Türkiye’de Güneş Pilleri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi UGHEK’2008

Türkiye’de Güneş Pilleri Tarihsel Gelişme Çalışma İlkesi Kullanıcıya Maliyeti Ekonomideki Yeri Piyasa ve Teşvikler AR-GE Çalışmaları Beklentiler

Tarihsel Gelişme 1839: Alexandre-Edmond Becquerel 1883: Charles Fritts Işıktan elektrik üretmenin keşfi 1883: Charles Fritts Altın-Selenyum kontağı (%1 verim) 1946: Russel Ohl Modern güneş pili patenti 1954: Bell Laboratuvarları Silisyum güneş pilleri yapımı (Kaynak: Wikipedia)

Tarihsel Gelişme 1958: Peter Iles 1970: Zhores Alferov İlk uydu için güneş pili yaptı Çeşitli ülkeler arasında ortak güneş pili araştırması başladı Silisyum, %6 verim 1970: Zhores Alferov GaAs Hetero-eklem güneş pili

Zhores I. Alferov: “Heterostructure-based solar cells were created by us as far back as 1970. And when American scientists published their early works, our solar batteries have been already mounted on the satellites (sputniks) and their industrial production was in full swing. The cells, when being employed in space, proved their efficiency.”

Tarihsel Gelişme 1973-74: Petrol Krizi Alternatif enerji kaynakları arayışı Güneş pillerine artan ilgi Petrol firmaları güneş pili AR-GE ve üretimi yapıyor Kriz geçtikten sonra ilgi ve AR-GE yavaşladı. (Son yıllarda artan petrol fiyatları, güneş enerjisini ön plana çekti.)

Tarihsel Gelişme 1988: Applied Solar Energy Corp. GaAs seri üretim (%17 verim) 1989: Applied Solar Energy Corp. Ge taban üzerinde GaAs (%19 verim) 1993: Applied Solar Energy Corp. İki-eklemli pil seri üretim (%20 verim) 2000 Üç-eklemli pil (%24 verim) 2002 Üç-eklemli pil (%26 verim) 2005 Üç-eklemli pil (%30 verim)

Tarihsel Gelişim 2007: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: Emcore Photovoltaics

2007: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: Spectrolab

Tarihsel Gelişme Birinci nesil güneş pilleri Silisyum tabanlı (tek kristal) Tek eklemli Geniş alanlı Verim %20’nin altında Ticari piyasanın %86’sına hakim

Tarihsel Gelişme İkinci nesil güneş pilleri İnce film teknolojisi Taban kafes yapısına uyumlu Uzay/uydu uygulamalarında yaygın AM0 şartlarında %28-30 verim Pahalı Yeryüzü uygulamalarında AM0 şartlarında %7-10 verim Ucuz

Tarihsel Gelişme İkinci nesil piller (devam) Silisyum malzeme Amorf silisyum Çok kristalli sislisyum Mikro kristalli sislisyum Kadmiyum Tellürid Bakır İndiyum Selenid GaAs tabanlı (%37 verim amaçlanıyor) Esnek tabanlara ince film yapı

Tarihsel Gelişme Üçüncü nesil güneş pilleri Çok eklemli Kuantum noktası Karbon nano boru Nanokristal yapı Elektrokimyasal yapı Organik yapı AM0 şartlarında %45 verim hedefleniyor

Kaynak: Martin Green

Tarihsel Gelişme Türkiye’de güneş enerjisi 1960’lı yılların başında akademik ilgi başladı Bilgen,E., “Güneş Işınlarından Enerji Elde Edilmesi ile bu Enerjinin Soğutmada Kullanılması,” Doktora Tezi, İTÜ, 1966. Selçuk, M. K., “Solar Stills for Agricultural Purposes,” Solar Energy, V17,2:pp103-109,1975 İlk çalışmalar Güneş enerjisi potansiyeli tespiti İlgili teknolojinin geliştirilmesi

Tarihsel Gelişme Türkiye’de güneş enerjisi 1975: İlk ulusal kongre (İzmir) 1975: ODTÜ’de pasif güneş enerjisi uygulaması 1978: Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü kuruluşu 1982: Meteoroloji + Elektrik İşleri Etüd İdaresi ortak çalışma (potansiyel tespiti) TÜBİTAK MAM

Tarihsel Gelişme Türkiye’de Güneş Pilleri 1989: Güneş pili ile çalışan ısı pompası (Ege) 1990lar: Haberleşme sistemlerinde güç kaynağı (50 kWp güç) 1998: EİE Didim Lab Güç Santralı Şebeke Bağlantılı 4,8 kWp Güneş Pili Sistemi 2005: 1.3 MWp kapasite 2010: 3 MWp kapasite hedef

10 Mayıs 2008 Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası hazırlandı Yıllık elektrik üretim potansiyeli 380 milyar kWh Güneş piliyle elektrik üretim maliyeti 20 cent gibi yüksek bir rakam olduğu için tüm potansiyel değerlendirilemiyor. %20 verim ile 56 bin MW (megavat) kurulu gücünde bir doğalgaz çevrim santraline denk Bundan sonra güneş tarlaları olacak Yenilenebilir Enerjisi Yasası ile bu yatırımlara 10 yıl alım garantisi var. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanı Hilmi Güler:

Çalışma İlkesi Işık Tanecikleri Elektrik Enerjisi (Fotonlar) Güneş Pili (Yarıiletken)

Çalışma İlkesi yarıiletkenler yalıtkanlar iletkenler Ge Si GaAs özgül iletkenlik - Yarıiletkenlerin iletkenliği katkılama ile “ayarlanır.” Katkılama p veya n tipi olabilir. Bir parça yarıiletkenin bir kısmı p diğer kısmı n tipi katkılanırsa pn-eklemi oluşur.

Çalışma İlkesi Katkısız silisyum 1 cm3 silisyumda 1022 atom var Her bir silisyum atomu 4 komşusuyla kovalent bağ oluşturur. 0 derece Kelvin sıcaklığında bu bağların hepsi tamam Oda sıcaklığında (300 K) 1.5x1010 valans elektronu bağını koparır ve yapı içinde dolaşabilir. Kopmuş valans bağa “delik” adı verilir (hole, deşik, boşluk diyenler de var). Delikler de yer değiştirebilir.

Çalışma İlkesi Katkısız silisyum Katkılı silisyum Valans elektronunun bağını koparmak için alması gereken en az enerji =“enerji bant aralığı” Silisyum bant aralığı 1.12 eV (elektron volt). Katkılı silisyum Periyodik cetvel 5. sütun elementleri: n-tipi Periyodik cetvel 3. sütun elementleri: p-tipi 1015-1019 cm-3 gibi katkılamalar kolay

Çalışma ilkesi Yarıiletken yapıya giren bir fotonun enerjisi yeteri kadar yüksek ise, bir valans elektronunun bağını koparabilir (elektron-delik çifti üretme) Bu şekilde üretilen elektronlar bir tarafta, delikler de karşı tarafta toplanırsa, güneş pili elde edilir. Toplama için bir elektrik alanı gerekir. PN ekleminde bu alan kendiliğinden oluşur.

Çalışma İlkesi elektrik alanı fakirleşme bölgesi p - + n - + n Aktif bölgede oluşacak elektron-delik çiftleri fakirleşme bölgesine girdiğinde elektrik alanının yardımıyla ayrılarak karşı tarafa geçirilir. aktif bölge

Çalışma İlkesi

Çalışma İlkesi

Güneş Pili Eşdeğer Devresi

Çalışma İlkesi Akım gerilim ilişkisi karanlıkta i + - v P N i v aydınlıkta

Çalışma İlkesi Verim = Neden %100 değil? Fotonların bir kısmı dışa yansıyor Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor Bir kısmının enerjisi az Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

Çalışma İlkesi Güneşten yer yüzüne gelen ışıma ortalama 1000 W/m2 %10 verimli pillerden oluşan panel varsayalım 1m2 panel çıkış gücü 100 W/m2 100 wattlık ampul yakmak için 1 m2 panel gerekli 2400 wattlık fırın için 24 m2

Akla gelen sorular: Panel kaç volt verecek? DC mi AC mi? Hava kararınca ne olacak? Buzdolabını çalıştırır mı? Elektriği depolamak mümkün mü? TEDAŞ’a da satılıyormuş, doğru mu? Kilowatt-saati kaç kuruş olacak?

Kullanıcıya Maliyeti Güneş pili paneli doldurma sistemi evirici Doldurucu . . $$ Evirici . . . . . . $$ Akü grubu . .$$$ Destek yapısı $ İşçilik . . . . . $$ _____________ Toplam . . . $$$$ Güneş pili paneli doldurma sistemi evirici AC yükler Akü grubu DC yükler

Kullanıcıya Maliyeti Günlük enerji gereksiniminden panel miktarı belirlenir: Buzdolabı 150 watt, 3 h çalışma: 0.45 kWh Aydınlatma 100 watt, 6 h çalışma: 0.60 kWh Televizyon 80 watt, 10 h çalışma: 0.80 kWh Fırın 2400 watt, 0.5h çalışma: 1.20 kWh Diğer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.15 kWh Toplam: 3.20 kWh

Kullanıcıya Maliyeti Panel Miktarı Günlük enerji gereksinimi, güneşin olduğu süre içerisinde üretilecektir (kısa günlerde 6 saat) günlük kWh (3.20 kWh) Panel gücü= = 0.53 kW günlük güneşli süre (6 h) Yaklaşık panel alanı = panel gücü (kW) x 10 m2 = 5.3 m2 (%10 verimli panel)

Kullanıcıya Maliyeti Akü miktarı Akü kapasitesi Depolanacak enerji miktarına göre Çekilecek en fazla güç miktarına göre Akü kapasitesi 12 V,150 Amper-saatlik akü ne kadar enerji depolar? (1 saat süreyle 150 amper verebilir demek) Enerji = 12 V x 150 A x 1 h = 1.8 kWh

Kullanıcıya Maliyeti Akü Doldurma Sistemi ve Evirici çekilecek güce göre hesaplanacak Verimler hesaba katılacak İnce hesap için EİE verileri kullanılabilir: www.eie.gov.tr

Güneş Enerjisi Potansiyeli

Güneş Enerjisi Potansiyeli BÖLGE TOPLAM GÜNEŞ ENERJİSİ (kWh/m2-yıl) GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/yıl) ORTALAMA GÜNEŞLENME SÜRESİ (Saat/gün) G.DOĞU ANADOLU 1460 2993 8.2 AKDENİZ 1390 2956 8.1 DOĞU ANADOLU 1365 2664 7.3 İÇ ANADOLU 1314 2628 7.2 EGE 1304 2738 7.5 MARMARA 1168 2409 6.6 KARADENİZ 1120 1971 5.4 Kaynak: EİE

Güneşli Su Isıtıcı Kullanımı Yıl Güneş Enerjisinden Isı Üretimi (bin TEP ) 1998 210 1999 236 2000 262 2001 290 2004 375 2007 420 TEP: 1 ton petrol enerjisine denk enerji Isıtıcı panel kullanımı: 12 milyon m² Isıtıcı panel üretim kapasitesi: yılda 750 bin m² (bir kısmı dışa satılıyor) Kaynak: EİE

Energy Sources and Proven Reserves in Turkey as of December 2006 Ekonomideki Yeri Energy Sources and Proven Reserves in Turkey as of December 2006 Source Reserve / Potential Comments Wind 10.000 MW Present electric power production potential in terms of “installed capacity”.  The potential is expressed in different numbers as high as 80 000 MW. Coal 9 Billion ton Present economical reserve Geothermal 550 MW Estimated potential for electric power production (Total potential 31 500 MW) Hydro 129 Billion kWh/year Maximum power production if all known sources are utilized. Solar 76 Mtep/year Usable total potential (mtep: million ton equivalent of petroleum) Natural Gas 8 Billion m3 Proven reserve Oil 43 Million ton

Ekonomideki Yeri 2007 de güneş enerjisinden faydalanma (Su ısıtmada) 420 000 TEP Potansiyel: 76 000 000 TEP Oran: %0.55 1 TEP = 11630 kWh = 11.63 MWh

Ekonomideki Yeri Güneş Pilleri ile Enerji Üretimi 1.5 MWp kapasite, günde 7.2 saat, 365 gün Yıllık üretim = 3942 MWh Petrol dengi: 339 TEP Potansiyel: 76 000 000 TEP Oran: milyonda 4.46 (“devede kirpik”)

Shares of Fuels in Electricity Generation RESOURCES 2000 2002 Million kWh % COAL 38.186,40 30,6 32.149,30 24,8 OIL 9.531,00 7,6 10.917,40 8,4 NATURAL GAS 46.216,90 37,0 52.496,50 40,6 HYDRO 30.878,50 24,7 33.683,70 26,0 NON-HYDRO RENEWABLES 108,90 0,1 152,60 TOTAL PRODUCTION 124.921,70   129.399,50 IMPORT 3.791,30 3.588,20 EXPORT 437,30 435,10 TOTAL CONSUMPTION (TURKEY) 128.275,60 132.552,70

Shares of Fuels in Electricity Generation RESOURCES 2004 2006 Million kWh % COAL 34.448,00 22,9 46.649,70 26,5 OIL 7.774,00 5,2 4.494,40 2,5 NATURAL GAS 62.242,00 41,3 80.691,20 45,8 HYDRO 46.083,50 30,6 44.244,00 25,1 NON-HYDRO RENEWABLES 150,80 0,1 220,50 TOTAL PRODUCTION 150.698,30   176.299,80 IMPORT 463,40 573,20 EXPORT 1.144,00 2.235,70 TOTAL CONSUMPTION (TURKEY) 150.017,40 174.637,40

Güneş Pillerinin Katkısı 2006 Toplam elektrik enerjisi tüketimi 174 637 000 MWh 2006 Güneş Pilleriyle üretilen enerji 3942 MWh Oran = milyonda 22.5 (“devede kulak”)

2020 Yılına Kadar Dünya Genelinde Güneş Pili Üretim Öngörüleri Kaynak: EİE

Dünyada Güneş Pili Satışları Kaynak: EİE

Kullanım Yerleri Şebekeden uzaktaki binalar Sulama tesisleri Sokak aydınlatması Karayolu sinyalizasyonu Yol şeridi ikaz lambası Otomobiller (Formula-G Yarışları)

Panel Fiyatları Modül Tipi Boyutlar (UxGxD)mm Hücre Sayısı Fiyat (USD) 20W 530*360*28 36 145 30W 630*430*28 205 40W 624*300*28 275 50W 1000*460*28 335 80W 1200*570*35 535 90W 1200*553*35 590 100W 1200*694*35 45 655 150W 1575*814*35 72 975 200W 1650*1000*35 60 1300 245W 1250*1625*50 216 1595

Bazı Firmalar

Bazı Firmalar

AR-GE Çalışmaları Ege Üniv Güneş Enerji Enstitüsü Muğla Üniversitesi Tübitak MAM

Beklentiler Şebekeden uzak yerlerde Güneş pilleri kullanımı artacak Eskişehir Osmangazi Üniversitesinde spray prolysis ile güneş pilleri üretilecek

Sürç-i lisan ettikse affola. Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü 13 Haziran 2008 UGHEK’2008