Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile (hidrojen gazının helyuma dönüşmesi) açığa çıkan ışıma enerjisidir. Güneş, yaydığı yaklaşık 3,9x10²⁶ W güç ile dünyadaki tüm enerji ihtiyacını (2017 yılı için 13.730 MTEP) karşılayacak düzeyde, temiz ve tükenmez bir yenilenebilir enerji kaynağıdır. Her saniyede güneş çok büyük miktarda enerjiyi güneş sistemine yaymaktadır. Dünyaya bu enerjinin çok az bir miktarı ulaşmaktadır. Atmosferin dış yüzeyindeki her metrekareye ortalama 1367 W güç düşmektedir. Atmosfer gelen bu ışımanın genellikle X ışınlarından ve ultraviyole ışınlardan oluşan bir kısmını emerken bir kısmını ise yansıtmaktadır. 

Güneş ışığından dünyanın yüzeyine ulaşan bir dakikalık enerji miktarı dünya genelinde bir yılda kullanılan enerjiden daha fazladır. Bu derece büyük ve yenilenebilir enerji kaynağının değerlendirilmesi adına son zamanlarda yapılan çalışmalar hız kazanmıştır. Ülkeler fosil kaynakların çevreye verdiği zararlardan kaçınmak için yenilenebilir enerjiye geçişi hızlandırmıştır. Bu sayede güneş enerjisinden ısı ve elektrik üretimi ile ilgili birçok araştırma yapılmakta ve kullanım yıllar geçtikçe artmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi için birden fazla metot olmasına rağmen genel olarak eğilim güneşten gelen ışığın doğrudan elektriğe çevrildiği fotovoltaik sistemlere yoğunlaşmıştır.  Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Özellikle temiz bir enerji kaynağı olması ve kurulumdan sonra düşük maliyetle çalışması güneş enerjisinin önemini arttırmaktadır. 

Güneş Enerjisi Potansiyelimiz

Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle yüksek güneş enerjisi potansiyeline sahiptir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığınca hazırlanan, Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlasına (GEPA) göre, ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2741,07 saat olup ortalama yıllık toplam ışınım değeri 1527,46 kWh/m² olarak hesaplanmıştır. GEPA’da yer alan genel potansiyel görünümü ve aylık ortalama global radyasyon dağılımı aşağıda yer almaktadır.

Aralık 2020 sonu itibariyle güneş enerjisine dayalı elektrik kurulu gücümüz 6.667 MW, toplam elektrik üretimi içerisindeki payı %3,6 olup yıllara göre kurulu güç değişimi ve toplam elektrik üretimi içerisindeki payı aşağıdaki grafiklerde yer almaktadır. 

Çatı ve Cephe Uygulamalı Güneş Potansiyeli

Türkiye İstatistik Kurumu (TÜİK) verilerine göre Türkiye’de 9,1 milyon adet bina bulunmakta olup bu miktarın yaklaşık %87’sini konut nitelikli binalardır. Türkiye’nin bina stoğuna her yıl 100.000’den fazla yeni bina eklenmektedir. Bu binaların çatı ve cephelerine önümüzdeki 10 yıl içinde toplam 2.000 – 4.000 MW seviyelerinde güneş modülü sistemlerinin kurulabileceği öngörülmektedir. Ülkemizde değerlendirilebilecek çatı alanları aşağıdaki gibi gruplandırılabilmektedir.

Sanayi, konutlar veya bireysel amaçlı kullanımlar için gerek duyulan enerji ihtiyacını, bitkilerde olduğu gibi doğrudan güneşten sağlamak mümkün değildir. Bu sebeple güneş enerjisi çeşitli şekillerde dönüştürülerek kullanılabilir. Güneş ışınlarından yararlanmak için pek çok teknoloji geliştirilmiştir. Güneş enerjisi teknolojileri yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte bir kısmı güneş enerjisini ışık ya da ısı enerjisi şeklinde direk olarak kullanırken, diğer teknolojiler güneş enerjisinden elektrik elde etmek şeklinde kullanılmaktadır. Güneş enerjisinin kullanım alanları arasında, doğrudan veya dolaylı elektrik üretimi, sıcak su elde edilmesi, alan ısıtma ve soğutma, sanayi kuruluşları için proses ısı enerjisi ve sera ısıtması sayılabilir. 01 Ocak 2021 itibariyle Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığına yapılan çatı başvurularına ait bilgiler aşağıda yer almaktadır.

Güneş teknolojileri yöntem, malzeme ve teknolojik düzey açısından çok çeşitlilik göstermekle birlikte temelde iki ana gruba ayrılmaktadır.

1.     ISIL GÜNEŞ ENERJİSİ TEKNOLOJİLERİ

         Isıl Güneş Enerjisi Teknolojileri elde edilen sıcaklık değerlerine göre düşük sıcaklık uygulamaları ve yoğunlaştırıcılı ısıl sistemler olarak ikiye ayrılmaktadır.

