Gunes pilleri

1.GİRİŞ

İnsanların güneş enerjisinden teknolojik olarak yararlanması, yani güneş enerjisini kendi
geliştirdiği yollarla başka enerjilere dönüştürmesi, bir hayli eskilere dayanır. Bilinen ilk
uygulamalardan biri, Arşimed’in Sirakuza’da güneş ışınlarını büyük aynalarla yoğunlaştırarak
düşman gemilerine odaklaması ve onları yakması olarak bilinir.

17.yy da, yine aynalarla güneş ışınlarının yoğunlaştırılarak odun yığınlarının yakılmasında
kullanıldığı, 18.yy da yoğunlaştırılmış güneş ışınlarının kimyasal tepkimelerde ve güneş
ocaklarında kullanıldığı görülür. 19.yy da güneş enerjisi uygulamaları artmıştır.
Yoğunlaştırılmış güneş enerjisi ile metal eritme, su dağıtma, buhar üretme, güneşle çalışan
buhar makinası, baskı makinası gibi yapılan çalışmalar, uygulama örnekleri olarak
gösterilebilinir.

20.yy da insanların yaşamına giren petrol, güneş enerjisi kullanımıyla ilgili gelişmeleri bir
ölçüde frenlemiştir. Bununla birlikte, 1974’deki yapay petrol bunalımı ve petrol fiyatlarının
artması sonucu güneş enerjisi üzerindeki çalışmalar, yeniden hız kazanmıştır. Özellikle
evlerde sıcak su sağlanmasında güneş toplaçları kullanımı bu yüzyılda yaygınlaşmıştır. Yine,
yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin kullanıldığı güneş santralleri bu yüzyılda yapılmaya
başlanılmıştır.

1954 yılında Bell laboratuarında güneş pillerinin geliştirilmesi ile güneş pilleri güneş
enerjisini doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım
alanları bulmuşlardır. Güneş pillerinin ilk büyük ölçekli uygulama alanı, uzay çalışmalarında
olmuştur. Uzay araçlarına enerji sağlamada bu piller en uygun araçlar olmuşlardır. Önceleri
küçük ölçeklerde çeşitli yerlerde kullanılan güneş pilleri giderek daha geniş kullanım
alanlarına yayılmışlardır. Yaygın kullanımla birlikte bu pillerin fiyatları da oldukça
düşmüştür. Bu gün bu pillerle çalıştırılan güneş otomobilleri, güneş uçağı, elektrik şebekesine
uzak yerlerdeki uygulamalar, güneş pilleri ile çalışan elektrik santralleri bulunmaktadır.

Günümüzde yapılan çalışmalarla güneş pillerinin verimliliği arttırılmaya, maliyetleri
azaltılmaya ve daha yaygın kulanım alanları bulunmaya çalışılmaktadır. Çünkü güneş enerjisi
çevreye asla zarar vermeyen, taşınma sorunu olmayan, sınırsız ve bedava bir enerji
kaynağıdır. Laboratuar koşullarında bile günümüzde en kaliteli güneş pillerinin veriminin
%24.5 olduğu göz önüne alınırsa daha uzun yıllar bu konu üzerine çalışmalar yapılacağı yeni
yöntemler bulunmaya çalışılacağı aşikardır. Yeni yöntemler ve kullanım alanları
keşfedildikçe dünyanın petrol yakıtlarına olan bağımlılığı günden güne azalacak ve belki bir
gün yok olacaktır. Bu da şüphesiz ki hem ülke ekonomimiz için hem de ekolojik sistem için
vazgeçilmez bir nimettir.

1

2.GÜNEŞ

Dünyamızdan uzaklığı 147 milyon km olsa da, biz insanlar ve diğer canlıların bağımlı olduğu bir
enerji kaynağıdır Güneş.

Modern yaşamda enerjiye olan bağımlılığımız gittikçe artarken, aynı zaman da çevreye
verdiğimiz tahribatın (biraz geçte olsa) farkına varıp çevreyle uyumlu ve daha temiz enerji
kaynaklarına yönelmekteyiz.

Elektrik, petrol ürünleri (mazot, gaz yağı) gibi ürünlerin ekonomik olarak fazla pahalı olması ve
sözü edilen kaynakların üretim ve kullanım aşamasında çevreye verdiği zararlar göz önünde
bulundurulduğunda güneş enerjisinin ne kadar önemli olduğu ortaya çıkmaktadır.

(a) (b)
Şekil 2.1: (a) Güneş sistemi, (b) güneşin yapısı

Tükenmekte olan geleneksel enerji kaynaklarına alternatif olarak temiz, tükenmeyen, bedava, ve
taşıma sorunu olmayan ve yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemlisi güneş enerjisidir.
Dünyadan gözlendiği kadarıyla güneş 4 haftada bir dönüş yapan 1,4.106 km çapında bir küre
şeklindedir. Dünyadan uzaklığı 1,5.108 km olan güneşin dış kısmı düşük yoğunluklu gaz
bulutları, iç kısmı ise kütlesel çekiminin altında çok yoğun plazmadan oluşmuştur. Ortalama
yüzey sıcaklığı 5763 K olarak hesaplanmaktadır. Güneş sürekli bir fizyon reaktörü gibi
çalışmaktadır. Güneşin iç kısımlarındaki milyonlarca Kelvin sıcaklıkta oluşan bu tepkimeler
sonucu bir miktar kütle enerjiye dönüşmektedir. 1 helyum çekirdeği başına 26,7 milyon elektron
volt ve 1 kg helyum çekirdeği başına da 1,39.1011 kcal enerji açığa çıkmaktadır. Bu enerji uzaya
radyasyon şeklinde yayılmaktadır. Güneşte belirtilen tepkimelerle saniyede 564 milyon ton H 2
‘den, 560 milyon ton He (helyum) oluşmakta ve 4 milyon ton kütle enerjiye dönüşmektedir.

Buna göre; = (4.109).(3.108) = 3,6.1029 watt. Yani güneş saatte 1,296.1029 kj enerji
yaymaktadır. Bu yapıdaki güneşin yıllık enerjisi Q = 40 milyon ton taş kömürünün enerjisine
denk olmak üzere 5000 Q ‘ ya eş değerdir. Buna karşın dünyada yılda tüketilen enerji 0,2 Q
civarındadır. Yani güneş bir yılda dünyada tüketilen enerjinin 25000 katı enerji yayıyor.

2

Bu temiz, taşıma sorunu olmayan ve bedava enerjiden ilerleyen teknolojiler sayesinde ve
tükenen geleneksel enerji kaynaklarının da insanoğlunu mecbur bırakması nedeniyle mümkün
olduğu ölçülerde faydalanılmaya çalışılmaktadır. Günümüzde güneş enerjisiyle ilgili çalışmalar
daha da hız kazanmıştır.

2.1.Güneşin Yapısı

Güneş,1.39x109 m çapında yoğun sıcak gazlar içeren bir küredir ve dünyadan 1.5x1011m
uzaklıktadır. Yüzey sıcaklığı 5770 K dir. Bu sıcaklık merkeze doğru 4x10 6 ile 8x106 K arasında
değişim gösterir. Sudan 100 kez daha yoğundur. Güneşten gelen raydan enerji çeşidi füzyon
reaksiyonlara uğramaktadır. Güneşteki yüksek sıcaklıktan dolayı elektronlar atom
çekirdeklerine ayrılır. Bu sebeple, güneşte serbest elektron ve atom çekirdekleri bulunur. Dört
hidrojen çekirdeği birleşerek, bir helyum çekirdeğini oluşturur. Fizyon adı verilen bu reaksiyon
çok yüksek sıcaklıkta oluşur. Güneşte oluşan helyum miktarı, harcanan hidrojen miktarından
daha azdır. Aradaki fark güneş ışınımı ile oluşan enerjiyi verir. Bu enerji çeşitli dalga boylarında
ışınlar halinde dünyaya ulaşır. Güneşten dünyaya ışınlar 32o açı ile gelir.

2.2.Atmosfer Dışı Güneş Işınımı

Atmosfer dışında güneş ışınlarına dik birim alana bütün dalga boylarında bir anda gelen güneş
ışınımının değeri dünya-güneş mesafesi değiştiğinden sabit değildir. Bunun için ortalama dünya
–güneş uzaklığındaki güneş ışınımı değerinin kullanılması hesaplamalarda kolaylık sağlar. Bu
değere “güneş sabiti” denir. Bu değer son yıllarda yapılan ölçümler ve hesaplamalar sonucunda
% 1 hata ile 1367 W/m2 olarak kabul edilmiştir.

2.3.Güneş Işınımı Ölçümleri

Güneş ışınımı bileşenlerinin ölçümü için çeşitli cihazlar geliştirilmiştir. Bu cihazlardan
direkt,difüz ve yansıyan güneş ışınımı bileşenlerinin tümünü birden ölçen cihazlara
pirradyometre, toplam güneş ışınımını ölçen cihazlara ise piranometre adı verilir. Sadece difüz
güneş ışınımı ölçülmek isteniyorsa, pirrannometrenin üzerine gelen direk güneş ışınımını
önleyecek metal bir bant takılıp ayarlamak suretiyle cihaz güneş ışınımlarını ölçer hale getirilir.
Direkt güneş ışınımını ölçmek için pirheliometre denilen cihazlar kullanılmaktadır.
Pirometrelerin çoğu yüzeylerin ışınım, yutma ve yansıtma özelliği dikkate alınarak
geliştirilmişlerdir. Işınımın düştüğü kısımda biri siyah, diğeri beyaz iki yüzey bulunmaktadır.

2.4.Güneş Radyasyonu

Güneşte nükleer patlamalarla açığa çıkan enerji, yaklaşık 150.000.000 km kat ederek kesintisiz
olarak dünyaya ulaşmaktadır. Uydulardan yapılan ölçümlere göre atmosferin dış yüzeyine gelen
güneş enerjisinin 1373 Watt/m2 olduğu bilinmektedir. Bu enerji, atmosferden geçerken bir miktar
zayıflar ve yeryüzüne ulaşır. Atmosfere giriş açısına bağlı olarak zayıflama miktarları değişik
olmaktadır. Örneğin en az zayıflama, ışığın atmosfere dik olarak girdiği durumda meydana gelir.

Bir yılda Türkiye topraklarına gelen güneş enerjisinin yaklaşık 1.000.000.000.000.000 kWh,
yani ülkemizin ürettiği toplam elektrik enerjisinin yaklaşık 10.000 katı olması bu enerjinin
boyutlarını görmek açısından oldukça çarpıcıdır.

3

Gelen bu enerji, yeryüzünde belli bir açıyla yerleştirilmiş toplayıcı bir yüzeye (örneğin güneş
pilinin yüzeyi), direkt ve diffüz olmak üzere iki farklı biçimde ulaşır.

Direkt radyasyon, atmosferden kırılarak gelen ve doğrudan yüzey üzerine düşen ışınlardır.
Diffüz radyasyon ise; bulutlardan, yerden, dağlardan, binalardan vs. yansıyarak yüzey üzerine
düşen direkt ışınlardır. Örneğin bir yeri gölgelediğimizde, sadece direkt güneş ışığını perdelemiş
oluruz. Gölgelenen yer tamamen karanlık olmaz çünkü, diffüz ışınlar tarafından
aydınlatılmaktadır.

Bir yandan daha yüksek verimle çalışan elemanlar geliştirmeye çalışılırken, bir yandan da var
olan elemanlarla enerji üretim sistemleri kurulup denenmekte, yardımcı sistem elemanları
geliştirilmekte ve bilgi birikimi oluşturulmaktadır. Güneş enerjisi konusunda sürdürülen
araştırma ve geliştirme çalışmaları ile ulaşılması amaçlanan hedefler aşağıdaki gibi tahmin
edilmektedir.

1991 1995 2000 2010-2030

Elektrik fiyatı (¢/kWh) 40-75 25-50 12-20

Modül verimi (%) 5-14 7-17 10-20 15-25

Sistem fiyatı ($/W) 10-20 7-15 3-7 1-1.50

Sistem ömrü (yıl) 5-10 10-20 >20 >30

U.S. Kümülatif satış (MW) 75 175 400-600 >10,000

4

Tablo 2.1: Ulaşılmak istenen hedef

2.5.Güneş Enerjisi Uygulamaları

Güneş enerjisi uygulamalarını düşük sıcaklık (20-100°C), orta sıcaklık (100-300°C) ve yüksek
sıcaklık (>300°C) olmak üzere üç grupta toplayabiliriz. Aşağıda güneş enerjisinin en yaygın
uygulamalarından örnekler başlığı altında bunlar açıklanmıştır.
Bunların yanı sıra daha bir çok kullanım alanı olmasına rağmen bunlar en genel ve en yaygın
olanlarıdır.

