Güneş Enerjisi

Güneş Pili Çalışma Prensibi ve Verim Hesabı

Alternatif enerji kaynakları arasında güneş enerjisinden elektrik elde etmek; tehlikesiz ve sonsuz olması, çevre sorunlarına neden olmaması, temiz ve güvenilir olması, tükenme olasılığının az olması gibi nedenlerle, güneş enerjisi gittikçe daha çok önem kazanmaktadır.

Artık günümüzde çeşitli yerlerde elektrik üretimi güneş enerjisinden elde edilmeye başlandı. Özellikle uydu sistemleri için kritik öneme sahip güneş pilleri ya da fotovoltaik piller son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir.

Güneş Pilinin Tarihçesi

19.yüzyılın başlarında güneş pillerinin buluşunu yaklaştıran ilk gelişmeler sağlandı. A.Edmond Becquerel 1839 yılında elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilim, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek fotovoltaik olayını bulmuştur. Fotonların solar hücrelere çarptıklarında harekete geçirdikleri elektronlarla elektron akımının oluşması fotovoltaik yöntemin temeli olan ve Einstein’a Nobel kazandıran “Fotoelektrik olay” diye bilinen fizik olayına dayanıyor (Tek fark, Einstein bunu, yarı iletkenlerde değil, metallerde ışık fotonlarının elektron sökme kuramıyla açıklamıştı). 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafından selenyum kristalleri üzerinde çalışmışlardır. 1884 yılında Charles Fritts ilk güneş pili hücresini geliştirmesiyle güneş pili teknolojisine doğru büyük bir adım atılmış oldu. 1954 yılında ise Bell Laboratuvarlarındaki bilim adamları tarafından iyon yüklü silisyum ile güneş pilleri oluşturularak bugünkü güneş pili teknolojisini belirlediler. 1. Petrol bunalımını izleyen 1973 yıllarında ise ilgi odağı haline gelmiştir.

Güneş Hücresinin Yapısı ve Çalışma Prensibi

Fotovoltaik sistemlerin temel elemanı olan güneş panellerini oluşturan güneş hücresi ise sistemin kalbini oluşturuyor. Günümüzde yarı iletken maddeler gittikçe önem kazanmaktadır. Diyotlar, transistörler, tristörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de silikon ve yarı iletken maddelerden oluşur. Yarı-iletken özellik gösteren silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür güneş pili yapmak için en uygun maddelerdir. Güneş pillerinin yapıları kısaca bir p ve n eklemden oluşan diyotlara benzer. Bu yazımda temel güneş pili yapısı, çalışma prensibi ve verim parametreleri hakkında bilgi vereceğim. Diyotlar hakkında başka bir yazımda detaylı ele alacağım.

Güneş Pili Katmanları

pv panel katmanlar

Güneş hücresinin üst katmanı yansımayı en aza indiren, gelen ışığı absorbe eden bir tabakayla kaplıdır. Yansıma önleyici anti reflektif kaplamanın koyulmasının sebebi de güneşten gelen ışığın yansıtmadan soğurulmasını sağlamaktır. Böylece güneş ışınlarından elde edilen verim daha da artar. Bundan sonra ise koruyucu ön kontak kısmı bulunur. Bunun da altında ise n-tipi katman bulunur. Alttaki katmanda ise p-tipi silikon tabaka bulunur. Son katman da hücrenin dayanıklılığını arttıran ve arkasını kapatan metalden yapılmış arka kontaktır.

Tipik bir silisyum güneş pili, 0,5 volt kadar elektrik üretebilir. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül denir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak yüksek güç üretmek mümkündür. Modüllerin fiziksel ve elektriksel olarak bir araya getirilmesi ile oluşan yapıya panel adı verilir.

Yarı İletkenlerin Katkılanması

Yarı-iletkenin malzemenin içerisine, çok az tutarda uygun seçilmiş yabancı atom katkılanması ile yarı-iletkenin elektriksel özellikleri önemli ölçüde değiştirilebilir. Saf yarı-iletkenin yapısal özelliklerini bozmayacak tutarda ve denetimli bir biçimde yarı-iletken kristale yerleştirilen yabancı atomlara katkılımaadı verilir. Bu elementlerin kristal içinde bulunması, kristalin elektriksel olarak dengede olmasını önler.

