Yenilenebilir Enerji Kaynakları: Güneş Enerjisi Teknolojileri

Yozgat Bozok Üniversitesi - Makine Mühendisliği

16001216023 - Oğuzkağan Fındık

Güneş

Güneş, güneş sisteminin en uzak ve en büyük yıldızıdır. Dünya’ya uzaklığı yaklaşık 150 milyon kilometre, çapı ise 1.392.000 kilometredir. Bu çap, Yeryüzünün 109 katı, Jüpiter’in de 10 katı kadardır. Gezegenlerin tümü çok güçlü çekimi sayesinde Güneş’in uydusu durumundadır. Kütlesi, Dünya kütlesinden 333.000 kat fazla, Jüpiter’in kütle büyüklüğünün de 1000 katı kadardır. Çok büyük bir kütleye sahiptir ve bu durum kendi ışığını üretmesini sağlar. Bu özellik diğer gezegenlerden farklılığını gösterir.

Güneşin Bileşimi

Güneş maddesinin % 84’ü Hidrojen, % 6’sı Helyum ve % 0.13’ü de diğer elementlerden (oksijen, karbon ve azot) oluşmaktadır. Astronomide, herhangi bir elementin atom ağırlığı Helyum’dan fazla ise bir metal atom olarak adlandırılır. Ayrıca, Güneş iz gazlara da sahiptir. Bunlar Neon, Sodyum, Magnezyum, Alüminyum, Silikon, Fosfor, Sülfür, Potasyum ve Demir’dir. Eğer yüzde olarak düşünülürse, Güneş’in kütlesinin % 78.5’i Hidrojen, % 19.7’si Helyum, % 0.86’sı Oksijen, % 0.4’ü Karbon, % 0.14’ü Demir ve % 0.54’ü de diğerlerinden oluşmaktadır.

Güneş İç Yapısı

Çekirdek
Radiyatif Bölge
Konvektif Bölge
Güneşin Yüzeyi (Fotosfer)
Güneş Atmosferi
Kromosfer

1 - Çekirdek

Çekirdek, Güneş kütlesinin en içteki %10’luk kısmını oluşturmaktadır. Nükleer füzyon enerjisinin oluştuğu yerdir. Üstündeki katmanlar ve oluşan yerçekimi basıncının büyüklüğü nedeniyle çekirdek çok sıcak ve yoğundur. Nükleer füzyon aşırı sıcak ve yoğunluk gerektirir. Güneşin çekirdek sıcaklığı 16 milyon Kelvin (K) derece civarındadır. Suyun yoğunluğunun 160 katı kadar yoğunluğa sahiptir. Bu durum ise suyun 7 katı yoğunluktaki demir yoğunluğunun 20 katı fazla yoğunluk demektir. Bununla birlikte Güneşin iç bölgesi hala gazdır.

2 - Radiyatif Bölge

Radiyatif bölge, süper sıcak iç bölgeden daha soğuk dış bölgeye fotonlarla enerji taşır. Teknik olarak bu çekirdeği de kapsar. Radiyatif bölge, Güneş yarıçapının yaklaşık % 85 kadar daha iç kısmındadır.

3 - Konvektif Bölge

Güneş yarıçapının % 15’lik daha dış kısmındaki enerji, konveksiyon olarak tanımlanan bir yöntemle büyük gaz hareketleriyle taşınır. Daha düşük sıcaklıklarda, daha çok iyon foton radyasyonunun dışarıya doğru akımını engelleyebilir. Böylece çok sıcak iç bölgelerden soğuk boşluğa, enerji taşınmasına yardımcı olmak için konveksiyonda doğal hareketler oluşur. Yüzeyin hemen altında ki Güneşin bu bölgesi konveksiyon bölgesi olarak tanımlanır.

4 - Güneşin Yüzeyi (Fotosfer)

Fotosfer, kelime olarak “ışık küre” anlamındadır. Güneşin en üstünde yer aldığı için, Güneş yüzeyi olarak da adlandırılır. Fotosfer, Güneşin en derin tabakası olarak da görülür. Fotosfer 500 km kalınlıktadır. Güneş tamamen gazlardan oluşmakta ve bunlar doğrudan bakılamayacak yoğunluktadır. Bu nedenle yüzeyi çok değişiktir. Devamlı bir spektrum yayar. Güneş fotosferi yaklaşık 5840 K derece sıcaklığa sahiptir.

Galileo, Güneş yüzeyinde adına güneş lekeleri (sunspot) dediğimiz küçük siyah bölgeler tespit etmiştir. Güneş lekeleri, fotosferdeki daha soğuk bölgelerdir. Fotosferin diğer bölümlerinden 1000-1500 K derece daha soğuktur. Fazla ışık yaymazlar ve daha karanlıktır. Güneş lekeleri birkaç gün veya birkaç ayda sonlanabilir. Güneş ekvatorunun dönüşü her 25 günde bir defadır. Bu dönüş, 30 derecenin üzerinde ve 30 derecenin altındaki bölgelerde 26.5 gün, 60 derecenin üzerindeki bölgelerde ise 30 günden fazla sürmektedir.

5 - Güneş Atmosferi

Çekirdekten güneş yüzeyine doğru dışarıya hareket, gazın sıcaklık ve yoğunluğunu düşürür. Yoğunluktaki azalma eğilimi, Güneş atmosferinden dışarıya doğru devam eder. Bununla birlikte fotosferin üzerinde sıcaklık artar. Sıcaklığın artış sebebi kesin olarak bilinmemekle birlikte, popüler bazı teoriler atmosferi ısıtmak için sonik veya manyetik dalgalardan bahsetmektedirler.

6 - Kromosfer

Galileo, Güneş yüzeyinde adına güneş lekeleri (sunspot) dediğimiz küçük siyah bölgeler tespit etmiştir. Güneş lekeleri, fotosferdeki daha soğuk bölgelerdir. Fotosferin diğer bölümlerinden 1000-1500 K derece daha soğuktur. Fazla ışık yaymazlar ve daha karanlıktır. Güneş lekeleri birkaç gün veya birkaç ayda sonlanabilir. Güneş ekvatorunun dönüşü her 25 günde bir defadır. Bu dönüş, 30 derecenin üzerinde ve 30 derecenin altındaki bölgelerde 26.5 gün, 60 derecenin üzerindeki bölgelerde ise 30 günden fazla sürmektedir.

Güneş enerjisi, güneşten gelen elektromanyetik radyasyonu elektrik ve ısı enerjisine dönüştürme sürecidir.
Güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile (hidrojen gazının helyuma dönüşmesi) açığa çıkan ışıma enerjisi, doğanın bize sunduğu en temiz ve bol miktarda bulunan enerji kaynaklarından biridir.
Dünya yüzeyine her yıl yaklaşık 174 petawatt (PW) enerji ulaşır. Yani bu, dünya üzerinde kullanılabilecek en büyük enerji kaynağıdır.
21. yüzyılda güneş enerjisi, tükenmez arzı ve kirletici olmayan karakteri nedeniyle yenilenebilir bir enerji kaynağı olarak giderek daha cazip hale gelmektedir.

Güneş Sabiti Ve Eşdeğer Enerji

Işınım ve Enerji Yoğunluğu

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Güneş, bir güneş paneline parladığında güneş ışığından gelen enerji paneldeki fotovoltaik hücreler tarafından emilir. Bu enerji, hücredeki bir iç elektrik alanına tepki olarak hareket eden ve elektriğin akmasına neden olan elektrik yükleri oluşturur.

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Güneş teknolojileri güneş ışığını fotovoltaik paneller veya güneş ışınımını yoğunlaştıran aynalar aracılığıyla elektrik enerjisine dönüştürür. Bu enerji elektrik üretmek için kullanılabilir veya pillerde veya termal depolamada saklanabilir.
Güneş radyasyonu, güneş tarafından yayılan elektromanyetik radyasyon olarak da bilinen ışıktır. Dünyadaki her yer bir yıl boyunca bir miktar güneş ışığı alırken, Dünya yüzeyindeki herhangi bir noktaya ulaşan güneş radyasyonu miktarı değişir. Güneş teknolojileri bu radyasyonu yakalar ve onu faydalı enerji biçimlerine dönüştürür.
Güneş radyasyonu güneş pilleri (fotovoltaik hücreler) tarafından doğrudan elektriğe dönüştürülebilir. Bu tür hücrelerde, ışık bir metal ile bir yarı iletken (silikon gibi) arasındaki kavşağa veya iki farklı yarı iletken arasındaki kavşağa çarptığında küçük bir elektrik voltajı oluşur (Fotovoltaik Etki).

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Fotovoltaik güneş teknolojilerindeki temel ilke fotovoltaik dönüşümdür. Bu dönüşüm iki aşamada oluşmaktadır. Birinci aşama pozitif – negatif akım taşıyıcıları olan yük çiftlerinin oluşturulması, ikinci aşama da çiftlerin bir elektrik alanı ile birbirinden ayrılmasıdır.
PN eklemi oluşturulurken içerisinde fazla elektron bulunan n-tipi yarı iletken madde ile fazla pozitif yük bulunan p-tipi yarı iletken madde yan yana getirilir. Bu eklemde yapısal olarak oluşturulmuş bir elektriksel alan mevcuttur. Tüm enerji dönüşüm olayları bu bölgede olmaktadır.
Bu ekleme gelen güneş fotonları enerjisini bu eklemdeki elektronlara verir ve bu enerji ile oluşan negatif–pozitif yükler var olan elektriksel alan ile birbirlerinden ayrılır. Böylece devrede doğru akım üretilmiş olur.