Güneş Enerjisinin En Yaygın Uygulamalarından Örnekler

Düşük Sıcaklık Uygulamaları
 Kullanım sıcak suyu eldesi
 Konut ısıtılması-soğutulması
 Sera ısıtılması
 Tarım ürünlerinin kurutulması
 Yüzme havuzu ısıtılması
 Güneş ocakları ve fırınları
 Deniz suyundan tatlı su eldesi
 Tuz üretimi
 Sulama
 Toprak solarizasyonu
 PV sistemler
Orta Sıcaklık Uygulamaları
 Endüstriyel kullanım için buhar üretimi
 Büyük ısıtma-soğutma sistemleri
Yüksek Sıcaklık Uygulamaları
 Güneş fırınları

5

3.GÜNEŞ AÇILARI

3.1.Esas Güneş Açıları
Yeryüzündeki bir N noktasına gelen direkt güneş ışını doğrultusu, eğer o yerin enlemi (e), saat
açısı (h) ve güneşin deklinasyon açısı (d) biliniyorsa tayin edilebilir. Bu açılara esas güneş açıları
denir.
3.1.1.Enlem açısı (e) : Göz önüne alınan yeri (N) dünya merkezine (M) birleştiren doğrunun
dünyanın ekvator düzlemiyle yaptığı açıdır. Ekvatordan itibaren Kuzeye doğru (+) işareti ve
Güneye doğru (-) işareti ile ölçülür. Bu Kuzey kutbu için +90 (K), Güney kutbu için –90 (G)
olur.

3.1.2.Saat açısı (h) : Göz önüne alınan yerin boylamı ile güneşin dünya merkezine birleştiren
doğrunun, yani güneş ışınlarını belirttiği boylam (güneş boylamı denilebilir) arasındaki açıdır.
Saat açısı, güneş boylamını göz önüne alınan yerin boylamı ile aynı olduğu “güneş
öğlesi”’nden itibaren ölçülür. Öğleden önceleri (-), öğleden sonraları (+) işareti alınır.
Bilindiği gibi, her 15° saat açısı boylam farkı zaman olarak bir saate tekabül eder.

3.1.3.Deklinasyon açısı (d) : güneş ışınlarının ekvator düzlemi ile yaptığı açıdır. Bu açı
dünyanın dönme eksenini, yörünge düzlemine normali ile yaptığı açı 23°-27°’lik açıdan ileri
gelir. Ekinoks noktalarında (21 mart ilkbahar ekinoksu (K), 22 eylül sonbahar ekinoksu (K))
deklinasyon açısı 0 olur ve gündönümü noktalarında (21 haziran yaz gündönümünde 23,45°
ve 22 aralık kış gündönümünde –23,45°) mutlak değerce maksimum olur. Dünyanın güneş
6

etrafında dönmesi 1 yılda (365 günde) tamamlandığından deklinasyon açısı aynı bir günde
seneden seneye çok az değişirse de pratik olarak belirli bir günde sabit kabul edilebilir.
Deklinasyon açısı, n, 1 ocaktan itibaren gün sayısı olmak üzere:
d = 23,45 Sin (360*(n+284)/365) ampirik cooper (1969) formülü ile büyük bir doğrulukla
bulunabilir.Lunde (1980) ise bir önceki denklem yerine d = 23,45 Sin (360*(n-80)/370)
denklemi ile daha doğru hesaplanacağını ileri sürmektedir.
3.2.Türetilen Güneş Açıları
Yatay veya eğik bir düzleme gelen güneş ışınımının hesaplanmasında düzlem ile ve güneş
ışınlarının doğrultusu ile ilgili açılarda yararlanılır. Zenit açısı (z), güneş yükseklik açısı (y),
güneş azimut açısı (azm) gibi açıları türetilen güneş açıları denilir.
3.2.1.Zenit açısı (z) : Direkt güneş ışınlarının (güneş doğrultusunun) yatay düzlemin normali ile
yaptığı açıdır. Diğer bir deyişle güneş ışınlarının yatay düzleme geliş açısıdır. Yatay düzleme
güneş ışınları dik geldiği zaman z = 0’dır ve güneşin doğuşunda ve batışında z = 90 olur.

3.2.2.Güneş yükseklik açısı (y) : Direkt güneş ışınlarının yatay düzlemle yaptığı açıdır. Açıkça
görüldüğü gibi, yükseklik açısı zenit açısını 90’a tamamlar, böylece Sin y = Cos z olur.

3.2.3.Güneş azimut açısı (azm) : Güneş doğrultusunun tam bilinmesi için kutupsal koordinat
sisteminde, azimut açısına da ihtiyaç duyulur. Güneş ışınlarının kuzeye göre saat dönüş yönünde
sapmasını gösteren açıdır. Böylece yatay koordinat sisteminde zenit açısı ile güneş doğrultusu
tayin edilebilir. Bu bakımdan bu açıların esas güneş açıları cinsinden bilinmesi gereklidir.
Cos z = Cos d * Cos e * Cos h + Sin d * Sin e olarak elde edilir. Güneş azimut açısının
bulunmasında küresel üçgenlerin kullanılması uygun olur. Böylece: Cos azm = Cos d * Sin e *
Cos h – Sin d * Cos e / Cos y veya trigonometrik bağıntıları kullanarak Sin azm = Sec y * Cos d
* Sin h bulunur. Azimut açısının maksimum mutlak değeri güneş doğuşunda ve batışında
deklinasyon açısına bağlı olarak 900 civarında 900’den büyük veya küçük olabilir. Doğru
değerin bulunmasına ve işaretine dikkat edilmelidir.

3.3.Yön Ve Eğim Açılarının Sistem verimine Etkisi
Güneş Kollektörleri tasarlanırken ve kullanılacak malzeme seçimleri yapılırken,
toplayabilecekleri enerjinin maksimum, "dışarıya kaybedilebilecek enerjinin ise minimum
olmaları amaçlanmıştır. Yüksek kalitede kollektörlerin kullanıldığı sistemlerin yüksek verimde
çalışmaları için ana koşul kollektör montajının ve sistem tasarımının en iyi şekilde yapılmasıdır.
Aksi halde, verimli kollektörlü verimsiz sistemler ortaya çıkartılır, iki verimi birbirinden ayrı
tutmak gerekir. Montaj sırasında kollektörlerinin yön vehimlerinin tayini, toplanan toplam
enerji miktarını etkiler. Amaç, olabildiğince çok miktarda enerjinin, olabildiğince uzun süre dik
ve dike yakın açılarla kollektör düzlemi üzerine gelmeleridir. Aşağıdaki şekilde kollektör
yerleşim açıları görülmektedir.

7

Şekil 3.1: Güneş Açıları

4.GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİ

4.1.Güneş Enerjisi Uygulamalarının Tarihsel Gelişimi
İnsanların güneş enerjisinden teknolojik olarak yararlanması, yani güneş enerjisini kendi
geliştirdiği yollarla başka enerjilere dönüştürmesi, bir hayli eskilere dayanır. Bilinen ilk
uygulamalardan biri, Arşimed’in Sirakuza’da güneş ışınlarını büyük aynalarla yoğunlaştırarak
düşman gemilerine odaklaması ve onları yakması olarak bilinir.

17.yy da, yine aynalarla güneş ışınlarının yoğunlaştırılarak odun yığınlarının yakılmasında
kullanıldığı, 18.yy da yoğunlaştırılmış güneş ışınlarının kimyasal tepkimelerde ve güneş
ocaklarında kullanıldığı görülür. 19.yy da güneş enerjisi uygulamaları artmıştır. Yoğunlaştırılmış
güneş enerjisi ile metal eritme, su dağıtma, buhar üretme, güneşle çalışan buhar makinası, baskı
makinası gibi yapılan çalışmalar, uygulama örnekleri olarak gösterilebilinir.

20.yy da insanların yaşamına giren petrol, güneş enerjisi kullanımıyla ilgili gelişmeleri bir
ölçüde frenlemiştir. Bununla birlikte, 1974’deki yapay petrol bunalımı ve petrol fiyatlarının
8

artması sonucu güneş enerjisi üzerindeki çalışmalar, yeniden hız kazanmıştır. Özellikle evlerde
sıcak su sağlanmasında güneş toplaçları kullanımı bu yüzyılda yaygınlaşmıştır. Yine,
yoğunlaştırılmış güneş enerjisinin kullanıldığı güneş santralleri bu yüzyılda yapılmaya
başlanılmıştır.

1954 yılında Bell laboratuarında güneş pillerinin geliştirilmesi ile güneş pilleri güneş enerjisini
doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren aygıtlar olarak giderek yaygın kullanım alanları
bulmuşlardır. Güneş pillerinin ilk büyük ölçekli uygulama alanı, uzay çalışmalarında olmuştur.
Uzay araçlarına enerji sağlamada bu piller en uygun araçlar olmuşlardır. Önceleri küçük
ölçeklerde çeşitli yerlerde kullanılan güneş pilleri giderek daha geniş kullanım alanlarına
yayılmışlardır. Yaygın kullanımla birlikte bu pillerin fiyatları da oldukça düşmüştür. Bu gün bu
pillerle çalıştırılan güneş otomobilleri, güneş uçağı, elektrik şebekesine uzak yerlerdeki
uygulamalar, güneş pilleri ile çalışan elektrik santralleri bulunmaktadır.

Güneş enerjisi dışında kullanılan enerjiler ise, yerin iç ısısından (jeotermal enerji) yararlanma,
Dünya-ay arasındaki çekim enerjisinden yararlanma (gel-git enerjisi) ve çekirdeksel yakıtlardan
yararlanma (nükleer enerji) olarak sıralanabilir. Çekirdeksel yakıtlar yeryüzünde sınırlı
miktarlarda bulunmaktadır. Aynı şekilde, depolanmış güneş enerjisi olarak kullanılan fosil
yakıtlar da sınırlı miktarda bulunmaktadırlar ve tüketim hızıyla orantılı olarak
oluşmamaktadırlar. Bu yönleriyle, gerek fosil yakıtlar, gerekse çekirdeksel yakıtlar, tükenir
enerji kaynaklarıdır. Oysa diğer kaynaklar tükenmez enerji kaynaklarıdır ve bu gün artık dünya
bu tükenmez enerji kaynaklarının daha verimli ve yaygın kullanılmasına yönelik teknolojik
çalışmalaraın hızlandırıldığı bir döneme girilmiştir.

Günlük güneş enerjisinin seyreltik ve kesikli olması, bu enerjinin daha etkin ve verimli
kullanılmasında sorun olmakyadır. Oysa, bugün dünya ya gelen güneş enerjisi, dünyada
kullanılan tüm enerjinin 15-16 bin katı dolayındadır. Bu durumda, dünya üzerinde bu enerjiyi
olabildiğince verimli ve etkin kullanabilme yolunu bulmamız gerekmektedir. Bunun yanı sıra, en
akıllıca yollardan biri de güneş enerjisini dünyanın dışında yakalayarak bunu bir şekilde elektrik
enerjisine çevirerek dünyaya aktarmaktır. Uzayda, ya da bize en yakın gök cismi olan ay da bu
işi başarabiliriz. Gerek uzayda gerekse ayda ne bulutluluk engeli ve ne de gece gündüz sorunu
vardır. Ayrıca hava kürenin soğurucu etkileri de burada söz konusu olmamaktadır. Şimdilik
düşünce ve kuram düzeyindeki çalışmaların, çok uzun olmayacak sürede gerçekleşmesi
beklenmektedir

Ülkemizin de, güneş enerjisinden ve diğer tükenmez enerjilerden yararlanma konusundaki
yarışta geri kalmaması gerekir. Çünkü, ülkemiz üç kıtaya en yakın konumda bulunmakta, ayrıca
güneş kuşağı denilen ve ekvatora göre kuzey ve güney 40 enlemlerini kapsayan bölgede
bulunmaktadır. Ülkemizin bu iki özelliği, güneş enerjisinin teknolojik uygulamalarına bir vitrin
durumuna gelmesinde büyük bir üstünlük sağlayabilir. Dengeli bir kalkınmanın, temiz ve
tükenmez enerji kaynaklarına dayalı olacağı unutulmamalıdır.

4.2.Güneş Pili Sistemleri Ve Sistemin Gelişimi

Güneş pillerinin çalışma ilkesi, Fotovoltaik (Photovoltaic) olayına dayanır. Güneş pilleri
(fotovoltaik diyotlar) üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik
enerjisine çeviren cihazlardır. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş
enerjisidir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları
9

genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır. Bu enerji çevriminde
herhangi devingen (hareketli) parça bulunmaz. 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 yada seri bağlanarak bir
yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü yada fotovoltaik modül adı verilir. Güç
ihtiyacına bağlı olarak modüller birbirlerine seri yada paralel bağlanarak bir kaç Watt'tan mega
Watt'lara kadar sistem düzenlenebilir.

(a) (b)
Şekil 4.1:(a)Güneş pili, (b)güneş pili modülü

Güneş pilleri, elektrik enerjisinin gerekli olduğu her uygulamada kullanılabilir. Güneş pili
modülü uygulamaya bağlı olarak, akümülatör, inverterler, akü şarj kontrol cihazları ve çeşitli
elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (FV sistem) oluştururlar.
Bu sistemler, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde,
jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Ayrıca dizel
jeneratörlerle yada başka güç sistemleri ile birlikte karma olarak kullanılmaları da mümkündür.

İlk kez 1839 yılında Becquerel, elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin,
elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğunu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur.
Katılarda benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve
R.E. Day tarafından gerçekleştirilmiştir. Bunu izleyen yıllarda çalışmalar bakır oksit ve
selenyuma dayalı foto diyotların, yaygın olarak fotoğrafçılık alanında ışık metrelerinde
kullanılmasını beraberinde getirmiştir. 1914 yılında fotovoltaik diyotların verimliliği %1
değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine
dönüştüren fotovoltaik diyotlar ilk kez 1954 yılında Chapin tarafından silikon kristali üzerinde
gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi
izleyen yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için
yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960’ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir
kaynağı olmayı sürdürmektedir.

Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik
araştırma ve geliştirme çabaları 1954’ler de başlamış olmasına rağmen, gerçek anlamda ilgi 1973
yılındaki 1.petrol bunalımı’nı izleyen yıllarda olmuştur. Amerika’da, Avrupa’da, Japonya da
büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Bir yandan uzay
çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma
çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek
duyulan ve bu nedenle daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara
hız verilmiştir

10

Güneş enerjisini elektrik enerjisine çevirmenin, basit, çevre dostu olan fotovoltaik sistemlerin
araştırılması ve geliştirilmesi, maliyetinin düşürülerek yaygınlaştırılması görevi uzun yıllar
üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir görev olmuş ve bu nedenle kamuoyunda hep
laboratuarda kalan bir çalışma olarak kalmıştır. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre
konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük
şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar
yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki
teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim
kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla
gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen
fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler
olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve
görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek ‘sosyal maliyet’ göz önüne alındığında,
fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerden daha ekonomik olarak değerlendirilebilir.

Güneş pilinin, bir fotovoltaik diyod olup, üzerine ışık düştüğünde iki uç arasında potansiyel farkı
(voltaj) ortaya çıkar. Ancak, bir güneş pilinden elde edilebilecek gerilim çok küçük (0.5-1V
dolayında) olduğundan, arzulanan gerilime uygun olacak sayıda güneş pili seri olarak bağlanır.
Seri bağlı pillerin oluşturduğu birime PV modülü adı verilir. PV modüllerin laminasyonu
genellikle güneş pillerinin ön yüzeyinde yüksek optiksel geçirgenliğe sahip cam ve arka
yüzeylerinde EVA (ethlene viny acetate) kullanılarak geçirgenleştirilir. Ayrıca camı korumak ve
sistemi daha kullanılabilir, sağlam bir yapıya sokmak için modül, metal çerçeve ile çerçevelenir.
Modüler yapının kullanım kolaylığı yanında, büyük bir üstünlüğü de, güç gereksinimine uygun
olarak değişik boyutlarda fotovoltaik örgülerin (PV Array) kurulmasına uygun olmalarıdır.

Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim biçimleri ile karşılaştırıldığında çok
pahalı olan PV sistemlerinin kullanımı yalnızca iletişim, uzay çalışmaları gibi özel uygulama
alanlarında sınırlı kalmıştır. Son yirmi yılda PV teknolojilerindeki gelişmelere ve PV pazarının
büyümesi ile birlikte maliyetler dede bir düşüş eğilimi gözlenmeye başlanmıştır. Bu gün gelinen
durumda, PV güç üretiminin yılda %25-%30 dolayında artacağı tahmin edilmektedir. Ancak bu
gün PV kurulu gücün, dünya güç gereksiniminin yalnızca yüz binde dört kadarı olduğu gerçeği
göz ardı edilmemelidir. Bu payın 2010 yılında %0.13 dolayına ve 2020 de %1 ve 2030 ile 2050
yılları arasında %5 ile %10 dolayında bir değere ulaşılacağı beklenmektedir.
1997 de PV Pazar hacmi 120 MW’tın üzerinde gerçekleşirken, üretim kapasitesi buna cevap
vermekte zorlanmaktadır. Bu gün PV sektöründe, üretilen modüllerin yaklaşıkça %90 kadarını
silisyum kristalini taban alan sistemler oluşturmaktadır. PV modül üretiminin çoğunluğu ABD
(%44), Japonya(%20) ve, Avrupa (%27) olarak bölüşürken %9 kadar bir bölümü de diğer
ülkelerce gerçekleştirilmektedir. Artan ihtiyaca karşılık olarak hızla büyüyen PV pazarının iş
kapasitesi 1milyar dolar/yılı geçmiş bir durumdadır. 2010 yılı itibari ile ABD fotovoltaik
endüstrisi 60 milyon dolarlık bir kapasite hedeflemektedir. Güneş pilleri üretiminde elektronik
endüstride kullanılmayan (off-cut) silisyum malzeme kullanılmaktadır. Ancak bu kaynak, artan
sistemi karşılamakta zorlanmaktadır. Bu nedenle, örneğin Japonya’nın önümüzdeki iki yıl için
hedeflediği 70 000 çatıya PV sistemi programını gerçekleştirebilmesi için PV sistemi için kaliteli
silisyum üretecek bir fabrikayı kurması beklenirken, Avrupa’nın da bunu izleyeceği
sanılmaktadır.

11

Maksimum Güneş Pili
Tipik Modül (Maksimum
Güneş Pili Türü
Verimliliği % ölçülen)Verimliliği
(laboratuarda)%
Tek kristal silisyum 12-15 16-18-24

Çok kristalli Silisyum 11-14 (15.3) 18.6
Amorf Silisyum 6-7 (10.02) 14.7
Kadmiyum Tellür 7-8 (10.01) 15.8
Bakır İndiyum Diselenid 14.1 17.7

Tablo 4.1: Fotovoltaik modül verimlilikleri

Bunların yanında, kararlılığı ispatlanmış kristalli silisyum malzemenin ince film formunda
kullanılması çalışmaları da önemli gelişmeler kaydetmiş olup, yakın gelecekte adaylar arasına
girme yolundadır.

4.3.Güneş Pillerinin Yapısı Ve Çalışması

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 yarıiletken 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 ve N tipi katkılandırılmış malzemeler bir araya getirildiğinde yarıiletken eklemler oluşturulur.
N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler çoğunluk taşıyıcısıdır. P ve N tipi
yarıiletkenler biraraya 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.

12

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 (Ey)" olarak adlandırılır.
Aşağıda PN eklemin oluşması şekillerle gösterilmeye çalışılmış elektron ve hol akım yönleri
gösterilmiştir.

Şekil 4.2 :PN eklemin oluşması

Yarıiletken 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.

13

Şekil 4.3 : Elektron ve hol akım yönleri
Yarıiletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar
valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük
enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans banddaki bir
elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece, elektron-hol çifti
oluşur.
Bu olay, pn eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektron-hol çiftleri buradaki
elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları n bölgesine,
holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri,
güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı oluştururlar.
Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Yarıiletkenin iç
kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli
elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.

4.4.Güneş Paneli
Güneş panelleri birleştirilmiş güneş pillerinden oluşur ve güneş enerjisini direkt olarak
elektriğe çevirirler. PV (Fotovoltaik) hücreler yarı iletken silikon malzemeden
üretilmektedirler. Güneş panellerinin yapısında bir yarı iletken olan “silisyum” elementi
bulunur. Güneş ışığı bu maddeler tarafından emildiği zaman, elektronlar bulundukları
atomlardan ayrılarak madde içinde serbest kalırlar. Böylece bir elektrik akımı oluşur. Işığın
(fotonların) elektriğe (voltaj) dönüşümüne fotovoltaik adı verilir. Paneller, gölgeli
havalarda bile önemli miktarda elektrik enerjisi üretebilmektedir. Güneş panelleri çok
sayıda güneş hücresinin birbirine paralel veya seri bağlanarak bir yüzey uzerine monte
edilmesiyle oluşur.

14

4.5.Güneş Pili Sistemlerinin Çalışma Şeması

4.6.Güneş Pili Yapımında Kullanılan Malzemeler
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 yarıiletken 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.

15

P ya da n tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddelerinin katılması ile yarıiletken
eklemler oluşturulur. N tipi yarıiletkende elektronlar, p tipi yarıiletkende holler çoğunluk
taşıyıcısıdır. P ve n tipi yarıiletkenler biraraya 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. Yarıiletken 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.

Yarı iletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu
bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya
daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans
banddaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece,
elektron-hol çifti oluşur. Bu olay, pn eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş
ise elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır.Bu şekilde
güneş pili, elektronları n bölgesine, holleri de p bölgesine iten bir pompa gibi çalışır.
Birbirlerinden ayrılan elektron-hol çiftleri, güneş pilinin uçlarında yararlı bir güç çıkışı
oluştururlar. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam
eder. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri
oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek
kaybolmaktadırlar.Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir.

Günümüzde en çok kullanılan maddeler şunlardır:

A)Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde
dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde labaratuvar şartlarında %24,
ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan
dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak
verim de daha düşük olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14
civarındadır.

B)Galyum Arsenit (GaAs): Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik
yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli
GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik
yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır.

İnce Film:

16

A)Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10
dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik
cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama
sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji
üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir.

B)Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çokkristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili
maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde
%16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir.

C)Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çokkristal pilde laboratuvar şartlarında %17,7 ve
enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir.

D)Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10-500 kat oranlarda yoğunlaştıran
mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17’nin, pil verimi ise %30’un üzerine
çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden Bu çokkristal pilde
laboratuvar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir
modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir.

Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin çok aşağılara
çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuvar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip
modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir. Kristal yapı özelliği göstermeyen bu
Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5-7 mertebesindedir.

Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf
silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam
cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin
edilmektedir. Bu malzemeyle laboratuvar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı)
verim elde edilmektedir. Diğer yarıiletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs
pillerde %30 verim elde edilmiştir.

GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde
kullanılmaktadır. Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde
dilimlenen Tekkristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuvar şartlarında
%24, ticari modüllerde ise %15’in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum
bloklardan dilimlenerek elde edilen Çokkristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza
üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Verim, laboratuvar şartlarında %18,
ticari modüllerde ise %14 civarındadır.

E)Son Yıllarda Üzerinde Çalışılan Güneş Pilleri:Ticari ortama girmiş olan geleneksel Si
güneş pillerinin yerini alabilecek verimleri aynı ama üretim teknolojileri daha kolay ve daha
ucuz olan güneş pilleri üzerinde de son yıllarda çalışmalar yoğunlaştırılmıştır.

Bunlar; fotoelektrokimyasal çok kristalli Titanyum Dioksit piller, polimer yapılı Plastik piller ve
güneş spektrumunun çeşitli dalgaboylarına uyum sağlayacak şekilde üretilebilen enerji band
aralığına sahip Kuantum güneş pilleri gibi yeni teknolojilerdir.

