FOTOVOLTAİK GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ (PV) YAR İLETKENLER: Maddenin yapı taşı olan atomlar merkezinde bulunan bir çekirdek ve çekirdek yörüngesinde dönen elektronlardan meydana gelmektedir. Çekirdek içerisinde ise pozitif yüklü proton ile yüksüz durumdaki nötron parçacıkları bulunmaktadır. Quantum fiziğine göre her bir elektron birbirinden farklı olan ayrık bir enerji seviyesine sahiptir. Negatif yüklü elektronlar çekirdekte bulunan pozitif yüklü protonlar tarafından çekilir. Proton (yüklü) ile elektron (- yüklü) arasındaki çekim kuvveti yükler arasındaki mesafenin karesi ile ters orantılıdır. Bu nedenle atom çekirdeğine en yakın mesafede bulunan elektronlar çekirdek tarafından daha güçlü çekilirken, yörüngenin en dışında bulunan elektronun çekilme kuvveti çok daha azdır. Aynı zamanda elektronun yörünge çapı arttıkça sahip olduğu enerji seviyesi de artar. Birbirlerine yakın enerji seviyelerindeki elektronlar belirli bir enerji bandında gruplanırlar. Böylece birbirine yakın yörüngede bulunan elektron grubu kabuk olarak adlandırılan bir enerji bandını oluşturur.kabuklar arasındaki bölge, enerji boşluğu (yasak bölge) olarak adlandırılır. Elektronlar bubölgede bulunmazlar. Atomun en dış kabuğuna valans bandı, valans bandındaki elektronlara da valans elektronu adı verilir. Atomdaki elektron sayısına bağlı olarak kabuk sayıları değişmekte olup, her kabuk farklı sayıda elektron içermektedir. Bu kabuklardaki elektron sayıları formülüne göre dağılmakta olup, kabuklara K ( ), L ( ), M ( ), N ( ), O ( ), P ( ), Q ( ) isimleri verilmektedir. Atomlar son valans elektronlarının sayısına bağlı olarak iletken ( ), yalıtkan( ) veya yarıiletken( ) özellikler kazanırlar. Valans elektronlar, ek bir enerji uygulanarak atomun çekim etkisinden kolaylıkla ayrılarak serbest elektron haline gelebilir. Ancak valans bandında 8 elektron var ise diğer atomlarla elektron alışverişi olmaz. Elektron alan bir atom negatif iyon haline gelirken, elektron veren bir atom ise pozitif iyon halini alır. Pozitif iyon oluştuğunda serbest kalan elektron, atomun çekirdeğinin etkisinden çıkarak bir üst enerji seviyesi olan iletim bandına geçiş yapar ve böylece dış etkilere açık hale gelir. İletken, yalıtkan ve yarıiletken malzemelere ilişkin enerji bandlarının şematik gösterimi aşağıdaki şekilde verilmiştir. Burada gösterilen enerji seviyeleri elektron volt (ev) cinsinden verilmiş olup, bir elektronun bir V luk gerilim potansiyeli altında hareket etmesi sonucu kazandığı enerji olarak ifade edilir. Bir maddenin valans bandındaki elektronlar ısı, ışık veya elektrik enerjisine maruz kalması durumunda iletim bandına geçiş yapabilirler. 1
Boş (elektronsuz) İletim Bandı Yasak Bölge (Enerji Boşluğu) Valans Bandı Enerji Bandı YALTKAN MALZEME Şekil Farklı malzeme guruplarına ilişkin enerji bandlarının şematik gösterimi Yarı iletken malzemelerin valans bandları ilave elektron katkısı içeriyorsa bu tip malzemelere n-tipi yarı iletken denir. Örneğin silikon veya germanyum atomlarının kendi aralarında oluşturdukları kovalent bağ yapısına valans elektron sayısı 5 olan arsenik, antimon, bizmut ve fosfor gibi atomların az miktarda eklenmesi ile n tipi malzeme oluşur. Benzer şekilde yarı iletken malzemelerin valans bandlarındaki elektron 2
katkısı azaltılırsa bu tip malzemelere p-tipi yarı iletken denir. Örneğin silikon veya germanyum atomlarının kendi aralarında oluşturdukları kovalent bağ yapısına valans elektron sayısı 3 olan indiyum, boron, alüminyum ve galliyum gibi atomların az miktarda eklenmesi ile p tipi malzeme oluşur. Şekil Silikonların oluşturdukları kovalent bağ, arsenik katkısı ile elde edilmiş n-tipi malzeme ve indiyum katkısı ile elde edilmiş p-tipi malzeme Yukarıda verilen açıklamalar ışığında her iki tip yarı iletkene ilişkin şematik gösterim ve p-n jonksiyonunun oluşumu aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. p- ve n tipi yarı iletken malzemelerin şekilde gösterildiği gibi bir araya getirilmesi ile n tarafındaki fazla elektron p tarafındaki delikleri doldurmak üzere hareket eder ve p tarafındaki deliklerde n tarafına doğru yayılır. Böylece n tarafı pozitif yüklenirken, p tarafı da negatif yüklenmiş olur. Negatif olarak yüklenmiş olan p tarafı n tarafından ilave elektron akışını sınırlar. Ancak jonksiyon bölgesinin n tarafındaki pozitif yükler dolayısı ile ilave elektronların p tarafından n tarafına doğru akması oldukça kolaydır. Bu nedenle p-n jonksiyonu bir diyot gibi davranır. 3
Şekil p-n jonksiyonunun oluşumu n ve p tipi yarı iletkenlerin enerji bandlarının şematik gösterimi aşağıda verilmiştir. n-tipi yarı iletken bünyesinde fazla elektron barındırdığından verici pozisyonunda olduğundan bu enerji seviyesi verici seviye olarak adlandırılır. p-tipi yarı iletken bünyesine ilave elektron kabul edebileceğinden alıcı pozisyonundadır. Bu nedenle p tipi malzemedeki bu enerji seviyesine alıcı seviye denir. Gerek verici gerekse alıcı enerji seviyeleri enerji boşluğunda oluşur. Şekil p ve n tipi yarı iletken malzemelerin enerji band diyagramları Fotovoltaik Etki: Fotovoltaik etki birbirinden farklı iki malzemenin ortak temas bölgesinin (common junction) foton radyasyonu ile aydınlatılması durumunda bu iki malzeme arasında oluşan elektriksel potansiyel olarak tanımlanabilir. Valans elektronlarına etki eden foton enerjisi, valans elektronlarının enerjisini kendi enerjisi miktarınca artırır. Eğer foton enerjisi yarı iletken malzemenin boşluk band genişliğinden daha fazla ise elektronlar iletim bandına geçerler. Böylece yeterli enerjiye sahip fotonlar yarı iletken malzemelerde delik-elektron çifti oluşturur. {Delik yüklü; elektron (-) yüklü} 4
Fotonlar dalga boylarıyla, frekanslarıyla ve enerjileri ile karakterize edilebilirler. c şık hızı (3.10 8 m/s) f Frekans (hz) λ Dalga boyu (m) Foton enerjisi ise; E Fotan enerjisi (j) h Plank sabiti (6,626.10-34 j.s) Örnek: likon da bir delik-elektron çifti oluşturabilecek bir fotonun maksimum dalga boyu ne olmalıdır. Bu durumdaki minimum frekansı bulunuz (NOT: silikonun band genişliği ve ). olmalıdır. 5
