Detaylı Ara
Ana Sayfa Hakkımızda Reklam Yazı Koşullarımız İletişim Abonelik-Alışveriş
English
Haberler
Etkinlik ve Fuarlar
Sektörel Fihrist
İnsan Kaynakları
Arşiv
Bu Sayıda
Temmuz-Ağustos 2014

Kullanıcı Adı
Şifre
Şifremi unuttum

E-bültenimizi almak ve avantajlardan yararlanabilmek için sitemize üye olun
Bookmark and Share
Yeni Enerji
Kasım - Aralık 2008
Sayı - 7
Makale
İstanbul'da Konutlar için Rüzgar-Güneş Hibrit Sistemlerinden Elektrik Üretimi
Mustafa Kemal KAYMAK
Ahmet Duran ŞAHİN
İstanbul Teknik Üniversitesi Uçak-Uzay Bilimleri Fakültesi Meteoroloji Mühendisliği Bölümü

1. Giriş

Kâinatta her sistem hayatını devam ettirebilmek için enerjiye ihtiyaç duyar. İnsanoğlu yeryüzünde hayatını devam ettirebilmek için bir takım ihtiyaçları vardır ve bunları karşılayabilmek için de bazı düzenek ve sistemler üretmiştir. Bu sistem ve düzenekleri çalıştırabilmek için ilk başta kendi gücünü kullanmış daha sonra artan ihtiyaçlarını karşılamada ise daha fazla enerjiye gereksinim duymuştur. Bu enerjiyi önceleri hayvanlardan elde etmiş, ancak gelişen teknolojiyle beraber fazla enerjiye ihtiyaç duymuş, böylece fosil kaynaklı enerjiyi kullanmaya başlamıştır. Her geçen gün artan bu kullanım sonucunda açığa çıkan kirletici gazlar dünya atmosferinin dengesini bozmuş, küresel ısınmaya sebebiyet vermiştir. Enerji krizi bilindiği gibi 1973 yılında meydana gelen petrol kriziyle açığa çıkmıştır. Bu tarihten sonra küçük çapta devam eden çeşitli alternatif enerji kaynakları araştırmalarının sayısı hızla artmıştır. Bu çalışmalarla beraber yenilenebilir enerji kaynaklarının çözüm açısından önemi ortaya çıkmış ve bu yöndeki faaliyetlerde süratle ilerleme kaydedilmiştir. Böylece enerji, yenilenebilir enerji ve fosil kaynaklı enerji olarak ikiye ayrılmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları kısa süreler içinde, mesela 24 saat ya da 1 hafta ya da 1 yıl gibi tabiat tarafından sürekli olarak yeri doldurulan kaynaklar olarak tanımlanmaktadırlar. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en büyük sorunu bilindiği gibi süreksizlik problemidir. Bu süreksizlik problemi enerjilerin birlikte kullanımını, yani hibrit sistemleri gündeme taşımıştır.

Türkiye'de rüzgâr ve güneş enerjileriyle ilgili birçok çalışma yapılmıştır. Fakat bu çalışmalar genelde modelleme yöntemleri kullanılarak verilerin temsiline yönelik olmuştur. Ayrıca bazı çalışmalarda sadece yenilenebilir enerji kaynaklarının bir tanesi ele alınmıştır. Fotovoltaik pil çalışmaları ABD'de laboratuvarlarda ve bazı kişilerce yapılmıştır. PV modül uygulamaları (Suri ve ark., 2007) tarafından ayrıntılı bir şekilde verilmiştir. Fotovoltaik pillerin verimlilikleri Şahin ve ark. (2006) tarafından ekserji temeline dayalı şekilde araştırılmıştır. Rüzgâr enerjisi ile ilgili çalışmalara bakıldığında son yıllarda inşa edilen rüzgâr tarlalarının yanında birçok modelleme çalışması da gerçekleştirilmiştir (Şahin, 1994, 2004). Ayrıca bu konuda birçok dergi ve birlik bulunmaktadır (Wind Power Monthly, 2007, AWEA, 2007). Ülkemizde ise Kaymak (2008) İstanbul'da rüzgâr-güneş hibrit sistemlerinin uygulanabilirliğini ele almıştır.

