PV Toplaçların Yapı Öğesi Olarak Mimaride Kullanım Olanakları ve Bir Örnekleme

Bahar Şahin, Müjgan Şerefhanoğlu Sözen

Yıldız Teknik Üniversitesi,

Mimarlık Fakültesi, Mimarlık Bölümü

Dünya genelinde, hızlı nüfus artışı, kentleşme, sanayileşme, doğal kaynakların kötü kullanımı ve enerji tüketimiyle artan çevre kirliliği ekolojik dengede geri dönüşü olmayan zararlara yol açmaktadır. Bu zararların bir sebebi de enerji üretiminde yenilenemeyen enerji kaynaklarının kullanılmasıdır. Çoğu yenilenemeyen enerji kaynağından enerji elde edilmesi sırasında yanma sonucu ortaya çıkan gazlar dünya genelinde karbon salınımını arttırarak küresel ısınmaya neden olmaktadır. Bu kaynakların çevreye olumsuz etkileri ve tükenmeye yüz tutmasıyla, günümüzde önemli bir kavram haline gelen sürdürülebilirlik yaklaşımı önem kazanmaya başlamış, bu da yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelimin artmasına neden olmuştur.

Yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisi, güçlü potansiyeli, yapılarda değişik biçimlerde kullanılabilme olanağı sunması ve hemen her yere ulaşabilmesi nedeniyle tercih edilen temiz enerji kaynaklarından biridir. Güneş enerjili sistemler, dolaylı ve dolaysız karbon salınımının azaltılmasında ve yapı enerji performansının arttırılmasında etkin rol oynamakta, ayrıca sürdürülebilirlik bağlamında yapılara artı değer kazandırmaktadırlar. Bu sistemlerden fotovoltaik (Pv) sistemlerin yapının çeşitli bölümlerinde yapı öğesi olarak kullanımlarıyla; Pv sistem tasarımında yapı ile bütünleşen görüntüler elde edilmekte, aynı zamanda yapının elektrik enerjisi gereksinimi kısmen ya da tamamen güneş enerjisiyle karşılanarak çevre kirliliğinin azaltılmasına katkı sağlanmaktadır.

Fotovoltaik (PV) Sistemler

Pv’ler güneş ışınımını doğrudan elektrik akımına dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. Fotovoltaik akım, üretimi özel işlenmiş yarı iletken malzemelerden yapılan kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilebilen fotovoltaik hücrelerle sağlanır. Hücreler yalnız dolaysız güneş ışığından değil, gökten gelen yaygın ışınımdan da daha düşük güçte elektrik üretebilmektedir.

Çok sayıda Pv hücresinin bir yüzey üzerinde birbirine paralel ya da seri bağlanmasıyla oluşturulan Pv toplaçlar bir kaç ayrı biçimde üretilmektedir. Pv toplaçlar biçimsel olarak; Çerçeveli, Çerçevesiz, Metal Tabanlı, Esnek, Çift Yüzeyli (cam-cam) Toplaçlar şeklinde sınıflandırılabilir.

Pv sistemler;

• Yükün karşılanmasında yalnızca Pv toplaçların ve saklama ünitelerinin kullanıldığı Şebekeden Bağımsız Sistemler;
• Pv sistemle genel şebekenin ortaklaşa çalıştığı Şebekeye Bağlı Sistemler;
• Geleneksel elektrik üretim donanımlarıyla Pv sistemlerin bir arada bulunduğu Hibrid Sistemler (karma) biçiminde yapılandırılmaktadır [1,2,3].

PV Sistemlerin Mimari Öğe Olarak Kullanımı

Pv sistem uygulamalarında, binaya sonradan eklenen toplaç alanları genelde estetik olarak yapı ile pek bütünleşmemektedir. Mimaride çok amaçlı kullanıma olanak sağlayan ve mimariyle bütünleşen uygulamalar ise Pv sistem tasarımının ve mimari tasarımın bir arada yürütülmesiyle gerçekleştirilmektedir. Teknolojik gelişmelere koşut olarak mimariyle bütünleşen toplaç alanlarının, yapı bütünleşik kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır.

Yapı bütünleşik Pv sistemler, toplaç alanlarının, enerji üretiminin yanı sıra yapı elemanı olarak da değerlendirildiği, çok işlevli sistemlerdir. Bu tür sistemlerde toplaçlar, kullanıldıkları yapı öğesinde yapıya ait görevlerini de yerine getirmektedir.

Bütünleşik Pv sistemlerin tasarım ve uygulamasında;

Toplaç alanlarının uygulanacağı yüzeylerin optimum yön ve eğimde olması,

Söz konusu yüzeylerin yeterli büyüklükte ve süreklilikte olması,

• Çevredeki      yapılardan ya da yapının kendi mimari öğelerinden, toplaç yüzeyinde oluşan      gölgelenme durumlarının analiz edilmesi ve yapının bu alanlar üzerine      gölge atmayacak biçimde tasarlanması,
• Toplaçların      uygulama detaylarının yapı kabuğu gereksinimlerine cevap vermesi,
• Bakım      ve onarımı için toplaçlara kolay erişim ve temizlikleri için donanımların      sağlanması,
• Yüzeylerin      biçimlenişinin ve toplaç görünüşünün yapının mimarisiyle uyumlu olması gibi      etmenlere dikkat edilmelidir.

Pv toplaçlar, ince yapılanması, cam özelliği göstermesi, su yalıtımı sağlaması, güneş ışığının iç mekanlara erişimine izin verirken ısı ve ışık denetimine olanak sağlaması, temiz ve bitmiş bir görünüşü olması, değişik renklerde üretilebilmesi, eğrisel biçimlerde de kullanılmaya uygun olması, çekici ve hoş mekanlar oluşturabilmesi sebebiyle yapıların saydam ve dolu hemen her öğesinde yapı bütünleşik olarak değerlendirilmektedir [2,4]. Bütünleşik Pv sistemlerin yapılarda kullanılabileceği alanlar Tablo 1’de özetlenmiştir.

Tablo 1. Bütünleşik Pv sistemlerin yapılarda kullanılabileceği alanlar

Yapı kabuğu öğesi olarak yapıların biçimlenişinde ve korunmasında etkin rol oynayan, taşıyıcı ve örtü olmak üzere iki ana bölümden oluşan çatılar; uygun yönlenme ve eğim için esnek olanaklar sunduğundan, gölge alma olasılığı daha az olduğundan, sürekli giden geniş yüzeyler oluşturduğundan toplaçların konumlandırılmasında etkin biçimde kullanılmaktadır

a- Nieuwland Enerji Evleri, Hollanda       

b- Ferienhaus Bartholomä-Park, Almanya

c- BMW Fabrikası, Almanya                                     

d- OPTIC Merkez, İngiltere

Saydam ve dolu bölümlerin bütününden oluşan ve yapı kabuğunun büyük kısmını oluşturan cepheler, düzgün ve sürekli geniş alanlar olarak toplaçların konumlandırılması için büyük bir potansiyel oluşturmaktadır. Pv sistemlerin dolu alanların dışında cephede sıklıkla kullanıldıkları alanlar, giydirme cepheler ve saydam yüzeylerdir. Bu uygulamaların yanı sıra bütünleşik Pv sistemler güneş kıran, kepenk, balkon korkuluğu, saçak vb. yapı öğelerinde kullanılmaktadır.

a-Xicui Eğlence Kompleksi, China               

b-Kaco New Energy Binası, Almanya

c- SDED Ofis Binası, Fransa                                     

d- Ertex Solar, Avusturya

Yapı Bütünleşik PV Sistem Örnek Tasarımı

Yapı bütünleşik Pv sistem örneği olarak bir ofis binası simülasyonu yapılmış ve bu simülasyonda güneş ışınımından korunma ve yararlanmanın birlikte çözüldüğü bir sistem tasarlanmıştır. Güneş ışınımından korunma amacıyla bir mimari öğe olarak oluşturulan güneş kıranların aynı zamanda güneş ışınımından yararlanarak elektrik enerjisi elde etmek üzere yapıyla bütünleştirilmesi düşünülmüştür.

