Slayt 1 - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine ve İmalat

Transkript

Fotovoltaik Teknoloji
Dr. Osman Turan
Makine ve İmalat Mühendisliği
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Değerlendirme Kriterleri
Vize
% 30
Ödev
% 30
Final
% 40
Ders Planı
Bölüm 1:
Giriş
Bölüm 2:
Genel Bilgiler : Elektriksel Özellikler ve Elektrik Üretimi
Bölüm 3:
Güneş Işınımı
Bölüm 4:
Fotovoltaik Teknolojinin Temelleri
Bölüm 5:
Fotovoltaik Hücre Karakteristikleri
Bölüm 6:
Fotovoltaik Hücre Tasarımı
Bölüm 7:
Fotovoltaik Hücre Çeşitleri
Bölüm 8:
Fotovoltaik Sistem Tasarımı ve Projelendirilmesi
Bölüm 9:
Fotovoltaik Sistemin Termodinamik Analizi
Dr. Osman Turan
Bölüm 1 : Giriş
“Dünya insanlara atalarından miras kalmamıştır,
insanlar onu evlatlarından ödünç almışlardır”
Bölüm 1 : Giriş
Enerji = “Herşey”
Fosil Yakıtlar
Küresel Isınma
Karbon Emisyonu
Sera Etkisi
Tehlikenin Farkında Mıyız?: Küresel Isınma
Kaynak: Prof. Dr. Mikdat Kadıoğlu (Küresel İklim Değişikliği ve Türkiye)
Bölüm 1 : Giriş
Kötü Haber: Küresel Isınma
Mitch Kasırgası – 1998
1998 yılında saatte 285 km hızla esen Mitch Kasırgası‘nda 10.000 ölü ve
$6.000.000.000 zarar ortaya çıkmıştı.
Bölüm 1 : Giriş
Bölüm 1 : Giriş
oC
Uzun dönemde dünyada meydana gelen deniz suyu sıcaklıklarındaki değişimler
Kaynak : İngiltere de East Anglia Üniversitesi İklim Araştırmaları Birimi ve Meteoroloji Ofisi’nin
Hadley Merkezi
Bölüm 1 : Giriş
Bölüm 1 : Giriş
Günümüz dünyasında enerji, insanoğlu için bir ihtiyaç olmanın yanında çözülmesi
gereken en önemli sorunların da başında gelmektedir.
Bölüm 1 : Giriş İyi Haber: Yenilenebilir Enerji Kaynakları
?
Yenilenebilir enerji, sürekli devam eden doğal süreçlerdeki var olan enerji akışından
elde edilen enerjidir.
Yenilenebilir Enerji Kaynakları
Hidrolik
Jeotermal
Biokütle
Güneş
Rüzgar
Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Temel Özellikleri
 Fosil kaynaklı( kömür,petrolvekarbontürevi) değilledir.
 Elektrik enerjisi üretilirken CO2 emisyonu az bir
seviyede gerçekleşir
 Çevreye zararı ve etkisi konvansiyonel enerji
kaynaklarına göre çok daha düşüktür
Bölüm 1 : Giriş
Isıtma
Elektrik
CSP (Concentrated Solar Power) Teknoloji
Bölüm 1 : Giriş
Yıllık Bileşik Büyüme Oranı
Bölüm 1 : Giriş
Bölüm 1 : Giriş
Bölüm 1 : Giriş
(NREL)
 There has been steady progress in the improvement of conversion efficiencies for a
number of PV technologies over the last few decades.
Bölüm 2: Genel Bilgiler
Elektriksel Özellikler
Elektriklenme
Dr. Osman Turan
 Bilim tarihi içerisinde, elektrik hakkında edinilen ilk bilgi, M.Ö (640-546)
yıllarında Thales ile başladığı kabul edilmektedir.
 Thales, bir kehribar çubuğunu çuhaya ( yüne) sürttüğünde, çubuğun
kağıt ve tüy gibi hafif parçacıkları çektiğini fark etmiştir.
Kehribar, çam ağacından elde edilen bir tür taşlaşmış reçine
Elektrik , maddelerin atom yapısındaki elektronların hareket etmesiyle
oluşan bir enerji türüdür.
Elektron = Yunanca kehribar
katmanlar
(yörüngeler)
Elektrik Akımı, bir iletken içindeki elektronların sürekli olarak akışıdır.
 Maddelerin atomik yapılarını incelediğimizde, bazı maddelerin, son
katmanlarında (yörünge veya valans yörüngelerinde) serbest halde elektron veya
elektronların bulunduğunu gözlemleriz.
katmanlar
(yörüngeler)
 Bir maddenin elektriksel davranışları açısından o maddenin atomlarının son
yörüngesinde bulunan serbest (valans) elektronların etkisi büyüktür.
 Atomların son yörüngelerinde en fazla 8 elektron bulunur. Bu tür atomlar
oluşan elementlere soygazlar denir.
 Bütün atomlar, soygazlar gibi, son katmaların (valans yörüngelerini)
doldurmak isterler. Bu duruma kararlı elektron dizilimi adı verilir.
 Atomlar, kararlı elektron dizilimine sahip olabilmek elektron alır yada veririler.
 Bir maddenin elektriksel davranışları açısından o maddenin atomlarının son
yörüngesinde bulunan serbest (valans) elektronların etkisi büyüktür.
 Serbest (valans) elektronların sayısına bağlı olarak elementler:
Son katman
(valans yörüngesi)
İletken
Yarıiletken
Yalıtkan
YALITKANLAR
Elektrik akımını iletmeyen maddelere yalıtkan madde denir.
Maddelerin yalıtkanlık derecesi valans yörüngedeki (atomun son yörüngesi)
elektron sayısı fazlalığına bağlıdır.
Soygazlar, son yörüngelerindeki elektronları bırakmazlar ve elektron almazlar.
Yani çok iyi yalıtkandırlar.
Son yörüngedeki elektron sayısı azaldıkça yalıtkanlık dereceside azalır.
Hava, cam, seramik, plastik, mika ve kağıt gibi maddeler yalıtkanlar grubuna
girerler.
İLETKENLER
Elektrik akımını ileten maddelere iletken madde adı verilir.
Maddelerin iletkenlik derecesi atomun son yörüngesinde yeralan valans
elektron sayısı azlığına bağlıdır.
Bakır, altın, alüminyum, gümüş iyi iletkenlerdir. Bunlarda valans elektron sayısı 2
ile 3 arasında değişir.
YARIİLETKENLER
İletkenlikleri; iletkenler ile yalıtkanlar arasında olan (yani ne iyi bir iletken
nede iyi bir yalıtkan olan) maddelere yarıiletken madde adı verilir.
En yaygın olarak kullanılan yarıiletken maddelerden germanyum ve silisyum
Akım şiddeti, bir iletkenin belirli bir kesitinden, bir saniyede geçen elektron miktarı.
Coulomb Kanununa göre:
Ohm Kanununa göre:
Akım şiddeti, ampermetre ile ölçülür.
Ampermetre
Akım Çeşitleri
Doğru Akım (Direct Current, DC)
Alternatif Akım (Alternate Curent, AC)
 Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişmez.
 Zamana bağlı olarak yönü ve şiddeti değişir.
 Yükün (elektronların) bir yönde hareketi ile oluşur.
 Genelde sanayi ve konutlarda kullanılır.
 Genellikle elektronik devrelerde kullanılır.
 Buzdolabı, çamaşır ve bulaşık makinleri doğrudan
AC akım ile çalışır.
 En ideal doğru akım, en sabit olanıdır.
 En sabit DC kaynağı pildir.
 Mekanik enerjiyi doğru akıma çeviren
jeneratörlere dinamo adı verilir.
 Televizyon ve müzik seti AC akımı DC akıma
çevirerek çalışır.
 Gerilim (Potansiyel) farkı, birim yük başına yapılan iş.
 Gerilim farkı, voltmetre ile ölçülür.
 Direnç, elektrik akımına karşı direnç göstererek, (ohm yasasına göre) gerilim
farkının düşümüne sebep olan devre elemanıdır.
Direnç , R (Ohm, Ω)
 Ohm Yasası, elektirk akım şiddeti, gerilim ve direnç arasındaki ilişkiyi tanımlar.
Bir iletkenin, uçları arasındaki potansiyel farkının, iletkenden geçen akım
şiddetine oranı sabittir. Bu sabit değer, iletkenin direncine eşittir.
 Değişken Direnç (Reosta), bir iletkenin direncini değiştirmek için kullanılan devre
elemanı.
 Akım her zaman dirençsiz yolu tercih eder. Akımın dirençsiz yolu tercih etmesine
kısa devre denir.
Elektriksel İş : Gerilim × Akım × Zaman → E = V . I. t (Joule)
Elektriksel Güç : Gerilim × Akım → P = V . I (Watt= Joule/s)
Elektrik Devreleri
Elektriklenme Yöntemleri
Sürtünme : Malzemelerin sürtünmesi ile elektronların hareket etmesi. Kazağımızı açarken çıkan kıvılcımlar gibi
Piezoelektrik Etki: Malzemelerin (yalıtkan metallerdin) deformasyon sonucu elektronların hareketi etmesi.
Kimyasal Etki: Kimyasal tepkime sonucunda elektronların hareket etmesi.
Piroelektrik Etki: Malzemelerin ısıtılması veya soğutulması sonucu elektronların hareket etmesi. Sıcaklık
sensörleri, dedektörler gibi.
Termoelektrik Etki: Birbirine bağlı iki farklı metal ısıtıldığında elektronların hareket etmesi. İki farklı metal iki
uçlarından birleştirilip, bir uçları düşük, diğer uçları yüksek sıcaklığa tutulursa, bu iki
metalin üzerinden elektrik akımı geçer.
Nükleer Füzyon : Çekirdek tepkimesi sonucu direkt elektrik üretimi mümkün. CERN deneyi.
Nükleer Fisyon : Elektronların atomun radyoaktif bozunması nedeniyle atomdan ayrılması.
Elektromanyetik İndüksiyon: Bir iletken manyetik bir alan içerisinde döndürülmesi sonucu elektrik üretimi.
Fotoelektrik Etki: Güneş ışınları (foton) sahip olduğu enerji kullanarak elektronların hareket ettirilmesi.
Bölüm 3: Güneş Enerjisi
Güneşin Yapısı
Güneş Işınımı
Güneş Spektrumu
Toplam Güneş Işınımı
Güneş Işınımının Ölçülmesi
Dr. Osman Turan
Güneşin Yapısı
 Güneş, güneş sisteminin en uzak ve en büyük yıldızıdır.
 Dünya’ya uzaklığı yaklaşık 150 milyon kilometredir
 Çapı 1.392.000 kilometredir. Bu çap, Dünyanın 109 katıdır
 Kütlesi, Dünya kütlesinden 333.000 kat fazladır.
 Sıcaklık 15 Milyon oC.
Güneşin Yapısı
Güneşin Yapısı
 Güneş enerjisi, güneşin çekirdeğinde yer alan füzyon süreci (hidrojen gazının
helyuma dönüşmesi) ile açığa çıkan ışıma enerjisidir.
564 Milyon Ton / Saniye
Hidrojen
Helyum
Hidrojen
38 × 1022 kJ/saniye
 Güneş, enerjisini elektromanyetik ışımalar yaparak , güneş sistemine yayar.
Güneşin Yapısı
Güneşten Saniyede Açığa Çıkan Enerji
Dünya Yıllık Enerji Tüketimi
90 Milyar Varil Petrol Eşdeğeri
12 Milyar Ton Petrol Eşdeğeri (TEP)
38 × 1022 kJ
5 × 1017 kJ
750000
Güneşin Yapısı
Güneşten Dünyaya Gelen Enerji
Dünya Yıllık Enerji Tüketimi
90 Milyar Varil Petrol Eşdeğeri
12 Milyar Ton Petrol Eşdeğeri (TEP)
1.7 × 1014 kJ/saniye
5 × 1017 kJ/yıl
Güneşin Işınımı
 Güneş ışınları farklı dalga boylarında yayılır.
 Güneşten yayılan bu farklı dalga boylarındaki ışınların sıralı görünümüne güneş
spektrumu adı verilir.
Görünür Işık
 Güneş ışınlarının sahip oldukları enerji, dalga boyuna bağlı olarak şu şekilde
tanımlanır:
h : Planck sabiti = 6.63×10-34 Js
λ : Dalga boyu (m)
c : Işık hızı = 3 x 108(m/s)
Enerji artar
Dalga boyu azalır
Mikrodalga Fırın Nasıl Çalışır ?
 Dünyaya gelen güneş enerjisi, dalga boyları 0.1 – 3 μm arasında değişen
ışınlardan oluşur.
 Güneşten gelen ışınların dağılımı:
%9
Morötesi
% 45
Görünür ışık
% 46
Kızılötesi
 Güneş ışınları, güneş ile dünya