Bu çalışmada öncelikle İstanbul şartlarında fotovoltaik pillerden elektrik üretimi ele alınmıştır. Bunun ardından rüzgâr türbinleri ve İstanbul şartlarında uygulanabilirlikleri tartışılacaktır. En önemli hedef olan rüzgâr-güneş hibrit sistemlerinin kullanımı ve elektrik üretimleri tartışmaya açılacaktır.

 

2. Sistemlerin Tanıtılması

2.1 Fotovoltaik (Güneş Pilleri)

Güneş pilleri bilgisayarların işlemcilerinde kullanılan malzemeye benzeyen yarı iletkenlerden üretilirler. Güneş pilleri, güneş ışınlarını arada başka bir süreç olmadan, yani barajlarda veya rüzgâr türbinlerinde olduğu gibi bir jeneratör vasıtasıyla elektrik üreten sistemler olmayıp doğrudan elektrik üreten sistemlerdir. Bu işlem kısaca, fotonların güneş pilindeki malzemeye vurup malzemeye zayıf bir şekilde bağlı olan elektronları yörüngesinden kopartıp elektrik akımı meydana getirmesidir (NREL, 2007). Meteorolojik parametreler, coğrafya ve topografya gibi faktörler herhangi bir bölgede birim alana gelen güneş enerjisinin tutarını ve spektrumunu etkileyen değişkenlerdir. Bundan dolayı güneş pillerinin verimliliği güneş enerjisinden üretilen elektriğin miktarını belirler. Güneş spektrumunun mavi bölgesinde enerjisi yüksek fotonlar, kırmızı bölgesinde ise düşlük enerjili fotonlar mevcuttur. Band aralığı 1.4eV ve 1.6eV arasındaki yarı-iletkenler, fotovoltaik çevrimde en uygun malzemeler olarak bilinmektedir.

 

2.2 PV'lerde Gücün Hesaplanması

Bir ışık demeti aynı zamanda bir foton demetidir. Bir elektronla karşılaşan bir foton, ona enerjisini verir. Bir foton, bir değer elektronu ile karşılaşır ve ona yasak band genişliği Eg'ye eşit veya ondan daha büyük bir enerji verirse, değer bandından koparılan elektron arkasında bir boşluk bırakarak iletkenlik bandına geçer. Bu elektron iletkenlik bandından ayırılmaz ise akım oluşmaz. Güneş pillerinde, bu ayırma işini yapacak kuvvet elektrik alanıdır. PV'lerde üretilen elektrik gücünün hesaplanması için gerekli eşitlik

 

V= (Pçıkış x Imp) / (Vgiriş x Isc)= (Voc x Isc x FF)    (1)         

olup burada; Voc, açık-devre gerilimi; Isc, kısa devre akımıdır. İdeal koşullarda bu değer, ışınımla oluşturulan akım değerine eşittir. FF, dolum çarpanıdır (fill factor). Işınım altındaki akım-gerilim eğrisinde, akımların eksi, gerilimlerin pozitif olduğu bölgede hesaplanan en büyük Vmp x Imp değerinin Voc x Isc'ye oranı olarak tanımlanır. Bir güneş pilinin verimliliği, V, fotovoltaik gözenin üzerine düşen güneş ışınım gücünün, gözeden alınabilecek güce oranı olarak tanımlanır.

Bilindiği gibi PV'lerin temel üretim malzemesi silikondur ve bu madde dünyada en çok bulunan ikinci maddedir.

