Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile (hidrojen gazının helyuma dönüşmesi) açığa çıkan ışıma enerjisidir.

Güneş, yaklaşık 3,9x1026 W güç yayan, temiz ve tükenmez bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Güneşten yayılan bu enerjinin çok az bir miktarı dünyaya ulaşmaktadır. Atmosferin dış yüzeyindeki her metrekareye ortalama 1.367 W güç düşmektedir. Atmosfere gelen bu ışımanın genellikle X ışınlarından ve ultraviyole ışınlardan oluşan bir kısmını emerken bir kısmını ise yansıtmaktadır.

Dünya yüzeyine bir buçuk saat içinde çarpan güneş ışığı miktarı, tüm dünyanın enerji tüketimini tam bir yıl boyunca idare etmek için yeterlidir.

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.

Fotovoltaik Temelleri; 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.

Konsantre Güneş-Termik Enerji Temelleri; 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.

Güneş enerjisi potansiyeli çok büyüktür, çünkü dünya tarafından her gün toplam günlük elektrik üretim kapasitesinin yaklaşık 200.000 katı güneş enerjisi şeklinde alınmaktadır.

Ne yazık ki, güneş enerjisinin kendisi özgür olmasına rağmen, toplanması, dönüştürülmesi ve depolanmasının yüksek maliyeti hala birçok yerde sömürülmesini sınırlandırmaktadır. Güneş radyasyonu, birincisinin gerçekleştirilmesi daha kolay olmasına rağmen, termal enerjiye (ısı) veya elektrik enerjisine dönüştürülebilir.

Termal enerji: 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.

Örneğin, dünyanın ılıman bölgelerinin güneşli bölgelerinde bile, bir toplayıcının, bir kişinin enerji ihtiyacını karşılayacak kadar enerji toplamak için 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 kollektörler 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. 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 ısıtır. 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.

Güneş havuzları bazen, özellikle uzak yerlerde yararlı olan nispeten verimli ve ekonomik bir güneş enerjisi dönüştürme aracı olan organik Rankine çevrim motorunun kullanımıyla elektrik üretmek için kullanılır. Güneş havuzlarının kurulumu ve bakımı oldukça pahalıdır ve genellikle sıcak kırsal alanlarla sınırlıdır. Daha küçük ölçekte, Güneş enerjisi, özel olarak tasarlanmış güneş fırınlarında yemek pişirmek için de kullanılabilir. Güneş fırınları genellikle güneş ışığını geniş bir alandan, siyah yüzeyli bir kabın güneş ışığını ısıya dönüştürdüğü merkezi bir noktaya yoğunlaştırır. Fırınlar tipik olarak taşınabilirdir ve başka yakıt girişi gerektirmez.

Elektrik üretimi: 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 güneş teknolojilerindeki temel ilke fotovoltaik dönüşümdür. Bu dönüşüm iki aşamada oluşmaktadır. Birinci aşamada, pozitif- negatif akım taşıyıcıları olan yük çiftlerinin oluşturulması, ikinci aşamada 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. 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 hücrelerinin bir araya getirilmesi ile güneş modülleri oluşturulmaktadır. Günümüzde elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanılan güneş modüllerin yüzey alanları 2,1 m2 ve güçleri ise 675 Wp 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 1 MWe 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.

Günümüz fotovoltaik hücrelerinin çoğunun 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.

Konsantre güneş enerjisi santralleri, geniş bir alandan alınan güneş ışığını küçük kararmış bir alıcıya yoğunlaştırmak için konsantre toplayıcılar kullanır veya odaklanır, böylece yüksek sıcaklıklar üretmek için ışığın yoğunluğunu önemli ölçüde arttırır.

Dikkatlice hizalanmış ayna veya mercek dizileri, bir hedefi 2.000°C veya daha yüksek sıcaklıklara ısıtmak için yeterli güneş ışığına odaklanabilir. Bu ısı daha sonra bir buhar türbini, elektrik jeneratörü santrali için buhar üreten bir kazanı çalıştırmak için kullanılabilir. Doğrudan buhar üretmek için, hareketli aynalar, suyun sirküle edildiği ve böylece ısıtıldığı borular üzerine büyük miktarda güneş radyasyonunu yoğunlaştıracak şekilde düzenlenebilir.

Diğer uygulamalar: Güneş enerjisi, yukarıda açıklananlar dışındaki amaçlar için küçük ölçekte de kullanılır. Bazı ülkelerde, örneğin, 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.

Ülkemizde Güneş Enerjisi Potansiyelimiz: Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle önemli bir güneş enerjisi potansiyeline sahiptir. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığımızca hazırlanan, Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlasına (GEPA) göre, ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2.741 saat olup ortalama yıllık toplam ışınım değeri 1.527,46 kWh/m2 olarak hesaplanmıştır.

GEPA’da yer alan genel potansiyel görünümü ve aylık ortalama global radyasyon dağılımı aşağıda yer almaktadır.

Haziran 2022 sonu itibariyle güneş enerjisine dayalı elektrik kurulu gücümüz 8,479 MW, toplam kurulu güç içerisindeki oranı 8,35 olup yıllara göre kurulu güç değişimi ve toplam kurulu güç içerisindeki oranı aşağıdaki grafiklerde yer almaktadır.

ÖZETLE; Teknolojinin her geçen gün ilerlemesi, yapı malzemelerinde de kendini gösteriyor. Bu ilerleme, yapı malzemeleri aracılığıyla mimaride de birtakım değişimlerin gerçekleşmesine neden oluyor. Bunun en son örneği ise “elektrik üreten cephe ve çatılar” olarak karşımıza çıkmıştır. Bu uygulamada, Fotovoltaik malzemeler mimaride kullanılmaktadır. Güneş enerjisinden direkt olarak elektrik üreten fotovoltaik hücreler, fotovoltaik modüller ve fotovoltaik paneller şeklinde yapıda cephe ve/veya çatı kaplaması olarak çeşitli şekillerde kullanılmaktadır.

 ( Magic Mechanic Meetings© yazı dizisi devam edecek… )

KAYNAKÇA:

1-)  Güneş Enerjisi Nasıl Çalışır?

https://www.energy.gov/eere/solar/how-does-solar-work

2-)  Güneş Enerjisi

https://www.britannica.com/science/solar-energy

3-) Güneş

https://enerji.gov.tr/bilgi-merkezi-enerji-gunes

4-) Güneş Paneli Sistemlerinin Tasarımı

https://www.emo.org.tr/ekler/8e692a34a5e564e_ek.pdf

5-) Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimine Genel Bir Bakış Ve Bir Uygulama

https://www.mahmutselekoglu.com.tr/gunes-enerjisinden-elektrik-uretimine-genel-bir-bakis-ve-bir-uyg.html

Semih ÇALAPKULU ( Makina Mühendisi )