Meslek Yüksek Okulu Alternatif Enerji Teknolojileri Programı ALTERNATİF ENERJİ TEKNOLOJİLERİNE GİRİŞ Dersin Öğretim Görevlisi: Yavuz ATEŞ yates@yildiz.edu.tr alternatifenerjiteknolojileri@gmail.com

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Güneş enerjisi, birtakım karmaşık nükleer reaksiyonlar sonucu ortaya çıkar ve dünyaya radyoaktif ışınlar şeklinde ulaşır. Bu ışınların çoğu güneş ışığı olarak yeryüzüne gelir ve bir kısmı da atmosfer içinde süzülür. Eğer bu radyoaktif enerjinin %0,01’i kullanılabilir hale getirilebilse, günümüz enerji gereksinimi bütünüyle karşılanabilecektir. Güneş, nükleer yakıtlar dışında dünyada kullanılan tüm yakıtların ana kaynağıdır. İçinde sürekli olarak hidrojenin helyuma dönüştüğü füzyon reaksiyonları gerçekleşmekte ve oluşan kütle farkı ısı enerjisine dönüşerek uzaya yayılmaktadır. Ancak bu enerjinin çok küçük bir kısmı yeryüzünü ulaşmaktadır. Atmosferdeki CO2, su buharı ve ozon gibi gazların güneş ışığını absorbe etmeleri, bunun yanısıra kat edilmesi gereken yolun uzunluğu, yeryüzüne ulaşabilen güneş ışığı değerinin düşük olmasına neden olur. 3. Güneş Enerjisi Sistemleri

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Güneş enerjisinin kullanılabilmesi için öncelikle toplanması gerekir. Bu toplama işlemi; ısıl ve elektriksel olmak üzere iki farklı yöntemle yapılmaktadır. Basitlik ve ucuzluk gibi nedenlerle yakın bir geçmişe kadar ısıl toplama yöntemi daha çok tercih edilmiştir. Isıl güneş kollektörleri; düz yüzeyli ve yoğunlaştırmasız, odaklı ve yoğunlaştırmalı, güneş havuzları olmak üzere üç değişik tipe ayrılmaktadır. Elektriksel güneş kollektörleri ise fotovoltaik güneş pilleri olup, yarı iletken diyot yapısındaki bu piller güneş ışığını, fotonlarından yararlanarak fotovoltaik olay gereğince DC elektrik enerjisine çevirirler.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Güneş ısıl sistemlerinin düşük ve yüksek sıcaklık uygulamaları vardır. Düşük sıcaklık uygulamaları; yapıların ısıtılmasını, konut, sanayi ve tarımda çeşitli ısı gereksinimlerinin karşılanmasını kapsamaktadır. Yüksek sıcaklık uygulamaları ise buhar üretiminden maden ergitmeye kadar uzanmaktadır. Isıl uygulamalar içinde su ısıtıcıları, yapıların ısıtılması ve soğutucular önemlidir.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Güneş Isıl Sistemlerinin Kullanım Alanları Direkt Kazanç Sistemi Dolaylı Kazanç Sistemi Ev İçin Pasif Güneş Enerjisi Tasarımı Doğal Perdeleme ve Yer Şekillendirmesi Doğal Isıtma (Solarwall)

