r_00001_ElKitap_TRready

RE-You Projesi Yenilenebilir Enerji Sistemleri Mesleki Eğitim Kitapları Serisi Fotovoltaik Güç Sistemleri Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Temel Konular El Kitabı İlk Eğitim Programı İçin Hazırlanan (24 Nisan 2023 Tarihli) Versiyondur i



RE-You Projesi Yenilenebilir Enerji Sistemleri Mesleki Eğitim Kitapları Serisi Kitap Serisi Editörleri: Prof. Dr. Bülent Yeşilata (Baş Editör), Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi, Dr. Emrah Bıyık (Yrd. Editör), Yaşar Üniversitesi Kitap Serisindeki Kitapların Başlıkları 1. Fotovoltaik Güç Sistemleri - Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Temel Konular El Kitabı 2. Fotovoltaik Güç Sistemleri - Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Gelişim Konuları Ek Kitabı 3. Rüzgar Güç Sistemleri - Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Temel Konular El Kitabı 4. Rüzgar Güç Sistemleri - Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Gelişim Konuları Ek Kitabı 5. Biyogaz Güç Sistemleri - Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Temel Konular El Kitabı 6. Biyogaz Güç Sistemleri - Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) İçin Mesleki Gelişim Konuları Ek Kitabı ii

Fotovoltaik Güç Sistemleri Nitelikli Teknik İş Gücü (Seviye 5+) Mesleki Temel Konular El Kitabı Yazarlar (Soyisim Sırasıyla): Emrah Bıyık (Dr. Öğr. Üyesi, Yaşar Üniversitesi) Levent Bilir (Dr. Öğr. Üyesi, Yaşar Üniversitesi) Emrah Sarı (Yük. Müh., Maxima Enerji) Osman Bulunuz (Elk. Müh., Maxima Enerji) Nurdan Yıldırım (Doç. Dr., Yaşar Üniversitesi) Editör Bülent Yeşilata (Prof. Dr., Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi) iii

SUNUŞ RE-You Projesi kapsamında düzenlenen eğitim programının temel amacı; teknik bölümlerden mezun olmuş 18-29 yaş arası 480 gence yenilenebilir enerji sektöründe istihdam edilmelerine yardımcı olacak nitelikleri kazandırmaktır. Bu amaç doğrultusunda; Balıkesir Üniversitesi ve Çanakkale Onsekiz Mart Üniversitesi'nde Seviye 5 Ulusal Meslek Standartları (UMS) kapsamında rüzgâr, fotovoltaik, biyogaz enerjisi alanlarında teorik ve uygulamalı eğitimlerin verilmesi planlanmıştır. Bu doğrultuda her bir teknoloji için sahada çalışan nitelikli teknik personel (Seviye 5) yetiştirme gereklilikleri dışında ve sahadaki ekipleri koordine eden Ekip Yöneticisi Teknikerler ve Mühendislerin de ihtiyaç duyabilecekleri Seviye 5 üstü ek bilgi ve uygulamaları da içerecek şekilde 2 Kitap hazırlanmıştır (Seviye 5 ve üstü kısaca Seviye 5+ olarak isimlendirilmiştir): 1. Mesleki Temel Konular El Kitabı (yaklaşık 600 sayfa), 2. Mesleki Gelişim Konuları Ek Kitabı’ (yaklaşık 100 sayfa). Bu yaklaşım sonrasında RE-You Projesi kapsamında; rüzgâr, fotovoltaik, biyogaz güç sistemleri alanında 6 (altı) kitaptan oluşmuş güçlü bir ‘Yenilenebilir Enerji Sistemleri Mesleki Eğitim Kitapları Serisi’ ortaya çıkmıştır. Bu kitap serisinin Yenilenebilir Enerji Sistemleri sektörünün tüm paydaşlarına faydalı olmasını dilerim. Prof. Dr. Bülent Yeşilata (Baş Editör, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi) iv

ÖNSÖZ Fotovoltaik Güç Sistemleri Personeli (Seviye 5) iş sağlığı ve güvenliği ile çevre koruma önlemlerini uygulayarak kalite gereklilikleri çerçevesinde fotovoltaik güç sistemleri montajı aşamasında iş organizasyonu yapan, fotovoltaik güç sistemlerinin mekanik ve elektriksel bileşen montajını yaparak kurulum sürecini yürüten, fotovoltaik güç sistemlerin ölçümünü, bakım ve onarımı yapan ve mesleki gelişime ilişkin faaliyetlerde bulunan nitelikli kişidir. Mevcut kitaptaki (Kitap 1) konu ve eğitim için önerilen uygulamalar, Fotovoltaik Güç Sistemleri Personeli (Seviye 5)’in meslek tanımına uygun niteliklerin tamamını kazandıracak şekilde hazırlanmıştır. Ayrıca Seviye 5 personeli ile birlikte çalışan yönetici tekniker ve yönetici mühendislerin fotovoltaik güç sistemlerinin tasarımı, projelendirilmesi, kurulumu, işletimi ve izlenmesi ile ilgili bilgilere sahip olmasını sağlayacak Seviye 5 üstü ek bilgi ve uygulamalar da (kısaca Seviye 5+ olarak isimlendirilmiştir) kitapların içeriğine ilave edilmiştir. Yine Seviye 5+ kapsamındaki bilgi derinliğini arttırmak amacıyla bu kitaba ek olacak şekilde Mesleki Gelişim Ek Kitabı (Kitap 2) hazırlanmıştır. Seviye 5 ve Seviye 5+ kapsamındaki niteliklerin kazandırılmasına yönelik bilgi ve uygulamaların bu kitaptaki modüllerle ilişkilendirilmesi aşağıda açıklanmıştır: Meslek İçin Aranan Nitelik Kitaptaki Modüllerle İlişkilendirme Meslekle ilgili temel kavramları açıklar, meslekle Modül 1 bu gereklilikleri karşılayacak şekilde ilişkili konuları araştırır. hazırlanmıştır. Ayrıca Seviye5+ konularını da kapsamaktadır. İş Sağlığı ve Güvenliği, Çevre Koruma Önlemleri, Modül 2 bu gereklilikleri karşılayacak şekilde Kalite Gereklilikleri ve İş Organizasyonu temel ve ilişkili ULUSAL YETERLİLİK BAŞARI kurallar ve prensiplerini montaj, işletme ve bakım- ÖLÇÜTLERİ de dikkate alınarak onarım süreçlerinde uygular. hazırlanmıştır. Meslekle ilgili ve ilişkili temel kavramları Modül 3 bu gereklilikleri karşılayacak şekilde detaylandırır, mesleki gelişime yönelik konularda hazırlanmıştır. Ayrıca Seviye5+ konularını da eğitim alır. Ayrıca mesleki gelişime ilişkin kapsamaktadır. faaliyetlerde bulunur. Mekanik montaj kapsamında montaj için hazırlık Modül 4 bu gereklilikleri karşılayacak şekilde yapılmasını ve mekanik montajın ve ilişkili ULUSAL YETERLİLİK BAŞARI gerçekleştirilmesini sağlayarak ve mekanik ÖLÇÜTLERİ de dikkate alınarak montajı kontrol eder. hazırlanmıştır. Elektriksel bileşen montajı kapsamında montaj Modül 5 bu gerekliliği karşılayacak şekilde ve hazırlıklarını tamamladıktan sonra evirici öncesi ilişkili ULUSAL YETERLİLİK BAŞARI ve sonrası montajı yapılması gereken bileşenlerin ÖLÇÜTLERİ de dikkate alınarak montajını yaparak elektrik bağlantılarını hazırlanmıştır. Ayrıca Seviye5+ konularını da gerçekleştir, panel dizilerinin elektriksel kapsamaktadır. değerlerini kontrol eder, topraklama direncinin ölçer, elektrik panolarının ve eviricinin elektrik Modül 6 bu gerekliliği karşılayacak şekilde ve kablo bağlantılarını yapar ve tamamladığı ilişkili ULUSAL YETERLİLİK BAŞARI elektriksel bileşen montajını kontrol eder. ÖLÇÜTLERİ de dikkate alınarak Bakım ve onarım süreçleri kapsamında bakım ve hazırlanmıştır. Ayrıca Seviye5+ konularını da onarım hazırlığı yaparak faaliyette olan sistemin kapsamaktadır. bakım onarımını ve ölçümlerini yapar. Kitapların (Kitap 1 ve Kitap 2) Fotovoltaik Güç Sistemleri sektörü ve paydaşlarına faydalı olmasını dilerim. Prof. Dr. Bülent Yeşilata (Editör, Ankara Yıldırım Beyazıt Üniversitesi) v

İÇİNDEKİLER Sunuş iii Önsöz iv İçindekiler v Modül 1: Fotovoltaik güç üretimi için temel bilgiler ve terminoloji 1-74 Modül 2: İş sağlığı ve güvenliği, çevre, kalite 1-128 Modül 3: Fotovoltaik güç sistemleri tasarım & projelendirme 1-70 Modül 4: Fotovoltaik güç sistemleri montajı 1-100 Modül 5: Fotovoltaik güç sistemleri elektriksel bileşenlerin montajı 1-144 Modül 6: Fotovoltaik güç sistemlerinin bakım ve onarımı 1-128 vi



MODÜL 1 FOTOVOLTAİK GÜÇ ÜRETİMİ İÇİN TEMEL BİLGİLER VE TERMİNOLOJİ

MODÜL KÜNYESİ Modül Başlığı: Fotovoltaik Güç Üretimi için Temel Bilgiler ve Terminoloji Modülün Amacı: Fotovoltaik sistemler için gerekli olan temel bilgilerin ve konu hakkındaki temel terimlerin verilmesi Öğrenme Kazanımları: Öğrenme Kazanımı 1: Enerji ve Yenilenebilir Enerji ile İlgili Temel kavramları açıklar Öğrenme Kazanımı 2: Güneş Enerjisi ile İlgili Temel kavramları açıklar Öğrenme Kazanımı 3: Fotovoltaik Paneller ile ilgili geometrik bilgiye ve gölgelendirme hakkında bilgiye sahip olur Öğrenme Kazanımı 4: Kısmi gölgelenmeye neden olabilecek çevresel etkenleri açıklar Öğrenme Kazanımı 5: Meslekle ilgili temel kavramları açıklar Önerilen Teorik Eğitim Süresi (Saat): T: 22 M:22 Önerilen Uygulamalı Eğitim Süresi: T: 6, M:6 MODÜL 1- 2

Konu Kodu MODÜL İÇERİK TABLOSU Sayfa No Konu Başlıkları 5 Konu 1 Enerji 5 1.1 Enerjinin Formları 5 1.2 Enerji ile İlgili Birimler 6 1.3 Elektriksel Parametreler 7 Konu 2 Enerjinin Tarihçesi 7 2.1 Giriş 7 2.2 İlk Enerji Çağları 8 2.2 Orta Çağ ve Erken Modern Gelişmeler 9 2.3 Modern Zamana Geçiş 11 Konu 3 Yenilenebilir Enerji 11 3.1. Giriş 11 3.2 Güneş Enerjisi 12 3.3 Biyokütle 14 3.4 Rüzgar Enerjisi 15 3.5 Hidroelektrik ve Dalga/Deniz Enerjisi 18 3.6 Jeotermal Enerji 20 Konu 4 Güneş Enerjisine Giriş 20 4.1 Güneş Enerjisi ile İlgili Temel Bilgiler 22 4.2 Güneş Işınımı ve Güneş Açıları 24 4.3 Dünya Atmosferinin Güneş Işınımı Üzerindeki Etkisi 26 4.4 Güneş Geometrisi 27 Konu 5 Güneş Enerjisi Uygulamaları 27 5.1 Isıl Güneş Enerjisi Uygulamaları 27 5.1.1 Aktif Güneş Enerjisi Isıl Uygulamaları 28 5.1.2 Pasif Güneş Enerjisi Uygulamaları 29 5.3 Fotovoltaik Güneş Enerjisi Uygulamaları 31 Konu 6 Fotovoltaik Modüller/Paneller ve Tarihsel Gelişimleri 31 6.1 On Yıl Öncesine Kadar Olan Durum 35 6.2 Yakın Zaman Gelişim Süreci 40 Konu 7 Fotovoltaik Hücre ve Modül/Panel Teknolojilerine Giriş 40 7.1 Çalışma Prensibi ve Teknoloji 41 7.2 Fotovoltaik Modüller ve Hücreler ile İlgili Temel Bilgiler 41 7.2.1 Silisyum Levha Bazlı Fotovoltaikler 43 7.2.2 İnce Film Fotovoltaik Modüller 43 7.3 Modül Maliyeti ve Verimliliği 44 7.4 Modüllerin Test ve Sertifikasyonu 45 7.5 Hücre/Modül Teknolojilerindeki Gelişmeler 47 Konu 8 Fotovoltaik Modül/Panel Yerleşimi 47 8.1 Modüllerin/Panellerin Yerleştirilmesi ile İlgili Geometri 48 8.2 Gölgeleme 51 Konu 9 Fotovoltaik Güç Sistemi Bileşenleri ve Uygulamaları 51 9.1 Fotovoltaik Güç Sistemi Temel Bileşenleri 52 9.2 Fotovoltaik Sistemlerin Uygulama Sahasına Göre Türleri 52 9.2.1 Çatı Tipi FV Sistemler 52 9.2.2 Binalara Entegre Fotovoltaik Sistemler (BEFV) 53 9.2.3 Güneş Enerjisi Tarlası (Arazi Uygulaması) 54 9.3 Fotovoltaik Sistemlerin Şebeke Bağlantısına Göre Türleri 54 9.3.1 Şebekeye Bağlı Fotovoltaik Enerji Sistemleri (On-grid) MODÜL 1- 3