N Tipi Yarı İletken Oluşturma

Bunu daha iyi açıklamak için silisyum kristali örnek verilebilir. Saf silisyum kristali içerisinde değerlik elektron sayısı beş olan fosfor atomu katkılanırsa silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğundan fosfor bir fazla elektronunu kristal yapıya verir. Bu nedenle 5. grup elementlerine verici nedir. Bu şekilde katkılanmış yarı-iletkenlerde elektriksel yük, elektronlar ile iletkenlik bandında taşınır ve bu nedenle N-tipi olarak sınıflandırılır. Pilin negatif tarafını oluşturan katmandır.

P Tipi Yarı İletken Oluşturma

Silisyumdan P-tipi silisyum elde etmek için ise eriyiğine periyodik cetvelin 3. grup elementi eklenir. Bu eklenen elementin son yörüngesinde 3 elektron vardır. Bu şekilde katkılanmış yarı iletkenlerde değerlik bandındaki boşlukların sayısı iletkenlik bandındaki serbest elektron sayısından daha çok olduğundan P-tipi yarı iletken adı verilir. Pilin pozitif tarafını oluşturan katmandır.

Enerji Bantları

Elektronlar, art arda gelen ve her biri belli sayıda elektron bulunduran enerji bantlarında bulunurlar. Dışarıdan enerji alan bir elektron bir üst seviyedeki banda çıkabilir. Daha düşük banda geçen elektron da dışarı enerji yayar. Çekirdeğe en yakın olan ve en yüksek enerjili dolu banda değerlik (valans) bandı denir. Son tabaka elektronlarına iletkenlik bandı elektronları denir. Bu iki bant arasında kalan bölgeye ise yasak enerji bandı denir.

İletkenlerde yasak enerji aralığı yoktur. Bazı yarı iletkenlerde yasak bandı değerleri yaklaşık olarak Ge (0,65), GaAs (1,5), Si (1,12), GaN (3,5) eV (elektron volt) değerlerindedir. Yasak enerji aralığı 2.5 eV değerinden daha büyük ise madde yalıtkandır. Güneş spektrumunda enerji 2.5eV (dalga boyu 0,5um) değerinden daha büyük olan bölgedeki güneş ışınlarının tutarı çok az olduğundan, bu tür malzeme de fotovoltaik çevrimde soğurucu tabaka olarak kullanılmaya uygun değildir. Bant aralığı 1.4eV ve 1.6eV arasındaki yarı-iletkenlerin fotovoltaik çevrimde en uygun malzemelerdir. Yalıtkan, yarıiletken, iletken maddelerin enerji bantları aşağıda gösterilmiştir.

enerji bant aralığı

P-N Kavşağının Oluşumu Ve Enerji Üretimi

pv panellerdeenerji üretimi

Güneş ışığı foton adı verilen küçük enerji paketlerinden oluşur. Enerjisi yeterli bir ışık demeti P-N kavşağı üzerine düşürüldüğü zaman, foton elektronlarla karşılaşıp enerji verebilir. Fakat foton muhtemel valans elektronu ile karşılaşır ve ona enerjisini bırakarak iletkenlik bandına çıkmasına sebep olurlar. Bu durumda p-tipi silikon katmanında bulunan elektronlar yarı iletken malzemeyi geçerek N-tipi silikon katmanına geçerler. P-tipi silikon katmanında ise hol denilen elektron boşlukları oluşur. P-N tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir.