4.7.Güneş Pili Sistemlerinin Projelendirilmesi
17

Güneş pili sistemlerinin projelendirilmesi büyük önem taşımaktadır. Konu az bilindiğinden,
gerekli literatürlerin az oluşundan teknik altyapısı bulunan kişilerde dahi projelendirmede güçlük
yaşadıkları görülmektedir. Sistem oldukça basittir. Ancak bazı temelleri kavramak gerekir.

Dünya yüzeyine düşen güneş enerjisi , güneşin en tepede olduğu zamanda, bulutsuz temiz bir
günde ve 25 C sıcaklıkta 1.000 Wpeak /m2 olarak ölçülmüştür. Dünya yüzeyine düşen bu
enerjinin, kullanılabilir elektrik enerjisine dönüştürülmesi, güneş pilleriyle mümkündür.
Verimleri bugünkü teknoloji ile % 15 civarındadır. Dolayısıyla 1 m2 alandan yaklaşık yukarıda
belirtilen şartlar doğrultusunda 150 Wpeak üretmek mümkündür.Ancak güneşin daha az olduğu
kış dönemlerinde veya bulutlu olduğu dönemlerde, dünyaya düşen radyasyon miktarı azalır.
Dolayısıyla üretilen enerji azalır.Aynı şekilde kuzey yarımküre için, güneşi, kuzey bölgelerine
göre daha fazla gören güney bölgelerinde üretilen elektrik enerjisi miktarı artış gösterecektir.

Bu noktada, meteoroloji istasyonlarının yılar boyunca yaptığı güneş radyasyonu verileri dikkate
alınarak bölgelerin güneş haritası çıkarılmıştır. Güneş radyasyonu, sadece enlemle bağıntılı
olmayıp, bölgenin yüksekliği, coğrafi yapısıyla hatta hava kirliliğiyle bile bağlantılı olduğu
gözlemlenmiştir. Türkiye için yaz ve kış sezonu ortalaması güneşlenme süresi 3.5 saat olarak
çıkartılmıştır. Güneşlenme süresi, bir tam gün içinde 1000 W/m 2 değerini alabileceğimiz toplam
saat miktarını vermektedir. Dolayısıyla, bir günde tüm meteorolojik veriler doğrultusunda,
senelik gün ortalaması bir metrekare için 3.500 W/m2/gün olabilmektedir. Bu değer kışın 2.000
W/m2/gün bile altına inebileceği gibi, yaz mevsimlerinde bölgeye bağlı olarak 5.500 W/m 2/gün,
hatta üstü olabilmektedir. Burada güneş pillerinin, güneşe belirli bir açıyla yönlendirilmesi
gereği unutulmamalıdır. Güneş pillerinin verimi % 15 olduğundan, Türkiye ortalaması 3.500
W/m2/gün faydalanabilir elektrik enerjisi üretimi günde ancak 525 W/m 2 yaklaşık değerlerinde
olabilmektedir. Çok kaba bir hesapla günde 5.000 Wh tüketimi olan ortalama bir evin ihtiyacı,
5.000/525 = yaklaşık 10 m2 ile karşılanabilecektir. Ancak burada unutulmaması gereken kışın
güneş radyasyon değerinin 2.000 W/m2/gün değerine düşebildiği, yazın 5.500 W/m2 değerine
yükselebildiğidir. Dolayısıyla aynı mantıkla kışın 2.000 W/m 2 x % 15 = 300 W/m2/gün veya
5.000 W/m2 / 300 W/m2 = yaklaşık 17 m2 güneş pili gerekirken, aynı enerji için yazın 6 m 2
yeterli olabilmektedir. Aradaki bu fark yaz ve kış aylarında, güneş pillerinin güneşe bakış
açılarının değiştirilmesi ya da güneşi takip eden tracker sistemlerle azaltılabilir.

Bir enerji ihtiyacının güneş pilleri ile karşılanması ile ilgili dizayn kriterleri;

A)Haftalık enerji tüketimini tespit edin.

B)Bulduğunuz değeri 7 ye bölün.

C)Bu değer, güneş pillerinin asgari enerji üretim değeridir.

D)Bulunduğunuz noktanın radyasyon verilerine göre , Yazın / Kışın veya Tüm sene kullanıma
göre sistemi yukarıda değerlere göre hesap edin, boyutlandırın.

E)İhtiyacınız 220 V. Veya 380 V. ise Inverter kullanmak zorundasınız. İyi bir inverter kaybı %
90 dir. Kötüsünün verimi % 50. Dolayısıyla bulduğunuz, güneş pili m 2 değerini seçeceğiniz
inverter'e göre en az 0,9 ?a bölün.

F)Diğer kablolama ve sistem kayıpları için, sisteme bağlı olarak bulduğunuz değeri ortalama
0,90- 0,95'e bölün.

G)Bulduğunuz değer, güneş pilleri sisteminin gereken m2 sini verecektir.
18

H)Örneğin Siemens Solar SP 75 modülleri 75 Wp üretip, yaklaşık 0,50 m2 net yüzey alanı
kaplamaktadır.

I)Güneş pili sistemi yardımcı ekipmanlarını, şarj kontrolörü, akü kapasitesini vs gibi sistemleri
projelendirin.

4.8.Güneş Pillerinin Seri Ve Paralel Baplanması

Tek bir güneş pilinden elde edilecek güç çıkışı bizim için hiçbir zaman yeterli olamayacaktır. Bu
durumda güneş pilleri seri veya paralel olarak bağlamak gereklidir.

Güneş pillerinin voltajını arttırmak için güneş pilleri panelde seri bağlanırlar. Bu işlem , bir
güneş pilinin ön ( üst ) yüzü ( N-tip silikon ) ile diğer güneş pilinin arka ( alt) yüzünün ( P-tip
silikon ) bağlanması ile gerçekleştirilir. Seri bağlanmış güneş pilleri ile oluşturulan paneldeki
gerilim yaklaşık olarak , paneldeki pil sayısı ile 0.5 V’ un ( bir pilde oluşan gerilim ) çarpılması
ile elde edilebilir.

Akımı arttırmak için ise güneş pilleri paralel bağlanır. Burada ise ön yüzle ön yüz , arka yüz ile
de arka yüz arasında bağlantı sağlanır. İstekler doğrultusunda değişik seri ve paralel
kombinasyonlar uygulanarak panelin akım-gerilim karakteristikleri ayarlanabilir.Güneş pilleri
birbirleri ile gerekli şekilde bağlandıktan sonra ısıya karşı dayanıklı ince bir tabaka ve
sızdırmazlık elemanlarının monte edilmesi ile elde edilen yapıya modül adı verilir.30 - 40 güneş
pilinin seri bağlanması ile oluşturulan bir modülden , açık ve güneşli bir günde yaklaşık olarak
33 W- 43 W’ lık bir güç çıkışı sağlanabilir , bu da yaklaşık olarak 16 V’lık bir gerilim demektir.
Buradan da 12 V’luk piller yaklaşık olarak 2 amperlik bir doğru akımla şarj edilirler.

Eğer aynı gerilimde daha fazla akıma ihtiyacımız varsa , bu sefer de modüller paralel bağlanarak
istediğimiz 12 V’ luk ( değişmedi ) güç çıkışını alabiliriz. Eğer ihtiyacımız olan daha fazla
gerilim ise , bu sefer modüller seri bağlanarak ihtiyacımızı karşılayabiliriz.

Çoğu imalatçı , her güneş pilini birden fazla bağlantı noktası ile üretir. Bunlar seri veya paralel
akım yollarını oluşturan bağlantı noktalarıdır. Bu şekilde üretim yapılmasının sebebi ise ;
panelde yer alan herhangi bir güneş pilindeki hasar veya kırılma durumunda devre açılmış olur
ve panelden güç alabilmemiz mümkün değildir. Bu durumda hasar gören güneş pilindeki
bağlantılar kesilir ve buradaki bağlantılar komşu güneş pilinde yer alan fazla bağlantı
noktalarından birisine kurularak devre yeniden kapanır. Böylece panelden herhangi bir zaman ve
masraf kaybı gerçekleşmeden yeniden güç alabiliriz.

Paket güneş modülleri , kolay taşınabilir ve kolay kurulabir olmalıdır. Bu yüzden modüller kolay
taşıma ve koruma için alüminyum çerçeve ile monte edilirler. Çünkü kurulacakları yerler
genellikle çatı veya dağ etekleri gibi dış ortamlardır. Bütün modüller rüzgar , yağmur ve kar
yağışı gibi doğal olaylara dayanabilecek şekilde üretilmelidir. Ayrıca güneş modüllerinin en
önemli özelliklerinden birisi de şüphesiz ki ömür faktörüdür. Bir modülün ömrü en az 20 yıl
olmalıdır ki kendisini amorti edip kara geçirebilsin.

19

5.GÜNEŞ PİLİ YAPIMINDA KULLANILAN MALZEMELERİN
SINIFLANDIRILMASI

A)1.Nesil Güneş Piller(Kristal Silikonlu Piller)

1)Tek Kristalli Güneş Piller
2)Çok Kristalli Güneş Piller
3)HIT (Wafer Temelli Kristal Silisyum Teknolojili Güneş Pilleri)

B)2.Nesil Güneş Piller (Düşük Maliyetli-İnce Film Teknolojili)

1)Amorf Silisyum (a-Si) Güneş Pilleri
2)İnce Film Silisyum
3)Kadmiyum Tellür (CdTe) Güneş Pilleri
4)Bakır İndiyum (CIS) Güneş Pilleri
5)CuInSe2 Güneş Pilleri
6)Karma Güneş Pilleri (a-Si ---c-Si)
7)Organik Boya Sensörlü Güneş Pilleri
8)Plastik Güneş Pilleri (Moleküler Ve Polimerik)

20

C)3.Nesil Piller

1)Yüksek Verimli Çok Kavşaklı Tandem Güneş Pilleri
2)Sıcak Elektron Dönüştürücülü Güneş Pilleri
3)Kuantum Parçacıklı Güneş Pilleri

6.PV ÇEŞİTLERİ VE MATERYALLER

PV üretiminde dünya genelinde kristal-silikon teknolojisi en çok rağbet gören teknoloji
durumundadır. Fakat yapılan çalışmalar ve araştırmalar bu teknolojiye alternatif olacak yeni
üretim teknikleri ve materyaller bulma yolunda ilerlemektedir. İnce-Film (Thin-Film)
teknolojisinin daha ince tabakalar halinde olması ve kullanım alanlarının daha çeşitli olması gibi
etkiler bu konuda yapılan araştırmaları artırmaktadır. Ayrıca maliyeti düşürmek için organik
güneş pili teknolojilerine yönelik olan çalışmalar hızlanmıştır.
Bütün bu tekniklerin yanı sıra, üretim tekniklerinde kullanılacak farklı materyallerin kullanımı
da incelenmektedir. Kristal-Si teknolojisinde tekli ve çoklu silikon kullanımı ya da ince-film

21

teknolojisinde kullanılan farklı türde materyaller (a-Si, CIS, a-Si/c-Si, CdTe vs) ticari alanda
kullanılan materyaller olarak gösterilebilir.

