Makale GÜNEŞ PİLLERİ İLE ELEKTRİK ENERJİSİ ÜEETİMÎ VE ...

Makale
GÜNEŞ PİLLERİ İLE ELEKTRİK ENERJİSİ
ÜEETİMÎ VE KARAVANLARDA
UYGULANMASININ TEKNİK VE
EKONOMİK ANALİZİ
Doç. Dr. Eecep ÖZTÜRK
Yıldız Teknik Üniversitesi Makim Mühendisliği Bölümü - İSTANBUL
e-mail: (*) orecep@yildiz.edu.tr
ÖZET
Güneş dünyaya enerji veren tükenmeyen bir
enerji kaynağı olup, yenilenebilir enerji türlerinin
de kaynağıdır. Güneş enerjisinin tükenmeyen, temiz,
dışa bağımlı olmayan ve çok geniş bir coğrafi
alanda uygulanabilir olması, bu kaynağın
elektrik enerjisi üretiminde kullanılmasının önemini
arttırmaktadır. Bu konu ile ilgili çalışmalar
her geçen gün artarak devam etmektedir.
Bu çalışmada öncelikle güneş pilleri ile elektrik
enerjisi üretim yöntemleri incelenmiş daha
sonra bir karavanın elektrik enerjisi gereksiniminin,
güneş enerjisinden yararlanılarak güneş pilleri
ile karşılanmasının teknik ve ekonomik analizi
yapılarak, konvansiyonel sistemlerle karşılaştırılması
yapılmıştır.
1. GİRİŞ
Dünyanın en büyük enerji kaynağı güneştir.
Günümüzde dünyada enerjinin büyük bir kısmı
fosil yakıtlardan karşılanmaktadır. Fosil yakıt rezervlerinin
(kömür, petrol, doğal gaz,..) smırlı olması
ve çevreye olumsuz etkilerinden (global
ısınma, asit yağmurları,..) dolayı günümüzde yenilenebilir
enerji
kaynaklarına yönelmeyi
zorunlu hale
getirmektedir.
Güneş enerjisinin
tükenmeyen bir
enerji kaynağı ol-
Doç. Dr. Recep ÖZTÜRK
14 • TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Temmuz-Ağustos 2003
ması çevreyi kirletmemesi, işletme masraflarının
az ve çok geniş coğrafi alanda uygulanabilir olması
gibi avantajlarından dolayı güneş enerjisi ile
ilgili çalışmalara büyük önem verilmektedir.
1973'deki dünya enerji krizi ile güneş enerjisinin
önemi daha da artmıştır.
2. GÜNEŞ PİLLERİ
Güneş 1,39 x 10 6 km çapında 2,2 x 10 26 ton
ağırlığında ve 1,41 g/cm 3 yoğunluğunda sıcak gaz
topluluğundan meydana gelmiş olup, % 75'i hidrojen,
% 24'ü helyum ve % l'i de diğer elementlerden
oluşmaktadır [3].
Elektrik enerjisi üretmek için kurulan ilk tesis
1915 yılında J.A. Harwington tarafından yapılmıştır.
İlk güneş pili de 1954 yılmda D.M. Capim,
C.Fuller ve G.L. Person tarafından yapılmıştır[6].
Güneş pilleri (fotovoltaık piller) güneş enerjisini
doğrudan elektik enerjisine dönüştüren bir
yarı iletken kristaldir. Güneş pillerinin çalışma
prensibi fotovoltaık olayına dayanır. Fotovoltaik
olayını ilk kez 1839 yılmda Becquerel, elektrolit
içersine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin,
elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunugözlemleyerek
bulmuştur. Ka­
1979 yılında İDMMA, Makine Mühendisliği Bölgüfnünde Lisans,
1990'da Yılda Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi, Makina Mühendisliği
Bölümü Enerji dalradan Doktora ve 1998 yılında Yıldız Teknik
Üniversitesi, Makina Fakültesi, Makina Mühendisliği Bölümü, Hidromekanik
ve Hidrolik Makinaîar Anabilim dalında Doçent Doktor Unvanını
almıştır. Halen aynı Anabilim Dalında görev yapmaktadır.
