Elektrik Enerjisi Üretimi Dersi 6. Ünite Özet

Güneş Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretim Sistemleri

Özet

Günümüzde sürekli artan enerji ihtiyacı doğrultusunda, enerji üretiminde sürekliliği sağlamak kapsamında teknolojinin yardımıyla su, rüzgar, güneş gibi enerji kaynaklarından azami ölçüde faydalanmak önemli hale gelmiştir. Bu kapsamda, bu ünitede güneş enerjisinden elektrik üretebilmek için kullanılan güneş pilleri ve yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri anlatılmıştır.

Güneş Enerjisi

Güneş sistemi içinde yer alan Güneş, Dünya için önemli bir enerji kaynağıdır. Güneşin yörünge hareketleri, Dünya üzerine gelen Güneş enerjisinin miktarını değiştirmektedir. Güneşten Dünyaya gelen ışınların dağılımı şu şekildedir: %46’sı kırmızı altı (infrared) bölgede, %45’i görünür bölgede, %6’sı ise morötesi (ultraviole) bölgededir. Bu ışınlardan en güçlü olanı morötesi bölgesine gelen ışınlardır. Ancak bu ışınlar canlılara zarar verici özelliğe sahiptir.

Güneş enerjisinin dönüştürüp kullanılması iki yöntemle olur. Bunlardan ilki, doğal yollarla olanıdır. Bunlara örnek olarak, fotosentez olayı, su döngüsü, rüzgâr ve dalga oluşumu, yangınlar, toprak ve suyun ısınması verilebilir. İkincisi ise yapay yollarla ısı ve elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Bunlara örnek olarak ise, toplayıcılar ve güneş pilleri verilebilir.

Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretmek için kullanılan güneş pillerinin (fotovoltatik hücreler) bazılarının kullanım alanları ve görevleri şöyledir:

Uzay $\rightarrow$ Uydu ve uzay istasyonlarında güç kaynağı.

Denizcilik $\rightarrow$ Uyarı ve yardım çağrı cihazlarında güç kaynağı.

Demir yolu, kara yolu $\rightarrow$ Tehlikeli geçitlerde sinyalizatör güç kaynağı.

Ulaştırma $\rightarrow$ Arabalarda, teknelerde motor güç kaynağı

Aydınlanma $\rightarrow$ Billboard, bahçe, güvenlik, sokak lambası vb.

Güneş Pilleri

Güneş pilleri üretiminde kullanılan başlıca malzeme kristal-silikon ’dur. Bunun yanında, cam, plastik veya paslanmaz çelik üzerine birkaç mikrometre kalınlığında ince filmler de bu amaçla kullanılabilir. Bu filmlerde amorf-silikon (a-Si), galyum arsenit (GaAs), bakır indiyum selenyum (CuInSe ² ) ve kadmiyum telur (CdTe) en çok kullanılan yarı iletken materyallerdendir.

Güneş pili malzemesi olarak son yıllarda organik polimer kullanılması amacıyla bir çok çalışma yapılmıştır. Bu çalışmalar, bu malzemenin kullanılmasının düşük maliyetli, yüksek verimli ve esnek olması sonucunu göstermiştir.

Güneş pili olarak kullanılan silikon, yapısı gereği, 0 K yani -273 ⁰ C olduğu zaman elektrik alanı iletebilecek serbest taşıyıcılara sahip olmaz. Bu durumda silikon yalıtkan gibi davranır. Eğer ısıl etkiler, elektromanyetik ışıma (foton) veya yüksek hızlı serbest elektronların örgüye hızlı çarpması sonucu bağ yapısı bozulursa, değerlik elektronları serbest hale gelir ve bağın olması gereken yerde boşluk (hole) oluşur. Bu durum, elektriksel iletişimin yapılabilmesi için gerekli koşulları sağlamış olur. Sıcaklığın artması ile birlikte serbest taşıyıcı sayısı artar. Taşıyıcıların bulunamayacağı bölgeye yasak enerji aralığı denir.

Silikon örgüsü içerisine değerlik elektron sayısı 5 olan bir fosfor atomunu yerleştirildiğinde fosforun 4 elektronu kristal bağ yapısına katkıda bulur ancak geriye kalan 1 elektron bağ yapmadan yapı içinde bulunur. Bu tip yapılara n-tipi yapı denir. Benzer şekilde silikon örgü içerisine değerlik elektron sayısı 3 olan bir berilyum atomu yerleştirilirse , berilyumun 3 elektronu kristal bağ yapısına katkıda bulunurken geriye kalan 1 silikon elektronuna karşılık gelen elektron olmadığından boşluk oluşturur. Bu tip yapılara da p-tipi yapı denir.

İletkenliği kontrollü şekilde yapmak için kristal yapının içine safsızlık atomlarını koyma işlemine katkılama denir. Her 10.000 silikon atomuna karşılık 1 katkı atomunun olmasına aşırı katkılama, her 100 milyon silikon atomuna karşılık 1 katkı atomunun olmasına ise zayıf katkılama denir. n-tipi ve p-tipi iki malzemenin birbiri üzerine büyütülmesi sonucunda pn eklem (junction) denilen yapı oluşturulur. Bu yapının her iki tarafındaki elektron ve boşluk sayıları birbirinden farklı olduğu için bir potansiyel fark oluşur. Bu fark sayesinde elektronlar arasındaki sürüklenmeler neticesinde bir akım oluşur. Birim alan başına düşen akım miktarına akım yoğunluğu denir.

Akım-gerilim eğrisi altında kalan en büyük dikdörtgenin alanı dolum faktörü olarak adlandırılır. Dolum faktörü:

$DF=\frac{V_{m}I_{m}}{V_{ad}I_{kd}}$

olarak tanımlanabilir. Bu faktör oluşturulan pn eklemin çıkış gücünü belirleyen önemli parametrelerden biridir. Çıkış gücü:

P _ç =V _m I _m =(DF)V _ad I _kd

eşitliği ile verilir. pn eklemin verimliliği ( $\eta$ ) pn eklemin üzerine düşen ışıma şiddetinin gücü olmak üzere:

$\eta =\frac{P_{\varsigma }}{P_{g}}=\frac{(DF)V_{ad}I_{kd}}{P_{g}}$

eşitliği ile bulunur.

Güneş pilinin verimliliğini etkileyen faktörler incelendiğinde, şekil 6.8 de bulunan modelde, IL güneş pili üzerine ışınım düştüğü anda oluşan akım, idealde Rsh direncinin sonsuz, Rs’nin ise sıfır olması beklenir. Bu iki değer güneş pilinin verimini oldukça etkiler. Rsh’nin azalması ve Rs değerinin artması dolum faktörünün azalmasına neden olarak şekil 6.9 da bulunan grafiklerdeki gibi maksimum güç noktasının azalmasına neden olur.

Yarı iletken maddelerin fiziksel özellikleri sıcaklığıyla ilişkilidir. Bu nedenle silikon gibi bir yarı iletkenden yapılmış güneş pili kullanıldığında, sıcaklığın verimliliği etkilemesi kaçınılmazdır. Bir ışıma altındaki güneş pilinde sıcaklığın artması, şekil 6.10’daki grafikte de görüleceği gibi maksimum güç noktasının azalmasına neden olur.

Güneş Panelleri

Güneş panelleri birbirinden bağımsız birden fazla pilin birleşiminden oluşur. Güneş paneli yapılırken fotolitografi yöntemi kullanılır. Güneş pili alt yüzeyi plaka üst yüzeyi birbirine paralel çubuk iletken arasına yerleştirilir. Üstteki iletken çubukların üzerine gelen güneş ışınlarını yansıtmadan büyük bir kısmını pn eklemin içine soğuran yansıtmasız bir kaplamaya sahiptir. Güneş panellerinin ömürleri yaklaşık 20 yıldır. Güneş panellerinin her biri kendi başına bir emk kaynağıdır.

İhtiyaç ve amaçlara göre, güneş panelleri birbirleri ardına dizilir. Güneş panelleri, dirençlerin birbirine bağlanmasındaki gibi iki şekilde birbirine bağlanabilir. Bunlar; Seri veya paralel bağlamadır.

Günümüzde, genellikle 10 cm x 10 cm ebatlarında, 0,5 V potansiyel ve 1 W’lik güce sahip güneş panelleri kullanılmaktadır. Güneş panellerinin yerleşimindeki en önemli konu , güneş ışınlarından en çok faydalanılacak açı ve konumun seçilmesidir. Güneş panellerine gelen maksimum ışın, panellerin ışınlara dik olduğu konumdur.

Güneş Pili Sistemleri

Bu sistemler mekandan bağımsız olarak yani istenilen yere konumlandırılmasından dolayı kullanışlı ve avantajlıdır. Güneş pili, şebeke hattı ile birlikte veya şebeke hattından bağımsız (off-grid) olarak iki şekilde kullanılabilir. Güneş pili doğru akım (DC) çıkışına sahiptir. Bu nedenle doğru akım ile çalışan cihazlarda herhangi bir işlem yapılmadan kullanılabilir. Alternatif akım (AC) çıkışına sahip cihazlarda ise güneş pilinin çıkışına yerleştirilen inverter denen doğru akım - alternatif akım dönüştürücüleri yardımıyla kullanılır.

Kullanılan düzenlemelere göre, güneş pili elektrik üretim sistemleri 2 ana başlıkta incelenebilir. Bunlardan ilki şebeke desteksiz sistemler (tek başına güneş paneli veya batarya destekli güneş paneli), diğeri ise şebeke destekli güneş pili sistemleridir.

Tek başına güneş paneli sistemleri, sadece doğru akım güç gereksinimi olduğu durumlarda kullanılması uygundur. Doğru akım kullanıp, kararlı güç kaynağına ihtiyaç duyan düzeneklerde ise batarya destekli güneş panelinin kullanılması daha doğrudur. Bu düzene verilebilecek en güzel örnek, trafikte kullanılan ışıklandırma düzenekleridir. Bu sistemlerin sürekli olarak aynı verimle çalışabilmesi için güç kaynağının sürekli olması gerekir. Bu nedenle, ışıklandırmanın bir batarya üzerinden çalıştırılması en uygun olan yöntemdir. Bu tür güneş paneli kullanılarak çalışan ışıklandırmalar, kırsal kesimlerde daha ucuz maliyetle kullanılabilir.

Bu tip doğru akım sistemleri günlük hayatta birçok alanda kullanılır. Küçük ev aletleri, sokak ve bahçe aydınlatılmasında, kırsal alanlarda acil telefon ünitelerinde vb. gibi alanlar bunlara örnek verilebilir.

Alternatif akım (AC) çıkışlı sistemler, batarya destekli güneş paneli sistemlerinin diğer bir türüdür. Kullanılan birçok elektronik aygıt alternatif akımlı güç kaynaklarına ihtiyaç duyarlar. Özellikle yerleşim alanlarında bulunan tesisatlar AC’ ye göre düzenlendiği için, güneş panellerinden gelen DC geriliminin AC’ ye dönüştürülmesi gerekir. Bu işlem için inverter kullanılır.

Günümüzde, bu sistemlere kıyasla tüketiciler, şebeke destekli güneş pili sistemlerini kullanmayı tercih etmektedir. Bu sistemlerde, güneş panelleri sayesinde kazanılan elektrik enerjisi şebekeye bağlanır. Gündüz elde edilen fazla elektriksel güç şebekeye aktarılır. Gece ise elektrik ihtiyacı şebeke üzerinden sağlanır. Genellikle bu sistemlerin tasarımları gündüz üretilecek gücün, gece harcanandan fazla olması şeklinde olur. Şebeke bağlantılı sistemlerde batarya kullanılmaması maliyet ve bakım masraflarını azaltır. Kullanılan inverter sayesinde güneş panellerinden ve şebekeden gelen AC gerilimi kontrol altına alınarak, evdeki cihazların şebekeden gelebilecek ani gerilim yükselmelerine karşı korunmasını sağlanır.

Güneş pillerinin verimi diğer sistemlere referansla daha düşüktür. Kristal silikon sistemlerde verim %15 iken bazı ince film sistemlerinde bu oran %5 ‘e kadar düşmektedir. Ancak verim, watt başına kurulum giderleri yönünden düşünüldüğünde, günümüzde kullanılan diğer sistemlerinin maliyeti watt başına yaklaşık 2 dolar iken, güneş pillerinde bu 1 dolar civarındadır. Bu da güneş pilinden enerji üreten sistemlerinin kullanım oranının ilerleyen yıllarda daha da artmasını sağlayacaktır. Ancak diğer enerji üretim sistemlerinin gece ve gündüz aynı oranda enerji üretmesinin aksine, güneş pilleri sadece gündüz enerji ürettiği ve bu üretilen bu enerjinin miktarının doğrudan ışıma şiddetine bağlı olmasıdır.

Yoğunlaştırılmış güneş ışığı güç üretim yönteminde, güneş ışınlarının bir noktada toplanması ve bu noktada bir sıvı üzerine aktarılarak, sıvının üzerindeki fazla enerjinin elektrik enerjisine dönüştürülmesidir. Bu sistemlerde güneş ışınları 80 kattan başlayarak 3000 kata kadar yoğunlaştırılabilir. Bu sistemler doğrudan güneş ışınlarına ihtiyaç duyduğu için kurak araziler bunun uygulanması için uygundur. Kurulum ve işletme maliyetleri oldukça düşüktür. Şebeke bağlantıları ise kolay ve yıllık verimi oldukça yüksektir. Yoğunlaştırılmış güneş enerji santralleri, yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri ve yoğunlaştırılmış fotovoltaik güneş enerjisi santralleri olarak ikiye ayrılır.

Yoğunlaştırılmış termal güneş enerji santralleri hem ısı hem de elektrik enerjisi kaynağı olarak kullanılabilirler. Bu sistemler aynalar ve aynalara bağlı güneşi izleme sistemleriyle geniş alanlara düşen güneş ışınlarını küçük bir alana odaklar. Bu ışınların sahip olduğu enerji elektrik enerjisine çevrilerek kullanılır.

Yoğunlaştırılmış fotovoltaik güneş enerji santralleri ise, güneş ışığını yoğunlaştırarak güneş paneli üzerine yansıtılması prensibiyle çalışır ve güneşi gün içinde takip eden bir mekanizmaya sahiptir.