mevcut yapılara uygulanan fotovoltaik sistemlerin

ANKARA - TURKIYE
MEVCUT YAPILARA UYGULANAN FOTOVOLTAİK SİSTEMLERİN İNCELENMESİ:
AFYONKARAHİSAR ÖRNEĞİ
INVESTIGATION OF THE PHOTOVOLTAIC SYSTEMS APPLIED TO EXISTING
BUILDINGS: THE CASE OF AFYONKARAHİSAR
Öğr.Gör. Abdil Karakana * ve Doç.Dr. Yüksel Oğuzb
a*
Afyon Kocatepe Üniversitesi, Dazkırı Meslek Yüksekokulu, Elektrik Bölümü, Afyonkarahisar, Türkiye, [email protected]
b *
Afyon Kocatepe Üniversitesi, Teknoloji Fakültesi, Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Afyonkarahisar, Türkiye, yukseloguz@
aku.edu.tr
Özet
Abstract
Hızla gelişen teknolojiyle elektrik enerjisi, insanlığın hayatında
vazgeçilmez bir yer almıştır. Elektrik enerjisi üretimi için fosil
yakıtların kullanımı sonrası çevreye zarar verdiği anlaşılmıştır.
İnsanlar elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak için çevreye en az
zarar verecek yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelmişlerdir.
Güneşten elektrik enerjisi üreten sistemler (fotovoltaik
sistemler) ham enerji kaynağına ücret ödenmemesi, işletme
sırasında personel giderlerinin az olması nedeniyle çok tercih
edilir yenilenebilir enerji kaynaklarıdır. Ayrıca az parçası olması
nedeniyle bakım giderlerinin düşük olmasında avantajları
arasındadır. Bu çalışmada dünya üzerinde mevcut yapılara
entegre edilmiş fotovoltaik sistemler incelenmiştir. İncelemeler
sonucunda bu sistemler eğik çatı, düz çatı ve cephe uygulamaları
olarak üç başlık altında toplanarak verimliliklerinin analizi
yapılmıştır. Bu uygulamaların en verimlisi olan eğik çatı
uygulaması örnek alınarak Afyonkarahisar’da üç farklı
teknolojiden faydalanılarak yapılmış (monokristal, polikristal
ve ince film) güneş panelleri yerleştirilmiştir. Güneş panellerinin
güçleri aynı seçilmiş ve yan yana montaj edilerek aynı güneş
ışığına maruz kalmaları sağlanmıştır. Yapılan mikro-denetleyici
kontrol kartı ve C# yazılımı ile güneş panellerinin üretim
verileri (gerilim ve güç) anlık olarak bilgisayardan izlenmiş
ve 10 sn aralıklarla access veri tabanına kayıt yapılmıştır. Bu
veriler kullanılarak daha sonra güneş panellerinin verimlikleri
hesaplanmış ve dünya örnekleri ile karşılaştırma yapılmıştır.
During the last decades, the developing in electricity rapidly
has taken place and has evolvedin the leatest technology.
The electricity has occuped significant place in the nowadays
life of humanity. After the using the fosil fuels for the
generation of electricity which has been produced by harming
the environment. People thought that the electricity should
minimize damage to the environment. To meet the seneccessity
by returning to renewable energy sources. The simplest system
that production of electricity from solar (photovoltaic systems)
when the payment of wagesto the rawenergy sources is not
expensive especially when renewable energy sources are the
most prefer red because of personel expenses are not high
during operation. Also more advantages are obtained because
of the low main tenance cost due to the less devices. In this
study, the world photovoltaic system integrated in to the
existing structure has been investigated. Review the sesystems
as a result of the inclinedroof, flat roof and wall applications
collected were analyzedunder three headings of efficiency.
Afyonkarahisar modeled inclined roofs has been chosenas
sample to use and utilizing these applications. Toget the most
efficient of the three different roofs technologies which has
been chosen as good sample (monocrystalline, polycrystalline
and thin film) was place das a solar panels. The power of solar
panels is provided by mounting the sameside as selected and
affected by the same sun lightre source. Developing the microcontroller control board and the C # software with production
data of solar panels (voltage and power) was followed instantly
Access the database from the computer and was recorded at
10-sec intervals. According to these data which are calculated
Anahtar kelimeler: Fotovoltaik Sistemler, Verimlilik Analizi,
Fotovoltaik Panel Çeşitleri
887
2nd International Sustainable Buildings Symposium
using the efficiency of the solar panels were compared with
same applications in most of places of the world.
Keywords: Photovoltaic Systems in Residential, Productivity
Analysis, Photovoltaic Types Productivity
1. Giriş
Fotovoltaik sistemler (PV) ilk olarak 1893 yılında Becquerel
tarafından, elektrolit içine daldırılmış elektrotlar arasındaki
gerilimin, elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu
gözlemleyerek bulunmuştur [1]. Fotovoltaik sistemlerin
bulunmasının bu kadar geçmişi olmasına rağmen kullanımı son
çeyrek asırda hızlı bir artış göstermiştir. 1970’li yıllarda yaşanan
büyük petrol krizi sonucu enerji maliyetleri yüksek oranda
artmıştır. Ayrıca fosil yakıtlar kullanılarak elektrik enerjisi
üretimi sonucunda çevre kirliliği, mevsimsel değişiklikler ve
küresel ısınma gibi çevresel felaketlere yol açtığı anlaşılmıştır.
İnsanoğlu bu nedenlerden dolayı yenilenebilir enerji
kaynaklarına yönelmiştir.
