Hızla tükenmekte olan fosil yakıtlara (gaz, kömür,petrol) alternatif olarak, dünya artık rüzgar ve güneş gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmiş bulunmaktadır. Bir ısı ve ışık kaynağı olarak bilinen güneş, elektriğin temel kaynağı olarak da yerini almaya başlamış bulunmaktdadır.

Biz burada; temiz, tükenmez ve de ücretsiz enerji sağlayan güneş enerjisinden fotovoltaik sistemle elektrik enerjisi elde edilmesininin konutlardaki uygulamasını ele alacağız. Amacımız hem enerji ihtiyacımızı ucuza sağlamak, hem de pahalı, kirli, riskli, bağımlı ve atık sorunlu olan diğer fosil ve tükenir enerji kaynaklarına alternatif olan güvenli bir enerji kaynağını öne çıkarmaktır.

Amaç:   i) Pahalı, kirli, riskli, bağımlı¹, atık sorunlu olan fosil ve tükenir enerji kaynaklarına alternatif olarak ucuz, tükenmeyen güvenli bir enerji kaynağı olan güneş enerjisinin kullanımını yaygınlaştırmak.  
            ii)  Doğaya zarar vermeyen, temiz ve çevre dostu enerji üretmek (ürettiğimiz her bir kWh elektrik için 0,6 Kg CO₂ yayılımını önlemiş oluyoruz) 
            iii) Elektrik kesintisi veya arızalarını hissettirmeyen kesintisiz güç kaynağının konforunu yaşamak.
           iv) İlk kurulum maliyeti karşılandıktan sonra ödemesiz(ücretsiz) olarak kendi elektriğimizi kendimiz üretir hale gelmek.

Bu sistem, genel hat (şebeke) bağlantılı olan ve sayaç olarak da 'akıllı' diye tabir edilen çoklu tarifeli elektrik saatini kullanan konutlar için tasarlanmıştır.           

        Aşağıdaki tablonun üst-yatay satırında yer alan sayılar,  tablonun açıklamasını kolaylaştırmak için kullanılmıştır. Bu tablonun ayrıntısı, mikro işlemci bazlı denetimi yapması için Sistem Kontrol Paneli’nin işleyiş algoritması programlanırken değerlendirilecektir.

         Güniçi - Güneşli gün

1 -    'Gece' saatlerindeki ucuz enerji ile başlamış olan Batarya şarjının tamamlanmasına öncelik veriliyor. (Eğer bataryaların doldurulmasına fırsat vermeden panel enerjisi gün içinde tamamen kullanılırsa, 'puant' satlerinde pahalı enerji alınmak durumunda kalınır)

2-     Enerji gereksinimi doğrudan güneş panelinden sağlanırken kullanım fazlası, elektrikli ısıtıcıya yönlendiriliyor. PV sistem yetersiz kaldığı durumlarda da kullanım şebekeden destekleniyor.

3.4 - KGS, şebeke kesintisi veya bulutlanma veya yağmurlu havalarda sistem kesintisiz güç kaynağı olarak enerji sağlamaya devam ediyor.

            Güniçi - Hava yarı açık

5.6.7.8 -  Panelden alınan kısıtlı enerji uygun (az tüketen) cihazların kullanımına sunulurken, öncelik burada da batarya şarjına veriliyor. Acil durumlarda, sistemin Kesintisiz Güç Kaynağı özelliği bu evrede de devreye girebilmektedir.

 ‘Kapalı hava’ larda (yoğun bulutlu/yağmurlu) da  geceden şarjlı olan batarya, elektrik kesintisi gibi zorunlu haller dışında hiç harcanmayarak, kullanımı elektriğin pahalı olduğu Puant saatine bırakılıyor.

           Akşam - Puant Saati

9,10,11,12-   Şebeke elektriği olsa da olmasa da tüm kullanım KGS’den yapılıyor. Şebeke elektriğinin olmadığı durumlarda, zorunluluk arz etmeyen cihazlar otomatik olarak kapatılıyor.

            Gece Saatleri

13,14,15,16- Tüm elektrik kullanımı ve boşalmış bataryaların şarjı şebekeden karşılanıyor.

Elektrikli ısıtıcının haznesindeki suyun ısıtılarak kullanıma hazır edilmesi de bu saatlerdeki ucuz enerji ile sağlanıyor.

