Güneş enerjisi

Güneş enerjisi, kaynağı Güneş olan ısı ve parlak ışıktır. Güneş'in çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışınım enerjisidir. Güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi füzyon sürecinden kaynaklanır. Güneş'in yüzeyinde güneş radyasyonunun yoğunluğu yaklaşık 6,33 x 107 W/m2dir. Dünya atmosferinin dışında Güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m2 (Watt/m2) değerindedir; ancak yeryüzünde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin Dünya'ya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, Güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, Güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir birincil enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir.
Güneş'ten elde edilebilecek enerji
Dünyanın yörüngesi üzerinde, uzayda, birim alana ulaşan Güneş ışınları, Güneş'e dik bir yüzey üzerinde ölçüldükleri zaman 1,366 W/m2dir. Bu değer Güneş enerjisi sabiti olarak da anılır. Gezegen atmosfer bu enerjinin %6sını yansıtır, %16sını da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek Güneş enerjisi 1,020 W/m2dir. Bulutlar gelen ışımayı, yansıtma suretiyle yaklaşık %20, sönümleme suretiyle de yaklaşık %16 azaltırlar. Sağdaki resim 1991 ve 1993 yılları arasında uydu verilerine dayanarak elde edilebilen ortalama Güneş enerjisinin W/m2 cinsinden gösterimidir. Örneğin Kuzey Amerikaya ulaşan Güneş enerjisi 125 ile 375 W/m2 arasında değişirken günlük elde edilebilen enerji miktarı, 3 ila 9 kWh/m2 (kilowatt. saat/metrekare) arasında değişmektedir.
Bu değer, elde edilebilecek mümkün en yüksek değer olup Güneş enerjisi teknolojisinin sağlayacağı en yüksek değer anlamına gelmez. Örneğin, PV panelleri (fotovoltaik panel), bugün için yaklaşık %15lik bir verime sahiptirler. Bu nedenle, aynı bölgede bir güneş paneli, 19 ile 56 W/m2 ya da günlük 0,45-1,35 kWh/m2 enerji sağlayacaktır. Bugünkü %8 verime dayalı teknoloji ile dahi, işaretli bölgelere yerleştirilecek Güneş panelleri, bugün fosil yakıtlar, hidroelektrik vb kaynaklara dayalı tüm santrallerin ürettiği elektrik enerjisinden biraz daha fazlasını üretebilecektir.
Hava kirliliğinin neden olduğu küresel loşluk ise daha az miktarda güneş ışının yeryüzüne ulaşmasına neden olduğu için, Güneş enerjisinin geleceği ile ilgili az da olsa endişe yaratmaktadır. 1961-90 yılları arasını kapsayan bir araştırmada, aynı dönem içerisinde deniz seviyesine ulaşan ortalama Güneş ışını miktarında %4 azalma olduğu gözlenmiştir.
Güneş enerjisi teknolojileri
Güneş ışınlarından yararlanmak için pek çok teknoloji geliştirilmiştir. Bu teknolojilerin bir kısmı Güneş enerjisini ışık ya da ısı enerjisi şeklinde direkt olarak kullanırken diğer teknolojiler Güneş enerjisinden elektrik elde etme şeklinde kullanmaktadır. Güneş enerjili sıcak su sistemleri, suyu ısıtmak için Güneş ışınlarından yararlanır. Bu sistemler evsel sıcak su ya da bir alanı ısıtmak için kullanılabildiği gibi çoğunlukla bir havuzu ısıtmak için de kullanılır. Bu sistemler çoğunlukla bir termal güneş paneli ile bir de depodan oluşur. Güneş enerjili su ısıtıcıları üç grupta toplanır.
Aktif sistemler, suyun ya da ısı transfer sıvısının çevirimi için pompa kullanırlar.
Pasif sistemler suyun ya da ısı transfer sıvısının devrini doğal çevirim ile sağlarlar.
Kütle sistemleri su tankının doğrudan Güneş ışığı ile ısınmasını amaçlarlar.
Agrivoltaik tarım
Yaygın güneş enerjisi uygulamaları şunlardır
Düzlemsel güneş kollektörleri: Türkiye'de de çok yaygın olarak kullanılan, evlerde sıcak su elde etmede kullanılan sistemlerdir.
Yek-odaklı güneş enerjisi santralleri: Bunlarda, doğrusal, çanak şeklinde ya da merkezi bir odağa yönlendirilmiş dev aynalar kullanılarak odak noktasında çok yüksek sıcaklıkta ısı elde edilir. Genellikle elektrik üretiminde kullanılır. Ancak henüz bir yaygınlık kazanamamışlardır.
