tmmob makina mühendisleri odası

tmmob makina mühendisleri odası YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI SEMPOZYUMU VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI Editör: Yrd. Doç. Dr. Şükrü SU MMO Yaym No: E / 2001 / 275 EKİM 2001 - KAYSERİ

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sokak No: 36 / 1 - A Demirtepe, 06440 ANKARA Tel: (0 312) 231 31 59; 2313164; 23180 23; 23180 98 Fax : (0 312) 231 31 65 e-posta : mmo@mmo.org.tr web : http://www.mmo.org.tr MMO Yayın No : E / 2001 / 275 ISBN : 975-395 - 465-4 Bu yapıtın yayın hakkı 'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. 'nınizni olmadan elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir. KAPAK TASARIMI DİZGİ BASKI İlhan İNCETÜRKMEN - (0 352) 320 43 53 İNCETÜRKMEN LTD.ŞTİ. - TMMOB MMO KAYSERİ ŞUBESİ NETFORM MATBAACILIK AŞ. - KAYSERİ

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi AYDINLATMADA FOTOVOLTAİK SİSTEMLERİN KULLANIMI İLE ELEKTRİK ENERJİ TASARRUFU Reşit ERÇETİN^ İsmail BOZKURT 1 *^ (*)M.Ü. Teknik Eğitim Fakültesi (**) M.Ü. Teknik Bilimler Meslek Yüksek Okulu ÖZET Günümüzde sınırlı üretimde bulunduğumuz elektrik enerjisinin tüketiminde aydınlatmanın payı %21-%25 leri bulmaktadır. Aydınlatma için bu kadar yüksek olan tüketim değeri, insanları yeni enerji kaynaklan arayışına sürüklemiştir. Bu enerji kaynaklarından birisi de güneş enerjisidir. Fotovoltaik sistemler; Güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren dönütürücülerdir. Fotovoltaik sistemlerde kullanılan yarı iletken özelliğe sahip olan pv(photo-voltaic) eleman yardımcı bir kaynak olmaksızın ışık enerjisini elektrik enerjisine dönüştürebilmektedirler. Aydınlatmada tüketilen elektrik enerjisini azaltabilmek için fotovoltaik sistemler kullanılabilir. Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren bu sistem sayesinde otomatik olarak çalışan özel güneş aküleri ile gece/gündüz açma kapama fonksiyonu sonucunda aydınlatmadaki elektrij enerjisi tüketim payı azalacaktır. ABSTRACT Nowadays, Comsuption rate of limited electricity energy is between %21-25 in illumination.this high comsuption rate. it causes mankind to search for new energy resources. One of the new energy resources is solar energy. Photovoltaic systems directly convert electricity energy from solar energy. in photovoltaic systems, pv(photo-voltaic) element which is semi-conducter, can convert electricity energy from lighting energy without any other resource. in illumination to reduce romsuption rate of electricity energy.photovoltaic systems can be used. in illumination, comsuption rate of electricity energy will have been reduced by photovoltaic systems which converd electricity energy from solar energy with automatic solar accumulators, at the end of night/morning, open-close function. GİRİŞ Güneş enerjisinin esası olan nükleer füzyon (çekirdek kaynaşması), hidrojen gibi hafif elemanların çekirdeklerinin çok yüksek sıcaklıkta birleşerek daha başka ağır bir elemana dönüşmesidir. Elemanların çekirdekleri ile ilgili olduğu için bu tür reaksiyonlara nükleer reaksiyonlar denir. Bu birleşmede çok az miktarda bir kütle büyük miktarda enerjiye dönüşür. Güneşin bir enerji kaynağı olmasının nedeni bu tür reaksiyonlardan ötürü sıcaklığının çok yüksek olması ve büyük miktarda enerji taşıyan elektromanyetik dalgaları (fotonlar) her yöne yayımlamasıdır. Kütlesi yaklaşık 2.10 30 kg, yoğunluğu ortalama 1,4.10 3, yarı çapı 7.10 8 m olan güneşin ortalama yüzey sıcaklığı 6000 K değerindedir. Bu ortamda oluşan füzyon reaksiyonları hem güneşin iç dengesini sağlamakta, hem de yüksek enerjili fotonların yayımlanmasına neden olmaktadır. Güneş yılda 3,37.10 27 kwh enerji yaymaktadır. Güneşle dünya arasındaki l,5.10"m'lik mesafeyi, boşlukta ışık hızı olan 3.10 8 m/s ile aşarak dünyaya gelen fotonlar yaklaşık 1,5.10 18 kwh kadar enerjiyi beraberinde getirmektedir. Halen dünyada çeşitli gereksinimlerde kullanılan tüm enerji miktarı ise bunun yaklaşık olarak 1/7500'ü kadardır. Gelen bu toplam gücün atmosferin üstünde ve fotonlara dik bir yüzeyde ortalama 1353 W/m 2 olduğu deneylerle saptanmış olup, bu miktar güneş sabiti olarak kabul edilmiştir. Bununla beraber, atmosfere ulaşan fotonların büyük bir kesimi yer yüzeyine ulaşamamakta, atmosferde yutulmaktadır. Böylece atmosferin, dolayısıyla dünyamızın ısınması ve canlılara zararlı olan fotonların tutulması yararlı ise de, atmosferin dışında 61

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi zaten geniş bir alana yayılmış olan enerji potansiyelinin çok az bir kesimi yeryüzüne ulaşabilmektedir. Güneş-dünya uzaklığının değişmesi ve güneşin enerji yayınımdaki değişiklikler hesaba katılmasa bile, fotonların atmosfer içinde soğurulması, su buharı, karbondioksit gibi gazların ve bulutların soğurulmayı attırması, böylece enlem-boylam ve deniz seviyesinden yükseklik bakımından yerel değişmeler olması ve dünyanın ekseni etrafında dönmesiyle meydana gelen gecegündüz farkları, güneş enerjisinden faydalanılabilmesini sınırlayan önemli etkenlerdir. Ana sorun, gelen güneş enerjisinin geniş bir yüzeye yayılmış olması ve sürekli olmamasıdır. Güneşin yaydığı enerji 6,3 kw/cm 2 mertebesindedir. Yeryüzü atmosferinin dışındaki mertebe ise 1,354.10' 4 kw/m 2> dir. Bu değerden hareket edilirse atmosfer dışından alınan toplam enerji 1,54.10 18 kwh/yıl olur. Bu miktarın karalara isabet eden kısmı 0,216.10 18 kwh/yıl'dır. Bu miktar tüm enerjinin 1/7'sine tekabül eder. 6/7'lik kısmı muhtelif şekilde tüketilir (bulutlar, yeryüzündeki sular vb.). 0,216.10 18 kwh/yıl olarak karalarda alınan enerjinin çok az bir kısmı güç çevriminde kullanılabilir. Bu değer, diğer tabii enerjilerle karşılaştırılırsa mertebesi daha iyi anlaşılır. Rüzgar enerjisi (yalnız karalarda) 0,0017.10 18 kwh/yıl. Hidrolik enerji (yalnız karalarda) 0,00002.10 18 kwh/yıl. Gel-Git enerjisi 0,000008.10 18 kwh/yıl'dır. Dünya akaryakıt, gaz, kömür rezervleri toplam enerjisi 0,0079.10 18 kwh'dir. Dünya enerji tüketimi 0,000029.10 18 kwh/yıl'dır. Duruma göre rüzgar ve hidroelektrik potansiyel, dünya enerji ihtiyacının %1,72 miktarını karşılar. Akaryakıt, gaz, kömür rezervi ise, aynı tüketim miktarı için 272 yıllıktır. Buna karşılık yeryüzünde karalardan alınan yıllık güneş enerjisi, kömür rezervinin 30 katı, petrol rezervinin 750-800 katı kadardır. Dünya enerji bütçesinin geleceğini sağlıklı biçimde kestirmek olanaklı olmasa da, bazı ülkelerin güneş enerjisi için önemli hedefler saptadıkları gözlenmektedir. Örneğin ABD, enerji tüketiminin 1985 yılında %0,8'ini, 2000 yıllında %7'sini ve 2020 yılında %25'ini ısısal, elektriksel ve biyomasa dayalı güneş enerjisi uygulamaları ile karşılamayı çok önceden planlamıştır. 1985 ve 1990 döneminde güneşle ısınabilen konut sayısının 1.000.000'a ulaştırılması tasarımı, ABD'de bir ulusal atılım olarak benimsenmiştir. Yine ABD'de Sandia National Laboratories tarafından 5 MW'lik ve CRTF'in 10 MW'lik güneş termik deneme santralleri kurulurken, İtalya'da 1 MW'lik ADRANO güneş termik santrali işletmeye sokulmuş, Fransa'da da 0,5 MW'lik VIGNQLA güneş termik elektrik santrali yapılmıştır. Bunların yanı sıra Japonya'da 1986-1990 dönemi için 10 MW'lik termik elektrik ve 1 MW'lik ışıl elektrik güneş santral güçleri hedef alınarak planlamalar yapılmıştır. Güneş enerjisinin kontrollü ısı uygulamaları ise hızla gelişmektedir. QECD Uluslararası Enerji Ajansı tarafından Kasım 1983'de yapılan açıklamalara göre, Amerika ve Japonya'da yılda üretilen kolektör miktarı 1800.000 m 2 düzeyini aşmıştır. Yine bir yılda Avustralya'da 176.000 m 2, İtalya'da 80.000 m 2, Avusturya'da 56.000 m 2, Kanada'da 46.000 m 2, Yunanistan'da 41.000 m 2, Almanya'da 27.000 m 2 ve İsveç'te 25.000 m 2 kolektör üretilmiştir. Bugün endüstriyel ve tarımsal uygulamalar ile yüzme havuzlarını ısıtmanın dışında, yalnız evlerde kullanım suyu ısıtması için kolektör yüzeyi ABD'de 3.100.000 m 2 'yi ve Japonya'da 5.610.000 m 2 'yi aşmıştır. Bu tür kolektörlerden İtalya'da 150.000 m 2, Almanya'da 130.000 m 2, Yunanistan'da 85.000 m 2, İngiltere'de 80.000 m 2, İsveç'te 58.500 m 2, İsviçre'de 46.000 m 2 kurulu yüzey bulunmaktadır. 100 m 2 'lik kolektör yüzeyinin 70 kw ısıtma gücüne eşdeğer olduğu, %40 verimle bile 28 kw yararlı güç elde olunabileceği düşünülürse sıralanan kolektör yüzeylerinin önemi vurgulanabilir. Sanayileşmiş ülkelerde fotovoltaik pillerin üretiminin gelişimi ise iklim koşullarına Pv kuruluşların termik santrallere göre mal oluş fiyatına ve bu ülkelerin çevre politikalarına bağlıdır ve bu gelişimin gelecek yüzyılın başından önce tamamlanması beklenmektedir. 62

