Güneş Fotovoltaik Teknolojisi | Sektörüm Dergisi

Güneş enerjisinden elektrik üretiminde kullanılan en yaygın yöntem olan fotovoltaik güneş enerji sistemi, yalnız güneş panelinden ibaret değildir. Sistem türüne bağlı olarak akü, şarj denetim aleti ve inverter benzer biçimde öteki sistem elemanları bulunmaktadır.

Lügat tanımı ile fotovoltaik nedir sorusunu yanıtlarsak, kolay olarak güneş hücreleri ya da güneş panelleri ile güneşten elektrik üretme yöntemidir diyebiliriz. Güneş hücreleri üstlerine düşen güneş ışığını (foton) direk olarak doğrusal akıma dönüştürür. Akımı iletmek için ise galyum, kadmiyum, arsenit benzer biçimde yarı iletken olarak malum materyalleri kullanır.(PV’nin kelime anlamı Photovoltaic derken, FV ise bunun Türkçesi olan Fotovoltaik’tir.)

Fotovoltaik (FV/PV) Güneş Enerji Sistemi Nedir?

Fotovoltaik kelime anlamı olarak ışık fotonundan elektrik üretimi anlamına gelmektedir. Bundan dolayı güneş hücreleri ve panelleri fotovoltaik olarak adlandırılır.

Fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri; elektrik şebekesine bağlanma durumuna ve kullanım amacına nazaran çeşitlere ayrılmaktadır.

Genel olarak ise şebekeye bağlı (On-Grid), şebekeden bağımsız (Off-Grid), Hibrit  fotovoltaik enerji sistemi ve tarımsal pompaj uygulamaları olmak suretiyle 4 başlığa ayrılabilir.

Fotovoltaik güneş enerji sistemleri, yalnız güneş panellerinden oluşmazlar. Sistem türüne bağlı olarak güneş panellerinin yanı sıra inverter, akü ve şarj denetim aleti benzer biçimde öteki mühim cihazlarından da oluşmaktadırlar.

Güneş Paneli

Fotovoltaik güneş enerji sisteminin en temel parçası asla şüphesi güneş panelleridir. Güneş ışınlarını bünyesindeki güneş hücreleri ile direkt elektrik enerjisine dönüştürür.

Piyasada 5 W ile 340 W arası kapasitede güneş panelleri kullanılmaktadır. Güneş panelleri ek olarak hücre türüne nazaran polikristal, monokristal, ince film benzer biçimde çeşitlere ayrılmaktadır.

Fotovoltaik paneller ya da güneş panelleri, güneş enerjisini yakalayıp, elektrik enerjisine dönüştüren materyallerdir. Paneller minik hücrelerden oluşurlar. Bu hücreler yarı iletken materyallerden yapılırlar. Yapımlarında ağırlıklı olarak silikon tercih edilmiş olduğu söylenebilir.

Şarj Denetim Aleti

Şarj denetim aleti akü depolamasına haiz olan fotovoltaik  güneş enerji sistemlerinde kullanılır. Bu cihazlar güneş panellerinden gelen elektriği düzenleyerek, akü grubunu daha durağan(durgun) bir elektrikle etkili bir halde şarj eder.

Ek olarak güneş açık oturum gurubu ile akü içinde ters akım geçişini (aküden panele) de önler. Şarj denetim cihazlarını piyasada MPPT ve PWM şeklinde iki çeşit olarak görmekteyiz.

Piller

Bataryalar, şebekeden ayrı on-grid sistemler yada şebeke bağlantılı akü destekli on-grid hibrit sistemlerde kullanılmaktadır. Akü kalitesi bu sistemler için oldukça önemlidir.

Bilhassa off-grid sistemlerde kullanılan kalitesiz akü ve fena tasarlanmış bir sistem kullanımı büyük seviyede etkilemektedir. Bundan dolayı güneş enerji sistemlerinde kullanılan akü çeşitleri; jel aküler, hususi opzs tip sulu aküler ve derin çevrimli bazı kurşun asit aküler olarak sıralanabilmektedir.

