Güneş enerjisi

Nis 11 2008

Güneş Enerjisi

(0 Oy)

GenBilim Editorial

Cuma, 11 Nisan 2008

Okunma: 826 kez

Güneş enerjisi, Güneş’ ten gelen ve ısı üretebilen, kimyasal tepkimelere yol açabi-len ya da doğrudan elektriğe dönüştürülebilen ışınım. Güneş son derece büyük bir e-nerji kaynağıdır ve Güneş ışınımıda Yer’ in aldığı en zengin enerji kaynağıdır, ama bu ışınım yoğunluğu (şiddeti) Yer yüzeyinde oldukça düşüktür. Bunun bir nedeni Yer’ i çevreleyen atmosferin ve bulutların, gelen Güneş ışığının yaklaşık % 54’ ünü soğur-ması ya da saçılıma uğratmasıdır. Buna karşın 20. yüzyılda Güneş enerjisi, kömür ve petrol gibi fosil yakıtların ta tersine son derece temiz ve tükenmez bir enerji kaynağı o-larak daha fazla ilgi çekmeye başlamıştır.
Yeryüzüne ulaşan Güneş enerjisinin yaklaşık % 50’ si görünür ışık, % 45’ i kızılö-tesi ışınım ve geri kalan az bir bölümü de morötesi ışınımdan oluşur. Bu ışınım ısıl (termal) enerji ya da elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Güneş enerjisini toplama ve ı-sıl enerjiye dönüştürmek için, düz kolektörler kullanılır. Yer yüzeyinde Güneş ışınımı-nın yoğunluğunun zayıf olması nedeniyle, her kolektör tipinin de yüzey alanının geniş olması gerekir.Dünyanın en çok Güneş ışığı alan, en sıcak bölgelerinde bile, bir kişinin bir günlük enerji gereksinimini karşılayabilmesi için kolektör yüzey alanın yaklaşık 40 m2 olması gerekir.

En yaygın kullanılan düz kolektörler, bir ya da iki kat camla kaplanmış, karartılmış bir metal levhadan oluşur. üzerine Güneş ışığı düştüğünde cam ısınır. Bu ısı daha son-ra,taşıyıcı akışkan denen ve levhanın arka kısmında akıtılan bir hava ya da su ortama aktarılır. Böylece ısı ya doğrudan kullanılabilir ya da başka bir ortama aktarılarak de-polanabilir. Bu tip paneller genellikle su ve ev ısıtmada kullanılır. Isının geceleri ya da bulutlu günlerde kullanılmak üzere depolanması için, güneşli günlerde ısıtılan suyun doldurulduğu yalıtılmış kazanlardan yararlanılır. Bu su, havanın kapalı olduğu günler-den doğrudan kullanılabileceği gibi, tavan ya da zemine döşenen borulardan akıtılarak mekan ısıtmasında da kullanılabilir. Düz kolektörler,taşıyıcı akışkanları 66 oC – 93 oC’ ye kadar ısıtılabilir. Bu tip kolektörlerin verimi (yani aldığı güneş enerjisini ısı enerji-sine dönüştürme oranı), tasarımına bağlı olarak % 20 ile % 80 oranında değişir.
Daha yüksek sıcaklıklar istendiğinde odaklamalı kolektör kullanılır. Bu aygıtlar, geniş bir alan üzerinde toplandıkları güneş ışığını yansıtarak küçük bir karartılmış alıcı üzerine odaklar, böylece ışığın yoğunluğunu iyice arttırmış olur. Güneş fırını denen bu tip donanımlarda, dikkatle dizilmiş aynalar bulunur ve bu aynaların sayesinde Güneş ı-şığını odaklandığı hedefin sıcaklığı 2.000 oC’nin üzerine kadar çıkarılabilir. Bu ısı da-ha sonra çeşitli maddelerin yüksek sıcaklıklardaki özelliklerinin incelenmesinde ya da enerji tesislerindeki türbo elektrikli üreteçler içim buhar üreten buhar kazanlarının ça-lıştırılmasında kullanılabilir. Güneş fırınları, yüksek sıcaklık araştırmalarında önemli bir aygıt durumuna gelmiştir. Buhar üretmek içinde, hareketli aynalar öylesine ayarla-nabilir ki, içinde su akıtılan ve ısıtılan karartılmış boruların üzerine sürekli Güneş ışığı odaklanır.
Güneş ışınımı fotovoltaik piller aracılığıyla doğrudan elektriğe dönüştürülebilir. Güneş pili ya da fotopil denen bu aygıtlarda, bir metal ile silisyum gibi bir yarı iletke-nin ya da iki ayrı yarıiletkenin birleşme noktasına ışık düşürüldüğünde, bu noktada za-yıf bir elektrik gerilimi oluşur. Tek bir fotopilin üretebileceği elektrik gerilimi, bir vol-tun kesri düzeyindedir. Ama bu tip bir çok fotopil bir araya getirilerek, bir kilowattan fazla enerji elde edilebilir. Bu yolla hazırlanan modern güneş pillerinin enerji verimi % 7-11 dolayındadır; yani ışınım enerjisinin ancak bu kadarlık bir bölümünü elektrik e-nerjisine dönüştürebilir. Güneş ışınımı yoğunluğunun düşük olması da dikkate alındı-ğında, fotopillerden bugün ancak hesap makinesi ve saat gibi zayıf akımlar gerektiren aygıtlarda pratik olarak yararlanılabilmektedir. Meteoroloji ve haberleşme uydularında kullanılan güneş pilleri çok daha büyük donanımlardır.
Güneş enerjisinden, daha küçük ölçekli başlıca uygulamalarda da yararlanılmakta-dır. Örneğin bazı ülkelerde, yemek pişirmekte kullanılan özel tasarlanmış güneş ocak-ları vardır. Ayrıca, deniz suyunun buharlaştırılması yoluyla tuz üretiminde de Güneş e-nerjisinden yararlanılabilmektedir.
Bir gün boyu Yer’ in Güneş’ ten aldığı ışınım enerjisinin miktarı,dünya elektrik ü-retim kapasitesinin 200 bin katıdır. Bu, devasa bir enerji potansiyeli demektir. Güneş enerjisinden herkes serbestçe yararlanabilir, ama bunun uygulamaya konulabilmesi için, kurulması gereken toplama, dönüştürme ve depolama aygıtlarının maliyeti, pratik kullanım açısından henüz çok yüksektir.

GÜNEŞ PİLLERİ

Fotovoltaik etkiyi kullanarak, Güneşin ya da başka bir ışık kaynağının ışıma enerji-sinin bir bölümünü doğrudan elektriğe dönüştüren düzenek. Güneş pillerinden yararla-nan elektrik üreteçlerine, fotovoltaik üreteçler adı verilir. Güneş enerjisini önce ısıya, sonra elektriğe çeviren günısıl üreteçlere oranla, fotovoltaik üreteçler çok daha basittir; bunlar hiçbir devingen parça taşımaz, hiçbir akışkan kullanmaz ve düşük sıcaklıkta ça-lışabilir. Ayrıca, doğrudan güneş ışımasını (Güneşten gelen ışınlar) olduğu kadar yayı-nık güneş ışımasını da (atmosferden ve bulutlardan yansıyan) elektriğe çevirebilir; bu-na karşılık günısıl üreteçler (elektrik üretemi için çok az kullanılan, düzlem toplayıcılı üreteçler dışında) ancak doğrudan ışımayı kullanabilir.

