GÜNEŞ ENERJİSİ DENEY FÖYÜ 1. Deneyin Amacı: Güneş pilleri hakkında bilgi sahibi olmak Fotovoltaik modüllerin seri ve paralel bağlı olma durumlarında akım-voltaj karakteristiklerinin ölçülmesi 2. Güneş enerjisi ve uygulamaları 2.1. Giriş İnsanoğlunun, güneş enerjisinden faydalanma fikri çok eskilere dayanmaktadır. Archimedes in (M.Ö. 214) odakları yüzlerce metre mesafede olan iç bükey aynalar ile, Romalı komutan Marcellus un Sirokuzayı iki sene kuşatma altında tutan gemilerini yakması olmuştur. Socrates ( M.Ö. 470 399 ) konutların ısıl dengesi ve ısınması için güneş enerjsinden faydalanması ilk öneri getiren bilim adamıdır. Xenophon s Memorable adlı eserinden alınan prensip şöyledir. Binaların güney duvarlarını, kış güneşini alacak şekilde daha yüksek, kuzey duvarlarını da soğuk rüzgarlara maruz kalmaması için alçak yapmak en iyi bir düzenlemedir. Güneş enerjisi ile çalışan ilk su pompası Salama de Caus un (1564 1626 ) merceği icadı ile olmuştur. 1868 de Ericsson güneş enerjisinden buhar elde ederek makine işletmiş, 19. Yüzyılın başında güneş ışınlarındaki ısı şiddetini ölçen bir alet é Actıometeré Sır John Herschel tarafından bulunmuştur. Bu konuda ilk kitap 1903 de Charlos Pope tarafından ngilizce olarak yazılmıştır: A Solar Heat It s Practical Applications. ilk büyük sempozyum 1954 de Yeni Delhi de yapılmıştır. Bunun yanında, 1954 de Bell laboratuarında gerçekleştirilen güneş pilleri, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım alanları bulmuşlardır. Güneş pillerininin ilk büyük ölçekli uygulama alanı, uzay çalışmalarında olmuştur. Uzay araçlarına enerji sağlamada bu piller en uygun gereç olmuşlardır. Önceleri küçük ölçeklerde çeşitli yerlerde kullanılan güneş pilleri giderek daha geniş kullanım alanlarına yayılmışlardır. Yaygın kullanımla birlikte bu pillerin verimleri artmış ve fiyatları da oldukça düşmüştür. 2.2. Güneş Pilleri Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Bu pillerin seri ve paralel bağlanmaları ile yüksek güce sahip Güneş Panelleri elde edilmektedir. Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir.
2.2.1. Kristaline Paneller: Endüstriyel olarak kullanılan en yaygın panellerdir. Yaklaşık 90 yıl ömürleri vardır. Monokristal ve polikristal olarak vardır. Mono Kristalin : Kalite ve verimlilik açısından mono kristalin güneş pilleri yüksek verimli mono kristalin hücrelerden oluşmuşlardır. Bu Paneller aynı gücü üreten Polikristalin Panellere göre %1-2 daha küçük alana sahiptir. Buna karşın üretiminde kullanılan teknoloji sebebiyle üretim süreci uzun sürmektedir. Yine de Mono kristalin güneş pilleri uzun vadeli yatırım için en iyi seçenektir. Güneş pilinin mono kristalin olması demek tüm hücrenin sadece kristalinden oluşması ve materyalin atomal yapısının homojen olması demektir. Doğada bulunan tüm kristalin bileşimler aslında polikristalindir, sadece elmas neredeyse mükemmel mono kristalin özelliğe sahiptir. Polikristalin : Kalite ve verimlilik açısından polikristalın güneş pilleri mono kristalin olanlardan biraz daha düşük verimli hücreler ile üretilmiştir. Ancak buna rağmen kullanım alanı daha yaygındır. Bunun en büyük nedeni ise daha kolay ulaşılabilir ve buna bağlı olarak daha uygun fiyatla bulunabilmesidir. Bu nedenle verimlilik/maliyet oranını hayli yüksektir. Polikristalın demek materyalin mono kristaline göre tek kristalinden oluşmaması, yani materyalin tam olarak homojen olmaması demektir. 2.2.2. İnce film: Işık yutma oranı yüksek olan bu hücreler, düşük verimlilikleri nedeni ile pazar payının küçük bir bölümünü oluştururlar. İnce film fotovoltaik malzeme genellikle çok kristalli malzemelerdir. Başka bir değişle ince film yarı-iletken malzeme, büyüklükleri bir milimetrenin binde birinden milyonda birine değin değişen damarlardan oluşmaktadır. Bu panellerin verimlilik oranları %7-14 arasında değişmektedir. 2.2.3. Esnek Panel: Geleneksel güneş panellerine alternatif olarak, özellikle çatı uygulamaları için geliştirilmiş bir teknolojidir. PV konstrüksiyonlarının çatıya entegresinin zor olduğu uygulamalarda çatı izolasyonuna zarar vermeden monte edilebilir. Birçok uygulamada enerji üretiminin yanında çatı membranı olarak da kullanılabilir. Kristal ve ince film hücrelerden oluşan güneş paneli çeşitleri mevcuttur. İnce film hücrelerden oluşan panellerin en önemli özelliği esnek olması ve serme tipte uygulanabilmesidir. Herhangi bir konstrüksiyon ihtiyacı yoktur. Ayrıca kristal yapılı güneş panellerine göre ağırlık dağılımında avantaj sağlar. Cam içermediği için kırılma tehlikesi yoktur. En büyük özelliği ise taşınabilir olmasıdır. 3. Deney seti ve kullanılan alet ve malzemeler: Fotovoltaik modül 36 adet monojristalin güneş pili hücresinden oluşmakta olup toplam yüzey alanı 1.114 m 2 dir. Deney seti aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil 1: Deney seti 4. Deneyin Yapılışı 4.1 Seri bağlı ölçümler Seri bağlı güneş pillerine ait ölçümlerde, fotovoltaik modüller ayarlanabilir dirence ve ölçme ünitesine aşağıdaki devre şemasına göre bağlanır. Şekil 2: Seri bağlı güneş modülü için devre diagramı
İlk olarak kısa devre akımını ölçmek için, kapalı devre yük direnci olmaksızın Şekil 3a da gösterildiği gibi oluşturulur. Kısa devre akımı ölçme ünitesindeki göstergeden okunarak Tablo 1 e yazılır. Daha sonra, voltaj ölçümüne ait kablolar Şekil 3b de gösterildiği gibi direk olarak birbirine seri bağlı güneş pili modüllerine bağlanarak açık devre voltajı okunur. Şekil 3. Seri bağlı güneş pili modüllerinin ölçümleri a) kısa devre akımı için b) açıkı devre voltajı için. Tablo 1 deki uç değerleri akım ve voltaj değerlerini bulduktan sonra, ayarlanabilir direnç ve sabit direnç bağlantıları kullanılarak Tablo 1 deki değerler elde edilir (Şekil 4). Şekil 4. Sabit dirençleri ve ayarlanabilir rezistansı kullanarak muhtelif ölçümler yapılması Deneyde ışık kaynağı olarak herbirinin gücü 1 kw olan 8 adet halojen spot lamba kullanılmıştır. Aydınlatma kaynağının güneş paneline uzaklığı yaklaşık 1.3 m dir. Spot lambalar ayarlanarak güneş paneli üzerinde homojen bir aydınlatma elde edilmeye çalışılmıştır. Ölçümlerde ortalama ışık şiddeti 460 W/m 2 ve ortalama modül sıcaklığı 62 o C dir. 4.2. Paralel bağlı ölçümler Paralel bağlı deneylerde, güneş modüllerinin bütün pozitif uçları ve negatif uçları birbirine bağlanır. Bu durumda, toplam voltaj bir güneş modülünün voltajına eşittir. Toplam akım ise her bir modülden geçen akımların toplamına eşittir. Paralel bağlı güneş modüllerine ait ölçümlerde, fotovoltaik modüller ayarlanabilir dirence ve ölçme ünitesine Şekil 5 teki devre şemasına göre bağlanır.
Şekil 5: Paralel bağlı güneş modülleri için devre şeması Kısa devre akımını ölçmek için, kapalı devre yük direnci olmaksızın Şekil 6a da gösterildiği gibi oluşturulur. Kısa devre akımı ölçme ünitesindeki göstergeden okunarak Tablo 2 ye yazılır. Daha sonra, voltaj ölçümüne ait kablolar Şekil 6b de gösterildiği gibi direk olarak birbirine seri bağlı güneş pili modüllerine bağlanarak açık devre voltajı okunur. Şekil 6. Parale bağlı güneş pili modüllerinin ölçümleri a) kısa devre akımı için b) açıkı devre voltajı için. Tablo 2 deki uç değerleri akım ve voltaj değerlerini bulduktan sonra, ayarlanabilir direnç kullanılarak Tablo 2 deki diğer akım ve voltaj değerleri elde edilir. Ölçümlerde ortalama ışık şiddeti 460 W/m 2 ve ortalama modül sıcaklığı 62 o C dir 5. Ölçümler ve hesaplamalar Seri bağlı modüllere ait veriler Tablo 1, paralel bağlı modüllere ait ölçümler Tablo 2 ye yazılırak güneş panelinin gücü hesaplanır.
Tablo 1: Seri bağlı modüllere ait ölçümler ve elektrik gücü Tavsiye edilen ölçüm değerleri Ölçülen değerler Voltaj Akım Güç Voltaj Akım Güç U(V) I (A) P (W) U(V) I (A) P (W) 0 2,4 9,7 2,3 14,2 2,2 16,9 2,1 23,5 2 28,4 1,9 31,4 1,8 32,4 1,7 32,6 1,6 33,1 1,5 33,4 1,4 33,8 1,3 34 1,2 34,2 1,1 34,5 1 35,2 0,7 35,3 0,6 36,3 0 Tablo 2: Paralel bağlı modüllere ait ölçümler ve elektrik gücü Tavsiye edilen ölçüm değerleri Ölçülen değerler Voltaj Akım Güç Voltaj Akım Güç U(V) I (A) P (W) U(V) I (A) P (W) 0,8 5,2 5,1 5 9,6 4,5 12,5 4,3 14,8 4,1 15,8 3,4 16,3 2,8 16,7 2,3 16,9 2 17,1 1,6 18 0 Elektrik gücü; P el = U. I
Güneş panelinin toplam verimi; η = P el P R Burada, P R güneş paneline gelen toplam ışınım olup değeri ışık şiddetiyle güneş panelinin toplam alanının çarpımına eşittir. P R = R. A R, ışık şiddetidir. Güneş panelinin toplam alanı (A) 1.114 m 2 dir. 6. Sonuçların yorumlanması Tablo 1 ve 2 yi doldurup, elektrik gücünü ve verimi hesaplayınız. Seri ve paralel bağlı güneş panellerinin her biri için; akım-voltaj (I-U) değişimini ve elektrik gücü-voltaj (P-U) değişimini aynı grafik üzerinde çiziniz. Maksimum elektrik gücünü grafik üzerinde gösteriniz. Seri ve paralel bağlı güneş pillerine ait sonuçları aşağıdaki gibi bir tablo yaparak yorumlayınız. Işık şiddeti R, kw/m 2 Tablo 3: Deney sonuçların karşılaştırılması Seri devre Deney koşulları Panel sıcaklığı T, o C Eğim açısı, derece Sonuçlar Maksimum güçün elde edildiği voltaj değeri, V Maksimum güçün elde edildiği akım değeri, A Maksimum güç, W Verim, % Paralel devre 7. Kaynaklar Rapor hazırlarken kullandığınız kaynakları mutlaka belirtiniz.