Fotovoltaik Enerji Sistemleri

Temel Kavramlar ve Örnek Projelerle Fotovoltaik Güneş Enerjisi Sistemleri

Yazı Dizisi-1

Haluk Özgün

Güneş sahip olduğu enerjiyi insanoğlunun hizmetine limitsiz fakat koşullu olarak sunmaktadır, bu kaynağı kullanmayı hedefleyen toplumlar gelecek nesillere daha yaşanılabilir bir dünya bırakabilecektir.
           Haluk Özgün

Ülkemiz coğrafi konumu nedeniyle  güneş enerjisi potansiyeli yönünden çok şanslıdır. Fotovoltaik enerji sistemleri ile ilgili değerli Meslektaşım Sn. Haluk Özgün tarafından hazırlanmış ve GÜNDER tarafından yayınlanmış olan   "Temel Kavramlar ve Örnek Projelerle Fotovoltaik Güneş Enerjisi Sistemleri"  konulu  bu değerli  kitabı bölüm bölüm yazı dizileri  olarak yayınlayacağız.

Sektöre yararlı olacağını düşündüğümüz bu kitabın yayını için izin veren  Sn. Haluk Özgün ve GÜNDER 'e ( Uluıslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü)  Elektrik Tesisat Portalı olarak  içtenlikle teşekkür ederiz.



ÖNSÖZ

Fotovoltaik güneş enerjisi teknolojisi dünyada kendini kanıtlamış, yenilenebilir enerjiler alanında doğrudan enerji dönüşümü yapan teknolojiler arasında değerlendirilmektedir. İlk kullanım alanları uzay teknolojisi olmasına karşın şimdi evlerimiz için de kullanabildiğimiz yaygın bir teknoloji haline gelmiştir. Sistemin birleşenleri olan fotovoltaik panel ve inverter teknolojileri gün geçtikçe ilerlemekte ve performans değerleri artmaktadır. Bunun yanında konstrüksiyon ve elektrik altyapıları sistemin gereksinimlerine göre şekillenmektedir.

Sistemin geneli düşünüldüğünde elektrik, makine ve inşaat mühendislerinin ortak çalışmasını gerektiren bir mühendislik alanıdır. Buna karşın fotovoltaik güneş enerjisi teknolojisi
temelinde elektrik mühendisliği hesap ve tasarım bilgisi gerektirmektedir. Kitabın içeriği elektriksel hesap, tasarım ve enerji üretim analizlerine dayanmaktadır.

Kitap toplam yedi bölümden oluşmaktadır. Bölümler temel düzeyde sistem bilgisinden başlayıp örnek proje hesaplamaları ve yasal yönetmeliklere ulaşım adreslerini de kapsayacak
şekilde hazırlanmıştır. Bu nedenle okuyuculara önerim yeni başlayanlar için bölüm atlamadan sıralamayı takip etmeleri yönünde olacaktır. Konu hakkında deneyimi olan okuyucular içinse bölümler arasında geçiş yapmaları, ilgi duydukları kısımları incelemeleri kendi insiyatiflerindedir.

İlk bölümde en genel hatları ile yenilenebilir enerji teknolojileri içinde yer alan güneş enerjisi teknolojisi incelenmiştir. Küresel iklim değişimi sorunu ve yenilenebilir teknolojilerinin
burada çevresel felakete nasıl çözüm oluşturabileceğine değinilmiştir. Güneş enerjisi yatırımlarının ve dünyadaki kurulu güç içindeki payının dünyaca kabul görmüş önemli raporlar üzerinden değerlendirmesi yapılmıştır.

İkinci bölümde güneş sistemimizin enerji kaynağı olan güneş detaylı bir şekilde incelenmiş, füzyon reaksiyonları ve elektromanyetik radyasyonun nasıl oluştuğu anlatılmıştır.
Güneşte üretilen enerjinin dünyaya nasıl taşındığı ve bu enerjinin kaçta kaçının, dünyaya hangi koşullarda iletildiği irdelenmiştir. İstanbul için önceden belirlenen bir bölgede 1 kW’lık bir fotovoltaik sistemden bir yılda kaç kWh’lik enerji üretilebileceği PVGIS verileri ile hesaplanmıştır.

Üçüncü bölümde elektromanyetik radyasyon ve fotovoltaik enerji dönüşümleri gibi bilim insanlarının derin teknik bilgi birikimlerini, bir mühendis gözüyle tanıtımını yapmaya,
enerjinin temelleri ve fotovoltaik etkinin nasıl oluştuğuna dair okuyucuların hayranlık uyandıran bu bilimsel konularda fikir sahibi olmasına çalışılmıştır.

Dördüncü bölümde fotovoltaik enerji sistemlerinin gereksinimlere göre hangi teknolojik farklılıklar ile kurulabileceği tanıtılmıştır. Şebeke bağlantılı sistemler, şebekeden ayrık sistemler
ve hibrit sistemler bu bölümde anlatılmıştır. Ayrıca şebeke bağlantılı sistemlerde kullanılan panel, inverter, elektriksel koruma elemanları, kablolar, izleme sistemleri ve sayaçlar incelenmiştir. Fotovoltaik sistem kurulumlarında ihtiyaca göre kullanılacak teknolojinin belirlenmesi ve ürünler arasındaki farklar tanıtılmıştır.

Beşinci bölümde en genel hatları ile bir projenin nasıl değerlendirilmesi gerektiği tanıtılmıştır. Fotovoltaik sistemi tanımak ve bu teknolojiyi tanıtmak için bilinmesi gereken en temel argümanlar verilmiştir. Projede hesap ve çizimlere başlamadan önce hangi verilere ihtiyaç duyulduğu ve bu veriler ışığında hangi adımların atılması gerektiği genel hatları ile verilmiştir.

Altıncı bölümde tüm öğrendiğimiz veriler ışığında örnek iki sistemin elektriksel hesaplamaları ve proje çizimleri verilmiştir. İlk projede dizi inverter ile şebeke bağlantılı evsel bir kurulum için elektriksel hesaplamalar yapılmıştır. İkinci projede merkezi inverter ile örnek bir santral için elektriksel hesaplama ve çizimler yapılmıştır. Farklı güçler ve farklı teknolojiler kullanılarak okurlara teknolojiler arasındaki hesap farklılıkları tanıtılmıştır. Bu bölüm için özellikle belirtilmelidir ki; örneklerde verilen değerlerin bire bir kullanımı tasarım mühendislerinin kendi insiyatiflerinde olup, oluşabilecek maddi ve manevi herhangi bir zarardan ötürü yazar sorumlu tutulamaz.

Son bölümde Türkiye’de yenilenebilir enerjiler ve güneş enerjisi alanındaki yasal süreçlere hangi kaynaklardan ulaşılabileceği belirtilmiştir. Özellikle değişen piyasa şartlarına göre kanun ve yönetmeliklerin değişmekte olduğu ve ilgili kaynaklardan değişimlerin sıkı takip edilmesi gerekliliği vurgulanmıştır. EPDK tarafından 2013 yılı içinde değişiklikleri yapılan ve hem enerji piyasasını hem de güneş enerjisi yatırımlarını ilgilendiren “Elektrik Piyasası Kanunu”, “Elektrik Piyasası Lisans Yönetmeliği” ve “Elektrik Piyasasında Lisanssız Elektrik Üretimine İlişkin Yönetmelik” dosyalarının güncel olarak ulaşılabileceği linkler verilmiştir.

Türkiye güneş enerjisi potansiyeli yönünden oldukça değerli kaynaklara sahiptir. Bu enerjinin doğru teknolojiler ile maksimum düzeyde kullanılması geleceğimiz için oldukça kritik öneme sahiptir. Enerjiyi verimli kullanmalı, güneş, rüzgar, jeotermal ve biyokütle gibi doğal enerji kaynaklarımızdan maksimum seviyede yararlanmak durumundayız. Teknolojiyi takip ederek enerji çeşitliliğini yaratmak için doğru yatırımlar yapmamız gerekmektedir.

Kitapta gördüğünüz noksanlıkların veya hataların tarafıma iletilmesinden memnuniyet duyacağımı, olası aksaklıkların giderilmesi veya taleplere göre kapsamın geliştirilmesi yönünde
çalışmalarıma devam edeceğimi belirtmek isterim.

Principles of Electronic Materials an Devices kitabının yazarı Prof. S.O. Kasap'a katı hal fiziğine ilgi duymamı sağlayan kitabı ve üçüncü bölümde geçen bazı grafik ve anlatımların
bu kitapta kullanılmasına izin verdiği için teşekkür ederim.

İ.T.Ü. Enerji Enstitüsü ve Yüksek Lisans Tez Danışmanım olan Prof.Dr. Altuğ Şişman'a kitap içinde yaptığı yorum ve değerlendirmeleri için teşekkür ederim.

Uluslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü'nün (GÜNDER) Güneş Kitaplığı kurulması yönündeki öncü girişimleri ve bu kitabın basılmasına verdiği destekten ötürü başta Dr. Kemal Gani Bayraktar ve tüm Günder Yönetim Kurulu'na teşekkür ederim.

Maddi ve manevi destekleri ile her zaman yanımda olan aileme teşekkürlerimi sunarım.

Başta öğrenciler olmak üzere, piyasada bu alanda çalışan veya çalışmak isteyen teknik insanların, üreticilerin, yatırımcıların, işletmelerin, tüketicilerin, çevrenin ve doğal kaynakların
korunmasına duyarlı okuyucuların bu kitaptan yararlanabilmelerini umut ederim.

Haluk ÖZGÜN
Elektrik Mühendisi
Enerji Bilimi ve Teknolojileri Yüksek Mühendisi
İstanbul, Şubat 2015

KISALTMALAR

AC : Alternatif Akım
AM : Air Mass – Hava Kütlesi
APAC : Asia-Pacific – Asya Pasifik
ARGE : Araştırma ve Geliştirme
CdTe : Cadmium telluride - Kadmiyum tellür
DC : Doğru Akım
EPDK : T.C. Enerji Piyasası Düzenleme Kurumu
EPIA : European Photovoltaic Industry Association - Avrupa Fotovoltaik
Endüstrisi Derneği
ESRA : European Solar Radiation Atlas - Avrupa Güneş Radyasyonu Atlası
EVA : Ethylene vinyl acetate - Etilen vinil asetat
GEPA : Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası
GÜNDER : Uluslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü
IEA : International Energy Agency - Uluslararası Enerji Ajansı
ITER : International Thermonuclear Experimental Reactor - Uluslararası
Termonükleer Deneysel Reaktör
LPG : Liquid petroleum gas - Likit petrol gazı
MEA : Middle East and Afrika – Orta Doğu ve Afrika
MPPT : Maximum Power Point Tracking - Maksimum Güç Noktası Takibi
NREL : National Renewable Energy Laboratory - Ulusal Yenilenebilir Enerji
Laboratuvarı
PV,FV : Photovoltaic - Fotovoltaik
PVGIS : Photovoltaic Geographical Information System - Fotovoltaik Coğrafi
Bilgi Sistemi
ROW : Rest of the world – Dünyanın geri kalanı
UV : Ultraviyole
WEO : World Energy Outlook – Dünya Enerji Görünümü(Raporu)



1. YENİLENEBİLİR ENERJİ VE GELECEĞİMİZ

Yirmi birinci yüzyıl insanının sahip olduğu teknolojik gelişimler bize daha konforlu bir geleceğin kapılarını açmaktadır. Yaşam standartlarının her geçen gün artması ile birlikte tüketim alışkanlıklarımızın da bu gelişime paralel değiştiği görülmektedir. Evlerimizde kullandığımız elektronik cihazların sayısının artması, ailelerde birden fazla araba kullanılmaya başlanması ve daha birçok durum bu gelişime örnek olarak gösterilebilir. Bu gelişim aynı zamanda geleceğini düşünen insanların yaklaşmakta olan tehditlere karşı etkin ve kalıcı çözümler üretmesini de zorunlu kılmalıdır. Aksi taktirde konforu sağlamak için oluşturduğumuz sistem büyük yıkımlar doğuracaktır.

Bu yıkımların başında fosil yakıtların yarattığı çevresel kirlilik ve küresel iklim değişikliği gelmektedir. Enerji insanlığın en temel ihtiyaçlarından biridir ve mevcut düzen kömür, petrol ve doğalgaz gibi karbon bazlı yakıtların varlığı ile devam etmektedir. Azalmakta olan fosil yakıtlara dünyada her geçen gün daha pahalıya ulaşılabilmekte, ekonomik açıdan zayıf olan ülkelerin gelişimleri bu durumdan olumsuz yönde etkilenmektedir. Bununla birlikte fosil yakıtların kullanımı ile birlikte küresel iklim değişimine neden olan gazların yoğun bir şekilde ortaya çıkması da insanlığın geleceğini tehdit eden çok önemli bir sorundur. Yenilenebilir enerji kullanımının artması bu iki büyük soruna çözüm olma niteliği taşımaktadır.

