Fotovoltaik Termal (PVT) teknolojisinin tarihsel gelişimi: Kavramdan ticarileşmeye

giriiş

Küresel enerji yapısı son yarım yüzyılda muazzam değişimler geçirdi. Fotovoltaik ve güneş termal (PVT) entegre sistemleri, elektrik ve termal enerji gibi iki temel enerji ihtiyacını aynı anda karşılayabilen yenilikçi bir çözüm olarak giderek daha fazla öne çıkıyor. PVT sistemi, fotovoltaik hücreleri ve güneş kollektörlerini tek bir düz plakada birleştirerek, yalnızca güneş radyasyonundan maksimum düzeyde faydalanmakla kalmıyor, aynı zamanda genel enerji dönüşüm verimliliğini de önemli ölçüde artırıyor.

PVT Güneş Paneli genellikle nispeten yeni bir teknik konsept olarak görülse de, geçmişi aslında 1950'lere kadar uzanmaktadır. 1970'lerin başındaki deneysel prototipten günümüzde giderek olgunlaşan ticari uygulamaya kadar, PVT'nin geliştirme süreci, yenilenebilir enerjinin gelişimi için daha geniş bir yolu yansıtmaktadır; bu yol, teknolojik atılımların koordineli evrimi, politika desteği ve pazar geliştirmeyi de içermektedir. Bu makale, PVT teknolojisinin tarihsel bağlamını ele almayı ve teorik bir konseptten ticari olarak uygulanabilir kapsamlı bir enerji çözümüne nasıl aşamalı olarak evrildiğini incelemeyi amaçlamaktadır.

Kökeni: 1970'ler - kavramın ilk ortaya çıktığı dönem

PVT teknolojisinin ilk aşaması 1970'lerde ortaya çıktı. Bu dönemde, 1973 ve 1979'daki iki petrol krizinin getirdiği enerji güvenliği uyarıları nedeniyle, yenilenebilir enerjiye küresel vurgu hızla arttı. Araştırmacılar, fosil yakıtlara alternatifler arıyor. Güneş enerjisi, evrenselliği ve sürdürülebilirliği nedeniyle en umut verici alanlardan biri olarak kabul ediliyor.

Güneş enerjisinin geleneksel kullanımı iki ana kategoriye ayrılır: fotovoltaik ve güneş termal. Ancak mühendisler, fotovoltaik güç üretimi sırasında sıcaklık artışının güç üretim verimliliğinde düşüşe yol açacağını fark ettiler. Bu olgu, temel bir fikrin ortaya çıkmasına neden oldu: Fotovoltaik panelleri soğuturken atık ısı geri kazanılabilir ve termal enerjinin etkili bir şekilde kullanılması sağlanabilir mi? 

1970'lerin başındaki PVT konsepti, esas olarak hava sistemlerine dayanıyordu ve bina ısıtma ve havalandırma sistemleriyle birleştirilmeyi amaçlıyordu. Temel yapı, arkasında sıcak havayı yakalayıp dolaştıran bir hava akış kanalı bulunan bir fotovoltaik panelden oluşuyordu. Verimlilikteki artış önemli olmasa da, bu durum PVT'nin çift işlevli bir sistem olarak kavramsal temelini oluşturuyordu.

Genişleme ve teknolojik ilerleme: 1980'ler - 1990'lar 

1980'ler ve 1990'lar, fotovoltaik teknolojisinin sürekli ilerlediği ve akademik ilginin giderek arttığı dönemlerdi. Kristal silisyum fotovoltaik panellerin yaygınlaşması ve maliyet etkinliğinin artmasıyla birlikte, araştırmacılar sıvı soğutmayı hava sirkülasyonundan daha etkili bir soğutma yöntemi olarak incelemeye başladılar.

Hava bazlı fotovoltaik (PVT) sistemi, boru hattı tasarımının iyileştirilmesi ve mekan ısıtma sistemiyle entegre edilmesiyle iyileştirildi.

Bu, ısıyı daha etkili bir şekilde absorbe etmek için ısı transfer ortamı olarak su veya antifriz kullanan sıvı fotovoltaik (PVT) sistemlerin geliştirilmesini teşvik etti. Bu yöntem, fotovoltaik panelleri etkili bir şekilde soğutabilir ve daha yüksek düzeyde ısı çıkışı elde edebilir; bu da onu ev tipi sıcak su veya endüstriyel uygulamalar için uygun hale getirir.

Bu dönemde, Avrupa, Kuzey Amerika ve Asya'daki üniversitelerde çok sayıda laboratuvar çalışması ve deneysel kurulum gerçekleştirildi. Enerji akışını analiz etmek, performansı tahmin etmek ve tasarımı optimize etmek için teknik modeller geliştirildi. Ticari faydaları sınırlı olsa da, modern fotovoltaik teknolojisinin akademik temeli sağlam bir şekilde oluşturulmuştur.

