Güneş EnerjisiMakale

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 nedenlerden dolayı gittikçe daha çok önem kazanmaktadır.

Fotovoltaik (PV) teknolojisi, pahalı ve yenilenebilir bir teknoloji olmakla birlikte, tasarım ve kurulum açısından en basit elektrik üretim teknolojidir. 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.

Fotovoltaik Yunanca, ışık anlamına gelen “photo” ve elektrik akımını geliştiren makinayı tasarlayan Alessandra Volt’dan esinlenerek gerilim anlamına gelen “voltaic” kelimelerinin birleşmesinden oluşur.

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. Einstein ışığın sadece dalga yapısında olmadığını tanecik ya da parçacık olarak da hareket ettiğini göstermiştir. (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, güneşten gelen foton akımından elektrik üretilmesi, akım-gerilim-güç özellikleri, dolum faktörü, en yüksek güç noktası, PV hücre verimi, enerji dönüşüm verimini etkileyen etmenler, termodinamik verim sınırı, en yüksek verim, kuantum verimi ve PV hücre verimine
etki eden etmenler hakkında bilgi vereceğim.

Güneş Pili Katmanları

güneş pili yapısı
güneş pili yapısı

PV hücrelerin yüzeyleri genellikle kare, dikdörtgen ve daire biçimindedir. PV hücrelerin alanları da, 60-160 cm2 arasında değişmekte olup, ortalama 100 cm2’dir. Kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.

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 katkılıma adı 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.

enerji bant aralığı
Enerji bant diyagramları

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.

P-N Kavşağının Oluşumu Ve Enerji Üretimi

blank
Elektron-boşluk çifti

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.

güneş pili denge enerji durumu
güneş pili denge enerji durumu

N bölgesinden P bölgesine bir pozitif yük geçişine olanak veren elektron-boşluk çiftinin eklemden d uzaklıkta oluşma olasılığı { e }^{ -\frac { 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 kirchhoff voltaj ve akım yasası üzerinden yola çıkarak şunu söyleyebiliriz ki eğer Rs çok küşük ve Rsh da çok büyük olma şartını sağlarsa verim artar.

Hücre eşdeğer devresi
Hücre eşdeğer devresi

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;

{ I }_{ S }={ I }_{ 0 }\left( { e }^{ \frac { qv }{ nkT } }-1 \right) +{ I }_{ L }

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;

n=1+\frac { di }{ Ei } \left[ \frac { Es }{ Wd } +q.Nss \right]

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 Voc’nin ışınım şiddetine bağımlılığını göstermektedir.

{ V }_{ 0c }=n\frac { kT }{ q } ln\left( \frac { Isc }{ Ioc } \right)

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.

PV hücrenin akım-gerilim özelliği
PV hücrenin akım-gerilim özelliği

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

Ayrıca PV hücreye ait akım-gerilim (I-V) özellikleri üç ayrı yöntemle de belirlenebilir:

  • Sabit bir ışık şiddeti altında, değişken bir direncin açık devre ve kısa devre durumları arasında değiştirilerek, PV hücrenin uçları arasındaki gerilime karşı dirençten geçen akım ölçülür.
  • PV hücre karanlıkta, bir dış DC besleme kaynak yardımı ile diyot gibi çalıştırılarak,
  • Şiddeti değiştirilebilen bir ışık kaynağının aydınlatılması altında Voc ve Isc değerleri ölçülerek

Güneş pilinin açık devre gerilimi (Voc), pilden geçen akımın sıfır olması durumunda pil uçlarından ölçülen gerilimdir. Pilin kısa devre akımı (Isc) ise sıfır gerilimde ve aydınlatma altında pilden geçen akımdır. Bu akım paralel direnç etkilerinin ihmal edildiği ideal durumda ışıkla oluşan akıma eşit olup, ışınım şiddetine bağlıdır.

PV hücrenin güç-gerilim özelliği
PV hücrenin güç-gerilim özelliği

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.

{ P }_{ m }={ I }_{ m }.{ V }_{ m }

Bu noktada PV hücre bulunduğu ışınım seviyesinde en yüksek elektrik üretir. Çıkış gücü, hem kısa devre hem de açık devre sınır değerlerinin her ikisinde de sıfırdır.

