Güneş Enerjisi Elektrik Teknolojisi ve Uygulamaları

3.3.2.1 Fotovoltaik Sistemlerin Tanımlaması

“PV” photovoltaic kelimesinin kısaltmasıdır. “Photo” ışık ve “Voltaic” elektrik anlamına gelir. Fotovoltaik terimi; güneş ışığının güneş hücreleri tarafından elektrik enerjisine dönüştürülme süresi için kullanılır. Uygun tasarlanmış bir fotovoltaik sistem az bir ışıkla megawatlarca elektrik üretebilir. Herhangi bir işletme ücreti, enerji kaynağı, gürültülü makineler gerektirmez ve hava kirliliğine sebep olmadan sadece güneş ışığı ile elektrik üretir (Altın, 2005). Fotovoltaikler DC (doğru akım) üretirler. Bu elektrik;

Direkt olarak DC gücü ile çalışan aygıtlarda,

Daha sonra kullanılmak üzere DC depolanarak,

AC (alternatif akım) dönüştürülerek bu akım ile çalışan aygıtlarda kullanılır.

Fotovoltaik (PV) etki; güneş ışınımına maruz kalan iki farklı malzemenin ortak jonksiyonunun (elektronikte p ve n tipi katkılı malzemelerin yan yana getirilmesi sonucu arada kalan tampon bölge) arasında oluşan elektriksel potansiyeldir. Bu etki Fransız fizikçi Becquerel tarafından 1839’da bulunmuştur (Patel, 1999). Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını (foton) doğrudan elektriğe dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 1m2 civarında, kalınlıkları ise 0,2- 0,4mm arasındadır. Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışır, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile %20 arasında bir verimle güneş enerjisi elektrik enerjisine çevrilebilir.

3.3.2.2 Güneş Pillerinin Yapısı ve Çalışması

Yarı-iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için n ya da p tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı- iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. Yarı- iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için elverişli olanlar; silisyum, galyum, arsenit, kadmiyum, tellür gibi maddelerdir. P ve n tipi yarı- iletkenler bir araya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür ve elektrik akımı oluşmaz.

38

Şekil 3.10 : Güneş Pillerinin Yapısı (www.dogal-enerji.net/energy, 2009) PN eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluşturur. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder ve elektrik akımı oluşur. Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. Bu dönüşüm iki aşamada olur, ilk olarak, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron- hol çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik yardımıyla birbirlerinden ayrılır (Şekil 3.11).

Şekil 3.11 : PN Eklemin Oluşma Şeması (EĐE, 2008)

Güç çıkışını arttırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine seri ya da paralel bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir. Bu yapıya güneş pili, modül ya da

39

fotovoltaik modül adı verilir. Güç ihtiyacına bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç watt’tan mega watt’lara kadar sistem düzenlenebilir (Şekil 3.12).

Şekil 3.12 Fotovoltaik Hücrelerin Birleşmesi

(www.enerjiplatformu.com/gunesenerjisi, 2009) Güneş pilleri elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak; akümülatörler, eviriciler (invertör) , akü şarj denetim aygıtları (düzenleyici, jeneratör vb.) ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemini (fotovoltaik sistem) oluştururlar (EĐE, 2009).

Şekil 3.13 : Güneş Pili Sisteminin Çalışması

40

Güneş panelleri ancak üzerlerine güneş ışınları düştüğünde akım verir. Ancak hem gece hem gündüz güneş enerjisinden yararlanmak için özel sistemler geliştirilmiştir. Panellerin güneş ışığı alırken ürettiği akımın belli bir kısmı akülerde kimyasal enerjiye dönüştürülerek depo edilir ve istenildiği zaman tüketime hazır hale getirilir. Bir fotovoltaik sistem, doğru akım (DC) ya da alternatif akım (AC) ile çalışan yükü beslemek amacıyla, güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirir. Güneş pilleri ile üretilen elektrik doğru akımdır. Çalıştırılması istenen yük alternatif akımla çalışıyor ise de doğru akımı alternatif akıma dönüştürmek için bir evirici kullanılır. Akü ile alternatif akımla çalışan alet arasına yerleştirilen evirici (invertör) denilen ilave bir sistem ile doğru akım alternatif akıma dönüştürülür. Đnvertör 12 veya 24 volt düşük doğru akımı 240 volt alternatif akıma dönüştürür. Đnvertörün çalışma prensibi: doğru akım gerilimi alır bir veya bir kaç transitörden geçirir. Sırayla bu transitörlerin tetiklenip bırakılmasıyla alternatif akım elde edilir. Ancak dönüşüm sürecinde bir miktar enerji jule ısısı olarak kayıp edilir.