tılardaki benzer
olay ise 1876 yılında
G. W. Adams ve
R.E.Day tarafından
bulunmuştur [6],

Yarı iletken maddeler fotovoltaik özelliklere sahip
olmalarına rağmen, günümüzde silikon, galyumarsenik
(GaAs) ve kadmiyumtelurit (CdTe) gibi
yarı iletken malzemeler kullanılmaktadır. Güneş
pilleri yapımında en çok kullanılan yarı iletken
malzeme silikondur. Güneş pillerinde üretilen gerilimin
şiddeti yarı iletken malzemeye, akım şiddeti
ise gelen ışık şiddetine bağlıdır.
2.1. Güneş Pillerinin Çalışma Prensibi
Silikonun yüksek saflıkta ve dünyada yaygın
bulunan ikinci element olması, güneş pillerinin silikon
kristallerinden elde edilmesini avantajlı duruma
getirmektedir. Üzerine elektrik gelen silikon
kristalinin kontakt uçları arasında sabit kabul edilebilecek
bir doğru gerilim oluşmaktadır (Şekil 1).
Fotovoltaik olay bir yarı iletkende p-n dokunma
yüzeyi için tanımlanabilir. Silisyum gibi bir
yarı iletkende silisyum atomunun dört valans
elektronu kimyasal bağla birbirine bağlı ve mutlak
sıfır durumunda serbest elektronu yoktur.
Böyle bir yarı iletken arsenik veya fosfor gibi beş
valans elektronu olan başka bir madde ile katkılanırsa,
yarı iletkenin bu bölgesinde arsenik veya
fosforun bağ yapmayan bir elektronu serbest kalacaktır.
Serbest kalan ve hareket edebilen bu
elektronlar n-tipi yarı iletkeni oluştururlar. Aynı
iletken başka bir bölgede üç valans elektronlu (örneğin
bor) bir madde ile katkılandırılırsa burada
da elektron eksikliği oluşur. Bu durumda p-tipi
yarı iletken oluşmaktadır. Bir tarafında n-tipi di­
ğer tarafında p-tipi bölge olan bir yarı iletken parçası
p-n jonksiyonu olarak adlandırılır, n-tipi bölgede
serbest kalan elektronlar p-tipindeki bölgeye
geçme eğiliminde olacağından bu da n'den p'ye
doğru bir elektrik alanı oluşturur [3].
Böylece yarı iletken malzemenin içerisine çok
az miktarda uygun seçilmiş yabancı atom katkılanması
ile yarı iletkenin elektriksel özellikleri
önemli ölçüde değiştirilebilir. Saf yarı iletkenin
yapısal özelliklerini bozmayacak miktarda ve denetimli
bir şekilde yarı iletkene yerleştirilen yabancı
atomlara "safsızlık atomları" ve bu işleme
de "katkılama" adı verilir.
2.3. Güneş Panelleri
Güneş pilleri bir fotovoltaik diyot olup, üzerine
ışık geldiğinde iki uç arasında potansiyel farkı
oluşturdukları önceki bölümde verilmişti. Ancak
bir yaz günü öğle saatlerinde 1000-1200 W/m 2
yoğunluğunda gelen güneş ışmı altında bir güneş
pilinden elde edilebilecek gerilim 0,5-0,6 V ve
1,85-2 A doğru akım (DC) üretilebilmektedir. Elde
edilen bu gerilim değerleri çok küçük olduğundan
uygun sayıda güneş pilleri seri bağlanarak solar
modülleri, bu modüllerde seri ve / veya paralel
bağlanarak istenilen güçte güneş panellerini
meydana getirir. İçinde seri ve / veya paralel olarak
bağlanmış güneş pilleri elektrik bağlantılarının
yapıldığı kabloları, yüksek geçirgenliğe sahip
güneş ışığım yansıtmayan bir cam kaplamayı ve
metal çerçeveyi içeren bu modüler yapı güneş panellerini
meydana getirir. Tablo l'de bazı güneş
panellerinin karakteristik değerleri verilmiştir.
