MONOKRİSTAL GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİNDE ELEKTRİK ENERJİ ANALİZİ Arkan I. ISMAEL YÜKSEK LİSANS TEZİ ELEKTRİK- ELEKTRONİK MÜHENDİSLİĞİ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ ŞUBAT 2012 ANKARA
Arkan I. ISMAEL tarafından hazırlanan MONOKRİSTAL GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİNDE ELEKTRİK ENERJİ ANALİZİ adlı bu tezin Yüksek Lisans tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU Tez Danışmanı, Elektrik Elektronik Mühendisliği.... Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik-Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalında Yüksek Lisans olarak kabul edilmiştir. Yrd. Doç. Dr. Murat Hüsnü SAZLI.... Elektronik Mühendisliği Anabilim Dalı, Ankara Üniversitesi Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU Elektrik Elektronik Mühendisliği, Gazi Üniversitesi.... Yrd. Doç. Dr. Nursel AKÇAM Elektrik Elektronik Mühendisliği, Gazi Üniversitesi.... Tarih: 23 / 02 / 2012 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Yüksek Lisans derecesini onamıştır. Prof. Dr. Bilal TOKLU Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü....
TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada bana ait olmayan her türlü ifade ve bilginin kaynağına eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm. Arkan I. ISMAEL
iv MONOKRİSTAL GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİNDE ELEKTRİK ENERJİ ANALİZİ (Yüksek Lisans Tezi) Arkan I. ISMAEL GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Şubat 2012 ÖZET Fosil kaynakların hızlı bir şekilde tükenmesi güneş, rüzgâr, dalga, biokütle, jeotermal, hidrolik ve hidrojen enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına öncülük yapmıştır. Güneş enerjisi kullanarak enerji üretilmesi, yenilenebilir enerji kaynağı uygulamalarından en popüler olanlarından birisidir. Güneş kollektörleri, fotovoltaik hücreler ve güneş bacası uygulamaları, kaynağı güneş olan enerji üretme yöntemlerindendir. Bu tez çalışmasında, özellikle elektrik enerjisi sorunu olan ülkeler için güneş pili panelinden elde edilen düşük DC gerilimi inverter ile entegre ederek yüksek gerilimli ve şebeke frekansında kaynak haline getirilerek kullanıma sunulmaktadır. Bu tür uygulamalar özellikle küçük aletleri çalıştırmak amaçlı olarak sıkça kullanılmaktadır. Mevcut çalışmada güneş paneli kullanılarak elde edilen DC 12 Volt düşük gerilim, 220 Volt 50 Hz lik şebeke gerilimine çevirerek bir ev aleti çalıştıracak bir sistem oluşturulup çalışma parametreleri ortaya koyulmuş ve detaylıca analiz edilmiştir. Bilim Kodu : 905.1.033 Anahtar Kelimeler : Yenilenebilir enerji, güneş pili, invertör Sayfa Adedi : 70 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU
v ELECTRICAL ENERGY ANALYSES IN MONOCRISTAL OF SOLAR CELL SYSTEMS (M.Sc. Thesis) Arkan I. ISMAEL GAZİ UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY February 2012 ABSTRACT The exhaustions of fossil resources has led to the use of such renewable energy resources as solar energy, wind energy, wave energy, biomass energy, geothermal energy, hydraulic energy and hydrogen energy. Energy generation by means of using solar energy is one of the most popular ways of using renewable energy resources. Solar collectors, photovoltaic cells and solar chimney applications are some of solar originated energy generation methods. In this study, the low DC voltage which is obtained from solar battery panels is constructed. The countries which have energy problem increase the solar energy power obtained from the panels to network voltage level and convert it to AC network frequency by integrating with the inverter circuits. The system is often used especially for the small appliances. In this study, the existing system that can make a household appliance work by means of converting the DC 12 Volt low voltage which is obtained by means of using solar panel into 220 Volt and 50 Hz voltage, and its parameters are introduced and analysed in detail. Science Code : 905.1.033 Key Words : Renewable energy, Solar cell, Inverter Page Number : 70 Adviser : Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU
vi TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Hocam Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU na, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan Yüksek Harita Mühendisi sevgili eşim Işın BAYRAKTAR a ve emeğini hiçbir zaman ödeyemeyeceğim kıymetli babama teşekkürü bir borç bilirim.
vii İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET... iv ABSTRACT... v TEŞEKKÜR... vi İÇİNDEKİLER... vii ÇİZELGELERİN LİSTESİ... x ŞEKİLLERİN LİSTESİ... xii RESİMLERİN LİSTESİ... xiv SİMGELER VE KISALTMALAR... xv 1. GİRİŞ... 1 2. ENERJİ... 2 2.1. Enerji Kaynakları ve Kullanımları... 2 2.2. Güneş Enerjisi... 3 2.3. Türkiye de Güneş Enerjisi... 7 3. GÜNEŞ PİLLERİ... 11 3.1. Güneş Pillerin Tanıtımı... 11 3.2. Güneş Pillerinin Özellikleri... 12 3.3. Güneş Pillerin Tarihçesi... 15 3.4. Güneş Pilinin Sınıflandırılması... 19 3.4.1. Kristal silisyum güneş pilleri... 19 3.4.2. Monokristal silisyum güneş pilleri... 19 3.4.3. Semikristal (yarıkristal) silisyum güneş pilleri... 21
viii Sayfa 3.4.4. Ribbon silisyum güneş pilleri... 21 3.4.5. Polikristal silisyum güneş pilleri... 21 3.4.6. İnce film güneş pilleri... 22 3.4.7. Amorf silisyum güneş pilleri... 22 3.4.8. Kadmiyum Tellür İnce film Güneş Pilleri... 23 3.4.9. Bakır indiyum diselenoid güneş pilleri... 24 3.4.10. Diğer yapılar... 25 3.5. Güneş Pili Güç Verimlilikleri... 25 3.6. Güneş Pillerinin Yapısı ve Yarı İletkenler... 27 3.6.1. N tipi yarı iletken... 30 3.6.2. P tipi yarı iletken... 31 3.7. Güneş Pilinde P-N Eklemi... 33 3.8. Fotovoltaik Etki... 34 3.9. Güneş Pilinin Eşdeğer Devresi... 36 3.10. PV Güneş Pili Karakteristikleri... 36 4. GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİ... 44 4.1. Şebekeden Bağımsız Sistemler... 44 4.2. Şebekeye Bağımlı Sistemler... 45 4.2.1. Şebekeye bağımlı fotovoltaik güç santralleri... 46 4.2.2. Şebekeye bağımlı dağıtılmış fotovoltaik güç sistemleri... 46 5. TASARIM ve DENEYSEL ÇALIŞMA... 48 5.1. Tasarım... 48
ix Sayfa 5.1.1. Kullanılan güneş paneli... 48 5.1.2. Kullanılan depolama birimi... 51 5.1.3. Denetim birimi... 52 5.1.4. İnvertör... 53 5.2. Deneyin Yapılışı... 54 5.2.1. İç mekanda deney çalışması... 54 5.2.2. Dış mekanda deney çalışması... 55 5.2.3. Maliyet analizi... 63 6. SONUÇ VE ÖNERİLER... 65 KAYNAKLAR... 68 ÖZGEÇMİŞ... 70
x ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge Sayfa Çizelge 2.1. Türkiye nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli... 8 Çizelge 2.2. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı... 9 Çizelge 3.1. Bazı güneş pillerinin verimlerinin çizelge üzeinde gösterilmesi...26 Çizelge 3.2. Güneş pili yapımında kullanılan maddelerin dünya rezervleri ve Üretimi... 27 Çizelge 5.1. Monokristal panelin üretici firma tarafından verilen karakteristik Özellikleri... 48 Çizelge 5.2. Deneyde kullanılan Monokristal güneş panelinin elektrik Karakteristikleri... 50 Çizelge 5.3. Denetim biriminin üretici tarafından verilen karakteristikleri... 52 Çizelge 5.4. İnvertörün üretici firma tarafından verilen özellikleri... 54 Çizelge 5.5. Monokristal panelden elde edilen akım ve gerilim değerleri... 56 Çizelge 5.6. 19.12.2011 tarihinde elde edilen akım grafiği... 57 Çizelge 5.7. 19.12.2011 tarihinde elde edilen gerilim grafiği... 57 Çizelge 5.8. 19.12.2011 tarihinde elde edilen güç grafiği... 58 Çizelge 5.9. 19.12.2011 tarihinde elde edilen akü gerilim değerleri grafiği... 58 Çizelge 5.10. 20.12.2011 tarihinde elde edilen akım grafiği... 59 Çizelge 5.11. 20.12.2011 tarihinde elde edilen gerilim grafiği... 59 Çizelge 5.12. 20.12.2011 tarihinde elde edilen güç grafiği... 60 Çizelge 5.13. 20.12.2011 tarihinde elde edilen akü gerilim değerleri grafiği... 60 Çizelge 5.14. 22.12.2011 tarihinde elde edilen akım grafiği... 61 Çizelge 5.15. 22.12.2011 tarihinde elde edilen gerilim grafiği... 61
xi Çizelge Sayfa Çizelge 5.16. 22.12.2011 tarihinde elde edilen güç grafiği... 62 Çizelge 5.17. 22.12.2011 tarihinde elde edilen akü gerilim değerleri grafiği... 62 Çizelge 5.18. Kurulan sistemin maliyet analizi... 63 Çizelge 6.1. Cihazlar ve çalışma süreleri... 65
xii ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil Sayfa Şekil 2.1. Güneş ışığı spektrumu... 5 Şekil 2.2. Türkiye nin Güneş Enerjisi Haritası... 9 Şekil 3.1. Güneş pilinin şematik gösterimi... 20 Şekil 3.2. Silisyum ve Germanyum Yarı İletkenlerinin Yapısı... 28 Şekil 3.3. Enerji Bandları... 29 Şekil 3.4. Elektronların çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri... 30 Şekil 3.5. n tipi yarıiletken kristal yapısı (a) ve enerji band diyagramı (b)... 31 Şekil 3.6. p tipi yarıiletken kristal yapısı (a) ve enerji band diyagramı (b)... 32 Şekil 3.7. P-n ekleminin oluşumu... 33 Şekil 3.8. Yarıiletkende ışığın soğurulması... 34 Şekil 3.9. Bir fotovoltaik malzemenin çalışma prensibi... 35 Şekil 3.10. PV hücrenin eşdeğer devresi... 36 Şekil 3.11. (a). PV pil panelinin doğrudan doğruya ayarlanabilen bir yüke Bağlanması (b). PV pillerin seri-paralel bağlanması ile oluşturulan PV güneş pili panel... 37 Şekil 3.12. PV pil panelin Akım-Gerilim (I-V) karakteristiğinin yükle değişimi... 38 Şekil 3.13. PV pilin I-V ve P-V karakteristikleri... 39 Şekil 3.14. PV güneş pilinin akım, gerilim ve gücünün sıcaklıkla değişimi... 40 Şekil 3.15. PV güneş pilinin akım (a), gerilim ve gücünün ışık şiddetiyle Değişimi (b)... 41
xiii Şekil Sayfa Şekil 3.16. PV pilin maksimum çıkış gücü ve bu güce karşılık gelen gerilim ve akımının; (a). Sıcaklıkla, (b). Işık şiddetiyle değişimi... 42 Şekil 4.1. Güneş panel sistemini oluşturan temel donanımlar... 45 Şekil 5.1. Deneyde kullanılan Monokristal güneş panelinin Teknik özellikleri... 49
xiv RESİMLERİN LİSTESİ Resim Sayfa Resim 3.1. Tipik Bir Silisyum Güneş Pilinin Ön Yüzü... 11 Resim 3.2. Vanguard-I uydusu... 16 Resim 3.3. Monokristal paneli... 20 Resim 3.4. Poli kristal güneş pili... 21 Resim 5.1. Deneyde kullanılan monokristal güneş paneli... 49 Resim 5.2. Deneyde kullanılan Monokristal güneş paneli... 50 Resim 5.3. Deneyde kullanılan depolama ünitesi (akü)... 51 Resim 5.4. Deneyde kullanılan denetim birimi (akü şarj regülâtörü)... 53 Resim 5.5. Deneyde kullanılan inverterin ön (a) ve arka yüzü (b)... 54 Resim 5.6. İç mekanda ölçüm cihazlarıyla alınan sıcaklık (a) ve panel akım (b) Değerleri... 55
xv SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler Açıklama C Sıcaklık ºK Kelvin m² Metre kare µ Mobilite η Fotovoltaik pilin verimi $ Amerikan doları A Amper Ah Ampersaat Al Alyuminyum AM Atmosferik koşullar a-si Amorf silisyum B Boron Cd Kadmiyum CdTe Kadmiyum Tellür Cm Santmetre CuInSe Bakır indiyum selenoid Da Seçilmis aydınlanma alanı E Gelen ışığın foton enerjisi Eg Yasak bant aralığı ev Elektron Volt Ga Galyum GaAs Galyum arsinayid Ge Germanyum gr Gram h Dalga boyu
xvi Simgeler Açıklama Hz Imp In IPANEL Isc I ve V Kg Km kw m mm MW mv p pin pm p-n rs rsh Sn t Te TL TV Vmp Voc VPANEL Frekans ünitesi Maksimum Güçte Akım Indium Panel akımı Kısa Devre Akımı Panel çıkış akım ve gerilim Kilogram Kilometre Kilowatt Metre Millimetre Megawatt Millvolt Fosfor Maksimum giriş gücü Maksimum çıkış gücü p-n eklem Seri direnç Şönt direnç Saniye Toplam alan Tellür Türk lirası Televizyon Maksimum Güç Voltajı Açık Devre Voltajı Panel gerilimi
xvii Kısaltmalar Açıklama ABD AC CSS DC DMİ EİE JQA KDV MOCVD Noct NREL PV RWE STC Amerika Birleşik Devletleri Alternatif akım Close Space Sublimation Doğru akım Devlet Meteoroloji İşleri Elektrik İşleri Etüd İdaresi Japan Quality Assurance Katma Değer Vergisi Metal-organik kimyasal buhar deposition Normal Çalışma Hücre Sıcaklık Amerikan ulusal yenilenebilir enerji laboratuarı Fotovoltaik Pil Schott Solar firması Standart Test Koşulları
1 1. GİRİŞ Dünyanın en önemli enerji kaynağı güneştir. Güneşin ısınım enerjisi, yer ve atmosfer sistemindeki fiziksel oluşumları etkileyen başlıca enerji kaynağıdır. Dünyadaki madde ve enerji akışları güneş enerjisi sayesinde mümkün olabilmektedir. Rüzgâr, deniz dalgası, okyanusta sıcaklık farkı ve biokütle enerjileri, güneş enerjisinin değişim geçirmiş biçimleridir. Güneş enerjisi, doğadaki su döngüsünün gerçekleşmesinde de rol oynayarak, akarsu gücünü oluşturmaktadır. Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun kökeni olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan yararlanılmaktadır. Güneş enerjisi çevre açısından temiz bir kaynak özelliği taşıdığından fosil yakıtlara alternatif olmaktadır. Yeryüzüne her yıl düşen güneş ısınım enerjisi, yeryüzünde şimdiye kadar belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca, güneş enerjisi hem bol, hem sürekli ve yenilenebilir hem de bedava bir enerji kaynağıdır. Bunların yanı sıra geleneksel yakıtların kullanımından kaynaklanan çevresel sorunların çoğunun güneş enerjisi üretiminde bulunmayışı bu enerji türünü temiz ve çevre dostu bir enerji yapmaktadır. Yakıt sorununun olmaması, işletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması, modüler olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi, uzun yıllar sorunsuz olarak çalışması ve temiz bir enerji kaynağı olması gibi nedenlerle dünya genelinde fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Güneş pilleri, hali hazırda elektrik şebekesinin olmadığı, yerleşim yerlerinden uzak yerlerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda ekonomik yönden uygun olarak kullanılabilmektedir.
2 2. ENERJİ 2.1. Enerji Kaynakları ve Kullanımları Enerji üretimi ve tüketimi, çağımızda ülkelerin refah seviyesini gösteren bir ölçü olmuştur ve ekonomik gelişme enerji tüketimiyle orantılı olarak değişmektedir. İnsanların kullandığı enerji kaynakları teknolojik gelişmelere paralel olarak değişmiştir. Önceleri, enerji kaynağı olarak sadece odun ve benzeri yakacaklar kullanılırken, uzun süre sonra kömür ve yakın tarihte de petrol ve doğal gaz bulunup kullanılmaya başlanmıştır. Günümüzde insanlığın ihtiyacı olan enerji çoğunlukla fosil yakacaklardan, hidrolik enerjiden ve çok küçük bir payı da nükleer enerjiden temin edilmektedir. Enerji kaynakları, üretildiği miktarlar göz önüne alınarak, birincil enerji kaynakları ve ikincil enerji kaynakları olarak iki gurupta incelenebilir [1]. Birincil enerji kaynakları, fosil kaynaklar (kömür, petrol, v.s.), hidrolik enerji ve nükleer enerji, ikincil enerji kaynakları ise güneş enerjisi, jeotermal enerji, gel-git enerjisi, dalga enerjisi, rüzgar enerjisi, fizyon enerjisi v.b. enerji kaynaklarıdır. Günümüzde dünyada tüketilen enerjinin %80 ine yakını fosil kaynaklardan temin edilmektedir. Fosil kaynaklar içerisinde de en çok kullanılanı petroldür. Yapılan tahminlere göre fosil yakacaklar, bugünkü oranda tüketilmeye devam edilirse, yakın gelecekte tükenmeye başlayacaktır. Dünya hidrolik enerji potansiyelinin sadece %3 ünden faydalanmaktadır [1]. Bunun sebebi ise, hidrolik santrallerin ilk tesis masrafları fazla olması ve yapımı için uzun süre geçmesidir. Nükleer enerjinin üretilen toplam enerjiye katkısı son yıllarda artmaya başlamıştır. Birim enerji maliyeti düşüktür. Ancak yakıtın temin edilebilme ve nükleer radyasyon problemleri vardır.
3 Yenilebilir enerji kaynaklarının önemi, ülkelerdeki potansiyellere göre değişir. Gelgit enerjisinden, gel-git olayının sık rastlandığı Fransa, ABD, Kanada ve Avustralya gibi ülkelerde yararlanılırken, jeotermal enerji uygulamaları İzlanda, Yeni Zelanda, ABD, Japonya ve Sovyetler Birliği nde mevcuttur. Türkiye de de jeotermal enerjiden faydalanılmaya başlanmıştır ve Kızıldere de pilot bir türbinden elektrik enerjisi üretiminde rüzgar hızının 3 m/sn den daha büyük olması istenir ve zemine yakın yerlerde rüzgar çevrili estiğinden, genellikle 10-100 m yüksekliklerde esen rüzgarlardan yararlanılır. Türkiye de rüzgar enerjisi bakımından fakir sayılmamasına rağmen dünya rüzgar enerjisi kuşağının dışında kalmaktadır. Dalga enerjisinden çok az ülkelerde faydalanılmaktadır. Biyogaz enerjisi ise küçük çaptaki enerji ihtiyaçlarını karşılayabilmektedir. Gerek dalga enerjisi, gerekse biyogaz enerjisi için uygun bölgeler sınırlıdır. Kuşkusuz yenilenebilir enerji kaynakları içerisinde en güncel olanı ve en çok uygulama alanı bulunan güneş enerjisidir. 2.2. Güneş Enerjisi Yaşamın kaynağı olan Güneş, doğal sistem enerjisinin büyük bir bölümünü sağlar. Çapı yaklaşık 1.4 milyon kilometre olup, iç çevresinde çok yoğun gazlar bulunur. Yeryüzünden yaklaşık 151.106 milyon km uzaklıktadır. Nükleer yakıtlar dışında, dünyada kullanılan tüm yakıtların ana kaynağıdır. İçinde, sürekli olarak Hidrojenin Helyuma dönüştüğü füzyon reaksiyonları gerçekleşmektedir ve oluşan kütle farkı, ısı enerjisine dönüşerek uzaya yayılmaktadır. Güneş merkezi füzyon reaksiyonu için uygun bir ortamdır. Bir reaksiyonun basit olarak tanımı; protonla bombardımana tutulan Hidrojen molekülü, Hidrojenin türevi olan Döteryuma dönüşür. Kararsız hale geçen iki Döteryum çekirdeği birleşerek daha ağır olan Helyuma dönüşür. Açıkta kalan iki proton ise reaksiyon zincirinin bu tanımına uygun olarak devam etmesini sağlar. Bu reaksiyon
4 sonucunda açığa çıkan enerji çok fazladır. Güneşin bu enerjiye sahip olabilmesi için saniyede 10-38 füzyon reaksiyonuna ihtiyaç duyduğu hesaplanmıştır. Bu da yaklaşık olarak saniyede 657 milyon ton Hidrojenin 653 ton Helyuma dönüşmesi demektir. Bu reaksiyonlar sonucu kaybolan kütle enerjiye dönüşür. Yaklaşık 10 milyar yıl sonra güneşteki Hidrojen yakıtı bitip reaksiyonların son bulması sonucu güneşin, çekim kuvveti etkisiyle büzüşüp beyaz cüce adı verilen ölü bir yıldıza dönüşebileceği tahmin ediliyor. Güneşte açığa çıkan bu enerjinin çok küçük bir kısmı yeryüzüne ulaşmaktadır. Atmosferin dış yüzeyine ulaşan enerji 173.104 KW değerindeyken, yeryüzüne ulaşan değer 1.395 kw a düşmektedir. Yeryüzüne ulaşabilen ışınımın değerinin bu kadar düşük olmasının nedeni, atmosferdeki karbondioksit, su buharı ve ozon gibi gazların ışınımı absorbe etmelerinin yanı sıra kat etmesi gereken yolun uzunluğudur. Dış yüzey sıcaklığı 6000 ºK olarak kabul edilen ve bilinen en büyük siyah cisim olan güneşin yaydığı ışınımın yeryüzüne ulaşabilen miktarı %70 kadardır. Bu eksilmeler ortaya çıkmadan önce, atmosferin dışında ışınım değeri 1367 W/m² dir ve bu değer güneş sabiti olarak alınır. Pratik olarak yeryüzüne ulaşan güneş ışınım değeri 1000 W/m² olarak kabul edilmektedir [2]. Güneş merkezindeki sıcaklık milyonlarca dereceye ulaşırken, yayımlanan ışınımın spektrumunu belirleyen yüzey tabakasının sıcaklığı 6000 ºK dir. Işınım, elektromagnetik özelliğe sahip olup gücün spektral dağılımı (birim dalga boyunda birim alana, birim zamana gelen enerji) sıcaklığın bir fonksiyonudur. Diğer yıldızlardan yeryüzüne elektromagnetik spektrumun değişik aralıklarında enerji gelmektedir ancak, yerkürenin temel enerji kaynağı güneş olup, yerküreye gelen ışınımın büyükçe bir bölümü görünür bölgededir. Enerji taşıyan birimler gibi düşünülebilecek fotonlar, spektrumun görünür bölgesinin kırmızı yanında daha küçük enerji, mavi-mor yanında daha büyük enerji
5 taşırlar. Seçilen bir dalga boyundaki fotonun taşıdığı enerji ve o dalga boyunda birim yüzeye birim zamanda gelen foton sayısı, seçilen dalga boyundaki gücü tanımlar. Dünyamıza güneşten gelen spektrumun, kırmızının ötesinde kalan kızılötesi ve morun ötesinde kalan morötesi bölgelerinde bulunan ışınımında toplam enerjiye önemli bir katkısı vardır. Güneşin gücü, yani bir saniyede güneş sistemine verdiği enerji çok büyük olmasına rağmen yerküre atmosferinin dışına ulaşan tutar, yalnızca küçük bir bölümdür. Güneş ışınımı atmosferi geçerken uğradığı değişimin bağlı olduğu değişkenlerin sayısı oldukça çok olmasına karşın en önemli değişken, ışığın atmosferde aldığı yolun uzunluğudur. Şekil 2.1 de 6000 ºK sıcaklığında siyah bir cismin ışımasının spekturumu, atmosferin hemen dışındaki ve yeryüzündeki güneş ışınımının spektral dağılımı karşılaştırılmaktadır. Şekil 2.1. Güneş ışığı spektrumu [2] Genellikle güneş ışınımı değerlendirilirken atmosfer dışındaki seçilen nokta olarak ele alınıp buna hava kütle sıfırı (air mass 0) adı verilir.
6 Havaküre dışında birim yüzeye gelen toplam güç, tüm spektrumun üzerinden entegre edilirse, ulaşılan değer 13267 W/m² olup bu değer güneş değişmezi olarak kullanılır, güneş ışınları havaküreyi geçerken spektrumları önemli ölçüde değişikliğe uğrar. Bulutsuz ve güneşli bir havada bile güneş ışınları havaküreyi geçerken su buharı, oksijen, karbondioksit, ozon, azot, metan gibi gaz moleküllerinin yanında aerosol ve toz zerreciklerine saçılır ve yeryüzüne ancak havaküre dışındaki enerjinin %70 i ulaşır. Deniz seviyesinde açık bir havada optiksel hava-kütle; güneş ışınlarının aldığı gerçek yolun, güneş tam tepedeyken aldıkları yola oranı olarak tanımlanır. Örneğin güneş tam tepedeyken bu değer, hava-kütle (air mass) olarak adı verilir. Yeryüzüne düşen güneş ışınları, doğrudan güneşten gelen ve havakürede saçıldıktan sonra difüzyona uğramış ışınların toplamıdır. Hava koşullarına bağlı olarak doğrudan güneşten gelen ışınların, saçılmış ışına oranı değişir. Örneğin bulutlu bir günde güneş ışınlarının büyük bir bölümü, saçılmış ışınlardan oluşurken, bulutsuz güneşli bir günde güneş enerjisinin büyük bir bölümü doğrudan ışınlardan oluşacaktır. Doğrudan ve yayılmış ışınım toplamı, küresel ışınım olarak adlandırılır. Fotovoltaik sistemlerin seçiminde, güneş ışınım verileri çok büyük önem taşır. Güneş enerjisi, daha çok binalarda ısıtma, soğutma ve sıcak su elde etmek için kullanılmaktadır. Sıcak su elde etmek amacıyla kullanım, en yaygın olan kullanım biçimidir. Isıtma amacıyla kullanım, ısıyı depolama tekniklerinin gelişimiyle daha verimli kullanılır hale gelecektir. Soğutma ise yıllık güneşlenme zamanının uzun olduğu bölgelerde verimli olmaktadır. Güneş enerjisinden yararlanmak için kullanılan ısıl uygulamalar, düşük, orta ve yüksek sıcaklık uygulamaları olarak üçe ayrılır. Düşük sıcaklık uygulamaları, daha çok düzlem toplayıcılarla su ısıtılması, konut ve sera ısıtılması için kullanılmaktadır. Orta sıcaklık uygulamalarında, güneş ışınımı, odaklı toplayıcılarla toplanarak, sanayi
7 için gerekli sıcak su veya buhar elde etmek için kullanılır. Genellikle bu tip toplayıcılarda, güneş ışınımının sürekli olabilmesi için güneşi izleyen mekanizmalara gerek vardır. 300 ºC sıcaklık değerinin üzerine çıkabilen, geniş bir alana gelen güneş ışınımı bir noktaya odaklanarak, metal erğitme fırınları çalıştırılabilir. İkinci bir uygulama türü ise güneş pilleri kullanarak yapılan fotovoltaik uygulamalardır. Üzerine düşen güneş ışınımını direkt olarak elektrik enerjisine çeviren güneş pilleri doğru akım üretirler. Bu piller, seri veya paralel bağlanarak, ürettikleri akım ve gerilim değerleri yükseltilebilir. Üretilen akımı depolayabilmek için bir akümülatöre gerek vardır. Güneş pilleri, uzay programları için geliştirilmeye başlanmış; ancak sonraki yıllarda, bilinen yollarla elektrik üretiminin zor olduğu ya da uzak olan deniz fenerleri, orman gözetleme kuleleri, çiftlik evleri, dağ evleri gibi yerlerde de kullanılmaya başlanmıştır. Güneş enerjisinden en iyi şekilde yararlanabilmek için, Güneş Kuşağı adı verilen, 45º kuzey-güney enlemleri arasında kalan bölgede yer almak gerekmektedir. 2.3. Türkiye de Güneş Enerjisi Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Türkiye nin güneş enerjisi gücü ilk kez 1970 yılında, bir bilimsel araştırma kapsamında yapılmıştır. Belirlenen olgulara göre Türkiye nin yıllık güneşlenme süresi 2608.8 saat olup, maksimum değer 361.8 saat ile temmuz ayında ve minimum değer 97.8 saat ile aralık ayında görülmektedir. Güneşlenme süresi yönünden en zengin bölge yılda 3015.8 ile Güneydoğu Anadolu dur. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982 yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE
8 tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7.2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kwh/m²-yıl (günlük toplam 3.6 kwh/m²) olduğu tespit edilmiştir. Aylara göre Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri ise Çizelge 2.1 de verilmiştir [3]. Çizelge 2.1. Türkiye nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli AYLAR AYLIK TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ GÜNEŞLENME SÜRESİ (Kcal/cm²-ay) (KWh/m²-ay) (saat / ay) OCAK 4,45 51,75 103,0 ŞUBAT 5,44 63,27 115,0 MART 8,31 96,65 165,0 NİSAN 10,51 122,23 197,0 MAYIS 13,23 153,86 273,0 HAZİRAN 14,51 168,75 325,0 TEMMUZ 15,08 175,38 365,0 AĞUSTOS 13,62 158,40 343,0 EYLÜL 10,60 123,28 280,0 EKİM 7,73 89,90 214,0 KASIM 5,23 60,82 157,0 ARALIK 4,03 46,87 103,0 TOPLAM 112,74 1,311,00 2,640,0 ORTALAMA 308,0 cal/cm²-gün 3,6 kwh/m²-gün 7,2 saat/gün Çizelge 2.2 e göre Türkiye nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı da Çizelge 2.2 de verilmiştir. Ancak, bu değerlerin Türkiye nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır. Bu durumun nedenleri
9 arasında, öncelikle DMİ nin güneş enerjisi ölçümlerini, enerji amaçlı değil tarımsal klimatoloji amaçlı ölçmüş olması, kullanılan cihazların hassasiyetinin düşük olması ve zamanla istasyonların şehir içinde kalması yer almaktadır [3]. Çizelge 2.2. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göre dağılımı BÖLGE TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ (kwh/m²) GÜNEŞLENME SÜRESİ (saat/yıl) G.DOĞU ANADOLU 1460 2993 AKDENİZ 1390 2956 DOĞU ANADOLU 1365 2664 İÇ ANADOLU 1314 2628 EGE 1304 2738 MARMARA 1168 2409 KARADENİZ 1120 1971 Şekil 2.2. Türkiye nin Güneş Enerjisi Haritası
10 Türkiye nin güneş ışınlarını alma potansiyeli Şekil 2.2 de gösterilmiştir. Bu haritaya göre güney bölgelerimizin güneş alma açısı kuzey bölgelerimize göre daha fazla olduğu görülmektedir. Haritada gösterilen 1.kuşak güneş alma açısı en fazla olan kuşaktır. 1.kuşağı sırasıyla 2.kuşak, 3.kuşak ve 4.kuşak takip etmektedir. Burada 4.kuşak güneş alma açısı en düşük olan kuşaktır [4].
11 3. GÜNEŞ PİLLERİ 3.1. Güneş Pillerin Tanıtımı 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. Güneş pilleri bildiğimiz pillerden en büyük farklarından biri daha uzun ömürlü olmaları. Bir güneş pili yaklaşık 20-25 yıl ömre sahiptir. Resim 3.1 de tipik bir silisyum güneş pilinin ön yüzü örnek olarak alınmıştır. Resim 3.1. Tipik Bir Silisyum Güneş Pilinin Ön Yüzü 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. Deniz seviyesinde, parlak bulutsuz bir gündeki ışınım şiddeti maksimum 1000 W/M² civarındadır. Yöreye bağlı olarak 1m² ye düşen güneş enerjisi miktarı yılda 800-2600 KWh arasında değişir. Bu enerji, güneş pilinin yapısına bağlı olarak %5 - %70 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Güneş pilinde mekanik olarak elektrik üreten cihazların aksine hareketli parçalar olmadığından teorik ömürleri sonsuzdur. Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir.
12 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. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kaç Watt tan megawatt lara kadar sistem oluşturulur [5]. Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, invertörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (fotovoltaik sistem) oluştururlar. Güneş pilleri, hali hazırda elektrik şebekesinin olmadığı, yerleşim yerlerinden uzak yerlerde ekonomik yönden uygun olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle ve istenen güçte kurulabilmeleri nedeniyle genellikle sinyalizasyon, kırsal kesimin elektrik ihtiyacının karşılanması vb. uygulamalarda kullanılmaktadır. 3.2. Güneş Pillerinin Özellikleri Güneş pillerinin olumlu ve olumsuz özellikleri şöyle özetlenebilir. Olumsuz özellikleri: - İlk yatırımı yüksektir. - Üretilen akım doğru akım olduğundan, ya doğru akımla çalışan cihazlar ya da eviriciler kullanılmaktadır. - Sürekli üretim yapamadığı için üretilen enerjinin bir akü ile depolanması gerekmektedir. - Güneşleme yönünden zengin bölgelere ihtiyaç vardır. - Her kilovatt güç için yaklaşık 10 m² alana gerek vardır. - Çok fazla güneş ışını alan bölgelerde, sıcaklık nedeni ile verimin azalması söz konusudur.
13 Olumlu Özellikleri: - Güneş radyasyonunun elektrik enerjisine çeviren tüm doğrudan enerji dönüştürücüleri içinde en yüksek verime sahip olanıdır. (Laboratuvarlarda özel olarak imal edilmiş deneysel piller %30 civarında bir verime ulaşabilmektedirler). - İletim hattına gereksinim yoktur, ihtiyacın olduğu yere kurulabilir. - Kurulması çabuk ve kolaydır. İhtiyaca göre kapasitesi kolaylıkla arttırılabilir ya da azaltılabilir. - Modüler yapısı nedeniyle bir modülü devre dışı kalsa bile diğerleri elektrik üretmeye devam eder. - Bakım gereksinimi yoktur. - Oldukça uzun ömürlüdür (teorik olarak sonsuz olmasına karşın ortalama olarak 20-25 yıl). - Sessiz ve temizdir, çevre kirlenmesine neden olmaz. - Seri üretim için uygundur. - Birim ağırlık başına yüksek çıkış gücüne sahiptir. - Ham maddesi silisyum dünyada en bol maddelerdendir. Petrol kömür, bakır gibi tükenebilen maddeleri kullanmaz. - En uzak kırsal alanlara enerji sağlayarak şehirlere göçü ve çarpık şehirleşmeyi engelleyebilir. - Sulamada kullanılarak Güneydoğu Anadolu gibi güneşli fakat çorak yörelerin tarımda ve toplumsal yönden gelişmesini sağlayabilir. Günümüzde güneş pilleri belli alanlarda kendilerini tam olarak kabul ettirmişlerdir. Bu alanlar daha çok, uzak tesislerdeki uygulamalardır. Belli başlıları şöyle sıralanabilir. - Telekomünikasyon ve telemetre tesisleri (radyo link repertörleri, TV yansıtıcıları, telsiz istasyonları, telemetre ve telekomand terminalleri, hava seyrüsefer sistemleri, kırsal telefon sistemleri...)