arasındaki mesafeyi yaklaşık 8 dk
alırlar (yani 3×108 m/s ışık hızı ile
hareket ederler).
Güneş Sabiti
Atmosfer dışındaki bir metrekarelik
alana dik olarak düşen güneş
ışınlarının enerjisi yaklaşık olarak
Isc= 1367 W/m2 değerindedir. Bu
değer güneş sabiti olarak bilinir.
Isc , güneş ile dünya arasındaki mesafenin (1.47 ×1011 –
1.52 ×1011) değişiminden kaynaklanan mevsimsel
farklardan dolayı ±% 3.5 oranında değişim gösterir.
Zenit (Zirve) Açısı
θ = Zenit açısı
Güneş ışınımı ile yatay düzlemin normali
arasındaki açıdır.
Hava Kütlesi (Air Mass, AM)
Yeryüzüne ulaşan güneş enerjisi miktarı, önemli
ölçüde güneş ışınlarının yeryüzündeki bir noktaya
göre konumuna bağlıdır. Söz konusu konum hava
kütlesi (𝑎𝑖𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠) faktörü ile ifade edilir.
Hava kütlesi (𝑎𝑖𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠) faktörü, güneş ışınlarının atmosferden geçerken
izlediği yolun, güneşin dik olduğu durumda izlediği yola oranıdır.
Hava kütlesi (𝑎𝑖𝑟 𝑚𝑎𝑠𝑠) faktörü, güneş ışınlarının herhangi bir açıda
atmosferdeki geçtikleri hava kütlesinin, güneşin dik olduğu durumda
atmosferden geçtiği hava kütlesine oranıdır.
Zenit açısının θ = 0o ve θ = 48o karşılık gelen
AM = 1 ve AM = 1.5 koşulları, fotovoltaik
teknolojisi ile ilgili çalışmalarda yaygın olarak
kullanılır.
Kosinüs Kuralı
Güneş ışınımı yüzeye dik olarak gelmediği durumlarda, yüzeye düşen güneş
ışınım miktarı, güneş ışınları ile yüzeyin normali arasında kalan açının kosinüsü
ile orantılı olarak azalır.
I
Ib
Dünyamıza Gelen Güneş Işınımı Bilançosu
% 30 atmosfer
tarafından geri
yansıtılır.
% 20 atmosfer ve
bulutlarda tutulur.
Dünya yüzeyine ulaşan güneş
ışınlarının % 70 yansıtılır.
% 50 atmosferi
geçerek Dünya
yüzeyine ulaşır.
 Güneş ışınlarının yaklaşık olarak % 50’si, atmosfer tarafından Dünya yüzeyine
gelmesi engellenir.
 Güneş ışınlarını atmosferde meydana gelen bu azalması iki şekilde meydana
gelir:
1)Rayleigh yayılımı
2)Ozon, Su Buharı, CO2 ve Oksijen tarafından soğrulma
Güneş Işınlarını Atmosferdeki Azalması
Rayleigh Yayılımı (Saçılımı)
Ozon, Su Buharı, CO2 ve Oksijen
tarafından soğrulma
Rayleigh Yayılımı (Saçılımı)
Rayleigh Yayılımı, güneş ışınlarının atmosferde,
dalga boyundan daha küçük, herhangi bir gaz
molekülüne çarpması sonucu bütün
doğrultularda eşit olarak yayılmasıdır.
Yayılım etkisi ~ 1 / λ4
Mavi ışığın (λ = 400 nm) yayılması, kırmızı ışığın
(λ = 400 nm) yayılmasından daha fazladır.
Bu yüzden gökyüzü mavi görünür.
Ozon, Su Buharı, CO2 ve Oksijen tarafından soğrulma
Güneşten çıkan ışınlar, atmosferi geçerken, atmosferi oluşturan çeşitli gazlar ve
toz parçacıkları tarafından soğurulurlar.
Yeryüzünün yaklaşık olarak 25 km yükseklikle, ozon tabakası olarak adlandırılan
ve güneş ışınlarının mor ötesi ışınlarını kesen bir katman bulunur.
Ozon tabakası λ < 320 nm olan mor ötesi (UV) ışınlarını soğurur. Bu işlem canlılar
için son derece önemlidir. Çünkü, mor ötesi (UV) ışınların cilde ve göze zarar
verici etkileri vardır.
Kızılötesi (IR) ışınların yaklaşık % 20’si su buharı ve CO2 tarafından soğurulur.
Yayılım (veya saçılma) olayının aksine soğrulma işleminde Güneş ışınlarından
enerji kazanılır ve atmosfer ısınır.
 Belirli dalga boyuna sahip güneş ışınlarının atmosferde süzülerek yeryüzüne
gelirler.
 Atmosferdeki azalmanın bir sonucu olarak, yeryüzüne ulaşan toplam güneş
ışınımı, doğrudan ışınım ve yaygın ışınım olmak üzere iki farklı özelliğe sahiptir.
Toplam güneş ışınımı = Doğrudan ışınım + Yaygın ışınım
Doğrudan Işınım
Herhangi bir etkiye uğramadan, Dünya
üzerindeki herhangi bir yüzeye dik ve yön
değiştirmeden direkt olarak gelen ışınımdır.
Zenit açısına, AM faktörüne bağlıdır.
Yaygın Işınım
Gökyüzündeki bulutlar ve tozlar tarafından saçılmaya
uğratılmış ışınımdır. Bulutlu havalarda güneşten gelen
ışınımın tamamı yaygın ışınım şeklindedir.
Güneş Işınımı Ölçümü
Güneş Işınımı Ölçen Aletler
Doğrudan Işınım
Toplam Işınım
Yayılı Işınım
Pirheliometre
Piranometre
Piranometre
(Gölgelendirilmiş)
Doğrudan ışınım, güneş takip sistemi
kullanılarak pirheliometre tarafından
ölçülebilir. Bu aletler, çalışma mantığı
olarak piranometrelerin aynısıdır. Ancak,
bu aletlerde sensör, güneş ışınlarının
yönünde yerleştirilmişuzun bir borunun
altnda yer alır. Böylece, yayılı ışınım
bertaraf edillmiş olur.
Yayılı
ışınım,
doğrudan
ışınımı
gölgeleyerek piranometre tarafından
ölçülebilir. Bu tür piranometreye
gölgelenmiş piranometre adı verillir.
Sinyal
yükseltici
1
Dış cam kubbe : Güneş ışınlarını siyah gövde üzerine odaklamak amacıyla kullanılır.
2
İç cam kubbe : Güneş ışınlarını siyah gövde üzerine odaklamak amacıyla kullanılır.
3
Siyah gövde (Sensör): Güneş ışınlarını soğurarak toplar.
4
Destek gövde : Destek gövdeye, hiçbir şekilde güneş ışınımı gelmez.
5
Termopil: (Çok sayıda (50 ve üzeri) Termokuplın (yada ısılçiftin) seri olarak bağlanmasından oluşur, ısı
enerjisini elektrik enerjisine dönüştürür. Isılçiftlerin bir ucu siyah cismin alt yüzeyine diğer ucu
ise destek gövde üst yüzeyine bağlıdır.
6
Çıkış kablosu : Üretilen elektrik sinyalini sinyal yükselticiye iletir.
7
Nem çekici : Hava içindeki su buharını absorbe ederek, su buharının (özellikle soğuk gecelerde)
yoğuşmasının önüne geçerek nem oluşumunu engeller.
8
Ayak
Okuyucu
Sinyal
yükseltici
Okuyucu
Piranometre Çalışma Prensibi
Piranometre, üzerine gelen güneş ışınımı, kubbe formundaki çift katlı cam ile
siyah cisim üzerine odaklanır. Siyah cisim, gelen güneş ışınımını soğurarak ısınır.
Böylece siyah cisme bağlı olan, ısıl çiftlerin ucu ısınarak sıcaklığı yükselir. Gövde
ucuna herhangi bir güneş ışınımı ulaşmadığı için, ısıl çiftlerin gövde ucuna bağlı
olan ucun sıcaklığı daha düşük kalır. Böylece, ısıl çiftin uçları arasında sıcaklık
farkından kaynaklanan, bir elektrik akımı oluşur. Elektrik akımının sinyali
yükseltici tarafından güçlendirilerek okuyucuya iletilir. Okuyucuda, güçlendirilen
elektrik akım sinyalinin, belirli zaman aralığında integrali alınarak güneş ışınımı
ölçülmüş olur.
Bölüm 4: Fotovoltaik Teknolojinin Temelleri
Fotovoltaik Hücre
Fotovoltaik Etki
Yarıiletken Fiziğin Temelleri
Atomik Yapı
Enerji Bandı Diyagramı
Kristal Yapı
Elektron-Boşluk Çiftleri
Katkılama: P-N Kavşağı
Dr. Osman Turan
Fotovoltaik Hücre
 Fotovoltaik hücreler (güneş hücreleri veya pilleri)
güneş ışığını direkt olarak elektrik enerjisine
çeviren yarıiletken malzemelerdir.
 Fotovoltaik hücrelerin, yüzeylerine güneş ışınları
(foton) geldiğinde uçları arasında elektriksel gerilim
oluşur (Fotovoltaik Etki).
 Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda fotovoltaik
hücre seri veya paralel olarak bağlanarak
fotovoltaik modüller (paneller) oluşturulur.
 Güç gereksinimine bağlı olarak fotovoltaik modüller seri veya paralel bağlanarak
fotovoltaik dizinleri, dizinlerin birleştirilmesi ile de birkaç Watt’dan Mega Watt’lık
enerji üretim kapasitelerine sahip fotovoltaik sistemler oluşturulabilir.
Hücre
Modül
Fotovoltaik Sistem
Dizin
Fotovoltaik Hücre
 Fotovoltaik hücre, verimleri (yapılarına bağlı olarak)
günümüzde %40 seviyelerine kadar yükseltilmiştir.
 Uygulama koşullarında verimi %15 civarlarına olan
fotovoltaik hücre iyi olarak nitelendirilir.
 Fotovoltaik hücreler, yakın zamana kadar verimleri daha yüksek
olan tekli (mono) kristal yapıdaki yarı iletkenlerden yapılıyordu.
Tane Sınırları
 Tekli (mono) kristal yapıdaki fotovoltaik
hücre üretimi oldukça zahmetli ve yüksek
maliyetli olduğundan son zamanlarda
üretim maliyetini düşürmek amacıyla
fotovoltaik hücreler verimleri biraz daha
düşük olan çoklu (poli) kristal yapıdaki yarı
iletkenlerken yapılmaktadır.
Mono-Kristal
Amorf
Poli-Kristal
Mono-Kristal
 Fotovoltaik hücrelerin temel sorunu verimleri değil üretim maliyetleridir.
Fotovoltaik Hücre
 Fotovoltaik hücre üretiminde kullanılan yarı iletkenlerin bazıları bileşik bazıları
elementtir.
Fotovoltaik Hücre Üretiminde Kullanılan Yarı iletkenler
Silikon (Silisyum) (Si)
Element
Germanyum (Ge)
Galyum Arsenik (GaAs)
Kadmiyum Tellür (CdTe)
Bakır İndiyum Diselenid (CulnSe2)
Bileşik
Kadmiyum Diarsenik (CdAs2)
İndiyum Fosfor (In P)
Kurşun Sülfür (PbS)
 Silikon, fotovoltaik hücre üretiminde en çok kullanılan yarı iletkendir.
 Silikon, oksijenden sonra doğada en çok bulunan elementtir.
Fotovoltaik Etki
 Güneş ışınları foton adı verilen yüklü taneciklerden meydana gelir.
 Fotonlar, güneş ışınım spektrumundaki farklı dalga boylarına bağlı olarak farklı
miktarlarda enerji içerirler.
 Bir fotonun enerjisi, ışık hızı ve dalga boyuna bağlı olarak Planck Kanunu ile
hesaplanır:
h : Planck sabiti = 6.63×10-34 Js
λ : Dalga boyu (m)
c : Işık hızı = 3 x 108(m/s)
Atomik düzeyde enerji sıklıkla eV (1eV = 1.6 × 10-19 J) cinsinden ifade edildiği için dalga boyu birimi μm
alınarak Plank Kanunu yukarıdaki gibi yazılabilir.
Fotovoltaik Etki
 Bir fotovoltaik hücrede güç dönüşümünün gerçekleşebilmesi için, yarı iletken
malzemenin yasak bant enerjisine (Eg) eşit veya daha yüksek bir fotonun hücre
tarafından soğrulması gerekir.
=
≥ Eg
 Yarı iletken malzeme içerisinde valans bandında bulunan bir elektronun , yarı
iletken malzemenin yasak bant enerjisine (Eg) eşit veya daha yüksek bir foton ile
karşılaşarak iletim bandına geçmesi sonucu elektron-boşluk çifti oluşmasına
fotovoltaik etki adı verilir.
 Elektron-boşluk çifti fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümünün temelini oluşturur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri
 Fotovoltaik hücredeki enerji dönüşümünü anlayabilmek için yarıiletken fiziği
hakkında bilgi sahibi olmak gerekir.
 Elektrik enerjisinin oluşturulmasını ve kontrol edilmesini maddenin atomik yapısı
belirler.
 Atomik yapıya bağlı olarak elementler;
Elementler
İletken
Yarıiletken
Yalıtkan
 Yarı iletken fiziğini incelemek için temel atomik yapının bilinmesi gerekir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Atomik Yapı
 Tüm maddeler (yada elementler) atomlardan oluşur.
 Yeryüzünde bilinen 109 element vardır.
 Bütün elementlerin atomik yapıları birbirlerinden farklıdır.
 Bohr Atom Modeline göre atom; elektron, proton ve nötron olmak üzere üç temel
parçacıktan oluşur.
 Atomik yapıda; nötron ve proton merkezdeki
çekirdeği oluştururlar.
 Elektronlar ise, çekirdekler etrafındaki sabit
yörüngelerde dolaşırlar.
proton
+ yüklü
nötron
Nötr
− yüklü
elektron
 Bilinen bütün elementleri birbirlerinden ayıran en temel özellik, atomlarında
bulunan proton ve nötron sayılarıdır.
 Her bir atomun proton ve nötron sayıları farklıdır.
 Proton ve elektron sayıları eşit olan atomlar, elektriksel açıdan kararlı (nötr) olan
atomlardır.
Atom Ağırlığı (Kütle Numarası) = Proton sayısı + Nötron sayısı
Atom Numarası = Proton sayısı
Periyodik Tablo
Enerji Kabukları (Bantları) ve Yörüngeler
 Bir atomun, elektron içeren yörüngeleri çekirdekten belirli uzaklıklardadır.
 Çekirdeğe farklı uzaklıklarda bulunan yörüngelerin belirli enerji seviyelerine
sahiptirler.
 Çekirdeğe yakın olan yörüngedeki elektronlar, çekirdeğe uzak olan yörüngedeki
elektronlar dan daha az enerjiye sahiptir.
L
K
Enerji Kabukları (Bantları) ve Yörüngeler
 Yörüngeler, kabuk (shell ) adı verilen belirli enerji bantlarında toplanmışlardır.
 Aynı Enerji Bandı içerisinde bulunan elektronların enerji seviyeleri birbirine yakındır.
 Enerji Bantlar arasındaki enerji seviyeleri arasındaki fark büyüktür.
 Enerji Bantları arasındaki bölge, yasak bölge (ya da yasak bant) olarak adlandırılır.
 Elektronlar bu bölgelerde bulunmazlar.
2n2
n: kabuk sayısı
L
K
Valans Elektronları
 Atomun, en dıştaki kabuğuna Valans Bandı denir.
 Valans Bandında bulunan elektronlara valans (serbest) elektronları denir.
 Valans elektronları atomun en yüksek enerji seviyeli elektronlarıdır. Bu durum,
valans elektronları, atomdan ayrılmaya daha eğimli hale getirir.
 Valans elektronları maddelerin iletkenlik özelliğini belirler.
L
K
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Enerji Bandı Diyagramı
Yasak Bant Enerjisi
Yasak Bant Enerjisi
 Bir atomda, en yüksek enerji seviyesine sahip bant iletim bandıdır.
 Esasen, iletim bandındaki elektron yoğunluğu maddelerin iletkenlik düzeyini belirler.
 Elektronların bulunabileceği enerji seviyeleri arasındaki boşluk yasak bant olarak
adlandırılır.
 Bir elektronun valans bandından iletim bandına geçebilmesi için sahip olması gereken
enerjiye yasak bant enerjisi (Eg) adı verilir.
Yasak Bant Enerjisi
Yasak Bant Enerjisi
SORU: Neden Fotovolataik hücre üretiminde
iletkenler ve yalıtkanlar kullanılamaz?
Cevap : Yasak Bant Enerji
Yasak Bant Enerjisi
Yasak Bant Enerjisi
Fotovoltaik Hücre Üretiminde Kullanılan Yarıiletkenlerin
Yasak Bant Enerjileri (Eg)
Yarıiletken Malzeme
Eg (eV)
Silikon (Silisyum) (Si)
1.1
Germanyum (Ge)
0.7
Galyum Arsenik (Ga As)
1.4
Kadmiyum Tellür (CdTe)
1.4
Indiyum Fosfor (In P)
1.2
Kadmiyum Diarsenik (CdAs2)
1.0
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Kristal Yapı
 Yarıiletken malzemeler kristal yapıya sahiptir. Yani atomlar kendini tekrar
eden düzenli bir dizilim gösterirler.
 Kristal yapı içerisindeki atomlar ise birbirlerine kovalent bağlarla bağlanırlar.
 Kovelant bağ, bir atomun valans elektronlarının birbirleri ile etkileşimi
sonucu meydana gelir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Kristal Yapı
 Her silikon atomu, kendisine komşu diğer 4 atomun valans elektronları kullanarak şekildeki gibi
bir yapı oluşturur.
 Bu yapıda her atom, 8 valans elektronunun oluşturduğu etki sayesinde kimyasal kararlılık sağlar.
 Bu nedenle saf silikon kristali yalıtkan özellik gösterir.
 Her bir silikon atomunun valans elektronu, komşu silikon atomunun valans elektronu ile
paylaşımı sonucunda kovalent bağ oluşur.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çiftleri
 Bu bölümde, enerji bantları arasında
elektronların nasıl yönlendiklerini inceleyeceğiz.
Eg = 1.1 ( eV )
 Şekilde, dışarıdan herhangi bir enerji ile
uyarılmamış (durgun) silikon kristalinin enerji
bant diyagramı gösterilmiştir.
 Silikon (silisyum) kristalinin valans bandında
4 elektron bulunur.
 Silikon (silisyum) kristali, durgun halde, iletim
bandında elektron bulunmaz. Bu nedenle
yalıtkan özellik gösterir.
 Silikon (silisyum) yarıiletkeninin yasak bant
enerjisi Eg = 1.1 eV’tur.
Foton
Enerjisi
Eg = 1.1 ( eV )
Foton
Enerjisi
 Silikon (silisyum) yarıiletkeninin valans bandında bulunan bir elektron Eg = 1.1 eV değerinden
daha büyük bir enerjiye sahip bir foton ile karşılaştığında, arkasında pozitif yüklü bir boşluk
(hole) bırakarak iletim bandına geçer.
 Elektronlar iletim bandının alt tarafında, boşluklar
ise iletim bandının üst tarafında kümelenirler.
Foton
Enerjisi
Eg = 1.1 ( eV )
Foton
Enerjisi
 Uyarılmış olan elektronlar ve boşluklar çok kısa bir süre içerisinde (10-12 s) enerjilerini
kaybederler.
 Neticede, her bir elektron, yasak bant enerjisine eşit foton enerjisini kaybederek tekrar valans
bandındaki boşluklarla birleşirler.
 Elektronların iletim bandında kaldıkları süreye “ömür süresi (life time)” adı verilir.
Foton
Enerjisi
Eg = 1.1 ( eV )
Foton
Enerjisi
 Eğer, iletim bandına çıkmış olan elektronlar, ömür süreleri içerisinde boşluklardan (yani artı
yüklerden) bir şekilde ayrılmazlar ise, elektriksel akıma yani fotovoltaik hücredeki enerji
dönüşümüne katkısı olmayacaktır.
 Yani bu durumu şöyle düşünebiliriz; elimizde bulunan sudaki hidrojenden faydalanmak
istiyorsak onu mutlaka bir şekilde (elektroliz gibi) oksijenden ayırmamız gerekir ki kullanalım.
 Fotovoltaik hücrede, elektron-boşluk çiftinin ayrılmasını temin edecek kuvvet elektrik alanıdır.
 Gerekli olan bu elektriksel alan, katkılama adını verilen, elektriksel iletkenlik karakteristikleri
birbirlerinden farklı olan yarıiletkenlerin bir araya getirilmesi ile sağlanır.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Elektron-Boşluk Çifti
 Saf (herhangi bir katkılama yapılmamış) Silikonun bir kısmına gerilim uygulandığında Şekilde
görüldüğü gibi, iletim bandındaki serbest elektronların negatif uçtan pozitif uca hareket
ederler.
 Saf Silikonun içerisindeki tıpkı negatif yüklü elektronlar gibi pozitif yüklü boşluklarda hareket
ederler.
 Silikon kristali içerisinde Valans bandındaki elektronlar
rahatlıkla komşu bir boşluğa taşınarak bir boşluktan diğerine
hareket edebilir.
Böylece, kristal yapı içerisindeki
boşluklarda (elektronların hareketinin tersi yönde) hareket
etmiş olacaktır.
Silikon içerisindeki elektron ve boşluk hareketi (akışı)
 Bir fotonun, silikon yarıiletkeni içerisinde bir adet elektron-boşluk çifti
oluşturabilmesi için sahip olması gereken maksimum dalga boyu değeri
belirlenerek, foton enerjisi-dalga boyu grafiği çizilebilir.
 Foton enerjisi-dalga boyu grafiği kullanılabilir ve kayıp enerji miktarlarının tespiti
açısından önemlidir.
Silikon için : Eg = 1.12 eV
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping)
 Katkılama (doping) , saf yarıiletken malzemeye , yapısal özelliklerini bozmayacak
oranda, katkı maddesi eklenerek, elektriksel özelliklerinin kontrollü bir şekilde
değiştirilmesi işlemidir.
 Bir fotovoltaik hücre, yasak bant enerjisinden daha yüksek enerji içeriğine sahip
fotonlar tarafından tahrik edildiği sürece, yarıiletken malzeme içerisinde elektronboşluk çiftlerinin oluşumu devam eder.
 Buradaki temel problem, elektron ve boşlukların yeniden birleşmesi neticesinde, yük
taşıyıcılarının enerji dönüşümünü tamamlayamadan ortadan kaybolmasıdır
 Yeniden birleşmenin önüne geçebilmek için, iletim bandındaki elektronları,
boşluklardan uzak tutacak bir kuvvete ihtiyaç duyulur.
 Bu kuvvet, yarıiletken malzeme içerisinde oluşturulan bir elektriksel alan ile temin
edilir.
 Söz konusu elektriksel alan, elektronları ve boşlukları zıt yönlere doğru iterek
yeniden birleşmeye engel olur.
 Yarıiletken malzeme içerisinde elektriksel alan oluşturabilmek için, kristal içerisinde
iki farklı bölge meydana getirilir.
P-tipi Malzeme
 Bölgelerden biri, saf silikon kristaline periyodik tablonun 3A grubunda yer alan bir
elementin, çok düşük konsantrasyonlarda ilave edilmesiyle oluşturulur.
 Bu katkılama işlemi sonucunda P-tipi yarıiletken oluşur.
N-tipi Malzeme
 Diğer bölge ise yine saf silikon kristaline, bu sefer periyodik tablonun 5A grubunda
bulunan bir elementin eklenmesi neticesinde meydana getirilir.
 Bu katkılama işlemi sonucunda N-tipi yarıiletken oluşur.
p -tipi Malzeme
 Silikon kristali içerisine, 3A grubundan Bor ilave edilirse, Borun 3 adet valans
elektronu ile silisyum 4 adet valans elektronu, kendi aralarında kovalent bağ yapar ve
silikon atomuna ait bir valans elektronu boşta kalır.
 Silikon atomunun boşta kalan valans elektronu, komşu Bor atamonda bulanan
boşluğu doldurur. Böylece, silikonun kristal yapısı içerisinde 1 elektron eksikliği
meydana gelmiş olur.
 Yarıiletken kristalinden elektron alarak elektron ihtiyacına neden oldukları için, bu
atomlara akseptör (alıcı) atom adı verilir.
 Silikon kristali içerisinde akseptör
atomlarının yer aldığı bölgede
boşluk fazlalığı olduğu için bu
bölüm p - tipi malzeme olarak
isimlendirilir.
B atomundan
oluşan boşluk
n -tipi Malzeme
 Silikon kristali içerisine, periyodik tablonun 5A grubunda yer alan Fosfor ilave
edilirse, fosforun 5 adet valans elektronu ile silisyum 4 adet valans elektronu, kendi
aralarında kovalent bağ yapar.
 Fosforun beşinci valans elektronu kristal içerisinde serbest kalır.
 Kristale fazladan elektron bıraktığı için bu atomlara donör (verici) atom adı verilir.
 Silisyum kristali içerisinde donör atomlarının yer aldığı bölgede elektron fazlalığı
olduğu için bu bölüm ise n -tipi malzeme olarak isimlendirilir.
Yarıiletken Fiziğinin Temelleri: Katkılama (Doping):
p - n Junction (Kavşağı)
 Elektron eksikliği (yada boşluk fazlalığı) olan p -tipi malzeme ile elektron fazlalığı
olan n -tipi malzemenin birleştirildikleri sınıra p-n junction (kavşağı) adı verilir.
 p-n kavşağı bir elektriksel alan oluşmasını sağlar.
 Oluşan bu elektriksel alan, n-tipi malzemenin kavşağa yıkın bölgelerindeki
hareketli elektronlarının, arkalarında pozitif yüklü boşluklar bırakarak, p - tipi
malzemeye geçmelerine sebep olur.
 Sınırı geçerek p-tipi malzeme içerisine gelen elektronlar kavşağa yakın bölgede
bulunan boşluklara yerleşirler.
P-N Junction
 P-n kavşağındaki elektron ve boşluk hareketi denge durumu elde edilinceye kadar
devam eder. Denge durumuna ulaşıldığında “deplasyon bölgesi” adı verilen bir
tabaka oluşur.
 Deplasyon bölgesi, boşlukları p – tipi malzemeye, elektronları ise n- tipi malzemeye
iterek, elekron ve boşluk hareketini engeller (bu yüzden yükten arındırılmış bölge
olarakta isimlendirilir).
 Böylece, fotovoltaik hücrede enerji dönüşümünün temel problemi olan, elektron ve
boşlukların yeniden birleşmesi önlenmiş olur.
Elektrik alan (potansiyel engel)
Deplasyon Bölgesi
P-N Junction (Kavşağı)
Elektrik alan (potansiyel engel)
Deplasyon Bölgesi
Bölüm 5: Fotovoltaik Hücre Karakteristikleri
Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü
Fotovoltaik Hücre Parametreleri
I-V İlişkisi
Yük Çizgisi
Kısa Devre Akımı
Açık Devre Voltajı
MPP (Maximum Power Point)
Dolgu Faktörü
Şönt Direnci
Seri Direnç
Fotovoltaik Hücre Verimi
Dr. Osman Turan
 Bir fotovoltaik hücre güneş ışığına maruz bırakıldığında, yeterli enerji içeriğine
sahip fotonlar sayesinde kristal içerisinde elektron-boşluk çiftleri meydana gelir.
 Bu hareketli yük taşıyıcıları eklem (kavşak/junction) bölgesine yaklaştığında,
deplasyon bölgesindeki (yükten arındırılmış bölgedeki) elektriksel alan sayesinde,
Şekilde görüldüğü gibi elektronlar n bölgesine; boşluklar ise p bölgesine doğru
itilirler.
 Kristalin iki kutbunda zıt yüklerin toplanması, bir potansiyel fark meydana getirir.
 İletken bir tel ile iki kutup Şekildeki gibi birleştirilirse, n bölgesindeki elektronlar, p
bölgesindeki boşluklara doğru hareket eder.
 Burada boşluklarla yeniden birleşen elektronlar devreyi tamamlarlar.
 Akımın yönü, elektron hareketine zıt yönde gerçekleşir. Bir diğer ifadeyle, p
bölgesinden n bölgesine doğrudur.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri
 Fotovoltaik hücreler, güneş ışınları sayesinde fotovoltajların ve fotoakımların
oluştuğu geniş alanlı, düz beslemeli (ileri yönlü kutuplanmış/ polarlanmış)
diyotlardır.
 Diyot, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Bir yöndeki dirençleri
ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan
elemanlardır
 Fotovoltaik hücre parametrelerinin hassas bir şekilde tespit edilebilmesi, fotovoltaik
sistemlerle ilgili dizayn, kalite kontrol ve performans değerlendirme çalışmaları
açısından önemlidir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
 Fotovoltaik hücreler, güneş ışınları sayesinde fotovoltajların ve fotoakımların
oluştuğu geniş alanlı diyotlardır.
 Fotovoltaik bir hücrede Akım-Gerilim (voltaj) ilişkisi,
fotoakım
diyot akım
IS : Doyma akımı
RS : Seri direnç
K ve α sabit sayılar
q : Elektronik yük
A : İdealite katsayısı
kB : Boltzman sabiti
T j : Kavşak (junction) sıcaklığı
paralel akım
RSh : Paralel direnç
Fotovoltaik Hücrede Akım – Gerilim İlişkisi
fotoakım
α1 α2 α3 : Sabit katsayılar
E
: Güneş ışınım akısı
Eref : Referans ışınım akısı
(1000 W/m2)
TJ
: Kavşak (junction) sıcaklığı
Tref : referans sıcaklık (298 K)
 Bu eşitliği dayanarak, fotovoltaik hücre eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çizilebilir.
 Akım – Gerilim (Voltaj) (I – V) karakteristiği genelde iki boyutlu bir grafikte; dikey
eksen akımı (Amper cinsinden), yatay eksen ise gerilimi (Volt cinsinden) temsil
edecek biçimde şekildeki gibi gösterilir.
 (I – V) karakteristiği, fotovoltaik hücrenin
uçlarına test direnci takılıp, açık devreden
kısa devreye kadar değeri değiştirilir ve bu
sırada direncin üzerindeki voltaj ve akım
değerleri ölçülerek elde edilir.
 Aşağıdaki şekilde (I-V) karakteristik
eğrisinin ölçülebilmesi ve çizilebilmesi için
örnek bir elektriksel devre düzeneği
gösterilmiştir.
 Bir (I-V) eğrisi belirli bir güneş ışınım akısı
altında çizilir ve farklı güneş ışınım akıları
için ölçümler tekrarlanır.
Fotovoltaik
hücre
Voltmetre
Reosta
Ampermetre
 Bir (I-V) eğrisi belirli bir güneş ışınım akısı
altında çizilir ve farklı güneş ışınım akıları için
ölçümler tekrarlanır.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi
 Yük çizgisi, doğrusal olmayan bir performans sergileyen bir aletin çalışma
noktasını bulmak için kullanılan grafiksel bir tekniktir.
 Herhangi bir anda, değişken direncin uçları arasındaki voltaj:
Yük çizgisi
 Fotovoltaik hücrenin (I-V) eğrisi
üzerine çizilen yük çizgisi 1/R
eğimine sahip olacaktır.
S R
P
E
X
Y
Z
A
 Küçük R değerleri büyük eğim oluşturur.
 Büyük R değerleri küçük eğim oluşturur.
 Yük çizgisinin (I-V) eğrisini kestiği nokta çalışma noktası (yada Q noktası) olarak
adlandırılır.
 Belirli bir direnç değeri için çalışma noktası güneş
ışınım akısı değeri, arttıkça A noktasında E noktasına
doğru hareket eder.
Yük çizgisi
 Bunun sonucu olarak, hem yük voltajı
E
hem de yük akımı güneş ışınım akısı
S R P
değeri ile artar.
X
 Benzer şekilde, belirli bir güneş ışınım
akısı için, azalan R, çalışma noktasını
P, R, S noktalarına doğru kaydırırken;
artan R, ise çalışma noktasını X,Y,Z
noktalarına doğru kaydırır.
Y
Z
A
Örnek 5.1
Fotovoltaik hücrenin I-V karakteristiği Şekilde verildiği gibidir. Fotovoltaik hücre 0.2
ohm’luk dirençsel yüke bağlanmıştır. Buna göre:
a) Yük çizgisini çizin,
b) Direnç üzerinden geçen akımı bulunuz,
c) Direncin uçları arasındaki voltajı bulunuz,
d) Direçteki güç kaybını hesaplayınız,
e) Işınım akısı değeri 1000 W/m2 olduğu durum için direncin uçları arasındaki
voltajı hesaplayınız.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Kısa Devre Akımı
 Kısa devre akımı, ISC ile gösterilir.
 Kısa devre akımı, Şekilde görüldüğü gibi, devrenin
kutupları kısa devre edildiğinde ölçülen akımdır.
 Her güneş ışınım akısı için farklı kısa devre akımı
söz konusudur.
 Kısa devre akımında pilin uçları arasındaki voltaj
(gerilim) sıfırdır.
V=0
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Kısa Devre Akımı
 Normal güneş ışınım akısı altında, seri direnç RS çok küçüktür ve pratik amaçlı
olarak hesaplamalarda ihmal edilebilir. Böylece kısa devre akımı aşağıdaki gibi
sadeleşir:
RS = 0
 Sonuç olarak; kısa devre akımı, güneş ışınım akısına bağlı olan fotovoltaik akıma
(fotoakıma) eşittir.
 Bu durum (ISC = IP ), fotovoltaik hücre tasarımında kullanılan en önemli prensiptir.
 Fotovoltaik hücreyi kısa devre akımına yakın bir akımda çalıştırarak, hücrenin üzerine
düşen güneş ışınım akısı ile doğru orantılı olan akım ölçülebilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Açık Devre Gerilimi
 Açık devre gerilimi, VOC ile gösterilir.
 Her güneş ışınım akısı için farklı kısa devre akımı
söz konusudur.
 Açık devre gerilimi, Şekilde görüldüğü gibi,
devreden geçen akım sıfıra eşitken, fotovoltaik
hücrenin kutupları arasında okunan gerilimdir.
I=0
1 / Rsh ≈ 0
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Maksimum Güç
Noktası (MPP)
 Maksimum güç noktası belirli bir güneş ışınım akısı altında, fotovoltaik hücrenin I-V
karakteristik eğrisi üzerindeki, akım ve gerilim değerleri çarpımının (yani gücün)
maksimum olduğu noktadır.
 Yüke aktarılan güç , yükün direncine bağlıdır ve fotovoltaik hücre MPP dışında bir
yerde çalışıyor ise yüke maksimum güç aktarımı gerçekleşmez.
P=V.I
Pmax
Imax
MPP
Vmax
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Dolgu Faktörü (FF )
 Fotovoltaik hücrenin dolgu faktörü, maksimum gücün kısa devre akımı ile açık
devre gerilimi çarpımına oranıdır:
ISC
Imax
 Buna bağlı olarak sistemden elde
edilecek güç de açık-devre gerilimle
(Voc) , kısa-devre akım (Isc) ve dolgu
faktörünün (FF) çarpımına eşittir.
Vmax
 Dolgu faktörü, seri ve paralel dirençlerden etkilenir.
 Dolgu faktörü için tipik değerler FF = 0.7 – 0.8 civarıdır.
 Kaliteli fotovoltaik hücreler için dolgu faktörü FF ≥ 0.7 değerler alır.
VOC
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Seri Direnç
 Fotovoltaik hücredeki seri direnç Rs, fotovoltaik hücre içerisindeki omik
kayıplardan oluşur.
 Seri direnç, fotovoltaik hücre ile yükü arasında seri bir şekilde yer alır.
 Seri direncin değeri çok küçüktür ve (10 mohm civarlarında) ve hesaplamalarda
ihmal edilebilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Seri Direnç
 Seri direnç, fotovoltaik hücrenin I-V eğrisi üzerinde, açık devre gerilimi ile