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi Foto pil üretiminde ise başta gelen ülkeler, ABD ve Japonya'dır. ABD'nin üretimi, dünya piyasasının %30'unu oluşturmaktadır. Japonya ise hesap makinelerinde kullanılan foto pillerin %80' inden çoğunu üretmektedir. Fransa dünyadaki yıllık üretimin %5'ini, Avrupa'dakinin ise %30'unu sağlamaktadır. İtalya, Avrupa'daki %25'lik payı ile Fransa'yı izlemektedir. Sonraki sıralarda ise %20'lik pay ile Almanya ve %10'luk pay ile İspanya gelmektedir. Başta Hindistan ve Brezilya olmak üzere güney ülkeleri de dünyadaki üretime %10'dan fazla katkıları ile dikkat çekmektedirler FOTOVOLTAİK (PV) ELEMAN Dilimizde karşılığı "Güneş Pili" veya "Fotovoltaik Pil" olarak yaygınlaşmış olan Fotovoltaik Eleman (Photovoltaic element, kısaca Pv), iç fotoelektrik olaydan faydalanılarak ışığın taşıdığı enerjiyi doğrudan elektrik enerjisine çeviren bir "Dönüştürücü" dür. Şekil (1) Güç dönüştürücüsü olarak Pv eleman Işık aldığında bir DC(doğru akım) gerilim kaynağı özelliği kazanan Pv elemanın verimi; ek max Pr = 1 kw/m2(am1.5) Tkr = 25 "C (1.1) olarak tarif edilir. (1.1), ışığın Pv elemanın alıcı yüzüne dik olarak geldiğini varsaymaktadır. Genelde ışınım gücü için R P (kw/m 2 ), elektrik gücü için ise (kw) birimleri kullanılır. AM 1,5 şartı, MTA'nın güneş ışığının alıcıya (Zenite göre) 48,19 açısıyla geldiğini (m=l/cos z), yani belirli bir spektral yapı için tanımlandığını göstermektedir. Pv veriminin ışınım ve çevre sıcaklığına göre değişmesi nedeniyle ETA belirli ışınım (1 kw/m 2 ) ve kristal sıcaklığı [25 C] için tarif edilmektedir. Gallium, Silikon ve Arsenid gibi yarı iletkenlerden yapılan Pv elemanlar, güneş ışınlarına maruz bırakıldıklarında, doğru gerilimler üretirler. İstenilen gerilim seviyesini elde etmek için yeterli sayıda hücre seri olarak bağlanır ve paketlenir. Bu şekilde tanımlanan yapı, fotovoltaik panel olarak dlandırıhr. Yeterli sayıda Pv eleman birbirine bağlanarak istenen güç ve gerilim düzeyi elde edilir. [1] Fotovoltaik Elemanın Elektriksel Özellikleri Pv elemanın fiziksel diyottur (Şekil 2). yapısı yarı iletken bir Işık alan Pv eleman yüklendiğinde, yani devre kapanarak akım çekildiğinde değişik yüklerde (R L ) değişik gerilim (U L ) ve akım (I L ) değerleri ölçülür. Ölçülen değerler bir gerilim-akım (U-I) eksen takımına taşındığında Pv elemanın karakteristik eğrisi ortaya çıkar (Şekil3). Pv' den çekilen elektrik gücü P e ik=ul.ll olduğunda, değişen yüke (R L ) göre alınan elektrik gücüde değişecektir (Şekil3). Çekilen gücün maksimum olduğu (U LM, ILM) noktası MPP (Max Power Point) olarak adlandırılır. MPP noktasında çalışan Pv eleman azami verimi vermektedir. Gücün değişken olması, Pv eleman gücünün MPP şartına göre tanımlanması ve dolayısıyla yalnızca [W] birimi ile değil, [Wp] ile gösterilmesini gerektirmektedir. [1] AYDINLATMADA FOTOVOLTAİK PİLLERİN KULLANIMI Güneş ışığı Pv üzerine çarptığı zaman burada elektrik akımı meydana gelir. Her bir Pv içinde üretilen düşük miktarlardaki elektrik (akım) bir araya toplanarak kullanılabilir miktarlara ulaşır 63

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi ve yeterli enerji (güç) elde edilmiş olur. Bu şekilde üretilen elektrik,aydınlatma sistemi için kullanılan akümülatörlere gönderilir. [3, 4] Sistemin çalışması için ışığın olması yeterlidir. Düşünülenin aksine, doğrudan güneşin olması zorunlu değildir; bulutlu ve kapalı havalarda dahi ışık ve aydınlık olduğu sürece, ışığın şiddetine bağlı olarak verim azalmasına rağmen sistem elektrik üretmeye devam edecektir. Güneş olmayan durumlarda (gece) veya sistemin herhangi bir nedenle beklemeye alındığı durumlarda gerekli enerji, normal zamanlarda sistem tarafından şarj edilen solar akülerden karşılanmaktadır.güneş ışığının gelmediği karanlık zamanlarda solar aküler üzerinden aydınlatma ampullerine elektrik enerjisi uygulanmış olmaktadır. Akülerin şarj ve deşarjlarını kontrol eden regülatör ve kontrol devreleri de sistemle birlikte temin edilebilir. Alternatif akım gereken durumlarda DC-AC çevirici kullanılabilmektedir. Aşağıdaki şekillerde bu iki durum örnek şema ile gösterilmiştir. GERİLİM (V) 50 Pv W 30 MPP 50 GÜÇ (W) 40 30 AKIM (A) Şekil.3: ARCO M65 tipi bir Pv modülün karakteristik eğrileri Aydınlatma Armatürleri Şekil 4: DC/AC akım uygulamalı tipik solar enerji sistemi Şekil.2: Pv elemanın prensip yapısı Şekil 5: Sokak ve patika yol ışıklandırması 64

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi SONUÇ Teknolojinin gelişmesiyle birlikte, enerji sorunu tüm dünyada bir sorun olduğu gibi ülkemiz içinde bir sorundur. Fosil yakıtların tükenmesi ile yenilenebilir enerji kaynaklarına olan yönelim artmıştır. Güneş enerjisi bu konuda vazgeçilmez bir enerji kaynağı olup, Pv paneller yardımıyla bu enerjiden elektrik enerjisi üretilmektedir. Türkiye güneş potansiyeli açısından çok zengin bir ülkedir. Ülke genelinde yıllık ortalama güneş enerjisi 1315 kwh/m 2 'dir. Buna göre Türkiye'nin tüm yüzeyine gelen enerji miktarı 1025.10 12 kwh olmaktadır. Bu miktar Türkiye'nin 1996 yılında ürettiği toplam elektrik enerjisinin 11.000 katına denk gelmektedir. Dünya' da yaygın uygulamaları olan Pv panellerin ülkemizde de az çok uygulamaları görülmektedir. GSM haberleşme istasyonlarında, sokak aydınlatmalarında, ufak yerlerin elektrik enerjisinin sağlanmasında,deniz fenerlerinin elektrik enerjisinin sağlanmasında Pv paneller kullanılmaktadır. Pv paneller yarı iletken malzemelerden yapılmakta olup üretim maliyetleri çok fazladır. Türkiye' nin ekonomik durumu ve teknolojisi bu panelleri üretmeye yeterli değildir. Fakat bu konuda ülkemizde ar-ge çalışmaları yapılmaktadır. İleri ki yıllarda bu sistemlerin konvansiyonel yük santrallerine göre daha ucuz ve ekonomik olacakları öngörülmüştür. Eğer ülkeler güneş sistemi arge çalışmalarına ayırdıkları fonları nükleer enerjiye ayırdıklarının yarısı miktarına getirseler maliyet düşüşlerinin çok daha hızlı olacağı açıkça bilinen bir gerçektir. Çevre ve insan sağlığı açısından Pv paneller konvansiyonel yük santrallerine göre daha temizdirler. Hava kirliliğine sebep olmamaktadırlar. Pv santraller ayrıca enerji kaynaklarında dışa bağımlılığı azaltmaktadırlar. Türkiye' nin uzun vadeli planlarında güneş enerjisi santrallerinin yer almamaları düşündürücüdür. Elektrik aydınlatma sistemlerinde Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren bu sistem sayesinde otomatik olarak çalışan özel güneş aküleri ile gece/gündüz açma kapama fonksiyonu sonucunda aydınlatmadaki elektrik enerjisi tüketim payı azalmış olacaktır. KAYNAKLAR [1] ERDOĞAN Pelin, Fotovoltaik Sistemler Yük. Lisans Tezi, İ.Üniv., S. 1-80, İstanbul, 1997. [2] ATAGÜNDÜZ Prof.Dr.Gürbüz, Güneş Enerjisinin Temelleri ve Uygulamaları, Ege Ü. Güneş Enerjisi Enstitüsü. [3] HAMMANDS M., Solar Photovoltaic Energy for The 1990's, Energy World, Sep. 1990. [4] YUKİNARİ Kuwano, Sanyo Electric Company,Ltd., Hashiridani, Hirikata, Osaka 573, Japan. 65

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi GÜNEŞ PİLLERİ KULLANILARAK KATODİK KORUMA TRAFO- REDRESÖR ÜNİTESİ DİZAYNI Ramazan YÜKSEL Mehmet UZUNOĞLlT 'Karayolları 17.Bölge Müdürlüğü, 80600, Zincirlikuyu, İstanbul Tel: 0 212 2570390-91, fsmkop@superonline.com **Yıldız Teknik Üniversitesi, Elektrik Mühendisliği Bölümü, 80750 Beşiktaş, İstanbul Tel: 0 212 259 70 70, uzunoglu@yildiz.edu.tr ÖZET Önlem alınmadığı takdirde paslanma olayının etkisiyle çelik malzemeler delinerek veya üzerinde çatlaklar oluşarak hatta parçalanarak kullanılamaz hale gelmektedir. Toprak ve su içerisine yerleştirilen çelik malzemenin korozyona karşı korunmasının en etkin yöntemi katodik koruma sistemi uygulamasıdır. Dış akım kaynaklı katodik koruma metale dıştan bir doğru akım uygulanarak yapılır. T/R ünitesinin gerilimi ayarlanarak ve metalin potansiyel gerilimi metal korozyona uğramayacak değerlere getirilerek korozyon tamamen önlenebilir. Elektronik ve bilgisayar teknolojisinin hızla gelişmesi ile beraber T/R ünitelerinin dizayn ve kontrol şekli de değişmiştir. Elektrik enerjisinin ulaşmadığı açık arazilerde veya deniz içerisinde güneş pilleri vasıtasıyla katodik koruma uygulamasına imkan sağlanabilir. ABSTRACT Unless the necessary precautions are taken, corrosion makes steel materials unusable because of puneturing, splitting and breaking into pieces. The most effective solution to prevent corrosion of steel materials in ground and underwater is cathodic proteetion system. Impressed current cathodic proteetion system vvorks as providing to metal a DC current from T/R unit. Corrosion may be completely prevented by balancing the curreney of T/R unit and by adjusting metal's potential not to be exposed to metal corrosion. The T/R units design and control have experienced progress upon the development of the eleetronics and computer technology. Cathodic proteetion is possible by using solar batteries in places vvhich electrical energy is not present like öpen sea and öpen area. 1. GİRİŞ Toprak ve su içerisinde bulunan boru hatları, depolama tankları, köprülerin taşıyıcı kazıkları gibi çelik malzemeler elektrolit olarak tanımlanan toprak ve suyun korozif etkisi sebebiyle sürekli korozyona uğrayabilmektedir. Önlem alınmadığı takdirde paslanma olayının etkisiyle çelik malzemeler delinerek veya üzerinde çatlaklar oluşarak hatta parçalanarak kullanılamaz hale gelmektedir. Toprak ve su içerisine yerleştirilen çelik malzemenin korozyona karşı korunmasının en etkin yöntemi katodik koruma sistemi uygulamasıdır. Korozyonu önlemenin dolayısıyla katodik korumanın temel teorisi elektrolitin içerisine korunmakta olan metalin haricinde bir anot malzemesi yerleştirmek ve bir transformatör/redresör (T/R) ünitesinden elde edilen doğru akımın (DC) (-) ucunu korunacak olan metale, (+) ucunu da bir yardımcı anoda bağlamaktır. Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde anot, katot ve elektrolit ortama ilave olarak korozyonu önlemek için en önemli ve vazgeçilmez eleman trafo/redresör(t/r) ünitesidir. T/R ünitelerinden günümüzde beklenen en önemli özellikler otomatik olarak çalışması, bilgisayara bağlanacak şekilde scada uyumlu olması ve hareketli parçasının bulunmamasıdır. Güneş pilleri ile dizayn edilen katodik koruma T/R ünitesi yukarıda sıralanan özelliklerin tamamını sağlamaktadır. İlave olarak T/R ünitesinde güneş pilleri bulunmasının avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir. Elektrik enerjisinin ulaşmadığı açık arazilerde güneş pilleri vasıtasıyla katodik koruma uygulamasına imkan sağlanabilir. 67

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi Deniz içerisinde katodik koruma yapılması gereken ve elektrik enerjisinin ulaşmadığı yapılarda kullanılabilir. Şebeke enerjisinden tasarruf yapılabilir. 2.KOROZYON 2.1.Korozyonun Elektrokinıyasal Teorisi Korozyon, içinde bulundukları ortam ile elektrokimyasal reaksiyonlara girerek metallerin metalik özelliklerini kaybetmeleri olayıdır. Doğada bulunan mineraller, metalin en düşük enerji taşıyan bileşiği, yani metalin en stabil halidir. Stabil halde bulunan bu mineraller özel metalurjik yöntemlerle ve enerji harcanarak metal haline dönüştürülür. Metallerin çoğu element halinde termodinamik olarak stabil değildir. Örneğin demir tabiatta genellikle oksit mineralleri halinde bulunur. Bu mineraller yüksek fırınlarda enerji harcanarak demir metali haline dönüştürülür. Bütün metaller uygun bir ortamın bulunması halinde üretilirken almış oldukları enerjiyi geri vererek yeniden doğada minimum enerji taşıyan mineral olarak bulundukları hale dönüşmek isterler. Çünkü metal bu bileşik halinde iken serbest enerjisi en düşük durumdadır. Enerjinin geri verilmesi, zamanla metalin korozyona uğrayarak tabiatta bulunan demir oksit mineraline benzeyen pası oluşturmasına sebep olur. Bazı soy metaller hariç metallerin büyük bir kısmı su ve atmosfer etkisine dayanıklı olmayıp normal koşullar altında bile korozyona uğrayabilir. Hemen hemen bütün korozyon olayları elektro kimyasal reaksiyonlar ile gerçekleşir. Bu reaksiyonlar metal elektrolit ara yüzeyinde meydana gelir ve elektron alış verişi ile yürürler. Elektronlar metal atomları üzerinden hareket ederek elektrik akımını taşır. Elektronlar metal üzerindeki yüksek negatif yüklü bölgelerden düşük negatif yüklü bölgelere doğru tek yönlü hareket ederler. Bu iletme biçimine Elektronik İletkenlik denir [1][3][14]. İyon içeren çözeltiler de elektrik akımını iletir. Elektrolitler içinde iyonlar serbest halde hareket halindedir ve elektrik akımı iyonlar tarafından taşınır. İyonik iletken olan bütün çözeltiler, doğal sular, zeminler ve beton bir elektrolit olarak korozyona neden olabilir. Çeşitli metallerin aynı ortam içindeki korozyon hızları birbirinden faklıdır. Bir metal ne derece aktif ise, yani iyon haline geçme isteği ne derece yüksek ise o metalin korozyona uğraması da o derece kolay olur. Korozyon olayı, biri anotta oksidasyon, diğeri katotta redüksiyon şeklinde aynı anda yürüyen iki elektro kimyasal reaksiyondan oluşur. Bu açıdan bakıldığında korozyon olayı kendiliğinden akım üreten bir galvanik pil olarak kabul edilebilir. Korozyonun yürümesi için mutlaka iki ayrı metalin bulunması şart değildir. Korozyon, bir metal yalnız başına elektrolit içinde bulunurken de meydana gelebilir. Metal yapısında veya elektrolitte bulunan bazı farklılıklar nedeniyle bir potansiyel farkı oluşur ve bunun sonucu olarak, metal yüzeyinin bazı bölgeleri katot, bazı bölgeleri de anot olur. Böylece mikro veya makro ölçüde bir korozyon hücresi oluşur. Bir metal ve çözeltisinden oluşan sisteme yarı hücre, çözeltiye ikinci bir elektrot daldırılarak bunlar birbirine bağlanırsa buna da bir elektro kimyasal hücre denir. Yukarıda açıklanmış olduğu üzere,bir korozyon hücresi, aynı elektrolit içine daldırılmış biri anot diğeri katot iki elektrottan oluşan bir pil gibi düşünülebilir[2][7]. Bir metal çubuk kendi iyonlarını içeren bir çözelti içine daldırılırsa, metal iyonları çözeltiye geçer. Çözelti (+), metal (-) yükle yüklenir. Ara yerde bir potansiyel farkı doğar. Bu koşullar altında her metal kendine özgü bir potansiyel gösterir. Denge halinde metal ile çözelti arasında oluşan potansiyel farkına elektrot potansiyeli, her metalin kendi iyonlarının çözeltisi içine daldırıldığında 2^'C sıcaklıkta ölçülen potansiyele de o metalin standart elektrot potansiyeli denir[3][4]. Denge halinde bulunan bir elektrodun potansiyeli sabit kalır. Ancak metal üzerinde toplanan elektronlar herhangi bir şekilde uzaklaştırılacak olursa denge bozulur. Metal çözünmeye devam eder. Bunun aksine olarak metale dışardan elektron akımı söz konusu olursa, bu defa çözeltide bulunan metal iyonları metal haline indirgenerek bu elektronlar Jcullanılır[4]. Elektrot yüzeyinde biri anodik diğeri katodik iki farklı reaksiyonun 68

Yenilenebilir Knerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi dengesi ile oluşan bir karma potansiyel,yani korozyon potansiyeli oluşur. 2.2.Endüstride Korozyon Endüstrinin temel yapı malzemesi olan demir ve çelik sulu ortamlarda ve atmosferde korozyona dayanıksız bir metaldir. Korozyon olayı endüstrinin her bölümünde kendini gösterir. Açık atmosferde bulunan tanklar, depolar, direkler, korkuluklar, taşıt araçları, yeraltı boru hatları, betonarme demirleri, fabrikalarda kimyasal madde doldurulan kaplar, borular, depolar ve bir çok makine parçası korozyon olayı ile karşı karşıyadır. Bütün bu yapılar korozyon nedeniyle beklenenden daha kısa sürede işletme dışı kalmakta ve büyük ekonomik kayıplar meydana gelmektedir. Korozyon kayıpları ülkelerin gayri safı milli hasılasının yaklaşık % 3,5-4,5'u kadardır[5]. 1976 yılında Amerika Birleşik Devletindeki korozyon kaybı 70 milyardolar/yıl, 1982 yılında 126 milyardolar/yıl olarak hesaplanmıştır. Korozyonun neden olduğu dolaylı kayıpları beş maddede toplayabiliriz[4][6]. Tesisin servis dışı kalması: Korozyon sonucu meydana gelen arızanın tamiri için geçen süre içinde tesis devre dışı kalarak üretim duracaktır. Ürün kaybı: Bir deponun, tankın veya boru hattının korozyon sonucu delinmesi halinde, olayın farkına varılıncaya kadar geçen süre içinde ürün kaybı söz konusu olur. Bu kayıplara korozyon kaybı olarak bakmak gerekir. Ürün kirlenmesi: Çözünen korozyon ürünleri, elde edilen kimyasal madde içine karışarak onun kirlenmesine neden olur. Antikorozif boyalar: Metalleri korozyondan korumak üzere kullanılan boyalara yapılan harcamalar da korozyon kaybı olarak kabul edilmelidir. Korozyon için alman aşırı önlemler: Çoğu zaman korozyon hızının ne büyüklükte olacağı başlangıçta tam olarak bilinemediği için, tasarım sırasında gereğinden kalın malzemeler veya çok pahalı malzemelerin kullanılması yoluna gidilmektedir. Bu harcamalar görünmez korozyon kaybı olarak kabul edilmelidir. 2.3.Korozif Ortamlar Korozyon olayı çeşitli ortamlar içinde değişik şekilde ortaya çıkar. Esas olan çözünmüş halde iyon içeren bir çözeltinin yani elektrolitin bulunmasıdır. Bu açıdan bakıldığında yalnız sulu çözeltiler değil, hava, zemin, beton gibi rutubet içeren ortamlar da korozyona neden olabilirler. Atmosferde bulunan tanklar, depolar, direkler, korkuluklar, zemin içinde bulunan boru hatlan,beton içinde bulunan betonarme demirleri ve deniz içindeki gemiler,iskeleler, çelik kazıklar korozyon olayı ile karşı karşıyadır. Bütün bu ortamlarda meydana gelen korozyon olayı aynı karakterde olmakla beraber korozyon hızları ve etkisi birbirinden faklıdır. Zemin cinsine göre korozyon dolayısıyla korozif ortam 6 gruba ayrılır. Atmosferik korozyon Tatlı su içinde korozyon Kazan besleme suları korozyonu Deniz suyu içinde korozyon Zemin içinde korozyon Beton içinde çeliğin korozyonu 2.4.Korozyonu Önlemenin Teorisi Bir kimyasal reaksiyonun kendiliğinden yürüyüp yürüyemeyeceği termodinamik yöntemlerle kesin olarak belirlenebilir. Termodinamik yasalarına göre bir kimyasal reaksiyon ancak serbest enerji değişimi negatif olduğu zaman kendiliğinden yürüyebilir. O halde belli bir ortamda anot ve katot reaksiyonlarının toplamından oluşan korozyon reaksiyonunun serbest enerji değişimi hesaplanarak korozyonun meydana gelip gelmeyeceği belirlenebilir. Yukarda açıklanan termodinamik yöntemlerle bir metalin sulu çözeltiler içinde korozyon bakımından aktif veya pasif halde olduğu çözeltinin ph derecesi ve metalin çözelti içindeki elektrot potansiyeli grafiğe geçirilerek kesin şekilde belirlenebilir. İlk olarak Marcel Pourbaix tarafından ortaya konulan bu potansiyel-ph diyagramları Pourbaix Diyagramları olarak bilinir[3][4][6j. Diyagramda demirin korozyon açısından durumunu belirten üç bölge vardır. Korozyon Bölgeleri: Potansiyelin -0,65 Voltdan (SHE) daha pozitif ve ph'm 9 dan küçük olduğu bölgede demir Fe 2+ ve Fe 3+ iyonları oluşturarak korozyona uğrar. Alt 69

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi kısımlarda demir-2, üst bölgelerde demir-3 iyonları stabildir. Diğer korozyon bölgesi, potansiyelin -0,80 Volt ile -1,2 Volt arasında ve ph'ın 13 den büyük olduğu dar bir aralıktır. Bağışıklık Bölgesi: Demir -0,62 Volt'dan daha negatif potansiyelde iken termodinamik olarak stabil haldedir. Bu bölgede demir korozyona uğramaz. Potansiyel bu bölgede tutulabilirse demir katodik olarak korunur. Hidrojen elektroda göre -0,62 olan bu potansiyel değeri doygun bakır/bakır sülfat referans elektrodu ile -0,850 Volt'a karşı gelir. Bu değer, demir ve çeliğin katodik korumasında kriter olarak kullanılır. Pasiflik Bölgesi: Bu bölgede demir yüzeyinde Fe 3O4 veya Fe 2 O 3 oksitleri oluşur. Bunlar metalin pasif halde kalmasına neden olur. 2.5. Korozyondan Korunma Yöntemleri Korozyon kayıplarını mümkün olduğunca azaltmak amacıyla teknolojik olarak uygulanabilen çeşitli yöntemler geliştirilmiştir. Bunların en önemli olanları şöyle sıralanabilir. Boya ve kaplama yapılması Paslanmaz çelik kullanılması İnhibitör kullanılması Anodik koruma yapılması Katodik koruma yapılması 3. KATODİK KORUMA 3.1. Katodik Korumanın Tarihçesi Katodik koruma ilk olarak 1824 yılında Sir Humpry Davy tarafından Samarang isimli bir harp gemisi üzerinde denenmiştir. Geminin bakır kaplı gövdesi çinko anotlarla korunmuş, ne yazık ki bu ilk uygulama başarısızlıkla sonuçlanmıştır. Başarısızlığın katodik koruma uygulamasının yanlışlığından ileri gelmediği sonradan anlaşılmıştır. Davy tarafından bilimsel yöntemlerle yapılmış olan bu uygulamada katodik koruma ile bakırın korozyonu tam olarak önlenmiştir. Fakat koruma sonucu bakır iyonlarının toksik etkisi de kalmadığından gemi gövdesi deniz canlıları ve yosundan oluşan bir kabuk ile kaplanmıştır. Bu görüntü katodik korumanın etkisiz kaldığı şeklinde yorumlanmış ve katodik koruma uygulamasından vazgeçilmiştir. Bu başarısız uygulamadan yaklaşık yüz yıl sonra, bu asrın başlarında uzak mesafelere boru hatları ile petrol taşınması zorunlu hale gelince, yeraltı boru hatlarındaki korozyonu önlemek amacıyla katodik koruma uygulamalarına yeniden başlanmıştır][3][4][7][8]. Önceleri boru hatları üzerinde başlayan katodik koruma uygulamaları 1950'li yıllardan sonra, tanklar, gemiler, su depoları, baraj kapakları, iskele ayakları, betonarme demirleri ve daha bir çok metalik yapıya yaygın biçimde uygulanmaya başlanmıştır. Günümüzde teknolojik gelişmelere paralel olarak, özellikle yüksek performanslı yeni anotların bulunması ile, katodik koruma korozyonla mücadelede en güvenilir ve de en ekonomik bir yöntem haline gelmiştir. 3.2. Katodik Korumanın Teorik İlkeleri Katodik korumanın temel ilkeleri elektrokimyasal korozyon teorisine dayanır. Bu teoriye dayanarak bir metalin yüzeyindeki anodik bölgeler katot haline dönüştürülerek korozyon olayı kesin şekilde önlenebilir. Katodik koruma, korunacak metali oluşturulacak bir elektrokimyasal hücrenin katodu haline getirerek metal yüzeyindeki anodik akımların giderilmesi işlemidir. Böyle bir sistem içinde katot bölgesinde hiç bir şekilde korozyon olayı meydana gelmez. Katodik koruma metalleri korozyondan korumak üzere kullanılan en etkili yöntemdir ve iki ayrı tipi vardır. Birinci tip katodik koruma sisteminde ayrı bir metal anod görevi yapmak üzere aynı elektrolit içine daldırılır. Bu iki metalin bağlantısından galvanik bir pil oluşur ve devreden kendiliğinden bir akım geçer. Korunması istenen metal bu pilin katodu olacağından korozyona uğramaz. Buna karşılık devreden geçen akım miktarı ile eşdeğer olarak anot metali çözünerek iyon haline geçer. Böylece yürüyen galvanik anotlu katodik koruma sistemleri büyük ölçekli bir galvanik pil gibi çalışır. İkinci tip katodik koruma sisteminde sisteme dışarıdan bir doğru akımın uygulanması gerekir. Doğru akım kaynağının (+) ucu anoda (-) ucu da korunacak olan metal yapıya bağlanır. Böylece bir elektroliz hücresi elde edilmiş olur. Korunmakta olan katod yüzeyi tam bir katod olur ve korozyon önlenir[3][4][8]. 70

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 3.3. Dış akım kaynaklı katodik koruma Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde metale bir dış akım uygulanarak katot haline gelmesi sağlanır. Dış akımın uygulanmasından sonra anot reaksiyonları korunmakta olan metal yüzeyinde değil, katodik koruma devresinde bulunan yardımcı anotta yürür. Korunmakta olan metal yüzeyi ise artık tam olarak katot olur. Bu amaçla bir transformatör redresör sisteminden elde edilen doğru akımın (-) ucu korunacak olan metal yapıya, (+) ucu da bir yardımcı anoda bağlanır (Şekil 1)[3][4][6]. T/R ünitesinin gerilimi ayarlanarak ve metalin potansiyel gerilimi metal korozyana uğramayacak değerlere getirilerek korozyon tamamen önlenebilir. galvanik anot bir süre sonra tükendiği için değiştirilmesi gerekmektedir. Dış akım kaynaklı katodik koruma sisteminde ise dış devre akım ihtiyacı enerjisi T/R ünitelerinden dolayısıyla elektrik şebekesinden sağlanmaktadır. Dış akım kaynaklı katodik koruma sistemlerinde anod, katod, ve elektrolit ortama ilave olarak korozyonu önlemek için en önemli ve vazgeçilmez eleman trafo/redresör (T/R) ünitesidir. Şebekeden alınan alternatif akımın potansiyeli katodik koruma sistemlerinde kullanılan transformatör-redresör üniteleri ile istenilen seviyelere düşürülür. Daha sonra bu düşük potansiyelli alternatif akım bir redresörden geçirilerek doğru akım haline dönüştürülür[2][ll][13]. ÇELİK BORU T/R ÜNİTESİ ANOT Şekil 1: Bir boru hattının dış akım kaynağı ile katodik olarak korunması Bir çelik yapının katodik olarak korunması için, metal potansiyelinin katodik yönde belli bir değere kadar polarize edilmesi gerekir. Bunu belirlemek amacıyla pratikte farklı kriterler kullamlır[9][10]. Bunlardan en önemlisi -850mV kriteridir. Korozyonun olmaması için çelik yapının doygun bakır/bakır sülfat referans elektroduna göre ölçülen potansiyeli T/R ünitesi tarafından -850mV veya daha negatif bir değere düşürülmüş olmalıdır. 4. T/R ÜNİTELERİ 4.1. T/R Ünitelerinin Çalışma Prensibi Bilindiği üzere galvanik anotlu katodik koruma sistemlerinde korozyonu önlemek için gerekli olan kapalı devre akım ihtiyacı galvanik anoddan sağlanmakta ve bunun sonucunda 4.2. T/R Ünitelerinin Gelişimi T/R ünitesinin temel görevi metalin potansiyelini korozyana uğramayacak değerlere getrrmektir. Bunu sağlamak için genellikle korunmakta olan yapının yakınına bir sabit referans elektrot konur. Referans elektrotdan alınan potansiyel değer, bir manyetik amplifıye tarafından akımın kontrolünde kullanılır. Eğer potansiyel istenen değerden fazla ise, potansiyelin düşmesi sağlanır. Eğer potansiyel düşük ise, transformatör-redresör ünitesinden otomatik olarak daha fazla akım çekilir. Böylece önceden ayarlanmış olan boru/zemin potansiyeli sürekli olarak sabit tutulmuş olur. Son yıllarda katodik koruma sistemlerinde kullanılan T/R ünitelerinin dizaynı elektronik ve bilgisayar teknolojisinin hızla gelişmesi ile beraber ilerlemeler göstermiş daha önce T/R ünitelerinden elde edilemeyen bir çok özellik elde edilebilir hale gelmiştir. T/R ünitelerinden günümüzde beklenen en önemli özellikler otomatik olarak çalışması, bilgisayara bağlanacak şekilde scada uyumlu olması ve hareketli parçasının bulunmamasıdır[l 1]. Elektronik ve bilgisayar teknolojisinin hızla gelişmesi ile beraber T/R ünitelerinin kontrol şekli değişmiş, manual kontrol edilen T/R'lerden otomatik T/R'lere tek diyodla yapılan doğrultuculardan tristörlerle ve entegrelerle yapılan doğrultuculara, yağlı tip büyük ebatlı trafolardan kuru tip ufak trafolara ulaşılmış, 71

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi bilgisayarla kontrolün sağlanabilmesi için T/R' lere scada uyumlu sistemler ilave edilmiştir. İlk kuşak T/R ünitelerinin çıkış gerilimi variak veya kademe anahtarı kullanılarak manual olarak değiştirilmekte koruma potansiyeli de seyyar referans elektrotlar ile manual olarak ölçülmekte idi. İkinci kuşak T/R ünitelerinde ise yarı iletken teknolojinin gelişimi ile beraber transistörler kullanılmış olup, koruma potansiyeli sabit referans elektrod yardımıyla ölçülmeğe T/R ünitesinin çıkış gerilimi ise otomatik olarak değiştirilmeğe başlanmıştır. Bu tip T/R üniteleri bulunan katodik koruma sistemlerinde artık manual ölçme ve ayar yapmaya gerek kalmamıştır. Günümüzde ise T/R ünitesinin scada sistemlerine bağlanarak uzaktan bilgisayarla izleme ve kumandanın sağlanması mümkün olabilmektedir. T/R ünitesindeki doğrultucunun (redresörün) dizaynında ilk zamanlar diyodlar kullanılıyor iken tristörlerin gelişimi ile diyod yerine tristör kullanılmaya başlanmış, tristör tetikteme açılarının kontrolü ile T/R ünitesinin çıkış gerilimi kolaylıkla değiştirilebilir hale gelmiştir. Bu andan itibaren özellikle mikroişlemciler T/R dizaynına dahil olmuştur. Günümüzde ise artık kazancın artırılması, çıkış geriliminin daha kolay ve basit olarak kontrolü ve bilgisayar uyumunun daha seri olabilmesi için T/R ünitesinin doğrultucu kısmında dizayn değişiklikleri yapılmaktadır. İlave olarak elektrik enerjisinin temin edilemediği yerlerde güneş pillerinden faydalanılmaktadır. 5. GÜNEŞ PİLLERİ İLE T/R DİZAYNI Katodik koruma sistemlerinde kullanılan transformatör-redresör üniteleri ile şebekeden alınan alternatif akım doğru akım haline dönüştürülür. Şebeke geriliminin olmadığı veya şebekeye kolayca ulaşılamadığı yerlerde T/R ünitesinin girişinde alternatif akım yerine güneş pillerinden elde edilen doğru akım kullanılabilir. Bu durumda T/R ünitesinde transformatör ve AC/DC doğrultucu yerine bir DC/DC dönüştürücü kullanılmaktadır. Güneş pilleri ile katodik koruma T/R ünitesi dizaynına ait prensip şema Şekil 2'de gösterilmektedir[ 18]. GÜNEŞ PİLİ ŞARJ REGL 2 AKÜ DC/DC DÖNÜŞTÜRÜCÜ ANOT ÇELİK BORU Şekil 2: Güneş pilleri ile katodik koruma T/R ünitesi dizaynına ait prensip şema TOPRAK Güneş pilleri ile dizayn edilen katodik koruma T/R ünitesi Bölüm4'de tarif edilen özelliklerin tamamını sağlamaktadır. İlave olarak T/R ünitesinde güneş pilleri bulunmasının avantajları aşağıdaki gibi sıralanabilir. Elektrik enerjisinin ulaşmadığı açık arazilerde güneş pilleri vasıtasıyla katodik koruma uygulamasına imkan sağlanabilir. Deniz içerisinde katodik koruma yapılması gereken ve elektrik enerjisinin ulaşmadığı yapılarda kullanılabilir. Şebeke enerjisinden tasarruf yapılabilir. 5.1. Güneş Pilleri Güneş pilleri veya yaygın isimleriyle fotovoltaik piller, üzerlerine düşen güneş ışınımını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren düzeneklerdir. İlk güneş pili 1954 yılında ABD'de Bell Labaratuvarlannda geliştirilmiştir. İlk yıllarda daha çok uzay çalışmalarında uyduların güç gereksinimlerini karşılamak için kullanılmışlardır. Güneş pillerinin alternatif ve güvenilir bir enerji üretim sistemi olarak görülmeye başlanması 1970'li yılların başında gerçekleşmektedir. Güneş pilleri güneş ışığını direkt doğru akım olarak elektrik enerjisine çevirirler. Elde edilen elektrik katodik koruma sisteminde doğru akım olarak kullanılmakta veya daha sonra kullanılmak üzere depolanmaktadır. Fotovoltaik terimi ışıktan gerilim üretilmesi anlamına gelir ve genellikle "PV" olarak gösterilir. Fotovoltaik piller için kullanılan ortak terim "Güneş Pilleri" olmakla birlikte piller her tür ışık altında elektrik üretebilirler ancak enerjiyi depolayamazlar. Eğer elektrik gece boyunca da kullanılmak isteniyorsa devreye bir tür elektrik depolayıcı(örneğin bir akü)eklenmelidir. 72

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Güneş pillerinin imal edildiği pek çok materyal vardır. Fakat en sık kullanılan silisyumdur. Silisyum dünyada oksijenden sonra en çok bulunan elementtir ve oksijenle birlikte kuartz veya daha bilinen haliyle kumu oluştururlar. Güneş pilinin üzerine güneş ışığı düştüğünde silisyum atomunun son yörüngesindeki valans elektronunu kopar. Serbest kalan bu elektronda elektriksel basınç olarak isimi endirebileceğimiz potansiyel enerji ortaya çıkar. Bu enerji aküyü şarj etmek veya bir elektrik cihazını çalıştırmak için kullanılabiliri 9]. 5.2. Enerji Depolama ve Aküler Fotovoltaik sistemlerin çoğunda güneş ışığından alınan enerji, modüller aracılığı ile toplanarak gece veya bulutlu günlerde kullanılabilmek için kimyasal enerjiye dönüştürülerek akülerde depolanır. Ayrıca pillerden alınan güç istenen değerde değilse aradaki fark akülerden karşılanabilir. Depolanan enerjinin günün her saati ve her hava koşulunda kullanılıyor olmasına karşılık, piller harcanan enerjiyi ancak gün ışığında ve genellikle de birkaç saat içinde yerine koymaya çalışmaktadırlar. Sistem dizayn edilirken çözülmesi gereken en önemli sorun bu dengeyi sağlamaktır[19]. 5.3. DC/DC Dönüştürücü DC-DC dönüştürücü temeli Pulse Genişlik Modülasyonu(PWM) teorisinden ibarettir. PWM incelenerek DC-DC dönüştürücü mantığı açıklanabilir. Bir DC geriliminin genliğini herhangi bir seviyeden başka bir seviyeye değiştirmek için devrede bir (veya birden fazla) anahtar kullanılır. DC bir giriş voltajına sahip DC-DC dönüştürücülerde ortalama çıkış voltajı devrede kullanılan anahtarın on ve off süreleri (ton ve toff) değiştirilerek kontrol edilebilir. Anahtarlama sistemini daha iyi açıklayabilmek için basit bir temel DC-DC dönüştürücü devresi Şekil 3.'de gösterilmektedir[l 1]. < ) Şekil 3.Basit bir temel DC-DC dönüştürücü devresi Şekil l(a)'daki anahtar"on"konumunda iken çıkış voltajı giriş voltajı olan Vd' ye eşittir, anahtar"off"konumunda iken ise çıkış voltajı sıfırdır. Şekil l(b)'den görüldüğü gibi çıkış voltajının ortalama değeri olan vo, ti ve t2 sürelerine bağladır. Anahtarlama frekansının veya başka bir ifadeyle T=tl+t2 periyodunun sabit tutularak anahtarın on-off sürelerinin değiştirilmesi ile çıkış voltajının ayarlanmasına PWM (Pulse genişlik modülasyonu), bu tip bir dönüştürücüye ise DC/DC dönüştürücü adı verilmektedir[ll]. Anahtar Elenin Deneti» Dmes Şekil 4: PWM kullanılan DC-DC dönüştürücünün blok diyagramı Vs On I Konlid k- i Referans PWM Modûatörü 'L L + /İc r1 J Io Yük Şekil 5. PWM kullanılan DC-DC dönüştürücünün açık devresi 5.4. T/R Ünitesinin Çalışma Prensibi Dizayn edilen katodik koruma T/R ünitesi kompakt, kolay kullanılabilir mikro kompüter tabanlı olup kendi içinde tamamen otomatik çalışır. Katodik koruma uygulanan yapıya yerleştirilen referans elektroddan alınan gerilimi mikro kompüterde işleme tabi tutarak ortam potansiyelini SET edilen değere yaklaştırır, yani çıkış gerilimini DC/DC dönüştürücü yöntemi ile ayarlar. Referans elektrodu ile ölçülen gerilim anormal derecede hatalı ölçülüyorsa sistem otomatik olarak arıza mesajı ve uyarı verir. Ünite istendiği takdirde manual modda da çalıştırılabilir. Üzerinde hareketli bir parça T 73

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi bulunmadığından ünitenin bakım ve onarımı minimuma indirgenmiştir. T/R ünitesi mikro kompüterli yapısından dolayı kolaylıkla SCADA sistemlerine bağlanabilmektedir. Herhangi bir bilgisayara bağlı SCADA sistemi tarafından çalışma ve SET değerleri gibi parametreler okunabilir ve değiştirilebilir. Bir SCADA sistemine 100 adet kadar T/R ünitesi bağlanabilir. Her bir T/R ünitesi optoelektronik ayrıştırıcılara sahiptir. Bu nedenle T/R üniteleri arasında galvanik ayrışım sağlanır. Ayarlanmış SET değerleri güneş ışığının eksikliğinden kaynaklanan elektrik kesilmeleri halinde 40 yıl süreyle silinmeden saklanır. Sistemde meydana gelebilecek arızalar hata mesajları ile ikaz eder[ll]. 5.5. Çıkış Gerilimi Kontrolü T/R ünitelerinde güç kontrolü DC/DC dönüştürücü ve PWM yöntemiyle yapılır. Anahtar eleman olarak bir güç transistoru olan IGBT kullanılmıştır. Sistem referans gerilimden elde edilen hata oranına göre kademe seçimi yaparak kaba ayarlama yapar. Güneş ışığından elde edilen ve girişten uygulanan DC gerilim IGBT' den önceki maksimum DC çıkışı olur. Bu DC çıkış 20 KHz'de kıyılarak kare dalga oluşturulur. Modülatörün bu çıkışı filtre devresiyle tekrar DC'ye çevrilerek çıkış gerilimi oluşturulur. Çıkış gerilimi (dolayısıyla çıkış akımı) üzerindeki ince ayar, kare dalganın ton ve toff sürelerini değiştirmek suretiyle tamamen güç modülatör katı ile sağlanır. İlk olarak en düşük akım ihtiyacı elde edilecek şekilde kademe otomatik olarak seçilir, o kademedeki akım maksimuma ulaşınca akım ihtiyacı bir üst seviyede ise sistem otomatik olarak bir üst kaba ayar kademesini seçer[15]. 6. KAPASİTE HESABI Kapasite hesabı için örnek olarak Haliç Köprüsü Katodik Koruma Sisteminde kullanılan 10 adet T/R ünitesinden birisi olan 3 numaralı ünitenin yıllar içerisindeki akım ve gerilim ölçümleri kullanılmıştır. Bu üniteye ait DC akım ve gerilim çıkışları Tablo 1'de gösterilmektedir[ 16]. 74 Tablo l:hal ç Köprüsü T/R ölçmeleri T/R ÜNİTESİ DC ÇIKIŞ DEĞERLERİ TARİH 20.3.1999 21.3.1999 22.3.1999 23.3.1999 24.3.1999 25.3.1999 26.3.1999 27.3.1999 28.3.1999 ORT. DC GERİLİM (Volt) 3,4 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,2 3,4 3,2 3,24 DC AKIM (Amper) 9,9 9,2 9,6 9,6 9,7 10 9,6 9,6 9,5 9,63 DC GÜÇ (Wat) 33,66 29,44 30,72 30,72 31,04 32 30,72 32,64 30,4 31,26 Güneş pili hesabı: [17] Günlük DC ihtiyacı=31,26x24=750 Wh Akü ve sistem kayıpları=750x%30=225 Wh Ort. günlük DC ihtiyacı=750+225=975 Wh Siemens SM55 modülü 12V ve 55W üretebilir. Alan faktörü 4 olan bir yerde(türkiye) SM 55 modülünün üretebileceği günlük enerji miktarını bulmak için modülün üretimi 4 ile çarpılmalıdır. Üretilebilecek günlük enerji miktarı=55x4=220 W h Tahmini modül ihtiyacı=975-s-220=4,43=5 adet Akü hesabı: Günlük enerji ihtiyacı=975 Wh Hiç güneş almadan akülerin tüm ihtiyacı karşılaması istenen gün sayısı 2 gündür.buna göre: 975x2= 1950Wh %30 emniyet faktörü=1950x0,3=585 Wh Emniyetli kapasite=1950+585=2.535 Wh Akü kapasitesi 2535Wh+12V=211 Ah/adet Veya 120 Ah'lik 2 adet akü yeterlidir. 7. MALİYET HESABI Güneş pilleri ile maliyet: 5 adetsm55 güneşmodülü=5x736 DM/adet=3.600 DM Akü(200Ah'lik)=750 DM/adet Şarj regülatörü=255 DM/adet DC/DC dönüştürücü=1.000 DM/adet TOPLAMIŞ.605 DM Şebeke enerjisi ile maliyet: T/R ünitesi=4.000 DM/adet 4x6mm 2 NYY kablo(300m)=750 DM 10 yılda harcanan enerji=2.737 kwh/10yıl loyılda harcanan para=2.737x70.000 TL/kWh =191.590.000 TL=348 DM TOPLAM-5.098 DM

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 8. SONUÇ Toprak ve su içerisine yerleştirilen çelik malzemenin korozyona karşı korunmasının en etkin yöntemi katodik koruma sistemi uygulamasında vazgeçilmez eleman olarak kullanılan T/R ünitesinin kontrol şeklinde elektronik ve bilgisayar teknolojisinin hızla gelişmesi ile beraber değişikler kaydedilmiştir. Standart üretim olan DC/DC dönüştürücüler kullanılarak katodik koruma sistemi için gerekli tüm istekler güneş pilleri ile dizayn edilen T/R ünitelerinden elde edilebilir. Güneş pilli T/R ünitesi şebeke elektriğinin temininde zorluk çekilen bölgelerde verimli olarak rahatlıkla kullanılabilir. Ayrıca elektriğe ödenen sarfiyat bedelinden tasarruf yapmak için şebekenin olduğu yerlerde de kullanılabilir. Dezavantajları güneş pillerinin fazla yer kaplaması ve ilk maliyetinin biraz fazla olmasıdır. Ülkemizde halen seri olarak üretilmemekte ve katodik koruma sistemlerinde kullanılmamaktadır. SEMBOLLER W : Wat Wh : Watsaat KWh : Kilowatsaat V : Volt Ah : Ampersaat DM : Alman Markı TL : Türk Lirası DC : Doğru Akım AC : Alternetif Akım PWM : Darbe Genişlik Modülasyonu KAYNAKLAR [I] Üneri, S., "Katodik Koruma",Sanayi ve Ticaret Bakanlığı Sınai Eğitim ve geliştirme Şube Müdürlüğü Eğitim Yayım,Ankara,1985. [2] Jones, D.A.,"Pinciples and Preventation of Corrosion",MacMillan Publishing Company,New York, 1991. [3] Yüksel, R.,"Haliç Köprüsünün Katodik Koruma Sistemi",Doktora Tezi, YTÜBasım - Yayın Merkezi,Yayın No:YTÜ.En.Dr.99.0446, İstanbul, 1999. [4] Yalçın, H.ve Koç, T., "Mühendisler İçin Korozyon", Kimya Mühendisleri Odası, Ankara, 1998. [5] Çizmecioğlu, Z., "İsale Hatlarının Katodik Koruması", İstanbul Büyükşehir Belediyesi, İSKİ, İstanbul, 1998. [6] Shrir, L.L., Corrosion Vol.l ve 2, Newnes Butterwords, 1997. [7] Yalçın, H.ve Koç, T., "Katodik Koruma", Palme Yayınlan, Ankara, 1999. [8] Peterson, M.H., "Principles and Criteria for Cathodic Protection", Corrosion Dergisi, 1959. [9] British Standart, "Cathodic Protection BS 7361 Part-I", 1991. [10] Morgan, J.H., "Cathodic Protection," NACE, Houston,1985. [II] Yüksel, R., "PWM Yöntemi İle Katodik Koruma TR Ünitesi Dizaynı," VILUluslararası Korozyon Sempozyumu, YTÜ,İstanbul, 18-20 Ekim 2000, s.511-521. [12] Yalçın, H.ve Koç, T., "Korozyon ve Katodik Koruma", Form Ofset, Ankara,1995. [13] Ashworth, V. ve Googon, C, "Cathodic Protection Theoryand Practice", Ellis Horvvood Pub,1993. [14] Yalçın, H.ve Koç, T., "Elektrokimya", Palme Yayıncılık, Ankara, 1999. [15] Gülgün, R., "Güç Elektroniği," YTÜBasım -Yayın Merkezi,Yayın NorYTÜ.El.Dk. 99-457, İstanbul, 1999. [16] Haliç Köprüsü Ölçmeleri, TCK 17. Bölge Müdürlüğü Kayıtları, İstanbul, 1999. [17] Alternatif Enerji kaynakları Ltd.Şti. Dokümanları, İstanbul. [18] http://www.kycocerasolar.com [19] Çıtıroğlu, A., "Güneş Enerjisi ile Elektrik Üretimi", Termodinamik, Ocak 2000 75

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi FOTOVOLTAIK GÜNEŞ PİLLERİNDE PENCERE MATERYALİ OLARAK KULLANILAN CdS FİLMLERİNİN FİZİKSEL ÖZELLİKLERİNİN İNCELENMESİ İdrisAKYÜZ, Salih KÖSE, Vildan BİLGİN, FerhundeATAY Osmangazi Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü 26480 Eskişehir Skose@ogu.edu.tr ÖZET Fotovoltaik güneş pillerinde kullanılan Si gibi malzemelerin elde edilmesinin pahalı olması, güneş pillerinin yeryüzü uygulamalarında bazı kısıtlamalar getirmektedir. Si güneş pillerine alternatif olarak üretilen heteroeklem güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılan malzemelerin ilk sıralarında CdS veya CdS içeren bileşik malzemeler yer almaktadır. Fotovoltaik güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılan tabakaların iki temel özelliğe sahip olması gerekmektedir. Bunlar, düşük özdirenç ve yüksek geçirgenliktir. CdS malzemelerinin en büyük avantajı hemen hemen her kristal üretim tekniği ile kolayca elde edilmesi ve ucuz bir malzeme olmasıdır. Bu çalışmada, CdS filmleri 300±5 C taban sıcaklığında kimyasal püskürtme (Spray Pyrolysis) tekniği kullanılarak elde edilmiştir. Elde edilen filmlerin özdirenç değerleri karanlıkta ve hava ortamında 5x1 Cf O..cm ve yasak enerji aralıklarının değerleri yaklaşık 2,44 ev olarak hesaplanmıştır. Filmlerin kristal yapıları XRD ile, yüzey morfolojileri SEM ile ve elemental analizleri de EDX ile incelenmiştir. Elde ettiğimiz CdS filmlerinin yüksek özdirençleri; içerisine indiyum katkılanarak ~10 8!Q.cm' den ~10 4 Q.cm' ye kadar düşürülmüştür. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik güneş pilleri, CdS filmleri, Kimyasal püskürtme tekniği ABSTRACT Some materials used in photovoltaic solar cells, like Si, are expensive to produce. This gets some restrictions on the terrestrial applications of solar cells. CdS and compound materials containig CdS, produced as an alternative to Si solar cells, are widely used in photovoltaic solar cells as window layers. These layers must have two important properties: low resistivity and high tranparency. CdS films can obtained with almost ali crystal producing techniques. in this work, CdS films were obtained at 300±5 C substrate temperature by chemical spray pyrolysis technique. The resistivity values of the films were found to be 5x10 8 Q.cm and band gaps were calculated as 2,44 ev. The crystal structures, surface morphologies and elemental analyses of ali films were investigated with XRD, SEM and EDX, respectively. The high resistivity values of CdS films were lowered to ~10 4 Q..cm by in doping. Keywords: Photovoltaic solar cells, CdS films, chemical spray pyrolysis. l.giriş Yeni ve yenilenebilir enerji kaynaklarından, tükenmeyen, temiz, bedava, zararlı atığı ve taşıma sorunu olmayan enerji kaynağı, güneş enerjisidir. Bu enerji, giderek tükenen konvansiyonel enerji kaynaklarının yerini alabilir. Güneş enerjisinden bugün bir çok şekilde faydalanılmaktadır. Bunlardan biri de elektrik üretimini elde etmekte kullanılan, güneş pilleridir. Güneş pilleri ile elektrik enerjisi üretimi gerçekleştirildikten sonra polikristal ince filmler ile pil yapımına yönlenme başlamıştır. CdS ince filmleri CdTe ve CuInSe 2 ile polikristal ince film fotovoltaik aygıtlarda pencere materyali olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır [1-3]. CdS filmlerinin bu aygıtlarda tercih edilme sebepleri; düşük maliyetli metotlarla elde edilebilmeleri ve yeterince geniş bant aralıklarına sahip olmalarıdır [4,5,14]. Fotovoltaik güneş pillerinde kullanılan malzemelerin çoğu kimyasal püskürtme tekniği ile geniş alanlara çöktürülebilirler [6]. Bu malzemelerden biri olan CdS, kimyasal püskürtme tekniği ile görünür ve yakın-ir bölgede, yüksek optik geçirgenlikte elde edilebilmesi ve film özdirencinin katkılama yapılarak kontrol edilebilmesi avantajları ile hetero-eklem güneş pillerinde ideal bir pencere materyali olmaktadır [7]. 77

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Polikristal ince film güneş pilleri hetero-eklem yapıdadır. Üst tabaka alttaki yarıiletken tabakaya göre farklı bir malzemeden yapılmıştır. Üst tabaka genelde n-tipidir. Üzerine gelen ışığın hemen hemen tamamının absorplayıcı tabakaya geçmesine izin verir. Tabana iyi bir elektriksel bağlantı yapabilmek için "omik kontak" kullanılır. Polikristal ince film aygıtlar çok az yarıiletken malzeme gerektirir ve elde edilmesi kolaydır. CdS filmleri, bir çok ince film elde etme tekniği ile kolayca elde edilebilirler. Bu teknikler kristal silisyum için kullanılan tekniklere göre daha ucuz ve kolaydır. Kimyasal püskürtme tekniği, ince film elde etmede kullanılan ve vakumda buharlaştırma ve kimyasal buhar çöktürme gibi diğer tekniklerle karşılaştırıldığında bir çok avantaja sahip olan bir tekniktir. Bu avantajlardan biri bu tekniğin uygulanmasının kolay ve ekonomik olmasıdır [7]. Kimyasal püskürtme tekniği kullanılarak güneş pillerinin üretim maliyetleri düşürülmektedir. Diğer bir avantajı ise; ucuz cihazlar kullanılarak geniş alanlara püskürtme yapılabilmesidir [15]. Bu teknikte çok düşük maliyetli kimyasallar kullanılır ve güneş enerjisi diğer enerjilerle kıyaslanabilir ölçüde ucuzlatılır [8-10]. CdS/CuInSe? güneş pilleri tamamen kimyasal püskürtme tekniği ile elde edilebilen sistemlere iyi bir örnektir [8]. Ancak pil verimleri diğer standart tekniklerle üretilenlere göre daha düşüktür (%10'a karşı %4) [11]. Bu tekniğin kullanımında daha fazla çaba harcanması durumunda aradaki bu yüzde farkının azalacağına, hatta tamamen kaldırılabileceğine inanılmaktadır. Bu çalışmada kimyasal püskürtme tekniği ile, fotovoltaik güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılan CdS filmlerinin fiziksel özellikleri incelenmiştir. 2.DENEY 2.1 CdS Filmlerinin Hazırlanması CdS filmleri 300±5 C taban sıcaklığında, mikroskop cam tabanlar üzerine azot gazı atmosferinde kimyasal püskürtme tekniği ile çöktürülmüştür. CdS filmlerinin elde edilmesinde Cd kaynağı olarak CdCb (0,05M) ve S kaynağı olarak CS(NH 2 )2 sıvı çözeltileri kullanılmıştır. Ayrıca, CdS filmleri içerisine farklı konsantrasyonlarda in katkılanarak filmlerin fiziksel özelliklerindeki değişimler incelenmiştir. Deneyde in kaynağı olarak InCl 3 (0,05M) çözeltisi kullanılmıştır. Çöktürülen CdS filmlerinin kalınlıkları Elcometer 345 cihazı kullanılarak 12,&-20,7u,m arasında ölçülmüştür. 2.2 CdS Filmlerinin Fiziksel Özellikleri 2.2.1 Elektriksel Özellikler CdS filmlerinin I-V (akım-voltaj) karakteristiklerinden yararlanılarak özdirenç değerleri hesaplanmıştır. Şekil 1 'de CdS filmleri için I-V karakteristiği görülmektedir. Tablo l'de görüldüğü gibi, katkılanan in miktarı arttıkça filmlerin özdirençleri azalmıştır. Sıcak uç metodu kullanılarak tüm filmlerin elektriksel iletkenlik türlerinin n-tipi olduğu tespit edilmiştir. Tablo 1. Cd i.,in,s filmlerinin bazı fiziksel özellikleri. Kalınlık Özdirenç Bant Aralığı Materyal (Hm) (p)(q.cm) (ev) CdS 19,7 4,723.10 8 2,44 Cdo.çIno.ıS Cdo.glno^S Cdo, 7 Ino, 3 S Cd o,6lno, 4 S 0,025' 0,020 il 0,O15- <i 0,010' 0,005 15,2 12,8 13,5 20,7 3,304.10 6 3,509.10 5 3,157.10 5 2,075.10 4 o 0 0,5 1 1,5 Uygultınan Genimi (Volt) Şekil l.cds filmlerinin I-V karakteristiği. 2.2.2 Optik Özellikler 2,45 2,45 2,46 2,44 Tüm filmlerin temel absorpsiyon spektrumları Perkin Elmer UV/VIS Spectrometer Lambda 2S cihazı kullanılarak alınmıştır. Bu spektrumlardan yararlanılarak elde edilen (odıv) 2 ~hv değişimleri kullanılarak her filmin bant aralığı belirlenmiştir. Bu değerler Tablo l'de görülmektedir. CdS filminin temel absorpsiyon spektrumu ve (ahv) 2 ~hv değişimi Şekil 2'de verilmektedir. 78