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Üretilen bu doğru akım istenildiğinde bir akü grubunda depolanabilmekte veya DC/AC invertörler üzerinden şebekeye verilebilmektedir.
Fotovoltaik güneş teknolojilerinde en çok kullanılan malzeme silisyum elementidir. Yarı iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş hücresi üretmek için en elverişli olanlar; silisyum, kadmiyum sülfür, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.
Güneş hücreleri, kristaller ve amorflar olmak üzere ikiye ayrılır. En yaygın olan silisyum güneş hücreleri; tek (mono) kristalli, çok (poli) kristalli, ince film ve şerit şeklinde olan değişik teknolojilerdeki yapılarda üretilirler.
Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş hücresinin alanı genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2–0,4 mm arasındadır.

Güneş Enerjisi Teknolojilerine Örnekler

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Güneş hücrelerinin bir araya getirilmesi ile güneş modülleri oluşturulmaktadır. Günümüzde elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanılan güneş modüllerin yüzey alanları 2,1 m2 ve güçleri ise 675Wp değerlerine ulaşmış durumdadır. Güneş modüllerinin bir araya getirilmesi ile birlikte yüksek güçlerde güneş panelleri ve güneş elektrik santralleri (GES) tesis edilebilmektedir.
Günümüz teknolojileri ve kurulumun şekline (sabit sistem, güneşi takip eden sistemler) bağlı olarak 13-25 dönüm büyüklüğündeki bir alana 1MWe kapasitesinde GES kurulabilmektedir. Özellikle binaların çatı ve cephelerine kurulan GES’ler ile ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi tüketim noktalarında üretilebilmektedir.
Tek bir fotovoltaik hücre tarafından üretilen güç tipik olarak sadece yaklaşık 2 watt’tır. Bununla birlikte çok sayıda ayrı hücreyi birbirine bağlayarak, güneş paneli dizilerinde olduğu gibi yüzlerce hatta binlerce kilowatt elektrik enerjisi, bir güneş enerjisi santralinde veya büyük bir ev dizisinde üretilebilir.

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Günümüz fotovoltaik hücrelerinin birçoğunun enerji verimliliği sadece %15 ile %20 civarındadır ve güneş ışınımının yoğunluğu başlamak için düşük olduğundan, bu tür hücrelerin büyük ve maliyetli montajlarının ılımlı miktarlarda bile güç üretmesi gerekir.
Güneş ışığı veya yapay ışıkla çalışan küçük fotovoltaik hücreler, örneğin hesap makineleri ve saatler için güç kaynağı olarak düşük güç uygulamalarında büyük kullanım alanı bulmuştur.
Uzak bölgelerdeki su pompalarına ve iletişim sistemlerine hava ve iletişim uydularına güç sağlamak için daha büyük üniteler kullanılmıştır.
Klasik kristal silikon paneller ve bina entegre fotovoltaikler de dahil olmak üzere ince film güneş pilleri kullanan yeni teknolojiler, geleneksel elektrik kaynağını değiştirmek veya arttırmak için ev sahipleri ve işletmeler tarafından çatılarına kurulabilir.

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Konsantre güneş-termik güç (CSP) sistemleri, güneş enerjisini toplayan ve ısıya dönüştüren alıcılara güneş ışığını yansıtmak ve konsantre etmek için aynalar kullanır, bu da daha sonra elektrik üretmek için kullanılabilir veya daha sonra kullanılmak üzere saklanabilir. Öncelikle çok büyük enerji santrallerinde kullanılır.

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

CSP teknolojisi, temel olarak parabolik oluk şeklindeki kolektörlerde toplanan güneş ışınları aynaların odak noktasından geçen tüpün içinden iletilen suda toplanması ve doğrudan buhar üretimi gerçekleştirilmesi esasına dayanır.
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi sistemleri, aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleri vasıtasıyla geniş bir alana düşen güneş ışınlarını nispeten küçük bir alana yansıtma esasına dayanır. Birbirine seri bağlı olan ünitelerden ısınarak geçen su ve buhar son üniteden istenilen sıcaklık ve basınç değerlerine ulaşıldığında üretilen buhar doğrudan buhar türbinine gönderilerek karbon emisyonu yaratmadan elektrik enerjisi üretilir.
Günümüzde yaygın olarak üç çeşit yoğunlaştırılmış güneş enerji santrali tipi kullanılmaktadır. Bunlar; Yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri (CST), Yoğunlaştırılmış fotovoltaik güneş enerjisi santralleri (CPV) ve Yoğunlaştırılmış termal-fotovoltaik güneş enerji santralleri (CPT)’dir.

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri (CST) yenilenebilir ısı enerjisi ya da elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılırlar. CST sistemleri aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleri vasıtasıyla geniş bir alana düşen güneş ışınlarını tek bir küçük alana odaklar. Yoğunlaştırılmış gün ışığı daha sonra klasik enerji santrallerine gereken ısıyı üretmekte kullanılmış olur. Bunun yanı sıra, üretilen ısı enerjisi başka amaçlar için de kullanılabilir.
Konsantre güneş enerjisi teknolojileri geniş bir alanda, Dish Stirling motoru, solar enerji kulesi, CLFR, solar baca gibi örneklerle hayat bulmuştur. Her bir odaklama yöntemi yüksek sıcaklıkların elde edilmesini ve buna paralel olarak yüksek termodinamik verimliliği sağlamaktadır. Ancak, bu yöntemlerin güneşi takip mekanizmaları ve güneş enerjisinden faydalanma biçimleri birbirinden farklıdır. Teknolojide yaşanan ilerlemeler sayesinde, bu Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi yöntemleri günden güne uygun maliyetli hale gelmektedir.

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Parabolik oluklar, parabolik (çukur şeklindeki) yansıtıcıların, yansıtıcıların odak noktasına yerleştirilmiş bir alıcıda güneş ışığını toplamaları ile çalışır. Buradaki alıcı, yansıtıcıların odak noktaları doğrultusunda uzanan ve içinde çevrim akışkanının bulunduğu bir tüpten oluşur. Yansıtıcı, gün boyunca güneşi takip mekanizmaları ile takip eder. Çevrim akışkanı, alıcı içinde ilerletilirken ( erimiş tuz vd.) 150-350 °C civarında ısınır. Ardından, ısı enerjisi kaynağı olarak enerji üretim tesisinde kullanılır. Parabolik oluk sistemler, CSP teknolojileri arasında en gelişmiş olanıdır.
Yoğunlaştırılmış doğrusal Fresnel yansıtıcıları, güneş ışığını parabolik aynalarla yansıtmak yerine çok sayıda ince ayna dizileri kullanarak içinde çevrim akışkanı dolaşan bir çift tüpe yansıtan CSP santralleridir.

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Bu sistem parabolik sisteme göre düz aynaların parabolik aynalara göre ucuz olmasından ötürü daha az maliyetlidir. Bunun yanı sıra, aynı büyüklükte bir alana parabolik sisteme nazaran daha çok yansıtıcı konulabilir. Bu da, aynı büyüklükte bir alandan daha fazla kullanılabilir gün ışığı toplamak manasına gelmektedir. Yoğunlaştırılmış doğrusal Fresnel yansıtıcıları, bu kertede geniş kapasiteli ve gelişmiş santrallerde kullanılmaya başlanmıştır.
Dish Stirling ya Stirling motoru sistemi tek başına bir parabolik yansıtıcı ile bu yansıtıcının odak noktasında bulunan bir alıcıdan oluşmaktadır. Yansıtıcı, bu sistemde, güneşi iki eksenden takip eder. Alıcı içerisinden geçen çevrim akışkanı 250-700 °C seviyesinde ısıtılır ve ardından Stirling motorunda enerji üretimi maksadıyla kullanılır. Dish Stirling sistemleri CSP teknolojileri arasında güneş enerjisinden elektrik enerjisine dönüşümde en yüksek verimliliği sağlayan sistemdir. Ek olarak, taşınabilir yapısı sistemin ölçeklenirliğini sağlar.

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Güneş bacası, geniş saydam (genelde tamamen camdan) bir odadan oluşur. Güneş sera etkisine benzer biçimde oda içindeki havayı ısıtır ve ısınan havanın bacada yükselmesine neden olur. Hava yükselmesi sayesinde türbinler çalışır. Türbinler vasıtasıyla da elektrik üretimi sağlanmış olur. Güneş bacası, tasarımı bakımından gerçekten basittir ve bu nedenle dünyanın gelişme sürecinde yaşayabilir bir seçenek oluşturabilir.
Enerji kulesi, bir kulenin üzerinde bulunan merkezi bir alıcıdan ve bu alıcıya gün ışığını yansıtan bir dizi çift eksenli yansıtıcılardan (heliostat) oluşur. Kulenin tepesindeki alıcı, genelde deniz suyundan müteşekkil bir çevrim akışkanından bir depo bulundurur. Alıcı içindeki çevrim akışkanı 500-1000 °C seviyelerinde ısıtılır ve ardından enerji santralinde veya enerji depo sistemlerinde ısı enerjisi kaynağı olarak yararlanılır. Enerji kuleleri, parabolik oluk sistemlerden daha az gelişmiştir; ne var ki, daha yüksek bir verimlilik ve daha iyi bir enerji depolama kapasitesi sunmaktadır.

Konsantre Güneş-Termik Güç (CSP) Sistemleri

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

Güneş enerjisini yakalamak ve termal enerjiye dönüştürmek için kullanılan en yaygın cihazlar arasında güneş ısıtma uygulamaları için kullanılan düz plaka toplayıcılar bulunmaktadır. Dünya yüzeyindeki güneş radyasyonunun yoğunluğu çok düşük olduğundan, bu toplayıcıların geniş bir alana sahip olması gerekir.

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

Örneğin dünyanın ılıman bölgelerinin güneşli bölgelerinde bile bir toplayıcının, bir kişinin enerji ihtiyacını karşılayacak kadar enerji toplamak üzere yaklaşık 40 m² bir yüzey alanına sahip olması gerekir. En yaygın kullanılan düz plaka toplayıcıları, üzerine düşen güneş ışığı ile ısıtılan bir veya iki cam levha ile kaplanmış, kararmış bir metal plakadan oluşur. Bu ısı daha sonra plakanın arkasından akan taşıyıcı akışkanlar adı verilen havaya veya suya aktarılır.
Isı doğrudan kullanılabilir veya depolama için başka bir ortama aktarılabilir. Düz plakalı kolektörler genellikle güneş enerjili su ısıtıcıları ve ev ısıtması için kullanılır.
Geceleri veya bulutlu günlerde kullanılmak üzere ısının depolanması, genellikle güneşli dönemlerde ısıtılan suyu depolamak için yalıtılmış tanklar kullanılarak gerçekleştirilir.

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

Böyle bir sistem bir eve depolama tankından çekilen sıcak su sağlayabilir veya zeminlerdeki ve tavanlardaki borulardan akan ısıtılmış su ile alan ısıtması sağlayabilir.
Düz plakalı kolektörler tipik olarak taşıyıcı sıvıları 66°C ile 93°C arasında değişen sıcaklıklara yükseltir. Bu tür toplayıcıların verimliliği (i.e. elde edilen enerjinin kullanılabilir enerjiye dönüşme oranı) kolektörün tasarımına bağlı olarak %20 ile %80 arasında değişmektedir.
Başka bir termal enerji dönüştürme yöntemi güneş enerjisini toplamak ve depolamak için tasarlanmış tuzlu su kütleleri olan güneş havuzlarında bulunur.
Bu tür havuzlardan elde edilen ısı kimyasalların, gıdaların, tekstillerin ve diğer endüstriyel ürünlerin üretimini sağlar ve seraları, yüzme havuzlarını ve hayvancılık binalarını ısıtmak için de kullanılabilir.

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

Güneş enerjisi ile su ısıtma sistemleri devre şekline, işletme türüne, depo yerleşim şekline ve panel tipine göre çeşitlilik gösterir:

Bakır veya alüminyum borulu düzlemsel kolektörlü sistemler (Düzlemsel kolektörler): Düzlemsel cam örtünün altındaki emici yüzey ısıyı içinde sıvı bulunan bakır veya alüminyum levhaya iletir. Bakır pahalı olsa da daha iyi bir ısı iletkenidir.
Vakum tüplü güneş kolektörleri:Cam vakum tüpler, güneşli su ısıtıcıların ve kolektörlerin esas parçasıdır. Her vakum tüp iki cam tüpten oluşur. Dış boru oldukça sağlam, şeffaf bor silikattan üretilir. İçteki tüpte bor silikattan yapılır ve iyi bir ısıl absorbsiyon ve minimum yansıtma katsayılı AL – N / AL ile kaplanır. İki tüp arasındaki hava boşluğundaki hava vakum edilir ( boşaltılır ) ve Baryum tutucular ile borular birbirine tutturulur.

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

Vakum tüplü güneş enerjisi ile su ısıtma sistemleri bulutlu havalarda oldukça avantajlıdırlar, çünkü bu vakum tüpler bulutlardan gelen yoğun ışınımı emebilmektedir. Düzlemsel güneş kolektörleri ile kıyaslandığında rüzgarlı ve sıcaklığın az olduğu günlerde bile vakum tüplü güneş kolektörleri vakum izolasyonundan dolayı daha verimlidirler. Tüpler silindirik bir yapıya sahip olduğu için güneş ışınlarını sürekli dik açıyla alırlar. Bu da yansımayı düşürerek verimi arttırmış olur.

Isı borulu vakum tüplü (kapalı sistem) güneş enerjili su ısıtma sistemleri:
Isı borusundaki akışkan evaporatör (buharlaşma) bölgesinde çevreden ısı alarak buharlaşmakta ve buhar biçiminde kondensatör (yoğuşma) bölgesine doğru ilerlemektedir. evaporatör bölgesi soğuk bölge, kondensatör bölgesi sıcak bölge olarak da adlandırılır.

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

İki bölge arasında izole edilmiş olarak bulunan ve ısı alışverişinin olmadığı adyabatik bölge bulunur. Bu bölgeye transport bölgesi de denir. Yoğuşma bölgesinde dışarı ısı vererek sıvılaşan akışkan, tekrar buharlaşma bölgesine fitilin kapasitesi etkisi ve yer çekimi etkisi ile döner.

