Dr. Fatih AY. Tel: ayfatih@nigde.edu.tr

Transkript

1 Dr. Fatih AY Tel: ayfatih@nigde.edu.tr

2 Güneş Pillerinin Yapısı ve Elektrik Üretimi Güneş Pillerinin Yapımında Kullanılan Malzemeler Güneş Pilleri ve Güç Sistemleri PV Sistemleri Yardımcı Ekipmanları 2

3 Güneş pilleri, sıcak su sistemlerinden sonra en yaygın ve ticari olarak kullanılan sistemlerdir. 3

4 Güneş pillerinin şebekeden bağımsız olarak kullanıldığı tipik uygulama alanları; - Haberleşme istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri - Petrol boru hatlarının katodik korunması - Metal yapıların (köprüler, kuleler vb) korozyondan korunması - Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan ölçümler, hava gözlem istasyonları - Bina içi ya da dışı aydınlatma - Dağ evleri ya da yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde elektrikli cihazlar 4

5 - Tarımsal sulama ya da ev kullanımı amacıyla su pompalama - Orman gözetleme kuleleri - Deniz fenerleri - İlk yardım, alarm ve güvenlik sistemleri - Deprem ve hava gözlem istasyonları - İlaç ve aşı soğutma - Otoyollarda haberleşme ve kontrol amaçlı 5

6 Katodik koruma 6

7 Solar su pompası 7

8 Solar su pompası 8

9 Otoyollarda kontrol, haberleşme, sinyalizasyon 9

10 10

11 11

12 12

13 13

14 Güneş ışınımında enerji taşıma birimleri olarak tanımladığımız fotonların enerjisi, yasak enerji aralığına eşit ya da ondan büyük ise, değerlik bandındaki bir elektrona enerjisini aktararak onu iletkenlik bandına çıkarır. 14

15 15

16 N-Tipi Yarı İletkenler P, As, Sb (5A) T=0 T>0 Si ye P atıldığında E bağ =0.045 ev Elektronlar ana taşıyıcıdır B, Al, Ga, In(3A) P Tipi

17 n-tipi yarıiletken 17

18 p-tipi yarıiletken 18

19 0.01 ev E d

20 Güneş pillerinde, elektron-boşluk çiftlerinin birbirinden ayrılarak, akımın oluşumun sağlayacak kuvvet, elektriksel karakteristikleri birbirinden farklı olan yarıiletkenlerin bir araya getirilmesiyle yapılan yarı-iletken diyotların ara yüzey bölgesinde oluşan elektrik alanı ile oluşur. Yük Bölgesi t=0 anı t=t 1 anı 20

21 İleri Besleme (Forward Bias) Büyük miktarda taşıyıcı yarıiletken içinden ve eklem bölgesinden akarak yüksek akım ve düşük dirence neden olurlar.

22

23 Güneş Pili Tasarımı: Gelen güneş enerjisini etkin şekilde elektrik enerjisine çevirebilme özelliği olmalıdır Optik güçten maksimum derecede faydalanmak için güneş pilinin geniş yüzeye sahip eklem alanı olmalıdır Oluşacak elektron-boşluk çiftlerinin eklem bölgesine ulaşması maksimum olacak şekilde olmalıdır 23

24 Güneş Pili Tasarımı: Oluşan elektron-boşluk çiftlerini tekrardan birleşmeden toplayacak uçların yerleştirilmesi gerekir Yüzey yansımasını azaltacak ve yüzey birleşmesini azaltacak yansıtma önleyici kaplama ile kaplanmalıdır p-n bölgelerinde güç kaybını en az indirmek için çok küçük dirence sahip olmalıdır 24

25 25

26 26

27 Güneş pillerinde ışınım ile akım ve gerilimin değişimi 27

28 Güneş pilleri pek çok farklı malzemeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan türleri; - Tek Kristalli Silisyum Güneş Pilleri - Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri - İnce Film Güneş Pilleri 28

29 Tek Kristalli Silisyum Güneş Pilleri: Yüksek verim için kullanılır Maliyeti yüksektir Silisyumun elektriksel, optiksel ve yapısal özellikleri uzun süre değişmez Saf tek kristal üretim uzun süreli ve pahalı bir teknoloji gerektirir 29

30 Single_silicon_Ingot_production_process.flv 30

31 - Silisyum doğada Kum (Saflık derecesi çok düşük) Kuartz (Saflık derecesi yüksek >90) - Kuartz işlenerek silika elde edilir (%99 saflıkta) - Silikadan metalürji kalitesinde silisyum - Silisyum saflaştırılarak yarı iletken niteliğinde çok kristalli silisyum 31

32 - Süreç çok pahalı - Önce büyütme sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimleme - vegüneş Pilleri - Laboratuvar şartlarında verim %24 Ticari ürünlerde %15 in üzerinde 32

33 33

34 34

35 Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri: Çok kristalli malzemede damarların kristal yapılarının birbirlerine göre yönlenmeleri dışındaelektriksel,optikselveyapısal özellikleri özdeştir. Damarların büyüklükleri kristalin kalitesi ile doğru orantılıdır. Damarlar arasındaki süreksizlik, özellikle elektriksel yük taşıyıcılarının aktarılmasında önemli ölçüde engelleyici rol oynar. 35

36 36

37 Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri: Çok kristalli malzemenin elektriksel özellikleri küçülen damar büyüklüğü ile orantılı olarak bozulur Verim daha düşüktür Üretimi daha kolaydır ve daha az enerji gerektirir Üretimde en çok kullanılan «dökme» yöntemidir 37

38 Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri: Başlangıç malzemesi tek kristalde olduğu gibi hazırlanır Erimiş yarıiletken kalitesindeki silisyum, kalıplara dökülerek soğumaya bırakılır Elde edilen bloklar daha sonra kare şeklinde kesilir Laboratuvar şartlarında verim %18 Ticari ürünlerde %14 38

39 İnce Film Güneş Pilleri: Kullanılan malzemenin ve işçiliğin azaltılması amacıyla yarıiletken malzemenin yüzeylere ince film şeklinde kaplanması fikrini doğurmuştur Cam, metal veya plastik folyo üzerine kaplama yapılabilmektedir Genellikle çok kristalli malzemelerdir Kalınlık 1-4 mikron arasında değişmektedir 39

40 Amorf Silikon Kadmiyum Tellürid Bakır İndiyum Diselenid 40

41 Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 civarındadır. Daha çok küçük elektronik cihaz uygulamaları için kullanılan bu tip güneş pillerinin ileride binalara entegre yarı saydam cam koruyucu yüzey ve enerji üreticisi olarak kullanılacağı öngörülmektedir. 41

42 Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi hücrelerde %16, ticari hücrelerde ise %7 verim elde edilmektedir 42

43 Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristal pilde laboratuvar şartlarında%18, prototip modülde ise %10 verim elde edilmiştir 43

44 Güneş pillerinin ömürleri yıla kadar çıkmış durumdadır. Birçok üretici 10 yıllık garanti vermektedir. Pil fiyatları ise 4-5 $/kwp civarındadır. 44

45 Modüllerin birim W başına fiyatlarının değişimi 45

46 PV sistemlerinin kurulu güç maliyeti değişimi 46

47 Tek bir güneş pilinden elde edilecek gerilim çok küçük (0.5-1 V) olduğundan, istenen gerilime uygun olacak sayıda güneş pili seri olarak bağlanır. Seri bağlı pillerin oluşturduğu birimgüneş modülü olarak adlandırılır. Güneş modülleri genellikle güneş pillerinin ön yüzeyinde EVA (ethylene viny acetata) kullanılarak geçirgen hale getirilir. Modül, camı korumak ve sistemi daha kullanılabilir sağlam bir yapıya sokmak için metal çerçeve ile çerçevelenir. 47

48 Güç çıkışını arttırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik model adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüllerden birkaç W değerinden Mega W değerlerine kadar sistem oluşturulabilir. 48

49 49

50 Bu sistemlerde güneşin yetersiz olduğu zamanlarda ya da özellikle gece süresince kullanmak üzere genellikle sistemde akümülatör bulundurulur. Modüller gün boyu ürettikleri kullanılmayan enerjiyi akülerde depolarlar. Akülerde meydana gelebilecek yüklenmeler dolayısıyla aşırı şarj ve deşarj durumlarında ise denetim sistemi (kontrol devresi) devreye girerek akımı keser. 50

51 51

52 Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme invertör eklenerek akülerdeki DC gerilim, 220 V, 50 Hz lik sinüs dalgalarına dönüştürülür. 52

53 Aküler: Güneş enerjisi sürekli bir enerji olmadığı için depolanması gerekmektedir. PV sistemlerde genellikle 12 V luk kurşun-asit bataryalar kullanılır. Nikel-Kadmiyum bataryalar pahalı olduğundan daha az tercih edilirler. PV sistemlerine özel kurşun-asit akümülatörler üretilmektedir. Asit ve aktif madde miktarları daha fazla olduğu için ömürleri uzundur. Genellikle bir tesise ait akü kapasitesi bu tesisin günlük elektrik tüketiminin 5 katı kadar olmalıdır. Ömürleri 5 yıldır. 53

54 Elektronik Şarj Regülatörü: Aküyü aşırı şarjdan ve elektrik boşalmalarından korumak için kullanılan cihazlardır. Voltaj tamamen şarjlı akü seviyesinin üstüne çıktığında regülatör PV sisteminden akımı keser. Regülatör akü içindeki voltaj ayarlanmış olan bir boşalma seviyesinin altına düştüğü zaman da yükü keserek aküyü korur. Piyasadaki basit regülatörler sadece yükten koruma görevini yerine getirirler. 54

55 İnvertör: PV sistemleri genellikle 12 V luk bir doğru akım üretmek için tasarlanırlar. 220 V luk bir alternatif akım gerekliolduğunda bu dönüştürme invertör ile yapılır. Böyle bir invertör kullanılmasında durumunda %15 e kadar bir güç kaybı meydana gelmektedir. Sistemin diğer elemanları ise; kablolar, bağlantı elemanları, devre anahtarları, bağlantı kutuları, elektrik sigortaları ve diğer küçük elemanlardır. 55

56 Bu ders ve içeriği oluşturulurken «Güneş Enerjisi» kitabı (Prof.Dr.Abdulvahap YİĞİT ve Yrd. Doç. Dr. İbrahim Atmaca) ders kitabı olarak kullanılmıştır. 56