888
Güneş enerjisi, enerji potansiyelinin çok yüksek olması ve ham
enerji kaynağının ücretsiz olması nedeniyle en çok kullanılan
yenilenebilir enerji kaynakları arasındadır. Fotovoltaik
sistemlerin son çeyrek asırda kullanımının artmasının nedeni;
fotovoltaik sistemlerinin ana yapısını oluşturan yarı-iletken
malzemenin üretim teknolojisinde meydana gelen gelişmedir
[2]. Bu gelişmeler doğrultusunda günümüzde PV sistemler, uzun
yıllar öncesine kıyasla daha düşük maliyet ve çok daha yüksek
verimler çalışabilmektedir [3,4]. PV hücrelerin maliyetleri 1974
yılında yaklaşık 200$/Watt iken 2000’ li yıllarda bu değer 2$/
Watt seviyelerine düşmüş ve hale bu değer düşmektedir. İlk
üretildiği yıllarda PV modüller sadece küçük pil hücrelerinin
birleşimi ile oluşmaktaydı. Bugün ise günümüz teknolojisi
ile birlikte tek parça olarak üretilmekte ve yaklaşık otuz yıl
bakım gerektirmeksizin kullanılabilmektedir. Uzun ömürleri
sayesinde panellerin kullanılan yılbaşına düşün maliyetleri
düşük seviyelerde kalmaktadır [5,6].
Yapılan çalışmada dünyada mevcut binalarda kullanılan
fotovoltaik sistemler eğik çatı, düz çatı ve düz cephe sistemler
olarak üç başlık altında incelenmiştir. İncelemeler sonucu en
yüksek verim eğik çatı sistemlerinde olduğu anlaşılmıştır.
Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi çatısına
piyasada en çok kullanılan monokristal, polikristal ve ince
film güneş panelleri eğik çatı uygulaması doğrultusunda yan
yana montajı yapılmıştır. Mono-kristal, poli-kristal ve ince film
güneş panellerinin elektrik enerjisi üretimleri (volt-watt) anlık
olarak incelenmiştir. C# programı ile yapılan arayüz ile bütün
veriler bilgisayar ekranında görüntüle imkânı sunulmuştur.
Ayrıca güneş panellerinin hangisinin bu bölge için daha verimli
olduğunun anlaşılması için otomatik kaydetme ve manuel
kaydetme sekmeleri eklenmiştir. Otomatik kaydetme ile
istenilen zaman aralığında bütün veriler access veri tabanına
kaydetme yapılmıştır. Bu çalışmada 10sn zaman aralığı tercih
edilmiştir.
2. Güneş ve Güneş Enerjisi
Güneş dünyadan ortalama 149,6 milyon km uzaklıkta, 1.392x108
km çapında ve 1,99x1030 kg kütlesindedir [7]. Güneşin yüzey
sıcaklığı 6000 oK iç bölgelerde ise sıcaklığın 8x106 oK ile 40x106
o
K arasında değiştiği tahmin edilmektedir [8]. Güneş sonsuz
bir enerji kaynağı olup dünyadaki bütün enerjilerin kaynağıdır.
Güneşten dünyaya gelen yıllık enerji miktarı, dünyanın yıllık
enerji miktarının yaklaşık olarak 16.000 katıdır [7]. Dünyadaki
kurulu olan tüm enerji santrallerinin gücü güneşten dünyaya
gelen gücün çok altındadır. Güneşten gelen güç dünyada kurulu
olan nükleer santrallerin ürettiği toplam gücün 527.000 katıdır
[9]. Güneşin, dünya atmosferinin dışındaki enerjisi olarak
sabit olmakla birlikte yaklaşık 1370 W/m2’dir[10]. Bu değer
yeryüzünün farklı bölgelerinde güneşin geliş açısı, gölgelenme
ve güneşe uzaklığına bağlı olarak 0-1100 W/m2 arasında farklı
değerler almaktadır [11]. Bu enerjinin küçük bir kısmı bile,
insanlığın şuan kullanmış olduğu enerji kaynaklarından daha
fazladır [10].
Güneş enerjisinden günümüzde iki türlü yararlanılmaktadır.
Birincisi, konutların ve iş yerlerinin enerji ihtiyacının giderilmesi
için elektrik enerjisi üretiminde. İkincisi de, güneş enerjisi ısı
enerjisine dönüştürülerek yararlanılmaktadır [12].
2.1. Dünyada Güneş Enerjisi
Güneş enerjisinin çok etkili olduğu bölgeler; güneş ışınlarının yıl
içinde en uzun süre ve en iyi açıyla gelen ekvator bölgesidir. Bu
bölge güneş ışınlarından faydalanılarak elektrik enerjisi üretimi
için en ideal bölgedir. Ekvatordan kuzeye doğru gidildikçe
güneş ışığının geliş açısının düşmesi sebebiyle bu bölgelerdeki
güneş enerjisi daha düşük seviyelerdedir. Bu bölgeler güneş
enerjisi sistemleri için elverişli değildir. Ama güneşten elektrik
enerji üretim sistemleri için güneş ışınlarının dik olarak gelmesi
şart değildir. Güneş ışınları ne kadar dik ve uzun süre gelirse
sistemin verimi artmaktadır. Güneş enerjinin dünya üzerindeki
dağılımı Şekil 1’de görünmektedir.
Şekil 1. Güneş enerjinin dünya üzerindeki dağılımı [13].
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
2.2. Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli
Ülkemiz, coğrafi konum nedeniyle güneş enerjisi potansiyeli
bakımından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Enerji
İşleri Enstitüsü tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye’nin
yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat, günlük 7,2 saat,
ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m2-yıl ve günlük
ise 3,6 kWh’dir. Şekil 2’de Türkiye’nin güneşlenme haritası
görünmektedir.
oluşur. Genellikle yarı iletken olarak silikon kullanılmaktadır.
Tek güneş pilinden elde edilen elektrik enerjisi miktarı düşük
olmaktadır. Daha fazla enerji elde etmek için birden fazla
güneş pilinin bir araya getirilmesi ile güneş panelleri, panellerin
birlikte kullanımı ve diğer bileşenlerin eklenmesi ile de güneş
paneli sistemleri ya da güneş tarlaları oluşturulur [16]. Şekil
4’de güneş pili, güneş modülü, güneş paneli görünmektedir.
Şekil 4. Güneş pili, güneş modülü.
