GÜNEŞ HÜCRELERİ

Güneş hücreleri genel anlamda güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirirler. Güneş ışığındaki fotonlar elektronları yarı iletken metalik silikon pulun bir katmanından diğerine hareket ettiren enerjiyi sağlarlar. Elektron hareketleri ise elektrik akımını oluşturur.

Günümüzde yaygın olarak silikon ve galyum arsenit olmak üzere iki tip hücre kullanılır. Bunlar farklı sınıfta ve değişken etkinliktedirler. Yeryüzündeki uygulamalarda yaygın olarak silikon hücreler kullanılırken, uzay sanayinde (uydularda) galyum arsenit hücreler kullanılır.

Güneş hücresinin en üstteki katmanları yüksek geçirgenli koruyucu katmanlardır. Güneş hücreleri çok kırılgandır, bu yüzden çatlama ve kırılmalara karşı korumaya ihtiyaç vardır (bu esnada mutlaka bir miktar güç kaybı olur). Bu katmanlara gelen ışık, silikon veya galyum arsenit’e çarpar. P ve N tabakalarının farklı özelliklerinden dolayı güneşten gelen enerji hücreye temas ettiği anda P tabakasından N tabakasına doğru elektron hareketi oluşur. P ve N uçlarına birer kablo bağlanırsa artık güneş hücresi artı ve eksi kutupları olan, güç kaynağı gibi kullanılabilen bir pil gibidir.

Stock sınıfı arabalar ticari olarak uygun olan doğal silikon hücreler kullanırlar. Birçok sayıda güneş hücresi (yaklaşık 1,000 adet) birleştirilerek güneş panelleri oluşturulur. Motor kullanımına bağlı olarak bu paneller 50-200 V arasında gerilim ve 2,000 Watt civarında güç üretirler. Güneşin yoğunluğu, bulutların durumu ve sıcaklık panelin çıkışını etkiler.

Open tip araçlarda her tipte hücre kullanımına izin verilir. Bu seçim esnekliğinden dolayı birçok takım uzay tipi hücreler kullanır. Bu hücreler genellikle sıradan hücrelerden daha ufak boyutlu ve daha pahalıdırlar. Bununla birlikte daha etkilidirler. Stock tipi ve açık tip paneller arasında güç olarak yaklaşık 1,000 watt kadar fark varken fiyat konusunda aralarında yaklaşık 10 kat fark vardır.

Fotovoltaik hücreler nispeten yeni bir teknolojidir. Bu hücrelerin gelişimi ve kullanımı uzay turizminin ve haberleşme uydularının bir parçası olarak başlamıştır.

BİR GÜNEŞ ARABASINDAKİ ENERJİ AKIŞI

Güneşten gelen enerji tam gün boyunca yeryüzüne çarpar. Ancak enerji miktarı gün içerisindeki zamana, havanın durumuna ve geometrik konuma göre değişir. Kullanılabilir güneş enerjisi miktarı güneş ışınımı olarak bilinir ve genelde birim alana düşen güneş gücü (W / m²) olarak ölçülür. Kuzey Amerika’da güneşli bir günde öğlen vaktinde ışınım yaklaşık 1,000 W / m² olarak ölçülür fakat sabah, akşam ya da kapalı bir havada bu ölçüm neredeyse 0 W / m² ye kadar düşecektir. Takımların güneş enerjisinden maksimum seviyede yararlanmak için oluşturulan düzende ışınımın etkisini göz önünde bulundurmaları gerekmektedir.

Güneş ışığı güneş panelindeki elektrik akımı üreten hücreler tarafından soğurulur. Enerji (akım) piller üzerinde depolanabilir, direk olarak aracı beslemek için motor kontrol devresine gönderilebilir ya da bu iki durumun kombinasyonu şeklinde kullanılabilir.

Tipik olarak araç hareket halindeyken güneş ışınlarından elde edilen enerji direk olarak motor kontrol devresine verilir. Fakat bazen güneş panelleri motor kontrol devresinin ihtiyacı olandan daha fazla enerji üretebilir. Bu durumda üretilen fazla enerji daha sonra kullanmak amacıyla pillerde depo edilir.

Güneş panelleri motoru arzu edilen hızda sürmek için gerekli olan enerjiyi üretemediği zamanlarda, panellerden gelen enerji bataryada depolanan olan enerjiyle desteklenir. Araç hareket halinde değilken panellerden gelen enerjinin tamamı pillerde depo edilir.

Araç sürüşü esnasında bir miktar enerji geri kazanma adına bir yöntemden bahsedilebilir. Araç frenlemesinde normal mekanik fren yerine, motoru generatör olarak kullanarak oluşan enerji motor kontrol devresi üzerinden pillerde depolanabilir. Bu yöntem rejeneratif frenleme (regenerative braking) olarak bilinir.

GÜNEŞ ARABASI NEDİR?

Güneş arabası hafif, düşük güçte dizayn edilmiş ve özel yarışlar için yapılan bir araçtır. Tıpkı Formula 1 yarış araçları gibi Güneş arabaları da pratik anlamda ulaşım amaçlı değildir. Güneş arabalarında koltuk sayısı sınırlıdır (genellikle 1, nadiren 2 tanedir), çok ufak bir yük kapasiteleri vardır ve sadece gün ışığında kullanılabilirler. Ancak güneş arabaları gelecekte kullanılacak olan pratik uygulamaları geliştirmek adına çok iyi bir imkân sağlar.

**Şunu belirtmek gerekir ki yukarıdaki güneş arabası tanımı Formula-G, WSC gibi yarışlar için üretilen araçlar içindir. Başka amaçlar için üretilen araçlar değişik karakteristikler gösterebilirler.

Piller

Piller kimyasal enerjiden elektrik enerjisi üreten düzeneklerdir. Günlük hayatta çok kullandığımız pillerin en büyük avantajı elektrik enerjisini taşınır kılmasıdır.Çeşitli metaller kimyasal reaksiyonlar sırasında elektron verirler, buna yükseltgenme adı verilir.Çeşitli metaller de bunun tersi olarak elektron alırlar buna da indirgenme adı verilir.Bu reaksiyonlar sırasında; her metalin elektron verirken veya alırken, yarı pil potansiyeli adını verdiğimiz, verilen veya alınan elektronların karşılığı olan bir elektrik potansiyeli mevcuttur.

Bir pili oluşturan iki metalin yarı pil potansiyelinin cebirsel toplamı o pilin ürettiği voltaja eşittir.

Yükseltgenmenin olduğu elektrot anottur. Anoda gelen iyon da anyondur, o halde anyon negatif yüklü iyondur.Bunun tersi katot ve katyon olarak adlandırılır.

İlk zamanlarda piller tek defa kullanılabiliyordu ve tekrar kullanılabilen elektrik kaynağı olarak akümülatörler bulunmuştu.Zamanımızda pek çok çeşit pil, birden çok kullanılabilme, yani tekrar şarj edilebilme özelliğine sahiptir.

Piller şu şekilde sınıflanabilir:

1-) Atom pili

2-) Yakıt pili

3-) Güneş pili

4-) Kuru pil

5-) Sıvı piller

6-) Gazlı piller

Atom pili uranyum ve grafit bloklardan oluşan ve nükleer enerjiden elektrik enerjisi elde etmeye yarayan pillerdir.

Yakıt pili dışarıda ki yakıttan örneğin: hidrojen ve oksijen gibi, elektrik enerjisi elde etmeye yarayan düzeneklerdir.

Güneş pilleri veya fotopiller amorf silisyum kristallerinden elde edilen P- N kavşaklı bir yarıiletken yapıdır.Takriben açık güneşli havada desimetrekare de 1 watt enerji verebilir.

Pil İlk kez 1800 yılında Alessandro Volta tarafından yapılmıştır.Bu pil yuvarlak çuha veya karton parçaları ile birbirinden ayrılmış bakır ve çinko disklerinin asitli suya batırılması ile oluşmuştu. Bu tip pillerde zamanla pozitif elektrot üzerinde hidrojen kabarcıkları oluştuğu ve EMK de azalma olduğu ortaya kondu,buna elektrotun kutuplanması denir,bunu azaltmak için çeşitli oksitleyiciler kullanmak gerekir. Bu iş için kullanılan yükseltgen maddeler arasında;Kromik asit,Potasyum bikromat, Nitrik asit gibi sıvılar ve kurşun dioksit,manganez dioksit gibi katılar vardır.

1842 de Poggendorf daha sonra Grenet,Ducretet ve Trouve potasyum bikromatlı pili yaptılar ve bu piller 2 volt ve yüksek akım vermekteydi.Bu kutuplanmayan bir sıvı pildi.

Lechlanche pili bir kuru pildir. Bu pilde elektrot olarak Çinko ve Karbon kullanılır.Lechlanche pilini Fery geliştirdi ve kendi adı ile anılan pili yaptı.Eskiden cep fenerlerinde kullanılan akıp cihazları berbat eden piller bu pillerdir…

Lechlanche pilinde amonyum klorür jel haline getirilmiştir çinkoyu sarar.Karbon etrafında bir gözenekli kılıf içinde karbon ve manganez dioksit bulunur.Tepe ziftlenir. Burada reaksiyon sonucu Amonyak ve hidrojen iyonu oluşur.

Yukarıda görülen Lechlanche pilinde turuncu renk karbon etrafınna sarılı olan manganez dioksit.Yeşil renk çinko katot,aradaki gri renk ise manganez dioksit ile çinko arasında bulunan jel Amonyum klorürdür

Kuru pillerde kutuplaşmayı önlemek için genel olarak kullanılan Manganez dioksittir.Bunsen pilinde bu maksatla nitrik asit kullanılır. Alman Fiziko-kimyacısı olan Robert Wilhelm Bunsen (1821 – 1899 ) 1843 de bu pili yapmıştır.

Sıvı kutuplanmaz pillerin ilk örneği Daniell pilidir. Daniel pilinde Bakır ve Çinko elektrot olarak kullanılır.1.08 volt elektrik gerilimi üretirler her elektrot kendi tuzlarının çözeltisine batırılmıştır ve arada gözenekli bölme ile birbirlerinden ayrılırlar.burada Çinko çözünür,Bakır ise çöker.Daniell pili bir sıvı pildir .Sıvı pillerde elektrolit sıvıdır.Daniel pili de böyledir, keza Akümülatörlerdede elektrolit sıvı Sülfürik asittir.

Derişim pilleri de kutuplanmaz pillerdendir, burada aynı metalden yapılmış iki elektrot,bu metalin iki farklı tuzu içine konur. Latimer Clark ve Weston pili böyledir.Bu piller ölçek pil olarak adlandırılır ve pillerin iç direnci ve EMK ölçümünde referans alınırlar.

Basınç altındaki gaz içinde olan piller gazlı pil olarak adlandırılır. Sir William Robert Grove İngiliz fizikçisidir. Aslında Bir hukukçudur ve amatör olarak fizikle uğraşmaktadır.1839 da elektrotları odun kömüründen olan gazlı pili yapmıştır.Gaugain ve Zeuger pilleri de gazlı piller dendir.

Günlük hayatta kullandığımız kuru piller, çeşitli boylarda ve güçlerde imal edilirler.Pillerin üretiği voltaj üzerlerinde yazılıdır. Pillerin eskimesi halinde bu voltaj değerinde düşme meydana gelir,buna bayat pil deriz.Normalde kullanılmış bir pilde bile çekilen akım, pilin verebileceği akımdan fazla değilse voltaj düşmesi meydana gelmez, bu şu demektir.biz bir pilin taze mi eski mi olduğunu yalnız voltajı ölçerek bulamayabiliriz.

Gündelik kullanımda ki piller iki tiptir:

1-) Tekrar şarj edilebilen piller

2-) Tekrar şarj edilemeyen piller

Şarj edilebilen piller :
1-) Nikel Kadmiyum piller

2-) Nikel Metal Hidrit piller

3-) Lityum İon piller

Şarj edilemeyen piller :
1-) Muhtelif alkalen piller

2-) Gümüş oksit piller

3-) Çinko - Karbon pilleri

4-) Civalı piller

Nikel Kadmiyum Piller:

Adından da anlaşilacağı gibi nikel ve kadmiyum dan yapılmış pillerdir. Bu piller hafızalı piller olarak ta adlandırılır. Şarjlı halde 1.44 volt maksimum voltaja sahiptir.

Boş halde 1.2 voltta tutulmalıdır.Bu pillerin verimli kullanılması için 1.1 volt pil geriliminde mutlaka tekrar şarj edilmeleri gerekir. Bunun için özel düzenekler mevcuttur. Bu pillerin güç eğrisi birdenazalır ve kullanım süresi sonunda güç birden düşer.

Tüm pillerin üzerinde mevcut olan pilin akım gücünü gösteren bir rakam mevcuttur bu mAmper / saat olarak ifade edilir. Bir pilin üzerinde 800 mA /h yazıyorsa bu şu demektir: Bu pil 800 mA akımı ancak bir saat akıtabilir. Eğer bu pilden devamlı olarak 100 mA akım çekiyorsanız o zaman bu pil size 8 saat hizmet edecektir.

Nikel kadmiyum piller akım şarjına tabidirler şarj voltajları 1000 volta kadar çıkabilir. Ni-Cad piller üzerlerinde yazılı olan mA/saat değeri ne ise o değerin onda biri kadar bir akım ile 14 saat şarj edilirler.

Örneğin üzerinde 750 mA/saat yazan bir pili 75 mA ile 14 saatte şarj edebiliriz.Ama çoğu zaman hızlı şarj devreleri ile çabuk şarj gerekli olur.Bu durum pilin ömrünü kısaltır ve genellikle pilleri 1 saatte sarj edecek kadar akım basılır. Bu durumda 400 - 1000 mA gibi yüksek bir şarj akımı uygulanır.Bir Nikel Kadmiyum pilin şarj olduğunu, sıcaklığının artmasından da anlayabiliriz; çünkü bu, durumda kimyasal reaksiyon bitmiş verilen enerji ısı enerjisine dönüşmekte demektir.

Nikel - Kadmiyum pillerin şarjında değişik teknikler kullanılır, bunlar pilin ömrünü uzatmak için yapılan işlemlerdir. Pil yarı boşalmış halde iken şarj edilmez, aksi halde pil hafızasında tuttuğu bu noktadan ileriye doğru şarj olur bu da kapasitesini düşürür. Bu tip piller önce boşaltılır, sonra şarj edilir.

Nikel Metal Hidrit Piller:

Nikel Kadmiyum pillerden sonra piyasaya çıkan bir pildir. Ni - Kad. Pillere göre daha yüksek kapasiteye sahiptir. Şarj edilmeleri hemen hemen Ni-Kad. Piller gibidir. Her iki pilin de bir iç dirençi vardır, bu direnç Ni - Kad. Pillerde daha yüksektir, bu nedenle kullanılmadığında bu piller kendi içinden bir akım akıtır ve boşalırlar, bu olay NiMH pillerde daha çabuk olur ve daha kısa sürede boşalırlar.

Li- ion Piller :
Diğer şarj edilebilen pillere göre daha yüksek kapasiteleri olan pillerdir. Hafif piller olup, kendi kendine boşalmaları yavaştır. Şarj edilmeleri biraz daha güçtür, fakat bir yandan kullanılır bir yandan da şarj edilebilirler. Hem voltaj hem de akım regülasyonu ile şarj edilirler.

Akümülatörler :
İlk kez Sir william Grove’un tasarladığı platin elektrotlu pil ile ortaya çıkan doldurulabilir pil yapımını Gaston Plante başardı.

Kurşun Kurşun oksit li

Nikel Kadmiyum lu

Nikel Demir li

Gümüş Çinkolu

Olmak üzere değişik tip akümülatörler mevcuttur. En çok kullanılan Kurşunlu akümülatörlerde, elektrotlar kurşundur. Seyreltik sülfürikasit de elektrolit olarak kullanılır.

Akümülatörler voltaj kaynağı ile şarj edilirler normal şarj için kapasitesinin 1 /10 u kadar akım verilir ve 24 saat süresinceşarj olur.

Otomobillerde kullanılan akümülatörler 45 ve 60 Ah kapasitesindedirler.Yani bu akümülatör kullanılma süresi ile verdiği akım çarpımı 60'a eşittir.Yani 10 amper çekiliyorsa 6 saat akım verebilir.

Dolu bir Akümülatör maksimum voltajı 14.5 volttur. Akümülatörler üzerinde ayrıca maksimum akım değeri de yazar bu çok yüksek bir akım değeridir.Bir Akümülatör 250 Ampere kadar bir akımı akıtabilir.

NÜKLEER GÜÇ SANTRALLARININ GENEL TANITIMI

Nük. Müh. Fatoş Arzu ALPAN

Nükleer Güç Santralları ile Termik Santraller birbirleri ile benzer özellikler taşırlar. Her iki santral tipinde de elde edilen buharın ısıl enerjisi türbinde mekanik enerjiye ve mekanik enerji de dejeneratörlerde elektrik enerjisine dönüştürülerek elektrik üretilir. Bu santraller arasındaki temel fark buharın elde ediliş yöntemidir. Bütün nükleer reaktör tiplerinde bölünmeden açığa çıkan enerji buhar üretiminde kullanır ve bu buhar üretimi doğrudan reaktörün korunda ya da buhar üreteçlerinde yapılır. Bu nedenle nükleer reaktörlerdeki bölünme reaksiyonu termik santrallarda fosil yakıt yakmakla aynı işleve sahiptir. İlk olarak nükleer güç santrallerini tanıtmadan önce bölünme (fisyon) reaksiyonu mekanizmasını anlatmakta yarar vardır. Nükleer reaksiyonda açığa çıkan enerji, temelde U235 izotopunun ya da herhangi bir bölünmeye yatkın (fisil) izotopun (Pu239, U233) nötronla etkileşmesinden ötürü parçalanması olayı sonucunda açığa çıkan fazlalık bağlanma enerjisidir. Nötronla etkileşen U235 çekirdeği kararsız hale geçerek, kendisinden daha hafif iki çekirdeğe ayrılır ve bu esnada da ortalama olarak iki nötron açığa çıkarır. Bu reaksiyon sonucu açığa çıkan bölünme enerjisi yaklaşık 200 MV'dir. Bu enerji buhar üretimi için soğutucuya aktarılır ve açığa çıkan nötronlardan biri bölünmeye yatkın başka bir izotopu parçalayarak zincirleme reaksiyonuna sebep olur. Diğer nötron ise reaktör içindeki diğer malzemeler tarafından yutulur ya da sistemden kaçar. Nükleer reaktörler bu zincirleme bölünme reaksiyonunun kontrollü olarak yapıldığı sistemlerdir. Bölünme reaksiyonunun önemini anlamak için 1 kg U235 izotopunun yanması sonucu açığa çıkan enerjinin yaklaşık 1.3 milyon kg kömürünkine eşdeğer olduğunu belirtmek yeterli olacaktır. Bölünme reaksiyonu sonucu açığa çıkan nötronların etkili bir şekilde kullanılabilmesi için bölünmeye yatkın izotoplarla etkileşme olasılıklarını arttırmak gerekir. Bu nedenle bölünme reaksiyonlarından açığa çıkan hızlı nötronlar moderatör adı verilen yavaşlatıcı malzemeler yardımı ile yavaşlatılarak bölünmeye yatkın malzemelerle etkileşim olasılıkları arttırılır. Diğer bir malzeme de yansıtıcı (reflector) dır. Bu malzeme korun etrafına yerleştirilerek nötronların sistemden dışarı kaçma olasılıklarını azaltmak için kullanılır. Moderatör malzemesi aynı zamanda yansıtıcılık işlevini de görebilir.

İlk kontrollü bölünme reaksiyonu 1942 yılında Amerika Birleşik Devletlerinde inşa edilen CPI Reaktöründe gerçekleştirilmiştir. Bu reaktörde yakıt malzemesi olarak doğal uranyum ve moderator olarak grafit kullanılmıştır. İlk nükleer reaktörde olduğu gibi nükleer reaktör tasarımcılarının reaktör yakıtı için seçimleri doğal uranyum (%0.71 U235, %99.27 U238) ya da %3, %4 oranında zenginleştirilmiş uranyumdur. Eğer yakıt doğal uranyum seçilirse moderator olarak grafit ya da ağır su kullanılmalıdır.

Günümüzde, elektrik üretimi için kullanılan santralların büyük bir bölümü Basınçlı Su Reaktörü (PWR), Kaynar Su Reaktörü (BWR), ve Basınçlı Ağır Su Reaktörüdür (PHWR). Bunlardan ilk ikisi, hafif su soğutmalı termal reaktör sınıfına girer, moderator ve reflektör malzemesi olarak da hafif su kullanılır. Üçüncü reaktör tipi ise dünyada ilk olarak Kanada'da elektrik üretimi için kurulan ve soğutucu olarak ağır su kullanan Basınçlı Ağır Su Reaktörüdür.