1. Giriş - 1970li yılların başlarında yaşanan petrol krizi, insanları yenilenebilir enerji kaynaklarından özellikle güneş ve rüzgardan enerji elde etme çabasına yöneltmiştir. Bunun yanında, nüfus artışına bağlı olarak tüketilen enerjinin artması ve fosil kaynaklı enerjilerin tükenebilir olması da insanlığı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına iten diğer sebeplerdendir.
Bunların yanında rezervlerin azalması, rezervleri azalan fosil yakıtların her geçen gün biraz daha pahalanması, çevre kirlenmesi, atmosferde oluşan sera etkisi, doğal bitki örtüsünün yanı sıra insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri gibi önemli nedenlerle hızla yeni enerji kaynaklarından daha fazla faydalanılma zorunluluğu doğurmuştur.
Şekil 2.1. Güneş pilinin iç yapısı ve çalışma prensibi
Enerji kaynakları üretim, taşınım ve tüketim safhalarında doğaya zararlı atık ve gazlar bırakmaktadır. Petrol, kömür ve doğalgaz gibi fosil yakıtların yakılmasına bağlı olarak küresel, bölgesel ve yerel ölçekte kirlenme problemleri meydana gelmektedir. Bugün geçmişe nazaran daha fazla dikkate alınan çevre kirliliği, mühendislik disiplinlerinde önemli yer tutmaktadır. Dünya genelinde çevre kirliliği açısından tehdit oluşturan etkenler arasında ilk sırayı fosil kökenli yakıtlar almaktadır. Hızla gelişen sanayileşme ile birlikte aşırı derecede fosil yakıt kullanılması sonucu yakacağın türüne ve yakma sürecine bağlı olarak açığa çıkan kirleticiler, çevre problemine sebep olmaktadır. Bunlar canlı yaşamını tehdit etmekte, doğal hayata birçok olumsuz etkilerde bulunmakta ve ekolojik dengeyi bozmaktadır.
Bu yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanma çabası sürecinde güvenirlik, süreklilik, çevreye zarar vermek ve yapıların tek kaynağa bağımlı kalması kaçınılması genel olarak benimsenen politikalar olmuştur. Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim olmadıkça ve bu kaynakların kullanımı artmadıkça enerji sorunu devam edecektir.
Şekil 2.2. Güneş pilinin tabakaları
Hibrit güneş-rüzgar sistemleri, hem yük tarafından talep edilen elektrik enerjisini karşılamaları açısından hem de çevreye olan zararının az olmasından dolayı son zamanlarda diğer enerji kaynaklarına göre daha fazla ön plana çıkmıştır. Rüzgar ve güneş rejiminin birbirlerini tamamlayabildikleri yerlerde hibrit sistemler büyük önem kazanmaktadır. Bu rejimlerin birbirini tamamlayamadıkları noktalarda devreye girmesi için tasarlanan bataryalar ile de desteklendikleri takdirde hibrit sistemler özellikle hiçbir şebeke enerjisinin olmadığı yerler için çok iyi bir seçenek olmaktadır. Ancak, rüzgar ve güneş kaynaklarının hava ve iklim değişikliklerine bağlı olması, hava şartlarında önceden tahmin edilemeyen değişiklikler, güneş ışımasının veya rüzgarın zamanla değişiminin yükün talebi ile eşleşememesi gibi olumsuzlukları bulunmaktadır.
Rüzgar ve güneş kaynaklarının değişken doğalarından dolayı oluşan bu olumsuzluklar bu iki kaynağın uygun kombinasyonlarını-birinin zayıf olduğu noktada diğerinin güçlü yanını devreye alarak - tasarlayarak üstesinden gelinebilir. Batarya destekli güneş ve rüzgar hibrit güç üretim sistemleri, her bir sistemin kendi dalgalanmalarını hafifletir ve önemli ölçüde bataryalarda depolanmasına ihtiyaç duyulacak enerji depolama gereksinimini azaltır. Ancak, tekli sistemlerle karşılaştırıldığında sistemin artan karmaşıklığından dolayı bazı problemler ortaya çıkar. Bu karmaşıklık hibrit sistemin analizini daha da zorlaştırır.
2. Güneş ve Rüzgar Enerjisi
2.1. Güneş Enerjisi ve Tarihsel Gelişimi
Şekil 2.3. Güneş pili üst görünüşü
İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafından gösterilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin tarafından silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir [1].
Güneş enerjisinin elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları gerçek anlamda 1973 yılındaki petrol bunalımı yaşanan yıllardan sonra olmuştur. Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit ve çevre dostu yolu olan güneş pili sistemlerinin araştırılması ve geliştirilmesi genellikle üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak görülmüştür. Ancak son yıllarda büyük şirketlerin de devreye girmesiyle güneş pilleri konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın zamanlara kadar sıradan elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen güneş pili güç sistemleri, artık ilerleyen zamanlarda güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir.
2.1.1. Güneş Pilleri
Şekil 2.4. Asenkron rüzgar türbininin yapısı [5]
Güneş pilleri, güneş ışığını doğru akıma dönüştürerek elektrik enerjisi üretme imkanı sağlar. Üzerine düşen güneş ışıması değeri yeterli olduğu sürece elektrik üretimine devam ederler. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir ve bu yapıya güneş pilleri (fotovoltaik) modülü adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç watttan megawattlara kadar sistem oluşturulur.
Bu pillerin işletme giderleri çok düşük, güvenilirlikleri ise çok yüksektir. Şebekeden uzak küçük ve orta ölçekli yüklerin beslenmesi için ekonomik bir seçenektir. Güneş pillerinin kullanım süreleri, yapım teknolojisine bağlı olarak 10-25 yıl arasında değişmektedir. En büyük dezavantajı ise ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olmasıdır. Güneş pili yapımında genellikle silisyum (1,1 eV), galyum arsenit (GaAs 1,43 eV) ve kadmiyum tellür (CdTe) yarı iletken malzemeler kullanılır. Ancak, günümüzde güneş pili üretiminde bu yarı iletken malzemelerin yanında kullanılan bazı maddelerde şu şekildedir:
Kristal Silisyum
Şekil 3.1. Malatya ili global güneş radyasyon dağılımı
Tek kristalli ve çok kristalli olmak üzere iki çeşittir. Tek kristal silisyum malzeme, güneş pili üretiminde yüksek verim için kullanılan malzemelerden biri olmakla birlikte, üretim maliyetinin yüksek olması, bu alanda değişik seçenek olarak çok kristalli malzemenin geniş ölçekte kullanılmasına neden olmuştur. Silisyum elektriksel, optiksel ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi ve silisyum üretim teknolojisinde elde edilen büyük başarılar bu malzemenin en popüler malzeme olarak öne çıkmasını sağlamıştır. Tek kristal silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde ticari modüllerde %15, laboratuar şartlarında ise %24ün üzerinde verim elde edilmektedir. Çok kristal silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim, ticari modüllerde %14, laboratuar şartlarında ise %18 civarındadır.
