YAZILARINIZI GÖNDERİNİZ

Haber, makale, firma ya da ürün incelemelerinizi bekliyoruz.

YAZARIMIZ OLUN

Düşüncelerinizi Özgürce Duyurun, Paylaşın.

Güneş Pilleri ve Çalışma Prensibi

| 12 Nisan 2016

Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pilleri alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.

Bu pillerin seri ve paralel bağlanmaları ile yüksek güce sahip güneş panelleri elde edilmektedir. Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir. 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 ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kaç Watt’tan megaWatt’lara kadar sistem oluşturulur.

Güneş Pilleri

Şekil 1.1: Güneş pili

Güneş Pilleri Yapısı ve Çalışması

Güneş Pilleri Yapısı

Günümüz elektronik ürünlerinde kullanılan transistörler, doğrultucu diyotlar gibi güneş pilleri de, yarı-iletken maddelerden yapılırlar. Yarı-iletken özellik gösteren birçok madde arasında güneş pili yapmak için en elverişli olanlar, silisyum, galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddelerdir.

Yarı-iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için “n” ya da “p” tipi katkılanmaları gereklidir. Katkılama, saf yarı iletken eriyik içerisine istenilen katkı maddelerinin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-iletkenin “n” ya da “p” tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element, örneğin fosfor eklenir. Silisyum’un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle V. grup elementlerine “verici” ya da “n tipi” katkı maddesi denir.

P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de “p tipi” ya da “alıcı” katkı maddeleri denir.

“P” ya da “n” tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarı iletken eklemler oluşturulur. “N” tipi yarı iletkende elektronlar, “p” tipi yarı iletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarı iletkenler bir araya gelmeden önce, her iki madde de elektriksel bakımdan nötrdür. Yani p tipinde negatif enerji seviyeleri ile hol sayıları eşit, n tipinde pozitif enerji seviyeleri ile elektron sayıları eşittir.

PN eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, p tipine doğru akım oluştururlar. Bu olay her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. PN tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine “geçiş bölgesi” ya da “yükten arındırılmış bölge” denir. Bu bölgede oluşan elektrik alan “yapısal elektrik alan” olarak adlandırılır. Yarı iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir. Bu dönüşüm iki aşamada olur, ilk olarak, eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur, ikinci olarak ise, bunlar bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır.

Güneş Pili Maddesi

Şekil 1.2: Güneş pilindeki p ve n maddesi

Güneş Pilleri Çalışması

Enerji dönüşümü fotovoltaik olaya dayanmaktadır. Fotovoltaik olayda, ışık fotonları özellikle eklem bölgesine ulaştığında elektronlara çarparak serbest yük çiftleri oluşturur. Uyarılan negatif yüklü (-) her elektron, gerisinde pozitif yüklü (+) bir boşluk bırakır. Bu yük taşıyıcıları, eklemle kurulan doğal iç ters elektrik alanla (Ei) akım katkısı oluşturmak üzere çoğunlukta oldukları bölgelere sürülür. Doğal Ei alanı, fotonla enerji kazanan yük taşıyıcılarının hareketlerinde hangi tarafa eğilimli olduklarını ifade eden bir enerji engeli olarak düşünülebilir. Böylece fotonlarla üretilen (-) yüklü elektronlar n-bölgesinde, (+) yüklü pozitif taşıyıcılar p-bölgesinde toplanarak bir gerilim üretilmektedir. Bu durum prensip olarak Şekil 1.3 ile verilmektedir.

Güneş Pili Fotovoltaik Enerji Dönüşümü

Şekil 1.3: Güneş pilindeki fotovoltaik enerji dönüşümü

Işık uyarımı altındaki bir PV, ışınım şiddetine bağlı olarak daha büyük ters sızıntı akımı (Ig) üretmektedir. Üretilen Ig akımı PV uçlarında bir gerilim oluşturmaktadır. Diğer yandan üretilen gerilim, p-n eklemini ileri yönde uyardığından Ig akımına ters yönlü bir Id diyot akımına da neden olmaktadır. Dış devreye aktarılabilecek I akımı bu iki akımın farkı olmaktadır. Enerji dönüşüm sürecine uygun bir prensip eşdeğer devre Şekil 1.4 ile tanımlanmaktadır.

Güneş Pili Eşdeğer Devresi

Şekil 1.4: Güneş pili eşdeğer devresi

Bir güneş pili herhangi bir yüke bağlandığında güneş pili yükü beslemek için bir akım ve gerilim üretmekte ve yüke bir güç aktarmaktadır. Güneş pilinin ürettiği akım-gerilim (IV) karakteristiği denklem 1 ile ifade edilmektedir.

