tmmobmakina mühendisleri odası

GÜNEŞ ENERJİSİSİSTEMLERİ

SEMPOZYUMU VE SERGİSİİSİ

KİTABI

MMO Yayın No: E/2003/321

20-21 HAZİRAN 2003MERSİN

tmmobmakina mühendisleri odası

Adres : Sümer Sokak NO: 36/1 -A Demirtepe / ANKARATel : 0(312) 231 31 59 - 231 31 64 - 231 80 23 - 231 80 98Fax : 0(312) 231 31 65E-posta : mmo@mmo.org.trWeb : http://www.mmo.org.tr

MMO Yayın NoISBN

: E/2003/321: 975-395-607-X

Bu yapıtın yayın hakkı Makina Mühendisleri Odası'na aittir. Kitabın hiçbir bölümüdeğiştirilemez. MMO'nun izni olmadan kitabın hiçbir bölümü elektronik, mekanik vb.yollarla kopya edilip kullanılamaz. Kaynak gösterilmek kaydı ile alıntı yapılabilir.

DİZGİ : TMMOB MAKİNA MÜHENDİSLERİ ODASI MERSİN ŞUBESİ

BASKI : Dost Ajans Matbaacılık Yayıncılık ve Tanıtım Hizmetleri / MERSİN

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

GÜNEŞTEN ELEKTRİK; TEKNOLOJİK ÖĞRENME VE TARİHSEL DENEYİMIŞIĞINDA SEKTÖR OLUŞUMU ÖNÜNDEKİ ENGELLER

Dr. Baha Kubatı

Şişecam

ÖZET

İklim değişikliği ve küresel ısınmanın kaynağının yerküredeki sınai faaliyetler olduğu bugün artıkgenel kabul görmektedir. Bu gerçek, dünya enerji üretiminin tükenen ve kirleten fosil yakıtlardanyenilenebilir enerji kaynaklarına kayması gerektiği düşüncesini de yaygınlaştırmaktadır. Rüzgar,fotovoltaik(güneş ışığından doğrudan elektrik) gibi teknolojilerin maliyetlerinde ve performanslarındakaydedilen çok önemli gelişmelere, pazarlarında görülen hızlı büyüme ve pek çok ülkede destek içinoluşturulan programlara rağmen, toplam enerji tüketimleri içindeki yerleri hala son derece düşüktür.Son yıllarda kaydedilen hızlı gelişmeye karşın 20-30 yıllık bir gelecekte arzulanan oranda bir katkıbeklenmemektedir.

Bu çalışmada güneş pili (fotovoltaik güneş enerjisi) teknolojisinin ve pazarlarının gelişim tarihçesiüzerinden teknolojik öğrenme, enerji piyasaları, serbestleşme eğilimleri, pazar/teknoloji çekişleribağlamında sektör oluşumu önündeki teknik ve teknik olmayan engeller irdelenmektedir.

GİRİŞ

1960'larda uzay çağının teknolojisi olarak ticarileştiği zamanlardan bugüne, güneş pilleri, hayranlıkuyandırıcı bir basitliğe ve mükemmelliğe sahiptir. Çalışma ilkesi güneş ışınları ile tetiklenen birmalzeme özelliği olan fotovoltaik olgusu, tek bir hareketli parçaya sahip olmaması, uzun ömürlü vetemiz olması ile enerji üretimi alanında, ilk keşfedildiği andan beri, büyük umutlar beslenen birteknoloji olmuştur. Fotovoltaik olgusu Şekil 1. de şematik olarak gösterilmektedir.

Yansıtmasız kaplama

yapıştırıcı

Şekil 1. Fotovoltaik olgusu

240

Şekilde gösterilen yarı-iletken gözelerin seri bağlanması ile dizinler ve modüller güneş pillerinin ticariolarak tedarik edildiği biçimdir. Birçok modülün bir araya getirilmesi ile güneş pili sistemitamamlanmış olur. Bu sistem, şebekeye bağlı olan ya da olmayan uygulamalarda depolamakullanılmadan(aküler yoluyla) ya da depolama kullanılarak görevini yapar.

Güneş Pillerinin Gelişimi:

İlk kullanıldığı yıllardan bugüne güneş pilleri maliyetler bakımında büyük yol katetmiştir. Şekil 2güneş pillerinde artan üretim hacmiyle birlikte düşen maliyetleri ve bu ürünün pazarı konusundayapılan öngörüleri göstermektedir.

(MW/yıl)

250"

20O-

100

5O'

öngörülen

1980

/

//

/

Yıllık artış

t 27% •

s

gerçekleşen

i l i l i P f H1990

| | -

1

1İt

7000

Şekil 2. Güneş pili üretiminin seyri.

Güneş pillerinin son on yılda pazarını cep telefonlarından sonra, en hızlı büyüten endüstriyel mallardanbiri olduğu vurgulanmalıdır. Artan üretim hacmi, ve düşen fiyatlar, güneş pillerini önceleri şebekeninolmadığı bölgelerde müstakil uygulamalar için uygun hale getirmiş özellikle 9O'lı yılların ortalarınakadar güneş pillerinin esas pazarları çeşitli uluslararası yardım uygulamalarının hedefi olan 3. dünyaülkelerindeki gelişmemiş altyapı destek programları olagelmiştir. Şekil 5'de güneş pili pazarınınsektörel dağılımı gösterilmektedir. Buradan da anlaşılacağı gibi 10 yıl içinde bu dağılım önemlifarklılıklar göstermeye başlamıştır.

Bu değişimin temel nedeni gelişmiş ülkelerde 9O'lı yılların ortalarından itibaren uygulanmayabaşlanan teşvik programlarıdır. Bu alanda örnek gösterilen Federal Alman Yenilenebilir Enerji Yasasıile Alman pazarı en hızlı büyüyen pazar olmuş, güneş pillerinin Alman kentlerindeki mimariuygulamalarına giderek daha sık rastlanır olmuştur. Devlet teşvikleri ile büyüyen üretim hacimlerihemen tüm endüstriyel teknolojilerde rastlanan maliyet düşüşlerini beraberinde getirmektedir.İktisatçılarca öğrenme eğrileri olarak da adlandırılan bu olgu Şekil 6'da çeşitli enerji teknolojileri içingösterilmektedir.

Üretim hacminin çifte logaritmik bir gösterimde enerji üretim maliyetlerine karşı çizildiği öğrenmeeğrilerinde genelde üretim hacminin her ikiye katlandığında sağlanan maliyet düşüşleri 'öğrenmeoranları' olarak adlandırılmaktadır. Güneş pilleri öğrenme oranları en yüksek enerji teknolojileriarasındadır ve bu durum genç teknolojiler için çok doğaldır. Güneş pillerinin elektrik üretimmaliyetlerinde gelinen noktayı Şekil 7 göstermektedir. Merkezi fosil yakıt güç santrallanna göre halayüksek olmakla birlikte Şekilde farkın giderek kapandığı rahatlıkla görülebilmektedir.

241

1996'da toplam üretim

~ 90MWp

2000'de toplamüretim~ 250 MVVp

şebekebağlantısız

43 MW

tüketici elektroniği

şebek

şebekebağlantılı

10 MW

gelişmekte olanülke pazarlan

15 MW

gelişmekte olanülke pazarları

33 MW

.35 MW

şebeke bağlantılı

120 MW

Şekil 5 . Güneş pili pazarının sektörel dağılımının gelişimi.

İV m

f •

0.] -

0.01

^ ^ ^ ^ î ü n e ş pilleri (%65)

o ^ , ^ ^ ^ ^ 1995

Rüzgar-iyi (%82)

Rüzgar-ort. (%82) Biyokütle (%85)

,_ Süperkritik kömür

NGCC (%96)

0.01 o.ı 10 100

Toplam elektrik üretimi(TWs)

Şekil 6. Enerji teknolojileri öğrenme eğrileri.

1,000

242

DDDJ ., .„ .güneş pilleribüyük çaplı üretim

bulkpower

900 h/a:0,60 €/kWh

1800 h/a:0,30 €/kWh

1990 2000 2010 2020 2030 2040

Şekil 7. Güneş pilleri elektrik üretim maliyetlerinin kıyaslaması

Şekil 8 ise güneş pilleri için yapılan pazar tahminleri ve maliyet düşüşlerini hem tarihi deneyim hemöngörüler olarak göstermektedir.

üretim hacminin katlanması ilemaliyetler %18 düşüyor

ı.ooo

(toplam)

Şekil 8. Güneş pillerinde tahminler.

Bu sektörde ticari deneyimi en eski teknoloji kristal silikon güneş pilleri olmakla birlikte yeni incefilm teknolojilerine, daha hızlı ve daha büyük alan üretim avantajları nedeniyle geleceğin güneş pilleriteknoloji olarak bakılmaktadır. Şekil 9'da bugünün ve geleceğin güneş pilleri teknolojilerikarşılaştırılmaktadır.

243

Vade(kısadan uzuna) Vade(kısadan uzuna) J o

Şekil 9. Güneş pilinde geleceğin teknolojileri ve maliyetler.

Teknoloji ve pazarlardaki hızlı gelişmeye karşın, yenilenebilir enerji kaynaklarının dünya toplamenerji üretimine yaptıkları ve yapmalan öngörülen katkı son derece düşüktür. Çevre krizi ve iklimdeğişikliği insanlığın enerjiye ve yaşam tarzına bakışını hızla değiştirmesi gerektiğini ortaya koymaktaancak 'piyasa mekanizmasının1 bu değişikliği gerçekleştirmekte yeterince hızlı olmadığıanlaşılmaktadır. Şekil 10, mevcut verilerle önümüzdeki on yıllarda güneş pillerinin toplam enerjiüretimine katkısını göstermektedir.

Toplam Elektrik Üretim Kapasitesi

3SOOO

3SOO

- 3SO

3 5

- 35TWS

2OOO

Yıl

Şekil 10. Güneş pillerinin dünya toplamına katkısı.

Bu oran rüzgar ve biyokütle gibi yenilenebilir kaynaklar için daha büyük olsa bile fosil yakıtbağımlılığını kısa sürede ciddi olarak sarsacak ivmeden yoksun görünmektedir.

244

Teknolojik Sistemler

Üzerinde göreceli uluslararası anlaşma sağlanmış gibi görünen ve fosil yakıt kaynaklarına bağımlılığınneden olduğu küresel kirlenmenin yenilenebilir enerji kaynaklarına hızla geçilerek azaltılması vebertaraf edilmesi neden gerçekleşememektedir? Bu sorunun yanıtını enerji teknolojilerinin göreceliüstünlüklerinde değil büyük teknolojik sistemlerin toplumsal karakterinde aramak gerekir. Bütünbüyük teknolojik sistemler gibi enerji sistemi de teknik ve teknik olmayan bileşenlerden oluşur. Bunlaraşağıdaki şekilde özetlenebilir;

• Fiziksel bileşenler; Türbinler, kazanlar, bacalar, iletim hatları, jeneratörler v.s.• Kurumsal bileşenler; Devlet, bankalar, firmalar, elektrik şirketleri• Bilgi bileşenleri; Üniversiteler, uzmanlar, hocalar, kitaplar, dergiler ve işletme bilgisi• Düzenleme bileşenleri; enerji sektörünün hukuksal çerçevesini çizen düzenlemeler

Tarihsel bir süreç içinde oluşan karmaşık yapılar hem toplumsal hem teknik boyutları içerdikleri içinaslında teknik özellikler gelişmeyi belirleyen unsurlardan yalnızca birisidir. Birbirine sıkı bir biçimdebağlı ekonomik, bilgisel ve teknik çıkarlar bütünü, büyük teknolojik sistemlere 'paradigmatik' olarakniteleyebileceğimiz bir karakter verir. Çeşitli yeni teknikler, bu paradigmaya uyumları ölçüsündeiktisatçılarca radikal ya da muhafazakar olarak sınıflandırılan bir ayrıma tabii olurlar. Burada,

• muhafazakar yenilik; mevcut sistemi iyileştiren ve yaygınlaştıran• radikal yenilik ise; yeni sistemik paradigmaya gereksinim duyuran

yenilik türleri olarak tanımlanırlar.

Radikal yenilikler mevcut teknolojik sistemin iyileşmesine ya da yaygınlaşmasına hizmet etmedikleriiçin mevcut sistemle girift tarihi, hiyerarşik, yönetsel, finansal hatta kültürel bağlantılar içinde olansistem bileşenleri yani fiziksel nesneler, kurumlar, bilgi ve düzenlemeler tarafından sistemin dışındatutulmaya çalışırlar. Enerji sektöründe mevcut kurulu düzen açısından güneşten elektrik enerjisiüretimi, radikal yeniliktir.Mevcut enerji sistemi; büyük ölçekli inşa edilmek zorunda olan, karmaşık nakil ve dağıtım ağlarınaihtiyaç duyan, büyük yatırım sermayesi gerektiren merkezi fosil yakıt ya da nükleer güç santrallarınadayanır.

Güneş pilleri ise; imal edilen, tüketici elektroniği gibi, kütle üretimi ile fiyatları düşen, modüler olmasınedeniyle her ölçekte kullanabilen ve elektrik ihtiyacının bulunduğu yerde elektrik üreterek dağıtımağlarına ihtiyaç duymayan bir teknoloji sistemidir. Dolayısıyla "dağıtılmış enerji üretim ve tüketimi"ve "merkezi enerji üretim ve tüketimi" iki karşıt paradigma olarak ifade edilebilirler.

245

AşagıdaKi Taülo, üu Karşıtlığı vurgulamaktadır.

Mevcutlar

Nakil

Beceriler

Kontrolparadigması

Finansmangereği

Öğrenme

fırsatları (yıllık

ürün sayıları)

Mevcut enerji sistemi

Pahalı enerji santral lan vedağıtım sistemi

Enterkonekte sistem

Büyük sistem mühendisliği,yönetimi ve düzenlemeleri

Büyük firma

> 50 milyon $, dünyanın enrekabet yoğun ve karlısektörlerinden biri

< 1 güç santralı /yıl

Dağıtılmış enerji sistemi

Küçük ve modüler elektronikaygıt

Yerinde üretim

İmalat mühendisliği, ürüngeliştirme ve Arge,pazarlama

Son kullanıcı

Tüketici finansmanı,<25,000 $

> 1000 ürün/yıl

Tarihsel çalışmalar, teknolojik sistemlerin dinamiklerine ışık tutarak bugün yenilenebilir enerjikaynaklarını hızla hayata geçirme konusunda karşılaşılan güçlükler konusunda değerli bilgiler verirler.Bilindiği gibi, enerji alanı, özellikle fosil kaynaklara hakimiyet bakımından, sistem güçlerinin savaşavaracak düzeyde gözlerini karartacak bir zenginliğe ve yaygınlığa sahiptir. Bazı teknolojilerdiğerlerinden her zaman daha eşittir ! Bu duruma en iyi örneklerden birini ABD'de federal hükümetinenerji politikalarına verdiği desteklerde görmekteyiz.

246

1.3 milyar$

RUzgat-|

Güneş -

4.5 milyar$

Nükleer

Şekil 11. Federal hükümetin 1943 ile 1999 arasında verdiği teşviklerin dağılımı

Bu yargıyı güçlendiren başka bir olgu ise yine ABD'de fosil yakıt kaynaklarına verilen desteklerdir.Federal hükümet kömür, petrol ve doğal gaz sektörlerine Arge desteği, vergi indirimleri ve başkasayısız yöntemle yılda 5 milyar dolar kadar teşvik vermektedir.

Dün olduğu gibi bugün de, teknik konulardaki seçimlerin yalnızca teknik seçimler olmadığı,yeryüzünü fosil yakıt esaslı kirlilikten arındırmak ve temiz, karmaşık düzenlere ihtiyaç duymayandağıtılmış yenilenebilir enerji sistemlerine geçmek için teknolojik alandaki uğraşıya toplumsalalandaki mücadelenin eşlik etmesi gerektiği anlaşılmaktadır.

KAYNAKLAR

OECD-IEA-2000, "Experience Curves for Energy Technology Policy", OECD2000.

Hoffmann - 2001. "PV Solar Electricity, One among the new milleniumindustries", 17th

European PV Solar Energy Conference, October 2001.

247

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

MORÖTESİ GÜNEŞ IŞINIM RADYOMETRELERİNİN DETEKTÖR TABANLIKALİBRASYONU

Arş. Gör. Murat Durak *, Arş. Gör. Farhad Samadov 2

12 TÜBİTAK - Ul. Met. Ens. Anibal Cad. PK.54 Gebze 41470 Kocaeli Tel: (262) 646 6355'e-mail: murat.durak@ume.tubitak.gov.tr

ÖZET

UME Optik laboratuarında, morötesi güneş ışınım radyometrelerinin detektör bazlı sisteme görekalibre edilmesi için referans filtre radyometresi tasarımı yapılmış ve ölçüm sistemi kurulmuştur. Filtreradyometre cihazı tayfsal duyarlılığı kalibreli bir tuzak detektör, tayfsal geçirgenliği bilinen filtre(ler)ve alanı ölçülmüş bir dairesel foto-aralığın sıcaklık kontrollü bir haznede birleştirilmesiyleoluşturulmuştur. Radyometrenin temelini oluşturan ve üç adet Hamamatsu 1337-11 Silikonfotodiyotdan oluşan tuzak detektörün tayfsal duyarlılığı laboratuarda kurulu olan birincil seviye DüşükSıcaklık Radyometresine izlenebilir olarak ölçülmüştür. Radyometrenin çeşitli amaçlardakullanılabilmesi amacıyla tayfsal geçirgenliği bilinen filtre(ler) radyometre içerisinde kullanılmaktadır.Radyometre içerisinde kullanılan filtre(ler)in ve radyometre giriş kısmındaki foto-aralığın sıcaklığınınölçüm süresince sabit tutulması için bir adet dairesel peltier elemanı radyometre haznesi içerisineyerleştirilmiştir. Filtrenin sıcaklığını ölçmek için kalibreli Pt-100 sıcaklık algılayıcısı, sıcaklık kontrolelektroniğinden geri besleme sinyali alabilmek için ise bir NTC sıcaklık algılayıcısı radyometreiçerisinde kullanılmıştır. Ölçümlerinin bilgisayar kontrollü yapılabilmesi için X-Y pozisyonlu vehassas adımlı doğrusal hareket sistemi kurulmuştur. Ölçüm/kalibrasyon işlemlerinde kullanılmak üzereayrıca 1000W 'lık ışık kaynağı kalibre edilerek sisteme eklenmiştir.

Anahtar kelimeler: Filtre Radyometresi, foto-aralık, filtre

GİRİŞ

Morötesi güneş ışınımının ozon tabakasının zarar görmesinden dolayı arttığı bilinmektedir. Kutuplarayakın bölgelerde bu erythemally etkili morötesi ışınımın yıllık dozaj artışının %12 seviyelerine ulaştığıgözlenmiştir [1]. Morötesi ışınımdaki değişiklikleri deneysel olarak teyit etmek için belirsizliği %10seviyesinden düşük ve ülke standartlarına izlenebilir (kalibreli) morötesi ışınım gözlem istasyonlarınınkurulması gerekmektedir. Günümüzde en yüksek doğrulukta sağlanabilen güneş morötesi ışınımölçümlerinin belirsizlik değerleri % 4-5 seviyesindedir. Ölçüm belirsizliğinin düşürülmesi, kullanılanyöntem ve ölçümlerin ışınım düzeyi ölçeğine bağlantısı ile doğrudan ilişkilidir. Uluslararası ışınımdüzeyi karşılaştırmaları transfer standardı olarak 1000 W lık tungsten halojen lambalar kullanılarakyapılmaktadır. Çeşitli ulusal laboratuarlar tarafından yapılan son uluslararası ışınım düzeyi ve tayfsalduyarlılık karşılaştırmalarında morötesi bölgedeki sonuçların 2-4 % farklılık gösterdiğigözlemlenmiştir [2,3].

248

GÜNEŞ IŞINIM ÖLÇÜMLERİNİN TARİHÇESİ

1837 yılında Pouillet adındaki bir bilim adamı pyrheliometer olarak adlandırdığı ilk güneşradyometresini geliştirdi [4]. Su kolorimetre temelli bu cihaz basit yapısı dolayısıyla ancak kabaölçümler alabilmekteydi. İlerleyen yıllarda detektör olarak ısı piller kullanılarak bazı denemeleryapılmıştır. Kolorimetre ilkesinin tasfiye edilmesinin ardından Michelson adlı bilim adamı buz-kolorimetre temelli bir pyrheliometer geliştirmiştir [5]. Doğruluğu oldukça iyi olan bu cihazınkullanımı aynı oranda pratik değildi. Daha sonraki yıllarda sıra ile aydınlatılan iki detektörlü sistemiilk olarak kullanan Angström bu düşüncesini geliştirerek kolorimetrelerin yerini elektriksel olarakkalibreli detektörler ile değiştirmiş ve sonucunda meşhur A-pyrheliometer'i icat etmiştir [6]. Siyahaboyanmış iki ince platin şeritten (2 x 12 mm) oluşan detektörlerden biri dikdörtgensel görüş-girişdeliği vasıtasıyla güneşe yönlendirilmekte ikincisi ise diğer platin şerit ile aralarındaki sıcaklık farkısıfır oluncaya kadar elektriksel olarak ısıtılmaktadır. 1905 yılında yapılan bir toplantı sonucu A-pyrheliometer, güneşten gelen ışınımı gözlemlemek amacıyla kullanılmak üzere tavsiye edilmiş veardından A-ölçeği tanımlanmıştır. İlerleyen yıllarda Smithsonian Enstitüsü altın diskli pyrheliometer'ıkullanmış ve takip eden bir dizi çalışmanın neticesinde 1913 yılında S-ölçeği tanımlanmıştır. 1956yılında gerçekleştirilen Işınım Kurulu toplantısında ise Uluslararası Pyrheliometer Ölçeği (IPS 1956)tanımlanmıştır. Ölçeği bütün dünyada uygulamaya koymak amacıyla, Gözlemleme Cihaz ve MetotlarıKomisyonu Çalışma Grubu (CIMO WG), 1959 yılında ilk uluslararası pyrheliometer karşılaştırmasıorganizasyonunu gerçekleştirdi. Karşılaştırma sonucunda gözlemlenen sorunları çözmek oldukça uzunsürdü ve 1969 yılında elektrik kalibreli kavite radyometresinin geliştirilmesi ile tutarsızlıklar giderildi[7]. 1979 yılında ise Dünya Işınım Ölçme Referansı, Dünya Meteoroloji Organizasyonu'nun (WM0)yönetim kurulu tarafından ışınım düzeyi verilerinin raporlanması amacıyla referans olarak kullanılmaküzere kabul edilmiştir [8].

ÖLÇÜM / KALİBRASYON SİSTEMİ

Güneş ışınım radyometresi ölçümlerinin düşük belirsizlikle gerçekleştirilmesi amacıyla UME Optiklaboratuvannda filtre radyometresi, ışınım kaynağı ve doğrusal hareket sisteminden oluşan ölçümsistemi kurulmuştur. Filtre radyometresi alanı hassas olarak belirlenmiş bir foto-aralık, bir tuzakdetektör ve sadece ilgilenilen dalga boyu aralığında geçirgenliğe sahip filtreden oluşmaktadır (Şekil 1).

Bakır Hazne

Foto Aralık

Filitre

Peltier TE

Tuzak Detektör

AlüminyumSoğutucu

Şekil 1. Ölçümlerde kullanılan filtre radyometresinin şematik gösterimi

Tuzak detektör 1 cm2 aktif alana sahip üç adet Hamamatsu 1337-11 tip silikon foto diyotun uygungeometride birleştirilmesinden oluşmaktadır. Tuzak detektörün 200-1100 nm dalga boyu aralığındakitayfsal duyarlılığı laboratuarda kurulu olan birincil seviye Düşük Sıcaklık Radyometresine izlenebilir

249

olarak: ölçülmüştür. Radyometrenin çeşitli amaçlarda kullanılabilmesi için tayfsal geçirgenliği bilinenfıltre(ler) radyometre içerisinde kullanılmaktadır. Radyometre içerisinde kullanılan filtrelergerektiğinde çıkarılıp takılabilmekte bu sayede istenildiğinde detektör ve filtrenin birbirlerindenbağımsız olarak da karakterizasyonu yapılabilmektedir. Radyometre içerisinde kullanılan filtre(ler)inve radyometre giriş kısmındaki foto-aralığın sıcaklığının ölçüm süresince sabit tutulması için bir adetdairesel peltier ısı besleyici eleman radyometre haznesi içerisine yerleştirilmiştir. Filtrenin sıcaklığınıölçmek için kalibreli Pt-lOO sıcaklık algılayıcısı, sıcaklık kontrol elektroniğinden geri besleme sinyalialabilmek için ise bir NTC sıcaklık algılayıcısı radyometre içerisinde kullanılmıştır. Karakteristikçalışma olarak filtre radyometresi içerisinde sıcaklığın zamana bağlı değişimi incelenmiştir (Grafik 1).

Grafikten görüldüğü gibi filtre radyometresi içerisindeki sıcaklık 25.02 °C ayarlanmış ve uzun zamandiliminde sıcaklıktaki değişimler gözlemlenmiştir. Yaklaşık 3.5 saatlik zaman dilimi içerisindekisıcaklık kararlılığı 0.05 °C olarak tespit edilmiştir.

50 100 150 200 250 300 350 400 450Çalışma zamanı (dakika)

Grafik 1. Filtre radyometresinin sıcaklık kararlılığı

Güneş ışınımı ölçümlerinin bilgisayar kontrollü yapılabilmesi için X-Y pozisyonlu ve hassas adımlıdoğrusal hareket sistemi kurulmuştur (Şekil 2). Ölçüm/kalibrasyon işlemlerinde kullanılmak üzereayrıca 1000 W iık ışık kaynağı kalibre edilerek sisteme eklenmiştir.

Lamba Kabini LD2

LD1

Filtre Radyometresi

Oto Kollimatör

Mikron-kontrollühareket sistemi

Şekil 2. Güneş ışınım radyometrelerinin kalibrasyon düzeneği, LD; lazer diyot

250

Birincil seviye detektör temelli ışınım düzeyi ölçümleri tayfsal duyarlılığı modellenebilen kararlıışınıma sahip ışık kaynağı ve mutlak olarak kalibreli filtre radyometresi kullanılarakgerçekleştirilebilmektedir [9, 10]. Tuzak detektörün morötesi bölgedeki duyarlılığı teorik olarakmodellenmesi oldukça zordur. Dolayısıyla tuzak detektörün bu bölgedeki kalibrasyonu için tayfsalolarak değişmeyen duyarlılığa sahip piroelektrik detektöre ihtiyaç duyulur [10]. Yapılan ölçümlerde,yüksek ışınıma sahip lamba hava soğutmalı ışık sızdırmaz kabin içerisinde çalıştırılmıştır. Lambanındiklik ayan Şekil 2' den görüleceği üzere iki adet lazer diyot ve oto kollimatör kullanılaraksağlanmıştır. Kaçak ışık etkisini azaltmak ve daha paralel ışık demeti elde etmek amacıyla ölçümlerdeaynca iki adet diyafram*Wlanılmıştır. Optik düzenek üzerine yerleştirilen filtre radyometresi ve ışıkkaynağı arasındaki mesafe kalibreli cetvel kullanılarak hassas olarak ölçülmüştür. Filtre radyometresifiltrenin geçirgenlik bölgesinde standart lambanın ışınım düzeyi kalibrasyonu için kullanılmıştır.Erythemally ağırlıklı güneş ışınım düzeyi 312 nm dalga boyu civannda maksimum değere sahipolduğundan ölçümler bu aralıkta gerçekleştirilmiştir.

Filtre radyometresi, üzerine düşen optik ışınıma bağlı olarak denklem 1' deki biçimde fotoakım üretir.

/ = A \E(A.)T(A)R(A)dA (1)

burada A foto-aralık alanı, E(k) foto-aralık yüzeyinde tanımlanan tayfsal ışınım düzeyi, x( X) filtrenintayfsal geçirgenliği, R(A.) tuzak detektörün bilinen tayfsal duyarlılık değeri ve A, ışının havaortamındaki dalga boyudur.

Ölçümlerde kullanılan tungsten filamanlı ışık kaynağının tayfı Planck ışıyıcısına benzer olduğundantayfsal ışınım düzeyi modellemesi, Planck ışınım kanununun hesaplamalarımıza bağlı olarakbiçimlenmiş formuna dayanmaktadır.

e x Ph±

burada X düzeltme çarpanı, eı(k) lambanın etkin tayfsal emisivite değeri, cı=1.4388 x 10"2 m K ışınımsabiti ve T lamba fılamanının sıcaklığıdır.

Işınım düzeyi ölçeğinin elde edilmesinin ardından kalibreli tungsten-halojen lamba kullanılarak )monokromatör sistemi karakterize edilmiş ve tayfsal ışınım ölçer oluşturulmuştur. Tayfsal ışınım ölçersistemi ile 1 kW zenon ve 40 W döteryum kaynaklan kalibre edilmiştir.

SONUÇLAR

UME optik laboratuan olarak, geliştirdiğimiz filtre radyometrelerini kullanılarak detektör temelliışınım düzeyi ölçeğinin oluşturulması çalışılmıştır. Sıcaklık değişimleri dolayısıyla filtregeçirgenliğinde meydana gelebilecek etkiler geliştirdiğimiz sıcaklık kontrol sistemi kullanılarakminimize edilmiştir. 1 kW tungsten-halojen lambalar kalibre edilerek tayfsal ışınım ölçerinkarakterizasyonu gerçekleştirilmiştir. ]

Merkez dalga boyu 313 nm ve band genişliği 10 nm olan girişim filtresinin tayfsal geçirgenliği 270-340 nm dalga boylan aralığında tayfsal ışınım ölçer kullanılarak belirlenmiştir. Karakterize edilmiş

251

filtre radyometresi kullanılarak morötesi güneş ışınım radyometrelerinin kalibrasyonu amacıyla yüksekdoğruluklu ve kompleks olmayan detektör temelli ölçüm sistemi oluşturulmuştur. Morötesi güneşışınım radyometrelerinin kalibrasyonu ayrıca karakterize edilmiş tayfsal ışınım ölçer sistemikullanılarak da gerçekleştirilebilmektedir.

KAYNAKÇA

[1]. WMO (1995) Scientifıc Assessment of Ozone Depletion: 1994. World MeteorologicalOrganization, Global Ozone Research and Monitoring Project, Report No. 37.

[2]. Walker, J. H., R. D. Saunders, J. K. Jackson and K.D. Mielenz (1991) Results of a CCPRintercomparison of spectral irradiance measurements by national laboratories. J. Res. NIST 96,647-668

[3]. Köhler, R., R. Goebel and R. Pello (1994) Report on the international comparison of spectralresponsivity of silicon detectors. Report 94/9 of Bureau international des Poids et Measures BIPM,Bureau international des Poids et measures, France

[4]. C.S.M. Pouillet, Compt. Rend., 7, 24-28 (1838)[5]. W.A. Michelson, Met. Z., 13, 119-122 (1986)[6]. K. Angstrom, Phys. Rev., 1, 365-370 (1893)[7]. C. Frohlich, Proc. Symp. Solar Radiation, Smithsonian Institution, 61-77 (1973)[8]. C. Frohlich, World Radiometric Reference, World Meteorological Organization, Commission for

Instruments and Methods of Observation, Final Report, WM0 490, 108-112 (1978)[9]. Karha, P., H. Fagerlund, A.Lassila, F.Manoochehri, E. Ikonen, K. Jokela, K. Leszczynski and R.

Visuri (1995) Detector-based calibration of a solar UV spectroradiometer. in Proceedings of theinternational conference on Past, Present and Future climate (Editted by P.Heikinheimo) p.p. 397-400

[10]. L. P. Boivin, "Calibration of incandescent lamps for spectral irradiance by means of absoluteradiometers," Appl. Opt. 19, 2771-2780 (1980)

252

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

ZnxCdlxS/Cu2S GÜNEŞ PİLLERİ ÜZERİNE BİR ÇALIŞMA

Metin BEDİR1, Mustafa ÖZTAŞ1 Refik KAYALI2 ve A.Necmeddin Yazıcı1

'Gaziantep Üniversitesi, Fizik Müh.Bölümü. 27310- GAZİANTEP2Niğde Üniversitesi, Fen Edb.Fak. Fizik Bölümü. NİĞDE

ÖZET

Son yirmi yıl içerisinde dünya nüfusundaki hızlı artış her alanda olduğu gibi enerji alanında da yeni veçok büyük maliyetler gerektiren yatırımlar yapılmasına neden olmuştur. Bu yatırımların bir çoğu şuanda insanlığı çevresel kirlilikle baş başa bırakarak insanoğlunun geleceğini tehdit eder hale gelmiştir.Bu nedenle günümüzde tüm dünya ülkeleri büyük maliyetler gerektirmeyen, yenilenebilir ve temizenerji kaynaklarına yönelmeye başlamıştır. Yenilenebilir temiz enerji kaynaklan üzerine yapılanaraştırmalar arasında en popüler olanı ve hala üzerinde çeşitli geliştirme çalışmaları yapılanı, güneşenerjisini elektrik enerjisine çeviren güneş pilleridir.

Bu çalışmada, ZnxCdı_xS/Cu2S heterojunctionları oluşturularak bunların güneş pili uygulamalarıüzerine araştırmalar yapılmıştır. Elde edilen heterojunctionlardan alt ve üst kontaklar alınarakmalzemelerin güneş pili uygulamaları yapılmış ve verimliliklerine bakılmıştır. Bunun için ilk olarak1x2 cm boyutundaki cam alt tabanlar üzerine alt kontak olarak kullanılacak olan indium yüzeylerivakum yöntemiyle oluşturulmuştur. Daha sonra ise bu yüzeyler üzerine kimyasal püskürtmeyöntemiyle azot gazı ortamında x'in 0.05 ile 0.7 değerleri arasında ZnxCdı_xS ince filmleribüyütülmüştür. Elde edilen bu ince filmler üzerine ise daldırma yöntemi kullanılarak CU2S yüzeyleroluşturulmuştur. En son aşamada ise ZnxCdı_xS/Cu2S heterojunctionların üzeri tarak şeklindehazırlanan maske kullanılarak vakum yöntemiyle %99.999 saflıkta altınla üst kontak elde etmek içinkaplanmıştır.

Elde edilen güneş pillerinin verimlilikleri üzerine yapılan çalışmalarda ise bu pillerin %4-%8 arasındabir verimlilikle çalıştıkları tespit edilmiştir.

