Fotovoltaik Santraller

 

Yazı Dizisi-2

 

Tercüme: Alper Çelebi

1.3 Bir fotovoltaik santralin başlıca bileşenleri

1.3.1 Fotovoltaik jeneratör

PV jeneratörünün temel bileşeni, solar ışınımın elektrik akımına dönüştürüldüğü fotovoltaik hücredir. Hücre genellikle, 0.3 mm kalınlığa ve 100 ila 225 cm2 yüzeye sahip iyi işlenmiş silisyum olan ince bir yarı iletken malzeme tabakasından oluşur.

4 valans elektronu olan silisyumun (4 değerli), bir katmanı üzerine üç değerli atomlar (örn. boron – P katkısı) diğeri üzerine küçük miktarlarda 5 değerli atomlar (örn. fosfor – N katkısı) eklenerek katkı yapılır.

P tipi bölgede delik fazlalığı varken N tipi bölgede elektron fazlalığı vardır (Şekil 1.7).

Şekil 1.7 - Fotovoltaik hücre





Farklı katkılı iki tabaka arasındaki temas alanında (P-N bağlantısı) elektronlar, elektron açısından zengin olan bölgeden (N) elektron açısından fakir olan bölgeye (P) hareket etme eğilimindedirler ve dolayısıyla P bölgesinde negatif yük birikimi üretirler. N bölgesinde pozitif yükün birikmesiyle, elektron delikleri için ikili bir olay meydana gelir. Bu nedenle, bağlantı boyunca bir elektrik alan oluşur ve elektrik yüklerinin daha da yaygınlaşmasına karşı çıkar. Dışarıdan bir gerilim uygulayarak, bağlantı akımın sadece bir yönde akmasına izin verir (diyot işleyişi).

Hücre ışığa maruz kaldığında, fotovoltaik etki (2)  yüzünden bazı elektron deliği çiftleri hem N hem de P bölgesinde ortaya çıkar. Dâhili elektrik alan, fazla elektronların (malzemenin bir bölümünden fotonun absorpsiyonuyla türetilen) deliklerden ayrılmasını sağlar ve onları birbirlerine göre zıt yönlere iter.

(2) Bir malzemenin (genellikle yarı iletken) valans bandındaki bir elektron malzemeye gelen yeterince enerjik bir fotonun (elektromanyetik ışınımın kuantumu) emilimi nedeniyle iletim bandına aktarıldığında fotovoltaik etki oluşur. Esasen yarı iletken malzemelerde, yalıtkan malzemelerde olduğu gibi, valans elektronları serbestçe hareket edemez; yarı iletken malzemeyi yalıtkan malzemelerle karşılaştırdığımızda, valans bandı ve iletim bandı (iletken malzemelerin karakteristiği) arasındaki boşluk küçüktür, dolayısıyla dışarıdan enerji aldıklarında elektronlar kolayca iletim bandına taşınabilirler. Bu tür bir enerji, parlak ışınım, dolayısıyla fotovoltaik etki ile beslenebilir.

Sonuç olarak, elektronlar tükenme bölgesini geçtikten sonra alan ters yönde akmalarını engellediğinden geriye hareket edemezler. Harici bir iletken ile bağlantıyı bağlayarak kapalı bir devre elde edilir. Hücre aydınlatıldığı müddetçe, bu kapalı devrede akım yüksek potansiyele sahip N katmanından düşük potansiyele sahip N katmanına akar (Şekil 1.8).

Şekil 1.8 - Fotovoltaik hücre nasıl çalışır



Akımı beslemeye katkıda bulunan silisyum bölge P-N bağlantısını çevreleyen alandır; elektrik yükleri uzak alanlarda oluşur ama onları hareket ettiren elektrik alan olmadığından yeniden birleşirler. Sonuç olarak PV hücrenin büyük bir yüzeye sahip olması önemlidir: yüzey ne kadar büyük olursa, üretilen akım o kadar yüksek olacaktır.

Şekil 1.9, elektrik enerjisine dönüştürülmemiş gelen güneş enerjisinin önemli bir yüzdesini gösteren fotovoltaik etki ve enerji dengesini tasvir etmektedir.

Şekil 1.9 - Fotovoltaik etki





Gelen solar enerjinin %100'ü.
- %3 yansıma kayıpları ve ön kontakların gölgelenmesi
- %23 elektronları serbest bırakmak için yeterli enerjisi
olmayan yüksek dalga boyuna sahip fotonlar; ısı oluşur
- %32 fazla enerjisi olan kısa dalga boyuna sahip fotonlar
(iletim)
- % 8.5 serbest yük taşıyıcılarının yeniden birleşimi
- %20 hücrede ve özellikle geçiş bölgelerinde elektrik
gradyanı
- %0.5 seri direnç, iletkenlik kayıplarını gösterir
= %13 kullanılabilir elektrik enerjisi

Standart çalışma koşullarında (25° C sıcaklıkta 1W/m2 parlaklık), bir PV hücre 0.5V gerilime ve 1.5-1.7Wp tepe gücüne sahip 3A bir akım üretir. Piyasada hücrelerin bir araya getirilmesinden oluşan fotovoltaik modüller satın alınabilir. En sık rastlananı, 0.5 ila 1m2 alana sahip olan 36 hücrenin 4 paralel sıra halinde seri dizilmesinden meydana gelmiş olanlardır.

Mekanik ve elektriksel olarak bağlı birçok modül bir panel oluşturur; bu yere veya binaya bağlanabilen yaygın bir yapıdır (Şekil 1.10).

Şekil 1.10



Elektriksel olarak seri bağlı birden çok panel bir dizi oluşturur ve gerekli gücü üretmek için elektriksel olarak paralel bağlı birden çok dizi jeneratör veya fotovoltaik alan oluşturur (Şekil 1.11 ve 1.12).

Şekil 1.11



Şekil 1.12



Bundan sonraki yazı dizimizde " Modullerdeki PV Hücreler  , İnverter "  anlatılacaktır.