güneş pili parametrelerinin işletme koşullarıyla ilişkilendirilmesi
advertisement
EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (DOKTORA TEZİ) GÜNEŞ PİLİ PARAMETRELERİNİN İŞLETME KOŞULLARIYLA İLİŞKİLENDİRİLMESİ Rüştü EKE Güneş Enerjisi Anabilim Dalı Bilim Dalı Kodu: 625.05.04 Sunuş Tarihi: 01.02.2007 Tez Danışmanı: Prof. Dr. Metin ÇOLAK Tez Danışmanı: Prof. Dr. Şener OKTİK Bornova-İZMİR III Rüştü Eke tarafından DOKTORA TEZİ olarak sunulan “Güneş Pili Parametrelerinin İşletme Koşullarıyla İlişkilendirilmesi” adlı bu çalışma, “Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği’nin” ve Öğretim yönergesinin ilgili hükümleri uyarınca tarafımızdan değerlendirilerek savunmaya değer bulunmuş ve 01 Şubat 2007 tarihinde yapılan tez savunma sınavında aday oy birliği/oyçokluğu ile başarılı bulunmuştur. İmza Jüri Üyeleri Başkan : Prof. Dr. Metin Çolak …………………… Raportör üye : Prof. Dr. Şener Oktik …………………… Üye : Prof. Dr. Sıddık İçli …………………… Üye : Prof. Dr. Mehmet Güneş …………………… Üye : Doç. Dr. Canan Varlıklı …………………… V ÖZET GÜNEŞ PİLİ PARAMETRELERİNİN İŞLETME KOŞULLARIYLA İLİŞKİLENDİRİLMESİ EKE, RÜŞTÜ Doktora Tezi, Güneş Enerjisi Enstitüsü Tez Yöneticileri Prof. Dr. Metin Çolak ve Prof. Dr. Şener Oktik Ocak 2007, 203 sayfa Bu çalışmada, farklı teknoloji ve malzemelerle üretilmiş tek kristal silisyum (AS1206 m-Si), çok kristalli silisyum (S105 p-Si), amorf silisyum (KA58 a-Si) ve kadmiyum tellür (ATF43 CdTe) modüllerin Muğla iklim koşullarında göstermiş oldukları performans ve performanslarını etkileyen parametrelerin değişimleri, bir yıllık süre boyunca sürekli olarak izlenmiştir. Ortam koşullarının performansa etkisinin belirlenebilmesi için özel olarak tasarlanmış bir sistem ile akım-gerilim eğrileri elde edilmiştir. Çokça bilinen tek diyot modelinin, eğri uydurma parametresi olarak da bilinen, sıcaklığı içine alan düzeltilmiş idealite faktörü tanımıyla, her çeşit güneş piline uygulanabilirliği gösterilmiştir. Kullanılan modelden elde edilen akım, gerilim değerleri ile ölçüm sonuçlarının genellikle %1’in altında hatalar içerdiği görülmüştür. Test edilen modüller için temsili olarak seçilen açık günlerde seri direnç, paralel direnç ve düzeltilmiş idealite faktörü, karanlık doyma akımı ve ışıkla üreyen akım hesapları gerçekleştirilerek, bu parametrelerin işletme koşulları ile değişimleri yıllık ve aylık olarak belirlenmiştir. VI Geniş band aralığına sahip güneş pillerinde günlük ve mevsimsel değişimlerin fazla olduğu, a-Si güneş pilinde spektral etkilerin büyüklüğünün c-Si ve CdTe güneş pillerinden oluşan modüllerde daha fazla olduğu gösterilmiştir. Anahtar kelimeler: güneş pili parametreleri, modül parametreleri, seri direnç, paralel direnç, idealite faktörü, ışıkla üreyen akım, karanlık doyma akımı, performans. VII ABSTRACT CORRELATION OF OPERATING CONDITIONS AND SOLAR CELL PARAMETERS EKE, RÜŞTÜ PhD in Solar Energy Supervisors Prof. Dr. Metin Çolak and Prof Dr. Şener Oktik January 2007, 203 pages The operational parameters of mono crystalline silicon (AS1206), poly crystalline silicon (S105), amorphous silicon (KA58) and CdTe (ATF 43) thin films modules and their variations in different atmospheric conditions were investigated continuously for a period of a year in Muğla. In order to determine the effects of environmental conditions on the performance of different solar modules, the current voltage curves are obtained using a specially designed measurement system for this purpose. It is shown that well known one diode model, defining a modified ideality factor which is known as curve fitting parameter covering temperature, is applicable to all type of solar cells. Difference of the current and voltage values between the measured and obtained with the model is less than 1%. Monthly and yearly variation of cell parameters namely, series resistance, shunt resistance, modified ideality factor, dark saturation current and light generated current values in operating VIII conditions are calculated for solar modules under test in chosen clear sky days representing seasons. The influence of spectral effects on a-Si solar cells is higher than those of c-Si and CdTe type solar modules. It is also shown that there is a strong daily and seasonal variation for solar cells characteristics with a larger band gap. Keywords: solar cell parameters, module parameters, series resistance, parallel resistance, ideality factor, light generated current, dark saturation current, performance. IX Nagehan’a X XI TEŞEKKÜR Tez çalışmam sırasında gösterdiği sabırdan ve yazım-noktalama düzeltmelerindeki yardımlarından dolayı eşim Nagehan’a, çalışma konusunu belirleyen ve beni böyle bir çalışma için cesaretlendiren, yoğun çalışma temposu içerisinde bana zaman ayıran birikim ve deneyimlerini benimle paylaşarak, karşılaştığım güçlükleri aşmamda her zaman yardımlarını en yakınımda hissettiğim, engin bilgilerinden her zaman için yararlandığım ve yararlanacağım, fizikçi kimliği kazanmamda etkili rol oynayan ve kendisini daima örnek alacağım danışmanım ve saygıdeğer hocam Prof. Dr. Şener Oktik’e, bilgi ve deneyimlerini paylaşan danışmanım saygıdeğer hocam Prof. Dr. Metin Çolak’a, deneylerim sırasında tüm laboratuarlarını açarak yardımlarını esirgemeyen Muğla Üniversitesi Fen Edebiyat Fakültesi Fizik Bölümü Öğretim Elemanları ve Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü çalışanlarına ve tüm eğitimim süresince yadımlarını esirgemeyen anneme ve babama teşekkür ederim. XII XIII İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET..............................................................................................V ABSTRACT ................................................................................VII TEŞEKKÜR................................................................................. XI İÇİNDEKİLER......................................................................... XIII ŞEKİLLER DİZİNİ ................................................................XVII ÇİZELGELER DİZİNİ ..........................................................XVII SİMGELER VE KISALTMALAR...................................... XXIX 1 GİRİŞ..........................................................................................1 2 GÜNEŞ-ELEKTRİK DÖNÜŞÜMLERİ ...............................11 2.1 Güneş Pillerinin Yapısı ...................................................... 11 2.2 Güneş Pilleri İçin Malzemeler ........................................... 18 2.2.1 Tek Kristal Silisyum Güneş Pilleri (m-Si)................ 18 2.2.2 Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri (p-Si) .............. 21 2.2.3 Amorf Silisyum Güneş Pilleri (a-Si)......................... 22 2.2.4 Kadmiyum-Tellür Güneş Pilleri (CdTe)................... 24 2.3 Güneş Pillerinde Hiyerarşi................................................. 26 2.4 Güneş Pilinin Akım-Gerilim Karakteristiği....................... 28 XIV İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 2.5 İşletme Koşullarına Performansın Etkisi ........................... 35 2.5.1 Termal Etkiler ........................................................... 36 2.5.2 Işınım Etkisi .............................................................. 39 2.5.3 Spektral Etkiler ......................................................... 41 3 DENEY DÜZENEĞİ............................................................... 49 3.1 Ölçüm Sistemi ve Ölçüm Programı ................................... 51 4 GÜNEŞ PİLİ MODELLERİ ................................................. 55 4.1 Phang Modeli ..................................................................... 58 4.2 de Blas Modeli ................................................................. 60 4.3 King veya Sandia Modeli................................................... 61 4.4 Luft-Barton-Conn Modeli .................................................. 62 4.5 Diğer Modeller ................................................................. 64 5 İŞLETME KOŞULLARINDA ÖLÇÜMLER...................... 67 5.1 Akım-Gerilim Ölçümleri.................................................... 67 5.1.1 AS1206 m-Si Modül ................................................. 70 5.1.1.1 AS1206 m-Si Modülün Ölçüm Sonuçları.... 71 5.1.2 S105 p-Si Modül ...................................................... 74 5.1.2.1 S105 p-Si Modülün Ölçüm Sonuçları.......... 75 5.1.3 KA58 a-Si Modül ................................................... 78 5.1.3.1 KA58 a-Si Modülün Ölçüm Sonuçları ........ 80 XV İÇİNDEKİLER (devam) Sayfa 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.1.4 ATF43 CdTe Modül .............................................. 83 5.1.4.1 ATF43 CdTe Modülün Ölçüm Sonuçları .... 84 Seri Direnç Değişimleri .................................................. 88 Paralel Direnç Değişimleri................................................ 99 Düzeltilmiş İdealite Faktörü Değişimleri ....................... 110 Karanlık Doyma Akımı Değişimleri .............................. 122 Işıkla Üreyen Akım Değişimleri..................................... 128 Dolum Çarpanı................................................................ 133 Verim .............................................................................. 141 6 SONUÇ VE ÖNERİLER ......................................................151 KAYNAKLAR DİZİNİ..............................................................165 EKLER ........................................................................................175 Ek 1 Temsili Günlerdeki Güneş Işığı Şiddeti Değişimi .........175 Ek 2 Modül Sıcaklığı ve Çevre Sıcaklığı Değişimi ...............176 Ek 3 Ölçüm Hızının Akım Gerilim Eğrisi Üzerine Etkisi......177 Ek 4 Açık Devre Gerilimin Mevsimsel Olarak Değişimi ......178 Ek 5 Yaz ve Kış Aylarındaki ISC-VOC Değişimi .....................182 Ek 6 VMPP VOC Oranının Yaz ve Kış Aylarındaki Değişimi ..184 Ek 7 I MPP I SC Oranının Yaz ve Kış Aylarındaki Değişimi ..188 Ek 8 Dolum Çarpanının Mevsimsel Olarak Değişimi............192 ÖZGEÇMİŞ ................................................................................197 XVI XVII ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil 1.1 1995-2005 arasında gerçekleşen ve 2010 yılına kadar gerçekleşmesi beklenen toplam güneş pili üretimi ........................... 