9.3.2 Şebekeden Bağımsız Fotovoltaik Enerji Sistemleri (Off -grid) 54 9.4 Hibrit Fotovoltaik Enerji Sistemleri 55 Anahtar Not 1 Arazi Tipi Fotovoltaik Güç Santrallerine Genel Bakış 56 Anahtar Not 2 Ülkemizdeki Fotovoltaik Uygulamalara Genel Bakış 57 Konu 10 Fotovoltaik Güç Sistemleri Personeli (Seviye 5) Meslek Tanımı 59 ve Temel Esasları Konu 11 Uygulama Faaliyetleri 66 Konu 12 Ölçme ve Değerlendirme 67 Konu 13 Yeterlilik Kontrol Listesi 71 Faydalanılan Kaynaklar 72 Modül Son Sayfası 74 MODÜL 1- 4

KONU 1 ENERJİ 1.1. ENERJİNİN FORMLARI Enerji en basit hali ile iş yapabilme kabiliyeti olarak tanımlanmaktadır. Teknik olarak iş bir kuvvet altında olan cisme etki eden kuvvetin kat edilen mesafe ile çarpımı ile bulunur. ! = # × % (1) Enerji birçok form alabilir ve birçok değişik tipte iş yapabilir. Doğa kanunlarının en önemlilerinden birisi enerjinin yoktan ortaya çıkamayacağı ve yok edilemeyeceğidir, ancak enerji form değiştirebilir. a) Kimyasal Enerji Kimyasal enerji, molekül adı verilen kümelerdeki atomları birbirine \"yapıştırmaya\" yardımcı olan enerjidir. Özel olarak ilgi alanımıza giren doğal gaz, propan veya petrol gibi maddeler yakıldıkları zaman bu enerjinin bir kısmını açığa salabilirler. Bu yakıtlar yakılınca bağlı atomların bazısı birbirinden ayrılır ve bunları birlikte tutan kimyasal bağ enerjisi açığa çıkar. Bu işlem esnasında kimyasal enerji birçok değişik iş tipi yapmaya uygun olan yüksek sıcaklıklı ısı enerjisine dönüşür. b) Isıl Enerji Isıl enerji etrafımızda bulunan atom ve moleküllerin mikroskobik hareketleri ile oluşur. Isıl enerji genel olarak ısı olarak da anılır. İki tip ısıl enerji bulunaktadır; Duyulur Isı: Bu tipteki ısı atom veya molekülleri hareket ettiren tipteki enerjidir. Bir madde daha sıcak hale geldikçe daha fazla hareket gözlenmektedir. Duyulur ısı adını bizim onu hissedebilmemizden alır. Örneğin suya ısı verildikçe sıcaklığını arttırırız ve eğer suya dokunursak bu ısıyı hissedebiliriz. Gizli Isı: Bu tipteki ısı maddenin form değiştirmesi ile ilgili olan ısıdır. Örneğin sıvı haldeki suyu ısıtırsak bir miktar duyulur ısı eklemiş oluruz, ancak su sıcaklığı buharlaşma sıcaklığına eriştikten sonra suyun sıvı halden buhar haline geçişi esnasında verilen ısı gizli ısıdır. Bu form değişikliği moleküllerin birlikte kalabilmesi için çok hızlı hareket etmesi ve sonucunda ayrılmasıyla gerçekleşir. Bu tipteki ısı ismini ortaya çıkması için uygun koşullar gerçekleşene kadar gizli kalmasından almaktadır. c) Mekanik Enerji Mekanik enerji hareket halindeki hava veya su gibi fiziksel hareket ile oluşan veya bir topun fırlatılması ile veya bir ahşabın zımparalanması ile oluşan enerji biçimidir. Enerjinin birçok formunda olduğu gibi sonuçta mekanik enerji ısıl enerjiye dönüşerek kaybolur. Buna örnek olarak ahşabın zımparalanması esnasında mekanik enerjinin duyulur ısıya dönüşmesi gösterilebilir. d) Elektrik Enerjisi Elektrik enerjisi, elektrik akımının teller boyunca hareketini içerir. Elektriksel enerji, birçok işlevi yerine getirebildiği için çok yararlı bir enerji şeklidir. Sonuçta, çoğu elektrik enerjisi de hissedilir ısı şeklinde ısı enerjisi olarak son bulur. Elektrikli ısıtıcılar gibi bazı cihazlar direkt olarak enerjiyi dönüştürür, motorlar gibi diğer cihazlar ise elektriği mekanik enerjiye dönüştürür. Elektrik kullanımını optimize etmenin püf noktası, ısı olarak kaybolmadan önce elektrik tarafından yapılan iş miktarını en üst düzeye çıkarmaktır. Tipik olarak, bu da mekanik enerji kullanımının optimize edilmesini içerir. 1.2. ENERJİ İLE İLGİLİ BİRİMLER Metrik birimdeki temel enerji birimi “Joule”dur. Bunun yanı sıra Watt-saat birimi de kullanılmaktadır. Birimler arası dönüşüm şu şekildedir; 1000 (J) = 1 kiloJoule (kJ) 1 kiloWatt-saat (kWh) = 3,600,000 (J) ya da 3.6 (MJ) MODÜL 1- 5

1.3. ELEKTRİKSEL PARAMETRELER Güç, enerji akış hızı veya enerjinin ne kadar hızlı kullanıldığı veya aktarıldığıdır. Güç Joule/saniye (J/s) cinsinden ölçülür. Bu değer bir Watt (W) olarak tanımlanmaktadır. Mekanik güç genellikle metrik sistemde kiloWatt cinsinden ölçülür. Bir devrede kullanılan elektrik gücü veya talep iki temel faktöre bağlıdır: voltaj ve akım. ● Voltaj, bir iletken aracılığıyla elektrik yükünü gönderen itici gücün büyüklüğüdür. Bu bir su dağıtım sistemindeki basınca veya salıncakta bir çocuğu iten bir adam tarafından uygulanan kuvvete benzer. Voltaj veya gerilim Volt birimi ile ölçülür. ● Akım gerilim tarafından uygulanan itilme sayesinde bir telden geçen yük akış hızıdır. Bu da bir boruda olan akış hızı veya salıncakta itilen çocuğun hızına benzer. Akım Amper birimi ile ölçülür. ● Güç, yararlı iş yapmak için birlikte hareket eden voltaj ve akımdır. Güç Watt cinsinden ölçülür. Matematiksel olarak, ilişki şu şekilde temsil edilir: Güç = Voltaj x Akım Watt = Volt x Amper ● Talep elektrik enerjisinin kullanım hızıdır. Talep terimi esasen elektrik gücü ile aynıdır, ancak genellikle belli bir zaman aralığında ölçülen ortalama güç olarak tanımlanır. Pik güç belli zaman aralığındaki maksimum talebi temsil eder. Elektriksel iş ve güç ile ilgili temel birimler Tablo 1’de, birim çarpan faktörleri ise Tablo 2’de verilmiştir. Tablo 1. Birimler Fiziksel Büyüklük Birim Adı Birim Tanımı Kuvvet Newton ' = () × * Enerji Joule +! , = N × m Güç Watt ! = , Elektriksel Direnç + Elektriksel Gerilim Volt Elektriksel Akım Amper / = 01 Elektriksel Güç Watt Frekans Hertz 0 = 1 × / Elektrik Yük Coulomb Elektriksel İletkenlik Siemens 1 = 0 / ! = A × 0 34 = 1+ 6 = 1 × + 7 = /1 , MODÜL 1- 6

Çarpan Faktörü Tablo 2. Çarpan Faktörleri Simge 1018 Üst Çarpanlar E 1015 Önek Adı P 1012 T 109 Exa G 106 Peta M 103 Tera k 102 Giga h 101 Mega da Kilo Çarpan Faktörü Hekto Simge Deka 10-18 a 10-15 Ast Çarpanlar f 10-12 Önek Adı p 10-9 n 10-6 Atto μ 10-3 Femto m 10-2 Piko c 10-1 Nano d mikro Mili Santi Desi MODÜL 1- 7

KONU 2 ENERJİNİN TARİHÇESİ 2.1. GİRİŞ Enerji Dünya üzerinde canlıların yaşamaya başladığı andan itibaren hayati önem taşımaya başlamıştır. Organizmaların yaşamlarını sürdürebilmeleri için enerjiye ihtiyaçları bulunmaktadır. İnsanlık tarihindeki ilk enerji çağı 300000 sene önce “Homo sapiens”in, “Homo erectus”'tan farklılaşması ile başladı ve bu dönem yerleşik toplumların başlangıcı olan 10000 sene öncesine kadar devam etti. Tarih öncesi bu dönemde insan gücü ve ateşin gücünün kullanımı gerçekleşmiştir. Bazı hayvanların evcilleştirilmesi ve ateşin metal ve başka bazı dayanıklı malzeme oluşumunda kullanımı en büyük enerji kullanımıdır. Birkaç milenyum sonra su çarklarının ve rüzgar güllerinin kullanımı hayvanların kullanımının yerine geçecek olan buluşlar olarak karşımıza çıkmışlardır. Enerji alanındaki üçüncü büyük gelişim hayvanların gücünün kullanımının yerine geçen motor kullanımı ve bunun için de fosil yakıtların kullanımıdır. Bu kullanım yalnızca birkaç yüz yıl öncesi bazı Avrupa ülkelerindeki kullanım ile başlamıştır. Konu ile ilgili son gelişim 1882’deki Londra, New York ve Appleton, Wisconsin’de kullanıma başlanan elektrik üretimidir. Bu tarihten itibaren tüm modern ekonomiler elektrik üretimi için fosil yakıtları kullanmışlar, 1950lerden itibaren nükleer yakıtları kullanmışlar ve daha sonraları da rüzgar enerjisi ve fotovoltaik panelleri kullanmışlardır. Hayat kalitesinin artışı ile birlikte enerji kullanımı artmıştır. Dünya nüfusundaki yükselme, ülkelerin ekonomik güçlerindeki artış, askeri amaçla kullanım, Dünya’daki ticaretin artması ve küreselleşme bu enerjinin kullanımında artışa katkıda bulunmuştur. 2.2. İLK ENERJİ ÇAĞLARI Tarih öncesi çağlarda çok uzun süre boyunca insanlık kendi kas gücü ile yiyecek avlamış, toplamış, barınaklar inşa etmiş ve bazı malzemeler imal etmiştir. Ancak insan vücudu 50-90 W civarı bir güç ile iş yapabildiğinden ve kısa zaman sürecinde bu değerin 100 W’a kadar çıkabilmesi nedeniyle yapılabilecek iş sınırlıdır. Ayrıca kasların mekanik olarak verimi %20-25 arasındadır, yani yiyeceklerden alınan enerjinin %20-25’i kas gücüne dönüştürülebilmektedir. Bu dönemde bazı basit araç-gereç yiyecek toplamak için geliştirilmiş ve kas gücünün ötesinde iş yapabilmek için kullanılmıştır. Ayrıca 250000 sene öncesine dayanan ateş kullanımı da yiyecekleri pişirmek ve ısınmak amacıyla kullanılmıştır. Toplayıcı toplumdan yerleşik topluma geçiş ile çiftçiliğe geçiş birkaç enerjiye bağlı basamakta gerçekleşmiştir. Çiftçilikle birlikte ürün yetiştirilmesi insanlara daha çok enerji sağlayabilecek ürünleri üretme imkanı sağlamıştır. Tarla açmak, gübre kullanımı, ürünlerin toplanması gibi amaçlarla için metabolik enerji kullanımı gerçekleşmiş, ancak sonucunda daha çok insanı besleyebilecek enerji elde edilmesi sağlanmıştır. Şekil 1’de değişik amaçlarla yapılan tarımsal faaliyetler sonucu ulaşılan nüfus yoğunluğu hakkında bilgi verici grafik sunulmaktadır. Şekil 1. Yerleşik tarımın aşamaları MODÜL 1- 8

Tarım alanlarının artışı ile birlikte artık sadece insan gücünün kullanımı yeterli gelememeye başlayarak hayvanların kullanımı söz konusu oldu. Küçük sığırlar 200 W’tan düşük bir güç üretebilirken, daha güçlü hayvanların 300W’tan fazla güç üretmeleri mümkündür. Ayrıca atlar 500W’ı aşan ve 6-8 yetişkin erkeğin emeğine eşit bir güç üretebilmektedirler (Şekil 2) Şekil 2. Değişik kaynaklardan elde edilen güç miktarı aralıkları (A) ve MÖ 1000 ila MS 1700 ve MS 1700 ila MS 2000 (B ve C) dönemleri için ayrıntılı olarak gösterilmiştir. İnsan kas gücünün sınırlarının aşılması için birçok insanın bir arada veya hayvanları çekerek kullanımı söz konusu olmuştur. Bu şekilde kW’lar mertebesinde güç elde etmek ve etkileyici taş yapılar oluşturulmuştur. Ateşin kullanımı tuğla üretim, bazı metallerin ergitilmesini sağlamıştır. Ahşabın dönüştürülmesi için kömür kullanımı olmuştur, ayrıca odunun kullanımı metal ergitilmesinde önemli yer almıştır. 2.3. ORTA ÇAĞ VE ERKEN MODERN GELİŞMELER Bazı hayvanların güç üretiminde kullanımı giderek artmış ve bunun yanında daha çok güç elde edilebilen su ve rüzgar gücünün kullanımı da ortaya çıkmıştır. Bu dönemde insan gücü kullanımı daha gelişmemiş ancak daha iyi dizayna sahip araç-gereç imali ile birlikte daha verimli hale gelmiştir. İnsan ve hayvan gücü ile kullanılan tekerlerin kullanımı bina inşası ve kargoların gemilere yüklenmesinde kullanılmıştır. Atlara demir nalların çakılması çekişlerinde iyileştirme sağlayarak elde edilen gücün 700W’a kadar ulaşmasını beraberinde getirdi. Orta çağda tahıl öğütme, yağ presleme, ağaç kesme, fırın körüklerinin çalıştırılması gibi amaçlarla su değirmenleri kullanılmaya başladı. Rüzgar gücünün kullanımı ile gemilerin hareketi sağlandı ve verimsiz de olsa yel değirmenlerinin kullanımı başladı. Yel değirmenleri tahıl öğütmede ve su drenajında (Hollanda) kullanılmaktaydı. 17. Yüzyılın başlarında nispeten daha verimli rüzgar değirmenleri kanatların daha aerodinamik olarak tasarlanmasıyla kullanıldı. Geç orta çağ ve erken modern çağ rüzgar enerjisinin yoğun kullanıldığı bir zaman periyodudur. Bu dönemde daha büyük ve daha iyi dizayn edilmiş gemilerin kullanımı söz konusu MODÜL 1- 9

olmuştur. Pusula ve barutun icadı gemicilikte önemli gelişmeler olmuştur. Bu sayede gemiler silah olarak daha iyi teçhiz edilmişler ve okyanusları geçebilmişlerdir. 1472’de Kristof Kolomb ekvator etrafında dönmüş ve 1492’de Karayipler’e gitmiştir. Vasco de Gama Ümit burnunu dönerek Hint Okyanusuna ulaşmıştır. Bu dönemde ayrıca kömür kullanımı ile demir eldesi önem yer tutmaktadır. 2.4. MODERN ZAMANA GEÇİŞ Hayvan gücüne ve odun ile kömüre bağımlılık bu dönemde kademeli olarak bitmiş ve fosil yakıtlara geçiş başlamıştır. Fosil yakıtları önemli ölçüde tüketen motorların kullanımı da bu dönemde gelişmiştir. 18. yüzyılın sonları ile 20. yüzyılın ortaları arasında içten yanmalı motorlardan ve elektrik kullanımından önce motorlar tamamen baskın hale geldi. 1900 yılına gelindiğinde birçok Avrupa ülkesi neredeyse tamamen kömürden enerji alıyor durumundadır. İngiltere odundan kömüre geçişi 16. ve 17. yüzyıllarda başarılı şekilde gerçekleştirmiştir. Kömürün mekanik sistemlerin yakıtı olarak kullanımı 1700’lerden sonra Newcomen tarafından üretilen verimsiz buhar motoru ile başlamış, James Watt’ın 1769’da gerçekleştirdiği geliştirmelerle ve patenti ile devam etmiştir. Buharlı motorlar endüstriyel devrimin tetikleyicisi olarak görülmektedir ve geleneksel ile modern arasındaki ayrım olarak değerlendirilmektedir. 18. yy’dan 21. yy’a kadar taşıma araçlarının hızlarındaki değişim Şekil 3’te gösterilmektedir. Şekil 3. Taşıma araçlarının hızları (1700 ile 2000 arası) Bununla birlikte Avrupa ve Kuzey Amerika’da kömürün kullanımından ziyade su gücünün kullanımı da önemli gelişmeler kaydetmiştir. 1832’de Benoit Fourneyron’un geliştirdiği reaksiyon su türbini, 1847’deki James B. Francis’in içe akışlı türbini ve 1889’da jet akışlı Pelton türbini su gücünden elektrik eldesinin başlamasını sağlamıştır. Ayrıca Victor Kaplan’ın eksenel türbini de 20. yüzyılda modern elektrik üretiminde kullanılmaktadır. Bir başka gelişme ise rüzgar enerjisi alanında yaşanmıştır. Buhar makinelerinin zirve kullanıma ulaştığı zamanlarda rüzgar enerjisi de zirve kullanıma ulaşmıştır. Amerika’nın batısında buhar lokomotifleri için su pompalamada, evlere su temininde rüzgar güllerinin kullanımı söz konusudur. Rüzgar gülleri bu dönemde çok sayıda üretilmiş ve kullanılmıştır. Bir sonraki aşama olarak elektriğin kullanımı yeni bir gelişim olarak ortaya çıkmıştır. Ticari olarak elektrik üretimi, iletimi ve kullanımı Thomas A. Edison ve arkadaşlarının 1880’lerin başındaki kısa bir zaman periyodundaki gelişimleri ile oluşmuştur. Daha sonraları iletimde alternatif akım kullanımının savunucularından George Westinghouse’un, ilk buhar türbininin patentini 1884’te alan Charles Parsons’un, 1885’te ilk verimli transformatörü bulan William Stanley ve 1888’de ilk elektrikli motoru icat eden Nikola Tesla’nın katkılarıyla elektrik kullanımı ilerlemiştir. 1890’ın sonuna doğru elektrik sistemleri mükemmelleşmeye ve günümüzde dahi kullanılan standartlaşmaya ulaşmışlardır. Elektrik kullanımının en önemli sonucu endüstriyel üretimdir. Buhar makinalarının ileri geri hareketi dönen şaftlara veya kayışlara aktarılmalıdır, bu da sürtünmeye neden olmakta ve kazalara ve verim düşüşüne neden olmaktaydı. Ancak elektrik motorları bu dezavantajları ortadan kaldırmaktaydı. Elektrik kullanımı ile petrol kullanımı aynı zamanlara denk gelmektedir. Modern otomobillerin başlangıcı Gottieb Daimler’in benzinli motoru, Karl Benz’in elektrikli ateşleme sistemi, William Maybach’ın icadı olan karbüratör ile Rudolf Diesel’in buluşu olan içten yanmalı dizel motorlardır. Wright kardeşlerin 1904’te ürettikleri uçak ile ilk uçuşu gerçekleştirmeleri de bu dönemin önemli gelişmelerindendir. MODÜL 1- 10

Sonraları 1944’te II. Dünya savaşında ilk jet motorlu uçağın kullanımı ve 1950’lerde ticari jet motorlu uçakların kullanımı gerçekleşmiştir. Ulaşım ham petrole talebin en büyük nedeni olmuştur. Sonraları sıvı yakıtlar ve doğal gaz da hidrokarbon yakıt olarak ihtiyaç duyulan yakıtlardandır. 1950 yılına gelindiğinde tüm yakıtlar içinde ham petrol ve doğal gazın payı %35 civarındayken 200 yılında %60 civarına ulaşmıştır, kömürün ise %25 civarındadır. Böylece fosil yakıtların payı %90’lar seviyesinde olmuştur (Şekil 4-5). Şekil 4. Global yakıt tüketiminin payı Şekil 5. Ana enerji dönemleri MODÜL 1- 11

KONU 3 YENİLENEBİLİR ENERJİ 3.1. GİRİŞ Yenilenebilir enerji kaynakları uygarlığın başlangıcından beri insanlık için önemli olmuştur. Yüzyıllar boyunca biyokütle ısıtma, pişirme, buhar elde etmek için kullanılmıştır. Hareket elde etmek için, sonrasında ise enerji üretimi için hidroelektrik ve rüzgar enerjisi kullanılmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları genellikle Dünya'nın ekosistemi boyunca güneş ışınımı vasıtası ile ve Dünya’nın iç ısısı dolayısıyla oluşan jeotermal enerji vasıtası ile meydana gelmektedir. Yenilenebilir enerji kaynakları şu şekilde listelenebilir; ● Güneş enerjisi (ısıtma ve elektrik üretimi için). ● Biyokütle enerjisi (güneş ışınımı yardımıyla bitkileri büyümesi). ● Rüzgar enerjisi (güneş enerjisi etkisi ile hareket eden hava kütleleri). ● Hidroelektrik ve Dalga/ Deniz enerjisi (dalga enerjisi, deniz akıntı enerjisi ve gelgit barajlarından gelen enerji). ● Jeotermal enerji (Dünya’nın iç ısısı dolayısıyla meydana gelen enerji) Modern bir şekilde uygulandığı takdirde yenilenebilir enerji kaynakları aşağıda listelenmiş olan genel politika yönergeleri ve çevre, sosyal ve ekonomik hedeflere oldukça duyarlı olarak kabul edilir; ● Enerji taşıyıcılarının çeşitlendirilmesi, ısı, yakıt ve elektrik üretimi. ● Temiz enerji kaynaklarına erişimin iyileştirilmesi. ● Fosil yakıt kullanımının dengelenmesi, diğer uygulamalar ve gelecek nesiller için tasarruf edilmesi. ● Talep değiştikçe güç sistemlerinin esnekliğinin elektrik olarak artırılması. ● Geleneksel enerji sistemlerinden kaynaklanan kirliliği ve emisyonları azaltmak. ● İthal yakıtlara bağımlılığı azaltmak ve harcamaları en aza indirmek. Ayrıca, birçok yenilenebilir enerji teknolojisi şebekeden bağımsız uygulamalar, enerjinin olduğu kırsal, uzak alanlar için uygundur. Dünyanın ekosistemi boyunca akan doğal enerji, muazzam ve teorik potansiyeli insan ihtiyaçları ve mevcut enerji tüketimini birçok kez aşacak düzeydedir. Örneğin, Dünya’da bulunan çöllerin yüzde 1'lik alanında güneş enerjisi santralleri kurulursa Dünya’nın tüm elektrik talebini üretecektir. Tüm yenilenebilir enerji kaynakları elektriğe dönüştürülebilir. Bazı durumlarda sıvı veya gaz yakıt elde etmek te mümkün olmaktadır. Bazı önemli yenilenebilir enerji kaynakları kesintili olduğundan (rüzgar ve güneş enerjisi), bu tür sistemleri bir şebekeye entegre etmek bazı zorluklar yaratır. Bu durum biyokütle, hidroelektrik ve jeotermal santraller ile daha az sorun teşkil etmektedir. 3.2. GÜNEŞ ENERJİSİ Güneş radyasyonu, Dünya yüzeyinin herhangi bir yerinde mevcuttur. Dünya üzerindeki güneş ışığının maksimum ışınımı (güç yoğunluğu) konumdan bağımsız olarak metrekare başına yaklaşık 1.000 Watt’tır. Güneş ışınımı genel olarak birim alana düşen mevcut enerji olarak (metrekare başına yıl boyunca düşen kiloWatt-saat olarak) tanımlanır. Bu değer bulunulan konuma göre yılda metrekare başına yaklaşık 800 Watt-saatten (kuzey İskandinavya ve Kanada) bazı kuru çöl bölgelerinde yılda metrekare başına maksimum 2500 Watt-saate kadar değişim göstermektedir. Dünya üzerine düşen bu Güneş ışınımından ısıtmada ve elektrik elde etmek amacıyla yararlanılmaktadır. Isıtma amacıyla kollektörlerin kullanımı söz konusu iken, elektrik eldesi için ise fotovoltaik panellerin kullanımı söz konusudur. Fotovoltaik güneş enerjisi dönüşümü, güneş ışığının elektriğe doğrudan dönüşümüdür. Her iki kullanım yöntemi ile ilgili detaylı bilgi Konu 4 ve Konu 7’de verilmekte olup, Güneş enerjisi ile ilgili detaylı bilgiler de Konu 6’da sunulmuştur. Şekil 6’da Türkiye özelinde fotovoltaik panel kurulu gücünün senelere göre değişimi verilmiştir. MODÜL 1- 12