14 - Katodik koruma tesisleri (petrol ve gaz boru hatları, su izole hatları ve arıtma sistemleri...) - Seyrüsefer işaretleri (deniz fenerleri, karayolu işaretleri, kule ışıkları, demiryolu sinyalleri...) - Bu tip uzak tesisler, dünyanın hemen her ülkesinde kendini kanıtlamışlardır. Su pompaları, su tasfiye cihazları, soğutucular, küçük tekneler, ev ve sokak aydınlatması, karavanalar, şalterler, fanlar ve aspiratörler güneş pillerinin kullanıldığı diğer alanlardır. Bunlardan su pompaları ve aspiratörler hariç hemen tüm uygulamalarda güneş pilinden elde edilen elektrik enerjisinin bir aküde depolanarak ihtiyaç anında kullanılmasına gerek vardır.
15 3.3. Güneş Pillerin Tarihçesi İlk kez 1839 yılında, Fransız bilim adamı Edmund Becquerel, elektrolit sıvı içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek fotovoltaik etkiyi tespit etmiştir [6-10]. Katılarda benzer bir olay ilk olarak, selenyum kristalleri üzerinde, 1876 yılında, William Adams ve Richard Day tarafından gösterilmiştir [7,11-13]. 1894 yılında Charles Fritts, altın ile başka bir metal arasına selenyum tabakası bastırarak, bir yönüyle, ilk geniş alan fotovoltaik paneli hazırlamıştır [7]. 1900 yılında Planck, ışığın parçaçık yapısını yayınlayınca, bilim adamları için bu teori üzerinde geniş çaplı araştırmalar yapma yolu açılmıştır [12]. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerde kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1905 te Albert Einstein tarafından fotovoltaik etkisi düzgün bir şekilde ifade edilmiş ve bu sayede 1921 yıllında Nobel Fizik Ödülü kazanmıştır. 1930 yılında Wilson, foton ile katıların özellikleri arasındaki bağlantıyı teorik olarak gösteren katıların kuantum teorisini yayınladı. Bundan on yıl sonra Neville Mott ve Walter Schottky yarı iletken diyodun teorisini geliştirdi ve 1949 yılında Bardeen, Brattain ve Shockley bipolar transistörü keşfettiler [12]. İlk katı yarı iletken fotovoltaik hücrenin keşfinden sonra (1876) verimi %1 i kısmen geçen ilk fotovoltaik hücrenin yapılması yarım yüzyıl sürmüştür. Bu da düzeltilmiş bölgedeki bir thallium sulfite fotohücresidir [10,16]. Ancak tüm bu gelişmelere rağmen, fotovoltaik hücrelerin kullanımının yaygınlaşması için verimlerinin daha yüksek olması gerekmekteydi. Bu konudaki ilk büyük gelişme, 1954 yılında Chapin, Fuller ve Pearson tarafından %6 verimle çalısan bir silisyum tabanlı fotovoltaik hücrenin üretilmesi olmuştur
16 [14]. Bu gelişmeden dört yıl sonra Resim 3.2 de görüldüğü gibi güneş panelleri ilk defa Vanguard-I orbittin uydusunda kullanılmıştır [10,12]. Resim 3.2. Vanguard-I uydusu 1960 ların başlarında ilk GaAs hücreler üretilmiştir. Verim konusunda silisyuma göre ikinci sırada (~%3) olmasına rağmen bunların Si hücrelere karşı avantajı, aşırı sıcakta bile çalışabilmeleridir. Bu sebeple GaAs ilk pratik uygulaması uzay araçlarına enerji sağlamakla başlamıştır. 1965 yılında Venüs e inen Rus uzay araçları Venera-2, Venera-3 de ve 1970 ve 1972 yıllarında aya inen Lunohhod-I ve Lunohhod-II uzay araçlarında GaAs güneş hücreleri kullanılmıştır [10]. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954 lerde başlamış olmasına karşın, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki 1. petrol bunalımı nı izleyen yıllarda olmuştur. Bu yıllarda; Amerika da, Avrupa da, Japonya da büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış Si kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları devam ederken diğer yandan çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve
17 bu nedenle daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir. 1975 ten sonraki ilk 15 yılda özellikle uzay programları için Si güneş pillerinin üretimi yılda ortalama 100 KW civarındaydı. 1977 yılında Amerika Birleşik Devletleri nde ulusal yenilenebilir enerji laboratuarı açılmıştır. 1986 yılına doğru tüm dünya içinde yerküre uygulamaları için kullanılan modellerin yıllık siparişi 28,6 MW a ulaştı. Martin ve Luque ye göre (2003) fotovoltaik hücrelerdeki bu gelişmeler direkt olarak yarıiletken malzeme ve cihazlar üzerinde yapılan teorik ve teknolojik çalışmalardan kaynaklanmaktadır. Yüksek teknolojiler kullanılarak yarı iletken malzemeler konusunda çok farklı üretimler yapılmaya devam edilmektedir. Şu ana kadar yapılan çalışmalarda bir p-n bağlantısına sahip fotovoltaik hücreler içinde elde edilen en yüksek verim oranı, MOCVD (metal-organik kimyasal buhar deposition) tekniğiyle üretilen bir hücreden elde edilmiştir ve % 27.6 dır(konsantre güneş ışığında ve AM 1.5 spektrumunda) [10]. 2000 li yıllara gelindiğinde Almanya da 100 000 çatının güneş pilleri ile kaplanması için çalışma başlatılmıştır. Aynı dönemlerde Japonya'da 10 000 çatı programı başlatılmıştır. 2004 yılında, Almanya nın Neustodt kentinde 2 MW kurulu güce sahip güneş fotovoltaik güç tesisi şebekeye bağlanmıştır. Tesis 70 000 m² alan üzerine 7000 adet 300 W lık panelden oluşmuştur. Yine Almanya da, Saarbrück havaalanında 1.4 MW lık güneş pili tesisi Ocak ayında hizmete girmiştir. Tesis 40 000 m² lik alan üzerine kurulmuştur. Tesisin yaklaşık kurulum maliyeti 6.5 milyon Euro olup 166 özel yatırımcı tarafından da desteklenmiştir. 2004 yılının sonuna gelindiğinde Almanya da güneş pili toplam kurulu gücü yaklaşık 53 MW olmuştur. Aynı yıl içinde Dünya Bankası 29 ülkede 30 dan fazla projeye destek vermek için bir fon açmıştır. Malta da Malta Üniversitesi
18 bünyesinde kurulmuş bulunan şebekeye bağlı sistemin kurulu gücü 7.5 KW dır. Sun Poker firması, A 300 silisyum güneş pili için Amerikan ulusal yenilenebilir enerji laboratuarında (NREL) ölçüm yaptırarak %21.5 lik bir verime sahip olan bu güneş pilini mart ayında satışa sunmak için harekete geçmiştir. Amerika da Brockton şehrinde Massochusetts Teknoloji firması tarafından 500 KW lık bir güneş pili tesisi daha hizmete girmiştir. Polonya da 2004 yılı sonunda kurulu güç toplamda 107 KW olup bunun 47 KW bölümü şebekeye bağlıdır. Çek Cumhuriyeti nde ise toplam kurulu güç 150 KW olup bunun 120 kw lık bölümü şebekeye bağlıdır. Hindistan da 2004 yılı sonunda toplam PV Kurulu gücü 475 KW olmuştur. 2004 yılı eylül ayında ise Türkiye Büyük Millet Meclisi yeni bir yenilenebilir enerji yasasını çıkarmıştır. Bu yasa gelecek 5 yıllık dönemde 4 5 MW lık bir yenilenebilir enerji kurulumunu desteklemektedir. 2004 yılı ikinci yarısında; Sharp, Sanyo, Kyocera ve RWE Schott Solar gibi firmalar kurulu üretim kapasitelerini artıracaklarını açıklayarak bu alandaki teknolojik yatırımların ve gelişmelerin süreceğinin sinyallerini veriyorlardı. Sharp firması; 315 MW yıllık üretim kapasitesi ile en çok üretim yapan tesisi olarak Shinjo tesisinin olduğunu açıklarken, Sanyo elektronik firması; 2005 yılı üretim kapasitesinin %140 lık bir artışla 153 MW olacağını bildirmiştir. Kyocera ise üretim kapasitesini mart ayı itibariyle %25 lik bir artış oranıyla 100 MW ve haziran sonunda %20 lik artışla 120 MW olarak açıkladı. Bununla birlikte Avrupa nın en geniş fotovoltaik pil üretim ağına sahip olan (RWE) Schott Solar firması 40 milyon Euro olan yatırımını artıracağını açıklamıştır. Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu olan fotovoltaik sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması misyonu uzun yıllar üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak kalmıştır. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamıştır.
19 Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek sosyal maliyet göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerden daha ekonomik olarak değerlendirilebilir [15]. 3.4. Güneş Pilinin Sınıflandırılması Güneş pili teknolojisi, kullanılan maddeler ve yapım türleri açısından son derece zengindir. Güneş pili yapımı için şu anda kullanılmakta olan bir düzineden fazla maddenin yanı sıra, yüzlerce maddenin de üzerinde çalışılmaktadır. Belli başlı güneş pili türleri aşağıda anlatılmaktadır [16]. 3.4.1. Kristal silisyum güneş pilleri Silisyum yarı iletken özellikleri tipik olarak gösteren ve güneş pili yapımında en çok kullanılan bir maddedir ve uzun yıllarda bu konumunu koruyacak gibi görünmektedir. Fotovoltaik özellikleri daha üstün olan başka maddeler de olmakla birlikte, silisyum hem teknolojisinin üstünlüğü nedeniyle hem de ekonomik nedenlerle tercih edilmektedir. 3.4.2. Monokristal silisyum güneş pilleri İlk ticari güneş pillerinde, kristal çekme tekniği ile büyütülen tek kristal yapılı silisyum kullanılmıştır. Fotovoltaik endüstride hala en çok kullanılan yöntem olan bu teknikte öncelikle ark fırınlarında silisyum oksit çeşitli kimyasal ve termal
20 reaksiyonlardan geçirilerek saf silisyum elde edilir. Daha sonra silisyum eriyiğe çekirdek denen tek kristal yapılı bir silisyum parçası batırılır. Bu çekirdek eriyikten çıkarıldığında soğuyan silisyum eriyik, çekirdeğin üzerine külçe şeklinde yığılmış olur. Bu silisyum külçe olur olmaz bir keski ile dilimlere ayrılır. Bu, iki aşamada olur. Önce külçe dikdörtgen bloklar şeklinde kesilir. Daha sonra bu bloklar dilimlere ayrılarak pil şeklinde işlenir. Verimleri %15 civarındadır. Yapım sırasında malzeme kaybının çok fazla olması bu pillerin dezavantajıdır. Yaklaşık olarak 0.5 mm kalınlığında üretilirler. Renkleri koyu mavi olup yaklaşık olarak ağırlığı 10 gr.dan azdır. Şekil 3.1 de görüldüğü gibi Pilin üst yüzeyinde, pil tarafından üretilen akımı toplayacak ve malzemesi genellikle bakır olan ön kontaklar yerleştirilmiştir..(piramit, konik) Kaplamanın altında p-n eklemi bulunmaktadı. Resim 3.3 de Monokristal güneş paneli örnek olarak gösterilmiştir. Şekil 3.1. Güneş pilinin şematik gösterimi Resim 3.3. Monokristal paneli
21 3.4.3. Semikristal (yarıkristal) silisyum güneş pilleri Bu tip piller, sıvı silisyumun soğutulmasıyla elde edilen kümelenmiş küçük silisyum kristallerinden oluşur. Bu pillerin verimleri %14 civarında olup, kümelenmiş silisyum taneciklerinin sınırlarındaki kayıplara bağlıdır. 3.4.4. Ribbon silisyum güneş pilleri Bu piller, malzeme kaybının azaltılması amacıyla levha halinde silisyum tabakalarından yapılırlar. Çeşitli yöntemlerle elde edilen bu piller, halen geliştirme aşamasındadır. Verimleri laboratuar şartlarında %13-14 arasındadır. 3.4.5. Polikristal silisyum güneş pilleri Çok kristalli silisyum üretim teknolojileri daha kolaydır. Maliyeti oldukça düşüktür. Üretimde en çok kullanılan yöntem dökme yöntemidir. Çok kristalli silisyumda başlangıç malzemesi, tek kristalli silisyumda olduğu gibi hazırlanır. İstenilen saflık derecesi de benzerdir. Erimiş olan yarı iletken kalitesindeki silisyum, kalıplara dökülerek soğumaya bırakılır. Daha sonra elde edilen bloklar kare şeklinde kesilir. Bu teknoloji ile üretilen malzemelerden elde edilen güneş pillerinin maliyeti düşük verimi azdır. Halen laboratuar aşamasındaki bu pillerin verimleri %10 dur. Resim 3.4 te bir Poli kristal güneş pili gösterilmiştir. Resim 3.4. Poli kristal güneş pili
22 3.4.6. İnce film güneş pilleri Bu teknikte, absorban özelliği daha iyi olan maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta (tek kristalin 1-500 ü kalınlığında) güneş pilleri yapılır. Örneğin amorf silisyum güneş pillerinin absorbsiyon katsayısı kristal silisyum güneş pillerinin katsayısından daha fazladır. Dalga boyu katsayısı 0.7 mikrondan küçük bir bölgedeki güneş radyasyonu 1 mikron kalınlığında amorf silisyum ile absorblanabilirken, kristal silisyumda ise aynı radyasyonu absorblamak için 500 mikron kalınlıkta malzeme kullanılması gerekmektedir. Bu yüzden amorf yapılı güneş pillerinde daha az malzeme kullanılır ve montaj kolaylığı nedeniyle bir avantaj sağlar. 3.4.7. Amorf silisyum güneş pilleri Cam gibi amorf yapıdaki malzemelerin yapıları, herhangi özel bir düzende sıralanmamıştır. Bu gibi malzemeler, tam olarak kristal yapı sayılmazlar ve bağlama hataları içerirler. Genellikle güç gereksinimi az olan cihazlar kullanılırlar. Bu tür pv hücrelerin laboratuar şartlarında etkinlikleri %13 den daha fazla olduğu görülmüştür. Amorf silisyum güneş pilleri (a-si), ince film güneş pili teknolojisinin en önde gelen örneğidir. İlk yapılan a-si piller Schottky bariyer yapısında iken, daha sonraları p-i-n yapıları geliştirilmiştir. Boyut olarak monokristal ve polykristal panellere göre daha büyük boyutlarda üretilmektedir. P-i-n yapısındaki pillerin fabrikasyonu kalay oksitle kaplı iletken bir yüzeyin üzerine çöktürme yöntemi ile yapılır, bu yüzeyin arkası daha sonra metalle kaplanır. Amorf silikon, güneş ışınımını tek kristal silikondan 40 kez daha etkin bir şekilde soğurur. Sadece yaklaşık 1µm kalınlığındaki film, güneş enerjisinin %90 ını soğurabilir. Bu durum A-Si PV hücrelerinin düşük maliyetli olmasını etkileyen en önemli özelliktir.
23 3.4.8. Kadmiyum Tellür İnce film Güneş Pilleri Periyodik tablonun ikinci gurubunda bulunan kadmiyum elementinin ve altıncı gurubunda bulunan tellür elementini bir araya gelmesiyle oluşan IIVI birleşik yarı iletkeni kadmiyum tellürün, CdTe, oda sıcaklığında yasak enerji aralığı, Eg=1.5 ev değeri ile, güneş spekturumundan maksimum dönüşümü elde etmek için gerekli olan değere oldukça yakındır. yüksek soğurma katsıyı yanında, ince film büyütme teknolojisinin bir çoğu ile kolayca üretime olanak tanjması, geniş yüzey alanlı güneş pili üretiminde CdTe birleşik yarı iletkeninin öne çıkmasının sağlamıştır. CdTe çoğunlukla kadmiyum sülfür CdS, ile bir araya getirilerek heteroeklem diyod üretilir. Yasak enerji aralığı yaklaşıkça 2.4 ev olan CdS yarı iletkeni çok ince bir tabaka olarak uygulanır. Güneş ışınımının çoğunu geçiren CdS, hetero-eklem de pencere görevi yapar. CdT ince film büyütmede üç teknoloji ortaya çıkmıştır. Bunlardan birincisi olan yakın mesafeden buharlaştırma (close space Sublimation, CSS) yöntemi ile en yüksek kalitede CdTe malzeme üretilmektedir. Bu yöntemde sıcaklık farklılıkları çok az olan kaynak ve filmin büyüdüğü yüzey biri birine çok yakın tutularak malzemenin sublimasyon yoluyla büyümesi sağlanır. Bu yöntemi kullanan ANTEK firması (Almanya) geniş ölçekli üretime geçmenin ön çalışmalarını Erfurt Almanya da yapmaktadırlar. İkinci CdTe büyütme yöntemi olan elekrodepozisyon (elektrotta birik tirim) yönteminde ise, kadyum ve tellür iyonu taşıyan elektrolitten akım geçirilerek CdTe yarı iletkeninin katotta büyümesi sağlanır. Çok ucuz olan bu yöntemde büyüyen malzemenin denetimi CSS yönteminde olduğu kadar kolay değildir. BP solar firması bu yönteme dayalı pilot üretime başlamış olup, 10 megawatt/yıl üretim kapasiteli bir fabrikayı Fairfeld California ABD kurma çalışmalarını sürdürmektedir. Bunlara rağmen BP solar, Solar Inc., ve Antek gibi uluslu şirketler büyük ölçekli üretimler için ciddi adımlar atmaktadır.
24 3.4.9. Bakır indiyum diselenoid güneş pilleri Periyodik tablonun birinci, üçüncü ve altıncı guruptan elementlerin üçüncünün yada daha fazlasının bir araya gelmesi ile oluşan bu bileşik yarı-iletkenlerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup, yasak enerji aralıkları güneşin spekturumu ile ideal bir şekilde uyuşacak biçimde ayarlanabilir. Bakır indiyum ve selenyum dan yapılan üçlü bileşik yarı-iletkenle başlayan bu grup (CIS) güneş pilleri olarak anılır. CdTe güneş pillerine en yakın rakip olarak gözükmektedir. Bu gün CIS ince film güneş pillerinin çoğunluğu içerisinde Ga elementinin katılması ile daha yüksek verimlilikler elde edilir. Ancak yarı-iletkeni oluşturan element sayısı artıkça gereken teknoloji ve malzemenin özelliklerinin denetimi de bir o kadar karmaşık duruma gelmektedir. Laboratuardaki küçük alan pillerin verimliliği %18 e kadar ulaşırken, 900 cm² yüzey alana sahip modüllerin verimlilikleri ancak %15 dolayındadır. CIS pillerde uygulanan teknolojilerden iki tanesi öne çıkmıştır. Bunlardan birincisi, elementlerin eş zamanlı olarak vakumda buharlaştırılmasıdır. İkinci yöntem, herhangi bir yöntemle büyütülen bakır-indiyum ince film alaşımının uygun bir ortamda selenyumla tepkimeye sokulmasıdır (Selenizasyon). Her iki durumda da soğurucu olarak kullanılan CIS yarı-iletken, CdS ile bir araya getirilerek heteroeklem diyot oluşturulur. CdS tabakaların üretilmesinde ortaya çıkan yöntem CdTe tabakalarında olduğu gibi burada da kimyasal banyo yöntemidir. Metal elementlerin buharlaştırılmasının ardından selenizasyonu seçen Shell-Showa ve Siemens Solar gibi firmalardan Siemens Solar 5-10 watt değerinde küçük modül üretiminde ABD başlamıştır. CIS tabakaların büyütülmesinde Stuttgart Üniversitesi (Almanya) tarafından geliştirilen ve yine bir alman firması olan ZSW tarafından üretime hazır hale getirilen eş zamanlı olarak vakumda buharlaştırma yöntemi üretim yöntemlerinden birisidir. Bu ince film güneş pillerinde test altındaki uzun dönem modül verimlilikleri %10 değerinin altında kalmaktadır.
25 3.4.10. Diğer yapılar Bakır indiyum diselenoid (CuInSe) maddesinden yapılan ve verimleri %13 civarında olan piller halen gelişme aşamasındadır ve daha kararlı çıkışa sahip olduğu için absorban özelliği yüksek, verimleri de %12 civarındadır. Bu güne kadar elde edilen en yüksek verime (%24) galyum arsenitten yapılan piller ulaşmıştır. Bu madde ile çeşitli türde piller elde edilebilmekle birlikte, pahalı olduğu için pillerin, güneş spektrumunun daha büyük bir bölümünden yararlanabilmesi amacı ile denenen bir yöntem ise, birden fazla ince film yapısının üst üste konmasıyla elde edilen çok eklemli film yapılarıdır. Bunların dışında, güneş ışınımının yüksek verimli pillerin üzerine optik olarak yoğunlaştıran sistemler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu tür sistemlerde güneşin hareketini izleyen düzeneklerin yanı sıra, güneş ışığını kıran (mercek) ya da yansıtan (ayna) eleman kullanılır. 3.5. Güneş Pili Güç Verimlilikleri Fotovoltaik güneş pillerinin sürekli gelişimlerine bağlı olarak verimliliklerinin özetlendiği çizgilerin geçerlilik süreleri oldukça kısa olmaktadır. Ancak, karşılaştırılmalı bir kaynak olması amacı ile Fraunhofer Enstitüsü tarafından yapılan en yüksek verimlilikleri gösteren özet aşağıdaki Çizelge 3.1 de verilmiştir [17].
26 Çizelge 3.1. Bazı güneş pillerinin verimlerinin çizelge üzerinde gösterilmesi (Global AM1.5 spektrumu, 1 000 Wm-², 25 C) [18]. (ap):aktif alan; (t):toplam alan; (da):seçilmis aydınlanma alanı; JQA:Japan Quality Assurance, NREL=National Renewable Laboratory. Güneş pili yapımında kullanılan malzemenin reserv durumları da oldukça önemli değişkenler olarak karşımıza çıkmaktadır. Silisyum, doğada en çok bulunan element
27 olması nedeni ile reserv konusunda geleceğe yönelik bir sorun yoktur. Diğer seçenek malzemeleri oluşturan elementlerin reserv durumları dünya da ki yıllık üretim ve 500 MW güç üretimi için gerekli miktar Çizelge 3.2 de özetlenmiştir. Çizelge 3.2 Güneş pili yapımında kullanılan maddelerin dünya rezervleri ve üretimi Element Dünya Rezervleri Dünya Yıllık Üretimi 500 MW güç için gereken miktar Ton CD 970 000 20 000 25 Te 39 000 404 28 In 5 700 180 25 Se 130 000 2000 60 Ga 1 000 000 35 5 3.6. Güneş Pillerinin Yapısı ve Yarı İletkenler Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, yarıiletken maddelerden üretilmektedir. Yarıiletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, GaAs, CdTe gibi malzemelerdir [19]. Bilindiği gibi madde, pozitif yüklü çok ağır bir çekirdekle, onun etrafında belirli yörüngelerde dolanan elektronlardan meydana gelmiştir. Bu yükler, dış tesir yoksa birbirini dengeler. Elektronlar, yörüngelerinin bulunduğu yarıçapa, orantılı olarak potansiyel ve kinetik enerji taşırlar. En dış yörünge de maksimum 2, sonrakinde 8 ve üçüncüde 18 elektron bulunabilir. Elektronlar, ard arda gelen ve her biri belli sayıda elektron bulunduran enerji bandlarında bulunurlar. Dışarıdan enerji alan bir elektron bir üst seviyedeki banda çıkabilir. Daha düşük banda geçen elektron da dışarı enerji yayar. Son tabaka elektronlarına valans (denge) elektronları denir ve cisimlerin kimyasal bileşikler yapmalarını temin eder. Son tabakası dolmamış bir atomun, bir başka cisme ait komşu atomdan elektron kapmaya yatkınlığı vardır. İç tabaka elektronları ise çekirdeğe çok sıkı bağlıdırlar.termik enerji verilirse, elektronun yörüngesi etrafında titreşimi arttırır.
28 Elektron, yörüngesini muhafaza ettiği müddetçe ne enerji yayar, ne de absorbe eder. Bir elektron, uyarımla, atomu terk edecek enerji kazanıp ayrılabilir. Atom (+) iyon şekline geçer (Bkz. Şekil 3.2.). Şekil 3.2. Silisyum ve Germanyum Yarı İletkenlerinin Yapısı İzoleli atomda (gazlarda) elektronlar, belirli bir enerji bandını işgal ederler. Bir kristalin atomları, kristal içinde muntazam diziler halinde yer alırlar. Atomlar, birbirlerine çok yakındırlar ve elektronlar, birbirine yakın enerjileri temsil eden enerji bandları üzerinde bulunurlar. Örneğin; bir germanyum atomunda, tek bir atom ele alınırsa atom temel haldedir. Mutlak sıfır, sıcaklıkta, elektron minimum enerji seviyesine sahiptir. Germanyum kristalinde ise, mutlak sıfır sıcaklıkta, temel seviyenin yerini valans bandı alır. Bundan sonra, hiçbir elektronun bulunmadığı yasak bölge ve sonra da yüksek enerjili iletkenlik bandı bulunur. Bu sıcaklıkta Ge kristalinde iletkenlik bandında hiçbir elektron bulunmaz, yani kristal ideal bir yalıtkandır. Yalıtkan, yarıiletken, iletken maddelerin enerji bandları Şekil 3.3 de görülmektedir.
29 Şekil 3.3. Enerji Bandları Ge kristalinin iletkenlik kazanabilmesi için, iletkenlik seviyesine electron temin edilmelidir. Bunun için gerekli enerji 0.7 ev civarındadır. Fotoelektrik olay için Eg, kristalin soğurabileceği minimum enerjisini gösterir. Buna karşı, bir metalik kristalde yasak band yoktur, iletkenliği temin edecek, iletkenlik bandında çok sayıda elektron bulunur. Elmas için E=7 ev luk enerji ile elektron yasak band geçilebilir. Bunun için malzemeye büyük elektrik voltajı uygulanması gerekir. Bu ise malzemeyi tahrip eder. Yarı iletkenlerde, yasak bandı geçmek için (1 ev) yeterlidir, oda sıcaklığında kristal atomlarından birkaç tanesinin elektronları, iletkenlik bandına geçer ve iletkenliği sağlar. Geride bıraktığı boşluğa da başka bir elektron gelir ve o da iletkenliğe katılmış olur. Bir kristal, ortak elektronla birbirine bağlı atomların düzgün olarak yerleşimiyle meydana gelmiştir. İyonik bağdan farklı olan bu birleşmeye Kovalent bağ denir. Valans elektronlar, kovalent bağ içinde, bir atomdakinden daha düşük enerji seviyesindedir. Kristali bozmak için, bu enerji farkı kadar enerji gerekir. Bu kristalin kararlılığını gösterir.
30 İki atomu birbirine bağlayan valans elektronların serbest hale geçmesi için gerekli enerji; metaller için sıfır, yalıtkanlar için birçok elektron volt, yarı iletkenler için 1eV civarındadır. Elektronların çekirdekten uzaklığa göre enerji seviyeleri Şekil 3.4 te verilmiştir [20]. Şekil 3.4. Elektronların çekirdekten uzaklıklarına göre enerji seviyeleri 3.6.1. N tipi yarı iletken Elde edilen yarıiletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. Güneş pili üretiminde en yaygın olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için, Si eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, örneğin fosfor (P) eklenir. Şekil 3.5.a da görüldüğü gibi; Silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron bulunduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle 5. grup elementlerine "verici" ya da n tipi katkı maddesi denir.
31 Donör enerji seviyesi iletkenlik bandına çok yakın olduğundan (Şekil 3.5.b); bu seviyedeki donör atomları, çok küçük bir enerjiyle iyonlaşarak iletkenlik bandına geçerler. Bu şekilde, iletkenlik bandındaki elektron sayısının artmasına karşılık, valans bandında boşluklar oluşmaz. Böylece elde edilen n-tipi yarıiletkende, çoğunluk yük taşıyıcıları elektronlar ve azınlık yük taşıyıcıları da boşluklardır. Elektronların elektriksel iletkenliğe katkısı hollerden daha fazladır [21,22]. (a) Şekil 3.5. n tipi yarıiletken kristal yapısı (a) ve enerji band diyagramı (b) (b) 3.6.2. P tipi yarı iletken p tipi Si elde etmek için, eriyiğe 3. gruptan bir element (Al, In, B gibi) eklenir. Şekil 3.6.a da görüldüğü gibi, bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron bulunduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur. Bu elektron yokluğuna boşluk ya da delik denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de p tipi ya da alıcı katkılı maddeler denir. Alıcı enerji seviyesi, valans bandına çok yakındır (Şekil 3.6.b). Bu seviyede bulunan alıcı atomları, bağlarını tamamlayabilmek için valans bandından elektron alırlar. Valans bandından alıcı enerji seviyesine geçen her elektron, valans bandında bir boşluk oluşturmasına karşın; iletkenlik bandındaki elektron sayısı artmaz. Böylece
32 elde edilen p tipi yarıiletkende, çoğunluk yük taşıyıcıları boşluklar ve azınlık yük taşıyıcıları da elektronlardır. Boşlukların elektriksel iletkenliğe katkısı elektronlardan daha fazladır [21,22]. Fermi enerji seviyesi; bir katıda, mutlak sıfır sıcaklığında (T=0 K), elektronların bulunabileceği en yüksek enerji seviyesi olarak tanımlanır [23]. Fermi enerji seviyesi, katkı maddesi içermeyen saf yarıiletkenlerde yasak bandın ortasındadır. Katkılı yarıiletkenler için katkı türüne ve yoğunluğuna bağlı olarak; yasak bant içerisinde, aşağı ya da yukarı doğru kayar [21,22]. (a) (b) Şekil 3.6. p tipi yarıiletken kristal yapısı (a) ve enerji band diyagramı (b) n tipi yarıiletkenlerde Fermi enerji seviyesi; yasak enerji aralığının ortasından ayrılarak, iletkenlik bandına doğru kayar. Kayma miktarı, katkılanan maddenin yoğunluğuna bağlıdır. p tipi yarıiletkenlerde Fermi enerji seviyesi; yasak enerji aralığının ortasından ayrılarak, valans bandına doğru kayar. Kayma miktarı, katkılanan maddenin yoğunluğuna bağlıdır.
33 3.7. Güneş Pilinde P-N Eklemi p-n eklemleri incelenirken, p-tipi bir yarıiletkenle n-tipi bir yarıiletkenin fiziksel olarak birbirine eklendiği düşünülür (Şekil 3.7.a). p-n eklemi oluşturulduğunda; eklem bölgesinin yakınındaki serbest yükler, yoğunluklarının az olduğu bölgeye doğru difüzyonla hareket ederler. n-tipi bölgesinin çoğunluk yük taşıyıcıları olan serbest elektronlar p-tipi bölgesine, p-tipi bölgesinin çoğunluk yük taşıyıcıları olan serbest boşluklar n-tipi bölgesine difüzyonla geçerler. Bu geçisin sonucu olarak, eklemin her iki tarafındaki atomlar iyonlaşırlar. Eklemin p-tipi bölgesi negatif, n-tipi bölgesi pozitif yüklenir. Çoğunluk yük taşıyıcılarının yoğunluklarının az olduğu bölgeye doğru olan geçişleri, p-tipi ve n-tipi bölgeleri arasında termodinamik bir denge kuruluncaya kadar devam eder. Her iki bölgenin Fermi enerji seviyeleri aynı olduğunda yük geçişi durur ve eklem çevresinde bir elektrik alan oluşur. Bu elektrik alanın yönü n-tipi bölgeden p-tipi bölgeye doğru olurken, büyüklüğü kullanılan yarıiletkenlere ve bunların katkılanmalarına bağlı olarak değişir [24]. p-n ekleminin oluşumu sırasında iyonlaşan donör ve alıcı atomları arasında kontak (temas veya difüzyon) potansiyeli denilen bir potansiyel farkı meydana gelir (Şekil 3.7.b). (a) (b) Şekil 3.7. P-n ekleminin oluşumu
34 Şekil 3.8 de görüldüğü gibi; yasak band aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans bandındaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar ve elektron, arkasında bir boşluk bırakır. Böylece, bir elektron-boşluk çifti oluşur. Şekil 3.8. Yarıiletkende ışığın soğurulması Bu olay, bir p-n eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektronboşluk çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar. 3.8. Fotovoltaik Etki Bir atomun valans bandındaki elektronu tarafından ışık fotonu absorbe edilirse, elektronun enerjisi fotonun enerjisi kadar artar. Eğer fotonun enerjisi yarıiletkenin
35 band aralığına eşit veya büyükse elektron iletkenlik bandına sıçrar ve serbest hareket eder [11,12]. Eğer fotonun enerjisi elektronu iletkenlik bandına çıkaracak seviyede değilse bu enerji ısı enerjine dönüşerek malzemenin sıcaklığını artırır. Eğer fotonun enerjisi elektronu iletkenlik bandına çıkartmaktan çok daha fazla ise bu fazla enerji malzemede ısı enerjisine dönüşür. Burada şu hususu özellikle belirtmek gerekir; bir foton, enerjisi ne kadar yüksek olursa olsun sadece bir elektronu serbest hale getirebilir. Yukarıda belirtilen sebeplerden dolayı bir fotovoltaik panelin yüzeyine gelen güneş ışığı enerjisi ancak belli bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Fotovoltaik malzemelerde verimin düşük olmasının en büyük sebebi budur. Fotovoltaik etkiyle oluşan elektronlardan güç olarak faydalanabilmek için oluşan serbest elektronların boşluklarla birleşmeden yönlendirilerek kanallanması gerekmektedir [11,12]. Şekil 3.9 da bir fotovoltaik malzemenin şematiğini göstermektedir. N-tipi yarıiletken yüzeye fotonların çarpması sonucu oluşan serbest elektronlar ya harici devre üzerinden dolaşarak p-tipi malzemedeki boşluklarla birleşecek yada pn ekleminin içinden direkt olarak p-tipi malzeme tarafına geçmeye çalışacaktır. Harici devre açık devre olmadığı sürece p-tipi malzeme tarafındaki negatif yükler bu direkt geçisi büyük ölçüde sınırlandıracaktır. Eğer harici devre açık olursa serbest elektronlar sonuçta boşluklarla birleşecek ve malzemede sıcaklık artışı olacaktır [11]. Şekil 3.9. Bir fotovoltaik malzemenin çalışma prensibi [11].
36 3.9. Güneş Pilinin Eşdeğer Devresi Şekil 3.10 da bir fotovoltaik hücrenin eşdeğer devresi görülmektedir. Görüldüğü gibi eşdeğer devre, bir akım kaynağı, bir diyot, seri direnç(rs) ve paralel (shunt) dirençten (rsh) oluşmaktadır. Şekil 3.10. PV hücrenin eşdeğer devresi Seri direnç (rs) PV hücrenin ön yüzündeki direnç kayıplarını, shunt direnç (rsh) ise diyot kaçak akımından kaynaklanan kayıpları temsil etmektedir. PV hücrenin enerji çevrim verimi şu şekilde tanımlanır: η = pm / pin ( 3.1 ) Pm, hücrenin maksimum güç noktasındaki gücü, Pin ise hücreye gelen güneş ışınının gücüdür. 3.10. PV Güneş Pili Karakteristikleri Bir Fotovoltaj güneş pilinin elektriksel özelliklerini belirlemek için bu pilin akım ve geriliminin yükten nasıl etkilendiğini gözlemek gerekir. Bu amaçla Şekil 3.11 (a) da verilen bağlantı kullanılabilir. Bu şekilde, PV pil paneli seri bağlı bir ampermetre üzerinden ayarlanabilen bir yüke doğrudan bağlanmıştır. Günün belirli bir saatinde, gün ışığı ve ortam sıcaklığındaki değişmelerin ihmal edilebilecek kadar az olduğu kabul edilerek, yük açık konumdan uçlarının kısa devre olduğu konuma kadar ayarlanırken, ampermetre ve voltmetredeki değerler her yük kademesi için
37 kaydedilip grafik olarak çizilirse, Şekil 3.12 de verilen Akım-Gerilim (I-V) karakteristiği elde edilebilir. Şekil 3.11.(a). PV pil panelinin doğrudan doğruya ayarlanabilen bir yüke bağlanması (b). PV pillerin seri-paralel bağlanmasıyla oluşturulan PV güneş pili paneli PV güneş pili paneli oluşturulurken, gerekli çıkış gerilimini elde etmek için yeterli sayıda (mesela Ns adet) pil seri bağlanırken, gerekli akımı elde edebilmek için de pillerin seri bağlanmasıyla meydana gelen yeterli sayıda (mesela Np adet) kol paralel bağlanır. Bu durum Şekil 3.11 (b) de daha açık olarak verilmektedir. Dolayısıyla, Şekil 3.11 (a) da verilen PV pil paneli ve bağlantı devresi kullanılarak yapılan ölçümler, bu PV pil panelinin akım ve gerilimini verir. Eğer panelin akımı IPANEL, gerilimi de VPANEL ile gösterilirse, paneli oluşturan her bir pilin akım ve gerilimi sırasıyla, I pil = I PANEL/ Np (3.2) Vpil = V PANEL/ Ns (3.3) bağıntıları kullanılarak belirlenebilir. Panelin çıkış gücü; P PANEL = V PANEL I PANEL (3.4) olarak elde edilirken, bir tek pilin gücü de; Ppil = Vpil I pil = V PANEL/ Ns I PANEL/ Np = P PANEL / Ns Np (3.5)
38 bağıntısı kullanılarak belirlenebilir. Şekil 3.12. PV pil panelin Akım-Gerilim (I-V) karakteristiğinin yükle değişimi Gerek yukarıda verilen denklemlerden, gerekse Şekil 3.12 den anlaşılacağı gibi, bir PV pilin ya da panelin akım ve gerilimden herhangi biri ya da her ikisi birden sıfırken, çıkış gücü de sıfırdır. Dolayısıyla çıkış gücünün değişimi Şekil 3.13 de görüldüğü gibi olur.
39 Şekil 3.13. PV pilin I-V ve P-V karakteristikleri Şekil 3.13 den anlaşılacağı gibi çıkış gücü, akım ve gerilimin belirli değerlerinde maksimum olmaktadır. Birazdan açıklanacağı gibi bir PV pili ya da panelinin maksimum çıkış gücü, üzerine gelen günışığı seviyesi ve çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişir. Dolayısıyla kurulan ve işletilen bir PV pil panelinden daha verimli bir şekilde faydalanmak için, o panelin çıkış gücünü mümkün olan maksimum değerinde tutmak gerekir. PV pilin Şekil 3.13 de verilen I-V ve P-V karakteristikleri 20 C lik çalışma sıcaklığı ve 80 mw/cm² lik günışığı şiddeti (güneş radyasyonu seviyesi) varken elde edilen karakteristiklerdir. Çalışma sıcaklığı ya da günışığı şiddeti değiştikçe bu karakteristiklerin biçimleri aynı kalacak şekilde akım, gerilim ve dolayısıyla güç değerleri de değişir. Çalışma sıcaklığındaki değişimlerin I-V ve P-V karakteristikleri nasıl etkiledikleri Şekil 3.14 (a) ve (b) de, günışığı şiddetindeki değişimlerin I-V ve P-V
40 karakteristikleri nasıl etkiledikleri ise Şekil 3.15 (a) ve (b) de verilmiştir. Şekil 3.14 (a) dan görüleceği gibi, çalışma sıcaklığının artması PV pilin çıkış gerilimini olumsuz yönde etkilemektedir. Sıcaklığın artmasından akım da etkilenmektedir. Ancak sıcaklıktaki değişimin asıl etkisi pilin çıkış gerilimi üzerinde görülmektedir. Ortam sıcaklığının yüksek olması, pilin çalışma sıcaklığını da yükselteceğinden, güneş enerjisinin termik uygulamalarının aksine, PV piller için soğuk ortamlar daha uygundur. Benzer etki, Şekil 3.14 (b) de, PV pilin çıkış gücünde de görülmektedir. Gerilimdeki azalma doğrudan doğruya güce yansıdığından, çalışma sıcaklığındaki artış çıkış gücünü de olumsuz yönde etkiler. Şekil 3.14. PV güneş pilinin akım, gerilim ve gücünün sıcaklıkla değişimi Günışığı şiddetinde meydana gelen artışlar, Şekil 3.15 (a) da verildiği gibi PV pilin çıkış akımını olumlu yönde etkilemektedir. Işık şiddetinin akımda meydana getirdiği bu artış, sıcaklığın meydana getirdiği artışa göre oldukça yüksektir. Işık şiddetindeki artış hem pil çıkış akımında hem de pil çıkış geriliminde bir artışa neden olmaktadır. Ancak gerilimdeki artış, akımdaki artışa göre daha küçüktür. Şekil 3.15 (b) den de görüleceği gibi, ışık şiddeti arttıkça PV pilin çıkış gücü de artmaktadır. Güçteki bu artışın kaynağı, anlaşılacağı gibi hem akımdaki hem de gerilimdeki artıştan kaynaklanmaktadır.
41 Şekil 3.15. PV güneş pilinin akım(a), gerilim ve gücünün ışık şiddetiyle değişimi(b) Verilen bu karakteristikler incelendiğinde şu sonuca varmak mümkündür: PV güneş pillerinin performansı, ışık şiddeti yüksek sıcaklığı düşük ortamlarda daha iyidir. Bu sonuç Şekil 3.16 te verilen grafiklerden açıkça anlaşılmaktadır. Bu şekilde verilen grafikler, PV pil çıkış gücünün farklı çalışma sıcaklığı ve günışığı şiddetleri için elde edilen maksimum değerleri ile bu maksimum güce karşılık gelen akım ve gerilim değerlerini temsil etmektedirler. Görüleceği gibi çalışma sıcaklığı arttıkça PV pilin maksimum çıkış gücü ve P-V karakteristiğinde bu güce karşılık düşen gerilimi azaltmaktadır. Benzer şekilde, ışık şiddeti, ya da güneş radyasyonu seviyesi arttıkça PV pilin maksimum çıkış gücü de artmaktadır. Ancak ışık şiddeti arttıkça, maksimum çıkış gücünün yanısıra, hem bu güce karşılık gelen pil akımı hem de pil gerilimi artar. Şekil 3.16 (a) ve (b) de PV pilin maksimum gücüne karşılık gelen akım değerlerinin sıcaklık ve ışık şiddetiyle arttığı görülmektedir. Sıcaklığın akımda meydana getirdiği bu artış oldukça az iken, ışık şiddetinin meydana getirdiği artış daha belirgindir. Maksimum çıkış gücü Pm ve bu güce karşılık gelen gerilim Vm ile akım Im, Şekil 3.16 de birim değerler (per units - pu) türünden verilmiştir. Gerçek gerilim, akım ve güç değerleri, ilgili taban değerlere bölünerek bu pu değerler elde edilmişlerdir. Söz konusu taban değerler şekil üzerinde her bir büyüklük için ayrı ayrı verilmektedir. Bu pu değerleri gerçek değerlerine dönüştürmek için verilen ilgili taban değer ile çarpmak gerekir.
42 Verilen bu eğriler PV pilin imalatında kullanılan yarıiletken malzemenin türüne, sıcaklık ve ışık şiddetindeki değişimlerin miktarına göre biraz değişebilirler. Ancak genel anlamda I-V ve P-V karakteristikler Şekil 3.14, 3.15 ve 3.16 te verilen özelliklere sahiptirler. PV pil karakteristiklerinde, pil çıkış geriliminin artan sıcaklıklarda daha az olduğu görüldü. Bunun nedeni, sıcaklığın pil kayıplarını artırmasıdır. Sıcaklık arttıkça P-N birleşim noktası kayıpları da artar. Bu kayıplar pilde ısıya dönüştürülerek harcanır. Bu nedenle PV piller modellenirken, eşdeğer devrelerine seri-paralel dirençler eklenir. Eğer pil modelindeki seri direnç değeri yüksekse bu dirençte meydana gelen gerilim düşümü de yüksek olur ve pil çıkış gerilimi azalır. Pilin soğuk bir ortamda bulunması, ısınmasını azaltacağından, gerilimdeki düşüşü de azaltır. Pil çıkış akımındaki azalma ise, pil modelinde paralel bir dirençle temsil edilir. Şekil 3.16. PV pilin maksimum çıkış gücü ve bu güce karşılık gelen gerilim ve akımının; (a). Sıcaklıkla, (b). Işık şiddetiyle değişimi PV güneş pillerinin karakteristikleri incelendiğinde, akım-gerilim ya da güç-gerilim ilişkilerinin klasik doğru akım kaynaklarınınkilere benzemediği görülür. PV pillerin bu karakteristikleri doğrusallıktan oldukça uzaktır. Öyle ki, maksimum çıkış güçleri maksimum akım ve gerilim değerlerinde değil, akım-gerilim karakteristiğinin diz bölümü civarındadır. Ayrıca PV güneş pilleri sıcaklıktan olumsuz yönde
43 etkilenmektedir. Sıcaklık arttıkça PV pilin çıkış gerilimi ve gücü azalmaktadır. Karakteristiklerin gösterdiği sonuçlara göre ışık şiddeti PV pillerin temel enerji kaynağını oluşturmaktadır. Dolayısıyla soğuk ve güneşli ortamlar PV güneş pilleri için en uygun ortamlardır.
44 4. GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİ 4.1. Şebekeden Bağımsız Sistemler Sistem tasarlanırken öncelikli olarak ihtiyaç duyulan enerji miktarı belirlenir. Yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda ya da özellikle gece süresince kullanılmak üzere, genellikle sistemde akü bulunur. Güneş pili modülleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek, bunu akümülatörde depolar. Yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır [3]. Bir fotovoltaik sistemdeki akülerin, güneş pili modülleri tarafından aşırı şarj olmasından ya da yük tarafından aşırı deşarj olmasından zarar görmesini engellemek için bir denetim birimi gereklidir. Bu denetim birimine şarj kontrolörü de denir. şarj kontrolörü, fotovoltaik modüllerden aküye ve yüke akan akımı düzenler. Kontrolör, aküyü aşırı şarj etmeden sürekli tam şarj durumunda tutar. Yük çekmeye başladığı zaman; kontrolör şarjın modüllerden aküye, yüke veya her ikisine birden akışına izin verir. Aküler tamamen şarj olduğunda, modülden geçen şarj akışını durdurur. Ayrıca birçok kontrolör yüklerin aküden çok fazla akım çektiğini tespit ederek, akü yeterli şarja sahip olana kadar akımı durdurur [5]. Şekil 4.1 de Güneş panel sistemini oluşturan temel donanımları gösterilmektedir.
