Güneş enerjisi ve güneş panelleri nedir?

Solar enerji, panel gibi terimlere son günlerde sıkça rastlıyoruz. Peki onlar hakkında ne biliyoruz?

Yrd. Doç. Dr. Vehbi BÖLAT

Solar enerji, güneş enerjisi, solar panel, güneş paneli, güneş pili, fotovoltaik gibi kavramlar son zamanlarda sık sık sektör dergilerinde, internet sitelerinde kendine yer bulmaya başladı. Peki, nedir bu solar enerji? Yakın geçmişe kadar neden gündemde değildi? Bu yazıda temel olarak güneş enerjisi ile elektrik enerjisi üretmenin yararlarından, güneş pillerinin ve güneş panellerinin yapısından, uygulama alanlarından ve güneş panelleri kullanıldığında dikkat edilmesi gereken hususlardan kısaca bahsedilecektir.

Sanayideki gelişmeyle birlikte artan elektrik enerji ihtiyacı, pahallılaşan elektrik tüketim bedelleri ve mevcut fosil (kömür, doğal gaz vb.) yakıt rezervlerinin süratle azalması yeni enerji kaynaklarının arayışını ve kullanımını hızlandırmıştır. Güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içinde, üzerinde en çok araştırma yapılan enerji türlerinden biridir. Yenilenebilir enerji kaynağı, tükenmeyen, ertesi gün tekrar kullanıma hazır enerji kaynağı demektir. Rüzgar enerjisi, biotermal enerji, güneş enerjisi gibi enerji türleri yenilenebilir enerjilerdir. Gelişmiş ülkelerde elektrik enerjisi elde etmek için güneş enerjisinin uzun yıllardır kullanılmasına rağmen, bu konunun ülkemizde son yıllarda önem kazanmaya başlaması güneş zengini olan ülkemiz için, geç de olsa oldukça sevindirici bir gelişmedir.

Güneş panelleri ile enerji üretimi neden cazip?

Güneş panelleri ile elektrik enerjisi üretimi aşağıda sıralanan nedenlerden dolayı caziptir. Bu nedenler, düşen üretim maliyetleriyle birlikte, güneş panellerinin hızla yaygınlaşmasına neden olacaktır. Güneş panelleri,

1. Sınırsız ve bedava enerji kaynağı olan güneş enerjisini kullanır.

2. Kullanılması durumunda güneş yörüngesi izleyicileri dışında hareketli, aşınan parçalara sahip değildir.

3. Uzun kullanım ömrüne sahiptir.

4. Çevre dostudur; CO2 yaymadığı için yerkürenin ekolojik dengesine olumsuz etkisi yoktur.

5. Düzenli ve sürekli bakım gerektirmez.

6. Seri/paralel bağlandığında çıkış güçleri ölçeklenebilir.

7. Elektrik enerjisinin tüketileceği yere kurulacağı için kablo tesisat maliyeti çok düşüktür.

8. Çalışması için bir operatöre ihtiyaç duymaz, dolayısıyla işletme maliyeti neredeyse sıfırdır.

9. Doğal afetlerden etkilenme olasılığı diğer enerji üreten kaynaklara göre daha düşüktür.  

Tüm bu avantajlarına karşın üretim maliyetlerinin hala yüksek oluşu güneş panellerinin bugüne kadar yaygın kullanım alanı bulmasını engellemiştir. Kullanımın artması ile panel fiyatlarının düşmesi kaçınılmazdır. Talebin artması ise ancak devletin kullanımı teşvik etmesi ve güneş panelleri ile üretilen enerjiyi uygun fiyattan satın alması ile mümkündür.

Yapı

Yapı

Güneş (PV-PhotoVoltaic) panelleri, güneş enerjisini doğrudan DC elektrik enerjisine çeviren güneş pili hücrelerinin (solar cells) seri ve paralel bağlanması ile oluşturulmuş güç sistemleridir. Güneş pili hücreleri, verimleri %3-%31 arasında değişen yarı iletken elemanlardır. Güneş pillerinden elde edilen verim uygulanan teknolojiye, ışık spektrumuna, sıcaklığa, tasarıma ve hücrede kullanılan malzemeye bağlıdır. Güneş pili hücreleri kendi aralarında bağlanarak güneş modüllerini (solar modules), modüller kendi aralarında bağlanarak güneş panellerini (solar panels) ve paneller kendi aralarında bağlanarak çok yüksek güçlerdeki güneş dizinlerini (solar array) oluşturur.

Bir güneş pili hücresinin tipik gerilim ve akım değeri sırasıyla 0.6V ve 7A civarındadır. Güneş pilleri, miliWatt(mW) güç seviyelerinden (örn. hesap makineleri, kol saatleri) MegaWatt(MW) (örn. güneş parkları) güç seviyelerine kadar geniş aralıkta uygulama alanı bulmuştur. Uygulamanın gerek duyduğu gerilim ve akım değerini karşılayacak şekilde güneş pilleri birbirleriyle seri ve paralel bağlanabilir. Seri bağlanan güneş pilleri güneş panelinin terminal gerilimini; paralel bağlanan güneş pilleri ise panelden çekilebilecek akımı artırır. Güneş panelleri, güneş pillerinin üreticiler tarafından üretim aşamasında seri/paralel bağlandığı belli standart güçlerdeki paneller olarak satılır.

Güneş pillerinin ve güneş panellerinin standart test koşullarında (STC, Standard Test Conditions) elektriksel karakteristiklerini belirleyen temel büyüklükler çekilebilecek maksimum güç (Pm), açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akımı (Isc), maksimum güç gerilimi (Vmp) ve maksimum güç akımı (Imp)'dır. Dünyanın sayılı güneş pili üreticilerinden biri olan Japon Kyocera firmasının KD205GH-2P model multicrystal güneş modülüne ilişkin ilgili değerler; Pm =205W, Voc=33.2V, Isc=8.36A, Vmp=26.6V, Imp=7.71A'dir.

Uygulama türleri

Uygulama türleri

Uygulamada güneş panelleri temel olarak iki şekilde kullanılır:

1. Elektrik şebekesinden bağımsız (off-grid veya stand-alone) çalışma

2. Elektrik şebekesine paralel (on-grid veya grid-tie) çalışma

Elektrik şebekesinden bağımsız çalışan güneş panellerinden elde edilen DC gerilim ile doğrudan bir DC yük (örneğin DC gerilimden beslenen aydınlatma sistemi, trafik sinyalizasyonu) veya bu DC gücün AC güce dönüştürülmesi ile bir AC yük (örneğin buzdolabı veya TV) beslenebilir. Güneş enerjisinin kullanılamadığı gece saatlerinde ve yetersiz olduğu kapalı havalarda yükün ihtiyacı olan elektrik enerjisi sistemde yer alan ve Ah kapasitesi uygun seçilmiş olan akülerden sağlanır. Aküler çoğunlukla şebekeden bağımsız olan türdeki fotovoltaik sistemlerde yer alır ve bu tip uygulamalara has tipik çalışma karakteristiklerine sahiptir. Aküleri aşırı şarj/deşarj durumlarından korumak ve tampon (float) şarj gerilimi ile şarj olmalarını sağlamak için akü şarj denetleyicisinin sistemde yer alması zorunludur. Kullanım alanı daha geniş olmakla birlikte şebekeden bağımsız olan fotovoltaik sistemlerin en yaygın kullanıldığı uygulama alanları şunlardır:

1. Elektrik enerji iletim ve dağıtım maliyetinin çok yüksek olduğu uzak alanlardaki konutlar

2. Güvenlik sistemleri

3. Yol, konut, bahçe vb. aydınlatması

4. Trafik sinyalizasyon sistemleri

5. Sulama ve arıtma sistemleri

Öte yandan şebekeye paralel çalışan fotovoltaik sistemler, ürettiği elektrik enerjisinin tüketilmeyen kısmı elektrik enerjisi üreten firmaya özel bir tarifeden satılmak amacıyla tasarlanır ve kurulur. Devlet teşviki ile desteklenen bu yapıda başlangıç için yüksek olan güneş paneli kurulum maliyeti zamanla kendini amorti eder. Şebekeye paralel çalışan sistemlerde güneş panelinin yanı sıra, şebekeye gerilim ve frekans olarak senkron çalışan ve güneş panelinin çıkışındaki DC gerilimi AC gerilime dönüştüren bir evirici yer alır. Bu sistemler genellikle şebekeye enerji vermek amacıyla kurulduğu için enerji depolama ortamı olarak bir aküye ihtiyaç duymazlar. Böyle bir sistemde yer alan elemanlar aşağıdaki çizimde gösterilmiştir: 1- bağlantı kutusu, 2- koruma ünitesi, 3- evirici, 4- enerji ölçüm cihazı, 5- sigorta kutusu, 6- elektrik yükleri, 7,8- şebeke bağlantı kutusu.

Fotovoltaik sistemler kurulurken dikkat edilmesi gereken bazı temel hususlar vardır:

1. Panel(ler)in güneye bakması.

2. Panellerin üzerine, panel verimini çok düşürecek olan gölgelerin gelmesinin önlenmesi.

3. Akülerin fotovoltaik uygulamalara uygun şekilde seçilmesi.

4. Maksimum güç çekmek için MPP (Max. Güç Noktası) izleme özelliğinin kullanımı.

Dünyadan çarpıcı bir örnek: Almanya

Dünyadan çarpıcı bir örnek: Almanya

Çarpıcı bir örnek olarak gösterilebilecek Almanya, güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etme konusunda çok önemli adımlar atmıştır. Bu ülkede kurulu güneş panellerinin büyük kısmı şebeke ile paralel çalışmaktadır. 2007 yılı itibari ile Almanya'nın toplam kurulu güneş panel kapasitesi 3800MWp'in üstüne çıkmıştır. Sadece 2007 yılında kurulan güneş paneli kapasitesi 1100MWp'i aşmıştır. 2009 yılı sonunda ise bu kapasite 9.800MWp'e ulaşmıştır. 2010 yılının ilk dokuz ayında bu kapasiteye yaklaşık 5.400MWp eklenmiştir. 2006 yılında Avrupa Komisyonu, 2010 yılına kadar Almanya'nın 4.500MWp kurmuş olacağını tahmin ediyordu. Bu ülkede güneş fotovoltaik kurulumunun % 90'ı şebekeye bağlıdır (Kaynak: Wikipedia). Almanya'nın en çok güneş ışığı alan coğrafi bölgesine düşen ışık miktarı, Türkiye'nin en az güneş ışığı alan coğrafi bölgesine düşen ışık miktarının altındadır. Bununla beraber Almanya'da 2007 yılında farklı büyüklüklerde kurulan güneş panellerinin toplam güç kapasitesinin Türkiye'nin Keban barajının neredeyse kurulu güç kapasitesi kadar olması düşündürücüdür.

Türkiye'deki fotovoltaik sistem örnekleri

Tipik bir arazi montajlı on-grid uygulama örneği olarak Tunçmatik A.Ş. firmasının Gaziantep'te TAD Piliç için 10.000 m2 alana kurduğu Türkiye'nin en yüksek güçlü güneş santrali gösterilebilir. Her biri 250kWp gücünde 2000 adet güneş panelinden oluşan 500kWp'lik bu güneş santrali ülkemizde bu güçte kurulmuş olan ilk ve tek uygulamasıdır. Yıllık 800.000kWh elektrik enerjisi üretimi öngörülmektedir.

Bunun yanı sıra yine Tunçmatik A.Ş. firmasının Afyon bölgesinde Hoca Elektrik için projelendirdiği ve devreye aldığı 100kWp gücündeki çatı montajlı on-grid uygulaması ile yıllık 130.000kWh elektrik enerjisinin üretimi planlanmıştır. Bu uygulamada ise 250Wp gücünde 400 adet solar panel kullanılmıştır.

Bu fotovoltaik sistemler şebekeye sürekli bağlıdır ve güneş panellerinin ürettiği elektriksel güç, tüketilen elektriksel güç ve diğer ölçüm parametreleri internet üzerinden on-line olarak izlenebilmektedir.

Bu yazıda kısaca güneş enerjisinin elektrik enerjisi üretimindeki önemine değinilmiş, güneş panellerinin kullanım şekilleri belirtilmiş ve Almanya'da yenilenebilir enerji kaynağı olarak güneşin ve fotovoltaik sistemlerin kullanımına verilen önem vurgulanmıştır. Türkiye'den ise çarpıcı iki örnek sunulmuştur. Makalenin yazımında çok teknik detaylara girmekten özellikle ve özenle kaçınılmıştır. Konu ile ilgili soru, öneri ve yorumlarınızı v.bolat@tuncmatik.com adresine yazarak makalenin yazarına iletebilirsiniz

Makalenin yazarı hakkında: Yrd. Doç. Dr. Vehbi BÖLAT, güç elektroniği alanında 20 yıldan uzun süre çalışmış olup uzmanlık alanlarıyla ilgili danışmanlık, eğitim ve ölçüm hizmetleri vermektedir; özel bir üniversitede öğretim üyeliği yapmaktadır. KGK satışı ve pazarlaması konusunda uzun yıllardır sektörde faaliyet gösteren TUNÇMATİK A.Ş. (www.tuncmatik.com) firmasında teknik danışmanlık görevini yürütmektedir. Uzmanlık alanları Güç Elektroniği, Elektrik Makineleri, Kesintisiz Güç Kaynakları, Fotovoltaik Sistemler, Motor Hız Kontrolü, Elektrik Güç Kalitesi ve Analizi'dir.