2 Şekil 1.2 Güneş pili teknolojisinin gelişimi.............................................. 3 Şekil 1.3 Dünya elektrik üretim kapasitesi gelişimi tahmini ve PV elektrik üretimi.................................................................................. 4 Şekil 1.4 Avrupa’da elektrik üretim maliyetinin gelişimi ........................ 6 Şekil 1.5 1993-2006 zaman aralığında farklı yarı iletken malzemelerden yapılmış güneş pillerinin veriminde olan değişimler........................ 7 Şekil 2.1 Bir yarı iletken malzemede elektron-boşluk çifti oluşumu ..... 12 Şekil 2.2 Işıma altındaki p-n eklemi (güneş pilinin çalışma prensibi) ..14 Şekil 2.3 Doğrudan geçişli band yapısına sahip bir yarı iletkende foton soğurulması ..................................................................................... 15 Şekil 2.4 Dolaylı geçişli band yapısına sahip bir yarı iletkende foton soğurulması ..................................................................................... 16 Şekil 2.5 c-Si, a-Si ve CdTe yarı iletken malzemelerin soğurma katsayılarının dalga boyuna göre değişimi ..................................... 18 Şekil 2.6 c-Si güneş pilinde toplayıcı kanallar........................................ 20 Şekil 2.7 p-Si güneş pilinde farklı bir toplayıcı kanal tasarımı............... 22 Şekil 2.8 Amorf silisyum güneş pili yapısı............................................. 23 Şekil 2.9 CdTe güneş pili yapısı ............................................................. 25 Şekil 2.10 Güneş pilinin paketlenme şekli................................................ 2 XVIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 2.11 Güneş pillerinde hiyerarşi...................................................... 28 Şekil2.12 Bir güneş pilinin veya modülün basitleştirilmiş elektronik eşdeğer devresi................................................................................ 28 Şekil 2.13 Bir güneş pilinin karanlıkta ve aydınlıkta akım-gerilim karakteristiği ................................................................................... 31 Şekil 2.14 Yarı iletkenin band aralığına göre elde edilebilecek kısa devre akım yoğunluğunun sınır değerleri ................................................. 33 Şekil 2.15 Güneş pilinin yapıldığı yarı iletken malzemenin band aralığına bağlı olarak teorik verimin değişimi ............................................... 34 Şekil 2.16 Tek kristal silisyum bir modülün akım-gerilim eğrisinin güneş pili veya modül sıcaklığı ile değişimi ............................................ 39 Şekil 2.17 Işık şiddetindeki değişimin tek kristal silisyum bir modülün akım-gerilim eğrisi üzerindeki etkisi (TC =25ºC)............................ 41 Şekil 2.18 Test edilen modüllerin yapıldığı güneş pillerinin spektral tepkileri ve güneş ışığının spektral dağılımı ................................... 42 Şekil 2.19 Hava Kütlesinin 0, 1, 2 ve 5 olduğu durumlarda doğrudan güneş ışığının spektral dağılımındaki değişimler ........................... 44 Şekil 2.20 Toplam güneş ışığının spektral dağılımında bir gün içerisindeki değişimler .................................................................... 45 Şekil 3.1 Güneş pili ölçüm sistemi.......................................................... 49 Şekil 3.2 Güneş pili ölçüm sisteminin bağlantı kutusu........................... 50 Şekil 3.3 SMS Programının ana menüsü ................................................ 51 Şekil 3.4 Ölçüm sonucunda elde edilen akım-gerilim ve güç-gerilim değişimleri…................................................................................... 52 XIX ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 4.1 Bir modüle ait akım-gerilim eğrisi üzerinde RSO ve RSHO değerleri .......................................................................................... 56 Şekil 5.1 Merkez kütüphane Üzerindeki 10kWp gücündeki şebekeye bağlı PV sistem … .......................................................................... 67 Şekil 5.2 c-Si güneş pillerinin birbirine bağlanması … .......................... 70 Şekil 5.3 Yaz aylarındaki davranışı temsilen 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması ......................................................................................................... 72 Şekil 5.4 Sonbahardaki davranışı temsilen 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması…………... 72 Şekil 5.5 Kış aylarını temsilen 8 Ocak 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akımgerilim değerlerinin karşılaştırılması ……………... ...................... 73 Şekil 5.6 İlkbahardaki davranışı temsilen 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması . ................ 73 Şekil 5.7 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması…………........................................... 76 Şekil 5.8 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması ............................................................................... 76 XX ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 5.9 8 Ocak 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması…… ....................................................................... 77 Şekil 5.10 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması…………........................................... 77 Şekil 5.11 a-Si ve CdTe ince film güneş pillerinin birbirine bağlanması …………......................................................................................... 79 Şekil 5.12 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması…………........................................... 80 Şekil 5.13 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması………............................................... 81 Şekil 5.14 8 Ocak 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması………… ............................................................... 81 Şekil 5.15 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. ……................................................. 82 Şekil 5.16 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. ………............................................. 85 Şekil 5.17 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. ……................................................. 85 XXI ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 5.18 8 Ocak 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. ……… ................................................................. 86 Şekil 5.19 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. ………............................................. 86 Şekil 5.20 Akım Gerilim eğrisi üzerine (RS) seri direnç etkisinin benzetişimi. …… ............................................................................ 88 Şekil 5.21 AS1206 m-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması ..................... 89 Şekil 5.22 AS1206 m-Si modülde 14 Mayıs 2005’te ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması… .................. 91 Şekil 5.23 S105 p-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması................................................ 93 Şekil 5.24 KA58 a-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması................................................ 95 Şekil 5.25 ATF43 CdTe modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması ......................................... 97 Şekil 5.26 Test edilen modüllerde yaz ve kış aylarında ölçülen ve hesaplanan (RS) seri direnç değerleri ............................................ 99 Şekil 5.27 Akım Gerilim eğrisi üzerine (RSH) paralel direnç etkisinin benzetişimi… ................................................................................ 100 Şekil 5.28 AS1206 m-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması.................................. 101 XXII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 5.29 AS1206 m-Si modülde 14 Mayıs 2005’te ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması ............... 102 Şekil 5.30 S105 p-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması.................................. 104 Şekil 5.31 KA58 a-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması.................................. 106 Şekil 5.32 ATF43 CdTe modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması.................................. 108 Şekil 5.33 Test edilen modüllerde yaz ve kış aylarında ölçülen (RSH) paralel direnç değerleri................................................................. 110 Şekil 5.34 Akım gerilim eğrisi üzerine (a) düzeltilmiş idealite faktörü etkisinin benzetişimi ..................................................................... 111 Şekil 5.35 AS1206 m-Simodülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması............. 112 Şekil 5.36 AS1206 m-Si modülde 14 Mayıs 2006’da ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması. ....................................................................................................... 113 Şekil 5.37 S105 p-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması............. 114 Şekil 5.38 KA58 a-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması............. 117 Şekil 5.39 ATF43 CdTe modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması............. 119 XXIII ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 5.40 Test edilen modüllerde yaz ve kış aylarında hesaplanan (a) düzeltilmiş idealite faktörü değerleri ............................................ 