Güneş enerjisi veya Güneş erkesi, Güneş ışığından enerji elde edilmesine dayalı teknolojidir.
Güneşin yaydığı ve dünyamıza da ulaşan enerji, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışıma enerjisidir, güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 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, güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş’ten elde edilebilecek enerji [değiştir]
Dünyanın atmosferinin üzerine ve dünya yüzeyine düşen teorik yıllık ortalama güneş ışığı miktarı
Global güneş enerjisi kaynakları. Haritadaki renkler, 1991-1993 yılları arasında, gerçekleşen ortalama yerel güneş enerji değerleri hakkında W/m
2 cinsinden bilgi vermektedir.
Dünyanın yörüngesi üzerinde, uzayda, birim alana ulaşan güneş ışınları, güneşe dik bir yüzey üzerinde ölçüldükleri zaman 1,366 W/m2’dir. Bu değer güneş enerjisi sabiti olarak da anılır.[1]
Atmosfer bu enerjinin %6’sını yansıtır, %16’sını da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek güneş enerjisi 1,020 W/m2’dir [2] [3]. Bulutlar gelen ışımayı, yansıtma suretiyle yaklaşık %20, sönümleme suretiyle de yaklaşık %16 azaltırlar. Sağdaki resim 1991 ve 1993 yılları arasında uydu verilerine dayanarak, elde edilebilen ortalama güneş enerjisinin W/m2 cinsinden gösterimidir. Örneğin Kuzey Amerika’ya ulaşan güneş enerjisi 125 ile 375 W/m2 arasında değişirken, günlük elde edilebilen enerji miktarı, 3 ila 9 kWh/m2 arasında değişmektedir. [4]
Bu değer, elde edilebilecek mümkün en yüksek değer olup, güneş enerjisi teknolojisinin sağlayacağı en yüksek değer anlamına gelmez. Örneğin, fotovoltaik (güneş pili) panelleri, bugün için yaklaşık %15’lik bir verime sahiptirler. Bu nedenle, aynı bölgede bir güneş paneli, 19 ile 56 W/m2 ya da günlük 0.45-1.35 kWh/m2 enerji sağlayacaktır. [5] Yandaki resimdeki koyu renkli alanlar, güneş paneli kaplanması durumunda aynı bölgede 2003 yılında üretilen toplam enerjiden biraz daha fazla enerji üretebilecek örnek alanları göstermektedir. [6] Bugünkü %8 verime dayalı teknoloji ile dahi, işaretli bölgelere yerleştirilecek güneş panelleri, bugün fosil yakıtlar, hidroelektrik, nükleer vb kaynaklara dayalı tüm santrallerin ürettiği elektrik enerjisinden biraz daha fazlasını üretebilecektir.
Hava kirliliğinin neden olduğu Küresel loşluk ise daha az miktarda güneş ışının yeryüzüne ulaşmasına neden olduğu için, güneş enerjisinin geleceği ile ilgili az da olsa endişe yaratmaktadır. 1961-90 yılları arasını kapsayan bir araştırmada, aynı dönem içerisinde deniz seviyesine ulaşan ortalama güneş ışını miktarında %4 azalma olduğu gözlenmiştir. [7]
Güneş enerjisi potansiyeli [değiştir]
En büyük enerji kaynağı olarak güneş, dünya yüzeyine her yıl yaklaşık 3,9 · 1024 J enerji miktarı gönderir. Bu miktar 1,08 · 1018 kW/saat'e eşittir. Bu enerji miktarı, bugün dünyanın sanayide ihtiyaç duyduğu enerjinin yaklaşık 10.000 katıdır.
