Güneş Enerjisinde Elmas Değerinde Yenilik: Silisyum Karbür (SiC)

21 Eylül 2015

Sanayileşmiş ülkelerin enerji tüketim eğrileri son yıllarda kalp atışı çizgisine benziyor. Şafak söktüğünde, insanlar sabah kahvelerini demlerken, şirketler tam makinelerini çalıştırmaya başladığında enerji eğrileri zirve yapıyor. Günün geri kalanında eğri iki kere daha zirveye ulaşıyor: sabahın ilerleyen saatlerinde ve bir kere de akşam üstü. Enerji tüketimi ancak akşam yemeği vaktinden sonra düşüyor. Santraller bu zirve anlarındaki talebe karşılık verebilmek için türbinlerini son hız çalıştırmalarının dışında ekstra santralleri devreye sokmak zorunda kalıyor.

Ancak, 2011’in güneşli bir mayıs gününde Almanya’da alışılmadık bir şey oldu. Enerji talebi akşam üstünde zirve yaptığında, bu ekstra santrallerden hiçbiri devreye girmek zorunda kalmadı. 8 Mayıs 2011 itibariyle Almanya’daki kurulu güneş enerjisi panelleri, bu aşırı talebi karşılamaya yetecek gücü üretebilir hale gelmişti. GE’nin Münih’teki Global Araştırma Merkezi’nden yüksek güç elektroniği mühendisi Robert Roesner “Bu, güneş enerji santrallerinin, enerji tüketiminin zirve yaptığı anda bu enerji yükünü karşılamayı başardığı ilk seferdi” diyor.

Yukarıda yapay olarak yetiştirilen silisyum karbür (SiC) maddesini görüyorsunuz. Bu madde o kadar sert ki, zımpara kağıdı yapımında kullanılıyor.

Güneş panellerinin kullanımının yaygınlaşmasıyla, Bloomberg’in tahminine göre 2040 yılı itibariyle çatı güneş panelleri tüm büyük ekonomilerde şebeke elektriğinden daha ekonomik olacak ve dünya çapında yeni güç kapasitesinin üçte birinden fazlasını oluşturacak.

Robert Roesner ve GE laboratuvarlarında birlikte çalıştığı ekip, bu güneş devrimine bir destek vermeyi umut ediyor. Ekip, silikon karbür (SiC) olarak adlandırılan bir maddeden yapılmış çipler üretiyor. Bu çipler güneş panelleri tarafından üretilen doğru akımı (AC), evlerimizde prizlerden gelen alternatif akıma (DC) çeviren “inventör”lerin üretiminde kullanılıyor. GE Global Araştırma ekibinin Elektrik Teknolojileri ve Sistemleri Global Teknoloji Direktörü Danielle Merfeld’e göre “Bu malzeme güç elektroniğinde devrim yaratacak”.

Yukarıdaki fotoğraf, Almanya’da bir GE tesisinin çatı kaplama güneş panellerini gösteriyor. Bu paneller GE’nin ilk hibrid santraline güç veriyor.

SiC denilen bu madde, dünyanın en sert malzemelerinden biri olan elmasın en iyi özelliklerini, her bilgisayarın ve akıllı telefonun içinde kullanılan silikonun özellikleriyle birleştiriyor.

Sonuçlar oldukça etkileyici. Örneğin SiC, 500 evin enerji ihtiyacınının %35’ini karşılayabilecek 1 MW’lık bir inventör boyutuna küçülebiliyor. “Şu anda invertörler yaklaşık yüzde 98 verimli. Yüzde bir kazanç çok gibi görünmeyebilir ancak büyük bir tabanda devreye girdiğinde, kazançlar hızla katacak” diyor Roesner.

Bu madde sayesinde inventörler daha az ısınıyor ve dolayısıyla karmaşık sulu soğutma sistemleri gerektirmiyor. Munih laboratuvarındaki Yüksek Güç Elektroniği Baş Mühendisi Tobias Schuetz, “Biz bu sayede sulu soğutma sisteminden havalı soğutmaya geçiş yaptık. Üstelik bu tasarım daha güvenli ve daha ucuz” diyor.

Berlin’deki hibrid elektrik santralinden bir SiC invertör.

İlk SiC invertör prototipi, GE’nin Berlin’deki inovatif hibrid güç santralinde güneşten elde edilen elektriği çoktan DC’den AC’ye çevirmeye başladı. Özel bir yazılım, fiyat ve doluluk durumuna bağlı olarak yöneticinin güneş enerjisi, gaz motoru, şebeke, ısı depolama ve hatta piller arasında en ucuz enerji kaynağını seçmesine izin veriyor.

Schuetz güneş enerjisi inventörlerinin sadece bir başlangıç olduğunu söylüyor. SiC çipleri, AC ve DC arasında güç dönüştürülmesi için kullanılan herhangi bir cihaza yerleştirilebilir. Bu intentörler, trenleri, uçakları ve rüzgar türbinlerini çok daha verimli yapabilir. Merfeld: “Biz buna, yani bir teknolojinin birden fazla endüstriye hizmet edebilmesine, GE Store diyoruz”.

SiC çiplerini yapmak için gerekli olan süreç oldukça zahmetli olduğu için bu uygulamalar daha öncesinde yoktu. Öncelikle SiC, son derece sert bir malzeme. Bu sebeple SiC’in ilk uygulamaları zımpara ve aşındırıcılardı. Bir SiC çipini yapmak için temiz bir odada 300 ayrı adımın gerekiyor olması da şimdiye kadarki kullanım alanlarının kısıtlı kalması demek oldu. Aşağıdaki fotoğrafta SiC çiplerinin üretildiği ortamı görebilirsiniz.

İlk yarı-iletken lazeri icat eden Robert Hall’la başlamak üzere, GE bilim insanları 50 yıldır bu maddeyi araştırıyor. Şimdiye kadarki çalışmalarıyla, ilk uygulanabilir ve güvenilir güç düğmesi gibi çeşitli buluşlara imza attılar.

Buradan yola çıkan GE, 100 milyon dolar değerindeki teknoloji ve fikri mülkiyetini 2014 yılında NY Albany’de oluşturulan güç elektroniği üretim konsorsiyumuna transfer etti. Bu konsorsiyum, GE, New York Eyaleti , SUNY Politek Enstitüsü Nano Bilim ve Mühendislik Bölümleri , ve diğer endüstri ortaklarını içeririyor. Konsorsiyum, silisyum karbür (SiC) güç cihazları geliştirmek ve üretmek üzere bir ortak üretim tesisi kuruyor. Üretim verimliliği düşünüldüğünde böylesi bir tesisin önemi ortaya çıkıyor.Merfeld, “Bu tesis, silisyum karbür uygulamalarını dramatik bir şekilde geliştirecektir. Biz insanların New York’a gelip bu teknolojiden yararlanmalarını istiyoruz” diyor.

Yorumlar

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir