BlogEnerji Kaynakları

Güneş Enerjisi Nedir? Nasıl Çalışır?

Günümüzde, güneş enerjisi başta olmak üzere, birçok yenilebilir enerji kaynağına olan ilgi ve ihtiyaç çok hızlı bir şekilde artmaktadır. Doğal ve doğaya zarar vermeyecek şekilde enerji üretimi konusunda birçok ülke de bu tür çalışmalara ağırlık vermeye başlamıştır.

Gezegenimizin ısınma, ışıma ve doğal döngü kaynağı olan Güneş’ten nasıl enerji elde edebiliyoruz? Nasıl bu enerjiyi kullanabiliyoruz göreceğiz.

Güneş enerjisi çevre için temiz bir kaynak özeliği taşımasının birçok sebebi vardır. Fosil yakıtlarının sınırlı olması, fosil yakıtlardan üretilen enerjinin çevreyi kirletmesi gibi nedenler güneş enerjisini çekici hale getirmiştir.

Güneş 1,39×10^6 km çapında 2,2×10^26 ton ağırlığında 1,41 g/cm^3 yoğunluğundadır. Güneşin içinde ise %75 hidrojen %24 helyum ve %1 diğer elementler vardır. Güneş, Dünyaya 149,5 milyon km uzaklıkta bir yıldızdır. Güneşten bir saniyede alınan enerjinin güç olarak karşılığı 3,86×10^20 MW’tır.

Güneş Enerjisi Nedir? Isıtma Olayı Nasıl Oluşur?

Enerji kaynağımız olan Güneş, yaklaşık %90 oranında içinde barındırdığı hidrojenden oluşmaktadır. Hidrojenin füzyon tepkimesi sonucu patlamalar ile helyuma dönüşmektedir. Oluşan patlamalardaki büyük enerjiye de Güneş Enerjisi denir.[1]

Bu patlama sonucu ortaya çıkan büyük enerji, dünyamızın yüzeyine kadar ışıma yolu ile gelmektedir. Bunun sayesinde dünyamızın yüzeyine hem güneş ışınları hem de güneş ışınlarının ısıları gelmektedir. Bu ısı ile birlikte yeryüzü de ısınmaktadır.

Birincil ve temiz bir yenilenebilir enerji kaynağı olan güneş enerjisi, gününüzde kullandığımız birçok işlemde kullanılmaktadır. Örnek vermek gerekirse tarımda, işletmelerde, ısınmada, teknolojide yani hayatımızın her yerinde güneşi kullanmaktayız.

Peki bu kullandığımız güneş enerjisinin kullanımı ilk ne zaman başladı? Tarihin hangi aşamalarında hangi gelişimleri gerçekleştirdi? Bu soruları da Güneş Enerjisinin Tarihi başlığı altında inceleyebiliriz.

Güneş Enerjisinin Tarihi adlı yazımızdan bu konu hakkında kısaca bilgi sahibi olabilirsiniz.

Güneş enerjisinin kullanılması için öncelikle toplanması gerekir. Bu toplama işlemi, ısıl ve elektriksel olmak üzere iki değişik yolla ve dolaylı biçimlerde üretilmektedir.

Güneş ısından enerji elde edilirken genelde ısının bir yere odaklanması ve oluşan sıcak alandan çeşitli sistemler vasıtası ile enerji elde edilmesidir. Güneş ışınlarından enerji üretilirken ise güneş fotonlarının doğrudan elektriğe çevrilmektedir.

Güneş Enerjisi Nasıl Üretilir? Nasıl Elde Edilir?

Güneş enerjisi sistemlerinde kullanılan panellerinin çalışmasıyla elektrik enerjisi üretilmektedir. Bu elektrik oluşumu, güneş panellerinin içindeki fotonların enerji taşınımı sonucu oluşmaktadır.

Bu elektrik taşınım ve enerji oluşum işlemlerinin yerine gelmesi için, oluşacak sistemde belli elemanların olması şarttır.

