllerin laminasyonu genellikle güneş pillerinin ön yüzeyinde yüksek optiksel geçirgenliğe sahip cam ve arka yüzeylerinde EVA kullanılarak geçirgenleştirilir. Ayrıca camı korumak ve sistemi daha kullanılabilir, sağlam bir yapıya sokmak için modül, aaaal çerçeve ile çerçevelenir. Modüler yapının kullanım kolaylığı yanında, büyük bir üstünlüğü de, güç gereksinimine uygun olarak değişik boyutlarda fotovoltaik örgülerin kurulmasına uygun olmalarıdır. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim biçimleri ile karşılaştırıldığında çok pahalı olan PV sistemlerinin kullanımı yalnızca iletişim, uzay çalışmaları gibi özel uygulama alanlarında sınırlı kalmıştır. Son yirmi yılda PV teknolojilerindeki gelişmelere ve PV pazarının büyümesi ile birlikte maliyetler dede bir düşüş eğilimi gözlenmeye başlanmıştır. Bu gün gelinen durumda, PV güç üretiminin yılda %25-%30 dolayında artacağı tahmin edilmektedir. Ancak bu gün PV kurulu gücün, dünya güç gereksiniminin yalnızca yüz binde dört kadarı olduğu gerçeği göz ardı edilmemelidir. Bu payın 2010 yılında %0.13 dolayına ve 2020 de %1 ve 2030 ile 2050 yılları arasında %5 ile %10 dolayında bir değere ulaşılacağı beklenmektedir. 1997 de PV Pazar hacmi 120 MW'tın üzerinde gerçekleşirken, üretim kapasitesi buna cevap vermekte zorlanmaktadır. Bu gün PV sektöründe, üretilen modüllerin yaklaşıkça %90 kadarını silisyum kristalini taban alan sistemler oluşturmaktadır. PV modül üretiminin çoğunluğu ABD (%44), Japonya(%20) ve, Avrupa (%27) olarak bölüşürken %9 kadar bir bölümü de diğer ülkelerce gerçekleştirilmektedir. Artan ihtiyaca karşılık olarak hızla büyüyen PV pazarının iş kapasitesi 1milyar dolar/yılı geçmiş bir durumdadır. 2010 yılı itibari ile ABD fotovoltaik endüstrisi 60 milyon dolarlık bir kapasite hedeflemektedir. Güneş pilleri üretiminde elektronik endüstride kullanılmayan silisyum malzeme kullanılmaktadır. Ancak bu kaynak, artan sistemi karşılamakta zorlanmaktadır. Bu nedenle, örneğin Japonya'nın önümüzdeki iki yıl için hedeflediği 70 000 çatıya PV sistemi programını gerçekleştirebilmesi için PV sistemi için kaliteli silisyum üretecek bir fabrikayı kurması beklenirken, Avrupa'nın da bunu izleyeceği sanılmaktadır. Bunların yanında, kararlılığı ispatlanmış kristalli silisyum malzemenin ince film formunda kullanılması çalışmaları da önemli gelişmeler kaydetmiş olup, yakın gelecekte adaylar arasına girme yolundadır. 2- GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİNİN SINIFLANDIRILMASI Bu sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda yada özellikle gece süresince kullanılmak üzere sistemde akümülatör bulundurulur. Güneş pili modülleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolar, yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesini engellemek için kullanılan regülatör ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı yada yükün çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir inverter eklenerek akümülatördeki d. a. gerilimi, 220 V, 50 Hz.'lik sinüs dalgasına dönüştürülür. Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli destek elektronik devreler sisteme katılabilir. Bazı sistemlerde, güneş pillerinin maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayan maksimum güç noktası izleyici cihazı bulunur. Güneş pili sistemi uygulamaları iki ana gruba ayrılabilir: - Şebeke bağlantılı sistemler - Şebekeden bağımsız sistemler 2.1- Şebeke Bağlantılı Güneş Pili Sistemleri Şebeke bağlantılı güneş pili sistemlerin gücü, birkaç kW' tan birkaç MW'lara kadar değişebilmektedir. Şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri yüksek güçte, santral boyutunda sistemler şeklinde olabileceği gibi daha çok görülen uygulamalar ise binalarda küçük güçlü uygulamalar şeklindedir. Bu tür sistemler, iki ana gruba ayrılır. İlk tür sistem, temelde bir yerleşim biriminin mesela, bir konutun elektrik ihtiyacını karşılar. Bu sitemlerde, üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılır. Yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda şebekeden enerji satın alınır. Böyle bir sistemde enerji depolaması yapmaya gerek yoktur, yalnızca üretilen d. a. elektriğin, a. a. elektriğe çevrilmesi ve şebeke uyumlu olması yeterlidir. İkinci tür şebekeye bağlı güneş pili sistemleri kendi başına elektrik üretip, bunu şebekeye satan büyük güç üretim merkezleri şeklindedir. Bunların büyüklüğü 600-700 kW' tan MW' lara kadar değişir. 2.1.1-Şebeke Bağlantılı 4,8 kW Güneş Pili Sistemi Güneş pilleri şebekeden bağımsız sistemler olarak kullanılabileceği gibi mevcut elektrik şebekesine bağlı olarak da kullanılabilirler. Enerji maliyetinin pahalı olması nedeniyle güneş pilleri genellikle şebekeden uzak yerlerdeki küçük güçlerin enerji talebinin karşılanmasında kullanılmıştır. Son yıllarda ise özellikle gelişmiş ülkelerde şebekeye bağlı güneş pili uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Bu kapsamda EİE Didim Güneş ve Rüzgar Enerjisi Araştırma Merkezi'ne 4,8 kW gücünde şebeke bağlantılı güneş pili sistemi kurulmuştur. 