1.1.    Düşük Sıcaklık Uygulamaları 

Düzlemsel ve vakumlu güneş kolektörleri, güneş havuzları, güneş bacaları, su arıtma sistemleri, güneş mimarisi, ürün kurutma ve sera ısıtma sistemleri ve güneş enerjisi ile pişirme gibi uygulamalar güneş enerjisinden düşük sıcaklık elde edilmesine yönelik uygulamalardır. Bu uygulama türleri içinde düzlemsel güneş kolektörleri güneş enerjisinden en basit ve en yaygın yararlanma yöntemidir. Düzlemsel güneş kolektörleri, yüzeyine gelen güneş enerjisinin su, hava veya herhangi bir akışkana iletilmesi prensibine göre çalışmaktadır. Bu sistemler en çok evlerde su ısıtma amacıyla kullanılmaktadır. Ulaştıkları sıcaklık 70°C civarındadır. Düzlemsel güneş kolektörleri, genel olarak; saydam örtü (düz cam veya vakumlu boru), güneş ışınımını toplayan yutucu yüzey, yüzeye entegre edilmiş taşıyıcı borular, yalıtım malzemesi ve kasadan ibarettir. Düzlemsel güneş kolektörleri, yörenin enlemine bağlı olarak güneşi maksimum alacak şekilde, sabit bir açıyla yerleştirilirler. Düzlemsel güneş kolektörlü sistemler doğal dolaşımlı ve zorlanmış (dolaşım pompalı) olmak üzere ikiye ayrılır. Bu sistemler evlerin yanı sıra, yüzme havuzları ve sanayi tesisleri için de sıcak su sağlanmasında kullanılmaktadır. Ülkemizde kurulu olan ısıl güneş enerjisine ait bilgiler aşağıdaki tabloda yer almaktadır.

1.2.    Yoğunlaştırıcılı Isıl Sistemler 

Yoğunlaştırıcılı ısıl güneş enerjisi teknolojileri özellikle elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanılmaktadır. Bu teknolojilere dayalı üretim tesislerinin kurulu kapasiteleri 10 MW ve üzerinde olmaktadır. Yoğunlaştırıcılı ısıl güneş enerjisi teknolojilerinde güneş yoğunlaştırıcısı olarak; parabolik aynalar, çanaklar veya heliostatlar kullanılmakta ve elektrik enerjisi üretimi aşağıda sıralanan yöntemlerle gerçekleştirilmektedir;

1. Bir kollektör sistemi kullanarak güneşten gelen radyasyonunun toplanması
2. Bir alıcı üzerine güneş radyasyonunun yoğunlaştırılması
3. Alıcı yardımıyla güneş radyasyonunun ısıl enerjiye çevrilmesi
4. Isıl enerjinin bir güç dönüşüm sistemine transfer
5. Isıl enerjinin bir buhar türbini-jeneratör sistemi ile elektrik enerjisine dönüştürülmesi.

Yoğunlaştırıcılı ısıl sistemler kullanan elektrik enerjisi üretim teknolojileri; parabolik oluklu kolektörler, parabolik çanak sistemleri ve merkezi alıcılı sistemler olmak üzere temelde üç kısımda uygulanmaktadır.

1.2.1. Parabolik Oluklu Kolektörler

Parabolik oluklu kolektörler, yoğunlaştırıcılı ısıl sistemlerin en yaygın olanıdır. Bu tür sistemlerdeki kolektörler, kesiti parabolik olan yoğunlaştırıcı dizilerden oluşurlar. Kolektörün iç kısmındaki yansıtıcı yüzeyler, direk güneş radyasyonunu, kolektörün odağında yer alan ve boydan boya doğrusal bir şekilde uzanan siyah bir absorban boruya odaklarlar. Kolektörler genellikle, güneşin doğudan batıya hareketini izleyen tek eksenli bir izleme sistemi üzerine yerleştirilirler. Enerjiyi toplamak için absorban boruda bir sıvı dolaştırılır. Toplanan ısı, elektrik üretimi için buhar çevrim santraline gönderilirler. Bu sistemler, güneş enerjisini odakta yer alan doğrusal absorban boruya yoğunlaştırdığı için çok daha yüksek sıcaklık değerlerine ulaşabilirler (350–400°C). 

1.2.2.   Parabolik Çanak Sistemler

  Parabolik çanak sistemler; iki eksende güneşi takip ederek, sürekli olarak direk güneş radyasyonunu çanak biçimli bir yüzeyin noktasal odağına yoğunlaştırırlar. Isıl enerji, odaklama bölgesinden uygun bir akışkan ile alınarak, termodinamik bir dolaşıma gönderilebilir ya da odak bölgesine monte edilen bir Stirling makine yardımı ile elektrik enerjisine çevrilirler.  

