Güneş dünyanın yörünge eksenine 1,366 watt/metre² enerji iletir, fakat yer yüzüne ulaşan enerji miktarı biraz daha azdır.
Güneş enerjisi 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
Global güneş enerjisi kaynakları. Haritadaki renkler, 1991-1993 yılları arasında, gerçekleşen ortalama yerel güneş enerji değerleri hakkında W/m²cinsinden bilgi vermektedir.
Bugün duyulan toplam enerji ihtiyacını, yine bugünkü teknolojilerle karşılayabilecek bölgeler siyah yuvarlak ile gösterilmiştir.
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.
Atmosfer bu enerjinin %6`sını yansıtır, %16`sını da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulaşılabilen en yüksek güneş enerjisi 1,020 W/m²`dir. 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.
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. Yandaki resimdeki koyu renkli alanlar, güneş paneli kaplanması durumunda aynı bölgede 2003 yılında üretilen toplam enerjiden biraz daha fazla enerji üretebilecek örnek alanları göstermektedir. 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.
Güneş Enerjisi Teknolojileri
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.
Güneş enerjili ısıtma sistemleri
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. 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.
-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.
-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.
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. Güneş pili kullanımındaki artış o kadar büyüktür ki, yarıiletken üretiminin talebi karşılayamaması, güneş pili üretiminin artışında bir kısıt olmuştur. Bu sorunun 2006 ve 2007`de de devam edebileceği sanılmaktadır.
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 örneği sayılabilir.
İç mekanlar gün içerisinde ışık tüpleri ile aydınlatılabilirler.
Örneğin fiber optik ışık tüpleri, çatıya yerleştirilmiş güneş ışınlarını toplayacı bir çanağa bağlanarak, iç mekanlarda aydınlatma kaynaklı enerji giderlerini azaltarak, daha doğal bir aydınlatma yaratabilirler.
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 bir ağ şeklinde yerleştirilmiş, çok sayıda düz ve hareketli yansıtıcıların (heliostatların) güneş ışınlarını kule üzerindeki bir toplayıcıya yönlendirmesi şeklinde çalışırlar. Yoğunlaştırılmış güneş ışığı sayesinde, kule üzerinde biriken yüksek ısı daha sonra kullanılmak üzere başka bir maddeye transfer edilir.
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.
Bir yoğunlaştırıcılı kollektörde ısıya dönüştürülen güneş enerjisi ile bir stirling motoru tahrik edilir. Stirling motoru kapalı devere gaz kullanan, suya ihtiyaç duymayan bir ısı motorudur.
Stirling motoru ile güneş enerjisinin elektriğe dönüştürülmesi, %30 ile en yüksek verime sahip sistem kabul edilir |
