Güneş Panelleri ile Elektrik Enerjisi Üretimi

Sanayideki gelişmeyle birlikte artan elektrik enerjisi ihtiyacı, pahallılaşan elektrik tüketim bedelleri ve mevcut fosil (kömür, doğal gaz vb.) yakıt rezervlerinin hızla azalması yeni enerji kaynaklarının arayışını ve kullanımını hızlandırmıştır. Güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları içinde, üzerinde en çok araştırma yapılan enerji türlerinden biridir. Yenilenebilir enerji kaynağı, tükenmeyen, ertesi gün tekrar kullanıma hazır enerji kaynağı demektir. Rüzgar enerjisi, biotermal enerji, güneş enerjisi gibi enerji türleri yenilenebilir enerjilerdir. Gelişmiş ülkelerde elektrik enerjisi elde etmek için güneş enerjisinin uzun yıllardır kullanılmasına rağmen, bu konunun ülkemizde son yıllarda önem kazanmaya başlaması güneş zengini olan ülkemiz için, geç de olsa oldukça sevindirici bir gelişmedir.
 
Güneş panelleri ile elektrik enerjisi üretimi şu nedenlerden dolayı caziptir;

• Sınırsız ve bedava enerji kaynağı olan güneşi kullanır.
• Güneş yörüngesi izleyicileri dışında hareketli ve aşınan parçalara sahip değildir.
• Uzun kullanım ömrüne sahiptir.
• CO2 yaymadığı için çevre dostudur.
• Düzenli ve sürekli bakım gerektirmez.
• Seri/paralel bağlandığında çıkış güçleri ölçeklenebilir.
• Elektrik enerjisinin tüketileceği yere kurulacağı için kablo tesisat maliyeti çok düşüktür.
• Çalışması için bir operatöre ihtiyaç duymaz, dolayısıyla işletme maliyeti neredeyse sıfırdır.
• Doğal afetlerden etkilenme olasılığı diğer enerji üreten kaynaklara göre daha düşüktür.

 
Tüm bu avantajlarına karşın üretim maliyetlerinin hala yüksek oluşu güneş panellerinin bugüne kadar yaygın kullanım alanı bulmasını engellemiştir. Kullanımın artması ile panel fiyatlarının düşmesi kaçınılmazdır. Talebin artması ise ancak devletin kullanımı teşvik etmesi ve güneş panelleri ile üretilen enerjiyi uygun fiyattan satın alması ile mümkündür.
 

Güneş Panellerinin Yapısı

 
Güneş (PV-PhotoVoltaic) panelleri, güneş enerjisini doğrudan DC elektrik enerjisine çeviren güneş pili hücrelerinin (solar cells) seri ve paralel bağlanması ile oluşturulmuş güç sistemleridir. Güneş pili hücreleri, verimleri %3-%31 arasında değişen yarı iletken elemanlardır. Güneş pillerinden elde edilen verim uygulanan teknolojiye, ışık spektrumuna, sıcaklığa, tasarıma ve hücrede kullanılan malzemeye bağlıdır. Güneş pili hücreleri kendi aralarında bağlanarak güneş modüllerini (solar modules), modüller kendi aralarında bağlanarak güneş panellerini (solar panels) ve paneller kendi aralarında bağlanarak çok yüksek güçlerdeki güneş dizinlerini (solar array) oluşturur.
 
Bir güneş pili hücresinin tipik gerilim ve akım değeri sırasıyla 0.6V ve 7A civarındadır. Güneş pilleri, miliWatt(mW) güç seviyelerinden (örn. hesap makineleri, kol saatleri) MegaWatt(MW) (örn. güneş parkları) güç seviyelerine kadar geniş aralıkta uygulama alanı bulmuştur. Uygulamanın gerek duyduğu gerilim ve akım değerini karşılayacak şekilde güneş pilleri birbirleriyle seri ve paralel bağlanabilir. Seri bağlanan güneş pilleri güneş panelinin terminal gerilimini; paralel bağlanan güneş pilleri ise panelden çekilebilecek akımı artırır. Güneş panelleri, güneş pillerinin üreticiler tarafından üretim aşamasında seri/paralel bağlandığı belli standart güçlerdeki paneller olarak satılır.
 
