Güneş Enerjisi

Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Yıllık dünya üzerine düşen güneş enerjisi, dünyanın bir yıllık tüm enerji gereksiniminin yaklaşık 10.000 katıdır. Fosil bazlı yakıtların sınırlı sürelerde tükeneceği göz önüne alınacak olursa güneş gelecekte en önemli enerji kaynaklarımızdan biri olacaktır.

Amerikan Bell firmasında çalışan bilim insanları, 1954 yılında yaptığı çalışmalar sırasında kum içinde bulunan silikon elementinin güneş ışığına maruz bırakıldığında elektriksel yük ortaya çıkardığını keşfettiler. Bu buluş ise daha sonra güneş enerjisini yakalayıp elektriğe çevirebilen silikon hücrelerin geliştirilmesine öncü oldu.

İlk olarak yüzey alana %4 gibi bir verim ile güneş enerjisi üretebilen bu güneş enerjisi panelleri, o yıllardan günümüze kadar gelişen teknoloji ile beraber ilerleme kaydederek artık günümüzde kısalan geri dönüş oranları ile tüm dünyada meskenlere, ticarethanelere ve sanayi tesislerine %20 civarında gezinen verimlilikler ile mantıklı ve çekici finansal fırsatlar sunuyor.

Gelişimi sürekli devam eden güneş enerjisi sistemleri ve verimliliği artmış olan güneş enerjisi panelleri sayesinde artık sonu gelmeyen ve inanılmaz yüksek bir enerji kaynağı olan güneşe erişimimiz günden güne artarak çoğalmakta.

Güneş enerjisi paneli üzerinde bulunan silikon hücreler gün boyunca güneşten gelen enerjiyi topluyorlar. Hücrelerin üzerinde bulunan devreler ise bu enerjiyi doğrusal akıma (DC) çeviriyorlar. Daha sonra bu elektrik yine doğru akım olarak evirici (inverter) denen alete alternatif akıma (AC) çevrilmek üzere kablolar aracılığı ile taşınıyor.

Bu dönüşüm olduktan sonra ise elektrik artık ihtiyaca göre iç tüketim olarak kullanılıyor, fazlası şebekeye geri satılarak gelir elde ediliyor ya da şebeke olmayan noktalarda aküler aracılığı başka bir zaman tüketilmek üzere depolanıyor.

Güneş Enerjisi Sistemlerinin Bileşenleri Nelerdir?

Güneş Enerjisi Sistemlerinin 6 ana bileşeni vardır.

• Güneş Enerjisi Panelleri
• Evirici (Inverter)
• Alüminyum Konstrüksiyon – Çatı Sabitleme
• DC ve AC Kablolama
• Elektrik Panosu
• İzleme ve Performans Takip Sistemleri
• 
  

Polikristalin ve monokristalin güneş enerjisi panelleri arasındaki en önemli fark verimliliklerinde ve maliyetlerinde görülmektedir.

Genel olarak monokristalin paneller polikristalin panellere göre daha verimlidirler, fakat bu verim karşılığı olarak daha maliyetli çözümler sunmaktadırlar. Kurulacak yüzey alanı kısıtı (bu hesaba kuzey cephelere yapılacak olan kurulumlardan kaçınmak dahil edinilebilir) olan yerlerde elde edilecek verim kazancı ilave maliyeti karşıladığı için güneş enerjisi paneli seçimi mono-kristalin hücrelere sahip olan panellerden olacaktır.

Güneş Enerjisi Hücreleri (PV Solar Cells) elektriği 3 adımda üretiyorlar.

Bir güneş enerjisi hücresi güneşten gelen enerjiyi kullanabileceğimiz elektriğe 3 genel adımda çeviriyor.

• Işık bu paneller üzerinde emilirken elektronların bağlarından kopmasına sebebiyet verir.
• Bu ayrılan elektronların hareketleri artı ve eksi kutuplar arasında doğrusal bir akım oluşturur.
• Bu akım yakalanır ve bunu taşıyabilecek kablolara transfer edilir.

Bu sürece fotovoltaik etki denir ve aslında bu 3 adımdan daha komplike bir süreci içerir, fakat en basit hali ile bu 3 adım ile güneşten gelen enerjinin elektriğe dönüştürüldüğünü düşünebiliriz.

Güneş Enerjisi Hücreleri Güneş Enerjisi Panellerinin temel yapı taşıdır.

Bir güneş enerjisi paneli 5 farklı parçadan oluşmaktadır.