Güneş Pili Denklem - 1

Burada, Ig ışık fotonlarıyla üretilen akım veya kısa devre akımı (A), Io ters sızıntı akımı (A), Id eklemdeki diyot akımı (A), q elektron yükü (1,6.10 –19 C.), k Boltzman sabiti (1,38.10-23 ), T mutlak sıcaklık (Ko ), n diyot faktörüdür. Denklem 1’e göre I-V değişimi doğrusal olmayan bir karakteristiğe sahiptir. Bu yüzden herhangi bir yük direnci için, denklemde (V=I.R) bağıntısı düşünüldüğünde I veya V terimi doğrudan çözülememektedir. Buradan da anlaşılacağı gibi güneş pilleri nde üretilen akım ve gerilim ilişkisi ohm kanununa uymamaktadır.

Denklem 1’deki V=0’da güneş pilinin kısa devre akımı, I=0’da güneş pilinin açık devre gerilimi (Vo) tanımlanabilmektedir. Açık devre gerilimi denklem 2 de verilmektedir.

Güneş Pili Denklem - 2

Güneş pilleri ne bağlanacak yükün gücüne göre üretilecek akım ve gerilimin şiddetini arttırmak için birden fazla sayıda güneş pili birbirine seri veya paralel yada hem seri hem de paralel bağlantı yapılarak gerçekleştirilir. Ns kadar seri ve buna Np kadar paralel bağlı paket PV’lerden oluşan sistemin akım-gerilim (Ip-Vp) ilişkisi denklem 3 ile verilmektedir.

Güneş Pili Denklem - 3

Şekil 1.5, tipik bir güneş pilinin herhangi bir sıcaklık ve ışınımdaki ( güneş ışığının güneş pile yüzeyi üzerindeki şiddeti) karakteristik eğrisi olan I-V eğrisidir. I-V eğrisinin altındaki maksimum dikdörtgen alanı güneş pilinin o anda üretmiş olduğu maksimum gücü (Pm) verir ve bu güçteki akım Im, gerilim ise Vm ile gösterilmektedir. Maksimum güç (Pm) ise oluşan I-V eğrisinin altına sığabilen en büyük dikdörtgen alanıdır .

Güneş Pili Eğrisi

Şekil 1.5: Güneş pilinin ürettiği akım ve gerilim ilişkisini gösteren I-V eğrisi

Güneş Pillerine Işınım Şiddetinin Etkisi

Bir güneş pilinin I-V karakteristiği ışınım şiddeti (W/m2 ) ile değişmektedir (Şekil 1.6). Böylece güneş pilinin ürettiği maksimum güç ışınımla değişmektedir. Bu durumda ışınım şiddeti pilin ürettiği kısa devre akımını doğrudan etkilemektedir. Açık devre gerilimi ise kısa devre akımına oranla daha düşük bir oranda değişmektedir. Değişik ışınım şiddeti altında çalışan bir güneş pilin performansı güneş pili ile beslenecek güç sistem tasarımlarında göz ardı edilemeyecek bir öneme sahiptir. Değişken ışınımlardaki PV performans tanımlamaları, fotovoltaik güç sistem tasarımlarında önemli bir yer teşkil etmektedir.

Güneş Pili Eğrileri

1.6: Güneş pilinin farklı ışınım şiddetlerinde ürettiği I-V eğrileri

Güneş Pillerine Etkiyen Sıcaklığın Etkisi

Fotovoltaik pillerde ışınım şiddetinin etkisi yanında diğer bir önemli etki ise sıcaklıktır. Belirli bir sıcaklıkta, ışınımla güneş pilinin kısa devre akımı doğru orantılı olarak artar. Güneş pilleri çalışma performansına sıcaklık da etki etmektedir.

Sabit bir ışınım altında, sıcaklık artışı kısa devre akımının artması yönünde bir etkide bulunurken açık devre geriliminin azalmasına neden olmaktadır. Her ne kadar denklem 2’ye göre T sıcaklığı ile Ig ‘nin, Vo’ı yükseltebileceği düşünülse de gerçekte sıcaklık, Io sızıntı akımını üstel olarak değiştirmekte ve desteklemektedir. Sıcaklığın PV’ye olan etkisi, Şekil 1.7’de prensip olarak verilmektedir.

Güneş Pili Sıcaklık Eğrileri

1.7: Güneş pilinin sıcaklık değişimi etkisine bağlı ürettiği I-V eğrileri

Güneş piline ait I-V eğrisini belirlemek için ilgili güneş piline ait özel Io ve n parametrelerinin bilinmesi gerekmektedir. Bu parametreler genelde üretici firma kataloglarında yoktur. Io sızıntı akımı hassas bir ölçüm olanakları varsa da ölçülebilir. Ayrıca değişen sıcaklıklara göre, Io teriminin yeni değerleri, tasarımlarda göz önünde tutulmalıdır. Çünkü Io, sıcaklıkla üstel olarak değişmektedir.

Kaynak: MEGEP

Yorum Yazınız

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir