Fotovoltaik Teknoloji

Transkript

1 Fotovoltaik Teknoloji Bölüm 5: Fotovoltaik Hücre Karakteristikleri Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü Fotovoltaik Hücre Parametreleri I-V İlişkisi Yük Çizgisi Kısa Devre Akımı Açık Devre Voltajı MPP (Maximum Power Point) Dolgu Faktörü Şönt Direnci Seri Direnç Fotovoltaik Hücre Verimi Dr. Osman Turan Makine ve İmalat Mühendisliği Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi

2 Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü Bir fotovoltaik hücre güneş ışığına maruz bırakıldığında, yeterli enerji içeriğine sahip fotonlar sayesinde kristal içerisinde elektron-boşluk çiftleri meydana gelir. Bu hareketli yük taşıyıcıları eklem (kavşak/junction) bölgesine yaklaştığında, deplasyon bölgesindeki (yükten arındırılmış bölgedeki) elektriksel alan sayesinde, Şekilde görüldüğü gibi elektronlar n bölgesine; boşluklar ise p bölgesine doğru itilirler.

3 Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü Kristalin iki kutbunda zıt yüklerin toplanması, bir potansiyel fark meydana getirir. İletken bir tel ile iki kutup Şekildeki gibi birleştirilirse, n bölgesindeki elektronlar, p bölgesindeki boşluklara doğru hareket eder. Burada boşluklarla yeniden birleşen elektronlar devreyi tamamlarlar. Akımın yönü, elektron hareketine zıt yönde gerçekleşir. Bir diğer ifadeyle, p bölgesinden n bölgesine doğrudur.

4 Fotovoltaik Hücre Parametreleri Fotovoltaik hücreler, güneş ışınları sayesinde fotovoltajların ve fotoakımların oluştuğu geniş alanlı, düz beslemeli (ileri yönlü kutuplanmış/ polarlanmış) diyotlardır. Diyot, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Bir yöndeki dirençleri ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan elemanlardır Fotovoltaik hücre parametrelerinin hassas bir şekilde tespit edilebilmesi, fotovoltaik sistemlerle ilgili dizayn, kalite kontrol ve performans değerlendirme çalışmaları açısından önemlidir.

5 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi Fotovoltaik hücreler, güneş ışınları sayesinde fotovoltajların ve fotoakımların oluştuğu geniş alanlı diyotlardır. Fotovoltaik bir hücrede Akım-Gerilim (voltaj) ilişkisi, fotoakım diyot akım paralel akım K ve α sabit sayılar I S : Doyma akımı R S : Seri direnç q : Elektronik yük A : İdealite katsayısı k B : Boltzman sabiti T j : Kavşak (junction) sıcaklığı R Sh : Paralel direnç

6 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi Fotovoltaik Hücrede Akım Gerilim İlişkisi fotoakım α 1 α 2 α 3 : Sabit katsayılar E Eref T J : Güneş ışınım akısı : Referans ışınım akısı (1000 W/m2) : Kavşak (junction) sıcaklığı T ref : referans sıcaklık (298 K)

7 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi Bu eşitliği dayanarak, fotovoltaik hücre eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çizilebilir.

8 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi Akım Gerilim (Voltaj) (I V) karakteristiği genelde iki boyutlu bir grafikte; dikey eksen akımı (Amper cinsinden), yatay eksen ise gerilimi (Volt cinsinden) temsil edecek biçimde şekildeki gibi gösterilir.

9 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi (I V) karakteristiği, fotovoltaik hücrenin uçlarına test direnci takılıp, açık devreden kısa devreye kadar değeri değiştirilir ve bu sırada direncin üzerindeki voltaj ve akım değerleri ölçülerek elde edilir. Aşağıdaki şekilde (I-V) karakteristik eğrisinin ölçülebilmesi ve çizilebilmesi için örnek bir elektriksel devre düzeneği gösterilmiştir. Bir (I-V) eğrisi belirli bir güneş ışınım akısı altında çizilir ve farklı güneş ışınım akıları için ölçümler tekrarlanır. Voltmetre Fotovoltaik hücre Reosta Ampermetre

10 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi Bir (I-V) eğrisi belirli bir güneş ışınım akısı altında çizilir ve farklı güneş ışınım akıları için ölçümler tekrarlanır.

11 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi Yük çizgisi, doğrusal olmayan bir performans sergileyen bir aletin çalışma noktasını bulmak için kullanılan grafiksel bir tekniktir. Herhangi bir anda, değişken direncin uçları arasındaki voltaj: Yük çizgisi Fotovoltaik hücrenin (I-V) eğrisi üzerine çizilen yük çizgisi 1/R eğimine sahip olacaktır. S R P E X Y Z A

12 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi Küçük R değerleri büyük eğim oluşturur. Büyük R değerleri küçük eğim oluşturur. Yük çizgisinin (I-V) eğrisini kestiği nokta çalışma noktası (yada Q noktası) olarak adlandırılır. Belirli bir direnç değeri için çalışma noktası güneş ışınım akısı değeri, arttıkça A noktasında E noktasına doğru hareket eder. Bunun sonucu olarak, hem yük voltajı hem de yük akımı güneş ışınım akısı değeri ile artar. Benzer şekilde, belirli bir güneş ışınım akısı için, azalan R, çalışma noktasını P, R, S noktalarına doğru kaydırırken; artan R, ise çalışma noktasını X,Y,Z noktalarına doğru kaydırır. A S R P E X Yük çizgisi Y Z

13 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi Örnek 5.1 Fotovoltaik hücrenin I-V karakteristiği Şekilde verildiği gibidir. Fotovoltaik hücre 0.2 ohm luk dirençsel yüke bağlanmıştır. Buna göre: a) Yük çizgisini çizin, b) Direnç üzerinden geçen akımı bulunuz, c) Direncin uçları arasındaki voltajı bulunuz, d) Direçteki güç kaybını hesaplayınız, e) Işınım akısı değeri 1000 W/m2 olduğu durum için direncin uçları arasındaki voltajı hesaplayınız.

14 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Kısa Devre Akımı Kısa devre akımı, I SC ile gösterilir. Kısa devre akımı, Şekilde görüldüğü gibi, devrenin kutupları kısa devre edildiğinde ölçülen akımdır. Her güneş ışınım akısı için farklı kısa devre akımı söz konusudur. Kısa devre akımında pilin uçları arasındaki voltaj (gerilim) sıfırdır. V = 0

15 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Kısa Devre Akımı Normal güneş ışınım akısı altında, seri direnç R S çok küçüktür ve pratik amaçlı olarak hesaplamalarda ihmal edilebilir. Böylece kısa devre akımı aşağıdaki gibi sadeleşir: R S = 0 Sonuç olarak; kısa devre akımı, güneş ışınım akısına bağlı olan fotovoltaik akıma (fotoakıma) eşittir. Bu durum (I SC = I P ), fotovoltaik hücre tasarımında kullanılan en önemli prensiptir. Fotovoltaik hücreyi kısa devre akımına yakın bir akımda çalıştırarak, hücrenin üzerine düşen güneş ışınım akısı ile doğru orantılı olan akım ölçülebilir.

16 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Açık Devre Gerilimi Açık devre gerilimi, V OC ile gösterilir. Her güneş ışınım akısı için farklı kısa devre akımı söz konusudur. Açık devre gerilimi, Şekilde görüldüğü gibi, devreden geçen akım sıfıra eşitken, fotovoltaik hücrenin kutupları arasında okunan gerilimdir. I = 0 1 / R sh 0

17 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Maksimum Güç Noktası (MPP) Maksimum güç noktası belirli bir güneş ışınım akısı altında, fotovoltaik hücrenin I-V karakteristik eğrisi üzerindeki, akım ve gerilim değerleri çarpımının (yani gücün) maksimum olduğu noktadır. Yüke aktarılan güç, yükün direncine bağlıdır ve fotovoltaik hücre MPP dışında bir yerde çalışıyor ise yüke maksimum güç aktarımı gerçekleşmez. P = V. I P max I max MPP V max

