Güneş Enerji Santralleri: Türleri Bileşenleri ve Çalışma Prensipleri

Güneş enerjisi santralleri, güneş enerjisini elektrik üretmek için kullanan sistemlerdir. İki ana türde sınıflandırılabilir: fotovoltaik (PV) güç santralleri ve konsantre güneş enerjisi (CSP) santralleri. Fotovoltaik güç santralleri, güneş hücresi kullanarak güneş ışığını doğrudan elektrige dönüştürürken, konsantre güneş enerjisi santralleri, aynalar veya lensler kullanarak güneş ışığını yoğunlaştırır ve bir akışkanı ısıtıyor, bu da bir türbin veya motora güç sağlar. Bu makalede, her iki tip güneş enerjisi santralin bileşenleri, düzeni, işleyişi, avantajları ve dezavantajları açıklanacaktır.

Fotovoltaik Güç Santrali Nedir?

Fotovoltaik güç santrali, şebekeye bağlanmış ve güneş radyasyonundan büyük ölçekli elektrik üretmek üzere tasarlanmış bir PV sistemidir. Fotovoltaik güç santrali, aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

• Güneş modülleri: Bu, PV sisteminin temel birimleridir. Işık enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren güneş hücrelerinden oluşurlar. Güneş hücreleri genellikle fotonları soğurup elektronları serbest bırakan yarıiletken bir malzeme olan silisyumdan yapılır. Elektronlar devrede akar ve bir elektrik akımı oluşturur. Güneş modülleri, sistemin gerilim ve akım gereksinimlerine bağlı olarak, seri, paralel veya seri-paralel yapılandırmalarda yerleştirilebilir.

• Montaj yapıları: Bu, güneş modüllerini destekleyen ve yönlendiren çerçeveler veya raflardır. Konum ve iklime bağlı olarak sabit veya ayarlanabilir olabilir. Sabit montaj yapıları daha ucuz ve basittir, ancak güneşi takip etmez ve sistemin verimini azaltabilir. Ayarlanabilir montaj yapıları, güneş modüllerini güneşe doğru eğerek veya döndürerek enerji üretimini optimize edebilir. Manuel veya otomatik olabilir, kontrole ve hassasiyete göre değişir.

• Invertörler: Bu, güneş modüllerinin ürettiği dirençli akımı (DC) şebekeye beslenebilen veya AC yükler tarafından kullanılabilen alternatif akıma (AC) dönüştüren cihazlardır.

  

• Invertörler, merkezi invertörler ve mikro-invertörler olmak üzere ikiye ayrılabilir. Merkezi invertörler, birkaç güneş modülü veya diziyi birleştirir ve tek bir AC çıkış sağlar. Mikro-invertörler, her bir güneş modülüne veya panoya bağlanır ve bireysel AC çıkışları sağlar. Merkezi invertörler, büyük ölçekli sistemler için daha maliyet etkili ve verimlidir, mikro-invertörler ise küçük ölçekli sistemler için daha esnek ve güvenlidir.

• Şarj kontrolcüler: Bu, güneş modüllerinin veya dizilerinin gerilimini ve akımını düzenleyerek pillerin aşırı şarjlanmasını veya aşırı boşaltılmasını önleyen cihazlardır. Şarj kontrolcüler, daraltılmış genişlik modülasyonu (PWM) kontrolcüleri ve maksimum güç noktası izleme (MPPT) kontrolcüleri olmak üzere ikiye ayrılabilir. PWM kontrolcüler daha basit ve ucuza sahip, ancak şarj akımını açıp kapayarak bazı enerjiyi harcar. MPPT kontrolcüler daha karmaşık ve pahalı, ancak güneş modüllerinin veya dizilerinin maksimum güç noktasına uygun şekilde gerilimi ve akımı ayarlayarak enerji çıktısını optimize eder.

• Piller: Bu, güneş modüllerinin veya dizilerinin ürettikleri fazla elektriği, güneş olmadığı veya şebeke kapalı olduğunda daha sonra kullanılacak şekilde depolayan cihazlardır. Piller, kurşun-asit piller ve lityum-ion piller olmak üzere ikiye ayrılabilir. Kurşun-asit piller daha ucuz ve yaygın olarak kullanılır, ancak daha düşük enerji yoğunluğuna, daha kısa ömre ve daha fazla bakım ihtiyaç duyar. Lityum-ion piller daha pahalı ve daha az yaygındır, ancak daha yüksek enerji yoğunluğuna, daha uzun ömre ve daha az bakıma ihtiyaç duyar.

• Anahtarlar: Bu, güneş modüllerini, invertörleri, pilleri, yükleri veya şebekeleri gibi sistemin farklı parçalarını birbirine bağlayan veya ayırman cihazlardır. Anahtarlar, gerekli güvenlik ve kontrol seviyesine bağlı olarak manuel veya otomatik olabilir. Manuel anahtarlar, onları çalıştırmak için insan müdahalesi gerektirir, otomatik anahtarlar ise önceden belirlenmiş koşullara veya sinyallere dayanarak çalışır.

• Metreler: Bu, voltaj, akım, güç, enerji, sıcaklık veya radyasyon gibi sistemin çeşitli parametrelerini ölçüp gösteren cihazlardır. Metreler, gösterim türüne ve gerekli hassasiyete bağlı olarak analog veya dijital olabilir. Analog metreler, değerleri göstermek için iğneler veya göstergeler kullanır, dijital metreler ise sayısal veya grafiksel değerler gösterir.

• Kablolama: Bu, sistemin farklı parçaları arasında elektrik iletimi sağlayan tellerdir. Kablolar, DC kablosu ve AC kablosu olmak üzere ikiye ayrılabilir. DC kablosu, güneş modüllerinden invertörlere veya pillere dirençli akım taşırken, AC kablosu, invertörlerden şebekeye veya yüklerine alternatif akım taşır.

Fotovoltaik güç santralinin düzeni, site koşulları, sistem boyutu, tasarım amaçları ve şebeke gerekliliklerine bağlı olarak değişir. Ancak, tipik bir düzen üç ana bölümden oluşur: üretim bölümü, iletim bölümü ve dağıtım bölümü.

Üretim bölümü, güneş ışığından elektrik üreten güneş modüllerini, montaj yapılarını ve invertörleri içerir.

İletim bölümü, üretim bölümünden dağıtım bölümüne elektrik iletimi yapan kablolari, anahtarları ve metrekleri içerir.

Dağıtım bölümü, pil, şarj kontrolcü ve yükleri depolayan veya tüketen cihazları içerir.

Aşağıdaki diyagram, bir fotovoltaik güç santrali düzeninin bir örneğini göstermektedir:

Fotovoltaik güç santralinin işleyişi, hava durumu, yük talebi ve şebeke durumuna bağlıdır. Ancak, tipik bir işlem üç ana moddan oluşur: şarj modu, boşaltma modu ve şebeke bağlantılı mod.

Şarj modu, fazla güneş ışığı ve düşük yük talebi olduğunda gerçekleşir. Bu modda, güneş modülleri, yükler tarafından ihtiyaç duyulan elektrikten daha fazla elektrik üretir. Fazla elektrik, şarj kontrolcüleri aracılığıyla pillere şarj edilir.

Boşaltma modu, güneş ışığı olmadığı veya yüksek yük talebi olduğunda gerçekleşir. Bu modda, güneş modülleri, yükler tarafından ihtiyaç duyulan elektrikten daha az elektrik üretir. Eksik elektrik, invertörler aracılığıyla piller tarafından sağlanır.

Şebeke bağlantılı mod, şebeke mevcut olduğunda ve uygun tarifeli oranlar olduğunda gerçekleşir. Bu modda, güneş modülleri, invertörler aracılığıyla şebekeye beslenecek elektrik üretir.

Şebeke bağlantılı mod, şebeke kesintisi olduğunda ve yedek güç ihtiyacı olduğunda da gerçekleşebilir. Bu modda, güneş modülleri, invertörler aracılığıyla yükler tarafından kullanılacak elektrik üretir.

Konsantre Güneş Enerjisi Santrali Nedir?

Konsantre güneş enerjisi santrali, aynalar veya lensler kullanarak güneş ışığını alıcıya yoğunlaştıran ve bir akışkanı ısıtan, bu da bir türbine veya motora güç sağlayarak elektrik üreten büyük ölçekli bir CSP sistemidir. Konsantre güneş enerjisi santrali, aşağıdaki bileşenlerden oluşur:

• Toplayıcılar: Bu, yansıyan veya kırılan güneş ışığını alıcıya odaklayan cihazlardır. Toplayıcılar, parabolik kanallar, parabolik tepsi, doğrusal Fresnel reflektörler ve merkezi alıcılar olmak üzere dört türe ayrılabilir. Parabolik kanallar, odak çizgilerinde bir doğrusal alıcı tübüne odaklanan eğri aynalarıdır. Parabolik tepsi, odak noktasında bir nokta alıcısı üzerine odaklanan konkav aynalarlardır. Doğrusal Fresnel reflektörler, üstlerindeki doğrusal alıcı tübüne yansıyan düz aynalarıdır. Merkezi alıcılar, tepelerinde bir nokta alıcısı bulunan düz aynaların bir dizisinden oluşan kulelerdir.

• Alıcılar: Bu, yoğunlaşmış güneş ışığını absorbe eden ve bir ısı aktarım akışkanına (HTF) aktaran cihazlardır. Alıcılar, dış alıcılar ve iç alıcılar olmak üzere ikiye ayrılabilir. Dış alıcılar atmosfere maruz kalır ve konveksiyon ve radyasyon nedeniyle yüksek ısı kayıpları yaşar. İç alıcılar vakum odasında kaplıdır ve yalıtım ve vakum nedeniyle düşük ısı kayıpları yaşar.

• Isı aktarım akışkanları: Bu, alıcılar boyunca dolaşan ve toplayıcıların topladığı ısıyı güç bloğuna taşıyan akışkanlardır. Isı aktarım akışkanları, termal akışkanlar ve erimiş tuzlar olmak üzere ikiye ayrılabilir. Termal akışkanlar, yüksek kaynama noktalarına ve düşük donma noktalarına sahip sentetik yağlar veya hidrokarbonlar gibi organik sıvılardır. Erimiş tuzlar, yüksek ısı kapasitesine ve düşük buhar basıncına sahip inorganik bileşiklerdir, örneğin sodyum nitrat veya potasyum nitrat.

• Güç bloğu: Bu, bir türbine veya motora bağlı bir jeneratör kullanarak ısıdan elektrik üretilen yerdir. Güç bloğu, buhar döngüsü ve Brayton döngüsü olmak üzere ikiye ayrılabilir. Buhar döngüsü, suyu HTF olarak kullanır ve bir buhar türbinine bağlı bir elektrik jeneratörüne beslenecek buhar üretir. Brayton döngüsü, havayı HTF olarak kullanır ve bir gaz türbinine bağlı bir elektrik jeneratörüne beslenecek sıcak hava üretir.

• Depolama sistemi: Bu, güneş olmadığı veya yüksek yük talebi olduğunda daha sonra kullanılacak fazla ısı depolandığı yerdir. Depolama sistemleri, sensibel ısı depolama ve latent ısı depolama olmak üzere ikiye ayrılabilir. Sensibel ısı depolama, ısıyı artırmak için sıcaklıklarını artırarak faz değiştirmeden ısı depolayan kayaç, su veya erimiş tuz gibi malzemeler kullanır. Latent ısı depolama, faz değişim malzemeleri (PCMs) veya termokimyasal malzemeler (TCMs) gibi malzemeler kullanır, bu malzemeler faz veya kimyasal halini değiştirerek sıcaklıklarını değiştirmeden ısı depolar.

Konsantre güneş enerjisi santralinin düzeni, site koşulları, sistem boyutu, tasarım amaçları ve şebeke gerekliliklerine bağlı olarak değişir. Ancak, tipik bir düzen üç ana bölümden oluşur: toplama alanı, güç bloğu ve depolama sistemi.

Toplama alanı, toplayıcıları, alıcıları ve HTF'leri içerir, bunlar güneş ışığından ısı toplar ve taşır.