Galyum Arsenit (GaAs)
Bu malzemeyle laboratuar şartlarında %25-28 (optik yoğunlaştırıcılı) arasında verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir.
İnce Film
İnce film hücreler, yarı iletken malzemelerin; paslanmaz çelik, cam ya da plastikten yapılmış geniş yüzeyler üzerine ince film tabakası seklinde kaplanması sonucunda elde edilmektedir.
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2)
Bakır ve indiyum elementlerinin bir araya gelmesi ile oluşan yarı iletken malzemelerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup; yasak enerji aralıkları güneşin spektrumu ile ideal bir şekilde uyuşacak biçimdedir. Bu çok kristal pilde laboratuar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir.
Kadmiyum Tellürid (CdTe)
Kadmiyum elementi ile tellür elementinin bir araya gelmesiyle oluşan bu piller, yüksek soğurma katsayısı yanında, ince film büyütme teknolojisinin birçoğu ile kolayca üretime olanak tanıması, geniş yüzey alanlı güneş pili üretiminde CdTe birleşik yarı iletkeninin öne çıkmasını sağlamıştır. Laboratuar tipi küçük güneş pillerinde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler
Bu hücreler, gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimini %17nin, pil verimi ise %30un üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılmaktadır.
Amorf Silisyum
Şekil 3.2. Malatya ili güneşlenme süresi ve global radyasyon değerleri
Amorf silikon olarak bilinen güneş pilleri, silikonların çok ince tabakalarından oluşmaktadır. Bu silikon atomları, kristal formlara göre daha düzensiz şekilde yerleşmiştir. Amorf silisyum için kullanılan en yaygın teknoloji ışık boşalım (glow-discharge) dir. Bu pillerden elde edilen verim %10 civarındadır. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu pillerin üretim işlemleri, kristal silikonlar için gerekenden daha düşük sıcaklıklardadır. Bir güneş pilinin iç yapısı ve çalışma prensibi Şekil 2.1de görüldüğü gibidir.
Son yıllarda ticari kullanımda özellikle tercih edilen Si güneş pillerinin verimleri ile aynı ancak üretim teknolojilerinin daha kolay ve daha ucuz olabilmesi için çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalardan bazıları; güneş spektrumunun çeşitli dalga boylarına uyum sağlayacak şekilde üretilebilen enerji bant aralığına sahip kuantum güneş pilleri, polimer yapılı plastik piller, fotoelektrokimyasal çok kristalli titanyum dioksit pillerdir.
Güneş pillerinin güneşe bakan tarafından arka tarafına birçok tabaka bulunmaktadır:
Koruma tabakası: İnce film modüllerde bu tabaka şeffaf plastiktir. Ancak, genellikle cam kullanılır.
Ön katman: Güneş pilinin ön kısmında yer alan elektrik bağlantısıdır. Şeffaf olmak zorundadır. Aksi halde güneş ışığı hücreye geçemeyecektir.
Absorbe edici materyal: Bu katman modülün kalbidir. Burada ışık emilir ve elektrik akımına dönüştürülür. Kullanılan bütün materyaller yarı iletkendir. Genellikle tek parçadır. Yinede performansı düzeltmek için farklı materyallerden çok sayıda katmandan oluşabilir.
****l arka katman: Elektrik devresini tamamlamak için arka tarafta bulunan bir iletkendir.
Laminat film: Güneş pili modülünü sıcaktan ve sudan koruyan katmandır.
Arka cam: Bu tabaka modülün arka kısmının korunmasını sağlar. Cam, plastik veya alüminyum olabilir.
Konektörler: Modülün kablolar ile bağlanabilmesi için modülde konektörler ve kablolar bulunmaktadır.
Güneş pili sistemlerinin bazı avantajları aşağıdaki gibidir:
Güneş enerjisi bol miktarda bulunan enerji kaynağı olmasından dolayı, sistem kurulumundan sonra herhangi bir hammadde maliyetine gerek duyulmamaktadır.
Güneş pili sistemleri, sessiz çalışmaktadırlar. Bu sebeple gürültü kirliliği oluşmamaktadır.
Güneş pili sistemlerinin kullanımından kaynaklı çevreye zarar verecek gaz ya da atık oluşmaz.
Güneş pili sistemlerini oluşturan parçalar sabittir. Bu nedenle diğer sistemlerdeki gibi hareketten kaynaklanan arızalar oluşturmaz.
Güneş pili sistemleri modüler bir yapıya sahiptir. Bu sebeple artan veya azalan enerji ihtiyacına göre değiştirilebilir.
Telekom R/L istasyonları gibi şebekeye ulaşılması zor olan kırsal alanlarda veya şebeke bağlantılı sistemlerde rahatlıkla kullanılabilmektedir.
Örnek bir güneş pilinin üst görünüşü Şekil 2.3.teki gibidir. Yukarıda bahsedilen avantajlı özelliklerinin yanı sıra bazı konulara dikkat edilmesi gerekmektedir. Bunlar:
Güneş pillerinin verimlilikleri çok düşüktür. Bu sebeple birim yüzeyden elde edilen enerji çok az olmaktadır. Yüksek seviyede enerji elde edebilmek için çok geniş yüzey alanlarına ihtiyaç duyulmaktadır.
Güneş pillerinin ürettiği enerjinin doğru akım olması sebebi ile alternatif akım ile çalışan cihazlar için güneş pili çıkışında çeviriciye ihtiyaç duyulmaktadır.
Güneş pillerinin üretiminde kullanılan bazı maddeler zehirli atık içermektedir.
2.2 Rüzgar Enerjisi ve Tarihsel Gelişimi
Şekil 3.3. Malatya ili 50 metre rüzgar hız dağılımı
Rüzgar enerjisi, kaynağını güneşten alır. Güneş dünyanın bir tarafındaki havayı, toprağı ve suyu ısıtırken dünyanın diğer tarafı soğur. Bu ısınma ve soğuma değişimleri gün boyunca dünyanın çevresinde devam eder. Ekvatorda ısınan hava yükselerek kutuplara doğru gider, soğuyan hava ise ağırlaşarak geri döner. Hava 300 kuzey enleminde yığılma eğilimindedir. Bunun sonucu olarak bu bölgede basınç yüksek ve iklim ılımandır. Bazı hava kütleleri bu yüksek basınç bölgesinin dışında güney doğuya doğru eser ve dünyanın dönmesinin oluşturduğu etki ile batıya sapar. Bu rüzgarlar Alize Rüzgarları olarak adlandırılır [2].
