Güneş enerjisinin kullanımı oldukça eskiye dayanmaktadır. Milattan önce 3. yüzyılda bile; su ısıtmak, ateş yakmak gibi amaçlarla güneş enerjisinin kullanıldığı bilinmektedir. Ancak günümüzde güneş enerjisi, çoğunlukla elektrik enerjisi üretmek amacıyla kullanılmaktadır. 18. yüzyılın sonlarında başlayan sanayi devrimi ile birlikte neredeyse her yıl yeni buluşlara, icatlara imza atılmıştır. Güneş enerjisinin, elektrik enerjisine dönüştürülmesi de bu buluşlardan biridir. Bu yazımızda, güneş enerjisinin tarihini ve bu alanda yaşanan gelişmeleri inceledik.
İçindekiler
Güneş Enerjisi Nasıl Kullanılır?
Güneş enerjisini, elektrik enerjisine dönüştürmek için fotovoltaik hücreler ya da başka bir deyişle güneş hücreleri kullanılır. Güneş hücresi, hücre üzerine düşen güneş ışını miktarına bağlı olarak elektrik enerjisi üreten yarı iletken temelli bir elemandır. Bir güneş hücresinin ürettiği gerilim değeri oldukça küçüktür. İstenilen gerilimi elde etmek için, güneş hücreleri birbirine seri şekilde bağlanarak güneş panelleri oluşturulur.
Güneş Enerjisinin Tarihsel Gelişimi
Güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülme işlemi, ilk olarak 1839 yılında Alexandre Edmond Becquerel tarafından laboratuvar ortamında gözlemlenmiştir. Becquerel, metal elektrotlardan yapılmış bir hücreyi, iletken bir çözeltinin içine bırakmıştır. Hücre ışığa maruz bırakıldığında elektrik ürettiği gözlemlemiştir. Bu olaya fotovoltaik etki denmektedir. İlk olarak Becquerel tarafından gözlemlendiği için “Becquerel Etkisi” olarak da bilinir.
1873 yılında ise Willoughby Smith, selenyum elementinin bir fotokondüktor olarak kullanılabileceğini keşfetmiştir. Bu keşiften yalnızca üç sene sonra 1876 yılında, William Grylls Adams ve Richard Evans Day, fotovoltaik prensibi selenyum üzerinde deneyip, elektrik üretebildiğini gözlemlediler.
Fotovoltaik etkinin keşfedilmesine rağmen, ilk güneş hücresi 1883 yılında üretilmiştir. Fotovoltaik etkinin keşfedilmesinden yaklaşık 44 yıl sonra, Charles Fitz ilk selenyum güneş hücresini üretmeyi başardı. Güneş hücresinin üzerinde ek olarak ince bir altın tabakası bulunmaktaydı. Charles Fitz’in ürettiği selenyum güneş hücresi, güneş enerjisi alanında uzun bir süre kullanıldı.
Bu alanda yapılan çalışmaların sonucu olarak ilk kez 1884 yılında, New York’ta bir binanın çatısına güneş paneli yerleştirilmiştir. Bu güneş panelinin verimliliği yaklaşık %1’di. 20. Yüzyılın hemen başında fotoelektrik etkinin bulunmasıyla birlikte bu alandaki çalışmalar artmıştır.
Modern güneş hücresinin ortaya çıkması ise oldukça uzun sürdü. “Bell Laboratories” öncelikle selenyum güneş hücresi üzerinde çalıştı. Ancak, selenyum hücre üzerinde yapılan testlerde verimliliğin %0,5 gibi çok düşük bir değer olduğu görüldü. Bunun üzerine PN yarı iletkenler kullanılarak silikon güneş hücresi geliştirildi. Silikon güneş hücresinin verimliliği ilk testlerde %2-3 civarındaydı. Çeşitli optimizasyonlar yapılarak bu oran %6 seviyesine getirildi ve 1954 yılında ilk silikon güneş hücresi tanıtıldı.
