Atölye Çalışması 1 Dersi 7. Ünite Özet

Giriş

Alternatif enerjiye; yenilenebilir, tükenme sorunu olmayan ve doğal olması bakımından olduğu kadar:

• Fosil yakıtların çevreye verdikleri olumsuz etkileri azaltabilmek,
• Hızlı bir şekilde artan enerji talebini karşılayabilmek,
• Enerji kapsamında dışa bağımlılığı ciddi boyutlarda hafifletebilmek,
• Ülke ekonomisine önemli destek sağlayabilmek, açılarından geleceğin enerjisi olarak bakılmalıdır.

Çok yakın bir gelecekte çatılarımızın, elektrik enerjisi üreten ve üretilen elektriği şebeke elektriğine katarak gelir getiren, güneş panelleriyle donatılacağı beklenmektedir.

Bu amaçla; güneş pillerinden oluşan ve sembolik olarak güneş panelini temsil eden bir aygıtla elektrik enerjisi üretecek, bu enerjiyi kimyasal enerji olarak depolayacak ve yine elektrik enerjisine dönüştürerek kullanabileceğiniz bir deney yapacaksınız.

Güvenlik Önlemleri

Elektrik enerjisinin az veya çok olmasının vücudumuza vereceği zararı tahmin etmek zordur. Bu yüzden deneyin yapılması aşamasında bazı güvenlik önlemlerini almaya ve uygulamaya dikkat edilmelidir:

• Her şeyden önce elektrik ile ilgili deney yaptığınızı unutmayınız, dikkatli olunuz ve aceleci davranmayınız
• Deney arkadaşlarınızla uyum içerisinde çalışınız ve deneyleri özverili yapınız.
• Deney devresi tamamen kurulup yetkili öğretim elemanına göstermeden devreye elektrik bağlantısı yapmayınız.
• Size verilen tekrar doldurulabilen pili (akü), devre düzeneği dışında doldurmaya kalkmayınız. Aksine yapılan bir harekette pil aşırı yüklenebilir ve patlayabilir.
• Aküyü devrede kutuplarına uygun olarak bağlayınız. Ters bağlama akünün zarar görmesine yol açar.
• Asitli kurşun akülerle (araba aküsü) çalışıyorsanız, koruyucu gözlük, eldiven ve önlük takmanızda yarar vardır. Aşırı yüklenen aküler (14,34 volt) hidrojen gazı çıkardıklarından, patlayabilirler ve ciddi zararlar verebilirler.
• Tekrar doldurulabilen pillerin doldurulma sürelerini çok uzun tutmayınız ve pillerin sıcaklığını kontrol ediniz. Normalin üzerinde ısındığını fark ederseniz, doldurma işlemini hemen durdurunuz.
• Tekrar doldurulamayan pilleri, kesinlikle doldurmaya kalkmayınız.
• Elektrik bağlantıları tamamen yalıtılmış olmayabileceğinden hiçbir açık tele ve bağlantıya dokunmayınız.
• Yalıtım malzemeleri eskimiş, yıpranmış ve özelliğini kaybetmiş olabilir. Bu durumu hemen ilgiliye haber veriniz.
• Bir arıza durumunda sakın müdahale etmeye kalkmayınız ve ilgiliye haber veriniz.
• Prizlerden fişleri çıkarmak için kablolarından tutup çıkarmayı denemeyiniz. Fişlerinden tutarak çıkarınız.
• Gereksiz yere elektrik enerjisi tüketmeyiniz.
• Laboratuvar ile ilgili güvenlik panosunu mutlaka okuyunuz.
• Size verilen araç ve gereçleri özenli kullanınız ve oyun aracı gibi değerlendirmeyiniz.
• Diğer masalarda deney yapan arkadaşlarınızı tedirgin edici ve onların dikkatini dağıtıcı tavır ve davranışlardan kaçınınız.
• Deneyinizi tamamladıktan sonra, cihazları teslim aldığınız gibi sizden sonra kullanacak olanlara düzenli bırakınız.

Teorik Bilgi

Fotovoltaik pil (photovoltaic cell) olarak da bilinen güneş pillerinin birbirlerine seri ve paralel bağlanmalarıyla, yaklaşık 1 m ² alana sahip, güneş paneli yapılır. Bu paneller paralel ve seri bağlanmalarla, gerek evlerin çatıları kaplanmak suretiyle evin elektrik enerjisi ihtiyacını gidermek, gerekse çok geniş alanlarda ülkenin elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak üzere güç santrallarını meydana getirirler. Fotovoltaik güneş panelleri; yüksek akım, yüksek voltaj ve dolaysıyla yüksek güç üretirler.

Güneş panelleri güneş ışınları enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilen aygıtlardır. Üretilen elektrik doğru akım (dc) elektriğidir ve güneş ışınları olduğu sürede üretim vardır. Elektrik enerjisine de en çok geceleri ihtiyaç duyulmaktadır. Bu durum bir dezavantaj olarak görülse de, gündüzleri kullanımdan arta kalan elektrik enerjisinin diğer enerji türlerine dönüştürülerek tekrar kullanılması sağlanabilmektedir.

Fotovoltaik güneş panellerinden elde edilen akım, doğru akım (dc) olduğundan, doğrudan doğruya akülere kimyasal enerji olarak ve kondansatörlere de elektriksel potansiyel enerji olarak depolanabilir. Burada da tekrar doldurulabilen pillere elektrik enerjisinin kimyasal enerji olarak depolanmasını ve bu enerjinin tekrar elektrik enerjisine dönüştürülerek kullanılması kapsamında deney yapacaksınız.

Tekrar Doldurulabilen Piller

Piller genel anlamda;

• Birincil piller ve
• İkincil piller

olmak üzere iki farklı grupta toplanırlar.

Birinci Piller; tekrar doldurulamazlar. Yükleri veya enerjileri bitince pil bitmiş olur ve atılır duruma gelirler.

Çevreye zarar vermesinler diye pil toplama merkezlerinin organize ettiği “atık pil toplama yerlerine” bırakılırlar.

İkinci Piller; tekrar doldurulabilen pillerdir. İkincil olarak adlandırılmalarının nedeni, onların elektrokimyasal olarak etkileşmelerinin elektriksel açıdan tersine dönebilmesidir (tersinir olmasıdır). Akü diye de adlandırılırlar. Yapılmış oldukları aktif elemanlarına, kullanım ve çevre koşullarına bağlı olarak kullanım süreleri değişebildiği gibi kaç defa doldurulabileceği de değişebilir.

Başlıca ve yaygın olarak kullanılanlar piller;

• Kurşun-asit pilleri
• Nikel-kadmiyum pili
• Nikel-metal hidrür pili
• Lityum-iyon pili
• Lityum-iyon polimer pili

Kurşun-asit pilleri: Fransız fizikçi Gaston Planté tarafından 1859’da bulunmuştur. Tekrar doldurulabilen en eski pildir. Ağır olmalarına rağmen yüksek akım verebildikleri için motorlu taşıtlarda motoru çalıştırmak için çok uygundur. Fiyatının düşük olması, taşımanın gerekmediği durumlarda, enerji depolamak için tercih edilmektedir.

Nikel-kadmiyum pili: Ni-Cd, NiCd veya NiCad sembolleri ile gösterilmektedir. İlk Ni-Cd pili, 1899 yılında İsveç’li Waldemar Jungner tarafından yapılmıştır. Tekrar dolabilen piller arasında en çok kullanılan olmuştur. Kadmiyumun zehirli olması sebebiyle 2006 yılından itibaren Avrupa Birliği tarafından kullanımına sınırlandırmalar getirilmiştir.

Nikel-metal hidrür pili: NiMH veya Ni-MH sembolleri ile gösterilmektedir. 1989 yılında piyasaya çıkmıştır. Aynı boyutlardaki Ni-Cd piline göre iki-üç kat kapasiteye sahiptir. Kullanımı oldukça yaygındır.

Lityum-iyon pili: Li-iyon veya LIB sembolleri ile gösterilmektedir. Lityum pili tekrar doldurulamayan pildir ve tekrar doldurulabilen lityum-iyon pili ile karıştırılmamalıdır. 1991 yılında piyasaya çıkmıştır. Kullanıldıkça, pil ilk günkü seviyesine kadar dolmadığı gibi istenilen yüksek akımı da vermemektedir.

Lityum-iyon polimer pili: Li-poly veya LiPo sembolleri ile gösterilmektedir. 1995 yılında piyasaya çıkmıştır. 2008 yılından itibaren daha kısa sürede doldurulabilir duruma getirilmiştir. Üretici istediği biçimde (şekilde) üretebildiğinden ve hafif olduğundan birçok küçük elektronik aygıtlarda kullanılabilecek potansiyele sahiptir.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler

Deneyde kullanılacak araç ve gereçler aşağıda verilmiştir (S:164, Şekil 7.1):

1. DC güç kaynağı                                                     1 Adet
2. Köşeli modül                                                          4 Adet
3. T-modül                                                                 1 Adet
4. Anahtarlı modül                                                     1 Adet
5. İki yuvalı modül                                                     1 Adet
6. Ampul modülü                                                       1 Adet
7. Akü yuvası                                                            1 Adet
8. Akü                                                                        2 Adet
9. Ayak                                                                      2 Adet
10. Metal destek çubuk                                               2 Adet
11. Güneş paneli                                                         1 Adet
12. Plastik destek çubuk                                             1 Adet
13. Plastik destek çubuk tutucu                                  1 Adet
14. Işık kaynağı                                                          1 Adet

Deneyde Düzeneğinin Kurulması

Verilen deney elemanları kullanarak, ışık enerjisinin elektrik enerjisine dönüştürülmesi, elektrik enerjisinin kimyasal enerji olarak aküye depolanması ve aküde depolanan enerjinin tekrar elektrik enerjisi olarak kullanılmasını sağlayan deney düzeneğini adım adım kuralım.