İnsanoğlunun, rüzgarın gücünü keşfedip onun gücünden yararlanmaya başlaması çok eski dönemlere dayanır. Rüzgar gücünden ilk yararlanma şekli olarak yelkenli gemilerin hareket ettirilmesi ve yel değirmenlerinin çalıştırılması gösterilebilir. İlk kez M.Ö. 2800 yıllarında Mısırlıların kürek mahkumlarının gücüne ek olarak rüzgar enerjisini kullandıkları bilinmektedir. Mısırlılar, metrelerce uzunluktaki yelkenleri şişirip tonlarca ağırlıktaki gemileri yüzdürmek için rüzgarın gücünden yaralanmışlardır. Hollandadan Amerikaya birçok farklı coğrafyada rüzgar enerjisi yel değirmenleri vasıtasıyla üretilmekte ve su kuyularında su çekmekte kullanılmıştır. Günümüzde ise modern rüzgar türbinleri ile rüzgar enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülerek insanoğlunun kullanımına sunulmaktadır. Rüzgar enerjisinin bazı özelliklerini şu şekilde sıralanabilir:
Rüzgar enerjisinden elde edilen güç Betz Teoremine göre rüzgar hızının küpü ile orantılı olarak değişim gösterir.
Rüzgar enerjisi yoğunluğu bölgesellik arz eder.
Rüzgar enerjisinden faydalanmak için başka bir enerji türüne dönüştürülmesi gerekir.
Enerjinin hammaddesi rüzgardır ve rüzgar atmosferde bol ve serbest olarak bulunur. Güneş ve Dünya var olduğu sürece rüzgar enerjisinden yenilenebilir enerji kaynağı olarak faydalanmak mümkündür.
Rüzgar enerjisi tür olarak, endüstriyel devrimde yararlı bir enerji kaynağı olarak benimsenmemiştir. Ancak, 19731974 yıllarında ortaya çıkan petrol krizi, uzak bölgelerin beslenmesi amacıyla elektrik üretimi ve suyun pompalanması için bu teknolojiye gösterilen ilgiyi yeniden canlandırmıştır. 1987de Kaliforniyada uygulamaya konulan bir vergi indirimi sistemi, rüzgar endüstrisine yönelik bir atılımın öncüsü olmuştur [3].
2.2.1. Rüzgar Türbinleri
Şekil 3.4. Çanakkale ili global güneş radyasyon dağılımı
Rüzgar türbini, hareket halindeki havanın kinetik enerjisini mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürür. Ürettiği enerji, rüzgar hızına göre değişir, birim maliyeti düşüktür. Ancak, kurulacak bölgenin rüzgar hızının yüksek olması ve hava akışını engelleyen yükseltilerin çevresinde olmaması gerekir. Rüzgar hızı çok değişken olduğu için üretilen enerji de değişken olmaktadır. Kanatlara çarpan hava akımı kanatların dönmesini ve dolayısıyla da kanatların bağlı olduğu milin dönmesini sağlar. Küçük ölçekli rüzgar türbinlerinde mil doğrudan, büyük ölçeklilerde ise dişli kutu yolu ile jeneratöre bağlanır. Jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Düşük güçlü rüzgar türbinlerinde jeneratör olarak sabit mıknatıslı alternatörler kullanılırken, yüksek güçlülerde ise asenkron veya senkron jeneratör kullanılır. Şebekeden bağımsız çalışan sistemlerde frekansı sabit tutmak, rüzgar hızındaki değişimlerden dolayı mümkün olmadığından, jeneratör çıkışı doğru akıma (DC)a dönüştürülür. Birçok rüzgar türbini, 3 veya 2 kanatlı olarak üretilir. Rüzgar türbininden elde edilebilecek güç, rüzgar hızının küpüyle ve kanat süpürme alanı ile doğrudan orantılıdır. Üretici firmalar türbinin üretime başladığı rüzgar hızını, üretimi durdurduğu rüzgar hızını ve rüzgar hızı-güç eğrisini kullanıcılara verir [4].
Yel değirmenlerinin en modern şekli olarak kabul edilen ve onun prensiplerine göre çalışan ilk rüzgar türbini 1890da Danimarkada üretilmiştir. Rüzgar enerjisinden en yoğun yararlanan ülke olan ABDde ilk kez rüzgar enerjisinden yararlanma çalışmalarını 1944 yılında gerçekleştirmiştir.
Elektrik enerjisi üreten ilk rüzgar santrali ise ABDde Vermont Eyaletinin Montpelier kenti yakınlarında 1940 yılında General Elektrik firması tarafından inşa edilmiştir. ABDde başlayan bu rüzgar enerjisinden yaralanma durumunu, zamanla Danimarka, Hollanda, İsveç ve Almanya gibi ülkelerde de görülmüştür. Son zamanlarda ülkemizde rüzgar enerjisinden faydalanılması açısından önemli çalışma yapılmaktadır. Hollanda, Arjantin, İsveç, Mısır, İspanya, Avustralya ve Danimarkada da bu konuda önemli çalışmalar yapılmaktadırlar.
Rüzgar enerjisinin diğer enerji kaynaklarına göre bazı üstünlükleri bulunmaktadır. Bu üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir:
Temiz bir enerji kaynağıdır, karbon emisyonu bulunmamaktadır.
Enerjinin hammadde kaynağı ücretsizdir.
Arazi dostudur. Rüzgar santrali içinde veya etrafında tarım/sanayi faaliyetleri yapılabilmektedir.
Geleneksel metotlarla enerji üretirken oluşan su kayıpları ve CO2, CO gazlarından kaynaklı zararlar rüzgar enerji santrallerinde olmamaktadır.
Rüzgar türbinleri güvenlik açısından başarılı bir geçmişe sahiptir.
Rüzgar enerjisi herhangi bir radyoaktif ışınım tahribatı yapmaz.
Büyük ölçekli ve ev tipi uygulamalar için esnektir.
Atmosfere ve yakınındaki göl ve nehirlere herhangi bir ısı emisyonu bulunmamaktadır.
Rüzgar türbinleri modülerdir. Herhangi bir büyüklükte imal edilebilmektedir ve kurulumları hızlı bir şekilde yapılabilmektedir.
Kullanım sonrasında tasfiye edilmeleri diğerlerine göre çok daha kolaydır.
Rüzgar türbininin işletmeye alınması, inşaata başlamasından ticari üretime geçişine kadar üç ay gibi kısa sürede gerçekleşebilmektedir.
Tek olarak ya da gruplar halinde kullanılabilmektedir.
Geleneksel yakıtların aksine, enerji güvenliği açısından yakıt fiyatlarından kaynaklı risklerini kaldırır, lokal bir enerji kaynağı olması sebebi ile ekonomik ve politik açılardan diğer ülkelere bağımlılığı ortadan kaldıran yerli ve her zaman kullanılabilir bir kaynaktır.
3. Malatya ve Çanakkale İlleri Güneş ve Rüzgar Potansiyelleri
3.1. Malatya İli Meteorolojik Veri Analizi
Şekil 3.5. Çanakkale ili güneşlenme süresi ve global radyasyon değerleri
Şekil 3.1 incelendiğinde Malatya ilinde güneş ışıması ortalamasının yaklaşık olarak 1600-1700 arasında olduğu görülmektedir. Bu değerler kWh/m2 olarak 1 yılda alınabilecek toplam enerjiyi ifade etmektedir. Koyu olan yerler, güneş enerjisinden daha iyi yararlanılabilecek noktaları göstermektedir. Küresel güneş ışıması dağılım aralığının 1400-2000 arasında olduğu dikkate alınırsa Malatya ili için global güneş radyasyon dağılımının ortalamanın üstünde olduğu sonucu çıkarılabilir.