Ancak güneş hücrelerinin maliyeti çok yüksekti. 1 Watt’lık bir güneş hücresinin maliyeti yaklaşık 286 dolardı. Bir evde güneş enerjisi kullanmanın maliyeti yaklaşık 1.4 milyon dolardı. Bu nedenle güneş panelleri uzun süre boyunca, uzay araçları ve uzay araştırmaları gibi yüksek maliyetli projelerde kullanıldı.
Uzay Araçlarında Güneş Enerjisi
Sovyetler Birliği ile uzay yarışında olan Amerika Birleşik Devletleri, 1958 yılında güneş enerjisi kullanan ilk uydu olan Vanguard 1’i fırlattı. Vanguard 1’in üzerinde bulunan güneş hücreleri toplamda 1 Watt güç üretme kapasitesine sahipti. Güneş hücreleri dünya ile iletişimde olan radyo vericisine güç sağlamakla görevliydi. 6 yıldan uzun süre boyunca çalışmaya devam etti. Bu başarı, güneş hücreleri üzerindeki çalışmaların devam etmesine olanak sağladı.
Vanguard 1’in başarısının ardından uzay araçlarında ana güç kaynağı olarak güneş enerjisinin kullanılması yaygınlaştı. Bununla birlikte, 1957-1960 yılları arasında Leslie Hoffman’ın iyileştirilmeleri sayesinde silikon güneş hücrelerinin verimliliği % 4,5 – 10 arasına yükseltildi. 1959 yılında fırlatılan Explorer 6 uydusu enerjisini, kanatlarında bulunan 9600 adet güneş hücresinden sağlamaktaydı. 1960’lardan beri Dünya yörüngesinde görev yapan bütün uydular güneş enerjisi kullanmaktadır. Bu yaygınlaşmanın en büyük sebebi kilogram başına güç oranında, güneş hücrelerinin geleneksel batarya sistemlerine üstünlük sağlamasıdır.
Uyduların yanı sıra uzay mekiklerinde ek güç olarak güneş enerjisi kullanılmaktaydı. İlk insanlı uzay aracı olan Sovyet yapımı Soyuz 1 (1967), ilk uzay istasyonu olan Salyut 1 (1971) ve ilk Amerikan uzay istasyonu olan Skylab (1973) örnek olarak gösterilebilir.
Güneş Enerjisinin Yaygınlaşması
1970’li yıllarda ise yaşanan enerji krizi nedeniyle güneş enerjisi üzerine yapılan araştırmalar arttı. Başta Amerika Birleşik Devletleri olmak üzere birçok ülke, güneş hücrelerinin maliyetini azaltmak ve ticari kullanıma sunmak için harekete geçti. Bu yıllarda güneş hücrelerinin Watt başına maliyeti 100 dolardan 20 dolara düştü. Bu dönemde sunulan kredi imkanları ve teşviklerle, devlet binaları başta olmak üzere güneş enerjisi kullanan binalar ve işletmeler yaygınlaşmaya başladı.
1980’lerin başında enerji fiyatlarının normalleşmesiyle birlikte, güneş enerjisi kullanımının hızı yavaşladı. Ancak, 20 yıl önce sadece uzay araçlarında kullanılan yüksek maliyetli güneş enerjisi sistemleri, 1980’lerde ticari alanda kendine yer edinmeyi başarmıştı.
Güneş enerjisi ile çalışan kara ve hava araçları da ilk kez bu dönemde denendi. 1980 yılında “Gossamer Penguin” adlı hava aracı 3.5 km uçmayı başarmıştı. 1981 yılında ise, “Solar Challenger” adlı uçak, kanatlarında ve kuyruğunda bulunan 16128 güneş hücresi ile toplamda 3800 Watt güç üretebiliyordu. Uçak, Fransa – İngiltere arası toplamda 161 millik bir uçuş gerçekleştirdi. 1982 yılında ise, “BP Solar Trek” gücünü tamamen güneş enerjisinden karşılayan ilk kara taşıtı oldu.