Sonuç olarak; güneş panelimize düşen tüm ışınları fotonlarına kadar kullanmayı veya biriktirmeyi gözetirken, şebeke elektriğinden de yararlanmayı sürdürüyoruz. Yani Fotovoltaik güneş enerjisi sistemimiz bize bir yandan güvenli, kesintisiz(konforlu) enerji sağlarken diğer yandan enerji masraflarımızı önemli ölçüde azaltıyor.

                                                             <><><>

            GES-Konut uygulamaları için olası modellemeler

NOT-1: Mevcut teknoloji ile ve bugünkü koşullarda 1 Metre kare Panel'den 120-140 W arası güç sağlanabilmektedir. 

                                         Harita -1

ÖLÇÜM-1: Ankara'da güneşin yeryüzü düzlemine göre eğimi (deklinasyon açısı) Aralık ayının 21'inde 30, 21 Haziran’da ise 67 derece olarak ölçülmüştür.(c.c.)

ÖLÇÜM-2: Ankara'da, tam güneşli bir günün öğle saatlerinde (Temmuz 2012, saat 11:02)10 Wp'lik bir MonoKristal PV panelin 0.075 m2'lik alanına (panel toplam alanı 0,1 m2) düşen güneş ışını, panele bağlı yük üzerinde 13,75 Volt gerilim oluşturduğu sırada, aynı yük tarafından çekilen akım da 0,82 Amper olarak ölçüldü.

HESAP-1: 0,075 m² etkin alanlı 10 Wp gücündeki PV panelin oluşturabildiği maksimum güç de böylece, 13,75V * 0,82 A = 11,275 Watt  olmuştur. Güneşin yer yüzüne en dik olduğu öğle saatlerinde alınan bu değerlerle metrekare başına 148 Watt (150 W/m2-Türkkonut) hesaplandı. Ancak 6 saatlik (10;00-16:00) ortalamada bu değer 125 Watt olurken, 9 saat (08:30-17:30) ortalamada ise 110 W'a düştü.

HESAP-2: 10 Wp ve güneşe duyarlı alanı 0,075 m² olan panelin ulaştığı bu 11 Wat'lık güç, yükün panele doğrudan bağlandığı durumda ve güneşin en dik olduğu saatlerde kısa süre için elde edilmiştir. Bu arada sıcaklığın etkisiyle oluşan güç kaybı da izlenmiş ancak değerlendirilebilir bir ölçüm yapılamamıştır. Buradan; 1 Kw'lik reel bir güç oluşturmak  için (1000/1100) 0,9 KWp'lik güneş paneli grubu yeterli olacakmış gibi görünse de, değer okumalarını 9 saatlik süreye yaydığımız durumda ortalama güc 8 Wattan daha az olmuştur. Kış aylarında performansın %50'ye kadar kadar düştüğünü hesaba aldığımızda, sabit konumlu güneş paneliyle çalışan bir PV sistemin ortalama yıllık getirisi (verimi) %60-65 kadar olabileceketir. Bu nedenle, 1000 Watlık bir sitemin sağlayacağı yıllık toplam enerjiyi, sistem kurulu güç değeriyle bölgenin güneşlenme süresini(saat) çarptıktan sonra bunun %60'ını alarak hesaplayarak bulabiliriz. Örnek vermek gerekirse; E= 1000 Wp x 2640 saat/yıl x 0,6 = 1584 kWh/yıl veya 132 kWh/ay elektrik enerjisi elde edilmiş olur. Bu miktarın, enrjisini etkin ve verimli kullanan 4 kişilik bir aile için yeterli olduğunu söyleyebiliriz. Bu değer yıllık güneşlenme süresi 3000 saati bulan Güney ve Güneydoğu Anadolu bölgelerinde 150 kWh/Ay'a kadar yükselebilecektir.

ARA HESAP: Son şekliyle 26 Haziran 2012 de yayınlanan 6094 sayılı yasa(3) gereği, bireysel ya da kurumsal olarak 500 KW'lık kurulu güce kadar Lisansız elektrik enerjisi üretilebeleceğinden, 500 KWp'lık(4) bir güneş santralıyla, yukarıdaki veri ve hesaplara göre, İç Anadolu Bölgesinde, yılda 500 KWp*2640 saat/yıl*0,6 işlemiyle yaklaşık 800 bin KWh/yıl enerji elde edilebilecektir. Böylesi bir güneş santralinin panel alanı, 1KWp/10 m2 hesabıyla 5000 m2 kadar olurken,  yasa gereği en az 10 bin m² arazi alanı ayırmak gerekmektedir.(5)

                     

                                         Harita - 2

Türkiye Güneş haritasına (bk. Harita-1) göre de; güneş etkinliğ 1300 KWh/KWp-yıl olan bir bölgede (Ankara) 1 KWp'lık PV panel sistemiyle 1 yılda 1300 kWh'lık bir enerji elde edebileceğiz demektir. Bu da, ortalama aylık üretimin 1300/12=108 KWh/ay olacağını gösterir. Aynı bölge için diğer bir veri de (bk. Harita-2) güneşin her bir metre kare alana 1 yıl boyunca gönderdiği enerjinin elektrik enerjisi cinsinden değerinin 1550 kWh (1550 KWh/m²-yıl) olduğu gösterilmektedir. Yani, (1550/12=129 kWh/m²-ay) aylık olarak metre kare başına 129 kWh elektrik demek. Bu da, %15 verimle çalışan bir PV panel tarafından (129*0,15) 19 kWh/m²-ay'lık elektrik enerjisi demektir. Yukarıda hesapladığımız 132 kWh/ay'lık enerjiyi elde edebilmek için, 132/19 oranıyla yaklaşık 7 m² panel kullanmamız gerekir. 0,075 m2 panel 10 Wp ise, 7 m2 panel 935 Wp olur. Görüldüğü gibi Bu enerjinin, güneş etkinliğinin iyi olduğu 5 saatlik süre içinde üretildiğini kabul edersek, m² başına düşen etkin güç değeri (637Wh/5h) 127 W olur. Yukarıdaki deneysel 'Hesap-1' sonucu ile bu teorik hesabı karşılaştırdığımızda, az farkla da olsa, metre kare başı PV değerlerinin çok farklı olmadıkları görülür. 

HESAP-3: Günlük olarak ortalama 5 kWh enerji elde etmek için Ankara'da (5/(228/365)) 8 m2-1,2 KW panel, Beyşehir'de ise (5/(258/365) 7 m2- 1 Kw panel kullanması uygun görülmektdir.  258 KWh/m2-yı'ı 7 m2 için 1806 KWh(Beyşehir), 228 KWh/m2-yıl için de 1824 KWh(Ankara) bulunur.

YORUM-1: 1000 W (13,5 Vx74 A) gücünde ve 7 m2 büyüklüğünde bir modül  günlük ortalama 5 saat kadar tam güçte çalışırsa, (1000 W *5 h) 5 KWh/gün elektrik enerjisi üretir. Bu enerji, güneşin olmadığı ve elektrik enerjisinin çok pahalı olduğu PUANT saatlerinde kullanabilmek için depolarsak önemli bir fayda sağlamış oluruz. Bunun için 100A/12V'luk 8 adet akü işimizi görür.

Şimdi, kimyasal ortama depoladığımız bu 5000 (1/2*10.000) Wh'lık enerjiyi nasıl değerlendirebileceğimize bakalım:

1 Saat Fırın(75A); 12*75= 900 Wh
3 Saat Klima(50A); 12 * 50 * 3 = 1800 Wh
5 saat buzdolabı (10 A); 12 * 10 * 5 = 600 Wh
5 saat Bilgisayar(15A);  12 * 15 * 5 = 900 Wh
5 saat Led-TV(5A); 12 * 5 * 5 = 300 Wh
5 saat ışıklandırma(10A); 12 * 10 * 5 = 600 Wh

Toplarsak 5100 Wh; 5,1 KWh bulunur.

Şimdi, yukarıda anılan  konut modeli Güneş Santrali için tipik bir konfigürasyonu ele alalım:
Sistem elemanları olarak; güneşin ultraviyole ışınlarını elektrik enerjisine dönüştüren Fotovoltaik (PV) Güneş Paneli, panelin ürettiği DC gücü Sinüs dalgalı alternatif güce çevirecek  İNverter, kullanım fazlası DC gücü depolayacak Batarya (Akü) Grubu ve bu bataryaların şarjını kontrol eden Şarj Kontrol Ünitesi bulunur. Gelişmiş sistemler için bilgisayar 'kontrollü Kontrol Ünitesi' de sayılabilir.

Yukarıda anılan ihtiyaçları, enerjini çok pahalı olduğu PUANT saatleri dediğimiz 17-22 arasındaki 5 saatlik süre içinde karşılayabilecek minimum kngigurasyonuolası değerleriyle ele alırsak;

Panel gücü; 1000 Watt
Panel alanı; 8 m2
Batarya Ah'si; 800 Ah
Akü şarjörün akım sağlama değeri; 80 Amper
İnverter Gücü; 3 KW

şeklinde olması önerilir. 1000 W'lık paneli, yukarıda belirlediğimiz enerji değerini güneşli bir günde, güneşin 5 saatlik diliminde üretilebilmesi için seçtik. Ve bu enerjinin, %60 kadar boşalmış olan bataryalarda saklanabilmesi için en az 800 Ah'lik bir akü grubuna gereksinim vardır. 5000 Wh'lik bir enerjiyi 5 saatte Bataryalara kontrollü olarak aktarabilecek akü şarjör cihazının değeri de en az 80 Amper olmalı.  Anılan tüketici cihazların kısa bir süreliğine de olsa tümünün aynı anda devrede olabileceğini (1980 Watt) varsayraka da, bu gücü karşılayabilecek minimum inverter gücünü en küçük 3000 Watlık olarak seçmemiz gerekir.

        Maliyet hesabı

VERİ-1: Bugünkü (Haziran 2012) fiyatlar ile;

Fotovoltaik pil için  2,25-2,5 $/W
Normal Batarya için  1,15-1,25 $/Ah
JEL Batarya için  2,15-2,25 $/Ah
Şarj kontrol cihazı için  5 $/Amper
İnverter için 0,2-0,25 $/W

değerleriyle sistem ilk kurulum maliyeti hesaplanabilir.

HESAP-5: VERİ-1 değerleri kullanılarak, 1000*2,5 + 800*1,20 + 50*5   + 3000*0,2 = 4800 $ (Normal akü);
3000 + 800*2,20 + 250 + 600 = 5600 $ (JEL akü) 

Santralin elektronik kontrol panosunun özellikleri, sistem kullanım konforundaki tercihe göre değişeceğinden, bunun maliyeti hesaba dahil edilmemiştir. Eneji ayırma-aktarma ve bağlantılarının otomatik olarak yapılması için güvenilir ekipman ve denetim sistem biriminin 300 $’dan az olmayacağını düşünerek, yukarıda tasarlanan bir KGS sisteminin  5000 $ (bu günkü fiyatlarla) civarında olacağı görülüyor.

YORUM-2: %20 kurulum işçilik maliyeti eklendiğinde, yukarıda ele aldığımız ev tipi bir güneş santralini(normal akülü) bugünkü fiyatlarla 6.000 $'dan daha ucuza gerçekleştirebilmemizin oldukça zor olduğunu söyleyebiliriz Ancak anılan konfigürasyonda fırın ve klimayı çıkarırsak, yani salt TV, Bilgisayar, buz dolabı ve ışıklandırmaları gözeten bir model tasarımlarsak güç gereksinimi yarıdan daha aza düşeceğinden, orta halli bir sistem için 2500 usd yeterli olacaktır.

YORUM-3: Sistemin, günlük ortalama 5 Kwh kadar enerji sağlayacağı ön görüldüğüne göre yıllık üretim 1825 Kwh olur. 13,3 USD Cent/Kwh(5) hesabıyla ve 234 $/yıl kadar getiriye 100 $ da CO2 satışından(6) gelir sağlanırsa toplam kazanç 334 $/yıl olur. Bu bize geri dönüş süresinin (5000/334=15 yıl) şimdilik 10 yıldan fazla olduğunu gösterse de, teknolojik gelişmelerin ciddi boyutlarda ucuzlamaya başladığını da unutmamalıyız.

   Bu işlere para ve zaman harcamaya değer mi?

    Aşağıdaki kriterleri okuyan ve anlayan herkesin bu soruya vereceği yanıtın "evet, değer"  olacağını umuyoruz. 

1- Elektrik enerjisine artık parasız (bedava) erişeceksin
2- Elektrik iletim ve dağıtım şebekesinin dışındaki her yerde elektrik enerjisinin konforunu yaşayabileceksin.
3- Elektrik kesintilerinin günlük yaşamımızdaki kabusları son bulacak.
4- Tarım arazilerinin sulanmasında ücretsiz elektrikle birlikte yüksek maliyetli ve de 
    tehlikeli elektrik hatlarına gerek kalmayacak. 
6- Elektrik iletim ve dağıtım işleri nedeniyle insan ve binlerce kuşun ölüm ve yaralanma ile telefi önlenmiş
    olacak.
7- Gerilim telleri ve direklerinin korkutuculuğu, en önemlisi de görüntü  kirliliği ciddi oranda azalacak.
8- Zorunlu hallerde vazgeçemeyeceğimiz fosil yakıtların ömrü uzamış olacak. 
9- 8 ton sera gazının (CO2,CH4-Metan vb.) atmosfere salınımı önlenmiş olacak. (Celal Cezim-Elektronik Mühendisi)

(*) 1 m2 panelin 1 Kg ağırlık oluşturduğu verisinden yukarıdaki panelimizin toplam ağırlığı 80 Kg olarak hesaplanmıştır. 

(**) Kyoto Protokolü gereği sera gazı azaltımını sağlayamayan ülke veya firmalar büyük para cezaları ödememek için, CO2 salınım hakkını doldurmamış ülke veya firmalardan kalan hak miktarı kadar, tonu 10-30 EUR arasında değişen fiyatlarla emisyon satın almaktadırlar.

(***): 29 Aralık 2010'da çıkan 6094 saylı YEK Yasasına göre, 500 KW'ya kadar, Güneş Enerjisine dayalı Elektrik Santrali (konut, işyeri çatılarına ve bahçelerine konulabilen PV sistemler) Lisans almaksızın bireysel olarak da kurulabilecek ve çift yönlü elektrik sayacı marifetiyle de enerji fazlası elektrik şirketine satılabilecektir. Ya da fazla enerji ilgili şirkete daha sonra kullanmak üzere emeneten bırakılabilecektir. Eğer bu çift yönlü bağlantı aşırı maliyet getirmez ve uygulaması pratik olursa, AKÜ saklayıcılarına gerek kalmayacaktır. Çünkü, şebeke sonsuz büyüklükte dev bir akü gibi davranacaktır artık.

Not: Yukarıdaki hesaplar, PV ürünlerinin katalog bilgilerinden gidilerek ve Güneş haritasından yararlanarak yapılmıştır. Gerçekçi değerlere dayalı hesaplamalar, yönetmelik gereği 6 aylık nokta ölçümlerinden sonra söz konusu noktalar için yapılabilir ancak. 

NOT: 12V/50 Ah'lik dolu bir akünün, 220 Vac modifie sinüs dalga çıkışlı 300 Watt gücündeki bir inverter ile 60 Watt’lık bir yükün(TV) 5 saat süreyle çalıştırılabildiği deney sonucu görülmüştür(c.c.)

EK:   Enerji depolayıcı akümülatörtleri ne kada tanıyoruz?

                Elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depolayan, istenildiğinde bunu elektrik enerjisi olarak veren cihazlardır. Solar sistemlerde genellikle ‘jel’ teknolojisiyle üretilmiş akümülatörler kullanılması önerilse de, düzenli bakım ve kontrolleri yapılarak diğer sulu-kuru aküler de kullanılabilmektedir. Aküler PV sistemlerde enerji biriktirici olarak kullanılmakla birlikte sistem gerilimlerindeki değişimlerin düzenleyicisi olarak ise daha işlevseldirler. 

                 Akümülatör kullanımı, kesintisiz veya yedek enerji ihtiyacı için bilinen en eski, kolay ve ekonomik yöntemdir.  Çok geniş bir uygulama alanı vardır. En küçük bireysel ihtiyaçlardan, bilimsel ve profesyonel kullanımlara kadar her alanda halen ihtiyaç duyulmaktadır.
                       

 Fiziki yapı olarak hantal ve ağır olan aküler aslında kimyasal işlevleri açısından oldukça hassas cihazlardır. Özellikleriyle ilgili bilgilere sahip olmadan kullanıldıklarında, işimizi yeterince görememiş olmanın yanı sıra, erken vedalaşarak hem cebimize hem de atığı nedeniyle çevremize zararlı hale gelirler. Aküleri kullanırken yukarıdaki şarj-deşarj eğrisini iyi okumak gerekir.  Sakladıkları enerjinin tamamıyla değil, yarısı kadarıyla (enerjisinin yarısını kaybetmiş bir akü artık kullanılmamalı) çalışılırsa,(şekilde bu değer 7,3 Volt olarak gösteriyor) aküler daha verimli ve uzun ömürlü olurlar. [c.c]

Yorumlar