3.2. Fotovoltaik Paneller
Şekil 2. Türkiye’nin güneşlenme haritası [14].
2.3. Afyonkarahisar’ın Güneş Enerjisi Potansiyeli
Ülkemizin güneş enerjisi potansiyeli incelendiğinde birçok
ilimizin güneş enerjisi potansiyeli bakımından şanslı olduğu
görünmektedir. Afyonkarahisar’da bu iller arasında yer
almaktadır. Afyonkarahisar ilinin en az güneşlenme süresi
Aralık ayında 3,74 saat iken en çok Temmuz ayında 11,36
saattir. Şekil 3’de Afyonkarahisar’ın güneş enerjisi potansiyeli
görünmektedir.
Fotovoltaik paneller, güneş pillerinin bir araya getirilmesiyle
oluşur. Bir güneş pilinin sağladığı gerilim değeri yaklaşık 0,5V
civarındadır. Normal 12V akülerin şarj edilebilmesi için 14-18V
aralığında gerilime ihtiyaç duymaktadır. Bu sebepten dolayı
bir fotovoltaik panel yaklaşık 36 tane güneş pilinin bir araya
gelmesiyle oluşur. Bu değer yüke ve akünün şarj gerilimine
göre değişiklikler göstermektedir. Fotovoltaik paneller dış
ortamlarda kullanılmakta ve her türlü etkiye maruz kalmaktadır.
Güneş pillerinin yapıları da dikkate alındığında güneş pilleri bir
araya getirilirken, dış etmenlerin, pillere ve bağlantılara etkisi
en aza indirecek bir şekilde yapılması gerekmektedir. Ayrıca
fotovoltaik panel oluşturulurken diğer bir etmende güneş
pillerini korumak için kullanılacak olan ön saydam malzemenin
güneş ışınını en az seviyede yansıtan malzemeden olması
gerekmektedir. Böylelikle güneş pilleri daha çok güneş ışınına
maruz kaldıklarından daha verimli çalışabileceklerdir [16]. Şekil
5’de güneş pillerinin çalışma prensibi görünmektedir.
Şekil 3. Afyonkarahisar’ın güneş enerjisi potansiyeli [15].
3. Güneş Pilleri ve Fotovoltaik Sistemler
Fotovoltaik, fotonlar tarafından aydınlatılan özel yarı
iletken düzeneklerinden doğrudan elektrik enerjisi üretebilen
teknolojiye verilen addır. Fotovoltaik teknoloji ile güneş
enerjisinden, doğrudan elektrik elde edilmesi için tasarlanan
düzenekler güneş pili olarak adlandırılır. Günümüzde güneş
pillerinin geniş kullanım alanları mevcuttur [16].
Şekil 5. Güneş pili çalışma prensibi.
3.1. Güneş Pilleri
3.3. Fotovoltaik Panel Çeşitleri
Güneş pili, fotovoltaik etki ile güneş enerjisini doğrudan
elektrik enerjisine çeviren düzeneğe verilen isimdir. Tipik bir
güneş pili, iki yada daha fazla ince yarı iletken katmandan
Fotovoltaik piller; kristal silikon piller, ince film pil, amorf
silikon piller, bakır indiyum diselenit pil ve diğer piller olmak
üzere beş guruba ayrılır.
889
2nd International Sustainable Buildings Symposium
3.3.1. Kristal Silikon Piller
Kristal silikon yapılı pillerin en önemli hammaddesi silisyumdur.
Silisyum oksijenden sonra doğada en çok bulunan elementtir.
Doğada bulunan silisyum saf halde değildir. Silisyum güneş
pillerinin yapısında kullanılabilmesi için saflaştırılması
gerekmektedir. Saflaştırma işleminin yapılması için,
silisyumdioksit (SiO2) bileşiğinin yüksek sıcaklıkta ısıl işlem
uygulanarak bileşiklerinden ayrılması gerekmektedir [17].
Silisyumun bu kadar işleme tutulup saflaştırılmasının sebebi;
silisyum atomunun optik, yapısal ve elektriksel özelliklerinin
uzun süre 20-30 yıl değişmemesidir. Bu nedenlerden dolayı
silisyum güneş pili üretiminde en çok kullanılan elementtir
[18]. Kristal silikon güneş pilleri; mono-kristal ve poli-kristal
pil olmak üzere ikiye ayrılır.
3.3.1.1. Mono-Kristal Silikon Piller
Mono-kristal silikon piller güneş pili üretim teknikleri arasında
en eski ve en pahalı yöntemdir. Buna rağmen günümüzde en
yüksek verimlilik değerine sahiptir. Piyasada mevcut monokristal silikon pillerin verimlikleri %15-%18 arasında değişiklik
gözlenmektedir [19]. Bu değer güneş pilinin kullanım yerine,
maruz kaldığı güneş ışınlarının açısı ve değerine göre değişiklik
göstermektedir. Şekil 6’da mono-kristal silikon güneş pili
gösterilmektedir.
engelleyici cam varsa mavi renkte görünmektedir, yansımayı
engelleyici cam yoksa gümüş rengindedir [20]. Şekil 7’de polikristal silikon güneş pili gösterilmektedir.
Şekil 7. Poli-kristal silikon güneş pili.
3.3.2. İnce Film Piller
İnce film güneş pilleri; üzerine düşen güneş ışınlarını kullanma
özelliği iyi olan maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta
yapılırlar. Örnek verilirse; amorf silisyum güneş pillerinin
absorbsiyon katsayısı kristal güneş pilleri katsayısından daha
fazladır. Dalga boyu katsayısı 0,7 mikrondan daha az olan
bir bölgedeki güneş radyasyonunu emmek için 1000 mikron
kalınlığında amorf silisyum gerekli iken, kristal silisyum ile
aynı radyasyonu emmek için 5000 mikron kalınlıkta malzeme
kullanılması gerekmektedir [21]. Şekil 8’de ince film güneş pili
gösterilmektedir.
890
Şekil 8. İnce film güneş pili.
