Güneş Pilleri ve Teknolojik Uygulamaları

Hazırlayan: Murat BERDİBEK

Güneş Enerjisi Uygulamalarının Tarihsel Gelişimi

İnsanların güneş enerjisinden teknolojik olarak yararlanması, yani güneş enerjisini kendi geliştirdiği yollarla başka enerjilere dönüştürmesi, bir hayli eskilere dayanır. Bilinen ilk uygulamalardan biri, Arşimed’in Sirakuza’da güneş ışınlarını büyük aynalarla yoğunlaştırarak düşman gemilerine odaklaması ve onları yakması olarak bilinir.

17.yy da, yine aynalarla güneş ışınlarının yoğunlaştırılarak odun yığınlarının yakılmasında kullanıldığı, 18.yy da yoğunlaştırılmış güneş ışınlarının kimyasal tepkimelerde ve güneş ocaklarında kullanıldığı görülür. 19.yy da güneş enerjisi uygulamaları artmıştır. Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile metal eritme, su dağıtma, buhar üretme, güneşle çalışan buhar makinası, baskı makinası gibi yapılan çalışmalar, uygulama örnekleri olarak gösterilebilinir.

20.yy da insanların yaşamına giren petrol, güneş enerjisi kullanımıyla ilgili gelişmeleri bir ölçüde frenlemiştir. Bununla birlikte, 1974’deki yapay petrol bunalımı ve petrol fiyatlarının artması sonucu güneş enerjisi üzerindeki çalışmalar, yeniden hız kazanmıştır. Özellikle evlerde sıcak su sağlanmasında güneş toplaçları kullanımı bu yüzyılda yaygınlaşmıştır. Yine, yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin kullanıldığı güneş santralleri bu yüzyılda yapılmaya başlanılmıştır.

1954 yılında Bell laboratuarında güneş pillerinin geliştirilmesi ile güneş pilleri güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım alanları bulmuşlardır. Güneş pillerinin ilk büyük ölçekli uygulama alanı, uzay çalışmalarında olmuştur. Uzay araçlarına enerji sağlamada bu piller en uygun araçlar olmuşlardır. Önceleri küçük ölçeklerde çeşitli yerlerde kullanılan güneş pilleri giderek daha geniş kullanım alanlarına yayılmışlardır. Yaygın kullanımla birlikte bu pillerin fiyatları da oldukça düşmüştür. Bu gün bu pillerle çalıştırılan güneş otomobilleri, güneş uçağı, elektrik şebekesine uzak yerlerdeki uygulamalar, güneş pilleri ile çalışan elektrik santralleri bulunmaktadır.

Güneş enerjisi dışında kullanılan enerjiler ise, yerin iç ısısından (jeotermal enerji) yararlanma, Dünya-ay arasındaki çekim enerjisinden yararlanma (gel-git enerjisi) ve çekirdeksel yakıtlardan yararlanma (nükleer enerji) olarak sıralanabilir. Çekirdeksel yakıtlar yeryüzünde sınırlı miktarlarda bulunmaktadır. Aynı şekilde, depolanmış güneş enerjisi olarak kullanılan fosil yakıtlar da sınırlı miktarda bulunmaktadırlar ve tüketim hızıyla orantılı olarak oluşmamaktadırlar. Bu yönleriyle, gerek fosil yakıtlar, gerekse çekirdeksel yakıtlar, tükenir enerji kaynaklarıdır. Oysa diğer kaynaklar tükenmez enerji kaynaklarıdır ve bu gün artık dünya bu tükenmez enerji kaynaklarının daha verimli ve yaygın kullanılmasına yönelik teknolojik çalışmalaraın hızlandırıldığı bir döneme girilmiştir.

Günlük güneş enerjisinin seyreltik ve kesikli olması, bu enerjinin daha etkin ve verimli kullanılmasında sorun olmakyadır. Oysa, bugün dünya ya gelen güneş enerjisi, dünyada kullanılan tüm enerjinin 15-16 bin katı dolayındadır. Bu durumda, dünya üzerinde bu enerjiyi olabildiğince verimli ve etkin kullanabilme yolunu bulmamız gerekmektedir. Bunun yanı sıra, en akıllıca yollardan biri de güneş enerjisini dünyanın dışında yakalayarak bunu bir şekilde elektrik enerjisine çevirerek dünyaya aktarmaktır. Uzayda, ya da bize en yakın gök cismi olan ay da bu işi başarabiliriz. Gerek uzayda gerekse ayda ne bulutluluk engeli ve ne de gece gündüz sorunu vardır. Ayrıca hava kürenin soğurucu etkileri de burada söz konusu olmamaktadır. Şimdilik düşünce ve kuram düzeyindeki çalışmaların, çok uzun olmayacak sürede gerçekleşmesi beklenmektedir

Ülkemizinde, güneş enerjisinden ve diğer tükenmez enerjilerden yararlanma konusundaki yarışta geri kalmaması gerekir. Çünkü, ülkemiz üç kıtaya en yakın konumda bulunmakta, ayrıca güneş kuşağı denilen ve ekvatora göre kuzey ve güney 40 enlemlerini kapsayan bölgede bulunmaktadır. Ülkemizin bu iki özelliği, güneş enerjisinin teknolojik uygulamalarına bir vitrin durumuna gelmesinde büyük bir üstünlük sağlayabilir. Dengeli bir kalkınmanın, temiz ve tükenmez enerji kaynaklarına dayalı olacağı unutulmamalıdır.

Güneş Pili Sisteminin Yapısı ve Sistemin Gelişimi

Güneş pillerinin çalışma ilkesi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır. Güneş pilleri (fotovoltaik diyotlar) üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren cihazlardır. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Bu enerji çevriminde herhangi devingen (hareketli) parça bulunmaz. Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir.

Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel yada seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü yada fotovoltaik modül adı verilir. Güç ihtiyacına bağlı olarak modüller birbirlerine seri yada paralel bağlanarak bir kaç Watt’tan mega Watt’lara kadar sistem düzenlenebilir.

Güneş Pili

Güneş Pili Modülü

Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili modülü uygulamaya bağlı olarak, akümülatör, inverterler, akü şarj kontrol cihazları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (FV sistem) oluştururlar. Bu sistemler, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Ayrıca dizel jeneratörlerle yada başka güç sistemleri ile birlikte karma olarak kullanılmaları da mümkündür.

İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafından gerçekleştirilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1 değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin tarafından silikon kristali üzerinde gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960’ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir.

Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik araştırma ve geliştirme çabaları 1954’ler de başlamış olmasına rağmen, gerçek anlamda ilgi 1973 yılındaki 1.petrol bunalımı’nı izleyen yıllarda olmuştur. Amerika’da, Avrupa’da, Japonya da büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu nedenle daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir

Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu olan fotovoltaik sistemlerin araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması görevi uzun yıllar üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep laboratuarda kalan bir çalışma olarak kalmıştır. Ancak 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.

Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek ‘sosyal maliyet’ göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerden daha ekonomik olarak değerlendirilebilir.

Güneş pilinin, bir fotovoltaik diyod olup, üzerine ışık düştüğünde iki uç arasında potansiyel farkı (voltaj) ortaya çıkar. Ancak, bir güneş pilinden elde edilebilecek gerilim çok küçük (0.5-1V dolayında) olduğundan, arzulanan gerilime uygun olacak sayıda güneş pili seri olarak bağlanır. Seri bağlı pillerin oluşturduğu birime PV modülü adı verilir. PV modüllerin laminasyonu genellikle güneş pillerinin ön yüzeyinde yüksek optiksel geçirgenliğe sahip cam ve arka yüzeylerinde EVA (ethlene viny acetate) kullanılarak geçirgenleştirilir. Ayrıca camı korumak ve sistemi daha kullanılabilir, sağlam bir yapıya sokmak için modül, metal çerçeve ile çerçevelenir. Modüler yapının kullanım kolaylığı yanında, büyük bir üstünlüğü de, güç gereksinimine uygun olarak değişik boyutlarda fotovoltaik örgülerin (PV Array) kurulmasına uygun olmalarıdır.

Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim biçimleri ile karşılaştırıldığında çok pahalı olan PV sistemlerinin kullanımı yalnızca iletişim, uzay çalışmaları gibi özel uygulama alanlarında sınırlı kalmıştır. Son yirmi yılda PV teknolojilerindeki gelişmelere ve PV pazarının büyümesi ile birlikte maliyetler dede bir düşüş eğilimi gözlenmeye başlanmıştır. Bu gün gelinen durumda, PV güç üretiminin yılda %25-%30 dolayında artacağı tahmin edilmektedir. Ancak bu gün PV kurulu gücün, dünya güç gereksiniminin yalnızca yüz binde dört kadarı olduğu gerçeği göz ardı edilmemelidir. Bu payın 2010 yılında %0.13 dolayına ve 2020 de %1 ve 2030 ile 2050 yılları arasında %5 ile %10 dolayında bir değere ulaşılacağı beklenmektedir.

1997 de PV Pazar hacmi 120 MW’tın üzerinde gerçekleşirken, üretim kapasitesi buna cevap vermekte zorlanmaktadır. Bu gün PV sektöründe, üretilen modüllerin yaklaşıkça %90 kadarını silisyum kristalini taban alan sistemler oluşturmaktadır. PV modül üretiminin çoğunluğu ABD (%44), Japonya(%20) ve, Avrupa (%27) olarak bölüşürken %9 kadar bir bölümü de diğer ülkelerce gerçekleştirilmektedir. Artan ihtiyaca karşılık olarak hızla büyüyen PV pazarının iş kapasitesi 1milyar dolar/yılı geçmiş bir durumdadır.

2010 yılı itibari ile ABD fotovoltaik endüstrisi 60 milyon dolarlık bir kapasite hedeflemektedir. Güneş pilleri üretiminde elektronik endüstride kullanılmayan (off-cut) silisyum malzeme kullanılmaktadır. Ancak bu kaynak, artan sistemi karşılamakta zorlanmaktadır. Bu nedenle, örneğin Japonya’nın önümüzdeki iki yıl için hedeflediği 70 000 çatıya PV sistemi programını gerçekleştirebilmesi için PV sistemi için kaliteli silisyum üretecek bir fabrikayı kurması beklenirken, Avrupa’nın da bunu izleyeceği sanılmaktadır.

Güneş Pili Türü	Tipik Modül Verimliliği %	Maksimum Güneş Pili (Maksimum ölçülen)Verimliliği( laboratuarda)%
Tek kristal silisyum	12-15	16-18-24
Çok kristalli Silisyum	11-14 (15.3)	18.6
Amorf Silisyum	6-7 (10.02)	14.7
Kadmiyum Tellür	7-8 (10.01)	15.8
Bakır İndiyum di Selenid	14.1	17.7

Fotovoltaik Modül verimlilikleri

Bunların yanında, kararlılığı ispatlanmış kristalli silisyum malzemenin ince film formunda kullanılması çalışmaları da önemli gelişmeler kaydetmiş olup, yakın gelecekte adaylar arasına girme yolundadır.

Güneş Pili Sistemlerinin Sınıflandırılması

Bu sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda yada özellikle gece süresince kullanılmak üzere sistemde akümülatör bulundurulur. Güneş pili modülleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolar, yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmesini engellemek için kullanılan regülatör ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı yada yükün çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir inverter eklenerek akümülatördeki d.a. gerilimi, 220 V, 50 Hz.’lik sinüs dalgasına dönüştürülür. Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli destek elektronik devreler sisteme katılabilir. Bazı sistemlerde, güneş pillerinin maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayan maksimum güç noktası izleyici cihazı bulunur.

Güneş pili sistemi uygulamaları iki ana gruba ayrılabilir:
– Şebeke bağlantılı sistemler
– Şebekeden bağımsız sistemler

Şebeke Bağlantılı Güneş Pili Sistemleri
Şebeke bağlantılı güneş pili sistemlerin gücü, birkaç kW’ tan birkaç MW’lara kadar değişebilmektedir. Şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri yüksek güçte,santral boyutunda sistemler şeklinde olabileceği gibi daha çok görülen uygulamalar ise binalarda küçük güçlü uygulamalar şeklindedir. Bu tür sistemler, iki ana gruba ayrılır.

İlk tür sistem, temelde bir yerleşim biriminin mesela, bir konutun elektrik ihtiyacını karşılar. Bu sitemlerde, üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılır. Yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda şebekeden enerji satın alınır. Böyle bir sistemde enerji depolaması yapmaya gerek yoktur, yalnızca üretilen d.a. elektriğin, a.a. elektriğe çevrilmesi ve şebeke uyumlu olması yeterlidir.

İkinci tür şebekeye bağlı güneş pili sistemleri kendi başına elektrik üretip, bunu şebekeye satan büyük güç üretim merkezleri şeklindedir. Bunların büyüklüğü 600-700 kW’ tan MW’ lara kadar değişir.

Şebekeye Elektrik Veren Güneş Pili (PV) Sistemi

Şebeke Bağlantılı 4,8 kW Güneş Pili Sistemi

Güneş pilleri şebekeden bağımsız sistemler olarak kullanılabileceği gibi mevcut elektrik şebekesine bağlı olarak da kullanılabilirler. Enerji maliyetinin pahalı olması nedeniyle güneş pilleri genellikle şebekeden uzak yerlerdeki küçük güçlerin enerji talebinin karşılanmasında kullanılmıştır. Son yıllarda ise özellikle gelişmiş ülkelerde şebekeye bağlı güneş pili uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Bu kapsamda EİE Didim Güneş ve Rüzgar Enerjisi Araştırma Merkezi’ne 4,8 kW gücünde şebeke bağlantılı güneş pili sistemi kurulmuştur.

Şebeke Bağlantılı 1,2 kW Güneş Pili Sistemi

Şebeke bağlantılı sistemlerin demonstrasyonu amacıyla 1,2 kW gücünde bir şebekeye bağlı güneş pili sistemi de EİE Yenilenebilir Enerji Kaynakları Parkı’na tesis edilmiştir.

Bağımsız Güneş Pili sistemleri
Sistemin Yapısı Ve Özellikleri

FV sistemlerinin en tipik ve en yaygın kullanım şekli, yerleşim yerlerinden uzak yörelerde enerji gereksinimini karşılayan bağımsız (stand – alone) sistemlerdir. Bu sistemler birkaç watt’tan birkaç yüz kW’ lara kadar değişebilen güçlerde ve çok çeşitli türlerde yüklerin enerji talebini karşılayabilir.

Bu tür sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda yada özellikle gece süresince kullanılmak üzere genellikle sistemde akümülatör bulundurulur. Güneş pili modelleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde depolar, yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır.

Akünün aşırı şan ve deşarj olarak zara görmesini engellemek için kullanılan kontrol birimi ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı yada yükün çektiği akımı keser. Şebek uyumlu alternatif akım elektriğin gerekli olduğu uygulamalarda, sisteme bir inverter eklenerek akümülatördeki d.a. gerilim 220 V 50 Hz’ lik sinüs dalgasına dönüştürülür. Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli destek elektronik devreleri sisteme katılabilir. Şekilde şebekeden bağımsız bir güneş pili enerji sisteminin şeması verilmektedir.

Küçük bir FV sistemi Şekilde gösterilen bölümlere ayrılabilir. FV levhalar güneş enerjisini direkt olarak elektrik enerjisine dönüştürürler. Tipik bir levha güneşli açık havada 12 volt, 10 Amper kadar, yani 120 Watt elektrik üretebilir. Elde edilen gerilimi arttırmak için levhalar seri olarak, akımı arttırmak için ise paralel olarak bağlanırlar. Güneşten maksimum enerjiyi toplayabilmek için FV levhaların gün boyunca en çok güneş gören güney yönüne bakmaları ve bulunan eyleme göre zamana bağlı olarak yatay ile belirli bir eğimde olmaları gerekir. Genel olarak kış aylarında levha yaz aylarına nispeten daha dikey olmalıdır.

Güneş enerjisi değişen ve her zaman olmayan bir enerji türüdür. Mesela, güneş doğmadan önce, güneş battıktan sonra veya kapalı ve bulutlu havalarda güneş enerjisi olmadığından toplanan fazla enerjinin depolanıp bu zamanlarda kullanılması gerekir. Bu amaçla yüksek kapasiteli ( mesela 100 Ah) batarya kullanılır. Genel olarak bir bataryanın ömrünü arttırmak için kapasitesinin %80’den fazla deşarj olmaması gerekir.