Fotovoltaik piller/batarya, güneş enerjisini depolamanıza yarayan bataryalardır. Bu sayede güneş ışığının olmadığı zamanlarda da elektrik kullanımı yapabilirsiniz. Fotovoltaik pil nedir sorusu yanıtlandığına nazaran pil çeşitlerinden bahsedebiliriz. 

Fotovoltaik Pil Çeşitleri Nedir?

Pil çeşitleri, 4 değişik teknoloji çerçevesinde incelenebilir. Bu 4 teknoloji: kristal yapılı, ince film teknolojisi, birleşik ve nanoteknoloji olarak adlandırılırlar. Fotovoltaik pil çeşitleri nedir sorunuzun yanıtını aşağıdaki listede bulabilirsiniz.

1. İnorganik Piller,
2. İki Katmanlı İnorganik Piller,
3. Tek Kristal Silisyum Piller,
4. Oldukca Kristal Silisyum Piller,
5. 5. İnce Film Piller,
6. Amorf Silisyum Piller,
7. Oldukca Kristalli İnce Film Piller,
8. İnce Film Kalgonit Piller,
9. Kadmiyum Tellürid Piller (CdTe),
10. 10. Bakır İndiyum Diseleneid Piller,
11. Bakır İndiyum Galyum Diseleneid Piller (CIGS),
12. Flexible CIGS Piller,
13. Oldukca Eklemli Piller,
14. Nanofotovoltaik Piller (NanoPV),
15. Kuantum Noktalı Piller,
16. Boya Hassasiyetli Piller.

İnverterler

Güneş panellerinin ürettiği elektrik DC doğrusu doğru akımdır. Sadece biz elektriğin iletimini ve dağıtımını AC doğrusu alternatif akım olarak yapmaktayız.

Ek olarak evimizde kullandığımız neredeyse tüm cihazlar da AC elektrik ile iş yapmaktadır. Bundan dolayı da güneş panellerinin ürettiği DC elektrik en verimli bir halde AC elektriğe dönüştürülmelidir. Bu işlemi gerçekleştiren cihazlar da inverter olarak adlandırılır.

İnverterler: Doğru akımı, Alternatif akıma dönüştüren elektronik cihazlardır.

Fotovoltaik (FV/PV) Sistemler

Fotovoltaik güneş enerji sistemlerinin en oldukca malum çeşitleri şebekeden ayrı off-grid ve şebekeye bağlı on-grid fotovoltaik güneş enerji sistemleridir.

Güneş pilleri, fotovoltaik vaka ya da ilke olarak malum, üstlerine ışık düşmüş olduğu anda uçlarında elektrik gerilimi oluşması etkisine dayalı çalışırlar. GES sistemlerinde iki değişik sistem çeşidi bulunur.

Bunlardan bir tanesi Şebekeye Bağlı (On-Grid) sistemlerdir. Bu sistemde depolamaya gereksinim yoktur. Şebeke ile direk karşılıklı alışveriş söz mevzusudur.

Santralde ürettiğiniz elektriği direk şebekeye satar, fazlasına ihtiyacınız olursa da gene şebekeden ihtiyaç duyulan elektriği tedarik edersiniz. Burada şarj ve akü maliyetinin ortadan kalkması avantaj olarak değerlendirilebilir.

Şebekeden Bağımsız (Off-Grid) sistemlerde ise üretilen enerjinin depolanması söz mevzusudur. Depolanma akü gruplarına yapılır. Bu sistem genel anlamda elektrik hatlarına ulaşım zorken tercih edilir.

Şebekeden Ayrı (Off-Grid) Fotovoltaik Güneş Enerji Sistemleri

Depolamalı doğrusu Off-Grid fotovoltaik sistemler çoğu zaman elektrik şebekesinin olmadığı bölgeler için değerlendirilirler. Sistemde güneş paneli ve inverterin yanı sıra akü ve şarj denetim aleti benzer biçimde temel sistem bileşenleri bulunmaktadır.

Off-Grid güneş enerjisi sisteminde güneş panellerinin ürettiği elektrik şarj denetim aleti ile düzenlenerek, akülerde depolanır ve aküler içinde DC olarak depolanan bu elektrik de invertör vasıtasıyla AC elektriğe dönüştürülerek kullanılmaktadır.