Güneş Paneli Nedir? (Fotovoltaik Piller)

Güneş paneli, güneş enerji sisteminin elektrik üretimi için kullanılan temel elemanıdır. Bu cihaz sayesinde soğurulan güneş ışınları sisteme verilerek elektrik enerjisi üretilir. Fotovoltaik piller, Fotovoltaik hücreler, güneş pilleri ve güneş hücreleri olarakta anılmaktadır.

Fotovoltaik Piller, soğurma ve yarı iletkenlik özelliklerine sahiptirler. Bu iki özelliği birleştirerek bir diyot gibi elektrik üretimi yaparlar. Genel yapı itibari ile dikdörtgen ve kare şekillerde üretilmektedirler. Bu pillerin alanları 100cm2, kalınlıkları ile 0,2 ila 0,4 mm arasında değişim gösterebilmektedir.

Verimlilik açısından kullanılan malzeme türlerine göre güneş pilleri %5 ile %20 arasında verimliliğe sahiptirler. Ancak bağlanma şekillerine göre farklı verimlere de sahip olabilmektedirler.

Şekil 3. Güneş Pili | Kaynak: Antalyaenerji.com
Şekil 3. Güneş Pili | Kaynak: Antalyaenerji.com

Güneş pilleri, seri ve paralel bağlantı yaparlar. Bu bağlantılar ile güneş panelleri veya Fotovoltaik modül dediğimiz sistemleri oluştururlar. Bunlarda birleşerek güneş enerjisi santrallerini veya güneş tarlası gibi sistemleri oluştururlar.

Güneş pilinin yapımı aşamalarında kullanılan malzemelerden bazıları şunlardır;

  • Kristal silisyum,
  • Amorf silisyum,
  • Galyum arsenik,
  • Kadmiyum tellür vs. gibi malzemeler kullanılmaktadır.

Güneş Pillerinin Yapısı

Güneş pillerinin yapısı gereği, ışığı soğurması temel esastır. Yani ışığı absorbe edip, yansıtmaması gerekmektedir. Bu durumda da güneş pilleri yani fotovoltaik piller koyu renkte yapılmaktadır. Bu durum yansımanın en aza getirilmesini ve güneş ışığından maksimum verim alabilmek için gereklidir.

Yansıtmayı önleyen tabakanın üzerinde bu tabakanın korunması için saydam bir korucu cam yapıştırılmıştır. Bu iki tabakanın altında da N ve P tipi olarak 2’ye ayrılan yarı iletken maddeler yer almaktadır.

En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılmakta olan silisyum. Periyodik cetvelde 5.grupta olan bir elementtir. N tipi silisyum elde etmek için, fosfor eklenmektedir. Fosforun fazla olan tek elektronu da, kristal yapıya sahip bir elektron vermektedir. Bundan, 5.grupta olan elementlere de “verici” veya “n tipi” katkı maddeleri denmektedir.

P tipi silisyum elde etmek için, periyodik tabloda 3.grupta yer almakta olan elementler kullanılır. Bunun için alüminyum, bor ve indiyum gibi elementlerden eklenmektedir. Bu kullanılan elementlerin, son yörüngelerinde 3 elektron olduğu için de kristal üzerinde bir eksiği oluşmaktadır.

Oluşan bu eksiklikten dolayı çıkan boşluğa da hol veya boşluk denmektedir. Pozitif yükleri taşıdığı varsayılmakta olup bu maddelere “p tipi” veya “alıcı” katkı maddeleri denmektedir.

Güneş Panelinin Çalışma Prensibi

Güneş pili hücresi fotovoltaik etki ile elektrik üretmektedir. Fotovoltaik etki, güneş ışınlarının elektriğe dönüştürüldüğü fiziksel olaya denmektedir. Fotonlar, güneş ışığının yarı iletken yüzeye çarpması ile atomun içindeki elektronların serbest kalmasıyla oluşmaktadır. Güneş ışınım spektrumundaki dalga boyları için farklı seviyede enerji içerir.

Yarı iletken n-tipi elektriksel negatif malzeme oluşturmak için katkı atomlarına yapılan bağlantı ile iletim bandında birkaç tane elektronu olmasını sağlar. Bunun tam tersi olay ise p-tipi pozitif olan bir malzeme, değerlik bandında elektronları veya boşlukları bırakmak adına bağlanmaktadır.

N ve P tipi arasındaki bağlantı sonucunda, bir voltaj beslemesi oluşmaktadır. Gelen fotonlar absorbe edildiğinde, elektronlar eklemin pozitif tarafına doğru, boşluklar negatif tarafına doğru hareket etmektedir. Bu hareket sonucunda elektrik akımı meydana gelmektedir.

Güneş Pili Çalışma Sistemi
Şekil 4. Güneş Pili Çalışma Sistemi | Kaynak: Antalyaenerji.com

Bir fotovoltaik pile gelen fotonların oluşturmakta olduğu eklemin pozitif tarafına doğru yönelmekte olan serbest elektronlar elektrik akımı oluşturmaktadır. [3]

Kısaca Güneş Paneli Nasıl Çalışılır?

  • Güneş ışığı güneş pili üzerine düşmekte ve fotovoltaik hücreler tarafından absorbe edilmektedir. Pilinde fazlaca elektrona sahip P tipi yarı iletken maddeler ve az elektrona sahip N tipi yarı iletken madde bulunmaktadır.
  • Güneş ışığı P tipi yarı iletken maddeden elektron koparmaktadır.
  • Enerji kazanan elektronlar N tipi yarı iletken maddeye doğru akmaktadır.
  • Bu sabit tek yönlü elektron akışı olan doğru akımı (DC) yaratmaktadır. Elektronlar kurulmuş olan devreler boyunca akarak pillerin şarj edilmesinde veya farklı alanlarda kullanılmakta ve de P tipi yarı iletken maddeye geri dönmektedir. [4]

Güneş Pili Çeşitleri Nelerdir?

Güneş pili çeşitleri aslında temel esasta 4 ana bileşen teknolojisinden oluşmaktadır. Kristal yapılarda, ince film yapılarında, birleşik yapılarda ve nanoteknoloji yapıları olarak sıralanabilir. Genel olarak çeşitleri hakkında bilgi vermek gerekirse;


İnorganik Güneş Pilleri; tek katmanlı inorganik güneş pilleri, elektronlardan birisi yarı iletkene sahiptir. Farklı elektrokimyasal potansiyele sahip iki metal elektrot arasına yerleştirilen silikona benzeyen inorganik yarı iletken maddelerden oluşmaktadır. Tek katmanlı inorganik güneş pillerinin verimleri diğer türlere göre oldukça düşük olmaktadır.


İki Katmanlı İnorganik Güneş Pilleri; n tipi ve p tipi iletkenlerden yapılmaktadır. Bu tür pillerde yüklerin ayrılması, aralarında bulunan yakın sınır bölgesinde gerçekleşmektedir. Bu hücreler ısı ve kimyasal bakımdan güneş enerjisi için oldukça kararlı hücrelerdir. Bu pillerden günümüzde %30’a kadar verim alınabilmektedir.


Tek Kristal Silisyum Pilleri; solar panel yapımlarında sıklıkla kullanılan pil türlerindendir. Bu malzemenin maliyetleri çok yüksektir. Bundan dolayı çok kristalli güneş hücreleri daha fazla ve yaygın kullanılmaktadır.

Silisyum maddesinin genel olarak güneş pillerinin yapımında kullanılmasındaki sebeplerden bazıları; optik, yapılsa ve elektriksel olarak uzun süre korunabilmesinden dolayıdır. Verimler açısından da bu piller %15 ila %23 arasında değişen bir yapıya sahiptirler.[5]


Şekil 5. Çok Kristalli Güneş Pili | Kaynak: Antalyaenerji.com
Şekil 5. Çok Kristalli Güneş Pili | Kaynak: Antalyaenerji.com

Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri; tek kristalli silisyum pillerine yapı malzemesi olarak benzemektedir. Damarlarının boyutları ise, kaliteleri ile doğru orantılıdır. Damarların arasında bulunan süreksizlik durumu, elektriksel yük taşıyıcılarının aktarılmasında da engelleyici rol oynamaktadır. Bu ürünlerin üretimi hem daha kolay hem de az maliyetlidir. Genel olarak verimleri ise %12 ila %15 arasında olmaktadır.


İnce Film Güneş Pilleri; üst üste yerleştirilmiş, aşırı ince, yarı iletken katmanlardan oluşmaktadır. Birçok çeşitli malzemelerden yapılabilmektedir. Ticari olarak kullanılmakta olup, amorf silikondan yapılmaktadır.

İnce film hücre teknolojisinde, farklı çökeltme yöntemleri kullanılmaktadır. Bu yöntemlerde oldukça ucuz yöntemlerdir. Verimleri ise yaklaşık olarak %8 ila %12 arasında değişmektedir. [6]


Amorf Silisyum Güneş Pilleri; cam gibi olan bu amorf yapıdaki malzemelerin atomları da belirli bir düzende sıralanmaktadır. Bu tür malzemeler, tam anlamıyla bir kristal yapı oluşturmazlar. Ayrıca çok fazla sayışa, yapısal ve bağlantı hataları içermektedir.

Verimleri kullanılan malzemelere göre farklılık gösterebilir. Ancak alaşım olarak üretilen bu piller, %24’ten da fazla verim elde edilebilir.CIS Güneş Pilleri; diğer güneş pillerine kıyasla, daha çok ince tabakalı ve verimlilik kapasiteleri olarak %10 civarında dahi olan güneş pillerindendir.

Bu pillerin ince olmasının avantajı olarak, montajının kolay olması, maliyetinin düşük olması ve geniş yüzeylerde yapılan bu uygulamaların kolaylaştı ve birçok avantaj sağladı bu sistemler.


Güneş Panelinin Eş Değer Devresi

Şekil 6.de görüldüğü gibi, fotovoltaik panelin eşdeğer devresi modellemesi yapılmıştır. Bu model üzerinden incelendiğinde;

Isc -> Kısa Devre Akımı
Vd -> Diyot Gerilimi
Id ->Diyot Akımı
Irp ->Şönt Kaçak Direncinin Akımı
Rp ->Şönt Kaçak Direnci
Rs ->Elemanların İç Direnci
I ->Yük Akımı
V ->Yük Gerilimi
Şekil 6. PV Hücrenin Elektrik Devresi
Şekil 6. PV Hücrenin Elektrik Devresi

Eşdeğer devresinin akım ve gerilim arasındaki ilişkiyi matematiksel olarak hesaplaması yapılacak olursa;

Güneş Paneli Akım-Gerilim Formülü
Güneş Paneli Akım-Gerilim Formülü

Fotovoltaik panelin verimini hesaplamak istediğimizde ise şu formülü kullanabiliriz;

Güneş Paneli Verim Formülü
Güneş Paneli Verim Formülü

Fotovoltaik Panellerin Seri ve Paralel Bağlanmaları

Fotovoltaik hücrelerin seri ya da paralel bağlantı şekilleri Kirchhoff’un kanunlarına dayanır. Kirchhoff kanunlarına göre, seri bağlantı olduğunda gerilim artmakta olup, paralel bağlantılar da ise akımlar artmaktadır.

Bununla birlikte, kullanılan panellerde, seri bağlantılarda istenilen gerilim değerlerini elde edebilmek için seri bağlanır. İstenilen akımı elde edebilmek için ise paralel bağlantı yapılmaktadır.

Blokaj ve Bypass Diyotlarının Kullanılması

Blokaj diyotlarının kullanımına bakıldığında, köprüleme diyotunun hatalı olarak çalışması durumunda, bu modülün etrafından o akımın akmasını sağlamaktadır.

Güneş paneli olarak bağlandığında ise aynı problem tekrar meydana gelmektedir. Bunun için blokaj diyotları üzerinden geçen akım sayesinde, sistem çalışmasına devam etmektedir.

Bypass diyotları ise gölgeleme etkisinden dolayı kullanılan diyotlardır. Panellerin güneş enerjisinin azalması yani gölgelenmesi sonucu, gerilim düşümü meydana gelmektedir. Gölgede bulunan hücrelerin akımının sıfır olması ile birlikte, tüm akım şönt kaçak direnci üzerinden akmaktadır. 

Bu durumda da panelimiz zarar görmektedir. Bunların da önüne geçebilmek için, her bir grup hücreye ortak ya da her bir modül için seri olarak Bypass diyotu bağlantısı yapılmaktadır.

Şekil 7. Bypass Diyotu – Blokaj Diyotu
Şekil 7. Bypass Diyotu – Blokaj Diyotu

Güneş Enerji Sistemlerinde Akü Seçimi

Güneş enerji sistemlerinde, panellerden sonraki en önemli parçalardan biriside akülerdir. Aküler sayesinde, güneş panelleri ile üretilen elektrik enerjisi de, sonralarda kullanılabilmek için sisteme bağlı akülerde saklanmaktadır.

Havanın güzel olduğu zamanlarda verimli bir güç üretimi sayesinde ihtiyaç için akülerde depolanan elektrik enerjisi de kullanılabilmektedir.

Akü kullanımının zorunlu olmasındaki en önemli etkenlerden birisi, güneş ışınların her daim kullanılabilir olmamasıdır. Bu durumda depolama ve sonra kullanılabilmesi açısından aküler bu sistemlerde önemli bir elemandır. Sisteme bağlı olan bu akülerin maliyetleri düşük olup, fazla bakım gerektirmemektedirler.

Güneş Enerjisi sistemlerinde kullanılan akülerin temel görevleri şunlardır;

  • Solar aküler, kullanım açısından uzun ömürlü olacak şekilde tasarlanmışlardır.
  • Diğer akü türleri ile kıyaslandığında, güneş enerji sistemleri için tasarlanmış ve daha yüksek enerji yoğunluklarına sahip olabilmektedirler.
  • Yüksek ve düşük sıcaklıklara karşı dayanıklı olmaktadırlar.
  • Akülerin kullanımı esnasında, deşarj olma riskleri yüksektir.
  • Aküyü oluşturan malzemeler de aşınmaya karşı dirençli olmaktadır.
Şekil 8. Solar Akü ve Diğer Ekipmanlar
Şekil 8. Solar Akü ve Diğer Ekipmanlar

İnverter (Çevirici)

İnvertörler, güneş enerji sistemleri için önemli bir parçadır. Adından da anlaşılacağı üzere, sistem üzerinde çevirme yani dönüştürme işlemi gerçekleştirmektedir.

Sistem üzerinde üretilen doğru akımı (DC), şebekeye verebilmek için alternatif akıma (AC) dönüştürmektedir.

İnvertörlerin seçimi sistemdeki panellerin sayıları ve büyüklükleri ile doğru orantılı olmaktadır. Panellerin bu çokluğu ile elektrik üretiminde bir artış olacaktır. Artan bu elektrik enerjisinin de şebekeye doğru iletilmesi için İnverter sayısının arttırılması gerekmektedir.

İnvertörler farklı tür elektrik üretim tesislerinde de kullanılabilmektedir. Örneğin rüzgar enerjisi sistemlerinde de kullanılan invertör çeşitleri bulunmaktadır. Bu doğrultuda bakıldığında, invertör seçimleri kullanılacak alan için çok büyük bir önem arz etmektedir.

Piyasada da en çok tercih edilen invertör çeşidi, tam sinüs invetör modeli olan, dağıtım şebekelerinde kullanılan türüdür.

Akü Regülatörü

Bu parça, akü tam olarak şarj olana kadar, aynı şekilde de deşarj olana kadar sistemin tam kapasiteyle şarj olmasını engelleyen temel cihazlardan biridir. Akü regülatörü sayesinde aküler, optimum düzeyde olan, verimlilik ile çalışmaktadır. Akü regülatörü kullanımı, akünün ömrünü ve kullanım süresini uzatmaktadır.

Şekil 9. Güneş Enerjisi İle Çalışan Gemi | Kaynak: Paletsolar.com
Şekil 9. Güneş Enerjisi İle Çalışan Gemi | Kaynak: Paletsolar.com

Güneş Panelinin Kullanım Alanları Nerelerdir?

Gün geçtikçe çok farklı ve çeşitli yerlerde kullanılabilmekte olan güneş panelleri, gelişen teknoloji ile birlikte de hayatımızda birçok yere dokunmuş durumdadır. En çok kullanılan bu alanları şu şekilde sıralamak doğru olacaktır;

  • Fabrikalarda, endüstriyel alanlarda, soğuk hava depoları gibi enerjilerin yüksek yoğunluklu olduğu mekanlar,
  • OSB’lerin çatılarında, tarımda, hayvancılıkta, Alışveriş merkezlerinde, oteller ve hastanelerde ve bunlara benzer işletmelerde,
  • Evlerin ve konutların ihtiyaçlarını karşılayabilmek için çatılarında,
  • Elektrik şebekesinin uzak olduğu ve yetişmesi zor olan mekanların elektrik ihtiyacını karşılamak için,
  • Tarımsal sulama sistemlerinin çalışmasında,
  • Sıcak su teminin edilmesinde,
  • Seralarda, sebze ve meyve üretimindeki sıcaklık dengesi ve su ihtiyacı için sılama sisteminin elektrik ihtiyacının karşılanmasında,
  • Trafik lambaları, sokak lambaları gibi aktif olarak ihtiyacın olduğu yerlerde,
  • Karavanların elektrik ihtiyacını karşılayabilmek için sistemlerinde,
  • Kampa giderken elektrik ihtiyacının olmadığı durumlarda taşınabilir panel olarak,
  • Teknelerde elektrik ve yakıt ihtiyacının karşılanmasında
  • Vb. birçok amaç için kullanılmaktadır.

Güneş Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları Nelerdir?

Güneş enerjisi hem bedava hem de dünyanın varoluşundan beri elimizde bulunan bir enerjidir. Dünya yüzeyine bir saat boyunca gelen güneş enerjisini kullanabilseydik, tüm dünyanın yaklaşık 1 yıllık enerji ihtiyacını karşılayabilirdik.

Ancak şuan ki teknoloji ile bunun sayede %0,001’ini kullanabilmekteyiz.[8] Ancak gelişen teknoloji ile birlikte, bu sayı gün geçtikçe artmaktadır.

Güneş Enerjisinin Avantajları Nelerdir?

  • Yenilenebilir bir enerji kaynağıdır,
  • Elektrik faturalarındaki tutarları düşürür,
  • Farklı uygulama alanlarında kullanılabilir,
  • Düşük bakım maliyeti ile daha rahat olunabilir,
  • Teknolojinin ilerlemesi ile daha verimli ve güçlü olabilmektedir,

Güneş Enerjisinin Dezavantajları Nelerdir?

  • İlk yatırım maliyetleri fazladır,
  • Hava durumu üzerindeki değişimler verimliliği de etkiler,
  • Güneş enerjisinin depolaması pahalıya patlayabilir,
  • Çok enerji elde etmek için çok alana ihtiyaç vardır,
  • Kendi az üretse de üretiminden gelene kadar çevresel kirliliğe sebebiyet verebilir,

Daha detaylı bir içerik için Güneş Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları içeriğimizi inceleyebilirsiniz.

Ayrıca diğer içeriklerimizi de okumadan geçmeyin;

Güneş Enerjisinin Tarihi? hakkındaki yazımızı okuyarak bilgi sahibi olabilirsiniz.
Güneş Enerji Sistemleri Nelerdir? hakkındaki yazımızı okuyabilirsiniz.
Güneş Enerjisinin Avantajları ve Dezavantajları hakkında bilgi sahibi olmak için okuyabilirsiniz.
Türkiye’de ve Dünyada Güneş Enerjisi Potansiyeli hakkında bilgi sahibi olmak için okuyabilirsiniz.
Türkiye’nin En Büyük 10 Güneş Enerji Santrali için içeriğimizi inceleyebilirsiniz.


Kaynakça

Daha Fazla Göster

İlgili Makaleler

Bir yanıt yazın

E-posta adresiniz yayınlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Başa dön tuşu