18 Mart 2011 | TEKNİK MAKALE 5. Sayı (Ocak - Şubat 2011)

Ömer Moltay / End. Müh., LEED AP, BREEAM Assessor / MimtaSolar
Fotovoltaik sistemlerin bina çatılarına yerleştirilmeleri ve şehir şebekesi ile paralel olarak çalışmaları 1990’larda gelişmeye başlamış bir olgudur. Özellikle Almanya ve Japonya’da devlet tarafından desteklenen programlar ile mimarlar fotovoltaik sistemlerin binalara entegrasyonu ile tanışmışlar ve fotovoltaik panellerin çok yönlü inşaat malzemesi (estetik + kabuk işlevi + enerji üretimi) olarak kabul edilmesinin yolu açılmıştır.  
Yeni yapılarda fotovoltaik panel kullanımı bina tasarımcılarına sayısız fırsatlar sunmaktadır. Son zamanlarda sayıları hızla artmış olan inşaat malzemesi şeklinde üretilen fotovoltaik paneller (esnek membran çatı kaplama, cephe cam kaplama), fotovoltaik panel üreticilerinin artık sadece bina odaklı hareket ettiklerini de göstermektedir. Bunun dışında mevcut yapılarda fotovoltaik panellerin kullanımı, atıl duran çatı alanlarının değerlendirilmesi için iyi bir fırsat sunmaktadır. Türkiye’nin özellikle büyük şehirlerinde bu şekilde boş duran ve yüksek miktarda güneş alan çok sayıda geniş fabrika ve depo çatısı bulunmaktadır.  
Her durumda fotovoltaik panellerin binalarda kullanımı aşağıdaki avantajları getirmektedir:

• Bina ihtiyacı elektriğinin bir kısmının veya tamamının bedava bir kaynaktan elde edilmesi
• Şehir şebekesine paralel çalışma ile güneş enerjisinin gün içerisindeki değişiminin olumsuz etkilerinden kurtulunması
• Özellikle ticarethane tarifesinden elektrik satın alan binalarda önemli bir enerji maliyeti azalmasının sağlanması
• Bina enerji kimlik belgesinde yüksek bir sınıfa ulaşılması
• Kurumsal karbon ayakizinin azaltılması
• Binadaki enerji verimliliği çalışmaları için bir “çıpa” oluşturulması
• Toplum nezdinde prestij ve eylemde de “sürdürülebilir” olma mesajı
• Bina estetiğine olumlu katkı
• Yeni inşaat veya tadilat söz konusu olduğunda, fotovoltaik panellerin geleneksel inşaat malzemelerinin yerine geçerek maliyet avantajı sağlamaları.