• Silikon Güneş Enerjisi Hücresi
• Metal (Alüminyum) Çerçeve
• Ön Cam ve Anti-Reflektif Cam Kaplama
• Arka İzolasyon
• Kablolar

Bunların arasında en önemli olanı ise elektriğin üretimini yapan güneş enerjisi hücresidir. Bu hücreler tarafından güneş ışığının elektriğe dönüştürülmesi olayına “Fotovoltaik Etki” denir.

Güneş enerjisi hücrelerine fotovolatik hücre (PV Solar Cell) dememizin de sebebi budur. Klasik bir güneş enerjisi paneli bu tarz 60 adet (yaklaşık 1,65 m2 yüzey alanı) veya 72 adet (yaklaşık 2 m2 yüzey alanı) hücrenin birbirine seri bağlanması ile ortaya çıkar.

Güneş Enerjisi Hücre Tipleri: Polikristalin ve Monokristalin

Günümizde polikristalin ve monokristalin iki ana güneş enerjisi hücresi tipidir.

Bunların haricinde başka tipler olsa da ince film veya organik hücreler gibi, polikristalin ve monokristalin olan tipler evsel, ticari veya sanayi tipi endüstriyel kurulumlarda en çok kullanılan versiyonlardır.

Bir momokristalin güneş enerjisi hücresi silikon elementinin tek kristalli olanlarından yapılmıştır. Diğer yanda, polikristalin olan hücreler ise birçok parça farklı silikon kristallerinin bir arada eritilmesi sonucu elde edilmektedir.

Bu yöntem polikristalin ve monokristalin hücreler arasında 2 ana farklılaşmaya sebebiyet vermektedir. Verim açısından, monokristalin güneş enerjisi hücrelerinin aynı yüzey alanında üretebildiği elektrik polikristalin güneş enerjisi hücrelerinin üretebildiğinden daha yüksektir.

Bu durum tek kristal hücreli yapının elektronlara fotovoltaik etki çerçevesinde daha kolay hareket etme olanağı sağlamasından kaynaklanmaktadır. Polikristalin hücreler içindeki çoklu yapıda bulunan silikon kristallerinin tek yönde homojen bir şekilde yerleşmemiş olması elektronların daha zor hareket etmesine sebebiyet vermekte ve monokristalin yapıya göre daha az verim ile elektrik üretimi aynı yüzey alanında sağlanabilmektedir.

Buna karşılık olarak ise üretim teknolojisi daha kolay ve daha az maliyetli olması sayesinde polikristalin hücreler monokristalin hücrelere göre dünya genelinde daha uygun fiyatlar ile temin edilebilmektedir.

Fotovoltaik (PV) güneş hücresi (Solar Cell) nasıl elektrik üretir?

Fotovoltaik hücreler, fotovoltaik etki aracılığı ile, güneş ışığını emerler ve bir elektrik akımı oluştururlar. Bu süreç farklı güneş enerjisi teknolojilerinde farklı şekilde gerçekleşir. Gelin biz beraber bu süreçlerin ortak noktalarına değinelim.

1.Adım:

Fotovoltaik güneş enerjisi hücreleri ışığı emerler ve sonucunda yüzeydeki elektronlar koparak hareket etmeye başlarlar

İlk önce, ışık fotovoltaik hücreye çarpar ve yarı iletken malzeme aracılığı ile, ki bu genelde silikon olur, emilir. Bu yüzeye gelen ışık silikon içindeki elektronların yerinden hareket etmesine sebebiyet verir. Bu da nihayetinde güneş enerjisi hücrelerinde üzerinde bir akım oluşturur.

2.Adım:

Elektronlar elektrik akımı oluşturarak hareket etmeye başlarlar

Her bir fotovoltaik hücrelerde aslında ince iki katman vardır ve bunların üst üste yerleştirilmesi sonucunda ortaya çıkarlar. Bunların her biri (“ + ” / “ – “) elektrik akımı oluşturabilecek şekilde tasarlanmıştır.

Taraflardan bir tanesi pozitif yük taşıyacak şekilde, diğer tarafı ise negatif yük taşıyacak şekildedir. Aralarında oluşan elektriksel alan ise elektronların bir yönde hareket etmesine olanak sağlar ve bu sayede doğrusal akım ortaya çıkar.

3.Adım:

Tek hücre üzerinde oluşan elektrik akımı yakalanır ve diğer hücreler ile birleştirilir.

Bu hareket haline geçen elektronlar üzerinden ortaya çıkan elektrik akımı yakalandığında güneş enerjisi hücrelerinin etrafında metal plakalar aracılığı ile toplanır ve kablolara aktarılır.

