FOTOVOLTAİK SİSTEMLER

1. GİRİŞ Güneş hücreleri güneş ışığını elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik cihazlardır. Söz konusu dönüşüm fotovoltaik etki esaslarına göre gerçekleşir. İsim: “Photo” Yunanca “Işık” Volt ise Elektrik üzerine ilk çalışma yapan “Alessandro Volta”dan gelir. Albert Einstein, 1921 yılında “Fotoelektrik Etkisi” çalışması ileNobel ödülünü kazanmıştır. Söz konusu teori bugün güneş panelleri ile elektrik üretiminin temelerini oluşturmaktadır. İlk üretilen güneş panelleri yaklaşık %4-%6 arasında verimlilik değerlerine sahiptiler. 1989’dan sonra söz konusu sektörde önemli gelişmeler yaşanmış ve günümüzde verimliliği %50’lere varan paneller üretilmebilmektedir.

Türleri ve Verimlilikleri 10 - 17% Tek Kristal Kristlin Polikristalin 10 - 13% Silikon Yarıiletken Kristalin Olmayan Amorf 7 - 10% Solar Cell Bileşik Yarı İletken Galyum Arsenit (GaAs) 18 - 30% Boya Duyarlı Tür 7 - 8% Organik Yarı İletken Organik İnce Film 2 - 3% Dönüşüm Verimliliği= Elde edilenElektrik Enerjisi Hücre içerisinde izole edilen x 100%

Silikon Esaslı Fotovoltaik Hücreler

Temel Bileşenler Üst Yüzey (Şeritler ve grid çizgiler) Hücre tarafında üretilen elektriğin toplanmasına yardımcı olurlar – negatif kontak Şerit malzemesi kalay kaplı bakır teldir Geniş Şeritler – Alanı genişletir: Küçük şeritlerin daha yüksek direnç değeri vardır. Anti reflektif kaplama (~150 nm kalınlığında) Silikon gelen ışığın ~1/3’nü yansıtır. Bu değeri %5 oranında azaltarak verim artırılır. Bu kaplama genellikle silikon monoksitten yapılır. Tektür Yüzey üzerinde ağlama yoluyla elde edilmiş piramit benzeri yapılar oluşturulur.

Temel Bileşenler n-tipi Silikon (~300nm kalınlığında) p-n yongası Silikon fosfor elementi ile doplanarak hücrenin negatif elektrodu oluşturulur p-n yongası N ve p tipi silikonun birleştirildiği yer Deplasyon zonu olarakda bilinir p-tipi silicon (250 nm kalınlığında) silicon elementi ile doplanarak hücrenin negatif elektrodu oluşturulur Alt kontak Pozitif kontak

Çalışma Prensibi Valence electrons

Çalışma Prensibi

Çalışma Prensibi Saf silikon kararlıdır – elektronlar sadece en yakın boşluğa hareket eder Silikon içerisine farklı elementlerin katkılanması malzemenin tümünde net bir elektrik şarjı oluşmasına neden olur – bu proses “doplama” olarak bilinir. En yaygın dop elementleri ise; Boron valans 3 – pozitif şarj üretir 10,000,000 silikon atomuna 1 adet Boron atomu doplanarak elde edilir. Phosphorous valens 5 – negatif şarj üretir 1,000 silikon atomuna 1 adet Fosfor atomu doplanarak elde edilir

Çalışma Prensibi Boron doploma Phosphorus doplama

Çalışma Prensibi

Çalışma Prensibi Valans bandındaki bir elektronun iletim bandına sıçraması için gerekli olan enerjiyi sağlayabilmek amacıyla; Fotonların bunu sağlayabilecek güce sahip olması gereklidir. Çok yüksek enerjiye sahip fotonlar elektronların iletim bandına sıçramasını sağlar ve ısı ortaya çıkar Düşük enerjiye sahip fotonlar ise sadece malzemenin içerisinden geçerek ısı artışına nisbi katkı sağlarlar Elektron Volt Değeri Bir elektron tarafından enerji 1V’luk bir potansiyel aralığından geçerken ortaya çıkan enerjisidir (vakum altında). Hücrenin açık devre voltajının ölçümü Yüksek bant aralığı = yüksekvoltaj

Çalışma Prensibi Load Foto Voltaik hücre Elektrot Antireflektif Film + - Foto Voltaik hücre Elektrot P-Tipi Yarıiletken N-Tipi Yarı İletken Antireflektif Film Güneş Enerjisi Load Elektrik Akımı

Çalışma Prensibi Dalga Boyu (m) 10-9 10-8 10-7 10-6 10-5 10-4 Frekans (Hz) 1017 1016 1015 1014 1013 1012 Foton Enerjisi (eV) 103 102 101 100 10-1 10-2

Bant Aralığı Enerjileri Malzeme Bant Aralığı Enerjisi (eV) (25ºC ) Polikristalin Silikon 1.12 Amorf Silikon 1.75 Kadmiyum Tellür 1.44 Galyum Arsenit 1.43

Spesifikasyonlar Sıcaklık 25ºC Güneşe maruz kalma 1000 W/m2 Hava Kütlesi AM1.5

Spesifikasyonlar

Verimlilik Hesabı h = verimlilik Pout = Güç Çıkışı (W) Pin = Güç Girişi (W) V = Voltaj(V) I = Akım (A) Gt = Yüzeyin güneşe maruz kalması (W) A = Hücrenin Alanı (m2)

I-V Eğrilerinin Değerlendirilmesi (A) Voltaj(V) Akım (I) P N A Kısa Devre Açık Devre V Yaklaşık 0.5V (Silikon) Yüksek güneş Voltaj (Normal Çalışma Şartlarında) 0.5V (Silikon Esaslı PV ise) Akım - Güneş Işığının Şiddetine - Hücrenin Boyutuna Düşük Güneş Normal Çalışma Noktası (Maksimum Güç Noktası) I x V = W

I-V Eğrilerinin Değerlendirilmesi (A) Voltaj (V) Akım(I) 0.49 V Standart güneş ışıması 1.0 kWh/m2 0.62 V Hücrenin türüne ve hücre malzemesine bağlıdır ( Si = 0.5V ) Hücre boyutuna bağlıdır Güneş Şiddetine Bağlıdır

Verimlilik Hesabı: Doluluk Oranı FF = Doluluk Faktörü Pmax = Maksimum Güç Çıkışı (W) Voc = Açık Devre Voltajı (V) Ics = Kısa Devre Akımı (A)

Verimlilik Hesabı: Doluluk Oranı Güç çıkışı sıcaklık artışı ile düşer Voltaj düşer ~0.0023V (herbir 1 ºC başına) Akım nisbi olarak yükselir

Fotovoltaik Hücre Bileşenleri Modül Dizi

Bileşenlerin Paralel Bağlanması A’dan B’ye Voltaj = 0.5V Akım A = B = 3A B A A’dan B’ye Voltaj = 0.5V Akım A = B = 6A B A A’dan B’ye Voltaj= 0.5V Akım A = B = 9A B

Bileşenlerin Seri Bağlanması A’dan B’ye Voltaj = 0.5V Akım A = B = 3A A B A’dan B’ye Voltaj = 1.0V Akım A = B = 3A A B A’dan B’ye Voltaj = 1.5V Akım A = B = 3A

Silikon Teknoloji ile Üretim Kristal Büyütme Czochralski Dikey Çekme İngot Döküm Kesme (Kristalin %20si hasar görür) Doplama Kaplama ve Kontaktör bağlama

Hücre Oluşturma Kaplama Filmi Güneş Hücresi Sıkıştırıcı Altlık Alt film Sıkıştırıcı Conta Çerçeve

Hücre Türleri: Silikon: Tek Kristal Ticari olak üretilmek. Üretici Kurum ve Kuruluşlar: BP Solar, Siemens Solar Industries, University of New South Wales Temel Üretim Yöntemleri: Czochralski ve Dikey Çekme PV pazarında en büyük Pazar payına sahiptir (>60%) En etkili ve en pahalı silikon esaslı hücrlerdir. Kalınlık 200 – 300mm Bant Aralığı 1.12 eV Lab verimliliği 24%

Hücre Türleri: Silikon: Tek Kristal

Hücre Türleri: Silikon: Polikristalin Ticari üretimi mevcut. Üretici firmalar: Kyocera, BP Solarex İngot döküm tekniği PV pazarının önemli pay sahiplerinden (>30%) Daha ucuz ve düşük verimli Kalınlık 200 – 300mm Bant Aralığı 1.12 eV Lab verimliliği 17.8%

Hücre Türleri: Silikon: Polikristalin

Hücre Türleri: Silikon: Amorf Ticari ölçekli üretim. Saat ve hesap makinelerinde kullanım alanına sahipler. PV pazarının %4ne sahipr Amorflar p-i-n yağısında Ucuz ancak düşük hızlı üretim proseslerine sahipler Kalınlık 1-2mm Bant Aralığı 1.75 eV Lab verimliliği Hücrelerde %13, modüllerde ise %7- 9’dür. Ancak bu verim ilk aydan sonra düşer.

Hücre Türleri: Silikon: Amorf

Hücre Türleri: Silikon: Amorf

Hücre Türleri: Polikristalin İnce Filmler

Hücre Türleri: Polikristalin İnce Filmler

Hücre Türleri: Polikristalin İnce Filmler: Bakır Indiyium Diselenit(CIS) Ticari Üretim MEvcut. Üretici Kurum ve Kuruluşlar: Energy PV, International Solar Electric Technologies, Martin Marietta, Seimens Solar Industries, Solarex Bozulmaz Kalınlık 1-2mm Bant Aralığı 1.0 eV Lab verimliliği Hücrelerde %17.1, modüllerde %11

Hücre Türleri: Polikristalin İnce Filmler: Kadmiyum Tellür (CdTe) Commercial production. Companies include: BP Solar, Golden Photon Inc., Matusushita Good bandgap P-type highly resistive – tends to be intrinsic in an n-i-p structure with p-type layer behind (such as zinc telluride (ZnTe) Thickness 1-2mm Band gap 1.44 eV Lab efficiency 15.8% cells but 10.5% for modules

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Hücre Türleri: Tek Kristal İnce Filmler: Galyum arsenit (GaAs) Galyum alüminyum ve çinko gibi metallerin ergitilmesi sonrası elde edilir – altından daha nadir bir elementtir. Oldukça ideal bir bant aralığına sahiptir Isıya karşı duyarlı değildir ve radyasyon hasarlarına karşı oldukça dayanıklıdır Çok pahalı olması nedeniyle uzay mekiği ve konsantre sistemlerde kıullanılırlar. Kalınlık 1-2mm Bant aralığı 1.43 eV Lab verimi 25.1% hücre verimi 20% ticari uygulamalar

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Hücre Türleri: Tek Kristal İnce Filmler: Multijunction hücreler Farklı bant aralıklarına sahip yarıiletkenlerin ince film formunda kaplanması ile elde edilir – en üstte geniş bant aralığına sahip bir yarıiletken ve en altta ise düşük bant aralığına sahip bir yarıiletken kullanılır Fotonlar bir katmandan diğerine geçerken absorbe olmazlar Lab verimliliği 35%’dir. (gallium arsenitli sistemler) Amorf silikon en üst katmanda, bakır indiyum selenyum ise en alt tabakada tercih edilir.

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Hücre Türleri: Tek Kristal İnce Filmler: Multijunction hücreler

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Hücre Türleri: Tek Kristal İnce Filmler: Konsantre hücreler Çok etkili ancak pahalı sistemlerdir Hücre alanı küçük tutulur Parabolik geometriye sahiptirler Güneş izleme sistemlerine ihtiyaç duymaktadır.

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Hücre Türleri: Tek Kristal İnce Filmler: Konsantre hücreler

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Temel Bileşenler Hücre dizisi Regulatör Depolama Bataryalar Dönen tekerlek DC dağıtım İnverter (?) AC dağıtım Şebeke Bağlantısı Destek Jeneratörü

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Temel Bileşenler

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Depolama

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Dönüştürücüler Gücün bir formdan başka bir forma dönüşümünü sağlar Voltaj dönüşümü DC-DC dönüştürücü DC-AC dönüşümü Inverter Dizi gücünün maksimize edilmesi Pik güç izleyici Aylak Yük

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebeke Bağlantı Bileşenleri

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebekesiz Sistem Örneği

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebekesiz Sistem Örneği 24 adet 75W panel 24 V potansiyel 63º ile güney cepheye monte edilmiştir (kış güneşi için uygun ancak yaz güneşinde %10’luk kayıp) 1400 Ah’lik ve 6V’luk batarya sistemleri İki invertörlü Micro-hidro destek jeneratörlü

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebekesiz Sistem Örneği

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebekesiz Sistem Örneği

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebekesiz Sistem Örneği

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Şebeke Bağlantılı Sistem Kaplanan Alan 532 m2 Toplam Güç 73 kWp Enerji Tüketimi 150,000 kWh Üretilen Enerji 55,000 kWh Toplam Maliyet £900,000

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Diğer Uygulamalar Saat ve hesap makineleri Düşük Güç / Düşük Voltaj Uydular Uzaydan yönetilen uydular için zorunludur. Sokak ve bahçe aydınlatmaları

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Diğer Uygulamalar

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Diğer Uygulamalar

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Diğer Uygulamalar

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Diğer Uygulamalar

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Pazar Durumu

Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik Sistemler: Pazar Durumu