Güneş Enerjisi Nedir Ne Değildir (Bölüm 2)

Evet seriye kaldığımız yerden devam ediyoruz. İlk bölümde enerji çeşitlerini gördük, güneş hakkında bazı genel bilgiler edindik. Bu bölümde ise sadece güneş enerjisi üzerine yoğunlaşıyoruz. Güneşten enerji üreten makineler nelerdir, kaç çeşidi vardır, güneş plakalarının çalışma prensibleri nelerdir, gerekli hesaplamalar nasıl yapılır vb konulara değineceğiz.

Serinin ilk yazısı olan Güneş Enerjisi Nedir Ne Değildir (Bölüm 1)’e burdan olaşabilirsiniz

Bir hatırlatma: Bu yazıyı istediğiniz yerde, istediğiniz gibi yayınlamakta özgürsünüz. Ama verdiğim emeğin hakkını, karşılığını vermek adına yazıyı yayınladığınız yerde, yazının hemen üstünde bu sayfaya bağlantı vermeniz gerekiyor. Şimdiden teşekkürler.

Güneş Açıları

Güneşin konumu Yükseklik Açısı ve Azimut açıları ile belirlenir .

Şekil Güneş Açıları

Yükseklik Açısı (a_s): Güneş ışınımı ile yatay arasındaki açıdır. Tanımlamaya göre a_s = 90 – q_z olur.

Güneş azimut açısı (g_s): Güneş ışınlarının kuzeye göre, saat dönüş yönünde, sapmasını gösteren açıdır.

Yüzey azimut açısı (g): Yüzeyin dikeyinin, yerel boylama göre, sapmasını gösteren açıdır. Güneye bakan yüzeyler için g=0^o olur. Doğuya yönelen yüzeyde artı değer alır. Batıya yönelen yüzeyde eksi değer alır.

Deklinasyon açısı (d): Saat 12’de güneş ışını ile ekvator düzlemi arasındaki açıdır.

Geliş açısı (q): Yüzeyin normali ile güneş ışını arasındaki açıdır.

Zenit açısı (q_z): Işın ile yatay yüzeyin dikeyi arasındaki açıdır. Tanımlamaya göre q_z=90-a olur.

Enlem açısı f : Kuzey yarım kürede artı değerini alır.

Saat açısı (w): Saat 12’de w = 0^o olur. Bir saat 15 ^o boylama eşittir. Öğleden önce açı (-) değer alır. Öğleden sonra açı (+) değer alır.

Eğim Açısı (b) : Yüzey ile yatay arasındaki açıdır. Ekvatora yönelen yüzey için artı değer alır.

Güneş Enerjisi Genel Bağıntıları

Güneye yönlendirilmiş eğimli bir yüzeyde ve iki eksenli izleme sistemi yüzeyinde güneş ışınımı mevcut literatür yardımıyla aşağıdaki gibi hesaplanabilir :

Güneş sabitinin günlere göre düzeltme faktörü (f), n yıl içindeki gün sayısı (1-365) olmak üzere;

şeklinde tanımlanır. Deklinasyon açısı d ise ;

şeklinde hesaplanabilir.

Saat açısı w ;

w=(dakika sayısı / 4) ile hesaplanabilir.

Burada dakika sayısı öğleden önce için (-), öğleden sonra için (+) alınır. Örneğin saat 11:00 için dakika sayısı (-60) alınır. Buradan w açısı ise -15^o çıkar.

Güneş yükseklik açısı ise a_s ;

ifadesi yarımıyla hesaplanabilir. Burada f bölgenin enlem derecesidir.

Güneş azimut açısı ;

şeklinde hesaplanır.

Zenit açısı ise ;

olarak elde edilebilir.

Yüzey azimut açısı g ise ;

Güneye yönlendirilmiş yüzeyler için ; g = 0

iki eksen izlemeli sistemlerin yüzeyi için ; g = 180 – g_s şeklinde alınabilir.

Güneş geliş açısı ;

formülü yardımıyla hesaplanabilir.

Güneye yönlendirilmiş bir yüzey için g = 0 alınır. İki eksenli izleme durumunda ise q = 0 olur. İki eksenli izleme yapan sistemin eğim açısı ise b ;

ifadesi ile belirlenir.

Yatay yüzeye gelen anlık ışınım H;

H= olarak hesaplanabilir.

Burada 1353 W/m² olarak güneş sabitidir.

Yatay bir yüzeye gelen ışınım yoğunluğu (H) ile maksimum güneş ışınımı (H_n) arasında ;

şeklinde bir ilişki vardır.

Eğik yüzeye dik direkt güneş ışınımı miktarı H_b ;

ile hesaplanabilir.

R_b, Pv panel üzerine gelen ışınımın yatay düzleme gelen ışınıma oranıdır ve ;

şeklinde hesaplanabilir.

Böylece eğik yüzeye dik direkt güneş ışınımı miktarı H_b ;

şeklinde de yazılabilir.

Eğimli bir yüzeyde difüz ışınım miktarı ise H_d,p ;

şeklinde tanımlanabilir.

H_d yatay bir yüzeydeki difüz ışınım miktarıdır ve ;

şeklinde hesaplanabilir. Burada k_y yayılı ışınım oranıdır ve

denkliği ile hesaplanabilir. Burada K_T bulutluluk faktörü olup ;

K_T =

şeklinde verilmiştir.

Eğimli bir yüzeyde yansıyarak gelen ışınım miktarı H_gr ise ;

şeklinde verilir. Burada r_g yüzey yansıtıcılığıdır. Tabloda farklı yüzeyler için yansıtma katsayıları görülmektedir.

Tablo Farklı yüzeyler için yansıtma katsayıları.

Yüzey	Ortalama yansıtma katsayısı
Kar (yeni yağmış veya buz kaplı)	0.75
Su yüzeyi	0.07
Yeşil çim	0.26
Beton kaplı alan	0.22
Topraklar (kil, balçık, vb)	0.14
Çam ormanları (kış mevsimi)	0.07
Sonbahardaki ormanlar	0.26

Eğimli bir PV panel yüzeyine gelen toplam ışınım miktarı ise ; direkt ışınım, difüz ve eğimli bir yüzeyde yansıyan ışınımların toplanmasıyla ;

elde edilebilir.

Optimum Eğim Açısı Araştırmaları

Optimum eğim açısı için önerilen basit kural şöyledir ;

- Bütün yıl için yaklaşık olarak : eğim = enlem

- Yaz için : eğim = enlem – 10^o

- Kış için : eğim = enlem + 10^o

Benzer sonuçlara vararak yıllık optimum verim için (eğim = 0.9 x enlem) kuralını önerenler de mevcuttur. Konuyu ekonomik yönden inceleyenler ise kış için (eğim = enlem + 15^o) kuralını geliştirmişlerdir.

Deriş’e göre optimum açı için aşağıdaki kurallar saptanmıştır;

a- Yıllık optimum verim için : β = 0.9 x enlem

b- 7 aylık kış mevsiminde optimum verim için : β = enlem + 15^o

c- Kış mevsiminde en soğuk üç ayda optimum verim : β = enlem + 25^o

d- Yaz mevsiminde optimum verim için : β = enlem – 25^o

Bu kuralların uygulanmasında katı davranılmamalı ve durumun özellikleri göz önünde tutulmalıdır. İklim şartları önemli bir faktördür. Örneğin bir yörede Aralık ve Ocak ayları %80 kapalı geçiyorsa, modül bu aylara göre yönlendirilmelidir. İkinci önemli faktör sistemin kullanış amacıdır. İlk veya sonbahar mevsimlerinde azami verimle çalışması gereken mevsimlik bir iş için sistem kurulacaksa eğim açısı buna göre hesaplanmalıdır. Bu kısımda verilen bilgi ile her türlü esnek uygulama olanakları sağlanabilir.

İdeal konumdan 15^o sapma halinde kayıp oranı %6 mertebesinde olacaktır. Bu nedenle mimari ve diğer etkenler sebebi ile ideal açı uygulanamazsa kayıplar çok büyük olmayacaktır

GÜNEŞ PİLLERİ

Güneş enerjisinden elektrik üretiminde karşımıza çıkan fotovoltaik (photovoltaic) terimi, ışıktan gerilim üretilmesi anlamına gelir ve genellikle “PV” ile gösterilir. Güneş pilleri, enerjinin korunumu yasasına uygun olarak, ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren cihazlar olup enerjiyi depolayamazlar. Işık kaynağı ortadan kalktığında, pilin ürettiği elektrik de kesilecektir. Eğer gece boyunca da elektrik kullanılacaksa, sisteme bir elektrik depolayıcı eklenmesi gerekir.

Güneş pilleri doğru akım ürettikleri için, doğru akımla çalışmayan alet ve cihazlar için doğru akımı alternatif akıma dönüştürmek, güneş olmadığı zamanki elektrik ihtiyacını karşılamak ve güneş olduğunda ihtiyaç fazlası elektrik enerjisini karşılamak gibi her uygulamada ayrı olarak yük eğrisi ve güneş enerjisi şiddeti eğrisi arasındaki uzlaşmayı sağlayacak mühendislik problemleri ve bunların çözümü, güneş pilleri ile elektrik üretiminin en ilginç yanlarından biridir.

Güneş Pili Çalışma Prensibi

Enerji dönüşümü için, yarı iletken bir diyot olan PV eleman,güneş ışığının taşıdığı enerjiyi iç fotoelektrik olaydan faydalanarak doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür. Bu etki şekilde gösterilmektedir.

Şekil Bir güneş pilinde fotovoltaik etki.

Yarı iletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bantından oluşur. Bu bantlar “valans bantı” ve “iletkenlik bantı” adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarı iletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans bantındaki bir elektrona vererek elektronun iletkenlik bantına çıkmasını sağlar. Böylece elektron-boşluk çifti oluşmuş olur. Bu olay, PN eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise, elektron-boşluk çiftleri buradaki elektik alanı tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları N bölgesine, boşlukları da P bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-boşluk çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpması ile aynı şekilde devam eder. Yarı iletkenin iç kısımlarında da gelen fotonlar tarafından elektron-boşluk çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alanı olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar. Üretim sırasında, pilin ön yüzeyine yakın yerde bir iç elektro-statik bölge oluşturularak, bu elektronun serbest duruma geçmesi sağlanır. Silisyum kristali içine diğer elementler yerleştirilmiştir. Bu elementlerin kristal içinde bulunması, kristalin elektriksel olarak dengede olmasını önler. Işıkla karşılaşan malzemede, bu atomlar dengeyi bozar ve serbest elektronları diğer pile veya yüke gitmeleri için pilin yüzeyine doğru süpürürler. Milyonlarca foton pilin içine akarken, enerji kazanıp bir üst seviyeye çıkan elektronlar da, pil içindeki elekro-statik bölgeye ve oradan da pil dışına akarlar.

Şekil Güneş pilinin çalışması.

Şekil 3.10. Güneş pilinin eşdeğer devresi.

Tipik bir silisyum güneş pili hücresi, 0,5 volt kadar elektrik üretebilir. Pilleri birbirine seri bağlayarak üretilen gerilim değerini arttırmak olasıdır. Genellikle, 30-36 adet güneş pili, 15-17 voltluk bir çıkış gücü vermek için birlikte bağlanabilir; ki bu voltaj değeri de, 12 voltluk bir aküyü şarj etmek için yeterlidir. Farklı çıkış güçleri verecek şekilde imal edilmiş, farklı büyüklüklerde güneş pilleri bulmak olasıdır. Silisyum pillerinin seri bağlanması ile modüller, modüllerin birbirine bağlanması ile diziler oluşur. Bir modül, tipine göre dairesel veya kare alanlı PV hücrelerden 30..36 adedinin seri bağlanıp dış ortamdan etkilenmemeleri için hermetik bir kılıf içine yerleştirilmesiyle elde edilir.