21. yüzyılın başları, küresel yenilenebilir enerjinin gelişimi için kritik bir dönüm noktasıydı. Bu dönemde, Avrupa ve Japonya, güneş enerjisi teknolojisi alanında büyük ölçekli araştırma ve uygulama gösterileri yürütmede öncü rol oynadı. Binaya entegre fotovoltaik ve güneş termal (BIPVT) sistemi, bu ortamda ortaya çıktı. BIPVT, fotovoltaik kollektörleri binanın dış cephesinin bir parçası olarak (dış duvarlar, çatı pencereleri veya çatı bileşenleri gibi) entegre etmenin yanı sıra, güç üretimi, ısıtma, mimari estetik ve yalıtım performansının entegre entegrasyonunu da gerçekleştirerek binanın kapsamlı enerji verimliliğini ve görsel çekiciliğini önemli ölçüde artırdı.

Avrupa, AB Yenilenebilir Enerji Planı'ndaki demonstrasyon projeleri aracılığıyla fotovoltaik enerji üretiminin kentsel enerji sistemlerine entegrasyon yolunu aktif olarak araştırmaktadır. Japonya, enerji öz yeterlilik oranını artırmak ve ithal yakıtlara olan bağımlılığını azaltmak için fotovoltaik araştırmalarını ulusal stratejisine dahil etmiştir. Bu arada, fotovoltaik enerji, ısı pompaları, mevsimsel ısı depolama ve bölgesel ısıtma ağları gibi çeşitli teknolojilerle birleşerek hibrit bir enerji sistemi oluşturmaya başlamıştır. O zamanlar henüz niş bir uygulama olsa da, alanlar arası entegrasyon potansiyeli başlangıçta politika yapıcıların ve sektörün dikkatini çekmişti.

2010'lu yıllara girerken fotovoltaik maliyetlerdeki önemli düşüş, iklim sorunlarının aciliyetinin artması ve politika teşviklerinin güçlenmesiyle birlikte yenilenebilir enerjinin küresel yayılımı hızlanan bir kanala girmiştir. PVT teknolojisi de yavaş yavaş laboratuvardan çıkıp ticarileştirmenin ilk aşamasına doğru ilerliyor. Avrupa, İsrail ve Asya'daki pek çok işletme, düz plakalı kolektörleri, camlı/camsız tipleri ve konsantre sistemleri kapsayan çeşitli PVT ürünlerini başarıyla piyasaya sürdü. Bu aşamada ticarileşmeyi yönlendiren önemli faktörler şunlardır:

• Yüksek verimli ısı değiştiriciler, seçici emilim kaplamaları ve uzun ömürlü paketleme süreçleri gibi malzeme teknolojisindeki gelişmeler;

• Sistemin genel enerji verimliliği artırılmış olup, kapsamlı faydaları genellikle %70'i aşmaktadır; bu da özellikle sınırlı alana sahip senaryolarda avantaj sağlamaktadır.

•  Konut, ticari ve endüstriyel sektörlerde dağıtılmış enerji çözümlerine olan talep artmaya devam ediyor.

• Gerçek vakalar da PVT sisteminin enerji maliyetlerini düşürmesi, güneş enerjisinin öz tüketim oranını artırması, elektrik ve ısının birlikte kullanımında yatırım getirisini iyileştirmesi gibi çok sayıda faydasını doğrulamıştır.

2020'den bu yana, "karbon nötrlüğü" hedefi ve giderek daha sıkı iklim politikalarıyla yönlendirilen küresel enerji dönüşümü yeni bir aşamaya girdi. Birçok ülke, yüzyılın ortası için net sıfır emisyon hedefleri belirleyerek, fotovoltaik ve güneş enerjisi entegre teknolojileri için geniş olanaklar sunuyor. PVT gibi entegre güneş enerjisi teknolojileri artık eşi benzeri görülmemiş gelişme fırsatları sunuyor.

COVID-19 salgını, enerji dayanıklılığının ve yerel temiz enerji üretiminin önemini daha da belirginleştirmiştir. Bu nedenle, PVT aşağıdaki alanlarda giderek daha fazla kullanılmaktadır: 

• Konutlar ve aileler, elektrik ve sıcak su ihtiyaçlarını karşılamak için verimli sistemler arıyorlar.

• BIPVT entegrasyonundan faydalanan ticari binalar, işletme enerji maliyetlerini düşürdü. 

• Endüstriyel proseslerde, özellikle gıda işleme, tekstil ve kimya sanayinde orta ve düşük sıcaklıktaki ısı hayati öneme sahiptir. 

Bu arada teknolojik yenilikler sürekli olarak olanakları genişletiyor: 

• PVT ve ısı pompalarının kombinasyonu sezon boyunca verimli ısıtma ve soğutma sağladı. 

• Termal enerji depolama ile entegre edilerek daha iyi yük yönetimi sağlanmıştır. 