Performans kaybı olmadan 1000^-1500 kez
depo edilebilme özelliğine sahip olup %70-^80
verimle çalışabilmektedir.
2.4. Güneş Aküleri
Fotovoltaik güç sistemlerinde akım ve gerilim
gereksinimlerine bağlı olarak güneş panellerinden
her zaman aynı verimle yararlanabilmek mümkün
olamayacağından, güneş akülerinin kullanılmasına
gereksinim duyulmaktadır. Bu aküler hava ko-
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ/Temmuz-Ağustos 2003 • 15

Tablo 1. Türkiye'de kullanılan bazı güneş paneli karakteristikleri
Ürün kodu
SBR05
SBR 10
SBR20
SBR 30
SBR 45
SBR 55-S
SBR 70
SBR 75
SBR 80-S
SBR 85-S
SBR 130-S
Pmax(W]
5
10
20
30
45
55
70
75
80
85
130
Akım[Amp]
0,29
0,59
1,18
1,76
2,64
3,05
4,16
4,45
4,44
4,72
4,50
Gerilim[V]
17,00
17,00
17,00
17,00
17,00
18,00
17,00
17,00
18,00
18,00
29,80
şullarından etkilenmedikleri gibi bakım da gerektirmezler.
Ömürleri 15-20 yıl civarındadır.
Gereksinime göre paralel ve seri bağlama yöntemleri
ile değişik voltaj değerlerine sahip akü
bankaları elde edilebilmektedir [3,6]. Tablo 2'de
ülkemizde kullanılan bazı güneş akülerinin karakteristik
değerleri verilmiştir.
3. BİR KARAVAN İÇİN GEREKLİ
FOTOVOLTAİK PANEL HESABI
Fotovoltaik bir panelin güç gereksinimlerinin
hesaplanabilmesi için karavan için gerekli kurulu
gücün, radyasyon değerinin ve panellerin yerleştirileceği
açınm önceden bilinmesi gerekir. Bir
karavan için gerekli güç ve enerji değerleri Tablo
3'de olduğu gibi kabul edilirse, toplam enerji gereksiniminin
yaklaşik olarak lkWh/gün olduğu
bulunur. Bu enerji gereksinimi 5 saat/gün lük gü­
Uzunlukjmm]
275
561
532
958
1188
825
1188
1188
1188
1188
1350
Boy[mm]
231
231
448
433
530
530
530
530
530
530
805
Kalınlık[mm]
17,0 .
38,5
38,5
38,5
43,5
43,5
43,5
43,5
43,5
43,5
40,0
Ağırlıkfkg]
0,75
1,60
3,00
5,50
5,00
5,00
7,50
7,50
7,50
7,50
13,0
neşlenme ortalamasıyla güneş panelleri tarafından
karşılanacak ve güneş aküsü şarj edilerek
sağlanacaktır.
Tablo 3. Karavan için güç ve enerji gereksinimi
Cihaz
2 adet lamba
Buzdolabı
Televizyon
Elektrik ocağı
Toplam
Tablo 2. Türkiye'de kullanılan bazı güneş akülerinin karakteristikleri
Ürün Kodu
C12-Ah
C120- Ah
Derinlik [mm]
Genişlik [mm]
Yükseklik [mm]
Kuru Ağırlık [kg]
Elektrolitli Ağırlık [kg]
S-190
100
195
103
206
403
8,5
13,6
S-240
200
245
103
206
403
10,5
15,2
16 TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ /Temmuz-Ağustos 2003
S-400
310
400
124
206
403
15,2
20,3
Güç (W)
2x 15
50
50
200
330
Zaman (h)
4
10
•5
1
Enerji
(kWh/gün)
0,12
0,5
0,25
0,2
1,07
Bu durumda, W fotovoltaik panel kurulu güce
gereksinim olmaktadır. Bu enerjiyi karşılamak
için 4 adet 85 W'lik panelin kullanılmasıyla 340
W kurulu güç elde edilmektedir. Bu panellerin 5
h/gün'lük güneşleme ortalamasıyla üretebildiği
enerji,
S-550
425
550
124
206
519
22,9
31,5
S-650
505
660
145
206
519
22,9
31,5
S-750
580
75
166
206
519
26,3
37,0
S-900
700
915
145
206
519
30,7
43,7

340.5=1700 Wh/gün'dür.