Bu noktada ise artık elektronlar doğrusal akım olarak hareket etme imkânı bulurlar ve eviriciye (inverter) doğru yönlendirilirler. Evirici içerisinde ise paneller üzerinden toplanarak gelen doğrusal akım alternatif akıma çevrilir ve artık evinizde, ticarethanenizde ya da sanayi tesisinizde kullanılabilir hale gelir.

Ancak birçok fotovoltaik güneş hücresi birleştiği zaman ihtiyacınızı görecek bir güç ortaya çıkar.

Tek bir güneş enerjisi hücresi küçük bir elektrikli alete yetebilecek kadar (birkaç watt) elektrik üretebilir. Bir evin ihtiyacını karşılayacak kadar yüksek seviyede elektrik üretebilmek için bu güneş enerjisi hücrelerini birbirlerine seri bağlamamız gerekir.

Bu sayede elde edilecek olan güç ise 60 veya 72 hücrenin birbirine bağlanması durumunda 240W ile 420W arasında olacaktır.

Tabi olay sadece bununla ibaret değildir, bir güneş enerjisi panelinin üreteceği elektrik miktarı içinde bulunduğu ortam koşullarına da bağlıdır. Mesela bir güneş enerjisi panelinin verimli çalışma sıcaklığı yaklaşık 24-25 derecedir ve ortam sıcaklığı yükseldikçe verim düşer ve elektrik üretimi de orantısal olarak azalır.

Buna ek olarak güneş enerjisi paneli üzerine düşen ışığın eğimi de bir o kadar önemlidir. Düşük eğim ile alınan ışınım aynı güneş enerjisi paneli üzerinde optimal eğim ile alınacak olan ışınıma göre daha az elektrik üretimi sağlayacaktır.

Dolayısı ile kurulacak olan güneş enerjisi sisteminin eğimi de yıl içerisinde ne kadar güneş enerjisinden elektrik üretebileceğiniz belirler.

Güneş enerjisi hücrelerinin güneş enerjisi panellerinin temel bileşeni olmasının yanında, bu sistemleri çatısına kuranlara da güneşten dünyaya ve kendi güneş enerjisi sistemimizi kuracakları yüzey alanına gelen bedava enerjiyi kendi tüketimlerini karşılamak amacı ile (mevzuat olarak ihtiyaç fazlası üretim şebekeye geri satılabilmekte ve bundan bir gelir elde edilebilmekte => güneş enerjisi sistemlerinin detayları için bizim ile iletişime geçebilirsiniz) dönüştürme imkânı vermektedir. Sizlerde bu yatırımı yapıp bundan uzun yıllar fayda sağlayabilirsiniz.

Daha önce bahsettiğimiz gibi güneş enerjisi panelleri içindeki güneş enerjisi hücreleri güneşten genel enerjiyi doğru akım (DC) olarak toplamakta. Fakat, evlerimizde, işyerlerimizde ve sanayi tesislerimizde kullandığımız elektrik doğrusal akım yerine alternatif akım (AC) olduğu için bir şekilde doğrusal akımdan alternatif akıma bir dönüşüm yapılması gerekmektedir.

Eviriciler ise tam bu dönüşüm ihtiyacını karşılama noktasında devreye girmektedirler. 3 tip evirici bulunmaktadır. Bunlar dizi evirici, mikro evirici ve optimize kullanan eviricilerdir.

Dizi Evirici: Bu sistemde bulunan güneş enerjisi panelleri evirici içerisindeki MPPT (bunu güç yönetim ve optimizasyon modülü olarak da düşünebilirsiniz; dolayısı ile bir evirici içinde bunlarda ne kadar çok var ise o kadar verimli bir şekilde doğrusal akımdan alternatif akıma dönüşüm sağlayabilirsiniz) adedine göre gruplanarak seri bir şekilde bağlanmaktadır.

En ucuz evirici modeli bu tip modellerdir fakat bunların fiyat avantajının yanında bir dezavantajı bulunmaktadır, o da kurulumu yapılmış olan güneş enerjisi sistemi içindeki güneş enerjisi panellerinden bir tanesi az üretim yapar ya da tamamen devre dışı kalır ise o zaman aynı seri içerisinde bulunan diğer tüm paneller az üretim moduna veya sıfır üretim moduna geçer. Bu problemi çözmek için ise 2 farklı yaklaşım geliştirilmiştir. Bunlar Mikro-Evirici ve Optimizer yaklaşımlarıdır.

Mikro Evirici: Bu sistemde dizi evirici sisteminden farklı olarak eviriciler küçültülerek güneş enerjisi sistemindeki panellerin arka kısımlarına her bir panelin veya ikişerli olacak şekilde birleşik yerleştirilmesi sureti ile doğrusal akımdan alternatif akıma dönüşüm süreci olabilecek en küçük panel gruplamasına indirgemiştir.

Bu durumda dizi tipi (merkezi olarak ta geçmektedir) inverterlarda olabileceği gibi ana eviricinin faaliyet dışında kalması veya gruplanan panellerden bir tanesinin çalışmaması durumlarında bile mikro-eviriciler diğer geri kalan noktalarda üretim yapmaya devam ediyor olacaklardır. Bu sistem en pahalı olan çözümdür.

Optimizer: Bu tarz eviriciler ile dizi evirici ve mikro-eviricilerden farklı olarak optimizasyon modüllerini ve evirici modüllerini birbirinde ayırarak optimizasyon modüllerinin güneş enerjisi panellerinin arkasında, yine tekli veya ikili olarak, çalışmasına ve geri kalan doğru akımdan alternatif akıma dönüşüm sağlayan parçanın ise merkezi eviricilerdeki gibi toplu çalışmaya uygun olacak şekilde tasarlanmasıdır.

Bu sistemlerde doğal olarak, mikro eviriciler gibi, maliyetli çözümlerdir ama dizi eviricilere göre daha yüksek verim ile aynı kurulumda daha fazla elektrik üretilmesine imkân vermektedir. Mikro eviricilerden ise bir miktar daha makul fiyatlar ile temin edilebilmektedir.

Güneş Enerjisi Panellerinin üzerine kurulacağı konstrüksiyon sistemi nasıl olabilir?

Çatı veya arazi uygulamalarında kullanılası gereken alüminyum konstrüksiyon uygulanacak alana göre çeşitlilik göstermektedir. Bu sistemler ayrıca güneş enerjisi panellerinizi hangi yön ve açı ile yerleşeceği açısından önemlidir.

Arazi uygulamalarında bu konuda rahat davranmak mümkün iken çatı uygulamalarında genellikle çatının yönü ve eğimi sizi kısıtlamaktadır ve çatı yüzeyi ile uyumlu olacak şekilde aynı yön ve açı ile kurulum yapılmaktadır. Bunun en önemli sebebi ise çatı üzerine ilave yük bindirmemek ve rüzgârın güneş enerjisi panelleri altına girmesi ile yüzeyden ayrılma riskini minimize etmektir.

Bir güneş enerjisi sisteminden en yüksek verimi almak için güneş enerjisi sistemlerini kurulum yapılacak olan lokasyonun enlem derecesine ve güneşten gelen ışınımın açısında göre planlamak gerekmektedir, fakat az önce belirttiğimiz gibi bu opsiyon ise sadece arazi uygulamalarında bulunmaktadır.

Çatı uygulamalarında çatı eğimi kullanabileceğimiz en iyi eğimdir. Türkiye için en yüksek verim ortalama 30 derece açı kullanılarak yapılan güneş enerjisi çözümleridir. Bu bahsettiğimiz kısıt ise sabit konstrüksiyon uygulamalarında vardır. Alternatif olarak dünyada örneklerini gördüğümüz haraketli konstrüksiyon sistemleri mevcuttur. Bu sistemler güneşin hareketini ve yıl içerisinde değişen ışığın geliş açısıdır. Bu tarz sistemler yüksek maliyetli olup Türkiye’de maliyeti sebebi ile kullanılmamaktadır.

Özellikle çatı üzeri güneş enerjisi sistemlerinde alan kaybına sebebiyet vermekte (yükseltili kurulumu ve dönüşü ile etrafında oluşacak olan gölgelenme) ve kurulumları mantıksız olmaktadır maliyet ve geri dönüş hesapları açısından.

Sonuç olarak, sabit sistemler daha uygun fiyatla daha mantıklı geri dönüş hesaplamaları sunmaktadır he ne kadar haraketli sistemlere göre yıl toplam bazında daha az elektrik üretimi sağlasalar bile.

Sabit sistemlerde dikkat edilmesi gereken öneli bir konu ise sistemde kullanılacak olan profillerin tasarımıdır. Uzun profil kullanılan sistemler 25 yıl bakım ve kullanım açısından daha avantajlı olup kısa profillere göre doğal olarak daha maliyetlidirler.

Kaynaklar

https://docplayer.biz.tr/1889224-Gunes-enerji-sistemleri-ges-bilgilendirmesi.html

https://www.emo.org.tr/ekler/1076c3237c38c7f_ek.pdf?dergi=1123

https://www.myenerjisolar.com/bilmeyenler-icin-gunes-enerjisi-paneli-nedir-ve-nasil-calisir/

https://www.ekolekspertiz.com.tr/cati-tipi-gunes-enerjisi-santralleri-risk-ve-hasar-uygulamalari/