İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GÜNEŞ PİLLERİNİN YAPI KABUK ELEMANLARI İLE BÜTÜNLEŞTİRİLMELERİNE YÖNELİK BİR ARAŞTIRMA YÜKSEK LİSANS TEZİ Mimar Ekin MORAL UĞUR Anabilim Dalı : MİMARLIK Programı : ÇEVRE KONTROLÜ VE YAPI TEKNOLOJİSİ EYLÜL 2006 İSTANBUL TEKNİK ÜNİVERSİTESİ (cid:1)(cid:1)(cid:1)(cid:1) FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ GÜNEŞ PİLLERİNİN YAPI KABUK ELEMANLARI İLE BÜTÜNLEŞTİRİLMELERİNE YÖNELİK BİR ARAŞTIRMA YÜKSEK LİSANS TEZİ Mimar Ekin MORAL UĞUR (502991110) Tezin Enstitüye Verildiği Tarih : 8 Eylül 2006 Tezin Savunulduğu Tarih : 6 Ekim 2006 Tez Danışmanı : Yrd.Doç.Dr. Aslıhan TAVİL (İ.T.Ü.) Diğer Jüri Üyeleri Prof.Dr. Gül KOÇLAR ORAL (İ.T.Ü.) Prof.Dr. Ertan ÖZKAN (BEYKENT Ü.) EYLÜL 2006 ÖNSÖZ Beni bu konu üzerinde çalışmaya yönlendiren ve zorlu çalışma dönemim boyunca ilgisiyle sabrını hiçbir zaman esirgemeyen tez danışmanım Sayın Hocam Y. Doç. Dr. Aslıhan Tavil’e sonsuz teşekkülerimi sunarım. Akademik çalışmalarım boyunca bana güvenleriyle destek olan Sevgili Eşim’e, aileme ve dostlarıma da şükranlarımı sunmaktan mutluluk duyarım. Eylül , 2006 Ekin MORAL UĞUR ii İÇİNDEKİLER KISALTMALAR v TABLO LİSTESİ vı ŞEKİL LİSTESİ vıı ÖZET x SUMMARY xıı 1. GİRİŞ 1 1.1. Türkiye'de Güneş Enerjisinin Değerlendirilmesine Yönelik Çalışmalar 3 1.2. Türkiye'de Güneş Pili Kullanımı 4 2. GÜNEŞ PİLLERİNİN TANITILMASI 6 2.1. Güneş Pillerinin Teknolojik Tanımı ve Tarihçesi 6 2.2. Güneş Pili Panel Sisteminin Seçiminde ve Tasarımında Etken Faktörler 9 2.2.1. Yapı tipine bağlı olarak enerji kullanımının analiz edilmesi 9 2.2.2. Sistemin içinde yeralacağı çevre koşulları 14 2.2.2.1. Fiziksel çevresel faktörler 15 2.2.2.2. Sistemin yapıdaki yeri 17 2.2.2.3. Yapının bulunduğu coğrafi ve topografik koşullar 19 2.2.3. Yapının bulunduğu çevrenin gerektirdiği enerji dönüşüm ve depolama şekli 19 2.2.3.1. Şebeke bağlantılı sistemler 20 2.2.3.2. Tekil sistemler 20 2.2.3.3. Hibrid sistemler 21 2.2.3.4. Doğrudan kullanımlı sistemler 22 2.2.4. Güneş pili sisteminde enerji depolama ve dönüştürme 22 3. BİNALARDA GERÇEKLEŞTİRİLMİŞ GÜNEŞ PİLİ UYGULAMALARI- DÜNYADAN ÖRNEKLER 25 3.1. Örnekleme Çalışmasının Amacı ve Kapsamı 25 3.2. Örnekler 25 3.2.1. Samsung Mühendislik ve İnşaat Teknolojileri Enstitüsü, Kore 26 3.2.2. A.P.S. Fabrika Binası, A.B.D. 28 3.2.3. N.A.H.B. 21st Century Townhouse, A.B.D. 30 3.2.4. Rikers Adası Geri Dönüşüm Tesisi, A.B.D. 31 3.2.5. 4 Times Square, A.B.D. 32 3.2.6. Clarum Toplu Konut Yerleşimi, A.B.D. 33 iii 3.2.7. Solar Sunflowers, A.B.D. 34 3.2.8. Gloucestershire Üniversitesi Spor Bilimleri Merkezi, İngiltere 35 3.2.9. Neu-Technikum Buchs, İsviçre 36 3.2.10. Müstakil konut, Feldkirch, Avusturya 37 3.2.11. Thoreau Merkezi Giriş Rüzgarlığı, Kaliforniya, A.B.D. 38 3.2.12. New York Eyalet Üniversitesi, Albany, A.B.D. 40 4. YAPI SİSTEMİ VE ALT BİLEŞENLERİ 42 4.1. Yapı Sistemi Alt Bileşenlerinin Sınıflandırılması 42 4.2. Yapı Kabuğu 43 4.2.1. Çatı 45 4.2.1.1. Eğik çatılar 45 4.2.1.2. Düz çatılar 46 4.2.1.3. Eğrisel çatılar 47 4.2.2. Cephe 48 4.2.2.1. Düşey düzlemsel ve kırıklı yüzeyli giydirme cepheler 49 4.2.2.2. Açılı eğimli yüzeyli giydirme cepheler 52 4.2.3. Güneş kırıcılar 55 4.2.3.1. Yatay güneş kırıcılar 56 4.2.3.2. Düşey güneş kırıcılar 57 4.2.3.3. Karma güneş kırıcılar 59 5. GÜNEŞ PİLLERİNİN MEVCUT VE YENİ BİNALARDA UYGULAMA ŞEKİLLERİ 60 5.1. Güneş Pillerinin Mevcut Yapılardaki Uygulama Şekilleri 60 5.1.1. Güneş pili panellerinin mevcut çatı sistemi ile bütünleştirilmesi 61 5.1.2. Güneş pili panellerinin mevcut cephe sistemi ile bütünleştirilmesi 69 5.2. Yeni Yapıların Tasarımında Güneş Pili Panellerinin Kullanılması 73 5.2.1. Yapı çatısının doğrudan güneş pili panellerinden oluşturulması 73 5.2.2. Yapı cephesinin doğrudan güneş pili panellerinden oluşturulması 73 5.3. Güneş Pili Panellerinin Yapı Elemanları ile Bütünleştirilmesi 75 6. SONUÇLAR 79 KAYNAKLAR 83 ÖZGEÇMİŞ 86 iv KISALTMALAR PV : (Photovoltaic) Fotovoltaik DC : (Direct Current) Doğru Akım AC : (Alternative Current) Alternatif Akım S.I.E.C.T. : Samsung Institute of Engineering and Construction Technologies A.P.S. : Advanced Photovoltaic Systems N.A.H.B. : National Association of Home Builders v TABLO LİSTESİ Sayfa No Tablo 2.1. Yatay düzleme gelen aylık ortalama günlük global güneş ışınımı 15 Tablo 2.2. Türkiye’nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli ……….…. 17 Tablo 2.3. Türkiye’nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı ……………….…………….…………….……… 17 Tablo 5.1a. Yapı elemanları ve güneş pili paneli tipleri entegrasyon diyagramı (1) …………….…………….…………….………… 76 Tablo 5.1b. Yapı elemanları ve güneş pili paneli tipleri entegrasyon diyagramı (2) …………….…………….…………….………… 77 vi ŞEKİL LİSTESİ Sayfa No Şekil 1.1 : Ege Üniversitesi tarafından gerçekleştirilen düz çatı üzerine güneş pili paneli uygulaması ........................................................ 3 Şekil 2.1 : Güneş pili modül oluşum prensibi ............................................... 8 Şekil 2.2 : Konut için yıllık enerji kullanım diyagramı ................................. 10 Şekil 2.3 : Okul için yıllık enerji kullanım diyagramı ................................... 11 Şekil 2.4 : Şebeke bağlantılı güneş pili sistem şeması .................................. 20 Şekil 2.5 : Doğru akım kullanımlı tekil güneş pili sistem şeması ................. 21 Şekil 2.6 : Alternatif akım kullanımlı tekil güneş pili sistem şeması ............ 21 Şekil 2.7 : Hibrid sistem şeması .................................................................... 22 Şekil 2.8 : Doğrudan kullanımlı sistem şeması ............................................. 22 Şekil 3.1 : SIECT üç boyutlu modeli ............................................................ 26 Şekil 3.2 : SIECT güneş kırıcı ...................................................................... 27 Şekil 3.3 : SIECT çatı dizisi tip A ................................................................ 28 Şekil 3.4 : SIECT çatı dizisi tip B ................................................................. 28 Şekil 3.5 : APS Giriş bloğu görünüşü ........................................................... 29 Şekil 3.6 : Giriş bloğu üzerindeki güneş pili panellerinden oluşturulan giydirme cephe ve çatı ışıklığının iç mekandaki günışığı düzeyine etkisi .............................................................................. 30 Şekil 3.7 : NAHB 21st Century Townhouse ................................................. 31 Şekil 3.8 : Rikers Adası Geri Dönüşüm Tesisi güneş pili çatı sistemi .......... 32 Şekil 3.9 :4 Times Square .............................................................................. 33 Şekil 3.10 : Clarum’da gerçekleştirilen güneş pili çatı levha kaplama uygulaması .................................................................................... 34 Şekil 3.11 : Clarum’da güneş pili çatı levha kaplamasının uygulanışı .............. 34 Şekil 3.12 : Solar Sunflowers .......................................................................... 35 Şekil 3.13 : Testere dişli çatı üzerinde güneş pili paneli uygulaması .............. 35 Şekil 3.14 : Çatı penceresine yarı saydam güneş pili uygulaması örneği (İsviçre) ......................................................................................... 36 Şekil 3.15 : Müstakil konut düz çatısına güneş pili paneli uygulaması .......... 38 Şekil 3.16 : Güneş pili panelleri ile elektrik sistemi arasındaki bağlantı prensibi ......................................................................................... 38 Şekil 3.17 : Giriş alanı saçağı .......................................................................... 39 Şekil 3.18 : Giriş alanı saçağı alttan görünüşü ................................................ 40 Şekil 3.19 : Saçak planı ................................................................................... 40 Şekil 3.20 : Güneş pili panelleriyle güneş kırıcı uygulaması .......................... 41 vii Şekil 4.1 : Eğik çatı tipleri ............................................................................. 46 Şekil 4.2 : Düz çatılar .................................................................................... 46 Şekil 4.3 : Eğrisel çatı tipleri ......................................................................... 47 Şekil 4.4 : Çelik taşıyıcılara bağlanan kompozit panellerle oluşturulan cephe sistemi ................................................................................ 49 Şekil 4.5 : Düzlemsel giydirme cepheler ....................................................... 50 Şekil 4.6 : Çift cidarlı cam giydirme cephe prensip detayı ........................... 50 Şekil 4.7 : Düşeyde kırıklı giydirme cephe ................................................... 51 Şekil 4.8 : Akordeon giydirme cephe ............................................................ 51 Şekil 4.9 : Yatayda kırıklı giydirme cephe .................................................... 52 Şekil 4.10 : Eğimli düzlemsel giydirme cepheler ............................................ 52 Şekil 4.11 : Eğimli kırıklı giydirme cepheler .................................................. 53 Şekil 4.12 : Kenet birleşimli metal plaka kaplı cephe detayı .......................... 54 Şekil 4.13 : Yarı binili birleşime sahip yağmur perdesi aksonometrik prensip detayı .............................................................................................. 55 Şekil 4.14 : Cepheden bağımsız yatay güneş kırıcı ......................................... 57 Şekil 4.15 : Cepheden bağımsız yatay ızgara güneş kırıcı .............................. 57 Şekil 4.16 : Cepheyle bütünleşik yatay güneş kırıcı (ışık rafı) ........................ 57 Şekil 4.17 : Yapı kabuğuna paralel düşey güneş kırıcılar ............................... 58 Şekil 4.18 : Yapı kabuğuna dik düşey güneş kırıcılar ..................................... 58 Şekil 4.19 : Yapı kabuğuna açılı düşey güneş kırıcılar.................................... 59 Şekil 5.1 : Mevcut oluklu panel kaplı çatı üzerine güneş pili paneli montajı 62 Şekil 5.2 : Mevcut taşıyıcı sistem üzerine güneş pili paneli montajı prensip detayı ........................................................................................... 62 Şekil 5.3 : Eğik çatılarda güneş pili paneli uygulama örnekleri.................... 63 Şekil 5.4 : Kiremit kaplı kırma çatılarda güneş pili paneli uygulama detayı 63 Şekil 5.5 : Güneş pili çatı levha kaplamaları montaj prensip detayı .............. 64 Şekil 5.6 : Güneş pili çatı kaplama örnekleri ................................................ 65 Şekil 5.7 : Eğik çatılarda güneş pili çatı levha kaplama uygulama örnekleri (Bölüm 3.2.6) ............................................................................... 65 Şekil 5.8 : Testere dişli çatı üzerinde güneş pili paneli uygulaması (Bölüm3.2.8)................................................................................. 65 Şekil 5.9 : Testere dişli çatıda güneş pili paneli uygulama detayı ................. 66 Şekil 5.10 : Eğrisel çatıda güneş pili paneli uygulama örneği (Hollanda)....... 66 Şekil 5.11 : Teras çatıda güneş pili paneli uygulama örneği (A.B.D.) 67 Şekil 5.12 : Saydam/Yarı saydam güneş pili paneli uygulama örnekleri ........ 67 Şekil 5.13 : Aluminyum doğramalı saydam/yarı saydam güneş pili paneli pergola saçağı montaj detayı (Bölüm 3.2.11) ............................... 68 Şekil 5.14 : Cıvatalı saydam/yarı saydam güneş pili paneli pergola saçağı montaj detayı ............................................................................... 68 Şekil 5.15 : Çatı penceresine yarı saydam güneş pili paneli uygulaması (Bölüm 3.2.9)................................................................................ 69 Şekil 5.16 : Sahada birleştirilen cam giydirme cephe prensip kesiti .............. 70 Şekil 5.17 : Önüretimli cam giydirme cephe prensip kesiti ............................ 70 Şekil 5.18 : Güneş pili panelleriyle yağmur perdelerinin oluşturulma prensibi ......................................................................................... 71 Şekil 5.19 : Güneş pili panelli yatay güneş kırıcı ve giydirme cephe hibrid sistem ........................................................................................... 72 Şekil 5.20 : Yapı kabuğundan bağımsız güneş pili panelli yatay güneş kırıcı sistemi ........................................................................................... 72 viii Şekil 5.21 : Güneş pili panelleriyle oluşturulan giydirme cephe birleşim detayı ............................................................................................ 74 ix