Güneş Enerjisi

Güneş enerjisi

Güneş’ten gelen ve ısı üretebilen, kimyasal tepkimelere yol açabilen ya da doğrudan elektriğe dönüştürülebilen ışınım.

Güneş son derece büyük bir enerji kaynağıdır ve Güneş ışınımı da Yer’ in aldığı en zengin enerji kaynağıdır, ama bu ışınımın yoğunluğu (şiddeti) Yer yüzeyinde oldukça düşüktür. Bunun bir nedeni Yer’i çevreleyen atmosferin ve bulutların, gelen Güneş ışığının yaklaşık yüzde 54’ünü soğurması ya da saçılıma uğratmasıdır. Buna karşın 20. yüzyılda Güneş enerjisi, kömür ve petrol gibi fosil yakıtların tam tersine son derece temiz ve tükenmez bir enerji kaynağı olarak daha fazla ilgi çekmeye başlamıştır.
Yeryüzüne ulaşan Güneş ışığının yaklaşık yüzde 50’si görünür ışık, yüzde 45’i kızılötesi ışınım ve geri kalan az bir bölümü de morötesi ışınımdan oluşur. Bu ışınım, ısıl (termal) enerji ya da elektrik enerjisine dönüştürülebilir. Güneş enerjisini toplamak ve ısıl enerjiye dönüştürmek için, düz kolektörler (Güneş paneli) ya da odaklamalı kolektörler kullanılır. Yer yüzeyinde Güneş ışınımının yoğunluğunun zayıf olması nedeniyle, her iki kolektör tipinin de yüzey alanının geniş olması gerekir. Dünyanın en çok Güneş ışığı alan, en sıcak bölgelerinde bile, bir kişinin bir günlük enerji gereksinimini karşılayabilmesi için kolektör yüzey alanının yaklaşık 40 m2 olması gerekir.

En yaygın kullanılan düz kolektörler, bir ya da iki kat camla kaplanmış, karartılmış bir metal levhadan oluşur. Üzerine Güneş ışığı düştüğünde cam ısınır. Bu ısı daha sonra, taşıyıcı akışkan denen ve levhanın arka kısmından akıtılan bir hava ya da su ortama aktarılır. Böylece ısı ya doğrudan kullanılabilir ya da bir başka ortama aktarılarak depolanabilir. Bu tip paneller genellikle su ve ev ısıtmada kullanılır. Isının geceleri ya da bulutlu günlerde kullanılmak üzere depolanması için, güneşli günlerde ısıtılan suyun doldurulduğu yalıtılmış kazanlardan yararlanılır. Bu su, havanın kapalı olduğu günlerde doğrudan kullanılabileceği gibi, tavan ya da zemine döşenen borulardan akıtılarak mekân ısıtmasında da kullanılabilir. Düz kolektörler, taşıyıcı akışkanları 66°C-93°C’ye kadar ısıtabilir. Bu tip kolektörlerin verimi (yani aldığı Güneş enerjisini ısı enerjisine dönüştürme oranı), tasarımına bağlı olarak yüzde 20 ile yüzde 80 oranında değişir.

Daha yüksek sıcaklıklar istendiğinde odaklamalı kolektör kullanılır. Bu aygıtlar, geniş bir alan üzerinde topladıkları Güneş ışığını yansıtarak küçük bir karartılmış alıcı üzerine odaklar, böylece ışığın yoğunluğunu iyice artırmış olur. Güneş fırını denen bu tip donanımlarda, dikkatle dizilmiş aynalar bulunur ve bu aynaların sayesinde Güneş ışığının odaklandığı hedefin sıcaklığı 2.000°C’nin üzerine kadar çıkarılabilir.

