Güneş Paneli Nedir?
GÜNEŞ PANELİ TARİHİ
Güneş paneli teknolojisinin tarihi oldukça eski bir geçmişe sahiptir. Fotovoltaik etki olarak tanımlayabileceğimiz, ışığın yüzeylerden elektron koparması, ilk kez 1839’da Fransız fizikçi A.E. Becquerel tarafından keşfedildi. Bu keşif, güneş hücresi teknolojisinin temelini oluşturur. Ancak, modern anlamda ilk güneş hücresi 1954’te ABD’deki Bell Laboratuvarlarında üç araştırmacı olan G. Pearson, C. Fuller ve D. Chapin tarafından geliştirildi. Bu ilk cihaz, doğrudan güneş ışığını elektrik enerjisine dönüştüren bir silikon esaslı güneş hücresiydi ve %4 verime sahipti. Verim kısa sürede %6’ya yükseltildi, ancak maliyetler çok yüksekti (her bir watt için 1000 $ gibi). Bu nedenle, uzun süre pratik bir uygulama alanı bulamadı.
Ancak, 1958’den itibaren uzay teknolojisinin gelişimiyle birlikte, güneş pilleri yeniden önem kazandı. Hoffman Electronics, silikon güneş hücresi verimini artırmak için öncü bir rol oynadı ve 1960 yılında %14’e ulaştı. Endüstriyel uygulamaları hedefleyen ilk silikon güneş hücresi fotovoltaik modülünü ise 1963’te Japon Sharp Corporation üretti.
Sonrasında, farklı bileşikler kullanılarak üretilen güneş hücreleri çeşitlilik kazandı. Örneğin, Gallium-Arsenide (GaAs) güneş hücresi 1970’te Rus fizikçi Z. Alferov tarafından geliştirildi. 1976’da ilk amorf silikon hücre düşük maliyetle üretilebildi. 1980’de ise ilk ince film güneş hücresi Copper Sulphide (Cu2S) ve Cadmium Sulphide (CdS) kullanılarak üretildi. Daha sonra, Cadmium-Telluride (CdTe), Copper Indium Gallium Selenide (CIGS), Copper Indium Diselenide (CIS) gibi teknolojik gelişmelere paralel olarak farklı hücreler üretildi.
Ancak, günümüzde pazarda hakim olan güneş paneli modülleri genellikle monokristal ve polikristal esaslıdır. Bu modüllerin kullanım oranları %93’ü silikon güneş hücreleri, %6’sı ince film teknolojisi, %1’i ise diğer teknolojilere aittir.
GÜNEŞ PANELİ NEDİR?
Güneş paneli, güneş ışığı enerjisini elektrik enerjisine dönüştüren bir araçtır. Bu paneller, fotovoltaik yarı iletken silikon hücrelerden oluşur ve gün ışığını elektrik enerjisine çevirir. Bir silikon hücre yaklaşık olarak 0,5 volt gerilim üretir. Bu hücreler seri halinde lehimlenerek istenilen panel gerilim ve akım değerine ulaşılır.
Örneğin, 12V nominal gerilimli 160W gücündeki bir panelde, 36 hücre seri olarak bağlanır. Bu durumda Maksimum Güç Gerilimi (Vmp) değeri, kullanılan hücreye göre yaklaşık olarak Vmp= 36 x 0,5 = 18V olarak belirlenir. Benzer şekilde, 270W gücündeki, 60 hücreli bir panelde de, tüm hücrelerin seri bağlantısı sonucu yaklaşık olarak Vmp = 60 x 0,5 = 30V olarak ölçülebilir.
Güneş panellerinin dayanıklılığı önemlidir, çünkü genellikle 25-30 yıl boyunca kullanılabilirler. Bu nedenle, hava koşullarına, ısınma-soğuma, korozyon, fiziksel darbe ve güneş ışığına karşı dayanıklı olmaları gerekir. Ayrıca, su geçirmez ve uluslararası kalite standartlarına uygun şekilde üretilmelidirler.
GÜNEŞ PANELİ YAPISI
Silikon hücreler, 150 – 300 mikron kalınlığında, yani oldukça ince ve kırılgan yapıdadır. Hücrelerin, çevresinde bir koruyucu katman olmadan kullanılması mümkün değildir.
Güneş paneli dıştan içe aliminyum çerçeve, yalıtım malzemesi, özel temperli cam, EVA, hücre ve sırt folyosu (backsheet) ve bağlantı kutusundan oluşur.
Aluminyum çerçeve, paneli fiziksel etmenlerden korur, montaj için gerekli yapıyı oluşturur ve sektördeki boyut standartlarına uyumluluğu ve bağlantı aparatı çeşitliliği sayesinde kolayca montaj yapılmasını sağlar. Çerçeve ve cam arasında su geçirmez yalıtım malzemesi bulunur. Temperli solar cam, yüksek darbe dayanımı ile paneli dolu, rüzgar, taş ve benzeri cisim çarpmalarından korur. Camın bir diğer özelliği, yüzeyinin güneş ışığının büyük kısmını içeri geçirecek şekilde tasarlanmış olmasıdır. Ancak bir miktar ışık camdan atmosfere yansımaktadır. EVA (Etilen Vinyl Asetat) ise cam, hücreler ve sırt folyosu arasını dolduran, parçaları birbirine yapıştıran özel bir katmandır. Üretimde hücrelerin her iki tarafına uygulanan EVA, sıcak laminasyon yöntemi ile eritilerek hücreleri tamamen çevreler. Sırt folyosu (Backsheet), panelin arka tarafının yalıtımını sağlar ve panelin optimum sıcaklıklarda çalışması için özel olarak tasarlanmıştır. Bağlantı kutusu, IP64 seviyelerinde su geçirmez yapıda olup, panel kablo bağlantılarını ve bypass (köprüleme) diyotunu içerir. Bypass diyotu, panel hücre serilerinden birinde gölgeleme veya arıza olduğunda panelin geri kalan kısmının elektrik üretmeye devam etmesini sağlar.
GÜNEŞ PANELİ VERİMLİLİĞİ
Güneş paneli verimliliği, standart test koşullarında (1000W/m2) ışınım altında 1 metrekare alanda üretilen güç ile ölçülür. Örneğin, %15 verimliliğe sahip bir panel, 1000W/m2 güneş ışığı aldığında 1 metrekarelik alanda 150W/h elektrik üretebilir. Bu verimlilik, kullanılan hücre tipine, hücre tasarımı ve kalitesine, cam ve diğer bileşenlerin kalitesine bağlıdır.
Ülkemizde ortalama ışıma değeri 1300W/m2 civarındadır, bu da standart verimlilik rakamlarının üzerinde üretim sağlanabileceği anlamına gelir. Kristal paneller genellikle %16 – %24, ince film paneller ise %10 – %15 arasında verimlilik değerlerine sahiptir. Teknolojinin ilerlemesiyle her yıl hücre verimlilikleri artmaktadır. Bilimsel çalışmalar sonucunda %45’e varan güneş paneli verimliliği değerlerine ulaşılmış olsa da, bu panellerin maliyeti henüz çok yüksektir ve genellikle özel durumlar için (uzay çalışmaları vb.) kullanılır.
Güneş paneli verimliliği, kullanım ömrü boyunca yavaşça azalır. Üretici firmalar genellikle ilk 10 yılda fabrika verimlilik oranının %10 azalacağını, 10-20 yıl arasında ek %10 azalma olacağını ve 20-30 yıl arasında ise daha fazla azalma olacağını garanti ederler. Örneğin, %17 olan bir panelin verimliliği, 10 yıl sonra hala %17 civarında olabilirken, 20. yılında %15’e ve 30. yılında %10’a kadar düşebilir. Panellerin temizliğinin ihmal edilmesi ve zorlu çevre koşulları da verimliliğin azalmasında etkili olabilir.
Konum ve Hava Koşullarının Güneş Paneli Elektrik Üretimine Etkisi
Konum ve hava koşulları güneş paneli elektrik üretimini önemli ölçüde etkiler. Örneğin, ülkemizde ortalama güneş ışınım değeri 1300W/m2’dir, ancak bu değer coğrafi konuma ve hava durumuna bağlı olarak değişiklik gösterir.
Ankara gibi bir şehirde ortalama 800W/m2 ışıma alındığında, açık havada bu değer 1000W/m2, bulutlu havalarda ise 200 – 750W/m2, yağmurlu havalarda ise 50W/m2 seviyelerinde olabilir. Bu durumda, 1kW panel gücündeki %18 verimli polikristal panellerden oluşan bir güneş enerjisi sistemi, açık havada 1kW, bulutlu havalarda 0,5kW, yağmurlu havada ise 0,05kW elektrik üretebilir. Aynı değerler Antalya gibi güneşli bir bölge için daha yüksek olacaktır.
Bu örnekte görüldüğü gibi, güneş panelleri bulutlu günlerde de elektrik üretebilir. Ancak, yağışlı havalarda ışık miktarı minimum olduğundan üretilen elektrik miktarı, off-grid sistemlerde akülerin doldurulmasına yetmeyebilir. Bu nedenle, sistem tasarımı yapılırken, bölgede üst üste yağışlı gün sayısı da dikkate alınmalıdır.
Güneş Paneli Çeşitleri
Monokristal Güneş Paneli, Polikristal Güneş Paneli ve İnce Film Güneş Panelleridir. Özetle açıklamak gerekirse:
1- Monokristal Güneş Panelleri
Monokristal güneş panelleri, en yüksek verimliliğe sahip güneş paneli tipidir ve genellikle %22-23 arasında bir verimliliğe sahiptirler. Aynı boyuttaki polikristal hücrelere kıyasla daha az alan kaplarlar. Ancak, maliyetleri polikristal panellere göre %25-30 daha yüksektir. Bu yüksek maliyet, monokristal panellerin yapısından kaynaklanan üretim firesi nedeniyledir. Bununla birlikte, monokristal paneller genellikle daha uzun ömürlüdür ve özellikle tekne, karavan gibi alan sınırlaması olan projelerde tercih edilirler.
Yüksek verimliliğine rağmen, piyasada çeşitli kalite sınıflarında monokristal güneş panelleri bulunmaktadır. Bu nedenle, panel veya marka seçerken teknik özelliklere dikkat etmek önemlidir. Düşük kaliteli monokristal hücreler, yüksek kaliteli polikristal hücrelere kıyasla daha düşük performans sergileyebilirler. Panel seçiminde hücre menşei ve üretici kalitesi, panel tipi özelliklerinin önüne geçen önemli bir faktördür.
2- Polikristal Güneş Panelleri
Polikristal güneş panelleri, kristal yapıda birden fazla atomun olduğu silikon kullanılarak üretilen güneş hücresi tipidir. Bu panellerin gözle görülür şekilde dalgalı iç yapıları ve daha açık mavi tonlarında hücreleri vardır. Verimlilikleri genellikle %16-18 arasındadır ve maliyetleri monokristal panellere göre %25-30 daha düşüktür. Dünya çapında piyasada en yaygın kullanılan hücre tipidir ve alan sınırlaması olmayan uygulamalarda tercih edilir. Geçtiğimiz yıllara göre daha da yaygınlaşmakta ve üretim maliyetleri artan hacimle orantılı olarak azalmaktadır.
Solar panel seçimi yapılırken, ciddi alan kısıtları olmadığı durumlarda polikristal paneller tercih edilebilir. Ancak, güneş paneli teknik verileri dikkatlice incelenmeli ve fiyat performans açısından çeşitli markaların polikristal ve monokristal modelleri karşılaştırılmalıdır. 1. Kalite bir polikristal panel, düşük kaliteli bir monokristal panele kıyasla daha üstün performans gösterecek ve uzun yıllar boyunca sorunsuz bir şekilde kullanılabilecektir.
3. İnce Film Güneş Panelleri
İnce film güneş panelleri genellikle düşük maliyetli ve düşük verimli (%10 civarı) ürünlerdir. Bununla birlikte, hafif olmaları, bina yüzeylerine uygulanabilir olmaları, bölgesel gölgelenmeden en az etkilenmeleri ve yüksek sıcaklıkta verimlerinin azalmaması gibi pozitif özelliklere sahiptirler. Bu özellikler, bazı uygulamalarda avantaj sağlayabilir.
Ancak, ince film güneş panellerinin maliyetleri genellikle diğer güneş paneli tiplerine kıyasla yüksektir. Bu nedenle, yüksek maliyetleri nedeniyle genellikle tercih edilmezler. Bununla birlikte, ileri teknoloji ve üretim süreçlerinin gelişmesiyle birlikte, ince film güneş panellerinin maliyetleri düşebilir ve kullanımları daha yaygın hale gelebilir.
Güneş Paneli Teknik Açıklamaları ve Anlamları:
Pmax – Maksimum Güç: Standart test koşulları altında, panelin ürettiği maksimum güç değeridir.
Vmp – Maksimum Güç Gerilimi: Panelin standart test koşulları altında ürettiği maksimum gerilim değeridir.
Imp – Maksimum Güç Akımı: Panelin standart test koşulları altında ürettiği maksimum akım değeridir.
Standart test koşulları, 25°C hücre sıcaklığında, 1000 W/m2 ışınım altında yapılır. Normalde bu değerler 45°C hücre sıcaklığında ve ortalama 800 W/m2 ışınım altında olacaktır. Testler, fabrika ortamında laminasyon öncesi ve sonrası yapıldığı için karşılaştırma amaçlı uluslararası standart değerler oluşturulmuştur.
Voc – Açık Devre Gerilimi: Güneş panelinin, hiç bir elektriksel yük yokken, yani akım üretmiyorken sahip olduğu gerilim değeridir. Panelin artı ve eksi uçlarına bir voltmetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer, inverter ve akü hesabı yaparken ilgilendiğimiz voltaj değeridir. Bu değere göre paneller seri veya paralel şekillerde bağlanarak sistem voltajına uygun hale getirilir.
Isc – Kısa Devre Akımı: Güneş panelinin kısa devre halinde, yani artı ve eksi uçlarını birbirine arada bir yük olmadan bağladığınız durumda ürettiği akım değeridir. Panelin artı ve eksi uçlarına bir ampermetre bağlanarak ölçülebilir. Bu değer, şarj regülatörü seçimi yapılırken kullandığımız maksimum akım değeridir.
Maksimum izin verilen sistem gerilimi: Paneller seriler halinde bağlanırken oluşturulabilecek en yüksek gerilim değeridir. Bu değerin üstüne çıkıldığında sistem tehlikeli hale gelir. Panel bağlantı kutuları ve kabloları bu gerilimin üstüne çıkacak şekilde tasarlanmamıştır.
Nominal hücre çalışma sıcaklığı: Panelin normal koşullar altında, yani 20°C sıcaklık, 800 W/m2 ışınım, 1 m/s rüzgar altında güneş radyasyonu altında ısınarak geleceği sıcaklık değeridir.