DERS: YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI

... konulu sunumlar: "DERS: YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI"— Sunum transkripti:

1 DERS: YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI
ÖĞRETMEN: MUSTAFA İLKAN GRUP:2 TOLGA DURAN OSMAN MANYERA ALİ DEMİROĞLU METİN TEKDEN GÜNAY FEHMİOĞLU KONU: GÜNEŞ ENERJİSİ İLE PV HÜCREDEN ELEKTRIK ÜRETİMİ

2 İÇİNDEKİLER: -GÜNEŞ ENERJİSİ -PV HÜCRE VE BİLEŞENLERİ -PC HÜCREDEN MODUL OLUŞTURMA -PV HÜCREDEN ELEKTRIK ENERJİSİ ÜRETİMİ -PV SİSTEM ELEMANLARI VE BİLGİLERİ -PV HÜCREDEN ELEKTİRİK ÜRETİMİNİ OLUMSUZ ETKİLEYEN FAKTÖRLER

3 GÜNEŞ ENERJİSİ Güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile (hidrojen gazının helyuma dönüşmesi) açığa çıkan ışıma enerjisidir. Dünya atmosferinin dışında güneş enerjisinin şiddeti, yaklaşık olarak 1370 W/m² değerindedir, ancak yeryüzüne ulaşan miktarı atmosferden dolayı W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin dünyaya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. Güneş enerjisinden ısı, soğuk ve elektrik enerjisi üretiminde faydalanılabilmektedir. Yüzeylerine gelen güneş enerjisini fotoelektrik etki ile direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren sistemlere fotovoltaik güneş panelleri (PV) adı verilir. Bir modülün yüzeyi kare, dikdörtgen ya da daire biçiminde olup alanı yaklaşık 100 cm2 civarında ve kalınlığı 0,2 ila 0,4 mm arasındadır. Güneş enerjisi güneş panelinin yapısına bağlı olarak %5-%20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.

4 Bir PV Modül ve Panelin Elde Edilmesi:
Bir PV Modül ve Panelin Elde Edilmesi: Bir PV sistemin en önemli parçası solar hücrelerdir. PV hücreler genellikle ingottan kesilmiş kristal silikon veya üzerine ince bir tabaka kaplanmış ince filmlerden yapılır 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. Kristal silikon hala PV modüllerde en çok kullanılan malzemedir. Kristal silikondan yarı iletken güneş paneli oluşturmak için n ya da p tipi gerekir. Buna göre ya Bor ya da Fosfor katılarak n tipi yarı iletken elde edilmiş olur. Tipik olarak bir PV hücre cm2’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.

5 Güneş Panellerinin Yapısı ve Çeşitleri:
Fotovoltaik (PV) sözcüğü Yunanca ışık anlamına gelen “photos” ve elektriğin öncüsü Alessandro Volta’dan gelen “voltaic” sözcüklerinin birleşmesinden gelmektedir. Güneş panelleri, bir diğer adıyla fotovoltaikler, güneş ışınımını doğrudan elektrik akımına çeviren yarı iletken devre elemanlarıdır. Güneş panelleri (PV modüller) sistemin en önemli parçasıdır. Güneş (PV) hücreleri, güneşten aldıkları enerjiyle elektrik üreten yarı iletken malzemelerden üretilmişlerdir. Kalınlıkları mikrometreyle ölçülecek kadar ince olan bu hücrelerin boyutları genelde kare, dikdörtgen veya daireseldir. Tek bir PV hücreden elde edilen enerji oldukça azdır. Bu nedenle hücreler seri veya paralel bağlanarak modülleri, modüller de birleşerek panelleri oluşturur. Büyük miktarlarda elektrik üretmek için paneller de birbirine bağlanarak solar PV dizisini meydana getirir. Güneş modüllerinin üretiminde kullanılan başlıca maddeler; kristal silisyum, galyum arsenit, amorf silisyum, kadmiyum tellürid ve bakır indiyum diseleniddir. Güneş paneli hücrelerinin üst tabakaları çatlamaların, kırılmaların ve enerji kaybının önlenmesi için yansımayı önleyici kaplama ve korumalardan oluşur. Bu katmanların altında ise N tipi ve P tipi yarı iletken maddeler bulunur. N ve P tipi maddeler yarı iletken maddelerin eriyik hâlindeyken istenilen maddeler ile kontrollü olarak katılması sonucu oluşur. Güneş panellerinde yarı iletken madde olarak çoğunlukla çok kristalli silisyum kullanılmaktadır. Güneş panelinin çalışma prensibi aşağıdaki gibidir: Güneş ışığı güneş paneli üzerine düşer ve fotovoltaik hücreler tarafından absorbe edilir. Güneş panelinde çok elektrona sahip P tipi yarı iletken madde ve az elektrona sahip N tipi yarı iletken madde bulunur. Güneş ışığı P tipi yarı iletken maddeden elektron koparır. Enerji kazanan elektronlar N tipi yarı iletken maddeye doğru akarlar

6 Bu sabit tek yönlü elektron akışı doğru akımı (DC) yaratır
Bu sabit tek yönlü elektron akışı doğru akımı (DC) yaratır. Elektronlar kurulan devreler boyunca akarak farklı alanlarda kullanılır ve P tipi yarı iletken maddeye geri döner. Güneş panelleri, üretim teknolojilerine göre aşağıdaki gibi çeşitlendirilebilir: Birinci nesil güneş panelleri (Tek kristal ya da multikristal silisyum pul (wafer) teknolojisi) İkinci nesil güneş panelleri (Amorf silisyum (a-Si), Multikristal silisyum ince film (mc-Si), Cadmium telluride (CdTe), Copper indium gallium diselenide (CIGS) alaşım) Üçüncü nesil güneş panelleri (Çoğu henüz fikir aşamasındadır) (Nanokristal tabanlı güneş hücreleri, Photoelectrochemical (PEC) hücreler, Gräetzel hücreleri, Polimer tabanlı hücreler, Boya ile duyarlı hâle getirilmiş hücreler [Dye sensitized solar cell (DSSC)(DSSC piyasaya çıkmaya başladı.)]

7 Güneş panelleri, üretim şekillerine göre gruplandırıldığında en yaygın olanları mono kristalin, poli kristalin ve ince film (amorf silikon, thin film) paneller olmak üzere üçe ayrılır. Mono kristalin güneş panelleri: Mono kristalin güneş panellerinde malzemenin atomik yapısı homojendir. Mono kristalin güneş panelleri verimlilik kapasitesi diğerlerine göre en yüksek olan %15-%20 arası güneş paneli çeşididir. Mono kristalin güneş panellerinin üretimi teknik açıdan daha zor olduğundan ve daha çok zaman aldığından bu tip güneş panellerinin fiyatları da diğer güneş panelleri çeşitlerinden daha yüksektir. Ancak uzun süreli kullanımlar için düşünüldüğünde mono kristalin güneş panelleri dayanıklılık ve verimlilik açısından daha iyi bir seçenek olacaktır.

8 Poli kristalin güneş panelleri: Poli kristalin güneş panellerinde malzeme birçok mono kristalden oluşur ve atomik yapı homojen değildir. Poli kristalin güneş panellerinin verimlilik kapasitesi yaklaşık %14-%16 arası olup mono kristalin güneş panellerine göre %7 daha düşüktür. Kalite ve verimlilik açısından poli kristalin güneş panelleri mono kristalin olanlardan biraz daha düşük verimli hücreler ile üretilmiştir. Buna rağmen kullanım alanı daha yaygındır. Bunun en büyük nedeni daha kolay ulaşılabilir ve buna bağlı olarak daha uygun fiyatla bulunabilmesidir. Poli kristalin güneş panellerinin maliyeti mono kristalin güneş panellerinden daha düşük olduğu ve verimlilik kapasitelerinin maliyete oranı yüksek olduğu için bu tip güneş panelleri en sık üretilen güneş panelleridir. İnce film (amorf silikon) güneş panelleri: Işık yutma oranı yüksek olan bu hücreler, düşük verimlilikleri nedeniyle pazar payının küçük bir bölümünü oluşturur. Amorf silikon güneş panelleri kristal yapılı olmayan güneş panelleridir. Amorf güneş panellerinin yapısı nedeniyle verimlilik kapasiteleri

9 %5 ile %10 aralığında diğer güneş panellerine göre düşük olan değerlere sahiptir.
Esnek panel: Geleneksel güneş panellerine alternatif olarak, özellikle çatı uygulamaları için geliştirilmiş bir teknolojidir. PV konstrüksiyonlarının çatıya entegresinin zor olduğu uygulamalarda çatı izolasyonuna zarar vermeden monte edilebilir. Birçok uygulamada enerji üretiminin yanında çatı membranı olarak da kullanılabilir. Kristal ve ince film hücrelerden oluşan güneş paneli çeşitleri mevcuttur.

10 PV MODUL İLE ELEKTRİK ÜRETİMİ
Hücreye güneş ışığı vurduğunda, güneşin enerjisi her iki katmandaki elektronlara vurur ve boşa çıkartır. Boşta kalan elektronlar n-tip katmandan p-tip katmana hareket etmek ister ancak P-N birleşimindeki elektrik alanı bunu engeller. Dış bir elektrik devresinin varlığı elektronların hareket etmesini sağlar. N-tip katmanın üst yüzünde bulunan çok ince kablolar işte bu dış devreyi sağlar ve bu devre üzerinde hareket eden elektronlar da ihtiyaç duyulan elektriği üretmiş olurlar.

11 Dünya genelinde PV modüllere yapılan yatırım oranı
Yukarıda şekilde güneş enerjisinin elektrik enerjisine dönüşümünü gösteren blok şema vardır. Bu şemada kullanacağımız elemanları göstermektedir. Bu şemada şarj regülatörün çıkışına bir pako şalter koyularak ister DC istersek AC enerji sigortalardan geçirilerek alınır. Dünya genelinde PV modüllere yapılan yatırım oranı

12 Bir modülün çıkışında kullanılan (DC) 500V,20 A,4ms kapama özelliğine sahip dauble pole MCB
Sistemin Tasarımı Güneş enerjisinden elektrik üretmek için kurulacak bir sistemde akü grubu, akü şarj kontrolünün, inverter ve yardımcı elektronik devreler bulunabilir. Tabi ki uygulamaya göre bu bileşenler değişiklik gösterebilir. İstenen enerji miktarına göre güneş paneli ve sayısı belirlenir. Güneş olmadığı zamanlarda enerjisiz kalmamak için akü grubu sisteme dahil edilir. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesini engellemek için akü şarj kontrolü kullanılır. Şarj kontrolü akünün durumuna göre, güneş panellerinden gelen akımı keser ya da yükün çektiği akımı keser. İnverter, alternatif akım istenen uygulamalarda panelde elde edilen doğru akım elektriğini alternatif akım elektriğine dönüştürmek için kullanılır. İstenirse sisteme bir de maksimum güç noktası izleyicisi (MPPT) eklenebilir.

13 Akü Sistemi: Aküler elektrik enerjisinin depolanmasında kullanılır
Akü Sistemi: Aküler elektrik enerjisinin depolanmasında kullanılır. Güneş olmadığı zamanlarda enerjisiz kalmamak için elektrik enerjisinin depolanması mantıklıdır. Ayrıca güneşsiz günler de olabilmektedir. Bu yüzden enerjinin depolanması oldukça önemlidir. Akü kapasitesinin belirlenmesinde en önemli faktör sistemin güneş göremeyeceği gün sayısını ya da saatini hesaplamaktır. Biz bunu 2 gün olarak kabul edersek; günlük tüketimi 5 kW-saat olan bir ev için 10 kW-saatlik enerjiyi depolayabilecek bir akü grubu gereklidir. Sistem gerilimini 12 V seçersek, 12 V 1200 Ah akü grubu bir sistem için yeterli olacaktır.

14 Akü Şarj Kontrolü: Güneş panelinden gelen akımı ayarlayarak akünün tam dolmasını veya tamamen boşalmasını engeller. Tüketici için gerekli akım değerine göre sistemde uyumlu çalışabilecek tipte seçilmesi gereklidir. Ayrıca akü şarj kontrolünün, akü gerilimine uyumlu olması gerekir. Şarj kontrolünden direkt doğru akım çıkışı alınabilir. Çoğu şarj kontrolünde şarj durumuna ait sayısal bilgileri gösteren ekran bulunmaktadır. Bir çok şarj kontrol üreticisi firma panel gücüne göre seçilmesi gereken şarj kontrolü saptamış ve tablolar halinde kataloglarına koymuşlardır.

15 İnverter: Doğru akım enerjisini alternatif akım enerjisine çevrilmesine yarayan cihazlardır. Genel olarak tam sinüs çıkışı veren ve vermeyen olmak üzere iki çeşit inverter bulunmaktadır. Hassas yüklerin bulunduğu sistemlerde tam sinüs çıkışı verebilen inverterlerin kullanılması gereklidir. İnverter gücü, sistemde aynı anda çalışabilecek yüklerin güç değerleri toplanarak elde edilir. Aylık faturası 80 TL gelen bir tüketici 2000 Watt'lık bir inverter seçebilir. Evirici: Doğru akım enerjisini alternatif akım enerjisine çevrilmesine yarayan cihazlardır. Genel olarak tam sinüs çıkışı veren ve vermeyen olmak üzere iki çeşit evirici bulunmaktadır. Hassas yüklerin bulunduğu sistemlerde tam sinüs çıkışı verebilen eviricilerin kullanılması gereklidir. Evirici gücü, sistemde aynı anda çalışabilecek yüklerin güç değerleri toplanarak elde edilir. Aylık faturası 80 TL gelen bir tüketici 2000 Watt'lık bir evirici seçebilir. Diğer Ekipmanlar: Sistemde kullanılması gereken diğer elemanlar kablolar ve sigortalardır. Ayrıca sistemi izleyebilmek için çeşitli elektronik devreler de kullanılabilir. Sigorta ve kablo seçimi sistemin düzgün çalışabilmesi için son derece önemlidir. Kablo seçiminde gerilim düşümü de dikkate alınmalıdır. Diğer Ekibmanlar: Sistemde kullanılması gereken diğer elemanlar kablolar ve sigortalardır. Ayrıca sistemi izleyebilmek için çeşitli elektronik devreler de kullanılabilir. Sigorta ve kablo seçimi sistemin düzgün çalışabilmesi için son derece önemlidir. Kablo seçiminde gerilim düşümü de dikkate alınmalıdır.

16 Kurulum Maliyeti: Günlük ortalama 5 kW-saatlik enerji üretebilen sistem için maliyet hesabı yapılmıştır. Sonuçlar şu şekildedir:  Bu maliyet hesabına kablo, sigorta ve diğer elektronik devreler dahil edilmemiştir. Ayrıca işçilik masrafları da incelenmemiştir. Genel olarak piyasada güneş enerjisi ekipmanları Dolar ya da Euro para birimiyle satışa sunulmaktadır. Yukarıdaki hesabı, para birimi TL ye çevrilerek yapılmıştır. Görüldüğü gibi TL’lik bir maliyet ortaya çıkmıştır. İstenirse bu sistemin kendini geri ödeme süresi hesaplanarak yatırım için karar verilebilir.