Malatya ili için Şekil 3.2deki aylara göre güneş değerleri incelendiğinde özellikle sağdaki tablo çok daha önemli bir yer tutmaktadır. Haziran ve Temmuz aylarında oldukça yüksek bir güneş ışımasının olduğu görülmektedir. Ocak ve Aralık aylarında ise bu oranın çok daha düşük olduğu görülmektedir. Malatya ilinde yıllık güneşlenme süresi ortalama olarak günde 7,9 saattir. En az güneş alan ay ise 3,64 saatle Aralık ayı iken, en çok güneş alan ay 12,09 saatle Temmuz ayıdır.
Malatya ilinde 2010 yılı için 10 metre yükseklikte saatlik ortalama rüzgar hızı 1,64 m/sdir. 50 metre yükseklikteki rüzgar dağılım hızı Şekil 3.3teki gibidir.
Malatya ilinde cephesel durumlar haricinde rüzgar, genel olarak sakin ve hafif olarak esmektedir. Rüzgarın en fazla estiği yönler güney, güneydoğu ve güneybatı yönleridir. Malatyada rüzgarın fırtına olarak estiği gün sayısı çok fazla değildir. Son 10 yıllık ortalama fırtınalı günler sayısı yıllık 1,1 olup son 10 yılın ortalama rüzgar hızı ise 1,8 m/sdir.
3.2. Çanakkale İli Meteorolojik Veri Analizi
Şekil 3.6. Çanakkale ili 50 metre rüzgar hız dağılımı
Şekil 3.4 incelendiğinde Çanakkale ilinde güneş ışıması ortalamasının yaklaşık olarak 1400-1550 arasında olduğu görülmektedir. Malatya ili global güneş radyasyonu ile karşılaştırıldığında şekillerdeki renklerden de görüleceği üzere Çanakkale ilinin global güneş radyasyon oranı daha düşüktür.
Şekil 3.5 incelendiğinde Çanakkale ili için global ışıması değeri Haziran ayında oldukça yüksek olmaktadır. Aralık ayında ise bu oranın çok daha düşük olduğu görülmektedir. Çanakkale ilinde yıllık güneşlenme müddeti ortalama olarak günde 7,7 saattir. En az güneş alan ay ise 3,83 saatle Aralık ayı iken, en çok güneş alan ay 11,85 saatle Temmuz ayıdır.
Türkiyenin kuzeybatısında bulunan Çanakkale ili, yaz aylarında Azor yüksek basıncı ile Basra alçak basıncı arasındaki rüzgarlardan kış aylarında ise Azor yüksek basıncı ile Sibirya yüksek basıncı arasındaki cephe sistemlerine bağlı olarak şekillenen orta enlem gezici alçak basınçlarından etkilenmektedir. Bu durum hafif dalgalanmalarla birlikte aylık ortalama rüzgar hızının bütün yıl enerji üretim sınırının üstünde olmasına neden olmaktadır.
Çanakkale Boğazının kuzeydoğu güney batı doğrultulu uzanışı rüzgarın boğazda kanalize olmasına ve hızının artmasına neden olmaktadır. İlin 50 metre yükseklikteki rüzgar dağılım hızı Şekil 3.6daki gibidir [6].
Sonuç
Fosil yakıtlara dayanan enerji üretimi, çevre kirlenmesi, sera etkisi, doğal bitki örtüsü ve insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri nedeni ile gelecek vaat etmeyen bir yöntemdir. Teknolojik gelişmelere paralel olarak çevre dostu olan yenilenebilir enerji kaynak kullanımı, gelecekte düşük maliyetli ve yaygın kullanım bulabilecektir. Özellikle, güneş ve rüzgar enerjisinin, yerel ve küçük ölçeklerde, şehir ve kırsalda kolay kullanım sağlaması itibarı ile hem yüksek hacimli enerji üretimine hem de bireysel enerji üretimine imkan sağlaması beklenmektir. Modern şehirlerde, güneş ve rüzgara dayalı bireysel enerji üretiminin, hem şehir mimarisinde hem de ülkelerin enerji politikalarında köklü dönüşümlere yol açması muhtemeldir. Bu bağlamda, çevre stratejileri belirlenirken, güneş ve rüzgar enerji üretimi alt başlığına mutlaka yer verilmeli ve bu konudaki araştırma ve projeler desteklenmelidir.
Kaynaklar
[1] M. Karamanav, Güneş Enerjisi ve Güneş Pilleri Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Türkiye, 2007
[2] Yenilenebilir Enerji, http://www.meteor.gov.tr /arastirma/yenilenebilir-enerji.aspx?s
[3] Hibrit Sistem Bileşenleri, http://www.neoenerji.com/Default.aspx
[4] Mustafa Engin, Bornova İçin Güneş-Rüzgar Hibrid Enerji Üretim Sistemi Tasarımı, CBÜ Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi, (2010) 11-20.
[5] M. S. Ataseven, Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği 03-2011, İstanbul, 1-43 Lisanssız Rüzgar Enerjisi | Page not found serdar-ataseven-ruzgar-turbini-cesitleri-ve-ozellikleri.pdf
[6] T.C. Çanakkale Valiliği İl Çevre ve Orman Müdürlüğü, Çanakkale İli Çevre Durum Raporu, 2006-2007
[7] Z. Wei, Simulation and Optimum Design of Hybrid Solar-wind and Solar-winddiesel Power Generation Systems, PhD Thesis, The Hong Kong Polytechnic University, 2007.
[8] T.C. Malatya Valiliği İl Çevre ve Orman Müdürlüğü, Malatya İl Çevre Durum Raporu, 2005
[9] R. Belfkira, P. Reghem, J. Raharijaona, G. Barakat, C., Non Linear Optimization Based Design Methodology of Wind/PV Hybrid Stand Alone System, Monaco 2009 1-7
[10] M.T. Gençoğlu, Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Türkiye Açısından Önemi, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 2002, 14(2), 57-64.
[11] Malatya İli Rüzgar Kaynak Bilgileri, http://www.eie.gov.tr/duyurular/YEK/YEKrepa/MALATYA-REPA.pdf
[12] İ. M. Yağlı, Yenilebilir Enerji Kaynağı Olarak Rüzgar Enerjisi, Ekonomik Sorunlar, 29-33. http://mfa.gov.tr/data/Kutuphane/yayinlar/EkonomikSorunlardergisi/Sayi34/ibrahimyaglı.pdf
[13] B. Baran, Güneş-Rüzgar Hibrit Sistemlerin Maliyet Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Türkiye, 2012.
