Binaya Entegre Fotovoltaik Sistemlerin Mimaride Kullanımları

Ebru ÜNVER, Y. Mimar, LEED AP, BREEAM Assessor, EKB Uzmanı, İLTAY Enerji Ltd. Şti.

Dünya Çevre ve Gelişim Komisyonu, Sürdürebilirliği, bugünün gereksinimlerinin gelecek nesillerin gereksinimlerini giderme yetisini tehlikeye atmadan karşılama becerisi olarak tanımlamaktadır. Konu sürdürülebilir mimarlık bağlamında ele alındığında, kaynakları koruma, yaşam döngüsünü değerlendirme ve yaşanılabilir çevre tasarlama vb. konular ön plana çıkmaktadır. Binalarda kullanılan su, malzeme, enerji vb. temel kaynaklardan enerji, korunması gereken kaynakların en başında gelmektedir.

Günümüzde, geleneksel enerji kaynakları olan kömür, petrol, doğal gaz vb. fosil yakıtlar enerji kaynaklarının büyük bölümünü oluşturmakta ve enerji tüketiminin %85’i fosil yakıtlardan sağlanmaktadır. Geleneksel enerji kaynağı rezervleri, yani fosil yakıtlar giderek tükenirken, küresel enerji tüketimi ve talebi artmaya devam etmektedir. Uluslararası Enerji Ajansı’nın (International Energy Agency, IEA) verilerine göre 2030 yılına kadar petrol ve doğal gaz üretim %40-60 oranında azalacaktır.

1970’li yıllarda başlayan enerji krizi, enerji fiyatlarındaki artış, enerji üretimi ve tüketiminin doğal çevre üzerindeki olumsuz etkileri, enerjinin daha sınırlı ve daha verimli kullanımını, bu bağlamda enerji etkin tasarımları gündeme getirmiştir. 1970 yılından bu yana dünya ekonomisi 3 kattan fazla büyümüş, dünya nüfusu ise 3 milyardan fazla artmış olup 2012 verilerine göre yaklaşık 7 milyara ulaşmıştır.

Birleşmiş Milletler Çevre Programı (United Nations Environment Programme, UNEP) verilerine göre, günümüzde dünya nüfusunun %50’den fazlası şehirlerde yaşamakta; şehirler, dünya enerji kaynaklarının %75’ini tüketmekte, üretilen enerjinin %60-80’ini kullanmakta ve CO2 salınımının %75’ini yaratmaktadır. 2050 yılında ise şehirlerde yaşayan nüfus oranının %70’lere ulaşacağı, enerji tüketiminin bugüne göre %80 daha fazla olacağı öngörülmektedir.

Bu olgu, dünyadaki birçok ülkenin, geleneksel enerji kaynakları kullanımınının sınırlandırılması, enerji korunumunun sağlanması, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımının yaygınlaştırılması vb. konularda öneriler ve radikal önlemler getirmesi sonucunu doğurmuştur. 1990’lı yılların başlarından itibaren, binaların çevreye olan etkilerini; enerji, su, malzeme tüketimlerini, vb. ölçmek / belirlemek amacıyla birçok farklı değerlendirme sistemi oluşturulmuştur. Bunlardan başlıcaları; BREEAM (Building Research Establishment Environmental Assessment Method) - İngiltere; LEED (Leaderships in Energy and Environmental Design)-Amerika Birleşik Devletler ve Kanada; CASBEE (Comprehensive Assessment System For Building Environmental Efficiency) - Japonya; GREEN STAR - Avustralya; DGNB (Deutsche Gesellschaft für Nachhaltiges Bauen e.V.) - Almanya olarak sıralanabilir.

Avrupa Birliği yayınladığı enerji politikası ile 2020 yılında tüm enerji ihtiyacının %20’sini yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılamayı, enerji etkinliğini %20 arttırmayı ve CO2 salınımını %20 düşürmeyi hedeflemektedir. Dünya Doğal Yaşamı Koruma Vakfı (World Wide Fund for Nature, WWF) 2011 tarihli enerji raporunda bu konudaki vizyonunu, 2040 yılına kadar fosil yakıtlara bağımlılığı %70 azaltmak ve 2050 yılında ise ihtiyaç duyulan tüm enerjiyi yenilenebilir kaynaklardan sağlamak olarak açıklamıştır.

Yenilenebilir enerji kaynakları su, güneş, rüzgar, jeotermal, biyokütle vb. olarak sıralanmaktadır. Ancak konu, yapılı çevre ölçeğinde ele alındığında kullanımı en kolay enerji kaynağı güneştir. 19. yüzyılda başlıca enerji kaynağı olan kömür, 20. yüzyılda yerini petrole bırakmıştır. Güneş, neredeyse sonsuz bir enerji kaynağı olarak, 4-5 triyon yıl daha dünyaya enerji sağlayabilme gücüne sahiptir. Bu nedenle, önümüzdeki yüzyılların enerji kaynağının güneş olacağı ön görülmekte olup güneş enerjisi ile ilgili çalışmalar özellikle 21. yüzyıldan bu yana büyük bir ivme kazanmıştır.

Güneş ışınımları enerjiye dönüştüren sistemler, ürettikleri enerji türlerine göre;

* Isı enerjisi üreten, güneş enerjili ısıtma sistemleri (Solar Thermal Systems),

* Elektrik enerjisi üreten, Isıl (fotovoltaik) elektrik sistemler, (PV Systems),

* Isı ve elektriği aynı anda üreten Güneş Enerjili Isıtma sistemler,

olarak sınıflandırılabilir.

Bu makalede konu, güneş ışınımlarından elektrik enerjisi üreten fotovoltaik sistemler ile sınırlandırılmış ve bu sistemlerin mimaride kullanımları üzerinde durulmuştur.

Fotovoltaik ve Fotovoltaik Sistemler Nedir?

Fotovoltaik Nedir?

Fotovoltaik (Photovoltaic) kelimesi Yunaca’da “ışık” anlamına gelen “phōs” ve gerilimin birimi olan “volt”” sözcüklerinin birleşmesinden oluşmaktadır. Fotovoltaik terimi (photo-voltaic) İngilizce’de 1849 yılında bu yana kullanılmakta ve ışıktan elektrik akımı üretilmesi anlamına gelmektedir. Bu terim, ışıktan elektrik üreten fotovoltaik hücrelerin pratik uygulaması ile ilgili araştırma ve teknolojilerde kullanılan genel bir terimdir. Burada sözü edilen ışık, doğal ya da yapay yollarla elde edilmiş olabilir. Güneş ve gök ışığının birleşiminden oluşan “gün ışığı” fotovoltaik hücreler aracılığı ile elektrik enerjisine dönüşür. Fotovoltaik hücreler üzerlerine gelen ışığı elektrik akımına dönüştürebilen yarı-iletken malzemelerden oluşan düzeneklerdir. Bunlar, güneş pilleri, güneş panelleri vb. çeşitli adlarla adlandırılabilmekte ve değişik özelliklerde üretilebilmektedir.

Fotovoltaik’in Tarihçesi

Fotovoltaik’lerin ortaya çıkışı 19. yüzyılın başına kadar uzanmaktadır. İlk olarak 1839 yılında Fransız fizikçi Alexander Edmond Becquerel tarafından bulunmuştur. 1950’li yılların sonunda ilk konvansiyonel Fotovoltaik hücreler üretilmiş ve Amerika Birleşik Devletleri uzaya gönderdiği uyduda kullanılmıştır. 1970’lerde enerjini krizinin çıkması ile fotovoltaik çalışmalarına ağırlık verilmiştir. 1980’lerde hesap makinesi, saat, vb. elektronik aletlerde, sokak aydınlatma elemanlarında yaygın olarak kullanılmıştır. Binalarda kullanımına ilişkin ilk uygulama örnekleri de 1980 yıllarında gerçekleşmiştir.

Fotovoltaik Tipleri

Fotovoltaik (PV) hücreler, üzerlerine gelen ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilen, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi yarı-iletken malzemelerden oluşan birimlerdir. Fotovoitaik hücrelerde kullanılan yarı iletkenler, temelde Tablo 1’de verilen silikon esaslı kristalin ve ince film olarak iki ana grupta toplanmaktadır [4], [5].

Fotovoltaik Sistem Nelerden Oluşur?

Işıktan elektrik üreten tüm birim ve alt sistemlerin bütünü fotovoltaik (PV) sistem olarak adlandırılır. PV sistemler, enerji ihtiyacının özelliklerine, ekonomik koşullara ve bağlanılan elektrik şebekesi koşullarına göre birçok farklı biçimde oluşabilir. Bu sistemler, yapılanması ne olursa olsun maliyet, ömür, verim, geri ödeme, çevre konuları, güvenilirlik vb. açılardan optimum bir etkinlik sağlanmalıdır. Fotovoltaik sistemler temelde, fotovoltaik hücreler ve bunlardan üretilen doğru akımı (Direct Current, DC) alternatif akıma (Alternative Current, AC) dönüştüren elemanlar (inverter) olmak üzere iki bölümden meydana gelir. Kullanım amaçlarına göre, üretilen elektriğinin miktarını ölçen sayaç, üretilen elektriği depolayabilen akü, elektrik panosu, şarj regülatörü, vb. elemanlar sisteme ilave edilebilir.

Örneğin, bir binada kullanıldığında, fotovoltaikler tarafından üretilen doğru akımı (DC) inverterler aracılıyla elektrik enerjisini bina içerisindeki cihazları çalıştırabilmek için alternatif akıma (AC) dönüştürür. Sisteme ilave edilen aküler, güneş enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda sistemi beslemek aynı zamanda da üretilen enerjiyi depolamak için kullanılır. Sayaçlar ise, PV sistem tarafından üretilen elektrik miktarını ve/veya şehir şebekesinden kullanılan elektrik miktarını ölçmek için kullanılır. PV sistemler, ürettikleri enerjiyi şehir şebekesine verme şebekesine bağlı (grid-connected) ya da vermeme durumlarına göre şebekeden bağımsız (off-grid) olarak düzenlenebilir.

Fotovoltaik ve Mimari

Amerika Yeşil Binalar Konseyi (US Green Building Council, USGBC) verilerine göre Amerika Birleşik Devletleri’nde genel enerji kullanımının %40’ı, elektrik tüketiminin %72’si, CO2 salınımının %39’u, temiz su kullanımının %14’nün binalar tarafından gerçekleştirilmektedir [6]. Bu durumun diğer dünya ülkeleri ve ülkemizdeki binalar için de benzer olduğu söylenebilir.

Üretilen enerjinin büyük bir bölümünün doğrudan ya da dolaylı olarak binalar tarafında tüketildiğini düşüldüğünde, günümüz mimarlarına düşen görev, binaları enerji kullanıcı olarak değil üretici olarak tasarlamak, az enerji harcayan hatta üreten çevreci sistemlere yönelmek olmalıdır. Bir başka anlatımla izlenecek yol, enerjiyi mümkün olduğunca korumak, enerji verimliliğini arttırmak ve yenilenebilir enerji kaynaklarından güneşi kullanmak olarak açıklanabilir.

Yukarıda da belirtildiği üzere fotovoltaiklerin binalarda kullanımı 1980’lı yıllar başlamış ve gelişen teknolojileri ile giderek yaygınlaşmıştır. Gelişen PV teknolojisi, güneş enerjisini binalara uyarlayabilmek için mimariye ve yapı teknolojisine yeni olanaklar sunmaktadır. Nitekim Avrupa Fotovoltaik Endüstri Birliği (European Photovoltaic Industry Association, EPIA) 2020 yılında, Avrupa’da tüketilen elektrik miktarının %12 sinin fotovoltaik panellerden karşılanacağını ön görmektedir [7]. Bina kabuğunu geleneksel malzemesinden çıkarıp, güneş enerjisini aracılığı ile elektrik üreten bir sistem haline getirmek mümkündür.

PV elemanlar enerji üretmenin yanı sıra bina formunun oluşmasında, bir yapı elemanı gibi davranıp yapı kabuğunun (cephe ve çatı) şekillenmesinde ve de bina yapım aşmasında önemli ve belirleyici rol oynamaktadır.

PV sistemlerin mimari ile ilişkilendirilmesi, mevcut bir binaya sonradan ilave etme/ekleme (Building Added PV, BAPV) ya da tasarım aşamasında bina ile bütünleştirme (Building Integrated PV, BIPV) olmak üzere iki ayrı biçimde gerçekleştirilebilir. Aşağıdaki bölümde, bina ile bütünleşmiş (Integrated, Building Integrated Photovoltaic, BIPV) sistemlerin özellikleri ele alınmıştır.

Bina ile Bütünleşik Fotovoltaik Sistemler (BIPV)

Çevresel, ekonomik, enerji korunumu, enerji kazanımı, prestij/imaj gibi birçok farklı amaçla binalarda kullanılan PV sistemler, ekonomik ve teknolojik yeterlilik, yapı özellikleri, kullanıcı ve uygulayıcının bilinç ve bilgi düzeyi doğrultusunda yapılarda farkı şekillerde değerlendirilebilir.

“Bina ile bütünleşik (BIPV)” fotovoltaik sistemler temel işlevleri olan elektrik enerjisi üretmenin yanı sıra verimlilik, ekonomik, çevresel, estetik vb. açıdan da yarar sağlamaktadır. Bu yararlar, kısaca aşağıdaki gibi açıklanabilir.

Verimlilik: İletim sıradaki enerji kayıplarının azaltılması, enerji niteliliğini artırılması, gerilim kontrolü sağlanması vb.

Bina Ekonomisi: Yapı malzeme giderlerinde azalma, bina işletim maliyeti ve işçilik giderlerinde azalma, PV sistem kurulumu için gerekli alan ihtiyacının ortadan kalması/azalması, vb.

Sosyo-ekonomi: Yeni bir pazar oluşturmak, yeni iş imkanı sağlamak, binalarda kullanılması ile yenilebilir kaynaklar hakkında toplum bilinci oluşturmak ve eğitim imkanı arttırmak, binaya prestij kazandırmak, vb.

Çevre: Çevre dostu yeşil bina tasarımına katkı sağlamak, karbon bağımsız enerji üretimini sağlamak, sera gazı miktarını düşürmek, vb.

Estetik: Mimari tasarım ile uyum, mimariye artı değer katma, yenilikçi tasarıma olanak sağlama ve tasarım seçeneklerini artması, vb.

Mimari: Bir bina bileşeni olarak; ilave bir strüktüre ihtiyaç duymaması, ısı, su ve ses yalıtımı sağlaması, güneş kontrolü sağlaması, vb. (Şekil-01)

BIPV Kullanım Yerleri Nerelerdir?

BIPV sistemler enerji üretimine katkı sağlayan yapı malzemeleri olarak görülmeli ve tasarıma holistic bir anlayış ile yaklaşılmalıdır. PV sistemler mimari tasarıma entegre edilirken, elektrik üretimi için maksimum verimi almak ve mimari estetik değeri yüksek binalar tasarlamak hedef olmalı ve PV sistem ihtiyacını en aza indirmek için pasif güneş tasarımı ilkeleri dikkate alınmalıdır.

Bu sistemler, mimaride kullanıldıkları yapı elemanlarını/ yapı yüzeylerini, verimsel gerekliliklerinden dolayı biçimsel; yüzeysel özelliklerinden dolayı ise görsel olarak etkiler.

Işığı elektrik enerjisine çeviren PV sistemlerin verimi üzerlerine gelen ışık miktarı ile doğru orantılıdır. Sisteme ulaşan dolaysız güneş ışığının enerjisi, gökten gelen yayınık ışığa göre çok daha fazla olduğundan, gün boyunca dolaysız güneş ışığını olabildiğince uzun süre alabilmek ve güneş ışınlarının dik açı ile gelmesini sağlamak verimlilik açısından büyük önem taşır. Bu nedenle, binanın coğrafi konumu, bina formu, binanın güneşe göre yönelimi, PV’lerin bina kabuğundaki yönü, eğimi (güneş ışını ile yaptığı açı), sisteme gölge atabilecek doğal ve/veya yapay engellerin varlığı, vb. etkenler tasarım sırasında dikkate alınmalıdır.

Yapı kabuğundaki yaygın kullanım yerleri genelde, çatı ve cephelerdir. Ancak, binaların uygun koşulları sağlayan hemen hemen her yerinde kullanılabilen BIPV sistemler, yer aldıkları yapı bileşenine ve özelliklerine bağlı olarak çok değişik şekillerde uygulanabilir (Şekil-02). Bu uygulamalar aşağıdaki gibi örneklendirilebilir:

Çatılar, yüksekte olmaları, çevrelerinde gölge atabilecek doğal ve/veya yapay engellerin bulunma olasılığının düşük olması nedeni ile en yaygın kullanım yeridir. PV teknolojisi doğrudan PV paneller halinde kullanılabileceği gibi klasik çatı kaplamaları (kiremit, şingle, vb.) ile birleştirilerek hem eğimli hem de düz çatılarda uygulanabilir.

Cepheler, yapı kabuğunun düşey elemanı olup, burada cam, doğal taş, seramik, vb. cephe kaplama malzemeler yerine PV paneller kullanılabilir. Cepheler, saydam ve/veya saydam olmayan bölümlerden oluşur. PV paneller gün ışığı geçirim istenilen bölgelerde (pencereler) kullanılabileceği gibi güneş kontrolü istenilen bölgelerde ya da saydam olmayan (duvarlar) bölümlerde yer alabilir. Bu bağlamda, giydirme cephe sistemlerine, çift cephe, vb. uygulamalara entegre edilebilirler.

Gölgeleme/güneş denetim elemanları, iç mekanlarda özellikle dolaysız güneş ışığının oluşturduğu aydınlığın ve ısının olumsuz etkilerinin denetlenmesi vb. amaçlarla kullanılırlar. PV panellerden oluşan güneş denetim elemanları, güneşin olumsuz etkilerinin denetlenebildiği gibi bina kabuğundaki PV kullanım yüzeylerini de arttıracaktır.

BIPV kullanımına uygun mimari öğeler, ışıklık, atriyum, kış bahçesi, balkon, kanopi, saçak, vb. olarak sıralanabilir. (Şekil-02)

Sonuç

Sürdürebilirlik ve özellikle sürdürebilir mimarlık kavramlarının temelin ilkeleri, kaynaklarının korunması, yaşam döngüsü değerlendirme ve yaşanılabilir çevrelerin tasarımı olarak sıralanabilir. Bu bağlamda, enerji kaynaklarının korunumu günümüzün en güncel sorunlarında biri olarak karşımıza çıkmaktadır. Günümüzde, fosil yakıtlar enerji kaynaklarını büyük bölümünü oluşturmakta olup rezervleri giderek tükenmekte olmasına karşı küresel enerji talebi ve tüketimi giderek artmaktadır. Bu artış doğal olarak kullanıcı olan dünya nüfusunun artması ve kullanıcıların enerji ihtiyaçlarının çoğalması ile doğru orantılıdır. Günümüzde Birleşmiş Milletler, Avrupa Birliği Enerji ajansı vb. kuruluşlar, geleneksel enerji kaynaklarının kullanımının azaltılması, enerjinin verimli kullanılması, yenilebilir enerji kaynakların kullanımın yaygınlaştırılması gibi konularda çeşitli çalışmalar yapmaktadır. Güneş çağı olarak tanımlanan, içinde bulunduğumuz 21. yüzyılda, yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisi ile ilgili sistemler ve uygulamalar yaygınlaşmıştır. Bu sistemlerden biri de fotovoltaik sistemlerdir. Fotovoltaik sistemler ilkesel olarak üzerlerine gelen güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren yarı iletken malzemelerden oluşan birimlerdir. Günümüzde, enerjinin büyük bir bölümü binalar tarafından kullanılması nedeni ile PV sistemlerin uygulandığı binalar giderek önemli hale gelmiştir. PV sistemler çatılar ve cephelerde uygulanabilir. PV sistemleri en verimli şekilde kullanabilmek için, tasarım kriterlerine dikkat etmek, binaya en fazla verim sağlayacak şekilde konumlandırmak ve tasarıma entegre etmek gerekir. Bu olgu, bina tasarımcısı olan mimarlara büyük görev düşmesine yol açmaktadır.