Blog / Dünyada Petrolün Yerini Alacak Stratejik Ürünler: Taşınabilir Enerjiler-Piller (3)
Dünyada Petrolün Yerini Alacak Stratejik Ürünler: Taşınabilir Enerjiler-Piller (3)
Dr. Mustafa Kemal AKGÜL / Daire Başkanı (Verimlilik Genel Müdürlüğü)
Giriş
Değerli okuyucular, iki sayı önce başladığımız ‘Taşınabilir Enerjiler-Piller’ konusunu bu sayımızda güneş enerjisi pillerini inceleyerek tamamlamış olacağız.
Önceki sayılarımızda kısaca pillerin tanımını yaparak, türlerini ve stratejik önemlerini sizlere aktarmaya çalıştık. Daha sonra ise metal ve yarı iletken pilleri açıklayarak, yakıt pillerinin gelişimlerini ve önemlerini vurguladık. Fosil yakıtların tükenmeye başlaması ile birlikte çevreye verdikleri kirlenmeler yenilenebilir enerji kaynaklarına olan talebi artırmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının elde edilmesinde teknolojik gelişmelerin sağladığı verimlilik ve ucuz maliyetler, fosil yakıtlara olan bağımlılığı yakın gelecekte önemli ölçülerde azaltabilecek düzeylere gelmektedir.
Günümüzde taşınabilir elektrikli cihazların pillerinin doldurulmasında yaygın olarak güneş enerjisi pilleri kullanılmaktadır. Teknik söyleyişi ile fotovoltaik pillerin ortaya çıkışı yeni değildir, ancak bu alanda teknolojik gelişmelerle fotovoltaik pil verimliliğinin yaklaşık % 25’lere çıkmış olması, fotovoltaik panellerin üretilmesinin ucuzlamış olması ile başta uydu sistemleri olmak üzere, deniz araçları, ulaşımı zor olan kara parçaları hatta hava araçlarında da fotovoltaik piller kullanılmaktadır.
Taşıtlar, mobil araç ve cihazlarda kullanımı yaygınlaşan güneş enerjisi pillerinin asıl verimli kullanım alanı güneş enerjisi santrallerinin yanı güneş enerjisi tarlalarının kurulmasıdır. Günümüzde ticari olarak 500 kW-1 MW kurulu güçten başlayarak yaklaşık 400 MW’a kadar kurulumu gerçekleştirilmiş güneş enerji santralleri bulunmaktadır. (Bkz. Yazının devamında dünyada ve Türkiye’de güneş enerjisi yatırımları)
Değerli okuyucular, üç sayıdan bu yana sürdürdüğümüz bu yazı dizimizi sonlandırırken bir konuyu vurgulamakta yarar görmekteyiz. Geçmişte ve günümüzde Dünya’da petrol kaynaklarını elde etme veya kontrol etme konusunda yaşanan kıyasıya rekabet artık yerini enerji üretmedeki rekabete bırakmış durumdadır. Bunun en zorlu alanı ise yenilenebilir enerji kaynakları ile yakıt pilleri ve güneş enerjisi pilleri alanında olacaktır.
Güneş Enerjisi Pilleri Nedir?
Güneş pilleri ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik araçlardır. Güneş pilleri yarı iletken bir diyot olarak çalışırlar. Güneş pili hücrelerinin üst tabakaları çatlamaların, kırılmaların ve enerji kaybının önlenmesi için yansımayı önleyici kaplama ve korumalardan oluşur. Bu katmanların altında ise N tipi ve P tipi yarıiletken maddeler bulunur. N ve P tipi maddeler yarıiletken maddelerin eriyik halindeyken istenilen maddeler ile kontrollü olarak katkılı maddelere dönüştürülmesi sonucu oluşurlar. Güneş pillerinde yarıiletken madde olarak çoğunlukla çok kristalli silisyum kullanılmaktadır. [2]
Güneş Pilleri Nasıl Çalışır?
Artık günümüzde çeşitli yerlerde elektrik üretimi güneş enerjisinden elde edilmeye başlandı. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde ediyoruz. Peki, nasıl oluyor da güneş ışınlarından elektrik elde ediliyor? Güneş pilleri ya da diğer bir deyişle Fotovoltaik piller güneş ışığından elektriği nasıl üretiyor? Elde edilen elektrik alternatif ya da doğru gerilim mi?