GİRİŞ

Becquerel'in 1839'da fotovoltaik etkiyi keşfinden 1983 yılında güneş pillerinden minimum 1.0M W lık elektrik üreten ilk santralin kurulmasına kadar geçen zaman diliminde bu konu üzerinebinlerce araştırma ve deneysel çalışma yapılmış ve bir çok değişik yarı iletkenden bu çalışmalardafaydalanılmıştır. Bu çalışmaların temelini ise maliyeti düşük daha verimli piller elde etme tekniklerininaraştırılması oluşturmuştur. ZnS ve CdS yarı iletkenleri düşük maliyetli basit tekniklerle yüksekverimli olarak kolay elde edilebilir olmaları ve sahip oldukları optik, elektrik özellikleri nedeniyledeğişik alanlarda çok yaygın olarak kullanılan II-VI gurubu yarı iletken malzemelerdir [1,2]. Bunedenle, 1980'li yıllardan sonra CdS, ZnS ve bunların birleşiminden oluşan malzemelerin alt tabanolarak kullanıldığı güneş pilleri uygulamalarına ağırlık verilmeye başlanmıştır [3]. Bu malzemelerüzerine CU2S yarı iletkenler oluşturularak elde edilen güneş pillerinin verimliği %7 - %9 oranlarınakadar çıkarılmıştır. 199O'lı yıllardan sonra ise ZnxCdı_xS yarı iletkenleri güneş pili uygulamalarında

253

kullanılmaya başlanmış ve hala elde edilen pillerin verimliliği artırmak için çalışmalar devametmektedir.

DENEYSEL ÇALIŞMALAR

ZnxCdı.xS İnce Filmlerin Oluşturulması:

Bu çalışmada güneş pili yapımında alt taban olarak kullanılacak olan ZnxCdı_xS ince filmleri, x'in 0.05ile 0.7 değerleri arasında ZnCİ2 , CdCİ2 ve SC(NH2)2 kimyasal tuzlarından hazırlanan kimyasalçözeltinin. Şekil. 1'de görülen püskürtme sistemiyle 420°C sıcaklıktaki üzeri indium kaplı cam alttabanlar üzerine püskürtülmesiyle elde edilmiştir [4].

Nozzle ^

IThermocouple /

* /,

\ |

Isıtıcı -4— ^ ^ H

Tmer

vIKZV j ^ y ^ Kimyasalk çözelti

1\WU\ Cam alt

1 1\\ ^JT ta')an

sJtısM

I1

Havagirişi

Şekil 1. Püskürtme sistemi

420°C sıcaklıktaki cam alt tabana ulaşan çözelti taban üzerinde aşağıda denklemde verilen kimyasalreaksiyonu meydana getirmektedir.

(x)ZnCl2 + (l-x)CdCl2 + SC(NH2)2 + 2H2O ->ZnxCdUxS + 2NH4O2 + CO2

Yukarıdaki kimyasal reaksiyondan da görüldüğü gibi, ZnxCdı_xS ince bir film tabakası olarak indiumüzerinde oluşurken 2NH4CI2 ve CO2 buhar ve gaz olarak ortamdan uzaklaşmaktadır.

CU2 İnce Film Tabakasının ZnxCdı.xS Üzerinde Oluşturulması:

n-tipi yarı iletken malzeme olan ZnxCdı_xS' nin üzerine p-tipi yarı iletken bir malzeme olan CU2Sdaldırma yöntemi kullanılarak oluşturulmuştur. CuxS malzemeler ZnxCdı.xS'den daha düşük enerjiband aralığı (1.2 eV) değeriyle güneş pili yapımında kullanılan heterobileşimlerin oluşturulmasındasıklıkla kullanılmaktadırlar. Güneş pillerinin verimliliği, kullanılan yan iletkenlerin optiksel soğurma,elektronun difizyon uzunluğu ve yük taşıyıcılarının hayat sürelerine bağlıdır. Bu nedenle, CuxSyüzeyler oluşurken bakır atomlan arasındaki boşlukların yoğunluğu arttıkça elektron difizyonuzunluğu da artmaktadır ve x'in 1.90 ile 2.00 değerleri arasında bu değer maksimuma ulaşmaktadır[4].Bu nedenle bu çalışmada CU2S yüzeyleri oluşturulmuştur.

Daldırma yöntemiyle Cu2S yüzeyleri oluşturmak için lgr CuCl, 0.1 gr NH4NH2HCI, 0.2gr NaCl,0.2mlt 2NH2-H2O kimyasallarından 50 mlt'lik kimyasal bir çözelti hazırlanmıştır. Bu çözelti 85°C'yekadar ısıtılarak, Şekil 2'de görüldüğü gibi çözelti içerisine 3-3.5 dakika süresince daldırılmıştır. 85 Csıcaklıktaki çözelti içerisine ZnxCdı_xS ince filmi daldmldığında CdCİ2 içerisindeki +2 değerli Cd(++)

atomlarıyla ZnCİ2 içerisindeki +2 değerli Zn(++) atomları CuCl içerisindeki +1 değerli Cu+ atomlarıyla

254

reaksiyona girerek n tipi ZnxCdı.xS üzerinde p tipi CU2S yüzeyinin homojen olarak oluşmasına nedenolurlar. Böylece güneş pilinin temeli olan p ve n tipi malzemeler üst üste elde edilmiş olur.

Termometre** 2Cu+

İndiukontak

Cu2S

ZnxCdı.xS

Cam alt taban

Şekil 2. CU2S yüzeyinin ZnxCdı_xS ince filmi üzerinde oluşum.

ZnxCdı.xS/Cıi2S Heterobileşimler Üzerine Üst Kontak Oluşturulması

Güneş pillerinin verimliliği üzerine etki eden en önemli etmenlerden biri de sağlıklı kontaklarınoluşturulmasıdır. Bu çalışmada üst kontak olarak %99.999 saflıkta altın Şekil 5'de görüldüğü gibitarak şeklinde hazırlanmış maske yardımıyla vakumda buharlaştırma tekniği kullanılarak CU2Syüzeyleri üzerine oluşturulmuştur.

ZnxCdı.xS İnce Filmlerin Optik ve Elektrik Özelliklerinin İncelenmesi

ZnxCdı_xS ince filmlerinin optik ölçümlerinden farklı dalga boyuna karşılık gelen absorptionkatsayıları bulunmuş ve enerji band değerleri hesaplanmıştır [5] ve Şekil 3'de görüldüğü gibi x oranınartmasıyla (0.05-0.7) ince filmlerin enerji band değerlerinin de 2.25 eV'dan 3.2 eV'ta doğru arttığıgözlenmiştir. ZnxCdı_xS ince film örneklerinin elektriksel ölçümleri Vander Pauw tekniği kullanılarakyapılmıştır [6]. Elde edilen ölçümlerden x oranının artmasıyla filmlerin özdirençlerinin arttığıgözlenmiş ve x oranına bağlı olarak ZnxCdı.xS ince film örneklerinin Hail mobilite değerlerindeki veyük taşıyıcı yoğunluklarındaki değişimler Şekil 6'dan görüldüğü gibi Hail mobilite değeri 35 cm2/V-sn'den x=0.7 değerinde sıfıra yaklaşmaktadır.

Şekil 4'den de görüldüğü gibi, x oranındaki artış yük taşıyıcı yoğunluğunu artırırken, taşıyıcıların Hailmobilite değerlerini azaltmaktadır [7].

255

Şekil 3. Enerji band değerinin x oranına bağlı olarak değişimi

E

O

S"S

0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 07

X oranı

s"S

: 3

Şekil 4. ZnxCdSı.xS ince filmlerinin Hail mobilitelerinin ve yük taşıyıcı yoğunluklarının x'e göredeğişimleri

ZnxCdı.xS/Cu2S Güneş Pili Örneklerinin Elektriksel Ölçümleri

Şekil 5'de şematik olarak verilen güneş pili örneklerinin elektriksel ölçümlerini yapabilmek için Şekil6'da verilen elektrik devresi kurulmuştur.

Yapılan ölçümlerde aydınlık ve karanlık ortamda pil örneklerinin I-V değerleri tespit edilerek, I-Vkarakteristik eğrileri çıkartılmıştır. Güneş pillerinin verimliliği elde edilen I-V karakteristik eğrisinin 4.kuadrantının çevrelediği alanın büyüklüğü ile doğru orantılı olduğundan, bu eğrilerden verimlikhesapları yapılmıştır. Şekil 7'de bazı örnekler için aydınlık ortamda elde edilen I-V karakteristikeğrileri verilmiştir.

256

Üst kontak

Cu2S*-ZnxCd,.xS>• Cam alt taban

Alt kontak

R(Sabit)

'R(Yük)

Şekil 5. Güneş pilinin şematik yapısı Şekil 6. Güneş pili devresi

I (/«>

0.8 0.6 0.U 0.2 . 2 0 . 4 0 . 6 0 . t i 0 - H 0.6 0. '< 0 . ?. yft o. i o,6 0.8

(a)(b)

i'/"*)

Şekil .7 ZnxCdı.xS/Cu2S güneş pili örneklerinin I-V karakteristik eğrileri

Yukarıdaki eğrilerden de görüldüğü gibi, Zn'in yüksek değerlerinde karakteristik bir güneş pili eğrisielde edilememiştir. x'in 0.3'den aşağılara doğru indikçe karakteristik eğri daha da belirginleşip,verimlilik değerleri verebilir duruma geliyor, özellikle x'in 0.2, 0.1 ve 0.05 değerlerinde en yüksekdeğerine ulaşıyor. Yapılan değerlendirmelerde, x=0.05 (Zn) pilin verimliliği %8, x=0.1 (Zn)'de %6 vex=0.1(Zn)'de ise %4 civarında olduğu tespit edilmiştir. Ayrıca ZnxCdı_xS ince filmlerinde iletkenlikarttıkça bu ince filmlerin alt taban olarak kullanıldığı güneş pillerinde verimliliğin azaldığıgözlenmiştir.

SONUÇ VE DEĞERLENDİRME

Bu çalışmada basit ve ucuz metot olan püskürtme yöntemiyle ZnxCdı.xS ince filmler x'in farklıdeğerleri için azot gazı ortamında 420°C alt taban sıcaklığında elde edilerek güneş piliuygulamalarında kullanılmıştır. X oranındaki artışla, ince filmlerin iletkenliğinin ve enerji banddeğerlerinin arttığı gözlenmiştir. Bu da güneş pili uygulamalarında düşük verime sahip pillerin

257

oluşumuna neden olmuştur. Elde edilen güneş pillerinde verim düşük çıkmıştır, bunların nedenleri isepillerin alanlarının küçük olmasına, CU2S yüzeyi oluşurken iyon alış verişlerindeki dengesizliğe, üstkontak oluşturulurken pil üzerinde kapladığı alanın büyüklüğüne ve alt taban olarak kullanılan ZnxCdı_

XS ince filmlerin kalitesine bağlanabilir.

Teşekkür: Bu çalışmayı destekleyen Gaziantep Üniversitesi Araştırma Fonuna teşekkür ederiz.

KAYNAKLAR

1- Ting L.C., Shirley S.C., Solid-State Electronics, 38(3), 533-549, 1995

2- R.S. Feigelson, A.N'Diaye, S.Y.Yin and R.H.Bube., J.Appl.Phys., 48(7), 3162-3164, 1977

3- L.C.Burton and T.L.Hench., Appl. Phys. Lett., 29(9), 612-614, 1976

4- M.Bedir, MF-9604 nolu proje, Gaziantep Üni. Baskı, 2000

5- M.Öztaş and M.Bedir, PJ.Appl.Science., 1(4), 534-537, 2001

6- M.Bedir, PhD Thesis, Gaziantep Üni., 2002

7- M.Bedir, R.Kayalı and M.Öztaş, Türk.J.Phys, 26, 2002

258

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003 )

BİR GÜNEŞ HAVUZUNDA KULLANILAN YANSITICI KAPAĞIN OPTİMUMAÇISININ BELİRLENMESİ

Yrd.Doç.Dr. Nalan Çiçek Bezir, 2Doç.Dr. Nuri Özek,

2S.D.Ü. Fen -Ed. Fak. Fiz. Bölümü, İsparta'S.D.Ü. Fen -Ed. Fak. Fiz. Bölümü, İsparta e-mail: cicek@fef.sdu.edu.tr

ÖZET /

Yansıtıcı kapağı olan tuz gradiyentli bir güneş havuzunun termal performansını artırmak amacıyla birbilgisayar modeli geliştirilmiştir. Bilgisayar modelinde havuza daha fazla güneş radyasyonunuodaklayabilmek amacıyla yansıtıcının optimum açısı belirlenmeye çalışılmıştır. Yansıtıcının farklıeğim açılarında İsparta-Yalvaç için sayısal hesaplamalar yapılmış ve havuza en fazla güneşradyasyonunu odaklayabilmek için en kötü kış şartlarında (20 Ocak) yansıtıcının açısının optimum30° olması gerektiği bulunmuştur.

Bu çalışmada kullanılan sistem güneş havuzu performansına önemli katkı sağlamaktadır. Havuzyüzeyine normal doğrultusunda gelen güneş ışınımının %20'si depolama bölgesine ulaşırken kapaktan jyansıtılan ışınımın yaklaşık %10'u depolama bölgesine ulaşmaktadır. Bu durumda depolama bölgesiperformansı teorik hesaplamalara göre %50 artmaktadır.

GİRİŞ

Güneş havuzları çoğunlukla büyük boyutlu düzlemsel güneş enerjisi toplayıcılarıdır. Büyük miktardaenerjiyi ucuz bir şekilde sağlayabilme yeteneği havuzun en büyük özelliğidir. Bu güne kadar yapılançalışmalarda geliştirilen güneş havuzları tiplerine göre yaklaşık olarak beş gruba ayrılabilir. Bunlar tuzgradiyentli güneş havuzları, zar örtülü güneş havuzları, jel örtülü havuzlar, bal peteği örtülü güneşhavuzlan ve sığ güneş havuzlarıdır. Bu güneş havuzlarında güneş enerjisi su tarafından doğrudan tsoğurulur. Sığ güneş havuzlarında depolanan enerji anında kullanılırken, diğer dört güneş havuzundadepolanan enerji uzun süre saklanıp daha sonra da kullanılabilir [1]. Güneş havuzlarım oluşturan anaunsur sudur. Kızıl ötesi ışınların tamamı güneş havuzu yüzeyinde suyun ilk birkaç milimetresindesoğurulur, geriye kalan görünür ve ultraviyole bölgede yer alan ışınlar havuz içinde değişikderinliklerde değişik oranlarda soğurularak yol alır ve tabana ulaşan kısmı da siyaha boyanmışbölgede tamamen soğurulur. Havuzun alt tabakalarında ısınan su moleküllerinin yüzeye çıkarakkonveksiyon yoluyla ısıyı taşımalarını önlemek için, depolama bölgesi ile yüzey arasında bulunantabakalar arasında yoğunluk farkı oluşturmak suretiyle konveksiyonsuz bir bölge oluşturulur. Birgüneş havuzunda yaklaşık lineer yoğunluk gradiyentini meydana getirmenin pratik yolu, derişimleribirbirinden az olan su tabakalarını, çok yoğun olanın üzerine az yoğun olanı koymak suretiyleoluşturmaktır [2]. Bu şekilde, depolama bölgesi ile havuz yüzeyi arasında konveksiyonsuz ara bölge •olarak tanımlanan bölgede tuz gradiyenti eğimi oluşmaktadır. Bu bölge konveksiyonla meydanagelecek olan ısı kaybını önler, böylece depolama bölgesinden ısı yalnız iletim yolu ile olur ve güneşenerjisi depolama bölgesinde depolanır. Bu da güneş havuzunun sadece bir toplayıcı değil aynızamanda bir ısı depolayıcı sistem olmasını sağlar.

259

Bu çalışmada, yüzey alanı 3.5 mx 3.5 mx 2 m boyutlarında yalıtımlı bir güneşhavuzu İsparta Yalvaç Meslek Yüksek Okulu Kampus alanına deri atölyesinin sıcak su ihtiyacınıkarşılamak amacıyla inşa edildi. Havuzun ısıl enerji kayıplarını önlemekiçin tabanı ve yan duvarları yalıtıldı. Ayrıca havuzun üst kısmına, üstten havayaolan ısı kayıplarını azaltmak ve havuzun ısıl verimini arttırmak amacıyla bir kapaksistemi yerleştirildi. Sistem, bir elektrik motoruyla kontrollü olarak 0 ile 180derece arasında dönebilen, yukarı aşağı hareket ederek karşılıklı açılıp kapanabilen,yalıtım ve yansıtma özelliği bulunan iki kapaktan oluşmaktadır. Kapaklarkapatıldığında yalıtım, açıldığında ise güneş enerjisini havuza yansıtma görevini yapmaktadır.Kapakların gündüz güneş ışığını havuz içine en iyi şekilde yansıtacağı konumu belirlemek için güneşingeliş açısına göre yansıtıcı kapağın yatayla yapacağı optimum açısı saptanmıştır. Havuzdaki sıcaklıkdağılımını sürekli olarak ölçebilen bir Bilgisayarlı Otomasyon Sistemi geliştirilmiştir. Bu sistem ilehavuzda meydana gelen sıcaklık dağılımı sıhhatli ve istenilen zaman aralıklarında (sn, dak, saat vegünlük) ölçülebilmektedir. Bu ölçümlerle birlikte aynı bölgeye ait birim yüzey alana gelen güneşenerjisi, çevre sıcaklığı, güneşlenme süresi verileri Yalvaç Meteoroloji Müdürlüğü'nden sağlanmıştır.Bu verileri kullanarak daha önce Kayalı (1986) tarafından geliştirilen bir bilgisayar programınayansıtıcılarında katkılarını göz önüne alan bir alt program eklemek suretiyle havuzun performansıbelirlenmiştir. Ayrıca havuzun performansını artırmak amacıyla yapılan yansıtıcılı ve yalıtımlı kapakile ilgili bir bilgisayar programı yapılarak kapak için en optimum açı hesaplanmıştır.

MATERYAL VE METOD

Model güneş havuzu üç bölgeden oluşmaktadır. Birincisi, en üstte üst konveksiyonlu bölge (ÜKB) yeralır. Bu bölge yaklaşık 10 cm kalınlıkta rüzgar etkisi ve ısı transferine açık tuzsuz sudan oluşan birtabakadır. En altta ise, alt konveksiyonlu bölge (AKB) yer alır. 70 cm kalınlıkta olan bu tabakadaenerji depolandığı için, sıcaklık ve tuz yoğunluğu oldukça yüksektir. Bu iki bölge arasında yalıtımgörevi yapan yukarı doğru tuz gradiytenti eğimi lineer olarak gittikçe azalan 120 cm kalınlıkta arakonveksiyonsuz bölge (YB) yer alır.

Havuzun yüzeyini örten ve aynı zamanda gelen güneş enerjisini havuza yansıtan kapak Şekil l'degörüldüğü gibi karşılıklı olarak açılıp kapanabilmektedir ve iki parçalıdır. Kapak kapalı durumdayalıtım ve açık durumda ise iç yüzeyi ışığı yansıtma özelliğine sahiptir. Kapakların dış yüzeyialüminyum levha ile iç yüzeyleri ise krom nikel ile kaplanmış olup, bu iki malzeme arasına yalıtımmalzemesi olarak da 2 cm kalınlığında strafor döşenmiştir. Bu şekilde hazırlanan kapakların içyüzeyleri yansıtıcı yüzey olarak kullanılmaktadır. Kapakları güneşin mevcut açısına göre ayarlayıpgüneş ışınlarının havuz yüzeyine odaklanarak yansıtılması sağlanmıştır. Kapağın hangi optimum açıdagüneş ışığını havuza daha iyi yansıtacağı hesaplanmaya çalışılmıştır. Kapakları kontrol etmekamacıyla kapaklara birer adet devir ayarlı elektrik motoru yerleştirilmiştir. Kapak yansıtmalı olduğuiçin, havuz yüzeyine daha fazla güneş ışığı geleceğinden verimin artacağı düşünülmektedir. Aynızamanda kapak yalıtımlı olduğu için gece kapak kapandığında gece gündüz sıcaklık farkları ortadankalkacaktır.

260

2 kapak

Şekil 1. Yalıtımlı ve yansıtıcı yüzeyli bir güneş havuzu modeli

Çalışmamızda güneş ışınlarını kapaktan yansıtıldıktan sonra havuz içine en iyibir biçimde düşürülebilmesi için yalıtımlı kapağın optimum açısını veren eşitliklerçıkarılmaya çalışıldı. Yalıtımlı kapağa gelen güneş ışınları, havuzun bulunduğubölgenin enlem ve boylamının yanı sıra aynı zamanda havuzun boyutlarına, kapakboyutlarına, yansıtıcı yüzeyin yansıtma katsayısı ve yatayla yapacağı açılar gibibazı parametrelere bağlı olacaktır. Bu parametrelere bağlı olarak en uygun açıyıveren eşitlik elde edilmeye çalışıldı. Havuzun üst yüzeyinde bulunan yalıtımlı ve yansıtıcılı kapaklarsayesinde havuza hem daha fazla güneş radyasyonu girmekte hem de üst yüzeyden meydanagelebilecek ısı kayıpları önlenmektedir.Kapaktan havuza yansıtılan güneş radyasyonu ;

Iro=ItpoFrgAr/Ag

ile verilir [3]. Burada It; atmosfer dışı eğik yüzeye gelen güneş radyasyonu, po, yüzeyin yansıtmaoranı, F r g, görüş faktörü, Ar yansıtıcının alanı ve Ag de havuz üst yüzeyinin alanıdır. Bir bilgisayarprogramı kullanılarak elde edilen grafikler farklı iki konumda buluna kapaklar için Şekil 2 ve Şekil3'de verilmektedir.

Sırasıyla güney doğuyla 45°'lik açı yapan yansıtıcı kapak ile, Şekil 2'den de anlaşılacağı gibi kışaylarında 30°'lik bir eğim açısı ile ve yaz aylarında ise 15°'lik bir eğim açısı ile maksimum güneşradyasyonu havuza odaklanabilmektedir. Şekilde 1-0 yatay yüzeye yani havuz yüzeyine doğrudangelen güneş radyasyonudur. Bu durumda havuz yüzeyine gelen toplam güneş radyasyonu 1-0 ve enoptimum açılardaki güneş radyasyonu değerlerinin toplamına eşittir.Şekil 3'de görüldüğü gibi kuzeydoğu yönü ile 135°'lik açı yapan kuzeybatı yansıtıcı kapağı ile 15°'lik bir açı ile maksimum güneşradyasyonu havuza odaklanabilmektedir.

261

EcSÎK YÜZEYDEN HAVUZA YANSITILAN GÜNLÜK IŞINIM MİKTARI

Şekil 2. Güney doğuya dönük kapaktan havuza yansıtılan radyasyonu

EĞİK YÜZEYDEN HAVUZA YANSITILAN GÜNLÜK IŞINIM MİKTARI

| « I -0 * l I 30 -T l -« + I 60 f, I-76 * I-90

Şekil 3. Kuzeye dönük kapaktan havuza yansıtılan güneş radyasyonu

Şekil 4'de havuza yansıtıcı kapaklardan yansıtılarak ve direk olarak gelen güneş radyosyonun aylaragöre değişimi görülmektedir. Havuza gelen toplam güneş radyasyonu I. kapaktan yansıtılan güneşradyasyonu, 2. kapaktan yansıtılan güneş radyasyonu ve havuza direkt olarak gelen güneşradyasyonudur. Buradan da görüleceği gibi havuza gelen güneş radyasyonu miktarı yansıtıcıkapaklardan gelen katkıdan dolayı artmaktadır. Havuza gelen güneş radyasyonu miktarının kapaklarsayesinde artmasıyla havuzda depolanan güneş radyasyonu miktarı artmış ve sonuç olarak da havuzperformansı artmıştır.

262

1. VE 2. KAPAKTAN HAVUZA YANSITILAN VE HAVUZA DİREKT GELENATMOSFER DIŞI GÜNEŞ RADYASYONU

10 11 12

1. Kapaktan Yansıtılan I - » 2. Kapaktan Yansıtılan I

I

Şekil 4. Havuza gelen toplam güneş radyasyonu

SONUÇLAR

Havuzun üst konvektif bölgesinde kapak varken ve kapak yokken havuzun bütün bölgelerindekisıcaklık değişimleri incelenmiştir. Bilgisayar programıyla elde edilen sonuçlar Excell programınaaktarılarak havuzun değişik bölgelerindeki sıcaklıkların günlere göre grafiği çizilmiş ve kapağın havuzperformansına olan etkisine bakılmıştır. Ayrıca havuzda kapak varken deneysel olarak ölçülen değerlerkapak varken ve kapak yokken model verileri ile karşılaştırılmış ve kapağın havuz performansındaönemli bir etkiye sahip olduğu görülmüştür.

Şekil 5 ve Şekil 6'da görüldüğü gibi kapaklı durumdaki havuzun konveksiyonsuz ve depolamabölgelerinde sıcaklık gradiyenti kapaksız durumdakine göre daha yüksek olmaktadır. Ayrıca ortamsıcaklığı ve toplam güneş ışınımının deney süresince giderek artması havuzdaki akışkan sıcaklığınındolayısıyla da havuz veriminin (performansının) artmasına neden olmaktadır. Depolama bölgesinde vekonveksiyonsuz bölgede sıcaklık değerleri kapak varken daha yüksek çıkmıştır. Bu da bize kapağınetkisinin oldukça büyük olduğunu göstermektedir.

Şekil 7 havuz yüzeyi kapaklı ve kapaksız durumdayken günlere göre sıcaklık değişimini vermektedir.Şekil 7'de görüldüğü gibi ortam sıcaklığı yüksek iken üst konvektif bölge akışkan sıcaklığı kapakvarken ve kapak yokken model verileri karşılaştırıldığında sıcaklık değişimlerinde büyük farklılıklarolmaktadır. Ancak ortam sıcaklığı düşük iken havuz yüzeyi kapaklı veya kapaksız üst konvektifbölgedeki sıcaklık değişimleri birbirine oldukça yaklaşmaktadır. Buradan görüldüğü gibi havuzyüzeyinin kapatılması ile ortam sıcaklığı düşük veya gece-gündüz sıcaklık farkı büyük iken havuz üstkonvektif bölge sıcaklığı üzerine önemli bir katkı sağlanmaktadır.

263

u

Sıc

aklı

k

35 -,

30 -

2b -

20 -1

15 -ı

10 - w

141 161 181

Günler

201

o kapak varken modelhesapları

—«— kapak yokken modelhesaplan

—a— ortam sıcaklığı

Şekil 5. Kapak varken ve kapak yokken depolama bölgesi için model verilerinin karşılaştmlması

30 i

25 -

S 20-3S 15 i

c/3

10 -

c _J T 1 T " " I 1 1

141 151 161 171 181 191

Günler

—«—kapak varken model

hesaplan

— o — kapak yokken modelhesaplan

• ortam sıcaklığı

Şekil 6. Kapak varken ve kapak yokken konveksiyonsuz bölge için model verilerinin karşılaştırılması

- kapak varken

- kapak yokken

-ortam sıcaklığı

141 151 161 171

Günler

181 191

Şekil 7. Kapak varken ve kapak yokken üst konvektif bölge için model verilerinin karşılaştırılması

264

KAYNAKLAR .1. Sokolov, M., ve Arbel, A., 1990. Fresh water floating collector type solar pond. Solar energy, Vol

44, No l,pp 13-21, U.S.A.2.Chepurniy, N., ve Savage, B.S., 1975. Effect on diffusion on concentration profiles in a solar pond.

Solar Energy, Vol 17, pp 203-205, Britain.3. El-Sebai, A.A.,1997. Thermal performance of a box-type solar cooker with outher-inner reflectors.

Energy, Vol 22, No 10, pp 969-978, Great Britain.

265

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

AKÜLÜ BAĞIMSIZ FOTOVOLTAİK ENERJİ SİSTEMLERİNDEKULLANILAN AKÜ KONTROL STRATEJİLERİ VE SİMÜLASYONLARI

Mehmet YÖRÜKOĞLlf, Ali Naci ÇELİlt*

Mustafa Kemal Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Müh. BölümüTayfur Sökmen Kampusu

Antakya/HATAY (Tel:0 326 2455836/1438)(*) Yüksek Lisans Öğrencisi, E-Mail: trmemo@hotmail.com

(**) Yrd. Doç. Dr, E-Mail: ancelik@mku.edu.tr

ÖZET

Aküler, bağımsız fotovoltaik (PV) sistemlerin vazgeçilmez bir elemanıdır. Aynı zamanda sistemin enproblemli parçasıdırlar. PV modüllerine oranla ömürleri çok kısadır ve maliyetleri toplam maliyetinbüyük bir bölümünü oluşturabilmektedir. Bundan dolayı, akü ömürlerini uzatmak için çeşitliaraştırmalar yapılmaktadır. Kurşun-asit akülerin çalışma aralığının düzenlenmesi, özellikle tam-dolmave tam-boşalma sınırlarında voltajın kontrol altına alınması akünün ömrünü ve performansını arttırıcıbir etkendir. Bu çalışmada akü akım-voltaj modellerinden birisi incelenerek, bu modelin bilgisayarortamında simülasyonu yapılmaktadır. Simülasyon programı içerisinde geliştirilen bir kontrolalgoritması ile akünün voltajı daha önceden belirlenen ve akünün zarar görmesini önleyen bir çalışmaaralığında tutulmaktadır. Bunun için basit bir PV sistemi tasarlanarak sabit bir yük altında çalıştığıvarsayılacaktır.

Anahtar Kelimeler : PV sistemlerde enerji depolama, PV sistemlerde akü kontrol sistemleri, akükontrol stratejileri.

1. GİRİŞ

Güneş enerjisi alternatif enerji kaynakları arasında önemi gün geçtikçe artan ve araştırılmaya halendevam edilen bir enerji kaynağıdır. Güneşten yararlanılarak elektrik enerjisi elde etmede kullanılansistemlere Fotovoltaik (PV) sistemler denir. PV sitemlerin ilk aşaması enerji kaynağından maksimumyararlanmadır. Bunun sonucu olarak güneşten gelen ışınımdan daha fazla yararlanmak için çeşitli PVmodüller araştırılmaktadır. Günümüzde modül verimleri %24 civarındadır. İkinci önemli bir aşama buenerjinin depolanmasıdır. PV sistemlerde depolama için Kurşun-Asit aküler kullanılır. Bu depolamasistemleri yenilenebilir kaynaklardan enerji elde edilmesiyle kullanımı arasındaki zaman farkınıkapatarak sürekli yararlanabilme olanağı sağlarlar. Örneğin gündüz PV sistem ile şarj edilen akününgece kullanılması gibi.

Aküler PV sistemlerin en problemli elemanıdır. Bu problemlerden biri basit bir sistem için akümaliyeti tüm sistem maliyetinin %15-20 'si civarındadır. İkinci bir problem PV modüllerin ömrü 15-20yıl civarında iken akü ömürleri 2-3 yıl civarındadır. Sistemin ilk yatırım maliyeti göz önüne alınıncaakülerin yıllar içindeki maliyete etkisi %50'ye kadar çıkabilir. Üçüncü bir problem bu sistemlerdebakım maliyeti yok denecek kadar azdır. Fakat akülerin kısa ömrü bakım maliyetini de arttırıcı biretkendir.

266

Akü ömürlerini uzatmak için çeşitli araştırmalar yapılmaktadır. Kurşun-Asit akülerinin voltajlarınındüzenlenmesi yani şarj ve deşarj voltajlarının kontrol altına alınması akünün ömrünü ve performansınıarttırıcı bir etkendir.

Bu çalışmada akü modellemeleri incelenerek bu modellerin bilgisayar ortamında kontrolügerçekleştirilecektir. Bunun yanında akünün voltaj değişiminin grafik olarak gösterilmesi ve budeğişimin sınırlandırılması için akü kontrol stratejileri oluşturulacaktır. Bunun için basit bir PV sistemikurulduğu ve sabit bir yük harcandığı düşünülecektir.

AKÜLER

Birçok akü çeşitleri üzerinde çalışmalar devam etmekte olup en çok geliştirilmiş ve teknik özelliklerigiderek daha iyi hale getirilmiş Kurşun-Asit akülerdir. Bunun yanı sıra Nikel-Kadmiyum, Nikel-Hidrojen, Nikel-Metal Hidrat, Çinko, Çinko-Bromür, Çinko-Manganez dioksit, Çinko-hava, Sodyum-Sülfür, Lityum ve redox piller üzerinde çalışmalar devam etmektedir [1].

Enerji depolamada çok enerji depolama ve depolanan enerjiden maksimum yararlanma akü çeşitleriiçin önemli bir özelliktir. Bu özellik akünün enerji saklama yoğunluğunu göstermektedir. Tablo 1 deçeşitli akü tipleri için önemli özellikleri verilmiştir.

Tablo 1. Akü tiplerine göre özellikleri

TipiHücreVoltajı

EnerjiYoğunluğu Kapasite

(Ah)

Ömür(dolup/

boşalma

KWh BaşınaFiyat

Kurşun-Asit

Nikel-Kadmiyum

Nikel-Hidrojen veNikel-Metal Hidrat

Çinko TabanlıKaynak : Türe [1].

Kurşun-Asit Aküler

V vuıı

1.6-2.

1.0-2

1.2-1.

0.9-1

35

.3

25

.8

(Wh/kg)

20-40

19-130

40

60-80

(Wh/I)

48-100

40-280

80-92

60-160

-3600

-1250

100-160

6.5-108

sayısı)

200-1500

100-5500

3000-7500

100-200

86-500

285-1135

520-700

-100

PV sistemlerinin en önemli ikinci elamanı akü grubudur. Güneş ve rüzgar enerjisi ile elektrik üretensistemlerde genellikle sulu veya kuru tip aküler kullanılır. Bu tip aküler ekonomik, uzun ömürlü ve azbakım gerektirmeleri nedeniyle tercih edilir.

S1 v Şarj

Şekil 1. Kurşun-asit akünün şarj deşarj durumu

267

Kurşunlu akülerde elektrotlar kurşundur. Seyretik sülfürik asit de elektrolit olarak kullanılır (Şekil 1).Kurşun-Asit akülerde sakladığımız enerjinin %40'ını kullanabiliriz. Örneğin;aküdeki 5 kWh enerjinin2 kWh kısmını kullanabiliriz(5*0,4=2). Kurşun Asit akülerde enerji saklama yoğunluğu 1 kg akü için40 Wh 'tır. Akülerde her hücre başına yaklaşık 2 V gerilim elde edilir. 12 V luk bir akü için 6 hücreolması gerekir.

Kurşun-Asit Aküler: tanımlar

Şarj: Aküye Doğru Akım güç kaynağından akım verme işine şarj denir. Şarj olurken aküde oluşanolaylar şunlardır:

a)Şarj boyunca akü voltajı arttırırb)Pozitif plakalar kurşun sülfattan kurşun peroksit'e dönüşürkenc)Negatif plakalar kurşun sülfattan sünger kurşuna dönüşür.

Deşarj: Akünün bir alıcıya akım vermesi olayına deşarj denir. Deşarj sırasında oluşan olaylarşunlardır:

a)Deşarj boyunca akü voltajı düşerb)Pozitif plakalar , kurşun peroksitten kurşun sülfatta dönüşürken

Negatif plakalar sünger kurşundan , kurşun sülfatta dönüşürc)Elektrolit yoğunluğu azalır.