Fotovoltaik sistemlerde güneş olduğu zamanlarda akünün tamamıyla dolduktan sonra akım almalarını (overcharge) önlemek gerekir. Fazla şarj akünün ısınmasına, sıvı kaybına ve ömrünün kısalmasına yol açar. Şarj kontrolör (regülatör), fotovoltaik levhalar ile akü arasına konarak akünün fazla şarj almasını önler. Çalışma prensibi olarak şarj kontrolör akünün voltajını sürekli kontrol eder, akü dolunca aküye giden akımı otomatik olarak keser. Güneş pillerinin sınırlı şiddette akım vermesi, onların yüksek şiddete akım çeken devrelerde kullanılamayacağı anlamına gelmez. Bu durumlarda sisteme jeneratör ilave edilir. Gün boyunca panellerin verdiği akım aküde depo edilir. Devre yüksek şiddete akım gereksinimi duyduğu hallerde aradaki farkı jeneratör üretir. Jeneratörü bir motor beslediği gibi bir rüzgâr türbini de besleyebilir.

Fotovoltaik sistemler, yerleşim merkezinden uzak noktalarda bulunan elektrik yüklerini beslemek üzere, yerel elektrik şebekesinden bağımsız olarak inşa edilebildikleri gibi yerel elektrik şebekesine yakın noktalarda bulunan fotovoltaik sistemler de şebekeye enerji aktarabilecek şekilde düzenlenebilirler(Yılmaz, 2009).

41

Şekil 3.14 : Güneş Pili Sisteminden Yararlanma Çeşitleri (www.enerjiplatformu.com/gunesenerjisi, 2009)

Şekil 3.14’de güneş enerjisinden nasıl yaralanıldığı gösterilmiştir. Modülden elde edilen doğru akım, doğru akım ile çalışan aletleri beslemektedir. Aynı zamanda fazla akım bataryalarda ilerde kullanılacak şekilde depolanmaktadır. Bu durum şeklin (a) kısmında gösterilmiştir. Şeklin (b) kısmında ise bağımsız biriminin tükettiği elektrikten fazlasının şebekeye nasıl verileceğinin teknik alt yapısı verilmiştir.

Güneş pili ve fotovoltaik sistemlerle ilgili çalışmalar 1950'lere dayanır. Tek silikon kristali uzun ömür ve yüksek çevrim verimi nedeniyle en popüler güneş pili materyali olarak kullanılmaya başlanmıştır. Konvansiyonel silikon güneş pili n/ p tipi bir yan iletken olup p- tipi boron bir alt tabaka ile fosfor katkılı bir n- tipi üst tabakadan oluşur. Güneş pilinin kalınlığı önemli bir tasarım faktörüdür. Kalınlık arttıkça verim artmakta ancak güç/ kütle oranı düşmektedir. Bu da zaman içinde ince film güneş pili teknolojisinin daha da önem kazanmasına sebep olmuştur. Đnce film silikon ve kadmiyum sülfit pillerinde % 9-10 düzeyinde verim elde edilebilmektedir. Đnce film pillerin verimleri tek kristal silikonun teorik olarak %24 ve pratikte %17'lik verimi ile karşılaştırıldığında düşük görülmekle birlikte maliyet performansı açısından oldukça iyidir(www.enerjiplatformu.com/gunesenerjisi, 2009).

42 3.3.2.3 Güneş Takip Sistemleri

PV hücresine gelen güneş ışığının dik bileşeni elektrik enerjisi üretimi sağlar. Gün boyunca PV modüllerinden alınabilecek enerjinin çoğaltılması için güneş ışığının modüllere mümkün olduğunca dik gelmesi sağlanmalıdır. Bu amaçla güneşin takibinin yapılabilmesi için modüller güneş takip sistemi üzerine yerleştirilir. Bir ya da iki eksen etrafında dönerek güneş panellerinin daha fazla enerji üretmesini sağlayan sistemlerdir. Güneş enerjisi sistemlerinin verimlerini %30 ile % 50 arasında arttırır. Güneş takip sistemleri iki çeşittir:

- Tek eksenli takip sistemi: güneşi gün boyunca doğu- batı doğrultusunda takip eder. - Đki eksenli takip sistemi: güneşi gün boyunca doğu- batı doğrultusunda ve yıl boyunca güney- kuzey doğrultusunda takip eder. (Two Axis tracking System)

(a) (b)

Şekil 3.15: Tek (a) ve Çift Eksenli (b) Güneş Takip Sistemi modeli

Takip sistemleri sensörler sayesinde güneşi takip edebilir. Ayrıca, zaman ayarlı takip sistemleri de mevcuttur. Gün boyunca doğudan batıya doğru yapılan takip sistemi sonraki gün için doğuya doğru yönlenir. Eski sistemlerde nikel- kadmiyum akü kullanılarak güneş battıktan sonra kendisini doğuya çevirmektedir. Yeni takip sistemlerinde doğuya dönüş işlemi güneş ışığı zayıflayınca yapılmaktadır.