Güneş enerjisinden elektrik üretiminde kullanılan en yaygın yöntem olan fotovoltaik güneş enerji sistemi, sadece güneş panelinden ibaret değildir. Sistem türüne bağlı olarak akü, şarj kontrol cihazı ve inverter gibi diğer sistem elemanları bulunmaktadır.
Sözlük tanımı ile fotovoltaik nedir sorusunu yanıtlarsak, basit olarak güneş hücreleri yahut güneş panelleri ile güneşten elektrik üretme yöntemidir diyebiliriz. Güneş hücreleri üzerlerine düşen güneş ışığını (foton) direk olarak doğrusal akıma dönüştürür. Akımı iletmek için ise galyum, kadmiyum, arsenit gibi yarı iletken olarak bilinen 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 göre çeşitlere ayrılmaktadır.
Genel olarak ise şebekeye bağlı (On-Grid), şebekeden bağımsız (Off-Grid), Hibrit fotovoltaik enerji sistemi ve tarımsal pompaj uygulamaları olmak üzere 4 başlığa ayrılabilir.
Fotovoltaik güneş enerji sistemleri, sadece güneş panellerinden oluşmazlar. Sistem türüne bağlı olarak güneş panellerinin yanı sıra inverter, akü ve şarj kontrol cihazı gibi diğer önemli cihazlarından da oluşmaktadırlar.
Güneş Paneli
Fotovoltaik güneş enerji sisteminin en temel parçası hiç şüphesi güneş panelleridir. Güneş ışınlarını bünyesindeki güneş hücreleri ile doğrudan elektrik enerjisine dönüştürür.
Piyasada 5 W ile 340 W arası kapasitede güneş panelleri kullanılmaktadır. Güneş panelleri ayrıca hücre türüne göre polikristal, monokristal, ince film gibi çeşitlere ayrılmaktadır.
Fotovoltaik paneller ya da güneş panelleri, güneş enerjisini yakalayıp, elektrik enerjisine dönüştüren materyallerdir. Paneller küçük hücrelerden oluşurlar. Bu hücreler yarı iletken materyallerden yapılırlar. Yapımlarında ağırlıklı olarak silikon tercih edildiği söylenebilir.
Şarj Kontrol Cihazı
Şarj kontrol cihazı akü depolamasına sahip olan fotovoltaik güneş enerji sistemlerinde kullanılır. Bu cihazlar güneş panellerinden gelen elektriği düzenleyerek, akü grubunu daha sabit bir elektrikle etkili bir şekilde şarj eder.
Ayrıca güneş panel gurubu ile akü arasında ters akım geçişini (aküden panele) de önler. Şarj kontrol cihazlarını piyasada MPPT ve PWM şeklinde iki çeşit olarak görmekteyiz.
Piller
Bataryalar, şebekeden ayrı on-grid sistemler veya şebeke bağlantılı akü destekli on-grid hibrit sistemlerde kullanılmaktadır. Akü kalitesi bu sistemler için oldukça önemlidir.
Özellikle off-grid sistemlerde kullanılan kalitesiz akü ve kötü tasarlanmış bir sistem kullanımı büyük ölçüde etkilemektedir. Bundan dolayı güneş enerji sistemlerinde kullanılan akü çeşitleri; jel aküler, özel 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 göre pil çeşitlerinden bahsedebiliriz.
Fotovoltaik Pil Çeşitleri Nelerdir?
Pil çeşitleri, 4 farklı teknoloji çerçevesinde incelenebilir. Bu 4 teknoloji: kristal yapılı, ince film teknolojisi, birleşik ve nanoteknoloji olarak adlandırılırlar. Fotovoltaik pil çeşitleri nelerdir sorunuzun yanıtını aşağıdaki listede bulabilirsiniz.
- İnorganik Piller,
- İki Katmanlı İnorganik Piller,
- Tek Kristal Silisyum Piller,
- Çok Kristal Silisyum Piller,
- 5. İnce Film Piller,
- Amorf Silisyum Piller,
- Çok Kristalli İnce Film Piller,
- İnce Film Kalgonit Piller,
- Kadmiyum Tellürid Piller (CdTe),
- 10. Bakır İndiyum Diseleneid Piller,
- Bakır İndiyum Galyum Diseleneid Piller (CIGS),
- Flexible CIGS Piller,
- Çok Eklemli Piller,
- Nanofotovoltaik Piller (NanoPV),
- Kuantum Noktalı Piller,
- Boya Hassasiyetli Piller.
İnverterler
Güneş panellerinin ürettiği elektrik DC yani doğru akımdır. Ancak biz elektriğin iletimini ve dağıtımını AC yani alternatif akım olarak yapmaktayız.
Ayrıca evimizde kullandığımız hemen hemen tüm cihazlar da AC elektrik ile çalışmaktadır. Bundan dolayı da güneş panellerinin ürettiği DC elektrik en verimli bir şekilde 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 çok bilinen çeşitleri şebekeden ayrı off-grid ve şebekeye bağlı on-grid fotovoltaik güneş enerji sistemleridir.
Güneş pilleri, fotovoltaik olay ya da ilke olarak bilinen, üzerlerine ışık düştüğü anda uçlarında elektrik gerilimi oluşması etkisine dayalı çalışırlar. GES sistemlerinde iki farklı sistem çeşidi bulunur.
Bunlardan bir tanesi Şebekeye Bağlı (On-Grid) sistemlerdir. Bu sistemde depolamaya ihtiyaç yoktur. Şebeke ile direk karşılıklı alışveriş söz konusudur.
Santralde ürettiğiniz elektriği direk şebekeye satar, fazlasına ihtiyacınız olursa da yine şebekeden gereken elektriği tedarik edersiniz. Burada şarj ve akü maliyetinin ortadan kalkması avantaj olarak değerlendirilebilir.
Şebekeden Bağımsız (Off-Grid) sistemlerde ise üretilen enerjinin depolanması söz konusudur. Depolanma akü gruplarına yapılır. Bu sistem genelde elektrik hatlarına ulaşım zorken tercih edilir.
Şebekeden Ayrı (Off-Grid) Fotovoltaik Güneş Enerji Sistemleri
Depolamalı yani Off-Grid fotovoltaik sistemler genellikle elektrik şebekesinin olmadığı yerler için değerlendirilirler. Sistemde güneş paneli ve inverterin yanı sıra akü ve şarj kontrol cihazı gibi temel sistem bileşenleri bulunmaktadır.
Off-Grid güneş enerjisi sisteminde güneş panellerinin ürettiği elektrik şarj kontrol cihazı ile düzenlenerek, akülerde depolanır ve aküler içerisinde 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 küçük, ister büyük olsun birer güneş enerji santralidir. Çünkü güneş enerjisinin ürettiği elektrik, AC elektriğe dönüştürülerek şebekeye satılmaktadır.
Bu sistemler, tek fazlı veya üç fazlı invertör, güneş panelleri, çift yönlü sayaç ve datalogger gibi temel sistem bileşenlerinden oluşmaktadır.
Şebekeye bağlı fotovoltaik güneş enerji sistemlerinin çalışma prensibi ise şu şekildedir. Öncelikle 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 Etki Nedir?
Bir hücrenin güneş ışığına maruz kalmasıyla hücre içerisinde voltaj veya elektrik akımının üretilmesi süreci fotovoltaik etki demektir. Etkiyi ilk olarak 1839’da Edmond Becquerel keşfetmiştir. Islak hücrelerle yaptığı deneylerde Becquerel, gümüş plakaların güneş ışığı almasıyla hücredeki voltajda artış olduğunu belirlemiştir.
Süreci şöyle anlatabiliriz;
- 1. Önce solar hücrelerde fotovoltaik etki oluşur. Bu solar hücreler bir p-n bağlantısı oluşturmak için bir araya gelmiş iki yarı iletken yararlandır. (Biri p-tipi biri de n-tipidir.)
- Bu iki farklı 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.
- Bu alan, negatif yüklü parçacıkların bir yönde, pozitif yüklü parçacıklarında diğer bir yönde hareketini sağlar.
- Işık, küçük elektromanyetik radyasyon veya enerji demetleri içeren fotonlardan meydana gelir. Bu fotonlar, hücreler tarafından absorbe edilebilirler. Uygun miktarda ışık geldiğinde hücreler, fotondan gelen enerjiyi p-n bağlantısındaki yarı iletken materyalin içindeki elektronlara aktarır.
- Bu şekilde elektronlar iletim bandı olarak bilinen daha yüksek bir enerji bandına atlar. Bu elektronun sıçradığı değerlik bandında bir boşluk kalmasına neden olur. Elektronun bu hareketi eklenen enerji sonucunda iki yük taşıyıcı ve bir çift elektron deliği oluşturur.
- Elektronlar uyarılmazlarsa çevreleyen atomlarla oluşturdukları bağlar aracılığı ile yarı iletken malzemeyi bir arada tutarlar ve hareket olmaz. İletim bandında uyarılmış hallerinde ise elektronlar materyal içerisinde hareket etmekte serbesttir. P-n bağlantısı nedeni ile ortaya çıkan elektrik alanında elektronlar ve boşluklar (delikler) ters yönde hareket ederler. Serbest elektronlar ise, p tarafa gitmek yerine n tarafına gitmeye çalışırlar. Elektronun yaptığı bu hareket hücrede elektrik akımı yaratılmasını sağlar.
- Elektron hareket edince daha önce de söylediğimiz gibi arkasında bir boşluk (delik) bırakır. Bu delikte hareket edebilir ama bu hareket p tarafının tersi yönünde olur.
Hücrede akımı oluşturan süreç bu şekildedir.
Fotovoltaik Modül Nedir?
Aynı zamanda solar panel olarak da bilinirler. İki plastik film içerisine yerleşik seri ve/veya 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 doğrudan cama yerleştirilir ve sonra da şeritler halinde lazer aracılığı ile kesilerek seri bağlanır.
Fotovoltaik Cam Nedir?