Güneş pili yapımında kullanılan malzemenin rezerv durumları da oldukça önemli değişkenler olarak karşımıza çıkmaktadır. Silisyum, doğada en çok bulunan element olması nedeni ile rezerv konusunda geleceğe yönelik bir sorun yoktur. Malzemeleri oluşturan elementlerin rezerv durumları dünyadaki yıllık üretim ve 500MW güç üretimi için gerekli miktar tabloda özetlenmiştir.

Tablo Malzemeleri oluşturan elementlerin rezerv durumları dünyadaki yıllık üretim ve 500MW güç üretimi için gerekli miktar.

Element	Dünya Rezervleri	Dünya Yıllık Üretimi	500MW güç için gereken Miktar Ton
CD	970 000	20 000	25
Te	39 000	404	28
In	5 700	180	25
Se	130 000	2000	60
Ga	1 000 000	35	5

Güneş Pili Verimlilikleri

Fotovoltaik güneş pillerinin sürekli gelişimlerine bağlı olarak verimliliklerinin özetlendiği çizgilerin geçerlilik süreleri oldukça kısa olmaktadır. Ancak, karşılaştırılmalı bir kaynak olması amacı ile Fraunhofer Enstitüsü tarafından (ISE PV Charts) yapılan en yüksek verimlilikleri gösteren özet aşağıdaki tabloda verilmiştir.

Tablo. Güneş pillerinde rapor edilmiş en yüksek verimlilikler.

Fotovoltaik Pilin Cinsi	Alan (cm2)	Verimlilik (%)	Üretilen Birim
Tek Kristalli Silisyum	4.00	24	UNSW,Sydney Avustralya
Çok kristalli Silisyum	21,2	17,4	ISE, Freiburg, Almanya
Amorf Silisyum	1	14,7	United Solar
Cu/In, Ga)Se2	0,4	17,7	NREL, USA
CdTe/CdS		15,8	USA
GaAS Tek kristal	1	23,9	K.Univ,Nijmegen Hollanda

Optimum Eğim Açısı Araştırmaları

Optimum eğim açısı için önerilen basit kural şöyledir ;

- Bütün yıl için yaklaşık olarak : eğim = enlem

- Yaz için : eğim = enlem – 10^o

- Kış için : eğim = enlem + 10^o

Benzer sonuçlara vararak yıllık optimum verim için (eğim = 0.9 x enlem) kuralını önerenler de mevcuttur. Konuyu ekonomik yönden inceleyenler ise kış için (eğim = enlem + 15^o) kuralını geliştirmişlerdir.

Literatüre göre Optimum açı için aşağıdaki kurallar saptanmıştır;

e- Yıllık optimum verim için : β = 0.9 x enlem

f- 7 aylık kış mevsiminde optimum verim için : β = enlem + 15^o

g- Kış mevsiminde en soğuk üç ayda optimum verim : β = enlem + 25^o

h- Yaz mevsiminde optimum verim için : β = enlem – 25^o

İklim şartları önemli bir faktördür. Örneğin bir yörede Aralık ve Ocak ayları %80 kapalı geçiyorsa, modül bu aylara göre yönlendirilmelidir. İkinci önemli faktör sistemin kullanış amacıdır. İlk veya sonbahar mevsimlerinde azami verimle çalışması gereken mevsimlik bir iş için sistem kurulacaksa eğim açısı buna göre hesaplanmalıdır.

azimut açıları nasıl hesaplanır, deklinasyon açısı hesaplama, eğim açısı nasıl hesaplanır, fotovoltaik, fotovoltaik pil nedir, fotovoltaik pillerin çalışma presibi nedir, güneş, güneş azimut açısı hesaplama, güneş enerjisi hesapları, güneş enerjisi hesapları nasıl yapılır, güneş enerjisi kurulumu nasıl olur, güneş enerjisi nedir, Güneş Enerjisi Nedir Ne Değildir, Güneş Enerjisi Nedir Ne Değildir (Bölüm 2), güneş enerjisi sistem hesapları, güneş enerjisi sistemi kurulumu, güneş enerjisi sistemleri nelerdir, Güneş Pili Çalışma Prensibi, yükseklik açısı, zenit açısı, zenit açısı nasıl hesaplanır