Güneş Enerjisinde Kullanılan Yeni Teknolojiler Farklı Yöntemler
Genelmekanik, ansiklopedi
Güneş‘ ten Dünya’ ya bir saate ulaşan enerji Dünya’ nın bir yıllık enerjisini karşılayacak güçte. Aynı zamanda güneş enerjisi karbondioksit salımına sebep olmayan ideal bir enerji çözümü. Ancak Güneş’ ten gelen bu cömert kaynak kullanılabilir elektrik enerjisine nasıl dönüştürülebilir.
Yeni Güneş Paneli Tasarımı
Kaliforniya Teknoloji Enstitüsü’ nden Malzeme Bilimi ve Uygulamalı Fizik Profesörü Harry Atwater, güneş ışığının yönlendirilebilme özelliğini kullanarak şu an kullanılan panellerden elde edilen güneş enerjisinin iki katından daha fazla miktarda enerji elde edilebileceğini düşünüyor.
Güneş panellerinde günümüzde kullanılan malzemeler güneş ışığının sahip olduğu farklı dalga boyundaki ışınların sınırlı bir kısmını soğurabiliyor. Güneş enerjisinin büyük kısmı ise ısı olarak kaybediliyor. Atwater ve arkadaşlarının geliştirdiği tasarım, ışığı bir prizma gibi gibi farklı dalga boylarına ayırıyor.
Oluşan farklı renklerdeki ışık, o dalga boyunda ışığı soğuran yarı iletken malzemeden oluşan gözelere dağıtılıyor.
İlk örneği yapılan tasarımda yansıtıcı bir madde metal oluk tarafından toplanan güneş ışığı belli açılarla farklı yarı iletken malzemelerden yapılmış güneş gözeleri üzerine yönlendiriliyor. Malzemeye giren ışık bir dizi optik filtreye çarpıyor. Bu filtrelerin her biri, belli rengin sadece o rengi soğurabilen gözeye geçmesine izin veriyor. Kalan renkler ise kendilerinin geçebileceği diğer filtrelere yansıyor.
Güneş enerjisi teknolojilerinde yüksek verimliliğe sahip tasarımlar sayesinde şu an %20 seviyelerinde olan verimlilik değerlerinin %50′ e çıkarılabileceğini söyleyen araştırmacılar, geliştirdikleri ürünün ticari uygulamalarının gerçekleştirilebilmesi için daha pratik bir üretim şekline ihtiyaç duyulduğunu belirtiyor.
Nanotel Yapılı Fotovoltaik Güneş Gözeleri
Fotovoltaik güneş gözeleri, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımında umut verici örnek. Silisyum güneş gözleri %25′ lik enerji dönüşüm verimiyle halen en çok tercih edilen yöntem olmasına rağmen yüksek üretim maliyetleri nedeniyle alternatif malzemelere yönelik araştırmaların yapılması gerekiyor.
Nanotel dizileri kullanılarak üretilen güneş gözelerinde hem kullanılan üretilen güneş gözelerinde hem kullanılan malzeme miktarı hemde hemde üretim maliyetleri daha düşük. Ancak yarı iletken bileşiklerden üretilen nanotel yapılı fotovoltaik gözlerin verimi %3-5 ile sınırlı. Bunun nedeni nanotel yapıların ışığı soğurma kapasitelerinin düşük olması.
İsviçre Lund Üniversitesi’ n den Katı Hal Fiziği profesörü Magnus Borgström ve ekibinin geliştirdiği indiyumfosfür malzemeden üretile2 sini kaplamasına rağmen yine de %13.8. Bu, indiyumfosfür ince film güneş gözelerinin verimliliği ile karşılaştırılabilir bir değer.
Ayrıca bu malzeme Güneş’ ten gelen ışığın %71′ ini soğurabiliyor. Bu araştırma ile nanotellerin çaplarının ve güneş gözesinin p-n ekleminde elektronların serbestçe hareket ettiği n-bölümünün uzunluğunun fotovoltaik yapının verimini belirlediği anlaşıldı.