İnorganik normal ısı borusu cam vakum tüpün içine yerleştirilmiş olan bir bakır ısı borusundan oluşur. Bakır ısı borusu cam vakum tüpün içinden, ısı borusunun baş tarafına yerleştirilen ısı değiştirgecine ısı transferi gerçekleştirir. Bu sırada ısı değiştirgeci üzerinden akan sıvıya ısısını bırakır. Bu ısı transferi çevrimi şöyle gerçekleşir;

Bakırdan yapılmış ısı borusunun içine zehirli olmayan inorganik bir ısı transferi akışkanı barındırır. Isı borusunun merkezi vakum olduğu 25 – 30 santigrat derecede bileşim kolayca buharlaşabilir. Buharlaşan sıvı ısı borusunun tepesine çıkar ve ısısını vererek tekrar sıvı hale geçer. Sıvı buhar karışımı ısı borusunun alt kısmına doğru iner ve ısı alarak tekrar buharlaşır.

Termal Güneş Enerjisi Sistemleri

Vakum tüplü (açık sistem) güneş enerjili su ısıtma sistemleri:
Güneşin ısıttığı suyun doğrudan kullanıldığı sistemlerdir. Bu sistemlerde dikkat edilmesi gereken husus sistemin kışın soğuktan dolayı zarar görebilmesidir. Bu sorunu aşmak için borular hafif eğimli bırakılır. Bu sistemin etkili çalışması için boruların en üst yüzeyi ile deponun en alt yüzeyi arasında 6 cm yükseklik farkı bulunmalıdır. Bu sistemde çok dar ya da çok uzun borular kullanmak sirkülasyonu geciktireceği için uygun boru seçimi yapılmalıdır.

Diğer Güneş Enerjisi Uygulamaları

Güneş enerjisi, açıklananlar dışındaki amaçlar için küçük ölçekte de kullanılır. Bazı ülkelerde güneş enerjisi buharlaşma yoluyla deniz suyundan tuz üretmek için kullanılır. Benzer şekilde güneş enerjisiyle çalışan tuzdan arındırma üniteleri, tuzdan arındırma işlemini yönlendirmek için güneş enerjisini doğrudan veya dolaylı olarak ısıya dönüştürerek tuzlu suyu içme suyuna dönüştürür.

Tuzlu Suyu İçme Suyuna Dönüştürmek

İşleyiş mekanizması temelde oldukça basit bir yoğuşma ve buharlaşma sürecini kapsıyor. Cihaz, deniz suyunu tuzu ayrıştırarak emen fitilli bir alt tabakadan oluşuyor. Özel olarak tasarlanmış yarım küre güneş ışığına maruz kalan ve buharlaşan suyu haznesinde topluyor. Buharlaşma sırasında orta kısımda yer alan siyah kumaş suyu temizliyor. Alüminyum levha ve siyah kumaş suyun yüzey alanını artırmak için küresel tasarlanıyor. Bu sayede daha hızlı buharlaşma gerçekleşiyor.

Tuzlu Suyu İçme Suyuna Dönüştürmek

Tuzdan arınan su buharı, kapağın etrafından ortamdaki havayı alarak soğuyor ve tekrar sıvı forma dönüyor. Kubbenin etrafındaki su damlacıkları dalgalı okyanusun da sayesiyle sallanarak depoya düşüyor. Tuzdan arındırılmış su 30 ila 40 litre arasında hacimlere sahip haznelere pompalanıyor ve içime hazır halde bekliyor.

Örnek Hesaplamalar

Dünyada Güneş Enerjisi Kullanımı

Güneş enerjisi, küresel enerji sektöründe en hızlı büyüyen ve en önemli kaynaklardan biri haline gelmiştir. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) tarafından yayınlanan "Yenilenebilir Enerji 2024" raporuna göre, 2024 ile 2030 yılları arasında dünya genelinde 5.500 gigawatt'tan (GW) fazla yeni yenilenebilir enerji kapasitesi eklenmesi beklenmektedir. Bu artış, 2017-2023 dönemindeki büyümenin neredeyse üç katına denk gelmektedir.
Güneş enerjisi, bu büyümede başat rol oynamaktadır. Yeni büyük güneş enerjisi santrallerinin inşasının yanı sıra, şirketler ve haneler tarafından çatı üstü güneş enerjisi kurulumlarındaki artış sayesinde, güneş fotovoltaik (PV) sistemlerinin 2024 ile 2030 arasında küresel yenilenebilir kapasitedeki büyümenin %80'ini oluşturacağı tahmin edilmektedir.
Çin, yenilenebilir enerji teknolojilerine en fazla yatırım yapan ülke olarak dikkat çekmektedir. 2023 yılında küresel yenilenebilir enerji kurulu gücüne eklenen yeni kapasitenin %60'ını tek başına karşılamıştır.
IEA'nın raporuna göre, yenilenebilir enerji kaynakları 2030 yılına kadar küresel elektrik üretiminin neredeyse yarısını karşılayacak duruma gelecektir. Rüzgar ve güneş enerjisinin payı ise bugünkünün iki katına çıkarak %30'a ulaşacaktır.
Çin(Toplam Kapasite: 500 GW üzeri), dünyanın en büyük güneş enerjisi pazarıdır ve bu kapasitenin çoğunu büyük ölçekli güneş enerji santralleri oluşturmaktadır. Ülkedeki büyük projeler arasında Tengger Çölü Güneş Parkı (1.5 GW kapasite) yer alır.