Gerek maddenin bolluğundan, gerekse enerji ihtiyacından dolayı dünyada fotovoltaik pil sistemlerine büyük bir yönelme olmuştur. Özellikle son üç yılda üretimler katlanarak piyasaya sunulmaktadır.

Avrupa Komisyonu'nun enerjiden sorumlu bölümünün teşvikiyle 2001 ile 2005 yılları arasında Fotovoltaik Coğrafi Bilgi Sistemi  (PVGIS) içine entegre edilmiş ışınım modelleri ve iklim dataları ile 1kmx1km çözünürlüğünde Avrupa güneş ışınımı veritabanı geliştirilmiştir. Bu veritabanı Avrupa Birliği'ne bağlı 25 ülke ile 5 aday ülkenin PV potansiyeli ile güneş enerjisi kaynaklarını belirlemek için kullanılmaktadır.

Bu proje neticesinde elde edilen sonuçlar şu şekilde sıralanabilir;

Yapılan çalışmalar yerleşim alanlarına odaklanınca 5 farklı bölgeye ayrılmıştır.

*        En Yüksek potansiyeller Türkiye dahil Akdeniz Bölgesi'nde bulunmuş. Bu bölgelerde kurulu her kWp için tipik kristal silikon PV sistem ile 1100 ile 1330 kWh elektrik üretilebilir.

*        Yüksek potansiyeller yine Türkiye dâhil olmak üzere İspanya'nın kuzeyi ve Karadeniz Bölgesi'nde bulunmuştur. Bu bölgelerin potansiyeli yıllık 1000-1100 kWh/kWp olarak hesaplanmıştır.

*        Orta dereceli potansiyeller ise yıllık yaklaşık olarak  800-1000 kWh/kWp olarak Fransa, Macaristan, Slovenya ve Avusturya'da görülmüştür.

*        Düşük potansiyeller ise Kuzeybatı Avrupa, İrlanda, İngiltere ve Danimarka gibi ülkelerde yaklaşık olarak 700 - 800 kWh/kWp kadar belirlenmiştir.

*        Potansiyel olarak en fakir bölgeler ise İskoçya, Kuzey İsveç ve Finlandiya'dır. Bu da 700 kWh/kWp'nın altında bir değerdir.

Optimum açıyla yerleştirilmiş PV modüllerinde, uygun açıyı bölgenin coğrafi enlemi ve dağlık arazinin gölgeleme etkisi belirlemektedir. Uygun açı (45° ile 55° enleminde yer alan) Avrupa'da 28°'den 47°'ye kadar değişmektedir. Enerji üretimi yüksek oranda bulutsuzluğa ve arazinin gölgeleme etkisine bağlı kalmaktadır. Eğimli sistemler İskoçya, Kuzey İskandinavya gibi ülkelerde elektrik üretimini şehir alanlarında yüzde 9'dan yüzde 26'a kadar etkiliyor. Ancak Türkiye ve Yunanistan gibi ülkelerde bu oran yüzde 12'yi geçmemektedir (Suri ve ark., 2007).

 

2.3 Rüzgâr Enerjisi

Yeryüzünün düzgün olmayan ısınması ve soğuması neticesinde meydana gelen kuvvetlerin tesiriyle oluşan yatay hava hareketine rüzgâr denir. Rüzgâr enerjisi, güneş enerjisinin bir biçimidir. Güneşten gelen enerjinin yaklaşık yüzde 2'si rüzgârın kinetik enerjisine dönüşür (Şahin,1994). Dünyada rüzgâr enerjisine büyük bir yönelme olmuştur. Bunun sonucu Türkiye'ye de yansımıştır.

