Güneş Paneli Tarihi
Işığın , çarptığı yüzeylerden elektron koparması olarak tanımlayabileceğimiz Fotovoltaik Etki ilk olarak 1839 yılında Fransız fizikçi A.E.Becquerel tarafından keşfedilmiştir.Bu buluş SolarCell teknolojisinin başlangıcı olarak kabul edilmekle birlikte bugünkü anlamda ilk modern güneş hücresi 1954 yılında ABD’deki Bell Laboratuvarlarında üç araştırmacı ; G.Pearson , C.Fuller ve D.Chapin tarafından keşfedilmiştir.Güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine çeviren bu ilk cihaz bir silikon esaslı güneş hücresiydi ve % 4 gibi bir verime sahipti.Kısa bir süre içinde verim % 6 ‘ya yükseltildi fakat maliyet her bir Watt için 1000 $ gibi çok yüksek düzeydeydi.Bu nedenle uzun yıllar pratik bir uygulama alanı bulamamıştır.Ancak 1958 yılından itibaren uzay teknolojisinin gelişimine paralel olarak uyduların tek enerji kaynağı olarak kullanılması , SolarCell’i yeniden gündeme taşımaya yetmiştir.Sözkonusu dönemde SolarCell teknolojisinin gelişmesine öncülük eden kuruluş Hoffman Electronics olmuştur ve silikon SolarCell verimini önce %9’a , daha sonra %10’a , 1960 yılında %14’te yükseltebilmiştir.Uzay teknolojisi gibi çok özel uygulamaların haricinde endüstriyel uygulamaları hedefleyen ve bu amaçla ilk silikon SolarCell fotovoltaik modülünü 1963 yılında üreten firma ise Japon Sharp Corporation olmuştur.Silikon SolarCell’den sonra farklı elementlerin bileşikleri kullanılarak üretilen güneş hücreleri zamanla geniş çaplı kullanım alanı bulmuştur.Bunlardan Gallium-Arsenide (GaAs) , 1970 yılında Rus fizikçi Z.Alferov tarafından yapılmıştır.1976 yılında ilk amorf silikon hücre düşük maliyetle üretilebilmiştir.İlk Thin-film SolarCell , Copper Sulphide (Cu2S) ve Cadmium Sulphide (CdS) kullanılarak 1980 yılında üretilmiştir.Daha sonra Thin-film teknolojisindeki gelişmeye paralel olarak Cadmium-Telluride (CdTe) , Copper Indium Gallium Selenide (CIGS) , Copper Indium Diselenide (CIS) hücreler üretilmiştir.Tüm bunlara rağmen bugünkü pazara hakim olan fotovoltaik modüller monokristal ve polikristal esaslıdır. Kullanım oranları %93 silicon SolarCell , %6 Thin-film , %1 diğerleri şeklindedir.
Güneş Paneli Nedir?
Güneş paneli nedir sorusuna kısaca yanıt verecek olursak, güneş paneli, üzerine gelen güneş ışığı enerjisini elektrik enerjisine çeviren araçtır. Güneş panelleri, gün ışığını elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik yarı iletken silikon hücrelerden oluşur. Bir silikon hücre yaklaşık olarak 0,5 Volt kadar gerilim üretir. Hücrelerin seriler halinde lehimlenmesi sonucu istenilen panel gerilim ve akım değerine ulaşılır. Güneş paneli nedir sorusunun bir başka cevabı, çeşitli miktarda fotovoltaik hücrenin bir araya getirilip kuruluma – kullanıma hazır hale getirilmiş halidir diyebiliriz.
Örneğin, 12V nominal gerilimli 160W gücündeki bir panelde, 36 hücre seri olarak bağlanmıştır. 36 hücrenin seri bağlanması sonucu Maksimum Güç Gerilimi (Vmp) değeri kullanılan hücreye göre yaklaşık olarak Vmp= 36 x 0,5 = 18V olarak belirlenir. 270W gücünde, 60 hücreli bir panelde de, tüm hücrelerin seri bağlantısı sonucu yaklaşık olarak Vmp = 60 x 0,5 = 30V olarak ölçülebilir.
Güneş panellerinin çevre koşullarına karşı dayanıklılığı önemlidir. 25 – 30 yıllık kullanım ömürleri dikkate alındığında, hava koşullarına, ısınma – soğuma, korozyon, fiziksel darbe ve güneş ışığına karşı dayanıklı, su geçirmez, uluslararası kalite standartlarına uygun şekilde üretilmelidir.
Güneş Paneli Yapısı
Silikon hücreler, 150 – 300 mikron kalınlığında, yani oldukça ince ve kırılgan yapıdadır. Hücrelerin, çevresinde bir koruyucu katman olmadan kullanılması mümkün değildir.
Güneş paneli dıştan içe aliminyum çerçeve, yalıtım malzemesi, özel temperli cam, EVA, hücre ve sırt folyosu (backsheet) ve bağlantı kutusundan oluşur.
Aluminyum çerçeve, paneli fiziksel etmenlerden korur, montaj için gerekli yapıyı oluşturur ve sektördeki boyut standartlarına uyumluluğu ve bağlantı aparatı çeşitliliği sayesinde kolayca montaj yapılmasını sağlar. Çerçeve ve cam arasında su geçirmez yalıtım malzemesi bulunur. Temperli solar cam, yüksek darbe dayanımı ile paneli dolu, rüzgar, taş ve benzeri cisim çarpmalarından korur. Camın bir diğer özelliği, yüzeyinin güneş ışığının büyük kısmını içeri geçirecek şekilde tasarlanmış olmasıdır. Ancak bir miktar ışık camdan atmosfere yansımaktadır. EVA (Etilen Vinyl Asetat) ise cam, hücreler ve sırt folyosu arasını dolduran, parçaları birbirine yapıştıran özel bir katmandır. Üretimde hücrelerin her iki tarafına uygulanan EVA, sıcak laminasyon yöntemi ile eritilerek hücreleri tamamen çevreler. Sırt folyosu (Backsheet), panelin arka tarafının yalıtımını sağlar ve panelin optimum sıcaklıklarda çalışması için özel olarak tasarlanmıştır. Bağlantı kutusu, IP64 seviyelerinde su geçirmez yapıda olup, panel kablo bağlantılarını ve bypass (köprüleme) diyotunu içerir. Bypass diyotu, panel hücre serilerinden birinde gölgeleme veya arıza olduğunda panelin geri kalan kısmının elektrik üretmeye devam etmesini sağlar.
Güneş Paneli Verimliliği
Güneş paneli verimi, panele standart test koşullarında (1000W/m2) ışınım uygulandığında, 1 metrekare alanda üretilen güç ile ölçülür. Örneğin, %15 verimlilik değeri olan 1m2 hücre alanında bir panel 1000W/m2 gün ışığını dik bir şekilde aldığında 150W/h elektrik üretir. Güneş paneli verimliliği, kullanılan hücre tipine, hücre tasarım ve kalitesine, cam ve diğer komponentlerin kalitesine bağlıdır. Ülk
mizde ortalama ışıma değeri 1300W/m2 seviyesinde olduğu için, panel standart verimlilik rakamlarının üstünde üretim sağlamak mümkündür. Kristal paneller, %16 – 24 arasında, ince film paneller %10 – 15 arasında verimlilik değerlerine sahiptir. Teknolojinin gelişmesine paralel olarak, her yıl hücre verimlilikleri artış göstermektedir. Bilimsel çalışmalar sonucunda %45 güneş paneli verimliliği değerlerine ulaşılmış solar panel prototipleri olsa da, maliyet henüz çok yüksek seviyede olduğu için sadece özel durumlar için (uzay çalışmaları vb.) kullanımı söz konusudur.
Güneş paneli verimliliği, kullanım ömrü boyunca yavaş bir oranda azalır. İlk 10 yıl, standart test koşullarında ölçülen fabrika verimlilik oranı, 10 – 20 yıl arası bu değerden %10 azalma, 20 – 30 yıllar arası ek %10 azalma gibi değerler üretici firmalar tarafından performans garantisi olarak verilmektedir.
Örneğin, %17 olan bir solar panel verimliliği, 10 yıl sonunda halen %17 yakınlarında verimlilikteyken, 20. yılında bu değer %15 seviyelerine, kullanım ömrü kabul edilen 30. yılına yaklaşırken de %10 seviyelerine gerileyebilir. Panel verimliliğinin azalmasında, zorlu çevre koşulları ve panellerin sık temizlenmemesi de önemli faktörlerdir.
Konum ve Hava Koşullarının Güneş Paneli Elektrik Üretimine Etkisi
Ülkemizde ortalama güneş ışınım değerinin 1300W/m2 olduğunu belirtmiştik. Bu değer coğrafi konuma göre değişmekle birlikte havanın açık, bulutlu veya yağmurlu olma durumlarına göre de değişmektedir.
Örneğin, Ankara’da, ortalama 800W/m2 ışıma alındığını göz önünde bulundurarak, açık havada 1000W/m2, bulutlu havalarda 200 – 750 W/m2, yağmurlu havalarda 50 W/m2 seviyelerinde ışınım miktarı olacağını öngörebiliriz. Toplam 1kW panel gücündeki, %18 verimli polikristal panellerden oluşan bir güneş enerjisi sistemi, 1 saatte, açık havada 1 kW, bulutlu havalarda 0,5 kW, yağmurlu havada ise 0,05 kW elektrik üretecektir. Aynı değerler Antalya ili için yaklaşık 1,15 kW, 0,6 kW ve 0,06 kW olacaktır.
Örnekten de anlaşılacağı üzere, güneş panelleri, bulutlu günlerde de elektrik üretir. Yani güneş paneli, doğrudan güneş ışığı almasa da, gün ışığı aldığı her an belirli bir miktar elektrik üretimi yapar. Yağışlı havalarda ışık miktarı minimum olduğundan üretilen elektrik miktarı off grid sistemlerde aküleri doldurmaya yetmeyecektir. Bu nedenle, sistem tasarımı yapılırken, bölgede üst üste yağışlı geçen gün sayısına dikkat edilmelidir.
Güneş Paneli Çeşitleri
Monokristal Güneş Paneli, Polikristal Güneş Paneli ve İnce Film Güneş Panelleridir. Özetle açıklamak gerekirse:
1- Monokristal Güneş Panelleri
Monokristal en yüksek verimli güneş paneli tipidir. Verimlilikleri %22-23 seviyesindedir. Eşit ölçüdeki polikristal hücrelere göre daha az alan kaplarlar. Maliyetleri polikristal panellere göre %25-30 daha yüksektir. Yapısı gereği üretim firesi yüksek olduğundan maliyeti de yüksektir. Polikristal panellere göre daha uzun ömürlüdür. Tekne, karavan ve benzeri alan sınırlaması olan projelerde kullanımı önerilir. Temelde yüksek verimli olmasına rağmen, piyasada çeşitli kalite sınıflarında ürün bulunduğundan, panel / marka seçimi yapılırken teknik özellikleri dikkatlice kontrol edilmelidir. Düşük kalite monokristal hücreler, yüksek kalite polikristal hücrelerle kıyaslandığında daha düşük performans sergileyebilirler. Panel seçiminde hücre menşei ve üretici kalitesi, panel tipi özelliklerinin önüne geçen önemli bir faktördür.
2- Polikristal Güneş Panelleri
Kristal yapıda birden fazla atomun olduğu silikon kullanılarak üretilen güneş hücresi tipidir. Gözle görülür şekilde dalgalı iç yapı ve daha açık mavi tonlarında hücreleri vardır. Verimlilikleri %16-18 seviyesindedir. Maliyetleri monokristal panellere göre %25-30 daha düşüktür. Dünya çapında piyasada en yaygın kullanılan hücre tipidir. Alan sınırlaması olmayan uygulamalarda düşük maliyetli olması nedeniyle geçtiğimiz yıllara göre daha da yaygınlaşmakta, üretim maliyetleri de artan hacimle orantılı olarak azalmaktadır.
Solar panel seçimi yapılırken, ciddi alan kısıtları olmadığı durumda polikristal panelleri rahatlıkla seçebilirsiniz. Güneş paneli teknik verileri dikkatlice incelenmeli, fiyat performans olarak çeşitli markaların polikristal ve monokristal modelleri karşılaştırılmalıdır. 1. Kalite bir polikristal panel, düşük kalite monokristal panelden daha üstün performans gösterecektir ve yıllarca sorunsuz bir şekilde kullanılabilir.
3- İnce Film Güneş Paneli
İnce film güneş paneller düşük maliyetli ve düşük verimli (%10) ürünlerdir. Hafif olması, bina yüzeylerine uygulanabilir olması, bölgesel gölgelenmeden en az etkilenmesi ve yüksek sıcaklıkta veriminin azalmaması pozitif özellikleridir. Ancak maliyetlerinin yüksek olması nedeni ile tercih edilmez.
Güneş Paneli Teknik Açıklamaları ve Anlamları
Pmax – Maksimum Güç: Standart test koşulları altında, panelin ürettiği maksimum güç değeridir.
Vmp – Maksimum Güç Gerilimi: Panelin standart test koşulları altında ürettiği maksimum gerilim değeridir.
Imp – Maksimum Güç Akımı: Panelin standart test koşulları altında ürettiği maksimum akım değeridir.
Standart test koşulları, 25°C hücre sıcaklığında, 1000 W/m2 ışınım altında yapılır. Normalde bu değerler 45°C hücre sıcaklığında ve ortalama 800 W/m2 ışınım altında olacaktır. Testler, fabrika ortamında laminasyon öncesi ve sonrası yapıldığı için karşılaştırma amaçlı uluslararası standart değerler oluşturulmuştur.
Voc – Açık Devre Gerilimi: Güneş panelinin, hiç bir elektriksel yük yokken, yani akım üretmiyorken sahip olduğu gerilim değeridir. Panelin artı ve eksi uçlarına bir voltmetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer, inverter ve akü hesabı yaparken ilgilendiğimiz voltaj değeridir. Bu değere göre paneller seri veya paralel şekillerde bağlanarak sistem voltajına uygun hale getirilir.
Isc – Kısa Devre Akımı: Güneş panelinin kısa devre halinde, yani artı ve eksi uçlarını birbirine arada bir yük olmadan bağladığınız durumda ürettiği akım değeridir. Panelin artı ve eksi uçlarına bir ampermetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer, şarj regülatörü seçimi yapılırken kullandığımız maksimum akım değeridir.
Maksimum izin verilen sistem gerilimi: Paneller seriler halinde bağlanırken oluşturulabilecek en yüksek gerilim değeridir. Bu değerin üstüne çıkıldığında sistem tehlikeli hale gelir. Panel bağlantı kutuları ve kabloları bu gerilimin üstüne çıkacak şekilde tasarlanmamıştır.
Nominal hücre çalışma sıcaklığı: Panelin normal koşullar altında, yani 20°C sıcaklık, 800 W/m2 ışınım, 1 m/s rüzgar altında güneş radyasyonu altında ısınarak geleceği sıcaklık değeridir.
Enerji