Fotovoltaik Teknoloji
Bölüm 3: Güneş Enerjisi
Güneşin Yapısı
Güneş Işınımı
Güneş Spektrumu
Toplam Güneş Işınımı
Güneş Işınımının Ölçülmesi
Dr. Osman Turan
Makine ve İmalat Mühendisliği
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Güneşin Yapısı
 Güneş, güneş sisteminin en uzak ve en büyük yıldızıdır.
 Dünya’ya uzaklığı yaklaşık 150 milyon kilometredir
 Çapı 1.392.000 kilometredir. Bu çap, Dünyanın 109 katıdır
 Kütlesi, Dünya kütlesinden 333.000 kat fazladır.
 Sıcaklık 15 Milyon oC.
Güneşin Yapısı
Güneşin Yapısı
 Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci (hidrojen gazının
helyuma dönüşmesi) ile açığa çıkan ışıma enerjisidir.
564 Milyon Ton / Saniye
Hidrojen
560 Milyon Ton / Saniye
Helyum
4 Milyon Ton / Saniye
Hidrojen
38 × 1022 kJ/saniye
 Güneş, enerjisini elektromanyetik ışımalar yaparak , güneş sistemine yayar.
Güneşin Yapısı
Güneşten Saniyede Açığa Çıkan Enerji
Dünya Yıllık Enerji Tüketimi
90 Milyar Varil Petrol Eşdeğeri
12 Milyar Ton Petrol Eşdeğeri (TEP)
38 × 1022 kJ
5 × 1017 kJ
750000
Güneşin Yapısı
Güneşten Dünyaya Gelen Enerji
Dünya Yıllık Enerji Tüketimi
90 Milyar Varil Petrol Eşdeğeri
12 Milyar Ton Petrol Eşdeğeri (TEP)
1.7 × 1014 kJ/saniye
5 × 1017 kJ/yıl
Güneşin Işınımı
 Güneş ışınları farklı dalga boylarında yayılır.
 Güneşten yayılan bu farklı dalga boylarındaki ışınların sıralı görünümüne güneş
spektrumu adı verilir.
Görünür Işık
Güneşin Işınımı
 Güneş ışınlarının sahip oldukları enerji, dalga boyuna bağlı olarak şu şekilde
tanımlanır:
h : Planck sabiti = 6.63×10-34 Js
λ : Dalga boyu (m)
c : Işık hızı = 3 x 108(m/s)
Enerji artar
Dalga boyu azalır
Güneşin Işınımı
Güneşin Işınımı
Mikrodalga Fırın Nasıl Çalışır ?
Güneşin Işınımı
 Dünyaya gelen güneş enerjisi, dalga boyları 0.1 – 3 μm arasında değişen
ışınlardan oluşur.
 Güneşten gelen ışınların dağılımı:
%9
Morötesi
% 45
Görünür ışık
% 46
Kızılötesi
 Güneş ışınları, güneş ile dünya
arasındaki mesafeyi yaklaşık 8 dk
alırlar (yani 3×108 m/s ışık hızı ile
hareket ederler).
Güneş Sabiti
Atmosfer dışındaki bir metrekarelik
alana dik olarak düşen güneş
ışınlarının enerjisi yaklaşık olarak
Isc= 1367 W/m2 değerindedir. Bu
değer güneş sabiti olarak bilinir.
Isc , güneş ile dünya arasındaki mesafenin (1.47 ×1011 –
1.52 ×1011) değişiminden kaynaklanan mevsimsel
farklardan dolayı ±% 3.5 oranında değişim gösterir.
Güneşin Işınımı
Zenit (Zirve) Açısı
θ = Zenit açısı
Güneş ışınımı ile yatay düzlemin normali
arasındaki açıdır.
Hava Kütlesi (Air Mass, AM)
Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisi miktarı, önemli
ölçüde güneş ışınlarının yeryüzündeki bir noktaya
göre konumuna bağlıdır. Söz konusu konum hava
kütlesi ( ) faktörü ile ifade edilir.
Hava kütlesi ( ) faktörü, güneş ışınlarının atmosferden geçerken
izlediği yolun, güneşin dik olduğu durumda izlediği yola oranıdır.
Hava kütlesi ( ) faktörü, güneş ışınlarının herhangi bir açıda
atmosferdeki geçtikleri hava kütlesinin, güneşin dik olduğu durumda
atmosferden geçtiği hava kütlesine oranıdır.
Güneşin Işınımı
Zenit açısının θ = 0o ve θ = 48o karşılık gelen
AM = 1 ve AM = 1.5 koşulları, fotovoltaik
teknolojisi ile ilgili çalışmalarda yaygın olarak
kullanılır.
Kosinüs Kuralı
Güneş ışınımı yüzeye dik olarak gelmediği durumlarda, yüzeye düşen güneş
ışınım miktarı, güneş ışınları ile yüzeyin normali arasında kalan açının kosinüsü
ile orantılı olarak azalır.
I
Ib
Güneşin Işınımı
Dünyamıza Gelen Güneş Işınımı Bilançosu
% 30 atmosfer
tarafından geri
yansıtılır.
% 20 atmosfer ve
bulutlarda tutulur.
Dünya yüzeyine ulaşan güneş
ışınlarının % 70 yansıtılır.
% 50 atmosferi
geçerek Dünya
yüzeyine ulaşır.
Güneşin Işınımı
 Güneş ışınlarının yaklaşık olarak % 50’si, atmosfer tarafından Dünya yüzeyine
gelmesi engellenir.
 Güneş ışınlarını atmosferde meydana gelen bu azalması iki şekilde meydana
gelir:
1)Rayleigh yayılımı
2)Ozon, Su Buharı, CO2 ve Oksijen tarafından soğrulma
Güneş Işınlarını Atmosferdeki Azalması
Rayleigh Yayılımı (Saçılımı)
Ozon, Su Buharı, CO2 ve Oksijen
tarafından soğrulma
Güneşin Işınımı
Rayleigh Yayılımı (Saçılımı)
Rayleigh Yayılımı, güneş ışınlarının atmosferde,
dalga boyundan daha küçük, herhangi bir gaz
molekülüne çarpması sonucu bütün
doğrultularda eşit olarak yayılmasıdır.
Yayılım etkisi ~ 1 / λ4
Mavi ışığın (λ = 400 nm) yayılması, kırmızı ışığın
(λ = 400 nm) yayılmasından daha fazladır.
Bu yüzden gökyüzü mavi görünür.
Güneşin Işınımı
Ozon, Su Buharı, CO2 ve Oksijen tarafından soğrulma
Güneşten çıkan ışınlar, atmosferi geçerken, atmosferi oluşturan çeşitli gazlar ve
toz parçacıkları tarafından soğurulurlar.
Yeryüzünün yaklaşık olarak 25 km yükseklikle, ozon tabakası olarak adlandırılan
ve güneş ışınlarının mor ötesi ışınlarını kesen bir katman bulunur.
Ozon tabakası λ < 320 nm olan mor ötesi (UV) ışınlarını soğurur. Bu işlem canlılar
için son derece önemlidir. Çünkü, mor ötesi (UV) ışınların cilde ve göze zarar
verici etkileri vardır.
Kızılötesi (IR) ışınların yaklaşık % 20’si su buharı ve CO2 tarafından soğurulur.
Yayılım (veya saçılma) olayının aksine soğrulma işleminde Güneş ışınlarından
enerji kazanılır ve atmosfer ısınır.
Güneşin Işınımı
 Belirli dalga boyuna sahip güneş ışınlarının atmosferde süzülerek yeryüzüne
gelirler.