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. Seri direnç arttıkça, FF değeri azalır.

FF=\frac { { I }_{ m }.{ V }_{ m } }{ { I }_{ SC }.{ V }_{ OC } }

Dolgu faktörünün değeri, PV hücrenin idealliğinin bir ölçüsüdür. İdeal bir PV hücrede, FF= 1’dir. Bu nedenle, herhangi bir PV hücrede dolgu faktörünün 1’e yakın olması istenir. Bu değer normal silikon bir PV hücresi için yaklaşık olarak %80’dir.

Dolgu faktörünün büyük olması için seri direncin (Rs), diyotun ideal olma faktörünün (Ao), ters doyum akım yoğunluğunun (Jo) ve sıcaklığın (T) küçük; yasak enerji aralığının (Eg) ve şönt direncin (Rsh) büyük olması gerekir.

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.

n=FF\frac { { I }_{ SC }.{ V }_{ OC } }{ Pi.A }

PV HücreAlan (cm2)Voc
(V)
Isc
(mA/cm2)
FF
(%)
η
(%)
Tek kristal Si4.00.70642.282.824.7
Tek kristal GaAs3.91.02228.287.125.1
Çok kristal Si1.10.65438.179.519.8
Amorf Si1.00.88719.74.112.7
CuInGaSe21.00.66935.777.018.4
CdTe1.10.84825.974.516.4
Değişik Tip PV Hücrelerin Karakteristik Değerleri

Fotovoltaik Verim

PV ilkeye dayalı elektrik üretiminin verimliliğini etkileyen başlıca faktörler
PV hücre üretim teknolojisi ve ortam koşullarıdır. Günümüzde, tek kristal silikon, çok kristal silikon, çok eklemli ve yoğunlaştırıcı gibi birçok PV hücresi mevcuttur. Tek kristal silikon hücrelerin başlıca üstünlüğü, verimlerinin yüksek olmasıdır. Bu üstünlüklerinin yanı sıra, bu hücrelerin olumsuzluğu tek kristal silikon üretmek için karmaşık bir işlem gerekli olmasıdır. Çok kristal silikon hücrelerin, üretim işlemi daha basit olduğundan, tek kristal hücrelere kıyasla daha ucuzdurlar.

Bir PV hücrenin verimi, PV modül veriminden daha yüksektir. Güneş enerjisi, güneş hücresinin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. Verimi % 10’un altında olan güneş hücreleri, uygulamada verimli ve ekonomik değildir. Yarı iletken güneş hücrelerinin verimi; laboratuar koşullarında %10-30, uygulamada ise %5-20 arasında değişir. Uygulama koşullarında verimi %15 olan güneş hücresi iyi olarak değerlendirilir.

Bir PV sistemin verimini etkileyen etmenler şunlardır:

  • PV hücrenin malzemesi,
  • PV hücrenin akım-gerilim özellikleri,
  • Sıcaklık,
  • PV Hücrenin kalınlığı,
  • Güneş ışınımının spektral özellikleri,
  • Kullanılan kablonun kalınlığı,
  • PV tesisat üzerinde toz/kir birikmesi,
  • PV dizilerin eğim açısı,
  • PV hücrelerin yüzeyine uygulanan işlemler,

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

PV TeknolojiHücre Verimi (%)Modül Verimi (%)
Tek kristal silikon25,014-16
Çok kristal silikon21,314-16
Galyum arsenit27,5-29,1
Amorf silikon13,66-9
Kadmiyum tellür22,19-12
CIS/CIGS22,38-14
Değişik Tip PV Hücre ve Modül Verimlerinin Karşılaştırılması

Bir PV hücrenin enerji dönüşüm etkinliğini; yansıtma özellikleri, termodinamik verimlilik, yük taşıyıcı ayırma etkinliği ve iletim etkinliği değerleri gibi çeşitli faktörler etkiler. Verimi etkileyen bu değişkenlerin doğrudan ölçülmesi zor olabileceğinden, bunun yerine kuantum verimi, Voc değeri ve FF gibi diğer değişkenler ölçülür.

PV hücreden güç toplamak için tek bir p-n eklemden oluşan bir PV hücrenin en yüksek teorik verimi ilk olarak William Shockley ve Hans-Joachim Queisser tarafından 1961 yılında hesaplanmıştır. Fizikte ayrıntılı denge sıınırı veya SQ limiti olarak geçer.

Değişik PV hücreler için verim sınırları
Değişik PV hücreler için verim sınırları

Çizilen bu eğri, gerçek güneş spektrumu verilerini kullanılarak belirlendiğinden, atmosferdeki IR soğurma bantlarından etkilenir. %34 civarında olan bu SQ Sınırı çok katmanlı hücreler bu sınırın üstünde verim gösterebilir. En yüksek sınır değer, güneş ışınımının yoğunlaştırdığı koşullarda sonsuz sayıda katmana sahip PV tasarımı ile %86.8 olarak belirlenmiştir.

Kuantum verimi, PV hücre kısa devre koşullarında çalıştırıldığında, elektrik akımına dönüştürülen fotonların yüzdesini (toplanan taşıyıcıları) belirtir. Silikon bir PV hücrenin dış kuantum verimi, iletim ve yansıma gibi optik kayıplara bağlıdır. Gelen toplam enerjinin % 10’una kadar ulaşabilen yansıma kayıpları, ortalama ışık yolunu değiştiren ışık yakalama yöntemi kullanılarak önemli düzeyde azaltılabilir. Bazı dalga boyları diğerlerinden daha etkili bir şekilde soğurulduğundan, kuantum veriminin spektral ölçümleri, yarı iletken yığını ve yüzeylerinin kalitesi hakkında önemli bilgiler verebilir.

Fotovoltaik modüllerin verimliliğini etkileyen bir diğer faktör modül yüzeyinin kirlenmesidir. PV modülü yüzeyinde güneş ışınımının bir kısmını bloke eden kir/toz birikebilir. Kirlenmeden dolayı hücrelere iletilen güneş ışınımın da azalma olur. Bu durum verimi düşürür.

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. Bu şartlar altında SQ sınırı güneş enerjisinin elektriğe dönüşümünde en yüksek verimin yaklaşık % 33.7 olduğunu belirtir.

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.

ışınım gerilim eğrisi
Işınım-gerilim grafiği

Geleneksel p-n eklem PV hücrelerde verim kaybına sebep olan iki önemli etken; enerjisi yasak bant aralığından düşük olan fotonların soğurulamaması ve yüksek enerjili fotonların fazlalık enerjilerinin ısıya dönüşmesidir. Bu iki kayıp mekanizması, fotovoltaik çevrimde güneş enerjisinin yaklaşık yarısının kullanılamadığı anlamına gelmektedir.

PV hücrenin açık devre gerilimi hücre sıcaklığına karşı oldukça duyarlıdır. Açık devre gerilimi, dolum faktörü veren yüksek çıkış gücü sıcaklık ile azalırken, kısa devre akımı sıcaklık ile artar. Bu durumda hücre verimliliği azalır. Bu nedenle, sıcaklık katsayısı açık devre gerilimi, dolum faktörü ve en yüksek çıkış için negatif ve kısa devre akımı için pozitif değerdedir.

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

Sıcaklık-gerilim grafiği
Sıcaklık-gerilim grafiği

Kaynak
12345Taşar, Z., “Güneş pilleri”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Ankara, 1-5, 19-26, 37-41, 61, 62 (1987)Mustafa, K., “Güneş Enerjisi ve Güneş Pilleri” Yüksek Lisans Tezi, Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mayıs 2007Elektrik Müh. Dergisi,1983Şenay, G. 2011. Çok Eklemli Güneş Pillerinde Detaylı Denge Modeli İle Verim Optimizasyonu. Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Elektrik-Elektronik Müh. Anabilim Dalı, AnkaraÖztürk, H.H., Kaya, D. 2013.Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi: Fotovoltaik Teknoloji, Umuttepe Yayınları, Yayın No: 97, ISBN:978-605-5100-00-1.
Daha Fazla Göster

Bir cevap yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Benzer Yazılar

Başa dön tuşu

Reklam Engelleyici Algılandı!

Sitemizin gelişmesine katkı sağlamak ve size daha iyi bir hizmet sunabilmek için lütfen kullanmış olduğunuz eklentiyi kapatın ve sayfayı yenileyin.