Güneş enerjisinin ticari alanda kendisine yer edinmesine karşın, güneş hücreleri 1954’te keşfedilen yapısından çok farklı değildi. Uzay projelerinde verimlilik yükselse de ticari alanda kullanılan güneş hücrelerinin verimliliği hala yeterli değildi. Bu nedenle birçok üniversite, silikon güneş hücresinin verimliliği üzerine çalışmalar başlattı. 1985 yılında Avustralya’da bulunan New South Wales Üniversitesi, %20 verimliliğe sahip silikon güneş hücresi geliştirdiğini açıkladı. 1999 yılında ise SpectroLab’ın geliştirdiği güneş hücresi %33,3 verimliliğe sahipti. Ancak laboratuvar ortamındaki verimlilik oranlarına pratikte ulaşmak çoğunlukla mümkün olmadı.
Günümüzde Güneş Enerjisi
21. yüzyılda güneş enerjisinin önemi artmaya devam etti. Fosil kaynakların azalması ve çevre kirliliğinin artması nedeniyle birçok ülke, yenilenebilir enerji kaynaklarına yaptığı yatırımları artırmaya başladı. Gelişmiş ülkelerin çoğu, 2020’li yılların sonuna kadar toplam enerji ihtiyaçlarının en az %50’sini yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılamayı planlamaktadırlar. 2019 yılı için ülke bazında güneş enerjisi kullanım oranlarına bakıldığında ise, Almanya toplam elektrik enerjisi ihtiyacının %10,8’ini, Japonya ise %7,4’ünü güneş enerjisinden sağlamaktadır. Ülkemizde ise son yıllarda güneş enerjisine yapılan teşvikler sayesinde bu oran her sene artış göstermektedir. 30 Eylül 2020 tarihinde açıklanan istatistiklere göre, Türkiye’de güneş enerjisi kullanım oranı, kurulu güç bazında %6,8 olarak görülmektedir.
Güneş enerjisinin hücre başına maliyeti 1950’li yıllarda yaklaşık 300 dolar iken, 1960’larda 100 dolara, 1970’lerde 20 dolara düşmüştür. Günümüzde ise bu maliyet 0,5 dolara kadar düşmüştür. 1980’li yıllardan beri hücre başına maliyet, her yıl ortalama %10 azalmıştır. Güneş hücresi alanında yeni teknolojilerin geliştirilmesiyle birlikte maliyet daha da düşebilir.
Güneş Enerjisinin Geleceği
Ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarına ve güneş enerjisine yatırımlar devam etmektedir. Ancak, dünya geneline bakıldığında Çin, Amerika Birleşik Devletleri ve Hindistan güneş enerjisine en çok yatırım yapan ülkeler olarak görülmektedir. Çin 2024 yılına kadar kurulu güneş enerjisi gücünü yaklaşık 370 Gigawatt’a çıkarmayı planlamaktadır. Çin, planlarını gerçekleştirmesi halinde kurulu güç bakımından güneş enerjisinde dünya lideri olacaktır.
Keşfedilmesinin üzerinden 60 yıldan fazla süre geçmiş olmasına rağmen silikon temelli güneş hücreleri hala yaygın şekilde kullanılmaktadır. Ticari alanda sıklıkla kullanılan silikon güneş hücresinin verimliliği %15-20 arasındadır. Silikon güneş hücresi alanında daha fazla iyileştirme yapılamayacağını düşünen bilim insanları daha farklı yöntemler üzerinde çalışmaktadır. Örnek olarak, birden fazla malzemenin birleştirilmesiyle üretilen tandem güneş hücreleri üzerine araştırmalar yapılmaktadır. Laboratuvar sonuçlarına göre %40 – 45 verimliliğe sahip tandem güneş hücreleri geliştirmek mümkün. Perovskite güneş hücresi de laboratuvar ortamında %30 – 35 gibi yüksek verimliliğe ulaşmayı başarmıştır ancak bu güneş hücrelerinin ticari alanda ne kadar yaygınlaşacağı bilinmemektedir.
Güneş Enerjisi Sistemleri Nasıl Çalışır?
Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında, potansiyelinin neredeyse sonsuz olması ve diğer kaynaklara göre daha çevreci olması nedeniyle oldukça popülerdir. Güneş hücresi alanındaki teknolojik gelişmeler sayesinde maliyetlerin düşmesi ve devletlerin güneş enerjisi kullanımına teşvikte bulunması kullanım oranlarının artmasını sağlamıştır. Günümüzde birçok konutun çatı kısmında güneş panellerini görmek mümkündür. Ancak güneş panelleri haricinde birçok bileşen bulunmaktadır.
Güneş Enerjisi Sistemleri Nedir?
Güneş enerjisi sistemi, güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesini ve bu enerjinin ilgili cihazlara iletilmesini sağlayan sistemdir. Sistem birçok bileşenden meydana gelmektedir. Bu bileşenlerden en önemlisi, güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren güneş hücreleridir. Ancak güneş hücrelerinin ürettiği elektrik enerjisi direkt olarak kullanılamaz. Üretilen elektrik enerjisinin cihazlara aktarılması için birçok yardımcı eleman gereklidir.
Elektrik Enerjisinin Üretilmesi
Güneş hücresinin ürettiği güç, hücre yapısında bulunan malzemelere göre değişkenlik göstermektedir. Günümüzde ticari alanda en sık kullanılan silikon güneş hücresinin ürettiği güç, ortalama 4 Watt civarındadır. Güç, akım ve gerilim bileşenlerinin çarpımı ile elde edilmektedir. 4W güç üreten bir silikon güneş hücresi, akım ve gerilim bileşenlerine ayrıldığında; gerilim değerinin yaklaşık 0.5 Volt, akım değerinin ise yaklaşık 8 Amper olduğu görülecektir. Ancak 0.5 Volt oldukça düşük bir gerilim değeridir. Güneş enerjisinin etkin şekilde kullanılması için daha yüksek gerilim değerleri gereklidir. İstenen gerilimin elde edilmesi için güneş hücreleri birbirlerine seri şekilde bağlanır. Elektrik devre teorisine göre; bu işlem sonrasında çıkış uçlarından alınan gerilim değeri, her bir güneş hücresinin gerilim değerinin toplamı olacaktır. Devreden akan toplam akım ise sabit kalacaktır. Güneş hücrelerinin birbirine seri şekilde bağlanmasıyla elde edilen yapıya güneş paneli (modül) denir. Günümüz güneş panelleri çoğunlukla, 60 ya da 72 güneş hücresinden oluşmaktadır.
60 hücreli bir silikon güneş panelinin gerilim değeri yaklaşık 30 Volt, güç değeri ise 240 Watt civarındadır. Ancak bu güç değeri de bir konutun ihtiyacını karşılamada yetersizdir. Güneş hücrelerine uygulanan işlem, aynı şekilde güneş panellerine de uygulanabilir. Güneş panelleri birbirlerine seri şekilde bağlanır. Bu işlem sonucunda çıkış uçlarından alınan gerilim değeri, her bir güneş panelinin gerilim değerinin toplamı olacaktır. Güneş panellerinin birbirlerine seri bağlanması sonucunda oluşan yapıya ise güneş paneli dizisi denmektedir.
Elektrik Enerjisinin Kullanılması ve Depolanması
Güneş enerjisi sistemleri, şebekeye bağlı (on – grid) ya da şebekeden ayrı (off – grid) şeklinde dizayn edilebilir. Her iki durumun birlikte kullanıldığı hibrit sistemler dizayn etmek de mümkündür.
Şebekeye Bağlı Dizayn
Şebekeye bağlı dizaynda üretilen elektrik enerjisinin hemen kullanılması amaçlanmaktadır. Üretilen elektrik enerjisi, sisteme bağlı olan yüklerde (cihaz) harcanır. Sistem şebekeyle bağlı olduğundan; üretim fazlası elektrik enerjisi, yönetmeliklere uygun olmak şartıyla dağıtım şirketlerine satılabilir.