Vakum tüplü güneş enerjisi sistemleri: Vakum tüplü güneş enerjisi kolektörleri: iç içe geçmiş 2 adet silindirik cam tüpün ısı yolu ile birbirine bağlanması ve bu işlem sırasında arasındaki havanın alınması ile üretilir. Dış silindirik tüpün yüzeyine düşen Güneş ışınları aradaki havasız ortamdan geçerek iç kısımdaki silindirik tüpün yüzeyinde absorbe edilmesi ile çalışır. Arada madde olmadığından dolayı sadece ışıma ile ısınan sistem suyu dış hava sıcaklığından bağımsızdır.
Güneş ocakları: Çanak şeklinde ya da kutu şeklinde güneş ısısını toplayan yapılardır. Gelişmekte olan ülkelerde daha yaygın kullanılır.
Trombe duvarı: Sandviç şeklinde cam ve hava kanalları ile paketlenmiş bir pasif Güneş enerjisi sistemidir. Güneş ışınları gün boyunca, duvarın altında ve üstünde yer alan hava geçiş boşluklarını tahrik ederek doğal çevirim ile termal kütleyi ısıtırlar. Gece ise trombe duvarı biriktirdiği enerjiyi ışıma yolu ile yayar.
Geçişli hava paneli: Aktif Güneş enerjili ısıtma ve havalandırma sistemidir. Termal güneş paneli gibi davranan, Güneş'e bakan delikli (perfore) bir duvardan oluşur. Panel, binanın havalandırma sistemine ön ısıtma uygular. Ucuz bir yöntemdir. %70e kadar verime ulaşılabilir.
Araştırmaya konu olmuş; ancak yaygınlaşamamış bazı ısıl Güneş enerjisi teknolojieri
Güneş havuzları: Havuza atılan tuzların yardımı ile dip tarafta sıcaklık elde edilir. Bunlar daha çok deneysel sistemler olarak kalmışlar, bir yaygınlık gösterememişlerdir.
Güneş bacaları: Bir binanın zemininde toplanan ısı, yüksek ve dar bir bacaya yönlendiğinde, bacada kurulu türbini çalıştırır. Bu da, deneysel aşamada kalmış Güneş enerjisi türlerinden biridir.
Su arıtma sistemleri: Bunlar da bir çeşit havuz sistemidir. Havuzun üstüne eğimli cam kapak yerleştirilir, buharlaşan su tuzdan arınarak bu kapakta yoğunlaşır.
Ürün kurutma sistemleri.
Temiz ve içilebilir su elde etmek: Güneşin sıcaklığı ile bazı basit materyaller bir araya getirilerek temiz su elde etmek mümkündür. Güneşin sıcaklığı ile mevcut nemin buharlaştırılması ile su elde etme yöntemidir.
Güneş pilleri
Güneş pilleri ya da fotovoltaik piller diye anılan cihazlar, yarı iletkenlerin fotovoltaik etki özelliğini kullanarak, Güneş ışığından elektrik enerjisi üretirler. Güneş pilleri, kurulan sisteme bağlı olarak birkaç kW'tan (kilowatt) birkaç MW'a (megawatt) kadar elektrik üretebilir. Yüksek üretim maliyetleri nedeniyle, yakın zamana kadar oldukça az kullanılmıştır. 1956'lardan bu yana uzayda uydularda,1970'li yıllarda, elektrik hattından uzak yerlerde, yol kenarlarındaki acil telefon cihazları ya da uzaktan algılama gibi uygulamaların enerji gereksiniminin karşılanmasında kullanılmıştır. Son yıllarda, evlerde elektrik şebekesi ile birlikte çalışan sistemler de yaygınlaşmıştır.
2005 sonu itibarı ile toplam 5,300 MW olduğu zannedilen kurulu Güneş pili kapasitesinin, gelişmiş ülkelerin, Güneş pillerinin evsel amaçlı kullanımına verdiği teşvikler nedeniyle, 2006 yılında da ciddi artış göstermesi beklenmektedir. Gerek kullanımdaki artış, gerekse teknolojik gelişmeler nedeniyle Güneş pillerinin üretim maliyetinde her yıl azalış görülmektedir. Bir Güneş pili panelinin watt başına maliyeti 1990 yılında yaklaşık 7.5 USD iken, 2005 yılında bu rakam yaklaşık 4 USD seviyesine inmiştir. Gelişmiş ülkelerin sunmuş olduğu teşvikler, Güneş pillerinin yatırım maliyetinin 5 ile 10 yıl arasında geri dönebilmesini sağlamaktadır. Evsel amaçlı kullanılan Güneş pilleri bir inverter aracılığı ile elektrik şebekesine bağlanmakta, böylece üretilen elektriğin akülerde depolanmasından tasarruf edilmektedir. 2003 yılı içerisinde tüm Dünya'da gerçekleşen Güneş pili üretiminde %32'lik bir artış gözlenmiştir. Güneş pili kullanımındaki artış o kadar büyüktür ki, yarı iletken üretiminin talebi karşılayamaması, Güneş pili üretiminin artışında kısıtlamaya neden olmuştur. Bu sorunun 2006 ve 2007'de de devam edebileceği sanılmaktadır. 2016 yılı itibarı ile dünya genelinde üretim fazlası durumunda bulunan güneş panellerinde her geçen sene gelişen teknoloji ile maliyetler de düşmektedir. Teknolojik ilerlemelere bağlı olarak 2020 yılına kadar güneş paneli maliyetinin watt başına 0.25$ (0.25$/W) olması beklenmektedir.
Türkiye ve Güneş enerjisi
Türkiye Dünya üzerinde 36o-42o kuzey enlemleri ve 26o-45o doğu boylamları arasında bulunmaktadır. Türkiye'nin yıllık ortalama Güneş Işınımı 1527.46 kWh/m2yıl, ortalama yıllık güneşlenme süresi ise 2,741 saattir. Bu rakam günlük 4.2 kWh/m2 güce, günde yaklaşık 7.5 saat, toplamada ise 114 günlük bir güneşlenme süresine denk gelmektedir. 9.8 milyon TEP (ton eşdeğer petrol) ısıl uygulamalara olmak üzere yıllık 26.2 milyon TEP enerji potansiyeli mevcuttur. Yılın 10 ayı boyunca teknik ve ekonomik olarak ülke yüzölçümünün %63'ünde ve tüm yıl boyunca %17'sinden yararlanılabilir.
Termal Güneş enerjisi kullanım miktarı 2007 verilerine göre Türkiye'deki kurulu güç 7,105 MWth (th:termal) ve 10,150,000 m2'dir. Bu sıralama içinde Türkiye 10 milyon m2 kurulu Güneş kollektörleri ile son derece iyi bir yerde bulunmaktadır.
Fotovoltaik Güneş enerjisi kullanım miktarı 2009 verilerine göre 4MW değerine ulaşmış bulunmaktadır. 2016 sonu itibarı ile 760MW seviyelerinde kurulmuş ve geçici kabulü yapılmış santral olup, 3000MW seviyelerinde bulunan santraller ise projelendirme ve proje onay aşamasındadır.
Mimaride Güneş enerjisi
Güneş enerjisinden yararlanan tasarımlar, çok az daha ilave enerji kullanmak suretiyle, konfor sıcaklığı ve ışık seviyesinin elde edilmesini hedefler. Bunlar pasif Güneş enerjisinde olduğu gibi soğuk ortamlarda daha fazla Güneş ışığı ile sıcak su elde edilmesi şeklinde ya da aktif Güneş enerjisinde olduğu gibi, pompa ve fanlar kullanarak, sıcak ve soğuk havanın (ya da sıvının) yönlendirilmesi şeklinde de olabilir.
Seralar da bir çeşit Güneş mimarisi örneğidir.
Termal Güneş enerjisinden elektrik üretimi
Isıl Güneş enerjisi sistemleri, yaygın olarak, bir ısı eşanjörünü yüksek sıcaklıklara kadar ısıtarak, elde edilen ısının elektrik enerjisine dönüştürülmesi şeklinde kullanılırlar.
Enerji kuleleri
Enerji kuleleri bir ağ şeklinde yerleştirilmiş, çok sayıda düz ve hareketli olurlar.
Yoğunlaştırıcılı kollektörler ve buhar motorları
Bir yoğunlaştırıcılı kollektörde ısıya dönüştürülen Güneş enerjisi, nükleer ya da kömürlü elektrik santrallerinde olduğu gibi, suyun kaynatılarak buhara dönüştürülmesi ve elde edilen buharla da bir buhar motoru ya da bir buhar türbininin tahrik edilmesi suretiyle elektrik enerjisi elde edilir.
Stirling motoru buharla çalışan motorlara benzer. Bu tür motorlarda buhar yerine gaz kullanılır. Bir stirling motoru herhangi bir tür ısı kaynağı ile tahrik edilir. Stirling motoru, içinde belirli bir gaz bulunan ve kapalı devre çalışan bir ısı motorudur. Stirling motorunun çalışma sistemi sıcak ve soğukluk farkına dayanır. Kapalı devre bir sisteme sahip motorun içine dışarıdan bir yakıt verilmez. Stirling motorunun çalışması için gerekli enerji dışarıdan ısı şeklinde verilir.
Güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülmesinde stirling motorunun kullanımı, %30'luk bir verim ile en yüksek verime sahip bir sistem olarak kabul edilir.