Şebekeye Bağlı (On-Grid) Fotovoltaik Güneş Enerji Sistemleri

On-Grid fotovoltaik güneş enerji sistemleri de ister minik, ister büyük olsun birer güneş enerji santralidir. Şundan dolayı güneş enerjisinin ürettiği elektrik, AC elektriğe dönüştürülerek şebekeye satılmaktadır.

Bu sistemler, tek fazlı yada üç fazlı invertör, güneş panelleri, çift yönlü sayaç ve datalogger benzer biçimde temel sistem bileşenlerinden oluşmaktadır.

Şebekeye bağlı fotovoltaik güneş enerji sistemlerinin emek verme prensibi ise şu şekildedir. Ilk olarak güneş panellerinin ürettiği elektrik, şebeke bağlantılı invertörde düzenlenir ve elektrik şebekesine aktarılabilecek forma dönüştürülür.

Bu sistemlerde akü kullanılmaz ise şebekede meydana gelebilecek bir elektrik kesintisi sonucu güneş bir günde olsanız dahi elektriğiniz kesilecektir. Bu sebepten on-grid fotovoltaik sistemlerde batarya desteği de önerilmektedir.

Fotovoltaik Tesir Nedir?

Bir hücrenin güneş ışığına maruz kalmasıyla hücre içinde voltaj yada elektrik akımının üretilmesi süreci fotovoltaik tesir anlama gelir. Etkiyi ilk olarak 1839’da Edmond Becquerel ortaya çıkarmıştır. Islak hücrelerle yapmış olduğu deneylerde Becquerel, gümüş plakaların güneş ışığı almasıyla hücredeki voltajda artış bulunduğunu belirlemiştir.

Süreci şu şekilde anlatabiliriz;

1. 1. Ilkin solar hücrelerde fotovoltaik tesir oluşur. Bu solar hücreler bir p-n bağlantısı oluşturmak için bir araya gelmiş iki yarı iletken yararlandır. (Biri p-tipi biri de n-tipidir.)
2. Bu iki değişik tipteki yarı iletken birleşerek, elektronlar pozitif (p) tarafına hareket eder. Hole’lar ise negatif (n) tarafına hareket eder. Bu şekilde bağlantı bölgesinde bir elektrik alanı oluşur.
3. Bu alan, negatif yüklü parçacıkların bir yönde, pozitif yüklü parçacıklarında öteki bir yönde hareketini sağlar.
4. Işık, minik elektromanyetik ışınım yada enerji demetleri içeren fotonlardan meydana gelir. Bu fotonlar, hücreler tarafınca absorbe edilebilirler. Uygun oranda ışık ulaştığında hücreler, fotondan gelen enerjiyi p-n bağlantısındaki yarı iletken materyalin içindeki elektronlara aktarır.
5. Bu şekilde elektronlar iletim bandı olarak malum daha yüksek bir enerji bandına atlar. Bu elektronun sıçradığı değerlik bandında bir boşluk kalmasına niçin olur. Elektronun bu hareketi eklenen enerji sonucunda iki yük taşıyıcı ve bir çift elektron deliği oluşturur.
6. Elektronlar uyarılmazlarsa çevreleyen atomlarla oluşturdukları bağlar aracılığı ile yarı iletken malzemeyi bir arada tutarlar ve hareket olmaz. İletim bandında uyarılmış hallerinde ise elektronlar materyal içinde hareket etmekte serbesttir. P-n bağlantısı sebebi ile ortaya çıkan elektrik alanında elektronlar ve boşluklar (delikler) ters yönde hareket ederler. Özgür elektronlar ise, p tarafa gitmek yerine n tarafına gitmeye çalışırlar. Elektronun yapmış olduğu bu hareket hücrede elektrik akımı yaratılmasını sağlar.
7. Elektron hareket edince daha ilkin de söylediğimiz benzer biçimde arkasında bir boşluk (delik) bırakır. Bu delikte hareket edebilir fakat bu hareket p tarafının tersi yönünde olur.

Hücrede akımı oluşturan süreç bu şekildedir.