121 Şekil 5.41 Akım-gerilim eğrisi üzerine (IO) karanlık doyma akımı etkisinin benzetişimi ..................................................................... 122 Şekil 5.42 Test edilen ATF43 CdTe modül için kısa devre akımının açık devre gerilimine göre değişimi...................................................... 125 Şekil 5.43 AS1206 m-Si modülde akım-gerilim eğrisi üzerine (IL) ışıkla üreyen akım etkisinin benzetişimi ................................................ 129 Şekil 5.44 Test edilen modüller için bir yıl boyunca ışıkla üreyen akımın ışık şiddetiyle değişimi ................................................................. 131 Şekil 5.45 Test edilen modüller için bir yıl boyunca ışıkla üreyen akımın değişimi......................................................................................... 132 Şekil 5.46 AS1206 m-Si modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi......................................................................................... 134 Şekil 5.47 S 105 p-Si modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi ....................................................................................................... 135 Şekil 5.48 KA58 a-Si modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi ....................................................................................................... 135 Şekil 5.49 ATF43 CdTe modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi......................................................................................... 136 Şekil 5.50 Test edilen modüllerde I MPP I SC oranının I SC ’ye göre değişimi......................................................................................... 138 XXIV ŞEKİLLER DİZİNİ (devam) Sayfa Şekil 5.51 Test edilen modüllerde FF dolum çarpanının I SC ’ye göre değişimi......................................................................................... 140 Şekil 5.52 Test edilen modüllerde ISC kısa devre akımının ışık şiddetine göre değişimi................................................................................. 142 Şekil 5.53 Test edilen modüllerin Ocak ve Temmuz aylarında seçilen iki gün için verimin modül sıcaklığıyla değişimi.............................. 143 Şekil 5.54 Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında test edilen modüller için öğle saatlerinde hesaplanan verimin aylara göre değişimi............ 148 XXV ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge 2.1. İki farklı güneş pili paketleme şekli için güneş pili veya modül sıcaklığının belirlenmesinde kullanılan sıcaklık katsayıları 38 Çizelge 2.2 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemelerin band aralıkları ................................................................................. 42 Çizelge 2.3 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemeler için güneş ışınımının doğrudan bileşenlerinin dağılımı için katsayılar 46 Çizelge 2.4 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemeler için güneş ışınımının yayılı bileşenlerinin dağılımı için katsayılar ...... 46 Çizelge 2.5 Test edilen modüller için güneş ışınımının yerden yansıyarak gelen bileşenlerinin dağılımı için katsayılar ................................... 46 Çizelge 5.1 AS1206 m-Si modülün STC’deki elektriksel özellikleri .... 70 Çizelge 5.2 AS1206 m-Si modülün STC’deki fiziksel parametreleri..... 71 Çizelge 5.3 S105 p-Si modülün STC’deki elektriksel özellikleri........... 75 Çizelge 5.4 S105 p-Si modülün STC’deki fiziksel parametreleri........... 75 Çizelge 5.5. KA58 a-Si modülün STC’deki elektriksel özellikleri......... 78 Çizelge 5.6. KA58 a-Si modülün STC’deki fiziksel parametreleri ........ 79 Çizelge 5.7. ATF43 CdTe modülün STC’deki elektriksel özellikleri .... 83 Çizelge 5.8. ATF43 CdTe modülün STC’deki fiziksel parametreleri .... 84 Çizelge 5.9 AS1206 m-Si modül için seri direnç katsayıların aylara göre değişimi ve regresyon analizi.......................................................... 92 XXVI ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Sayfa Çizelge 5.10 S105 p-Si modül için seri direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi.......................................................... 94 Çizelge 5.11 KA58 a-Si modül için seri direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi.......................................................... 96 Çizelge 5.12 ATF43 CdTe modül için seri direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi.................................................. 98 Çizelge 5.13 AS1206 m-Si modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi................................................ 103 Çizelge 5.14 S105 p-Si modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi................................................ 105 Çizelge 5.15 KA58 a-Si modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi................................................ 107 Çizelge 5.16 ATF43 CdTe modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi................................................ 109 Çizelge 5.17 AS1206 m-Si modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi .............. 114 Çizelge 5.18 S105 p-Si modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi .............. 116 Çizelge 5.19 KA58 a-Si modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi .............. 118 Çizelge 5.20 ATF43 CdTe modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi .............. 120 XXVII ÇİZELGELER DİZİNİ (devam) Sayfa Çizelge 5.21 Test edilen modüllerin 25ºC civarındaki modül sıcaklığında yaz ve kış aylarında hesaplanan IO karanlık doyma akımı değer aralığı............................................................................................. 126 Çizelge 5.22 Test edilen modüllerin 8 Ocak 2006 ve 12 Temmuz 2005 günü sıcaklık verim katsayıları. .................................................... 145 Çizelge 5.23 Test edilen modüllerin 1000±10W/m2 ışık şiddetlerindeki sıcaklık verim katsayıları. ............................................................. 146 XXVIII XXIX SİMGELER ve KISALTMALAR Simgeler a aref a0,a1,a2 a A AM α a-Si b b Beff c C0,1,..8 CdTe CIGS c-Si Ct DC Deff ∆T E1 E2 Eg,EG EPIA ERMS ESTI Açıklama Düzeltilmiş idealite faktörü STC’deki düzeltilmiş idealite faktörü Düzeltilmiş idealite faktörü ışık şiddeti katsayıları Spektral tepki bulanıklık katsayısı Güneş pili yüzey alanı Hava kütlesi Soğurma Katsayısı (absorption coefficient) Amorf silisyum Rüzgar hızı-Güneş pili arasındaki sıcaklık katsayısı Spektral tepki hava kütlesi katsayı Etkin güneş ışığının doğrudan gelen bileşeni Spektral tepki katsayı King modeli katsayıları Kadmiyum Tellür Bakır, İndiyum/Galyum, Selenyum (CuInGaSe2) Tek ve Çok Kristalli Silisyum Işık şiddeti-güneş pili sıcaklığı arasındaki katsayı Doğru akım (Direct Circuit) Etkin güneş ışığının yayılı gelen bileşeni Paketleme malzemesi sıcaklık aralığı Değerlik Bandındaki Enerji Seviyesi İletim Bandındaki Enerji Seviyesi Yarı iletken malzemenin band aralığı Avrupa Fotovoltaik Birliği Akım hesabındaki hata European Solar Test Installation XXX SİMGELER ve KISALTMALAR (devam) Simgeler Açıklama f fB fD FF fR Spektral tepki fonksiyonu Spektral tepki fonksiyonu doğrudan gelen bileşeni Spektral tepki fonksiyonu yayılı gelen bileşeni Dolum çarpanı Spektral tepki fonksiyonu yerden yansıyarak gelen bileşeni STC'deki ışık şiddeti Toplam etkin ışık şiddeti G* Geff Gref h I*SC I IEA I0 IO,ref IBD ID IL IMPP ISC ISH ITRW IX IXX k1 k2 STC’deki ışık şiddeti Planck Sabiti STC’deki kısa devre akımı Güneş pili veya modül çıkış akımı Uluslararası Enerji Ajansı Karanlık doyma akımı STC’deki güneş pili veya modül karanlık doyma akımı Arka diyot akımı Diyot akımı Işıkla üreyen akım Maksimum güç noktasındaki akım Kısa devre akımı Kaçak akım TRW modelindeki güneş pili veya modül akımı VX durumundaki akım VXX durumundaki akım TRW modelindeki gerilim katsayısı TRW modelindeki exponansiyel terim katsayısı XXXI SİMGELER ve KISALTMALAR (devam) Simgeler Açıklama kB K Kt λ κ m MPP m-Si µc-Si µISC Boltzmann Sabiti Kelvin Bulanıklık Dalga boyu Orantı katsayısı Karanlık doyma akımını sıcaklığa bağlayan üstel katsayı Maksimum Güç Noktası Tek kristal silisyum Mikro kristal silisyum µVOC ν n NCS NOCT η P PMPP PV PVPS PVSYST P0 Pi p-Si q Modülün kısa devre akımı sıcaklık katsayısı Modülün açık devre gerilimi sıcaklık katsayısı Frekans Diyot idealite faktörü Seri bağlı güneş pili/modül sayısı Güneş pili/modül Normal Çalışma Sıcaklığı (Normal Operating Cell Temperature) Güneş pili veya modülün elektriksel güç çevrim verimi Basınç Maksimum güç noktasındaki güç Fotovoltaik Fotovoltaik Güç Sistemleri Programı Fotovoltaik Sistem benzetişim programı Deniz seviyesindeki basınç Güneş pili veya modül yüzeyine gelen ışığın gücü Çok kristalli silisyum Elektron yükü XXXII SİMGELER ve KISALTMALAR (devam) Simgeler Açıklama Reff RL RS rS1, rS2 RSH , RP RSHO RSO rSH1, rSH2 R2 Etkin güneş ışığının yerden yansıyarak gelen bileşeni Yük direnci Seri direnç Seri direnç ışık şiddeti katsayıları Paralel direnç Kısa devre durumunda akım-gerilim eğrisinin eğimi Açık devre durumunda akım-gerilim eğrisinin eğimi Paralel direnç ışık şiddeti katsayıları SMS σ STC SWE T1 T2 Ta TC TC,ref Tm θ UF V VMPP VOC Belirleme katsayısı Güneş pili ve modül karakterizasyon programı (Solar Measuring System) Standart sapma Standart Test Koşulları (Standard Test Conditions) Staebler Wronski Etkisi (Staebler Wronski Effect) Düşük rüzgar hızlarında üst sıcaklık limiti Yüksek rüzgar hızlarında alt sıcaklık limiti Çevre sıcaklığı Güneş pili sıcaklığı