Bilindiği gibi rüzgâr türbinlerinden elde edilen enerjinin genel formülasyonu                  

Emax =  0.5 x Cp x r x Ar x V13 (2)      

denklemi ile verilmektedir. Maksimum güç eşitliği için Cp, maksimum güç katsayısı yani maksimum kapasite faktörünün bulunması gerekir. Buradan teorik olarak en yüksek oran 16/27, yani 0.59'dur. Bu yüzden bir rüzgâr türbinin üretebileceği enerjinin, gelen rüzgara oranı yüzde 59'dur. Dünyadaki birçok saha uygulamasında türbinlerin kapasite faktörleri yüzde 25 civarındadır. Ülkemizde ise rüzgâr şiddetinin yüksek olmasından dolayı ortalama bu oran yüzde 30'a yaklaşmaktadır.

Amerika kendi kaynaklarına 2500 MW, Almanya 2200 MW, Hindistan 1800 MW, İspanya 1600 MW ve Çin 1300 MW eklemiştir. (Windpower Monthly, 2007, AWEA, 2007).

Türkiye'deki 2007 yılının ilk günlerinde Elektrik İşleri Etüd İdaresi tarafından hazırlanan Rüzgâr Enerjisi Potansiyel Atlası (REPA) açıklanmıştır. REPA'ya göre saniyede 7,5 metrenin üzerinde rüzgâr hızına sahip bölgelerde santral kurulursa, Türkiye genelinde toplam 48,000 MW gücünde potansiyel bulunmaktadır. Bu oldukça ihtiyatlı bir rakamdır. Öyleyse enerji üretmek için rüzgârın saniyede 6,5 metre hızla esmesi bile yeterli görülmektedir. Buna ek olarak 1 Kasım 2007 tarihinde Enerji Piyasası Denetleme Kurulu'na (EPDK) 78,000 MW'lık güç başvurusu yapılmıştır (EPDK, 2007).

 

3. Hibrit Sistemler ve Uygulama

Hibrit sistemlerin temel düşüncesi, sürekliliği olmayan enerji kaynaklarının birlikte kullanımından doğmaktadır. Bilindiği gibi, yenilenebilir enerji kaynaklarında en büyük sorun sürekliliğin olmamasıdır. Bundan dolayı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımında sürekliliğin sağlanabilmesi için hibrit sistemler en başta gelen çözüm olarak görülmektedir. Bu çalışmada İstanbul Kumköy'de standart bir evin ihtiyacının karşılanabilmesi için rüzgar-güneş hibrit sistemi araştırması yapılmıştır.

Kumköy Meteoroloji İstasyonu, İstanbul'un Karadeniz kıyısında bulunmakta olup, enlemi 41,25° K ve boylamı 41,25°D'dır. Bu istasyonun en önemli özelliği Karadeniz rüzgârlarına açık olmasıdır. Sistemlerin elektrik üretimleri için düşünülen bölgenin 1996-2001 yılları arasındaki saatlik rüzgar şiddeti, yönü, güneş ışınımı miktarı ve güneşlenme süreleri günlük ortalama değerlere çevrilerek ele alınmıştır. Bu bölgenin yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği rüzgârların kara ve deniz meltemleri şeklinde kararlılığıdır.

Yapılan hesaplarda kullanılmak üzere İstanbul şartlarında bir evin günlük ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisi tüketimi toplamının 8-10 KWh olduğu BEDAŞ yetkililerinden öğrenilmiştir. Uygulamada piyasadan kolayca temin edilebilmesi bakımından fotovoltaik sistem için Kyocera KC170GHT-2 güneş paneli, rüzgâr türbini olarak Unitron Enerji'nin UE6, UE15, UE33 ve UE42 modelleri tercih edilmiştir.

Hibrit sistemlerde yapılan hesaplamalar 1996-2001 yılları arasındaki veriyi kapsamaktadır. Hibrit sistemler daha önce bahsettiğimiz farklı güçlerdeki rüzgâr türbinleri ve değişik alanları kaplayan PV panellerinden meydana gelmiştir. Bu hibrit sistemler oluşturulurken teoriden ziyade pratikte uygulanabilirlik göz önüne alınmıştır. Mesela 30 m2 seçilirken çatının güneye bakan kısmı, anten, baca vs. gibi yer işgal eden parçalardan artan kısım olarak kabul edilmiştir. Bu şekilde hibrit sistem kullanmak isteyen kişilere bir takım çözümler sunulmuştur. Günlük bir evin tüketimini 8-10 kWh kabul ettiğimizde, Kumköy meteoroloji istasyonu ve civarında 1.5 kW'lık rüzgâr türbini ve 3 m2'lik PV hibrit sisteminin dışındaki tüm hibrit sistemler akü yardımı olmadan bu ihtiyacı karşılamada başarılı olabilirler. 

 

4. Sonuçlar ve Öneriler

Ülkemizde ve dünyanın diğer bölgelerinde ülkelerde sürekli artan bir elektrik tüketimi görülmektedir. Fosil kaynaklardan elektrik tüketimi aynı zamanda küresel iklim değişiminin temelini oluşturmaktadır. İstanbul'da artan bu elektrik tüketiminden dolayı elektrik kesintileri ile karşılaşılmaktadır. Büyük şehirlerde yaşayan insanların geleneksel elektrik üreten sistemlere bağımlılığı azaltılmalıdır. Enerji tüketiminde planlama büyük bir öneme sahip konu olarak karşımıza çıkmaktadır. Bu planlama çerçevesinde hibrit sistem kaynaklarının potansiyel açısından yüksek olduğu zamanlarda evsel temel tüketimlerin yapılması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Bu durumda şebekeye bağımlılık en düşük seviyede kalacaktır. Yapılan hesaplamalar sonucunda İstanbul için 1.5 kW rüzgar türbini ve 3 m2'lik PV'den yüksek güçlerdeki sistemlerin bir evin ihtiyacını karşıladığı görülmüştür.

 

Kaynaklar

1.         American Wind Energy Association, Wind Power Outlook 2007, www.awea.org

2.         Bozkurt, A., 1983, Ankara Nükleer Araştırma ve Eğitim Merkezi, Güneş Pilleri, Elektrik   Mühendisliği Dergisi, Sayı 299, S 100-104.

3.         Kaltschmitt, M., Streicher, kWh., Andreas, kWh., 2007, Renewable Energy Technology, Economics and Environment, Springer, Berlin.

4.         Oktik, fi.,2001, Günefl-Elektrik Dönüflümleri; Fotovoltaik Günefl Gezeleri ve Güç Sistemleri, Temiz Enerji Yayınları Vakfı Yayınları.

5.         Suri, M., Huld, A. T., Dunlop, D. E., Ossenbrink, A. H., 2007, Potential of Solar   Elecricity Generation in the European Union Member States and Candidate Countries, Solar Energy.

6.         Şahin, A., D., 2001, Türkiye Rüzgârlarının Alan-Zaman Modellemesi, Doktora Tezi, İTÜ

7.         Şahin, A.,D., 1994, Rüzgâr Enerjisi Hesaplamalarında Gelişirilmiş Bir Yöntem, Bitirme Ödevi, İTÜ.

8.         Şahin, A.,D., Dinçer, Rosen, M, A., 2006,  Thermodynamic Analysis of Solar Photovoltaic Cell System, Solar Energy Materials and Solar Cells.

9.         Şahin, A.,D., 2004,  Progress and Recent Trends in Wind Energy, Progress in Energy and Combustion Science

10.      Kaymak, M., K., 2008, Rüzgâr-Günefl Hibrit Sistemlerinde Elektrik Üretimi, Bitirme Ödevi, İTÜ.

11.      http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/imaps/index.htm

12.      http://windpower-monthly.com/wpm:CURRENTFOCUS:808233 Wind Power

13.      http://www.ewea.org

14.      http://www.nrel.gov

15.      http://www.epdk.gov.tr

 


Get it on Google Play











© DOĞA SEKTÖREL
YAYIN GRUBU