Güneşin verdiği enerji, gün içinde güneşli saatlere, güneş ışığının bölgesel olarak düştüğü açıya, günün saatine, mevsime ve enleme göre belirlenir. Buna göre değişen enerji miktarı, Orta Avrupa'da yaklaşık olarak metrekarede 1.000 kWatt/yıl ve Sahra çölünde yaklaşık olarak metrekarede 2.350 kWatt/yıl kadardır. Sahra çölünün yalnızca % 1'lik bir alanı, tüm dünyanın enerji ihtiyacını karşılayabilme potansiyeline sahiptir. Avrupa'nın yenilenebilir enerji kaynağı olarak ihtiyacı olan güneş enerjisinin, Kuzey Afrika'dan elde edilebileceği hesabının yapıldığı bazı senaryolar vardır. Bu senaryolara göre, Kuzey Afrika'dan yapılacak enerji transferi yüksek gerilim hatlarıyla yapılabilir. Uydularla yapılan araştırmalara göre, Kuzey Afrika'nın ve ortadoğunun çöl bölgelerinin % 0,3'den daha azını kapsayan - binde üçlük - bir alandan elde edilecek enerji hem bu ülkelerin enerji ve su ihtiyacını, hem de tüm Avrupa ülkelerinin enerji ihtiyacını karşılayabilecektir. [8] Enerjinin aktarımıyla ilgili başka bir düşünce, güneş enerjisini bir uyduya yönlendirerek toplamak ve yeniden Dünya'ya göndermek şeklindedir. Çeşitli bilim insanlarından, politikacılardan ve uzmanlardan oluşan ve yenilenebilir enerji kaynakları ve bunların kurulumu çalışmalarıyla ilgilenerek, uluslararası çalışma yürüten bir kurum, Die Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation'dır. Benzer bir çalışma ABD'de Grand Solar Plan adıyla yürütülmektedir. [9]
Türkiye'nin güneş enerjisi potansiyeli [değiştir]
Türkiye'nin toplam yıllık ortalama güneşlenme süresi metrekarede 2.640 saat. Ortalama toplam ışınım şiddeti metrekarede 1.311 kWh/yıl'dır. Bu miktar, 779.452 km2'lik yüzölçümüyle tüm Türkiye için 1.021.861.572.000.000 kWh/yıl kadardır. Bu sayı Türkiye'de kişi başına düşen güneş enerjisi miktarının yaklaşık olarak 14.000.000 kWh olduğunu gösterir. Bu sayı, Türkiye'de kişi başına yıllık tüketim miktarı olan 2.700 kWh'lık elektrik enerjisinin 5.000 katından fazladır.
- 2007 yılında Türkiye'de kişi başına düşen yıllık elektrik tüketimi 2.700 kWh.
- Türkiye'de kişi başına düşen yıllık güneş enerjisi miktarı 14.000.000 kWh.
- 2007 yılında Türkiye'de bir kişinin yıllık tükettiği elektrik miktarı, yaklaşık 2 m2'lik bir alanın yıllık güneş enerjisi potansiyeline eşittir. (2.700 : 1.311 = 2.06 m2)
Türkiye'nin 2007 yılındaki elektrik tüketimi 190 milyar kWh'dir. Gelişmiş ülkelerde 8.900 kWh kadar olan elektrik tüketimi, Türkiye'de kişi başına yıllık olarak 2.700 kWh'dir. Türkiye'de tüketilen toplam 190 milyar kWh'lik elektrik miktarına karşın, güneş enerjisi potansiyeli bunun 5.000 katı olarak 1.021.861 milyar kWh'dir.
- 2007 yılında Türkiye'de elektrik tüketimi 190 milyar kWh.
- Türkiye'nin bir yıldaki güneş enerjisi potansiyeli yaklaşık 1.021.861 milyar kWh.
- Türkiye'nin yaklaşık 144 km2'lik bir alandaki potansiyel güneş enerjisi miktarı, Türkiye'nin yıllık 190 milyar kWh'lik elektrik tüketimine eşittir. Bu alanın büyüklüğü 12 km x 12 km olarak, Türkiye'nin yüzölçümünün 5000'de 1'inden daha azdır. Kişi başına bu alan, 2007 yılında kişi başına düşen elektrik tüketimi miktarı için 2 m2'den biraz fazla bir alanı kapsar.
İspanya'nın büyük bir proje olarak yürüttüğü güneş enerjisini toplayan bir sistemin esası, ortadan dikine kesilmiş silindir benzeri parabol yapıdaki toplayıcılardır. Bu toplayıcıların odak noktasında bulunan bir borunun içinde su yerine yağ bulunur. [10] Dikine kesilmiş silindir benzeri parabol şeklindeki toplayıcılardan gelen güneş ışığı, bunun odak noktasından geçen borulardaki yağı ısıtır ve bu ısı elektrik enerjisine dönüştürülür. Diğerlerine göre bu sistem, esas olarak çok karmaşık ve pahalı değildir ve Türkiye'de de uygulanması çok kolaydır. Örneğin kentlerde evlerin çatıları bu düzenekle donatılabilir ve kırlık alanlarda arazilerin sulanması bu şekilde küçük ölçekteki düzeneklerle mümkündür. Bedava olan güneş enerjisi, üretilen çeşitli ürünlerin fiyatını düşürerek fayda sağlamasının yanında, daha da önemli bir etken olarak doğanın korunmasında ideal bir enerji kaynağıdır. Sanıldığının aksine güneş enerjisinden yararlanmak için, ne çok ileri teknolojiler gerekmekte, ne de çok büyük alanlara gereksinim duyulmaktadır. Yukarıdaki hesaplamaların gösterdiği gibi, 2 m2'lik bir alan, 2007 yılında Türkiye'de kişi başına tüketilen elektrik enerjisi miktarına eşit düzeyde bir güneş enerjisi potansiyeline sahiptir.
Güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülmesinde, %30'luk verim ile stirling motoru kullanımı en yüksek verimli bir sistem olarak kabul edilir. Buna göre güneş enerjisinin yaklaşık üçte biri elektrik enerjisine dönüştürülebildiğinden, belirli bir alanın üç katı büyüklüğünün, o alanın tam güneş enerjisi potansiyeline denk olduğu söylenebilir. Bu hesapla 2007 yılı kişi başına elektrik tüketimi için gerekli alanın yaklaşık üç katının gerekli olduğu ortaya çıkar.
- Yüzde 30'luk verimle yaklaşık 6 m2'den biraz fazla bir alan, güneş enerjisinin 2 m2'lik enerji potansiyeline denktir. (2 m2 x 3 = 6 m2) Yaklaşık 6 m2'lik bir alan Türkiye'de 2007 yılında bir kişinin kullandığı elektrik tüketimine eşit bir elektrik üretimini verebilir.
Petrol gibi fosil yakıtları yerine de elektrik enerjisi kullanılmak istendiği varsayıldığında daha büyük bir alan gereklidir. Yine de, örneğin 25 m2'lik bir alanın bir kişiye, gelişmiş ülkeler seviyesinde bir enerji tüketimi olanağı sağlayabileceği görülebilir. Dört kişilik bir ailenin 100 m2'lik bir evde yaşadığı varsayılırsa, bu evin 100 m2'lik düz çatı alanının, böyle bir ailenin tüm enerji gereksinimi için yeterli bir alan oluşturduğu hesaplanabilir.
Güneş enerjisini, biodizel ve benzeri başka alternatif enerji kaynaklarından sağlamaya çalışmanın, başka sorunları ortaya çıkardığı görülür. Bu nedenle, güneş enerjisinden yararlanmak için, doğaya en uygun yöntemi seçmek de çok önemlidir.
Güneş enerjisi teknolojileri [değiştir]
Güneş ışınlarından yararlanmak için pek çok teknoloji geliştirilmiştir. Bu teknolojilerin bir kısmı güneş enerjisini ışık ya da ısı enerjisi şeklinde direk olarak kullanırken, diğer teknolojiler güneş enerjisinden elektrik elde etmek şeklinde kullanılmaktadır.
==mal mal Güneş enerjili sıcak su sistemleri, suyu ısıtmak için güneşe ışınlarından yararlanır. Bu sistemler evsel sıcak su ya da bir alanı ısıtmak için kullanılabildiği gibi çoğunlukla bir havuzu ısıtmak için kullanılır. Bu sistemler çoğunlukla bir termal güneş paneli ile bir de depodan oluşur.[11] Güneş enerjili su ısıtıcıları üç grupta toplanır.
- Aktif sistemler, suyun ya da ısı transfer sıvısının çevirimi için pompa kullanırlar.
- Pasif sistemler suyun ya da ısı transfer sıvısının devrini doğal çevirim ile sağlarlar.
- Kütle sistemleri su tankının doğrudan güneş ışığı ile ısınmasını amaçlarlar.
Yaygın ısıl güneş enerjisi uygulamaları şunlardır:
- Düzlemsel güneş kollektörleri: Ülkemizde de çok yaygın olarak kullanılan, evlerde sıcak su elde etmede kullanılan sistemlerdir.