Ancak güneş enerjisinden her zaman aynı verimle
yararlanamayacağından, 2 adet paralel bağlı
12 V'luk 100 Ah'lık (S-190 tipi) akülerin kullanılması
durumundaki bir akü bankasında,
12.22.100=2400 Wh
lik enerji depolanması mümkün olmaktadır. Bu
akü bankasının %70 verimle çalışması durumunda
1680 Wh'iik bir enerji depolayabilecektir.
Burada önemli olan diğer bir parametre de güneş
panellerinin hangi açıyla yerleştirilebileceğidir.
36. paralelde Akdeniz bölgesinde bulunan bir
sistemin devreye alınması için 50°'lik bir eğimle
yerleştirilmesi uygun olmaktadır [3].
4. MALİYET ANALİZİ
4.1. Güneş pilleri ile özgül enerji üretim maliyeti
besabı
Güneş pili sistemlerinin işletme ve bakım maliyetleri
çok düşük olduğundan,sistemin maliyetinin
büyük bir bölümünü yatırım (kuruluş) maliyeti
oluşturur. Güneş pillerinin tasarım, alt yapı, aküler
ve gerekli bağlantılarla birlikte maliyeti 7000$/kW
civarında olmaktadır. Bu değer klasik sistemlere
göre oldukça yüksektir[6].
Böyle bir sistemin yıllık kuruluş maliyeti,
eşitliğinden bulunur. Burada I k, fotovoltaik sistemin
kuruluş maliyeti, n sistemin ömrü, f 'de faiz
oranı olarak alınacaktır [1]. Bu durumda,
I k = 0,340 . 7000 = 2380 $
= 279,6 $/yıl
olarak bulunur. Fotovoltaik ünitenin bir karavanda
yılda 3 ay kullanılacağı düşünülürse yıllık
enerji üretimi,
E= 0,340 kW. 5 h/gün . 90 gün/yıl = 153 kWh/yıl
bulunur. Özgül yatırım maliyeti,
1,827 $/kWh
olarak bulunur. Sistemin özgül işletme maliyeti
de sabit masraflar yüzdesinin r = 0,10 kabulü ile,
C m = C k . r = 279,6 . 0,10 = 27,96 $/yıl
0,182 $/kWh
olarak bulunur. Buradan 340 W'hk kurulu güçlü fotovoltaik
bir sistemin özgül enerji üretim maliyeti,
g = gk + gm = 2.01 $/kWh
olarak bulunur.
4.2. Enerji Gereksiniminin Jeneratör ile karşılanması
Durumunda Maliyet Hesabı
Diğer bir alternatif ise, karavanın elektrik
enerjisi gereksiniminin 1 kW'lik jeneratör ile karşılanması
durumunda, jeneratör ömrünün 10 yıl,
satın alma bedelinin de 850 $ olarak kabulü ile,
özgül yatırım maliyeti,
= 183,3 $/yıl
E = 1 kW. 5 h/gün . 90 gün/yıl = 450 kWh/yıl
özgül işletme maliyeti,
= 0,307 $/kWh
0,046 $/kWh
olarak bulunur.
Jeneratörlü bir sistemde ayrıca yakıt maliyetinin
de hesaplanması gerekir. Jeneratörün özgül
yakıt sarfiyatı be =0,21 kg/kWh, dizel yakıt fiyatının
da 0,9 $/kg olarak alınması durumunda özgül
yakıt maliyeti,
g / = 0,21 .0,9 = 0,189 $/kWh
olarak bulunur. Jeneratörlü sistemin özgül enerji
üretim maliyeti,
TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Temmuz-Ağustos 2003 • 17

g = gk + gm + g/ eşitliğinden
g = 0,542 $ /kWh
olarak hesaplanır.
Buradan fotovoltaik panel kullanılması durumunda
özgül enerji üretim maliyetininjeneratörlü
sisteme gore çok pahalı olduğu görülmektedir.
S. SONUÇ
Günümüzde fosil yakıtlı kaynaklardan elde
edilen enerji üretimi, maliyet yönünden avantajını
sürdürmekle birlikte,çevre kirliliği ve bu yakıtların
rezervlerinin gittikçe azalmasından dolayı,
enerji sorununun çözümü için yeni enerji kaynakları
araştırılmalı ve doğanm en büyük enerji kaynağı
olan güneşten yararlanmak için, çalışmalara
ağırlık verilmelidir.
Bu çalışmada en yüksek elektrik enerjisi üretim
maliyetinin fotovoltaik ünitelerle karşılanması
durumu olduğu görülmektedir. Ancak enterkonnekte
şebekeden uzak kamp alanlarında elektrik
gereksiniminin karşılanması karavan kullanıcılarını
başka arayışlar içine sokmuştur. Karavanlarda
elektrik enerjisi gereksiniminin jeneratörle
veya akülerin taşıt motoru ile şarj edilmesi, maliyetin
büyük oranda düşmesine neden olmakla birlikte,
kamp bölgelerinde bu sistemlerin kullanılması
çevre ve gürültü kirliliğine neden olmakta,
yakıt temini ve depolanması gibi güçlüklerle karşılaşılmakta
ve taşıt motorunun bu amaçla uzun
süre kullanılması motor ömrü açısından da sakıncalar
doğurmaktadır.
Güneş panellerinin enerji üretim maliyetinin
yüksek olmasına karşın gürültü ve çevre kirliliğine
neden olmaması, ömürlerinin uzun, bakım
masraflarının çok az, seri ve paralel bağlanarak 2-
3 kW'a kadar uygulanabilir, ulaşımı zor bölgelerde
araçların binaların ve yatların üzerinde küçük
birimler halinde kullanılabilir ve yenilenebilir
enerji olması, gelecekte yaygın olarak kullanılmasını
cazip hale getirecek belli başlı avantajlarıdır.
Güneş panellerinin, üretim teknolojisinin geliştirilmesi,
yüksek verimli pillerin yapılması, ta-
18 • TESİSAT MÜHENDİSLİĞİ / Temmuz-Ağustos 2003
sarım tekniklerinin geliştirilmesiyle yatırım maliyetinin
azalacağı ve daha az yer kaplayan, yüksek
güçteki güneş pillerinin imal edilmesiyle, gelecekte
konvansiyonel sistemlerle yarışabilecek düzeye
getirilebilecektir.
KAYNAKLAR
1- Aybers N, Şahin B. "Enerji Maliyeti".Y.T.Ü
Matbaası No=229 İstanbul.
2- Backus, E.G. "Photovoltaic conversion"
Akademik press, 1977., New York.
3- Diken, Ö. "Fotovoltaik ünite tasarımı, elektrik
enerjisi üretimi ve maliyet analizi" Yüksek.Lisans
Tezi, YTÜ„ 2000.
4- Külink H., Eyice S. "Yenilenebilir Enerji
Kaynakları", 1983 İstanbul.
5- Pytlinski, J.T. "Photovoltaik Celi Technologies",
1985.
6- htpp : // www.youth farlab.org.tr.
EK. GÜNEŞ PİLLERİNİN KARAVANLARDA
UYGULAMALARI