Bunların yanında rezervlerin azalması, rezervleri azalan fosil yakıtların her geçen gün biraz daha pahalanması, çevre kirlenmesi, atmosferde oluşan sera etkisi, doğal bitki örtüsünün yanı sıra insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri gibi önemli nedenlerle hızla yeni enerji kaynaklarından daha fazla faydalanılma zorunluluğu doğurmuştur.
Şekil 2.1. Güneş pilinin iç yapısı ve çalışma prensibi
Enerji kaynakları üretim, taşınım ve tüketim safhalarında doğaya zararlı atık ve gazlar bırakmaktadır. Petrol, kömür ve doğalgaz gibi fosil yakıtların yakılmasına bağlı olarak küresel, bölgesel ve yerel ölçekte kirlenme problemleri meydana gelmektedir. Bugün geçmişe nazaran daha fazla dikkate alınan çevre kirliliği, mühendislik disiplinlerinde önemli yer tutmaktadır. Dünya genelinde çevre kirliliği açısından tehdit oluşturan etkenler arasında ilk sırayı fosil kökenli yakıtlar almaktadır. Hızla gelişen sanayileşme ile birlikte aşırı derecede fosil yakıt kullanılması sonucu yakacağın türüne ve yakma sürecine bağlı olarak açığa çıkan kirleticiler, çevre problemine sebep olmaktadır. Bunlar canlı yaşamını tehdit etmekte, doğal hayata birçok olumsuz etkilerde bulunmakta ve ekolojik dengeyi bozmaktadır.
Bu yenilenebilir enerji kaynaklarını kullanma çabası sürecinde güvenirlik, süreklilik, çevreye zarar vermek ve yapıların tek kaynağa bağımlı kalması kaçınılması genel olarak benimsenen politikalar olmuştur. Yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelim olmadıkça ve bu kaynakların kullanımı artmadıkça enerji sorunu devam edecektir.
Şekil 2.2. Güneş pilinin tabakaları
Hibrit güneş-rüzgar sistemleri, hem yük tarafından talep edilen elektrik enerjisini karşılamaları açısından hem de çevreye olan zararının az olmasından dolayı son zamanlarda diğer enerji kaynaklarına göre daha fazla ön plana çıkmıştır. Rüzgar ve güneş rejiminin birbirlerini tamamlayabildikleri yerlerde hibrit sistemler büyük önem kazanmaktadır. Bu rejimlerin birbirini tamamlayamadıkları noktalarda devreye girmesi için tasarlanan bataryalar ile de desteklendikleri takdirde hibrit sistemler özellikle hiçbir şebeke enerjisinin olmadığı yerler için çok iyi bir seçenek olmaktadır. Ancak, rüzgar ve güneş kaynaklarının hava ve iklim değişikliklerine bağlı olması, hava şartlarında önceden tahmin edilemeyen değişiklikler, güneş ışımasının veya rüzgarın zamanla değişiminin yükün talebi ile eşleşememesi gibi olumsuzlukları bulunmaktadır.
Rüzgar ve güneş kaynaklarının değişken doğalarından dolayı oluşan bu olumsuzluklar bu iki kaynağın uygun kombinasyonlarını-birinin zayıf olduğu noktada diğerinin güçlü yanını devreye alarak - tasarlayarak üstesinden gelinebilir. Batarya destekli güneş ve rüzgar hibrit güç üretim sistemleri, her bir sistemin kendi dalgalanmalarını hafifletir ve önemli ölçüde bataryalarda depolanmasına ihtiyaç duyulacak enerji depolama gereksinimini azaltır. Ancak, tekli sistemlerle karşılaştırıldığında sistemin artan karmaşıklığından dolayı bazı problemler ortaya çıkar. Bu karmaşıklık hibrit sistemin analizini daha da zorlaştırır.
2. Güneş ve Rüzgar Enerjisi
2.1. Güneş Enerjisi ve Tarihsel Gelişimi
Şekil 2.3. Güneş pili üst görünüşü
İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafından gösterilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin tarafından silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir [1].
Güneş enerjisinin elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları gerçek anlamda 1973 yılındaki petrol bunalımı yaşanan yıllardan sonra olmuştur. Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit ve çevre dostu yolu olan güneş pili sistemlerinin araştırılması ve geliştirilmesi genellikle üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak görülmüştür. Ancak son yıllarda büyük şirketlerin de devreye girmesiyle güneş pilleri konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın zamanlara kadar sıradan elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen güneş pili güç sistemleri, artık ilerleyen zamanlarda güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir.
2.1.1. Güneş Pilleri
Şekil 2.4. Asenkron rüzgar türbininin yapısı [5]
Güneş pilleri, güneş ışığını doğru akıma dönüştürerek elektrik enerjisi üretme imkanı sağlar. Üzerine düşen güneş ışıması değeri yeterli olduğu sürece elektrik üretimine devam ederler. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir ve bu yapıya güneş pilleri (fotovoltaik) modülü adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç watttan megawattlara kadar sistem oluşturulur.
Bu pillerin işletme giderleri çok düşük, güvenilirlikleri ise çok yüksektir. Şebekeden uzak küçük ve orta ölçekli yüklerin beslenmesi için ekonomik bir seçenektir. Güneş pillerinin kullanım süreleri, yapım teknolojisine bağlı olarak 10-25 yıl arasında değişmektedir. En büyük dezavantajı ise ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olmasıdır. Güneş pili yapımında genellikle silisyum (1,1 eV), galyum arsenit (GaAs 1,43 eV) ve kadmiyum tellür (CdTe) yarı iletken malzemeler kullanılır. Ancak, günümüzde güneş pili üretiminde bu yarı iletken malzemelerin yanında kullanılan bazı maddelerde şu şekildedir:
Kristal Silisyum
Şekil 3.1. Malatya ili global güneş radyasyon dağılımı
Tek kristalli ve çok kristalli olmak üzere iki çeşittir. Tek kristal silisyum malzeme, güneş pili üretiminde yüksek verim için kullanılan malzemelerden biri olmakla birlikte, üretim maliyetinin yüksek olması, bu alanda değişik seçenek olarak çok kristalli malzemenin geniş ölçekte kullanılmasına neden olmuştur. Silisyum elektriksel, optiksel ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi ve silisyum üretim teknolojisinde elde edilen büyük başarılar bu malzemenin en popüler malzeme olarak öne çıkmasını sağlamıştır. Tek kristal silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde ticari modüllerde %15, laboratuar şartlarında ise %24ün üzerinde verim elde edilmektedir. Çok kristal silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim, ticari modüllerde %14, laboratuar şartlarında ise %18 civarındadır.
Galyum Arsenit (GaAs)
Bu malzemeyle laboratuar şartlarında %25-28 (optik yoğunlaştırıcılı) arasında verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir.
İnce Film
İnce film hücreler, yarı iletken malzemelerin; paslanmaz çelik, cam ya da plastikten yapılmış geniş yüzeyler üzerine ince film tabakası seklinde kaplanması sonucunda elde edilmektedir.
Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2)
Bakır ve indiyum elementlerinin bir araya gelmesi ile oluşan yarı iletken malzemelerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup; yasak enerji aralıkları güneşin spektrumu ile ideal bir şekilde uyuşacak biçimdedir. Bu çok kristal pilde laboratuar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir.
Kadmiyum Tellürid (CdTe)
Kadmiyum elementi ile tellür elementinin bir araya gelmesiyle oluşan bu piller, yüksek soğurma katsayısı yanında, ince film büyütme teknolojisinin birçoğu ile kolayca üretime olanak tanıması, geniş yüzey alanlı güneş pili üretiminde CdTe birleşik yarı iletkeninin öne çıkmasını sağlamıştır. Laboratuar tipi küçük güneş pillerinde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.
Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler
Bu hücreler, gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimini %17nin, pil verimi ise %30un üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılmaktadır.
Amorf Silisyum
Şekil 3.2. Malatya ili güneşlenme süresi ve global radyasyon değerleri
Amorf silikon olarak bilinen güneş pilleri, silikonların çok ince tabakalarından oluşmaktadır. Bu silikon atomları, kristal formlara göre daha düzensiz şekilde yerleşmiştir. Amorf silisyum için kullanılan en yaygın teknoloji ışık boşalım (glow-discharge) dir. Bu pillerden elde edilen verim %10 civarındadır. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılmaktadır. Bu pillerin üretim işlemleri, kristal silikonlar için gerekenden daha düşük sıcaklıklardadır. Bir güneş pilinin iç yapısı ve çalışma prensibi Şekil 2.1de görüldüğü gibidir.
Son yıllarda ticari kullanımda özellikle tercih edilen Si güneş pillerinin verimleri ile aynı ancak üretim teknolojilerinin daha kolay ve daha ucuz olabilmesi için çalışmalar yapılmaktadır. Bu çalışmalardan bazıları; güneş spektrumunun çeşitli dalga boylarına uyum sağlayacak şekilde üretilebilen enerji bant aralığına sahip kuantum güneş pilleri, polimer yapılı plastik piller, fotoelektrokimyasal çok kristalli titanyum dioksit pillerdir.
Güneş pillerinin güneşe bakan tarafından arka tarafına birçok tabaka bulunmaktadır:
Koruma tabakası: İnce film modüllerde bu tabaka şeffaf plastiktir. Ancak, genellikle cam kullanılır.
Ön katman: Güneş pilinin ön kısmında yer alan elektrik bağlantısıdır. Şeffaf olmak zorundadır. Aksi halde güneş ışığı hücreye geçemeyecektir.
Absorbe edici materyal: Bu katman modülün kalbidir. Burada ışık emilir ve elektrik akımına dönüştürülür. Kullanılan bütün materyaller yarı iletkendir. Genellikle tek parçadır. Yinede performansı düzeltmek için farklı materyallerden çok sayıda katmandan oluşabilir.
****l arka katman: Elektrik devresini tamamlamak için arka tarafta bulunan bir iletkendir.
Laminat film: Güneş pili modülünü sıcaktan ve sudan koruyan katmandır.
Arka cam: Bu tabaka modülün arka kısmının korunmasını sağlar. Cam, plastik veya alüminyum olabilir.
Konektörler: Modülün kablolar ile bağlanabilmesi için modülde konektörler ve kablolar bulunmaktadır.
Güneş pili sistemlerinin bazı avantajları aşağıdaki gibidir:
Güneş enerjisi bol miktarda bulunan enerji kaynağı olmasından dolayı, sistem kurulumundan sonra herhangi bir hammadde maliyetine gerek duyulmamaktadır.
Güneş pili sistemleri, sessiz çalışmaktadırlar. Bu sebeple gürültü kirliliği oluşmamaktadır.
Güneş pili sistemlerinin kullanımından kaynaklı çevreye zarar verecek gaz ya da atık oluşmaz.
Güneş pili sistemlerini oluşturan parçalar sabittir. Bu nedenle diğer sistemlerdeki gibi hareketten kaynaklanan arızalar oluşturmaz.
Güneş pili sistemleri modüler bir yapıya sahiptir. Bu sebeple artan veya azalan enerji ihtiyacına göre değiştirilebilir.
Telekom R/L istasyonları gibi şebekeye ulaşılması zor olan kırsal alanlarda veya şebeke bağlantılı sistemlerde rahatlıkla kullanılabilmektedir.
Örnek bir güneş pilinin üst görünüşü Şekil 2.3.teki gibidir. Yukarıda bahsedilen avantajlı özelliklerinin yanı sıra bazı konulara dikkat edilmesi gerekmektedir. Bunlar:
Güneş pillerinin verimlilikleri çok düşüktür. Bu sebeple birim yüzeyden elde edilen enerji çok az olmaktadır. Yüksek seviyede enerji elde edebilmek için çok geniş yüzey alanlarına ihtiyaç duyulmaktadır.
Güneş pillerinin ürettiği enerjinin doğru akım olması sebebi ile alternatif akım ile çalışan cihazlar için güneş pili çıkışında çeviriciye ihtiyaç duyulmaktadır.
Güneş pillerinin üretiminde kullanılan bazı maddeler zehirli atık içermektedir.
2.2 Rüzgar Enerjisi ve Tarihsel Gelişimi
Şekil 3.3. Malatya ili 50 metre rüzgar hız dağılımı
Rüzgar enerjisi, kaynağını güneşten alır. Güneş dünyanın bir tarafındaki havayı, toprağı ve suyu ısıtırken dünyanın diğer tarafı soğur. Bu ısınma ve soğuma değişimleri gün boyunca dünyanın çevresinde devam eder. Ekvatorda ısınan hava yükselerek kutuplara doğru gider, soğuyan hava ise ağırlaşarak geri döner. Hava 300 kuzey enleminde yığılma eğilimindedir. Bunun sonucu olarak bu bölgede basınç yüksek ve iklim ılımandır. Bazı hava kütleleri bu yüksek basınç bölgesinin dışında güney doğuya doğru eser ve dünyanın dönmesinin oluşturduğu etki ile batıya sapar. Bu rüzgarlar Alize Rüzgarları olarak adlandırılır [2].
İnsanoğlunun, rüzgarın gücünü keşfedip onun gücünden yararlanmaya başlaması çok eski dönemlere dayanır. Rüzgar gücünden ilk yararlanma şekli olarak yelkenli gemilerin hareket ettirilmesi ve yel değirmenlerinin çalıştırılması gösterilebilir. İlk kez M.Ö. 2800 yıllarında Mısırlıların kürek mahkumlarının gücüne ek olarak rüzgar enerjisini kullandıkları bilinmektedir. Mısırlılar, metrelerce uzunluktaki yelkenleri şişirip tonlarca ağırlıktaki gemileri yüzdürmek için rüzgarın gücünden yaralanmışlardır. Hollandadan Amerikaya birçok farklı coğrafyada rüzgar enerjisi yel değirmenleri vasıtasıyla üretilmekte ve su kuyularında su çekmekte kullanılmıştır. Günümüzde ise modern rüzgar türbinleri ile rüzgar enerjisi elektrik enerjisine dönüştürülerek insanoğlunun kullanımına sunulmaktadır. Rüzgar enerjisinin bazı özelliklerini şu şekilde sıralanabilir:
Rüzgar enerjisinden elde edilen güç Betz Teoremine göre rüzgar hızının küpü ile orantılı olarak değişim gösterir.