Dünyada Güneş Enerjisi Kullanımı

Amerika Birleşik Devletleri(Toplam Kapasite: 135 GW üzeri), ABD’de güneş enerjisi yatırımları hızla artmaktadır. Özellikle Kaliforniya, Teksas ve Nevada gibi güneşli bölgeler büyük projelere ev sahipliği yapmaktadır. Ivanpah Solar Power Facility gibi büyük CSP (yoğunlaştırılmış güneş enerjisi) projeleri de ülkede bulunmaktadır.
Hindistan(Toplam Kapasite: 70 GW üzeri), Hindistan, güneş enerjisini hızla artıran ülkelerden biridir. Bhadla Solar Park (2.25 GW kapasite) dünyanın en büyük güneş enerjisi santrallerinden biridir ve Hindistan’ın enerji dönüşümünde kritik bir role sahiptir.
Avrupa Birliği(Toplam Kapasite: 200 GW üzeri), Avrupa Birliği ülkeleri, özellikle Almanya, İspanya ve İtalya güneş enerjisine büyük yatırımlar yapmaktadır. Almanya ve İspanya, Avrupa’daki güneş enerjisi üretiminde öncü konumdadır. Almanya, yaklaşık 70 GW kapasite ile Avrupa'nın en büyük güneş enerjisi üreticisidir. İspanya, yaklaşık 20 GW kapasite ile büyük projelere ev sahipliği yapmaktadır.
Japonya(Toplam Kapasite: 80 GW), Japonya, sınırlı doğal kaynaklarına rağmen güneş enerjisi kurulumlarında üst sıralarda yer almaktadır. Ülkede çatı üstü kurulumlar yaygındır.
Avustralya(Toplam Kapasite: 30 GW), Avustralya, büyük çöl alanları sayesinde güneş enerjisinde ciddi bir potansiyele sahiptir. Ülkede hızla artan çatı üstü güneş enerjisi kurulumları mevcuttur.
Güney Kore(Toplam Kapasite: 25 GW üzeri), Özellikle kıyı bölgelerinde güneş enerjisi santralleri inşa etmektedir.

Türkiye'de Güneş Enerjisi

Türkiye’nin Güneş Enerjisi Potansiyeli:
Türkiye, coğrafi konumu itibarıyla yüksek güneş enerjisi potansiyeline sahiptir:
Yıllık Güneşlenme Süresi: Ortalama 2.737 saat/yıl.
Yıllık Işınım Değeri: Ortalama 1.527 kWh/m²/yıl.
Bölgesel Potansiyel: Güneydoğu Anadolu ve Akdeniz bölgeleri en yüksek potansiyele sahiptir. Güneydoğu Anadolu Bölgesi’nde yıllık güneşlenme süresi 3.000 saat/yıla kadar çıkmaktadır.

Türkiye'de Güneş Enerjisi

Türkiye’de Güneş Enerjisi Kullanımı:
Kurulu Güç ve Mevcut Kapasite:
2024 yılı itibarıyla Türkiye’nin toplam güneş enerjisi kurulu gücü yaklaşık 10 GW seviyesine ulaşmıştır. Bu kapasite, Türkiye’nin toplam elektrik üretim kapasitesinin %10’undan fazlasını temsil etmektedir.
2023 Sonu: 9.8 GW kapasite.
2024: 10 GW üzeri kapasite.

Önemli Güneş Enerjisi Santralleri: Türkiye, büyük ölçekli güneş enerji santralleri ile kapasitesini sürekli artırmaktadır. En büyük güneş enerji projelerinden bazıları şunlardır:
Konya Kızören Güneş Enerji Santrali: Türkiye’nin en büyük güneş enerji santrali olup, yıllık yaklaşık 130 GWh elektrik üretmektedir.
Şanlıurfa Güneş Enerji Projeleri: Güneydoğu Anadolu Bölgesi, geniş güneş enerji projeleri ile dikkat çekmektedir.

Türkiye'de Güneş Enerjisi

Çatı Üstü Güneş Enerjisi Sistemleri:
Türkiye'de çatı üstü güneş enerjisi sistemleri son yıllarda artış göstermektedir. 2020’de yayımlanan YEKA Çatı (Yenilenebilir Enerji Kaynak Alanları) ihaleleri ile çatı üstü güneş enerjisi kurulumları teşvik edilmiştir.
Özellikle sanayi tesisleri ve ticari binalarda çatı üstü güneş enerjisi uygulamaları hızla artmaktadır.