19.yüzyılın başlarında güneş pillerinin buluşunu yaklaştıran ilk gelişmeler sağlandı. A.Edmond Becquerel 1839 yılında platin tabakalar üzerinde yaptığı çalışmayla fotovoltaik etkiyi buldu. 1884 yılında Charles Fritts ilk güneş pili hücresini geliştirmesiyle güneş pili teknolojisine doğru büyük bir adım atılmış oldu. 1954 yılında ise Bell Laboratuvarlarındaki bilim adamları tarafından iyon yüklü silisyum (diğer bilinen adıyla silikon) ile güneş pilleri oluşturularak bugünkü güneş pili teknolojisini belirlediler.
Güneş ışığı foton adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşur. Her dakika güneşten gelen fotonlar dünyanın bir yıllık enerji tüketimine yetecek kadar enerjiyi dünyamıza ulaştırırlar. Güneşten gelen bu enerjiyi kullanarak elektrik üretme amacı ile güneş panelleri, başka bir deyişle fotovoltaik paneller kullanılır.
Yüzeyleri kare, dikdörtgen veya daire şeklinde olup alanları 60-160 civarında, kalınlıkları 0,2 veya 0,4 mm aralığındadır. Güneş panelleri yani fotovoltaik paneller, birçok solar hücreden oluşur. Bu hücreler silikon adı verilen ve dünyamızda çokça bulunan elementlerden yapılır. Her bir hücre, aynen pillerde de olduğu gibi, elektrik akımı yaratmak için bir pozitif ve bir negatif katmandan oluşur.
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül denir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç Watt’tan Megawatt’lara kadar güç üretmek için sistem oluşturulur.
Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenik, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Yarı iletken malzemelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n yada p tipi katkılanmaları gerekir.
Silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğundan fosfor bir fazla elektronunu kristal yapıya verir. Bu nedenle 5. grup elementlerine verici ya da n tipi katkı maddesi denir. Silisyumdan p tipi silisyum elde etmek için ise eriyiğine periyodik cetvelin 3. grup elementi eklenir. Bu eklenen elementin son yörüngesinde 3 elektron vardır. Bu nedenle kristal yapıda bir adet elektron eksikliği oluşur. Bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir. Bu nedenle de p tipi maddelere de alıcı adı verilir.
Yarı iletken eklemler oluşturulduktan sonra güneş ışınlarından gelen fotonlar, sayesinde n tipinden kopan elektronlar p tipine doğru hareket eder. Bu olay her iki tarafta yük dengesi oluşuncaya kadar devam eder. Bunların elektron azlığı (hol veya delik) ve diğerindeki (- yük sağlayan) fazlalığı, bu bölgenin her iki tarafında bir elektrik alanının oluşmasına yol açar. Yarıiletken tarafından emilen ışık akısının fotonları, yarıiletken parçanın iki tarafında ayrı ayrı toplanan elektron-hol çiftlerini oluşturur. Bunun sonucunda, eklemin aydınlanan yüzüyle ve buraya düşen ışığın yoğunluğuyla orantılı bir elektrik akımı meydana gelir.
Dünyada birçok şirket güneş enerjisi pilleri alanında ürünler üretmektedir ve bu alanda birçok bilim adamı ve mühendisin güneş enerjisini büyük ölçekte uygun yapmak için, yüksek verimlilikte ve düşük maliyetli güneş pili geliştirmeye yönelik çalışmaları büyük bir rekabet içinde sürmektedir.
Güneş Pili Çeşitleri
Güneş pilleri üretim şekillerine göre gruplandırılabilir.
Monokristalin Güneş Pilleri: Monokristalin güneş pillerinde malzemenin atomik yapısı homojendir. Monokristalin güneş pilleri verimlilik kapasitesi diğerlerine göre en yüksek olan (%20) güneş pili çeşididir.
Polikristalin Güneş Pilleri: Polikristalin güneş pillerinde malzeme birçok monokristalden oluşur ve atomik yapı homojen değildir. Poikristalin güneş pillerinin verimlilik kapasitesi yaklaşık %16 olup monokristalin güneş pillerine göre daha düşük, CIS güneş pillerine göre ise daha yüksektir.
Amorf Silikon Güneş Pilleri: Amorf silikon güneş pilleri kristal yapılı olmayan güneş pilleridir. amorf güneş pillerinin yapısı nedeniyle verimlilik kapasiteleri %5 ile %8 aralığında diğer güneş pillerine göre düşük olan değerlere sahiptir.
CIS Güneş Pilleri: CIS (Copper-Indium-Diselenid - Bakır-İndiyum-Diselenid) güneş pilleri diğer güneş pillerine göre çok daha ince tabakalı ve verimlilik kapasitesi %10 civarında olan güneş pilleridir.
