Doğal Enerji Güneş Pili-Manyetik Motor

Güneş ışınımı, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir. Güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti ortalama 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzünde 0-1100 W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya 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, çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir.

Dünya ile güneş arasındaki mesafe ortalama 150 milyon km’dir. Dünya’ya güneşten gelen enerji, dünya da bir yılda kullanılan enerjinin 20 bin katıdır. Güneş ışınımının yaklaşık %50 si atmosferi geçerek dünya yüzeyine ulaşır. Bu enerji ile dünyanın sıcaklığı yükselir ve yeryüzünde yaşam mümkün olur. Rüzgar hareketlerine ve okyanus dalgalanmalarına da bu ısınma neden olur. Yer yüzeyine gelen güneş ışınımının %1 den azı bitkiler tarafından fotosentez olayında kullanılır. Bitkiler, fotosentez sırasında güneş ışığıyla birlikte karbondioksit ve su kullanarak, oksijen ve şeker üretirler. Fotosentez, yeryüzünde bitkisel yaşamın kaynağıdır.

Güneş ışınımı atmosfere girdiğinde düzgün bir yön izlememektedir. Şekil de görüldüğü gibi güneş ışınımının bir kısmı atmosferde yutulur ,bir kısmı çeşitli yeryüzü şekillerinden dolayı dağılır ve yansır, bir kısmı da direk olarak yeryüzüne ulaşır.

Şekilde Güneş Işınımlarının Atmosferdeki davranışlarını göstermektedir

Fotovolatiklerin Tarihçesi ve Geleceği

Bu çağ güneş enerjisi çağıdır. Güneş ışığının solar fotovoltaik (PV) hücrelerle elektriğe dönüştürülmesi, çevre sorumluluğuna sahip evler, işyerleri veya kamusal kuruluşlar için ideal bir güç kaynağı teşkil etmektedir. Güneş enerjisinin büyüklüğüne yönelik bir perspektif çizmek amacıyla; Sahra Çölünün yalnızca %1 ini kaplayan bir solar hücre güç üretim tesisinin, gezegenimizde tüketilen tüm elektriği karşılayabileceğini söyleyebiliriz.
Amerika Birleşik Devletleri’ne, 40 dakikada düşen güneş enerjisi, fosil yakıtlardan 1 yılda elde ettikleri enerjiden daha fazladır. Fotovoltaik hücre bilimi, 1838 yılında kimyasal reaksiyonlar vasıtasıyla elektrik üretimi üzerinde çalışan iki Fransız fizikçi başlamıştır. Bu fizikçiler, aparatın güneş ışığına maruz bırakılması esnasında güneş ışığının elektrik enerjisi çıkışını arttırdığını tespit etmişlerdir. 1954 yılında Bell Laboratuarları, fotovoltaiklerin laboratuar dışındaki günlük pratik uygulama alanına taşınmasına olanak veren, tek kristal silikon hücrenin geliştirilmesini ilan etti.

Fotovoltaik

…(veya PV) modülleri ışığı elektriğe dönüştürür. Photo sözcüğü Latince ışık anlamına gelen phos sözcüğünden türemektedir. Volt sözcüğü de elektrik araştırmalarının öncülerinden biri olan Alessandro Volta (1745-1827) adından alınmıştır. Dolayısıyla Foto-Voltaikler, kelime anlamı ile ışık-elektrik

anlamına gelmektedir. Yaygın biçimde solar hücreler olarak bilinen PV sistemleri çoktan yaşamımızın önemli bir parçası olmuştur. En basit uygulama ile günlük olarak kullandığımız küçük hesap makineleri ile kol saatleri enerjilerini bu hücrelerle sağlarlar. Daha karmaşık sistemler; su pompalanması, iletişim ekipmanlarına güç sağlanması, evlerimizin aydınlatılması ve cihazlarımızın çalıştırılması amacıyla elektrik üretmektedirler. Şaşılacak derecede çok durumda, PV güç, söz konusu ihtiyaçlar için en ucuz elektrik üretme biçimidir.
Bu bölümde, çeşitli materyallere güneş ışığından elektrik üretme olanağı sağlayan PV etkisini tarif edecek; PV hücreleri, modülleri ve dizilerinin nasıl yapıldıklarını gösterecek, PV’nin neden çok farklı durumlarda en mantıklı güç üretme seçeneği olduğunu açıklayacak ve bu bilimin tüm dünyadaki insanların yaşam kalitesini nasıl yükselttiğine yönelik gerçek örnekler vereceğiz!