 Ülkemizde de bu senenin başından itibarın binalarda fotovoltaik paneller ile şehir şebekesine paralel olarak elektrik üretilmesini düzenleyen yasal çerçeve mevcuttur. Buna göre her bina sahibi tüzel veya gerçek kişinin, şehir şebekesi ile paralel çalışan bir fotovoltaik sistem ile bina elektrik ihtiyacını güneşten karşılaması, tüzel kişilerin de ihtiyaç üzerindeki fazla elektriği şebekeye vererek dağıtım şirketine satması mümkün olmuştur.  Binalarda bu tür sistemlerin kullanımı, sadece elektrik mühendislerinin değil, ayrıca mimarlar ve inşaat mühendislerinin de bilgi birikimine ihtiyaç duyar. Özellikle panellerin en verimli üretimi yapacak şekilde binaya entegre edilmesi ve sistemin 25+ senelik uzun ömrü boyunca dış etkilere karşı durabilecek şekilde tasarlanması sorumluluğu mimarlara düşmektedir. Benzer şekilde estetik ihtiyaçların karşılanması için mimarların fotovoltaik sistemler konusunda bilgi ve birikime sahip olmaları önemlidir.  Yazının devamında günümüzde binalarda fotovoltaik sistemlerin kullanımı konusunda fırsatlara ışık tutması nedeniyle MimtaSolar tarafından ‹stanbul / Yenibosna’daki uluslararası bir firmanın ofis binasına kurulumu yapılan fotovoltaik sistem incelenecektir. Güneybatı yönüne yönelmiş bu sistem, 144 adet ince film panelden oluşmaktadır. ‹nce film panel teknolojisi, ticari anlamda fotovoltaik sektöründe son senelerde önem kazanmıştır. Bu teknoloji, enerji üreten materyalin çok ince bir katman halinde kaplanması esasına dayalıdır ve bu nedenle binalarda kullanım için çok önemli fırsatlar sunmaktadır. ‹stenilen ölçülerde cam, paslanmaz sac gibi materyallerin kaplanabilmesi sayesinde, standart ürünlerin yanında projeye özel ürünlerin üretimi de mümkün olmaktadır. ‹nce film teknolojisi ayrıca esnek panellerin üretimini mümkün kılmıştır.  Sistemde kullanılan paneller, iki cam arasında mikromorf ismi verilen ve silikon hammaddesine dayalı güneş ışığına duyarlı bir katman içermektedir. Mikromorf teknolojisinin geleneksel panellere göre avantajı, sadece doğrudan güneş ışığı değil, difüz güneş ışığından da önemli derecede faydalanabilmeleridir. Bu özellik, bulutlu havalarda mikromorf panellerin geleneksel panellere nazaran daha yüksek miktarda üretim yapabilmelerini sağlar. Ayrıca paneller optimum eğim açısı dışındaki açılarda yerleştirildikleri durumda yüksek bir verimlilik kaybına uğramazlar. Bu da yine binalar için estetik çözümlere ulaşılmasında önemlidir.  Mikromorf panellerin bir diğer avantajı, diğer tüm ince film teknolojilerinde olduğu gibi, yüksek sıcaklıklarda geleneksel panellere göre daha az verimlilik kaybına uğramalarıdır. Türkiye’nin bulunduğu iklim bölgesi gibi sıcak iklimlerde bu, senelik elektrik üretiminde önemli bir artış sağlamaktadır.  Sistemde kullanılan her bir panel 120 watt pik gücündedir. Pik güç, farklı üreticilerin panelleri arasında karşılaştırma yapılmasına imkan veren bir referans değerdir ve standart bir güneş ışıması ve hava sıcaklığı altında ölçülen panelin elektriksel gücü ifade edilir. Gün boyunca bir panelin ürettiği güç, güneşin gökyüzündeki konumuna, bulutlanma şekline ve dış hava sıcaklığına göre önemli değişiklikler gösterir.  Görüldüğü gibi fotovoltaik enerji sistemlerinin performansları hem mevsimsel, hem de gün içerisinde değişiklik gösteren iklim koşullarına ve güneş ışığı miktarına bağlıdır. Bu şekilde dalgalanan bir üretici sistem ile sabit bir yük profiline sahip bir bina elektrik ihtiyacının birebir örtüşmesi hiçbir zaman mümkün olmaz. Bu nedenle binalarda en geçerli çalışma prensibi, şebekeye paralel operasyondur. MimtaSolar tarafından kurulan sistem de, paneller tarafından üretilen DC elektriği AC elektriğe çeviren evirici cihazın şebekeye paralel çalışması prensibine dayalıdır.