Bu ısı daha sonra çeşitli maddelerin yüksek sıcaklıklardaki özelliklerinin incelenmesinde ya da enerji tesislerindeki türboelektrikli üreteçler için buhar üreten buhar kazanlarının çalıştırılmasında kullanılabilir. Güneş fırınları, yüksek sıcaklık araştırmalarında yararlanılan önemli bir aygıt durumuna gelmiştir. Buhar üretmek için de, hareketli aynalar öylesine ayarlanır ki, içinde su akıtılan ve ısıtılan karartılmış boruların üzerine sürekli Güneş ışığı odaklanır.
Güneş ışınımı fotovoltaik piller aracılığıyla doğrudan elektriğe dönüştürülebilir. Güneş pili ya da fotopil denen bu aygıtlarda, bir metal ile silisyum gibi bir yarıiletkenin ya da iki ayrı yarıiletkenin birleşme noktasına ışık düşürüldüğünde, bu noktada zayıf bir elektrik gerilimi oluşur (fotovoltaik etki). Tek bir fotopilin üretebileceği elektrik gerilimi, bir voltun kesri düzeyindedir. Ama bu tip birçok fotopil bir araya getirilerek, bir kilowattan fazla enerji elde edilebilir. Bu yolla hazırlanan modern güneş pillerinin enerji verimi yüzde 7-11 dolayındadır; yani ışınım enerjisinin ancak bu kadarlık bir bölümünü elektrik enerjisine dönüştürebilir. Güneş ışınımı yoğunluğunun düşük olması da dikkate alındığında, fotopillerden bugün ancak hesap makinesi ve saat gibi zayıf akımlar gerektiren aygıtlarda pratik olarak yararlanılabilmektedir. Meteoroloji ve haberleşme uydularında kullanılan güneş pilleri çok daha büyük donanımlardır.
Güneş enerjisinden, daha küçük ölçekli başlıca uygulamalarda da yararlanılmaktadır. Örneğin bazı ülkelerde, yemek pişirmekte kullanılan özel tasarımlanmış güneş ocakları vardır. Ayrıca, deniz suyunun buharlaştırılması yoluyla tuz üretiminde de Güneş enerjisinden yararlanılabilmektedir.
Bir gün boyu Yer’in Güneş’ten aldığı ışınım enerjisinin miktarı, dünya elektrik üretim kapasitesinin 200 bin katıdır. Bu, devasa bir enerji potansiyeli demektir. Güneş enerjisinden herkes serbestçe yararlanabilir, ama bunun uygulamaya konabilmesi için, kurulması gereken toplama, dönüştürme ve depolama aygıtlarının maliyeti, pratik kullanım açısından henüz çok yüksektir.

Güneş ışığı

Yer yüzeyinden görülebilir olan Güneş ışınımı.
Yüzeye düşen Güneş ışığı miktarı, gündüz sırasındaki bulut örtüsüne bağlıdır. Yeryüzünde Büyük Sahra gibi bazı bölgeler, yılda 4 bin saatin üzerinde güneş ışığı alırlar; bu rakam, olanaklı miktarın yaklaşık yüzde 90’ıdır. Ama İrlanda ve İzlanda gibi sık sık fırtınaların görüldüğü kimi bölgelerde bu miktar yılda 2 bin saatin altındadır. Orta enlemlerdeki bölgelerin çoğunda ise, sabah erken saatlerde ve öğleden sonraları gökyüzü büyük bulutlarla kaplanır, bu nedenle de gün boyunca buralara düşen güneş ışığı miktan düzenli olarak değişir.

Güneş ışığı genellikle üç büyük bileşene ayrılır:
1) Görünür bölge, yani ışınımın 0,4-0,8 /JL dalgaboyları arasında kalan bölümü (1 /JL [mikron] = 10~6 m);
2) morötesi bölge, yani ışınımın 0,4 /Ldan daha kısa dalgaboylu bölümü;
3) kızılötesi bölge, yani ışınımın 0,8 /JLdan daha uzun dalgaboylu bölümü.

Gözle görülebilir ışınıma ışık denir; ama bugün ışık sözcüğünün tanım kapsamına görülebilir ışınımın en kısa dalgaboyuna hemen bitişik gözle görülmeyen bölge olan morötesi ışınım da alınmıştır. Gözle görülebilir bölüm, yeryüzüne düşen toplam ışınımın yaklaşık yarısını oluşturur. Öte yandan morötesi ışık toplam ışınımın çok küçük bir bölümünü oluşturmakla birlikte son derece önemli bir bileşenidir. Vücutta ergosterolü etkin duruma getirerek D vitamini üretimini sağlar, ayrıca mikroplar üzerinde öldürücü etkide bulunur.

Ne var ki, bugün büyük kentlerin üzerindeki kirli hava kütleleri, Güneş ışınımındaki morötesi ışığın önemli bir bölümünü tutmaktadır. Kızılötesi ışınımın en önemli özelliği ısı üretme yeteneğidir. Yer yüzeyinde alınan toplam Güneş ışınımının yaklaşık yarısı kızılötesidir.

Güneş ışınımı atmosferden geçerken, atmosferin çeşitli bileşenleri tarafından soğurulur ve zayıflar. Ayrıca, hava molekülleri ve toz parçacıklarınca saçılıma uğratılır. Işığın kısa dalgaboylu bileşenleri (örn. mavi), daha uzun dalgaboylu bileşenlerine (örn. kırmızı) oranla daha fazla saçılır. Bu olay, günün çeşitli zamanlarında gökyüzünün renginin değişmesine yol açar. Güneş tepedeyken, ışınlar atmosferi hemen hemen dik bir doğrultuda geçer, bu nedenle de daha az miktardaki toz parçacığının ve molekülün etkisinde kalır. Buna karşılık Güneş ufka yakınken, ışınlar atmosferde daha uzun bir yol kat eder ve daha bol miktardaki parçacığın ve molekülün etkisinde kalır; bu durumda ışığa egemen olan mavi dalgaboyları saçılıma uğrayarak tutulur ve geriye kalan kırmızı dalgaboyları Yer’e ulaşır, bu nedenle de şafak ve grup zamanında gökyüzü kırmızı görünür.

Güneş ışınımını etkin olarak soğuran bir madde de ozondur. Yer’den yaklaşık 32 km yükseklikte, fotokimyasal süreçler sonucunda oluşan ozon katmanı, 0,3 /JL dan daha kısa dalgaboylu ışınımın büyük bölümünü tutar. Uzun dalgaboylu ışınımları ise temel olarak su buharı soğurur. Kızılötesi bölgedeki ışınımları tutan bir başka soğurucu madde de karbon dioksittir. Su buharı ve karbon dioksit kütleleri Güneş enerjisinin dalgaboyu 1 jn’dan daha uzun olan bölümünün büyük kısmını soğurur.

Yeryüzünün belirli bir bölgesinin güneş ışığı alma süresini (güneşlenme süresi) ve Güneş ışığının şiddetini ölçmeye yarayan birçok araç geliştirilmiştir. Eppley pirhelyometresi (güneşölçer) her iki işlevi de görür. Alanları eşit eşmerkezli iki gümüş halkadan oluşan aygıtın halkalarından biri karartılmış, öteki ise beyazlaştırılmış ve ikisi birden bir termopile bağlanmıştır. Güneş ışınları siyah halkayı beyazdan daha çok ısıtır ve bu sıcaklık farkı Güneş ışığının şiddetiyle orantılı bir elektromotor kuvvet oluşturur. Elektromotor kuvvet otomatik olarak ölçülerek kaydedilir ve gün boyunca güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti düzeylerini ve değişimlerini gösteren sürekli bir çizelge elde edilir.

