ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ

Ticari amaçlı güneş pili üretiminde kullanılan malzemelerin başında kristal-silikon malzeme gelmektedir. Kristal-silikon, mükemmel düzenli yapı (tek kristal) veya rastgele düzenli yapı (monokristal, multikristal, polikristal) olarak üretilebilir. Silikon dışında fazla pahalı olmayan cam, plastik veya paslanmaz çelik üzerine birkaç mikrometre kalınlığında ince filmler de güneş pili olarak kullanılmaktadır. Tek kristal silikon güneş pilleri, diğer malzemelerle üretilen güneş pillerine göre üretim maliyeti daha yüksek olmasına rağmen verimi en yüksek olan pillerdir. Bu sebeple numaralandırılmış açıklamalardan I doğru fakat II yanlıştır. Güneş pilleri uzay teknolojilerinde uydu ve uzay istasyonlarında güç kaynağı olarak kullanıldığı için, I ve III numaralı açıklamalar doğrudur.

Cam, plastik veya paslanmaz çelik üzerine birkaç mikrometre kalınlığında ince filmler güneş pili olarak kullanılmaktadır. Bu filmlerde, yarı iletken materyallerden amorf-silikon (a-Si), galyum arsenit (GaAs), bakır iridyum selenyum (CuInSe2) ve kadmiyum telur (CdTe) en çok kullanılanlar arasındadır. Platin ise yarı iletken değil, iletken bir materyaldir.

Bu tip bir yapıda, elektronlar tarafından tamamen doldurulan band değerlik bandıdır. Boş olan üst band ise iletim bandıdır. Bu iki band arasındaki uzaklık ise yasak enerji aralığı olarak isimlendirilir. Silikon için 1,1 eV’dir.

İletkenliği kontrollü şekilde yapmak için kristal yapının içine safsızlık atomları koyma işlemine katkılama denir. Her 10.000 silikon atomuna karşılık 1 katkı atomunun olmasına aşırı katkılama denir. Diğer tarafta, her 100 milyon sikilon atomuna karşılık 1 katkı atomunun olmasına ise zayıf katkılama denir.

Güneş pili alt yüzeyi plaka üst yüzeyi birbirine paralel çubuk iletken arasına yerleştirilir. Üstteki iletken çubukların üzeri, güneşten gelen ışınları yansıtmadan çoğunu pn eklemin içine soğuran yansıtmasız bir kaplama yapılır. Bu kaplamanın üzerine ışığı geçiren çift taraflı bir yapışkan konulup üzerine cam yerleştirilir. Bu açıklamalara göre I ve II doğrudur. Ancak, III güneş panelinin gerek duyduğu ışığı tamamen kesecek şekilde bir açıklama olduğundan yanlış bir açıklamadır. Soruda istenilen numaralandırılmış açıklamalar I ve II’dir.

Toplam 50 V gerilim ve 5 A akım üretebilmesi için seri bağlanmış iki eş güneş panelinin 25 V gerilim ve 5 A akım üretiyor olması gerekir. Eğer bu iki panel paralel bağlansaydı 25 V gerilim ve 10 A akım üretiyor olurdu.

Güneş panellerinden geçen ışınların en fazla olduğu durum, panellerin yüzeyinin gelen ışınlara dik olduğu konumdur. Bu dik konumu hesaplamak için panellerin yerleştirildiği bölgenin enlemi kullanılır. Bunun yanı sıra, bölgenin yaz ve kış aylarında ne kadar süre güneş ışınlarını aldığı da önem taşır. Eğer verim belli bir dönemde fazla diğer dönemde düşük ise enlemin yanı sıra bu bilgi de dikkate alınmaktadır. Bu sebeple I ve II nolu açıklamalar güneş panellerinin konumlandırılmasında dikkate alınmaktadır. Genel durumda, yağmurun yağış açısı gibi bir veri, panellerin konumlandırılmasında kullanılmamaktadır.

Güneş pili çıkış gücü doğru akım (DC) çıkışlıdır. Doğru akım ile çalışan cihazlar için herhangi bir işlem yapılmadan bu sistemler kullanılabilir. Fakat ev araç-gereçleri ve aygıtlar alternatif akıma (AC) göre düzenlendiği için, güneş panellerinden gelen DC gerilimin AC’ye dönüştürülmesi gerekir. DC’den AC’ye dönüştürmek için inverter kullanılır. Ayrıca güneş pilleri sadece güneş alabildiği zaman güç üretebileceğinden dolayı, güneşin olmadığı saatlerde araç ve gereçlere sürekli güç sağlayabilmek için, sisteme bataryanın da dahil edilmesi gerekir.

Şehirde yaşadığı evde şebeke destekli bataryaya sahip güneş pili sistemi kuran biri çeşitli faydalar elde eder. Örneğin, güneş pili sisteminde batarya kullanarak elektrik kesintilerinde elektrik kullanmaya devam edebilir. Yenilebilir enerji ile karbon ayak izini düşürmüş ve gelecek nesillere daha az kirlenmiş bir doğa bırakmak için katkıda bulunmuş olur. Ayrıca, güneş enerjisi sistemini elektrik şebekesine bağlayarak kullanmadığı elektriği sisteme satabilir ve güneş panellerinin kurulum maliyetini düşürmüş olur. Güneş panelinin gerektirdiği inverter şebekeden gelen gerilimi kontrol altına alarak kullanıcıyı ani gerilim yükselmelerine karşı korur. Fakat güneş paneli sistemlerinin dezavantajı da bulunmaktadır. Bunlardan belki de en önemlisi güneş enerjisinden elektrik üretim maliyetinin, petrol yoluyla üretilen elektrik enerjisine göre yaklaşık 1 dolar yüksek olmasıdır. Yani güneş enerjisinden faydalanarak üretilen elektrik enerjisinin maliyeti daha yüksektir.

Yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi santralleri, aynalara bağlı güneşi izleme sistemleriyle geniş bir alana düşen güneş ışınlarını küçük bir alana odaklar. Bu odaktan elde edilen güneş enerjisi ısı enerjisine dönüştürülerek elektrik enerjisi üretilir. Yoğunlaştırılmış fotovoltaik sistemler ise güneş panelleri yoluyla elektrik üreten bir sistemdir. Farklı bir prensiple çalıştığı için bu sistemler yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi sistemi değildir. Bu sebeple E seçeneği öncelikli olarak sorudaki ilk koşulu sağlamamaktadır. Diğer seçeneklerin tümü ise soru köküne uygun olarak yoğunlaştırılmış termal güneş enerjisi sistemleridir ve esasen temel farkları güneş enerjisini yoğunlaştırma biçimleridir. Bu türler arasında en verimli olan çanak ocaklı sistemdir. Bu sistemde güneş enerjisi uydu alıcıları biçimindeki çanak yoğunlaştırıcıyla odaklanır. Odak noktasındaki akışkan 250-700 derece arasında ısıtılır. Isınan akışkan, stirling motorunda enerji üretimi maksadıyla kullanılır.

Silikonun sahip olduğu 14 elektrondan 10 tanesi çekirdeğe sıkı bağlı olduğu için bu yapıya kapalı yapı denir. Geriye kalan 4 elektron ile +4 değerlikli bir atom olarak isimlendirilir. İki silikon atomu karşılıklı değerlik elektronlarını kullanarak birbirlerine bağlanır.

Yarı iletkenlerin fiziksel özellikleri sıcaklığa oldukça bağlıdır. Bu nedenle silikon gibi bir yarı iletkenden yapılmış bir güneş pili kullanıldığında sıcaklık verimi etkileyen faktörlerden biri olarak karşımıza çıkar. Diğer seçenekler ise güneş pili sistemlerinin kullanım şeklini ifade etmektedir.

S. 151 Şekil 6.15’te görüleceği gibi güneş panellerinin içinden geçen ışınların en fazla olduğu durum panellerin yüzeyinin gelen ışınlara dik olduğu konumdur.

Sabit gerilim elde etmek için batarya elemanı kullanılır. Seçeneklerde verilen A ve D şıkkı ile B ve C şıkkı aynı şeyi ifade etmektedir.

Doğru akımı kullanan birçok düzenek kararlı güç kaynağına ihtiyaç duyar. S. 153, Şekil 6.18’deki gibi trafikte kullanılan ışıklandırma düzenekleri buna en iyi örnektir. Bu sistemlerin sürekli aynı verimle çalışabilmesi için güç kaynağının sürekli olması gereklidir. Dolayısıyla ışıklandırmanın batarya üzerinden çalıştırılması uygun olur. Bu tür güneş panellerinin kullanılması ile çalışan ışıklandırmanın kırsal kesimlerde kullanılmasının maliyeti diğer sistemlere göre ucuzdur. Bu tip doğru akım sistemlerinin küçük ev aletlerinde, sokak ve bahçe aydınlatmasında, kırsal alanda acil telefon ünitelerinde olmak üzere birçok uygulama alanı vardır. Havanın yağmurlu veya kapalı olması durumunda deniz fenerinin çalışması gerekmektedir. Bu durum ise tek başına güneş panelinin kullanımını mümkün kılmamaktadır.

Metallerde taşıyıcılar sadece elektronlardır ve birim hacim başına düşen elektron sayısı oldukça yüksektir. Işın veya sıcaklık etkisiyle taşıyıcı sayısı çok az değişir. Bu nedenle metaller güneş pili üretiminde kullanılamaz.

Hâlihazırda günümüz teknoloji ile üretilen sistemlerin maliyet fiyatı watt başına 2 dolar civarında iken bu değerin önümüzdeki yıllarda 1 dolara kadar düşürüleceği tahmin edilmektedir.

Güneş ışınlarını toplamakta en yaygın olarak parabolik şekilde bükülmüş yansıtıcılar kullanılmaktadır. Bir başka güneş ışınlarını yoğunlaştırma yönteminde ise çok sayıda düz ayna dizileri kullanılır. Diğer bir güneş ışınlarını yoğunlaştırma yöntemi ise güç kuleleri yöntemidir.

Genelde bütün yıl için aynı şekilde ışın miktarını alan bir bölge için panellerin eğim açısı seçilen bölgenin enlemidir. Eğer verim belli bir dönemde fazla diğer dönemde çok düşük ise, bu değer yaz için enlem -15°, kış için ise enlem +15° olarak alınır.

Bölgelere ait güneşlenme süreleri (Saat/Yıl);
İç Anadolu: 2993
Akdeniz: 2956
Doğu Anadolu: 2664
Karadeniz: 1971
Marmara: 2409