 fiebekeye paralel operasyonun farklı türleri mevcut olmakla beraber, ülkemizde yasal olarak şu anda izin verilen, fotovoltaik sistem ile üretilen elektriğin öncelikle bina içerisinde tüketilmesi, fazlası olması durumunda ise bunun şehir şebekesine geri verilmesidir. Geri verilen bu elektriği dağıtım firmalarının yasa tarafından belirlenmiş bir fiyat üzerinden satın almaları zorunludur.  Almanya gibi fotovoltaik sistemlere önemli destek veren ülkelerde ise üretilen tüm elektriğin şebekeye satılarak fotovoltaik sistem yatırımının geri dönüş süresini kısaltacak bir mali kazanç elde edilmesi de mümkündür.  Her iki şekilde de aslında şehir şebekesi bir enerji deposu olarak görev görmektedir. ‹htiyacınızdan fazla üretim yaptığınızda şebeke nezdinde oluşan “krediniz”, fotovoltaik sistem çalışmadığı (örneğin gece) ancak elektrik tüketiminiz olan zamanlarda şebekeden elektrik çekerek kullanılmaktadır.  Ofis binası çatısına yerleştirilen sistemin anlık elektrik üretim miktarı, hem evirici cihaz üzerinden, hem de evirici cihazın bağlanacağı ve bina lobisinde yer alan bir ekran üzerinden izlenebilmektedir. Bu ise, aslında çatıdaki konumu nedeniyle görülemeyen fotovoltaik sistemin bina çalışanları ve ziyaretçileri arasında algılanmasını mümkün kılmaktadır.  Panelleri taşıyan mekanik sistem MimtaSolar tarafından tasarlanmış ve üretilmiştir. Panellere güneybatı yönünde 10 derece eğim veren sistem için konulan en önemli şart, mevcut çatıya zarar verilmemesi olmuştur. Sistemin yerleştirildiği teras çatı, 10 santimetre XPS ısı yalıtımlı sıcak çatıdır. Çatı üzerindeki fotovoltaik sistem taşıyıcı parçaların beton döşemeye bağlanmaları, hem ısı yalıtmının hem de su yalıtımının delinmesini ve tekrar tadil edilmesini gerektireceğinden, bunun getireceği fazladan maliyet, balastlı sistem kullanılarak çözülmüştür. Panellerin yerleştiği yön ve bina geometrisinden hesaplanan rüzgar yüklerine karşı koyacak ağırlıkta beton bloklar, taşıyıcı sistemde aşağı yönde kuvvet yaratacak şekilde yerleştirilmişlerdir ve çatı katmalarında hiçbir delme işlemi yapılmasına gerek kalmamıştır.   Minimum 25 sene ömür biçilen fotovoltaik sistemlerde kullanılan tüm malzemelerin rutubet gibi dış hava şartlarına dayanımları son derece önemlidir. MimtaSolar tarafından üretilen taşıyıcı sistemde bu şart, nihai üretim aşamalarından sonra tüm metal parçaların sıcak daldırma galvanizlenmesi ile sağlanmaktadır. Ayrıca farklı metallerin bir araya geldikleri noktalarda (örneğin alüminyum-çelik birleşimleri) galvanik korozyonu önleyici bağlantı parçaları kullanılmaktadır.  Panellerin ve taşıyıcı sistemin bina topraklama sistemi üzerinden topraklanması dışında, ayrıca evirici cihazın yıldırım veya şebekedeki ani dalgalanmalara karşı korunması için hem AC tarafında, hem DC tarafında parafadurlar kullanılmıştır. Fotovoltaik sistemlerde parafadur kullanımı, sistemin sürekli olarak operasyonel olabilmesi ve senelik elektrik üretim miktarının maksimize edilebilmesi için önemlidir.  Sistemdeki tüm elektrik komponentleri DC elektrik için test edilmişlerdir. Bu tür testlerden geçmeyen komponentlerin kullanılması, fotovoltaik sistemlerde zaman içerisinde ciddi problemlere yol açabilmektedir. DC elektriğin kendine has özelliklerinden dolayı, örneğin uygun olmayan bir şalterin kullanımı, zamanla kontakların aşınmasına ve şalterin işlevini yerine getiremeyerek güvenlik tehlikesi yaratmasına yol açabilmektedir. Fotovoltaik sistemlerin yaygın olarak kullanıldığı ülkelerde bunlarla ilgili sektörel standartlar geliştirilmiş olup, ülkemizde bu standartların ve kontrollerin şu anki eksikliği, deneyimsiz kişiler tarafından kurulabilecek sistemlerin önemli tehlikelere yol açma riskini getirmektedir.  Fotovoltaik sistemlerin tasarımlarında iklim ile ilgili bilgiler, kullanılacak ekipmanların spesifikasyonları ve kurulacak binanın özellikleri önemli bir rol oynar. Sürekli değişim gösteren iklimsel özelliklerin istatistiksel analizi, sistemde beklenecek azami ve asgari voltaj ve akım gibi değerlerin belirlenmesine yol açar. Bu değerlerin sistemde kullanılan cihaz, ekipman ve kablolarla uyumlu olmaları, güvenlik açısından olmazsa olmaz bir gereksinimdir. Bir binadaki fotovoltaik sistem tasarımının, diğer bir binadan tamamen farklılık göstermesi kuvvetle muhtemeldir. Sistem tasarımında aşağıdaki faktörlerin mutlaka göz önüne alınması gerekmektedir:

• Kurulum yapılacak bina yüzeyinin azimutu (bakış yönü)
• Kurulum yapılacak binanın enlem ve boylamı
• Panellerin eğim açılara
• Bina lokasyonundaki tarihsel iklim verileri ve asgari / azami değerler
• Oluşması muhtemel gölgeler
• Kullanılan panellerin gerilim, ısıl katsayı değerleri ve hücre özellikleri
• Kullanılan evirici cihazın gerilim değerleri, trafolu veya trafosuz olması, şebeke senkronizasyon ve güç kalitesi özellikleri.

 Sistem tasarımcısı, senelik elektrik üretim miktarını optimum gerçekleştirmek için panelleri seri ve paralel bağlantı konfigürasyonları altında birleştirir. Burada optimuma ulaşmak için, elde bulunan iklim verileri kullanılarak evirici cihazın en verimli üretim yapabileceği konfigürasyon seçilir. Örneğin evirici cihazların önemli bir özelliği olan maksimum güç izleme (MPP, maximum power tracking) belirli gerilim aralıkları arasında çalışabilir. Sistem tasarımında, sistemin olabildiğince uzun bir süre bu gerilim aralığında kalmasını sağlamak (panel çalışma gerilimi hava sıcaklığına bağlıdır) gerekmektedir.  Sistem tasarımında ayrıca panellerin fiziki yerleşimlerinde optimum noktanın yakalanması gerekir. Paneller, güneye bakan eğim açıları ile yerleştirildiklerinden dolayı her panelin arkasına günün belli saatlerinde düşen bir gölge profili olmaktadır. Panel eğimi arttıkça, bu gölgenin uzunluğu artar ve arka sıradaki panellerin etkilenmemeleri için panel sıraları arasındaki uzaklığın artırılması gerekir. Bu da sabit bir çatı alanına kurulabilecek panel sayısının azalması anlamına gelir. Güneşin gökyüzünde yaptığı hareketin de bir parametre olarak kullanıldığı hesaplamalarda, panel eğimi ile sıralar arası uzaklık arasında optimum noktanın bulunması gerekir. Bu optimum nokta, ayrıca taşıyıcı sistemin yapısı üzerinde belirleyici bir role sahiptir. Örneğin MimtaSolar, kurulumu yapılan tüm fotovoltaik sistemlerde belirlenen optimum değerlere uygun taşıyıcı strüktürün üretimini projeye yönelik olarak gerçekleştirmektedir.  MimtaSolar tarafından kurulan 18 kWp’lik sistemin senede yaklaşık 22000 kWh elektrik üretmesi beklenmektedir. Bu miktar, binanın senelik elektrik ihtiyacının yüzde 3’üne karşılık gelmektedir. Binalarda fotovoltaik panel yerleştirilebilecek çatı alanı ne kadar büyük olursa, o kadar yüksek bir oranın karşılanması mümkün olmaktadır. Ayrıca binanın fonksiyonu da senelik elektrik ihtiyacını ve dolayısıyla fotovoltaik sistem tarafından karşılanabilecek oranı önemli ölçüde etkiler. Örneğin okul binalarında, yaz aylarındaki tatilden dolayı, metrekare başına senelik elektrik tüketimi daha düşük olabilmekte ve fotovoltaik sistem ile daha yüksek bir oran karşılanabilmektedir.  Yeşil Binalarda fotovoltaik sistemlerin kullanılması kararının projelerin erken safhalarında verilmesi önemlidir. Bu sayede tasarım aşamasında bina yerleşimi ve çatı/cephe ile ilgili kararlar verilirken fotovoltaik sistem gereksinimlerinin de göz önünde tutulması sağlanmış ve sistemin olabilecek en verimli şekilde kullanımı garantilenmiş olur.   
MimtaSolar, 1989 senesinden bu yana mimarlık ve inşaat hizmetleri sunan Mimta Mimarlık Taahhüt'ün yan kuruluşudur ve binalarda fotovoltaik sistemlerin anahtar teslim taahhüdünü gerçekleştirmektedir.