Güneş Enerjisinin Ekonomik ve Çevresel Etkileri:
Ekonomik Katkılar:
Güneş enerjisi yatırımları, Türkiye'nin enerji ithalatına bağımlılığını azaltmakta ve yerli enerji üretimine katkı sağlamaktadır. Türkiye’nin enerji faturası her yıl milyarlarca dolar azaltılmaktadır.
Güneş enerjisi sektöründeki yatırımlar istihdam yaratmaktadır. Özellikle güneş paneli üretimi ve montajı gibi alanlarda binlerce kişiye iş imkanı sağlanmaktadır.

Türkiye'de Güneş Enerjisi

Türkiye’de Güneş Enerjisine Yönelik Politikalar ve Teşvikler: Türkiye, güneş enerjisine yatırım çekmek ve bu alandaki kapasitesini artırmak için çeşitli teşvikler ve politikalar uygulamaktadır.
Yenilenebilir Enerji Kaynak Alanları (YEKA)
YEKA ihaleleri, büyük ölçekli güneş enerjisi projelerini teşvik etmek amacıyla düzenlenmektedir. 2020 yılında düzenlenen YEKA-GES-3 ihaleleri, güneş enerjisindeki kapasiteyi artırmayı hedeflemiştir.
YEKA Çatı projeleri ile çatı üstü güneş enerjisi sistemleri teşvik edilmektedir.
Lisanssız Elektrik Üretimi
Türkiye’de 1 MW’a kadar olan güneş enerjisi santralleri lisanssız olarak kurulabilmektedir. Bu düzenleme sayesinde sanayiciler ve bireysel kullanıcılar, kendi elektriklerini üretme imkanına sahiptir.
Lisanssız elektrik üretimi, küçük ölçekli işletmeler ve haneler için güneş enerjisini cazip hale getirmiştir.
Elektrik Alım Garantisi
Türkiye’de yenilenebilir enerji yatırımlarına yönelik elektrik alım garantisi bulunmaktadır. Güneş enerjisi yatırımları için 10 yıl boyunca sabit fiyat üzerinden alım garantisi sunulmaktadır.

Türkiye'de Güneş Enerjisi

Gelecek Projeksiyonları ve Hedefler
2025 Hedefleri:
Türkiye’nin 2025 yılına kadar güneş enerjisi kurulu gücünü 15 GW seviyesine çıkarması planlanmaktadır. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı’nın hedeflerine göre, Türkiye’de toplam elektrik üretiminin %20’sinden fazlasının güneş enerjisinden sağlanması beklenmektedir.
2030 Projeksiyonları:
Toplam Kapasite Hedefi:2030 yılına kadar Türkiye’nin güneş enerjisi kapasitesinin 30 GW seviyelerine çıkarılması hedeflenmektedir.
Karbon Nötr Hedefi:Türkiye, 2053 yılına kadar karbon nötr olmayı planlamakta ve bu hedefe ulaşmada güneş enerjisi yatırımlarının kritik bir rol oynaması beklenmektedir.

Türkiye'de Güneş Enerjisi

Türkiye’nin Güneş Enerjisi Sektöründeki Zorluklar
Yatırım Maliyetleri: Güneş enerjisi santrallerinin kurulum maliyetleri, Türkiye’de hala bazı yatırımcılar için yüksek olabilir. Ancak maliyetlerin düşmesiyle birlikte bu engellerin aşılması beklenmektedir.
Depolama ve Şebeke Entegrasyonu: Güneş enerjisinin en önemli zorluklarından biri, enerji depolama ve şebeke entegrasyonu konusudur. Türkiye’de depolama sistemleri geliştirilmedikçe, güneş enerjisi kaynaklı elektrik üretiminin sürekli olması zorlaşmaktadır.
Arazi Kullanımı: Büyük ölçekli güneş enerji santralleri, geniş arazi gereksinimi nedeniyle tarım alanları üzerinde baskı yaratabilir. Bu durum, özellikle tarımsal üretimin önemli olduğu bölgelerde dikkat edilmesi gereken bir konudur.
Sonuç: Türkiye, güneş enerjisi potansiyeli açısından dünyadaki en önemli ülkelerden biridir ve bu alandaki yatırımlarını hızla artırmaktadır. Hükümetin sunduğu teşvikler, YEKA projeleri ve çatı üstü sistemler sayesinde güneş enerjisinde hızlı bir büyüme yaşanmaktadır. Türkiye, yenilenebilir enerji kapasitesini artırarak enerji bağımsızlığı yolunda önemli adımlar atmakta ve 2030 hedefleri doğrultusunda güneş enerjisine daha fazla yatırım yapmayı sürdürmektedir.