Fotovoltaik Modül Nedir?
Hem de solar açık oturum olarak da bilinirler. İki plastik film içine yerleşik seri ve/yada paralel bağlı güneş hücrelerinden oluşan yapıya fotovoltaik modül denir.

Ön taraftaki cam kısım iç tarafı mekanik hasara karşı korur. İnce film güneş modüllerinde fotoaktif katman direkt cama yerleştirilir ve sonrasında da şeritler halinde lazer aracılığı ile kesilerek seri bağlanır.

Fotovoltaik Cam Nedir?
Sağlam yapısı yardımıyla koruma sağlarken aynı anda güneş enerjisinden elektrik üretebilmenizi elde eden bir yapı malzemesidir. Bina Entegre Fotovoltaik “Bulding-Entegre Photovoltaic” olarak geçen (BIPV) ve çatıya, çatı pencerelerine ya da belirli bina cephelerine uygulanabilen bu araç-gereç için maliyetin de inşaat malzemelerine paralel bakıldığında oldukca ciddi bir fark yaratmadığı söylenebilir.

Son zamanlarda yenilenebilir enerjiye yönelik yatırımlar ve bilinçlenme sonucu popülerleşen güneş enerji sistemlerinin hızla büyüyen bir kısmı olan BIPV modüller eski yapılara da uygulanabilir. Fotovoltaik cam nedir konusunu bu şekilde özetleyebiliriz.

Fotovoltaik Termal Sistemler Nedir?

Fotovoltaik termal sistemler, daha yaygın adı ile solar termal sistemler güneş ışığından gelen ısıyı kullanırlar. Güneş ışınları absorbe edilerek yansıtıcılar aracılığı ile yoğunlaştırılıp bir eşanjör aracılığı ile akışkan ısıtılır. Isıtılan akışkan vasıtası ile su buharı üretilir.  Konvansiyonel enerji santrallerindeki sistem benzer biçimde türbin ve jeneratörleri hareket ettirmek için bu su buharı kullanılır. Güneş ışınları ile ısıtılan su buharı ile enerji üreten santraller tanımlanır.

Fotovoltaik Kablo Nedir?

Fotovoltaik kablolar, tüm fotovoltaik sistemler ve güneş panellerinde fotovoltaik sistem elemanlarının bağlantılarında kullanılmak için üretilen kablolardır. Çoğu zaman teknik açıdan UV, ozon ya da hava şartlarına dayanıklı üretilirler.

Kabloya ilişkin teknik özellikler, sisteminizin gerekliliklerine nazaran belirlenir. Fotovoltaik kablo nedir bilgisine haiz olsanız dahi lüzumlu teknik çözümleme yapılmadan hangi türünü kullanacağınıza dair genel bir düşünce sahibi olmanız, GES sisteminizin yapı elemanlarına karar vermeden pek mümkün olmayacaktır. Kullanılan kablonun sisteme uygunluğu, üretim verimliliği açısından mühim bir etkendir.

Fotovoltaik Hücre Nedir?

Hem de solar hücre olarak da bilinirler. Fotonların yada ışık parçacıklarının üstlerine vurmasıyla elektrik üreten bileşenlerdir. Bu işleme daha ilkin de adından bahsettiğimiz fotovoltaik tesir denir.

Solar etkide bahsettiğimiz üretim aşamalarını takip eden hücreler saniyede 300.000 km hızla güneş radyasyonu taşıyan temel parçacıklar olan fotonları kullanırlar. Güneş panelleri üstünde birden fazla bulunan bu hücrelerin seçimleri verimliliklerine nazaran kıyaslanarak yapılabilir.

Güneş enerjisi, (Fotovoltaik) PV hücrenin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 içinde bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. PV hücrelerin yüzeyleri çoğu zaman kare, dikdörtgen ve daire biçimindedir.

PV hücrelerin alanları da, 60−160 cm2 içinde değişmekte olup, averaj 100 cm2 ’dir. Kalınlıkları ise 0,2−0,4 mm arasındadır.

Güç çıkışını çoğaltmak amacıyla oldukca sayıda PV hücre birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üstüne monte edilir.