A) 1.Nesil Güneş Piller(Kristal Silikonlu Piller)
2004 yılında uygulanan PV sistemlerin (1GW ve üzeri) %94 ü bu teknoloji kullanılarak
gerçekleştirilmiştir. Bu sistem tek-kristalli, çok-kristalli, ribbon-Si ve tabaka-Si (sheet silicon)
olmak üzere çeşitlendirilebilir.
1)Tek Kristalli Silisyum Güneş Pilleri:
“Czochralski”, “Float-zone” ya da “Ribbon” metodu ile üretilen silindir şeklindeki tek kristalli
silisyum külçeleri ince “wafer”lar olarak kesilir. Daha sonra bu “wafer”lar üzerinde, fosfor ve
bor atomları eklenmiş katmanlar (N-tipi katman ve P-tipi katman) oluşturulur. Güneş pilinin
silikon nitrat ya da silikon dioksitten yapılmış üst ve alt yüzeyinde, üretilen akımı toplayacak,
malzemesi genellikle nikel, bakır ve gümüşten yapılmış negatif kontaklar bulunmaktadır.
Gömülü durumda olan bu kontaklar kendi içindeki kayıplarını ve iletimdeki direncini
düşürmesini sağlamıştır. Pilin ön yüzeyi, yansıyan ışığı daha iyi toplayabilmek amacıyla,
piramitler ve konikler şeklinde dizayn edilebilir.
2)Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri:
Çok kristalli malzemede damarlar kristal yapıda olup birbirlerine yönlenmişlerdir. Elektriksel
özellikleri hemen hemen tek kristalli hücrelerle özdeştir. Kristalin kalitesi damarların
kalınlıklarıyla doğru orantılıdır. Damarlar arasındaki süreksizlik iletimde engelleyici rol oynar.
Çok kristalli silisyum üretim teknolojileri daha az enerji gerektirir, yani maliyet tek kristalli
hücre baz alındığında düşüktür. Buna rağmen çok kristalli yapının verimi tek kristalli yapının
verimine göre daha düşüktür. Ancak bahsedildiği gibi maliyetinin az olması onu daha fazla
alanda kullanışlı hale getirmiştir.
3)Wafer Temelli Kristal Si Teknolojisi(HIT)
PV’ nin daha ekonomik olması yani daha az materyal kullanılma isteği araştırmaları ince
tabakalar halinde üretilen bu teknolojiye kaydırmıştır. Bu teknoloji tabaka (wafer) olarak elde
edilen silikon malzemenin ayrık güneş pili hücreleri üretilmesinde ve daha sonra bu hücrelerin
elektriksel olarak bağlanmasına dayanır. Üç ya da daha fazla tabakanın oluşturduğu 300 µm
kalınlığında üretilen bu materyallerin esnek olması istenilen birçok uygulama kullanılabilirlik
sağlamaktadır. Fakat 100 µm kalınlığındaki bu tabakaların üretilmesi (mekanik kırılganlıklarının
fazla olması, kesim işlemlerindeki sıcaklığın etkisi) ve taşınması gibi dezavantajları da
bulunmaktadır.
Kristal Si teknolojilerinin dönüştürme verimi yavaş da olsa düzenli bir biçimde gelişme
göstermektedir. Bu teknoloji ile üretilen sistemlerin verimliliği şu an en düşük %10, laboratuar
ortamlarında elde edilen en yüksek verim %24,5 olarak elde edilmiştir. En iyi sistem verimi ise
%15-16 civarındadır .

B)2.Nesil Güneş Piller (Düşük Maliyetli-İnce Film Teknolojili)
İnce Film teknolojisi 1-2 mikrometre kalınlığında tabakalar üzerinde yarıiletken malzeme
kullanarak PV üretim teknolojisidir. Bunun sonucu olarak PV üretim maliyeti
düşürülebilmektedir. Ayrıca bunun yanında seri üretime yatkınlığı, hücreler arası daha basit

22

elektriksel bağlantılara imkan vermesi ve büyük ebatlarda üretime yatkınlığı gibi avantajlarından
dolayı uzun dönem içerisinde kristal silikon (c-Si) üretim teknolojilerine göre üretim maliyetinin
düşürülmesini mümkün kılacak bir teknoloji olarak görülmektedir.
1)Kadmiyum Tellür (CdTe) Güneş Pilleri:
Periyodik tabloda II. grupta bulunan kadmiyum elementi ile VI. grubunda bulunan tellür
elementinin bir araya getirilmesi ile oluşan yarı iletken kadmiyum tellürün oda sıcaklığında
yasak enerji aralığı Eg= 1,5 eV dir. Bu değer ise güneş spektrumundan maksimum dönüşüm elde
etmek için gerekli olan değere çok yakındır. Hem yüksek ışın soğurma kabiliyeti hem de kolay,
düşük masraflı üretim CdTe yarı iletkeninin öne çıkmasını sağlamıştır. Yapılan çalışmalar
sonucunda en ideal şartlarda CdTe hücresinden %16,5 verim elde edilmiştir. Bu teknikle yapılan
ticari modüllerden ise alınan en iyi verim %11 civarındadır. Fakat kadmiyum elementinin zehirli
olması sebebiyle kısıtlamalı ve kontrollü kullanım gibi sorunlar ortaya koymaktadır .
2)Amorf Silisyum Güneş Pilleri (a-Si):
Amorf silisyum malzemesinin soğurma katsayısı yüksektir. 250 0C civarında çok kolay geniş
yüzeylere kaplaması yapılabilir. Bu malzemeyi kristalli silisyum malzemelerden ayıran özellik
silisyum atomlarının malzeme içindeki düzenlerinin dağınık, gelişigüzel olmasıdır. Yarı iletken
içine duruma göre % 5-12 arası hidrojen katılarak elektriksel özellikler uygun düzeye
getirilebilir. Şu an a-Si birçok ticari uygulamalarda özellikle ev içi uygulamalarda sıkça
kullanılmaktadır. Dayanıklı hücrelerden elde edilen verim %13 leri bulurken modül verimleri de
%6-8 değerlerine ulaşmıştır.
3)a-Si / c-Si karma yapılar:
Bu yöntem kristal ve amorf silisyum yapılarının birleşiminden meydana gelmektedir. c-Si
tabakası iki a-Si tabakasını ortasına yerleştirilmiştir. Yüksek verim, işlemlerin 200 0C nin altında
gerçekleştirilmesi, enerjinin geri dönüşüm zamanının az olması, maliyetteki azalma gibi önemli
avantajlara sahiptir. Yapılan çalışmalar neticesinde Japonya’da veriminin %20,7 değerine
ulaştığı görülmüştür .
4)Bakır Indium(CIS) Güneş Pilleri:
Bakır indium güneş pillerinin güneş ışığını soğurma katsayısı yüksektir. Yasak enerji aralıkları
güneşin spektrumu ile ideal biçimde olacak şekilde ayarlanabilir. Bu pillerin yasak enerji
aralıkları 1,02-1,68 eV civarındadır. CIS malzemesine galyum elementi katılması ile daha
yuksek verim elde etmek mümkündür. Bu pillerden çok yüksek verim almak
mümkündür(%19,5). Ayrıca esnek malzemeler üzerinde kullanılabilmesi ve dayanıklı olması
gibi yararları vardır. Fakat indiumun içermesi sebebiyle üretimin sınırlı olması, karmaşık üretim
yöntemleri gibi dezavantajları bulunmaktadır .
Mevcut olan teknolojilerin kullanımı, özellikle verim-maliyet oranı göz önüne alınarak
seçilmektedir. Şekil.3’te 2004 yılı itibariye PV teknolojilerinin hücre verimleri, modül verimleri
ve materyal maliyetleri gösterilmiştir.

23

30% Hücre verimi $0,60
Modül verimi

Materyal Maliyeti($/W)
25% $0,50
Materyal maliyeti
20% $0,40
Verim(%)

15% $0,30

10% $0,20

5% $0,10

0% $0,00
Tek- Çok- a-Si CdTe CIS İnce- Dyes
Krs Krs Si
PV Teknolojisi

Şekil 6.1: PV teknolojilerinin hücre verimi, modül verimi, maliyeti açısından karşılaştırılması

C) 3.Nesil Piller
Bütün bu teknolojilerin yanı sıra yeni teknolojilere yönelik çalışmalar da bulunmaktadır.gelişen
teknolojiler sayesinde yeni çalışmalarla beraber bu yeni yöntemlerde her geşen gün artmaktadır.

1)Yüksek verimli ve yoğunlaştırılmış materyaller (Galyum Arsenür-GaAs):
Yüksek maliyetli yarı-iletken malzemeler (GaAs, GaAlAs, GaInAsP, InSb, InP) yer yüzeyine
gelen güneş enerjisinin üçte birinden fazlasını elektrik enerjisine çevirebildikleri için bu yönde
araştırmalar başlamıştır. 1990’ ların başında yapılan deneylerden elde edilen sonuçlarda
“multiple-junction” aygıtından %30 verim alındığı görülmüştür. Sonraki çalışmalarda hücre
verimi %40 lara sistem verimi de %30-35 civarına ulaşmıştır. Bu sistemlerin maliyeti çok
yüksek olduğundan şu an için uzay çalışmalarında kullanılmaktadır.

2)Dye-sensitized hücreler:
Bu hücreleri diğer geleneksel hücrelerden ayıran temel fark ışık emiliminden sorumlu olan
elementin(dye) kendi şarj taşıyıcı naklinden yayılmış olmasıdır. Bu tekniğin en önemli avantajı,
durum mekanizmasının diğer geleneksel inorganik hücrelerdekinin aksine çoğunluk taşıyıcı
naklinden kaynaklanmasıdır. Bu, TiO2 yarıiletkeni içindeki şarj taşıyıcılarında hacim ya da yüzey
birleşmesi olmamaktadır. Bu nedenle saf olmayan materyaller ile işleme başlanılmıştır ve
işlemlerin yapılması için herhangi bir özel odaya ihtiyaç yoktur. Şimdiye kadar yapılan
çalışmalarda %7-11 lik verim elde edilmiştir ve düşük maliyetli fotoelektrokimyasal malzemeler

24

için umut olmuştur. Fakat bu teknikte dayanıklılık süresi ve sıcaklık dayanımının dış ortamlara
uygun olmaması gibi sorunlar ortaya çıkmıştır.
3)Organik PV:
Dye-sensitized hücrelerin yanında organik/inorganik hibrit hücreler de mevcutur. Bunları kabaca
moleküler ve polimer olarak ayırmak mümkündür. Oldukça yüksek ışık emilimine sahip olan bu
materyallerden çok düşük miktarlarda kullanım yeterli olmaktadır. Enerji geri dönüşüm süresi
organik hücrelerde daha kısa oluğundan büyük alanlarda kullanımlarda organik hücreler ile
inorganik hücreler arasında büyük bir rekabet bulunmaktadır. Organik hücrelerin maliyetinin
ucuz olması, farklı materyal seçenekleri, tabaka kalınlığının inorganik materyallere göre daha
ince olması gibi önemli avantajları bulunmaktadır. Fakat 1999’dan beri yapılan çalışmalarda bu
hücrelerin verimlerinde ancak %3,3 e ulaşılabilmiştir.
4)Yüksek verimli yarı-iletken materyallerdeki teorik bulgular:
Auger(Burgu) nesil materyaller: Bu yöntem yüksek enerjili fotonların(2 eV tan daha yüksek
enerjili) iki ya da daha fazla elektron delik çifti oluşturmasını sağlar. Teorik olarak %42 lik
verim elde edilmiştir.
5)Orta metalli şerit materyaller:
Bu yöntem uzun zamandır süregelen PV hücrelerin dizaynındaki problemleri çözmektedir. Bu
yöntem (teorik olarak) enerjisi elektron boşluklarından daha düşük olan fotonların bir banttan
diğerine geçişlerde, oluşabilecek birleşmelerden ve bu nedenle materyalde oluşan bozulmaları
ince bir metal şerit yerleştirerek engelleyebilmektedir. Teorik çalışmalardan elde edilen verim
%46 ye ulaşmıştır.

7.GÜNEŞ PİLLERİNDE DÖNÜŞÜMLER

Güneş enerjisinin termal ve elektriksel dönüşümü ile ilgili uygulamalar ve bilimsel çalışmalar
son yıllarda küresel ısınma sorunlarının gündeme gelmesi ile birlikte yoğun bir ilgi çekmektedir.

25

7.1.Elektriksel Dönüşüm
Güneş enerjisinin elektriksel dönüşümünün uygulama aracı olan fotovoltaik pazarı bütün
dünyada hızla artmaktadır. Bu artan pazar içinde fotovoltaik pil teknolojisinin izlediği değişimde
görülmektedir.Çeşitli güneş pillerinin laboratuar ve modül verimleri üretildikleri yerlerle beraber
verilmiştir.

Şekil 7.1 : Fotovoltaik pazarın izlediği değişim

Ancak, bu değerlerin, Türkiye’nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan
çalışmalar ile anlaşılmıştır. 1992 yılından bu yana EİE ve DMİ, güneş enerjisi değerlerinin daha
sağlıklı olarak ölçülmesi amacıyla enerji amaçlı güneş enerjisi ölçümleri almaktadırlar. Devam
etmekte olan ölçüm çalışmalarının sonucunda, Türkiye güneş enerjisi potansiyelinin eski
değerlerden %20-25 daha fazla çıkması beklenmektedir.

26

Şekil 7.2 : Fotovoltaik pil teknolojisinin izlediği değişim

Tablo 7.1 : Ticari olarak satılan pillerin cinsleri, laboratuar şartlarında hücre verimleri ve modül
halindeki verimleri
Yine fotovoltaik pil teknolojisini, hücre verimi, modül verimi ve maliyet açısından
karşılaştıracak olursak:

27

Şekil 7.3 : Fotovoltaik teknolojinin malzeme maliyeti ve verimi açısından karşılaştırılması

Fotovoltaik uygulamalarda, ticari olarak kullanılan silikon teknolojisidir. Son yıllarda ince film
CdS/CdTe ve CuInSe2 güneş pillerinin kullanımı giderek artmaktadır. İnce filmlerin
elektrokimyasal olarak kaplanması düşük maliyet masraflarıyla yüksek film kalitesini
beraberinde getirmektedir.

7.2.Termal Dönüşüm
Güneş enerjili su ısıtma sistemleri termal dönüşüme örnektir. Ülkemizde termal dönüşüm, güneş
kollektörlerinin yüzeyleri mat siyah boya ile boyanarak hazırlanmaktadır. Bunlarda profil
yüzeylerinin absorpsiyon/emisyon oranı çok küçüktür. Dolayısıyla güneşle ısınan su, hızla
radyasyonla ısısını kaybeder. Siyah mat boya ile hazırlanan yüzeylerde boya çatlaması ve
korrozyona çok rastlanır. Ömürleri kısadır. Yüksek verimli kollektör yüzeyleri güneş ışığına
karşı seçici ve koruyucu kaplamalardan oluşur.

Yüksek verimli bir kaplamanın, güneş ışığının 0.3-2 μm dalga boyu aralığında maksimum
absorpsiyon (α> 90) değerine, aynı zamanda da radyasyonla ısı kaybının olmaması içinde
minimum emisyon (ε<20) değerine sahip olması gerekir. Bu kaplamalar 1 μm’den daha ince
filmler olup vakum teknikleri, elektrokimyasal kaplama yöntemleri veya ile hazırlanabilir.
28

Güneş enerjisinin termal dönüşümü ile yapılan çalışmada İTÜ-KOSGEB ortaklığı ile bakır,
alüminyum yada döküm yüzeyler üzerine güneş ışığına karşı seçici ince film yüzeylerin
hazırlanması ve bunlarla yüksek verimli kollektör yapımını olşturmaktadır. Güneş ışığını belirli
dalga boyları aralığında yüksek değerlerle absorplayan, buna karşılık emisyon değeri küçük,
nano filmler bakır ve döküm yüzeyler üzerine elektrokimyasal kaplama yöntemi ile kontrollü bir
şekilde hazırlanmıştır. Kullanılacak yöntem patent altında korumalı bir yöntem olup, bu
yöntemle bakır ve döküm yüzeyler üzerine kademeli olarak elektrokimyasal kaplamalarla nikel
siyahı filmler oluşturulacaktır. Oluşturulan filmlerin yüksek sıcaklığa ve korozyona dayanıklılığı
test edilmiştir. Şekil 1’de patenti alınan yüzeyin spektral özellikleri görülmektedir. Avrupa’da
vakum tekniğiyle üretilen benzerlerine oranla çok daha dayanıklı ve üretim tekniğinin basitliği
nedeniyle de çok daha ucuzdur (Kadırgan, 1981).

Şekil 7.4 : Patenti alınan yüzeyin spektral özellikleri

7.3.Fotovoltaik Dönüşüm

Güneş enerjisinin fotovoltaik dönüşümü üzerine yapılan çalışmaların konusu elektrokimyasal
yöntemle kaplanan CdS/CdTe ile CuInSe2 ince film güneş pilleridir. Deneysel çalışmamızda
elektrokimyasal ölçümler Volta Lab PGZ-301 potansiyostatı kullanılarak gerçekleştirilmiştir.
Deneylerde pyreks camdan yapılmış, üç elektrotlu elektrokimyasal ölçüm hücresi kullanılmıştır.
Ölçümlerde çalışma elektrodu, referans elektrot ve yardımcı elektrot kullanılmıştır. Ortamda
mevcut olan oksijeni uzaklaştırmak ve sürekli inert ortam sağlamak amacıyla azot gazı
29

atmosferinde çalışılmıştır. Çalışma elektrodu olarak ITO kaplı camlar kullanılmıştır. CdS ince
film güneş pilleri için kaplama çözeltisi olarak 0.2 M CdCl2 kullanılmıştır. Bu çözeltinin pH’sı 2-
4 ve çözeltiye ilave edilen Na2S2O3 konsantrasyonu da 0.01 M ve 0.05 M arasında ayarlanmıştır.
Çözeltiye uygulananan potansiyel 80 0C ve 90 0C’de -0.6 V/SCE’dir. Elektrokimyasal ölçümler
Voltalab impedans spektroskopisiyle yapılmıştır. İTÜ-CSM işbirliği ile hazırlanan CdS/CdTe
güneş pillerinin verimleri Tablo 6.2’de verilmiştir (Kadırgan vd., 2000).

Tablo 7.2 : CdS/CdTe güneş pillerinin verimleri

CuInSe2 ince filmlerin elektrokimyasal olarak hazırlanmasında deneysel yöntem olarak krono
kulometri ve döngülü voltametri yöntemleri kullanılmıştır. CuInSe 2 ince filmleri, sabit bir
elektrik yükü (Q) ve sabit potansiyel altında çalışan krono kulometri yöntemi ile elde edilmiştir.
CuInSe2’in ITO kaplı camlar üzerinde elektrokimyasal olarak depolanması ve daha sonra elde
edilen filmlerin XPS ile karakterizasyonu incelenmiştir (Şekil 6.5). Bu çalışmada
elektrokimyasal olarak depolanması, bu depolamaya etki eden faktörler, ince filmin oluşma
kinetiği ve elde edilen filmlerin yüzey kompozisyonları araştırılmıştır (Kadırgan, Beyhan, 2006).

30

Şekil 7.5 : XPS analizi

8.FOTOVOLTAİK MODÜL ÜRETİMİ

8.1.Güneş Enerjisi
Bu yazıda, az yatırım ile fotovoltaik modül üretimi teknikleri ele alınacaktır. Üretim ile ilgili
malzemeler, donanım ve üretim aşamaları açıklanacaktır. Böyle bir teknolojinin küçük yerleşim
bölgelerine de uygun olacağı vurgulanacaktır. Atölye teknolojisi ile fotovoltaik modül üretimi
diye adlandırdığımız bu yöntemin geniş uygulama alanı bulacağından, dünyadaki büyük enerji
açığını kapatmada, işsizliği azaltmada ve küçük yerleşim bölgelerinden büyük şehirlere göçü
azaltmada olumlu etkileri olacağına dikkat çekilecektir.

Fotovoltaik modül üretiminde işçilik payı toplam maliyetin önemli bir yüzdesini oluşturduğu
bilinmektedir. Bu nedenle son yıllarda maliyeti azaltmak amacıyla iki ayrı yönde çalışmalar
31

yapılmaktadır. Bir yandan daha fazla otomasyona doğru gidilirken, diğer yandan da modül
üretimini basit yöntemler ile az enerji gereksinmesi olan ucuz insan gücü istihdam edebilen
küçük atölyelerde yapmak yönünde gittiği gözlenmektedir. Tam otomasyonlu üretim büyük
yatırımlar gerektirdiğinden, gelişmiş ülkelerde ele alınmaktadır. Burada amaç bugünkü 5 dolar
Wp olan modül maliyetini ikibinli yıllarda 2 dolar civarına indirmektir.

Fotovoltaik modüller güneş pili (solar cell) adı verilen ve genellikle silikon malzemeden pn
jonksiyonlar oluşturularak üretilmektedir. Modüllerin istenilen gerilim ve akım değerleri, pillerin
seri ve/veya paralel bağlanılması ile elde edilmektedir. Modül üretiminde şu ana kadar
uluslararası bir standartlaşmaya gidilmediğinden, modül ebatları üretici firma tarafından
belirlenmektedir. Uygulamaya yönelik enerji kapasiteleri ise; modüllerin seri ve/veya paralel
bağlanması ile elde edilen pano (panel) ile sağlanır. Pano kapasiteleri de uygulama
gereksinimlerini sağlamıyor ise panoların seri ve/veya paralel bağlanması ile elde edilen dizin
(array) diye adlandırılan yapı ile gerçekleştirilmektedir. Pil, modül, pano ve dizin ilişkileri Şekil
1'de gösterilmiştir.

Şekil 8.1 : Güneş pillerinden modül oluşumu

Şekil 8.1'de görüleceği üzere, fotovoltaik enerji sistem yapılarının modüler olduğunu ortaya
çıkarmaktadır. Güneş pili ve modül üretimi fabrika veya atölye gibi ortamlarda yapılırken, pano
ve dizinler çoğunlukla uygulama yerlerinde monte edilmektedir.

Bu yazıda, küçük yatırım ile fotovoltaik modül üretimi için gerekli malzemeler, gerekli donanım
ve üretim aşamaları açıklanacaktır. Modül üretimi atölye ortamında olabileceğinden, küçük
yerleşim bölgelerinde de yapılabileceği vurgulanacaktır. Bu tür yatırımlar dünya enerji açığı da
göz önüne alınarak değerlendirildiğinde, bir yandan enerji talebine katkı yaparken, diğer yandan
da ekonomiye katkı, işsizliği ve büyük şehirlere göçü azaltma gibi olumlu etkilerinin olacağı
belirtilecektir.

8.2.Modül Oluşum Aşamaları

Bir fotovoltaik modülün kesiti Şekil 2'de görüldüğü gibi, birkaç tabakadan oluşmaktadır. Önce;
birbirine seri ve/veya paralel bağlanmış güneş pilleri bir fiber yatak üzerine oturtulup, pillerin
üzerine ve fiberin altına EVA malzemesinden iki tabaka yerleştirilmektedir. Sonra üst EVA
malzemesinin üstüne temiz ve sertleştirilmiş bir cam parçası, alt EVA malzemesinin altına ise bir
tedlar tabakası konmaktadır. Daha sonra ise, hazırlanmış olan modül sandviç bir laminasyon
fırınına yerleştirilip vakum altında bir müddet pişirilmektedir. Laminasyon sonucu yukarıda adı
geçen malzemeler aralarında hiç hava kalmaksızın birbirlerine yapışmaktadır. Laminasyon işlemi
sonrası modül dikkatlice soğutulup, çerçeve ve terminal kutusu takıldıktan sonra son testi
yapılmakta ve kullanıma hazır hale getirilmektedir.

32

cam
EVA
piller
fiber yatak
EVA
tedlar

Şekil 8.2: Fotovoltaik modül kesidi

Şekil 8.2'te atölye teknolojisi ile üretilebilecek bir fotovoltaik modül 'ün üretim aşamaları
gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü üzere birinci aşama, modül ebadı ve güç seçiminin
yapılmasıdır. Buna göre üretime başlanmadan önce bir modül tasarımı söz konusudur.

Tasarım için gerekli bilgiler ise;

1) Donanımda seçilmiş olan laminatör cihazının kapasitesi,

2) Belirli uygulamaya göre optimum modül uç gerilimi,

3) Piyasada bulunan fotovoltaik pillerin ebatları ve akım kapasiteleri.

Şu anda piyasada bu amaçla kullanılabilecek kristal güneş pilleri; 10x10 cm, 12.5x12.5 cm,
15x15 cm ebatlarında ve 2-7 Ap'lik akım değerlerinde bulunabilmektedir. Bilindiği üzere;
fotovoltaik pillerin gerilimleri ise pn jonksiyonu ve malzeme cinsinden dolayı 0.45 V
civarındadır.

Burada üretimin küçük bir atölyede, en az yatırım ve enerji tüketimi ile yapılması isteniyor ise,
şu anda piyasadaki bulunan tek faz 220 V gerilim ve 16 A akımla çalışabilecek bir laminatör
seçilmesi uygun olacaktır. Böyle bir laminatör ise aynı anda en fazla 55x45 cm'lik bir alanı
lamine edebilmektedir.

Atölyemizde yukarıda belirtilen laminatörü kullanacak olursak, bu laminatöre 10x10 cm
ebadındaki pillerden 20 adet sığacaktır. Her pilin akım kapasitesi 2.2 Ap olduğu ve pillerin seri
bağlandığını var sayılırsa, uç gerilimi 9 V ve gücü yaklaşık 20 Wp olan fotovoltaik modüller
üretilebilecektir. Aynı laminatör ile daha yüksek uç gerilimi olan bir modül üretmek istiyorsak
(örneğin 16 V gibi), pilleri özel bir kesici tezgah ile küçültmemiz gerekecektir. Bu durumda
laminatöre 36 adet pil sığdırmak gerekecektir. Bunun için aynı piller (10x10 cm) ikiye bölünüp,
elde edilen 36 adet (5x10 cm) bölünmüş pil seri bağlanılır ise; uç gerilimi 16 V ve gücü 18 Wp
olan bir modül elde etmek mümkün olacaktır.

33

Modül Büyüklüğü
ve Güç Seçimi

Pillerin İstenilen
Üst Cam Kesimi
Akımı Vermesi için
ve Temizlenmesi
Ebatlandırılması

EVA ve Alt Destek Üst Yüzey İletken
Malzemesinin Kesilmesi Şeridinin Lehimlendirilmesi

Pil ve Lehimlerin
Test Edilmesi

Üst Cam, EVA, Piller
ve Alt Destek Levhasının
Yerleştirilmesi

Laminasyon İşleminin Bağlantı Kutusu Montajı
Modül Testi
Yapılması ve Son Modül Testi

Şekil 7.3: Modül üretim aşamaları.

8.3.Atölye Donanımı

Atölye teçhizatında en yüksek maliyeti laminatör tezgahı oluşturmaktadır. Bu cihazın kapasitesi
ve laminasyon alanı aynı zamanda atölyenin üretim kapasitesini de belirlemektedir. Tek fazlı
elektrik enerjisi ile çalışan laminatörler yukarıda açıklandığı gibi sınırlı üretim kapasitesine sahip
olmalarına karşın 3 fazlı ve su soğutmalı olanları 144x78 cm'lik bir modülü veya daha küçük
birkaç modülü aynı anda lamine edebilmektedir.

34

Ancak, amaç atölyeyi elektrik enerjisi sınırlı olan yerleşim bölgelerinde kurmak ise tek fazlı
laminatörler tercih edilmelidir.

Atölyede diğer önemli tezgahlar ise aşağıdaki gibi sıralanabilir:

A) Pil Keser Tezgahı: Bu tezgah ebatları 10x10 cm, 12.5x12.5 cm ve 15x15 cm olan foto-
voltaik pilleri 1/16, 1/8, 1/6, 1/4, 1/2 oranlarda kesebilme olanağı sağlamaktadır. Bu tezgaha bir
hava kompresörü ve bir duman çekici aspiratör gerekmektedir.

B) Lehim Tezgahı: Bu tezgahta ısısı ayarlanabilen bir havya, ısıtılabilen bir alüminyum taban,
duman emici bir aspiratör ve kullanıcıya özel bir aydınlatma sistemi bulunmaktadır.

C) Fotovoltaik Pil Test Tezgahı: Bu tezgahta laminasyon öncesi pilleri test etmek için homojen
aydınlatılmış bir yüzey ve kısa devre akımı ölçmek için bir cihaz bulunmaktadır. Tezgahta ayrıca
görsel denetim için lambalı bir büyüteç bulunmaktadır.

D) Cam Temizleme Tezgahı: Bu tezgahta laminasyon öncesi cam yüzeyler toz, pislik ve
yağdan tamamen arındırılır. Böylece laminasyon sonrası modül içinde hava kabarcığı kalmaması
garanti edilmektedir.

E) Rulo Malzeme Tezgahı: Bu tezgahta rulo halinde tedarik edilen lehim şeridi, EVA, tedlar ve
cam elyaf malzemeleri için özel taşıyıcı ve kesici aletler bulunmaktadır.

F) Modül Test Tezgahı: Bu tezgahta üretilen modüllerin I-V karakteristiği 1.5 güneşlik bir
aydınlatma ortamında test edildikten sonra, istenilen uç gerilim ve maksimum akım değerleri ile
karşılaştırma yapılmaktadır.

G) Çerçeveleme Tezgahı: Bu tezgahta test edilmiş modüller çerçeveledikten sonra
paketlenmeye hazır hale getirilmektedir.

8.4.Yer Gereksinmesi Ve Üretim Kapasitesi

Atölyede bir adet tek fazlı laminatör kullanıldığı takdirde ve şimdiki teknoloji ve yukarıda adı
geçen tezgah ve malzemelerle imalat yapılabilmesi için yaklaşık 10x4 m 2 = 40 m2'lik bir atölye
alanına gereksinme olduğu anlaşılmaktadır. Bu hesapta laminatöre 4 m 2'lik bir alan diğer
tezgahların her birine, gelen malzeme ve mamul için ayrılacak dörder m2'lik alanlar
öngörülmüştür.

20 Wp 'lik bir modülün laminasyon süresi yaklaşık 20 dakika olduğu göz önünde tutularak söz
konusu atölyede günde 600 Wp'lik modül üretilebilmesi mümkün görünmektedir. Bugünkü
fiyatlarla 100 Wp satış fiyatı 500 dolar dolayında kabul edilirse bu atölye günde 3000 dolar ciro
edebilecektir. Öte yandan böyle bir atölyenin bugünkü maliyeti 100000 dolar civarında olduğu
belirtilmektedir. Buna göre atölye ürettiği modüllerden % 10 kadar kar edebilirse yatırımı bir
yılda karşılayabilecektir.

35

8.5.Atölye Maliyetleri

Fotovoltaik pil maliyetleri yıllar önce yapılmış olan tahminler doğrultusunda düşmektedir. 2000
'li yıllara yaklaştıkça pil maliyetinin 2 dolar Wp civarında olacağı görünmektedir.

Hiç kuşkusuz yukarıda açıklanan tipte atölye maliyetleri; hem yaygınlaşma sonucu (sürümden)
hem de atölye teçhizatında kullanılan cihazlarla ilgili yapılan Ar-Ge çalışmaları sonucu düşeceği
aşikardır.

Atölyeler tek fazlı enerji ile çalışabildiğinden küçük yerleşim bölgelerinde kolaylıkla
kurulabilecek ve hatta tesis edilebilecek güneş enerjisi panolarından kendi enerjilerini
sağlayabileceklerdir. Bu tür atölyelerin ufak yerleşim bölgelerinde kurulması o bölgelerin
enerjisini güneşten elde etme gibi sonuçlar da doğuracaktır.

Enerji fazlasını satma olanağı da elde edilebileceği için ekonomik fayda da sağlanılabilecektir.
Doğrudan faydaların yanısıra, bu atölyeler işsizliği azaltma yönünde fayda sağlayacağı gibi
büyük şehirlere iş bulma maksadı ile açığa çıkan göçü de azaltıcı rolü olacaktır.

9.GÜNEŞ PİLİ YAPIMINDA KULLANILAN YENİ YÖNTEMLER

36

9.1.Güneş Pili Kürecikleri

Şekil 9.1 :Güneş pili küreciklerine bir örnek kürecik modeli.

Sphelar, mükemmel biçimde yuvarlatılmış, 1mm çapında, seri veya paralel olarak bir araya
getirilerek hertür cihazda kullanılabilecek güneş pili kürecikleri olarak tanımlanabilir. Kısaca
optoelektronik şirketi Japon Kyosemi'nin parlak bir fikri. İlk bakışta esaslı bie değişiklik
taşımıyor gibi görünse de, düz olmayan güneş pillerinin pratik etkisi ışığı yakalamak için
yüzlerinin hassas biçimde ışık kaynağına yöneltilmek zorunda olmayışıdır. Sphelar adı verilen
güneş pili doğrudan veya çevresel ışığı kullanarak elektrik üretebiliyor. Işık nereden gelirse
gelsin verimli bir şekilde yararlanıyor. Güneş pili küreciklerinin üretim yöntemi de oldukça
verimli. Bir güneş küreciğinin üretimi halihazırdaki güneş pillerinin üretimi için gereken
silikondan daha azını gerektiriyor. Güneş kürecikleri, ergitilmiş silikon kristallerinin 14 mete
yüksekliğindeki düz bir duvardan yerçekimi etkisiyle aşağıya doğru yavaşça indirilmesiyle
oluşuyor. Bu imalat yöntemiyle üretilen küreciklerde, geleneksel güneş pili imalatında aslında
yarısı da ziyan edilen toplam silikon miktarının, yarısı kullanılıyor.Dolayısıylada yarı yarıya
tasarruf sağlanıyor. Bu yeni günel pillerinin belki de en önemli boyutunu, küreciklerin ihtiyaç
duyulan her tür biçimde bir araya getirilebilir oluşu oluşturuyor. Güneş pili kürecikleri, pencere
camının içine gömülerek eletrik üretmek dahil, en zor biçimlerde, güneş paneli üretme olasılığı
sağlıyor.

9.2.Nanoanten_Yöntemi

ABD Idaho Ulusal laboratuarından araştırmacı Steven Novack elinde özel biçimlendirilmiş
iletkenlerin kabartma şeklinde işlenmesiyle oluşturulan nano anten dizilerini içeren plastik
levhayı elinde tutuyor.Her bir kare yaklaşık 260 milyon anten içeriyor.
Nano teknoloji alanında araştırma ve geliştirme faaliyetleri genellikle santimetre ölçeğinde
yapılmasına karşın, INL patentli imalat süreci, nano boyutlardaki özelliklerin büyük ölçekte
üretilebileceğini gösteriyor.Buda herkesi daha yeni araştırmalara yöneltiyor. Idaho Ulusal
laboratuarı araştırmacıları, Microcontinuum Şirketi. (Cambridge, MA) ve Missouri
Üniversitesinden Patrick Pinhero ile birlikte ortaklaşa olarak, gün batımından sonra da güneş

37

enerjisini toplamayı sürdürebilen ve esnek malzeme üzerine basılarak yardası (91,44 cm) 1
peniye mal olmasını umdukları güneş enerjisini toplamanın yeni bir yöntemini geliştiriyorlar.

Şekil 9.2 : Nanoanten yöntemine örnek levha çalışması

Yeni yaklaşım, ince iletken spirallerin plastik levha üzerine basılmasında kullanılan özel imalat
yöntemi nedeniyle iki 2007 Nano50 ödülü kazanmış. Levhaya gömülen her bir nano antenin
genişliği insan saçının 1/25’i çapında olmasıda ayrı bir hayranlık konusu olmaktadır.

Nano antenler, boyutları nedeniyle enerjiyi gözün gördüğü tayfın dışında kalan, kızılötesi
alandan topluyor. Güneş çok miktarda kızıl ötesi enerji yayıyor. Dünyayı yıkayan bu enerji gün
batımından saatler sonra da ışıma yoluyla serbest kalmayı sürdürüyor. Nano antenler, enerjiyi
hem güneş ışığından hem de yeryüzünden yayılan ısıdan, geleneksel güneş pillerine göre çok
daha verimli bir şekilde emmeyi sürdürebilirler.Fizikçi Steven Novack 2007 Kasım ayında
Boston’da yapılan Ulusal Nano Mühendisliği Konferansındaki konuşmasında, bu antenlerin
geleneksel güneş pillerinin yerini alma olasılığı taşıdığına dair düşüncesini dile
getirmişti.Antenleri atom düzeyine indirgemek zor ama yapıldığı taktırde harika sonuşlar
verebilecek bir yöntem olduğu kanısında birleşiyor bütün bilim adamları.

Televizyon veya cep telefonumuzdaki çok küçük devreler, enerjiyi antenlere benzer şekilde
emerler. Bütün antenler yüksek notaların bardağı kırmasını mümkün kılan kendi kendini
güçlendiren bir fiziksel olgu olan “rezonans” yoluyla çalışır. Radyo ve televizyon antenleri,
yakalamaları gereken enerjinin dalga boyu nedeniyle büyük olmak zorundadır.Teorik olarak

38

elektromanyetik dalgaları yakalayabilen anten yapımı mühendislerce yapılmış antenden de
görebileceği üzere basittir.

Nano anten dizileri altın üzerine basılmış ve elektron mikroskobu ile görüntülenmiş.
Yerleştirilen tel yaklaşık bin atom kalınlığında. Esnek levhadaki birbirine bağlı anten dizileri bir
gün ağır ve pahalı güneş panellerinin yerini alabilir.Ekibin atom ölçeğindeki spiral anten
dizilerini basmanın verimli yolunu bulmaları yıllar almış. Bu kavram yeni olmamasına karşın,
Novack nano teknolojinin çıkış yapmasının bunu gerçekten mümkün kıldığını söylüyor.
INL takımı antenlerin bir gün folyo veya plastik rulo üretim yöntemiyle basılabileceğini gözünde
canlandırıyor. Şimdiye kadar her biri 10 milyon anten içeren 6 inçlik (15,24 cm) dairesel pullar
üzerine baskı yapmışlar.İlk başta araştırmacılar antenleri, geleneksel güneş pillerini daha verimli
kılmak için, onlarla birleştirmeye odaklanmışlar. Daha sonra sıfırdan başlamayı düşünmüşler.
Novack, “antenlerin kendi enerjisini kendisi toplayabilir hale getirebileceklerini fark ettiklerini”
söylüyor.Ekonomik bir seçenekTicari güneş panelleri genellikle üzerlerine düşen kullanılabilir
enerjinin %20’sinden daha azını elektriğe dönüştürebilirler.

Şekil 9.3 :Nanoanten yöntemininde nanoanten dizileri yerleştirilme şekline örnek bir dizilim

Her bir silikondan yapılmış hücre verimliliklerinin artırılması için alışılmadık malzemelerle
kaplanır. İşlenen silikonun tedariki de yalıtımlıdır ve daha pahalıya malolur. Novack nano
antenlerin geleneksel güneş pillerine nazaran çok daha verimli ve sürdürülebilir bir seçenek
olacağını umduklarını belirtiyor.Takımın hesaplamalarına göre her bir nano anten kullanılabilir
enerjinin %80’ini emebiliyor. Devrelerin kendileri birkaç farklı iletkenden oluşuyor ve nano
antenler ince, esnek “polyethylene “ gibi ambalaj kaplaması olarak kullanılan plastik
malzemelerin üzerine basılabiliyor. Aslında takım ilk antenlerini doğru kalınlığa sahip olduğu
için Wall street Journal gazetesinin konulduğu plastik poşet üzerine basmış. Kolayca
bulunabilecek malzemeler hızlı imalata başlamayı odaklandıklarını söyleyen Novack,
amaçlarının nano antenleri ucuz fiyatlı halılar kadar ucuza yapmak olduğunu vurguluyor.İyi

39

ayarlanmış ince yapılar Nano güneş anteni paneli yapmanın gerçek hilesi onların taşımaları
gereken özelliklerin öngörülerek fabrikada basılmadan önce tasarımda mükemmelleştirilmesidir.

Titreşen bir antenin fiziğiyle çalışmak göreceli olarak kolay olmasına karşın, çok sayıda anten
bir araya getirildiğinde karmaşık etkileşimler oluşmaya başlar. Kızılötesi ışığın doğru frekansı
çarptığında, antenler, malzeme üzerinde beklenmedik etkiler oluşturan yüksek elektromanyetik
alan da üretirler.Sonuçta araştırmacılar, mevcut antenlerin malzeme ve şekillerini en verimli
şekilde nasıl ince ayar yapabileceklerini görmek için ince yapılardaki rezonansın bilgisayar
modelini geliştiriyorlar.Novack, antenleri görememeleri nedeniyle, bunları modelleyebilmeyi
sağlamalarının kendilerini başarılı kılacağını, çünkü onlara müdahale etmelerinin güç olduğunu,
küçük ayarlamaların bile büyük farklar oluşturabildiğini belirtiyor.Heyecan yaratan
gelecek.Novack, bir gün bu nano anten toplayıcıların taşınabilir bataryaları şarz edebileceğini,
evlerin çatılarına kaplanabileceğini belki de polyester kumaşlarla birleştirilip çift taraflı panel
olarak, bir tarafının gündüzleri güneşten gelen geniş enerji tayfını, diğer tarafın ise geceleri
dünyanın yaydığı dar frekanslı enerjiyi almak üzere tasarlanabileceğini belirtiyor.Nano
antenlerin üretimi kolay olmasına karşılık, sürecin iki önemli kısmı henüz tam anlamıyla
gelişmiş değil; elektriği saklamak ve aktarmak için gereken kısımlar. Kızılötesi ışınlar nano
antenlerde alternatif akım oluşturmasına karşın bu akımın frekansı saniyede on bin milyar (ten
thousand billion). Bu saniyede 60 kez salınan akımla çalışan elektrikli aygıtlar için son derece
hızlı bir salınım.

Bu yüzden ekip salınımı, antenlerle birlikte çok ince kapasitörler gibi dönüştürme aygıtlarını
basarak aşağıya düşürmenin yolunu arıyor. INL Mühendisi Dale Kotter, bu noktada söz konusu
antenlerin enerjiyi yakalamak için iyi olmalarına karşın onu dönüştürmede iyi olmadıklarını
söyleyerek, kısa zaman içinde son derece umut vadeden deneysel araştırmalarının olduğunu
vurguluyor.Kotter ve Novack yüksek frekanslı alternatif akımı, bataryalarda saklanmaya elverişli
doğru akıma çevirmenin yolunu da araştırıyorlar. Bir ihtimal yüksek hızlı doğrultucuları, özel
diyotları her bir spiral antenin ortasına yerleştirerek alternatif akımı doğru akıma çevirmek.
Takım, olası çeşitli enerji dönüştürme yöntemlerinin patentlerine de sahip. Onlar yeni nesil
güneş enerjisi panellerinin sadece birkaç yıl uzağında olduklarını umuyorlar.

9.3.CIGS Yöntemi

40

Şekil 9.4 : Honda Soltec Şirketinin Ürettiği CIGS Güneş Paneli

Honda Soltec Şirketi yeni ince-film güneş pillerinin satışına başladı. Yeni güneş pillerinde,
silikon yerine bakır, indiyum, galyum ve selenyum bileşimi (CIGS)kullanılıyor.Kısaca (CIGS)
olarak tanımlanan silikon içermeyen güneş pillerinin güneş pillerinin üretim sürecinde daha az
karbondioksit yayılması nedeniyle daha "çevreci" oldukları belirtiliyor.

Bazı bilim adamları CIGS güneş pillerinin geleceğin düşük maliyetli güneş pilleri olabileceğini
tahmin ediyorlar. Honda'nın CIGS güneş pilleri en fazla 125 Watt 1kW/m2 çıktı sağlarken, her
bir modülün boyutları 1,417mm × 791mm × 37mm ve ağırlığı 14.3 kg. Önerilen satış fiyatının
Japonya'da yaklaşık 60,375 Yen ($495 Dolar) olacağı not ediliyor.Honda Soltec Limited Şirketi,
Honda^'nın tamamen sahip olduğu güneş enerjisi alanında faaliyet gösteren bir alt şirketi. 2006
Sonbaharında faaliyete geçen Şirketin halihazırda satışları 61 Milyon Dolar'a ulaşmış.Şirket,
Honda Mühendislik Şirketince üretilen güneş pillerinin dağıtım ve servis hizmetini sağlıyor.

Honda Şirketi Otomobil üreticileri içinde güneş enerjisi alanında faaliyet göstermeye başlayan
ilk şirket. Ucuz ve oldukça verimli CIGS güneş pili üretimi alanında, Honda'nın yanısıra
Daystar, Global Solar, HelioVolt, Konarka, Miasole, and Nanosolar Şirketleri üretimde
bulunuyor.

9.4.Boya Ve Titanyum Esaslı Güneş Pilleri

41

Şekil 9.5 :Organik Boya Ve Titanyum Esaslı Güneş Pillerinin Çalışma Şeması

Şe
kil 9.6 : Organik boya esaslı nano-kristal yapılı ince film güneş pillerinin yapısı
42

Şekil 9.7 : Organik boya esaslı nano-kristal yapılı ince film güneş pillerinin üretimi

43

Şekil 9.8 : Modül üretimi

Şekil 9.9 : Organik güneş pili paneli

10.GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİNİN SINIFLANDIRILMASI

Bu sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin
yetersiz olduğu zamanlarda yada özellikle gece süresince kullanılmak üzere sistemde akümülatör
bulundurulur. Güneş pili modülleri gün boyunca elektrik enerjisi üreterek bunu akümülatörde
depolar, yüke gerekli olan enerji akümülatörden alınır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar
görmesini engellemek için kullanılan regülatör ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden
gelen akımı yada yükün çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli
olduğu uygulamalarda, sisteme bir inverter eklenerek akümülatördeki d.a. gerilimi, 220 V, 50
Hz.’lik sinüs dalgasına dönüştürülür. Benzer şekilde, uygulamanın şekline göre çeşitli destek
elektronik devreler sisteme katılabilir. Bazı sistemlerde, güneş pillerinin maksimum güç
noktasında çalışmasını sağlayan maksimum güç noktası izleyici cihazı bulunur.

Güneş pili sistemi uygulamaları iki ana gruba ayrılabilir:

1)Şebeke bağlantılı sistemler
44

2)Şebekeden bağımsız sistemler

10.1.Şebeke Bağlantılı Güneş Pili Sistemlerinin Yapısı Ve Özellikleri

Şebeke bağlantılı güneş pili sistemlerin gücü, birkaç kW’ tan birkaç MW’lara kadar
değişebilmektedir. Şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri yüksek güçte,santral boyutunda
sistemler şeklinde olabileceği gibi daha çok görülen uygulamalar ise binalarda küçük güçlü
uygulamalar şeklindedir. Bu tür sistemler, iki ana gruba ayrılır.

İlk tür sistem, temelde bir yerleşim biriminin mesela, bir konutun elektrik ihtiyacını karşılar. Bu
sitemlerde, üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılır.
Yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda şebekeden enerji satın alınır. Böyle bir sistemde enerji
depolaması yapmaya gerek yoktur, yalnızca üretilen d.a. elektriğin, a.a. elektriğe çevrilmesi ve
şebeke uyumlu olması yeterlidir.

İkinci tür şebekeye bağlı güneş pili sistemleri kendi başına elektrik üretip, bunu şebekeye satan
büyük güç üretim merkezleri şeklindedir. Bunların büyüklüğü 600-700 kW’ tan MW’ lara kadar
değişir.

Şekil 10.1 : Şebekeye elektrik veren güneş pili (PV) sistemi

10.1.1.Şebeke Bağlantılı 4,8 KW Güneş Pili Sistemleri

Güneş pilleri şebekeden bağımsız sistemler olarak kullanılabileceği gibi mevcut elektrik
şebekesine bağlı olarak da kullanılabilirler. Enerji maliyetinin pahalı olması nedeniyle güneş
pilleri genellikle şebekeden uzak yerlerdeki küçük güçlerin enerji talebinin karşılanmasında
kullanılmıştır. Son yıllarda ise özellikle gelişmiş ülkelerde şebekeye bağlı güneş pili
uygulamaları yaygınlaşmaktadır. Bu kapsamda EİE Didim Güneş ve Rüzgar Enerjisi Araştırma
Merkezi'ne 4,8 kW gücünde şebeke bağlantılı güneş pili sistemi kurulmuştur.

45

Şekil 10.2 : Şebeke bağlantılı 4.8 kw güneş pili sistemi

10.1.2.Şebeke Bağlantılı 1,2 KW Güneş Pili Sistemleri

Şebeke bağlantılı sistemlerin demonstrasyonu amacıyla 1,2 kW gücünde bir şebekeye bağlı
güneş pili sistemi de EİE Yenilenebilir Enerji Kaynakları Parkı’na tesis edilmiştir.

Şekil 10.3 : Şebeke bağlantılı 1.2 kw güneş pili sistemi

10.2.Bağımsız Güneş Pili Sistemlerinin Yapısı Ve Özellikleri

FV sistemlerinin en tipik ve en yaygın kullanım şekli, yerleşim yerlerinden uzak yörelerde enerji
gereksinimini karşılayan bağımsız (stand - alone) sistemlerdir. Bu sistemler birkaç watt’tan
birkaç yüz kW’ lara kadar değişebilen güçlerde ve çok çeşitli türlerde yüklerin enerji talebini
karşılayabilir.

46

Gunes pilleri

Recomendados

Recomendados

Más contenido relacionado

La actualidad más candente

La actualidad más candente (20)

Destacado

Destacado (10)

Similar a Gunes pilleri

Similar a Gunes pilleri (20)

Gunes pilleri