-Yoğunlaştırıcılı güneş enerjisi santralları: Bunlarda, doğrusal, çanak şeklinde ya da merkezi bir odağa yönlendirilmiş dev aynalar kullanılarak, odak noktasında çok yüksek sıcaklıkta ısı elde edilir. Genellikle elektrik üretiminde kullanılır. Ancak henüz bir yaygınlık kazanamamışlardır.
-Vakum Tüplü Güneş Enerjisi Sistemleri: Vakum tüplü güneş enerjisi kolektörleri: iç içe geçmiş 2 adet silindirik cam tüpün ısı yolu ile birbirine bağlanması ve bu işlem sırasında arasındaki havanın alınması ile üretilir. Dış silindirik tüpün yüzeyine düşen Güneş ışınları aradaki havasız ortamdan geçerek iç kısımdaki silindirik tüpün yüzeyinde absorbe edilmesi ile çalışır. Arada madde olmadığından dolayı sadece ışıma ile ısınan sistem suyu dış hava sıcaklığından bağımsızdır.
-Güneş ocakları: Çanak şeklinde ya da kutu şeklinde güneş ısısını toplayan yapılardır. Gelişmekte olan ülkelerde daha yaygın kullanılır.
-Trombe duvarı: Sandviç şeklinde cam ve hava kanalları ile paketlenmiş bir pasif güneş enerjisi sitemidir. Güneş ışınları gün boyunca, duvarın altında ve üstünde yer alan hava geçiş boşluklarını tahrik ederek, doğal çevirim ile termal kütleyi ısıtırlar. Gece ise trombe duvarı biriktirdiği enerjiyi ışıma yolu ile yayar. [12]
-Geçişli hava paneli: Aktif güneş enerjili ısıtma ve havalandırma sistemidir. Termal güneş paneli gibi davranan, güneşe bakan delikli (perfore) bir duvardan oluşur. Panel, binanın havalandırma sistemine ön ısıtma uygular. Ucuz bir yöntemdir. %70’e kadar verime ulaşılabilir.[13]
Araştırmaya konu olmuş, ancak yaygınlaşamamış bazı ısıl güneş enerjisi teknolojieri:
-Güneş Havuzları: Havuza atılan tuzların yardımı ile dip tarafta sıcaklık elde edilir. Bunlar daha çok deneysel sistemler olarak kalmışlar, bir yaygınlık gösterememişlerdir.
-Güneş Bacaları: Bir binanın zemininde toplanan ısı, yüksek ve dar bir bacaya yönlendiğinde, bacada kurulu türbini çalıştırır. Bu da, deneysel aşamada kalmış güneş enerjisi türlerinden biridir.
-Su Arıtma Sistemleri: Bunlar da bir çeşit havuz sistemidir. Havuzun üstüne eğimli cam kapak yerleştirilir, buharlaşan su tuzdan arınarak bu kapakta yoğunlaşır.
-Ürün kurutma sistemleri.
Bu yat üzerindeki güneş pilleri 12 voltluk aküleri, 9 Amp’e kadar doğrudan güneş ışığı yardımıyla doldurabilirler.
Güneş pilleri ya da fotovoltaik piller diye anılan cihazlar, yarıiletkenlerin fotovoltaik etki özelliğini kullanarak, güneş ışığından elektrik enerjisi üretirler. Güneş pilleri, kurulan sisteme bağlı olarak birkaç mW'dan birkaç MW'a kadar elektrik üretebilir. Yüksek üretim maliyetleri nedeniyle, yakın zamana kadar oldukça az kullanılmıştır. 1950'lerden bu yana uzayda uydularda, 1970'li yıllarda, elektrik hattından uzak yerlerde, yol kenarlarındaki acil telefon cihazları ya da uzaktan algılama gibi uygulamaların enerji gereksiniminin karşılanmasında kullanılmıştır. Son yıllarda, evlerde elektrik şebekesi ile birlikte çalışan sistemler de yaygınlaşmıştır.
2005 sonu itibarı ile toplam 5,300 MW olduğu zannedilen kurulu güneş pili kapasitesinin, gelişmiş ülkelerin, güneş pillerinin evsel amaçlı kullanımına verdiği teşvikler nedeniyle, 2006 yılında da ciddi artış göstermesi beklenmektedir. Gerek kullanımdaki artış, gerekse teknolojik gelişmeler nedeniyle güneş pillerinin üretim maliyetinde her yıl azalış görülmektedir. Bir güneş pili panelinin watt başına maliyeti 1990 yılında yaklaşık 7,5 USD iken, 2005 yıllında bu rakam yaklaşık 4 USD seviyesine inmiştir. Gelişmiş ülkelerin sunmuş olduğu teşvikler, güneş pillerinin yatırım maliyetinin 5 ile 10 yıl arasında geri dönebilmesini sağlamaktadır. Evsel amaçlı kullanılan güneş pilleri bir inverter aracılığı ile elektrik şebekesine bağlanmakta, böylece üretilen elektriğin akülerde depolanmasından tasarruf edilmektedir. 2003 yılı içerisinde tüm dünyada gerçekleşen güneş pili üretiminde %32'lik bir artış gözlenmiştir.[14] Güneş pili kullanımındaki artış o kadar büyüktür ki, yarıiletken üretiminin talebi karşılayamaması, güneş pili üretiminin artışında bir kısıtnoluoki günese ne olmuştur.[15] Bu sorunun 2006 ve 2007'de de devam edebileceği sanılmaktadır.[16]
Mimaride güneş enerjisi [değiştir]
Güneş enerjisinden yararlanan tasarımlar, çok az daha ilave enerji kullanmak suretiyle, konfor sıcaklığı ve ışık seviyesinin elde edilmesini hedefler. Bunlar pasif güneş enerjisinde olduğu gibi soğuk ortamlarda daha fazla güneş ışığı ile sıcak su elde edilmesi şeklinde ya da aktif güneş enerjisinde olduğu gibi, pompa ve fanlar kullanarak, sıcak ve soğuk havanın (ya da sıvının) yönlendirilmesi şeklinde de olabilir.
Seralar da bir çeşit güneş mimarisi örneğidir.
Güneş ışığı ile aydınlatma [değiştir]
İç mekanlar gün içerisinde ışık tüpleri ile aydınlatılabilirler.
Örneğin ışık tüpleri, çatıya yerleştirilmiş güneş ışınlarını toplayacı bir çanağa bağlanarak, iç mekanlarda aydınlatma kaynaklı enerji giderlerini azaltarak, daha doğal bir aydınlatma yapabilirler
Isıl güneş enerjisinden elektrik üreten enerji santralleri [değiştir]
Solar İki, yoğunlaştırılmış güneş
enerji kulesi (ısıl güneş enerjisine örnektir).
Isıl güneş enerjisi sistemleri, yaygın olarak, bir ısı eşanjörünü yüksek sıcaklıklara kadar ısıtarak, elde edilen ısının elektrik enerjisine dönüştürülmesi şeklinde kullanılırlar.
Enerji kuleleri [değiştir]
Enerji kuleleri bir ağ şeklinde yerleştirilmiş, çok sayıda düz ve hareketli olurlar.
Yoğunlaştırıcılı kollektörler ve buhar motorları [değiştir]
Bir yoğunlaştırıcılı kollektörde ısıya dönüştürülen güneş enerjisi, nükleer ya da kömürlü elektrik santrallerinde olduğu gibi, suyun kaynatılarak buhara dönüştürülmesi ve elde edilen buharla da bir buhar motoru ya da bir buhar türbininin tahrik edilmesi suretiyle elektrik enerjisi elde edilir.
Stirling motoru buharla çalışan motorlara benzer. Bu tür motorlarda buhar yerine gaz kullanılır. Bir stirling motoru herhangi bir tür ısı kaynağı ile tahrik edilir. Stirling motoru, içinde belirli bir gaz bulunan ve kapalı devre çalışan bir ısı motorudur. Stirling motorunun çalışma sistemi sıcak ve soğukluk farkına dayanır. Kapalı devre bir sisteme sahip motorun içine dışarıdan bir yakıt verilmez. Stirling motorunun çalışması için gerekli enerji dışardan ısı şeklinde verilir.
Güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülmesinde stirling motorunun kullanımı, %30'luk bir verim ile en yüksek verime sahip bir sistem olarak kabul edilir.
