Eviniz için kaç tane güneş paneline ihtiyaç duyacağınızı belirlemek için öncelikle aşağıdakileri bilmeniz gerekiyor:

• Hanenizin ne kadar enerji kullandığı,
• Çatınızın kullanılabilir yüzey alanı,
• Bölgenizdeki iklim ve güneş ışınımı (radyasyon değeri),
• Düşündüğünüz fotovoltaik(PV) panellerin watt ve göreceli verimliliği,
• Net metering (mahsuplaşma) uygulanabilirliği.

Ne kadar tüketim yapıyorsunuz?

Biz yazı kapsamında oluşturacağımız sistemde şebekeden bağımsız (off-grid) bir güneş paneli sisteminde yer alması gereken bileşenler hakkında bilgi verip örnek tasarımda Mersin ili Silifke ilçesinde yük ihtiyacı günlük ortalama 5 kWh olan bir ev için kurulum maliyeti hesabı yapacağız.

Sizler de bulunduğunuz bölgeye bağlı olarak Yenilenebilir Enerji Genel Müdürlüğü Güneş Enerji Potansiyeli Atlası (GEPA) üzerinden, il ve ilçenize ait radyasyon bilgilerini ulaşabilirsiniz. Daha sonra da evinizin ortalama enerji gereksinimlerini belirlemek için geçmiş elektrik faturalarına bakabilirsiniz. Ortalama günlük enerji kullanımınız, güneş ihtiyaçlarınızı hesaplamak için hedef günlük ortalamanızdır. Bu, enerji ihtiyacınızın yüzde 100’ünü karşılamak istiyorsanız, güneş enerjisi sisteminize ihtiyaç duyacağınız kilovat saat sayısıdır –bir kilovat saat, herhangi bir zamanda, gücün kullanıldığı toplam süre ile çarpılan güç miktarını ifade eder-.

Güneş Enerjisi Örnek Hesaplama:

Bizim tasarım yapacağımız Mersin iline ait güneşlenme haritası ve güneş süreleri aşağıdaki şekilde görülmektedir.

Örnek hesabımız için aşağıdaki tabloda tüketim yapan cihazlar verilmiştir.

Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak; invertörler, akümülatörler, akü şarj denetim aygıtları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (PV sistem) oluştururlar.

PV Modüller

Türkiye şartlarında Silifke ilçesi için güneşlenme süresinin kışın yaklaşık 5 saat, sonbaharda 7 saat ve yazın 11 saat olduğunu göz önünde bulundurulursa; günlük ortalama yük ihtiyacı 5 kW-saat olan bir ev için; ortalama 1 kW’lık üretim yapan bir güneş paneli sistemi tasarlanması evin enerji ihtiyacını karşılayacaktır.

1 kW lık üretimi karşılamak amacıyla tasarlanan system için en az 4 adet 275 W nominal çıkış gücünde paneller kullanılması gerekmektedir. Seçilen polikristal panel için değerler aşağıdadır.

İnvertör

Doğru akım (DC) üreten güneş enerjisi kaynaklarını alternatif akıma (şebeke akımına) çeviren, sistemin kalbi niteliğinde ürünlerdir. Panellerin ürettiği 12 veya 24V DC gerilimi 240 V AC gerilime çevirir ve çıkışın sinizoidal olması gerekir. Tam sinüs özelliği de çamaşır makinesi, bulaşık makinesi ve buzdolabı gibi endüktif yükleri karşılamak ve bozmamak için gereklidir İnvertörün gücü kurulan sistemin aynı anda çalışacağını düşünülen cihazların anlık toplam gücüne göre seçilmelidir.

İnverter seçimi daha da yüksek tutabilir ancak fiyat yönünden de uygun bir seçenek arandığından ortalama 4000 W’lık bir inverter kullanım için idealdir.

Şarj regülatörü

Güneş enerjisinden elde edilen gerilimi istenilen gerilim değerine düşüren ürünlerdir. Akünün tam dolmasını ve aşırı kullanımlarda deşarj (boşalmasını) olmasını engeller. Genel olarak, şebekeden bağımsız sistemlerde kullanılan bu ürünlerin seçiminde en önemli kriter verim değerleridir.

Bir regülatör seçerken dikkat edilmesi gereken en önemli parametre, regülatörün gerekli olan maksimum akıma dayanıklı olmasıdır. Seçilen regülatörün, kullanılan batarya voltajı ile uyumlu olmasına da dikkat edilmelidir. Şarj regülatörleri kullanılacak sisteme göre 12V/24V/48V ve/veya 10A/20A/40A/60A gibi değerlerde değişir. Şarj regülatörleri aynı zamanda DC voltaj çıkışları olduğundan doğru akımla çalışan cihazlara direk gerilim verirler. Şarj regülatörlerinin LCD göstergeli modelleri de mevcuttur. LCD göstergelide anlık akü ve panel akım, akü ve panel voltajını ve akünün şarj durumunu gösterir. Sisteme şarj regülatör seçerken maksimum akımı göz önünde bulundurmak gerekir.

Tabloda kullanılan sisteme uygun şarj regülatörü çeşitleri sunulmuştur. Bu tabloya göre 12 V 60 A bir şarj regülatörü seçilmiştir.

Akümülatör

Şebekeden bağımsız sistemlerde elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depo eden, istenildiğinde bunu elektrik enerjisi olarak veren cihazlardır. Genel olarak üç tiptir: Kuru (Flooded Lead Acid), AGM (Absorbed Glass Mat Sealed Lead Acid) ve GEL (Gelled Electrolyte Sealed Lead Acid). Ancak kuru tip aküler fiyatlarından dolayı fotovoltaik sistemlerde daha çok tercih edilmektedir (Olması gereken ise aslında jel akülerdir). Akülerin kapasiteleri amper-saat (Ah) olarak ifade edilir. Ömürlerini uzun tutmak için kapasitesi %50’nin altında iken şarj edilmelidir. Verimleri %90 civarındadır.

Şebeke elektriğinin olduğu yerde 2 gün, olmadığı yerde 3 günlük ihtiyacını depolayacak kadar akü kullanımı uygun olacaktır. Bu da günlük tüketimi 5 kW olan bir ev için 10 kW’ı karşılayacak akü kapasitesi demektir. 12 V 1200 Ah’lik akü grubu 12volt*1200 Amper-Saat =14.400 watt depolayabilir. Akülerde depolananın tamamını hatta %70’inden fazlasını kullanmak akünün yapısını kısa zamanda bozmaktadır. Bu yüzden 12 V 1200 Ah bir akü grubu tasarlanan sistemim için ideal olacaktır. Kapasitesi belli akü hücreleri birbirine bağlanarak daha yüksek kapasiteli bir akü grubu elde edilebilir. 12 V 1200 AH’lık bir akü grubunun 6 adet 12 V 200 Ah’lık akülerin paralel bağlanarak oluşturulması mümkündür.

Kablo Seçimi

Fotovoltaik sistem kurumunda sistemin hesaplanması ve gereken ürünlerin seçimi kolay değildir ama genelde ihmal edilen ve ihmal edilmemesi gereken bağlantı ürünlerinin önemi fazlasıyla yüksektir. Solar sistem iki bölüme ayrılabilir:  

• Sistem-Akü [SA]
• Akü-Tüketici [AT].

SA bölümü DC (doğru akım) bölümüdür ve genelde 12, 24 veya 48 V DC olarak kurulur. SA bölümünde güneş pilleri sayesinde üretilen elektrik akım, şarj regülatörü üzerinden akülere depolanır. Kablo kesitini hesaplamak için aşağıdaki formül kullanılır:

A=0.0175*2*L*P/(fk*U²) (mm²)

Burada A iletken kesiti, fk iletken kaybı (%), 0,0175 bakır için spesifik direnç (Ohm×mm²/m), L kablo uzunluğu (m), P kablo tarafından alınması gereken güç (W), U sistem voltajıdır (V).

Ayrıca aşağıdaki tablodan da pratik olarak seçim yapılabilir.

Bizim sistemimiz için saatlik 1 kW güç eldesi için yaklaşık 58 A  akım taşıma gücüne sahip kablo için 35 mm² kesitinde kablo kullanılması uygudur.

Kurulum Maliyeti

1 kW güç üretebilen sistemin maliyetinin hesaplanması için kabaca aşağıdaki tabloyu doldurabiliriz.

Böyle bir sistem için toplam ilk yatırım maliyetimiz 23.170 TL’dir. Ortalama bir yıl içinde vergiler dahil elektrik faurasını birim kw/h elektrik fiyatı 0,71 TL olarak kabul edersek ve yıl içinde emniyetli olarak 6 saat elektrik üretimi olursa;

5*6*30*12*0,71 = 7.668 TL

Yapmış olduğumuz sistem kendini yaklaşık 3 yılda karşılayacaktır.

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

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.

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

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.

N bölgesinden P bölgesine bir pozitif yük geçişine olanak veren elektron-boşluk çiftinin eklemden d uzaklıkta oluşma olasılığı [latex]{ e }^{ -\frac { d }{ L } }[/latex] 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.

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 l_L kadar kısmı dış devreden akar, böylece P-N eklemi ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirmiş olur. ls akımı aşağıdaki eşitlik ile verilir;

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

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

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

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.

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

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, I_L, akımının çıkarılması olarak ele alınabilir.

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.

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.

[latex]{ P }_{ m }={ I }_{ m }.{ V }_{ m }[/latex]

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.

[latex]FF=\frac { { I }_{ m }.{ V }_{ m } }{ { I }_{ SC }.{ V }_{ OC } }[/latex]

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 (R_s), diyotun ideal olma faktörünün (A_o), ters doyum akım yoğunluğunun (J_o) ve sıcaklığın (T) küçük; yasak enerji aralığının (Eg) ve şönt direncin (R_sh) 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.

[latex]n=FF\frac { { I }_{ SC }.{ V }_{ OC } }{ Pi.A }[/latex]

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 Teknoloji	Hücre Verimi (%)	Modül Verimi (%)
Tek kristal silikon	25,0	14-16
Çok kristal silikon	21,3	14-16
Galyum arsenit	27,5-29,1
Amorf silikon	13,6	6-9
Kadmiyum tellür	22,1	9-12
CIS/CIGS	22,3	8-14

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.

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.

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.

On Grid (Şebeke bağlantılı) Solar sistemler; güneş panellerinden üretilen elektriği inverterler ile tek faz ya da üç faza dönüştürerek çift yönlü elektrik sayacıyla elektrik şebekesine veren sistemlerdir. On grid sistemler hem yüksek güçte santral sistemi olarak hem de evsel tüketimi karşılamak amacıyla kurulabilir. Başlıca iki tip şebeke bağlantılı fotovoltaik sistem vardır;

• Aküsüz şebeke bağlantılı sistem
• Akü yedeklemeli şebeke bağlantılı sistem

Aküsüz sistemler temel olarak iki bileşenden oluşur; PV paneller ve şebeke bağlantılı inverter. Böyle sistemlerde şebeke herhangi bir sebeple kesilirse, inverter de otomatik olarak kendini kapatır ve sistem artık elektrik üretmez. Bu sayede sistem güvene alınır. Ayrıca şebeke bağlantılı inverterlerin çıkışlarında verdikleri elektrik enerjisini şebekeyle uyumlu hale getirmeleri (frekans ve senkronizasyon ayarı) zorunluluğudur. Eğer şebekeyi algılamaz ise inverter çıkış vermez.

Akülü sistemlerde ise PV paneller ve şebeke bağlantılı inverterlerin yanında aküler ve şarj kontrolörleri de kullanılır. Aküler sayesinde elektrik şebekesi kesilse ya da arızalansa bile sistem güç sağlamaya devam eder. Elektrik kesintisinin istenmediği yerlerde bu sistem tercih edilir.

Güneş Paneli

Şebeke bağlantılı solar sistemler şebeke odaklı çalıştığı için güneş panellerinin voltaj değerleri çok önemlidir. İnverterlerin çalışabileceği voltaj aralığına göre paneller bağlanmalıdır. Panellerin güç değerine göre voltaj ve akım değerleri değişmektedir. Yeni nesil sistemlerde şebeke bağlantısı için 250 W ve üstü paneller tercih edilir.  Bu sistemler için de panel kapasitesi belirlenirken off-grid sistem tasarımlarında olduğu gibi kış şartlarına göre ortalama güneşlenme süresi önemlidir.

Şebeke Bağlantılı İnverterler

İnverter, şebeke bağlantılı sistemlerde güneş panellerinden alınan elektriği elektrik şebekesine göre tek faz veya üç fazlı AC elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Bu inverterler özel tasarımlı inverterlerdir. Hem güneş panelinden gelen hem de şebekeden gelen güç ile beraber çalışır. Güneş panelinde güç düşümü meydana geldiğinde veya geceleri şebeke elektriğinden destek alır veya doğrudan bağlanır. Gelişmiş inverterlere data logger bağlanarak üretim kapasitesi anlık olarak takip edilebilir.

Şebeke Bağlantılı inverterlerin kapasitesi ve modeli, güneş panellerinin toplam üretim gücüne paralel olmalıdır. Burada %10 tolerans payı olabilir. Sistemin uygulanacağı yerdeki elektrik hattının tek faz ya da üç faz olma durumu da bilinmelidir.

Çift Yönlü Elektrik Sayacı

Çift yönlü elektrik sayaçları, tek yönlü elektrik sayaçları gibi şebekeden gelen elektriği tüketim hattına iletir. Tek yönlü sayaçtan farkı ise harici bir yerden üretilen elektriği de ters olarak elektrik şebekesine iletmesidir. Akıllı çift yönlü  sayaçlarda üretilen ve tüketilen elektriği üzerindeki dijital ekrandan takip edebilirsiniz. Ay sonu üretiminiz tüketiminize göre faturalandırılırsınız.

Aküler

Güneş paneli ve rüzgar türbini ile enerji üretilen sistemlerde genel olarak kuru tip veya jel akü kullanılmaktadır. Araba aküleri veya sulu tip aküler yenilenebilir enerji kaynaklarında kullanım için uygun değildir. Bunun temel nedeni sulu tip akülerin sağlıklı çalışma için titreşim ihtiyacı duyması ve güneş enerjisi uygulamalarındaki gibi yavaş, sürekli doldur-boşalt durumunda kısa sürede ömürlerini tamamlamalarıdır.

Şarj Regülatörü

Şarj kontrol cihazı güneş enerjisi ile elektrik üretimi sistemlerinde, gündüz güneş panellerinden gelen elektrik akımını, kontrollü olarak aküye dolduran cihazlardır. Ayrıca, bu akımı belli bir müddet (aküler doluncaya kadar) akülere gönderir. Aküler dolduktan sonra akımı keser. Böylece, aküleri fazla şarja tabii tutmaz. Akülerin ömrü de daha uzun olur.

Solar şarj kontrol cihazı güneş panelinden gelen akıma ve toplam güneş paneli gücüne göre seçilir. Piyasada Pwm ve mppt şarj kontrol cihazı olarak tanınan çeşitleri ve seçimleri arasındaki farklara başka bir yazımda değineceğim.

PV Sistemlerinin Diğer Ekipmanları

İnvertör İzleme Sistemi

Sistem verilerinin bilgisayarda kaydedilmesi, arşivlenmesi ve   değerlendirilmesini sağlayan akıllı bir yazılımlardır. Sistemin gösterdiği performans, kolay anlaşılır diyagram türleri ve grafikler yardımıyla   kapsamlı bir analize dönüştürülür. İnvertörlerden tüm sistem bileşenlerinin yazılım parametreleri izleme sistemi ile yapılandırılabilir.  100 adete kadar invertör, tek bir sistem içinden yönetilebilir. 

Konstrüksiyonlar

Güneş paneli konstrüksiyon sistemleri, yapılarda tüm taşıyıcı sistemleri çelikten ve alüminyumdan üretilen geniş açıklıklara ve yüksekliğe ihtiyaç duyulan mekânlarda kullanılan çelik yapı sistemidir. Güneş paneli konstrüksiyon yapıların kurulumu hızlıdır, defalarca sökülüp tekrar monte edilebilir ve uzun ömürlüdürler.

Solar Kablo

Solar kablolar UV ışınlarına, ozona, kötü hava şartlarına uygun olup halojen gazı içermeyen, çapraz bağlı malzemeden üretilir. Yanmaya karşı dayanıklı ve alevi iletmezler.

AC/DC Toplama Panoları

DC Toplama Panosu

Merkezi invertör kullanılan sistemlerde panellerde üretilen DC elektrik toplama panolarında toplanır. Her dizi için birer DC toplama panosu oluşturulur. DC toplama panolarından Merkezi invertör sistemine ana DC hat ile enerji taşınır. DC toplama panolarında gerekli güvenlik ve anahtarlama ekipmanları kullanılır.

AC Toplama Panosu

Dizi invertör kullanılması durumunda AC hat kablo bağlantılarının yapılması için kullanılan lokal panolardır. Bu panolarda toplanan enerji tek bir kablo ile ana toplama panosuna taşınır. Ara bağlantı ilave güvenlik ve anahtarlama mekanizmaları içermektedir. String sistemlerde ana AC toplama panosuna ulaşmadan önce ara bağlantı ekipmanları ile AC güç toplanmaktadır.

AG Ana Toplama

AG toplama panoları veya merkezi İnvertör çıkışından alınan enerji güç kabloları ile ana toplama panosuna aktarılarak güvenlik ve kontrol altına alınır. Ana toplama panosu enerji kalitesi ölçümü, sistem güvenliği ve iç ihtiyaç için gerekli ekipmanlarla donatılmaktadır. Ana toplama panosunda toplanan elektrik enerjisi gerilim değerinin yükseltilmesi için yüksek akım limitlerinde çalışabilen AG şalter ile transformatöre yönlendirilir.

Transformatörler

Santralde üretilen enerjinin sisteme verilebilmesi için gerilim değerlerinin sisteme uygun olması gerekmektedir.  Bunun sağlanması için invertör çıkışından alınan 400V AC gerilim trafo kullanılarak 34kV AC seviyesine çıkarılır.  Bu sayade enerjinin taşınması daha az kayıp ve düşük maliyetli olması sağlanmaktadır.

PLC Panolar

PLC Panosu Santral ’de kullanılan ekipmanlardan (Trafo, AC toplama panoları, AG ana dağıtım panosu, orta gerilim hücreleri, koruma röleleri) alınan gerekli sinyalleri scada sistemine ethernet veya fiber optik yoluyla gönderilmesini ve kontrol edilmesini sağlar.

Scada Sistemi

Enerji izleme sistemi ile AG ve OG enerji sistemleri izleme ve kontrolleri sağlanır. Scada, minimum maliyette daha çok ve daha kaliteli ürün üretmek, insan gücüne bağımlılığı azaltmak, can ve mal güvenliği sağlamak ve kaynakları verimli olarak kullanabilmek için çok önemli bir işletme aracıdır.

Aydınlatma Sistemi

Aydınlatmada dikkat edilmesi gereken ilk husus enerjiyi verimli kullanmaktır. Aydınlatmanın türü, nerede, nasıl ve kimler için uygulanacağı, ışığın niteliği, titreşim, ışığın renklerle uyumu, gözü yormaması, aydınlatmanın tek düze olmaması gibi. Endüstriyel aydınlatmada, aydınlatma seviyesi sağlıksız ve yetersiz ise yapılan işin verimi düşebilir veya istenmeyen iş kazaları meydana gelebilir. Doğru aydınlatma çalışanların kendilerini çalıştıkları ortamda rahat hissetmelerini sağlayacağı gibi aynı zamanda güvenli bir çalışma ortamının oluşmasında da büyük rol oynar.

Kamera ve Güvenlik Sistemi

Güvenlik kamerası sistemleri basit bir tanımlamayla, görüntü kaydı yapılmak istenen alanlarda ihtiyaca uygun nitelikte uygulanan kameralardan ve uygun performansta kayıt yapabilen bir kayıt cihazından oluşmaktadır.

Topraklama ve Paratoner Sistemi

Paratoner

Paratoner başlıkları montajının yapılmış olduğu bir tesise yıldırım düşme riski oluştuğu zaman, iyon üretip yayan ve olası yıldırım deşarjını üzerine alıp emniyetli bir şekilde toprağa aktarabilen bir sistemlerdir.

Topraklama

Temel topraklaması ve diğer bütün cihazların topraklamaları kesinlikle ayrı yapılmamalıdır. Eş potansiyel bara yapılıp tüm topraklamalar bu barada birleştirilir. En uygun olanı temel topraklaması yapıp topraklamaları eş potansiyel baraya bağlamaktır. Buna imkân yoksa levha yerine topraklama çubuğu çakılarak yapılabilir. Topraklamada önemli olan temas yüzeyi ve korozatif etkilere dayanımı düşünülerek yapılmalıdır. Topraklama çubuklarının aralıkları çubuk uzunluğunun iki katı uzunluğunda ve mümkünse kazayağı şeklinde   yapılmalıdır. Topraklama çubukları iniş iletkenleri ile toprak yüzeyinin en az 10-15 cm altında birbirine bağlanmalıdır.

Şebeke bağlantılı sistemlerin avantajları

• Sistemde akü gibi enerji depolama birimleri kullanılmayacağı için ek bir maliyet olmaz.
• Üretim-tüketim mesafesinin uzaklığı ve depolama dönüşümleri olmadığından kayıp minimum olacaktır.
• Üretilen enerji şebekeye bağlı olduğu için yük fazlalığında şebeke devreye girerek enerji kesintisi yaşanmaz.
• Sistem tasarımı yapılırken, yükün tamamını karşılanması gibi bir zorunluluk olmadığı için istenilen miktara ve alana göre tasarım yapılabilme esnekliğine sahiptir.
• Sistemin kurulu gücü kolaylıkla değiştirilebilir.