FARKLI RENKLERDE IġIĞIN VE SICAKLIK DEĞĠġĠMĠNĠN GÜNEġ PĠLĠNĠN GÜCÜNE ETKĠSĠNĠN ARAġTIRILMASI

Transkript

1 FARKLI RENKLERDE IġIĞIN VE SICAKLIK DEĞĠġĠMĠNĠN GÜNEġ PĠLĠNĠN GÜCÜNE ETKĠSĠNĠN ARAġTIRILMASI Hazırlayan Öğrenciler BaĢar ALPTEKĠN 7-C Rıza Lider BÜYÜKÇANAK 7-C DanıĢman Öğretmen Meltem GÖNÜLOL ÇELĠKOĞLU ĠZMĠR, 2014

2

3 ĠÇĠNDEKĠLER 1.Proje Özeti Projenin Amacı GiriĢ Yöntem UlaĢılan Sonuçlar ve Sonuçların Değerlendirilmesi Proje Bütçesi Proje Takvimi Kaynaklar

4 Proje Adı: FARKLI RENKLERDE IġIĞIN VE SICAKLIK DEĞĠġĠMĠNĠN GÜNEġ PĠLĠNĠN GÜCÜNE ETKĠSĠNĠN ARAġTIRILMASI 1. Proje Özeti GüneĢ Enerjisi, yenilenebilir enerji kaynakları arasında temiz ve çevreci yapısıyla en büyük umutlarımızdandır. GüneĢ enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin en bilinen yolu güneģ pilleridir. Bu enerji, güneģ pilinin yapısına bağlı olarak %5 %30 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevirebilir. GüneĢ pillerinin verimini arttırmak için yapılacak çalıģmalar dünyamızı fosil yakıt bağımlılığından kurtarmak için oldukça önemlidir. Bu nedenle bu projede daha verimli güneģ pilleri elde etmek için güneģ pillerinin farklı renklerde ıģık ve sıcaklık ile gücünün nasıl değiģtiği araģtırılmıģtır. Deneyin ilk aģamasında farklı dalgaboylarında ıģık elde etmek için kırmızı, mavi ve yeģil renkli filtreleri kullandık. GüneĢ pilinin kablo bağlantılarını oluģturduk ve multimetreyi kullanarak akım ve gerilim değerlerini okuduk. Daha çok renk ile çalıģmak için kendi renk filtrelerimizi oluģturduk. Bu filtreleri kırmızı, turuncu, sarı, yeģil, mavi ve mor olmak üzere 6 farklı renk içerecek Ģekilde hazırladık. GüneĢ pilini hazırladığımız filtreler ile tek tek kaplayarak her renk için güneģ pilinin verdiği akımı ve voltajı multimetreden okuduk ve her bir renk için güneģ pilinin ürettiği gücü hesapladık. GüneĢ pili en fazla gücü, dolayısıyla en fazla enerjiyi Sarı ıģıkta üretmektedir. Bütün renklerin ürettiği güce göre büyükten küçüğe doğru sıralanıģı Sarı>Turuncu>Kırmızı>Mor>Mavi>YeĢil Ģeklinde olmaktadır. GüneĢ pili Sarı, Turuncu ve Kırmızı dalgaboylarında diğer renklere göre daha fazla enerji üretmektedir. Bulduğumuz sonucu baģka güneģ pilleri ile test etmek, aynı zamanda güneģ pillerinde seri ve paralel bağlamanın etkisini görmek amacıyla aynı deneyi 1.5V luk 4 güneģ pili ile tekrarladık. Tek güneģ pili ile yaptığımız deneyi renk filtreleri yardımıyla tekrar ettik. Elde ettiğimiz sonuçlar birinci deneyi destekler nitelikteydi. Bu güneģ pili ile de Sarı>Turuncu>Kırmızı>Mor>Mavi>YeĢil Ģeklinde aynı sıralamayı elde ettik. Son olarak güneģ pilinin üzerindeki sıcaklığın güneģ pilinin ürettiği gücü nasıl etkilediğini araģtırdık. GüneĢ pilinin ürettiği gücün sıcaklıkla değiģim grafiğini Sarı filtre ve filtresiz durum için üst üste çizdirdik. Ġki durum için de sıcaklık arttıkça güneģ pilinin ürettiği gücün azaldığı görüldü. Yapılan deneyler sonucunda güneģ pilinde en fazla gücün Sarı renkli filtre kullanıldığında elde edildiği; Turuncu ve Kırmızı gibi uzun dalgaboylarına sahip ıģıklarda da Mor, Mavi ve YeĢil renklere göre daha fazla güç elde edildiği görüldü. Bazı renklerde güneģ pilinin daha fazla güç üretmesi kullanılan yarıiletken malzemenin özelliğinden kaynaklanmaktadır. Bu 2

5 sonuca göre daha verimli güneģ pilleri elde etmek için bir güneģ pilinde tek yarıiletken malzeme kullanmak yerine farklı yarıiletken malzemeler katkılanarak güneģ pili oluģturulursa yüksek enerji elde edilen dalgaboyu aralığı geniģletilebilir. GüneĢ pilinin verimini etkileyen bir diğer faktör güneģ pilinin sıcaklığıdır. Yaptığımız denemelerde güneģ pilinin sıcaklığı arttıkça elde edilen gücün azaldığı görüldü. GüneĢ panelinin verimini arttırmak için güneģli fakat rüzgar alan yerler seçilebilir, hava akımı oluģacak boģluklar bırakacak Ģekilde panel yerleģtirilebilir ya da panel fanlar yardımıyla soğutulabilir. 2. Projenin Amacı Bu projede, güneģ pillerinin farklı renklerde ıģık ve sıcaklık ile gücünün nasıl değiģtiği araģtırılarak, bulunan sonuçlara göre güneģ pillerinin veriminin arttırılması için öneriler sunulması hedeflenmiģtir. 3. GiriĢ Yenilenebilir enerji kaynaklarının önem kazandığı günümüzde, güneģ enerjisi temiz ve çevreci yapısıyla en büyük umutlarımızdandır. GüneĢ enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin en bilinen yolu güneģ pilleridir. GüneĢ pilleri yarıiletken malzemelerden yapılırlar. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire Ģeklinde biçimlendirilen güneģ pillerinin alanları 100 cm 2 civarında, kalınlıkları özellikle en yaygın olan silisyum güneģ pillerinde 0,2 0,4 mm arasındadır(1,2). GüneĢ pilleri (fotovoltaik diyotlar) üzerine güneģ ıģığı düģtüğünde, güneģ enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. GüneĢ pillerinin çalıģma ilkesi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır. Yani üzerine ıģık düģtüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluģur. Pillerin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneģ enerjisidir. Deniz seviyesinde, parlak bulutsuz bir gündeki ıģınım Ģiddeti maksimum 1000 Watt/metrekare civarındadır. Yöreye bağlı olarak 1metrekare ye düģen güneģ enerjisi miktarı yılda KWh arasında değiģir. Bu enerji, güneģ pilinin yapısına bağlı olarak %5 %30 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevirebilir(1). Güç çıkıģını artırmak amacıyla çok sayıda güneģ pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu yapıya güneģ pili modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir. Gerekirse bu modüller de birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak, fotovoltaik bir dizi oluģturabilir (1). Son yıllarda güneģ pillerinin teknolojik geliģmesinde büyük ilerlemeler kat edilmiģ olsa da hala yüksek maliyetlerde ve düģük verimlilikte üretilmektedirler. Daha ucuz ve daha verimli 3

6 bir Ģekilde güneģ enerjisi kullanımı yaygınlaģırsa fosil yakıtlarının kullanımı da azaltılmıģ olacaktır. GüneĢten gelen beyaz ıģık görünür bölge spektrumundaki bütün renkleri kapsar ve dalgaboyları 400nm ile 780nm arasındadır. Görünür bölgenin yanında GüneĢin spektrumu daha kısa dalgaboylu ultraviyole ıģınları ve daha uzun dalgaboylu infrared ıģınlarını da içerir. Üzerine düģen ıģığın dalgaboyu güneģ pillerinin performansını önemli ölçüde etkilemektedir. Günümüzde kullanılan güneģ pilleri bütün dalgaboylarında aynı performansı gösteremez. Üretildikleri yarıiletken malzemeye bağlı olarak bazı dalgaboylarında ya da bazı renklerde daha verimli çalıģmaktadırlar (3,4). GüneĢ pillerinden hangi renklerde maksimum enerji elde edildiğini bilmek daha geniģ dalgaboyu aralığında verimli çalıģan güneģ pilleri elde etmek için yararlı olacaktır. GüneĢ pillerinin verimini etkileyen bir diğer faktör sıcaklıktır. GüneĢ panelleri ideal sayılan 25 santigrat derece sıcaklık, Watt/m 2 güneģ radyasyonu ve 1,5 AM (Air Mass, hava kütlesi) ortamda test edilir. Bu ortama göre panellerin verimleri ve gösterdikleri etkiler hesaplanır. Panelin güneģ ıģınını alması ile birlikte elektrik üretimi baģlar fakat verimlerin %100 olmamasından dolayı güneģten gelen enerjinin bir kısmı elektrik enerjisine dönüģürken bir kısmı da ısı enerjisi olarak ortaya çıkar. Bu olay panellerin ısınmasına neden olur, güneģ hücrelerinin ısınması ile akım (I) artarken, gerilim (V) değeri düģer. Gerilimde ki düģüģün fazla olması nedeni ile çıkıģ gücünde de düģüģ olur ve bu verim kaybına neden olur (5). Daha verimli güneģ pilleri üretmek için güneģ pillerinin sıcaklık değiģimiyle ürettiği gücün nasıl değiģtiğini bilmek gereklidir. 4. Yöntem Farklı dalgaboylarında ıģık elde etmek için kırmızı, mavi ve yeģil renkli filtreleri kullandık. Solar bahçe aydınlatmasından çıkardığımız tek güneģ pilinin kablo bağlantılarını oluģturduk ve multimetreyi kullanarak güneģ pilinden maksimum 2V gerilim, 11mA akım elde ettik. Renk filtreleri ile güneģ pilinin üzerini kaplayarak farklı renklerde oluģan akım ve gerilim değerlerini not ettik. Fakat elimizdeki filtrelerin (kırmızı, mavi ve yeģil) güneģ pilinin ürettiği enerjinin renklere göre değiģimini elde etmek için yetersiz kaldığını gördük ve daha çok renk ile çalıģmak için asetat kağıdına renkli çıktı alarak kendi renk filtrelerimizi oluģturduk. Bu filtreleri kırmızı, turuncu, sarı, yeģil, mavi ve mor olmak üzere 6 farklı renk içerecek Ģekilde hazırladık. Direk güneģ ıģığı alan ortamda çalıģtık ve güneģ pilinin yerini sabit tuttuk. GüneĢ pilini hazırladığımız filtreler ile tek tek kaplayarak her renk için güneģ pilinin verdiği akımı ve voltajı multimetreden okuduk. Bu değerleri not ettik. Güç = Voltaj x Akım eģitliğini kullanarak her bir renk için güneģ pilinin ürettiği gücü hesapladık. Bulduğumuz değerler Tablo 1 de ve güneģ 4

7 Filtre Rengi Akım (ma) Voltaj (V) Güç (mw) Filtresiz 11,26 2,00 22,52 Kırmızı 3,76 1,66 6,24 Turuncu 5,12 1,72 8,81 Sarı 6,23 1,80 11,21 Yeşil 2,33 1,57 3,66 Mavi 3,02 1,62 4,89 Mor 3,05 1,62 4,94 Tablo 1: GüneĢ pilinin ürettiği akım, voltaj ve güce farklı renklerin etkisi. ġekil 1: GüneĢ pilinin gücüne farklı renklerin etkisi. pilinin gücünün renklere göre değiģimi ġekil 1 de görülmektedir. Bulduğumuz sonuçlara göre güneģ pili en fazla gücü, dolayısıyla en fazla enerjiyi (güç, birim zamanda elde edilen enerjiye eģit olduğundan) Sarı ıģıkta üretmektedir. Bütün renklerin ürettiği güce göre büyükten küçüğe doğru sıralanıģı Sarı>Turuncu>Kırmızı>Mor>Mavi>YeĢil Ģeklinde olmaktadır. Bu sonuca göre güneģ pili Sarı, Turuncu ve Kırmızı dalgaboylarında diğer renklere göre daha fazla enerji üretmektedir. ġekil 1 den de görüldüğü gibi daha uzun dalgaboylarında güneģ pili daha verimli çalıģır. Filtre Rengi Akım (ma) Voltaj (V) Güç (mw) Filtresiz 50,00 3,25 162,50 Kırmızı 30,00 3,13 93,90 Turuncu 31,90 3,15 100,48 Sarı 35,60 3,17 112,85 Yeşil 21,70 3,06 66,40 Mavi 23,30 3,05 71,06 Mor 24,80 3,09 76,63 Tablo 2: Seri ve paralel bağlı güneģ pilinin ürettiği akım, voltaj ve güce farklı renklerin etkisi. ġekil 2: Seri ve paralel bağlı güneģ pilinin gücüne farklı renklerin etkisi. Bulduğumuz sonucu baģka güneģ pilleri ile test etmek, aynı zamanda güneģ pillerinde seri ve paralel bağlamanın etkisini görmek amacıyla aynı deneyi 1.5V luk 4 güneģ pili ile tekrarladık. 5

8 Dört güneģ pilini ikiģer ikiģer seri bağladık ve seri bağlı pilleri de birbirine paralel olarak bağladık. Böylece bir güneģ pilinden elde edebileceğimiz maksimum akımı ve voltajı iki katına çıkarmıģ olduk. Paralel ve seri bağladığımız güneģ pillerinden filtre yokken maksimum 3.1V gerilim, 50 ma akım elde ettik. Renk filtreleri ile yukardaki deneyi tekrar ederek Tablo 2 yi oluģturduk ve ġekil 2 yi çizdirdik. Elde ettiğimiz sonuçlar birinci deneyi destekler nitelikteydi. Bu güneģ pili ile de Sarı>Turuncu>Kırmızı>Mor>Mavi>YeĢil Ģeklinde aynı sıralamayı elde ettik. Birinci ve ikinci deney arasındaki fark, güneģ pillerinin seri ve paralel bağlı olması nedeniyle elde edilen gücün tüm renklerde tek pile göre daha fazla çıkmasıydı. Bu fark iki güneģ pilinden elde ettiğimiz verileri üst üste çizdirdiğimiz ġekil 3 te kolayca görülmektedir. ġekil 3: Tek güneģ pili ve seri ve paralel bağlı güneģ pilinin gücüne farklı renklerin etkisi. ġekil 3: Sarı filtre ve filtresiz durum için seri ve paralel bağlı güneģ pilinin gücünün güneģ pilinin sıcaklığı ile değiģimi. Son olarak güneģ pilinin üzerindeki sıcaklığın güneģ pilinin ürettiği gücü nasıl etkilediğini araģtırmak için güneģ pilini soğuk jel yardımıyla 5 0 C ye kadar soğuttuk ve her 5 0 C artıģta güneģ pilinden elde edilen voltaj ve akım değerlerini okuduk ve gücü hesapladık. Bu bölümde sıcaklığın etkisini gözlemlemek için tüm filtreleri kullanmak yerine en çok enerji elde etiğimiz sarı filtreyi kullandık. Buna ek olarak bir de güneģ pilinin üzerinde filtre yok iken ölçümler aldık. GüneĢ pilinin sıcaklığı 35 0 C den sonra çok az artıģ gösterdiği için yüksek sıcaklıklarda davranıģını anlayabilmek için 35 0 C den sonra güneģ pilini saç kurutma makinesiyle ısıtarak ölçüm aldık. Aldığımız ölçümler ile ġekil 3 te güneģ pilinin ürettiği gücün sıcaklıkla değiģim grafiğini Sarı renk için ve filtresiz olarak üst üste çizdirdik. Ġki durum için de sıcaklık arttıkça güneģ pilinin ürettiği gücün azaldığını gördük. 5. UlaĢılan Sonuçlar ve Sonuçların Değerlendirilmesi Tek güneģ pilinin ve seri ve paralel bağlı güneģ pillerinin üzerine renk filtreleri yardımıyla farklı renklerde ıģık düģürerek güneģ pillerinden elde edilen enerjinin değiģimi araģtırıldı. En fazla enerjinin Sarı renkli filtre kullanıldığında elde edildiği Turuncu ve Kırmızı gibi uzun 6

9 dalgaboylarına sahip ıģıklarda da Mor, Mavi ve YeĢil renklere göre daha fazla enerji elde edildiği görüldü. Bazı renklerde güneģ pilinin daha fazla enerji üretmesi kullanılan yarıiletken malzemenin özelliğinden kaynaklanmaktadır. Biz Silisyum dan yapılmıģ güneģ pili ile denemeler yaparak bu sonuçlara ulaģtık. Farklı yarıiletken malzemeler denenerek etkin olan farklı dalgaboyları elde edilebilir. Bu sonuca göre daha verimli güneģ pilleri elde etmek için bir güneģ pilinde tek yarıiletken malzeme kullanmak yerine farklı yarıiletken malzemeler katkılanarak güneģ pili oluģturulursa yüksek enerji elde edilen dalgaboyu aralığı geniģletilebilir. Bunun yanında güneģ pili üzerine düģen güneģ ıģığı yoğunluğu lensler yardımıyla arttırılarak da güneģ pilinin veriminin arttırılmasına katkıda bulunulabilir. GüneĢ pilinin verimini etkileyen bir diğer faktör güneģ pilinin sıcaklığıdır. Yaptığımız denemelerde güneģ pilinin sıcaklığı arttıkça elde edilen gücün azaldığı görüldü. Bu sonuca göre güneģ panelinin verimini arttırmak için güneģli fakat rüzgar alan yerler seçilebilir, hava akımı oluģacak boģluklar bırakacak Ģekilde panel yerleģtirilebilir ya da panel fanlar yardımıyla soğutulabilir. 6. Proje Bütçesi Renk filtreleri: 2 TL 4 adet 1,5V güneģ pili (her biri 5,2cm x 2,5cm boyutlarında): 8TL Solar bahçe aydınlatmasından çıkarılan güneģ pili (4cm x 4cm boyutlarında): 5TL Bağlantı kabloları Multimetre Saç kurutma makinesi Soğuk jel Toplam bütçe: 15TL 7. Proje Takvimi Literatür taraması GüneĢ pillerinin temin edilmesi Renk filtrelerinin oluģturulması Deneyin yapılması Raporun yazılması. 7

10 8. Kaynaklar