Rüzgar enerjisi yoğunluğu bölgesellik arz eder.
Rüzgar enerjisinden faydalanmak için başka bir enerji türüne dönüştürülmesi gerekir.
Enerjinin hammaddesi rüzgardır ve rüzgar atmosferde bol ve serbest olarak bulunur. Güneş ve Dünya var olduğu sürece rüzgar enerjisinden yenilenebilir enerji kaynağı olarak faydalanmak mümkündür.
Rüzgar enerjisi tür olarak, endüstriyel devrimde yararlı bir enerji kaynağı olarak benimsenmemiştir. Ancak, 19731974 yıllarında ortaya çıkan petrol krizi, uzak bölgelerin beslenmesi amacıyla elektrik üretimi ve suyun pompalanması için bu teknolojiye gösterilen ilgiyi yeniden canlandırmıştır. 1987de Kaliforniyada uygulamaya konulan bir vergi indirimi sistemi, rüzgar endüstrisine yönelik bir atılımın öncüsü olmuştur [3].
2.2.1. Rüzgar Türbinleri
Şekil 3.4. Çanakkale ili global güneş radyasyon dağılımı
Rüzgar türbini, hareket halindeki havanın kinetik enerjisini mekanik veya elektrik enerjisine dönüştürür. Ürettiği enerji, rüzgar hızına göre değişir, birim maliyeti düşüktür. Ancak, kurulacak bölgenin rüzgar hızının yüksek olması ve hava akışını engelleyen yükseltilerin çevresinde olmaması gerekir. Rüzgar hızı çok değişken olduğu için üretilen enerji de değişken olmaktadır. Kanatlara çarpan hava akımı kanatların dönmesini ve dolayısıyla da kanatların bağlı olduğu milin dönmesini sağlar. Küçük ölçekli rüzgar türbinlerinde mil doğrudan, büyük ölçeklilerde ise dişli kutu yolu ile jeneratöre bağlanır. Jeneratör mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Düşük güçlü rüzgar türbinlerinde jeneratör olarak sabit mıknatıslı alternatörler kullanılırken, yüksek güçlülerde ise asenkron veya senkron jeneratör kullanılır. Şebekeden bağımsız çalışan sistemlerde frekansı sabit tutmak, rüzgar hızındaki değişimlerden dolayı mümkün olmadığından, jeneratör çıkışı doğru akıma (DC)a dönüştürülür. Birçok rüzgar türbini, 3 veya 2 kanatlı olarak üretilir. Rüzgar türbininden elde edilebilecek güç, rüzgar hızının küpüyle ve kanat süpürme alanı ile doğrudan orantılıdır. Üretici firmalar türbinin üretime başladığı rüzgar hızını, üretimi durdurduğu rüzgar hızını ve rüzgar hızı-güç eğrisini kullanıcılara verir [4].
Yel değirmenlerinin en modern şekli olarak kabul edilen ve onun prensiplerine göre çalışan ilk rüzgar türbini 1890da Danimarkada üretilmiştir. Rüzgar enerjisinden en yoğun yararlanan ülke olan ABDde ilk kez rüzgar enerjisinden yararlanma çalışmalarını 1944 yılında gerçekleştirmiştir.
Elektrik enerjisi üreten ilk rüzgar santrali ise ABDde Vermont Eyaletinin Montpelier kenti yakınlarında 1940 yılında General Elektrik firması tarafından inşa edilmiştir. ABDde başlayan bu rüzgar enerjisinden yaralanma durumunu, zamanla Danimarka, Hollanda, İsveç ve Almanya gibi ülkelerde de görülmüştür. Son zamanlarda ülkemizde rüzgar enerjisinden faydalanılması açısından önemli çalışma yapılmaktadır. Hollanda, Arjantin, İsveç, Mısır, İspanya, Avustralya ve Danimarkada da bu konuda önemli çalışmalar yapılmaktadırlar.
Rüzgar enerjisinin diğer enerji kaynaklarına göre bazı üstünlükleri bulunmaktadır. Bu üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir:
Temiz bir enerji kaynağıdır, karbon emisyonu bulunmamaktadır.
Enerjinin hammadde kaynağı ücretsizdir.
Arazi dostudur. Rüzgar santrali içinde veya etrafında tarım/sanayi faaliyetleri yapılabilmektedir.
Geleneksel metotlarla enerji üretirken oluşan su kayıpları ve CO2, CO gazlarından kaynaklı zararlar rüzgar enerji santrallerinde olmamaktadır.
Rüzgar türbinleri güvenlik açısından başarılı bir geçmişe sahiptir.
Rüzgar enerjisi herhangi bir radyoaktif ışınım tahribatı yapmaz.
Büyük ölçekli ve ev tipi uygulamalar için esnektir.
Atmosfere ve yakınındaki göl ve nehirlere herhangi bir ısı emisyonu bulunmamaktadır.
Rüzgar türbinleri modülerdir. Herhangi bir büyüklükte imal edilebilmektedir ve kurulumları hızlı bir şekilde yapılabilmektedir.
Kullanım sonrasında tasfiye edilmeleri diğerlerine göre çok daha kolaydır.
Rüzgar türbininin işletmeye alınması, inşaata başlamasından ticari üretime geçişine kadar üç ay gibi kısa sürede gerçekleşebilmektedir.
Tek olarak ya da gruplar halinde kullanılabilmektedir.
Geleneksel yakıtların aksine, enerji güvenliği açısından yakıt fiyatlarından kaynaklı risklerini kaldırır, lokal bir enerji kaynağı olması sebebi ile ekonomik ve politik açılardan diğer ülkelere bağımlılığı ortadan kaldıran yerli ve her zaman kullanılabilir bir kaynaktır.
3. Malatya ve Çanakkale İlleri Güneş ve Rüzgar Potansiyelleri
3.1. Malatya İli Meteorolojik Veri Analizi
Şekil 3.5. Çanakkale ili güneşlenme süresi ve global radyasyon değerleri
Şekil 3.1 incelendiğinde Malatya ilinde güneş ışıması ortalamasının yaklaşık olarak 1600-1700 arasında olduğu görülmektedir. Bu değerler kWh/m2 olarak 1 yılda alınabilecek toplam enerjiyi ifade etmektedir. Koyu olan yerler, güneş enerjisinden daha iyi yararlanılabilecek noktaları göstermektedir. Küresel güneş ışıması dağılım aralığının 1400-2000 arasında olduğu dikkate alınırsa Malatya ili için global güneş radyasyon dağılımının ortalamanın üstünde olduğu sonucu çıkarılabilir.