STC’deki güneş pili sıcaklığı Modül arka yüzeyinde ölçülen sıcaklık (bu çalışmada TC =TM alınmıştır) Güneşin geliş açısı Yararlı oran (Useful Fraction, Utilisation Factor) Güneş pili veya modül çıkış gerilimi Maksimum güç noktasındaki gerilim Açık devre gerilimi XXXIII SİMGELER ve KISALTMALAR (devam) Simgeler Açıklama VX VXX Açık devre geliminin yarısı Açık devre gerilimi ve maksimum güç noktasındaki gerilimlerin toplamının yarısı Global Değişim Alman Danışma Kurulu (German Advisory WBGU Council On Global Change) Wp ωs STC’deki güç Rüzgâr hızı 1 1 GİRİŞ Güneş pilleri (güneş gözeleri) güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik (PV) aygıtlardır. Güneş pilleri, mevcut elektrik üretim tekniklerinin beraberinde getirdikleri olumsuz etkilerden kurtulmada yardımcı olmaktadır. Güneş pilleri, çok geniş bir uygulama sahası için çok geniş bir coğrafi alanda elektrik üretilebileceğini göstermektedir. Güneş pilleri, 50 yılı aşkın bir süredir uzay araçlarının güvenilir bir güç kaynağı olmayı sürdürmektedir. Son yıllarda baş gösteren çevre sorunları nedeniyle, mevcut elektrik üretim teknolojileri irdelenmeye başlanmış ve çevre ile dost olabilen yeni sistemlerin geliştirilmesi üzerine sürdürülen çalışmalar ivme kazanmıştır. Bunun neticesinde de, artan güç çevrim verimleri ve geliştirilen elektronik yardımcı sistemler sayesinde güneş pilleri sadece uzay araçlarının değil, yeryüzünde kullandığımız elektrik gereksinimi olan her cihazın güç kaynağı olabilme özelliğini kazanmıştır. Güneş pillerini diğer elektik üretim sistemlerinden ayıran en önemli özelliklerden birisi çevreye duyarlı olmasıdır. Ayrıca güneş enerjisi adildir; çünkü herkesin güneşe ulaşabilme şansı vardır. Son yıllarda artan araştırma ve geliştirme çalışmaları neticesinde ve ülkelerin temiz enerjileri kullanmaya yönelik özendirici ve destekleyici politikaları ile fotovoltaik çevrim verimi yükselmiş, üretim kapasiteleri artmış ve birim maliyetler düşmüştür. Dünyadaki güneş pili yıllık toplam üretimi, 1980 yılında 5MWp (Wp, 1000W/m2 ışık şiddeti ve 25ºC güneş pili sıcaklığında ölçülen güç) 2 iken 2000 yılında 288MWp, 2004 yılında 1200MWp ve 2005 yılı sonunda ise yıllık toplam 1700MWp olarak gerçekleşmiştir (Maycock 2006). Sektördeki mevcut büyüme oranları dikkate alınarak yapılan öngörüde 2010 yılında üretilmesi beklenen toplam güneş pili gücünün 10,4GWp değerinin üzerinde olması beklenmektedir (Şekil 1.1). Şekil 1.1 1995-2005 arasında gerçekleşen ve 2010 yılına kadar gerçekleşmesi beklenen toplam güneş pili üretimi (Jäger-Waldau 2006; Rogol et al. 2006). Üretilen güneş pillerinin çok büyük bir bölümü şebeke bağlantılı sistemlerde kullanılmıştır. 2000–2003 arasında yıllık %30’larda gelişen şebeke bağlantılı fotovoltaik sistem kurulumu 2005 yılı sonu itibariyle 2004 yılına göre %55’in üzerinde büyümüştür. Uluslararası Enerji Ajansı (IEA) tarafından hazırlanan Fotovoltaik Güç Sistemleri Programı’nda (PVPSP) 2004 yılında 50.000 kişi olarak belirtilen PV sektöründe çalışan insan sayısı, 2005 yılında beklentileri aşarak 70.000’in üzerine çıkmıştır (IEA-PVPS 2006). 2005 yılında gerçekleşen güneş pili üretimimin %65’i sistem kurulumunda kullanılmıştır. Almanya başta olmak üzere 3 uygulanan destekleyici programlar neticesinde 2001–2005 yılları arasında Avrupa’daki kurulu güneş pili kapasitesi altı kat artarak 2005 yılı sonunda 1,8GWp değerine ulaşmıştır. Avrupa’daki güneş pili sistemlerinin %85’inden fazlası Almanya’da bulunmaktadır. 2,0GWp olan dünyadaki şebeke bağlantılı fotovoltaik sisteme 2005 yılında 1,1GWp daha eklenerek toplam kurulu güç 3,1GWp seviyesine ulaşmıştır (REN21 2006). Şekil 1.1’deki üretim artışından da görüleceği üzere güneş pili pazarı da hızla artmaktadır. 2006 Ağustos sonu itibariyle 30 adet güneş pili üreten firmanın toplam pazar kapasitesi 20 milyar€’nun üzerindedir (Jäger-Waldau 2006). 2005 yılında üretilen güneş pillerinin %94’ünü tek ve çok kristalli silisyum (c-Si) güneş pilleri oluştururken, ince film güneş pillerinin dünya güneş pili üretimindeki payı sadece %6 oranında kalmıştır. 2010 yılında ise bu oranın iki katına çıkarak, dünya güneş pili üretiminin %12’sinin ince film olması hedeflenmektedir. Bazı firmaların koydukları hedeflerin gerçekleşmesi durumunda ise bu oranın %20’lere çıkması beklenmektedir (Şekil 1.2). MW 3500 GW 140 %25 %30 3000 120 c-Si 2500 100 ince film 2000 80 “yeni teknolojiler" 1500 60 1000 40 500 20 0 2002 2005 2010 2015 2020 2025 2030 0 Şekil 1.2 Güneş pili teknolojisinin gelişimi (Hoffmann 2005a). 4 2030 yılında ise ince film güneş pili üretiminin ve geliştirilecek yeni teknolojilerle üretilecek güneş pillerinin kapasitesinin c-Si güneş pillerinden daha fazla olması beklenmektedir (PV News 2006). IEA tarafından yapılan öngörülere göre 2002 yılında 16,074TWh olarak gerçekleşen dünya elektrik üretiminin her yıl %2,5 artarak 2030 yılında 31.657TWh değerine ulaşması beklenmektedir (IEA 2004). 2020’li yıllarda güneş pillerinden üretilen elektrik enerjisinin konvansiyonel enerji kaynakları kullanılarak üretilen elektrik enerjisi ile yarışabilir düzeye geleceği beklenmektedir. Dünya elektrik ihtiyacının gelişimi ile yıllık 3.500 saatlik kapasite faktörüyle (toplam çalışma süresi) güneş pillerinden üretilebilecek elektrik enerjisinin yıllara göre beklenen değeri Şekil 1.3’te gösterilmektedir. 2020’li yılların hemen başında dünya elektrik tüketiminin %1’inin ve 2040 yılında yaklaşık %15’inin güneş pillerinden karşılanması hedeflenmektedir (Aulich et al. 2004; Hoffmann 2005b). Şekil 1.3 Dünya elektrik üretim kapasitesi gelişimi tahmini ve PV elektrik üretimi (Hoffmann 2005b). 5 Global Değişim Alman Danışma Kurulu (WBGU) tarafından hazırlanan senaryolardan birine göre, 2100 yılında toplam 1.600EJ (1EJ = 1018 J) olması beklenen dünya yıllık enerji dönüşümünün yaklaşık 900EJ’lik kısmının (yaklaşık %56) güneş pilleri ve güneş termal (elektrik) ile karşılanabileceği belirtilmektedir (EPIA 2006; WBGU 2003). Güneş pillerinden üretilecek elektrik enerjisinin konvansiyonel kaynaklarla üretilen elektrik enerjisiyle yarışabilir konuma gelmesi, güneş pillerinin üretim maliyetlerinin düşmesi ve güneş pillerinin elektriksel çevrim verimlerinin artması ile mümkündür. Güneş elektriğinin birim maliyetinde azalma beklenmesinin yanında konvansiyonel kaynaklardan üretilecek elektriğin de birim maliyetinin artması beklenmektedir. 1MW gücündeki bir güneş pili sistemi için 20 yıllık bir geri ödeme süresi içerisinde, sistemin bakım maliyeti göz önüne alınarak 4€/Wp güneş pili birim maliyeti ile beklenen enflasyonun %2 üzerinde faiz uygulanan bir kredi kullanılarak sistemin kurulduğu düşünüldüğünde, güneş kuşağında yer alan ülkeler için güneş pillerinden üretilebilecek elektriğin maliyetinin, sosyal etkiler de dikkate alındığında, çok da yüksek olmadığı Şekil 1.4’te görülmektedir (Oktik 2006; Hoffmann and Teske 2006). Avrupa’da kuzeyden güneye doğru gidildikçe birim alana düşen güneş enerjisinin artması nedeniyle güneş pilleri daha fazla elektrik üretebilmekte ve üretilen elektriğin birim maliyeti azalmaktadır. Şekil 1.4’te bu çalışmanın yapıldığı Güney Ege bölgesi dikkate alındığında yıllık elektrik üretiminin kWp kurulu güç başına 1.250-1.450kWh 6 olacağı, elektriğin birim maliyetinin ise 17–19 ¢€/kWh olacağı görülmektedir. Şekil 1.4 Avrupa’da elektrik üretim maliyetinin gelişimi (Oktik 2006; Hoffmann and Teske 2006) Bilim insanları, yaklaşık yarım yüzyıldır laboratuarlarda güneş pili verimini yükseltme çabası içerisindedirler. Farklı malzemelerden küçük boyutlardaki güneş pilleri için 1993 yılından 2006 yılına kadar elde edilmiş en yüksek güç çevrim verimindeki değişimler Şekil 1.5’de gösterilmektedir. Son on yıl içerisinde organik ve katmanlı güneş pilleri haricinde verimlerde çok büyük bir ilerleme kaydedilememiştir. Laboratuar ortamında yapılan çalışmalardaki çeşitliğe rağmen ticari olarak piyasada kristal silisyum (c-Si), amorf silisyum (a-Si), Kadmiyum-Tellür (CdTe) ve Bakır-Indiyum/Galyum-Diselenyum (CIGS, CuInGaSe2) güneş pilleri bulunmaktadır ve modül bazında büyük alanlarda elde edilen verimler, güneş pili boyutunda küçük alanlarda elde edilen ve Şekil 1.5’de ifade edilen verimlerden %1–4 daha azdır. Güneş pilleri genellikle üretici firmalar tarafından Standart Test Koşullarında (STC: AM 1.5 koşullarında 1000W/m2 güneş ışığı şiddeti altında ve 7 25°C güneş pili sıcaklığı) test edilerek piyasaya sürülürler. Güneş pillerinin işletme koşullarında ise bu koşullara çok az rastlanmaktadır. Bu nedenle güneş pillerinin ortam koşullarındaki performansında görülen değişimin araştırılması ve modellenmesi gerekmektedir. Bölüm 2’de işletme koşullarının, performans üzerine etkisi detaylı olarak tartışılmıştır. Şekil 1.5 1993-2006 zaman aralığında farklı malzemelerden yapılmış güneş pillerinin veriminde olan değişimler (a-Si ve µc-Si güneş pillerinin verimlerindeki düşüş kararsızlıktan kaynaklanmaktadır) (Green et al. 2005). Bu çalışmada, değişik teknolojiler kullanılarak üretilmiş birbirinden bağımsız dört farklı güneş pilinin bir yıllık gözlem süresi içerisinde, dış ortamda sergilemiş oldukları performans incelenmiş ve güneş pillerinin iç parametrelerindeki değişimler elde edilen akımgerilim eğrileri kullanılarak seçilen bir model ile hesaplanmıştır. Bölüm 5’te özellikleri verilen incelenen güneş pilleri, dünya piyasasında çokça 8 kullanılan ve yeni teknolojilerle öne çıkmaya aday olan; tek veya mono kristal silisyum (m-Si), çok kristalli silisyum (p-Si), amorf silisyum (a-Si) ve Kadmiyum Tellür (CdTe) güneş pilleridir. Güneş pillerinin akım-gerilim karakteristiklerini hassas, hızlı ve kesintisiz belirleyebilmek için Aescusoft GmbH firmasına, Bölüm 4’te özellikleri ve çalışma prensibi anlatılan, 20 kanallı bir “Güneş Pili Ölçüm” ünitesi tasarlattırılmış ve ölçümler gerçekleştirilmiştir. Akımgerilim