Bu durumda N bölgesinde, valans ve iletkenlik bandı enerjileri, P’dekilerden düşüktür. Denge oluştuğunda fermi enerji seviyeleri aynı olur fakat aralarında potansiyel engel yüksekliği oluşur. Fermi seviyesi ise mutlak sıfır derecenin altında elektronların işgal ettiği en üst enerji düzeyi olarak tanımlanır. Bu eklem bölgesine de geçiş bölgesi ya da yükten arındırılmış bölge denir. Bu bölgede oluşan elektrik alan yapısal elektrik alan olarak adlandırılır. İki katman arasına iletken bir malzeme bağlandığı zaman ise elektronlar, P-tipi silikon katmanında oluşan boşluklar sebebiyle oraya doğru hareket etmek isterler ve N-tipi katmandan P-tipi katmana doğru elektronlar akar. Güneş’ten gelen fotonlar hücreye çarpmaya devam ettiği sürece elektronların bu akışı devam eder ve bu sayede elektrik enerjisi elde edilmiş olur.

eşit değeri

N bölgesinden P bölgesine bir pozitif yük geçişine olanak veren elektron-boşluk çiftinin eklemden d uzaklıkta oluşma olasılığı e(exp-d/L)  ye denktir. L yayılma uzaklığı soğrulan bir fotonun eklemden geçen elektrik akımına dönüşme şansının büyük olduğu uzaklıktır. Yük taşıyıcılarının yoğunluğuna ve kristalin oluşma biçimine bağlı olmak üzere 10-6-10-4 m arasında değişir.

Güneş Pili Eşdeğer Şeması

Bir güneş pilinde devre elemanları bir elektromotor kuvvet, bir iç diyot ve bir iç direnç şeklinde sembolize edilebilir. Güneş pilleri, belli güneşlenme şartlarında, birim alan başına belirli bir akım ve voltaj üretirler. Ayarlanabilir bir dış dirençle, gerilim ve akım açık devreden kısa devreye kadar değiştirilebilir. Burada kirchoff voltaj ve akım yasası üzerinden yola çıkarak şunu söyleyebiliriz ki eğer Rs çok küşük ve Rsh da çok büyük olma şartını sağlarsa verim artar.

güneş pili eşdeğer şeması

Foton soğrulmasıyla devreden bir Is akımı geçer ve eklemde gerilim duvarının düşmesine neden olur. Eklemin bir dış bağlantısı yoksa, ileri yönde P’den N’ye doğru bir I akımı geçer. Bu I akımının geçişi, N-tipi bölgeyi pozitif yükleyeceğinden, çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturan gerilim duvarı yükselmeye başlar. P’den N’ye doğru olan bu akım, gerilim duvarı çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturacak duruma gelinceye kadar devam eder. Eklemde var olan elektrik alan, oluşan elektron çiftini ayırarak eklemi aşmalarını sağlar. Böylece gerilim duvarının çökmesi, yükselmesi sürüp gider ve açık devre durumunda Is, I ile dengelenir. P- N eklemi dışarıdan bir R1 yük direnci ile sonlandırılırsa ls akımının lL kadar kısmı dış devreden akar, böylece P-N eklemi ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirmiş olur. ls akımı aşağıdaki eşitlik ile verilir;

blank

Burada Io, doyma akımı, Is, ışığın ürettiği akım , IL, pil çıkış akımı, qv , elektronik yük, k , Boltzmann sabiti, T, mutlak sıcaklık, n, ideallik faktörüdür ve şu eşitlikle belirlenir;

blank

Burada di, metal ile yarı iletken arasındaki yalıtkanın kalınlığı, Ei, metal ile yarı iletken arasındaki yalıtkanın dieletrik sabiti, Es, yarı iletkenin dielektrik sabiti, Wd, metal ile yarı iletken arasındaki tüketim tabakasının kalınlığı, Nss, metal ile yarı iletken arasındaki yasak enerji bandı içinde oluşan arayüzey tuzakları veya safsızlıkların yoğunluğunu ifade eder. İdeal şartlarda n=1’dir. MIS (metal insulator semiconductor) güneş panellerinde n değerinin artması Voc’yi artırırken Isc’yi azaltır. Belli bir limitten sonra ise kalınlığı fazla artması nedeniyle güneş pili kapasitör görevi görür. Aşağıdaki eşitlik ile V0c’nin ışınım şiddetine bağımlılığını göstermektedir.

blank

Güneş Pillerinde Verim Hesabı

Bir güneş pilinin verimi onun kalitesini belirtmesi açısından önem taşımakta olup veriminin bulunmasında karakteristik akım-gerilim (l-V) eğrisinden yararlanılır. Işınım altındaki hücrenin akım-gerilim karakteristiği, karanlıktaki hücrenin akım-gerilim eğrisinden ışınım altında üretilen, IL, akımının çıkarılması olarak ele alınabilir.

güneş pillerinde verim

Bu eğri yardımıyla pilin açık devre gerilimi (Voc) ve kısa devre akımı (lsc) gibi çıkış parametreleri belirlenerek fotovoltaik diyottan alınabilecek gücü hesaplamak mümkündür.