Malatya ili için Şekil 3.2deki aylara göre güneş değerleri incelendiğinde özellikle sağdaki tablo çok daha önemli bir yer tutmaktadır. Haziran ve Temmuz aylarında oldukça yüksek bir güneş ışımasının olduğu görülmektedir. Ocak ve Aralık aylarında ise bu oranın çok daha düşük olduğu görülmektedir. Malatya ilinde yıllık güneşlenme süresi ortalama olarak günde 7,9 saattir. En az güneş alan ay ise 3,64 saatle Aralık ayı iken, en çok güneş alan ay 12,09 saatle Temmuz ayıdır.
Malatya ilinde 2010 yılı için 10 metre yükseklikte saatlik ortalama rüzgar hızı 1,64 m/sdir. 50 metre yükseklikteki rüzgar dağılım hızı Şekil 3.3teki gibidir.
Malatya ilinde cephesel durumlar haricinde rüzgar, genel olarak sakin ve hafif olarak esmektedir. Rüzgarın en fazla estiği yönler güney, güneydoğu ve güneybatı yönleridir. Malatyada rüzgarın fırtına olarak estiği gün sayısı çok fazla değildir. Son 10 yıllık ortalama fırtınalı günler sayısı yıllık 1,1 olup son 10 yılın ortalama rüzgar hızı ise 1,8 m/sdir.
3.2. Çanakkale İli Meteorolojik Veri Analizi
Şekil 3.6. Çanakkale ili 50 metre rüzgar hız dağılımı
Şekil 3.4 incelendiğinde Çanakkale ilinde güneş ışıması ortalamasının yaklaşık olarak 1400-1550 arasında olduğu görülmektedir. Malatya ili global güneş radyasyonu ile karşılaştırıldığında şekillerdeki renklerden de görüleceği üzere Çanakkale ilinin global güneş radyasyon oranı daha düşüktür.
Şekil 3.5 incelendiğinde Çanakkale ili için global ışıması değeri Haziran ayında oldukça yüksek olmaktadır. Aralık ayında ise bu oranın çok daha düşük olduğu görülmektedir. Çanakkale ilinde yıllık güneşlenme müddeti ortalama olarak günde 7,7 saattir. En az güneş alan ay ise 3,83 saatle Aralık ayı iken, en çok güneş alan ay 11,85 saatle Temmuz ayıdır.
Türkiyenin kuzeybatısında bulunan Çanakkale ili, yaz aylarında Azor yüksek basıncı ile Basra alçak basıncı arasındaki rüzgarlardan kış aylarında ise Azor yüksek basıncı ile Sibirya yüksek basıncı arasındaki cephe sistemlerine bağlı olarak şekillenen orta enlem gezici alçak basınçlarından etkilenmektedir. Bu durum hafif dalgalanmalarla birlikte aylık ortalama rüzgar hızının bütün yıl enerji üretim sınırının üstünde olmasına neden olmaktadır.
Çanakkale Boğazının kuzeydoğu güney batı doğrultulu uzanışı rüzgarın boğazda kanalize olmasına ve hızının artmasına neden olmaktadır. İlin 50 metre yükseklikteki rüzgar dağılım hızı Şekil 3.6daki gibidir [6].
Sonuç
Fosil yakıtlara dayanan enerji üretimi, çevre kirlenmesi, sera etkisi, doğal bitki örtüsü ve insan sağlığı üzerindeki olumsuz etkileri nedeni ile gelecek vaat etmeyen bir yöntemdir. Teknolojik gelişmelere paralel olarak çevre dostu olan yenilenebilir enerji kaynak kullanımı, gelecekte düşük maliyetli ve yaygın kullanım bulabilecektir. Özellikle, güneş ve rüzgar enerjisinin, yerel ve küçük ölçeklerde, şehir ve kırsalda kolay kullanım sağlaması itibarı ile hem yüksek hacimli enerji üretimine hem de bireysel enerji üretimine imkan sağlaması beklenmektir. Modern şehirlerde, güneş ve rüzgara dayalı bireysel enerji üretiminin, hem şehir mimarisinde hem de ülkelerin enerji politikalarında köklü dönüşümlere yol açması muhtemeldir. Bu bağlamda, çevre stratejileri belirlenirken, güneş ve rüzgar enerji üretimi alt başlığına mutlaka yer verilmeli ve bu konudaki araştırma ve projeler desteklenmelidir.
Kaynaklar
[1] M. Karamanav, Güneş Enerjisi ve Güneş Pilleri Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Türkiye, 2007
[2] Yenilenebilir Enerji, http://www.meteor.gov.tr /arastirma/yenilenebilir-enerji.aspx?s
[3] Hibrit Sistem Bileşenleri, http://www.neoenerji.com/Default.aspx
[4] Mustafa Engin, Bornova İçin Güneş-Rüzgar Hibrid Enerji Üretim Sistemi Tasarımı, CBÜ Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi, (2010) 11-20.
[5] M. S. Ataseven, Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği 03-2011, İstanbul, 1-43 Lisanssız Rüzgar Enerjisi | Page not found serdar-ataseven-ruzgar-turbini-cesitleri-ve-ozellikleri.pdf
[6] T.C. Çanakkale Valiliği İl Çevre ve Orman Müdürlüğü, Çanakkale İli Çevre Durum Raporu, 2006-2007
[7] Z. Wei, Simulation and Optimum Design of Hybrid Solar-wind and Solar-winddiesel Power Generation Systems, PhD Thesis, The Hong Kong Polytechnic University, 2007.
[8] T.C. Malatya Valiliği İl Çevre ve Orman Müdürlüğü, Malatya İl Çevre Durum Raporu, 2005
[9] R. Belfkira, P. Reghem, J. Raharijaona, G. Barakat, C., Non Linear Optimization Based Design Methodology of Wind/PV Hybrid Stand Alone System, Monaco 2009 1-7
[10] M.T. Gençoğlu, Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Türkiye Açısından Önemi, Fırat Üniversitesi Fen ve Mühendislik Bilimleri Dergisi, 2002, 14(2), 57-64.
[11] Malatya İli Rüzgar Kaynak Bilgileri, http://www.eie.gov.tr/duyurular/YEK/YEKrepa/MALATYA-REPA.pdf
[12] İ. M. Yağlı, Yenilebilir Enerji Kaynağı Olarak Rüzgar Enerjisi, Ekonomik Sorunlar, 29-33. http://mfa.gov.tr/data/Kutuphane/yayinlar/EkonomikSorunlardergisi/Sayi34/ibrahimyaglı.pdf
[13] B. Baran, Güneş-Rüzgar Hibrit Sistemlerin Maliyet Optimizasyonu, Yüksek Lisans Tezi, İnönü Üniversitesi, Türkiye, 2012.
