Etiket: güneş paneli

Güneş Panelleri Nasıl Çalışır?

Enerji Kaynağımız Güneş

Güneş panelleri nasıl çalışır sorusuna cevap vermeden önce enerji kaynağımız Güneş ile ilgili bilgiler vermek gerekir. Güneş, muazzam miktarda enerji üreten bir yıldızdır. Güneş, her saniyede yaklaşık olarak 380 milyar milyar megawatt (MW) enerji üretir. Bu, insanlığın şu ana kadar tanıdığı en büyük enerji kaynağıdır. Dünya’nın yıllık enerji ihtiyacı ise sürekli artmakta olup, 2022 verilerine göre yaklaşık olarak 170.000 terawatt-saat (TWh) civarındadır. Bu enerji, elektrik, ısıtma, taşımacılık ve endüstri gibi çeşitli alanlarda kullanılır.

Güneş enerjisi potansiyeli ise oldukça yüksektir. Dünya’nın yalnızca %1’i, güneş enerjisi teknolojileriyle elde edilebilecek enerjinin yıllık toplamından daha fazlasını sağlayabilir. Dolayısıyla güneş enerjisi, dünyanın ihtiyacını karşılayabilecek potansiyele sahiptir. Ancak bu potansiyelin tam olarak değerlendirilmesi, teknolojik gelişmeler, altyapı yatırımları ve politika düzenlemeleri gibi faktörlere bağlıdır. Bugünün teknolojileri ve mevcut güneş enerjisi tesisleri, dünyanın enerji ihtiyacının sadece küçük bir kısmını karşılamaktadır. Ancak gelecekteki gelişmelerle birlikte güneş enerjisi, daha büyük bir paya sahip olabilir ve fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltabilir.

Güneş Paneli Nedir, Yapısı Nasıldır?

Güneş panelleri birçok isimle adlandırılır. Bunlardan başlıcaları fotovoltaik panel, fotovoltaik pil, solar panel gelir. Güneş panelleri, güneş ışığını elektriğe dönüştürmek için kullanılan teknolojik cihazlardır. Yüzeyleri kare, dikdörtgen veya daire biçiminde olup, 100 cm2 alanda ve kalınlıkları yaklaşık 0,2 veya 0,4 mm civarındadır. Panelin yapısına ve tipine göre güneşten gelen enerjinin %5 ile %20 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevirebilmektedir. Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç W’tan MW’lara kadar sistem oluşturulur.

Güneş panelleri nasıl çalışır sorusuna cevap vermeden önce fotovoltaik hücrenin yapısını bilmek gerekir. Fotovoltaik (PV) hücre adı verilen yarı iletken malzemelerden yapılmıştır. Fotovoltaik hücreler, güneş ışığını doğrudan elektriğe dönüştüren temel birimlerdir. Güneş paneli yapımında en çok Silisyum (1.1eV), Galyum Arsenit (GaAs – 1.43eV), Kadmiyum Tellür (CdTe) gibi yarı iletken malzemeler kullanılır. Bu malzemeler, güneş ışığını emerek içlerindeki elektronları serbest bırakır. Fotovoltaik hücresinin (güneş panelinin) iç yapısı, iki katmanlı bir yapıya sahiptir: N-tipi (negatif) ve P-tipi (pozitif) olarak adlandırılan katmanlar. Bu iki katman arasında bir PN birleşim oluşur. Güneş ışığı bu PN birleşimine düştüğünde, fotonlar enerji verir ve elektronları serbest bırakır. Bu serbest bırakılan elektronlar, elektrik akımı oluşturmak için bir devre üzerinden hareket ederler.

Silisyum, en yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılır. N tipi silisyum elde etmek için, silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element eklenir; örneğin, fosfor. Silisyum’un dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde ise 5 elektron bulunur. Bu nedenle, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. 5. grup elementlerine “verici” ya da “N tipi” katkı maddesi denir. P tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (örneğin alüminyum, indiyum, bor) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron bulunduğundan, kristalde bir elektron eksikliği oluşur. Bu elektron yokluğuna “hol” ya da “boşluk” denir ve pozitif bir yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere “P tipi” veya “alıcı” katkı maddeleri denir. P ya da N tipi ana malzemenin içerisine gerekli katkı maddeleri eklenerek yarı-iletken eklemler oluşturulur. PN eklemi oluştuğunda, N tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar, P tipine doğru akım oluşturur. Bu olay, her iki tarafta da yük dengesi oluşana kadar devam eder. Yarı-iletken eklemin güneş pili olarak çalışması için, eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşüm sağlanmalıdır. Dönüşüm sağlanırken eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hole çiftleri oluşturulur; sonrasında ise bu çiftler, bölgedeki elektrik alan yardımıyla birbirlerinden ayrılır. Ayrılan elektron-hole çiftleri, güneş pilinin uçlarında bir güç çıkışı oluşturur.

Fotovoltaik hücrelerinden oluşan güneş panelleri, bu hücreleri bir araya getirerek bir modül oluşturur. Modüller, genellikle bir alüminyum çerçeve içine monte edilir ve birçok farklı boyutta ve güçte bulunabilirler. Paneller, güneş ışığını en verimli şekilde toplamak için genellikle güneşe en çok maruz kalan bir konuma monte edilirler. Bir güneş panelinin katmanlarında üst koruma camı, anti-reflektif kaplama, P ve N birleşiminin bulunduğu silisyum fotovoltaik hücre, üst ve alt kontaklar, çerçeveler bulunmaktadır.

Güneş Panelleri Nasıl Çalışır?

Güneşten elektrik üretimi süreci, güneş panellerinin güneş ışığını elektriğe dönüştürme sürecini içerir. Güneş panelleri nasıl çalışır sorusunun cevabı genellikle şu adımlardan oluşur:

Güneş Işığı veya Foton Emilimi: Güneş panelleri, güneş ışığını emmek için tasarlanmış özel bir yüzeye sahiptir. Bu yüzey, güneş ışığını en verimli şekilde absorbe etmek için genellikle koyu renkli ve yansıtıcı olmayan bir malzemeden yapılır.

Elektron Serbest Bırakma: Güneş ışığı, fotovoltaik hücrelerine düştüğünde, önceden bahsedildiği gibi malzeme içindeki atomları uyarır ve elektronları serbest bırakır. Bu serbest bırakılan elektronlar, PN birleşimindeki elektrik alanı tarafından yönlendirilir ve bir devre üzerinden hareket ederler.

Elektrik Akımı Oluşturma: Serbest bırakılan elektronlar, elektrik devresinde kendisinin gidebileceği bir yol bulması halinde yani bir yük bağlandığında bir devre üzerinde hareket ederken, elektrik akımı oluştururlar. Bu elektrik akımı, bir yükü taşıyarak elektrik enerjisi üretir.

Elektrik Enerjisinin Kullanımı: Üretilen elektrik enerjisi, bir aküye depolanabilir veya hemen kullanılmak üzere bir sistemde kullanılabilir. Güneş panelleri genellikle bir şebekeye bağlanır ve üretilen elektrik, bir ev veya iş yerindeki elektrik ihtiyacını karşılamak için kullanılabilir.

Güneş Paneli Çeşitleri

Günümüzde güneşten elde edilen elektrik enerjisinin verimini daha çok artırabilmek için güneş paneli (solar panel) üreticileri birçok çeşit panel tipi üretmektedir. Bunlardan bazıları aşağıdaki gibidir. Aralarında halen en çok kullanılan tipi çok kristalli (polikristal) silisyum güneş panelleridir.

• Tek Kristal (Monokristal) Silisyum Güneş Panelleri
• Çok Kristalli Silisyum Güneş Panelleri
• İnce Film Güneş Panelleri
• Amorf Silisyum Güneş Panelleri
• Kadmiyum Tellür İnce film Güneş Panelleri
• Bakır İndiyum Diselenid Güneş Panelleri

Güneş Paneli Elektriksel Devresi

Güneş panelleri nasıl çalışır sorusuna anlamak için elektriksel devresini modellemek gerekir. Bir güneş pilinin eşdeğer devresi aşağıdaki gibidir. Buradaki değerlerden Iph: Güneş ışığı tarafından üretilen elektrik akımını, Id: Diyot akımını, Ish: Paralel direnç akımını, IL: Yük akımını, Rs: Seri direncini ve Rsh: Paralel direncini sembolize etmektedir.

Güneş panellerinin elektrik üretimi, bir akım kaynağı olarak temsil edilir. Hücreye düşen ışık arttıkça, elektrik akımı da artar. Güneş hücresinin gövdesi yarı iletken malzemeden yapıldığı için, diyot olarak modellenir. PN birleşiminde üretilen enerjinin kutuplara iletilmesi sırasında oluşan kayıplar, seri direnç olarak ifade edilir. Bu seri direnç, hücre verimini doğrudan etkiler. Çıkış gücü, belirli bir akım ve gerilim değerinde maksimum olur. Fotovoltaik (PV) pil veya panelinin maksimum çıkış gücü, aldığı güneş ışığı seviyesi ve çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişir. Bu nedenle, kurulan ve işletilen bir PV pilinden daha fazla verim elde etmek için, panelin çıkış gücünü mümkün olan en yüksek seviyede tutmak önemlidir.

Güneş Paneli Sıcaklık ve Işık Miktarına Bağlı Olarak Akım, Gerilim ve Güç Karakteristikleri

Güneş panellerini verimli kullanabilmek için panele uygun ortam sıcaklığında, doğru güneş ışığı açısının vurması gerekir. Solar panellerin sıcaklığının arttığında veriminin ve ürettiği gücün düştüğü bilinmektedir. Güneş panelinin sıcaklık ve ışık miktarı ile ilgili grafikleri aşağıda verilmiştir. Buradan anlaşılacağı gibi güneş panellerine gelen ışık miktarı arttıkça, maksimum noktasında üretilen akım ve güç artarken, sıcaklık arttıkça ise bu değerler maksimum noktasında azalmaktadır.