Şekil 6. Türkiye’de Güneş enerjisine dayalı elektrik üretimi kurulu gücü 3.3. BİYOKÜTLE Biyokütle, bitkilerden (algler dahil), ağaçlardan ve mahsullerden kaynaklanan tüm organik maddeler için oldukça basit bir terimdir. Biyokütle kaynakları organik atıkları, tarımsal ve ormancılık kalıntılarının yanı sıra ısı, yakıt ve elektrik üretiminde kullanılmak üzere özel yetiştirilen bitkileri içermektedir. Biyokütle dünyanın yılda 45 ± 10 exajoule olan enerji arzına önemli ölçüde katkıda (% 9-13) bulunur. Biyokütleden ortalama olarak enerji tüketimine en büyük katkı gelişmekte olan ülkelerde gerçekleşmektedir. Özellikle biyokütlenin geleneksel kullanımının yaygın olduğu gelişmekte olan ülkelerde kullanım yemek pişirmek ve ısınmak amacıyla kullanılan yakacak odun kullanımıdır. Bu tür geleneksel kullanım sürdürülebilir değildir çünkü yerel toprakları yok edebilir, ihtiyaç duyulan besin maddelerinin yetersizliğine yol açabilir, iç ve dış hava kirliliğine neden olur ve sağlıkta kötü sonuçlara neden olabilir. Ayrıca sera gazı oluşumuna da katkıda bulunabilir. Modern elektrik, buhar ve biyoyakıt üretmek için biyokütle kullanımı ile yılda 7 exajoule değerinde enerji üretimi tahmin edilmektedir. 1990'ların başından beri biyokütle dünya çapında önemli bir ilgi kazanmıştır. Sürdürülebilir şekilde üretildiğinde karbon nötrdür, coğrafi dağılım nispeten eşittir. Temiz ve kullanışlı modern enerji taşıyıcıları üretme potansiyeline sahiptir ve kırsal kalkınmaya büyük katkı sağlayabilir. Biyokütlenin cazip maliyetleri, onu birçok bölgede umut verici bir enerji kaynağı yapmaktadır. Biyokütleyi modern enerjiye dönüştürmek için Şekil 7’de gösterilen çeşitli teknolojiler mevcuttur. MODÜL 1- 13

Şekil 7. Biyokütle enerji dönüştürme metotları Biyokütle enerjisinin potansiyeli mevcut dünya enerji tüketiminden çok daha büyüktür. Ancak düşük dönüşüm göz önüne alındığında (güneş enerjisinin biyokütle enerjisine dönüşüm verimliliği yüzde 1'den azdır), modern enerji taşıyıcıları üretmek için önemli ölçüde büyük alanlara ihtiyaç vardır. Makul düzeye kadar modernize edilmiş tarım ile çeşitli bölgelerdeki standartlar, Dünyanın doğal alanlarının iyileştirilmesi ve koruma ihtiyacı göz önüne alındığında 21. yüzyıla kadar biyokütle enerjisi üretimi için kullanılabilir olacak alan 700– bin ila 1.400 milyon hektar arasındadır. Tahmin edilen arazi kullanılabilirliğine ve gelecekteki enerji talebine bağlı olarak, biyokütlenin enerji talebine olan katkısı önemli ölçüde değişir. Buna rağmen biyokütlenin uzun vadede mutlak potansiyel katkısı yüksek (yılda 100–300 exajoule) bir değerdedir. Bu değer dünya çapında yıllık birincil enerji tüketiminin şimdiki değerinin yaklaşık 400 exajoule olduğu düşünülürse biyokütlenin önemi daha iyi anlaşılabilir. Türkiye’de kurulu biyokütle santrali kurulu gücü Şekil 8’de görülmektedir. Şekil 8. Türkiye’de biyokütle santrali kurulu gücü MODÜL 1- 14

3.4. RÜZGAR ENERJİSİ Rüzgar enerjisi, diğer yenilenebilir enerji kaynakları ile benzer şekilde yaygın olarak bulunur, ancak dağınıktır. Sanayi devriminden önce güç üretiminde kullanılmaktadır, ancak daha sonra yerini maliyet ve güvenilirlik farklılıkları nedeniyle fosil yakıt kullanımına bırakmıştır. Bununla birlikte 1970'lerin petrol krizleri şebekeye bağlı elektrik üretimi, su pompalama teknolojisi ve uzak bölgelerde güç üretimi gibi amaçlarla kullanılmak üzere rüzgar enerjisine yeniden ilgi duyulmasını tetiklemiştir. Son on yıllarda elektrik üretimi için rüzgar türbinlerinin geliştirilmesi için büyük ilerlemeler kaydedilmiştir. 1980’lerde ilk modern şebeke bağlantılı rüzgar türbinleri kurulmuş, ilerleyen yıllarda kurulu güç hızla artmıştır. Rüzgar türbinleri ana olarak iki sınıfta toplanabilir (Şekil 9): yatay eksenli türbinler, dikey eksenli türbinler. Bunlardan yatay eksenli türbinler daha çok tercih edilmekte ve günümüzde kapasitesi 8-10 MW’lara varabilen üç kanata sahip yatay eksenli türbinler ticari amaçla elektrik üretiminde kullanılmaktadır. Şekil 9. Rüzgar türbini tipleri Enerji ihtiyaçlarını karşılamak için karadaki rüzgar enerjisinin teknik potansiyeli yılda 20.000 ila 50.000 terawatt-saat gibi çok büyük bir düzeydedir. Rüzgar enerjisinin ekonomik potansiyeli ise rüzgar türbini sistemleri ve alternatif seçeneklerin fiyatlarına bağlıdır. Bunun dışında Bir rüzgar türbini sisteminin ekonomisini belirleyen en önemli parametre yıllık enerji üretimidir. Bu üretim değeri ortalama rüzgar hızı, istatistiksel rüzgar hızı dağılımı, türbülans yoğunlukları ve türbinlerin çevreleyen arazi gibi parametreler tarafından belirlenir. Üretilecek olan güç esen rüzgarın üçüncü dereceden kuvveti ile ilişkilidir. Rüzgar hızına olan hassasiyet nedeniyle, belirli bir yerde rüzgar enerjisinin kullanımı potansiyelin belirlenmesi kolay değildir. Daha kesin meteorolojik ölçümler gerekmekte ve rüzgar enerjisi haritaları ve el kitapları üretilmekte ve (çoğunlukla) yayınlanmaktadır. Dünya ve Türkiye’de rüzgar türbinlerinin kurulumu hızla artmaktadır. Şekil 10’da Türkiye’deki toplam rüzgar enerjisi kurulu gücünün yıllara göre değişimi ve Şekil 11’de 2020 yılında rüzgar santrallerinden üretilen elektriğini toplam elektrik üretimine olan payı gösterilmektedir. MODÜL 1- 15

Şekil 10. Türkiye rüzgar enerjisi kurulu gücü (MWm – mekanik) Şekil 11. 2020 yılı Türkiye elektrik üretiminde rüzgar enerjisinin payı 3.5. HIDROELEKTRİK ve DALGA/DENİZ ENERJİSİ a) Hidroelektrik Hidroelektriğin mükemmel, tükenmez, çevreyi kirletmez ve daha fazlası diğer seçeneklere göre ekonomik olarak daha cazip bir yenilenebilir enerji kaynağı olduğu konusunda genel bir görüş vardır. Ancak inşa edilebilecek hidroelektrik santrallerinin sayısı sınırlıdır ve ekonomik olarak mümkün olduğu belirtilen sitelerden ancak üçte birinde santral kurulabilmektedir. Hidroelektrik santralleri termik santrallerden çok daha az sera gazı yayar. Hidroelektrikten kaynaklanan sera gazı emisyonları su basmış alanlarda bitki örtüsünün çürüyüp bozulması ve yaygın olarak baraj yapımında kullanılan çimentonun üretimi nedeniyle olmaktadır. Ne yazık ki, yerel nehirlerin kullanımının ekolojik olduğu MODÜL 1- 16

kadar sosyal etkileri de vardır. Genellikle hidroelektrik üretimi en sermaye yoğun yenilenebilir enerji kaynağı kullanımıdır ancak termik ve nükleer santrallerden daha düşük işletme maliyetlerine sahiptir. Yüksek başlangıç maliyeti çoğu kullanılmayan ekonomik potansiyelin yer aldığı gelişmekte olan ülkeler için ciddi bir engeldir. Çeşitli değişik kullanımları olmasına karşın genellikle bir barajda biriktirilen su belirli bir yükseklikten türbinlere gönderilerek elektrik enerjisi elde edilmektedir (Şekil 12). Şekil 12. Hidroelektrik santral şematik görüntüsü Genellikle büyük barajlar inşa edilir ve sosyal ve ekolojik sorunları en aza indiren çeşitli teknolojiler kullanılmaya çalışılır. En önemli etkilerden bazıları balıklardaki miktar ve balık biyoçeşitliliği değişimler, sedimantasyon, biyolojik çeşitlilik bozulması, su kalitesi standartları, insan sağlığının bozulması olarak sıralanabilir. Türkiye’de birçok büyük kapasiteli hidroelektrik santral yıllardır önemli miktarda elektrik üretimi gerçekleştirmektedir (Şekil 13). Şekil 13. Türkiye’de hidroelektrik santral kurulu gücü MODÜL 1- 17