PV hücrelerin enerji dönüşüm verimleri, uzun yıllardan bu yana araştırılmaktadır. Güneş pillerinin verimliliği, amorf silikon esaslı güneş pilleri için %6’dan oldukca eklemli PV hücrelerde % 44 ‘a ve hibrid bir pakete birleştirilmiş çoklu kalıplar için % 44,4 içinde değişmektedir.

Piyasada bulunan oldukca kristal silikon PV hücreler için enerji dönüşüm verimi ortalama %14−19 arasındadır. Bununla beraber, güneş enerjisini çoğaltmak için güneş ışınlarının odaklanarak yoğunlaştırılması gerekir.

Işık yoğunluğunun arttırılması durumunda, ışık tarafınca üretilen taşıyıcılar artar ve verim %15’e kadar yükselir. Yoğunlaştırıcı sistemler olarak adlandırılan bu sistemler, yüksek verimli GaAs hücrelerinin geliştirilmesinin sonucunda, maliyet rekabetine girmeye başlamışlardır.

Yoğunlaştırma işlemi tipik olarak yoğunlaştırıcı optikler kullanılarak gerçekleştirilir.

Tipik bir yoğunlaştırıcı sistem, güneşin 6−400 katı bir ışık yoğunluğunu kullanabilir ve GaAs hücrenin verimini %31’den %35’e çıkarabilir. Katkılanmamış kristal silikon hücre verimi %29,4 kuramsal verime yaklaşmaktadır.

Teknik makalemde; Güneş Fotovoltaik Teknolojisi (GES)’lerle ilgili verileri detaylı bir şekilde okuyucuların takdirine sunulmuştur.

Her insanın malumu, 21’nci yüzyılla beraber, yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi her geçen gün artmaktadır.

Türkiye’mizin Paris Anlaşması’nı imzalaması ve 2053 Net Sıfır hedefini açıklamasının peşinden bu hedefe giden yol haritalarının hazırlıklarının başlanmıştır. 19 Şubat 2022 gösterilen, NSEB Yönetmeliği ile Sıfır Enerji Binalara ilişkin ilk adım da atılmış oldu.

Yönetmeliğe nazaran; 1 Ocak 2023 – 1 Ocak 2025 tarihleri içinde Yapı İnşaat Alanı 5 bin metrekare üstünde olan binalarda %5 Yenilenebilir Enerji kullanma zorunluluğu getirildi. 1 Ocak 2025’den sonrasında ise 2 bin metrekare çekilecektir.

Yapılarda; yenilenebilir enerji kaynakları mevzusunda en rahat uygulama olarak, fotovoltaik teknoloji ilk sıradadır. Girişimcilerin bu mevzuda yatırım yapmaları, kanımca oldukca isabetli olacaktır.

Özetle, gelecek yıllarda fosil yakıt ve türevleriyle enerji üretme, topyekün bitecektir. Önümüzdeki yüzyıllar insanlık açısından enerji üretiminin; yenilenebilir enerji kaynakları olarak hızını artırarak devam edeceğiz ve teknolojiler geliştikçe daha verimli enerji üretimi metotları gelişecektir.

Güneş Fotovoltaik Teknolojilerinde, ülkemizdeki ilgili tüm firmalar, Ar-Ge’ye ciddi yatırımlar yapması, sektöründe global bir oyuncu olmasını elde edecektir

Kaynakça

1-)  Fotovoltaik (PV) Güneş Enerji Sistemi Nedir? Sistem Bileşenleri Nedir?

https://www.greensolarnetwork.org/bilgi-bankasi/fotovoltaik-pv-gunes-enerji-sistemi-nedir-sistem-bilesenleri-nelerdir

2-) Fotovoltaik Nedir? Fotovoltaik Açık oturum Nedir?

https://www.myenerjisolar.com/fotovoltaik-nedir-fotovoltaik-panel-nedir/

3-) Güneş enerjisinden fotovoltaik yöntemle elektrik üretiminde güç dönüşüm verimi ve etkili etmenler

https://www.emo.org.tr/ekler/3a921ffad054cb0_ek.pdf

Görüşmek dileğiyle…