değerleri ölçülürken eş zamanlı olarak ışık şiddeti, çevre sıcaklığı, rüzgâr hızı gibi meteorolojik değerler de kaydedilmiştir. Bölüm 4’te güneş pillerinin matematiksel modellemesinde kullanılan modellemeler tartışılmıştır. Dünyanın farklı iklim koşullarına sahip birçok yerinde farklı materyaller için performans belirleme çalışmaları yapılmış ve bu çalışmaların çoğunda enerji üretim farklılıkları incelenmiştir. Daha önce yapılan çalışmalarda, ortam koşullarında farklı güneş pillerinin iç parametrelerinde olan değişim incelenmesine rağmen dört farklı teknoloji kullanılarak üretilmiş güneş pilleri için değişimin incelenmesi eş zamanlı olarak gerçekleştirilmemiştir. Genellikle benzetişim (simülasyon) sonuçlarıyla elde edilen sonuçlar kullanılmış, enerji üretim değerlerinin karşılaştırılmaları yapılmıştır. Bölüm 5’te gerçek işletme koşullarında elde edilen akım-gerilim karakteristikleri üzerine incelemeler yapılarak çevre koşullarının güneş pili parametrelerindeki değişimi incelenmiştir. Seçilen modelin ölçülen değerlerle uyum içerisinde olduğu görülene kadar benzetişimler yapılmıştır. Benzetişimler sonucunda elde edilen değerlerden yola 9 çıkılarak performansı etkileyen parametreler dört farklı güneş pili için hesaplanmıştır. Nisan 2005-Temmuz 2006 arasındaki 16 aylık süre içerisinde işletme koşullarında güneş pili parametrelerinde oluşan değişim tespit edilmiştir. Bu çalışmada, farklı malzemelerden ve farklı teknolojilerden oluşan güneş pillerinin mevsimsel olarak göstermiş oldukları performans farklılıklarının, kıyı ve Güney Ege bölgeleri için araştırılması amaçlanmıştır. Ayrıca dünya pazarında öne çıkan silisyum (tek kristal, çok kristalli ve amorf) ve CdTe güneş pillerinin performansları incelenmiştir. Bu çalışma ile çalışmanın gerçekleştirildiği Muğla iklim koşullarında test edilen güneş pilleri içerisinde performans açısından ön plana çıkan teknoloji belirlenebilecek ve bölgede güneş pili kullanılacak sistemlerde tercih edilen teknolojiye göre elde edilebilecek performans önceden kestirilebilecektir. Kullanıcılar ve enerji politikaları için yol haritası çizilebilecektir. 10 11 2 GÜNEŞ-ELEKTRİK DÖNÜŞÜMÜ Güneş-elektrik dönüşümü, optiksel ve elektriksel özellikleri bu dönüşüme uygun olarak seçilen yarı iletken malzemelerden yapılmış güneş pilleri ile gerçekleştirilir. Birim alana gelen güneş enerjisinin hangi oranda elektrik enerjisine dönüştürülebileceğini belirleyen, güneş pillerinin verimidir. Bu bölümde, güneş pillerinin yapısı, çalışma prensibi ve performansı etkileyen parametreler kısaca gözden geçirilmektedir. Sonraki bölümlerde daha detaylı bir inceleme yapılacaktır. Standart performans parametrelerinin tanımlanması ve işletme koşulları üzerinde beklenen etkilerinin ifade edilmesi amaçlanmaktadır. 2.1 Güneş Pillerinin Yapısı Yarı iletkenlerde değerlik elektronlarının bulunduğu enerji bandına “değerlik bandı” ve elektronların bulunamayacağı “yasak enerji” aralığından sonra elektronların yer alabileceği ilk enerji seviyelerinden başlayan enerji bandına da “iletkenlik bandı” adı verilir. Yasak enerji aralığının büyüklüğü maddenin yarı iletken ya da yalıtkan olarak sınıflandırılmasının ölçüsüdür. Yasak enerji aralığı 3eV değerinden daha büyük olan maddeler genellikle yalıtkan olarak sınıflandırılır. Güneş ışınımında enerji taşıma birimleri olarak tanımladığımız fotonların enerjisi, yasak enerji aralığına eşit ya da ondan büyük ise, değerlik bandındaki bir elektrona enerjisini aktararak onu iletkenlik bandına çıkarır (Şekil 2.1). Elektron, ait olduğu atomu terk etmiş 12 olacağından, geride dengelenmemiş bir artı yük kalacaktır. Değerlik bandında kalan bu pozitif yüke “boşluk” adı verilir. Sonuç olarak, yarı iletken üzerine düşen fotonun enerjisi, enerji aralığına eşit ya da büyük ise, bir elektron-boşluk çifti yaratılmış olur. Yasak enerji aralığından daha küçük enerjiye sahip enerjiler elektron-boşluk çifti yaratmaya yetmez ve fotovoltaik dönüşüme katkıları yoktur (Oktik 2000). Serbest elektron Band aralığı boşluk Şekil 2.1 Bir yarı iletken malzemede elektron-boşluk çifti oluşumu. İletkenlik bandına çıkmış elektronlar, burada saniyenin milyonda biri basamağında (µs mertebesinde) bir süre kalıp, değerlik bandına geri dönme eğilimindedirler. Elektronların iletkenlik bandında kaldıkları süreye “ömür süresi” adı verilir. Eğer iletkenlik bandına çıkmış elektronlar (eksi yükler) ömür süreleri içerisinde boşluklardan (artı yükler) bir etki nedeni ile ayrılmazlar ise, elektriksel akıma ve sonuçta güneş-elektrik dönüşüme katkısı olmayacaktır. Güneş pillerinde, elektron-boşluk çiftlerinin birbirlerinden ayrılarak, akımın oluşumunu sağlayacak kuvvet, elektriksel iletkenlik karakteristikleri farklı olan yarı iletkenlerin bir araya getirilmesiyle yapılan yarı iletken diyotların ara yüzey bölgesinde meydana gelen iç elektrik alanı ile gerçekleşir. 13 Saf yarı iletkenin yapısal özelliklerini bozmayacak tutarda ve denetimli bir biçimde yarı-iletken kristale yerleştirilen yabancı atomlara “safsızlık-atomları” ve bu işlemede “katkılama” (doping) adı verilir. Saf silisyum kristali içerisine değerlik elektron sayısı beş olan fosfor atomu katkılanırsa, fosfor atomu, silisyum atomunun yerine oturup dört değerlik elektronu ile silisyumun daha önce kristal içerisinde yaptığı bağları sağlar iken, fosforun beşinci değerlik elektronu açıkta kalacaktır. Fosfor atomuna çok zayıf olarak bağlı olan bu elektron çok küçük bir enerji ile atomundan ayrılarak silisyum kristalinin iletkenlik bandına çıkacaktır. Bu şekilde katkılanmış yarı iletkenlerde elektriksel yük, elektronlar ile iletkenlik bandında taşınır ve bu nedenle bu yarı iletkenler n-tipi olarak sınıflandırılır. Saf silisyum kristali içerisinde değerlik elektron sayısı üç olan bor atomu katkılandığında: Silisyum atomunun yerini alan bor atomu, silisyum kristalindeki üç atomla bağ yaparken dördüncü atomla paylaşacağı elektronu olmadığı için, bir eksik bağ ortaya çıkacaktır. Bu şekilde katkılanmış yarı-iletkenlerde değerlik bandındaki boşlukların sayısı iletkenlik bandındaki serbest elektron sayısından daha çok olduğundan, çoğunluk taşıyıcıları artı yükleri gibi düşünülen boşluklardır. Boşlukların çoğunluk taşıyıcısı olduğu bu tür malzemelere p-tipi yarı iletken adı verilir. Fiziksel olarak n-tipi bir yarı iletken ile p-tipi bir yarı iletken birleştirildiğinde p-n eklemi oluşturulmuş olur. Oluşturulan eklem üzerine güneş ışığı düşürüldüğünde, p-tipi yarı-iletkende, iletkenlik bandına çıkarılmış ve birleşme noktası etrafında oluşan boşaltılmış bölge sınırına ulaşmış azınlık taşıyıcıları elektronlar, hızla n-tipi bölgeye çekilirler (Şekil 2.2). Aynı yaklaşımla, n-tipi bölgede elektronların iletkenlik bandına geçmesi ile değerlik bandında kalan azınlık taşıyıcıları 14 boşluklar boşaltılmış bölgenin kıyısına ulaştıklarında p-tipi bölgeye geçerler. Bu biçimde birbirlerinden ayrılmış elektronlar ve boşluklar, bir dış devre üzerinden birleştirildiğinde, dış devre elemanlarından akan elektriksel yükler, doğrudan güneş enerjisinden elde edilen elektrik enerjisinin kaynağıdır (Oktik 1999). Uyarılmış elektronlar dış devreyi dolaşmadan yarı iletken içerisinde tekrar uyarıldıkları seviyeye geri dönerler ise akıma katkıda bulunamazlar böyle durumlara da yeniden birleşme veya rekombinasyon adı verilir. Şekil 2.2 Işıma altındaki p-n eklemi (güneş pilinin çalışma prensibi). Güneş pillerinde, farklı şekillerde katkılanmış aynı yarı iletken malzeme (soğurucu tabaka n-tipi silisyum ve tabanda p-tipi silisyum) kullanılabileceği gibi soğurucu tabakada farklı bir yarı iletken, n tipi CdS (Kadmiyum sülfür), tabanda ise farklı bir yarı iletken, p-tipi CdTe (Kadmiyum tellür) kullanılabilir. Aynı yarı iletken malzeme kullanılarak eklem elde edilmiş ise homoeklem, farklı yarı iletkenler kullanılarak eklem elde edilmiş ise oluşturulan ekleme heteroeklem adı verilir. Bir güneş pilinde, yüzeye gelen güneş enerjisini daha iyi soğurabilmek için 15 farklı band aralıklarına sahip, her biri ayrı birer güneş pili gibi düşünülebilecek üst üste yerleştirilmiş farklı eklemler de kullanılabilir. Band aralığı geniş olandan dar olana doğru alt alta dizilmiş bu tür güneş pillerine de çok eklemli güneş pilleri denir. Bir güneş pilinin çalışması ışığın soğurularak elektron-boşluk çiftinin oluşturulması esasına dayanmaktadır. Uyarılmış bir elektronun (yerinde bir boşluk bırakarak) değerlik bandından doğrudan iletim bandına geçişi temel soğurma (fundamental absorption) olarak adlandırılır (Luque and Hegedus 2003). Soğurma işlemi esnasında enerji ve momentum korunur. Foton momentumu kristal momentumuyla karşılaştırıldığında çok düşüktür. Şekil 2.3’te gösterildiği gibi, hν = E 2 − E1 enerjisine sahip bir fotonun soğurularak, değerlik bandında E1 enerji seviyesinde bulunan bir elektronu iletim bandındaki E2 enerji seviyesine çıktığı duruma doğrudan geçiş (direct transition), bu tür yarı iletkenlere de doğrudan geçişli yarı iletkenler denir. hν enerjili bir foton için soğurulma katsayısı α (hν ) olarak ifade edilir ve E1 enerji seviyesindeki elektron yoğunluğu ve E2 enerji seviyesindeki uygun durumların yoğunluğu ile orantılıdır. Şekil 2.3 Doğrudan geçişli band yapısına sahip bir yarı iletkende foton soğurulması. 16 Bu tür yarı-iletkenlerde bir elektron boşluk çifti oluşturmak için sadece band aralığı kadar veya enerji seviyeleri arasındaki fark kadar enerji yeterlidir. Çünkü momentumda herhangi bir değişim söz konusu değildir. Doğrudan geçişli bir yarı iletkende soğurma katsayısı, A* bir sabit ve EG yarı iletken malzemenin band aralığı olmak üzere, α (hν ) ≈ A* (hν − EG )1 / 2 (2-1) şeklinde gelen foton enerjisine bağlı olarak yazılabilir. Dolaylı geçişli yarı iletkenlerde ise değerlik bandının en üst enerji seviyesi ile iletim bandının en düşük enerji seviyesi farklı kristal momentumlarına karşılık gelmektedir. Bu tür yarı iletkenlerde foton soğurulması esnasında enerji ile birlikte momentumun da korunması için enerjisi düşük fakat momentumu yüksek fononlara ihtiyaç vardır. Dolaylı geçişli band yapısına sahip bir yarı iletkende fonon soğurulmasına eşlik eden fonon soğurulması ve fonon yayılması Şekil 2.4’te gösterilmektedir. Şekil 2.4 Dolaylı geçişli band yapısına sahip bir yarı iletkende foton soğurulması. 17 Dolaylı geçişli band yapısına sahip yarı iletkenlerde soğurma işleminin tamamlanabilmesi için bir elektron ve bir fonona ihtiyaç vardır. Bu durumda soğurma katsayısı sadece iletim bandındaki elektronların geçişi için uygun seviyelere değil aynı zamanda soğurulan ve yayılan fononların uygun momentumlarına da bağlıdır. Bu nedenle soğurma katsayısı, dolaylı geçişli band yapısına sahip yarı iletkenlerde doğrudan geçişli band yapısına sahip yarı iletkenlere göre biraz daha düşüktür (Luque and Hegedus 2003). Şekil 2.5’te doğrudan geçişli (a-Si ve CdTe) ve dolaylı geçişli (c-Si) band yapılarına sahip yarı iletken malzemelerin 300K’deki soğurma katsayılarının dalga boyuna göre değişimi gösterilmektedir. Buradan da görüleceği üzere doğrudan geçişli yarı iletkenlerin soğurma katsayıları güneş ışığındaki enerjinin büyük bölümünü taşıyan görünür bölgede daha yüksektir. Bu nedenle Bölüm 2.2’de özellikleri detaylı şekilde tartışılacağı üzere güneş pili yapımında kullanılan yarıiletkenlerden dolaylı geçişli band yapısına sahip olan c-Si’da gelen güneş enerjisinin yeterince soğurulabilmesi için 300µm ile 500µm arasında değişen kalınlıkta malzeme kullanılması gerekmektedir. Yarı iletken silisyum içerisindeki yapıtaşlarının gelişigüzel dizilişi ile malzemenin elektriksel özellikleri de büyük ölçüde değişir ve düzenli yapıda dolaylı geçişli olan c-Si düzensiz yapıda (a-Si), CdTe gibi doğrudan geçişli band yapısına sahip olur. Doğrudan geçişli bir band yapısına sahip yarı iletken görünür bölgede daha yüksek soğurma katsayısına sahip olduğu için gelen güneş enerjisinin yeterince soğurulabilmesi için (dolaylı c-Si’a göre çok ince) 3-5 µm kalınlığında bir malzeme kullanmak yeterlidir. 18 Şekil 2.5 c-Si, a-Si ve CdTe yarı iletken malzemelerin soğurma katsayılarının dalga boyuna göre değişimi (van Overstraeten and Mertens 1986). 2.2 Güneş Pilleri İçin Malzemeler 2.2.1 Tek Kristal Silisyum Güneş Pilleri (m-Si) Son zamanlara kadar üretilen güneş pillerinin çoğu tek kristal silisyum yapısındadır. Bu türde silisyum çok düzenli bir örgü yapısına sahip olup gerçekte kristal yapıda örgü kusurları ve safsızlıklar yoktur. Tek kristal silisyum, ilk olarak elektronik endüstrisi için geliştirilmiş olan 19 iyi bilinen fakat pahalı bir yöntem olan Czochralski yöntemi ile genellikle az saflıkta bulunan polikristal silisyum eriyiğinden yavaşça çekilen küçük kristal çekirdeği üzerine büyütülür (van Overstraeten and Mertens 1986). Üretici firma tasarımına göre büyüme sırasında silisyum n-tipi ya da p-tipi olarak katkılanır. Yaklaşık 0,5mm kalınlığında olan silisyum tabakaları elde edildikten sonra, örneğin, p-tipi katkılanmış ise üzerine 1nm n-tipi yüzey tabakası oluşturarak eklem diyod oluşturulur. Güneş pili yapısının tamamlanması, arka yüzeye metal kontak, ön yüzeye uygun metal ağ kontak konulduktan sonra, ön yüzeye bir yansıtmaz yüzey kaplanması (ARC, Antireflection Coating) ile gerçekleşir. Güneş pillerinin ön yüzeylerinde oluşturulan yüzeydeki gölgelenme oranı %5’in altında tutularak Şekil 2.6’da gösterilen ızgara tasarımı elde edilir (Oktik 1999). Bugüne kadar tek kristal silisyum güneş pilinden elde edilen en yüksek verim 4cm2 yüzey alanında %24,7 olarak gerçekleşmiş olup, güneş pillerinin elektriksel olarak seri, paralel bağlanmasıyla elde edilen 778cm2 yüzey alanına sahip modülde ise verim ancak %22,7 oranında gerçekleşmiştir (Green et al. 2007). Bu modülde New South Wales Üniversitesi’nde Martin A. Green tarafından 1980’li yılların ortalarından itibaren üzerinde çalışılan ve 1993 yılında gerçekleştirilen lazerle işlenmiş gömülü ızgara teknolojisi kullanılmıştır (Green et al. 1994). Bu teknolojinin getirmiş olduğu yenilik, gömülü kontak kullanılması nedeni ile elektriksel direncin düşük olması ve gölgelenme kayıplarının azaltılmasının yanında piramidimsi bir üst yüzey yapısı ile daha fazla ışığın yakalanmasının sağlanmasıdır. 20 Şekil 2.6 c-Si güneş pilinde toplayıcı kanallar. Bu şekilde elde edilen tek kristal silisyum güneş pillerinin verimlerinin yüksek olmasına rağmen, elde edilen elektrik enerjisinin maliyeti halen yüksektir. Bunun nedeni de, tek kristal silisyum güneş pillerinin yavaş, zahmetli ve enerji yoğun bir işlem olan Czochralski yöntemi kullanılarak elde edilmesidir (Fahrenbruch and Bube 1983). Bununla birlikte güneş pilleri daha az saflıkta olan silisyumdan tek kristale göre verimi biraz daha düşük olarak elde edilebilmektedir. Solargrade olarak adlandırılan bu grup silisyum hücreler elektronik endüstrisinde kullanılan çok saf olan silisyumdan çok daha ucuz olup, daha ucuz yöntemlerle elde edilebilir. 21 2.2.2 Çok Kristalli Silisyum Güneş Pilleri (p-Si) Çok kristalli malzemede damarların kristal yapılarının birbirilerine göre yönlenmeleri dışında elektriksel ve optiksel özellikleri özdeştir. Damarların büyüklükleri kristalin kalitesi ile doğru orantılıdır. Damarlar arasındaki süreksizlik, özellikle elektriksel yük taşıyıcılarının aktarılmasında önemli ölçüde engelleyici rol oynar. Çok kristalli malzemenin elektriksel özelliklerinin küçülen damar büyüklüğü ile orantılı olarak bozulması, elde edilebilecek verimliliğin tek kristalle karşılaştırıldığında küçük olmasına neden olur. Ancak çok kristalli silisyum üretim teknolojileri daha az enerji yoğun ve daha kolaydır, sonuç olarak çok kristalli silisyumun maliyeti önemli ölçüde düşüktür. Çok kristalli silisyumun üretilmesinde en çok kullanılan yöntem “dökme” yöntemidir. Çok kristalli silisyumda başlangıç malzemesi tekkristalli silisyumda olduğu gibi hazırlanır. Aranan saflık derecesi de benzer basamakta olmalıdır. Erimiş yarı iletken kalitesindeki silisyum, kalıplara dökülerek soğumaya bırakılır. Elde edilen bloklar daha sonra kare şeklinde kesilir. Bu teknoloji ile üretilen malzemelerden üretilen güneş pilleri verimliliklerinin daha az almasına rağmen, bu tür güneş pillerinde maliyetler önemli ölçüde aşağıya çekilebilmektedir (Oktik 1999). Güneş pillerinin üst yüzeyindeki akım toplayıcı kanallar, tek kristal silisyum güneş pillerinde olduğu gibi ızgara şeklinde olabileceği gibi ön yüzeyin daha az gölgelenmesini sağlamak amacıyla Şekil 2.7’de gösterildiği gibi farklı yapılarında da tasarlanabilirler. 22 Şekil 2.7 p-Si güneş pilinde farklı bir toplayıcı kanal tasarımı. Tek kristalli ya da çok kristalli silisyum güneş pilleri, verimlilikleri ve kararlılıkları ile 1950”li yıllardan bu yana kendilerini ispatlamışlardır. 2.2.3 Amorf Silisyum Güneş Pilleri (a-Si) Görünür bölgedeki soğurma katsayısı c-Si’ye göre çok büyük olan a-Si, 250ºC dolayındaki sıcaklıklarda geniş yüzeylere düzgün bir şekilde kaplanabilmektedir. Yarı iletken malzeme içerisindeki yapı taşlarının bu gelişigüzel dizilişi a-Si’nin elektriksel iletim kalitesini düşürse de, uygun yaklaşımlara yarı iletken içerisine %5-10 oranında hidrojen katılarak elektriksel özellikler fotovoltaik çevirime uygun olan düzeyde tutulabilirler (Oktik 1999). a-Si yarı iletken kullanılarak oluşturulan güneş pillerinin yapısı yaklaşık 300µm kalınlığında oluşturulan c-Si güneş pillerinde olduğu gibi p-n eklemi şeklinde değildir. a-Si güneş pillerinde 0,5µm kalınlığında bir katkılanmamış (i-intrinsic) tabakanın altı ve üstü 0,03µm kalınlığında p-tipi ve n-tipi katkılanarak p-i-n eklem yapısı oluşturulur 23 (Şekil 2.8). a-Si’de fotovoltaik etki kristal silisyumdaki ile benzerdir fakat a-Si’de yasak enerji aralığı biraz daha geniştir. Şekil 2.8 Amorf silisyum güneş pili yapısı. Ekonomik olarak değerlendirildiğinde kristal silisyuma göre amorf silisyum güneş pilleri daha ucuza üretilebilirler. Aynı zamanda soğurma katsayısı daha yüksek olduğu için çok daha ince tabakalar kullanılır. Özellikle tek kristal silisyum üretiminde 800-900ºC sıcaklıklara ihtiyaç duyulmasına rağmen, amorf silisyum üretimi 250ºC gibi nispeten daha düşük sıcaklıklarda gerçekleştirilebildiği için daha az enerji kullanılmaktadır. Sürekli üretime uygun olduğu için çelik, cam ve plastik içeren çeşitli sert ve esnek zeminler üzerine döküm tekniği ile üretilebilir. Diğer taraftan laboratuarda küçük alanlı güneş pillerinde %12’lere kadar ulaşabilen verimler elde edilmiş olmasına rağmen daha geniş alanlı güneş pillerinde %6-7 arasında gerçekleşen verimler tek kristal ve çok kristalli silisyum güneş pillerine göre daha düşük kalmaktadır. Amorf silisyum pillerinin ışık altında kaldıkları ilk birkaç yüz saat içerisinde verimleri düşmektedir. Bu süre sonunda güneş pilinin verimi kararlı hale gelse de verimi başlangıçtaki değere oranla %15-30 arasında 24 azalmaktadır. Bunun nedeni, güneş pili ışık altında kaldığında yapı içerisindeki kopuk bağların sayısında bir artış meydana gelmesi dolayısıyla azınlık taşıyıcılarının difüzyon uzunluğunu azalmasıdır. Her ne kadar 160°C civarındaki sıcaklıklara kadar ısıtıldığında malzeme elektriksel olarak tekrar eski haline dönse de, bu olay a-Si’nin pazarda kullanım alanını kısıtlamaktadır. Üretici firmalar tarafından a-Si’de ışık altında bir süre sonra meydana gelen ışıkla üreyen akımdaki azalma etkisinin (Staebler-Wronski Effect, SWE) giderilmesi ve verimin artırılmasına yönelik yoğun çalışmalar olmasına rağmen henüz tam olarak başarılı olunamamıştır (Luque and Hegedus 2003). Bu konuda en umut verici çalışmalar, çok eklemli a-Si’nin geliştirilmesi üzerine yoğunlaşmıştır ki, bu şekilde verimin artırılması ve performans düşüşünün azaltılması amaçlanmaktadır. Bununla birlikte yine de ticari olarak a-Si hücreler hesap makinesi, saat gibi düşük akım gerektiren bazı uygulamalarda güç sağlayıcı eleman olarak başarıyla kullanılmaktadır. 2.2.4 Kadmiyum-Tellür Güneş Pilleri (CdTe) Kadmiyum ve Telleryum gibi iki yarı iletkenin birleştirilmesi ile oluşturulmuş bir ince film güneş pili malzemesidir. CdTe güneş pillerinin avantajlarından biri nispeten basit ve pahalı olmayan elektrokaplama yöntemi ile elde edilebilmesidir. CdTe güneş pillerinde genellikle band aralığı 2,42eV olan 0,05-0,15µm kalınlığında n-tipi CdS (kadmiyum sülfür) ile band aralığı 1,44eV olan 3-5µm kalındığında p-tipi CdTe kullanılarak heteroeklem bir yapı oluşturulur (Şekil 2.9). 25 Şekil 2.9 CdTe güneş pili yapısı. CdTe’ün band aralığı güneş spekturumundan maksimum dönüşümü elde etmek için gerekli olan değere oldukça yakındır. 1cm2 boyutunda küçük alanlı CdTe güneş pilinde %16,5 verim elde edilmiştir (Green et al. 2007). Ticari olarak piyasaya sürülmüş olan daha geniş alanlı CdTe güneş pillerinin verimi ise %8-10 arasında değişmektedir (del Cueto 1998a; 1998b; Bubenzer and Luther 2003). CdTe, üzerine gelen soğrulmaya uygun fotonların yaklaşık %90’ını 1µm kalınlıkta soğurabilmekte, bu nedenle de fotovoltaik uygulamaları için 1-3 µm film kalınlığı yeterli olmaktadır (Messenger and Ventre 2004). Güneş pili yapımında başka yarı iletken malzemeler de kullanılmaktadır. Özellikle 4cm2 boyutlarında %32,0 verim elde edilmiş olan GaAs güneş pilleri, yüksek güç çevrim verimine rağmen yeryüzü rezervleri çok fazla olmadığı için maliyetin ikinci planda olduğu uzay araçlarının güç kaynağı olmayı sürdürmektedir. Periyodik tablonun birinci, üçüncü ve altıncı guruptan elementlerin üçüncünün ya da daha fazlasının bir araya gelmesi ile oluşan bakır indiyum diselenyum (CuInSe2) bileşik yarı iletkenlerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup, yasak enerji aralıkları güneşin spektrumu ile ideal bir şekilde 26 uyuşacak biçimde ayarlanabilir. Bu yarı iletken bileşiğe galyum da katılmasıyla kısaca CIGS olarak bilinen 1cm2 boyutundaki güneş pillerinde STC’de %18,8 verim elde edilmiştir. Yarı iletken malzemeler kullanılarak üretilen güneş pillerinin yanında son yıllarda fotokimyasal yöntemler kullanılarak “dye sensitised” olarak bilinen güneş pillerinde STC’de1cm2 alanda %10,4 verim elde edilmiştir. Güneş piliyle kaplanan alan 16cm2’ye çıkarıldığında ise verimin STC’de %6,3 değerine düştüğü gözlenmiştir. Uzun süre başlangıçtaki elektriksel değerlerini koruyamayan ve kararlığı henüz ispatlanmamış olan organik esaslı güneş pillerinde ise STC’de1cm2 alanda %3,0 verim elde edilmiştir (Green et al. 2007). 2.3 Güneş Pillerinin Derecelendirilmesi Bir güneş pilinden elde edilebilecek akım ve gerilim değerleri ancak küçük bir elektronik cihazı çalıştırmaya yetecek büyüklüktedir. Bu nedenle güneş pilleri çıkış gerilimini artırmak için birbirine seri bağlanırlar. Aynı şekilde elde edilecek çıkış akımını artırmak için de birbirine paralel bağlanırlar. Elektriksel olarak birbirine seri ve paralel bağlanan güneş pilleri genellikle Şekil 2.10’da gösterildiği gibi yüksek geçirgenliğe sahip ıslah edilmiş (tempered) cam, EVA (Etil Vinil Asetat) ve tedlar arasına paketlenirler. Paketlenmiş güneş pillerinden oluşan diziye modül denir. Modüller halinde paketlenmiş güneş pilleri genellikle 12V’luk veya 24V’luk bir bataryayı şarj edebilecek çıkış gerilimine sahip olacak şekilde tasarlanırlar. Dünya üzerinde elektrifikasyonun büyük ölçüde tamamlanması nedeniyle az sayıda modülü birbirine seri bağlayarak daha yüksek gerilimler elde etmek için çok sayıda güneş pilini birbirine seri bağlayarak paketlenmiş modülleri de piyasada bulmak mümkündür. 27 Modüllerin verebilecekleri akım ise yüzeye düşen ışığın şiddetiyle değişmekle birlikte modül içerisindeki paralel bağlı her bir güneş pilinin kapladığı alana bağlıdır. Şekil 2.10 Güneş pilinin paketlenme şekli. Birkaç modülün birbirine elektriksel olarak bağlanmasıyla panel, ve çok sayıda modül veya panelin elektriksel olarak birbirine bağlanmasıyla da örgü elde edilir. Bir güneş pilinden örgüye kadar olan hiyerarşi Şekil 2.11’de gösterilmektedir. Panel veya örgüden üretilecek elektriği kullanılabilecek hale getiren düzenleyici elektronik yardımcı sistemleri (DC/DC çevirici veya invertörler) de içeren gruba sistem denir. 28 Şekil 2.11 Güneş pillerinde hiyerarşi. 2.4 Güneş Pilinin Akım-Gerilim Karakteristiği Güneş pilleri, elektronik bir devrede akım kaynağı olarak kabul edilebilir. Şekil 2.12’de bir güneş pilinin veya birkaç güneş pilinin birleşmesiyle oluşturulmuş bir modülün eşdeğer devresi gösterilmektedir. Şekil 2.12 Bir güneş pilinin veya modülün basitleştirilmiş elektronik eşdeğer devresi. Böyle bir devreden geçen akımın tespit edilebilmesi için beş önemli parametrenin bilinmesi gerekmektedir. Bu parametreler: IL, ışıkla 29 üreyen akım (fotovoltaik akım), IO, karanlık doyma akımı, RS seri direnç, RSH veya RP paralel direnç ve a, düzeltilmiş idealite faktörü olarak adlandırılan bir katsayıdan oluşmaktadır. Düzeltilmiş idealite faktörü: NCS seri bağlı güneş pili veya modül sayısı, n diyot idealite veya kalite faktörü, kB Boltzmann sabiti, q elektron yükü, TC Kelvin olarak etkin güneş pili sıcaklığı olmak üzere a=NCSnkBTC/q olarak hesaplanmaktadır. Kirchhoff’un akım kuralına göre seçilen herhangi bir noktada devreden geçen akım için; IL güneş pilinde ışıkla üreyen akımı; V sürülen RL yükü üzerine düşen gerilimi, ID diyot akımını, ISH kaçak akım olmak üzere devreden geçen akım için; I = I L − I D − I SH (2-2) yazılabilir. ID diyot akımı ve paralel direnç üzerinden geçen ISH kaçak akım Denklem 2-2’de yerine koyularak devreden geçen akım için; ⎧ ⎡ (V + IRS ) ⎤ ⎫ V + IRS I = I L − I O ⎨exp ⎢ ⎥ − 1⎬ − R a ⎦ ⎭ ⎩ ⎣ SH (2-3) ifadesi elde edilir. IO karanlık doyma akımı, PV diyot yapımında kullanılan malzemelerin band aralığına ve sıcaklığa bağlıdır (Schröder 1990). Işık altında herhangi bir besleme olmaksızın ve ideal durumda (seri ve paralel direnç etkilerinin olmadığı durum) devreden geçen toplam akım kısa devre akımı olarak ifade edilir ve ISC ile gösterilir. Kısa devre akımı, ışıkla üreyen akım, I L değerine yaklaşıkça eşittir ve yüzeye gelen ışığın karakteristiği ile orantılıdır. 30 Akımın olmadığı durumda devrenin uçları arasında ölçülen gerilim açık devre gerilimi, VOC olarak ifade edilir ve ideal bir güneş pilinde (ISC >> IO)olduğundan: ⎛ I + IO VOC = a ln⎜⎜ SC ⎝ IO ⎞ ⎛I ⎟⎟ ≈ a ln⎜⎜ SC ⎠ ⎝ IO ⎞ ⎟⎟ ⎠ (2-4) olarak gösterilebilir. İdeal bir güneş pilinde seri direncin sıfır, paralel direncin de sonsuz olması gerekir. Fakat gerçek bir güneş pilinde durum böyle olmayıp, seri direnç sıfırdan büyük, paralel direnç de sonsuzdan küçük olmakta, bu da güç kaybına neden olmaktadır. Taşıyıcıların dış devreye ulaştırılmasında toplayıcı kanallardan kaynaklanan direnç, yarı iletken malzemenin direnci, alt ve üst kontaklardaki direnç ve ızgara direnci seri direncin bileşenlerini oluşturmaktadır. Sınırlardaki kaçaklar veya eklemdeki yerel kusurlar nedeniyle kaçak akımlar oluşmaktadır. Kaçak akımlar, uygulanan gerilim ile doğru orantılı olup eşdeğer devrede paralel bir direnç RSH ile gösterilirler. Güneş pili performansı genel olarak, kısa devre akımı ISC, açık devre gerilimi VOC, maksimum güç noktası MPP ve akım-gerilim karakteristiğinin düzgünlüğünün ölçüsü olan dolum çarpanı FF ile açıklanır. Bu değerler bir güneş piline ait aydınlıkta ve karanlıktaki akımgerilim karakteristiği üzerinde gösterilmektedir (Şekil 2.13). 31 Şekil 2.13 Bir güneş pilinin karanlıkta ve aydınlıkta akım-gerilim karakteristiği. Aydınlıktaki bir güneş pilinin Şekil 2.13’de verilen eğri üzerindeki bir noktada çıkış gücü maksimum değerine ulaşmaktadır. Bu noktaya maksimum güç noktası adı verilmektedir. Çalışma gerilimi V=VMPP ve bu gerilime karşılık gelen çalışma akımı I=IMPP olan noktada akımgerilim eğrisi altında kalan alan maksimum değerindedir. Güneş pillerinin akım-gerilim karakteristiğinde önemli olan bu noktada gücün gerilime göre değişimi sıfırdır. ∂P ∂V = V =VMPP ∂ (IV ) ∂I ⎤ ⎡ = ⎢I + V =0 ∂V V =VMPP ⎣ ∂V ⎥⎦ V =VMPP (2-5) Performansın belirlenmesinde önemli olan bir diğer parametre maksimum güç noktasındaki alan ile ISC ve VOC çarpımından oluşacak alanın birbirine oranı olarak ifade edilen FF (Fill Factor), dolum çarpanıdır. Dolum çarpanı; FF = PMPP V I = MPP MPP VOC I SC VOC I SC (2-6) 32 şeklinde ifade edilir. Bu değer 1,00’dan küçüktür ve iyi bir güneş pili için 0,70-0,85 aralığında değerler almaktadır. Dolum çarpanı ideal bir tek kristal güneş pilinde sadece açık devre geriliminin bir fonksiyonu olarak ifade edilebilir (Green 1982; Luque and Hegedus 2003). VOC − FF = k B TC ln[qVOC k B TC + 0,72] q VOC + k B TC q (2-7) Bir güneş pilinin en önemli özelliği güç çevrim verimidir ve η ile gösterilir. PMPP maksimum güç noktasındaki gücün Pi güneş pili üzerine düşen güneş ışığının gücüne oranı olarak ifade edilen verim, dolum çarpanın bir fonksiyonu olarak da yazılabilir. η= PMPP VOC I SC FF = Pi Pi (2-8) Burada Pi güneş pili üzerine düşen ışığın spektrumunun özelliği tarafından belirlenmektedir. Güneş pilinin yapıldığı yarı iletken malzemenin band aralığı, sıcaklık ve ışınım etkisini anlayabilmek için çok önemli bir parametredir (Gottschalg 2001). Yarı iletken malzemenin band aralığı teorik maksimum verimi doğrudan belirlemektedir ve etkisi iki şekilde ifade edilmektedir. Birincisi: Band aralığı gelen ışık tarafından oluşturulacak elektronboşluk sayısını belirler çünkü bu bir elektron-boşluk çifti oluşturmak için gereken minimum enerji değeridir. Band aralığına eşit ve bu değerden yüksek enerjili fotonlar, elektron-boşluk çifti oluşturabilirler. 