Fotovoltaik enerji nasıl çalışır?

Yenilenebilir enerjilerin yaygınlaşmasıyla birlikte güneş enerjisinin kullanımı da arttı, peki güneş fotovoltaiklerinin nasıl çalıştığını ve evinize nasıl ulaştığını biliyor musunuz?

Güneş, gökyüzümüzü kaplayan ve neredeyse tüm insan kültürlerinin etrafında döndüğü, döndüğü ve (kelimenin tam anlamıyla) dönmeye devam edeceği o akkor küre. Giderek daha az mistik bir insanlık tarafından yok edilmekten çok uzak olan kültürel ve dini bir tapınma, artık enerji aracılığıyla bilimsel olarak kullanılıyor. Ve gerçek şu ki, diğer yıldızların yaşına kıyasla neredeyse yetişkin sayılabilecek bu 4,6 milyar yıllık yıldız, Dünya’daki yaşam için hayati önem taşıyor (bu noktada nedenini açıklamaya gerek olmadığını düşünüyoruz) ama aynı zamanda…temiz, sürdürülebilir ve tükenmez enerji üretimi: güneş fotovoltaikleriBöylece, sadece birkaç on yıl içinde, enerji açısından bakıldığında, sırtımızı güneşe dönerek yaşamaktan, güneşimizin potansiyelinden elektrik üretmek için yararlanmaya başladığımız bir fotovoltaik ateşe dönüştük. Peki, fotovoltaik güneş enerjisinin nasıl çalıştığını hiç merak ettiniz mi? İşte bugün sizi bu konuda aydınlatacağız; güneş kreminizi sürün ve başlayalım.

Belki de ilk ve en gerekli şey, fotovoltaik güneş enerjisinin ne olduğunu açıklamaktır. Bu enerji türü, temelde elektromanyetik radyasyonun bir malzemeye, yani fotovoltaik panellerin yüzeyinde bulunan fotovoltaik hücrelere düşmesi sonucu elektronların (daha sonra elektriğe dönüşecek olan) emisyonundan oluşan fotoelektrik etki sayesinde güneş radyasyonunun elektriğe dönüştürülmesiyle elde edilir. Bu durumda, boyutları ve teknolojileri ne olursa olsun, fotovoltaik panellerin yüzeyinde bulunan fotovoltaik hücreler söz konusudur. Bunlar da, silikon veya diğer malzemelerden yapılmış bir dizi elektrik yarı iletken malzeme katmanına sahiptir ve bu katmanlar, güneş radyasyonunun geçmesine izin veren ve enerji kaybını en aza indiren camsı bir filmle kaplıdır. Ancak şu anda en gelişmiş tesislerde maksimum verimlilik %20’dir. Bu şekilde, içeride kalan güneş ışınları, elektrik tesisatına aktarılan bir elektrik devresinden geçen bir elektrik alanı oluşturarak fotovoltaik plakanın içinde “hapsolur”.

Bilimin “sihri” sayesinde, yoğunluğu kurulum kapasitemiz dahilinde üretebileceğimiz gücü belirleyecek olan sevgili güneş ışınlarımız zaten elektrik devremizde hapsolmuş durumda. Şimdi onları kullanabileceğimiz gerçek elektrik enerjisine dönüştürme zamanı.

“Tutsak” fotonlar elektronları serbest bıraktıkça, fotovoltaik plakanın devresi üzerinden giderek daha fazla elektrik üretirler. Ancak bu plaka, üretilen tüm elektronlardan yararlanamaz ve onları daha sonraki bir aşamada sürece tekrar girebilmeleri için sözde negatif panele yönlendirir. Böylece, bu döngüsel süreç, doğru akım olarak bildiğimiz ve pillerde depolanan, daha sonra açıklamamızın ikinci ana kahramanı olan voltaj invertörlerinin çalışması sayesinde alternatif akıma (evde tükettiğimiz akıma) dönüştürülen akımın üretilmesini sağlar.

Bu invertörler hayati önem taşır, çünkü onlarsız fotovoltaik güneş enerjisinden yararlanmak imkânsız olurdu. Bu nedenle, bu cihazların çalışması, DC’den AC’ye dönüşüm sayesinde enerjinin akımını evdeki herhangi bir prizde bulabileceğimiz akımla eşleştirir. Akım dönüşümüne duyulan bu ihtiyacın açıklaması, adından da anlaşılacağı gibi doğru akımın tek yönlü, düzenli bir akış sağlaması, alternatif akımın ise sürekli değişen bir güç ve yön sayesinde çalışmasıdır. Bu şekilde invertörler, doğru akımın yönünü sabit akımdan alternatif akıma çevirerek, elektrikli cihazlarımızın özgül voltajını alternatif akıma uyarlamak çok daha kolay olduğundan, ev kullanımımızda bundan faydalanabilmemizi sağlar.

İşte tam bu noktada, açıklamaya devam edebilmek için mevcut fotovoltaik tesislerinin türlerine bakmamız gerekiyor. Temel olarak bunları iki ana gruba ayırabiliriz:

• Şebekeye bağlı fotovoltaik sistemler
• Şebeke dışı fotovoltaik sistemler

İşleyişlerindeki farklılıklara ve bunların kullanımını sağlamak için hangi diğer unsurların devreye girdiğine bakalım.