Güneş ışığı farklı enerjilere sahip fotonlarda oluşuyor. Geleneksel güneş gözelerinde, kullanılan yarı iletken malzemenin soğurabildiği enerjiye sahip fotonlar enerjiye dönüştürülüyor. Daha yüksek enerjili fotonlar enerjilerini atık ısı olarak verirken daha düşük enerjili fotonların enerjisi tamamen kaybediliyor. Güneş gözelerinin verimini sınırlandıran en önemli sebep belirli bir enerjideki fotonları soğurabilen tek eklemli gözeler. Farklı enerjideki fotonları soğuran çoklu eklemli güneş gözeleri kullanılarak bu problem çözülebilir. Çok katmanlı malzemeler kullanılarak bu tür güneş gözleri elde etmek mümkün. ABD Ulusal Yenilenebilir Enerji Labaratuvarı’ nda üç katmanlı güneş gözeleri kullanılarak %43.5 verimle şu ana kadar en yüksek değer-güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümü sağlandı.
Güneş Işığı Kullanarak Suyun Elektrolizini Gerçekleştiren Yapay Ormanlar
Yapay Fotosentez Merkezi’ nde çalışan Berkeley Labaratuvarı araştırmacılarının üzerinde çalıştığı yapay fotosentez sistemi, güneş enerjisini kimyasal enerjiye dönüştürüyor. Yapay fotosentez aslında suyun fotovoltaik elektrolizidir. Fotosentezin taklit edildiği bu sistemde yapay ormanlar ışığı soğurarak yakıt hücrelerinin yakıtı olan oksijen gazlarını üretiyor.
Bitkilerde fotosentezin gerçekleştiği kloroplast yapısına benzer şekilde, yapay fotosentez sistemi ışığı soğuran iki yarı iletkenden oluşuyor. Suyun güneş enerjisi kullanılarak ayrışmasını hızlandıran silisyum gövde titanyum dioksit dallardan oluşan nano ölçekte yapılar görsel olarak yapay bir ormana çok benziyor. Işığı soğuran yarı iletkenlerden silisyum hidrojrnin oluştuğu bir fotoanot gibi çalşıyor.
Işık bitki tarafından soğrduğunda elektronun molekülde aktarıldığı, suyun ve karbondioksiidin karbonhidrat ve oksijene dönüşmesini sağlayan zincirleme tepkimeler başlıyor. Elektronun bu tepkimelerde ki hareket şekli Z harfine benzediği için Z şeması olarak adlandırılıyor. Araştırmacılar fotosentezde ki Z şemasından esinlendi. Yapay fotosentezde elektronların hareketi yarı iletken malzemeler kullanılarak gerçekleştiriliyor.
Oluşan hidrojenin maliyetini fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında yeterince düşük olmaması nedeniyle araştırmacıların bu sistemin ticari uygulamalarını gerçekleştirebilmek için yapay fotosentezin enerji dönüşüm verimliliğini artırması gerekiyor.
Hibrit Güneş – Doğal Gaz Enerji Santrali
Doğal gazdan elektrik enerjisi elde edilme süresinde atmosfere salınan karbondioksit miktarı kömürün yanması sırasında salınan miktarın yarısı kadar. Ancak yine de doğal gaz yüksek miktarda sera gazı üretir. ABD Kuzey batı Pasifik Ulusal Labaratuvarı ( PNLL ) tarafından geliştirilen yeni bir sistem ile güneş enerjisini kullanarak doğal gazın daha düşük karbon içerikli alternatif bir yakıt olan sentez gazına dönüşümü sağlanarak %20 daha az yakıtla aynı miktarda elektrik enerjisi elde etmek mümkün.