 Atmosferdeki azalmanın bir sonucu olarak, yeryüzüne ulaşan toplam güneş
ışınımı, doğrudan ışınım ve yaygın ışınım olmak üzere iki farklı özelliğe sahiptir.
Toplam güneş ışınımı = Doğrudan ışınım + Yaygın ışınım
Doğrudan Işınım
Herhangi bir etkiye uğramadan, Dünya
üzerindeki herhangi bir yüzeye dik ve yön
değiştirmeden direkt olarak gelen ışınımdır.
Zenit açısına, AM faktörüne bağlıdır.
Yaygın Işınım
Gökyüzündeki bulutlar ve tozlar tarafından saçılmaya
uğratılmış ışınımdır. Bulutlu havalarda güneşten gelen
ışınımın tamamı yaygın ışınım şeklindedir.
Güneş Işınımı Ölçümü
Güneş Işınımı Ölçen Aletler
Doğrudan Işınım
Toplam Işınım
Yayılı Işınım
Pirheliometre
Piranometre
Piranometre
(Gölgelendirilmiş)
Doğrudan ışınım, güneş takip sistemi
kullanılarak pirheliometre tarafından
ölçülebilir. Bu aletler, çalışma mantığı
olarak piranometrelerin aynısıdır. Ancak,
bu aletlerde sensör, güneş ışınlarının
yönünde yerleştirilmişuzun bir borunun
altnda yer alır. Böylece, yayılı ışınım
bertaraf edillmiş olur.
Yayılı
ışınım,
doğrudan
ışınımı
gölgeleyerek piranometre tarafından
ölçülebilir. Bu tür piranometreye
gölgelenmiş piranometre adı verillir.
Güneş Işınımı Ölçümü
Sinyal
yükseltici
1
Dış cam kubbe : Güneş ışınlarını siyah gövde üzerine odaklamak amacıyla kullanılır.
2
İç cam kubbe : Güneş ışınlarını siyah gövde üzerine odaklamak amacıyla kullanılır.
3
Siyah gövde (Sensör): Güneş ışınlarını soğurarak toplar.
4
Destek gövde : Destek gövdeye, hiçbir şekilde güneş ışınımı gelmez.
5
Termopil: (Çok sayıda (50 ve üzeri) Termokuplın (yada ısılçiftin) seri olarak bağlanmasından oluşur, ısı
enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Isılçiftlerin bir ucu siyah cismin alt yüzeyine diğer ucu
ise destek gövde üst yüzeyine bağlıdır.
6
Çıkış kablosu : Üretilen elektrik sinyalini sinyal yükselticiye iletir.
7
Nem çekici : Hava içindeki su buharını absorbe ederek, su buharının (özellikle soğuk gecelerde)
yoğuşmasının önüne geçerek nem oluşumunu engeller.
8
Ayak
Okuyucu
Güneş Işınımı Ölçümü
Sinyal
yükseltici
Okuyucu
Piranometre Çalışma Prensibi
Piranometre, üzerine gelen güneş ışınımı, kubbe formundaki çift katlı cam ile
siyah cisim üzerine odaklanır. Siyah cisim, gelen güneş ışınımını soğurarak ısınır.
Böylece siyah cisme bağlı olan, ısıl çiftlerin ucu ısınarak sıcaklığı yükselir. Gövde
ucuna herhangi bir güneş ışınımı ulaşmadığı için, ısıl çiftlerin gövde ucuna bağlı
olan ucun sıcaklığı daha düşük kalır. Böylece, ısıl çiftin uçları arasında sıcaklık
farkından kaynaklanan, bir elektrik akımı oluşur. Elektrik akımının sinyali
yükseltici tarafından güçlendirilerek okuyucuya iletilir. Okuyucuda, güçlendirilen
elektrik akım sinyalinin, belirli zaman aralığında integrali alınarak güneş ışınımı
ölçülmüş olur.
Download

Bölüm 3_Güneş Enerjisi - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine