Yoğunlaştırmalı güneş enerjisi

Yek-odaklı güneş enerjisi santralleri veya Konsantre güneş enerjisi sistemleri, aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleri vasıtasıyla geniş bir alana düşen güneş ışınlarını nispeten küçük bir alana yansıtma esasına dayanır. Küçük bir alana odaklandırılan güneş ışınları, klasik enerji santrallerinde ısı kaynağı olarak ya da güneş panellerine düşürülerek elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılır.

Konsantre güneş ışığı, antik Çin döneminden beri birçok yararlı işte kullanılmıştır. Efsaneye göre, Arşimet cilalanarak parlatılmış kalkanlar vasıtasıyla güneş ışınlarını Roma donanmasına karşı kullanmış ve onların Siraküza kuşatmasından geri çekilmelerini sağlamıştır. İlk kez 1866 yılında, Auguste Mouchout parabolik aynalar kullanarak buhar kazanı için gerekli olan buharı üretmiştir. Bu çalışmanın üzerinden 50 yıl sonra, John Ericsson ve Frank Shuman adlı mucit kişiler sulama, soğutma ve devinme elde etmek için konsantre güneş ışığı – güç ünitelerini kurmuşlardır. 1913 yılında Shuman 55 HP’lık bir parabolik güneş-termal enerji santralini Meadi, Mısır’da sulama amacıyla kurmuştur.

Konsantre güneş enerji santralleri üçe ayrılır:

Konsantre termal güneş enerjisi santralleri (CSP ya da CST)

Konsantre fotovoltaik güneş enerjisi santralleri (CPV)

Konsantre termal-fotovoltaik güneş enerji santralleri (CPT)

Konsantre termal güneş enerjisi santralleri (CSP) yenilenebilir ısı enerjisi ya da elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılırlar. CSP sistemleri aynalar ve bu aynalara bağlı güneşi izleme sistemleri vasıtasıyla geniş bir alana düşen güneş ışınlarını tek bir küçük alana odaklar. Konsantre edilmiş gün ışığı daha sonra klasik enerji santrallerine gereken ısıyı üretmekte kullanılmış olur. Bunun yanı sıra, üretilen ısı enerjisi başka amaçlar için de kullanılabilir.

Konsantre güneş enerjisi teknolojileri geniş bir alanda, Dish Stirling motoru, solar enerji kulesi, CLFR, solar baca gibi örneklerle hayat bulmuştur. Her bir odaklama yöntemi yüksek sıcaklıkların elde edilmesini ve buna paralel olarak yüksek termodinamik verimliliği sağlamaktadır. Ancak, bu yöntemlerin güneşi takip mekanizmaları ve güneş enerjisinden faydalanma biçimleri birbirinden farklıdır. Teknolojide yaşanan ilerlemeler sayesinde, bu konsantre güneş enerjisi yöntemleri günden güne uygun maliyetli hale gelmektedir.

Parabolik oluklar, parabolik (çukur şeklindeki) yansıtıcıların, yansıtıcıların odak noktasına yerleştirilmiş bir alıcıda güneş ışığını toplamaları ile çalışır. Buradaki alıcı, yansıtıcıların odak noktaları doğrultusunda uzanan ve içinde çevrim akışkanının bulunduğu bir tüpten oluşur. Yansıtıcı, gün boyunca güneşi takip mekanizmaları ile takip eder. Çevrim akışkanı, alıcı içinde ilerletilirken (erimiş tuz vd.) 150-350 °C civarında ısınır. Ardından, ısı enerjisi kaynağı olarak enerji üretim tesisinde kullanılır. Parabolik oluk sistemler, CSP teknolojileri arasında en gelişmiş olanıdır. Bu teknolojinin örnekleri arasında dünyanın en geniş üretim tesisi olan Kaliforniya’daki SEGS (The Solar Energy Generating Systems) santrali, Boulder City, Nevada’da kurulan Acciona şirketinin Nevada Solar One santrali ve İspanya’da SSPS-DCS (Plataforma Solar de Almería) santrali sayılabilir.

Yoğunlaştırılmış doğrusal Fresnel yansıtıcıları, güneş ışığını parabolik aynalarla yansıtmak yerine çok sayıda ince ayna dizileri kullanarak içinde çevrim akışkanı dolaşan bir çift tüpe yansıtan CSP santralleridir. Bu sistem parabolik sisteme göre düz aynaların parabolik aynalara göre ucuz olmasından ötürü daha az maliyetlidir. Bunun yanı sıra, aynı büyüklükte bir alana parabolik sisteme nazaran daha çok yansıtıcı konulabilir. Bu da, aynı büyüklükte bir alandan daha fazla kullanılabilir gün ışığı toplamak manasına gelmektedir. Yoğunlaştırılmış doğrusal Fresnel yansıtıcıları, bu kertede geniş kapasiteli ve gelişmiş santrallerde kullanılmaya başlanmıştır.

Dish Stirling ya Stirling motoru sistemi tek başına bir parabolik yansıtıcı ile bu yansıtıcının odak noktasında bulunan bir alıcıdan oluşmaktadır. Yansıtıcı, bu sistemde, güneşi iki eksenden takip eder. Alıcı içerisinden geçen çevrim akışkanı 250-700 °C seviyesinde ısıtılır ve ardından Stirling motorunda enerji üretimi maksadıyla kullanılır. Dish Stirling sistemleri CSP teknolojileri arasında güneş enerjisinden elektrik enerjisine dönüşümde en yüksek verimliliği sağlayan sistemdir. Buna ek olarak, taşınabilir yapısı sistemin ölçeklenirliğini sağlar. Bu teknolojinin somut örneği olarak Kanberra, Avustralya’daki Big Dish santrali gösterilebilir.

Güneş bacası, geniş transparan (genelde tamamen camdan) bir odadan oluşur. Güneş sera etkisine benzer biçimde oda içindeki havayı ısıtır ve ısınan havanın bacada yükselmesine neden olur. Hava yükselmesi sayesinde türbinler çalışır. Türbinler vasıtasıyla da elektrik üretimi sağlanmış olur. Güneş bacası, tasarımı bakımından gerçekten basittir ve bu nedenle dünyanın gelişme sürecinde yaşayabilir bir seçenek oluşturabilir.

Güneş enerji kulesi, bir kulenin üzerinde bulunan merkezi bir alıcıdan ve bu alıcıya gün ışığını yansıtan bir dizi çift eksenli yansıtıcılardan (heliostat) oluşur. Kulenin tepesindeki alıcı, genelde deniz suyundan müteşekkil bir çevrim akışkanından bir depo bulundurur. Alıcı içindeki çevrim akışkanı 500-1000 °C seviyelerinde ısıtılır ve ardından enerji santralinde veya enerji depo sistemlerinde ısı enerjisi kaynağı olarak yararlanılır. Enerji kuleleri, parabolik oluk sistemlerden daha az gelişmiştir; ne var ki, daha yüksek bir verimlilik ve daha iyi bir enerji depolama kapasitesi sunmaktadır. Daggett, Kaliforniya’daki The Solar Two santrali ve Sanlucar la Mayor, İspanya’daki Planta Solar 10 (PS10) santrali bu teknolojinin örnekleri olarak gösterilebilir.

Konsantre Termal Güneş Enerjisi, Kuzey Afrika’nın kurak bölgelerinde ve Güney Avrupa’da elektrik üretmek ve ihtiyaç halinde olan bölgeler için tuzdan arındırılmış su temin etmek üzere temelleri atılmış olan ‘Trans-Mediterranean Renewable Energy Cooperation DESERTEC’ adlı kuruluşun esas teknoloji vasıtasını oluşturmaktadır.^[1]

Konsantre fotovoltaik sistemler yoğunlaştırılmış gün ışığını fotovoltaik yüzeylere düşürerek elektrik enerjisi üretimini sağlamayı amaçlar. Güneş yoğunlaştırıcılarının tüm çeşitleri bu sistemde kullanılabilir. Yanı sıra genellikle bu sisteme ek olarak güneşi gün içinde takip eden bir güneş takip mekanizması da yerleştirilir.

Konsantre fotovoltaik sistemler üzerinde ciddi ve değerli araştırma – geliştirme çalışmaları 1970’li yıllara kadar uzanmaktadır. Örnekleri ele almak gerekirse, düz yansıtıcılı yoğunlaştırıcı sistemler ilk olarak ABD’de Sandia Ulusal Laboratuvarları’nda test edilmiş ve kurulmuştur. İlaveten, konsantre fotovoltaik sistemlerin ilk modern prototipleri aynı isimli merkezde son 10 yıl içerisinde geliştirilmiştir. Bir sonraki sistem ise, akrilik Fresnel lens ile güneş ışığının su soğutmalı bir Si hücreleri ünitesine odaklandırılması ve iki eksenli güneşi izleme sisteminin buna eklenmesi olmuştur. Benzer düşünce diğer prototipler için de kullanılagelmiştir.

Gazışıl solar yoğunlaştırıcılar (luminescent solar concentrators) (bir PV hücresi ile bütünleştirildiği zaman) konsantre fotovoltaik sistemler olarak bahsedilebilir. Gazışıl solar yoğunlaştırıcılar PV panellerinin performansını çok güçlü bir biçimde arttırmaları bakımından kullanışlıdır.

Yarı iletken özellikler, uygun bir soğutucu elemanın hücre jonksiyon (cell junction) sıcaklığını düşük seviyelerde tutabildiği sürece, bir fotovoltaik hücresinin yoğunlaştırılmış gün ışığı altında daha verimli bir şekilde çalıştırılmasına imkân sağlar. Konsantre fotovoltaik sistemler güneşli havalarda temel olarak gün ışığının yoğunlaştırılmasının zor olduğu bulutlu veya kasvetli hava şartlarına göre daha yüksek bir verim değerinde çalışabilirler.^[2]