2021 yılında hidroelektrik kaynaklı 55,5 milyar kWh elektrik üretilmiştir. 2022 Mayıs sonu itibariyle hidrolik kaynaklı elektrik üretimi yaklaşık 35,2 milyar kWh değerine ulaşmıştır. Haziran 2022 sonu itibariyle hidrolik enerjisine dayalı elektrik kurulu güç 31.558 MW, toplam kurulu güç içerisindeki oranı ise %31’dir. Yıllara göre hidroelektrik santrallerin toplam kurulu güce oranı Şekil 14’te verilmektedir. Şekil 14. Türkiye’de hidroelektrik santral kurulu gücünün toplam kurulu güce oranı b) Dalga/ Deniz Enerjisi Başlıca deniz enerji kaynakları olgunluk ve kullanım sırasıyla şu şekilde sırasıyla özetlenebilir: ● Gelgit baraj enerjisi Gelgit esansında deniz seviyesinin yükselmesi ve alçalmasından faydalanılan bir hidroelektrik sistemidir. Gelgit enerjisinden yüzyıllardır bu şekilde küçük çapta su değirmenleri şeklinde yararlanılmıştır. Tek büyük modern versiyon, 1960'larda Fransa'da inşa edilen 240 MW’lık Rance santralidir. Birkaç daha küçük uygulama da gerçekleştirilmiştir. ● Dalga enerjisi Oluşan dalgalardan enerji etme yöntemidir. Örnek olarak, İskoçya'nın kuzeybatı kıyısındaki derin sular boyunca ortalama enerji hakim dalga cephesi metre başına 70 kW (veya daha fazla) olabilmektedir. Daha yakın kıyıda bu, metre başına ortalama 20 kW veya 30 kW’a düşer ve kıyı şeridi boyunca ise metre başına yaklaşık 10 kW veya daha az bir değer almaktadır. Bu enerji mevcudiyeti bu nedenle kıyı şeridinden olan mesafeye duyarlıdır ● Gelgit/deniz akıntıları Gelgit ve deniz akıntısı enerjisi ciddiye alınması gereken deniz enerji kaynaklarının en yenisidir. Yapılan çalışmalardan alınan sonuçlar, akıntıdan büyük ölçekli enerji üretiminin yapılacağı ekipmanın tamamen su altında kalmasını gerektirdiğini göstermektedir. Çoğu yerde deniz suyunun hareketleri çok yavaştır ve enerji mevcudiyeti, pratik enerji üretimine izin vermek için çok dağınıktır. Ancak su hızının olduğu yerler vardır. Akış alanının enine kesitinde bir daralma olduğu yerlerde, örneğin adalar ile anakara arasındaki boğazlar, burunlar ve nehir ağızlarında, hızlanır. Rüzgar enerjisinde olduğu gibi, suyun içerdiği güç suyun hızının küpü ile orantılıdır. Ancak aynı zamanda etkili olan yoğunluk su için daha fazla bir değerde olduğundan aynı hıza sahip su rüzgardan çok daha fazla güç içermektedir. Deniz içerisine kurulacak türbinlerle bu güçten elektrik eldesi mümkün olmaktadır. ● Okyanus termal enerji dönüşümü (OTEC) MODÜL 1- 18

Doğal sıcaklıktan yararlanma potansiyel olarak denizdeki doğal sıcaklık farklılıklardan yararlanılarak bir tür ısı motoru kullanarak yenilenebilir enerji üretimi mümkün olmaktadır. Bu tür bir sistemin çalışabilmesi için büyük bir sıcaklık farkı gerekmektedir. Derin deniz ve okyanuslarda dibe doğru su sıcaklığı suyun yoğunluğunun en yüksek olduğu 4oC civarına ulaşır, halbuki yüzeyde su sıcaklığı bundan çok daha yüksek bir seviyededir. Bu farklılık kullanılarak Rankine çevrimi prensibi ile çalışan buhar çevrimi gerçekleştirilebilir. Fakat OTEC, yaklaşık olarak 20 santigrat derece bir sıcaklık farkı gerektirir ve bu, bu teknolojinin uygulanması çok derin sulara sahip birkaç tropik bölgeyle sınırlıdır. 3.6. JEOTERMAL ENERJİ Jeotermal enerji binlerce yıldır sağlık ve eğlence amacıyla kullanılmıştır ancak sadece 20. yüzyılda alan ısıtma, endüstriyel enerji kullanımı ve elektrik için geniş bir ölçekte kullanılmaya başlanmıştır. Prens Piero Ginori Conti 1904'te İtalya'da Larderello'da jeotermal buharla elektrik enerjisi üretimini başlattı. 1930'larda ise İzlanda'da bölgesel ısıtma hizmeti başladı. Jeotermal kaynaklar 80'den fazla ülkede tespit edilmiştir ve Türkiye’de de birçok jeotermal kaynak bulunmaktadır. Kullanılabilir jeotermal sistemler, çeşitli jeolojik ortamlarda ortaya çıkar. Geleneksel enerji üretimi için kullanılan yüksek sıcaklık alanları (150˚C'nin üzerindeki sıcaklıklarda) büyük ölçüde genç volkanizma, sismik ve magmatik aktivitenin bulunduğu bölgelerdedir. Ancak düşük sıcaklık doğrudan kullanıma uygun kaynaklar çoğu ülkede bulunabilir. Toprak kaynaklı ısı pompası kullanımında yeni bir boyut açmıştır. Bu pompalar temelde Dünya'nın ısısını her bölgede kullanılabilmektedir. Jeotermal kullanım genellikle iki kategoriye ayrılır: elektrik üretim ve doğrudan uygulama. Jeotermalin doğrudan uygulanması alan ısıtma ve soğutma, endüstri, seralar, balık çiftliği ve sağlık kaplıcaları gibi çok çeşitli son kullanımları içerebilir. Çoğunlukla mevcut teknolojiyi ve basit mühendisliği kullanır. Bu teknoloji, güvenilirlik, ekonomi ve çevresel kabul edilebilirlik açısından jeotermal enerjinin doğrudan kullanımının dünya çapında kanıtlanmasını sağlamıştır. Jeotermal enerjiden elektrik üretimi ile karşılaştırıldığında, doğrudan kullanım, çok daha yüksek verimliliğe (geleneksel jeotermal elektrik santralleri için yüzde 5-20 ile karşılaştırıldığında yüzde 50-70) sahip olduğundan avantaja sahiptir. Genellikle geliştirme süresi çok daha kısadır ve normalde çok daha az sermaye yatırımı gerektirir. Doğrudan kullanım dünyada çok daha yaygın olarak mevcuttur. Yeraltında çıkarılan jeotermal akışkan jeotermal sahadan nadiren uzun mesafelere taşınır. Dünya’nın en uzun jeotermal sıcak su boru hattı İzlanda'da kaynağından 63 kilometre öteye taşınan durumdur. Türkiye’de genellikle elektrik üretimi için jeotermal enerji kullanımı söz konusudur. Şekil 15’te Türkiye’de bulunan jeotermal kaynaklar ve sıcaklıkları gösterilmektedir. Şekil 15. Türkiye’de bulunan jeotermal kaynaklar MODÜL 1- 19

Şekil 16’da Türkiye’de jeotermal enerji kaynaklı kurulu gücün yıllara göre değişimi ve Şekil 17’de bu kurulu gücün toplam kurulu güce oranı gösterilmektedir. Şekil 16. Türkiye’de jeotermal santrallerin kurulu gücünün yıllara göre değişimi Şekil 17. Türkiye’de jeotermal santral kurulu gücünün toplam kurulu güce oranı MODÜL 1- 20

KONU 4 GÜNEŞ ENERJİSİNE GİRİŞ 4.1. GÜNEŞ ENERJİSİ İLE İLGİLİ TEMEL BİLGİLER Güneş enerjisi eski çağlardan beri kullanılan bir enerji türüdür. Eskiden daha çok sıcak su elde etmek ve Güneş pişiricisi olarak kullanım amacıyla kullanılan güneş enerjisi teknolojinin gelişimi ile birlikte fotovoltaik panellerin kullanımıyla doğrudan elektrik elde etmek amacıyla kullanılmaktadır. Güneş Şekil 18’de görüldüğü üzere çeşitli katmanlardan oluşmaktadır. Güneş merkezinde yüksek basınç ve sıcaklık nedeniyle nükleer füzyon sonucunda büyük miktarda açığa çıkarmaktadır. Bu işlem sonucunda yaklaşık olarak saniye başına 4 milyon ton kütle enerjiye dönüşmektedir. Oluşan enerjinin uzaya yayılan bir kısmı ışınım yoluyla Dünyamız üzerine düşmektedir. Güneş yüzeyindeki sıcaklık yaklaşık olarak 5.500 oC’dir. Şekil 18. Güneşin katmanları Güneş yaklaşık olarak 1.392.684 km çapa sahip küresel bir yıldız olarak tanımlanmaktadır. Güneş’in çapı Dünya’nın çapının 109 katı kadardır. Kimyasal olarak Güneş’in kütlesi yaklaşık ¾’ü hidrojenden oluşmakta, geri kalan ¼’lük kısım ise çoğunlukla helyumdan oluşmaktadır. Bu iki elementin yanı sıra az miktarda oksijen, karbon, demir gibi elementler de Güneş’in içeriğinde bulunmaktadır. Şekil 18’de görülen Güneş’in çekirdeğinde sıcaklık 15.000.000 (K) civarında olduğu için esas olarak bu kısımda nükleer füzyon tepkimesiyle hidrojen atomları helyuma dönüşmekte, bu tepkime esnasında da çok yüksek bir enerji salımı gerçekleşmektedir. Oluşan enerji Güneş yüzeyinden uzaya salınmakta ve bu enerjinin yaklaşık olarak 2 milyonda 1’i Dünya’mız üzerine düşmektedir. Güneş’te gerçekleşen bu tepkime sonuç olarak hidrojenin bitmesine ve Güneş’in enerji oluşumunun sonlanmasına neden olacaktır (Şekil 19). Ancak bu durum yaklaşık 2-3 milyar sene sonra gerçekleşeceği için Güneş Dünya’mız için sonsuz bir enerji kaynağı olarak değerlendirilmektedir. Şekil 19. Güneş yaşam döngüsü MODÜL 1- 21

Güneş doğrudan Dünya’mız için bir enerji kaynağı olmasının yanı sıra rüzgar enerjisinden, hidroelektrik enerjiye kadar birçok diğer enerji kaynaklarının da oluşumunu sağlamaktadır. Rüzgar enerjisinin oluşumunda Güneş ışınlarının Dünya üzerinde çeşitli bölgelere değişik açılarla gelmesinin önemli bir rolü bulunmakta, bu durum atmosferde basınç farklılıklarının oluşumuna ve dolayısıyla rüzgarın oluşumuna neden olmaktadır. Şekil 20’de Dünya üzerindeki ana rüzgar akımları görüntülenmektedir. Şekil 20. Dünya üzerindeki ana rüzgar akımları Güneş’in yeryüzündeki su döngüsü üzerinde de önemli bir etkisi bulunmaktadır. Güneş sayesinde buharlaşan su bulut halinde gök yüzünde bulunmaktadır. Bulutlar soğuk hava dalgaları ile karşılaştıklarında yağmur veya kar halinde yer yüzüne inmektedirler. Yağmur ve kar yüksek bölgelere düştüğü zaman daha alçak bölgelere ırmak, nehir, çay vb. şekilde ilerler. Bu şekilde bir potansiyel enerjiye sahip olan suyun enerjisi kinetik enerjiye dönüşmüş olur. Barajlar vasıtasıyla su biriktirilerek hidroelektrik santrallerde elektrik üretimi sağlanabilmektedir. Baraj olmadan da daha küçük ölçekli hidroelektrik santraller doğrudan suyun enerjisinden elektrik üretimi gerçekleştirebilmektedirler. Bu şekilde hidroelektrik enerji üretiminde de Güneş’in çok büyük bir etkisi bulunmaktadır. Şekil 21’de bu şekilde oluşan su döngüsü gösterilmektedir. Şekil 21. Su döngüsü MODÜL 1- 22