1.2.3. Merkezi Alıcılı (Kule) Sistemler 

Tek tek odaklama yapan ve geniş bir alana yayılmış heliostat adı verilen yansıtıcı aynalardan oluşan bu tür sistemlerde direk güneş radyasyonunu, bir kule üzerine monte edilmiş ısı eşanjörüne (alıcı) odaklanır ve burada yoğunlaştırılır. Alıcıda bulunan ve içinden su/buhar, eriyik nitrat tuzu, sıvı metaller veya hava gibi akışkan madde geçen boru yumağı, güneş enerjisini üç boyutta hacimsel olarak absorbe eder. Bu akışkan madde, Rankine makineye pompalanarak elektrik enerjisi üretilir. Heliostatlar bilgisayar tarafından sürekli kontrol edilerek, alıcının sürekli güneşi alması sağlanır. 

2.       FOTOVOLTAİK GÜNEŞ TEKNOLOJİLERİ

Fotovoltaik güneş teknolojilerinin en temel aksamı olan güneş modülleri; güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çevirmektedir. 

1839 yılında ilk defa Fransız bilim adamı Edmond Becquerel tarafından ortaya konan fotovoltaik olay, iletken bir sıvıdaki elektrotun ışık yayması ile keşfedilmiş ve bu yüzyılın kalan yıllarında büyük bir merak uyandırmıştır. Nitekim 1877 yılında W. G. Adams ve R.E. Day tarafından katılaştırılmış selenyumda fotovoltaik etki gözlemlenmiştir. Bu gelişmeyi 1883 yılından C. Fritts tarafından geliştirilen ve %1’in altın bir verimliliğe sahip ince bir altın tabakası üzerinde yer alan selenyum güneş hücresi takip etmiştir. Bu gelişmelerin akabinde ise W. Hallwachs bakır ve bakır oksit kullanarak yarıiletken eklemli bir güneş hücresi tasarlamıştır. 1904 yılında A. Einstein tarafından kuantum açısından ele alınan fotoelektrik olay makalesi ile bu etki daha iyi anlaşılmaya başlanmıştır. 1954 yılında Bell laboratuvarları tarafından üretilen ilk Si p-n eklemli güneş hücresi ile başlayan güneşten elektrik üretimi günümüze kadar ulaşarak büyük gelişmelere ve yapılan birçok çalışmaya konu olmuştur.

Fotovoltaik güneş teknolojilerindeki temel ilke fotovoltaik dönüşümdür. Bu dönüşüm iki aşamada oluşmaktadır. Birinci aşamada, pozitif- negatif akım taşıyıcıları olan yük çiftlerinin oluşturulması, ikinci aşamada da çiftlerin bir elektrik alanı ile birbirinden ayrılmasıdır. PN eklemi oluşturulurken içerisinde fazla elektron bulunan n-tipi yarı iletken madde ile fazla pozitif yük bulunan p-tipi yarı iletken madde yan yana getirilir. Bu eklemde yapısal olarak oluşturulmuş bir elektriksel alan mevcuttur. Tüm enerji dönüşüm olayları bu bölgede olmaktadır. Bu ekleme gelen güneş fotonları, enerjisini bu eklemdeki elektronlara verir ve bu enerji ile oluşan negatif–pozitif yükler, var olan elektriksel alan ile birbirlerinden ayrılır. Böylece devrede doğru akım üretilmiş olur. Üretilen bu doğru akım istenildiğinde bir akü grubunda depolanabilmekte veya DC/AC invertörler üzerinden şebekeye verilebilmektedir. 

Fotovoltaik güneş teknolojilerinde en çok kullanılan malzeme silisyum elementidir. Yarıiletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş hücresi üretmek için en elverişli olanlar, silisyum, kadmiyum sülfür, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir. Güneş hücresi teknolojisi, kullanılan maddeler ve yapım türleri bakımından son derece zengindir. 

Güneş hücreleri, kristaller ve amorflar olmak üzere ikiye ayrılır. En yaygın  olan silisyum güneş hücreleri; tek (mono) kristalli, çok (poli) kristalli,  ince film ve şerit şeklinde olan değişik teknolojilerdeki  yapılarda üretilirler. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş hücresinin alanı genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2–0,4 mm arasındadır. 

Güneş hücrelerinin bir araya getirilmesi ile güneş modülleri oluşturulmaktadır. Günümüzde elektrik enerjisi üretimi amaçlı kullanılan güneş modüllerin yüzey alanları 2 m² ve güçleri ise 400 W_p değerine ulaşmış durumdadır. Güneş modüllerinin bir araya getirilmesi ile birlikte yüksek güçlerde güneş panelleri ve güneş elektrik santralleri (GES) tesis edilebilmektedir. Günümüz teknolojileri kullanılarak 15-20 dönüm büyüklüğündeki bir alana 1 MWe kapasitesinde GES kurulabilmektedir. Özellikle, binaların çatı ve cephelerine kurulan GES’ler ile ihtiyaç duyulan elektrik enerjisi tüketim noktalarında üretilebilmektedir.

Kaynak : https://enerji.gov.tr/eigm-yenilenebilir-enerji-kaynaklar-gunes