• Akıllı kontrol sistemi, talep eşleştirmeyi ve şebeke etkileşimini geliştirdi.

Günümüzde PVT artık deneysel bir teknoloji olarak görülmemekte, yenilenebilir enerji pazarında onlarca ticari tedarikçinin desteğiyle güçlü bir rakip haline gelmekte ve dünya çapında giderek daha popüler hale gelmektedir.

Popülerleşmeyi teşvik etmenin avantajları

PVT'nin oldukça değerli bir güneş enerjisi çözümü olarak kabul edilmesinin birkaç nedeni vardır:

• Yüksek kapsamlı verimlilik: Fotovoltaik ve güneş enerjisi (PVT) entegre sistemlerinin kapsamlı verimliliği %70'in üzerine çıkabilirken, bağımsız fotovoltaik sistemlerin verimliliği yaklaşık %20'dir. Güneş enerjisinin kullanım verimliliği genellikle %40 ila %60 arasındadır.

• Üstün fotovoltaik performans ve dayanıklılık: PVT sistemi, etkili ısı dağılımı yoluyla fotovoltaik modüllerin termal stresini azaltabilir, hizmet ömürlerini uzatabilir ve güç üretiminin kararlılığını artırabilir. 

• Verimli alan kullanımı: PVT sistemi, aynı alanda aynı anda elektrik ve termal enerji çıkışı sağlayabilir; bu, özellikle kentsel veya alan kısıtlaması olan uygulama senaryolarında önemlidir. 

• Geniş uygulama alanları: Konut, ticari, endüstriyel ve tarımsal gibi çeşitli senaryolarda yaygın olarak kullanılabilir. 

• Sürdürülebilir kalkınma hedefleri doğrultusunda: PVT teknolojisi karbon emisyonlarının azaltılmasına yardımcı olur, yenilenebilir enerjinin şebekeye entegrasyonunu teşvik eder ve dağıtılmış enerji stratejilerinin uygulanmasını destekler

Zorluklar ve zorluklar 

Fotovoltaik enerji üretimi (PVT) ilerleme kaydetmiş olsa da birçok zorlukla da karşı karşıyadır:

• Bağımsız fotovoltaik veya güneş enerjisiyle elektrik üretimine kıyasla ilk maliyeti daha yüksektir. 

• Sistem tasarımı ve bakımı için gereklilikler karmaşıktır. 

• Geleneksel güneş fotovoltaik güç üretimi ile karşılaştırıldığında, mevcut pazarın fotovoltaik termal entegrasyon (PVT) teknolojisine ilişkin anlayışı hala nispeten sınırlıdır. 

• Mevcut politika destek sistemi, bu tür hibrit teknolojilerin özelliklerini tam olarak hesaba katmada çoğu zaman başarısız kalmakta ve bu durum, teşvik tedbirlerine başvururken bu tür teknolojilere yönelik çok sayıda kısıtlamaya yol açmaktadır. 

• Fotovoltaik ve güneş enerjisi sistemlerinin geniş ölçekte uygulanmasının teşvik edilmesi ve enerji potansiyellerinin tam olarak ortaya çıkarılması için bu darboğazların aşılması hayati önem taşımaktadır.

Çözüm 

PVT teknolojisinin 1970'lerdeki konsept önerisinden günümüzdeki kademeli ticarileşmesine kadarki gelişimine bakıldığında, bu teknoloji neredeyse elli yıllık bir evrim geçirmiştir. Bu süreç, güneş enerjisi kullanım yöntemlerinin "tek güç üretimi" veya "tek ısı üretimi"nden "kombine ısı ve elektrik tedariki"nin entegre bir modeline geçişini işaret etmekle kalmaz, aynı zamanda yenilenebilir enerji sektörünün deneysel araştırmadan pazar uygulamasına geçişindeki genel eğilimi de yansıtır. 

Dünyanın karbon nötrlüğüne yönelik ortak çabaları ışığında, PVT teknolojisi, yüksek verimli bileşik enerji dönüşümü, istikrarlı ısı ve güç kojenerasyonu ve mükemmel sistem uyumluluğu ile benzersiz bir uygulama potansiyeli sunmaktadır. Çeşitli enerji tüketim senaryolarına uygulanabilir olmasının yanı sıra, gelecekteki enerji sistemlerinin temizlik, düşük karbon, esneklik ve yüksek verimlilik gibi çeşitli gereksinimlerini de daha iyi karşılamaktadır. 

PVT'nin gelişim tarihi, yalnızca bir teknolojinin olgunlaşma süreci değil, aynı zamanda yenilikçi mekanizmaların, politika desteğinin ve piyasa talebinin enerji dönüşümünü yönlendirmedeki ortak etkisinin canlı bir örneğidir. İleriye bakıldığında, PVT'nin yenilenebilir enerjinin hakim olduğu yeni bir enerji sisteminin inşasında daha önemli bir rol oynaması bekleniyor.