Uygulamalar

Günümüzde, güneşten elde edilen elektrik, büyük şehirlerin yanı sıra yeryüzünün en ücra bölgelerinde yaşayan insanlara hizmet etmektedir. İlk başta uzay programlarında kullanılmış olan PV sistemleri günümüzde su pompalama, gece aydınlatması, akü şarjı, elektrik şebekelerinin beslenmesi gibi pek çok uygulama için elektrik üretmektedir. İster bir ev sahibi, çiftçi, planlamacı, mimar veya isterse sadece elektrik faturası ödeyen herhangi bir şahıs olun, PV ürünleri bir biçimde hayatınıza girebilir. PV uygulamalarını aşağıdaki kategorilerde gruplandırıyoruz:

• Basit veya Bağımsız PV sistemleri
• Akülü PV
• Yerel şebekeye bağlı PV
• Şebeke ölçeğinde güç üretimi
• Hibrid güç sistemleri
• Basit PV sistemleri

Bitkileri kurutan, hayvanları susatan, bina ve araçları ısıtan güneşli günler, fotovoltaiklerle birlikte elektrik üretimi için güzel günler haline gelmiştir. Bu elektrik; sulama ve içme suyu amaçlı kuyu sularının pompalanması ve soğutma amaçlı havalandırma fanları için güç sağlanmasında kullanılabilir. Bu yüzden en basit PV sistemleri su pompaları veya fanlar için doğrudan üretilen dc elektrik akımını kullanmaktadırlar.
Bu temel PV sistemleri, gerçekleştirdikleri işler için çeşitli avantajlara sahiptir. Enerji gerektiği yer ve zamanda üretilmekte ve dolayısıyla da karmaşık kablolama, depolama ve kontrol sistemlerine gereksinim duyulmamaktadır. 500 watt (W) güç değerinin altındaki küçük sistemlerin, düşük ağırlıkları ile, kurulum ve nakliyesi oldukça kolaydır. Bu tür kurulumların çoğunun montajı sadece bir kaç saat alır. Ayrıca pompa ve fanlar düzenli bakım gerektirmesine rağmen, PV modülleri için arada bir gerçekleştirilecek kontrol ve temizleme yeterli olmaktadır.

Akülü PV

Elektrik enerjisinin depolanabilmesi, PV sistemlerini gece – gündüz, yağmurlu veya güneşli tüm zamanlar için güvenilir bir elektrik güç kaynağı kılmaktadır. Pil depolamalı PV sistemleri, halen tüm dünyada lambalar, sensörler, kayıt ekipmanları, anahtarlar, cihazlar, telefonlar, televizyonlar ve tüm güç aletlerine enerji sağlamak amacıyla kullanılmaktadır. En basit PV / akü sistemleri yol ışıklarıdır. PV paneli gündüz boyunca elektrik üretmekte ve akşam kullanmak üzere bu elektriği aküde depolamaktadır.
Akülü PV sistemleri, DC veya AC akımla çalışan ekipmanlara güç sağlamak üzere tasarlanabilirler. Geleneksel AC akımlı ekipmanları çalıştırmak isteyenler, pil ve yük arasına invertör olarak adlandırılan bir güç çevirici cihazı eklemektedirler. DC akımının AC akımına dönüştürülmesi esnasında küçük

miktarda bir enerji kaybı olmasına rağmen, bir intervör PV tarafından üretilen elektriği günlük AC cihazları, lambalar ve hatta bilgisayarların çalıştırılmasını sağlayacak bir güce dönüştürmektedir.
Nasıl Çalışır?: Akülü PV sistemleri, PV modüllerinin pillere ve pillerin de yüke bağlanmasıyla çalışırlar. Gündüz saatlerinde PV modülleri pili şarj etmekte; pil de gereksinim duyulduğu anda yük için güç sağlamaktadır. Şarj kontrolörü olarak adlandırılan bir elektrik cihazı, pillerin düzgün bir biçimde şarj edilmelerini sağlayarak bunların aşırı yüklenmesini veya tamamen boşalmalarını engelleyerek pillerin kullanım ömrünün uzamasına yardımcı olmaktadır.
Aküler, PV sistemleri bir çok açıdan yararlı kılmakta ancak biraz bakım da gerektirmektedirler. PV sistemlerinde kullanılan aküler çoğunlukla araç akülerine benzerlik göstermekle beraber, bu özel aküler depolamış oldukları enerjinin büyük bir kısmını günlük olarak kullanılabilmesine olanak sağlayacak bir biçimde üretilmektedirler. (Bunlara golf arabalarında kullanılan akülerde olduğu gibi ” deep cycling ” denilmektedir). PV projeleri için tasarlanmış aküler, otomotiv aküleriyle aynı riskleri taşımakta ve taşımalarıyla depolanmaları için aynı özenin gösterilmesi gerekmektedir. Açık akülerdeki akışkanın periyodik olarak kontrol edilmesi ve akülerin çok soğuk hava koşullarından korunması zorunludur.
Akülü solar üretim sistemi, gereksinim duyulduğu anda elektrik sağlamaktadır. Güneşin batmasından sonra veya bulutlu günlerde ne kadar elektrik kullanılabileceği, PV modüllerinin kapasitesi ve akünün yapısına bağlıdır. Modül ve akü sayısının artırılması sistem maliyetini yükselteceğinden, optimum sistem boyutunun belirlenmesi için enerji kullanımı dikkatli bir biçimde incelenir. İyi tasarlanmış bir sistem, maliyet ve kullanıcı gereksinimlerini karşılayabilme arasında dengeyi kurar ve söz konusu gereksinimlerin değişmesi halinde de genişletilebilir.

Şebeke Bağlantılı PV

Elektrik şebekesinin bulunduğu yerlerde, şebeke bağlantılı bir PV sistemi, gereken enerjinin bir kısmını tedarik edip, akü yerine mevcut şebekeden yararlanabilir. Enerji alanının öncüleri sayılabilecek bazı ev sahipleri, şebekeye bağlı PV sistemleri kullanmaktadırlar. Sistemin her ay şebekeden aldıkları elektrik miktarını azaltmasını istedikleri, ayrıca PV sistemler yakıt tüketmediği ve herhangi bir çevresel kirlilik yaratmadığı için bu yatırımı yapmaktadırlar.
Şebeke bağlantılı bir PV sistemine sahip olan bir kimse elektrik alımının yanı sıra her ay elektrik satabilme imkanına da sahiptir. Bu imkan PV sistemiyle üretilen elektriğin hemen yerinde kullanılabildiği gibi bir sayaç vasıtasıyla şebekeye de beslenebilmesinden kaynaklanmaktadır. Bir ev veya işyerinin PV modülleri tarafından üretilen elektrikten daha fazlasına gereksinim duyması halinde (örneğin akşamları), söz konusu gereksinim şebekeden karşılanmaktadır. Söz konusu ev veya işyerinin PV blokları tarafından üretilen elektrikten daha azına ihtiyaç duyması halinde, ihtiyaç fazlası olan miktar ilgili şebekeye depolanmaktadır (satılmaktadır). Bu şekilde altyapı şebekesi, bağımsız sistemlerde pillerin gördüğü işleve benzer bir biçimde PV için yedekleme görevi yapmaktadır. Ay sonunda satılmış olan elektrik bedeli, satın alınan elektrik bedelinden kesilmek suretiyle ödenmektedir.

