Atölye Çalışması 1 Dersi 6. Ünite Özet

Giriş

Yeryüzüne Güneş’ten bir yılda gelen enerji, Dünya’da bulunan ve yenilenemeyen fosil (kömür, petrol, doğalgaz) ve uranyum rezervlerinin sağlayacağı toplam enerjiden fazladır. Güneş’ten yeryüzüne iki saat içinde gelen enerji, dünyada bir yılda kullanılan enerjiden daha fazladır.

Dünya’mızdan ortalama 150 milyon km (kilometre) uzaklıkta bulunan Güneş’in çapı, Dünya çapının 109 katı, kütlesi Dünya’nın kütlesinin 330000 katıdır. Güneş’in merkezindeki yoğunluğu 1,6x10 ⁵ kg/m ³ (=160 kg/dm ³ ), ortalama yoğunluğu da 1,4x10 ³ kg/m ³ ’tür. Merkezindeki sıcaklık 15,7 milyon °C, yüzey sıcaklığı ise 5500 °C’dır.

Güneş’in kütlesel olarak 3/4’ü hidrojen, kalanının çoğu da helyumdur. Güneş’in enerjisi, nükleer füzyonla dört hidrojen çekirdeğinin kaynaşarak helyum çekirdeğine dönüşümü sonucu açığa çıkan enerjiden oluşmaktadır.

Güvenlik Önlemleri

Günlük yaşamımızın hemen hemen her anında yer alan ve yararlandığımız elektrik enerjisinin, dikkatli olunmadığı durumda ne kadar tehlikeli olabileceği hususları vurgulanmaktadır. Devrede elektrik enerjisinin, az veya çok, varken size verebilecek zararını tahmin edemezsiniz. İşte bu yüzden aşağıda vurgulanmaya çalışılmış hususlara uymanız istenmektedir:

• Her şeyden önce elektrik ile ilgili deney yaptığınızı unutmayınız, dikkatli olunuz ve aceleci davranmayınız.
• Deney arkadaşlarınızla uyum içerisinde çalışınız ve deneyleri özverili yapınız.
• Deney devresi tamamen kurulup yetkili öğretim elemanına göstermeden devreye elektrik bağlantısı yapmayınız.
• Elektrik bağlantıları tamamen yalıtılmış olmayabileceğinden hiçbir açık tele ve bağlantıya dokunmayınız.
• Yalıtım malzemeleri eskimiş, yıpranmış ve özelliğini kaybetmiş olabilir. Bu durumu hemen ilgiliye haber veriniz.
• Bir arıza durumunda sakın müdahale etmeye kalkmayınız ve ilgiliye haber veriniz.
• Prizlerden fişleri çıkarmak için kablolarından tutup çıkarmayı denemeyiniz. Fişlerinden tutarak çıkarınız.
• Gereksiz yere elektrik enerjisi tüketmeyiniz.
• Laboratuvar ile ilgili güvenlik panosunu mutlaka okuyunuz.
• Size verilen araç ve gereçleri özenli kullanınız.
• Diğer masalarda deney yapan arkadaşlarınızı tedirgin edici ve onların dikkatini dağıtıcı tavır ve davranışlardan kaçınınız.
• Deneyinizi tamamladıktan sonra, cihazları teslim aldığınız gibi sizden sonra kullanacak olanlara düzenli bırakınız.

Teorik Bilgi

Güneş pilleri, güneş enerjisini doğrudan doğruya elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlardır. Güneş pillerini, çalışma ilkelerine göre;

• Foto direnç,
• Fotosel lamba ve
• Fotovoltaik güneş pilleri

olarak sıralayabiliriz.

Bunların içerisinde fotovoltaik güneş pilleri büyük miktarda elektrik üretiminde kullanılırken diğer ikisi ise elektrik ve elektronik devrelerin açılıp kapanmasında anahtar olarak kullanılmaktadır. Elektrik enerjisine dönüşüm, güneş ısınlarının pilin yüzeyine düşmesi ile pilin çıkış uçları arasında bir potansiyel farkı oluşumu ve bunun sonucu olarak da çıkış uçlarına bir direnç veya elektrikle çalışan bir aygıt bağlandığında devreden akım geçmesi seklinde gerçekleşir.

Güneş’ten enerjinin bize taşınması nasıl olmaktadır? Bu sorulara verilecek en kısa ve uygun cevap “ışık ile olmaktadır” olacaktır. Bu cevap tam olmamakla beraber bir ölçüde doğrudur. Doğru cevap “elektromanyetik dalgalarla olmaktadır.”

Elektromanyetik dalgalar hem dalga özelliği ve hem de parçacık özelliği gösterirler. Sahip oldukları dalga boylarına göre enerjileri vardır. Enerjileri, dalga boyları büyük olanların küçük, dalga boyları küçük olanların büyüktür.

Sayısal örnek vermek gerekirse; ışık olarak tanımladığımız elektromanyetik dalgaların dalga boyları 4x10 ^–7 ile 7x10 ^–7 metre aralığındadır, bütün renkler bu bölgededir. Güneş’ten gelen elektromanyetik dalgaların yoğun olduğu bölge 2x10 ^–7 ile 20x10 ^–7 metre arasıdır. Bu duruma enerji açısından bakıldığında; Güneş’ten gelen enerjinin önemli bir kısmı, belirtilen aralıktaki dalga boylarına sahip elektromanyetik dalgalarla taşınmaktadır.

Bir madde üzerine gelen ışın, madde ile üç farklı durumda etkileşir;

• Yansıyabilir.
• Kırılmaya uğrayarak geçebilir.
• Soğurulabilir.

Amacımız fotovoltaik güneş pilleri ile elektrik enerjisi üretmek olduğuna göre; kullanacağımız malzemenin mümkün olduğu kadar güneş ısınlarını soğurmasını ve soğurulan ısının elektrik akımı meydana getirmesini isteriz. Güneş pili olarak kullanılan aygıtlar, ısın altında bağlantı uçları arasında potansiyel fark da oluşturduklarından, f otovoltaik pil olarak da adlandırılırlar.

Güneş pili yapımında yaygın olarak kullanılan malzemeler silisyumdan (Si) yapılmışlardır. Silisyum doğada kum içerisinde bol miktarda bulunmaktadır, ancak bu kumdan saf silisyum elde etmek hem zor hem de pahalı bir işlemdir. Tercihen güneş pillerinde polikristal yapıda olanlar kullanılır. Bu yapıların kullanım süreleri en az yirmi sene olarak öngörülmektedir. Güneş pillerinin verimliliği, havanın bulutlu veya sisli olması, dağ veya binalar ile gölgelenmesi, ışığın yaz kıs geliş durumları, panellerin yerleşim konumlarına ve kullanılan yarıiletken malzemeye bağlıdır. Ayrıca; güneş pillerinin % 10-20 verimlilikle çalıştıkları göz önüne alınırsa coğrafik bölgenin önemi de ortaya çıkmaktadır.

Deneyde kullanacağınız güneş pilleri polikristal silisyumdan yapılmıştır. Piller, Güneş’i temsil eden bir lamba ile aydınlatılacaktır. Güneş pili modülü üzerinde gördüğünüz “+” ve “–” işaretleri pilin çalıştırılması durumundaki polaritesini göstermektedir. Güneş pilleri dc akım ve dc voltaj üretirler.

Güneş pilleri seri ve paralel bağlanarak önce güneş panellerini ve bunlar da kendi aralarında uygun bağlanma biçimleriyle geniş yüzeyler elde edilerek yüksek güç üreten elektrik santrallerini oluştururlar.

Seri Bağlama

Güneş pillerinin seri olarak bağlanması, pillerdeki seri bağlanma ile aynıdır. Yani; yan yana konulan pillerin birinin “–” ucunu diğerinin “+” ucuna bağlayarak sonunda ilk baştakinin “+” ucundan ve en sondakinin de “–“ ucundan alınan çıkışlarla devreye potansiyel fark uygulanır. Bu tür bağlamanın amacı devreye uygulanan potansiyel farkın artmasını sağlamaktır. Çok sayıda güneş pillerinin bu şekilde bağlanması oldukça yüksek gerilim elde etme imkânı sağlar. Bu da yüksek güç demektir.

Paralel Bağlama

Güneş pillerinin bu tür bağlanması, pillerin “+” uçlarının kendi aralarında ve “–“ uçlarının da kendi aralarında bağlanmasıyla gerçekleşir. Bu şekilde bağlanacak pillerin uçları arasındaki potansiyel farkların ve dirençlerinin hemen hemen aynı olması istenir. Çok sayıda güneş pillerinin bu şekilde bağlanması, devrede gücün artmasına katkı sağlar. Bu bağlanma biçiminin en önemli avantajı pillerden bir veya birkaç tanesinin bağlantı kablolarının kopması ile devre dışı kalması durumunda bile devreyi en son bir tanesinin besleyebilir olmasıdır.

Deneyde Kullanılan Araç ve Gereçler

Deneyde kullanılacak araç ve gereçler şöyle sıralanabilir (S:147, Şekil 6.2):

1. Mavi ve kırmızı bağlantı kabloları     2 Adet
2. Multimetre                                        1 Adet
3. Güneş pili                                         2 Adet
4. Halojen ışık kaynağı                         1 Adet
5. Düz modül                                        3 Adet
6. T-şeklinde modül                              4 Adet
7. Köşe modül                                      2 Adet
8. İki yuvalı modül                                1 Adet
9. Destek çubuk ve ayakları                 3 Parça

Deney Düzeneğinin Kurulması

Kuracağınız devrenin amacına uygun olarak modülleri birleştirip güneş pilli devre yapacaksınız. Bu devrelerin dışarıdan her hangi bir elektrik devresi ile beslenmesine gerek yoktur. Ancak; Güneş’i temsil eden bir ışık kaynağına ihtiyaç vardır. Bunun için 1000 watt gücünde bir ışık kaynağı kullanılacaktır.

Deneyin amacına uygun olarak;

• Bir adet güneş pili olan (Deney I),
• İki güneş pilinin seri bağlandığı (Deney II),
• İki güneş pilinin paralel bağlandığı (Deney III), olmak üzere üç farklı devre kurup üç deney yapacaksınız.

Deney devresini kurmaya ilk olarak devre tamamlayıcı modülleri birleştirmekle başlayalım. Öncelikle modüller devrede süreklilik oluşturacak şekilde üstünde belirtilen çizgilere uygun olarak karşı karşıya getirilir (S:148, Şekil 6.3(a)). Daha sonra iki düz modülün girinti ve çıkıntıları birbirlerini karşılayacak şekilde birisi yukarıda diğeri aşağıda tutulur (S:148, Şekil 6.3(b)), bu noktalardan birbirlerine yavaşça geçirilir ve ek aynı seviyeye getirilir (S:148, Şekil 6.3(c)). Böylece her iki modülün beyaz çizgileri birbirlerini tamamlamış olur.

Lambayı destekleyecek olan ayakları bir araya getiriniz ve pimleri karşılarındaki yuvalara sokunuz (S:148, Şekil 6.4). Düz zeminde bunların birbirlerine göre oynamamalarını sağlayacak şekilde sabitlemeye çalısınız.

Lamba destek ayaklarına destek çubuğunu sabitleyiniz (S:148, Şekil 6.5(a)). Lambanın arkasında bulunan yuvanın destek çubuğu üzerine yerleşmesini ve lambanın oynamayacak şekilde vidadan sıkılmasını sağlayınız (S:148, Şekil 6.5(b)). Güneş pillerinin lambadan uygun miktarda ışık alabilmesi için arkasında bulunan mekanizmadan, lambanın mümkün olduğu kadar aşağı bakmasını sağlayınız (S:148, Şekil 6.5(c)).

Bu ünite kapsamında yapılacak deneylerde, güneş pili veya pillerinin çeşitli bağlanma biçimlerindeki işlevleri kısa devre akımı ve açık devre voltajı ölçülerek belirlenecektir. Bu ölçümler için hem dc voltmetre ve hem de dc ampermetre olabilen bir multimetre kullanılacaktır (S:149, Şekil 6.6).

Deney I

Güneş pillerinden bir tanesini kullanarak devreyi kurunuz (S:149, Şekil 6.7). Güneş pili lambanın tam altında olacak şekilde devreyi taşıyınız. Voltmetre olarak kullanılan multimetreyi taşıma işleminden sonra devreye bağlayabilirsiniz.

Deneyin Yapılışı: Lamba kapalı durumda iken voltmetreden voltaj değerini okuyunuz ve ilgili çizelgeye kaydediniz (S:155, Çizelge 6.1).

Deney düzeneğinde hiçbir değişiklik yapmadan lambayı açınız (S:150, Şekil 6.8) ve voltmetreden okuduğunuz değeri ilgili çizelgedeki ilgili kutuya yazınız (S:155, Çizelge 6.1). Voltmetreden okumuş olduğunuz bu değer, güneş pilinin uçları arasındaki açık devre voltajıdır.

Lambayı ve multimetreyi kapatınız. İki yuvalı modülden fişleri çıkartınız. Voltmetrenin “V-?” yuvasına takılı olan fişi çıkarıp, “mA” yuvasına takınız. Voltmetre olarak kullanmış olduğunuz multimetre miliamper bölgesinde akım ölçebilen bir ampermetreye dönüştürülmüştür. Ampermetreye bağlı kabloların fişlerini iki yuvalı modüle takınız ve multimetreyi açınız (S:150, Şekil 6.9).

Devreden bir miktar akımın geçtiğini göreceksiniz. Bu akım değerini ilgili çizelgeye kaydediniz (S:155, Çizelge 6.1). Lambayı tekrar açınız (S:151, Şekil 6.10). Akım değerinin yükselmiş olduğuna dikkat ediniz. Bu akım güneş pilinin aydınlatma altında kısa devre akım değeridir. Bu değeri de ilgili çizelgedeki ilgili yere yazınız (S:155, Çizelge 6.1).

Böylece Deney I ile ilgili işlemleriniz tamamlanmıştır.

Deney II

Bu deneyde size verilmiş olan iki adet güneş pilini kullanacaksınız. Bu kısımda güneş pillerini seri olarak bağlayacaksınız. Bu deney için gerekli devreyi, multimetreyi voltmetre olarak ayarlayıp kurunuz (S:151, Şekil 6.11).

Deneyin Yapılışı: Lambanın kapalı durumunda açık devre voltajını ölçerek ilgili çizelgedeki ilgili yere yazınız (S:155, Çizelge 6.2). Lambayı açarak güneş pillerinin aydınlanmalarını sağlayınız (S:152, Şekil 6.12). Pillerin eşit aydınlanmaları için biraz çaba sarf edebilirsiniz. Voltmetreden okumuş olduğunuz bu değer seri olarak bağlanmış iki pilin çıkış terminalleri arasındaki potansiyel farktır. Bu değeri de ilgili çizelgedeki ilgili kutuya kaydediniz (S:155, Çizelge 6.2).

Lambayı kapatıp, multimetreyi ampermetre olarak ayarlayınız. Lambayı açmadan akımı ölçünüz (S:152, Şekil 6.13). Değerini ilgili çizelgedeki ilgili yere yazınız (S:155, Çizelge 6.2).

Lambayı açtıktan sonra devreden geçen akımın yükseldiğine dikkat ediniz (S:152, Şekil 6.14). Bu akım seri olarak bağlanmış olan iki güneş pilinin kısa devre akımıdır. Bu değeri ampermetreden okuyup ilgili çizelgedeki ilgili yere yazınız (S:155, Çizelge 6.2).

Böylece Deney II ile ilgili işlemleriniz tamamlanmıştır.

Deney III

Bu kısımda iki Güneş pilini paralel olarak bağlayıp, multimetreyi voltmetre olarak ayarladıktan sonra devreyi kurunuz (S:153, Şekil 6.15).

Deneyin Yapılışı: Lamba kapalı durumda iken devrenin terminalleri arasında ölçtüğünüz voltaj değerini okuyup ilgili çizelgedeki ilgili yerine kaydediniz (S:155, Çizelge 6.3).

Lambayı yakınız ve açık devre voltajının değişmesini gözlemleyiniz. Okuduğunuz bu voltaj değeri paralel olarak bağlanmış Güneş pillerinin açık devre voltajıdır (S:153, Şekil 6.16). Değeri ilgili çizelgedeki ilgili yere kaydediniz (S:155, Çizelge 6.3). Lambayı ve multimetreyi kapatınız.

Multimetreyi ampermetre olarak ayarlayınız ve açınız. Lambanın ışığını yakmadan önce devreden geçen akımı ampermetre ile tespit ediniz (S:154, Şekil 6.17). Okuduğunuz değeri ilgili çizelgedeki ilgili yere yazınız (S:155, Çizelge 6.3).

Lambayı açınız ve devreden geçen akımdaki değişikliğe dikkat ediniz (S:154, Şekil 6.18). Akımın bu değeri paralel olarak bağlanmış iki güneş pilinin aydınlatılmış durumda iken devre terminalleri arasındaki kısa devre akımıdır. Okuduğunuz bu değeri ilgili çizelgedeki ilgili yere yazınız (S:155, Çizelge 6.3).

Böylece Deney III ile ilgili işlemleriniz tamamlanmıştır.