Güneş Pili Verimliliğinde Yeni Dünya Rekoru
Ekip, esnek polimer yüzey üzerine ince film CIGS (bakır indiyum galyum (di) selenür) güneş hücreleri yerleştirerek, enerji dönüşümü verimliliğinde %20,4’e ulaşarak yeni bir rekora imza attılar. Zaten Mayıs 2011’de bu rekor %18,7 ile kendilerine aitti.
Organik Güneş Pili Nedir?
Organik güneş pilleri karbon bazlı polimerlerden ve küçük moleküllerden oluşurlar. Hücre üzerine gelen güneş enerjisini organik tabaka tarafından emerek, elektrik enerjisine dönüştürürler. İnorganik güneş hücrelerinden farklı olarak geniş yüzeylere kaplanabilmesi, düşük maliyetli olması ve kolay üretilebilmesinin yanı sıra organik kimyasındaki gelişmelere paralel olarak daha farklı özellikler kazandırılabilinir olması bu teknolojinin avantajlarındandır.
Organik polimer tabaka, güneşten gelen ışığı absorbe edip elektron ve hol(boşluk) çiftleri oluşturur. Yükler ayrıştıktan sonra elektronlar katota, holler ise anota doğru yol alırlar. Bu şekilde akım ve voltaj üretilir.
Dünya’da ve Türkiye’de Güneş Enerjisi Yatırımları
Dünya’da güneş enerjisi santralleri kurulumu alanında büyük bir yarış yaşanmaktadır. Güneşlenme oranları güney yarı küre ülkelerine göre az olmasına rağmen Almanya, Fransa, Hollanda, İngiltere’de bu alanda önemli yatırımlar tamamlanmış durumdadır. Güneş enerjisi santrallerinde 2014 yılı itibarı ile bir alanda kurulmuş en büyük santral kapasitesi rekoru Amerika Birleşik Devletlerinde bulunmaktadır. ABD’nin Kaliforniya ve Nevada eyaletlerinin sınırındaki Primm bölgesinde yer alan bu santral 392 MW gücüne kadar elektrik üretecek. Bu 140.000 haneli Kaliforniya’ya yetip de artacak derecede bir miktar.
Almanya konumu itibariye yıllık güneşlenme süresi düşük bir ülkedir. Buna rağmen güneş enerjisinde bir dünya lideridir. Güneş enerjisi endüstrisinde yaptığı atılımlarla dikkat çeken ülke, güneşten elektriğin yalnızca Sahra Çölü kadar fazla güneş alan yerlerde üretilmeyeceğini ispatlamıştır. 2013 Temmuz ayında 5.1 terawatt-saat güneş enerjisinden elektrik üreten Almanya kendisiyle rakip olan ABD’yi saf dışı bırakmış durumdadır. [1]
Türkiye’de ise bu konuda son yıllarda önemli teşvikler sağlanarak güneş enerjisi santrallerinin kurulmasına hız verilmiştir. Enerji Bakanlığı açıklamasında (25 Nisan 2014) Konya Karapınar Ayrancı bölgesinde 3 bin MW’lık güneş santrali için özel çalışmaların yürütüldüğü açıklaması yapılarak, bu alan için belirlenen 600 MW’lık ilk ihaleye 9 bin MW’lık talep geldiği ve burada Türk yatırımcıların ortaklığı ile dünyanın en büyük santralini kurulacağı vurgulanmıştır. [3]
Bu Bölümün Hazırlanmasında Yararlanılan Kaynaklar:
1. Almanya Güneş Enerjisinde Rekora Ulaştı http://www.elektrikport.com/haber-roportaj/almanya-gunes-enerjisinde-rekora-ulasti
2. Güneş Pilleri, http://www.robotiksistem.com/gunes_pilleri_nedir.html
3. Enerji Enstitüsü, http://enerjienstitusu.com/2014/02/14/dunyanin-en-buyuk-gunes-enerjisi-santrali-dun-abdde-acildi/
4. http://www.nature.com/ncomms/journal/v4/n4/fig_tab/ncomms2747_F1.html
5. http://www.teknolojioku.com/haber/yeni-nesil-piller-ile-daha-uzun-sarj-sureleri-mumkun-olacak-17239.html
6. http://www.elektrikce.com/yeni-nesil-piller/#ixzz30JHehw4l
9. http://www.fizikportali.com/2013/07/gelecegin-pil-teknolojisi/
10. http://www.eie.gov.tr/teknoloji/h_yakit_pilleri.aspx
11. http://ee.mam.tubitak.gov.tr/tr/ar-ge/yakit-pili-teknolojileri