Şebekeye bağlı güneş fotovoltaik sistemleri

Bu tür tesisler, ister kendi kendine tüketim tesisleri (kendimize “bedava” enerji sağlamak için evlerimize kurduğumuz tesisler) olsun, ister bir enerji santrali (fotovoltaik güneş enerjisi üreten ve bunu farklı tüketicilere dağıtan büyük bir tesis) olsun, büyük elektrik şebekesine bağlanır; şebekenin (kendi kendine tüketim durumunda) ve üretim (enerji santralleri durumunda) fazlalıklarla beslenmesine olanak tanır.

İşte bu noktada, konut ve merkezi tesisatlar arasında ayrım yapmak gerekir; çünkü bunların doğru çalışmasını sağlamak için devreye giren unsurların sayısı çoktur.

• Evsel tesisatlarda, alternatif akıma dönüştürülen elektrik enerjisi, akülere aktarılır ve elektrikli cihazlarımız tarafından tüketilir veya tüketilmeyi bekleyerek depolanır. Fazla enerji ise tüketiciler tarafından kullanılmak üzere kamu elektrik şebekesine gönderilir.
• Fotovoltaik santrallerde süreç çok daha karmaşıktır, çünkü elektrik üretildikten sonra şebekeye verilmesi ve orada tüketilmesi için çok ilginç bir yolculuğa başlaması gerekir.

Böylece, üretilen elektrik invertörden geçtikten sonra, tüm sürecin kilit bir unsuru olan dönüşüm ve dağıtım merkezinden geçmek zorundadır. Bu cihaz, voltajı yükselterek verimliliği artırır ve enerji kayıplarını azaltır, böylece elektrik şebekeye aktarılabilir ve şebeke de elektriği tüketim noktalarına iletir.

Elektrik tüketim noktalarına yaklaştığında trafo merkezinden geçerek voltajı düşürülür ve kullanıma hazır hale getirilir.

Şebeke dışı güneş fotovoltaik sistemleri

Bu ikinci sınıflandırma en az yaygın olanıdır, ancak tarım gibi sektörlerde ve uzak veya erişimi zor yerlerde oldukça yaygındır. Bunlar temel olarak, özerk tesislerin enerji ihtiyacını karşılamak için “enerji adaları” olarak bilinen yerlerde faaliyet gösteren tesislerdir. Dolayısıyla, ana elektrik şebekesine bağlı olmadıkları için daha fazla şalt cihazı gerektirmedikleri için işletim açısından çok daha basit olan bu tür fotovoltaik tesisler, aydınlatma, plantasyonlardaki sulama sistemleri veya dizel jeneratörler gibi diğer üretim sistemlerine destek olarak elektrik üreteci olarak işlev görebilir.

Bunu yapmak ve enerjinin güneş panelinden geçip akülerimizde güvenli bir şekilde depolandığı noktaya geri dönmek için, bu tesislerin çalışma açısından onları farklılaştıran başka bir ek unsura daha ihtiyacı vardır: regülatörler. Bu unsur, temelde aküyü elektriksel aşırı yüklere veya biriken enerjinin olası verimsiz veya sorumsuzca kullanımına karşı koruyan bir sistem görevi görür. Bu şekilde, iyi korunan aküler, enerjiyi özerk elektrik şebekesine (kablolama ve evsel/tarımsal/endüstriyel tesis) aktarır ve ikincisi de bu enerjiyi kullanır. İşte bu kadar basit.

Güneş fotovoltaikleri: sürdürülebilir ve ucuz

Yakın zamana kadar, diğer yenilenebilir enerji üretim kaynaklarında olduğu gibi, fotovoltaikler hakkındaki tartışmalar da hararetliydi. Güneşli “fotovoltaik gökyüzünü” kaplamakla tehdit eden bulutlar, bir enerji kaynağı olarak kendi uygulanabilirliği konusundaki şüphelerden başka bir şey değildi. Her teknoloji gibi, fotovoltaik de ilk aşamasında bir maliyet aşımı bedeli ödedi; ancak yıllar içinde çok yönlülüğünü kanıtladıktan sonra, teknolojik olgunluğu ve kurulum maliyetlerindeki sürekli düşüşü sayesinde bu bedelin üstesinden gelmeyi başardı.

Böylece, sadece iki yıl önce, güneş fotovoltaiklerinin tarihinde bir dönüm noktası yaşandıUluslararası Enerji Ajansı (IEA)yıllık Dünya Enerji Görünümü 2020 raporunu yayınladı ve güneş enerjisinin yalnızca rekabetçi ve verimli olmakla kalmayıp, aynı zamanda “tarihin en ucuz elektriği” olduğunu belirtti – bu hiçbir şey. Bunun anahtarı, güneş enerjisi projelerinin sermaye maliyetidir; bu, güneş enerjisinin megavat saat başına 20 dolardan daha düşük bir fiyata üretilmesini sağlar ve bu, finansman kuruluşlarının yüksek kârlılığı nedeniyle yeni güneş enerjisi projelerinin geliştirilmesi için sermaye sağlanmasına olumlu bakmalarının nedenlerinden biridir.

Günümüzde fotovoltaik güç üretim kapasitesi1.000 GW’lık psikolojik bariyerKüresel elektrik şebekesine 168 GW kapasitenin eklendiği mükemmel 2021 yılının katkısı sayesinde. Bu,SolarPower Avrupa‘S Güneş Enerjisi için Küresel Pazar GörünümüRaporda ayrıca, PV sektörünün yıllık kurulum rekorunu kırdığı dokuzuncu yıl olduğu da belirtiliyor. Bu eğilimin, güneş enerjisi kurulumlarının ilk kez 200 GW’ı aşacağı tahmin edilen 2022’de de tekrarlanması bekleniyor.