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Güneş enerjisinden elektrik üretimi direkt ve dolaylı olarak iki yöntemle yapılabilmektedir. Direkt yöntemde; fotovoltaik güneş pilleri (PV), termoelektrik ve termoiyonik çeviriciler yer alır.   Büyük miktarlarda elektrik üretimi için bunlardan yalnızca fotovoltaik güneş pili sistemleri kullanılabilmektedir. Ancak fotovoltaik sistemler için büyük olan güç, günümüz elektrik santrallerinin gücü yanında küçük kalmaktadır. Dolaylı yöntem ise, güneş termik elektrik üretimidir. Bugün elektrik santralleri ile kıyaslayınca orta ve büyük güçlü güneş termik elektrik santrallarının kurulabileceği görülmüştür. Güneşten, fotovoltaik güneş pilleri ile elektrik üretimi 1954 yılında gerçekleştirilmiş olmasına rağmen, ilk güneş termik elektrik santrali 1970’lerin sonunda kurulmuştur.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde edilmesinde kullanılan fotovoltaik hücreler üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren düzeneklerdir. Bu enerji çevriminde herhangi bir hareketli parça bulunmaz. Hücrelerin çalışma ilkesi, fotovoltaik olayına dayanır. İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek fotovoltaik olayını bulmuştur. 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. Fotovoltaik (Photovoltaic) terimi temelde Yunanca iki kelimenin birleşmesinden oluşmaktadır: Işık anlamına gelen “Phos” kelimesi ve elektrik anlamına gelen “voltaic” kelimesi. Fotovoltaik kelimesi İngiliz lügatına 1849’da girmiştir  

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik hücreler ya da bir başka deyişle güneş hücreleri, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Kavramsal olarak bir fotovoltaik hücre, ışıma akısıyla üretim gerçekleştiren bir elektriksel akım kaynağıdır. Soğurulan ışın, fotonları soğuran madde içerisindeki elektronlara enerjilerini aktarmaktadır. Soğurulan enerjinin elektronlara aktarılması ile birlikte fotovoltaik hücre içerisinde elektron-boşluk çiftleri oluşmaktadır. Bu elektron-boşluk çiftleri bir elektrik alan sayesinde ayrılmaktadırlar ve böylece hücre kutuplarında pozitif ve negatif yükler birikmektedir. Bu sayede de hücrenin açık devre gerilimi meydana gelmektedir . 

3. Güneş Enerjisi Sistemleri İlk fotovoltaik hücre ise 1883 yılında Charles Fritts tarafından üretilmiştir. Üretilen bu ilk hücrenin verimi %1 civarlarındadır. İlk fotovoltaik hücrenin üretilmesinin akabinde birçok araştırmacı güneş hücrelerinin kapasitesinin artırılması üzerine yoğun çalışmalar başlatmışlardır. 1954 yılında ise Bell Laboratuarı’ında Darly Chapin isimli bir araştırmacı modern anlamdaki ilk fotovoltaik hücreyi geliştirmiştir. Bahsi geçen fotovoltaik hücre silikon temellidir ve %6 civarında bir verime sahiptir. İlk fotovoltaik hücreler, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştürebilmeleri nedeni ile uzay programlarında yoğun bir şekilde kullanılmışlardır. Ağustos 2009 tarihinde yapılan açıklamaya göre, fotovoltaik sistemlerde laboratuar ortamında %41.6’lık verime ulaşılmıştır.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Tipik olarak bir fotovoltaik hücre 25-30 cm2’lik kare bir alana sahip olup, yaklaşık 1 W’lık güç üretir. Yüksek güçler elde edebilmek için birçok fotovoltaik hücre seri ve paralel olarak bağlanır ve büyük bir alana sahip bir modül elde edilir. Bir fotovoltaik güneş paneli ise ihtiyaç olan akım ve gerilimi üretecek şekilde modüllerin seri-paralel kombinasyonlarını içerir.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri

3. Güneş Enerjisi Sistemleri

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik sistem teknolojisi elektrik üretim ihtiyacımızı karşılayacak potansiyele sahiptir. Örneğin, 18 km  18 km boyutlarında bir solar hücre ağı yılda 67,342 GW saat elektrik enerjisi üretebilir ve bu kabaca Türkiye’nin 1992 yılındaki toplam elektrik enerjisi üretimine denktir. Mevcut elektrik ağından 1 km uzaktaki bir ev için fotovoltaik sistemleri kullanmak, bir transformatör istasyonu kurmaktan ve iletim kabloları ile direkleri inşa etmekten daha ucuza gelebilir. Ancak fotovoltaik sistemlerin verimlerinin artmasına rağmen Watt başına fiyatları fosil yakıtlar ile kıyaslandığında hala oldukça yüksek durumdadır. Bu durum yukarıda da belirtildiği üzere güneş enerjili sistemlerinin günümüzde enerji hatlarının ulaşamadığı bölgelerdeki enerji ihtiyacının karşılanmasında ve saat, hesap makinesi, vb. küçük aletlerin çalıştırılmasında kullanılmasını daha uygun kılmaktadır.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik sistemlerin üretim maliyetlerinde gelecekte beklenen azalma ile birlikte güneş enerjili sistemlerin büyük ölçekli ünitelerin güç ihtiyacının karşılanmasında da yoğunlukla kullanılacağı öngörülmektedir. Bu hususta fotovoltaik sistemin üretiminde kullanılan malzeme seçimi de büyük bir önem arz etmektedir. Fotovoltaik sistemlerin üretiminde birçok farklı malzeme kullanılmaktadır. Bunların arasında silikon tabanlı sistemler uygulamaların birçoğunda yer almaktadır. Monokristal, polikristal ve amorf silikon sistemleri ile ince film teknolojisinde kullanılan yeni nesil silikon malzemeler güneş sistemleri alanında ön plana çıkmaktadırlar.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Farklı fotovoltaik sistem malzemelerinin teorik ve pratik olarak yaklaşık verimleri aşağıda verilmektedir: Tür Teorik verim Pratik testler Modüller Alan [cm2] Verim [%] Monokristal silikon 4 29 23 100 15-18 Polikristal silikon - 18 12-18 Amorf kristal 1 27 12 1000 5-8 Galyum arsenit 0,25 31 26 Kadmiyum tellür 16

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik sistemlerin diğer yaygın güç kaynaklarına kıyasla bir çok avantajı bulunmaktadır. Bu avantajlar şu şekilde sıralanabilir:   Fotovoltaik sistemlerin 20 yılı aşan uzun ömürleri vardır. Fotovoltaik sistemler her meteorolojik koşulda çalışabilmektedir. Ayrıca güneş ışınımına anlık bir cevap sağlayabilmektedir. Fotovoltaik sistemler güvenilir, modüler, dayanıklı ve oldukça az bakım gerektiren bir yapıya sahiptir. Fotovoltaik sistemler sessiz bir işletim sağlamaktadır.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Ancak bu avantajlarının yanı sıra, her enerji kaynağında olduğu gibi fotovoltaik sistemlerin dezavantajları da bulunmaktadır. Bu dezavantajların önemli olanları şu şekildedir:   Fotovoltaik sistemlerin yüksek bir kurulum maliyeti vardır. Meteorolojik koşullara bağımlı olmasından ötürü fotovoltaik sistemler ile üretilen güç sabit değildir. Bu nedenle fotovoltaik sistemler çoğu uygulamada bir enerji depolama ünitesine ihtiyaç duymaktadır. Bu durum kuruluş maliyetini daha da artırmaktadır. Fotovoltaik sistemlerin verimliliği diğer birçok enerji sistemine oranla oldukça düşüktür. Yapısındaki yarı iletken malzemenin yaşlanma faktöründen ötürü fotovoltaik sistemlerin performansı zamanla azalmaktadır. Fotovoltaik modülün güneş ışığını belli oranda yansıtma etkisinden ötürü ek kayıplar da söz konusudur.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Bir fotovoltaik hücrenin akımı ile gerilimi arasında lineer olmayan bir ilişki vardır. Aşağıda görülen değişim, standart test koşullarında (1000 W/m2’lik güneş ışınımı ve 25oC sıcaklıkta) bir güneş hücresinin I-V karakteristiğini yansıtmaktadır:

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Görüldüğü üzere fotovoltaik hücrenin açık devre akımı (Isc) adı verilen bir maksimum çıkış akımı ve açık devre gerilimi (Voc) adı verilen bir maksimum çıkış gerilimi vardır. Ayrıca akım değeri arttıkça gerilim değerinin buna ters orantılı olarak azaldığı da açıkça görülmektedir. Burada açık devre gerilimi (Voc) ve kısa devre akımı (Isc) incelenmesi gereken önemli parametrelerdir. Açık devre gerilimi, çıkış akımının sıfır olduğu, bir başka deyişle de yük direncinin sonsuz olduğu açık devre durumundaki fotovoltaik hücrenin uç gerilimini temsil etmektedir. Kısa devre akımı ise yük direncinin sıfır olmasına karşılık gelen fotovoltaik hücrenin uçlarının kısa devre edildiği ve uç geriliminin sıfırlandığı durumdaki üretilen çıkış akımını temsil etmektedir . 

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik hücrelerin lineer olmayan I-V karakteristiğinden ötürü bir fotovoltaik hücrenin her bir ışınım değerinde maksimum güç çıkışına sahip olduğu tek bir nokta vardır. Bu durum fotovoltaik hücrenin güç-gerilim eğrisinin gösterildiği aşağıdaki şekilde görülmektedir. Maksimum güç noktası tek bir gerilim değerine tekabül etmektedir.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik hücrelerin çıkış gücü, güneş ışınımına göre büyük bir oranda değişmektedir:

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Aşağıdaki şekilde ise referans ortam sıcaklığı olarak kabul edilen 25oC’de bir fotovoltaik hücrenin I-V eğrisinin ışınıma bağlı olarak değişimini göstermektedir. Işınımdaki değişimlerin fotovoltaik hücrenin açık devre akımını önemli oranda etkilediği, ancak açık devre gerilimi üzerinde aynı oranda büyük bir etkisi olmadığı kolayca görülebilmektedir:

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik hücrenin maksimum güç, açık devre gerilimi ve akımı gibi karakteristikleri hücre sıcaklığından da önemli oranda etkilenmektedir. Sıcaklık arttıkça fotovoltaik hücre açık devre gerilimi neredeyse lineer bir şekilde düşüş göstermekte, buna bağlı olarak da elde edilen çıkış gücü de azalmaktadır.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Fotovoltaik sistemlerin elektriksel karaktersitiklerinin incelenmesinde göz önüne alınması gereken bir başka husus da fotovoltaik sistemlerdeki gölgeleme etkisidir. Fotovoltaik yüzeyinde beklenmedik bir gölge durumunun oluşması fotovoltaik sistemlerini oluşturan hücrelerde gerilim dengesizliğine neden olan bir durumdur. Buna sebep olabilecek nedenler uçan kuşlar, uçaklar, başka bir fotovoltaik sisteminin gölgelemesi, yapraklar ve yüzeye yapışan yabancı materyaller olabilir.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Işığın hücreye ulaşmadığı gölgelenme durumunda fotoakım sıfırdır (Iλ->0) ve sadece iç diyot ve Rs, Rp dirençleri diğer aktif hücrelerden gelen akımlar için bir yol oluşturur. Sağlıklı hücrelerin gerilimi koldaki gölgeli hücrelere akım sağlar ve bu nedenle faydalı enerji, dirençler üzerinde boşa harcanır. Eğer daha fazla hücre gölge altında kalırsa bu iç dirençler, ısı kaynağı gibi davranır ve fotovoltaik sisteminin verimini düşürürler. Bu durum ayrıca fotovoltaik sistemine zarar verebilir. Bunu engellemek için köprüleme (by-pass) diyotları kullanılır. Gölgeleme durumunda bu diyotlar akım için bir yol oluşturur ve enerjinin dirençlerde harcanması engellenmiş olur.

3. Güneş Enerjisi Sistemleri Aynı durumu engellemek için paralel kollarda ise blokaj diyodu kullanılır. Bu diyotlar ayrıca ters akımlara karşı da koruma yaparlar: