Fotovoltaik Teknoloji

Transkript

1 Fotovoltaik Teknoloji Bölüm 3: Güneş Enerjisi Güneşin Yapısı Güneş Işınımı Güneş Spektrumu Toplam Güneş Işınımı Güneş Işınımının Ölçülmesi Dr. Osman Turan Makine ve İmalat Mühendisliği Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi

2 Güneşin Yapısı Güneş, güneş sisteminin en uzak ve en büyük yıldızıdır. Dünya ya uzaklığı yaklaşık 150 milyon kilometredir Çapı kilometredir. Bu çap, Dünyanın 109 katıdır Kütlesi, Dünya kütlesinden kat fazladır. Sıcaklık 15 Milyon o C.

3 Güneşin Yapısı

4 Güneşin Yapısı Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci (hidrojen gazının helyuma dönüşmesi) ile açığa çıkan ışıma enerjisidir. 564 Milyon Ton / Saniye Hidrojen 560 Milyon Ton / Saniye Helyum 4 Milyon Ton / Saniye Hidrojen kj/saniye Güneş, enerjisini elektromanyetik ışımalar yaparak, güneş sistemine yayar.

5 Güneşin Yapısı Güneşten Saniyede Açığa Çıkan Enerji Dünya Yıllık Enerji Tüketimi 90 Milyar Varil Petrol Eşdeğeri 12 Milyar Ton Petrol Eşdeğeri (TEP) kj kj

6 Güneşin Yapısı Güneşten Dünyaya Gelen Enerji Dünya Yıllık Enerji Tüketimi 90 Milyar Varil Petrol Eşdeğeri 12 Milyar Ton Petrol Eşdeğeri (TEP) kj/saniye kj/yıl

7 Güneş ışınları farklı dalga boylarında yayılır. Güneşten yayılan bu farklı dalga boylarındaki ışınların sıralı görünümüne güneş spektrumu adı verilir. Görünür Işık

8 Güneş ışınlarının sahip oldukları enerji, dalga boyuna bağlı olarak şu şekilde tanımlanır: h : Planck sabiti = Js λ : Dalga boyu (m) c : Işık hızı = 3 x 10 8 (m/s) Enerji artar Dalga boyu azalır

9

10 Mikrodalga Fırın Nasıl Çalışır?

11 Dünyaya gelen güneş enerjisi, dalga boyları μm arasında değişen ışınlardan oluşur. Güneşten gelen ışınların dağılımı: % 9 Morötesi % 45 Görünür ışık % 46 Kızılötesi Güneş ışınları, güneş ile dünya arasındaki mesafeyi yaklaşık 8 dk alırlar (yani m/s ışık hızı ile hareket ederler). Güneş Sabiti Atmosfer dışındaki bir metrekarelik alana dik olarak düşen güneş ışınlarının enerjisi yaklaşık olarak I sc = 1367 W/m 2 değerindedir. Bu değer güneş sabiti olarak bilinir. I sc, güneş ile dünya arasındaki mesafenin ( ) değişiminden kaynaklanan mevsimsel farklardan dolayı ±% 3.5 oranında değişim gösterir.

12 Zenit (Zirve) Açısı θ = Zenit açısı Güneş ışınımı ile yatay düzlemin normali arasındaki açıdır. Hava Kütlesi (Air Mass, AM) Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisi miktarı, önemli ölçüde güneş ışınlarının yeryüzündeki bir noktaya göre konumuna bağlıdır. Söz konusu konum hava kütlesi (air mass) faktörü ile ifade edilir. Hava kütlesi (air mass) faktörü, güneş ışınlarının atmosferden geçerken izlediği yolun, güneşin dik olduğu durumda izlediği yola oranıdır. Hava kütlesi (air mass) faktörü, güneş ışınlarının herhangi bir açıda atmosferdeki geçtikleri hava kütlesinin, güneşin dik olduğu durumda atmosferden geçtiği hava kütlesine oranıdır.

13 Zenit açısının θ = 0 o ve θ = 48 o karşılık gelen AM = 1 ve AM = 1.5 koşulları, fotovoltaik teknolojisi ile ilgili çalışmalarda yaygın olarak kullanılır. 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. I I b

14 Dünyamıza Gelen Güneş Işınımı Bilançosu % 30 atmosfer tarafından geri yansıtılır. % 20 atmosfer ve bulutlarda tutulur. Dünya yüzeyine ulaşan güneş ışınlarının % 70 yansıtılır. % 50 atmosferi geçerek Dünya yüzeyine ulaşır.

15 Güneş ışınlarının yaklaşık olarak % 50 si, atmosfer tarafından Dünya yüzeyine gelmesi engellenir. Güneş ışınlarını atmosferde meydana gelen bu azalması iki şekilde meydana gelir: 1)Rayleigh yayılımı 2)Ozon, Su Buharı, CO 2 ve Oksijen tarafından soğrulma Güneş Işınlarını Atmosferdeki Azalması Rayleigh Yayılımı (Saçılımı) Ozon, Su Buharı, CO 2 ve Oksijen tarafından soğrulma

16 Rayleigh Yayılımı (Saçılımı) Rayleigh Yayılımı, güneş ışınlarının atmosferde, dalga boyundan daha küçük, herhangi bir gaz molekülüne çarpması sonucu bütün doğrultularda eşit olarak yayılmasıdır. Yayılım etkisi ~ 1 / λ 4 Mavi ışığın (λ = 400 nm) yayılması, kırmızı ışığın (λ = 400 nm) yayılmasından daha fazladır. Bu yüzden gökyüzü mavi görünür.

17 Ozon, Su Buharı, CO 2 ve Oksijen tarafından soğrulma Güneşten çıkan ışınlar, atmosferi geçerken, atmosferi oluşturan çeşitli gazlar ve toz parçacıkları tarafından soğurulurlar. Yeryüzünün yaklaşık olarak 25 km yükseklikle, ozon tabakası olarak adlandırılan ve güneş ışınlarının mor ötesi ışınlarını kesen bir katman bulunur. Ozon tabakası λ < 320 nm olan mor ötesi (UV) ışınlarını soğurur. Bu işlem canlılar için son derece önemlidir. Çünkü, mor ötesi (UV) ışınların cilde ve göze zarar verici etkileri vardır. Kızılötesi (IR) ışınların yaklaşık % 20 si su buharı ve CO 2 tarafından soğurulur. Yayılım (veya saçılma) olayının aksine soğrulma işleminde Güneş ışınlarından enerji kazanılır ve atmosfer ısınır.

18 Belirli dalga boyuna sahip güneş ışınlarının atmosferde süzülerek yeryüzüne gelirler. Atmosferdeki azalmanın bir sonucu olarak, yeryüzüne ulaşan toplam güneş ışınımı, doğrudan ışınım ve yaygın ışınım olmak üzere iki farklı özelliğe sahiptir. Toplam güneş ışınımı = Doğrudan ışınım + Yaygın ışınım Doğrudan Işınım Herhangi bir etkiye uğramadan, Dünya üzerindeki herhangi bir yüzeye dik ve yön değiştirmeden direkt olarak gelen ışınımdır. Zenit açısına, AM faktörüne bağlıdır. Yaygın Işınım Gökyüzündeki bulutlar ve tozlar tarafından saçılmaya uğratılmış ışınımdır. Bulutlu havalarda güneşten gelen ışınımın tamamı yaygın ışınım şeklindedir.

19 Güneş Işınımı Ölçümü Güneş Işınımı Ölçen Aletler Doğrudan Işınım Toplam Işınım Yayılı Işınım Pirheliometre Doğrudan ışınım, güneş takip sistemi kullanılarak pirheliometre tarafından ölçülebilir. Bu aletler, çalışma mantığı olarak piranometrelerin aynısıdır. Ancak, bu aletlerde sensör, güneş ışınlarının yönünde yerleştirilmişuzun bir borunun altnda yer alır. Böylece, yayılı ışınım bertaraf edillmiş olur. Piranometre Piranometre (Gölgelendirilmiş) Yayılı ışınım, doğrudan ışınımı gölgeleyerek piranometre tarafından ölçülebilir. Bu tür piranometreye gölgelenmiş piranometre adı verillir.

20 Güneş Işınımı Ölçümü Sinyal yükseltici Okuyucu 1 Dış cam kubbe : Güneş ışınlarını siyah gövde üzerine odaklamak amacıyla kullanılır. 2 İç cam kubbe : Güneş ışınlarını siyah gövde üzerine odaklamak amacıyla kullanılır. 3 Siyah gövde (Sensör): Güneş ışınlarını soğurarak toplar. 4 Destek gövde : Destek gövdeye, hiçbir şekilde güneş ışınımı gelmez. 5 Termopil: (Çok sayıda (50 ve üzeri) Termokuplın (yada ısılçiftin) seri olarak bağlanmasından oluşur, ısı enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Isılçiftlerin bir ucu siyah cismin alt yüzeyine diğer ucu ise destek gövde üst yüzeyine bağlıdır. 6 Çıkış kablosu : Üretilen elektrik sinyalini sinyal yükselticiye iletir. 7 Nem çekici : Hava içindeki su buharını absorbe ederek, su buharının (özellikle soğuk gecelerde) yoğuşmasının önüne geçerek nem oluşumunu engeller. 8 Ayak

21 Güneş Işınımı Ölçümü Sinyal yükseltici Okuyucu Piranometre Çalışma Prensibi Piranometre, üzerine gelen güneş ışınımı, kubbe formundaki çift katlı cam ile siyah cisim üzerine odaklanır. Siyah cisim, gelen güneş ışınımını soğurarak ısınır. Böylece siyah cisme bağlı olan, ısıl çiftlerin ucu ısınarak sıcaklığı yükselir. Gövde ucuna herhangi bir güneş ışınımı ulaşmadığı için, ısıl çiftlerin gövde ucuna bağlı olan ucun sıcaklığı daha düşük kalır. Böylece, ısıl çiftin uçları arasında sıcaklık farkından kaynaklanan, bir elektrik akımı oluşur. Elektrik akımının sinyali yükseltici tarafından güçlendirilerek okuyucuya iletilir. Okuyucuda, güçlendirilen elektrik akım sinyalinin, belirli zaman aralığında integrali alınarak güneş ışınımı ölçülmüş olur.