Güneş panelleri, doğru gerilim (zamana göre yönü ve şiddeti değişmeyen) üretmektedir. Ancak, günümüz konutlarında alternatif gerilim (zamana göre yönü ve şiddeti değişen) kullanılmaktadır. Dolayısıyla güneş panellerinden elde edilen gerilim direkt olarak cihazlarda kullanılamaz ya da şebekeye aktarılamaz. Üretilen doğru gerilimin, alternatif gerilime dönüştürülmesi gerekmektedir. Bu işlem için eviriciler kullanılmaktadır.
Sistemde bulunan güneş panellerinin sayısı, üretilmek istenen elektrik enerjisi miktarıyla doğru orantılı olarak artmaktadır. Bu nedenle kullanılacak eviricilerin sayısı ve özellikleri de sistem gereksinimlerine uygun olarak seçilmedilir. Piyasada 10 ila 80 güneş panelini kontrol edebilecek kapasitede eviriciler bulunmaktadır. Ancak güneş panellerinin sayısına göre daha küçük boyutlu eviriciler de tercih edilebilir. Bununla birlikte her bir panele direkt olarak bağlanan mikro inverterler de mevcuttur. Her bir panelin kendine ait eviricisinin bulunması, tekil arıza durumlarında bütün sistemin bu arızadan etkilenmesini engellemektedir.
Şebekeden Ayrı Dizayn
Şebeden ayrı dizaynda şebekeyle herhangi bir bağlantı bulunmamaktadır. Üretilen elektrik enerjisinin depolanması için batarya sistemleri gerekmektedir. Bataryalar doğru gerilimle çalıştıklarından, güneş panellerinde üretilen elektrik enerjisi direkt olarak bataryalara aktarılabilir.
Bataryaların doğru şekilde şarj edildiğinin kontrol edilmesi için, sistemde bir şarj kontrolörü bulunmalıdır. Güneş panellerinde üretilen elektrik enerjisi, bataryalara iletilmeden önce şarj kontrolörüne gelir. Şarj kontrolörünün görevi, gerekli regülasyonları yaparak bataryaların düzgün şarj olmasını ve aşırı şarj edilmemesini sağlamaktadır.
Doğru gerilimle çalışan yükler, herhangi bir eviriciye ihtiyaç duyulmadan beslenebilir. Ancak alternatif gerilimle çalışan yüklerin enerjilendirilmesi için eviriciye ihtiyaç vardır. Şebekeden ayrı sistemler, genellikle şehir şebekesine uzak yerleşim yerlerinde kullanılmaktadır.
Güneş Enerjisi Sistemlerinin Maliyeti
Güneş enerjisi sistemlerinin maliyeti, sistemin büyüklüğüne ve sistemde kullanılan bileşenlere göre değişiklik göstermektedir. Türkiye’nin güneş enerjisi üretiminin %15’i konutlara kurulan sistemlerde gerçekleştirilmektedir. Yönetmeliklerde konutlara kurulabilecek güneş enerjisi sistemlerinin gücü, maksimum 10 Kilowatt ile sınırlandırılmıştır. Bununla birlikte konutun ihtiyacına göre; 3, 5, 7.5 ve 10 Kilowatt’lık sistemlerden biri kurulabilir. Örnek olarak 5 Kilowatt’lık bir sistemin maliyeti yaklaşık 50 bin TL civarındadır. Ancak evirici, güneş paneli gibi bileşenlerin çoğunun ithal olması nedeniyle bu sistemlerin maliyeti dövizdeki değişimlerden etkilenmektedir. Güneş enerjisi sistemlerinin, ekonomik ömrü ortalama 25 yıl olmakla beraber, amorti süresi 6 ile 7.5 yıl arasında değişmektedir.
Sanayi amaçlı kurulacak büyük güçlü sistemlerde ise farklı yasal düzenlemeler bulunmaktadır. 10 Mayıs 2019 tarihinde yayımlanan karara göre, lisanssız üretim tesislerinde kurulu güç sınırı, 1 Megawatt’tan 5 Megawatt’a çıkarıldı. Bu sınırın üstündeki üretim tesislerinin yönetmeliklere uygun lisans işlemlerini gerçekleştirmesi gerekmektedir. Lisans ücretleri de sistemin maliyetini artıracak unsurlardan biridir.
