Güneşten yayılan ışınım enerjisinden; yüksek sıcaklıkta ısı enerjisi üretmek veya Fotovoltaik (PV) etki ile doğrudan elektriğe dönüştürmek amacıyla

Transkript

1

2 Güneşten yayılan ışınım enerjisinden; yüksek sıcaklıkta ısı enerjisi üretmek veya Fotovoltaik (PV) etki ile doğrudan elektriğe dönüştürmek amacıyla yararlanılır. PV teknoloji, pahalı ve yenilenebilir bir teknoloji olmakla birlikte, tasarım ve kurulum açısından en basit elektrik üretim teknolojidir. Bununla birlikte PV teknolojinin asıl üstünlüğü, doğayı kirletmeyen, çevre dostu ve bakım maliyeti düşük bir teknoloji olmasıdır.

3 Güneş hücreleri, uzay programları sayesinde, 1950 lerde hızla gelişme kaydetmiş ve uydular üzerinde kullanılmışlardır. Bu uygulamalar, verim düzeyleri % 6 10 arasında değişen kristal silisyum (c-si) güneş hücreleri ile gerçekleştirilmiştir. Çok kristal silisyum (pc-si) ve ince film güneş hücresi teknolojilerinin başlıca üstünlükleri; üretim sürecinde düşük malzeme tüketimi, enerji girdisi, yüksek üretim kapasitesi ve modül yapılarının basit olmasıdır. Bu nedenle, bu tip güneş hücreleri, düşük maliyet ile büyük ölçekli karasal uygulamalarda kullanılmak amacıyla geliştirilmişlerdir.

4 Güneş ışınlarını doğrudan elektriğe dönüştürebilen, hareketli mekanik parçaları olmayan, bakımı kolay ve ömürleri uzun olan elektronik sistemlerdir. PV hücreler, yarı iletken maddeler olup, güneş enerjisini doğrudan elektriğe dönüştürürler. Güneş enerjisi, PV hücrenin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. PV hücrelerin yüzeyleri genellikle kare, dikdörtgen ve daire biçimindedir. PV hücrelerin alanları da, cm 2 arasında değişmekte olup, ortalama 100 cm 2 dir. Kalınlıkları ise mm arasındadır.

5 Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda PV hücre birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu yapıya PV modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak PV modüller birbirlerine seri veya paralel olarak bağlanarak birkaç Watt tan megawatt lara kadar PV diziler oluşturulur.

6 Birinci Nesil PV Hücreler 1) Kristal Silikon - Tek kristal (mc-si) - Çok kristal (pc-si) İkinci Nesil PV Hücreler 2) İnce Film Teknolojileri - Amorf silikon (a-si) - Kadmiyum tellür (CdTe) - Bakır İndiyum Galyum (di)selenyum (CIGS) - Bakır İndiyum (di)selenyum/(di)sülfür (CIS) - Çok eklemli (a-si/mc-si) Üçüncü Nesil Teknolojiler - Organik - Boya duyarlaştırıcılı organik - Kuantum noktaları - Perovskite

7

8

9 Fotovoltaik hücrelerin ana malzemesi silisyumdur. Silisyum oksijenden sonra dünya üzerindeki en yaygın elementtir. PV bir hücrenin üretimi için saf halde silisyuma ihtiyaç duyulmaktadır; saf silisyumun elde edilmesi çok zorlu ve pahalı bir süreçtir. Silisyumun, doğada en yaygın biçimi kuartz ve kumdur (SiO 2 ). SiO 2 işlenerek %99 silika elde edilir. Daha sonra silikadan elektronik teknolojisinde kullanılabilen (% ) silisyum sağlanabilmektedir.

10 Tek veya çok kristal silisyum (Si) yonga tabanlı ve tek katmanlı p-n eklem diyotundan oluşmaktadır. Bu hücreler kararlıdır ve yüksek verimlilik sağlamaktadırlar. Ancak üretim maliyetleri yüksektir. PV hücre piyasasının yaklaşık %90 ını birinci nesil PV hücreler oluşturmaktadır.

11 Kristal silikon modüller, tek bir kristalden veya silikon bloğundan kesilen dilimlerden tasarımlanır. Tek kristal (mc-si) ve çok kristal (pc-si) olmak üzere başlıca iki tipinden bahsetmek mümkündür: Kristal silikon paneller en yaygın ve olgun PV teknolojisidir ve PV piyasasında %80 nin üzerinde bir hâkimiyeti vardır. En yaygın hücreler cm veya cm boyutlarındadır ve W arasında güç üretirler.

12 Standart bir c-si paneli adet hücreden yapılır ve W arası güç üretebilir. Tipik modül boyutu m arasında değişir. Modüller genellikle yıl asgari garantiye sahip olarak satılırlar ve bu süre zarfında ilk 12 yıl % 90 güç çıkışı ve yıl arası içinse %80 güç çıkışı garanti edilebilmektedir. En olgun PV teknolojisi olmalarına rağmen hala geliştirme için fırsatlar mevcuttur.

13 İmalatçılar açısından hücrelerin kalınlığını azaltma yönünde bir eğilim vardır. Bunun temel nedeni, maliyeti fazla olan yüksek saflıktaki silikanın kullanım miktarını düşürmektir. Temas noktalarını daha etkin hale getirmek cristal-si modülde verim artırıcı çalışmalarda göz önünde tutulan en önemli unsurlardan birisidir. Çok kristal modül verimi elektron akışını etkileyen gelişigüzel atom yapılarından dolayı biraz daha düşük olma eğilimindedir. Ancak maliyet olarak tek kristallerden daha hesaplıdırlar. Bu yüzden kurulu c-si panellerinin büyük bir kısmı da çok kristallerden oluşmaktadır.

14 1954 yılında Bell laboratuvarlarında Chapin tarafından geliştirilen ilk Si PV hücre tek kristal yonga tabanlıdır. Başlangıçta AM1.5 spektrumu altında %6 olan hücre verimi kısa sürede %10 düzeyine çıkarılmıştır. Silisyumun elektriksel, optiksel ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi ve silisyum üretim teknolojisinde elde edilen büyük başarılar bu malzemenin en popüler malzeme olarak öne çıkmasını sağlamıştır. Laboratuvar koşullarında elde edilen en yüksek verim %25 tir. Tek kristal silisyum malzeme, PV hücre üretiminde yüksek verim için kullanılan malzemelerden biri olmakla birlikte, üretim maliyetinin yüksek olması bu alanda değişik seçenek olarak çok kristal malzemenin geniş ölçekte kullanılmasına neden olmuştur.

15 Kimyasal tanım: Tek kristal silikon, düzenli bir kristal yapısına sahiptir. Her bir atom ideal olarak önceden belirlenmiş bir konumda bulunur ve öngörülebilir ve tekdüze bir davranış gösterir. Tek kristal silikon, yavaş ve enerji yoğun filtrasyon ve ayırma işlemlerinden oluşan üretim süreçlerinden geçerek üretildiğinden, en pahalı silikon türüdür.

16 Tek kristali PV hücre, silikon külçelerden üretilir. Tek kristal bir PV hücre üretiminde, silikonlu levhalar yapmak için, dört tarafı silindirik külçelerden kesilir. Bu işlem tek kristal PV modüllere karakteristik görünüm verir. Tek ve çok kristal PV modülleri birbirinden ayırmanın iyi bir yolu, çok kristal PV hücrelerin kenarları yuvarlatılmamış, mükemmel dikdörtgen görünümlü olmasıdır.

17 Çok kristal silisyumun üretilmesinde en çok kullanılan yöntem 1970 li yıllarda geliştirilen dökme yöntemidir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen çok kristal silisyum güneş pilleri ilk defa 1975 yılında SOLAREX firması tarafından AM1 spektrumu altında %10 verimle üretilmiştir. Dökme silisyum diğer yarı-iletken elektronik devrelerde kullanılmayıp, sadece güneş pillerinin yapımında kullanılmaktadır. Dökme silisyum kolaylıkla kare şeklinde dilimlere ayrılabildiğinden, polikristal güneş pilleri modül alanını neredeyse tamamen kaplayabilmektedir. Böylelikle, modül bazında verimde iyileşme olmaktadır. Güneş pili piyasasının yaklaşık %63 ünü %13-14 lük verimle çok kristal PV hücreler oluşturmaktadır. Laboratuvar koşullarında elde edilen en yüksek verim %20.4 tür.

18 Enerji dönüşüm etkinliği, elektrik çıktısı gelen ışınım gücüne bölünerek belirlenir. Spektral dağılım, güç dağılımı, sıcaklık ve direnç yükü elektrik yükünü etkileyen başlıca etmenleridir. PV hücrelerin verimlerini karşılaştırmak için IEC standardı kullanılır. Bu standarda göre, standart (karasal, ılıman) sıcaklık ve koşullar (STC) şunlardır: Işınım 1 kw/m2, AM=1.5 hava kütlesi üzerinden güneş ışınımına yakın bir spektral dağılım ve PV hücre sıcaklığı 25 C. PV hücre ve modül verimleri birbirinden farklı anlamlar taşır. Bireysel bir PV hücrenin verimi, PV modül veriminden daha yüksektir.

19 Tek kristal Çok kristal Üretim Yöntemi Tek kristal bir çubuk, tek kristal silikon tohum kristali eritilmiş çok kristal silikondan yavaşça çekilerek üretilir. Çubuk, yongalara kesilir ve daha sonra yuvarlak yongalar kare şeklinde düzeltilir. Böylece, dikdörtgen bir cam parçası üzerinde uygun olarak düzenlenebilirler. Çok kristal yonga, ergimiş silikondan dökme yöntemiyle üretilir. Dikdörtgen silikon bloğu 156 mm kare yongalara kesilir. Maaliyet Tek kristal PV hücreler aynı büyüklükteki çok kristal hücrelerden daha pahalıdır. Verim Tek kristal hücreler, çok sayıda küçük kristalden yapılmış olmaları nedeniyle, çok kristal hücrelere göre daha yüksek bir verime sahiptir. Çok kristal Si için saflık ve süreç toleransları iyileştikçe, ikisi arasındaki verim farkları azalmaktadır. Sıcaklıktan Etkilenme Tek kristal silikon modüller genel olarak daha iyi bir verime ek olarak, yüksek ortam sıcaklıklarında çok kristal modüllerden % 10 oranında daha iyi etkinlik gösterebilir. Çok kristal silikon PV hücreler genelde daha düşük sıcaklık katsayısına sahiptir.

20 Tek kristal Çok kristal Boyut Tek kristal modüller alan başına daha verimli olduğundan, PV modül boyutu, aynı güç değeri için bir çok kristal PV modülden daha küçüktür. Boyut sınırlıysa ve mümkün olan en fazla elektrik üretilmek isteniyorsa, tek kristal modüller daha iyi bir seçimdir. Görünüm Ömür Tek kristal silikon modül, dairesel hücrelere sahiptirler renkleri üniformdur. Tek kristal silikon modül, 50 yıl gibi uzun bir kullanım süresine sahiptir. Çok kristal silikon hücreler kare şeklinde olup, renkleri granit gibi karışıktır. Çok kristal silikon modülün garanti edilen kullanım süresi 25 yıldır. Gölgelenme Türüne bakılmaksızın hiçbir PV modül gölgede iyi performans göstermez. Bununla birlikte, tek kristal silikon modüller, daha az ışıklı koşullarda bile daha verimli davranma eğilimindedir. Hafif gölge sorunları varsa veya bulutlu gökyüzü koşullarında, tek kristal modüller genellikle biraz daha iyi verim gösterebilir. Alan gereksinimi Tek kristal silikon diziler, genellikle çok kristal silikon dizilerden daha fazla yer kaplar. Bir metrekare yüzey alanındaki tek kristal silikon PV modül yaklaşık 190 W güç üretecek, bir metrekare çok kristal PV modül ise yaklaşık 180 W güç üretecektir.

21 Güneş enerjisi, güneş hücresinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. Verimi % 10 un altında olan güneş hücreleri, uygulamada verimli ve ekonomik değildir. Yarı iletken güneş hücrelerinin verimi; laboratuvar koşullarında % 10 30, uygulamada ise % 5 20 arasında değişir. Uygulama koşullarında verimi % 15 olan güneş hücresi iyi olarak değerlendirilir. Hücre verimlilikleri ile modül verimlilikleri farklıdır. Örneğin, tek kristal silikon bir hücrenin verimi % 24 iken, aynı hücrelerden oluşan modülün verimi %13 17 olabilmektedir. Çok kristal silikon hücrenin verimi %18 iken, modül verimi %11 15 arasındadır.

22 Tek Kristal Silikon PV Hücre Üstünlükleri Olumsuzlukları Saflık derecesi yüksek silikondan yapıldığı için verimleri yüksektir. Verimleri büyük oranda % aralığında değişir. Maliyetleri yüksektir. Maliyet açıdan bakıldığında, çok kristal silikon ve bazı durumlarda ince film PV modüller daha iyi bir seçim olabilir. Modüller yerden tasarruf sağlar. Güç çıkışları yüksek olduğundan, diğer türlere kıyasla daha az alan gerektirirler. PV modül, kısmen gölge, kir veya karla kaplıysa, devrenin tamamı bozulabilir. Merkezi anahtarlı invertörler yerine mikro-invertörler kullanılabilir Mikro-invertörler, PV dizinin gölgelenmeden olumsuz olarak etkilenmesini azaltır. Tek kristal silikon modüller, ince film PV modüller kadar elektrik üretirler. Tek kristal silikon üretmek için Czochralski yöntemi kullanılır. Bu yöntem ile, büyük silindirik külçeler üretilir. Silikon yonga tasarımı için külçenin dört tarafı kesilir. Orijinal silikonun önemli bir kısmı atık durumda kalır. Tek kristal silikon PV modüllerin kullanım süreleri, çok kristal silikon PV modüllerden daha uzundur. Düşük ışık koşullarında, çok kristal silikon PV modüllere göre daha iyi etkinlik gösterirler. Tek kristal silikon PV modüller sıcak havalarda daha verimli olma eğilimindedir. Sıcaklık arttıkça verimlerindeki düşüş daha azdır.

23 Çok Kristal Silikon PV Hücre Üstünlükleri Olumsuzlukları Çok kristal silikon PV modüllerin verimi esas olarak % arasındadır. Daha düşük silikon saflığı nedeniyle, çok kristal silikon PV modüller, tek kristal silikon PV modüller kadar etkili değildir. Çok kristal silikon üretmek için izlenen süreç daha basit ve daha az maliyetlidir. Atık silikon miktarı tek kristal silikon üretimi ile karşılaştırıldığında daha azdır. Alan verimleri daha düşüktür. Tek kristal silikon esaslı PV sistem ile eşit miktarda elektrik üretmek için daha geniş bir yüzeyi alanı gerekir. Çok kristal silikon PV modüller, tek kristal silikon PV modüllerden biraz daha düşük ısı toleransına sahiptir. Bu teknik olarak, yüksek sıcaklıklarda tek kristal silikon PV modüllerden biraz daha az verimli demektir. Isı enerjisi, PV modüllerin verimlerini etkiler ve ömürlerini kısaltır.

24 PV Teknoloji Hücre Verimi (%) Modül Verimi (%) Kristal Silikon Tek kristal silikon Çok kristal silikon Galyum Arsenid İnce film Amorf silikon Kadmiyum Tellür CIS/CIGS

25 PV hücrenin malzemesi PV hücrenin akım-gerilim özellikleri Dolum kontrol cihazının özellikleri Dönüştürücü verimi Akümülatör verimi Sıcaklık PV tesisatın gölgelenme durumu Kullanılan kablo kalınlığı PV tesisat üzerinde toz/kir birikmesi PV tesisatın yönlendirilmesi PV dizilerin eğim açısı PV hücrelerin yüzeyine uygulanan işlemler PV tesisata uygulanan bakım/onarım işlemleri

26 Hücre sıcaklığı, kristal silikon PV hücrenin kalitesini ve verimini belirlemek için önemli bir değişkendir. Silikon PV hücrenin kalitesini kontrol etmek ve bir PV hücrenin verimini belirlemek için çevresel değişkenlerin doğru bir şekilde bilinmesi gerekir. Çevresel değişkenler her zaman silikon PV hücrelerin verim özelliklerinde önemli bir rol oynamaktadır. Sıcaklıktan etkilenmeleri, PV hücrelerin doğal özelliklerinin bir sonucudur. PV hücreler, sıcaklık düştükçe daha yüksek verim üretme eğilimi gösterirler, yüksek sıcaklıklarda gerilim kaybederler. Işık yansıması azaltılarak, enerji dönüşüm etkinliği arttırılır.

27 Tek kristal silikon bir PV hücresinin verimi sadece % 15 düzeyindedir. Bu verim değerini % 40 düzeyine kadar yükseltmek için, farklı bant aralıklarına sahip çok eklemli hücreler kullanılabilir. Ancak bu teknoloji daha karmaşık ve daha pahalıdır. Bununla birlikte, verimi arttırmanın başka bir yolu, mercekler veya aynalar gibi ucuz yansıtıcı ekipmanlar kullanarak güneş ışınlarını PV hücrelere yoğunlaştırmaktır.

28 Işınım şiddeti, sıcaklık ve kir/toz gibi bir PV güç sisteminin çıktısını etkileyen çeşitli ortam koşulları vardır. Açık devre gerilimi, güneş ışınımının artmasıyla logaritmik olarak artarken, kısa devre akımı doğrusal olarak artar. Böylece, çıkış gücü de artmış olur. Bununla birlikte, hücre sıcaklığındaki artışın başlıca etkisi açık devre geriliminedir. Açık devre gerilimi, hücre sıcaklığı ile azalır.

29 PV hücre yüzey malzemesinin ışınım özellikleri Güneş ışınımının spektral özellikleri Güneş ışınlarının PV hücre üzerine geliş açısı Ortamdaki havanın sıcaklığı Hücrenin iç seri direncinden kaynaklanan kayıplar PV hücrenin kalınlığı PV hücrenin eğim açısı PV hücrenin temizliği PV hücre için verim sınırları

30 Silikon PV hücrenin verimi; ışık yoğunluğu veya ışınım şiddeti, izleme açısı ve hücre sıcaklığı gibi çevresel etmenlere çok bağlıdır. Açık devre gerilimi, kısa devre akımı, en yüksek çıkış gücü, dolum faktörü ve verimlilik gibi fotovoltaik değişkenler genellikle hücre sıcaklığından etkilenirken, en yüksek düzeyde etkilenme açık devre geriliminde gerçekleşir. Bu nedenle, PV hücrenin açık devre gerilimi hücre sıcaklığına karşı oldukça duyarlıdır.

31 PV hücrelerin enerji dönüşüm verimleri, 1976 yılından bu yana Ulusal Yenilenebilir Enerji Laboratuvarı (NREL) tarafından araştırılmaktadır. Güneş pillerinin verimliliği, amorf silikon esaslı güneş pilleri için % 6'dan çok eklemli PV hücrelerde % 44.0 e ve hibrid bir pakete birleştirilmiş çoklu kalıplar için % 44.4 arasında değişmektedir. Piyasada bulunan çok kristal silikon PV hücreler için enerji dönüşüm verimi yaklaşık % arasındadır. En yüksek verimli PV hücreler her zaman en ekonomik olmamıştır. Ticari olarak bulunan PV hücrelerin verimleri 2006 yılı itibariyle % 5 19 arasındadır. Katkılanmamış kristal silikon hücrelerin verimleri % 29.4 teorik sınırlayıcı verime yaklaşmaktadır yılında, hücre arkasında hem pozitif hem de negatif kontakları bulunan kristal PV hücrelerde % 25.6 değerinde verime ulaşılmıştır.

32 Dinlediğiniz için teşekkür ederim