45 Şekil 4.1. Güneş panel sistemini oluşturan temel donanımlar 4.2. Şebekeye Bağımlı Sistemler Şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri yüksek güçte santral boyutunda sistemler şeklinde olabileceği gibi daha çok görülen uygulaması binalarda küçük güçlü
46 kullanım şeklindedir. Bu sistemlerde örneğin bir konutun elektrik gereksinimi karşılanırken, üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılır, yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda ise şebekeden enerji alınır. Böyle bir sistemde enerji depolaması yapmaya gerek yoktur, yalnızca üretilen DC elektriğin, AC elektriğe çevrilmesi ve şebeke uyumlu olması yeterlidir [3]. şebekeye bağımlı sistemlerde kullanılan invertörler; şebekeden yüke, fotovoltaik örgüden yüke ve örgüden şebeke ağına akan elektriği, şebekenin AC dalga formuyla uyum sağlayacak şekilde düzenlemek zorundadırlar [5]. Şebekeye bağımlı fotovoltaik sistemler iki başlık altında ele alınabilir: Bunlardan birincisi, şebekeye bağımlı fotovoltaik güç santralleridir. İkincisi ise, şebekeye bağımlı dağıtılmış fotovoltaik güç santralleridir. 4.2.1. Şebekeye bağımlı fotovoltaik güç santralleri Güçleri, 10 kilowatt ile onlarca megawatt arasında değişen fotovoltaik sistemler olup, çoğunlukla yerel enerji gereksinimlerine destek olmak üzere kurulmuşlardır. Özellikle güç gereksiniminin arttığı saatlerde, yerel fotovoltaik sistemlerini devreye sokacak düzenlemeler için ticari olarak enerji hatlarının geliştirilmesinden daha çekici olabilmektedir [24]. Fotovoltaik santral olarak adlandırılan yüksek güçteki güneş pili jeneratörleri; akü yedekli, dizel ve/veya rüzgar jeneratörü yedekli veya şebekeye bağımlı olarak çalıştırılırlar. 4.2.2. Şebekeye bağımlı dağıtılmış fotovoltaik güç sistemleri Son yıllarda yaygın hale gelen bu sistemlerden tipik olarak 1 kilowatt ile 50 kilowatt arasında güç elde edilebilmektedir. Kullanıcıların bina çatı ve yüzeylerine yerleştirdikleri bu sistemlerde, iki yönlü sayaç uygulaması kullanılmaktadır. Bu şekilde bir konutun elektrik gereksinimi karşılanırken; üretilen fazla enerji elektrik
47 şebekesine satılır, yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda ise şebekeden enerji alınır [24]. Avrupa da bu tür uygulamaların yaygınlaştırılması, devlet desteği ile sağlanmaktadır.
48 5. TASARIM ve DENEYSEL ÇALIŞMA 5.1. Tasarım 5.1.1. Kullanılan güneş paneli Deneyde, Resim 5.1 de görülen Monokristal güneş paneli kullanılmıştır. Şekil 5.1 de ise Monokristal güneş panelinin Teknik özellikleri verilmektedir. Çizelge 5.1 de Monokristal panelin üretici firma tarafından verilen karakteristik özellikleri verilmektedir. Çizelge 5.1. Monokristal panelin üretici firma tarafından verilen karakteristik özellikleri Güneş Modülü Tipi 85W M Elektriksel Özellikler Standart Test Koşulları altında (STC) (ışınım 1000 W/m², spektrum 1.5 AM ve hücre sıcaklığı 25 C) Maksimum Güç Pm 85Watts Maksimum Güçte Voltaj Vmp 17.2V Maksimum Güçte Akım Imp 4.942A Açık Devre Voltajı Voc 22 V Kısa Devre Akımı Isc 5.519A Nominal Güç Hata Payı +/- 3% Nominal Akü Voltajı 12 V Normal Çalışma Hücre Sıcaklık (Noct) 45 C Maksimum Güç Sıcaklık Katsayıları - 0.45%/ C Açık Devre Gerilimi Sıcaklık Katsayıları - 0.35%/ C Kısa Devre Akımı Sıcaklık Katsayıları 0.060%/ C Maksimum Sistem Voltajı IEC 1000 / ETL 600 V Hücre Bilgisi Hücre Boyutu 125 125 mm Hücre Tipi Monokiristal Modele Göre Hücreler 36 Adet Şebeke Şablonu (x * y) 4 x 9 Adet Modül Bilgisi Kavşak Kutusu QC0506-1 Bağlantı MC4 Boyutlar 1205 x 545 x 35mm Ağırlık 8.5 kg Güvenlik Sertifikaları CE,ISO9001-2008 TUV, UL- Kavşak Kutusu
49 Resim 5.1. Deneyde kullanılan monokristal güneş paneli Şekil 5.1 Deneyde kullanılan Monokristal güneş panelinin Teknik özellikleri
50 Çizelge 5.2 de Deneyde kullanılan Monokristal güneş panelinin elektrik karakteristikleri gösterilmektedir. Resim 5.2 de Deneyde kullanılan Monokristal güneş paneli ve diger donanımlarla birlikte bağlanmış halde gösterilmektedir. Çizelge 5.2. Deneyde kullanılan Monokristal güneş panelinin elektrik karakteristikleri Resim 5.2. Deneyde kullanılan Monokristal güneş paneli
51 5.1.2. Kullanılan depolama birimi Aküler üretilen elektrik enerjisini depolamaya yararlar. Akülerin kapasiteleri ampersaat (Ah) olarak ifade edilir. Ömürlerini uzun tutmak için kapasitesi %50 nin altında iken şarj edilmelidir. Verimleri %90 civarındadır [25]. Güneş olmasa bile peş peşe güneşsiz geçecek günlerde ihtiyacını karşılayacak kadar akü kapasitesi gereklidir. 3 gün veya daha uzun süreyle arka arkaya güneş olmaması çoğu bölgemizde nispeten çok nadir olduğundan 3. güne de yetecek kadar fazla akü almak faydasına göre pahalı bir yatırımdır. Bunun yerine şebeke elektriğinin olduğu yerde 2 gün, olmadığı yerde 3 günlük ihtiyacını depolayacak kadar akü kullanımı uygun olacaktır. Akülerde depolananın tamamını hatta %70 inden fazlasını kullanmak akünün yapısını kısa zamanda bozmaktadır. Kapasitesi belli akü hücreleri birbirine bağlanarak daha yüksek kapasiteli bir akü grubu elde edilebilir. Resim 5.3 te görüldüğü gibi bu Deneyde kullanılan akü 12 V 26 AH 20 Hr değerlerindedir. Resim 5.3. Deneyde kullanılan depolama ünitesi (akü)
52 5.1.3. Denetim birimi Güneş pilinden gelen akımı düzenleyerek aküye iletilmesini sağlar. Akünün tam dolmasını ve aşırı kullanımlarda deşarj olmasını engeller [25]. Bir regülatör seçerken dikkat edilmesi gereken en önemli parametre, regülatörün gerekli olan maksimum akıma dayanıklı olmasıdır. Seçilen regülatörün, kullanılan batarya voltajı ile uyumlu olmasına da dikkat edilmelidir. Şarj regülatörleri kullanılacak sisteme göre 12V/24V/48V ve/veya 10A/20A/ 40A/ 60A gibi değerlerde değişir. Şarj regülatörleri aynı zamanda DC voltaj çıkışları olduğundan doğru akımla çalışan cihazlara direk gerilim verirler. Sisteme şarj regülatör seçerken maksimum akımı göz önünde bulundurmak gerekir. Deneyde kullanılan akü Şarj regülatörü Resim 5.4 te gösterilmiştir ve kullanılan denetim biriminin üretici firma tarafından verilen karakteristik özellikleri Çizelge 5.3 te verilmektedir. Çizelge 5.3. Denetim biriminin üretici tarafından verilen karakteristikleri Model CMP12 6A CMP12 12A Maximum Yük Akımı 6A 12A Voltaj Düşümü <140mv <210mv Nominal Voltaj 12/24 V auto Yüksek Voltaj Kesilmesi 13.7V -27.4V Düşük Voltaj Kesilmesi 10.5V -21.0V Yeniden Düşük Voltaj Bağlantısı 12.6V -25.2V Sıcaklık Telafisi -3mv/ C/cell Maksimuma Ait Tüketim En Yüksek Bağlantı Terminali Boyut Ağırlık 20mA 2.5mm² 102x45x107mm 0.168kg
53 Resim 5.4. Deneyde kullanılan denetim birimi (akü şarj regülâtörü) 5.1.4. İnvertör Güneş panellerin ürettiği DC enerjiyi evlerde kullanılan AC enerjiye çevirir. Tam sinüs özelliği de çamaşır makinesi, bulaşık makinesi ve buzdolabı gibi endüktif yükleri karşılamak ve bozmamak için gereklidir [26]. İnvertörün gücü aynı anda çalışacağını düşünülen cihazların anlık toplam gücüne göre seçilmelidir. Örnek vermek gerekirse 2 KW çamaşır makinesi, 300 W televizyon ve 200 W lık lamba aynı anda çalıştırılmak istenirse 2500 W lık bir inverter seçimi gerekecektir [26]. Değişik tipte invertörler, değişik kalitede elektrik üretirler. Örnegin lambalar, televizyonlar ve güç aletleri düşük kalitede elektrikle çalışabilirler. Ama bilgisayarlar, lazer yazıcılar ve diğer gelişmiş elektronik aletler yüksek kalitede elektriğe ihtiyaç duyarlar. Deneyde kullanılan İnvertör Resim 5.5 te gösterilmiştir ve kullanılan İnvertörün üretici firma tarafından verilen karakteristik özellikleri Çizelge 5.4 te verilmektedir.
54 Çizelge 5.4. İnvertörün üretici firma tarafından verilen özellikleri En Boy Yükseklik Ağırlık Güç Giriş voltaj Çıkış voltaj Frekans 21.5 cm 12.2 cm 16.5 cm 3.5 kg 300 w 12 v 220 v 50Hz (a) (b) Resim 5.5. Deneyde kullanılan inverterin ön (a) ve arka yüzü (b) 5.2. Deneyin Yapılışı 5.2.1. İç mekanda deney çalışması 17.12.2011 tarihinde saat 15:10 da Resim 5.6 da görüldüğü gibi iç mekanda ölçüm cihazlarıyla alınan sıcaklık 15 c hava bulutlu iken akü voltajı 12.32 V idi panel bağlandıktan sonra akü voltajı 12.54 v yükseldi ayrıca panelin şarj akımı 0.11 A olarak ölçüldü.
55 (a) (b) Resim 5.6. İç mekanda ölçüm cihazlarıyla alınan sıcaklık (a) ve panel akım (b) değerleri 5.2.2. Dış mekanda deney çalışması Ankara da 19.12.2011-22.12.2011 tarihleri arasında sabah saat 09:30 ile 15:30 arasında saatte bir güneş paneli yardımıyla güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edilip ölçümü yapıldı. Güneş paneli güneşi direk gören, rüzgara açık bir bahçeye yerleştirildi. Monokristal olan güneş paneli yeryüzüyle yatayda 45 derece açı yapacak şekilde sabit bir ayak üzerinde yerleştirildi. Akü denetim birimine bağlanmak üzere akünün artı kutubu artıya eksi kutubu eksiye gelecek şekilde bağlandı. Ölçüm için güneş panelinin çıkışlarına kablo eklendi. Sonradan güneş paneli denetim birimine bağlanması için güneş panelinden çıkan kablolar artısı artıya eksiside eksiye bağlanıldı. Aynı şekilde kutupları dikkate alarak invörtörde aküye bağlandı. İkinci aşama olarak akü gerilimi, panel gerilimi, panel akım şiddeti, sıcaklık ve panelin eksi kablosu denetim biriminden ayırarak ölçüm cihazı ilgili kutuplarına bağlanarak gelen değerler istenen süre aralıklarıyla kaydedildi. Yapılan kayıtların çıktısı alınarak çizelge ve grafik haline getirildi. Güneş paneli tarafından gündüz