Şekilde görüleceği üzere dalga boyu 1.057 μm den küçük olan fotonlar 1 elektronu uyarmak için gerekli enerjiden daha fazla enerjiye sahiptir. Bu durumda fazla enerji fotovoltaik hücre üzerinde ısı olarak açığa çıkar. p-n jonksiyonlu diyot: V d V d p-n diyota ilişkin akım-gerilim karakteristiği: 6
V d d iletim yönündeki diyot akımı (A) q elektron yükü (1,602x10-19 C) V d p-n diyot uçları yönünde oluşan gerilim (V) k Boltzman sabiti (1.381x10-23 j/k) 0 Ters doyma akımı (A) T Kelvin olarak jonksiyon sıcaklığı 25 o C jonksiyon sıcaklığı için katsayısı düzenlenirse; (25 o C de) Örnek:Ters doyma akımı 10-9 A olan p-n diyotu boyunca oluşan gerilim düşümünü 25 C jonksiyon sıcaklığında aşağıdaki akım durumları için hesaplayınız. a) ıfır akımda (açık devre gerilimi), b) 1A, c) 10A Çözüm: PV HÜCRELERİNİN YAPS VE ÇALŞMA PRENSİBİ Bir PV hücresinin çalışma prensibi klasik p-n jonksiyonlu diyot ile çok benzerdir. şık jonksiyon tarafından absorbe edilince, absorbe edilmiş foton enerjisi malzemenin elektron yapısına aktarılır ve jonksiyon civarında oluşan boşluk bölgesinde, ayrışan yük taşıyıcıların oluşmasına neden olur. 7
e () } Jonksiyon bölgesindeki elektrik yükü taşıyıcıları bir potansiyel oluşturur ve harici bir devre üzerinde akım sirkülâsyonu olur. 2.R devre elektrik enerjisine dönüşen güç olup, geriye kalan ve elektrik enerjisine dönüşmeyen foton gücü PV hücrenin sıcaklığını arttırır. Dış devreye bağlanan iletkenler delikleri iletemeyeceğinden dolayı sadece elektronlar dış devre boyunca akar. n kontağı üzerinde biriken elektronlar n-den p ye doğru ve yüzeyinde deliklerle birleşerek devreyi yamamlar. Bir PV hücresinin basit yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Foto akımlarını toplamak için jonksiyonun her iki tarafına metal kontaklar yerleştirilmiştir. Hücrenin ön yüzü, yansıtmayı minimum seviyede tutacak ve mümkün mertebe çok miktarda ışığı yutacak anti yansıtıcı bir kaplama ile kaplıdır. Ayrıca mekanik koruma için en dış yüzeyi koruyucu bir cam ile kapalı olup, bu cam saydam bir yapıştırıcı ile sisteme tutturulmuştur. 8
PV HÜCRE MODELİ BASİT EŞDEĞER DEVRESİ Bir PV hücresinin basit elektriksel eşdeğer modeli aşağıdaki gibidir. D V Devredeki ideal akım kaynağı maruz kaldığı güneş akısı ile doğru orantılı olarak akım verir. Gerçek bir PV hücresinde performans parametrelerini belirlemek amacı ile, (i) Kısa devre akımı ( C ) (ii) Açık devre gerilimi (V OC ) testleri yapılır. V = 0 = 0 = SC V = V OC Yukarıdaki eşdeğer devre modeli kullanılarak matematiksel model elde edilebilir d diyot akımı yerine yazılırsa; Yukarıdaki denklem kullanılarak bir PV hücreye ilişkin akım-gerilim ilişkisi çizilebilir. 9
Örnek: 100 cm 2 alana sahip bir PV hücresinin ters yönde doyma akımı 0 =10-12 A/cm 2 dir. Tam güneş ışığı altında ve 25 C de 40 ma/cm 2 lik kısa devre sc akımı oluşturan PV hücreye ilişkin tam ve %50 güneş ışığı altındaki açık devre gerilimini hesaplayınız ve akımla değişimini çiziniz Çözüm: 10
DETAYL EŞDEĞER DEVRESİ Basit modele yarı iletken iç direnci kontak ve bağlantı dirençlerini temsilen seri bir R direnci ile paralel bir kaçak direncin (şönt kaçak direnci) ilave edilmesi ile aşağıdaki model elde edilir. V V R s V d SC V d d rp R s sc p R p R p V Bu durumda akım gerilim arasındaki matematiksel ilişki; Hücre sıcaklığının 25 o C kabul edildiği standart kabuller altında; Görüleceği üzere bu denklemin nonlineer yapısı vardır ve, V çözümleri için genel olarak bir hesaplama cetveli oluşturulmalı tavsiye edilir. Bu çözüm yaklaşımına göre V d değeri için ve V değerleri kolaylıkla hesaplanır. Örneğin modeli kirşof un akım yasasına uygulanırsa, 11
hockley diyot denklemi ifadede yerine yazılırsa ve çekilirse, Görüleceği üzere belirli bir V d diyot gerilimi için akımı kolaylıkla hesaplanabilir. Hesaplanan akımı kullanılarak den V gerilimi hesaplanabilir. Bir PV Modül ve Panel in Elde Edilmesi Tipik olarak bir PV hücre 25 30 cm 2 lik kare bir alana sahip olup, yaklaşık 1W lık güç üretir. Yüksek güçler elde edebilmek için birçok PV hücre seri ve paralel olarak bağlanır ve büyük bir alana sahip bir modül elde edilir. Bir PV güneş paneli ise ihtiyaç olan akım ve gerilimi üretecek şekilde modüllerin seri-paralel kombinasyonlarını içerir. Özetle, hücreler modülü, modüller paneli, panellerin bir ataya gelmesi ile de diziler oluşur. Hücrelerin seri bağlanmasıyla modül gerilimi artırılır. 12
Örneğin, 40 adet hücre seri bağlanırsa; olur. Modüllerin seri bağlanmasıyla istenilen gerilim seviyesi elde edilir. 1 2 V 1 V 2 V n V = V V... 2 1 SC Akım (A) n s V n Modüllerin paralel bağlanmasıyla, modülün sağlayacağı akımın miktarı ayarlanır. =... 1 2 n 1 2 n V eri-paralel modül bağlantıları ile arzu edilen güç seviyesi elde edilmiş olur. 13
1 1 2 1 1 2 2 V 2 V n s n s Akım (A) En genel hali ile PV panelin bir kolunda adet seri modül ve adet paralel kol bulunduğu düşünülür ise, panel bağlantı şekli aşağıda verildiği gibi olur. 1 1 2 np (panel) 2 V (panel) n s Bu durumda panel akımı, 14
Hücrelerin seri bağlanması ile elde edilen modüllerin özdeş ve modül üzerine gelen ışınım miktarının da aynı olduğu düşünülürse, olarak yazılır. Örnek: Bir PV modül seri bağlı özdeş 40 hücreden meydana gelmektedir. 1kw/m 2 güneş radyasyonu altında her bir hücrenin kısa devre akımı C = 4,0 A ve 25 o C hücre sıcaklığında ters diyot doyma akımı dir. Paralel kaçak direnç R p = 7,2Ω ve seri direnç R = 0,006Ω dur a) Gerilim, akım ve sağlanabilecek güç miktarını, jonksiyon hücre gerilimi 0,5 volt iken hesaplayınız. b) akımı ve V gerilimi için bir hesaplama cetveli oluşturunuz. Çözüm: a) 15
b) 0,40 3,94 15,91 62,67 0,41 3,94 16,31 64,20 0,42 3,93 16,71 65,70 0,43 3,93 17,11 67,18 0,44 3,92 17,51 68,62 0,45 3,91 17,91 70,00 0,46 3,89 18,31 71,30 0,47 3,87 18,71 72,47 0,48 3,84 19,11 73,44 0,49 3,80 19,51 74,12 0,50 3,73 19,91 74,36 0,51 3,64 20,31 73,94 0,52 3,50 20,72 72,53 0,53 3,30 21,12 69,63 0,54 3,00 21,53 64,50 0,55 2,55 21,94 56,02 0,56 1,90 22,35 42,48 n=40 ; R P =7,2 Ω ; R =0,006 Ω; ; C = 4,0 A (1 kw/m 2 radyasyonda) PV SİSTEM KARAKTERİSTİĞİ VE PERFORMANS EŞTLİKLERİ Bir PV hücrenin elektriksel karakteristiği genellikle (i-v)=(akım gerilim) karakteristiği ile temsil edilir. sc Akım Maksimum gücün elde edildiği nokta 1 2 3 0 Gerilim Voc Şekil... Bir PV Modüle ilişkin akım- gerilim karakteristiği 1. Bölge : Bu bölge içinde gerilim =0 ( sıfır) a karşılık gelir akım kısa devre ( sc ) akımıdır. Yani bu akım çıkış uçlarının kısa devre edilmesi durumunda ( V=0 ) ölçeceğimiz akımdır. Akımın sıfır olduğu ( =0 ) noktadaki gerilim ise açık devre gerilimidir. Bu bölgede hücre sabit akım kaynağı gibi çalışıp aynı zamanda yükü besleyebilecek gerilimi üretir. 16
2. Bölge; Bu böge sırt bölgesi olup, maksimum güç bu bölgede oluşur. olduğundan eğrisindeki akım gerilim çiftleri çarpılarak buradan çıkan güçleri gerilimine göre çizilir ise eğrisi aşağıdaki gibi olur. P Pmax 1 2 3 V Vmax Görüldüğü gibi maksimum güç sırt bölgesi olan 2. Bölgede meydana gelmektedir. PV güç devreleri ı yaklaşık olarak elde edecek şekilde ve sırt noktasının biraz sol tarafında çalışacak şekilde dizayn edilir. noktasını tayin etmenin bir diğer yolu da eğrisinin altında kalan muhtemel en büyük dikdörtgeni tespit etmektir. Görüldüğü üzere dikdörtgen alanı, çarpımı güce eşittir, yani max. Güç noktasına eşittir. PV sistemin performansını karakterize eden bir başka faktör ise ( ) 17
Ampirik bir ifade olarak dolum faktörü aşağıdaki eşitlik ile de yaklaşık olarak hesaplanabilir. Dolum faktörü ne kadar büyük ise, i-v eğrisi ideale o kadar yakındır. 3. Bölge; Bu bölgede ise akım hızlı bir şekilde azalmasına karşılık gerilimde ufak bir artış olur. Bu bölgede PV hücresi sabit gerilim kaynağı gibi çalışır. Bir PV hücre için enerji dönüşüm verimi, çıkış gücünün giriş gücüne oranı olarak, verilir. Burada, cinsinden hücre alanı olup, ise cinsinden hücre yüzeyine düşen toplam güneş ışınım miktarıdır. PV sistem çıkışının ayarlanabilir bir direncine bağlı olduğunu düşünelim. Bu durumda sistemin çalışma noktası, PV sistem ile yük -V karakteristiklerinin kesiştiği nokta olacaktır. Bir PV modüle ilişkin teknik veriler: Bir PV modülün performans karakteristikleri çıkarılırken 2 farklı standart durum göz önünde bulundurulur. Bunlar, R ( tandard Rating = tandart dereceleme/değerleme) ve NOCT (Nominal operating cell temperature = Nominal hücre işletim sıcaklığı) şartlarıdır. R ve NOCT şartları aşağıdaki tabloda verilmiştir. 18
R şartları NOCT şartları Güneş şınımı, Hücre ıcaklığı, Güneş şınımı, Ortam ıcaklığı, Rüzgâr hızı, m/s Aşağıda bir PV modüle ilişkin örnek bir katalog bilgi sayfası verilmiştir. BP 365U 65Watt PhotovoltaicModule Performance Ratedpower (Pmax) 65W Nominal voltage 12V Limited Warranty1 25 years BP-365 -V Curves (0, 26, 50 and 75 o C) ElectricalCharacteristics BP 365 Maximum power (Pmax)3 65W Voltage at Pmax (Vmp) 17.6V Current at Pmax (mp) 3.69A Warranted minimum Pmax 60W hort-circuitcurrent (sc) 3.99A Open-circuitvoltage (Voc) 22.1V Temperaturecoefficient of sc (0.065±0.015)%/ C Temperaturecoefficient of Voc -(80±10)mV/ C Temperaturecoefficient of power -(0.5±0.05)%/ C NOCT (Air20 C; un 0.8kW/m2 ; wind 1m/s) 47±2 C Maximum seriesfuserating 20A Maximum systemvoltage 600V (U.. NEC & EC 61215 rating) 1000V (TÜV Rheinlandrating) Mechanical Characteristics: DimensionsLength: 1111mm (43.7 ) Width: 502mm (19.8 ) Depth: 50mm (1.97 ) Weight: olar Cells: 7.2 kg (15.9 pounds) 36 cells (114mm x 114mm) in a 4x9 matrixconnected in series Junction Box: U-Versionjunctionboxwith 6-terminal connectionblock; P 54, accepts PG 13.5, M20, ½ inchconduit, orcablefittingsaccepting 6-12mm diametercable. Terminalsaccept2.5to 10mm2 (8 to 14 AWG) wire. Diodes: Construction Front: Frame: chottkyby-passdiodesincluded, every 18 cells High-transmission 3mm (1/8th inch) temperedglass; Back: Tedlar; Encapsulant: EVA Clearanodizedaluminumalloytype 6063T6 Universal frame; Color: silver 19
Atmosferik Şartların PV Performansı Üzerindeki Etkisi 1. Güneş şınımının Etkisi: Birimi olan güneş ışınımı, güneş yoğunluğu (sun intensity) veya güneş radyasyonu (solar radiation/solar irradiance) olarak da ifade edilir. Foto-akım (PV kısa devre akımı) genliği güneş yoğunluğu ile doğru orantılı olarak değişir. Örneğin %100 güneş yoğunluğu ( ) altındaki kısa devre akımı, %50 güneş yoğunluğu ( ) altındaki kısa devre akımının iki katıdır. Genel bir ifade olarak, referans şartlardaki kısa devre akımını ve referans güneş radyasyonu da ile gösterirsek, farklı güneş ışınımı altındaki yeni kısa devre akımı ile ifade edilir. şınım miktarı ile açık devre gerilimi arasında da doğrusal bir ilişki söz konusu olmasına rağmen ışınıma göre açık devre geriliminin değişimi oldukça küçüktür. Bu açıklamalar ışığında farklı ışınım değerlerinde -V eğrisi aşağıdaki gibi değişir. PV hücrenin pratik çalışma aralığındaki foto-dönüştürme verimi güneş radyasyonundaki değişimlerden fazla etkilenmez. Örneğin aşağıdaki şekilden anlaşılacağı üzere verim 500 ( w / m 2 ) ve 1000 ( w / m 2 ) güneş radyasyonlarında yaklaşık eşittir. Fakat bu aynı gücü elde edeceğimiz manasına gelmez, çünkü bulutlu bir gündeki hücrenin topladığı enerjide düşük olacağından, yani giriş enerjisi azaldığından (verim sabit) çıkış gücüde düşecektir. 20
Güneş Açısı: PV panel çıkış akımı, güneş ışınımının panel yüzeyine dik gelmesi durumunda yani ışınımın yüzey normali ile yapmış olduğu açının sıfır derece olduğu durumdaki akım olsun. Yüzey Normali şınım, G PV PANEL şınımın yüzey normali ile yapmış olduğu açının olması durumunda panelden alınabilecek çıkış akımı a bağlı olarak aşağıdaki eşitlik ile elde edilebilir. Burada ifade edilen kosinüs kanunu açının derece arasında olması durumunda iyi sonuçlar verir. nin üzerindeki θ değerlerinde elektriksel çıkış kosinüs kanuna göre olan çıkıştan önemli derece sapar. de hücre neredeyse hiç güç üretmez. 21
2. Sıcaklığın Etkisi: Sıcaklığın artması ile PV hücrenin kısa devre akımı artarken açık devre gerilimi azalır. ve sırası ile refrans sıcaklıktaki akım ve gerilim olsun. α ve β ise akım ve gerilimin sıcaklık katsayıları olsun. Eğer işletme sıcaklığı kadar artar ise yeni akım ve gerim aşağıdaki gibi olur. Bu durumda güç ifadesi, ufak değerli terim ihmal edilirse bu ifade aşağıdaki gibi basitleştirilir. 22
Not: ve akım ve gerilim sıcaklık katsayıları ve için verilmiştir. Bazı kitaplarda α ve β nın önündeki işaret her ikisinde de () dır. Ancak bu durumda olarak alınmıştır. Ancak buradaki akım ve gerilim sıcaklık düzeltme katsayıları, MPP noktası ve noktaları için aynı değeri genelde almazlar. Bu bağlamada daha doğru bir sonuç için,,, katsayıları verilmelidir. Burada Sıcaklık değişiminin çıkış gücü üzerindeki etkileri çizilir ise, aşağıdaki eğrisini elde ederiz. Güç P max2 Soğuk Ortm P max1 Sıcak Ortm V (Volt) Buna göre sıcaklığa bağlı PV hücre parametreleri aşağıdaki gibi yazılabilir. olarak yazılır. Herhangi bir T sıcaklığı için hesaplanmak istenirse 23
olarak hesaplanır. Veya ile hesaplanabilir. Hücre sıcaklığı sadece ortam sıcaklığından dolayı değil aynı zamanda güneş radyasyonunun değişimi ile değişir. PV hücreye gelen radyasyonun elektriğe dönüşmeyen kısmı ısı olarak hücrede açığa çıktığından dolayı Nominal hücre çalışma sıcaklığı ile tanımlanır., ortam sıcaklığı, güneş yoğunluğu ve rüzgâr hızı için tanımlanır. Farklı ortam sıcaklıkları için hücre sıcaklığı aşağıdaki gibi hesaplanır. Burda : T hücre = Hücre Sıcaklığı ( ) T ortam = Ortam Sıcaklığı ) G = Güneş radyasyonu (kw/m 2 ) ÖRNEK : 24 adet PV hücresinin seri bağlanması ile oluşturulan lık modülün ( ve 1000 ) standart şartlar altında kısa devre akımı, olup açık devre gerilimi ise 18 volttur. Modüldeki PV hücrenin nominal işletme sıcaklığı, ise 35 ortam sıcaklığı ve Güneş radyasyonunun altında, modüle ilişkin yeni kısa devre akımını, açık devre gerilimini ve Maksimumum güç değerini hesaplayınız. Not: PV hücrenin gerilim sıcaklık katsayısı ve akım sıcaklık katsayısı ÇÖZÜM 24
3. Gölge Etkisi ve Köprüleme (by-pass) Diyotları: Bir güneş panelinde değişik sebepler dolayısıyla, örneğin seri bağlı PV hücre şeridinde belirli hücreler gölge etkisine maruz kalabilir. Bu durumda gölgeli hücreler foto gerilim üretme özelliğini kaybedebilir. Fakat yinede seri bağlı o şeritteki toplam akımı bağlantı gereği taşımak zorundadır. Çünkü seri bağlı diğer hücreler hala çalışmaktadır. Gölge etkisi dolayısı ile gerilim üretemeyen hücreler doğal olarak güçte üretemez, buna mukabil yük gibi davranır ve lokal olmak üzere kaybı ve ısı oluşturur. Gölgeleme etkisini anlamak amacıyla aşağıdaki şekilleri dikkate alalım. Şekil (a) daki durumda bütün hücreler güneş altında iken, şekil (b) de en üstteki hücre gölge etkisine maruz kalmaktadır. Kısa devre akımı, gölgeli hücrede sıfırdır ( sc =0) dır. Bu durumda sistem tarafından üretilen akım R p direnci üzerinden akar. Bu durumda sistemin toplam çıkış gerilimi, gölgeli hücreden dolayı azalacaktır. V V g R s R s d d = 0 sc R p sc = 0 R p (n) inci hücre V( n 1) V( n 1) (n-1) inci hücre (a) : Bütün hücreler güneş altında, (b) : En üstteki hücre gölgeli 25
Bütün hücrelerin güneşe maruz kaldığı durumda sistem çıkış gerilimi ise, en alttaki hücrenin çıkış gerilimi, Gölgeleme etkisi altındaki gerilimi, üzerindeki gerilim düşümünden dolayı, Yukarıdaki denklemler birleştirilir ise, Buradan herhangi bir hücrenin gölgelenmesinden dolayı meydana gelen gerilim düşümü yazılırsa, olduğundan ihmal edilirse, Bu durumda, herhangi bir akımında, PV modülün eğrisi gölgelenme etkisi altında aşağıdaki gibi olur, sc Tek hücre gölgeli V