Şekil 6. Mono-kristal silikon güneş pili.
3.3.1.2. Poli-Kristal Silikon Piller
Poli-kristal silisyum üretimde kullanılan yöntem mono-kristal
silisyum yöntemine benzemektedir [18]. Poli-kristal yapılı
silisyum eriyik haldeki yarı iletken silisyumun kalıplarda
soğutulması ile elde edilir. Soğuyan yarı iletken, monokristal
güneş pili yapımında olduğu gibi dairesel, dikdörtgen veya
çokgen olacak şekilde ve kalınlığı 0,2-0,3mm kalınlıklarında
dilimlenmektedir. Daha sonra yarı iletken malzemeler bir araya
getirilerek bağlantılar yapılır ve birbirlerine ayrılmayacak
şekilde özel yapıştırıcılar ile tutturulur. En son işlem olarak
ta yansıma önleyici cam tabaka yapıştırılarak güneş pili
oluşturulur. Poli-kristal silisyum üretiminde Czochralsi yöntemi
veya başka bir saflaştırma yöntemi kullanılmadığından oluşan
poli-kristal silisyumlar homojen değildir [18]. Bundan dolayı
poli-kristal güneş pillerinin verimlilikleri mono-kristal güneş
pillerine göre daha düşüktür. Poli-kristal silisyumun yapımında
kolay olmasından dolayı fiyatları mono-kristal güneş pillerine
göre daha düşüktür. Poli-kristal güneş pillerinde yansımayı
3.3.3. Amorf Silikon Piller
Amorf silikon güneş pillerin silikonları çok ince tabakalardan
oluşmaktadır. Bu pilleri oluşturmak içi gerekli ısı, kristal
silikonlar piller için gerekli ısıdan çok daha düşüktür. Bundan
dolayı amorf silikon hücreleri üretmek çok daha ucuzdur.
Laboratuar ortamında bu pillerin verimlilikleri % 10 civarında
iken piyasada kullanılan pillerde bu verimlilik %5 ile %7 arasında
değişmektedir. Bundan dolayı bu piller enerji ihtiyacının çok
fazla olmadığı yerlerde tercih edilirler. Günümüzde en çok küçük
elektronik cihazların güç kaynağında kullanılırlar. En önemli
kullanım alanı ise binalarda entegre olarak yarı saydam cam
yüzeylerde, binanın dış cephelerinde kullanılırlar. Maliyetleri
düşük olmasına karşın verimlilikleri de düşüktür [22].
3.3.4. Bakır İndiyum Diselenit Piller
Periyodik tablonun birinci, üçüncü ve altıncı gruptan
elementlerin en az üçünün bir araya gelmesi ile oluşan bu bileşik
yarı iletkenlerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup,
yasak enerji aralıkları güneşin spekturumu ile ideal bir şekilde
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
uyuşacak biçimde ayarlanabilir. Bakır, indiyum ve selenyumdan
yapılan üçlü bileşik (CuInSe) yarı iletkenle başlayan bu grup
CIS güneş pilleri olarak anılır. Laboratuar ortamında en yüksek
%20 verim seviyelerine ulaşılmıştır. 900cm2 yüzey alana sahip
modüllerin verimlikleri %15 civarındadır [23].
3.4. Fotovoltaik Sistemler
Fotovoltaik sistemi, istenilen akım ve gerilimi sağlayacak
adette fotovoltaik panelin ve tamamlayıcı malzemelerin
bir araya getirilmesi ile oluşmaktadır. Şekil 9’da fotovoltaik
sistemin temel çalışma prensibi gösterilmiştir. Fotovoltaik
sistemler açık hava kullanımı için üretilmişlerdir. Bundan dolayı
deniz şartlarına tropikal şartlara ve çöl şartlarına dayanıklıdır.
Şekil 9’da fotovoltaik sistemin temel çalışma prensibi
gösterilmektedir.
Şekil 11. On-grid sistemin genel şematik çizimi.
3.4.3. Hibrit Sistemler
Fotovoltaik panellere ek olarak bir ya da birden fazla
elektrik üretim sistemin birleşimi sonucu oluşan sistemlere
hibrit sistemler denir. Hibrit sistemlerde ilk enerji üreticisi
fotovoltaik panellerdir. İkincil veya daha sonra ki enerji kaynağı
yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgâr enerjisi olabileceği
gibi dizel jeneratörler ve şebeke de olabilir [25]. Şekil 12’de
hibrit sistemin genel şematik çizimi gösterilmiştir.
Şekil 12. Hibrit enerji üretim sisteminin genel şematik
çizimi.
Şekil 9. Fotovoltaik sistemin temel çalışma prensibi [21].
Fotovoltaik enerji sistemleri şebekeden bağımsız (off-grid) ve
şebekeye bağlı (on-grid) sistemler olarak ikiye ayrılmaktadır.
3.4.1. Off-Grid Sistemler
Elektrik dağıtım şebekelerinden bağımsız olarak çalışan
sistemlerdir. Bu tip sistemlerde üretilen enerji, akü gruplarında
depo edilmekte ve bu depo edilen enerji inverterler vasıtasıyla
şebeke gerilimine dönüştürülmektedir. Şekil 10’da off-grid
sistemin genel şematik çizimi gösterilmiştir [21].
4. Fotovoltaik Panellerin Mimaride Kullanımı
Fotovoltaik paneller mimaride yapının bir çok farklı bölümüne
entegre edilebilir. Fotovoltaik paneller binaya yapım
aşamasında montaj yapılacağı gibi mevcut olan bir yapıya
daha sonrada eklenebilir. Fotovoltaik panellerin binaya
uygulanması panelin cinsine ve uygulanma şekline göre
değişiklik göstermektedir. Fotovoltaik paneller çerçeve sistem
veya yapıştırma olarak binaya uygulanmaktadır. Çerçeve
sistemlerde fotovoltaik panel alüminyum bir çerçevenin içine
alınarak binaya monte edilmektedir. Yapıştırma sistemi ise İnce
film panellerde uygulanmaktadır.
Fotovoltaik panellerin en yüksek verimlilikte çalışabilmesi için
güneş ışınlarını en dik ve en uzun sürede alabilecek şekilde
binaya montajı yapılması gerekmektedir. Fotovoltaik panel
uygulaması yapılan bina kuzey yarım kürede ise paneller
güneye, güney yarım küredeyse kuzeye bakmalıdır [11].
Şekil 10. Off-grid sistemin genel şematik çizimi.
3.4.2. On-Grid Sistemler
Elektrik dağıtım şebekelerinin aktif olduğu ve şebeke ile
karşılıklı elektrik enerjisi alış veriş imkânı sağlayan sistemlere
denir. On-grid sistemlerde çift yönlü sayaçlar vardır. Böylelikle
fazla üretilen enerji şebekeye verilmekte, elektrik enerjisi
ihtiyacı olduğunda da şebekeden alınmaktadır. Şekil 11’de ongrid sistemin genel şematik çizimi gösterilmiştir [24].
Fotovoltaik paneller binalarda eğik çatı, düz çatı ve cephede
olmak üzere üç çeşit uygulamada yapılmaktadır.
4.1 Eğik Çatı Fotovoltaik Uygulamaları
Eğik çatıda fotovoltaik sistemin uygulanabilmesi için; çatının
uygulama yapılabilmesi için müsait olması ve sistemin yükünün
taşıyabilecek güçte olması gerekmektedir. Fotovoltaik
sistemin verimliliğini arttırmak için uygulama çatının güneş
gören tarafına yapılır.
891
2nd International Sustainable Buildings Symposium
4.1.1. MFH Amsterdam Sokağı
Almanya’nın Köln kentinde bulunan apartmanın çatısının
eğimine göre monte edilen bir fotovoltaik panel sistem
uygulamasıdır. Sistem mevcut binaya 2005 yılında sonradan ve
çerçeve sistem olarak entegre edilmiştir. Sistem çok kristalli
silisyum panellerden oluşmakla birlikte toplam gücü 27 kW
olup yıllık üretimleri 25000 kWh’dir [26]. Şekil 13’de montajı
yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.
Şekil 15. Panelin genel görünüşü [29].
4.1.4. Belfast Sosyal Konutları, Kuzey İrlanda
Şekil 13. Panelin genel görünüşü [27].
4.1.2. Gröding Huzurevi, Avusturya
892
Kuzey İrlanda’da 3 bloktan oluşan sitede 2003 yılında
sonradan montajı yapılmıştır. Binanın çatısı panellerin yükünü
kaldıramayacağından tekrar yapılmıştır. Sistemin kurulu gücü
51 kW olup yıllık üretimi 36000 kWh’dir. Sistemde tek kristalli
silisyum panel kullanılmıştır [26]. Şekil 16’da montajı yapılan
panelin genel görünüşü görünmektedir.
Avusturya’da 102 daireden oluşan sosyal evlerin eğik çatısına
2003 yılında uygulanmıştır. Uygulanan sistemin gücü 30 kW’dir.
Çerçeveli sistem olarak uygulanan sistemde çok kristalli
silisyum paneller kullanılmıştır. Panellerin yıllık üretimleri 27
000 kWh olarak ölçülmüştür [26]. Şekil 14’de montajı yapılan
panelin genel görünüşü görünmektedir.
Şekil 16. Panelin genel görünüşü [30].
4.2 Düz Çatı Fotovoltaik Uygulamaları
Çatının olmadığı binalarda bir mekanizma yerleştirilerek
fotovoltaik sistemin güneş ışınlarını daha dik ve uzun süre
alması sağlanır. Böylelikle sistemin verimliliği arttırılır.
4.2.1. OPHLM Montreil Apartmanı, Fransa
Şekil 14. Panelin genel görünüşü [28].
4.1.3. Energossa Villası, Almanya
Almanya’nın Freburg kentinde 2006 yılında villanın eğik çatısı
üzerine sonradan entegre edilmiştir. Sistemin kurulu gücü 11
kw olup yıllık üretimi 10300 kWh’dir. Paneller çerçeve sistem
olarak villanın güney cephesine uygulanmıştır. Sistemde çok
kristalli silisyum paneller tercih edilmiştir [26]. Şekil 15’de
montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.
Fransa’nın Paris kentinde bulunan apartmanın düz çatısına
2002 yılında montajı yapılmıştır. Sistemde 200 adet toplam 220
metrekare yüzey alnına sahip çok kristalli silisyum paneller
kullanılmıştır. Kurulu güç 22 kW olup yıllık üretim 22500
kWh’dir. Sistem çatıya kutu profiller üzerine makas sistemi
kullanılarak monte edilmiştir [26]. Şekil 17’de montajı yapılan
panelin genel görünüşü görünmektedir.
Şekil 17. Panelin genel görünüşü [31].
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
4.2.2. Hazama-su Konutları, Japonya
Japonyanın 4. büyük kenti olan Nagoya kentinde bulunan 8
adet binanın çatısına 2000 yılında entegre edilmiştir. Sistemden
elde edilen elektrik binaların ortak alan giderlerinde hollerde
ve asansörlerde kullanılmıştır. Sistemin çok kiristalli silisyum
paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 203 kW olup
yıllık üretimi 214996 kWh’dır [26]. Şekil 18’de montajı yapılan
panelin genel görünüşü görünmektedir.
kW olup yıllık üretimi 59050 kWh’dır [26]. Şekil 20’da montajı
yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.
Şekil 20. Panelin genel görünüşü [34].
4.3.2. Wilmersdorfer Sokağı, Almanya
Şekil 18. Panelin genel görünüşü [32].
4.2.3. Huvudsta, İsveç
İsveç’te 1984 yılında kurulan sistem ülkenin en eski sistemidir.
Sistem güney-güney doğuya bakacak şekilde binanın çatısına
montaj edilmiştir. Sistem kullanılan bağlantıların nemlenmesi
ve inverter teknoloji eski olması nedeniyle bağlantılar ve inveter
değiştikten sonra verim %70 oranında artmıştır. Sistemin çok
kristalli silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu
gücü 2,1 kW olup yıllık üretimi 1750 kWh’dır [26]. Şekil 19’da
montajı yapılan panelin genel görünüşü görünmektedir.
Şekil 19. Panelin genel görünüşü [33].
Almanya’da 2001 yılında apartmanın güney cephesinin
uygulanmıştır. Sistemde toplam 230 metre kare yüzey alanına
sahip çok kristalli silisyum panelleri kullanılmıştır. Binada
enerji kaybını azaltmak için izolasyon kullanılmış ve balkonlar
cam ile kaplanmıştır. Sistemin kurulu gücü 51 kW olup yıllık
üretimi 29195 kWh’tir [26]. Şekil 21’de montajı yapılan panelin
genel görünüşü görünmektedir.
893
Şekil 21. Panelin genel görünüşü [35].
4.3 Çephede Fotovoltaik Uygulamaları
5. Materyal Ve Yöntem
Çatının olmadığı ve binanın güneşe bakan tarafının müsait
olduğu durumlarda kullanılır. Bu uygulama ile elektrik enerjisi
üretilirken aynı anda binaya estetik bir görünüş kazanılmıştır.
Dünya üzerindeki fotovoltaik panelleri incelendiğinde en iyi
sonuçların eğik çatı üzerine yapılmış sistemler almaktadır.
Gerçekleştirilen çalışmada bu göz önüne alınarak Afyon
Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesi çatısına güneş
ışınlarını en iyi alabilecek şekilde eğik olarak yerleştirilmiştir.
Çatıda izolasyon kaplaması olduğu için paneller duvara montaj
edilmiş ve kurulu olan sistem Şekil 22’de görünmektedir.
Sistemde monokirstal, polikristal ve ince film paneller
kullanıldı. Panel güçleri aynı seçilmiş ve güneş ışınlarını aynı
alması için yan yana montajı yapılmıştır.
4.3.1. La Darnaise, Fransa
Fransa’nın Lyon kentinde 1960 yılında yapılan 11 adet binaya
2005 yılında fotovoltaik paneller entegre edilmiştir. Binaların
çatısında güneş kolektörleri olması nedeniyle binanın güney
doğuya bakan cephesi tercih edilmiştir. Sistemin çok kiristalli
silisyum paneller kullanılmış olup, sistemin kurulu gücü 92
2nd International Sustainable Buildings Symposium
5.3. Mikro-denetleyici, USB ve Sensör Kartı
Gerilim ve akım sensörlerinden gelen analog verileri digital
veriye dönüştürmek ve bu verileri bilgisayara göndermek
için PIC18F4550 mikro denetleyici kullanılmıştır. Şekil 25’de
tasarlanan ve uygulaması yapılan mikro-denetleyici, USB ve
sensör kartı görülmektedir.
Şekil 22. Üç farklı güneş panelin görünüşü.
5.1. Gerilim Sensörü
Mono-kristal, poli-kristal ve ince film güneş panellerinin
ürettikleri gerilimi ölçmek ve bilgisayara aktarmak için PIC
mikro denetleyicisi kullanılmıştır. Bu mikro denetleyicisi yapısal
olarak 0V ile 5V arasındaki gerilim değerlerini ölçebilmektedir.
Bu nedenle Şekil 23’de görülen gerilim bölücü devre, güneş
panellerinin ürettikleri gerilimleri mikro denetleyicinin
ölçebileceği sınırlara indirgemek için kullanılmıştır.
894
Güneş panelinin uçlarına 10KΩ ve 470Ω olmak üzere iki adet
seri direnç bağlanmıştır. 470Ω üzerine düşen gerilim mikrodenetleyicinin giriş ucuna uygulanmıştır. Böylelikle güneş
panellerinde üretilen gerilim aşağıdaki formülde verilen oranda
indirgenmiş hali mikro denetleyici karta uygulanmıştır.
Şekil 23. Gerilim bölücü devre
5.2. Akım Sensörü
Güneş panellerinden çekilen akımın ölçülmesi için LEM LA55P akım sensörü kullanılmıştır. Bu akım sensörü sayesinde
50 ampere kadar ölçüm yapılabilmektedir. Dönüşüm oranı
1:2000dir. Şekil 24’de LEM LA 55-P akım sensörü görünmektedir.
Şekil 24. LEM LA 55-P akım sensörü
Şekil 25. Mikro-denetleyici, USB ve sensör kartı
5.4. Bilgisayar Arayüzü
Mikro-denetleyiciden gelen digital verileri bilgisayar ekranın
görüntülemek için C# programı ile hazırlanmış olan ara yüz
Şekil 26’da görünmektedir. Güneş panellerinin elektriksel
verileri ve güç ölçümlerini anlık olarak ekranda gösterilmiştir.
İstenilmesi halinde ölçülen verileri veri tabanına el ile veya
ayarlanan zaman aralıklarında kaydedilmesi yapılabilmektedir.
Gerçekleştirilen uygulamada güneş panellerinden elde
edilen veriler 10 saniye aralıklar ile kaydedilmiştir. Yapılan
bu ölçümlerde çevresel hataları en aza indirmek için güneş
panellerinin güçleri, bağlantı aparatları ve kablo uzunlukları
aynı seçilmiştir.
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
Şekil 26. C# ile hazırlanmış program ara yüzü
6. BULGULAR
Afyon Kocatepe Üniversitesi Teknoloji Fakültesinin çatısında
kurulu olan monokristal, polikristal ve ince film güneş
panellerinden oluşan sistemde 01/10/2014 tarihinde güneşin
doğduğu ve battığı saatleri arasında üç farklı güneş panelinin
üretmiş olduğu gerilimleri volt olarak Şekil 27’de güç değerleri
waat olarak Şekil 28’de ise gösterilmiştir.
895
Şekil 28. Fotovoltaik panellerde üretilen güç (akım) grafiği
(İF_İnce Fil Güneş Paneli, MK_Monokristal Güneş Paneli
ve PK_Polikristal Güneş Paneli)
Güneş panellerinin bir günlük toplam üretimleri (Wh) Şekil
29’da gösterilmiştir. Şekil 30’de ise bu üretimlerini yüzdelik
olarak karşılaştırmalı grafiği verilmiştir.
Şekil 27. Güneş panellerinin gerilim (volt) değerleri. (İF_
İnce Fil Güneş Paneli, MK_Monokristal Güneş Paneli ve
PK_Polikristal Güneş Paneli)
Şekil 28. Fotovoltaik panellerde bir günde üretilen güç
(Wh) grafiği
2nd International Sustainable Buildings Symposium
Kaynaklar
Şekil 30. Fotovoltaik panellerde bir günde üretilen güç
(Wh) yüzdelik olarak karşılaştırma grafiği
Yukarıda verilerden görüldüğü gibi mono-kristal ve poli-kristal
güneş panellerinin üretmiş oldukları gerilimler ve güçler
birbirlerine çok yakındır. İnce fil güneş paneli üretmiş olduğu
gerilim mono-kristal ve poli-kristal güneş paneline göre iki
kat daha büyük olmasına rağmen çıkış akımı çok düşüktür. Bu
sebepten dolayı ince fil güneş panelinin çıkış gücü mono-kristal
ve poli-kristal güneş panellerinin yarısında kalmıştır.
Güneş panellerinin boyutları incelendiğinde; mono-kristal
güneş paneli en az yer kaplayan güneş panelidir. Poli-kristal
güneş paneli mono-kristal güneş paneline göre %1-2 daha fazla
yer kaplamaktadır. İnce fil güneş paneli en çok yer kaplayan
güneş panelidir. Yaklaşık olarak mono-kristal güneş panelinin
2-3 katı yer kaplamaktadır.
896
7. SONUÇ
Fosil yakıtların giderek tükenmesi ve hava kirliliği yaratıp
çevreye zarar vermesi insanları yenilenebilir enerji
kaynaklarının kullanımına yönlendirmiştir. Yenilenebilir enerji
kaynakları gelişmiş ülkelerde enerji üretiminde kullanılırken
bu kaynaklar ülkemizde yeteri kadar ilgiyi görmemekte ve
kullanılmamaktadır. Bu kaynakların en önemlilerinden olan
güneş enerjisinin sonsuz ve kolay erişilebilir olması, güneş
pilleri sayesinde doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülmesi
tercih sebeplerindendir. Ülkemizde kullanılmama sebeplerinin
en önemlisi sistem maliyetinin özellikle fosil kaynaklara göre
daha fazla olmasıdır.
Dünyada kullanılan fotovoltaik sistemler incelendiğin eğik
çatı, düz çatı ve cephe sistemleri olarak üç uygulaması
bulunmaktadır. Eğik çatı uygulaması verimlilik bakımından en
iyi sonucu veren uygulamadır. Gerçekleştirilen sistemde de eğik
çatı uygulanmıştır. Fotovoltaik sistemlerin en önemli parçası
güneş pilleridir. Güneş pillerinde üretildikleri yarı iletkene göre
verimliliklerinde değişiklik göstermektedir. Gerçekleştirilen
sistemde monokristal, polikristal ve ince film güneş panelleri
kullanılmıştır. Güneş panellerinin üretim gerilim (volt) güçleri
(waat) anlık olarak izlenmiş ve 10 saniye aralıklarla bilgisayara
kaydedilmiştir. Kaydedilen veriler işlendiğinde monokristal
ve polikristal güneş verilerinin sonuçları birbirine çok yakın
çıkmıştır. İnce film güneş panelinin üretimi ise monokristal ve
polikristalin üretimlerinin yarısında kalmıştır.
[1]. Erkul, A., “Monokristal, Polikristal ve Amorf-Silisyum Güneş
Panellerinin Verimliliğinin İncelenmesi ve Aydınlatma Sistemi
Uygulaması”, Yüksek Lisans Tezi, Gazi Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Ankara, Türkiye, (2010). (Danışman: M.C. Taplamacıoğlu).
[2]. Kıyanciçek. E., “Fotovoltaik Sistemlerin Boyutlandırılması İçin PSV2
Paket Programının Gerçekleştirilmesi” Yüksek Lisans Tezi, Selçuk
Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik-Elektronik Mühendisliği
Anabilim Dalı, Konya, Türkiye, (2013). (Danışman: A. A. Kulaksız).
[3]. Özsoy.,M.F., ”Hibrit Rüzgar-Güneş Enerji Üretim Sistemi İle Bir Elektrik
Laboratuarının Genel Aydınlatma Tasarımı” Yüksek Lisans Tezi, Afyon
Kocatepe Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Elektrik Eğitimi Anabilim
Dalı, Afyonkarahisar, Türkiye, (2011). (Danışman: Y. Oğuz).
[4]. Abdelkader, M. R., Al-Salaymeh A., Al-Hamamre, Z. And Sharaf F.” A
Comparative Analysis Of The Performance Of Monocrystalline and
Multiycrystalline PV Cells In Semi Arid Climate Conditions: The Case
Of Jordan “, Jordan Journal Of Mechanical And Industrial Engineering,
Volume 4 Number 5, Pages 543-552, 2010.
[5]. Ghazali, A., Rahman, A.M. “ The Performance Of Three Different Solar
Panels For Solar Electricity Applying Solar Tracking Device Under The
Malaysian Climate Condition “ Energy And Environment Research,
Volume 2 Number 1, Pages 235-243, 2012.
[6]. Bergmann, R.B., Berge, C., Rinke, T.J., Schmidt, J., Werner, J.H. .
“Advances In Monocrystalline Si Thin Film Solar Cells By Layer
Transfer “Solar Energy Materials &Solar Cells, Volume 74 Issues 1-4,
Pages 213-218, 2002.
[7]. Erkınay, P. U. “Yenilenebilir Enerji Kaynaklarından Rüzgâr Enerjisinin
Binalarda Kullanımı Üzerine Bir İnceleme”, Yüksek Lisans Tezi,
Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı,
Adana, Türkiye, (2012). (Danışman: İ. Yeğingil).
[8]. Koryürek, E. “Fotovoltaik Sistemlerin Binalarda Kullanımı”, Yüksek
Lisans Tezi, Yıldız Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Makina
Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, (2008). (Danışman: S. H. Sevilgen).
[9]. http://web.boun.edu.tr/meteroloji/yenerji.php (Erişim Tarihi: 6 Şubat
2015)
[10]. Yıldırım, T., “Güneş ve Rüzgar Enerjisi Veri Toplama Sisteminin
Geliştirilmesi“ Yüksek Lisans Tezi, Hacettepe Üniversitesi Fen
Bilimleri, Temiz Tükenmez Enerjiler Anabilim Dalı, Ankara, Türkiye,
(2008). (Danışman: Y. Kaplan).
[11]. Varınca, K. B., “Türkiye’de Güneş Enerjisi Potansiyeli ve Bu
Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlığı Üzerine Bir
Araştırma“ I. Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi. Eskişehir,
Türkiye, 270-275 (2006)
[12]. Altın, M., “Yeni Yapı Malzemesi Fotovoltaik Paneller, Özellikleri ve
Tarihçesi” 2. Ulusal Yapı Malzemesi Kongresi ve Sergisi, (2012)
[13]. http://www.gridovate.com/wp-content/uploads/2012/04/DLR-GlobalMap-of-Solar-Radiation.jpg (Erişim Tarihi: 5 Ocak 2015)
[14]. http://www.eie.gov.tr/MyCalculator/Default.aspx (Erişim Tarihi: 5 Ocak
2015)
[15]. http://www.eie.gov.tr/MyCalculator/pages/3.aspx (Erişim Tarihi: 5
Ocak 2015)
[16]. Çolak., S.Ç., “Fotovoltaik Paneller Yardımı İle Güneş Enerjisinden
Elektrik Enerjisi Üretiminin Maliyet Analizi Ve Gelecekteki
Projeksiyonu“ Yüksek Lisans Tezi Yıldız Teknik Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, 2010
[17]. Upadhyaya. A.,Yelundur. V.,Rohatg. A.,”High Efficiency Mono-Crystalline
Solar CellsWith Simple ManufacturableTechnology” Gerorgia Institute
of Technology, 2006
[18]. Muntasser, M.A. , Bara, M.F.,Quadri , H.A., EL Tarabelsi, R. ve La-azeb,,
I.F., “Photovoltaics marketing İn DevelopingCountries”, AppliedEnergy,
Cilt 65, Sayfa 67-72, 2000
[19]. Yumurtacı, Z.,Dönmez, A.H., “Konutlarda Enerji Verimliliği” Mühendis
Ve Makine Dergisi, Cilt 54 Sayı 637 Sayfa 38-43, 2013
[20]. Mete Ç.,Metin Ç., “Gökçeada’da Şebekeden Bağımsız Bir Fotovoltaik
Güç Sistemi Benzetimi Ve Karşılaştırmalı Gerçek Performans
İncelemesi” Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt
19, Sayı 5, Sayfalar 201-208, 2013
[21]. K. Başaran, K.,Çetin, N.S, Çelik, H. “Rüzgar-Güneş Hibrit Güç Sistemi
Tasarımı Ve Uygulaması” 6. International Advanced Technologies
Symposium (IATS’11), Sayfa 114-119, 2011
28 - 30th May 2015 | Ankara - TURKIYE
[22]. Bedeloğlu A., Demir B. ve Bozkurt Y. “Fotovoltaik Teknolojisi:Türkiye
ve Dünyadaki Genel Durumu, Genel Uygulama Alanları ve Fotovoltaik
Tekstiller”, Tekstil Teknolojileri Elektronik Dergisi, Cilt 4(2), Sayfa
43-58, 2010
[23]. Aydöner, D., “Binaya Entegre Fotovoltaik Sistem Tasarım ve
Uygulaması”, Yüksek Lisans Tezi, Gebze Yüksek Teknoloji Enstitüsü,
Fen Bilimleri Enstitüsü, Malzeme Bilimi ve Mühendisliği Anabilim Dalı,
Kocaeli, Türkiye, (2010). (Danışman: A. Ata).
[24]. Mutlu, A., “Fotovoltaik Çatı Sistemlerinin Tasarımı İçin Bir Model
Önerisi”, Yüksek Lisans Tezi, İstanbul Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri
Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, İstanbul, Türkiye, (2010). (Danışman:
N. Türkeri).
[25]. K. Başaran, K.,Çetin, N.S, Çelik, H. “Rüzgar-Güneş Hibrit Güç Sistemi
Tasarımı Ve Uygulaması” 6. International Advanced Technologies
Symposium (IATS’11), Sayfa 114-119, 2011
[26]. Aygün, O. D.,. “Mevcut Yapılara Fotovoltaik Panel Sistemlerin Enteger
Edilmesi, İzmir Örneği”, Yüksek Lisans Tezi, Çukurova Üniversitesi Fen
Bilimleri Enstitüsü, Mimarlık Anabilim Dalı, Adana, Türkiye, (2012).
(Danışman: İ. Yeğingil).
[27]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_detailsmore.php?ID=268
(Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)
[28]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_detailsmore.php?ID=359
(Erişim Tarihi: 20 Ocak 2015)
[29]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=233 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
[30]. http://www.pvdatabase.org/urban_view_details.php?ID=2 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
[31]. http://www.pvdatabase.org/urban_view_details.php?ID=4 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
[32]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=69 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
[33]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=371 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
[34]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=278 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
[35]. http://www.pvdatabase.org/projects_view_details.php?ID=299 (Erişim
Tarihi: 20 Ocak 2015)
897