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Optik metot kullanılarak CdS filmlerinin enerji aralığı 2,44eV olarak bulunmuştur ve bu değer literatürdeki çalışmalarla uyum içindedir [16,17]. 2.0 1 \ *i; (b) E.-2.A4.V 2J5 hu («V) 2.75 Filmlerin mikroanalizleri için EDS (Enerji Dağılımı Spektroskopisi) spektrumları alınmıştır. CdS filminin EDS spektrumu Şekil 4(b)' de verilmiştir. Numune içerisinde beklenen elementlerin ağırlık oranlarının başlangıç püskürtme çözeltisindeki ağırlık oranları ile tam olarak uyuşmadığı gözlenmiştir. Film içerisindeki Si ve O gibi bazı beklenmeyen elementlerin taban olarak kullanılan mikroskop camından geldiğini düşünmekteyiz. 450 500 550 ÎL fnm) Şekil 2. CdS filmlerinin (a) temel absorpsiyon spektrumu (b) (ahv) 2 ~hv değişim grafiği. 2.2.3 Yapısal Özellikler Elde edilen tüm filmlerin kristal yapıları kırınım tekniği (XRD) kullanılarak (CuK a, X= 1,5418 Â, Philips PV 1730) incelenmiştir. Filmlerin yapısında hegzagonal ve kübik yapıda CdS ve CdIn 2 S 4 pikleri tespit edilmiştir.cds filmlerinin XRD spektrumu Şekil 3' de verilmiştir. Buradan da görüldüğü gibi, CdS filmleri hegzagonal yapıdadır ve oldukça iyi bir kristalleşmeye sahiptir. Tüm filmlerin polikristal yapıda olduğu görülmüştür. 2.2.4 Yüzey Morfolojisi Filmlerin yüzey morfolojileri SEM (Taramalı Elektron Mikroskobu) (Jeol SEM 5600 LV Noran Voyager) ile incelenmiş ve film yüzeylerinin homojen olmadığı belirlenmiştir. Ancak CdS filmi, diğer filmlere göre daha homojen bir yapıya sahiptir. CdS filmlerinin SEM mikrografı Şekil 4(a)'da görülmektedir. 6000 4000 U L 20 30 40 26 (Derece) o f> t O Şekil 3.CdS filmlerinin XRD spektrumu. 50 60 Tablo 2. CdS filminin EDS ile belirlenen ağırlık oranları. Element Atom % El. Ağ. % Ağ.% hata Cd-L S-K Si-K O-K Na-K I Si 8000 O 3 ) 3 6000 2000 Na 31,65 34,66 27,36 1,92 4,42 Cd Cd 63,88 19,95 13,80 0,55 1,82 ±0,87 ±0,28 ±0,23 ±0,36 ±0,26 2 4 6 8 10 Enerji (kev) Şekil 4. CdS filmlerinin (a)sem mikrografı (b)edx spektrumu. 3. SONUÇ VE TARTIŞMA Bu çalışmada CdS filmlerinin bazı fiziksel özellikleri incelenmiştir. CdS filmleri fotovoltaık güneş pillerinde pencere materyali olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır. Malzeme hazırlama ve deney koşulları değiştirilerek CdS filmlerinin fiziksel özellikleri, dolayısı ile bu materyalin kullanıldığı güneş pillerinin de karakteristikleri değiştirilebilir. Kimyasal püskürtme tekniği ile elde edilen CdS filmlerinin bir dezavantajı yüksek özdirence sahip olmalarıdır. Bu durum güneş pillerinde büyük iç kayıplara neden olmaktadır. Ancak 79

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi özdirenci azaltmak için CdS filmi içerisine in elementi katkılanabilir. Bizim çalışmamızda bu işlem gerçekleştirilerek CdS filmlerinin özdirenç değerleri ~10 8 Q.cm'den 10 4 Q.cm'ye düşürülmüştür. Bu sonuç literatürde yapılan çalışmalarla da uyum içindedir [12]. Yüzey yapısı olarak in katkılı CdS filmleri homojen değildirler. Homojen olmayan yüzey yapısı bir güneş pilinde verimi düşürmektedir. CdS filmleri ise yüzeyde, katkılı filmlere göre daha homojen bir yapıya sahiptir. Ancak yine de tam homojen olmayan bu yüzey morfolojisi, pencere materyali olarak kullanılan CdS filmleri için bir dezavantajdır. Yüzey yapısında homojenliğin sağlanamamasının nedeni kullanılan tekniktir. Vakumda buharlaştırma ve kimyasal buhar çöktürme gibi tekniklerle elde edilen CdS filmlerinin kimyasal püskürtme tekniği ile elde edilenlere göre daha homojen yapıda olduğu bilinmektedir. Tüm filmler içerisinde CdS filminin bağıl olarak daha homojen olduğu görülmüştür. Yapıya in elementinin girmesiyle birlikte yüzeyde partiküller artmıştır. Bunun nedeni, in elementinin katkılanması için kullanılan InCl 3 çözeltisidir. Bu partikül problemi püskürtme çözeltilerinin molaritesi arttıkça daha büyük bir sorun haline gelmektedir [8]. CdS filmlerinin XRD spektrumlarına bakıldığında oldukça iyi bir kristalleşmeye sahip oldukları görülmektedir. Bu durum güneş pillerinde kullanılan malzemelerde arzu edilen bir özelliktir. Yapıya in girmesiyle birlikte kristalleşmenin bozulduğu görülmüştür. Optik metot ile CdS filmlerinin enerji aralıkları 2,44eV olarak bulunmuş ve in katkısının filmin bant aralığında fazla değişme yapmadığı görülmüştür. CdS filmleri güneş pillerinde kullanılmak üzere uygun bir bant aralığına sahiptir. Ayrıca in katkılı CdS filmlerinde absorpsiyon kenarının daha keskin olduğu belirlenmiştir. Güneş pillerinin en büyük dezavantajı; verimlerinin düşük ve ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olmasıdır [13]. Güneş pillerinde kullanılan polikristal ince filmler üzerinde yoğun çalışmalar yapıldığında düşük maliyetli ve yüksek verimli olan güneş pilleri elde edileceğine inanmaktayız. KAYNAKLAR 1. M.E. Özsan, D.R. Johnson, M. Sadeghi, D. Sivapathasundaram, G. Goodlet, M.J. Furlong, L.M. Peter, A.A. Shingleton, Materials in Electronics, J. Mater. Sci. 7 (1996) 119. 2. L.C. Burton, Solar Cells, 1 (1979/80) 159. 3. O.A. Ileperuma, C. Vithana, K. Premaratne, S.N. Akuranthilaka, S.M. Mcgregor, I.M. Dharmadasa, J. Mater. Sci. 9 (1998) 367-372. 4. A. Palafox, G. Romero-Parades, A. Maldonado, R. Asomoza, D. R. Acosta and J. Palacios-Gomez, Solar Energy Materials and Solar cells, 55 (1998) 31-41. 5. T.E. Chu and S.S. Chu, Solid State Electron, 38(1995)533. 6. K.L. Chopra, R.C. Kainthla, D.K. Pandya and A.P. Thakoor, in G. Hauss, M.H. Francombe and J.L. Vosen (eds.), Physics of Thin Films, vol. 12, Academic Press, New York, 1982. 7. A.N. Tiwari, D.K. Pandya and K.L. Chopra, Solar Cells, 22 (1987) 263-273. 8. S. Pençe, C.W. Bates Jr., L. Varner, Materials Letters 23(1995) 195-201. 9. H.H. Afıfy, I.K. El Zawawi and I.K. Battısha, J. Matter. Sci. 10 (1999) 497-502. 10. W. Siefert, Thin Solid Films, 121 (1984) 275-282. 11. B. Brown, Ph.D. Thesis, Chemical Spray Pyrolsis of CuInSe 2, Deparment of Materials Science and Engineering, Stanford University, 1989. 12. T. Hayashi, T. Nishikura, T. Suzuki and Y. Ema, J. Appl. Phys., 64 (1988) 3542. 13. F.B. Alaçakır, "Ülkemizde elektrik üretimini destekleyen bir çözüm: Güneş Pilleri", Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu, 18-20 Ocak 2001, İzmir. 14. V. Ruxandra and S. Antohe, Journal of Applied Physics, 84 (1998) 727-733. 15. K. L. Choy and B. Su, Thin Solid Films, 388(2001)9-14. 16. K.D.Rogers, D.A.Wood, J.D.Painter, D.W.Lane and M.E.Özsan, Thin Solid Films, 361-362 (2000) 234-238. 17. K.S.Ramaiah, A.K.Bhatnagar, R.D. Pilkington, A.E.Hill and R.D.Tomlinson, Journal of Materials Science: Materials in Electronics, 11 (2000) 269-277. 80