V = R p n Tam güneş altında -V eğrisi Vg Gerilim (V) Örnek 40 hücreli bir PV paneldeki her bir hücrenin paralel kaçak direnci Ω ve seri direnci Ω dur. Tüm hücreler güneş altında verirken çıkış gerilimi olarak ölçülmüştür. Toplam sistem akımının değişmediği kabulü ile bir hücrenin gölgelenmesi durumu için aşağıdakileri hesaplayınız: (a) Yeni çıkış gerilimi ve gücü hesaplayınız. (b) Gölgeli hücre üzerindeki gerilim düşümünü hesaplayınız. (c) Gölgeli hücre üzerinde harcanan güç miktarını hesaplayınız. V Voc 26
Çözüm Arzu edilen gerilim seviyesini elde edebilmek için PV hücreler seri bağlanarak PV modüller oluşturulur. Gerçek uygulama işletimi esnasında bütün hücreler aynı güneş seviyesine maruz kalmazlar. Yani hücreler çoğu kez homojen olmayan güneş radyasyonuna maruz kalırlar. PV modülde ufak bir kısım bile gölgelenme etkisine maruz kalsa bile PV modülün çıkışı ciddi miktarlarda azalabilir. Ancak gölgeli hücrenin PV çıkışı üzerinde oluşturabileceği olumsuz etkinin büyük bir kısmı köprüleme diyotları ile giderilebilir. Köprüleme diyotları normal iletim esnasında aktif değil iken, gölge etkisi durumunda aktif hale gelir. Gölgeli hücrenin toplam çıkış gerilimi üzerindeki etkisi iken, köprüleme diyotu var iken oluşan gerilim düşümü ise yaklaşık civarındadır (diyot üzerindeki gerilim düşümü). V sistem = V( n 1) 0. 6 V sistem = V 1 ( n ) ( Rp Rs) R s R s 0A sc = 0 0A R p sc = 0 R p 0.6V V( n 1) V( n 1) 27
Gölgeleme etkisi sistemde sadece gerilim ve güç azalmasına yol açmaz, aynı zamanda fiziksel olarak sisteme zarar verebilir. Gölgeleme etkisinden dolayı 1 hücre üzerinde yaklaşık 30 watt a kadar güç harcanması söz konusu olabilir. Bu durum ise hücre üzerinde oldukça sıcak noktaların oluşmasına neden olup hücrenin fiziksel olarak zarar görmesine neden olabilir. Gölge etkisini azaltmak amacı ile köprüleme diyotlarının her hücrenin karşısına yerleştirmek pratik bir yaklaşım değildir. Bu nedenle köprüleme diyotları, bir modül içerisindeki bir grup hücreyle ortak olarak veya her bir modül için ayrı bir diyot ile birlikte kullanılabilir. Elbette ki her bir hücre için köprüleme diyotu kullanılırsa gerilim düşümü daha az olacaktır. Bu durumun etkisi aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Grafikten de anlaşılacağı üzere, bir diyot tarafından köprülenen hücre sayısının artması, gölge şartları altında daha fazla gerilim düşümüne neden olacaktır. Akım (A) Blokaj Diyotu: Köprüleme diyotları sistem akımının gölgeli veya hatalı çalışan modülün etrafından dolaşarak akmasını sağlar. Köprüleme diyotları PV şeridin sadece performansını artırmakla kalmayıp, aynı zamanda hücreler üzerinde sıcak noktaların oluşmasını engeller. Benzer bir problem birden fazla PV şeridin paralel bağlanması durumunda da oluşur. Bu durumda hatalı veya gölgeli çalışan modül geri kalan diğer modüllerden akım çeker. Bu akımın PV şerit üzerinde oluşturacağı olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için her bir şeride blokaj diyotları konur. Bu blokaj diyotları aynı zamanda aküden gelebilecek ters akıma karşıda koruma görevi yapar. 28
29