Yukarıda değinildiği gibi Güneş başka yenilenebilir enerji kaynaklarını da oluşturduğu gibi aslında kömür, petrol gibi fosil enerji kaynaklarının da oluşumundaki ana unsurdur. Milyonlarca yıl önce Dünya üzerinde Güneş ışınımı ile fotosentez yaparak yaşamlarını sürdürmüş olan bitkilerin kalıntılarının zamanla toprak altında kalarak yüksek basınç ve sıcaklık etkisiyle kömür haline dönüşmesi söz konusudur (Şekil 22). Dolayısıyla kömür oluşumunda da Güneşin etkisi bulunmaktadır. Şekil 22. Kömür oluşumu Benzer şekilde yine milyonlarca yıl önce okyanuslarda diğer canlılar ve bitkilerle beslenerek yaşamış olan canlıların kalıntılarının toprak altında yüksek basınç ve sıcaklık altında petrole ve doğal gaza dönüşmesi söz konusu olmaktadır (Şekil 23). Bu dönüşümün ana kaynağı yine Güneş enerjisidir. Şekil 23. Petrol ve doğal gaz oluşumu 4.2. GÜNEŞ IŞINIMI ve GÜNEŞ AÇILARI Güneş, Dünya üzerindeki neredeyse tüm enerji kaynaklarının doğrudan veya dolaylı olarak (rüzgar, dalga enerjisi vb.) oluşmasını sağlamaktadır. Dünya, Güneş etrafında bir sene boyunca eliptik bir yörüngede hareket etmektedir. (Şekil 24). Dünya’nın Güneş’e en yakın olduğu durumda aradaki mesafe 147.300.000 km. iken, en uzak olduğu durumda aradaki mesafe 152.100.000 km’dir. MODÜL 1- 23

Şekil 24. Dünya ile Güneş arasındaki mesafe Güneşten ayrılan ışınımın Dünya üzerine düşen miktarı Dünya ile Güneş arasındaki mesafe ile ilişkili olduğu için Dünya üzerine gelen Güneş ışınımı günden güne değişkenlik göstermektedir. Bunun yanı sıra Dünya’nın kendi etrafında döndüğü eksen de eğik olduğu için gün içerisinde de belirli bir yüzeye düşen Güneş ışınımı değişim göstermektedir. Şekil 25. Dünya’nın eksen eğikliği Bir gün boyunca belirli bir alana düşen Güneş enerjisi, güneşlenme miktarı (insolasyon) olarak kWh/m2/gün veya pik güneş saati şeklinde tanımlanır. Güneşten Dünya üzerine düşen güç metrekare başına Watt (W/m2) şeklinde belirtilmektedir. 1000 W/m2 “pik güneş” olarak ifade edilmektedir. Bu değer öğle vakti güneşli bir gün için tipik bir değerdir. Güç zaman ile çarpıldığında enerjiyi vermekte olduğu için Güneşten gelen güç zamanla çarpılınca belli bir yüzeye düşen güneş enerjisi miktarını vermektedir. Eğer bir yüzey üzerine 1 saat boyunca 1000 W/m2 değerindeki “pik güneş” düşmekte ise, o saate pik güneş saati (PGS) adı verilmektedir. PGS = 1 kWh/m2/gün (bulunulan enlem derecesindeki eğim üzerine) MODÜL 1- 24

Şekil 26. Pik güneş saati Örneğin; Bir yüzey üzerine 2 saat boyunca 1000 W/m2, 2 saat boyunca 700 W/m2 ve 1 saat boyunca 500 W/m2 güneş enerjisi düşmüşse, bu yüzey üzerine düşen toplam güneş ışınımı miktarı 3.9 PGS’dir. 1000 ! × 2 +::; + 700 ! × 2 +::; + 500 ! × 1 +::; = 3900 *!!. )üC *! *! *! 3900 \" ÷ 1000 \" = 3.9 EF7 #!.%ü' #!.%ü' 4.3. DÜNYA ATMOSFERİNİN GÜNEŞ IŞINIMI ÜZERİNDEKİ ETKİSİ Dünya atmosferi Güneş’ten gelen ışınımın büyük bir kısmını yansıtır. Dünya atmosferinin en üst noktasına gelen Güneş ışınımı güneş sabiti olarak da bilinen 1.367 W/m2 değerine sahiptir. Ancak Güneş ışınımı Dünya yüzeyine ulaşıncaya kadar pik değeri yaklaşık olarak 1.000 W/m2 değerine düşer. Dünya atmosferi Güneş ışınımını birkaç şekilde yansıtmaktadır: ● Atmosfer üzerine gelen ışınım uzaya geri yansıtılır ● Stratosferde bulunan bulutlar ışınımı yansıtır ● Dünya yüzeyi üzerine düşen ışınımı yansıtır Ortalama olarak Dünya üzerine gelen Güneş ışınımının %30’u yansıtılmaktadır. Kutup bölgeleri gibi kar ve buz bulunan bölgeler Güneş ışınımını daha çok yansıtırken, okyanus bölgeleri ışınımı daha az yansıtıp daha çok absorbe eder. Güneş ışınımının yansıtılmamış, doğrudan Dünya yüzeyine düşen kısmına direkt ışınım, bulutlar tarafından yönü değiştirilerek Dünya yüzeyine düşen ve atmosferdeki gazlar tarafından emildikten sonra tekrar salınarak Dünya üzerine düşen kısmına ise difüz ışınım ismi verilmektedir. Difüz ışınım direkt ışınımdan daha az etkilidir. Güneş ışınımının Dünya yüzeyinde bir noktaya ulaşması için atmosfer boyunca kat etmesi gereken yola hava kütlesi denmektedir. MODÜL 1- 25

Şekil 27. Direkt ve Difüz güneş ışınımı İrradyans direkt ve difüz ışınımın bir kombinasyonudur. Difüz ışınım Güneş ışınımının saçılmış, atmosferde emildikten sonra tekrar yayılmış olan kısmıdır (Şekil 27-28). Dolayısıyla bulutsuz, açık bir günde Dünya yüzeyine erişen ışınımın yaklaşık %10’u difüz ışınımdır. Halbuki bulutlu bir günde Güneş ışınımının çoğu saçılacağı için difüz radyasyonun yüzdesi çok daha fazla olmaktadır. Şekil 28. Direkt ve difüz ışınım Hava kütlesi de bir bölgedeki irradyansı etkilemektedir. Şekil 29’da görülebildiği üzere 1.5 değerindeki hava kütlesi fotovoltaik panellerin değerlendirilmesinde standart durum olarak alınmaktadır. Hava kütlesinin 0 değeri uzayı, 1 değeri ise güneşin dik biçimde yüzeye düştüğü durumu temsil etmektedir. Şekil 29. Hava kütlesi MODÜL 1- 26

Fotovoltaik panellerin standart test koşulları (STK) genel olarak aşağıdaki şekilde belirlenmiştir; ● 1.000 W/m2 ışınım ● 1,5 hava kütlesi değeri ● 25oC panel sıcaklık değeri 4.4. GÜNEŞ GEOMETRİSİ Dünya’nın yörüngesi ve eğik bir eksen üzerinde kendi etrafındaki dönüşü Dünya üzerinde herhangi bir noktada bulunan fotovoltaik paneller üzerine düşen güneş ışınımı miktarının sürekli değişimine neden olmaktadır. Bu nedenle aşağıda bahsedilen bazı güneş açılarının tanımlanmasına gerek duyulmaktadır. ● Güneş yükseklik açısı: Ufuk çizgisi ile Güneş arasındaki açı. 0o ile 90o arasında değişim gösterebilmektedir. ● Azimut açısı: Güney yönü ile Güneş ışınlarının yatay düzlemdeki iz düşümü arasında kalan açı. Azimut açısı gün içerisinde Güneşin doğudan batıya hareketi esnasında değişmektedir. Azimut açısı güney yönü 0o olmak üzere batı yönünde -90o’ye, doğu yönünde ise +90o’ye kadar gün içerisinde değişebilmektedir (Şekil 30). Şekil 30. Güneş yükseklik ve azimut açısı Kuzey yarımkürede fotovoltaik paneller güneye bakan yönde kurulurlar, çünkü Güneş ışınları daima güney yönünden gelir, güney yarımkürede ise kuzeye bakan yerleşim yapılmaktadır. Yıl içerisinde en kısa ve en uzun günler 21 Aralık ve 21 Hazirandır. Bu günlere kış ve yaz gündönümü adı verilir ve Güneşin yüksekliği sırasıyla en düşük ve en yüksek konumlardadır. 20 Mart ve 23 Eylül tarihleri ise ekinoks olarak adlandırılırlar ve bu tarihlerde Güneşin yüksekliği gündönümlerinin orta noktasındadır (Şekil 31). Şekil 31. Güneşin gökyüzünde izlediği yol MODÜL 1- 27

KONU 5 GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI 5.1. ISIL GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI 5.1.1. Aktif Güneş Enerjisi Isıl Uygulamaları Güneşten gelen enerji güneş kolektörleri tarafından emilir ve aktif bir mekanik sistem (pompa veya fan) kullanılarak bir akışkana (su veya hava) iletilir. Akışkan enerjiyi istenilen yere taşır. Üç ayrı tipte güneş kolektörü mevcuttur. a) Düzlemsel kolektörler: Konutlarda ve endüstriyel yapılarda genellikle su ısıtma ve iklimlendirmede kullanılırlar (Şekil 32a-b) Şekil 32a. Hava tipi düzlemsel kolektör Şekil 32b. Su ısıtmada kullanılan düzlemsel kolektör MODÜL 1- 28

b) Vakum kolektörler: Vakumlu kolektörler içi vakum durumundaki cam tüplerden oluşur. İç kısımda emici yüzey bir ısı borusuna bağlanmıştır. Tüpün dışını çevreleyen vakum, konveksiyon ve iletim ısı kaybını büyük ölçüde azaltır, bu nedenle, özellikle daha soğuk koşullarda, düz plakalı toplayıcılardan daha fazla verimlilik sağlar. Bununla birlikte, çoğu iklimde, düz levha toplayıcılar genellikle boşaltılmış tüplerden daha uygun maliyetli olacaktır. Güneş enerjisi ısı borusuna çarpar ve içindeki suyu buharlaştırır. Su buharı yukarı doğru yükselir ve soğuyan buhar yoğunlaşarak ısı borusunun içinde dibe döner ve bu döngü gün boyunca güneş enerjisi mevcut olduğu sürece devam eder (Şekil 33). Şekil 33. Vakumlu kolektör c) Odaklayıcı kolektörler: Odaklayıcı kolektörler, güneş ışınlarını suyun sirküle edildiği tekli veya çoklu tüplere yansıtır. Güneş enerjisini yoğunlaştırdıkları için daha yüksek su sıcaklık değerlerine ulaşılabilir (Şekil 34). Şekil 34. Odaklayıcı kolektör 5.1.2 Pasif güneş enerjisi ısıl uygulamaları Pasif güneş enerjisi uygulamalarında aktif güneş enerjisi uygulamalarından farklı olarak herhangi bir mekanik sistem (pompa veya fan) yoktur ve güneş enerjisini istenilen yere taşımak için herhangi bir akışkan kullanılmaz. a) Doğrudan Kazanım Sistemleri: Binada güneye bakan camlar varsa, ancak enerjinin depolanabileceği güneye bakan duvarlar yoksa, güneş ışınları doğrudan binanın içine ulaşır. Zemin termal kütle olarak kullanılabilir (Şekil 35) MODÜL 1- 29

Şekil 35. Doğrudan kazanım sistemi b) Dolaylı kazanım sistemleri: Dolaylı kazanç sistemlerinde camlar ile bina içi arasında Trombe duvar adı verilen duvar sayesinde güneş ışınları bina içerisine ulaşmaz. Güneş enerjisi gün boyunca Trombe duvarında depolanır ve camlar ile duvar arasındaki hava ısıtılır, yükselir ve duvarın üst kısmındaki bir damperden içeri doğru akar. İçeriden gelen soğuk hava, duvarın alt tarafındaki bir damperden gelen sıcak havanın yerini alır (Şekil 36) Şekil 36. Dolaylı kazanım sistemleri 5.2. FOTOVOLTAİK GÜNEŞ ENERJİSİ UYGULAMALARI “Fotovoltaik”, güneş ışınımı ile doğrudan elektrik üretimini ifade eder. Fotovoltaik hücreler “güneş pilleri” olarak da adlandırılır (Şekil 37). Şekil 37. Güneş takip sistemi bulunan bir fotovoltaik sistem Elektrik üretiminin yanı sıra ısı üretimi de yapan sistemler fotovoltaik/termal sistemler olarak adlandırılır (Şekil 38). Fotovoltaikler soğutulduklarında verimleri yükseleceği için bu durum elektrik MODÜL 1- 30

üretimine de olumlu yansır. Isı, hava veya su kullanılarak güneş panelinin yüzeyinden alınır. Böylece sistem, güneş enerjisini aynı anda elektriğe ve ısıya çevirmektedir. Şekil 38. FV/T sistemler MODÜL 1- 31