Güneş pilinin açık devre gerilimi, pilden geçen akımın sıfır olması durumunda pil uçlarından ölçülen gerilimdir. Pilin kısa devre akımı ise sıfır gerilimde ve aydınlatma altında pilden geçen akımdır. Bu akım gelen ışığın şiddetine bağlıdır.

ı-v eğrisi

l-V eğrisi üzerinde maksimum verimin olduğu noktanın belirlenmesi ile Pm bulunur. Bu noktanın tespit edilmesinden sonra akım-gerilim eksenleri üzerindeki izdüşüm değerleri pilin maksimum gücüne karşılık gelen akım (Im) ve gerilim (Vm) değerlerini gösterir. Bu durumda pilden elde edilebilecek maksimum güç bağıntısı aşağıdaki formülle ifade edilir.

blank

Işınım altındaki akım-gerilim eğrisinde, akımların eksi, gerilimlerin pozitif olduğu bölgede hesaplanan en büyük maksimum güç değerinin Voc x Isc ye oranı dolum çarpanı veya filling factor denir.

blank

Bir güneş pilinin verimliliği, Pi, giriş gücü ve A etkin alan olmak üzere pilden alınan maksimum gücün fotovoltaik hücrenin üzerine düşen güneş ışınım gücüne oranı olarak tanımlanır.

blank

Fotovoltaik güneş pillerinin sürekli gelişimlerine bağlı olarak verimlilikleri sürekli değişmektedir. Aşağıdaki tablo karşılaştırma olarak en yüksek verimlilikleri göstermektedir.

güneş pili karşılaştırma

Verimlilik Test Koşulları

Güneş pillerinin verimliliklerinin ölçüldüğü standart test koşulları, güneş pilinin sıcaklığı 25ºC, ölçüm alınan ışınımın şiddeti 1000 W/m2 ve spektral dağılımı 1,5 AM (air mass) olmalıdır. Hava Kütlesi, güneş ışınlarının, güneş zenit noktasına θ º konumunda iken atmosferde aldığı yolu, ışınların güneş zenit konumunda iken atmosferde aldığı yola oranıdır. 1,5 AM hava kütlesi spektral dağılımı, standart test şartı olarak belirlenmiştir ve güneş ışınları θ=48º açıyla gelirken sahip oldukları spektral güç dağılımıdır.

Güneşin tam tepede olduğu durumda, bu oran 1 olarak alınır. Atmosfer tarafından emilen ışınımın oranına bağlı olarak pilin üreteceği elektrik miktarı da değişeceğinden bu oran önemli bir parametredir. Bulutsuz ve güneşli bir günde 1200 W/m2 ye varabilen bu değer, bulutlu günlerde 200-800 W/m2 arasında değişmektedir. Yağmurlu bir günde ise metre kareye düşen güneş ışınımı 50 W değerine iner. Farklı ışının şiddetlerinde modülün akım-gerilim eğrileri aşağıda verilmiştir.

akım gerilim eğrisi

Farklı sıcaklık değerlerine bağlı olarak değişen akım-gerilim eğrileri Is formülüne bağlı olarak aşağıdaki gibi sıcaklık yükseldikçe düşmektedir.

akım-gerilim

Dosya Kilitli

Yazıyı .pdf olarak indirmek için Lütfen Giriş Yapın!

Yoluyla
123
Kaynak
12345
Daha Fazla Göster

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

enerji sistemleri
Başa dön tuşu

Reklam Engelleyici Algılandı

Lütfen reklam engelleyiciyi devre dışı bırakarak bizi desteklemeyi düşünün