Güneş Pillerinin Yapısı :
Bir güneş pili, iki temel bölümden oluşur. Birinci bölüm gelen ışımanın hemen tü-münü soğutacak ölçüde kalın, yarı iletken bir malzemeden yapılmış bir katmandır. Fo-tovoltaik etki, bu katmanda doğar: gelen ışınımın yeterli enerji (yarı iletkenin “yasak bant” genişliğinden büyük) taşıyan fotonları soğurularak bir elektron-delik çifti oluşu-muna yol açar. Ne var ki elektron-delik çifti çok güçlü bir birleşme ve elektrik akımı vermeden ısı açığa çıkarma eğilimi gösterir. İşte bu aşama, güneş pilinin ikinci temel bölümü olan yarı iletken eklem devreye girer. Soğurucu malzeme “N katkılı” yarı ilet-kense yani artık negatif elektron sağlanan “katkılayıcı” bir madde eklenmişse, bunu üstüne “P katkılı” (ters davranış) ince bir yarı iletken katman yerleştirerek, bir “P-N” eklemi oluşturulur. Böyle bir eklemde bir elektrik alanı ortaya çıkar ve “elektro-delik” çiftlerin, ayırarak bir elektrik akımı doğurur. Bu evrede fotopilin iki yanındaki kontak-lar kapalı bir devreye bağlanarak, oluşan akım toplanır.
Soğurucu madde “P katkılı” olduğunda, doğal olarak “N katkılı” bir yarı iletkenle birleştirilerek eklem oluşturulur. Aynı yarı iletken, eklemin her iki yanında kullanıl-mışsa bir “eşeklem” elde edilir. Tersi durumda, “ayrık eklem” ortaya çıkar. Bir P-N ekleminin kullanımı, gerçekte “elektron-delik” çiftlerini ayırmak için tek yöntem de-ğildir. Örneğin bir Schottky diyotundan da yararlanılabilir, yani bir yarı iletken/metal eklemine başvurulabilir. Ancak, P-N eklemi, en çok kullanılan yöntemdir.

Ayırt Edici Başlıca Parametreler :
Bir güneş pili, standart aydınlatma koşullarında (güneş ışınlarıyla normal ışınlan-ma, 1000 W/m2’ lik enerji, 25 oC’ lik çalışma sıcaklığı) ölçülen üç temel parametre uyarınca çalışır:
 Ikd kısa devre akımı, güneş pilinin uçları birbirine bağlandığında ürettiği akımın ye-ğinliğidir;
 Uad açık devre gerilimi, güneş pilinin uçları arasında, bir kapalı devreye bağlı değil-ken ölçülen potansiyel farkıdır;
 R verimi I akımı ile V gerilimi ikisinin en uygun değeri için güneş pilinin verdiği maksimum Pmax gücü ile aldığı Po gücü arasındaki orandır.
R veriminin değerini iki temel etken sınırlar. Birinci etken, belli bir güneş pilinin ı-şımasının tümünü çevirmeye elverişli olmayışıdır: yalnızca, yarı iletkenin “yasak bant” ına eşit bir enerji taşıyan fotonlardan, en iyi biçimde yararlanılır; düşük enerjili foton-lar soğurulmaz ve yasak banttan yüksek enerjisi olanların artık enerjisi ısı biçiminde yiter. İkinci etken ise, elektronların ve deliklerin birleşerek yok olmasını tam anlamıy-la önlemenin olanaksızlığıdır.

Başlıca Güneş Pili Gereçleri :

1-Tek kristalli silisyum : Yüksek arılıkta bir silisyumdur; çapı 15 cm’ ye ulaşan, onlar-ca kilogramlık külçeler, “Czochralski çekmesi” ve “yüzer bölge” yöntemi denen, iki kristal oluşum yöntemiyle elde edilir. Bu külçeler, çok güç bir biçme işlemiyle, ince rondelalar halinde (75-100 mm’ lik çap, birkaç yüz mikrometrelik kalınlık) kesilir. Bu rondelalar, güneş pilinin gövdesini oluşturmada kullanılır. Bu amaçla bir çok tamam-layıcı işlem uygulanır: yüzeysel katkılamayla bir eşeklem gerçekleştirme; metal kon-takları çökeltme; koruyucu kılıfla zırhlama. Silisyum bu alanda en çok kullanılan ge-reçtir. Tek kristalli silisyumdan yapılmış güneş pilleri çok iyi bir verim sağlar; labora-tuarda % 18 ve üretimde yaklaşık % 12-13.