KONU 6 FOTOVOLTAİK MODÜLLER VE TARİHSEL GELİŞİMLERİ 6.1. ON YIL ÖNCESİNE KADAR OLAN DURUM Şekil 39’da son yıllarda FV modüllerinin küresel üretimi gösterilmektedir. Dikey eksen, toplam üretilen güç olarak MWp cinsinden ifade edilen yıllık üretimi temsil eder, p harfi tepe gücü göstermektedir. Bu bir FV modülünün standartlaştırılmış hava kütle değeri 1.5 durumunda sağlayabileceği maksimum güç anlamına gelir. Şekil 39’dan görülmektedir ki güneş hücre üretimi her yıl %40'tan fazla artmaktadır, bu durum üstel büyümeye işaret etmektedir. Şekil 39. Geçmiş yıllardaki global fotovoltaik üretim hacmi Şekil 40’ta ise Dünya üzerinde kurulu kümülatif fotovoltaik güç kapasitesi gösterilmektedir. Şekilden görüleceği üzere kümülatif güç değeri de üstel şekilde artmaktadır. Toplam içindeki en büyük pay Avrupa Birliği ülkelerinde bulunmaktadır, sonrasında Asya Pasifik bölgesi (en büyük kapasite Japonya’da olmak üzere) gelmektedir. Çin’de ise 2010 yılından itibaren fotovoltaik güç kapasitesinde çok yüksek bir artış gözlenmektedir. 2012 yılının sonuna kadar 100 GWp değeri geçilmiştir. 2013 sonuna kadar ise global olarak 140 GWp değerine ulaşılmaktadır. Şekil 40. Global kurulu fotovoltaik güç kapasitesi MODÜL 1- 32

Şekil 41’de 2012 sonu itibari ile değişik ülkelerde bulunan kurulu fotovoltaik gücü değerleri gösterilmektedir. Toplam kurulu gücün yaklaşık %31’i Almanya’da bulunmaktadır. Bunun sebebi Alman hükumetinin 2000 yılında uygulamaya koyduğu kademeli besleme tarifesidir. Almanya’nın güneş ışınımı açısından neredeyse Alaska ile karşılaştırılabilecek derecede fakir olduğu düşünülürse bu açıdan daha şanslı ülkelerde bulunan güneş enerjisi potansiyeli daha iyi anlaşılabilir. Şekil 41. 2012 yılı sonu itibari ile değişik ülkelerdeki fotovoltaik kurulum oranları İtalya’da da çok güçlü bir artış gözlenmektedir. Toplam fotovoltaik kapasitesi içerisinde İtalya’nın payı %16 kadardır. Çin %8’lik bir pay ile en hızlı büyüyen market durumundadır. Sonrasında ABD, Japonya ve İspanya ilk 6 ülke arasına girmiş durumundadır. Bu üç ülkenin payları %4 (İspanya) ile %7 (ABD) arasında değişmektedir. 2011 yılındaki Fukushima Daiichi santralinde meydana gelen nükleer kaza sonrasında Japon hükümeti yenilenebilir enerji teknolojilerini desteklemek amacıyla kademeli bir besleme tarifesini uygulamaya geçirmiştir. Fotovoltaik teknolojisi sadece Avrupa’nın ilgisini çekmemektedir. Son 13 yıl boyunca yerel arz ve talep Şekil4’te gösterildiği üzere hızla değişmiştir. Şekil 42, Dünya’da değişik bölgelerde fotovoltaik modüllerin arz ve talebini göstermektedir. 2000 yılında en büyük market toplamda %40 pay ile Japonya’dır. 2000 yılında Almanya’nın yürürlüğe geçirdiği Yenilenebilir Enerji Kanunu ile bu ülkede güçlü bir artış gerçekleşmiştir. Bu artış Avrupa Birliği pazarını da etkilemiştir. 2008’e kadar fotovoltaikler %80’lik bir payla büyük ölçüde Avrupa pazarında bulunmakta iken 2009 yılı ile birlikte Çin, ABD, Asya Pasifik (başlıca Japonya) gibi yerel fotovoltaik pazarları çok hızlı şekilde büyüyerek ve Avrupa’yı hızlı şekilde yakalamıştır. Şekil 42. 2000 yılından itibaren değişik fotovoltaik pazarların üretim ve pazar payı gelişimleri Şekil 42’de aynı zamanda arz da gösterilmektedir. 2005 yılına kadar Asya Pasifik ve Avrupa üretim payları yavaşça artış göstermiştir. Ancak bu tarihten sonra Çin’deki üretim hızlı şekilde artış MODÜL 1- 33

göstermiştir. Bu durum Çin hükümetinin fotovoltaik modül üretiminde mertebe artışına gitmek için büyük yatırımlar yapması ile açıklanabilir. 2012 yılında tüm fotovoltaik modül üretiminin %60’ı Çin’de gerçekleştirilmiştir. 2000 yılında fotovoltaik pazarı esas olarak yerel durumdadır, yani Avrupa’daki üreticiler Avrupa pazarı için üretim yapmaktadır. Fotovoltaiklere talep fotovoltaik teknolojisindeki maliyetlerin düşmesi ile de canlanmaktadır. Şekil 43, fotovoltaik teknolojisinin öğrenme eğrisini göstermektedir. Öğrenme eğrisi grafiksel olarak maliyetin artan deneyim ile birlikte nasıl değiştiğini göstermektedir. Deneyim kümülatif olarak fotovoltaik kurulum kapasitesi olarak belirtilmiştir. Daha çok fotovoltaik üretildikçe – dolayısıyla zaman ilerledikçe – fotovoltaik endüstrisi daha deneyimli hale gelmektedir. Diğer taraftan endüstri enerji dönüşüm verimliliğini maliyeti arttırmadan gerçekleştirmeyi öğrenmektedir. Bu durum üretim süreçlerinin daha iyi anlaşılması ve dolayısıyla üretim miktarında artış ile gerçekleşmektedir. Aynı zamanda üretim endüstrisi birim üretim başına daha az insan gücünün kullanılmasıyla daha verimli üretim yapılmasını da öğrenmektedir. Ayrıca fotovoltaik modül üretimi için gereken birim başına malzeme ve enerji miktarı da azalmaktadır. Öğrenme eğrileri genellikle teknoloji veya ürün tamamıyla geliştirilene kadar maliyetlerin üstel şekilde düştüğü grafiklerdir. Şekil 43. Fotovoltaik modüller ve sistemler için öğrenme eğrisi Şekil 43’te ortalama global fotovoltaik modül satış fiyatları ile 100 GW’a kadar kümülatif kurulu güç gösterilmiştir. Önemli bir gözlem bazı dalgalanmalar haricinde satış fiyatlarının üstel şekilde azalmasıdır. Fotovoltaik sistemlerin fiyatları ilk zamanlarda modül fiyatı ile belirlenirken, şimdi modül dışındaki bileşen fiyatları daha önemli hale gelmiştir. Bu bileşenlerden kasıt taşıyıcı elemanlar, kablolama, eviriciler, bağımsız sistemler için piller ve bakım maliyetleridir. Kırmızı ve yeşil doğrular arasındaki fark modül dışındaki maliyetlere denk gelmektedir ve fotovoltaik modül fiyatlarından daha yavaş şekilde azalmaktadır. Sonuç olarak yüksek dönüşüm verimliliğine sahip fotovoltaik teknolojileri aynı miktarda kapasite kurulumu için daha az alana ihtiyaç duyulacağından daha avantajlıdır. Fotovoltaik alanı modüler olmayan bileşen maliyetleri ile doğrudan ilişkili olduğu için, yüksek verimliliğe sahip teknolojiler daha az modül maliyetine sahip olmakta ve toplam fotovoltaik sistem maliyetine de olumlu etki etmektedir. Sonuç olarak c-Si fotovoltaik teknolojisi %18 ile %24 arasında verimliliğe sahip olduğundan daha düşük verimliliğe sahip ince film teknolojisine göre avantajlı konumdadır. Şekil 44’te fosil yakıt kaynaklı olmayan birçok elektrik üretim teknolojisinin kurulu kapasiteleri GW olarak gösterilmektedir. Görüldüğü üzere nükleer kapasite artık artmamakta, hidroelektrik kapasite ise az bir gelişim göstermektedir. Rüzgar kapasitesi ise yıllık %20 gibi yüksek bir oranda artmaktadır. MODÜL 1- 34

Fotovoltaik kapasitesi ise 2008’den beri yıllık %40’ı dahi aşarak çok daha hızlı bir gelişim göstermektedir. Ancak kurulu güç karşılaştırılması çok doğru olmayabilir, çünkü bu değerler değişik teknolojilerin gerçekte ürettikleri ortalama değerler yerine üretebilecekleri maksimum gücü göstermektedir. Gerçekte üretilen ortalama güç ile kurulu güç arasındaki oran kapasite faktörü (CF) olarak tanımlanmaktadır. Şekil 44’te belirtilen teknolojilerden en yüksek kapasite faktörüne sahip olan teknoloji %90 gibi bir değerle nükleer enerjidir. Bunu hidroelektrik %40’lık kapasite faktörü ile takip eder. Rüzgar için %30 gibi bir kapasite faktörü kabul edilirken fotovoltaik teknolojisinde bu değer %15’tir. Bu düşük değer birçok coğrafi yer için günün neredeyse yarısına denk gelen gece vaktinde güneş ışınımının bulunmayışındandır. Şekil 44. a) Değişik elektrik üretim teknolojilerinin kurulu gücündeki gelişim, b) Kapasite faktörü ile düzeltilmiş kurulu güç değerleri Bu durum göz önüne alındığında fotovoltaikler rüzgar enerjisinden onda bir mertebesinde, hidroelektrik ve nükleer enerjiden ise yüzde bir mertebesinde enerji üretebilmektedir. Ancak grafikten de görülebileceği gibi fotovoltaik teknolojisinde gelişim ile birlikte ileriki yıllarda bu durum daha iyileşecektir. Fotovoltaiklerdeki bu gelişimin nedenleri incelenirse ilk olarak güneş enerjisinin Dünya üzerinde her yerde bollukla bulunması söylenebilir. Dünya üzerine gelen Güneş enerjisi miktarı insanlığın toplam enerji kullanımından 10.000 kat fazladır. Hidroelektrikte suyun Güneş etkisiyle buharlaşması ve yağmur ve kar şeklinde yere düşmesi sonrası kullanımı söz konusu olduğundan bu enerji türü Güneş enerjisinin ikincil bir formu olarak düşünülebilir. Rüzgar da atmosferdeki sıcaklık ve basınç farklılıklarından dolayı oluştuğundan rüzgar enerjisi de güneş enerjisinin ikincil bir formudur denilebilir. Sonuç olarak güneş enerjisi açık ara şekilde en fazla mevcut durumda bulunabilen yenilenebilir enerji kaynağıdır. Hidroelektrik ve nükleer enerji merkezi elektrik üretim teknolojileridir. Hidroelektrik santraller için genellikle büyük barajlara ihtiyaç duyulmaktadır. Nükleer santraller de genellikle 1 GW2ın üzerinde bir kapasite ile kurulmaktadırlar. Yeni hidroelektrik ve nükleer santrallerin kurulumu büyük miktarda kamusal veya özel sermayeye ihtiyaç duyar. Fotovoltaikler de büyük FV tarlalara kurulabildikleri gibi önemli bir avantaj söz konusudur: Fotovoltaikler merkezi olmayan bir şekilde mesela bütün çatılara kurulabilirler. Elektrik tüketicileri en azından kendi ihtiyaçlarını karşılayabilecekleri kadar kurulum gerçekleştirebilirler. Bu durum onları elektrik şebekesinden en azından kısmi olarak bağımsız kılabilir. Ek olarak fotovoltaik sistemlerin Dünya üzerindeki fiyatları birçok yerde şebeke fiyatlarından aşağıya düşmüştür. Bu durum fotovoltaik sistemin kendi ömür süresi boyunca üreteceği elektriğin şebekeden alınacak elektrik fiyatından daha aşağıda olmasını sağlamaktadır. Merkezi olmayan fotovoltaik sistemlerin kurulumunun ileriki yıllarda güneş enerjisi kullanımının arkasındaki büyük itici güç olacağı düşünülmektedir. Daha çok kişinin bu durumun farkın varması fotovoltaiklerdeki gelişimin daha da hızlanmasını sağlayacaktır. MODÜL 1- 35

6.2. YAKIN ZAMAN GELİŞİM SÜRECİ Fotovoltaiklerin dünya çapındaki büyümesi 1992 ile 2018 arasında katlanarak arttı. Bu süre zarfında, solar FV olarak da bilinen fotovoltaikler (FV), küçük ölçekli uygulamalardan oluşan bir pazardan ana akım elektrik kaynağına varan bir dönüşüm yaşamıştır. 2018'in sonunda, küresel kümülatif kurulu FV kapasitesi yaklaşık 512 GW’a ulaştı ve bunun yaklaşık 180 GW'ı (%35) şebeke ölçekli tesislerdi. Güneş enerjisi, 2019'da küresel elektrik talebinin yaklaşık %3'ünü sağladı. 2018'de solar FV, İtalya, Yunanistan, Almanya ve Şili'de yıllık yerel tüketime %7 ila %8 arasında katkıda bulundu. Fotovoltaik sistemlerin Dünya üzerindeki kurulu güç değişimi Şekil 45’de verilmektedir. Şekil 45. Global FV kurulu güç miktarı 2017'de fotovoltaik kapasite, yeni kurulumlarda yıldan yıla %29 artışla 95 GW artmıştır. Toplam kurulu kapasite, yıl sonuna kadar 401 GW'ı aşarak dünyanın toplam elektrik tüketiminin %2,1'ini karşılamaya yeterli hale gelmiş duruma ulaşmıştır. 2018 itibarıyla Asya, küresel kurulumların neredeyse %75'iyle en hızlı büyüyen bölge oldu. 2017'de dünya çapında konuşlandırmanın yarısından fazlasını Çin tek başına oluşturdu. Kümülatif kapasite açısından Asya, 2017'de küresel toplam 401 GW'ın yarısından fazlasıyla en gelişmiş bölgeydi. Avrupa, küresel FV pazarının yüzdesi olarak düşmeye devam etti. 2017'de Avrupa küresel kapasitenin %28'ini, Amerika %19'unu ve Orta Doğu %2'sini temsil ediyordu. Bununla birlikte, kişi başına kurulum açısından Avrupa Birliği, Çin'e kıyasla iki kattan fazla ve ABD'den %25 daha fazla kapasiteye sahiptir. Solar FV, 2014'te sırasıyla Avrupa elektrik enerjisi talebinin %3,5'ini ve tepe elektrik gücünün %7'sini karşıladı. Watt başına ortalama fiyat, 2017'ye giden on yıllarda güneş pilleri için büyük ölçüde düştü. 1977'de kristal silikon pillerin fiyatları Watt başına yaklaşık 77 USD iken, Ağustos 2018'deki ortalama spot fiyatlar Watt başına 0.13 USD’ye geriledi (Şekil 46). İnce film güneş pilleri ve c-Si güneş panellerinin fiyatları Watt başına yaklaşık 0.60 USD olarak gerçekleşti. Modül ve hücre fiyatları 2014'ten sonra daha da düştü. Fiyatlardaki bu trend Şekil 46’da gösterilmektedir. 2015 yılında yapılan bir araştırma, fiyat/kWh'in 1980'den bu yana yılda %10 düştüğünü göstermiş ve güneş enerjisinin 2030 yılına kadar toplam elektrik tüketiminin %20'sine katkıda bulunabileceğini tahmin etmiştir.. MODÜL 1- 36

Şekil 46. Silisyum bazlı fotovoltaik panellerin Watt başına fiyat trendi FV dağıtımının üstel doğası nedeniyle, toplam kapasitenin çoğu 2017'ye kadar olan yıllarda kuruldu. 1990'lardan bu yana, 2012 hariç her yıl yeni kurulan FV kapasitesi açısından rekor kıran bir yıl oldu. Şekil 47’de Dünya üzerinde senelik FV kurulum kapasitesi gösterilmektedir. Şekil 47. Yıllık global FV kurulum kapasitesi Dünya üzerinde kullanılan fotovoltaik teknolojilerinin dağılım Şekil 48’de görüldüğü üzere ağırlıklı olarak monokristalin silisyum panellerdir. Şekil 48. 2021 itibarıyla Dünya’da kullanılan fotovoltaik teknolojisinin dağılımı MODÜL 1- 37

Şekil 49’de Dünya’da belirli fotovoltaik kurulum kapasitesini aşan ülke sayısının yıllara göre değişimi gözlenmektedir. Türkiye de 2017 yılında 1 GW kurulum değerini aşan ülkeler arasına girmiştir. Şekil 49. Dünya üzerinde GW ölçeğinde fotovoltaik kapasitelerine göre ülke sayısı Şekil 50. Toplam fotovoltaik kapasitesinde 2021 yılı itibariyle Dünya’daki ilk 10 ülke. 2021 yılı itibariyle Dünya üzerinde en büyük fotovoltaik kurulu güce sahip ülkeler Şekil 50’da verilmiştir. İlk üç sırada Çin, ABD ve Japonya yer almaktadır. Ülkemizdeki kurulu fotovoltaik kapasitesi ve toplam kurulu güç içerisindeki payı sırasıyla Şekil 51 ve Şekil 52’de görülmektedir. Ülkemizdeki kurulu güç Haziran 2022 itibarıyla yaklaşık 8.5 GW olup hızla 10 GW’a doğru ilerlemektedir. MODÜL 1- 38

Şekil 51. Türkiye’de kurulu fotovoltaik kurulu gücü Şekil 52. Türkiye’de fotovoltaik kurulu gücün toplam kurulu güce oranı. MODÜL 1- 39

KONU 7 FOTOVOLTAİK HÜCRE VE MODÜL TEKNOLOJİLERİNE GİRİŞ 7.1. ÇALIŞMA PRENSİBİ VE TEKNOLOJİ Fotovoltaik sistemler Güneş ışınımından direkt olarak elektrik enerjisi üretmektedirler. Boyut ve uygulama olarak değişik çeşitleri mevcuttur ve birkaç Watt’tan Megawattlar mertebesine uzanan değişik boyutlarda tasarlanabilirler. Fotovoltaik sistemler herhangi bir voltajdaki herhangi bir elektrik yükünü karşılamak üzere dizayn edilebilirler. Güneş ışığı (fotonlar) bir yarı iletken üzerine çarptığında elektronların enerjisini arttırarak bir elektrik akımı oluşturarak voltaj ve güç üretimine neden olurlar (Şekil 53). Şekil 53. Fotovoltaik çalışma prensibi Güneş hücrelerinin çalışma prensibi fotovoltaik etkiye, bir başka deyişle elektromanyetik ışınıma (Güneş ışığına) maruz kalan iki farklı malzemenin birleşim yerlerinde potansiyel farkı oluşmasına dayanmaktadır. 1905 yılında Albert Einstein’ın ışığın fotonlardan oluştuğu düşüncesi ile ve bu fotonların da enerjisi olduğunun belirtilmesi ile fotoelektrik etki açıklanmıştır. Güneş enerjisi (fotonlar) bir malzemede absorbe edildiklerinde o malzemedeki elektronları bir üst enerji seviyesine çıkarırlar ve serbest elektronlar oluştururlar. Fotovoltaik modül temelde bir p-tipi ve bir de n-tipi levhanın bir araya getirilmesi ile oluşturulur (Şekil 54). Şekil 54. Fotovoltaik hücre yapısı MODÜL 1- 40

Güneş ışınları fotovoltaik hücrenin üst tabakasında yer alan n tipi levhaya çarparak elektronları serbest hale getirirler. Bu elektronların p tipi levhadaki boşlukları doldurmak üzere hareketlenmeleri sonucunda bir elektrik akımı oluşur ve fotovoltaik panelden güç üretimi sağlanır. 7.2. FOTOVOLTAİK MODÜLLER VE HÜCRELER İLE İLGİLİ TEMEL BİLGİLER Fotovoltaik modüller (paneller) güneş hücrelerinden oluşur. Bu güneş hücrelerinin belirli elektriksel özelliğe sahip olmaları gerektiğinden dolayı üretilebilecekleri ham maddeler sınırlıdır. Silisyum en çok kullanılan ham maddedir, bunun yanı sıra hücreler kadmiyum tellürid ve bakır indiyum (galyum) di- selenidden de üretilebilir. Fotovoltaik hücreler silisyum levha bazlı veya ince film teknolojisi ile üretilebilirler. Fotovoltaiklerin olağan dışı elektriksel özellikler taşıması gerekliliği üretilebilecekleri ham maddelerin kısıtlı olmasına neden olmaktadır. Silisyum en yaygın kullanılan malzemeyken kadmiyum tellürid ve bakır indiyum (galyum) diselenid malzemeden üretilmiş olan hücreler de mevcuttur. Her malzeme hücre performansını, üretim metodunu ve maliyetini etkileyen kendine özgü karakteristik özelliklere sahiptir. Fotovoltaik hücreler yapılarına ve yarı iletken malzemelerine göre karakterize edilebilirler. “Monokristalin”, “multikristalin veya polikristalin” ya da bunlara göre daha düzensiz yapıda bulunan “amorf” malzemeler kullanılmaktadır. Şekil 55 bu teknolojileri özetlemektedir. Şekil 55. Fotovoltaik çeşitleri a) Kristalin silisyum (c-Si): Fotovoltaik hücreler monokristalin veya multikristalin silisyumdan üretilir. Mono kristalin hücreler genel olarak daha verimlidirler, ancak multikristalin hücrelere göre aynı zamanda daha maliyetlidirler. b) İnce film: Modüller bir alt tabaka üzerine yarıiletken malzemenin ince film halinde birikimi ile üretilirler. İnce film güneş hücresi üretiminde kullanılan diğer malzemeler: o Amorf silisyum (a-Si) o Kadmiyum tellürid (CdTe) o Bakır indiyum selenid (CIS) o Bakır İndiyum (Galyum) diselenid (CIGS) 2020 yılı baz alındığında global olarak kurulu fotovoltaik güç santrallerinde %78 oranında levha bazlı kristalin silisyum modüller kullanılmıştır. Amorf silisyum ve kadmiyum tellürid ince film modüller ise kalan %22’yi oluşturmaktadır. MODÜL 1- 41

7.2.1. Silisyum levha bazlı fotovoltaikler Silisyum kum ve kuvartzdan rafine edilir, sonrasında ise büyük kristal ingotlar haline getirilir. Bu ingotlar ince levhalar halinde kesilir ve levhalara fosfor ve bor katmanları eklenir. Ayrıca levhalar üzerine gelen ışınımı yansıtmaması için antireflektif malzeme ile kaplama da yapılır. Kristalin silisyum modüller birbirine birleştirilmiş ve şeffaf bir ön yüz (genellikle cam) ile bir arka yüzey malzeme (genellikle plastik veya cam) arasında kalacak şekilde yerleştirilmiş (tipik olarak 12,5 cm2 ile 20 cm2 arasında alana sahip) fotovoltaik hücrelerden oluşur. Monokristalin levhalar (Şekil 56) büyük kristal ingotlardan kesilerek nispeten pahalı bir işlemle elde edilir. Daha az maliyetli olarak polikristalin levhalar (Şekil 57) başka tekniklerle de elde edilebilir. Bunlardan biri kontrollü şekilde erimiş polisilisyum malzemenin dökümü ile ve sonrasında levhalara dilimlenmesi ile gerçekleştirilir. Bu yöntemle elde edilen levhalar monokristalin levhalardan çok daha büyük olabilir. Bu şekilde elde edilen multikristalin hücreler daha ucuza mal olmakta ancak son ürün genellikle monokristalin teknolojisinden daha az verimli olmaktadır. Şekil 56. Monokristal güneş hücreleri (köşeleri yuvarlatılmış) Bu şekilde elde edilen güneş hücreleri bir güneş modülü oluşturmak üzere birleştirilirler. Ortalama bir güneş modülü seri halde bağlanmış 60 güneş hücresinden oluşur. Şekil 57. Polikristal güneş modülü MODÜL 1- 42