İstatistiksel yönden enerjinin gelişimi pek çok devlet kurum ve kuruluşları tarafından takip edilmekte ve bu yönde ülke stratejileri belirlenmektedir. Bu anlamda uluslararası kabul
görmüş WEO tarafından belirtilen değerlere göre, dünya genelinde enerjiye olan talep 2007-2030 yılları arasında %40 büyüme gösterirken, en çok artış kömür de görülmektedir.

Şekil-1.1: Dünyanın 1980-2030 yılları arasında enerji talebinin kaynaklara göre dağılımı senaryosu. (Mtoe=Milyon ton petrol eşdeğeri) [1]

Görüldüğü gibi enerji talebi gün geçtikçe artmakta ve fosil yakıtların kullanımının halen etkin bir şekilde devam edeceği görülmektedir. Bununla birlikte yenilenebilir enerji kullanımında belirli oranda artmanın yaşanacağı da görülmektedir. Şekil-1.2 de ise fosil yakıtların kullanımı sonucunda ortaya çıkan sera gazlarının atmosferde birikme eğrisini göstermektedir. Mevcut tüketim alışkanlıklarımızın devam etmesi ve yoğun olarak fosil yakıt kullanımı atmosferde biriken CO2 oranının 1000 ppm (parts per million) düzeyinin üzerine çıkaracağını göstermektedir. Eğer önlem alınmaz ise bu durum atmosfer sıcaklığının  6 ⁰ C artmasına neden olacak ve dünya geri dönülmez felaketlerle karşı karşıya kalacaktır.

]Şekil-1.2: IEA 450 senaryosuna göre karbon salımının gelişimi ve yatırım alanları (Gt=Gigaton).[2]

IEA tarafında hazırlanan 450 senaryosuna göre; ülkelerin aldığı kararlar ve uyguladıklarıpolitikalar sayesinde uzun dönem planlarında atmosferdeki CO2 oranının 450 ppm (partsper million) seviyesinde tutmaya çalışılacaktır. Böylece atmosferde bulunan CO2 oranı450 ppm düzeyinde tutularak atmosfer sıcaklığının 2 0C daha artması engellenmiş olacaktır. Salımların azaltılması yönünde yapılacak olan bu çalışmalar dünyanın her yerinde koordineli olarak yürütülecek ve yasal düzenlemelerle desteklenecektir. IEA 450 senaryosuna göre dünya enerji kullanımından kaynaklı CO2 salımı 2020 yılında 30.9 Gt değerineulaşmalı, 2030 yılında ise 26.4 Gt değerine ulaşmalı ki bu değer 2007 yılındaki salım değerlerinden 2.4Gt daha düşük olabilsin. Bu senaryoya göre 2030 yılında toplamda 13.8egter Gt salımın azalması hedeflenmektedir. Oluşabilecek felaketlerin önüne geçebilmek için belirli alanlarda yatırım yapmaya acilen başlanılması gerekmektedir. Küresel iklim değişiminin getireceği felaketler yanında, büyük ekonomik krizlerin yaşanacağı da hesaplarla gösterilmektedir. 2010 ile 2030 yılları arasında salımın azaltılması amacıyla gerekli olan
altyapı için 10 trilyon USD yatırım yapılması gerektiği belirtiliyor.

Salımın azaltılması yönündeki çalışmaların ağırlıklı olarak enerjinin verimli kullanılması ve yenilenebilir enerji kaynaklarının değerlendirilmesi ile mümkün olabileceği
belirtilmiştir. Türkiye’de EIE tarafından başlatılan ENVER projesi ile enerji verimliliği  Yenilenebilir Enerji ve Geleceğimiz  konusunda önemli gelişmeler kaydedilmiştir. Mevcut durumda EİE YEGM “Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü“ olarak T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığına bağlı olarak çalışmalarına devam etmektedir. Enerji Bakanlığının çalışmaları yenilenebilir enerjinin desteklenmesi yönünde olup devlet desteği ile yatırımları hızlandırmaya çalışmaktadır.

Bundan sonraki yazı dizimizde “   Enerji Üretiminde Çevreci Alternatif Yenilenebilir Enerjiler  ”  anlatılacaktır.

Bu kitabın yayını için izin veren  Sn. Haluk Özgün ve GÜNDER 'e ( Uluıslararası Güneş Enerjisi Topluluğu Türkiye Bölümü)  Elektrik Tesisat Portalı olarak  içtenlikle teşekkür ederiz.