2.1.2- Şebeke Bağlantılı 1,2 kW Güneş Pili Sistemi Şebeke bağlantılı sistemlerin demonstrasyonu amacıyla 1,2 kW gücünde bir şebekeye bağlı güneş pili sistemi de EİE Yenilenebilir Enerji Kaynakları Parkı'na tesis edilmiştir. 2.2- Bağımsız Güneş Pili sistemleri 2.2.1 Sistemin Yapısı Ve Özellikleri FV sistemlerinin en tipik ve en yaygın kullanım şekli, yerleşim yerlerinden uzak yörelerde enerji gereksinimini karşılayan bağımsız sistemlerdir. Bu sistemler birkaç watt'tan birkaç yüz kW' lara kadar değişebilen güçlerde ve çok çeşitli türlerde yüklerin enerji talebini karşılayabilir. Bu tür sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda yada özellikle gece süresince kullanılmak üzere genellikle sistemde akümülatör bulundurulur. Güneş pili modelleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolar, yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şan ve deşarj olarak zara görmesini engellemek için kullanılan kontrol birimi ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı yada yükün çektiği akımı keser. Şebek uyumlu alternatif akım elektriğin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir inverter eklenerek akümülatördeki d. a. gerilim 220 V 50 Hz' lik sinüs dalgasına dönüştürülür. Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli destek elektronik devreleri sisteme katılabilir. Şekilde şebekeden bağımsız bir güneş pili enerji sisteminin şeması verilmektedir. Küçük bir FV sistemi Şekilde gösterilen bölümlere ayrılabilir. FV levhalar güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürürler. Tipik bir levha güneşli açık havada 12 volt, 10 Amper kadar, yani 120 Watt elektrik üretebilir. Elde edilen gerilimi arttırmak için levhalar seri olarak, akımı arttırmak için ise paralel olarak bağlanırlar. Güneşten maksimum enerjiyi toplayabilmek için FV levhaların gün boyunca en çok güneş gören güney yönüne bakmaları ve bulunan eyleme göre zamana bağlı olarak yatay ile belirli bir eğimde olmaları gerekir. Genel olarak kış aylarında levha yaz aylarına nispeten daha dikey olmalıdır. Güneş enerjisi değişen ve her zaman olmayan bir enerji türüdür. Mesela, güneş doğmadan önce, güneş battıktan sonra veya kapalı ve bulutlu havalarda güneş enerjisi olmadığından toplanan fazla enerjinin depolanıp bu zamanlarda kullanılması gerekir. Bu amaçla yüksek kapasiteli ( mesela 100 Ah) batarya kullanılır. Genel olarak bir bataryanın ömrünü arttırmak için kapasitesinin %80'den fazla deşarj olmaması gerekir. FV sistemlerde güneş olduğu zamanlarda bataryaların tamamıyla dolduktan sonra akım almalarını önlemek gerekir. Fazla şarj bataryanın ısınmasına, sıvı kaybına ve batarya ömrünün kısalmasına yol açar. Regülatör, FV levhalar ile bataryalar arasına konur ve bataryaların fazla şarj almalarını önler. İnverter 12 veya 24 voltluk düşük doğru akımı 240 volt alternatif akıma dönüştürür. Çok küçük uygulamalarda inverter yerine düşük gerilim ve doğru akımla çalışan elektrikli cihazlar kullanmak mümkündür. Bağımsız güneş pili sistemlerinin kullanıldığı tipik uygulama alanları aşağıda sıralanmıştır: - Radyolink istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri - Petrol bor hatlarının katodik koruması, aaaal yapıların korozyondan korunması - Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, hava gözlem istasyonları - Bina içi yada dışı aydınlatma - Dağ evleri yada yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması - Tarımsal sulama yada ev kullanımı amacıyla su pompası - Orman gözetleme kuleleri - Deniz fenerleri - İlk yardım, alarm ve güvenlik sistemleri - İlaç ve aşı soğutma Güneş pili sistemleri en çok iletişim alanında kullanılmaktadır. Radyolink istasyonlarının çoğunlukla elektriği bulunmayan yüksek ve ulaşım sorunu olan yerlerde güneş pili modülleri kullanmak uygun bir çözüm olmaktadır. Bu alanı, su pompajı ve aşı-ilaç koruma izlemektedir. Bu gün dünyanın çeşitli yerlerinde, binlerce bağımsız güneş pili sistemi kullanılmaktadır. Yapılan araştırmalarda güvenilirlik, yakıt, gerektirmeme ve çok az bakım isteme gibi özellikler nedeniyle bu sistemlerin kullanıldığı belirlenmiştir. Kullanılan güneş pili modülleri çoğu kez sistemi destekleyen elektronik bileşenlerden daha güvenilir ve dayanıklı bulunmuştur. Bu bileşenler dikkatle seçilirse PV bir sistemin uzun yıllar sorunsuz ve güvenilir olarak çalışması mümkündür. Tüketiciye yönelik ürünlerin en tipik örneği ise yıllardır ticari ortamda kullanılan güneş pili ile çalışan hesap makineleridir. Bunun dışında, güneş pilliyle çalışan bahçe aydınlatma setleri, taşınabilir lambalar, güvenlik ve alarm ürünleri, kapı zilleri, otomobil havalandırma sistemleri, oto akü şarj cihazları gibi bir çok üründe son yıllarda tüketicilere sunulmuştur. 2.2.2- Bağımsız Güneş Pili sistemi Uygulama Örnekleri 2.2.2.1- Güneş Ocağı Güneş ışınlarını parabolik olarak yoğunlaştıran bu tür güneş ocakları dünyanın çeşitli yerlerinde yemek pişirmek için kullanılmaktadır. EİE'de deneme amaçlı imal edilen güneş ocağı 750 oC sıcaklığa ulaşmaktadır.