İlk önce V-şeklindeki destek ayaklarını karşı karşıya getirip aralarını metal çubukların sığacağı kadar açınız (S:165, Şekil 7.2). Destek çubuklarını ayaktaki yuvalara takıp (S:165, Şekil 7.3), sarı mandalları yatay konumdan yukarı kaldırarak metal çubukları sabitleyiniz (S:165, Şekil 7.4). Çubukların ayaklara sıkıca bağlandığından emin olunuz.

İkinci aşamada güneş panelinin arkasında bulunan yuvaya plastik destek çubuğunu takınız (S:166, Şekil 7.5) ve bu çubuğu plastik destek çubuğu tabanına sabitleyiniz (S:166, Şekil 7.6). Güneş panelinin takılı olduğu bu tabanı metal rayların üzerine oturtunuz (S:166, Şekil 7.7).

Üçüncü aşamada, ışık kaynağını panelin önyüzüne bakacak şekilde ayağa sıkıca vidalayınız (S:166, Şekil 7.8).

Sonraki aşamada, devre modüllerini kullanılarak, hem aküde enerjinin depolanması ve hem de depolanan enerjinin harcanması için uygun olan devre kurulacaktır (S:167, Şekil 7.10). Öncelikle bu modüller devrede süreklilik oluşturacak şekilde üstünde belirtilen çizgilere uygun olarak karşı karşıya getirilir (S:167, Şekil 7.9(a)). Daha sonra iki düz modülün girinti ve çıkıntıları birbirlerini karşılayacak şekilde birisi yukarıda diğeri aşağıda tutulur (S:167, Şekil 7.9(b)), bu noktalardan birbirlerine yavaşça geçirilir (S:167, Şekil 7.9(c)) ve ek aynı seviyeye getirilir (S:167, Şekil 7.9(d)). Böylece her iki modülün beyaz çizgileri birbirlerini tamamlamış olur.

Akünün, yukarıda sözünü ettiğimiz amaç için kullanılmasına ilişkin devreyi size verilmiş olan araç ve gereçlerle kurulmasını gerçekleştiriniz (S:167, Şekil 7.10).

Kurmuş olduğunuz devredeki akü yuvasına, size verilmiş olan iki adet aküden bir tanesini, “+” ve “–” kutuplarını da dikkate alarak yerleştiriniz (S:168, Şekil 7.11).

Bu devre iki farklı devreden oluşmaktadır;

• Birincisi akünün enerji depolaması amacına uygun (a) ile belirtilen devre,
• İkincisi de aküde depolanan enerjinin kullanılmasına uygun (b) ile gösterilen devredir.

Bu düzenekte, akü her iki devrenin ortak elemanı olmaktadır. Bu iki devreyi birbirinden ayıran eleman anahtardır. Anahtarın şekildeki yerine göre sola yatık konuma getirilmesi akünün doldurulacak durumda olduğunu, sağa yatık konuma getirilmesi ise akünün enerjisinin kullanılacak durumda olduğunu gösterir.

Aküde depolanmış enerji kalabileceğinden, bu enerjinin lamba üzerinde kullanılarak tüketilmesini sağlayınız (S:168, Şekil 7.12). Bu işlem biraz zaman alabilir. Ampulün ışığının fersiz olduğu yani ışığının çok zayıf olduğu durumda da akünün boşalmış olduğunu kabul edebilirsiniz.

Panelden çıkan iki kablonun mavi renkli olan fişini akünün eksi (–) kutbuna bağlantısı olan iki yuvalı modüle, kırmızı renkli fişini de akünün artı (+) kutbuna bağlantısı olan modülün diğer yuvasına takınız (S:169, Şekil 7.13). Anahtarın, akünün doldurulacağı devrede, devreyi tamamlayıcı konumda olmasına dikkat ediniz. Devre tamamlanmıştır ve akü güneş panelinin ürettiği enerjiyi depolayabilecek durumdadır.

Lambanın iki fişini güç kaynağının ac olarak belirtilen bölümdeki 0 ve 12 ile işaret edilmiş yuvalara takınız (Şekil S:169, 7.14). Güç kaynağının da fişini prize taktıktan sonra laboratuvarda görevli öğretim elemanına devrenizin tamam olduğunu söyleyip uygundur iznini alınız.

Deneyin Yapılışı

Öğretim elemanından gerekli izni aldıktan sonra, güç kaynağının arkasında bulunan düğmeyi kullanarak lambayı yakınız.

Akünün Doldurulması

Lambadan çıkan ışınların (güneş ışınlarını temsil etmektedir) güneş panelini aydınlatmaya başlamasıyla, güneş panelinin ürettiği elektrik enerjisi kimyasal enerji olarak aküde depolanmaya başlar (S:170, Şekil 7.15).

Aküde yeteri kadar enerji depolanması için bir müddet (15 dakika olabilir) bekleyiniz. Bu sürede merakınızı gidermek için, anahtarı lambalı devreye çevirerek lambanın verdiği ışığı değerlendirebilirsiniz.

Deney düzeneğine (S:170, Şekil 7.15) dikkatle bakarsanız, lambadan çıkan ışınların büyük bir kısmının panel dışına yayıldığını görmektesiniz. Bu da, en azından şu yorumu yapmanızı sağlar; lambadan çıkan enerjinin tamamından yararlanılamamaktadır. Ayrıca; panel üzerinde ışının yansıma yapması da, yansıyan ışının kullanılmadığı anlamına gelir. Bu durumlar gözle görebildiklerimizdir. Bunların dışında, panelde soğurulan ışınların tamamı da elektrik enerjisine dönüştürülememektedir. Deney düzeneğine bir başka açıdan bakacak olursanız şu durumu da fark edersiniz:

• Panel ve panele bağlı devrenin hiçbir olumsuz yanı yoktur.
• Elektrik kesintilerinde önemli bir sıkıntı yaşanmaz.
• Tamamen temiz bir enerji üretilmektedir.
• Çevremize en küçük bir zararı yoktur.

Aküdeki Enerjinin Değerlendirilmesi

Aküde depolanmış enerjinin kimyasal enerji olduğunu aklınızdan hiç çıkarmayınız. Ayrıca; aküden alınan enerjinin elektrik enerjisi (dc) olduğunu da aklınızdan çıkarmayınız.

Elektrik enerjisinin günlük yaşamımızda ne kadar önemli, pratik ve her an elimizin altında olduğunun bilincindeyiz. Burada şu önemli ve dikkat edilmesi gereken noktaları belirtmekte yarar vardır:

• Elektrik enerjisinde üç temel parametre rol oynar;
  • Akım (I),
  • Voltaj (V) ve
  • Zaman (t).
• Akım-voltaj türü;
  • ac (alternatif akım) veya
  • dc (doğru akım) olabilir.
• Kullandığınız elektrikli cihazın hangi tür akımla çalıştığı bilinmelidir.
• Kullandığınız elektrikli cihazın hangi voltaj değerinde çalıştığı bilinmelidir.
• Kullandığınız elektrikli cihazın gücü bilinmelidir (üretici firma cihaz üzerinde bu değeri gösterir).
• Cihaza uygulanan voltajla cihazdan geçen elektrik akımının çarpımı (P=VxI) cihaza aktarılan gücü verir.
• Cihaz bu gücü ne kadar zaman kullanmış ise, güç ile zamanın çarpımı da (Enerji=Pxt) cihazın ne kadar elektrik enerjisi sarf ettiğini verir (evlerimizde kilowatt-saat olarak ödediğimiz elektrik faturası sarf edilen enerjiye karşılıktır).

Evlerimizde ev aletlerinde kullanılan elektriğin 220 V (ac) olduğunu düşünürseniz, aküden (S:171, Şekil 7.16) elde edilen elektriğin bu değer ve ac’ye dönüştürülmesi gerekmektedir. Bunun için invertör adı verilen dönüştürücü kullanılır.

Anahtarı ampullü devreye çeviriniz (S:171, Şekil 7.16). Ampulün verdiği ışığa dikkat ediniz. Işık şiddetinin, aküyü boşaltırken görmüş olduğunuz ışık şiddetinden oldukça yüksek olduğunu fark etmiş olmalısınız. Sizin burada yapacağınız deney, kalem pil boyutlarında olan aküden (NiMH) depolanmış enerjiyi elektrik enerjisi olarak alıp, aydınlanmada kullandığımız ışık enerjisine çevirmektir. Bu arada yan ürün olarak, ampulün ısınmasından da anlayacağınız gibi, ısı enerjisi de elde etmiş olmaktasınız.

Aküde depolanmış enerji ampulün uzun süre yanmasını sağlayabilir. Burada da 15 dakika kadar bekleyebilirsiniz. Ampuldeki ışığın şiddetinin azaldığına karar verirseniz, size teslim edilen araç ve gereçleri, teslim aldığınız hale getiriniz. Ortamı temiz ve tertipli bırakınız. Öğretim elemanına haber vererek deneyi tamamladığınızı söyleyiniz.