Fotovoltaik, Güneş Elektriği Sistemleri, Modelleme, Kurulum ve Analizi Kursu 11 Nisan 2009 İTÜ Süleyman Demirel Kültür Merkezi, Maslak, İstanbul

Fotovoltaik, Güneş Elektriği Sistemleri, Modelleme, Kurulum ve Analizi Kursu 11 Nisan 2009 İTÜ Süleyman Demirel Kültür Merkezi, Maslak, İstanbul

Dünya ve Türkiye deki Durum Değerlendirmesi 1.Solar Fotovoltaik Sektörünün Küresel Durumu 2.Küresel Elektrik Üretiminde PV Sektörünün Katkısı 3.Solar Potansiyel 4.PV Teknolojisi 4.1.Kristal Silikon 4.2.İnce Film 4.3.Diğer hücre çeşitleri 5.Pazarın Gelişimi 6.Solar Kalite Silikon Pazarı 7.Solar Hücre ve Solar Modül Üretimi 8.Sonuç

1.Solar Fotovoltaik Sektörünün Küresel Durumu Solar elektrik pazarı çok hızla büyüyor. 2007 yılı sonuna kadar kümülatif olarak kurulan PV solar sistemlerin kapasitesi 9200 MW ı geçmiş bulunmaktadır. Bir karşılaştırma yapmak gerekirse 2000 yılının sonunda bu rakam 1200 MW idi. Dünyada kurulu PV hücre ve modül miktarı 1998 den beri her yıl %35 den fazla artmaktadır. Büyük üretici firmalar arasında rekabet devamlı yükselmekte ve özellikle USA, Çin ve Japonya da yeni üretim teknolojileri geliştirilmekte ve fabrikalar kurulmaktadır. Aynı zamanda, Almanya, İspanya, İtalya, Fransa, Güney Kore ve Amerika gibi birçok ülkede de solar elektrik pazarının uygulamalarının gelişmesi için politik destekler de sektöre destek vermektedir. 2001 yılından beri, küresel PV pazarı tahmin edilen miktardan çok daha fazla büyüme göstermiştir (Tablo-1).

1.Solar Fotovoltaik Sektörünün Küresel Durumu

2.Küresel Elektrik Üretiminde PV Sektörünün Katkısı 2030 yılına kadar yapılan senaryolara gore, PV sistemleri tüm dünyada üretilen elektriğin 2600 TWh ini karşılayabilecektir. Yani dünya popülasyonunun %14 ünün elektriği karşılanabilecektir. Solar güç sistemlerinin yıllık kurulu kapasitesinin 2030 yılına kadar 281 GW a ulaşacağı tahmin edilmektedir. Özellikle endüstrileşmiş ülkelerde bu miktarın yaklaşık %60 ının şebeke bağlantılı sistemler ile yapılacağı öngörülmektedir.

3.Solar Potansiyel Dünya üzerinde solar güç sistemlerinin ihtiyaç duyduğu miktardan çok daha fazla solar ışınım düşmektedir. Dünya yüzeyine ulaşan güneş ışınlarının miktarı küresel enerji tüketiminin 10000 katını karşılayabilecek miktardadır. Ortalama olarak her yıl 1700 kwh/m 2 enerji açığa çıkmaktadır. US National Solar Radiation Database ve European Joint Research Center (JRC) gibi bilgi bankalarında Amerika ve Auvrupa nın solar radyasyon bilgileri yayınlanmıştır. Tabi bu radyasyon verileri bölgesel olarak değişiklikler göstermektedir. Avrupa da ortalama enerji 1000 kwh/m 2 /yıl iken Ortadoğu da bu değer 1800 kwh/m 2 /yıl a tekabül etmektedir.

3.Solar Potansiyel

3.Solar Potansiyel Şekilden de görüldüğü gibi solar radyasyonun belli bir miktarı elektrik üretmek için kullanılabilir. Buna karşın klasik enerji kaynaklarında olduğu gibi atık bir enerji meydana gelmemektedir. Yapılan hesaplamalara gore Avrupa nın mevcut alanının %0.71 inin PV modül ile kaplanması,tüm Avrupa nın enerji ihtiyacını karşılayabilecektir. IEA (International Energy Agency) nin yaptığı hesaplamalar göstermektedir ki, dünyadaki kuru çöl bölgelerinin %4 üne kurulacak PV santralleri, dünyanın toplam primer enerji ihtiyacını karşılayabilecek düzeydedir.

4.PV Teknolojisi Bir PV sistemin en önemli parçası solar hücrelerdir. PV hücreler genellikle ingottan kesilmiş kristal silicon veya üzerine ince bir tabaka kaplanmış ince filmlerden yapılır. 2007 yılında tüm solar hücre üretiminin %90 ı kristal silikondan üretilmiştir. Silikon ve diğer malzemeler üzerine yapılan ince film teknolojisinin PV pazarından daha büyük bir pay alacağı tahmin edilmektedir. Bu teknoloji düşük malzeme tüketimi, düşük ağırlık, pürüzsüz bir yüzey gibi avantajları barındırmaktadır. Hücre ve modül teknolojilerinin ortalama verimlilikleri ve karşılaştırmalı verileri tabloda görülebilmektedir.

4.PV Teknolojisi

4.PV Teknolojisi

4.1.Kristal Silikon Kristal silicon hala PV modüllerde en çok kullanılan malzemedir. Bazı teknik parametreler açısından solar hücreler için ideal bir malzeme olmamasına rağmen, kolay bulunabilirliği, teknolojisinin iyi anlaşılmış olması ve elektronik endüstrisi için geliştirilene benzer bir kullanım alanına sahip olması nedeniyle temel hammadde olmuştur. Solar hücrelerin verimi gibi kalınlığı da önemli bir faktördür. Solar hücreler wafer adı verilen kristal silikon dilimlerinden meydana gelir ve ne kadar ince olursa o kadar az malzeme tüketimi olacak ve maliyet azalacaktır. Bir wafer kalınlığı 2003 senesinde 0.32 mm iken bu değer 2008 yılında 0.17 mm ye düşmüştür. Aynı periyotda da ortalama verim %14 den %16 ya çıkmıştır. 2010 yılına kadar wafer kalınlığının 0.15 mm ye düşürülmesi, ortalama verimin de %16.5 e çıkarılması hedeflenmektedir. Wafer üretimi esnasında, kesme çamuru içerisinde önemli miktarda silikon kaybı olmaktadır. Ribbon sheet technology gibi alternatif yaklaşımlar ile wafer üretiminde oluşan bu kayıpların önlenmesine çalışılmaktadır. Bu teknoloji ile ergitilmiş silikondan ince bir tabaka çekilir veya ergimiş silikon uygun bir altlık üzerine dökülür. Böylece kesme esnasında oluşan kayıplar önlenmiş olur.

4.2.İnce Film İnce film modüller cam, paslanmaz çelik veya plastik bir altlık gibi ucuz bir taban malzemesi üzerine ışığa duyarlı bir malzemenin ince bir film tabakası halinde biriktirilmesinden meydana gelir. Günümüzde ticari olarak kullanılan üç tip ince film modül bulunmaktadır; amorf silikon (a-si), bakır indiyum di selenid (CIS, CIGS) ve kadmiyum tellür (CdTe). Hepsi de birkaç mikrondan daha az kalınlıkta aktif tabakalardan meydana gelmiştir. Bu da daha yüksek bir otomasyon ile üretime meydan vermekte, buna karşın modül üretiminde daha entegre bir yaklaşıma sahip olunmasını da gerektirmektedir.

4.2.İnce Film Bir süredir silikon temininde yaşanan sorunlar, ince film teknolojisinin kendi pazar payını arttırma fırsatını yaratmıştır. Bazı yeni firmalar ince filmleri rulolar halinde üretmek için çalışmalarına devam etmektedir. Paslanmaz çelik gibi esnek bir altlık üzerine sürekli bir proses ile tabakalar kaplanmaktadır. Böyle bir metodun başarılı bir şekilde gerçekleşmesi ile daha düşük maliyetli ve daha yüksek üretim miktarında üretim yapılabilecektir. EPIA 2010 yılında toplam PV modül üretiminde ince film Pazar payının yaklaşık %20 ye ulaşacağını ummaktadır. Bu üç ticari ince film teknolojisi arasında, a-si üretim ve kurulum açısından en önemli olanıdır ve 2007 de toplam pazarın %5.2 sini karşılamıştır. Cam üzerine çok-kristal ince film (CSG) teknolojisi endüstriyel üretime henüz girmektedir. Özellikle amorf silikon ve micro-kristal silikon kombinasyonundan oluşan (a-si/m-si) mikrokristal teknolojisi de ilerisi için cesaret verici bir diğer teknolojidir.

4.2.İnce Film

4.3.Diğer hücre çeşitleri Konsantratör hücreler, konsantrasyon oranları 1000 e kadar olan Fresnel lensleri gibi optik bir konsantratör kullanarak küçük bir alan üzerinde ışığın odaklanması ile çalışmaktadır. Bu küçük alan GaAs gibi III-V grup bir yarı iletken malzeme olarak kullanıldığında verim %30 a ulaşmaktadır (laboratuvarlarda %40 a varan verimlere ulaşılmıştır). Fakat bu sistemler güneş ışığını izleyici bir system ile kullanılmak zorundadır. Yapılanen sonaraştırmalara gore erişilmiş en yüksek verimler teknolojiler bazında gösterilmektedir. Çok katmanlı konsantreli solar hücreler ile %40 ın üzerinde verimliliğe günümüzde ulaşılmıştır.

4.3.Diğer hücre çeşitleri

5.Pazarın Gelişimi Her geçen yıl daha fazla hükümetin PV sektörünü önemli bir teknoloji olarak görüp destek programları çıkarmasıyla bu alan büyük bir patlama göstermiştir. Dünya kümülatif PV kapasitesi 1994 yılında 502 MW iken 2007 yılında 9162 MW a ulaşmıştır ve büyüme miktarı her geçen gün ivmesini arttırmaktadır. Yıllık büyümelerde gerçekten oldukça dikkat çekicidir. Yıllık kurulum kapasitesi her geçen yıl büyük oranda artmaktadır.

5.Pazarın Gelişimi

5.Pazarın Gelişimi

5.Pazarın Gelişimi Pazar payına uygulama teknolojisi olarak bakıldığında ise; 1994 yılında şebeke bağlantılı yeni PV kurulum kapasitesi %20 iken, 2007 yılında %90 lık bir büyüme göstermiştir. Almanya, Japonya ve Amerika gibi ülkelerde başarılı destek programları diğer ülkelere de örnek olmuştur. Bunun yanı sıra elektriğin olmadığı bölgelerde de küresel PV kurulumu 2007 yılında %4 artış göstermiştir. Tabloda şebeke bağlantılı ve şebeke bağlantısız teknolojilerin kurulu güç miktarları görülmektedir. Hükümetlerin PV teknolojilerine vermiş oldukları destek ile şebeke bağlantılı ve elektriğin devlete satıldığı sistemlerde büyük bir büyüme gerçekleşmiştir. Büyük PV güç santralleri kurulumları artmıştır.

5.Pazarın Gelişimi

5.Pazarın Gelişimi

6.Solar Kalite Silikon Pazarı Silikon, daha once bahsedildiği gibi pazarın %90 ına hakim olan kristal solar hücre teknolojisinin ana malzemesidir. Pazarın dinamiğini elinde tutan en önemli malzeme silikondur. Son zamanlara kadar, silikon endüstrisi daha çok yarı iletken endüstrisi için üretim yapmaktaydı. Çok küçük bir oran PV endüstrisi için ayrılmıştı. Fakat son zamanlarda PV endüstrisinin dinamik büyümesi bu durumu değiştirmiştir. 2007 yılında, dünyadaki elektronik kalitede silikon üretiminin yarıdan fazlası solar kalite silikon üretimi için kullanılmıştır. Solar kalite silikon, yarı iletken kalite silikondan daha düşük kalitede olduğundan daha da ucuzdur. Birçok yeni fabrika solar kalite silikon üretmek üzere kurulmaktadır. 2008 ile 2010 yılları arasında 4.1 milyar Euro dan daha fazla silikon üretim projesi yapılmıştır.

7.Solar Hücre ve Solar Modül Üretimi 2008 yılında solar hücre ve modül üretimine yapılan yatırım miktarının 1.6 milyar Euro yu geçeceği tahmin edilmektedir. Bu tablo PV pazarının ne kadar büyük bir hızla büyüdüğünü göstermektedir. Şimdiye kadar Avrupa, Japonya ve Amerika gibi üç büyük jeografik alanda yoğunlaşmış olan solar hücre ve modül üretimi, son zamanlarda Çin de çok büyük ve güçlü üretim tesislerinin yapılması ile dördüncü büyük alanı da içine almıştır.

7.Solar Hücre ve Solar Modül Üretimi

7.Solar Hücre ve Solar Modül Üretimi Birkaç yıl öncesine kadar BP Solar pazarın en etkin firması iken yeni Japon ve Avrupalı firmaların pazara giriş yapması ile bu durum değişmiştir. 2007 yılında dünyanın en büyük olar hücre üreticisi Japon Sharp firması iken rakiplerinin çoğalması ile bu alandaki liderliği Alman Q-Cells firması ele geçirmiş ve Çinli Suntech firması da Sharp ın üretim miktarına erişmiştir. Dünyadaki tüm solar hücre üretiminin %53 ü 10 büyük firma tarafından gerçekleştirilmektedir (bu oran 2006 yılında %75 idi).

8.Sonuç Güneş potansiyeli Avrupa dan çok daha fazla olduğu bilinen ülkemiz açısından önemli bir örnek Almanya daki Yenilenebilir Enerji Yasası dır. 1995 yılında küçük stabil büyümeler gösteren PV pazarı, 2004 yılında yasanın revise edilmesi ile 2001 yılında 32 MW olan yıllık üretimin 2007 yılında 850 MW a çıkmasına vesile olmuştur. Çok az sayıda firmanın yer aldığı bir pazar, know-how ve yatırımlar ile modül, hücre ve wafer üretiminde dünyanın önde gelen firmalarını barındıran büyük bir endüstri haline gelmiş ve istihdam yaratılmıştır. Ülkemizde de Yenilenebilir Enerji Kanunu nda yapılması beklenen yeni destek programları ile büyük ve teknolojik bir pazar yaratılabilecek ve yerli imalatın büyümesi sağlanabilecektir. Ülkemizin bu büyük güneş potansiyelini değerlendirmesi mutlak suretle gereklidir.