maksimum güç noktası arasında kalan bölgenin karakteristiğini etkileyen bir
hücre parametresidir.
 Fotovoltaik hücrenin seri direnci artması neticesinde, Şekilde de görüldüğü gibi,
I – V eğrisi altında kalan alan (yani dolgu faktörü, FF) azalır ve buna bağlı olarak
da fotovoltaik modülden elde edilen çıkış gücü düşer.
 Fotovoltaik hücre eskidikçe seri direnci artar.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Paralel (Şönt) Direnç
 Fotovoltaik hücrenin paralel direnci Rsh, fotovoltaik hücrenin kutupları
arasındaki sızıntı akımları sonucu oluşur.
 Paralel direncin değeri çok büyüktür (100 ohm civarı).
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Paralel (Şönt) Direnç
 Paralel direnç bir fotovoltaik hücreninin I-V eğrisi üzerinde, kısa devre akımı ile
maksimum güç noktası arasındaki bölgenin karakteristiğini etkileyen bir hücre
parametresidir.
 Fotovoltaik hücrenin paralel (şönt) direncinin azalması , Şekilde de görüldüğü
gibi, I-V eğrisi altında kalan alanı (yani dolgu faktörü, FF) azaltır ve buna bağlı
olarak da , fotovoltaik modülden elde edilen çıkış gücü azalır.
 Fotovoltaik hücre eskidikçe paralel direnç azalır ve bunun sonucu olarak da
sızıntı akımları artar ve dolgu faktörü azalır.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri
 Fotovoltaik hücreler kavşak (eklem/Junction) sıcaklığından etkilenirler.
 Sıcaklık arttıkça potansiyel fark azalır ve bunun sonucu olarak da küçük açık
devre voltajı oluşur.
 Silikon bir fotovoltaik hücredeki potansiyel fark 2.3 mV/oC’ dir.
 Fotovoltaik hücre akımının sıcaklıkla değişimim ihmal edilir.
 Güç, gerilim ve akım çarpımına eşit (P = V. I) olduğuna göre, fotovoltaik hücre
sıcaklığı düştükçe güç artar.
 Fotovoltaik hücrenin rengi koyu oluğu için çok güneş ışığı emer, bu nedenle,
fotovoltaik hücrenin kavşak (eklem/Junction) bölgesindeki sıcaklık çevre
sıcaklığından yüksektir.
 Soğuk bir fotovoltaik hücre daha yüksek bir gerilim oluşturur.
 Sıcaklık arttıkça potansiyel fark azalır ve bunun sonucu olarak da küçük açık
devre voltajı oluşur.
 Fotovoltaik hücre akımının sıcaklıkla değişimi ihmal edilir.
 Güç, gerilim ve akım çarpımına eşit (P = V. I) olduğuna göre, fotovoltaik hücre
sıcaklığı düştükçe güç artar.
Sıcaklık artıyor
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Kontrolü
 Bir fotovoltaik hücre için verim kavramı, ışınım enerjisinin ne oranda elektrik
enerjisine dönüştürülebildiği şeklinde tanımlanabilir.
=
Üretilen Elektrik Enerjisi
Gelen Işınım Enerjisi
 Fotovoltaik sistemlerde performans değerlendirme ölçütü olarak yaygın biçimde
enerji verimi ve güç dönüşüm verimi kavramları kullanılmaktadır.
Enerji Verimi
Güç Dönüşüm Verimi
Fotovoltaik Hücre Verimi: Enerji Verimi
 Enerji verimi, fotovoltaik hücre tarafından üretilebilecek teorik gücün, hücre
yüzeyine gelen ışınım enerjisine oranı olarak ifade edilir.
 Herhangi bir işletme koşulunda bir fotovoltaik hücrenin üretebileceği teorik güç,
Şekilde görüldüğü gibi kısa devre akımı ve açık devre voltajı ile sınırlanan
dikdörtgensel bölgenin alanına eşittir.
Fotovoltaik hücre için
enerji verimi
ISC
: Kısa devre akımı (A)
VOC : Açık devre gerilimi (V)
G
: Işınım enerjisi (W/m2)
A
: Fotovoltaik hücre
yüzey alanı, m2)
Fotovoltaik Hücre Verimi: Güç - Dönüşüm Verimi
 Güç dönüşüm verimi, Şekil de görüldüğü gibi seri ve şönt direnç etkilerini dikkate
alacak şekilde, bir fotovoltaik hücreye ait 𝐼 − 𝑉 eğrisi altında kalan alanın, hücre
yüzeyine gelen ışınım enerjisine oranı ile belirlenir.
Fotovoltaik hücre için
Güç dönüşüm verimi
 Fotovoltaik hücrelerin verimleri, belirli standart koşullar altında testler yapılarak
ortaya konur.
Bu standart koşullar:
Karasal Uygulamalar İçin ASTM G173: 25 Co
AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2o; AM = 1/cos θ)
1000 W/m2
Uzay Uygulamalar İçin
ASTM E490: AM 0 (Zenit Açısı, θ = 0; AM = 1/cos θ)
1367 W/m2
 Hücre verimleri yukarıda verilen standart koşullara göre test edilirken, sıcaklığın
hücre verimi üzerindeki etkisini ihmal etmek amacı ile hücre sıcaklığı sabit tutulur.
Hava koşulları, bir fotovoltaik hücrenin üreteceği güç değerini ve dolayısıyla da
verimini önemli ölçüde etkiler.
Güneş yoğunluğu, bir fotovoltaik hücrenin üreteceği güç değerini ve aynı zamanda
verimini önemli ölçüde etkiler.
Fotovoltaik hücrenin ürettiği enerji, hava koşullarının yanı sıra güneşle olan açısına
bağlı olarak değişir.
Kosinüs Kuralı
Güneş ışınımı yüzeye dik olarak gelmediği durumlarda, yüzeye düşen güneş
ışınım miktarı, güneş ışınları ile yüzeyin normali arasında kalan açının kosinüsü
ile orantılı olarak azalır.
Enerji aktarımının en yüksek olabilmesi için MPP noktasının izlenmesi gerekir.
MPP
Atmosferde
kat edilen
yolun
uzunluğu
Güneş geliş
açısı
Sıcaklık
Hücre verimini
etkileyen
Faktörler
Güneşlenme
süresi
Hücre
malzemesi
Güneş Işınım
Yoğunluğu
Bölüm 6: Fotovoltaik Hücre Çeşitleri
Kristal Yapılı Hücreler
Mono-Kristal Yapılı Silikon Hücre
Poli-Kristal Yapılı Silikon Hücre
İnce Filmli Hücreler
Fleksibıl Fotovoltaik Hücreler
Çok Eklemli Hücreler
Nano-Fotovoltaik Hücreler
Dr. Osman Turan
 Fotovoltaik teknolojideki gelişmelerin asıl amacı, sadece hücrelerin verimliliğini
artırmak değil, aynı zamanda üretim maliyetini de azaltmaktır.
 Böylece, fotovoltaik teknolojinin farklı uygulamalarda kullanılması olanağı ortaya
çıkacaktır.
 Mevcut fotovoltaik teknolojide güncel olarak kullanılan dört ana hücre tipi
bulunmaktadır:
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler
İncel Filmli Fotovoltaik Hücreler
Çok Eklemli Fotovoltaik Hücreler
 Güneş ışığı hücre yüzeyine ulaşınca, hücrenin bir tarafında bulunan katot
tabakasındaki uyarıcı elektronlar, iletkene doğru hareket ederek hücrenin diğer
tarafındaki anota çarparlar.
 Eğer anot ile katot birbirine bağlanırsa elektrik adını verdiğimiz elektron akışı
sağlanır.
 Bu durumda anot ile katot arasına bir ampül bağlanırsa, ampülün yandığı görülür.
Tek Kristalli
(Mono-kristal)
Çok Kristalli
(Poli-kristal)
Verimleri yüksek
Üretim Maliyeti Yüksek
Verimleri Düşük
Üretim Maliyeti Düşük
Tane Sınırları
Mono-Kristal
Poli-Kristal
Mono-Kristal
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Mono-Kristal Si Hücre
 Mono-kristal silikon hücre, fotovoltaik hücre üretiminde en yaygın kullanılan
malzemelerden biridir.
 Mono-kristal silikon hücrelerin üretim maliyetleri yüksektir. Bu durum poli-kristal
silikon hücrelerin daha yaygın kullanımına neden olmuştur.
 Mono-kristal silikon hücrelerin ömürleri uzundur.
 Mono-kristal silikon hücrelerin yüzeyi siyah veya açık mavi renklidirler.
 Silikonun fotovoltaik hücre teknolojisinde yaygın olarak kullanılmasının başlıca
nedenleri:
 Elektriksel , optik ve yapısal özelliklerinin uzun süre değişmemesi
 Silikon üretim teknolojisinde önemli başarılar sağlanmış olması
 Saf mono-kristal silikon üretimi oldukça zor, zahmetli ve pahalı bir teknolojidir.
 Oksijenden sonra dünya üzerinde en çok bulunan silikon, en çok kum ve kuvars
biçiminde bulunur.
 Kum içerisinde bulunan silikon oranı çok yüksek olmadığı için kullanıma uygun
değildir.
 Kuvars %90’nı silikondur ve kuvars işlenerek %99 saflıkta silika elde edilir.
Ardından, silikandan metalurji kalitesinde silisyum elde edilir.
 Bunu izleyen aşamada, silisyum saflaştırılarak, yarı iletken özelliğinde poli-kristal
silikon elde edilir.
 Yarı iletken özellikte ve saf özellikte mono - kristalli silikon elde etmek üzere polikristal silikon yeniden eritilir, büyütülür.
 Çekirdekler, çok düşük hızla ergimiş silikon banyosundan çekilerek mono-kristal
silikon elde edilir.
Kuvars
Silika
Poli-Kristal
Silikon
Mono-Kristal
Silikon
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Czochralski Metodu
 Mono-kristal malzeme üretiminde kullanılan en genel teknik Czochralski Metodudur
(CZ Metodu).
 Bu teknikte, çekirdek olarak bilinen mono-kristal malzemenin küçük bir parçası, sıvı
fazda olan aynı malzemenin yüzeyi ile temas ettirilir ve daha sonra yavaşça eriyikten
dışarı çekilir.
 Çekirdek yavaşça çekildiği için katı ve sıvı yüzeyler
arasındaki düzlemler boyunca katılaşma meydana
gelir.
 Genelde, kristal eriyikten dışarıya düşük bir hızla
döndürülerek çekilir. Böylece eriyik karıştırılarak
içerisinde daha düzenli sıcaklık dağılımı elde
edilmesi sağlanmış olur.
 Bor ve fosfor gibi kirlilik atomlarının belirli bir
miktarı büyütme sırasında eriyik içerisine eklenerek
katkılama işlemi gerçekleştirilir.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Poli-Kristal Si Hücre
 Poli- kristal malzemelerin iç yapısında yer alan tane sınırlarının büyüklükleri,
malzemenin elektriksel, optik ve yapısal özelliklerinin kalitesini etkiler.
 Tane sınırları arasındaki süreksizlikler, özellikle elektriksel yük taşıyıcıların
aktarılmasında önemli ölçüde engelleyici rol oynar.
 Bu durum, poli-kristal fotovoltaik hücrelerin verimlerinin mono-kristal hücrelere
göre daha düşük olmasına yol açar.
 Ancak poli-kristal silikon üretim teknolojisi, mono-kristal ile karşılaştırıldığında,
daha kolay ve daha az maliyetlidir.
Tane Sınırları
Mono-Kristal
Poli-Kristal
 Ticari poli-kristal silikon (pc-Si) fotovoltaik
hücrelerin verimleri %12-15 arasında değişir.
Kristal Yapılı Fotovoltaik Hücreler: Poli-Kristal Si Hücre
 Fotovoltaik endüstride maliyetleri azaltma ve üretim verimin artırma çabaları,
yeni kristalleştirme tekniklerinin geliştirilmesine neden olmuştur.
 Başlangıçta, silikon maliyeti 340 $/kg iken, Fotovoltaik endüstride yaygın olarak
poli-kristal malzeme kullanılmaktaydı.
 Ancak, zaman içerisine silikon fiyatları 50 $/kg’a kadar düşmesi ile birlikte, üretim
verimlerinin poli-kristallere göre %15 oranın daha düşük olmasına rağmen, monokristal üretim tercih edilir duruma gelmiştir.
İnce Filmli Fotovoltaik Hücreler
 Fotovoltaik hücre üretiminde kullanılan malzemenin ve işçiliğin azaltılması,
teknolojinin basitleştirilerek maliyetlerinin düşürülmesine yönelik yapılan
araştırma ve geliştirme çalışmaları , yarı iletken malzemenin geniş yüzeyler
üzerine ince bir film şeklinde kaplanmasını gündeme getirmiştir.
 İnce bir film yarıiletken malzeme büyüklükleri 1/103 – 1/106 mm arasında değişen
katmanlardan oluşur.
İnce Filmli Fotovoltaik Hücreler
 İnce filmli fotovoltaik hücrelerin verimleri, kristal silikon fotovoltaik hücreler kadar
yüksek değildir.
 İnce filmli fotovoltaik hücrelerin verimlerinin düşük olmasını temel nedeni,
kalınlıkları çok az olduğu için, hücre kalınlığında daha uzun dalga boylu güneş
ışınlarının hücre tarafından soğrulamamasıdır.
Mono-Kristal
Poli-Kristal
Verim: % 15-23
Verim: % 12-15
İnce film
Verim: % 8-12
 İnce filmli fotovoltaik hücrelerin üretimleri oldukça ucuzdur. Zira, ince film hücre
üretiminde kullanılan yarıiletken malzeme, kristal yapılı fotovoltaik hücre
üretiminde kullanılanın yalnızca %1-2’si oranındadır.
İnce Filmli Fotovoltaik Hücreler: Fleksibıl CIGS Hücreler
 İnce film teknolojisinde, son yıllarda ilgi, CIGS (Bakır İndiyum Galyum Selenid)
esaslı , metal veya plastik folyo üzerindeki fleksibıl fotovoltaik hücrelerin üzerine
kaymıştır.
 CIGS fleksibıl fotovoltaik hücrelerin en önemli avantajları, verimleri yüksek ve
kararlılıklarını uzun süre devam ettirebilmeleridir.
 Bununla birlikte, CIGS fleksibıl fotovoltaik hücreler uzaysal ışınıma karşı
toleranslarının, yaygın olarak kullanılan Si ve GaAs hücrelerden 2-4 daha fazla
oluşu nedeniyle, uzay uygulamalarında oldukça önemli bir potansiyele sahiptir.
 Yine bu teknolojinin en önemli avantajlarından
birisi, esnek yapıları sayesinde uygulanacak
geometrinin
tam
olarak
formunu
alabilmeleridir.
Dolayısıyla
geometriyi
bozmazlar.
Örneğin,
uçak
kanadına
uygulanabilirler ve kanadın aerodinamiğini
herhangi bir şekilde etkilemez.
Çok Eklemli (Kavşaklı) Fotovoltaik Hücreler
 Tek eklemli fotovoltaik hücrelerin verimleri maksimum %31 düzeylerindedir.
 Oysaki, güneş ışınım spektrumu daha etkin bir şekilde kullanılarak verim daha
yüksek düzeylere çekilebilir.
 Bu durumu dikkate alan araştırmacılar, çok eklemli fotovoltaik hücre ile ilgili
çalışmalara yönelmişlerdir.
 Çok eklemli fotovoltaik hücreler, farklı yasak
bant enerjilerine sahip iki veya daha fazla
hücre birleştirilerek oluşturulurlar ve farklı
dalga boylarına sahip fotoların enerjilerinden
daha yüksek oranda yaralanılır.
 Günümüzde, çok eklemli hücrelerin verimleri %41 seviyelerine ulaşmıştır.
 Ancak bu teknolojini en büyük dezavantajı maliyetli oluşudur. Bu nedenle,
günümüzde, bu tip fotovoltaik hücreler daha çok uzay uygulamalarında
kullanılmaktadırlar.
 Teorik ideal bir fotovoltaik hücre, mor ötesi ile kızıl ötesi ışınım arasındaki bütün
dalga boylarındaki ışınımın küçük aralıklarına duyarlı yüzlerce farklı katmandan
oluşabilir.
 Bu durumda, %70 gibi olağanüstü bir verime ulaşmak mümkündür.
 Ancak bu tür bir karmaşık yapıdaki fotovoltaik hücre üretimindeki zorluklar henüz
böyle bir tasarımı mümkün kılmamıştır.
 Nano-fotovoltaik, 21. yüzyıl fotovoltaik teknolojisidir.
 Nano-mikro kristal yapılı yüksek enerji etkin fotovoltaik hücrelerin üretimini
kapsamaktadır.
 Bu teknoloji ile diğer fotovoltaik hücrelere göre % 8 ile 10 arasında daha iyi verimli
hücre üretim potansiyeli mevcuttur.
Bölüm 7: Fotovoltaik Sistem Tasarımı
Fotovoltaik Sistemler
On-Grid Sistemler
Off-Grid Sistemler
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri
Modül
Batarya
Dönüştürücü
Dolum Kontrol Cihazı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı
Dr. Osman Turan
 Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren sistemlere "Fotovoltaik Sistemler"
denir.
Şebeke bağlantılı (on-grid)
sistemler
Şebekeden bağımsız
(off-grid) sistemler
Fotovoltaik Sistemler: On-Grid Sistemler
 Şebeke Bağlantılı Sistemlerde, kullanıcının enerji tüketimi, fotovoltaik sistemin
ürettiği enerjiden karşılanır. Tüketimin üretimden fazla olduğu durumlarda
kullanıcı tüketim fazlası enerjiyi şebekeden alır; buna karşılık, kullanıcının
tüketimi üretiminden az olduğu durumlarda ise üretim fazlası enerji ile şebeke
beslenir.
Fotovoltaik Sistemler: On-Grid Sistemler
 Şebeke bağlantılı (On-Grid) fotovoltaik sistemlerin en gelişmişi,
fotovoltaik elektrik santralleridir.
Fotovoltaik Sistemler: Off-Grid Sistemler
 Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemlerde, fotovoltaik paneller ile üretilen
elektrik enerjisi akülerde depolanır ve kullanıcı enerji ihtiyacını (gece-gündüz) bu
akülerden sağlar. Sistemin kapasitesi, otonomi süresi boyunca (güneşten elektrik
üretilemediği süreç) kullanıcının ihtiyacını karşılayacak şekilde boyutlandırılabilir.
 Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemlerde, akım ile beslenen bir makine, tesis
veya bir konut olabilir.
 Fotovoltaik sistemlerin tek parçası fotovoltaik hücreler, modüller ya da
dizinler değildir.
 Birçok uygulamada, üretilen fazla elektriği gece kullanabilmek ya da
bulutlu günlerde kullanmak üzere bataryalarda depolamak gerekir.
 Ev ve işyeri uygulamalarında çoğunlukla alternatif akım (AC) kullanılır.
Fotovoltaik modüller ise doğru akım (DC) üretir. Bu nedenle DC akım bir
dönüştürücü (inverter) ile AC akıma dönüştürülür.
 Uygulamaya göre diğer kontrol ve ara yüz devreleri gerekli olabilir.
Temel Bileşenler
1
4
1
PV Modül
2
Batarya kontrol ünitesi
3
Batarya
4
Dönüştürücü (inverter)
2
3
Yardımcı Bileşenler
Sayaç
Güç izleyici
Sigorta
Diyot
Kablo
Montaj malzemeleri
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül
 Tek bir fotovoltaik (PV) hücrenin sağladığı güç oldukça küçüktür.
MARSROCK firmasına ait
Polycrystalline Silicon Solar Cell 156x156,
verim %17, güç 4 W.
 Bu nedenle, pratik uygulamalarda daha yüksek miktarlarda güç elde edebilmek
için çok sayıda fotovoltaik hücre birbirine bağlanır.
 Fotovoltaik hücreler seri, paralel ve karışık olmak üzere üç farklı şekilde
bağlanırlar.
Hücre
Modül
Fotovoltaik Sistem
Dizin
BPSX170B (170 W)
SW 280 (280 W)
LG270S1C-A3 (270W)
Seri Bağlama
 n tane özdeş fotovoltaik hücre seri bağlanırsa, toplam voltaj tek bir hücrenin
voltajının n katı kadar olacaktır.
 Toplam akım ise, bir hücreden geçen akıma eşit olacaktır.
 Yandaki şekil iki hücre seri bağlanması
durumunda I-V karakteristiğinde meydana
gelen değişimi göstermektedir.
Paralel Bağlama
 m tane özdeş fotovoltaik hücre paralel bağlanırsa,
toplam akım tek bir hücreden geçen akımın m katı
kadar olacaktır.
 Toplam gerilim ise, bir hücrenin gerilimine eşit olacaktır.
 Aşağıdaki şekil iki hücre seri bağlanması durumunda I-V
karakteristiğinde
meydana
gelen
değişimi
göstermektedir.
Karışık Bağlama
 n tane özdeş fotovoltaik hücre seri, m tane
özdeş fotovoltaik hücre paralel bağlanırsa,
toplam voltaj tek bir hücrenin voltajının n katı
kadar olacaktır.
 Toplam akım ise, bir hücreden geçen akımın m
katına eşit olacaktır.
 Aşağıdaki şekil özdeş iki hücre karışık
bağlanması durumunda I-V karakteristiğinde
meydana gelen değişimi göstermektedir.
Karışık bağlama
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül:
PV Modüllerin Bağlanması
By-pass Diyotu
 By-pass diyotları bir modülün arızalı
olması durumunda düşük dirençli bir yol
sağlamak için kullanılırlar. Modüllere
paralel bağlanırlar.
 By-pass diyotlarının amacı, modüllerden
birinin zarar görmesi halinde dizinin güç
üretimine devam etmesini sağlamaktır.
Blok Diyotu
 Blok diyotları, fotovoltaik sistemin ışık almadığı
(gece veya gölgelenme olduğu) zamanlarda
akımın bataryadan tekrar modüllere dönmesini
engelleyerek, bataryanın boşalmasının önüne
geçmek amacıyla kullanılırlar.
PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi
 Fotovoltaik modül parametreleri, üretici firmalar tarafından, belirli standart
koşullar altında yapılan testler sonucunda belirlenir.
Karasal Uygulamalar İçin
ASTM G173:
Tcell = 25 Co
G = 1000 W/m2
 Ayrıca üretici firmalar aşağıdaki koşullar altında ve modülün Normal Çalışma
Sıcaklığındaki (Normal Operating Cell Temperature, NOCT = 40 – 70 oC) modül
parametrelerini belirlerler.
Tçevre = 20 Co
G = 800 W/m2
Ort. Rüzgar hızı : 1 m/s
LG 250 Black Mono X LG250S1C-G2
 Herhangi bir çalışma koşulu altındaki modül parametreleri, üretici firma
tarafından verilen standart değerler kullanılarak aşağıdaki gibi belirlenebilir:
Açık Devre Gerilimi
Kısa Devre Akımı
Maksimum Güç
Örnek 7.1
36 adet fotovoltaik hücre seri olarak bağlanması ile fotovoltaik bir modül hazırlanmıştır.
Üretici firma, standart modül parametrelerini aşağıdaki gibi tanımlamıştır:
Modülün aşağıda belirtilen ortam koşullarında çalışması durumundaki modül
parametrelerini belirleyin.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya
 Fotovoltaik sistemler tarafından üretilen elektrik enerjisi, genellikle istenildiği
zaman kullanılmak üzere depolanır.
 Fotovoltaik sistemlerde elektrik enerjisinin depolanması , özellikle uygun
maliyet/verim oranı ve yüksek çevresel geri dönüşüm ilişkilerine bağlı olarak, en
uygun olarak akü ya da bataryalar ile sağlanır.
PV sistemlerde Kullanılacak Bataryalarda İstenen Temel Özellikler







Yüksek kapasiteli olmalı
Düşük maliyetli olmalı
Uzun ömürlü olmalı
Kendi kendine boşalma yüzdesi düşük olmalı
Bakım gereksinimleri düşük olmalı
Yüksek sıcaklığa karşı dayanıklı olmalı
Enerji girişinin düzensiz olduğu durumlarda
etkin bir şekilde kullanılabilmeli.
 Kolay dolum için, düşük iç dirence sahip olmalı
 Batarya, elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depolayan cihazlardır.
 Bir bataryanın kapasitesi, o bataryada ne kadar elektrik depolanabileceği ile
ölçülür.
 Bataryanın kapasitesi, kaç saat boyunca ne kadar sabit akımın çekilebileceğini
belirten, amper-saat (AH) cinsinden ölçülür.
200 AH → 10 saat boyunca 20A akım sağlar → C10
200 AH → 20 saat boyunca 10A akım sağlar → C20
PV Sistemlerde Kullanılan
Batarya Türleri
Kurşun-Asit Bataryalar
Nikel-Kadmiyum
Bataryalar
 Yeniden şarj edilebilir.
 Yeniden şarj edilebilir.
 Ucuz ve yüksek kapasiteli
 Pahalı ve uzun ömürlü
 PV sistem uygulamaların
büyük çoğunluğunda tercih
edilir.
Kurşun-Asit Bataryalar
 Anot (pozitif elektrot): PbO2
 Katot (negatif elektrot): Pb
 Elektrolit: Seyreltilmiş H2SO4 (Sülfirik asit)
Çözeltisi
 Batarya kullanıldıkça her iki elektrotta SO4 (sülfat) iyonlarını toplar ve elektrolit
aşağıdaki gibi iyonlaşarak biraz daha zayıf bir asit halini alır.
 Batarya kullanıldıkça negatif elektrotta aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir:
 Serbest kalan iki elektron yükün üzerinden geçerek pozitif elektrota ilerler ve
aşağıdaki kimyasal reaksiyon oluşur:
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya Kontrol Ünitesi
 PV sistemlerde batarya kontrol üniteleri
PV modül ile batarya arasında kullanılır.
Batarya Kontrol Ünitesi kullanım sebepleri
1
4
2
3
1
PV Modül
2
3
Batarya
4





