Download solar cells and features and more Exercises Electrical and Electronics Engineering in PDF only on Docsity!
GÜNEŞ PİLLERİ VE ÖZELLİKLERİ
Batur BEKİROĞLU Dr. Vatan TUĞAL Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü Göztepe, İstanbul
Özet: Bu çalışmada güneş ışığının güneş pilleri üzerindeki etkisi incelenmiştir. Ayrıca güneş pillerinde temel yapıtaşlarını oluşturan kısa-devre akımı (Isc) , açık-devre gerilimi (Voc) ve dolum faktörü (FF) incelenmiştir. Son olarak da sıcaklığın panel üzerindeki etkisine yer verilmiştir.
Giriş: Güneş pillerinin temelde iki önemli kısmını şöyle sayabiliriz.
- Fotonları absorplayıp elektron-delik çiftlerini üreten yarı iletken tabaka,
- Üretilen taşıyıcıları toplayıp elektronların hareketlerini yönlendiren bir gerilim bölgesi.
Absorblayıcı bölge, üretilen akımın büyüklüğünü, engel geriliminin yüksekliği ise pilin üretebileceği gerilimi belirler. Gerilim ve akımın çarpımı gücü verir.
Absorblayıcı-üretici tabaka en önemli kısım olduğu için toplayıcı-çevirici ve diğer sistemler bu tabakanın özelliğine uygun olarak seçilir. Bu özellikler ise, örgü sabiti, ısıl genleşme katsayısı ve elektron afinitesidir.
Bir güneş pili toplam beş kısımdan oluşmaktadır.
- Kaplama.
- Saydam Kontak.
- Absorblayıcı/Üretici
- Toplayıcı-Çevirici
- Opak Kontak
1.1. Işığın Etkisi: Silikon güneş pilleri p-tipi (bor formu) ve n-tipi (fosfor formu) diyot formunda dizayn edilmiştir. Böyle dizayn edilen bir pilin üzerine düşen ışınımın nasıl hareket edeceği Şekil-1’de gösterilmiştir.
ŞEKİL-
Panel üzerine düşen ışınımın emilme ve yansıması.
- Üst noktada yansıma ve emilme.
- Pil yüzeyinde yansıma.
- İstenilen emilme.
- Pilin arkasından yansıma-sadece zayıf ışık emilir.
- Yansımadan sonra emilme.
- Arka temasta emilme.
Güneş pilinin güç oranını artırmak için pilin absorb edebilme özelliğini (Şekil-1’deki 3 numaralı ışın) ve absorb edildikten sonra geri yansıma sırasındaki absorb edebilme oranlarını (Şekil-1’deki 5 numaralı ışın) artırmaktır. Gerilimin sıfıra eşit olduğu zaman sınırlı akımı üreten kısımlara “toplayıcı taşıyıcıları” denir. Diyodun karakteristik grafiği, akım (I)
- gerilim (V) grafiğinin çizilmesi sonucunda elde edilir. Hücrenin üzerine ışık düşmediği andaki I 0 için çizilen I-V grafiğini Şekil-2’de görebilirsiniz.
ŞEKİL-
Hücrenin üzerine ışık düşmediği andaki I 0 için çizilen I-V grafiği.
Şekil-2’de verilen grafiğe göre eğri yaklaşık olarak 2mV/^0 C kaymaktadır. Hücredeki aydınlatma, normal “karanlık” akımına eklendiği zaman bilinen diyot kanunu;
I I o e I
q V n k T
= − L
olarak karşımıza çıkar. Bu formül içerisinde;
I 0 = “Dark Saturation Current”; ışık olmadığı zaman diyodun sızma akımının yoğunluğu. (Amper) q = Elektrik yükü (1.60210-19^ Coulomb) V = Uygulanan gerilim.(Volts) n = İdeallik faktörü; akım düştükçe değeri 1’den 2’ye doğru artmaktadır. k = Boltzman Sabiti = 1.38010-23^ Joule/K. T = Hava sıcaklığı.(^0 C) IL = Işından oluşan akım.(Amper)
Yukarıda verilen bilgiler arasında ise bazı ilişkiler var. T arttıkça I 0 artar. Malzeme kalitesi arttıkça I 0 azalır. T=300K olduğunda k*T/q=25.85 mV (Termal gerilim) olmaktadır. I-V grafiğinde genellikle çıkış grafiği dairenin birinci bölgesinde yer aldığından dolayı formülü şöyle düzenleyebiliriz.
I I L I o e
q V
= − n k T −
ŞEKİL-
Kısa devre akımın açık devre gerilime oranı.
Güneş panellerinin çıkışının karakteristiğini, verilen ışın, işlem sıcaklığı ve alana göre sınırlayan iki temel parametre vardır. Bunlar;
1.2. Kısa-Devre Akımı (Isc) : Gerilim sıfır olduğu zaman elde edilen azami akımdır. Ideal olarak V=0 olursa Isc = IL olmaktadır. Burada Isc ‘in mevcut güneş ışınımı ile doğru orantılı olduğunu hatırlatmakta fayda vardır.
1.3. Açık-Devre Gerilimi (Voc ): Akımın sıfır olduğu zaman elde edilen azami gerilimdir. Artan güneş ışınımına bağlı olarak Voc logaritmik olarak artmaktadır. Bu karakteristik, güneş pillerini akümülatörün yükünün doldurulmasında ideal bir rol oynar.
Not edilmelidir ki I=0 olduğu zaman;
V
n k T
q
I
oc I
L
* ln
0
formülü elde edilir. I-V grafiği üzerindeki her nokta, akım ve gerilimin çarpımı, sistemin çıkış gücünü vermektedir. Güneş pilleri “azami güç noktasına” göre de karakteristik özelliğe sahiptirler. Azami gerilim noktası (Vmp) ile azami akım noktasının (Imp) çarpımı, ulaşılabilecek azami rakamı vermektedir. Azami çıkış gücü, grafiksel olarak I-V grafiğinin altına sığabilen en büyük kare olarak gösterilebilir. Başka bir deyişle;
d I V dV
( * ) = (^0) (4)
formülü bize;
dV
dT
V V
k T
q
T
oc
g oc
0 γ^ *^ ⎟
olarak sonuca ulaşır. Buna bağlı olarak;
( )
FF
v v
v
oc oc
oc
0
ln *.
şeklini almaktadır.
FOTOVOLTAİK MODÜL
KARAKTERİSTİĞİ
Tipik bir modül 36 adet pilin seri olarak bağlanması sonucunda elde edilir. Her bir pilin özellikleri: Voc=600 mV (25 0 C) FF=75% Vmp=475 mV (25 0 C) Vmp=430 mV (45 0 C) Imp/Isc=0.
Burada mp kısaltmaları azami güç noktası, oc ise açık devre anlamına gelmektedir. Her bir pil için geçerli olan formül:
V
n k T
q
I
I
I
= L − I Rs
*ln *
0
V = Uygulanan gerilim.(Volts) IL = Işından oluşan akım.(Amper) n = İdeallik faktörü; akım düştükçe değeri 1’den 2’ye doğru artmaktadır. I = Akım(Amper) Rs=seri direnç(ohm) q = Elektrik yükü (1.60210-19^ Coulomb) k = Boltzman Sabiti = 1.38010-23^ Joule/K. T = Hava sıcaklığı.(^0 C) I 0 = “Karanlık doyum akımı”; ışık olmadığı zaman diyodun sızma akımının yoğunluğu.(Amper)
I
I
e
L q V n k T
(^0) o c
⎝⎜^
⎞ ⎠⎟
=2.17*10 -7^ * IL
(45 0 C’de) (17) Voc , açık devre gerilimi 25 0 C’de 600 mV olduğu biliniyor. 45 0 C’de ise bu değer 555 mV olmaktadır. Seri direncin ise kısa devre akımına ters orantılı olduğunu da bilinmektedir.
R
I
I
s sc
Isc 100mW/cm^2 ‘nin altında bulunan kısa devre akımıdır. Işık yoğunluğunun değişimini ayarlamak için;
IL=L*Isc (19)
olmaktadır. Burada L ışık yoğunluğunu simgelemektedir. Şöyle ki L=1 olduğu zaman 100mW/cm^2 , L=0.5 olduğu zaman 50mW/cm^2 ‘ye eşdeğerdir.Şimdi eşitliğimizi tekrar yazalım:
V
L I I
I
I
I
sc sc sc
. * ln
(T=318 0 K ) (20)
Herhangi bir akımda gerilim, sisteme bağlanan pil sayısı ile yukarıdaki gerilim formülünün çarpılması sonucun bulunabilir.Bir sonraki basamakta ise değişik L değerlerinde I- V grafiğini çizmektir. Standart modülleri 45 0 C’de birbirine bağlarsak; Bir tek modülün (36 pil) vermesi gereken gerilim: Vmp=15.5 volts
Iki modülün (72 pil) seri bağlanınca vermesi gereken gerilim: Vmp=31.0 volts
Üç modülün (108 pil) seri bağlanınca vermesi gereken gerilim: Vmp=46.5 volts
Dört modülün (144 pil) seri bağlanınca vermesi gereken gerilim: Vmp=62.0volts
Dolayısıyla, 45 0 C’de bize azami güç noktasındaki gerilimi verecek en yakın pil sayısını seçmeliyiz. Tasarım işleminin son basamağında güneş panelleri için gereken akım üretim kapasitesinin hesaplanması geliyor. Bu noktada hatırlamamız gereken şey; sistemimizin azami verimlilikte çalışmasını istiyoruz. Bu yüzden Lmp=0.80*ISA olarak alınmalıdır. Dolayısıyla, biz azami güç noktasındaki akımı istiyorsak Imp(100mW/cm^2 );
Lmp= Im100/(0.80ISA) (21)
olarak kabul edilir. Burada Im sistemdeki azami verimlilikteki motor akımını simgelemektedir. Bu noktada elde ettiğimiz bilgileri kullanarak Isc bulunabilir.
Sonuç: Sonuç olarak yukarıda belirtilen sistemle ilgili formül ve tanımlamalar bir güneş pilinin karakteristiğidir. Yapılan araştırmada görülüyor ki bir güneş paneline gelen her ışın bizim için yararlı olmadığı gibi zararlı da olabilir. Açık- devre gerilimi (Voc) güneş pillerinin akümülatörlerinin dolmasında etkin olarak kullanılırken, kısa-devre akımı (Isc) ise sistemdeki akımı sağlar ve direk olarak güneş ışınımına bağlıdır. Dolum faktörü bağlantının kalitesi ve pilin seri dirençlerinin ölçümüdür.
Kaynaklar
- Florida Solars Energy Center, 1987.
- M.P. Thekackara, the solar constant and the Solar Spectrum Measured from a Research Aircraft, NASA Technical Report No:R-351,
- Tanay Sıdkı Uyar, Güneş Pilleri, TÜBİTAK- Makina ve Enerji sistemleri Bölümü, Gebze,
- Martin A. Green, Solar Cells, The University of New South Wales, 1992.
5.Stuart R. Wenham, Martin A. Green, Muriel E. Watt, Applied Photovoltaics, The university of New South Wales, 1993.