FV sistemlerde güneş olduğu zamanlarda bataryaların tamamıyla dolduktan sonra akım almalarını (overcharge) önlemek gerekir. Fazla şarj bataryanın ısınmasına, sıvı kaybına ve batarya ömrünün kısalmasına yol açar. Regülatör, FV levhalar ile bataryalar arasına konur ve bataryaların fazla şarj almalarını önler. İnverter 12 veya 24 voltluk düşük doğru akımı 240 volt alternatif akıma dönüştürür. Çok küçük uygulamalarda inverter yerine düşük gerilim ve doğru akımla çalışan elektrikli cihazlar kullanmak mümkündür.

Bağımsız güneş pili sistemlerinin kullanıldığı tipik uygulama alanları aşağıda sıralanmıştır:

– Radyolink istasyonları, kırsal radyo, telsiz ve telefon sistemleri
– Petrol bor hatlarının katodik koruması, metal yapıların (köprüler, kuleler vb.) korozyondan korunması
– Elektrik ve su dağıtım sistemlerinde yapılan telemetrik ölçümler, hava gözlem istasyonları
– Bina içi yada dışı aydınlatma
– Dağ evleri yada yerleşim yerlerinden uzaktaki evlerde TV, radyo, buzdolabı gibi elektrikli aygıtların çalıştırılması

– Tarımsal sulama yada ev kullanımı amacıyla su pompası
– Orman gözetleme kuleleri
– Deniz fenerleri
– İlk yardım, alarm ve güvenlik sistemleri
– İlaç ve aşı soğutma

Güneş pili sistemleri en çok iletişim alanında kullanılmaktadır. Radyolink istasyonlarının çoğunlukla elektriği bulunmayan yüksek ve ulaşım sorunu olan yerlerde güneş pili modülleri kullanmak uygun bir çözüm olmaktadır. Bu alanı, su pompajı ve aşı-ilaç koruma izlemektedir.

Bu gün dünyanın çeşitli yerlerinde, binlerce bağımsız güneş pili sistemi kullanılmaktadır. Yapılan araştırmalarda güvenilirlik, yakıt, gerektirmeme ve çok az bakım isteme gibi özellikler nedeniyle bu sistemlerin kullanıldığı belirlenmiştir. Kullanılan güneş pili modülleri çoğu kez sistemi destekleyen elektronik bileşenlerden daha güvenilir ve dayanıklı bulunmuştur. Bu bileşenler dikkatle seçilirse PV bir sistemin uzun yıllar sorunsuz ve güvenilir olarak çalışması mümkündür.

Tüketiciye yönelik ürünlerin en tipik örneği ise yıllardır ticari ortamda kullanılan güneş pili ile çalışan hesap makineleridir. Bunun dışında, güneş pilliyle çalışan bahçe aydınlatma setleri, taşınabilir lambalar, güvenlik ve alarm ürünleri, kapı zilleri, otomobil havalandırma sistemleri, oto akü şarj cihazları gibi bir çok üründe son yıllarda tüketicilere sunulmuştur.

Bağımsız Güneş Pili sistemi Uygulama Örnekleri
Güneş Ocağı

Güneş ışınlarını parabolik olarak yoğunlaştıran bu tür güneş ocakları dünyanın çeşitli yerlerinde yemek pişirmek için kullanılmaktadır. EİE’de deneme amaçlı imal edilen güneş ocağı 750 ºC sıcaklığa ulaşmaktadır.

Güneş Pilli Trafik İkaz Sistemi
Karayollarında, trafik ikaz amacıyla kullanılan uyarı lambalarının güneş pilleri aracılığıyla çalıştırılmasını amaçlayan projede 50 W gücünde modül, 70 Ah akü kullanılmıştır.

Güneş Pilli Aydınlatma Birimleri
Gün boyunca güneş enerjisinden üretilen elektrik enerjisi ile akü şarj edilerek, geceleri aydınlatma lambaları çalıştırılmaktadır. Bu birimlerden 2 tanesi Ankara AOÇ Atatürk Evi önünde, 2 tanesi Didim Güneş ve Rüzgar Enerjisi Araştırma Merkezi’nde, 1 adeti EİE Genel Müdürlük Binası girişinde çalışmaktadır. Ayrıca, Didim’de 160 W gücünde bir sistem ile de çevre aydınlatması yapılmaktadır.

Güneş Pilli Su Pompaj Sistemleri
Küçük çaplı sulamada kullanılabilecek olan bu sistemlerin birincisinde 616 W gücünde güneş pili, inverter ve dalgıç pompa bulunmaktadır. 7 m derinlikteki bir kuyudan yılda yaklaşık 11000 m³ su pompalayabilen bu sistem şebekeden uzak yerlerde dizel motopomplarla ekonomik olarak rekabet edebilmektedir.
756 W gücünde diğer bir su pompaj sistemi ise EİE Yenilenebilir Enerji Parkı’nda bulunmaktadır.

Bağımsız Sistemler ile Şebeke Bağlantılı Sistemlerin Karşılaştırılması

Fotovoltaik sistemlerde üzerinde en çok düşünülen konu sistemin ne tip olacağıdır. İlk olarak üzerinde durulması gereken husus şebekeye olan uzaklığıdır. Bataryalı sistemin avantajı enterkonnekte şebekede bir sorun olsa dahi enerji kesintisi söz konusu değildir.

Fakat bu tip sistemlerde, maliyet fazladır. Bataryanın getireceği ek maliyet, bataryanın konacağı yer sorunu ve bakım gereksinimi, sistemin dezavantajlarıdır. Ayrıca bataryaların şarjı için şarj regülatörü gerekmektedir. Modül kapasitesi arttırıldıkça, akü kapasitesinin de aynı oranda arttırılması gerekmektedir.

Şebekeye bağlı sistemin avantajları:

– Batarya ihtiyacı yoktur. Sadece çok acil durumlar için sistem düşünülebilir.

– PV sistemin ürettiği fazla elektrik enterkonnekte şebekeye satılabilir.

– PV sistemdeki herhangi bir arızada veya PV sistemin yeterli olmadığı durumda şebeke direk devreye girecektir.

– Modül sayısı yani çıkış gücü istenildiği zaman arttırılabilir

– PV sistem tasarlanırken tüketicinin aşırı kullanımına göre modül boyutu belirlenemez. Toplam yükün belirli bir oranım PV tarafından karşılanması yeterlidir.

Şebekeye bağlı sistemin dezavantajları:

– Şebekede bir sorun olduğunda ve PV sistem yeterli gelmediğinde, tüketici enerjisiz kalacaktır.

– Frekans, güç faktörü, harmonikler, dalga şekli gibi önemli elektriksel parametreler çok düzenli regülasyon ister. Bunu şebekeye bağlı sistemde yapmak için yüksek kalitede elektronik ekipmanlara ihtiyaç vardır. Bu da maliyeti arttırmaktadır. Eğer, az maliyetli ve güvenilir bir sistem isteniyorsa şebekeye bağlı ve küçük bir bataryalı sistem düşünülmelidir.

– Şebekede bir sorun olduğunda veya kullanıcı PV sistemi şebekeden ayırmayı düşündüğünde, dual-mode inverter bataryadaki d.a. gerilimi a.a. gerilime çevirecektir. Ayrıca, şebeke kesintisi kötü ve yağışlı havalarda meydana geldiğinden, bu tip ortamlarda da PV sistem elektrik üretemeyeceğinden, bir jeneratör ihtiyacı doğabilir.

PV Sistemlerde Kullanılan Elemanlar
PV Sistemlerde Aküler
Temel özellikler

Uygulamada PV sistemlerde şu aksaklıklar görülmüştür.

– Güneş ışığının az geldiği dönemlerde aşırı deşarj

– Güneşli dönemlerin sonuna doğru aşırı deşarj

– PV kaynağının az olmasından kaynaklanan ve iç kayıplar nedeniyle daha da ağırlaşan sürekli yetersiz şarjda kalma durumu

– Özellikle Güneş kuşağı bölgelerinde çevre sıcaklığının yüksek olması bunun sonucunda iç tüketimin ve korozyonun artması, aşırı şarj koşullarının ağırlaşması ve malzemenin daha hızlı yıpranması.

Bu sorunların temel nedenleri şöyle sıralanabilir;
– İşletme ve bakım yöntemlerinin yetersiz olması
– Yetersiz şarj kontrol
– Yetersiz tasarım ve boyutlandırma
– Akünün durumu hakkında bilgi sahibi olmama

Bu güne kadar, PV sistemlerde kullanılan akülerden verimli sonuçlar alınamamıştır. Bu durumun tipik göstergesi 7-8 yı1 olarak hesaplanan akü ömrünün, uygulamada 4-5 yıl civarında olmasıdır. PV sistemlerde kullanılacak aküler için aşağıdaki şartların incelenmesi gerekir.

– Günlük yada mevsimlik şarj-deşarja dayanma
– Yüksek ve düşük dış devre sıcaklığına dayanma
– Bakımsız yada az bakımla güvenli çalışabilme
– Hasar görmeden uzak ve kırsal yörelere taşınabilme
– Az sayıda alet ve niteliksiz işgücü ile kolaylıkla tesis edilebilme
– Ev modüllerinin 20 yıllık ömrü süresince güvenilir olarak çalışma

Akü İşletimini Geliştirmek İçin Yapılabilecek Çalışmalar
PV tesislerindeki deneyimler mevcut akülerin yaklaşık 8 yıllık bir ömrü ve minimum bakım gerektirme gibi özellikleri yerine getiremediğini göstermektedir. Akünün ömrünü artırmak için daha gelişmiş akü tasarımları gereklidir. Her bir uygulama için, uygun akü seçilmesi ve akünün çalışma şartları, ömrünü uzatacak şekilde optimize edilmelidir. PV sistemlerdeki aküler için yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları, bu pazarın küçük olması nedeniyle sınırlı kalmıştır.

PV sistem aküleri toplam akü pazarının ancak % l’ini kapsamaktadır. Bununla birlikte yapılan çalışmalar sonucunda bazı gelişmeler sağlanmış, Ni Cd ve kurşun asit akülerde asit ajitasyonu, gelişmiş ızgara yapıları ve akü durumunu izleme gibi konularda yeni çalışınalar yapılmıştır. Ayrıca sodyum sülfür, çinko-bromür ve lityum gibi yeni akü teknolojilerinde gelişmeler olmuştur. Bu tür aküler, taşınabilir kaynak olarak kullanılmak için yapılmakta ve toksin metallerin, kurşun, civa ve kadmiyumun akil üretiminde kullanılmasını en aza indirmeyi amaçlayan yasal düzenlemeler tarafından da üretimleri teşvik edilmektedir.

Akü ömrünü arttırmak için yapılabilecek geliştirme çalışmaları arasında şunlar yer almalıdır:
– Şarj denetiminin aşağıdakiler göz önüne alınarak geliştirilmesi
– Aşırı şarj eşiklerinde sıcaklık kompanzasyonu
– Derin deşarj ve aşırı şarj sınırlarının mevsimlik değişmesi
– Hata durumunda akünün korunması
– Derin deşarj ısının deşarj akmına göre kompanze edilmesi
– Akünün yaşlanmasını takip etme
– Akü hücrelerinin birbirine göre eşitlenmesi
– Güvenilir akü izleme cihazlarının (şarj durumunun gösterilesi dahil) kullanılması. Kullanıcı izlenen akü verilerinden ve hücrelerin durumundan akünün çalışmasını ayarlayabilir.
– Optimum boyutlandırma ve seçme

Fotovoltaik Levhalar (Paneller)
Bir fotovoltaik sistemin en önemli bölümü olan fotovoltaik levhalar güneş enerjisini doğru akım elektrik enerjisine dönüştürürler. Güneş pillerinin bir araya gelmesiyle fotovoltaik modüller elde edilir. Bu modüllerin bir araya gelmesiyle fotovoltaik levhalar oluşturulur. Bu levhalar ise gerekli miktarda kullanılarak fotovoltaik sistem oluşturulur. Tipik bir fotovoltaik levha güneşli açık bir havada 12 volt, 10 amper kadar yani 120 watt elektrik üretilebilir.

Elde edilen gerilimi artırmak için levhalar seri olarak, akımı artırmak için ise paralel olarak bağlanabilirler. Genel olarak küçük uygulamalarda bir veya birkaç tane fotovoltaik levha kullanılmaktadır. Güneş olmadığı zamanlarda bataryalardan daimi akım çekilir ve güneş olduğu zamanlarda batarya şarj edilir. Bataryalar genelde kurşun asit çeşidi olmalarına rağmen, araba bataryalarına kıyasla derin şarj-deşarj özelliklerine sahiptirler. Fotovoltaik sistemlerde fazla enerji depolama maksadı ile genel olarak birden fazla batarya paralel olarak bağlanır ve bu şekilde toplam depolama kapasitesi artırılmış olur.

Regülatör
Fotovoltaik sistemlerde güneş olduğu zamanlarda bataryaların tamamıyla dolduktan sonra akım almalarını (overcharge) önlemek gerekir. Fazla şarj bataryanın ısınmasına, sıvı kaybına ve batarya ömrünün kısalmasına yol açar. Regülatör, fotovoltaik levhalar ile bataryalar arasına konur ve bataryaların fazla şarj olmalarını önler. Çalışma prensibi olarak regülatör batarya voltajını sürekli kontrol eder, batarya dolunca bataryaya giden akımı otomatik olarak keser.

Bir regülatör seçerken dikkat edilmesi gereken en önemli husus, regülatörün gerekli olan maksimum akıma dayanıklı olmasıdır. Seçilen regülatörün, kullanılan batarya voltajı ile uyumlu olmasına da dikkat edilmelidir.

Zener Diyot İle Regülasyon:

Düşük güçlü PV üreteçlerde aküye paralel bağlanmış bir zener diyodu ile akü gerilimi sürekli olarak aynı değer civarında tutulabilir.

Paralel Regülatör

Aküye paralel bağlanan bir transistörün elektriksel geçirgenliği, akü gerilimine veya akü akımına orantılı olarak otomatik ayarlanır.

Seri Regülatör

Paralel tipte olduğu gibi ayarlanır. Ancak paralel tipten farklı olarak, seri transistör devrede sürekli aktif durumda olduğundan belirli bir enerji burada ısıya dönüşerek kayba uğramaktadır.

Süreksiz Çalışan Şarj-Deşarj Regülatörü

Birden fazla modülün paralel bağlı olduğu PV jeneratörlerde, aküye giden şarj akımı, bazı modüllerin devreden çıkarılması veya devreye alınması ile azaltılabilir veya çoğaltılabilir. Aynı şekilde akü şarj seviyesi kritik değerin altına indiğinde de yük devreden çıkartılır. Bu müdahaleler sisteme süreksiz karakterde çalışan bir regülatör vasıtasıyla yapılır.

İnverter

İnverter 12 veya 24 Volt düşük doğru akımı 240 volt alternatif akıma dönüştürür. Birkaç tane elektrikli cihazı besleyen küçük fotovoltaik sistemlerde inverter yerine düşük voltajlı doğru akımla çalışan elektrikli cihazlar kullanmak daha verimli olabilir. Örneğin, 12 Volt ile çalışan buzdolabı, televizyon, lamba vb. elektrikli cihazlar kullanıldığı takdirde invertere ihtiyaç olmayacaktır. Yalnız düşük voltaj ile çalışan elektrikli cihazlar genelde daha pahalı olup çeşit bulmak da oldukça güçtür

İnverterin çalışma prensibi: D.a gerilimi alır bir veya bir kaç çift transistörden geçirir. Sırasıyla bu transistörlerin tetiklenip bırakılması ile a.a. gerilimi elde edilir. Bir transformatör yardımı ile konutlarda kullanılan 220 volt şebeke gerilimi elde edilmiş olur. Kare dalga inverterler genellikle motorlarda ve el aletlerinde kullanışlıdır. Sinüs dalga inverterler ise diğer elektronik cihazlarda kullanılır. Sinüs dalga inverterler, kare dalga inverterlere göre daha düzenlenmiş ve temizlenmiş bir inverter tipidir, fakat daha pahalıdır. Şekilde 8 kW inverter şeması gösterilmiştir.

8 kW inverter

Fotovoltaik sistemlerde, çıkış dalga şekline bağlı olarak 3 çeşit inverter kullanmak mümkündür.

Kare Dalga İnverter

Bu tip inverterler doğru akımı kare dalgaya dönüştürür. Kare dalga inverter ucuz olup daha çok aydınlatma, soba, motor vb. hassas olmayan elektrikli cihazlar için kullanılır.

Değiştirilmiş Sinüs Dalgası İnverter

Bu inverterlerde çıkış dalga şekli sinüs dalgasına benzetilmiştir. Bu tip inverterler televizyon, radyo, mikrodalga vb. birçok elektronik cihazı çalıştırmak için kullanılır.

Sinüs Dalgası İnverter

Bu inverterler tam bir sinüs dalgası üretirler. Bu tip inverterler pahalı olup çok hassas elektronik cihazlarını (örneğin lazer yazıcı, bilgisayar vb.) çalıştırmak için kullanılabilir. Bir inverter seçerken dikkat edilmesi gereken en önemli nokta, inverterin daimi ve kısa anlık güç kapasitesidir. Seçilen inverterin, kullanılanı batarya voltajı ile uyumunun sağlanması da dikkat edilmesi gereken bir husustur.

Güneş Pili Sistemlerinin Ekonomisi
Güneş pili sistemlerinin enerji maliyetini üç önemli etken belirler. Bunlar:
– Pil verimi
– Sistemin ilk yatırım maliyeti
– Sistemin ömrü

Verim
Pil veriminin maliyet üzerinde doğrudan bir etkisi vardır. Bu verimin artırılmasıyla güneş pili sistemlerinin maliyeti azalacaktır. Daha gelişmiş teknolojiler kullanılarak gelecekte pil verimlerinin %24’ler mertebesine çıkarılacağı umulmaktadır.

Yatırım Maliyeti

Güneş pili sistemlerinin işletme ve bakım maliyetleri çok az olduğu için toplam sistem maliyetinin büyük bir kısmını ilk yatırım maliyeti oluşturur. Üretim teknolojisinin geliştirilmesi yüksek verimli pillerin yapılması, modül tasarım ve yapım tekniklerinin geliştirilmesi ile ilk yatırım maliyeti azalacaktır. Güneş pili sistemlerinin ilk yatırım maliyetleri arasında arazi, tesisat, montaj, inverter ve diğer güç cihazları gibi destek elemanlarının maliyeti yer alır. Destek sistemlerinin maliyeti bir güneş pili sistemini maliyetinin yaklaşık yarısını oluşturduğu için, bu tür maliyetleri azaltmak en az modül maliyetini azaltmak kadar önem taşır.

Modül Ömrü

Silisyum kristal piller için bu etken fazla önem taşımaz. Çünkü bu pillerde hedeflenmiş olan 30 yıllık ömre ulaşılmıştır. Amorf silisyum ve diğer güneş pili türlerinde zamanla güç çıkışı bozularak azaldığı için ömür daha önemlidir. Modül ömrünün artmasının enerji maliyetleri üzerinde etkisi olacaktır.

Bir güneş pili sisteminin ürettiği enerjinin maliyeti, depolama yapılmadığı zaman 0.3-0.4 $/ kWh arasındadır. Bu maliyetle güneş pili sistemleri, enterkonnekte şebekenin olmadığı veya ulaşımın zor ve pahalı olduğu bölgelerde diğer alternatif enerji kaynakları ile yarışabilir düzeydedir. Bu gibi yerlerde bir kaç kW’a kadar küçük güçteki uygulamalar (iletişim, ilaç-aşı soğutma, su pompası ve aydınlatma gibi), teknolojik açıdan olduğu kadar ekonomik açıdan da kendini kanıtlamıştır.

Güneş Pili Sistemlerinin Üstünlükleri

Güneş pilleri dayanaklı, güvenilir ve uzun ömürlüdür. Çalışmaları sırasında bir elektriksel sorun çıkarmazlar ve bozulmazlar. Güneş pili modüllerinin karşı karşıya kalabilecekleri en büyük tehditler, yıldırım düşmesi ve uzun dönemde (yaklaşık 20 yıl) hava koşullarından dolayı aşınmadır.

Güneş pilleri modüler yapıdadır, uygun şekilde düzenlenerek 1V’tan, bir kaç kV’a kadar çıkış verebilirler. Çok küçük güç ihtiyaçlarını karşılayabildikleri gibi, kendi başlarına bir güç santralı olarak da çalışabilirler.

İlk yatırım maliyetlerinin fazla olması güneş pili sistemlerinin en büyük dezavantajıdır. Elektrik şebekesinin olduğu yerlerde güneş pilinin kullanılması ilk anda maliyet açısından uygun olmayabilir. Ancak elektrik şebeke hattı bulunmayan veya elektrik şebeke hattının götürülmesinin pahalıya mal olduğu kırsal yörelerde güneş pillerinin kullanımı daha ekonomik olabilmektedir. Çünkü güneş pili sistemlerinde bir kez yatırım yapıldıktan sonra başka masraf olmamaktadır. Oysa dizel jeneratörler ucuz satın alma fiyatlarına karşılık, yakıt ve bakım maliyetleri nedeniyle uzun dönemde daha pahalıya mal olmaktadır. Genellikle ulaşımın da zor olduğu bu tip kırsal yörelerde, dizel jeneratörlere sürekli yakıt taşımak sorun olabilmektedir. Jeneratörlerin tersine, güneş pilleri bakım gerektirmez, parça değişimleri gibi bir sorunları yoktur.

Güneş pili sistemlerinin en fazla üstünlük gösterdiği alanlardan biriside, tıpkı bütün diğer yenilenebilir enerji kaynaklarında (rüzgar, hidrolik, termal güneş, jeotermal) olduğu gibi çevre açısından olumsuz etkilere sahip olmamasıdır. Halen dünya enerji tüketiminin % 80’ini oluşturan fosil kökenli yakıtlar, neden oldukları asit yağmuru, karbondioksit yayınım gibi dezavantajlarla dünya iklimi için tehlike oluşturmaktadır. Benzer şekilde nükleer enerji de muhtemel kazalar ve radyoaktif atıklar nedeniyle kamuoyunu rahatsız etmektedir. Oysa güneş pilleri, çevre açısından temiz enerji kaynaklarıdır.

Güneş pillerinin yakıtı güneş enerjisidir. Yakıt masrafı yoktur. Çevreyi kirletmezler. İleride dünyayı bekleyen en önemli sorunların global kirlenme ve sera gazı emisyonu olacağı artık bilinmektedir. Petrol türevi tüm yakıtlar sera gazı emisyonu yaparlarken, güneş pillerinin diğer sürdürülebilir enerji kaynaklarında olduğu gibi doğaya hiçbir zararlı etkisi yoktur. Dünya da her konuda olduğu gibi enerjide de merkeziyetçilikten, bireyselliğe yönelim vardır. Her ev, kendi enerjisini çatısına kurduğu güneş pilleriyle karşılayabilir. Böylece iletim ve enerjiyi taşıma maliyetleri ve kayıpları ortadan kalkar.

Petrol rezervleri 50 yıl içinde tükeneceği tahmin edilmektedir. Ancak dünyanın enerji ihtiyacı her geçen gün çığ gibi büyümektedir. Dünya, petrol gibi konvansiyonal enerji kaynaklarından, yeni enerjiye geçmek zorundadır. Bu geçiş döneminde petrolün önlenemez fiyat artışlarına şahit olabiliriz. Ancak güneş pili teknolojisinin hammaddesi kumdur. Dünya da çok fazla bulunur. Güneş pili teknolojisi ilerledikçe, hammade sarfiyatı da ince film teknolojisinde olduğu gibi azalmaktadır.

Bununla paralel olarak fiyatlarda düşme eğilimindedir. Daha ilerisi için Hidrojen enerjisinin, petrolün yerine geçeceği düşünülmektedir. Ancak Hidrojen bile elektroliz yoluyla yine güneş pillerinden elde edilecektir. Petrol ile yeni enerjinin ve güneş pillerinin birim maliyetlerde fiyat çakışma noktası sanıldığı kadar uzak değidir. Bunun farkında olan gelişmiş ülkelerin hemen hepsi, şebekeye bağlı güneş pilleri sistemlerini destekleyici kanunlar çıkarmış ve uygulamıştır. Almanya hatta İngiltere gibi Türkiye’ye göre güneş fakiri ülkelerde bile, bugün yüz binlerce ev, enerjisini güneşten almaya başlamıştır. Türkiye de bu gelişimlerin gerisinde kalamaz, kalmamalı.

PV Güç Sistemlerinin Fiyatları

PV güç sistemlerinin fiyatlarının önemli bir bölümünü modül fiyatları oluşturur. Güç sistemlerinin büyüklüğüne ve kullanılan malzemeye bağlı olarak modül fiyatları dalgalanmalar gösterse de, fabrika çıkış fiyatı kristalli silisyum için 5,5$/W ile 4,9$/W arasında; amorf silisyum için 4.9$W ile 4,1$/W arasında değişmektedir. 1993 ve 1995 yılları arasında modül fiyatları %20-39 arasında düşüşler göstermiş ve bu maliyet düşüşü sürmektedir. Yıllık modül üretim kapasitesi 1997 de 120MW/yıl civarında gerçekleşmiştir. 1996 da Madrid de yapılan ‘Avrupa için yenilenebilir Enerji Stratejileri’ konferansında küresel boyutlarda gerçek PV güç isteminin 500 MW/yıl ile 1 GW/yıl arasında olduğu belirtilmiştir.

PV modüllerinde üretilen d.a. elektriğin, a.a. elektriğe dönüştürülmesinde gerçekleştirilen çeviriciler. Sistem fiyatına 0.88$/VA ve 1.065$/VA arasında değişen bir katkı getirmektedir.

PV güç sistemlerinin anahtar teslim $/W fiyatları, sistemin büyüklüğüne, bulunduğu bölgeye, şebekeye bağlı ya da şebekeden bağımsız olmasına bağlı olarak, oldukça geniş bir aralıkta değişebilmektedir. Örneğin, şebekeden bağımsız 100-500Wbüyüklüğündeki güç sistemlerinin fiyatı 14$/W– 41$/W arasında değişirken, 1-4 kW sistemler için 10$/W- 28$/W arasında hesaplar çıkarılmıştır.

Sistemlerin büyüklüğü ile ters orantılı olan PV sistemleri için güç üretiminin fiyatı için en sağlıklı değerler, 1997 de başlayan bir Avrupa Topluluğu desteği ile yaşama geçirilen ve bu güne kadar en büyük PV güç sistemi projesi olan Grit adasının 50MW bir PV sistem ile elektrifikasyonunda ortaya çıkan rakamlardır. Çok kristalli silisyum modüllerin kullanıldığı projede 8.5 cent/kW-saat olan maliyet PV sektörü için oldukça isteklendiricidir.

Avusturya-Viyana da Temmuz 1998 de yapılan 2.dünya fotovoltaik enerji Konferansında belirtilen fotovoltaik gücün %30 -%40 arasındaki yıllık ortalama büyüme hızının (1997’de %40) sürmesi, fotovoltaik kurulu gücün 2030-2040 arasında 1000 gigawatt düzeye çıkmasını beraberinde getirecektir.

Kaynaklar

1-http://www.eie.gov.tr
2-ttp://www.youthforhab.org.tr
3-http://alternatifenerji.com/
4-http://www.bugday.org
5-http://www.populerbilgi.com/
6-http://www.hidrener.com/
7-http://arkabahce.ada.net.tr
8-http://www.turkishtime.org
9-http://www.istanbul.edu.tr/
10-Murat GÜNEŞ
11-http://www.proje4e.com/info price solarpv.php
12-http://www.Orjinsolar.com