Nasıl Çalışır?

Onaylı ve şebekeye uygun bir invertör, PV modüllerinden gelen DC gücünü şebekedeki elektriğin voltaj ve frekans değerlerine tam manasıyla uyacak bir biçimde AC gücüne dönüştürür ve yine şebekenin emniyet ve güç-kalitesi şartlarına uyum gösterir. İnvertörde bulunan güvenlik anahtarları, şebeke gücünün kesilmesi halinde hattan PV sistemini otomatik olarak ayırır. Bu emniyetli ayırma işlemi, şebeke onarım personelini boş sanabilecekleri PV sisteminden gelen elektrik akımına çarpılmaktan korur.

Şebek Ölçekli Güç Üretimi

Birlikte monte edilmiş çok sayıda PV dizisi içeren büyük ölçekli fotovoltaik güç santralleri, şebekeler için yarar sağlayabilirler. Elektrik şebekeleri söz konusu modüllerin kolay kurulumu sayesinde PV santrallerini

geleneksel güç santrallerinden çok daha hızlı bir biçimde kurabilirler. PV güç santralleri bu kolaylık sayesinde şebekenin en çok gereksinim duyulan yerlerine monte edilebilirler. Yine geleneksel güç santrallerinin aksine PV santralleri, gereksinim arttıkça kolaylıkla genişletilebilme imkanına sahiptir. Sonuç olarak PV güç santralleri sessiz bir biçimde elektrik üretirken yakıt tüketmez ve herhangi bir hava veya su kirliliğine yol açmazlar.

PV için Niş

Elektrik işletmeleri PV sistemlerini daha yüksek bir değere sahip olacakları yerlere monte etmeye çalışmaktadırlar. Örneğin elektriğin kullanıldığı bir yere PV sisteminin eklenmesi, geleneksel güç hatlarıyla akım iletimi esnasında uzun mesafelerden kaynaklanan enerji kayıplarını engellemektedir. Bu durum PV sistemini, müşteriye yakın bir yere kurulması durumunda işletme için çok daha değerli kılmaktadır.
PV sistemleri, nüfusun hızlı bir biçimde arttığı yerlere hizmet veren dağıtım şebekelerine kurulabilmektedir. Bu yerlere kurulan PV sistemleri, şebekelerin güç hatları ve hizmet alanlarının boyutunu arttırma yönündeki gereksinimlerini ortadan kaldırabilir. PV sistemlerinin, alt istasyonlar gibi diğer şebeke dağıtım ekipmanlarının yakınına kurulmaları, alt istasyondaki ekipmanlara fazla yük binmesini de engelleyebilir.

Hibrid Güç Sistemleri

Hibrid sistemler, ilgili tesis veya bölge için enerji gereksiniminin karşılanması amacıyla birden dizi elektrik üretim ve depolama birimini bir araya getirir. Enerji taleplerinin yerel coğrafi ve geçici karakteristiklere göre düzenlenerek karşılanması için PV’ye ilaveten, jeneratörler, rüzgar jeneratörleri, küçük hidroplantlar ve diğer elektrik enerjisi kaynakları da eklenebilir. Bu sistemler iletişim istasyonları, askeri tesisler ve kırsal yerleşim birimleri gibi ücra bölgeler için idealdir. Bir hibrid elektrik sisteminin geliştirilmesi için mevcut kaynakları ve enerji ihtiyacını iyi bilmek temel unsurdur. Dolayısıyla enerji planlamacılarının, planlanan enerji kullanımına ilaveten ilgili bölgedeki güneş enerjisi, rüzgar ve diğer potansiyel enerji kaynaklarını araştırmaları gerekmektedir. Bu yaklaşım, ilgili tesis veya yerleşim birimlerinin enerji taleplerini en iyi şekilde karşılayacak bir hibrid sistem tasarlama olanağı sağlayacaktır.