Güneş pillerinin ve güneş panellerinin standart test koşullarında (STC, Standard Test Conditions) elektriksel karakteristiklerini belirleyen temel büyüklükler çekilebilecek maksimum güç (Pm), açık devre gerilimi (Voc), kısa devre akımı (Isc), maksimum güç gerilimi (Vmp) ve maksimum güç akımı (Imp)’dır. Dünyanın sayılı güneş pili üreticilerinden biri olan Japon Kyocera firmasının KD205GH-2P model multicrystal güneş modülüne ilişkin ilgili değerler; Pm =205W, Voc=33.2V, Isc=8.36A, Vmp=26.6V, Imp=7.71A’dir.
 

Güneş Panellerinin Uygulama Türleri

 
Uygulamada güneş panelleri temel olarak iki şekilde kullanılır:

• Elektrik şebekesinden bağımsız çalışma
• Elektrik şebekesine paralel çalışma

 
Elektrik şebekesinden bağımsız çalışan güneş panellerinden elde edilen DC gerilim ile doğrudan bir DC yük (örneğin DC gerilimden beslenen aydınlatma sistemi, trafik sinyalizasyonu) veya bu DC gücün AC güce dönüştürülmesi ile bir AC yük (örneğin buzdolabı veya TV) beslenebilir. Güneş enerjisinin kullanılamadığı gece saatlerinde ve yetersiz olduğu kapalı havalarda yükün ihtiyacı olan elektrik enerjisi sistemde yer alan ve Ah kapasitesi uygun seçilmiş olan akülerden sağlanır. Aküler çoğunlukla şebekeden bağımsız olan türdeki fotovoltaik sistemlerde yer alır ve bu tip uygulamalara has tipik çalışma karakteristiklerine sahiptir. Aküleri aşırı şarj/deşarj durumlarından korumak ve tampon (float) şarj gerilimi ile şarj olmalarını sağlamak için akü şarj denetleyicisinin sistemde yer alması zorunludur. Kullanım alanı daha geniş olmakla birlikte şebekeden bağımsız olan fotovoltaik sistemlerin en yaygın kullanıldığı uygulama alanları şunlardır:

• Elektrik enerji iletim ve dağıtım maliyetinin çok yüksek olduğu uzak alanlardaki konutlar
• Güvenlik sistemleri
• Yol, konut, bahçe vb. aydınlatması
• Trafik sinyalizasyon sistemleri
• Sulama ve arıtma sistemleri

 
Öte yandan şebekeye paralel çalışan fotovoltaik sistemler, ürettiği elektrik enerjisinin tüketilmeyen kısmı elektrik enerjisi üreten firmaya özel bir tarifeden satılmak amacıyla tasarlanır ve kurulur. Devlet teşviki ile desteklenen bu yapıda başlangıç için yüksek olan güneş paneli kurulum maliyeti zamanla kendini amorti eder. Şebekeye paralel çalışan sistemlerde güneş panelinin yanı sıra, şebekeye gerilim ve frekans olarak senkron çalışan ve güneş panelinin çıkışındaki DC gerilimi AC gerilime dönüştüren bir evirici yer alır. Bu sistemler genellikle şebekeye enerji vermek amacıyla kurulduğu için enerji depolama ortamı olarak bir aküye ihtiyaç duymazlar.
 
Fotovoltaik sistemler kurulurken dikkat edilmesi gereken bazı temel hususlar vardır:

• Güneş panellerin güneye bakması.
• Güneş panellerin üzerine, panel verimini çok düşürecek olan gölgelerin gelmesinin önlenmesi.
• Akülerin fotovoltaik uygulamalara uygun şekilde seçilmesi.
• Maksimum güç çekmek için MPP (Max. Güç Noktası) izleme özelliğinin kullanımı.