Voltaj: Akünün çeşitli voltajları vardır. Bunlar:a)Nominal voltaj=Aküler bu voltaj değeri ile anılırlar. Örneğin; 12V, 24V 'luk akü gibi. Her

hücre 2 V turb)Yavaş şarj voltajı=Aküyü tam şarjlı tutabilmek için DC Enerji kaynağı ile yapılan şarjdaki

voltaj değeridir. Bir akü hücresi için 2,2 ile 2,3 V arasında değişirc)Deşarj Sonu Voltajı=Bir aküden akım çekilirken düşmesine izin verilen en küçük voltaj

değeridir. Kurşun-Asit akülerde bu değer hücre başına 1,8 volttur.İç Direnç: Bir akü hücresinin içinde akım yolunda bulunan plaka , seperatör ve elektrolit gibielemanların toplam direncidir.Şelf Deşarj: Servis dışı durumdaki bir akünün kendi kendine deşarj olmasıdır. Bunun sebebielektrolitin plakaya temas ettiği noktalarda , suyun , oksijen ve hidrojene ayrışmasıdır. Bu deşarj ikietkene bağlıdır. Birinci etken elektrolit sıcaklığı arttıkça fazlalaşır. İkinci etken kurşun plaka içindekiantimuan oranını arttırır.Yoğunluk: Sülfürik ait içindeki su miktarı elektrolitin dolayısı ile akünün yoğunluğunu gösterir. Suilavesi yoğunluğu azaltır. Yoğunluk bir birim hacimdeki elektrolitin ağırlığıdır. Deşarj ve sıcaklığınartması durumunda yoğunluk azalır. Şarj ve sıcaklığın azalması yoğunluğu arttırır.Kapasite: Akünün deşarj işleminde verebildiği enerjiye akünün kapasitesi denir. Amper saat olarakifade edilir. Bir akünün kapasitesi ;bir hücredeki plaka adeti ve boyutuna, elektrolit yoğunluğuna,elektrolit sıcaklığına ve deşarj akımına bağlıdır.Nominal Kapasite: Bir akünün 10 saat süreyle nominal akımla ve hücre başına gerilimi 1,8 Vdüşünceye kadar yapılan deşarja nominal kapasite denir. K 10 (veya CIO) ile gösterilir. Örneğin 60Ah 'lık bir akü 6 A 'le 10 saat deşarj edilirse hücre voltajı 1,8 V ' a düşer. Eğer 30 A 'le deşarjedilirse 2 saatten daha az bir sürede hücre voltajı 1,8 V 'a düşer. Akü kapasitesinin deşarj akımıyladeğişimi aşağıdaki grafikte gösterilmiştir.

268

2.2

2.1

2.0

1.9

1.8

1.7

1.6

HücreVoltajı(V)

— ' ı •H .

1 saat 2 ^ a t

Kapasite

3 saat

V

Deşarj Akımı (A)~*"-

4 saat

*•"

s\

5 saat

100

90

70R n Kapasite

40

30

20

10

1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0Deşarj Süresi(saat=h)

Şekil 2. Kurşun - Asit akülerde akım , voltaj , kapasite değişimi [2]

AKÜNÜN ÇALIŞMA KOŞULLARINDAKİ AMPER-VOLTAJ DEĞİŞİMİ

Kararlı Hal Durumu (Akımın Sabit Olması Durumu)

Kararlı hal durumu akünün sabit akımda şarj veya deşarj durumunu gösterir. Batarya için bellibir zaman aralığında akıma ve batarya parametrelerine göre değişir. Buna göre bataryanın bir hücresivoltajı At = t* ı+ı ~ *» zaman aralığında,

Q \

C®)+ " (1)ile ifade edilir [3]. Buradaki Ke, Rtot akü parametrelerini, Vo şarj edilmeden önceki voltajı, Q isebatarya şarj kapasitesini gösterir ve aşağıdaki formül ile hesaplanır.

Q= | l | d t

C (I) ise bataryanın kapasitesini gösterir ve aşağıdaki formül ile hesaplanır.

0(1)-C 2( |I |)C 3

Cı, C2, C3 aküye bağlı parametreler olup akü imal edildikten sonra testler ile ölçülür.Batarya voltajının zamana göre türevini alırsak formül aşağıdaki duruma gelir.

(2)

(3)

dV. c .

C3-1ı di

(4)dt C(I)-Q I Cı - - - dtj "" dt

Kararlı hal durumunda akım zamana bağlı olarak değişmez, yani sabit kalır.

dt "

Buna göre kararlı durumda zamana göre voltaj değişiminin formülü aşağıdaki duruma dönüşür.d V-K. f l )d t " U ( i ) - Q j (5)

Belli bir zaman aralığında B t ı ı + ı ~ ** bir sonraki batarya voltajı ile bir önceki voltaj arasındakideğişim aşağıdaki formül ile hesaplanır.

269

Dinamik Durum (Akımın Değişmesi Durumu)

Dinamik durumda aküde sabit olmayan bir akım söz konusu olur. Bu durumdaki akım

değişimi,

olur ve buradaki e indisi çok kısa bir zaman aralığındaki akımın durumunu gösterir. Yani bir öncekidurum n ise bir sonraki durum n+1 ise n, n+l'e giderken limit "e" sıfıra gider. Bu durumda voltajdeğişimi dinamik durum için,

AV = V n + e -V n =AIR w t ( 8 )

olur.

Swich Durumu (Şarjdan Deşarja Veya Deşarjdan Şarja Geçiş Durumu)

Swich durumunda iki durum ortaya çıkar. Birinci durumda AVı voltajı yani akımın "0" olanakadar olan durumu, ikincisi AV2 voltajı yani akımın "0" dan In + e oluncaya kadarki durumda akımdeğişimi aşağıdaki gibi olur.

Swich durumunda (tn anındaki) akım, çok kısa zaman sonraki (tn+e anındaki) akıma eşit değildir. (

AKÜ PARAMETRELERİ

Akü parametreleri akünün önemli karakteristik bilgilerini yansıtır. Bu parametreler aküçeşitlerine göre değişir. Press et. al., [4] AMOBE programını kullanarak parametreleri elde etmiştir(Tablo 2).

Tablo 2. 12 Volt 70 Ah bir kurşun-asit akü için şarj ve deşarj parametreleri

Parametre Şarj Deşarj Birim

Ke

Rtot

Cı

c 2c 3

-0,09950,066568,2331.323E-53,1903

0,0967 V0,0615

64,712 Ah1.5733E-53,4609

O,

A"1

Kaynak : Press et. al., [4].

SİMULASYON ALGORİTMASI

Simülasyon algoritması akımdaki değişime göre hangi olayın gerçekleştiğini ve voltajındurumunu gösterir. Güneşten gelen ışınım verilerine göre PV akımı (Ipw) hesaplandıktan sonra yük(load) akımından (Iıoad) çıkartılarak sistemin net akımı bulunur,

270

ıNET = (11)

Bu akım bir önceki zamanda bulunan akımla karşılaştırılır. Buna göre akünün hangi operasyondaolduğu belirlenir (Tablo 3). Akü voltajı sınır değerlere ulaştığında anahtar kontrolü (Şekil 1) ile sistemkontrol edilir. Akü şarjda ise şarj parametreleri, deşarjda ise deşarj parametreleri kullanılarak bataryavoltajı hesaplanır. Bir sonraki zaman için işlemler döngü şeklinde devam eder. Şekil 4'te görüldüğüüzere bu döngüyle voltajın nasıl kontrol edildiği program akım şeması ile gösterilmiştir.

Tablo 3. Çalışma esnasında bataryanın voltaj değişimi ve operasyon durumları.

AkımınDurumu

I = Sbt

I = SbtIn>0

I n > 0

In+ı< inIn<0

In+ı< inIn<0

In+ı> inIn>0In+1< 0In<0T **̂ ft

OperasyonAyrıntısı

Sbt Akımda Şarj

Sbt.AkımdaDeşarj

Normal DinamikŞarj

Dinamik ŞarjdaVoltaj Kaybı

Normal DinamikDeşarj

DinamikDeşarjda Voltaj

ArtışıŞarjdan Deşarja

geçişDeşarjdan Şarja

geçiş

OlayDurumu

Kararlıdurum

DinamikDurum

SwichDurumu

KısacaOperasyon

SAS

SAD

NDS

DSVK

NDD

DDVA

SSD

SDS

VoltajDurumu

vn+ı > vn

v n + ı < v n

v n + ı > v n

Vn +ı<Vn

v n + ı < v n

Vn +ı>Vn

v n + ı < v n

Vn+ı > Vn

Şekil No

Şekil 3.a

Şekil 3.b

Şekil 3.c

Şekil 3.d

Şekil 3.e

Şekil 3.f

Şekil 3.g

Şekil 3.h

Kaynak: Protogeropoulos et. al., [3].

271

I »O

n

•n t t

a)Sabit Akımda Şarj (SAS)!r.

b) Sabit Akımda Deşarj (SAD)

V •

Vnt1V

nte

Vn

X"*SAs"~nteNDS

n

nt1

* •

t_. nt1c) Normal Dinamik Şarj (NDS)

v+

Vn

Vnt1

Vnte

nDSVK

m 1

SAS

nte

nt1

Vn

nte

vnt1

NDD

rrte

nt1

nt1d) Dinamik Şarjda Voltaj Kaybı(DSVK) ^ N o r m a | D i n a m i k D e ş a r j ( N D D ) f) Dinamik Deşarda Voltaj Artışı(DDVA)

V +

av»

nDSVK0 ampNDD

İV.

t t

SAS

nteNDS0 arnoDDVAn

nti

n lg) Svvich Durumu-Şarjda Deşarjageçiş (SSD)

n nt1h) Swich Durumu-DeşarjdanŞarja geçiş (SDS)

Şekil 3. Operasyon değişimine göre zamana bağlı voltaj değişimi [3]

AKÜ VOLTAJ SİMÜLASYONU

Sistemin kontrolü için yedi gün ve saatlik veriler kullanılarak programa veri girilmiştir. Saatlik verileriçin 15 dakikalık verilerden yararlanılarak saatlik ortalama veriler baz alınmıştır. Daha hassas verileriçin 5 veya 10 dakikalık verilerden de yararlanılabilir. Lambanın gücü sabit olduğu için burada enönemli veri PV'nin ürettiği güçtür. PV'nin verdiği güç sabahtan öğlene kadar artarken öğleden akşamakadar düşmektedir. Lambanın akşam saat 10'dan sabah 8'e kadar toplam 10 saat yandığıtasarlanmıştır.

272

BAŞLA

Sabit Değerleri oku

Gücü ve akımı hesapla

SwichDurumu

Vb Hesapla

Vb Hesapla

Vb Hesapla

Vb Hesapla

Vb Hesapla

Vb Hesapla

Vb Hesapla

Vb Hesapla

SSD

SDS

SAS

SAD

NDS

DSVK

NDD

DDVA

Şekil 4. Akü voltajı hesabı ve kontrol sınırlamasını yapan algoritma için program akış şeması

273

Sistemin çalışması sırasında saatlik ve günlük PV gücünün değişmesi sırasında her zaman akü tam şarjolmayabilir veya şarj kapasitesinin üstünde bir PV gücü olabilir. Bunun yanında tam şarj olmayanakünün sabaha kadar lambayı da beslemeyeceği göz önüne alınmalıdır. Bu noktada akü voltajınınkontrol altına alınması gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Yapılan araştırmalarda akünün şarj ve deşarjvoltajlarının sınırlandırılması için maksimum ve minimum değerleri bulunmuştur. Bu değerler akütipine, kapasitesine ve sistemin özelliğine bağlıdır. Bundan dolayı, sınır voltaj değerlerinin verilen birsistem için tespiti, sistemin verimi ve akünün ömrü açısından önemli olacaktır. Bu çalışmada voltajlimitleri aşağıdaki şekilde kabul edilmiştir,Şarjda: minimum 11.5 V - maksimum 14.0 V (Ful Şarj)Deşarjda: maksimum 13.3 V - minimum 11.4 V (Ful Deşarj)

Bu çalışma içinde geliştirilen simülasyon programında bu sınır voltaj verileri kullanılarak simüleedilen akü voltajı Şekil 5'te görülmektedir. Zamana göre voltaj değişimini veren bu grafikte aküvoltajının alt ve üst voltaj limitleri aşmadığı ve güvenlikli bölge içerisinde kaldığı görülmektedir. Buçalışmada uygulanan kontrol yöntemi Şekil 1 de görülen ve uygulanabilecek kontrol stratejileriarasında en basit olanlardan bir tanesidir. Bu strateji akünün şarj kapasitesinin maksimum değereulaştığında PV gücünün (Ppv) kesilmesi, deşarj kapasitesinin minimuma ulaşmasında ise beslenengücün kesilmesi (Pıoad) ilkesine dayanmaktadır.

Akü Voltajı(Vb)

14.0

11

11.01 2 3 4 5 6 7 Gün

Şekil 5. Zamana göre voltaj değişimi

SONUÇ

Aküyü besleyen gücün değişken olması ve akünün hassas bir cihaz olması akü voltajınındikkatli bir şekilde izlenmesini gerektirmektedir. Akü voltajının belli bir aralıkta tutulması akününömrünü uzatacaktır. Bu kontrolün en basit şekli anahtar kontrolüdür (Şekil 1). Yani akünün şarjkapasitesinin maksimum değere ulaştığında PV gücünün (Ppv) kesilmesi, deşarj kapasitesininminimuma ulaşmasında ise beslenen gücün kesilmesi (Pıoad) akünün aşırı şarj veya deşarj olmasınıengelleyecektir. Böylece akü ömrü üzerinde herhangi bir kontrol mekanizması bulunmayan bir aküyeoranla önemli bir miktarda uzayacaktır.

Bunların yanında bilgisayar kontrollü veya elektronik kartlı sistemler batarya voltajınınkontrolünde kullanılabilir. Bu kontrol sistemi küçük tasarımlarda ekonomik olmamasına rağmenbüyük PV sistemler için bir gerekliliktir. Günümüzde PV sistemlerinde kullanılan bir çok kontrolelamanları geliştirilmiştir. Bunlardan bazıları Kaynak [6] da görülebilir.

274

SEMBOLLER

v bVo

C(I)IKe

Rtot

QCı, C2, C3

nn+1e

: Batarya voltajı, [volt]: Elektrokimyasal potansiyel: Batarya kapasitesi, [Ah]: Akım [A]: Ampirik katsayı [ - ]: Batarya iç direnci [Q]: Şarj değişimi, [Ah]: Batarya kapasite parametreleri, [Ah], [A"1], [ - ]: Zaman: Bir sonraki zaman: Çok kısa zaman

KISALTMALAR

PVSı,S2

DCSASSADNDSDSVKNDDDDVASSDSDS

: Fotovoltaik: Anahtar: Doğru akım: Sabit akımda şarj: Sabit akımda deşarj: Normal dinamik şarj: Dinamik şarjda voltaj kaybı: Normal dinamik deşarj: Dinamik deşarjda voltaj artışı: Swich durumu, şarjdan deşarja geçiş.: Swich durumu, deşarjdan şarja geçiş.

KAYNAKLAR

[1] İ.E.Türe, Elektrik enerjisi depolamanın önemi ve yeni gelişmeler. Enerji 2000 Ulusal EnerjiVerimliliği Kongresi, pp. 269-277 (2000).

[2] http://egitim.telekom.gov.tr/Ders.Kitaplari/Makina/kursun-asit.20dersnotu/kasitakum2bolum.htm.

[3] C.Protogeropoulos, R.H.Marshall, and BJ.Brinkworth. Battery state of voltage modelling and analgorithm describing dynamic conditions for long-term storage simulation in a renewable system.Solar Energy, pp.517-527 (1994).

[4] W.Press, B.Flannery, S.Teukolsky, and W.Vetterling. Numerical Recipes.(FORTRAN Version).Cambridge University Pres. New York (1989).

[5] D.Mayer and S.Biscaglia, Modeling and analysis of lead acid battery operation, 9th E.C.Photovoltaic Solar Energy Conference, Germany, pp.245-248 (1989).

[6] http://web.sakarya.edu.tr/~hmyoelk/bilgifazlasi/alternatif/10.htm.

275

TMMttB Mahinç Mülrcntüslçri MasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

FOTOVOLTAİK GÜNEŞ PİLLERİNDE KULLANILANCdS FİLMLERİNİN BAZI FİZİKSEL ÖZELLİKLERİ

Arş.Gör. Vildan BİLGİN, Yrd.Doç.Dr. Salih KÖSE,Yrd.Doç.Dr. Ferhunde ATAY, Arş.Gör.İdris AKYÜZ

Osmangazi Üniversitesi, Fen Edebiyat Fakültesi, Fizik Bölümü, 26480, Eskişehirvbilgin@ogu.edu.tr, skose@ogu.edu.tr, fatay@ogu.edu.tr. iakyuz@ogu.edu.tr

ÖZET

CdS filmleri fotovoltaik güneş pillerinde pencere materyali olarak yaygın bir şekilde kullanılmaktadır.Pencere materyali olarak kullanılacak yarıiletken ince filmlerin düşük elektriksel özdirence ve görünürbölgede yüksek optiksel geçirgenliğe sahip olması gerekmektedir. Bu çalışmada, CdS filmleriultrasonik kimyasal püskürtme (ultrasonic spray pyrolysis) tekniği ile 200-275±5 °C farklı tabansıcaklıklarında elde edilmiştir. Elde edilen CdS filmlerinin bazı elektrik, optik ve yapısal özellikleriüzerine taban sıcaklığının etkisi incelenmiştir. Elde edilen CdS filmlerinin kalınlıklarının 4,9-7,3 p,marasında değiştiği ve taban sıcaklığı arttıkça filmlerin kalınlıklarının azaldığı belirlenmiştir. Filmlerinelektriksel özdirençleri, iki uç tekniği kullanılarak 2,26.104-8,59.106 Q..cm olarak bulunmuş ve tabansıcaklığı arttıkça filmlerin özdirençlerinin düştüğü belirlenmiştir. Optik metot kullanılarak filmlerinyasak enerji aralıklarının 2,35-2,44 eV arasında değiştiği belirlenmiştir. Filmlerin yapısal özellikleri x-ışını kırınımı desenleri (XRD) ile incelenmiş olup, bütün filmlerin polikristal ve hegzagonal yapıyasahip oldukları görülmüştür. Bu incelemeler sonucunda, fotovoltaik güneş pillerinde pencere materyaliolarak kullanılan CdS filmleri için, uygun olan taban sıcaklığının 275±5 °C olduğu belirlenmiştir.

Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik güneş pilleri, CdS filmleri, Kimyasal püskürtme tekniği.

GİRİŞ

CdS, CdSe ve CdTe gibi yarıiletken bileşikleri fotovoltaik güneş pilleri, optik dedektörler, alan-etkintransistörler ve optoelektronik aygıtlar gibi pek çok pratik uygulamada, yüksek potansiyele sahipoldukları için, büyük ilgi görmektedirler [1,2]. CdS filmleri n-tipi yarıiletken materyaller olup, genişbir yasak enerji aralığına (Eg=2.42 eV) ve yüksek geçirgenliğe sahiplerdir. Bu özellikler, bu filmleriheteroeklem ince film güneş pilleri için arzu edilen bir pencere materyali yapar [3]. Düşük özdirençliCdS filmlerinin özellikle düşük maliyetli tekniklerle üretimi fotovoltaik uygulamalar için çokönemlidir [4]. Günümüzde tek kristal ve ince film formundaki CdS filmlerinin fiziksel özellikleriüzerine pek çok çalışma yapılmaktadır [5]. CdS filmlerinin elektriksel özellikleri güneş pillerindekullanılma potansiyellerinden dolayı oldukça ilginçtir [6]. Heteroeklem güneş pillerinde penceremateryali olarak kullanılacak CdS filmlerinin düşük elektriksel özdirence ve görünür bölgede yüksekoptiksel geçirgenliğe sahip olması istenir [7]. CdS; CU2S, CdTe veya CuInSe2 gibi yarıiletkenmalzemeler ile birlikte heteroeklem güneş pillerinin yapımında yaygın olarak kullanılmaktadır [8-10].CdS filmleri vakumda buharlaştırma, kimyasal buhar çöktürme, kimyasal püskürtme, kimyasal çözeltibüyütme, sputtering ve screen printing gibi çeşitli teknikler ile üretilmektedir [11-13]. Bu tekniklerarasında kimyasal püskürtme, basit ve ekonomik bir teknik olmasından dolayı yaygın bir şekildekullanılmaktadır [14].

276

DENEYSEL İŞLEMLER

CdS filmleri; ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği kullanılarak farklı taban sıcaklıklarında (200, 225,250, 275±5°C) CdCl2.H2O (0.05 M) ve thiourea (0.05 M) çözeltilerinin her birinden 100 mi alınarakkarıştırılan toplam -200 ml'lik başlangıç püskürtme çözeltisinin ~5 ml/dk püskürtme hızında -40 dkpüskürtülmesi ile mikroskop cam tabanlar üzerine elde edilmiştir. Filmlerin kalınlıkları Elcometer 345Digital Coating Thickness Gauge cihazı ile ölçülmüştür. Elde edilen CdS filmlerinin yasak enerjiaralıkları optik metot, özdirenç değerleri iki uç metodu ve elektriksel iletkenlik türleri ise sıcak uçtekniği kullanılarak belirlenmiştir. Elektrik ölçümleri için gerekli kontaklar gümüş-pasta (silver-paste)ile yapılmıştır. Tüm filmlerin elektriksel özdirençlerinin hesaplanmasında kullanılan akım-voltaj (I-V)ölçümleri, karanlıkta Hevvlett Packard pA Meter DC Voltage Source cihazı kullanılarak alınmıştır.Absorpsiyon spektrumları Unicam UV-100 UV/Visible (double-beam) cihazı ile alınmıştır. X-ışınıkırımın desenleri Philips PW 3710 model XRD cihazında A.=l,5406 Â dalgaboylu CuKa ışınıkullanılarak toz metodu ile 20°<29<60° aralığında alınmıştır.

SONUÇLAR VE BULGULAR

Elektriksel Özellikler

Farklı taban sıcaklıklarında elde edilen CdS filmlerinin kalınlıklarının 4,9-7,3 um arasında değiştiği veartan taban sıcaklığına bağlı olarak filmlerin kalınlıklarının azaldığı belirlenmiştir. Tüm filmlerinelektriksel iletkenlik türleri sıcak-uç tekniği ile n-tipi olarak belirlenmiştir. CdS filmlerinin elde edilenI-V karakteristikleri Şekil 3.1'de verilmektedir. I-V karakteristiklerinden filmlerin ohmik iletimözelliklerine sahip olduklan belirlenmiştir. Ohmik bölgede serbest taşıyıcılar materyal içerisine kontaktarafından enjekte edilen taşıyıcılardan daha fazladır ve bu bölgede iletim serbest taşıyıcılar tarafındansağlanır. CdS filmlerinin 0,1-2 V arasındaki akım değerleri için iki-uç metodu kullanılarakhesaplanan özdirenç değerlerinin 2,26.104-8,59.106 £2.cm arasında değiştiği belirlenmiştir.Filmlerin kalınlık, elektriksel özdirenç ve iletkenlik değerleri Tablo 3.1'de verilmektedir. Bu tabloincelendiğinde, artan taban sıcaklığına bağlı olarak filmlerin elektriksel özdirençlerinin azaldığı veiletkenliklerinin arttığı görülmektedir.

Tablo 1. CdS filmlerinin kalınlık, elektriksel özdirenç ve iletkenlik değerleri.

Taban Sıcaklığı (°C)

200±5

225±5

250±5

275±5

Kalınlık (fim)

7,3

6,3

5,2

4,9

Özdirenç, p (Q.cm)

8,59.10Ğ

l,19.105

2,59.104

2,26.104

İletkenlik, a (fî.cm)"1

1.16.10"7

8,40.10"6

3,86.10"5

4,43.10'5

277

25

20-

< 15 J

10-

5-

A T=2

O T=225°C

• T=250°C

X T=275°C

o

X OX D

0.5 1 1.5 2

V (volt)

Şekil 1. CdS filmlerinin I-V karakteristikleri.

Optiksel Özellikler

CdS filmlerinin temel absorpsiyon spektrumlan ve bu absorpsiyon spektrumlanndan faydalanılarakçizilen (ahv)2~hv değişim grafikleri sırasıyla Şekil 3.2.(a) ve (b)'de verilmektedir. Şekil 3.2.(a)'dangörüldüğü gibi tüm filmlerde uzun dalgaboylarında materyal yüksek derecede geçirgen ve kısadalgaboylarında ise kuvvetli bir soğurucu olarak davranış göstermektedir. CdS filmlerinin yasak enerjiaralıklannın belirlenebilmesi için optik metot kullanılmıştır ve filmlerin (ochv) ' nin hv' ye göredeğişim grafiklerinin lineer kısımlarının doğrultusunun hv eksenini (ochv)2=0' da kestiği noktanınenerji değerleri filmlerin yasak enerji aralıkları olarak belirlenmiştir. Farklı taban sıcaklıklarında eldeedilen CdS filmlerinin yasak enerji aralıklarının 2,35-2,44 eV arasında değiştiği ve artan tabansıcaklığına bağlı olarak filmlerin yasak enerji aralıklarında düzgün bir artışın yada azalaşın olmadığıgörülmüştür. CdS filmlerinin direkt bant yapısına mı yoksa indirekt bant yapısına mı sahip olduklarınıbelirlemek için; her bir filmin (ahv)2' nin hv' ye ve (ahv) ı/2> nin hv' ye göre değişim grafikleriçizilmiştir. Bütün filmler için; (ahv)2~hv değişim grafiğinin eğiminin (ochv)ı/2~hv değişim grafiğinineğimine göre daha lineer olduğu ve böylece CdS filmlerinin direkt bant yapısına sahip olduklarıbelirlenmiştir. CdS filmlerinin; ln(oc)' nin hv' ye göre değişim grafikleri çizilmiş ve bu grafiklerineğimlerinden faydalanılarak her bir film için Urbach parametreleri (Eo) hesaplanmıştır. Urbachparametresi enerji birimindedir ve yasak enerji aralığında yer alan bant sarkmalarının genişliği olaraktanımlanır [15]. Filmlerin Urcah parametrelerinin 102-192 meV arasında değiştiği ve artan tabansıcaklığına göre filmlerin Urbach parametrelerinde düzgün bir artışın yada azalaşın olmadığıgörülmüştür. Filmlerin absorpsiyon spektrumlanndan faydalanılarak hesaplanan bazı optikparametreleri Tablo 3.2'de verilmektedir. CdS filmlerinin geçirgenliklerinin, yansıtma katsayılarının,kırılma indislerinin ve dielektrik sabitlerinin taban sıcaklığına bağlı olarak düzgün bir değişimgöstermediği tespit edilmiştir.

278

0.5472

0.3

492 512 532

483 493 503 513 523

1.6EKK

T_, 1.2E408 -

^ 8.0E-HD7 -

•Sw 4.0E-H37 -

0.0E+00

T=200°C

»V Eg=2.42 eV

ooooo

2.3 2.4 2.5 2.6 2.7

"e

1 .UCTUO -

1.2E+08 -

8.0E-K37 -

4.0E-KJ7 -

0.0E-K30 -

T =225°C

E =

/

0

=2.35 eV

2.3 2.4 2.5 2.Ö

1.4E-KJ8 -

'g 1.0E4C8 -

6.0E-H37 -

2.0E-HD7 - * • %

#?•' E =2.39 eV

2.3 2.4 2.5 2.6

1.2E+08

S 8.0E-K]7 -

3

"S 4.0E-+07 -

0.0E4O0

462 482 502

Dalgaboyu(nm)

(a)

Şekil 2. CdS filmlerinin (a) temel absorbans spektrumu, (b) (ahv)2~hv değişim grafiği.

279

Tablo 2. CdS filmlerinin bazı optiksel parametreleri.

TabanSıcaklığı

(°C)

200±5

225±5

250±5

275±5

YasakEnerji

Aralığı Eg

(eV)

2,42

2,35

2,39

2,44

UrbachParametre

si Eo

(meV)

174

192

162

102

Geçirgenlik T(%)

3,3

1,1

2,7

8,4

YansıtmaR(%)

49,4

68,5

58,9

43,1

Kırılmaİndisi (n)

5,73

10,6

7,60

4,82

DielektrikSabiti (E)

32,83

112,4

57,76

23,23

Yapısal Özellikler

Farklı taban sıcaklıklarında elde edilen CdS filmlerinin x-ışını kırınım desenleri Şekil 3.3'deverilmektedir. Filmlerin kırınım desenleri incelendiğinde, farklı şiddet, genişlik ve yönelimlere sahipçok sayıda pikin bulunduğu görülmektedir. Buradan CdS filmlerinin polikristal yapıda olduğu vekırınım deseni üzerindeki tüm piklerin hegzagonal CdS kristal sistemine ait oldukları belirlenmiştir.Her taban sıcaklığı için filmlerin tercihli yönelimlerinin (101) doğrultusunda olduğu belirlenmiştir.Artan taban sıcaklığına bağlı olarak, kırınım deseni üzerindeki pik şiddetlerinin arttığı ve yarı pikgenişliklerinin azaldığı tespit edilmiştir. Buradan CdS filmlerinin kristalleşmesinin taban sıcaklığınınartmasına bağlı olarak düzelmeye başladığını söyleyebiliriz.

CdS filmlerinin tercihli yönelimleri için; örgü sabitleri, yarı pik genişlikleri (B), Scherrer bağıntısıkullanılarak tane büyüklükleri (t) [16,17] ve tercihli yönelimin kalitesini belirlemek amacıylayapılanma katsayıları (TC, texture coefficient) [18,19] gibi bazı yapısal parametreleri hesaplanmıştırve bu parametreler Tablo 3.3'de verilmektedir. CdS filmlerinin hesaplanan örgü sabitlerinin, ASTM(American Society for Testing Materials) kartlarıyla uyum içerisinde oldukları belirlenmiştir. Tablo3.3 incelendiğinde, CdS filmlerinin tane büyüklerinin artan taban sıcaklığına bağlı olarak arttığıbelirlenmiştir. Tane büyüklüğünün artması tane sayısının ve tane sınırlarının azalmasına sebep olur.Tane sınırlan atomların düzgün yerleşmediği yüzeysel kusurlar olduğuna göre, tane sınırlarınınazalması kusurların azaldığını ve kristalleşmenin iyiye gittiğini göstermektedir. Aynı zamandayapılanma katsayısının artan taban sıcaklığına göre artması da kristalleşmenin iyi olduğunugöstermektedir.

CdS filmlerinin karanlıktaki iletkenliklerinin ve x-ışını kırınım desenlerinden yararlanılarak belirlenentane büyüklüklerinin, artan taban sıcaklığına bağlı olarak değişim grafiği Şekil 3.4'de verilmektedir.Şekil 3.4 incelendiğinde, CdS filmlerinin iletkenliklerinin tane büyüklükleri ile orantılı olarak değiştiğigörülmektedir. Polikristal bir yarıiletken çok sayıda taneye ve yük taşıyıcılarının saçılmasında önemlirol oynayan tane sınırlarına sahiptir. Dolayısıyla tane büyüklüğü küçüldükçe tane sınır sayısında veböylece yük taşıyıcıları için saçılma merkezleri sayısında artma olacaktır. Bu saçılma merkezlerimobilitenin ve dolayısıyla iletkenliğin azalmasına sebep olacaktır. Tane büyüklüğünün artması ise,tane sınırlarından kaynaklanan saçılmaları azaltacak ve taşıyıcı ömrünü arttıracaktır. Bu da iletkenliğinartmasına sebep olacaktır [11,13,20].

280

TabanSıcaklığı

(°C)

200±5

225±5

250±5

275±5

Tablo 3. CdS filmlerinin bazı yapısal parametreleri.

Örgü Sabitleri

Hesaplanan

a (A)4.132

4.137

4.132

4.129

c(A)

6.717

6.696

6.713

6.704

ASTM

a (A)4.14

4.14

4.14

4.14

c(Â)

6.719

6.719

6.719

6.719

Yarı PikGenişliğiB (rad)

U8.10"2

9,61.10'3

8,14.10"3

6,02. İO"3

TaneBüyüklüğü

t (A)

126

155

184

248

YapılanmaKatsayısı

TC

2,11

2.57

2.92

3.78

144

20 30 40 5029 (derece)

30 40 50 6029 (derece)

30 40 5029 (derece)

30 40 5029 (derece)

60

Şekil 3. (a) 200°C (b) 225°C (c) 250°C (d) 275°C taban sıcaklıklannda elde edilen CdS filmlerinin x-ışını kırınım desenleri.

281

5.E-05

4.E-05

- 3.E-05 -r

[• 2.E-05

• l.E-05

0.E+00

200 225 250 275

Taban sıcaklığı (°C)

Şekil 4. CdS filmlerinin iletkenliklerinin ve tane büyüklüklerinin, taban sıcaklığına bağlı olarakdeğişim grafiği.

TARTIŞMA VE ÖNERİLER

Bu çalışmada CdS filmleri ultrasonik kimyasal püskürtme tekniği ile farklı taban sıcaklıklarında eldeedilmiştir. Fotovoltaik güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılan CdS filmlerinin elektrik,optik ve yapısal özellikleri üzerine taban sıcaklığının etkisi incelenmiştir. CdS filmlerininkalınlıklarının 4,9-7,3 \xm arasında değiştiği ve taban sıcaklığı arttıkça film kalınlıklarının azaldığıbelirlenmiştir. Tüm filmlerin I-V karakteristiklerinin incelenmesi sonucunda, bu materyallerin ohmikiletim mekanizmasına sahip oldukları görülmüştür. Karanlık şartlarda filmlerin özdirenç değerlerinin2,26.104-8,59.106 £2.cm arasında değiştiği ve taban sıcaklığı arttıkça filmlerin özdirençlerinin azaldığıbelirlenmiştir. Ancak filmlerin özdirenç değerleri güneş pilleri için hala yüksektir. Bunun için filmlerinH2, N2 veya metal atmosferinde tavlanması ile daha düşük özdirençli filmler elde edilebilir. CdSfilmlerinin elektriksel iletkenlik türlerinin sıcak uç tekniği ile n-tipinde oldukları belirlenmiştir.Absorpsiyon spektrumlanndan yararlanılarak çizilen (ochv)2~hv değişim grafiklerinden, tüm filmlerindirekt bant yapılı materyaller oldukları belirlenmiştir. Elde edilen filmlerin yasak enerji aralıklarının2.35-2.44 eV ve Urbach parametrelerinin ise 102-192 meV arasında değiştiği görülmüştür. CdSfilmlerinin artan taban sıcaklığına bağlı olarak, hesaplanan optiksel parametrelerinde düzgün birdeğişimin olmadığı tespit edilmiştir. CdS filmlerinin x-ışını 'kırınım desenlerinin incelenmesisonucunda, elde edilen tüm filmlerin polikristal yapıda oldukları ve kırınım deseni üzerindeki bütünpiklerin hegzagonal CdS kristal sistemine ait oldukları belirlenmiştir. Taban sıcaklığının artmasınabağlı olarak filmlerin tane büyüklüklerinin arttığı ve yüksek taban sıcaklıklarında kristalleşmenindüzelmeye başladığını söyleyebiliriz. Bu sonuçlardan yola çıkarak; 275±5°C taban sıcaklığında eldeedilen CdS filmlerinin diğer filmlere göre düşük özdirence ve yüksek geçirgenliğe sahip olmalarındandolayı fotovoltaik güneş pillerinde pencere materyali olarak kullanılmak için daha uygun olduğubelirlenmiştir. CdS filmlerinin hangi teknik kullanılırsa kullanılsın, özellikle kimyasal püskürtme, çokkolay elde edilebilmesi, Cd ve S kaynaklarının çok kolay temin edilebilmesi ve fotoiletken birmalzeme olması, bu filmlerin heteroeklem güneş pillerinde yaygın olarak kullanılmasına sebep olur.

282

REFERANSLAR

[I] Ruxandra, V. and Antohe, S., "The effect of the electron irradiation on the electrical properties ofthin polycrystalline CDS layers", J. Appl. Phys., 84: 727, 1998.

[2] Su, B. and Choy, K. L., "Electrostatic assisted aerosol jet deposition of CdS, CdSe and ZnS thinfilms", Thin Solid Films, 361-362: 102, 2000.

[3] Chavez, H., Jordan, M., McClure, J. C, Lush, G. and Singh, V. P., "Physical and electricalchracterization of CdS films deposited by vacuum evaporation, solution growth and spraypyrolysis", J. Mater. Sci.: Elec. Mater., 8: 151,1997.

[4] Vigil, O., Zelaya-Angel, O., Rodriguez, Y. and Morales-Acevedo, A., "Electrical characterizationof chemically deposited CdS thin films under magnetic field application", Phys. Stat. Sol. (A), 167,143-150, 1998.

[5] Das, B.N., Sahu, S., "High temperature photoconduvtivity of chemically deposited cadmiumsulphide thin film", Journal of Materials Science Letters, 7,151-152,1988.

[6] Valyomana, A. G., Vijayakumar, K. P. and Purushothaman, C, "Effect of annealing temperatureson the electrical transport properties of spray-pyrolysed CdS films", J. Mater. Sci. Lett., 9: 1025,1990.

[7] Herrero, J., Gutierrez, M.T., Guillen, C, Dona, J.M., Martinez, M.A., Chaparro, A.M. and Bayon,R., "Photovoltaic windows by chemical bath deposition", Thin Solid Films, 361-362, 28-33, 2000.

[8] El Assalı, K., Boustani, M., Khiara, A., Bekkay, T., Outzourhit, A., Ameziane, E. L., Bernede, J.C. and Pouzet, J., "Some structural and optical properties of CdS thin films prepared by RFsputtering", Phys. Stat. Sol. (A), 178: 701, 2000.

[9] Moreno, L. C, Sansino, J. W., Hernandez , N.and Gordillo, G., "pH effect on the deposition ofCdS on ZnO and SnO2: F substrates by CBD method", Phys. Stat. Sol. (B), 220: 289, 2000.

[10] Akintunde, J. A.,"Effects of deposition parameters and conditions on the physical and electro-optical properties of buffer solution grown CdS thin films", Phys. Stat. Sol. (A), 179: 363, 2000.

[II] Abd-Lefdil, S., Messaoudi, C, Abd-Lefdil, M. and Sayah, D, "Temperature growth andannealing effects on CdS thin films prepared by chemical bath deposition process" , Phys. Stat.Sol. (A), 168: 417, 1998.

[12] Vazquez Luna, J. G., Zehe, A. and Zelaya-Angel, O., "Chemical CdS thin film depositioninfluenced by external electric and magnetic fields", Cryst. Res. Technol., 34: 949,1999.

[13] Punnoose, A., Marafi, M., Prabu, G. and El Akkad, F., "CdS thin films prepared by RF magnetronsputtering in Ar atmosphere", Phys. Stat. Sol. (A), 177: 453, 2000.

[14] Afify, H. H., Nasser, S. A.and Demian, S. E., "Influence of substrate temperature on thestructural, optical and electrical properties of ZnO thin films prepared by spray pyrolysis", J.Mater. Sci: Elec. Mater., 2: 152,1991.

283

Fanlcovc, J.I.. "ODtical Drocess in semiconductors", Solid State Fhysical Electronics Series,Prentice-Hall, N.J., 422 p, 1971.

[16] Cullity, B.D., "X-ışmlannm difraksiyonu", (Çev. A. Sümer), İstanbul Teknik ÜniversitesiYayınları, İstanbul, 546 s, 1966.

[17] Muit, E.M., and Guldner, W.G., "Physical measurement and analysis of thin films", PlenumPress, New York, 194 p, 1969.

[18] Schuler, T. and Aegerter, M.A., "Optical, electrical and structural properties of sol-gel ZnO:Alcoatings", Thin Solid Films, 351,125-131,1999.

[19] Bandyopadhyay, S., Paul, G.K., Roy, R., Sen, S.K. and Sen, S., "Study of structural and electricalproperties of grain- boundary modified ZnO films prepared by sol-gel technique", MaterialsChemistry and Physics, 74, 83-91, 2002.

[20] Igasaki, Y., and Kanma, H., "Argon gas pressure dependence on the properties of transparentconducting ZnO:Al films deposited on glass substrates, Applied Surface Science", 169-170, 508-511,2001.

284

TMMOB Makine Mühendisleri OdasıGüneş Enerjisi Sistemleri Sempozyumu ve Sergisi

20-21 Haziran 2003

FARKLI ÖLÇÜLENDİRME YAKLAŞIMLARI KULLANARAK BAĞIMSIZFOTOVOLTAİK ENERJİ SİSTEM TASARIMI: PERFORMANS-MALİYET

OPTİMİZASYONU

Orhan GÖRMEZ*, Ali Naci ÇELİK**

Mustafa Kemal Üniversitesi, Mühendislik-Mimarlık Fakültesi, Makine Müh. Bl. Tayfur Sökmen kampusu,Antakya/HATAY, Tel: 0532-2277353, Fax: 0326-2455499

(*) Yüksek Lisans Öğrencisi, E-Mail:orfagormez@hotmail.com(**) Yrd. Doç. Dr., E-Mail: ancelik@mku.edu.tr

ÖZET

Çalışmalar dünyadaki petrol rezervlerinin yaklaşık olarak 43 yıl, doğal gazın 65 yıl, uranyumun ise 43 yılyetecek kadar kaldığını göstermektedir. Kömür rezervleri 228 yıl yetebilecek, ancak onunda çevreyeolumsuz etkileri nedeniyle kullanımının sınırlı miktarda kalması istenmektedir. Tüm bunlara ilave olarakçağdaş uygarlık seviyesini yakalama ve geçme hedefi olan ülkemizin, ekonomik ve teknolojik gelişimineparalel olarak enerji ihtiyacının hızla artacağı düşünüldüğünde, fotovoltaik enerji sistemlerinin öneminindaha fazla ortaya çıkacağı görülmektedir. Türkiye'nin toplam kurulu fotovoltaik gücü 2000 yılı içinde 241kW kadardır. Önümüzdeki yıllarda giderek artan nüfus ve %6'nın üzerinde olacağı tahmin edilenekonomik büyümeye bağlı olarak enerji talebimiz de hızla artacaktır. Ülkemizdeki fotovoltaik enerjisistemi uygulamalarını geliştirmek ve böylece yenilenebilir enerji potansiyelimizin artırılmasına katkısağlamak amacı ile bu çalışmanın kapsamı fotovoltaik sistem tasarımı olacaktır. Bu bildiride, farklıölçülendirme yaklaşımları kullanarak bağımsız fotovoltaik enerji sistem tasarımı, performans-maliyetoptimizasyonu bağlamında ele alınmaktadır. Böylece fotovoltaik enerji sistemlerinin performans-maliyetilişkisi Türkiye şartlarında araştırılmaktadır. Bu amaca uygun olarak Türkiye Meteoroloji Enstitüsündentemin edilen Ankara'ya ait bir yıllık saatlik güneş ışınımı verileri kullanılmaktadır.

GİRİŞ

Temiz ve sürdürülebilir enerji sistemlerinin önem kazandığı günümüzde güneş enerjisi, rüzgar enerjisi,biyokütle enerjisi, jeotermal enerji ve hidrolik enerji gibi yenilenebilir kaynakların katkısına büyük önemverilmektedir. Bu bildiride güneş enerjisi kullanımının ülkemizde ve dünyadaki mevcut durumu, kullanımalanı, teknolojik düzeyi ve ekonomisi fotovoltaik özelinde incelenmektedir. Ankara iline ait güneş ışınımıverileri doğrultusunda örnek bir konutta fotovoltaik bir sistem tasarlanarak mevcut ulusal enerji şebekesiile kıyaslama yapılmıştır.

Enerji, toplumların kalkınmasının başlıca unsurlarından birisi olmuş, yirminci yüzyıl içinde yaşamdüzeyinin sürekli yükselmesiyle birlikte de kişi başına enerji tüketimi artmıştır. Günümüzde güvenilir,ucuz ve temiz enerji temini bütün ülkelerin enerji politikalarının vazgeçilmez esasları arasında yer

285

almaktadır. Önümüzde ki yıllarda da, dünya enerji talebini arttıran sebeplerin yanı sıra, enerji teminindegüçlük çıkaracak çevresel etkenlerde enerji konusunda önemli bir etken olacaktır. Enerji talebini arttırannedenlerin başında dünya nüfusundaki artış görülmektedir. Dünya nüfusu 1970 yılında 4 milyar iken, 2025yılında 8.5 milyara ulaşacağı değerlendirilmektedir. Nüfus artışı ve giderek yükselen yaşam düzeyiningetirdiği kişi başına enerji tüketim artışı, önümüzdeki yıllarda dünya enerji tüketiminin artacağına işaretetmektedir. Buna karşılık dünya enerji rezervleri sınırlı miktardadır. Bir görüşe göre petrol rezervleriyaklaşık olarak 43 yıl, doğal gaz 65 yıl, uranyum ise 43 yıl yetecek kadar kalmıştır. Kömür rezervleri 228yıl yetebilecek, ancak onunda çevreye olumsuz etkileri nedeniyle kullanımının sınırlı miktarda kalmasıistenmektedir. Dünyanın enerji problemlerinden bir diğeri de enerji kullanılması ile meydana gelen çevrekirliliğidir. Fosil kökenli enerjilerin tüketilmesi sonucunda atmosfere verilen kirleticiler küresel boyuttakirlenmeye yol açmaktadır.

Türkiye açısından duruma bakılacak olursa, 1980 yılında 44 milyon civarında olan nüfusumuz 1995yılında 62 milyonun üzerine çıkmıştır.Aynı dönemde enerji tüketimimiz 32 milyon tep'ten (ton eşdeğerpetrol) 63 milyon tep'e ulaşmıştır ki nüfus artışındaki %40.7'lik orana karşılık, enerji tüketimi artışı %97.7olmuştur.Buna rağmen kişi başına enerji tüketimi açısından Türkiye dünya ortalamasının oldukçaaltındadır (1993 yılında dünya ortalaması 1396 tep/kişi'dir). Türkiye hızla sanayileşmesini tamamlamak vekişi başına enerji tüketimini artırarak insanlarına daha iyi yaşam şartları sunmak durumundadır.

1997 yılında 71 mtep (milyon ton eşdeğer petrol) olan enerji tüketimimizin sadece 27,5 mtep'i (%38.8)yerli kaynaklardan karşılanmıştır. Bu %38,8'lik yerli üretim enerjinin 18,1 mtep'ini (%65,8) fosil kökenliyakıtlar (taş kömürü, linyit, asfaltit, doğalgaz, petrol) karşılarken, 9,4 mtep'ini (%34.2) yenilenebilirkaynaklar karşılamaktadır. Yenilenebilir kaynaklar içinde en önemli pay hidrolik enerjiye ve biyokütle yeaittir. 1997 yılındaki toplam 27,5 mtep olan bu enerji üretimimiz içerisinde, hidrolik enerji 3.5 mtep ileüretimin %12.7'sini oluştururken, biyokütle (odun, hayvan, bitki atıkları) enerji 5.5 mtep ile %20 oranındabir yer tutmaktadır. Bunun yanında jeotermal enerji 179 bin tep ve güneş enerjisi de 80 bin tep ile enerjiüretimimize katkıda bulunmuştur.

Önümüzde ki yıllarda giderek artan nüfus ve %6'nın üzerinde olacağı tahmin edilen ekonomik büyümeyebağlı olarak enerji talebimiz de hızla artacaktır. Yapılan tahminlere göre 2000 yılında 91 mtep olacak olanenerji talebi, 2005 yılında 124 mtep'e ve 2010 yılında 175 mtep'e ulaşacaktır. Arz ve talep projeksiyonlarıyerli üretim payının yavaş yavaş azalacağını, ithal enerji payının artan bir trend izleyeceğini ortayakoymaktadır. Şu anda %38,8 olan yerli üretim payının 2010 yılında %30 olacağı tahmin edilmektedir. Bunedenle gelecekte ki enerji, talebinin karşılanmasında güneş, rüzgar ve jeotermal enerji gibi yenilenebilirenerji kaynaklarının payının arttırılması kaçınılmaz olacaktır.

LİTERATÜR TARAMA

Özellikle gelişmekte olan toplumlara katkısının çok büyük olacağı düşünülen fotovoltaik modüllerin [1],dünyada 1994 yılında 500 MW olarak verilen kümülatif satış miktarı, 1998 yılı içinde 800 MW ve 2000yılı itibari ile de 1000 MW mertebesine ulaşmıştır [2]. Fotovoltaik modül üretimi son 10 yıldan bu yana%15 den fazla artış hızıyla büyümektedir. Tesis edilen sistemler büyük ölçüde fotovoltaik sistemlerinklasik kullanım alanı olan elektrik şebekesinin ulaşamadığı yerlerde küçük güçte enerji talebini karşılamayada kırsal temel elektrik talebini karşılayan sistemler şeklinde olmuş, [3-4], son yıllarda merkezi yada

286

dağınık olarak şebekeye bağlı sistemlerin oranı hızla artmıştır [5]. Kurulu fotovoltaik gücü en fazla olan 4ülke; Almanya, Japonya, İtalya ve ABD'dir ve aynı zamanda en fazla fotovoltaik modül üreten ülkelerdir.Bu kapsamda dünya fotovoltaik modül üretiminin %90ını ABD, Japonya ve Avrupa ülkelerigerçekleştirmektedir. Kalan %10 luk bölüm, az bir üretim kapasitesiyle üretim yapan Brezilya, Çin,Hindistan,Cezayir, Tunus, Singapur gibi ülkelere aittir. Avrupa topluluğu 2010 yılında fotovoltaik kurulugücünü 3000 MW a çıkartmayı hedeflemektedir. Japonya'da 2001 yılında 400 MW kapasiteye ulaşmayıhedeflemiştir.

Ülkemizde sınırlı bir kullanım bulunmaktadır. Türkiye'nin toplam kurulu fotovoltaik gücü 2000 yılı içinde241 kW kadardır. Bu miktarın; 75 kW. kadarı Türk Telekom'a ait haberleşme istasyonlarında, 151 kWkadarı Orman Genel Müdürlüğüne ait orman gözetleme kulelerinde, 3.5 kW kadarı Denizcilik İşletmeleriGenel Müdürlüğünün deniz fenerlerinde kullanılmaktadır. Bunun dışında EİE ve TÜBiTAK'ın tesis ettiğiaraştırma-geliştirme amaçlı sistemlerde de 12 kW civarında fotovoltaik kurulu gücü bulunmaktadır.

Fotovoltaik sistemlerin ölçülendirilmesi ve değişik şartlar altında çeşitli parametrelere bağlı olarakperformansının tespiti yönünde çok sayıda çalışmalar yapılmıştır [6,8]. Fotovoltaik sistemlerdekullanılacak yükün dağılımının sistem tasarımı üzerindeki etkisi Khouzam [9] tarafından araştırılmıştır.Fotovoltaik modüllerin farklı enerji kaynakları ile hibrit kullanımı yönünde de çalışmalar yürütülmüştür[10-11].

TÜRKİYEDE GÜNEŞ ENERJİSİ POTANSİYELİ

Ülkemiz coğrafi konumu nedeni ile sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından bir çok ülkeye göreşanslı durumdadır. Güneş enerjisi kullanımında yakıt anlamında kaynak sorunu yoktur.

Tablo-1 Türkiye'nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli

Aylar

OcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylülEkimKasımAralıkToplamOrtalama (günlük)

Toplam güneş(kcal/cm )4.455.448.3110.5113.2314.5115.0813.6210.607.735.234.03112.740.308

ışınımı(kWh/m2)51.7563.2796.65123.23153.86168.75175.38158.40123.2889.9060.8246.8713113.6

Güneşlenmesüresi (h)103.0115.0165.0197.0273.0325.0365.0343.0280.0214.0157.0103.026407.2

287

Türkiye'ye bir yılda gelen güneş enerjisi ülkede 1997 yılında üretilen toplam elektrik enerjisinin yaklaşık10.000 katıdır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan 1966-1982yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılançalışmaya göre, Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat),ortalama yıllık toplam ışınım şiddeti 1311 kWh/m2 (ortalama günlük toplam 3,6 kWh/m2) olduğu tespitedilmiştir. Aylara göre Türkiye güneş enerji potansiyeli ve güneşlenme süresi değerleri ise Tablo-1'deverilmiştir. Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güneydoğu Anadolu Bölgesi olup, bunuAkdeniz Bölgesi izlemektedir. Güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi değerlerinin bölgelere göredağılımı da Tablo-2'de verilmiştir.

TabIo-2 Türkiye'nin yıllık toplam güneş enerjisi potansiyelinin bölgelere göre dağılımı

Bölge

G.doğu AnadoluAkdenizDoğu Anadoluiç AnadoluEgeMarmaraKaradeniz

Toplam güneş ışınımı(kWh/m2-yıl)1460139013651314130411681120

Güneşlenme süresi(h/yıl)2993295626642628273824091971

Ancak bu değerlerin, Türkiye'nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan çalışmalarlaanlaşılmıştır. Bu durumun nedenleri arasında, öncelikle DMİ'nin güneş enerjisi ölçümlerini, enerji amaçlıdeğil, tarımsal klimatoloji amaçlı ölçmüş olması, kullanılan cihazların hassasiyetinin düşük olması vezamanla istasyonların şehir içinde kalması yer almaktadır.1992 yılından bu yana EİE ve DMİ, güneş enerjisi değerlerinin daha sağlıklı olarak ölçülmesi için enerjiamaçlı güneş enerjisi ölçümleri almaktadırlar. Bu kapsamda toplam 10 istasyon ile yurdun çeşitliyerlerinde (Ankara, İzmir, Adana, Aydın, İsparta, Kayseri, Samsun, Konya, Şanlıurfa) halen ölçümalınmaktadır. Alınan ölçümlerin, eski ölçümlerle karşılaştırılması amacı ile yeni ve eski ölçümlerin farkıalınıp, eski ölçümlere oranlanarak arada ki farklar bulunursa Tablo-3'teki değerler ortaya çıkmaktadır.Buna göre, yeni istasyonlarla alınan ölçümler, eski değerlerden ortalama %25 daha yüksek çıkmaktadır.Devam etmekte olan ölçüm çalışmalarının sonucunda, Türkiye güneş enerjisi potansiyelinin eski ölçümdeğerlerlerinden %20-25 kadar daha fazla çıkması beklenmektedir.

ANKARA İÇİN FOTOVOLTAİK-EV SİSTEM TASRIMI

Bu bölümde, enerji ihtiyacının fotovoltaik modüllerden karşılandığı varsayılan bir fotovoltaik-ev tasarımıyapılacaktır. Fotovoltaik-ev tasarımı, Ankara ilinde yatay bir düzlemde ölçülmüş olan saatlik verilerdenderlenen ve Tablo 4 te özetlenen tüm güneş ışınım değerleri baz alınarak yapılacaktır.

Yükün belirlenmesiTasarlanan örnek fotovoltaik evde karşılanması istenen yük, Tablo 5 teki veriler doğrultusunda aylıkortalama 287 kWh olarak tespit edilmiştir.

288

Tablo 3. Bazı istasyonlarda hesaplanan ölçüm farkları (%)

Aylar Antalya Adana Ankara İzmir Konya Samsun İsparta Muğla Ş. Urfa

OcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylülEkim

263426352231

31

282011

154249452927

29

293133

32126162527

31

382920

172338352933

31

253111

141824313635

32

333432

152127112327

20

382822

332718293739

18

303239

333447384040

34

313736

-20112212023

19

181814

Kasım 9 17 30 16 11 17 26 33 -6AralıkOrtalama

2024.4

1930.4

-721.6

1024.9

525.4

-1119.8

027.3

2435.6

610

Tablo 4. Ankara ilinde ölçülmüş aylık toplam güneş ışınımı değerleri

A , r... Güneş ışınımıAylar Gun sayısı 2

OcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylülEkimKasımAralık

312831303130313130313031

68.3872.01134.96103.27137.24160.36153.57167.82151.49112.6672.2750.07

Aylık ortalama 115.34

En kötü ay 50.07

289

Tek bir modülün ürettiği net enerji

Fotovoltaik modülün ürettiği net enerji yaklaşık bir hesapla;

EPV=rlpvilAG (1)

ile verilebilir. Bu formülde îjp fotovoltaik modül verimi, rjd diğer güç çevrim ve elektronik cihazların

toplam verimi, A modül alanı ve G de birim alana gelen güneş ışınım enerjisidir. Bu çalışmada,uygulamada kullanılacağı varsayılan OST-64 modüllere ait teknik özellikler şunlardır.

Tepe gücü :64 WAlan : 1. 03 m2 (ölçüleri UxGxY 137x75x3 cm)Verim (max. nokta, Tjmp) :0,10

Ağırlığı :9,17kg.Çalışma sıcaklığı :-40°C ile +90°CVoltaj (max. nokta, Vmp) : 16,5 VAkım (max. nokta, Imp) :3,88 AFiyatı ($) :445

n, :0.10„, :0.80

Gerekli modül sayısı hesabıGerekli parametrelerin Denklem (1) de kullanılması ile tespit edilen modül başına enerji üretimi ile toplamyük göz önüne alınarak bulunan aylık modül sayıları Tablo 6 da verilmiştir.

Aylık modül sayıları en çok güneş enerjisinin kazanıldığı Ağustos ayında 21 adet, en az güneş enerjisininolduğu Aralık ayında 70 olarak tespit edilmiştir. Aylık ortalama modül sayısı ise 31 olarak tespit edilir.Fotovoltaik ev tasarımı 'aylık ortalama' ve 'en kötü ay'daki modül sayılan dikkate alınmak sureti ile 2farklı ölçülendirme yaklaşımı kullanarak yapılacak ve sonuçlar karşılaştırılacaktır. Aylık ortalama ve enkotu aydaki modül sayıları dikkate alınarak hesaplanan üretilen aylık toplam enerji miktarları Tablo 7 deverilmiştir. Ancak aylık ortalamaya göre hesap yapılırken 31 yerine Ekim ayında da yeterli enerjisağlanması için 32 modül alınmıştır. Tasarımda kullanılan fotovoltaik modüllerin her birinin 64 Wgücünde olduğu göz önüne alınırsa, her bir ölçülendirme yaklaşımına karşılık gelen, sistemin tepe gücüsırası ile 2048 ve 4480 Wp olacaktır. Akü kapasitesi yıllık ortalama günlük enerji üretiminin 2 katı olacakşekilde seçilerek hesaplanan akü sayıları Tablo 8 de verilmiştir.

290

Tablo 5. Örnek fotovoltaik ev tasanmında dikkate alınacak yük miktannın tespiti

Sıra

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

Evde kullanılan cihazlann

Cinsi

Bulaşık makinesi

Çamaşır makinesi

Süpürge

Fırın

Ütü

Televizyon

Müzik seti

Bilgisayar

Uydu alıcısı

Buzdolabı

Split klima

Lamba (3 adet)

Markası

Arçelik-6060

Arçelik 5800

Arçelik-6380

Arçelik-9421

Arçelik

Arçelik-2251

Arçelik-5640

Arçelik

Arçelik

Arçelik-8250

Arçelik-4710)

40 W

Model evde kullanılan elektrikli cihazların

Harcadığı güç

(kW)

1.800

1.800

1.200

2.900

1.200

0.065

0.075

0.065

0.036

1.462

1.950

0.120

sarf ettiği aylık

Günlük çalışma süresi(dk)

Gündüz

120

180

60

60

60

120

120

120

360

300

60

-

ortalama

Gece

-

-

-

-

-

360

-

120

360

300

90

240

elektrik ı

Toplam

120

180

60

60

60

480

120

240

720

600

150

240

enerjisi

Tekrar

4

6

10

4

6

25

8

20

25

31

25

25

Aylık Toplamçalışma süresi(h)

8.0

18.0

10.0

4.0

6.0

200.0

16.0

80.0

300.0

310.0

62.5

100.0

Aylık sarfiyat

(kWh)

14.4

32.4

12.0

11.6

7.2

13.0

1.2

5.2

10.8

45.3

121.9

12.0

287

ON

Not: Model evde ikamet edenlerin çeşitli nedenlerle yılda ortalama 60 gün, aylık ortalama 5 gün evde olmadıklan varsayılmıştır.

Tablo 6. Her ay için gerekli modül sayısı

AylarGüneş ışınımı(kWh/m2)

Modül başınaenerji üretimi(kWh)

Toplam yük(kWh)

Gerekensayısı(adet)

modül

OcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylülEkimKasımAralık

68.3872.01134.96103.27137.24160.36153.57167.82151.49112.6672.2750.07

5.65.911.18.511.313.212.613.812.49.25.94.1

287287287287287287287287287287287287

51.2548.6425.8533.7625.3921.7422.7720.7923.1431.1948.6470

524926342622232124324970

Aylıkortalama

115.34 9.5 287 30.21 31

En kötü ay 50.07 4.1 287 70 70

Tablo 7. Aylık ortalama ve en kötü aya göre aylık ve yıllık toplam enerji üretimi

AylarGüneş ışınımı(kWh/m2)

. , , . . , , Toplam enerji üretimiModül başına *enerji üretimi . ,, :

A y l ı k o r t a l a m a y a

göreEn kötü aya göre

OcakŞubatMartNisanMayısHaziranTemmuzAğustosEylülEkimKasımAralık

68.3872.01134.96103.27137.24160.36153.57167.82151.49112.6672.2750.07

AylıkortalamaYıllıktoplam

115.34

1384.1

5.65.911.18.511.313.212.613.812.49.25.94.1

9.5

113.60

179.2188.8355.2272.0361.6422.4403.2441.6396.8294.4188.8131.2

304

3635.2

392413777595791924882966868644413287

665

7952

292

Tablo 8. Akü kapasitesinin hesaplanması

Yıllık toplam üretim (kWh)

Ortalama günlük üretim

(kWh)Akü kapasitesi (kWh/gün)

Akü gerilimi (V)

Akü kapasitesi (Ah/gün)100 Ah 12 V luk kuru tipakü (adet)

Aylık ortalamayagöre

3444

9.45

18.90

12

1572.6

1 fi10

En kötü aya göre

7952

21.78

43.58

12

3631.05

•37J i

MALİYET ANALİZİ

Tasarlanan fotovoltaik-ev'e ait maliyet analizi aylık ortalama üretime göre Tablo 9 da, en kötü aya göreise Tablo 10 da verilmektedir. Fotovoltaik modüllere 25 yıllık garanti verildiğinden sistemin maliyetanalizi 25 yıl üzerinden yapılmıştır. Aylık ortalamaya göre tasarlanan sistemde üretilen elektriğin birimmaliyeti 28.1 Cent/kWh tır. Bu şebekeden alınan elektriğin birim fiyatı olan 8.5 Cent/kWh ilekarşılaştırıldığında, sistemde üretilen elektriğin maliyetinin, şebekeden alınan elektriğin fiyatının 3.31 katıolduğu görülmektedir. Bu oran en kötü aya göre tasarlanan bir sistemde 6.9 olarak gerçekleşmektedir.

Tablo 9. Aylık ortalama üretime göre maliyet analizi

Birim güç (W)

Birim çalışma voltajı (V)

Birim çalışma akımı (A)

Sistemde kullanılmamiktarı

Birim fiyat ($)

Toplam fiyat ($)

Ost-64fotovoltaikmodül

64

16.5

3.88

32

445

14240

Regüleli şarjcihazı (asc)

144

12

12

17

102

3774

İnvertörDC/AC çevirici

1500

10-16

150-93

5

940

4700

Akü

1200

12

100

17

287

10619

Sistemin toplam maliyeti ($)

Sistemde üretilen elektriğin birim maliyeti

Şebekeden alınan elektriğin birim maliyeti

Sistemde üretilen elektriğin malivetiŞebekeden alınan elektriğin maliyeti

=33333

=28.1Cent/kWh

=8.5 Cent/kWh

-3.31

293

SONUÇ

Model fotovoltai-evde yapılan çalışma sonucunda yatırım maliyetini arttıran en önemli etkenin göreceliolarak yüksek fotovoltaik modül fiyatları olduğu görülmüştür. Bu nedenle güneşlenmenin en uzun süre vegüneş ışınlarının daha dik geldiği yaz aylarında üretilen ihtiyaç fazlası elektriğin aküler vasıtası iledepolanarak güneşlenmenin nispeten daha az olduğu ve güneş ışınlarının daha yatay olduğu kış aylarındaihtiyacın eksik kalan kısmını karşılamak üzere kullanıldığında yatırım maliyetinin daha düşük olacağıancak işletme ve depolama maliyetinin artacağı görülmüştür. Konvansiyonel üretim teknikleri ile üretilenve ulusal şebekeden alınan elektriğin fotovoltaik modüller ile üretilen elektriğe nazaran 3-7 kat daha ucuzolduğu sonucuna varılmıştır. Bu da fotovoltaik teknolojilerin şehir şartlarında henüz konvansiyonelkaynaklarla rekabet edebilecek durumda olmadığını göstermektedir. Ancak, Türkiye enerjide dışa bağımlıbir ülkedir ve enerji bağımlılığını azaltacak her türlü yerli kaynaklarını değerlendirmek durumundadır."Güneş Enerjisi" de bu enerji kaynaklarından biridir ve güneş enerjisi açısından zengin sayılabilecek birülkedir. Fotovoltaik teknoloji henüz konvansiyonel kaynaklarla şehir içi şartlarında rekabet edebilecekdurumda olmamasına rağmen uzun vadede ekonomik olabilecek gibi görünmektedir

Tablo 10. En kötü aya göre maliyet analizi

Bîrim güç (W)

Birim çalışma voltajı (V)

Birim çalışma akımı (A)

Sistemde kullanılma miktarı

Birim fiyat (S)

Toplam fiyat ($)

Sistemin toplam maliyeti ($

Sistemde üretilen elektriğin

Şebekeden alınan elektriğin

Sistemde üretilen elektriğinŞebekeden alınan elektriğin

Ost-64fotovoltaikmodül

64

16,5

3,87

ı 70

445

31150

)

birim maliyeti

birim maliyeti

malivetimaliyeti

Regüleli şarj cihazı(asc)

144

12

12

37

102

3774

İnvertörDC/AC çevirici

1500

10-16

150-93

5

940

4700

1200

12

100

37

287

10619

=50243

=58.4 Cent/kWh

=8.5 Cent/kWh

=6.9

Referanslar

[1] Reinhard H. The value of photovoltaic electricity for society, Solar Energy 1995;54(1):25-31.[2] Patel MR. Plant economy, Wind and Solar Power Systems, l s t Edn, CRC Press, New York,

1999;283-288.[3] Gabler H. Autonomous power supply with photovoltaics: photovoltaics for rural electrification-

reality and vision, Renewable Energy 1998;15:512-518.

294

[4] Vallve X, Serrasolses J. Stand-alone PV electrification in la Garrotxa (Catalonia, Spain): A 50 kWpprogramme promoted by the users, 12th European PV solar energy Conference, Amsterdam, TheNetherlands, 11-15 April 1994; 465-468.

[5] Tsujino N, Ishida T, Takeoka A. Residential photovoltaic power generating system connected toutility üne, Solar Materials and Solar Cells 1994;35:497-502.

[6] Klein SA, Beckman WA. Loss-of-load probabilities for stand-alone photovoltaic systems, SolarEnergy 1987;39(6):499-511.

[7] Gordon JM. Optimal sizing of stand-alone photovoltaic solar power systems, Solar Cells1987;20:295-313.

[8] Chapman RN. Development of sizing nomograms for stand-alone photovoltaic/storage systems,Solar Energy 1989;43(2):71-76.

[9] Khouzam K, Y. The load matching approach to sizing photovoltaic systems with short-term energystorage, Solar Energy 1994;53(5):403-409.

[10] Beyer HG, Langer C. A method for the identifıcation of confıgurations of PVAVind hybrid systemsfor the reliable supply of small loads, Solar Energy 1996;57(5):381-391.

[11] Çelik AN, Marshall RH. Yearly system performance of photovoltaic, wind and hybrid energysystems and an approach for estimating the performances, Proceedings of North Sun'97, Finland,1997; Volume 1:190-198.

295

Teknoloji,

Güvenlik,

Konfor,

Cazibe,

Güç...

Bir otomobilden beklediklerinizin tümüve daha fazlasıYeni Opel Vectra'da

Yeni Opel Vectra'lar Gedizler Plaza'da

Gedizler Otomotiv Tic. ve San. A.Ş.GMK Bulvarı No: 534 Mezitli / MERSİN

Tel : (0324) 359 90 00

Faks .(0324)359 90 10-11

OPEL, Taze fikirler üstün otomobiller

IAI3I

FUAR MERKEZİ: 2. ORGANİZE SAN, BOL, TİCARET ODASI VAKFI FUAR MERKEZİ

02-05 EKİM 2003ZİYARET SAATLERİ

11:00-20:00

Yiyin. *k v. • PturaMı TınıttnHlm» «wl I »n v» Tlo Ltd. f t l .

PERPA Ticaret Merkezi A Blok Kat:il NO:1407 Okmeydanı/İSTANBULTel: (O 212) 22115 30 pbx Fax: (O 212) 222 48 06http: www.9mofflm.com ••mili: amo@emomm.comKonyi İrtibat: O 532 252 50 48 • O 542 217 59 58 D I * 9 I S I

T.C Si ıNAYİ VE TİCARET BAKANLIĞI İÇ TİCARt T ~ENEL MÜDÜRLÜĞÜNÜN İZNİ İLE DÜZENLENMEKTE JİR.

elektrik - asansör

,:y iyi -fes t»* w» s t- B I «.i 2*••* < r ı . >, ; <•- «!- • ;:-,

ELEKTROYAPI HlPERMflRKiT

TAAHHU.

KLİMA

ELEKTRİK

JENERATÖR! TESİSAT

KOMPLE FABRİKA TESİSİ

9001

WebE-MailAdres

TelFax

: vvvvvv.t:: iiioc^c: GMK F

MendeMezitli

: I O 3 ; ' 4 I

:ıO3?4>

ek ol.conı:ek H.co'i!üjlvnrır(>s Mah N

MERSİN359 /3 31359 73 3? m