Yeşil Bina Sertifikasyon Sistemlerinde Fotovoltaik Enerji

Bir binada fotovoltaik enerji kullanımı, ülkemizde geçerliliği olan LEED ve BREEAM sertifikalarında puan kazandırmakta ve binanın sertifika seviyesine ulaşmasında önemli bir katkı sağlamaktadır. Her iki sertifika sisteminde de alınabilecek en yüksek puanlar enerji ile ilgili olanlardır ve binanın fosil yakıt kaynaklı elektrik tüketiminin azaltılması, çevresel performans açısından diğer tüm önlemlere göre daha fazla önem arz etmektedir.  Yeni bir bina için alınacak LEED sertifikasında olası toplam 100 puan içerisinden 28 puan, binanın fosil yakıt kaynaklı enerji tüketiminin azaltılması ile ilgilidir. En önemli başlıklardan birinde, binanın toplam senelik enerji tüketiminin analizi sonucunda, tüm ihtiyacını fosil yakıt kaynaklarından karşılayan bir referans binaya göre performansının değerlendirilmesi ile binaya puan verilir. Gerçek bina, referans binaya göre ne kadar az fosil yakıt kaynaklı enerjiye ihtiyaç duyuyorsa o kadar puan alınır. Örnek vermek gerekirse, fotovoltaik sistem kurulumunun senelik şebeke elektriği ihtiyacını yüzde 30 azalttığı bir yeni bina (ilkokul, lise binası vs.) LEED sertifikası için 10 puan alabilmektedir.
 LEED altında ilgili diğer bir kriter de, bina arazisi üzerinde herhangi bir yenilenebilir enerji kaynağından üretilen enerjinin kullanılmasıdır. Senelik toplam enerji maliyetinin belirli bir yüzdesinin yenilenebilir kaynaktan karşılanması durumunda bina aşağıdaki puanları kazanır:
   
%1    1 puan
%3    2 puan
%5    3 puan
%7    4 puan
%9    5 puan
%11   6 puan
%13    7 puan
>%15   8 puan

Görüldüğü gibi LEED adayı bir binada fotovoltaik sistem kullanımı iki farklı kriterin değerlendirilmesinde avantaj sağlar ve çifte puan kazandırır.  ‹ngiliz çevresel değerlendirme sistemi BREEAM’in ülkemizde uygulanan BREEAM Europe Commercial standardında ise toplam 102 puan içerisinden 18 puan ve 10 inovasyon puanı içerisinden 3 puan fotovoltaik sistemlerin binada kullanımını ilgilendirmektedir. BREEAM altında farklı bina tiplerine ve lokasyonlara göre puanlar farklı olarak ağırlıklandırılmaktadırlar. Enerji ile ilgili puanlar ise BREEAM Europe Commerical altında %19 ile en yüksek ağırlığa sahiptir.  Fotovoltaik sistemlerin değerlendirilmeleri, her iki sertifika sisteminde de senelik üretim miktarının veya karbon salımlarındaki azalmanın hesaplanmasını gerektirmektedir. Tasarım aşamasında belirlenen fiziki yerleşim ve kullanılacak panel ve evirici spesifikasyonlarının mevcut olması, fotovoltaik sistem tasarımcısının bu hesabı, binanın bulunduğu lokasyonun tarihi iklim verilerini kullanarak yapabilmesine olanak verir.