GÜNEŞ ENERJİSİ DENEY FÖYÜ 1. Deneyin Amacı: • Güneş pilleri

GÜNEŞ ENERJİSİ DENEY FÖYÜ
1. Deneyin Amacı:


Güneş pilleri hakkında bilgi sahibi olmak
Fotovoltaik modüllerin seri ve paralel bağlı olma durumlarında akım-voltaj
karakteristiklerinin ölçülmesi
2. Güneş enerjisi ve uygulamaları
2.1. Giriş
İnsanoğlunun, güneş enerjisinden faydalanma fikri çok eskilere dayanmaktadır. Archimedes’in
(M.Ö. 214) odakları yüzlerce metre mesafede olan iç bükey aynalar ile, Romalı komutan
Marcellus’un Sirokuzayı iki sene kuşatma altında tutan gemilerini yakması olmuştur. Socrates
( M.Ö. 470 – 399 ) konutların ısıl dengesi ve ısınması için güneş enerjsinden faydalanması ilk
öneri getiren bilim adamıdır. Xenophon’s Memorable adlı eserinden alınan prensip şöyledir. “
Binaların güney duvarlarını, kış güneşini alacak şekilde daha yüksek, kuzey duvarlarını da
soğuk rüzgarlara maruz kalmaması için alçak yapmak en iyi bir düzenlemedir.” Güneş enerjisi
ile çalışan ilk su pompası Salama de Caus’un (1564 –1626 ) merceği icadı ile olmuştur. 1868’de
Ericsson güneş enerjisinden buhar elde ederek makine işletmiş, 19. Yüzyılın başında güneş
ışınlarındaki ısı şiddetini ölçen bir alet é Actıometeré Sır John Herschel tarafından bulunmuştur.
Bu konuda ilk kitap 1903’de Charlos Pope tarafından ngilizce olarak yazılmıştır: “A Solar Heat
– It’s Practical Applications.” ilk büyük sempozyum 1954’de Yeni Delhi de yapılmıştır. Bunun
yanında, 1954 de Bell laboratuarında gerçekleştirilen güneş pilleri, güneş enerjisini doğrudan
elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım alanları bulmuşlardır.
Güneş pillerininin ilk büyük ölçekli uygulama alanı, uzay çalışmalarında olmuştur. Uzay
araçlarına enerji sağlamada bu piller en uygun gereç olmuşlardır. Önceleri küçük ölçeklerde
çeşitli yerlerde kullanılan güneş pilleri giderek daha geniş kullanım alanlarına yayılmışlardır.
Yaygın kullanımla birlikte bu pillerin verimleri artmış ve fiyatları da oldukça düşmüştür.
2.2. Güneş Pilleri
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine
dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen
güneş pillerinin 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.
2.2.1. Kristaline Paneller:
Endüstriyel olarak kullanılan en yaygın panellerdir. Yaklaşık 90 yıl ömürleri vardır.
Monokristal ve polikristal olarak vardır.
Mono Kristalin : Kalite ve verimlilik açısından mono kristalin güneş pilleri yüksek verimli
mono kristalin hücrelerden oluşmuşlardır. Bu Paneller aynı gücü üreten Polikristalin Panellere
göre %1-2 daha küçük alana sahiptir. Buna karşın üretiminde kullanılan teknoloji sebebiyle
üretim süreci uzun sürmektedir. Yine de Mono kristalin güneş pilleri uzun vadeli yatırım için
en iyi seçenektir. Güneş pilinin mono kristalin olması demek tüm hücrenin sadece kristalinden
oluşması ve materyalin atomal yapısının homojen olması demektir. Doğada bulunan tüm
kristalin bileşimler aslında polikristalindir, sadece elmas neredeyse mükemmel mono kristalin
özelliğe sahiptir.
Polikristalin : Kalite ve verimlilik açısından polikristalın güneş pilleri mono kristalin
olanlardan biraz daha düşük verimli hücreler ile üretilmiştir. Ancak buna rağmen kullanım alanı
daha yaygındır. Bunun en büyük nedeni ise daha kolay ulaşılabilir ve buna bağlı olarak daha
uygun fiyatla bulunabilmesidir. Bu nedenle verimlilik/maliyet oranını hayli yüksektir.
Polikristalın demek materyalin mono kristaline göre tek kristalinden oluşmaması, yani
materyalin tam olarak homojen olmaması demektir.
2.2.2. İnce film:
Işık yutma oranı yüksek olan bu hücreler, düşük verimlilikleri nedeni ile pazar payının küçük
bir bölümünü oluştururlar. İnce film fotovoltaik malzeme genellikle çok kristalli
malzemelerdir. Başka bir değişle ince film yarı-iletken malzeme, büyüklükleri bir milimetrenin
binde birinden milyonda birine değin değişen damarlardan oluşmaktadır. Bu panellerin
verimlilik oranları %7-14 arasında değişmektedir.
2.2.3. Esnek Panel:
Geleneksel güneş panellerine alternatif olarak, özellikle çatı uygulamaları için geliştirilmiş bir
teknolojidir. PV konstrüksiyonlarının çatıya entegresinin zor olduğu uygulamalarda çatı
izolasyonuna zarar vermeden monte edilebilir. Birçok uygulamada enerji üretiminin yanında
çatı membranı olarak da kullanılabilir. Kristal ve ince film hücrelerden oluşan güneş paneli
çeşitleri mevcuttur. İnce film hücrelerden oluşan panellerin en önemli özelliği esnek olması ve
serme tipte uygulanabilmesidir. Herhangi bir konstrüksiyon ihtiyacı yoktur. Ayrıca kristal
yapılı güneş panellerine göre ağırlık dağılımında avantaj sağlar. Cam içermediği için kırılma
tehlikesi yoktur. En büyük özelliği ise taşınabilir olmasıdır.
3. Deney seti ve kullanılan alet ve malzemeler:
Fotovoltaik modül 36 adet monojristalin güneş pili hücresinden oluşmakta olup toplam yüzey
alanı 1.114 m2’dir. Deney seti aşağıdaki şekilde gösterilmiştir.
Şekil 1: Deney seti
4. Deneyin Yapılışı
4.1 Seri bağlı ölçümler
Seri bağlı güneş pillerine ait ölçümlerde, fotovoltaik modüller ayarlanabilir dirence ve ölçme
ünitesine aşağıdaki devre şemasına göre bağlanır.
Şekil 2: Seri bağlı güneş modülü için devre diagramı
İlk olarak kısa devre akımını ölçmek için, kapalı devre yük direnci olmaksızın Şekil 3a ‘da
gösterildiği gibi oluşturulur. Kısa devre akımı ölçme ünitesindeki göstergeden okunarak Tablo
1’e yazılır.
Daha sonra, voltaj ölçümüne ait kablolar Şekil 3b’de gösterildiği gibi direk olarak birbirine seri
bağlı güneş pili modüllerine bağlanarak açık devre voltajı okunur.
Şekil 3. Seri bağlı güneş pili modüllerinin ölçümleri a) kısa devre akımı için b) açıkı devre
voltajı için.
Tablo 1’deki uç değerleri akım ve voltaj değerlerini bulduktan sonra, ayarlanabilir direnç ve
sabit direnç bağlantıları kullanılarak Tablo 1’deki değerler elde edilir (Şekil 4).
Şekil 4. Sabit dirençleri ve ayarlanabilir rezistansı kullanarak muhtelif ölçümler yapılması
Deneyde ışık kaynağı olarak herbirinin gücü 1 kW olan 8 adet halojen spot lamba kullanılmıştır.
Aydınlatma kaynağının güneş paneline uzaklığı yaklaşık 1.3 m dir. Spot lambalar ayarlanarak
güneş paneli üzerinde homojen bir aydınlatma elde edilmeye çalışılmıştır. Ölçümlerde ortalama
ışık şiddeti 460 W/m2 ve ortalama modül sıcaklığı 62 oC’dir.
4.2. Paralel bağlı ölçümler
Paralel bağlı deneylerde, güneş modüllerinin bütün pozitif uçları ve negatif uçları birbirine
bağlanır. Bu durumda, toplam voltaj bir güneş modülünün voltajına eşittir. Toplam akım ise her
bir modülden geçen akımların toplamına eşittir.
Paralel bağlı güneş modüllerine ait ölçümlerde, fotovoltaik modüller ayarlanabilir dirence ve
ölçme ünitesine Şekil 5’teki devre şemasına göre bağlanır.
Şekil 5: Paralel bağlı güneş modülleri için devre şeması
Kısa devre akımını ölçmek için, kapalı devre yük direnci olmaksızın Şekil 6a ‘da gösterildiği
gibi oluşturulur. Kısa devre akımı ölçme ünitesindeki göstergeden okunarak Tablo 2’ye yazılır.
Daha sonra, voltaj ölçümüne ait kablolar Şekil 6b’de gösterildiği gibi direk olarak birbirine seri
bağlı güneş pili modüllerine bağlanarak açık devre voltajı okunur.
Şekil 6. Parale bağlı güneş pili modüllerinin ölçümleri a) kısa devre akımı için b) açıkı devre
voltajı için.
Tablo 2’deki uç değerleri akım ve voltaj değerlerini bulduktan sonra, ayarlanabilir direnç
kullanılarak Tablo 2’deki diğer akım ve voltaj değerleri elde edilir.
Ölçümlerde ortalama ışık şiddeti 460 W/m2 ve ortalama modül sıcaklığı 62 oC’dir
5. Ölçümler ve hesaplamalar
Seri bağlı modüllere ait veriler Tablo 1, paralel bağlı modüllere ait ölçümler Tablo 2’ye
yazılırak güneş panelinin gücü hesaplanır.
Tablo 1: Seri bağlı modüllere ait ölçümler ve elektrik gücü
Tavsiye edilen ölçüm değerleri
Voltaj
U(V)
0
9,7
14,2
16,9
23,5
28,4
31,4
32,4
32,6
33,1
33,4
33,8
34
34,2
34,5
35,2
35,3
36,3
Akım
I (A)
2,4
2,3
2,2
2,1
2
1,9
1,8
1,7
1,6
1,5
1,4
1,3
1,2
1,1
1
0,7
0,6
0
Güç
P (W)
Ölçülen değerler
Voltaj
Akım
Güç
U(V)
I (A)
P (W)
Tablo 2: Paralel bağlı modüllere ait ölçümler ve elektrik gücü
Tavsiye edilen ölçüm değerleri
Ölçülen değerler
Voltaj
Akım
Güç
Voltaj
Akım
Güç
U(V)
I (A)
P (W)
U(V)
I (A)
P (W)
0,8
5,2
5,1
5
9,6
4,5
12,5
4,3
14,8
4,1
15,8
3,4
16,3
2,8
16,7
2,3
16,9
2
17,1
1,6
18
0
Elektrik gücü;
𝑃𝑒𝑙 = 𝑈. 𝐼
Güneş panelinin toplam verimi;
𝑃𝑒𝑙
𝑃𝑅
Burada, 𝑃𝑅 güneş paneline gelen toplam ışınım olup değeri ışık şiddetiyle güneş panelinin
toplam alanının çarpımına eşittir.
𝑃𝑅 = 𝑅. 𝐴
R, ışık şiddetidir. Güneş panelinin toplam alanı (A) 1.114 m2’dir.
𝜂=
6. Sonuçların yorumlanması




Tablo 1 ve 2’yi doldurup, elektrik gücünü ve verimi hesaplayınız.
Seri ve paralel bağlı güneş panellerinin her biri için; akım-voltaj (I-U) değişimini ve
elektrik gücü-voltaj (P-U) değişimini aynı grafik üzerinde çiziniz.
Maksimum elektrik gücünü grafik üzerinde gösteriniz.
Seri ve paralel bağlı güneş pillerine ait sonuçları aşağıdaki gibi bir tablo yaparak
yorumlayınız.
Tablo 3: Deney sonuçların karşılaştırılması
Seri devre
Deney koşulları
Işık şiddeti R, kW/m2
Panel sıcaklığı T, oC
Eğim açısı, derece
Sonuçlar
Maksimum güçün elde edildiği voltaj değeri, V
Maksimum güçün elde edildiği akım değeri, A
Maksimum güç, W
Verim, %
7. Kaynaklar
Rapor hazırlarken kullandığınız kaynakları mutlaka belirtiniz.
Paralel devre