Güneş ışınımı

Güneş’ten salınan elektro-magnetik enerji.
Morötesi ve kızılötesi ışınımlar, X ışınları ve radyo dalgalarının yanı sıra görülebilir ışığı da içerir. Güneş her saniye 3,8 x İO33 erglik enerji yayar. Bu enerjinin 120 milyonda birini Güneş sistemindeki gezegenler ve bunların uyduları soğurur. Bunun Yer tarafından alınan küçük bölümü (m2’ye yaklaşık 1 kW), yeryüzündeki yaşamın ve doğal süreçlerin sürmesi açısından büyük önem taşır {bak. güneş sabiti). Güneş’ten en yüksek enerji 0,47 /JL (1 /JL [mikron] = 10 6 m) dalgaboyunda salınır. Güneş yüzeyinin her santimetre karesinden yaklaşık 8 kW’lık enerji yayılır.

GÜNEŞİN ENERJİ ÜRETİMİ VE EVRİMİ
Değişik olası modellerin bilgisayarla çözümlenmesi yoluyla Güneş’in iç yapısının milyarlarca yıllık bir süreyi kapsayan evrimi incelenebilmektedir. Güneş’teki çekirdek tepkimelerinden kaynaklanan ve Yer’e ulaşan nötrinoların incelenmesiyle Güneş’in iç sıcaklığının 20 milyon K’den düşük olduğu belirlenmiştir. Güneş saniyede 3,86xl033 erglik enerji yaymaktadır. Kütle-enerji eş-değerliği (e=mc2) uyarınca bu, Güneş’in saniyede 4,7 milyon ton kütle kaybettiği anlamına gelir; bir başka deyişle Güneş, yılda kütlesinin 10n’de birini kaybetmektedir. Böylesine büyük bir enerji ancak çekirdek tepkimeleri yoluyla açığa çıkabilir.

Bu tepkimeler içinde en önemlisi proton-proton tepkimesi olarak adlandırılan çekirdek kaynaşması (füzyon) zinciridir. Bu tepkime zincirinde, her birinin çekirdeği bir protondan oluşan iki hidrojen atomu kaynaşarak bir döteryum (ağır hidrojen) atomu oluşturur. Döteryum atomu bir protonla çarpışarak helyum-3 izotopuna dönüşür; iki helyum-3 atomu ile çarpışarak kararlı bir helyum-4 atomu oluşturur. Bu tepkime zinciri sonunda hidrojen atomları helyum atomlarına dönüşmüş olur ve çok büyük bölümü gamma ışını biçiminde olmak üzere büyük bir enerji açığa çıkar. Çıkan enerjinin küçük bir bölümü de (y. yüzde 5) tepkimelerde oluşan nötrinolar tarafından taşınır. Günümüzde Güneş ağırlıkça yüzde 60 hidrojenden oluşmaktadır. Güneş’in kütlesinde ve yaydığı enerjide sezilebilir bir değişme ancak 6xl09 yıllık bir sürede ortaya çıkabilir. Bu da, yerkabuğunun oluşmasından bu yana geçen 4,5xl09 yıldan beri Güneş’in hemen hemen değişmeden kaldığı anlamına gelir.

Güneş’in bundan sonraki evriminin öteki yıldızların evrimine benzeyeceği söylenebilir. Sonunda bütün hidrojen tükenecek ve helyum ile daha ağır atomlar arasında oluşacak tepkimeler başlayacaktır. Bunun sonucu olarak Güneş, boyutları büyüyüp parlaklığı artarak, bir kırmızı dev yıldıza dönüşecektir. Hesaplar Güneş’in bu evreye birkaç milyar yıl sonra ulaşacağını göstermektedir. Sonunda, bütün nükleer enerji kaynakları tükenince, beyaz cüce evresine geçecek olan Güneş’in çapı günümüzdeki çapının 1/100’ü kadar olacaktır. İç sıcaklığı ve parlaklığı giderek azalacak olan Güneş, yoğunluğu çok yüksek, hiç enerji çıktısı olmayan ve yozlaşmış maddeden (çevre elektronlarını kaybetmiş atomlar topluluğu) oluşan bir kara cüceye dönüşecektir. Güneşin toplam ömrü birkaç 1010 yıl olarak tahmin edilmektedir.

Güneş’ten elde edilebilecek enerji