Güneş ışınları kullanılarak elde edilen termal enerji doğal gazın, hidrojen ve karbonmonoksit karışımlı olan sentez gazına dönüşümü sağlıyor. Güneşten elde edilen termal enerji ile su buharı üretmek amacıyla ısıtılıyor ve oluşan buhar doğal gazın temel bileşeni olan metanla sentez gazı oluşturmak üzere tepkimeye giriyor. Daha düşük karbon içerikli sentez gazı yakılarak enerjiye dönüştürülüyor.
Geliştirilen bu sistemin eklendiği hibrit güneş-doğal gaz enerji santrallerinde, akşam saatleri ve bulutlu zamanlar gibi güneş enerjisinin elde edilemediği durumlarda santralin durdurulmasına gerek olmadan doğal gaz doğrudan yakılarak elektrik enerjisi elde edilebiliyor.
Geliştirilen güneş gözeleri ile karşılaştırıldığında bu yöntem kullanılarak daha verimli bir şekilde güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürmek mümkün. Faaliyet e geçen ilk örnek sistem, Güneş’ ten elde edilen ısı enerjisinin %63 oranında kimyasal enerjiye dönüşümünü sağladı. Ayrıca gelecekte bu sistem ile güneş enerjisinin pillerden daha düşük maliyetle depolanabileceği düşünülüyor.
Güneş enerjisi teknolojilerinde enerjinin daha kolay depolanabildiği termal güneş enerjisi yöntemi fotovoltaik gözeleri gölgede bırakabilir.
Termal güneş enerjisi yönteminde güneş ışığı, parabolik aynalar yardımıyla, aynaların odak çizgisine yerleştirilen güç kulesindeki alıcılar üzerine yoğunlaştırılarak elektrik elde ediliyor. Bu alıcılar arasından geçen ısı transfer sıvısını ısıtır. Isı transfer sıvısı olarak genellikle sentetik yağlar kullanılıyor. Isı transfer sıvısı termal enerjisini suya aktararak buhar oluşturuyor. Böylece termal enerji buhar türbinlerinde elektrik enerjisine dönüştürülüyor. Parabolik aynalar, elde edilen enerji verimini en yüksek seviyeye çıkarabilmek için Güneş’ in hareketini takip edecek şekilde hareket edebiliyor.
Fotovoltaik gözelerin aksine bu teknolojide enerji depolanabiliyor. Termal güneş enerjisi santrallerinde kullanılan, yüksek sıcaklıklarda sıvı halde kalabilen tuz eriyikleri ( sıvı haldeki tuz bileşikleri ) ısılarını birkaç saat koruyabiliyor. Böylece akşam saatlerinde ya da havanın bulutlu zamanlarda da güneş enerjisinden elektrik elde etmek mümkün olabiliyor.
Dünya’ nın en büyük termal güneş enerjisi santrali mart ayında Abu Dabi’ de faaliyete geçti. 100 MW’ lık santral 20.000 evin enerji ihtiyacını karşılayabilecek güçte. Aynı zamanda fosil yakıtlarla karşılaştırıldığında her yıl 175.000 ton karbondioksidin salımını önleyebilecek.
Termal güneş enerjisi santrallerinde 450 ºC altındaki sıcaklıklarda çalışabiliyor. Ancak enerji maliyetlerinin düşürülebilmesi için 600 ºC sıcaklığa ulaşılması gerekiyor.
Bu amaçla termal güneş enerjisi sistemlerinde kullanılabilen yüksek sıcaklığa dayanıklı, düşük maliyetli malzemelerin ve reaktörlerin geliştirilmesine yönelik araştırmalara ihtiyaç duyuluyor.
Burada yayınlanan içerikler web kullanıcıları için tamamen bilgi amaçlı olup bağlayıcı bir resmi belge niteliği taşımamaktadır.
Kaynaklar :
http://www.technologyreview.cmom/featuredstory/513671/ultra-efficient-solar-power/
http://www.nrel.gov/news/feature_detail.cfm/feature_id=2055
Bilim ve Teknik Sayı 548, sayfa 30 – 32