Örnek olarak seçilen ofis binası İzmir’de bulunmaktadır. Kuzey-güney doğrultusunda konumlanan binanın çalışma alanları da bu iki yöne yerleştirilmiş açık ofis şeklinde planlanmıştır (Şekil 5).

Hesaplamalarda örnek olarak incelenecek yapının güneye bakan 8m’ye 16m ölçüsündeki çalışma alanı kullanılmıştır.

Yapının bulunduğu İzmir’in iklim koşullarında yaz aylarında ser etkisinin oluşturduğu ısı artışı istenmemekte, kış aylarında ise ser etkisi iç mekanın ısıtılmasına katkı sağlamaktadır. Bu nedenle yaz aylarında ser etkisinden kaynaklanan ısı artışını önlemek için yapının güney cephesinde güneşten hem korunma hem yararlanmayı sağlayacak Pv modüllerden oluşan güneş kıranlar yapılması düşünülmüştür. Şekil 6’da Ecotect programından yararlanarak modellenen binanın konumuna göre yıllık güneşlenme durumu verilmiştir [5].

İzmir’e ait aylık ortalama güneşlenme süreleri Tablo 2’de yer almaktadır. Çizelgede görüldüğü gibi ortalama güneşlenme süresi en fazla olan aylar Haziran, Temmuz, Ağustos aylarıdır.

Bu değerlendirmelerden yola çıkılarak oluşturulan Pv-güneş kıran tasarımında aşağıdaki parametreler kullanılmıştır:

-     Tasarımda ve analizlerde binanın güney kısmında bulunan, 8m’ye 16m ölçüsündeki çalışma alanı ve bu alana yerleştirilen güneş kıran dikkate alınmıştır.

-     Pv-güneş kıran güney cepheye konumlandırılmıştır.

-     Güneş ışınımından korunma sağlanacak aylar Haziran, Temmuz, Ağustos ayları olarak belirlenmiştir.

Bu parametreler doğrultusunda belirlenen aylarda korunma sağlayacak güneş kıran boyutları azaltılmamak koşuluyla, üzerine yerleştirilecek Pv toplaç boyutlarına uyumlu hale getirilerek cephe boyunca (16m’ye 1,05m boyutlarında) bir Pv-güneş kıran elde edilmiştir.

Elde edilen güneş kıranın kesit üzerindeki yerleşiminin gösterildiği Şekil 8’de 21 Haziran ve 21 Aralık tarihlerinde, saat 12:00’de güneş ışınlarının pencereye geliş açıları verilmiştir. Haziran ayında, saat 12:00’de tüm yapı yüzü (cam+dolu alan) güneş ışınımından korunmakta, böylece hem ser etkisi, hem de yapının dolu alanların ısınması önlenmektedir. Aralık ayında ise güneş kıranların içeriye giren güneş ışınımlarını engellemesi söz konusu değildir.    

Pv Sistemle Elde Edilen Enerji

İzmir’in iklim verileri hesaba katılarak, 3,2 kW gücündeki Pv sistem, kristal silisyum güneş hücresi olarak belirlendikten sonra Pv’lerin optimum eğimi 33° olarak saptanmıştır [8].

Pv sistemin ürettiği günlük ve aylık elektrik enerjisi değerleri Tablo 3’te gösterilmiştir. Bu değerlere göre Pv-güneş kıranın ürettiği yıllık elektrik enerjisi miktarı 5070 kWsaat olarak hesaplanmıştır.

Sonuç

Enerji üretiminde CO₂ salınımına yol açan yenilenemeyen enerji kaynaklarının yerine güneş enerjisinin binalarda kullanılmasıyla çevre dostu tasarımlar gerçekleştirilebilir ve doğanın ekolojik dengesi korunabilir.

Ülkemizin iklim şartları yenilenebilir enerji kaynaklarından güneş enerjisinin çeşitli biçimlerde kullanımı için uygundur. Binalarda Pv sistemler kullanılarak elektrik enerjisi üretimine geçilmesi ve bunun yaygınlaştırılması önemlidir.

Yapı bütünleşik Pv sistem uygulamalarıyla hem enerji üretimi sağlanıp hem de mimari açıdan daha estetik görüntüler elde edilebilir. Ayrıca yapı bütünleşik Pv sistemler yapının bir parçasını oluşturduğundan maliyeti azaltarak ekonomik açıdan da yarar sağlamaktadır.

Örnek incelemede görüldüğü gibi; yapının bir parçası olarak (güneş kıran) tasarlanan Pv sistem, güneşin ısıtıcı etkisinin istenmediği gün ve saatlerde güneşten korunmayı sağlamakta, böylece yaz aylarında binanın aşırı ısınmasını önleyerek soğutma sistemleri için gerekli elektrik tüketimini azaltmakta, aynı zamanda ürettiği elektrik enerjisiyle de güneş enerjisinden yararlanmayı olanaklı kılmaktadır.

Burada örneklenen ufak bir incelemede elde edilen 5070 kWh enerji ile Türkiye’nin Avrupa ülkeleri içinde olduğu varsayımına dayanılarak, 1 kWh enerji için 0,373 kg CO₂ salınımının oluştuğu yaklaşımıyla yapılan hesaplamada, CO₂ salınımında yaklaşık 1900 kg azalma olduğu söylenebilir [9].

Not: Bu makale “Güneş Enerjili Düz Toplaçların (Pv) Yapı Öğesi Olarak Mimaride Kullanım Olanakları-Bir Örnek Oluşturma ve Değerlendirme” adlı yüksek lisans tezi kapsamında hazırlanmıştır [10].

Kaynaklar

[1]      Çelebi, G. (2002).  “Bina Düşey Kabuğunda Fotovoltaik Panellerin Kullanım İlkeleri”, Gazi Üniversitesi Mühendislik Mimarlık Fakültesi Dergisi, 17(3):17-33, Ankara.

[2]      Göksal Özbalta, T., (2005). “Fotovoltaik Teknolojisi ile Bina Kabuğunun Değişen İşlevleri ve Yüzeyleri”, Çatı Cephe Fuarı, CNR.

[3]      Koryürek, E., (2008). Fotovoltaik Sistemlerin Binalarda Kullanımı, Yüksek Lisans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

[4]      Sakınç E. (2006). Sürdürülebilirlik Bağlamında Mimaride Güneş Enerjili Etken Sistemlerin Tasarım Öğesi Olarak Değerlendirilmesine Yönelik Bir Yaklaşım, Doktora Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.

[5]      Ecotect : Autodesk Ecotect Analysis

[6]      Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü, EİE Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası, http://www.eie.gov.tr/MyCalculator/pages/35.aspx, 30 Nisan 2011.

[7]      Sunpower, Residential Solar Panels, http://us.sunpowercorp.com/homes/products-services/solar-panels/, 7 Temmuz 2011.            

[8]     Pv Potential Estimation Utility, http://re.jrc.ec.europa.eu/pvgis/apps4/pvest.php,

            27.04.2014

[9]      Philips Lighting Academy, Climate Change and Lighting-Ecoventures 2007-2008

[10]    Şahin B. (2011). Güneş Enerjili Düz Toplaçların (Pv) Yapı Öğesi Olarak Mimaride Kullanım Olanakları-Bir Örnek Oluşturma ve Değerlendirme, Yüksek Lisans Tezi, YTÜ Fen Bilimleri Enstitüsü, İstanbul.