Solar yolların Türkiye'de uygulanabilirliği

Abstract

Küresel etkilerin artmaya başlamasıyla birlikte sürdürülebilirlik kavramı hayatımızda çokça yer almaya başlamıştır. Sürdürülebilirlik neredeyse her alanda uygulanmaya çalışılan, elimizde bulunan imkanlara en az zarar verecek şekilde bu imkanların tümünün gelecek nesillere aktarılmaya çalışılması anlamına gelen bir kavramdır. Bu kavramın uygulamaya geçirilmesi için birçok alanda yeni arayışlara girilmiştir. Üzerine en çok çalışma yapılan konulardan biri de küresel ısınmanın ana etmenlerinden olan sera gazı etkisini azaltmak adına uygulanması hedeflenen yenilenebilir enerji üretimi yöntemleridir. Solar enerjiden direkt elektrik enerjisi üretimi en temel yenilenebilir enerji üretimi yöntemi olup, bu yöntem üzerine çeşitli çalışmalar yapılmıştır. İşte bu çalışmalar sonucunda ortaya atılan yeni enerji üretimi yöntemi bu tezin de konusu olan solar yollardır. Dünyanın birçok alanını yollar kaplamaktadır, bu nedenle bu yolların solar yollara dönüşümünü sağlamak çokça temiz enerji üretimini sağlayacaktır. Böylelikle de küresel ısınmanın etkileri en aza indirgenmiş olacaktır. Tezin ilk bölümünde solar yollara sürdürülebilirlik kapsamında neden geçiş yapılması gerektiğinin anlaşılabilmesi adına solar yolların çevresel faktörlere olan etkilerinden bahsedilmiştir. Bu çevresel faktör temel anlamıyla sera gazı etkisidir. Solar yollar, fosil yakıtlara nazaran çevreye zararlı gaz salınımı yapmadan enerji üretimine olanak sağlar. Böylelikle sera gazı etkisinde azalmaya sebep olmuş olacaktır. Bunun dışında da elektrikli araçlara geçişte olumlu olanaklar sağladığı için CO2 salınımının azalmasına neden olacaktır. Bu da sera gazı etkisinin azalması anlamına gelmektedir. Yani solar yolların çevresel faktörlerden en önemlisi olan sera gazı etkisinin azalmasına iki farklı açıdan olumlu etkisi vardır ve bu bölümde bu konulara detaylıca yer verilmiştir. İkinci bölümde, elektrik enerjisi yöntemlerinden detaylı olarak bahsedilmiştir. Elektrik enerjisi üretimi yöntemleri; solar enerji ve araçların mekanik enerjisinden üretilen elektrik enerjileri olmak üzere iki ana kategori ve bunların alt kategorilerinden meydana gelir. Solar enerji ile üretilen elektrik enerjisinde solar radyasyon kullanılarak bu tezin de konusu olan fotovoltaik yani solar hücrelerle elektrik enerjisi üretim yöntemi yer almaktadır. Diğer solar enerjiyle elektrik enerjisi üretimi yapılan yöntem ise solar enerjinin asfalt üzerinde oluşturacağı termal gradyan ile üretilen elektrik enerjisi yöntemleridir. Bunları termoelektrik üreticiler, asfalt solar toplayıcılar ve indüksiyon ısıtma alt kategorileri meydana getirir. Araçların hareketi sonucunda açığa çıkan enerji ile birlikte elektrik enerjisi üretim yöntemi ise araçların mekanik enerjisinden üretilen elektrik enerjisi yöntemidir. Bu yöntemde direkt olarak piezoelektrik üreticiler kullanılarak enerji üretimi sağlanır ya da hidrolik, mikroelektromekanik ya da elektromekanik yöntemler kullanılıp enerji elektromanyetik üreticilere aktarılarak mekanik enerjisinden elektrik enerjisinin üretimi sağlanmış olur. Bu kategorilerin hepsine bu bölümde yer verilmiştir. Bu bölümün sonuna gelindiği zaman elektrik enerjisinin üretim yöntemleri hakkında detaylı bir bilgiye sahip olunacaktır. Üçüncü bölümde, solar yolların çevresel faktörlere olan etkilerinden en önemli olan sera gazı etkisi detaylı olarak işlenmiş, sera gazı etkisinin hangi alanlarda daha fazla kirliliğe sebep olduğu ve solar yollara geçişin neden önemli olduğu kavramlarına Türkiye İstatistik Kurumu'ndan elde edilen verilerle oluşturulan grafiklerle yer verilmiştir. Dördüncü bölümde, öncelikle solar yolların daha iyi anlaşılabilmesi adına, solar yolların yapısına, yapısında yer alan temel, elektronik, LED ve cam tabakasının detaylarına, solar yolların çalışma prensibine, solar yolların genel özellikleri ve bunun altında da sağladığı avantaj ve dezavantajlara ve de elektrikli araçlara sağladığı geçiş olanaklarına yer verilmiştir. Temel tabakası LED tabakasının gece de çalışmaya devam edebilmesi adına hem üretilen elektrik enerjisinin gereken kısmını kendi bünyesinde depolayıp, hem de fazla kalan elektrik enerjisinin de solar yolların çevresinde yer alan mahallere dağıtımını yapmakla yükümlüdür. Bununla beraber aynı zamanda da solar yolların yapısında yer alan elektronik tabakasının zeminle ilişiğini keserek elektronik tabakasını koruma altına alır. Elektronik tabakası ise solar paneller, solar hücreler (fotovoltaik hücreler) ve mikroişlemcilerden meydana gelir. Mikroişlemciler solar panellerin içerisinde yer alır, kısaca solar yolların beyni mikroişlemcilerdir. Mikroişlemciler konum belirlemede, hava koşullarının bilgisini alarak ısıtma sisteminin çalışmasını sağlamada, otonom araçlara geçiş imkanı sunmada, verilerin alınıp, sürücülere aktarılmasında görev alır. Solar hücreler ise bor ve fosfor ile safsızlaştırılan silikon elementlerinin N-tipi ve P-tipi olarak ayrılması ile N-tipinden P-tipine elektron akışı sağlayarak akım ve buna bağlı olarak da solar panellerde elektrik enerjisi üretimini sağlar. Solar hücreleri yani fotovoltaik hücreleri etkileyen faktörler; solar hücrenin bozulması, solar hücrenin türü, solar radyasyon miktarı, solar modülün iç sıcaklığı, doluluk oranı, gölge etkisi ve kirlilik etkisidir. Bu faktörlerin solar hücreler üzerindeki çeşitli etkileri bu bölümde detaylı olarak incelenmiştir. Aynı zamanda solar hücrelerin türlerine de; monokristal silikon, polikristal (multikristal) silikon, kalın-film silikon, ince-film (amorf) silikon ve diğer incefilm silikonlara, bu bölümde yer verilerek, nasıl oluştukları, verimleri, maliyetleri, 1 kW enerji üretimi için kapladıkları alan, doluluk oranları, yüksek sıcaklıktaki performansları ve dağınık ışıktaki elektrik enerjisi üretimi durumları ayrıntılı olarak irdelenip, solar hücre türlerine göre kıyaslanmıştır. Solar panellerin ise kullanım verimlerine yer verilip detaylıca bahsedilmiştir. LED tabakası ise yol boyamalarına gerek kalmaksızın yol işaretlemelerinin yapılmasını, yol üzerine canlı ve cansız varlıklar çıktığı zaman sürücüleri uyararak ve gece görüşünü arttırarak kaza riskini azaltıp, güvenlik miktarını arttırmayı ve interaktif olarak değişkenlik gösterip sürücüleri yönlendirmeyi sağlar. Cam tabakası ise solar yolların yapısında yer alan elektronik ve LED tabakasının olumsuz olabilecek dış etmenlere karşı koruyarak, aynı zamanda da yolun stabilitesini sağlar. Camların taşıma kapasitesi, cam yüzeyin deseni, eğim ve kurplara sağladıkları uyum ve cam yüzeyin temizliği ile ilgili bilgilere detaylı olarak bu bölümde yer verilmiştir. Aynı zamanda solar yolların elektrikli araçlara ve otonom araçlara geçişte sağladığı avantajlara da yer verilmiştir. Solar yolların yapısına yerleştirilecek aktarıcı bobinler sayesinde elektrikli araçlar dinamik olarak hareket halindeyken aktarıcı bobinden alıcı bobine manyetik alan etkisiyle solar yollardan elde edilen ve şebekelerde depolanan elektrik enerjisinin aktarımı sağlanarak elektrikli araçların sarjı sağlanmış olur. Böylelikle menzil endişesine yer ve büyük bataryalar kullanılmasına gerek kalmaksızın elektrikli araçların seyahati kolaylıkla sağlanacaktır. Bu bölüm tamamlandığında solar yollar kavramı iyice anlaşılmış olunup, sistemin nasıl çalıştığı, sistemin çalışması için gereken koşullar ve bu sistemin avantajları ve dezavantajları hakkında bilgi sahibi olunacaktır. Beşinci bölümde ise solar yollar her ne kadar ülkemizde daha uygulanmış olmasa da daha önce uygulaması yapılmış uluslararası ülkelerde yer alan dünyadaki ilk solar yol olan Fransa'daki ilk solar yola, Hollanda'da uygulanan solar bisiklet yoluna ve Amerikada'ki solar yola yer verilmiştir. Çin'in Jinan şehrinde uygulanan solar yollarla ilgili detaylara ise dördüncü bölümde yer verilmiştir. Uygulanan solar yolların özelliklerine, kullanımı sonucunda da ortaya çıkan olumlu ya da olumsuz yanlarına yer verilmiştir. Olumsuz yanları için ise önerilerde bulunulmuştur. Altıncı bölümde, ülkemiz için yeni bir kavram olan solar yolların ülkemizde uygulanması adına gerekli koşulları barındırıp barındırmadığı hakkında çalışmalar yapılmıştır. İller bazında uygunluk miktarı incelenmiş, güneşlenme sürelerine ve güneşlenme süresi haritasına, solar yollar sayesinde üretilebilecek enerji miktarına ve üretilen elektrik enerjisi haritasına yer verilmiştir. Ayrıca bu veriler kullanılarak solar yolların yapım ve bakım maliyetine, solar yolların iller bazında verimliliğine ve Türkiye'nin solar yollar uygulanması sonucunda elde edilecek olan verimlilik haritasına yer verilmiştir. Solar yolların etrafına bulunan mahallerin türlerine (mesken ve ticarethane) göre harcanacak elektrik enerjisi miktarının bedeli değişkenlik gösterecektir. Çünkü ticarethanelerdeki elektrik enerjisi tüketim bedelleri meskenlerdeki elektrik enerjisi tüketim bedelinden daha fazladır. Bu nedenle solar yolların uygulanması sonucunda elde edilecek elektrik enerjisinin ticarethanelerde kullanılması daha yüksek bir kazanç sağlayacak olup verimlilik oranının daha yüksek olmasına neden olacaktır. Bu nedenle veriler solar yolların etrafında yer alan mahallerin türlerine ve miktar dağılımlarına göre; %100 mesken-%0 ticarethane, %75 mesken- %25 ticarethane, %50 mesken-%50 ticarethane, %25 mesken-%75 ticarethane ve %0 mesken-%100 ticarethane olmak üzere hesaplanarak tüm bu durumlar için solar yolların uygulanması sonucunda Türkiye'nin verimlilik haritaları oluşturulmuştur. Bunlar neticesinde de tüm koşullar ele alınarak Türkiye'de solar yollara geçişe en uygun ve yapılması olumsuz sonuçlara sebep olabilecek illere değinilmiştir. %0 mesken ve %100 ticarethane olması durumunda Artvin, Rize ve Trabzon illeri hariç tüm illerde verimlilik oranları değişkenlik gösterecek şekilde pozitif bir verim elde edilmiştir. Yani bu durum en verimli koşulları sağlayacak durumdur ve Artvin, Rize ve Trabzon'da solar yolların uygulanması olumsuz sonuçlara neden olacaktır. Hakkari ve Iğdır illeri ise en düşük verimlilik oranlarını vermesi beklenen %100 mesken-%0 ticarethane durumunda bile pozitif yüksek bir verim göstermektedir. Yani bu illerde solar yolların uygulanması olumlu sonuçlara neden olacaktır. Bu bölüm sonuna gelindiği zaman hangi koşullarda ve hangi illerde solar yolların uygulanmasının olumlu ya da olumsuz sonuç doğuracağı tespit edilebilecektir.

With the global effects starting to increase, the concept of sustainability has started to take place in our lives. Sustainability is a concept that is tried to be applied in almost every field, and means to try to transfer all of these opportunities to future generations in a way that will not harm the possibilities we have. In order to put this concept into practice, new searches have been made in many fields. One of the most studied topics is the renewable energy production methods that are aimed to be applied in order to reduce the greenhouse gas effect, which is one of the main factors of global warming. Direct electrical energy production from solar energy is the most basic renewable energy production method, and various studies have been carried out on this method. The new energy production method introduced as a result of these studies is the solar roadways that are the subject of this thesis. Roads cover many parts of the world, so transforming these roads into solar roads will provide a lot of clean energy production. Thus, the effects of global warming will be minimized. In the first part of the thesis, the effects of solar roads on environmental factors are mentioned in order to understand why to switch to solar roads within the scope of sustainability. This environmental factor is basically the greenhouse gas effect. Solar roads allow energy production without releasing harmful gases to the environment compared to fossil fuels. Thus, it will cause a decrease in greenhouse gas effect. Apart from this, it will cause a decrease in CO2 emission since it provides positive possibilities in the transition to electric vehicles. This means that the greenhouse gas effect is reduced. In other words, solar roads have a positive effect on the reduction of greenhouse gas effect, which is the most important environmental factor, in two different aspects, and these topics are discussed in detail in this section. In the second part, electrical energy methods are mentioned in detail. Electric power generation methods; It consists of two main categories as solar energy and electrical energy produced from mechanical energy of vehicles and their sub-categories. In electrical energy produced by solar energy, solar radiation is used in photovoltaic, which is the subject of this thesis, in other words, electrical energy production method with solar cells. The method of producing electrical energy with other solar energy is the electrical energy produced by the thermal gradient that solar energy will create on asphalt. These are thermoelectric manufacturers, asphalt solar collectors and induction heating sub-categories. The electricity generation method along with the energy released as a result of the movement of the vehicles is the electrical energy produced from the mechanical energy of the vehicles. In this method, energy production is provided directly by using piezoelectric producers, or by using hydraulic, micro-electromechanical or electromechanical methods, energy is transferred to electromagnetic producers, thus generating electrical energy from mechanical energy. All of these categories are included in this section. By the end of this section, you will have detailed information about the production methods of electrical energy. In the third section, the most important greenhouse gas effect of the impact of the environmental factor of the solar roads further processed, the greenhouse effect of are included in what areas more pollution caused by and transition reason to solar roadways concept lead to formed graphics with the data obtained from the Turkey Statistical Institute. In the fourth section, primarily for the understanding of solar roads, the structure of the solar roads, the basic, electronic, LED and glass layer details in the structure, the working principles of the solar roads, the general features of the solar roads and the advantages and disadvantages it provides under it, and also the electric vehicles transition facilities are included. In order for the LED layer to continue to work at night, the base layer is obliged to both store the required electricity energy in its own structure and to distribute the remaining electrical energy to the locations around the solar roads. At the same time, it also protects the electronic layer by disconnecting the electronic layer in the structure of the solar roads from the ground. The electronic layer consists of solar panels, solar cells (photovoltaic cells) and microprocessors. Microprocessors are located inside solar panels, in short, the brain of solar roads are microprocessors. Microprocessors are responsible for determining the location, obtaining the knowledge of the weather conditions, ensuring the operation of the heating system, providing the opportunity to passing to autonomous vehicles, taking the data and transferring it to the drivers. Solar cells, on the other hand, provide electrons flow from N-type to P-type by separating the boron and phosphorus impurities of silicon elements as N-type and P-type, thereby producing electrical energy in the current and solar panels. Factors affecting solar cells, photovoltaic cells; solar cell disruption, solar cell type, solar radiation amount, internal temperature of solar module, occupancy rate, shadow effect and pollution effect. Various effects of these factors on solar cells are examined in detail in this section. At the same time, the types of solar cells; monocrystalline silicon, polycrystalline (multi-crystalline) silicon, thick-film silicon, thin-film (amorphous) silicon and other thin-film silicones, in this section, how they are formed, their efficiency, costs, the area they occupy for 1 kW of energy production, their occupancy rates, high temperature performances and scattered light electricity generation conditions were examined in detail and compared with solar cell types. The usage efficiency of solar panels is given and mentioned in detail. The LED layer, on the other hand, enables road markings without the need for road painting, warns drivers when there are live and inanimate beings on the road, increases night vision, reduces the risk of accidents, increases the amount of safety, and indicates interactively varies and guides drivers. The glass layer, on the other hand, protects the electronic and LED layer in the structure of solar roads against external factors that may be negative, and also ensures the stability of the road. Information on the carrying capacity of the glass, the pattern of the glass surface, the harmony they provide to the curves and curves, and the cleaning of the glass surface are given in detail in this section. It also includes the advantages of solar roads in the transition to electric vehicles and autonomous vehicles. Thanks to the transmitter coils to be placed in the structure of the solar roads, electric vehicles are dynamically moving, and the transfer of the electrical energy obtained from the solar roads from the transmitter coil to the receiving coil with the magnetic field effect is ensured and the electric vehicles are charged. Thus, travel of electric vehicles will be easily provided without the need for range problems and using large batteries. When this section is completed, the concept of solar roads will be thoroughly understood and information will be gained about how the system works, the conditions required for the system to work and the advantages and disadvantages of this system. In the fifth part, although solar roads have not been implemented in our country, the first solar road in France, the first solar road in the world, the solar bicycle road in the Netherlands and the solar road in the USA, are included. Details about the solar roads applied in Jinan city of China are given in the fourth section. The characteristics of the solar roads applied, and the positive or negative sides resulting from their use are included. Suggestions were made for the negative aspects. In the sixth section, studies have been conducted on whether solar roads, which is a new concept for our country, meet the necessary conditions for the implementation of our country. The amount of suitability was examined on the basis of provinces, insolation times and insolation time map, the amount of energy that can be produced thanks to solar roads and the electricity generated map were included. Moreover, these data using solar road construction and maintenance costs of solar efficiency in the way of some provincial roads and Turkey's solar efficiency to be obtained as a result of the implementation of the maps are included. The price of the amount of electrical energy to be spent will vary according to the types of location areas (house and commercial) around the solar roads. Because the electricity consumption costs in the commercial establishments are higher than the electricity consumption costs in the houses. For this reason, the use of electrical energy, which will be obtained as a result of the implementation of solar roads, will provide a higher profit and will cause higher efficiency rate. For this reason, according to the types and quantity distributions of the neighborhoods around the solar roads as a result of the implementation of solar roads for all these situations, it is calculated as 100% houses-0% commercial, 75% houses-25% commercial-50% houses- 50% commercial, 25% houses-75% commercial and 0% houses-100% commercial. Turkey's productivity maps were created. As a result of all these conditions to be addressed and made to advance through the solar optimal roadways in Turkey are mentioned which may cause negative effects. If it is 0% houses and 100% commercial, a positive efficiency has been achieved in all provinces except Artvin, Rize and Trabzon provinces. In other words, this situation will provide the most efficient conditions and the implementation of solar roads in Artvin, Rize and Trabzon will cause negative results. Hakkari and Iğdır provinces show a positive high efficiency even in the case of 100% dwelling-0% commercial facility, which is expected to give the lowest efficiency rates. In other words, the implementation of solar roads in these provinces will cause positive results. By the end of this section, it can be determined under which conditions and in which provinces the application of solar roads will have positive or negative results.