18 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Dolgu Faktörü (FF ) Fotovoltaik hücrenin dolgu faktörü, maksimum gücün kısa devre akımı ile açık devre gerilimi çarpımına oranıdır: I SC I max Buna bağlı olarak sistemden elde edilecek güç de açık-devre gerilimle (V oc ), kısa-devre akım (I sc ) ve dolgu faktörünün (FF) çarpımına eşittir. V max V OC Dolgu faktörü, seri ve paralel dirençlerden etkilenir. Dolgu faktörü için tipik değerler FF = civarıdır. Kaliteli fotovoltaik hücreler için dolgu faktörü FF 0.7 değerler alır.

19 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Seri Direnç Fotovoltaik hücredeki seri direnç R s, fotovoltaik hücre içerisindeki omik kayıplardan oluşur. Seri direnç, fotovoltaik hücre ile yükü arasında seri bir şekilde yer alır. Seri direncin değeri çok küçüktür ve (10 mohm civarlarında) ve hesaplamalarda ihmal edilebilir.

20 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Seri Direnç Seri direnç, fotovoltaik hücrenin I-V eğrisi üzerinde, açık devre gerilimi ile maksimum güç noktası arasında kalan bölgenin karakteristiğini etkileyen bir hücre parametresidir. Fotovoltaik hücrenin seri direnci artması neticesinde, Şekilde de görüldüğü gibi, I V eğrisi altında kalan alan (yani dolgu faktörü, FF) azalır ve buna bağlı olarak da fotovoltaik modülden elde edilen çıkış gücü düşer. Fotovoltaik hücre eskidikçe seri direnci artar.

21 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Paralel (Şönt) Direnç Fotovoltaik hücrenin paralel direnci R sh, fotovoltaik hücrenin kutupları arasındaki sızıntı akımları sonucu oluşur. Paralel direncin değeri çok büyüktür (100 ohm civarı).

22 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Paralel (Şönt) Direnç Paralel direnç bir fotovoltaik hücreninin I-V eğrisi üzerinde, kısa devre akımı ile maksimum güç noktası arasındaki bölgenin karakteristiğini etkileyen bir hücre parametresidir. Fotovoltaik hücrenin paralel (şönt) direncinin azalması, Şekilde de görüldüğü gibi, I-V eğrisi altında kalan alanı (yani dolgu faktörü, FF) azaltır ve buna bağlı olarak da, fotovoltaik modülden elde edilen çıkış gücü azalır. Fotovoltaik hücre eskidikçe paralel direnç azalır ve bunun sonucu olarak da sızıntı akımları artar ve dolgu faktörü azalır.

23 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri Fotovoltaik hücreler kavşak (eklem/junction) sıcaklığından etkilenirler. Sıcaklık arttıkça potansiyel fark azalır ve bunun sonucu olarak da küçük açık devre voltajı oluşur. Silikon bir fotovoltaik hücredeki potansiyel fark 2.3 mv/ o C dir. Fotovoltaik hücre akımının sıcaklıkla değişimim ihmal edilir. Güç, gerilim ve akım çarpımına eşit (P = V. I) olduğuna göre, fotovoltaik hücre sıcaklığı düştükçe güç artar. Fotovoltaik hücrenin rengi koyu oluğu için çok güneş ışığı emer, bu nedenle, fotovoltaik hücrenin kavşak (eklem/junction) bölgesindeki sıcaklık çevre sıcaklığından yüksektir. Soğuk bir fotovoltaik hücre daha yüksek bir gerilim oluşturur.

24 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri Sıcaklık arttıkça potansiyel fark azalır ve bunun sonucu olarak da küçük açık devre voltajı oluşur. Fotovoltaik hücre akımının sıcaklıkla değişimi ihmal edilir.

25 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri Güç, gerilim ve akım çarpımına eşit (P = V. I) olduğuna göre, fotovoltaik hücre sıcaklığı düştükçe güç artar. Sıcaklık artıyor

26 Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Kontrolü

27 Fotovoltaik Hücre Verimi Bir fotovoltaik hücre için verim kavramı, ışınım enerjisinin ne oranda elektrik enerjisine dönüştürülebildiği şeklinde tanımlanabilir. Fotovoltaik Hücre Verimi = Üretilen Elektrik Enerjisi Gelen Işınım Enerjisi Fotovoltaik sistemlerde performans değerlendirme ölçütü olarak yaygın biçimde enerji verimi ve güç dönüşüm verimi kavramları kullanılmaktadır. Fotovoltaik Hücre Verimi Enerji Verimi Güç Dönüşüm Verimi

28 Fotovoltaik Hücre Verimi: Enerji Verimi Enerji verimi, fotovoltaik hücre tarafından üretilebilecek teorik gücün, hücre yüzeyine gelen ışınım enerjisine oranı olarak ifade edilir. Herhangi bir işletme koşulunda bir fotovoltaik hücrenin üretebileceği teorik güç, Şekilde görüldüğü gibi kısa devre akımı ve açık devre voltajı ile sınırlanan dikdörtgensel bölgenin alanına eşittir. Fotovoltaik hücre için enerji verimi I SC V OC G A : Kısa devre akımı (A) : Açık devre gerilimi (V) : Işınım enerjisi (W/m 2 ) : Fotovoltaik hücre yüzey alanı, m 2 )

29 Fotovoltaik Hücre Verimi: Güç - Dönüşüm Verimi Güç dönüşüm verimi, Şekil de görüldüğü gibi seri ve şönt direnç etkilerini dikkate alacak şekilde, bir fotovoltaik hücreye ait I V eğrisi altında kalan alanın, hücre yüzeyine gelen ışınım enerjisine oranı ile belirlenir. Fotovoltaik hücre için Güç dönüşüm verimi

30 Fotovoltaik Hücre Verimi Fotovoltaik hücrelerin verimleri, belirli standart koşullar altında testler yapılarak ortaya konur. Bu standart koşullar: Karasal Uygulamalar İçin ASTM G173: 25 C o AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2 o ; AM = 1/cos θ) 1000 W/m 2 Uzay Uygulamalar İçin ASTM E490: AM 0 (Zenit Açısı, θ = 0; AM = 1/cos θ) 1367 W/m 2 Hücre verimleri yukarıda verilen standart koşullara göre test edilirken, sıcaklığın hücre verimi üzerindeki etkisini ihmal etmek amacı ile hücre sıcaklığı sabit tutulur.

31 Fotovoltaik Hücre Verimi Hava koşulları, bir fotovoltaik hücrenin üreteceği güç değerini ve dolayısıyla da verimini önemli ölçüde etkiler.

32 Fotovoltaik Hücre Verimi Güneş yoğunluğu, bir fotovoltaik hücrenin üreteceği güç değerini ve aynı zamanda verimini önemli ölçüde etkiler.

33 Fotovoltaik Hücre Verimi Fotovoltaik hücrenin ürettiği enerji, hava koşullarının yanı sıra güneşle olan açısına bağlı olarak değişir. Kosinüs Kuralı Güneş ışınımı yüzeye dik olarak gelmediği durumlarda, yüzeye düşen güneş ışınım miktarı, güneş ışınları ile yüzeyin normali arasında kalan açının kosinüsü ile orantılı olarak azalır.

34 Fotovoltaik Hücre Verimi Enerji aktarımının en yüksek olabilmesi için MPP noktasının izlenmesi gerekir. MPP

35 Fotovoltaik Hücre Verimi Atmosferde kat edilen yolun uzunluğu Sıcaklık Güneş geliş açısı Hücre verimini etkileyen Faktörler Güneşlenme süresi Hücre malzemesi Güneş Işınım Yoğunluğu