Sağlam yapısı sayesinde koruma sağlarken aynı anda güneş enerjisinden elektrik üretebilmenizi sağlayan bir yapı malzemesidir. Bina Entegre Fotovoltaik “Bulding-Entegre Photovoltaic” olarak geçen (BIPV) ve çatıya, çatı pencerelerine ya da belirli bina cephelerine uygulanabilen bu malzeme için maliyetin de inşaat malzemelerine paralel bakıldığında çok ciddi bir fark yaratmadığı söylenebilir.
Son zamanlarda yenilenebilir enerjiye yönelik yatırımlar ve bilinçlenme sonucu popülerleşen güneş enerji sistemlerinin hızla büyüyen bir bölümü 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 gibi 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. Genellikle teknik açıdan UV, ozon ya da hava şartlarına dayanıklı üretilirler.
Kabloya ait teknik özellikler, sisteminizin gerekliliklerine göre belirlenir. Fotovoltaik kablo nedir bilgisine sahip olsanız dahi gerekli teknik analiz yapılmadan hangi çeşidini kullanacağınıza dair genel bir fikir sahibi olmanız, GES sisteminizin yapı elemanlarına karar vermeden pek mümkün olmayacaktır. Kullanılan kablonun sisteme uygunluğu, üretim verimliliği açısından önemli bir etkendir.
Fotovoltaik Hücre Nedir?
Aynı zamanda solar hücre olarak da bilinirler. Fotonların veya ışık parçacıklarının üstlerine vurmasıyla elektrik üreten bileşenlerdir. Bu işleme daha önce de adından bahsettiğimiz fotovoltaik etki denir.
Solar etkide bahsettiğimiz üretim aşamalarını takip eden hücreler saniyede 300.000 km hızla güneş radyasyonu taşıyan temel parçacıklar olan fotonları kullanırlar. Güneş panelleri üzerinde birden fazla bulunan bu hücrelerin seçimleri verimliliklerine göre kıyaslanarak yapılabilir.
Güneş enerjisi, (Fotovoltaik) PV hücrenin yapısına bağlı olarak %5 ile %20 arasında bir verimle elektriğe dönüştürülebilir. PV hücrelerin yüzeyleri genellikle kare, dikdörtgen ve daire biçimindedir.
PV hücrelerin alanları da, 60−160 cm2 arasında değişmekte olup, ortalama 100 cm2 ’dir. Kalınlıkları ise 0,2−0,4 mm arasındadır.
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda PV hücre birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir.
PV hücrelerin enerji dönüşüm verimleri, uzun yıllardan bu yana araştırılmaktadır. Güneş pillerinin verimliliği, amorf silikon esaslı güneş pilleri için %6’dan çok eklemli PV hücrelerde % 44 ‘a ve hibrid bir pakete birleştirilmiş çoklu kalıplar için % 44,4 arasında değişmektedir.
Piyasada bulunan çok kristal silikon PV hücreler için enerji dönüşüm verimi yaklaşık %14−19 arasındadır. Bununla birlikte, güneş enerjisini artırmak için güneş ışınlarının odaklanarak yoğunlaştırılması gerekir.
Işık yoğunluğunun arttırılması durumunda, ışık tarafından 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 teorik verime yaklaşmaktadır.
Teknik makalemde; Güneş Fotovoltaik Teknolojisi (GES)’lerle ilgili verileri ayrıntılı olarak okuyucuların takdirine sunulmuştur.
Herkesin malumu, 21’nci yüzyılla birlikte, yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi gün geçtikçe artmaktadır.
Türkiye’mizin Paris Anlaşması’nı imzalaması ve 2053 Net Sıfır hedefini açıklamasının ardından bu hedefe giden yol haritalarının hazırlıklarının başlanmıştır. 19 Şubat 2022 yayınlanan, NSEB Yönetmeliği ile Sıfır Enerji Binalara ilişkin ilk adım da atılmış oldu.
Yönetmeliğe göre; 1 Ocak 2023 – 1 Ocak 2025 tarihleri arasında Yapı İnşaat Alanı 5 bin metrekare üzerinde olan binalarda %5 Yenilenebilir Enerji kullanma zorunluluğu getirildi. 1 Ocak 2025’den sonra ise 2 bin metrekare çekilecektir.
Yapılarda; yenilenebilir enerji kaynakları konusunda en rahat uygulama olarak, fotovoltaik teknoloji ilk sıradadır. Girişimcilerin bu konuda yatırım yapmaları, kanımca çok isabetli olacaktır.
Özetle, önümüzdeki yıllarda fosil yakıt ve türevleriyle enerji üretme, komple 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 sağlayacaktır
Kaynakça
1-) Fotovoltaik (PV) Güneş Enerji Sistemi Nedir? Sistem Bileşenleri Nelerdir?
https://www.greensolarnetwork.org/bilgi-bankasi/fotovoltaik-pv-gunes-enerji-sistemi-nedir-sistem-bilesenleri-nelerdir
2-) Fotovoltaik Nedir? Fotovoltaik Panel 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…