Bataryayı fazla şarjdan korumak
Bataryaları tamamen boşalmaktan korumak
Sistem performansını belirlemek
Maksimum güç aktarımını sağlamak
DC – DC çevrimi
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Dönüştürücü
 Dönüştürücü (inverter) temel işlevi,
fotovoltaik modül tarafından üretilen
DC akımı AC akıma çevirmektir.
1
Off – Grid inverter
4
2
3
On – Grid inverter
1
PV Modül
2
3
Batarya
4
• Günlük elektrik ihtiyacı hesabı
• Batarya kapasitesi hesabı
• PV modül sayısı hesabı
• Dönüştürücü boyutu hesabı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Günlük Elektrik İhtiyacı Hesabı
 Günlük elektrik ihtiyacı, kullanılacak aletlerin türüne ve miktarına bağlıdır.
 Günlük elektrik ihtiyacını hesaplayabilmek için her aletin güç tüketiminin ve
kullanım saatinin bilinmesi gerekir.
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Günlük Elektrik İhtiyacı Hesabı
 DC ve AC elektrik tüketimini belirlemek üzere Tablo 7.2 ‘de gösterildiği gibi her
aletin günlük ve haftalık kullanım saatleri ve toplam güç gereksinimi belirtilmelidir.
Tablo 7.2. Toplam Elektrik Tüketimi Hesaplama Çizelgesi
ΣDC
ΣDC + 1.2 x ΣAC
ΣAC
=
12 V ya da 24 V
Toplam (WH/hafta)
Batarya Voltajı (V)
Toplam (WH/hafta) / Batarya Voltajı
=
Toplam (AH/hafta)
Toplam (AH/hafta) / 7
=
Toplam (AH/gün)
Wsaat/hafta
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
Wsaat/hafta
AC Elektrik Tüketimi
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
DC Elektrik Tüketimi
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Batarya Kapasitesi Hesabı
 Batarya kapasitesini hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.3’ de verilmiştir.
 Boşalma derinliği batarya türüne bağlı olup, bir emniyet katsayısıdır ve genelde 0.5 olarak
dikkate alınır.
 Batarya sıcaklık katsayısı (Tablo 7.4)
ortam sıcaklığına bağlıdır.
 Batarya sıcaklık katsayısı kış aylarında
daha yüksek değerler alır.
 Sistem hem kış hem de yaz aylarında
çalışacak ise, batarya sıcaklık katsayısı
ortalama değer alınmalıdır.
Tablo 7.3. Batarya Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
Toplam Elektrik Tüketimi
B1
(AH/gün)
B2
Bulutlu Günler (gün)
Boşalma Derinliği = 0.5
B3
Boşalma Derinliği
Tablo 7.4
B4
Batarya Sıcaklık Kats.
B5= (B1) x (B2) x (B3) x (B4)
B5
Gerekli Batarya Kapasitesi (AH)
B6
Seçilen Batarya Kapasitesi (AH)
B7 = (B5)/(B6)
Batarya Sayısı
B7
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : PV Modül Sayısı Hesabı
 Gerekli PV modül sayısını hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.5’ de verilmiştir.
 Batarya şarj etme/boşalma zamanlarından dolayı %20 lik etkinlik kaybı bulunmaktadır. Bu
yüzden amper - saat (AH) hesabı 1.2 ile çarpılır.
Tablo 7.5. PV Modül Sayısı Hesaplama Çizelgesi
C1
(AH/gün)
Etkinlik Kaybı = 1.2
C2
Etkinlik Kaybı
C3
Ort. Etkili Güneş Saati (gün/H)
C4
Bir PV Modülün Etkili Amperi (A)
C5
Toplam Modül Sayısı
C5 = (C1) x (C2) x (C3) / (C4)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Dönüştürücü Hesabı
 Gerekli dönüştürücü (inverter) kapasitesini hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.6’ de
verilmiştir.
 Dönüştürücü kaybı genelde %20 olarak dikkate alınır.
Tablo 7.6. Dönüştürücü Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
Toplam AC Elektrik Tüketimi
D1
W
Dönüştürücü Kaybı = 1.2
D2
Dönüştürücü Kaybı
D3 = (D1) x (D2)
D3
Dönüştürücü Kapasitesi (W)
Örnek 7.2
Küçük bir kulübe için fotovoltaik bir sistem tasarlanacaktır. Kullanılacak aletler ve
kullanım süreleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Sadece AC aletlerin kullanılacağını
varsayınız.
Lamba
Lamba
TV
PC
ΣDC
ΣDC + 1.2 x ΣAC
12 V ya da 24 V
Toplam (WH/hafta) / Batarya Voltajı
Toplam (AH/hafta) / 7
=
=
=
3
2
1
1
11
15
40
120
Wsaat/hafta
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
Wsaat/hafta
Gün/hafta
Saat/gün
Watt
Miktar
Alet
Tablo 7.2. Toplam Elektrik Tüketimi Hesaplama Çizelgesi
DC Elektrik Tüketimi
AC Elektrik Tüketimi
3
2
4
5
4
5
2
3
396
300
320
1800
ΣAC
2816
Toplam (WH/hafta) 3379.2
Batarya Voltajı (V)
12
Toplam (AH/hafta) 281.6
Toplam (AH/gün) 40.229
Tablo 7.3. Batarya Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
(AH/gün) 40.229
B1
Bulutlu Günler (gün)
B2
10
Boşalma Derinliği
Boşalma Derinliği = 0.5
B3
0.5
Batarya Sıcaklık Kats.
Tablo 7.4
B4
1.19
Gerekli Batarya Kapasitesi (AH) 239.36
B5= (B1) x (B2) x (B3) x (B4)
B5
Seçilen Batarya Kapasitesi (AH)
B6
60
Batarya Sayısı 3.9893
B7 = (B5)/(B6)
B7
Tablo 7.5. PV Modül Sayısı Hesaplama Çizelgesi
(AH/gün) 40.229
C1
Etkinlik Kaybı
Etkinlik Kaybı = 1.2
C2
1.2
Ort. Etkili Güneş Saati (gün/H)
C3
6.5
Bir PV Modülün Etkili Amperi (A)
C4
120
Toplam Modül Sayısı 2.6149
C5 = (C1) x (C2) x (C3) / (C4)
C5
Tablo 7.6. Dönüştürücü Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi
W
Toplam AC Elektrik Tüketimi
D1
Dönüştürücü Kaybı
Dönüştürücü Kaybı = 1.2
D2
Dönüştürücü Kapasitesi (W)
D3 = (D1) x (D2)
D3
186
1.2
223.2

Slayt 1 - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine ve İmalat

Transkript

Benzer belgeler

Fotovoltaik Teknolojisi: Türkiye ve Dünyadaki - Solar

İndir - Fizik Mühendisleri Odası

Protists

FOTOVOLTAİK GÜNEŞ GÖZELERİ VE GÜÇ - Solar

HAZIRLAYANLAR Seval KURUŞCU , Lalin ÖZCAN

Ürün Spesifikasyonları

A Strategic Study on Foreign Fund Utilization in Chinese

Süper Ay tutulmasını kaçırmayın