33 Şekil 2.14’ten de görüleceği üzere düşük band aralığına sahip yarı iletkenler kullanılarak yapılmış güneş pillerinde birim alanda daha fazla akım elde edilebilmektedir. Şekil 2.14 Yarı iletkenin band aralığına göre elde edilebilecek kısa devre akım yoğunluğunun sınır değerleri (Green 1982). İkincisi: Bir güneş pilinde VOC güneş pili yapımında kullanılan yarı iletken malzemenin band aralığı ile yaklaşık olarak doğru orantılıdır. Bu da geniş band aralığının daha yüksek açık devre gerilimine neden olacağını ifade etmektedir. Şekil 2.15’te güneş pilinin yapıldığı yarı iletken malzemenin band aralığına bağlı olarak tek eklemden oluşan bir güneş pilinden elde edilebilecek teorik verimin değişimi gösterilmektedir. Maksimum verimin, spektruma bağlı olmakla birlikte, teorik olarak 1,4eV civarındaki band aralığına sahip yarı iletkenlerde elde edilebileceği görülmektedir. Band aralığı 1,4eV olan bir yarı iletkenden yapılmış 34 güneş pili için, AM1.5 koşullarında %26 olan verimin AM0 koşullarında maksimum %29 değerine ulaşacağı görülmektedir. Şekil 2.15 Güneş pilinin yapıldığı yarı iletken malzemenin band aralığına bağlı olarak teorik verimin değişimi (Green 1982). Band aralığındaki daralma, açık devre gerilimini doğrudan etkilemektedir. Dar bir band aralığı aynı zamanda bir elektron boşluk çifti oluşumu için daha az enerji demektir ki, bu da kısa devre akımının artışı anlamına gelmektedir (Şekil 2.15). Akım ve gerilim üzerindeki etkiler toplam olarak teorik verim üzerinde bir azalmaya neden olmaktadır. Bu durum Şekil 2.15 yardımıyla kolaylıkla açıklanabilmektedir. c-Si’den yapılmış bir güneş pilinde band aralığı verimin teorik tepe noktasından uzaklaşmakta bu durum da verimde bir azalmaya neden olmaktadır. CdTe’den yapılmış bir güneş pilinde ise band aralığındaki değişimin verime etkisi daha az şiddetli 35 görülmektedir çünkü CdTe Şekil 2.15’te verimin band aralığına göre değişimin daha yavaş olduğu bir bölgeye rastlamaktadır. a-Si’de ise bunların aksine band aralığı maksimuma yaklaştığı için güneş pilinde görülen yeniden birleşme mekanizmasının büyüklüğüne bağlı olmak üzere sıcaklık artışı verimi artırmaktadır. Verimdeki hafif düşüşün; band aralığındaki daralmadan değil de, malzemenin davranışı üzerinde daha belirgin bir etkisi olan, yeniden birleşme akımlarından kaynaklandığı da ifade edilmektedir (Gottschalg 2001). 2.5 İşletme Koşullarının Performansa Etkisi Güneş pilleri ve modüller üretici firmalar tarafından STC’de ürettikleri güçlere göre piyasaya sürülmektedirler. Modüllerin test edildiği STC olarak ifade edilen şartlar; açık bir yaz günündeki güneş ışığı şiddetini, açık bir kış günündeki güneş pili sıcaklığını ve açık bir bahar günündeki güneş ışığı spektrumunu bir araya getirmektedir. İşletme koşullarında bu şartların oluşumu mümkün değildir. Ayrıca ticari modüllerin 800W/m2 ışık şiddetinde 49°C güneş pili sıcaklığında üretebilecekleri güç değerleri de üretici firmalar tarafından katalog değerlerinde belirtilmektedir. Çalışma koşullarında ise daha düşük ışık şiddetleri görülebilmekte, modüllerin arka yüzeylerinde ölçülen güneş pili sıcaklıkları da belirtilen değerlerin üzerine çıkabilmektedir. Ayrıca üretici firmalar tarafından güneş pillerinin ve modüllerin sadece STC altındaki iç parametreleri verilmektedir. Çalışma koşullarında bu parametrelerdeki değişim, güneş pillerinin ve modüllerin performansını doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle, STC’den sapmaların güneş pili performansı üzerine olan etkisi incelenmelidir. 36 2.5.1 Termal Etkiler Güneş pillerinin işletme koşullarındaki çalışma sıcaklıkları, geniş bir aralıkta değişim göstermektedir. Bu nedenle sıcaklığın performansa etkisinin anlaşılması gerekmektedir. Güneş pillerinin çalışma sıcaklığı, güneş pilinin yapıldığı yarı iletken malzemeye, güneş pilinin paketlenme şekline, çevresel etkilere ve hava koşullarına bağlıdır. Güneş pili sıcaklığı için günümüzde sıkça kullanılan model normal çalışma koşullarında güneş pili sıcaklığı (NOCT: Normal Operating Cell Temperature) tanımına dayalı, ısı kayıp katsayısını içeren ve yüzeye gelen ışık şiddetiyle güneş pili sıcaklığı arasında (kararlı bir durumda) doğrusal bir ilişki olduğunu ifade etmektedir. Ta, çevre sıcaklığını, Geff , yüzeye gelen etkin ışık şiddetini göstermek üzere güneş pili sıcaklığı TC için, TC = Ta + C t Geff (2-9) ifadesi yazılabilir. Burada, C t sabiti, Ct = NOCT (°C ) − 20 800 W / m 2 ( ) (2-10) şeklinde ifade edilir (Luque ve Hegedus 2003) ve 42-46°C arasındaki NOCT değerleri için 0,027-0,032 [°C/(W/m2)] aralığında değerler alır. NOCT değeri bilinmiyorsa Ct=0,030°C/(W/m2) olarak alınabilir. Her iki taraftan da hava dolaşımına izin veren modül yerleşimleri için alınan değere karşılık gelmekte olan bu NOCT değeri; 37 Çatılara yerleştirilen hava akışının kısmen engellendiği sistemler için uygun değildir. Bu model, kolay uygulanabilir bir model olup modül ile çevre arasındaki ısı transferini kabul etmekte ve rüzgâr etkisini ihmal etmektedir. Kararlı olmayan bazı durumlarda, yüksek rüzgar hızlarında bu model geçerliliğini kaybetmektedir. Sandia laboratuarlarında güneş pillerinin çalışma sıcaklıklarının belirlenmesi için ışık şiddeti ve çevre sıcaklığının yanında paketleme şeklini ve rüzgâr hızını da içeren bir termal model geliştirilmiştir (King et al. 1998). Güneş pilleri modül oluşturmak üzere, Şekil 2.10’da gösterilen cam/güneş pili/tedlar şeklinde bir sıra ile paketlenebileceği gibi cam/güneş pili/cam şeklinde bir sıralama ile de paketlenebilir. Modülün arka yüzeyinin kaplı olduğu malzemeye bağlı olarak ısı iletimi de değişeceğinden modülün arka yüzeyinde oluşacak sıcaklığın hesaplanmasında kullanılacak modeldeki katsayılar da değişecektir. Tm (ºC), modülün arka yüzeyindeki sıcaklık, ωs (m/s), rüzgar hızı, T1 (ºC), düşük rüzgar hızlarındaki üst sıcaklık limitini ifade eden bir değer, T2 (ºC), yüksek rüzgar hızlarındaki alt sıcaklık limitini ifade eden bir değer, b, rüzgar hızı ile modülün ark yüzeyindeki sıcaklığı arasındaki ilişkiyi ifade eden bir katsayı ve ∆T (ºC), ise paketleme malzemesinin sıcaklık aralığı olmak üzere, güneş pilinin çalışma koşullarındaki sıcaklığı; TC = Tm + Geff G* ∆T (2-11) 38 olarak ifade edilir. Burada güneş pilinin arka yüzeyindeki sıcaklık; Tm = Ta + Geff G* [T1 exp(b.ωs ) + T2 ] (2-12) ifadesi ile verilmektedir. İki farklı güneş pili paketlenmesi için katsayılar Çizelge 2.1’de verilmektedir. Çizelge 2.1. İki farklı güneş pili paketleme şekli için güneş pili veya modül sıcaklığının belirlenmesinde kullanılan sıcaklık katsayıları. Paketleme şekli Cam/güneş pili/cam Cam/güneş pili/tedlar T1(ºC) T2(ºC) b ∆T (ºC) 25,0 19,6 8,2 11,6 -0,112 -0,223 2 3 Bu modelde modülün arkasında ölçülen sıcaklık ile güneş pilinin çalışma sıcaklığı farklı kabul edilmiştir. Bu model, gerçek değerlere yakın sonuçlar verse de, hesaplanan sıcaklık değerlerinin rüzgâr hızına bağlı olması ve rüzgâr hızının belirlenmesindeki güçlükler nedeniyle, çok kullanışlı değildir. Buna rağmen bir güneş pilinin çalışma sıcaklığı 50ºC civarında kabul edilirse, sıcaklığın belirlenmesinde %20 gibi bir hata yapıldığı varsayıldığında (bu değer 10ºC ye karşılık gelmektedir) bu hata güneş pilinin gücünün sadece %0,4 oranında bir hata ile hesaplanmasına karşılık gelir (Luque and Hegedus 2003). Artan sıcaklıkla birlikte güneş pillerinde kısa devre akımı hafif bir artış eğilimi göstermektedir. Bu olay sıcaklık artışıyla, band aralığında meydana gelen daralmanın da etkisiyle ışığın soğurulmasındaki artış ve yeniden birleşmedeki artış ile açıklanabilir (Green 1982). 39 Sıcaklığın ISC üzerine etkisi küçük olmakla birlikte çoğu durumda doğrusallık göstermektedir. Bunun yanında VOC ışıkla üreyen akıma ve yeniden birleşme akımına logaritmik olarak bir bağlılık göstermektedir. Sıcaklık artışı diğer güneş pili parametreleri; açık devre gerilimi ve dolum çarpanının azalmasına neden olmaktadır. Güneş pilinin çalışma sıcaklığının değişmesi ile modülün ISC, VOC ve FF değerlerinde meydana gelen değişim Şekil 2.16’da gösterilmektedir. Şekil 2.16 Tek kristal silisyum bir modülün akım-gerilim eğrisinin güneş pili veya modül sıcaklığı ile değişimi. 2.5.2 Işınım Etkisi Işıkla üreyen akım genellikle çalışma koşullarındaki etkilerin üst üste gelmesi ile açıklanır (Tarr 1980). Buradaki üst üste gelme ilkesi gerçekte çok kesin bir kabuldür çünkü Shockley’in diyot teorisinin kullanılmasına ve ışık şiddetinin etkisinin gerilimden bağımsız bir ışıkla üreyen akım ile modellenmesine imkân sağlamaktadır (Gottschalg 2001). Açık devre gerilimi güneş pilinin veya modülün kısa devre ve diyot karanlık doyma akımına logaritmik olarak bağlı olduğundan, artan ışık şiddetiyle açık devre geriliminin de değeri akımdaki değişime göre daha 40 yavaş bir şekilde artmaktadır. κ bir katsayı, Geff yüzeye gelen ışığın enerjisini göstermek üzere kısa devre akımı ve açık devre gerilimin ışık şiddetiyle olan değişimi; I SC ≅ I L = κGeff VOC = nk B TC ⎛ κGeff ln⎜⎜ q ⎝ IO (2-13) ⎞ ⎛ κG ⎟⎟ = a ln⎜⎜ eff ⎠ ⎝ IO ⎞ ⎟⎟ ⎠ (2-14) şeklinde ifade edilebilir (Lasnier 1990). Işık şiddetindeki değişimin, 25ºC çalışma sıcaklığındaki tek kristal silisyum güneş pillerinden oluşan bir modülün akım-gerilim eğrisi üzerindeki etkisi Şekil 2.17’de gösterilmektedir. * I SC , STC’de ölçülen kısa devre akımını ve G * da STC’deki ışık şiddetini göstermek üzere, Geff güneş pili yüzeyine gelen etkin ışık şiddetindeki kısa devre akımı aşağıdaki gibi ifade edilir (Luque and Hegedus 2003). I SC * I SC = * Geff G (2-15) 41 Şekil 2.17 Işık şiddetindeki değişimin tek kristal silisyum bir modülün akımgerilim eğrisi üzerindeki etkisi (TC =25ºC). 2.5.3 Spektral Etkiler Işığın spektral dağılımı, farklı atmosferik koşullarda ve farklı güneş açılarında değişmektedir. Güneş ışığının spektral dağılımındaki değişimlerin, güneş pillerinin performansına etkisi, güneş pillerinin yapıldığı malzemenin band aralığından ileri gelmektedir. Bulanıklık (Kt) ve hava kütlesindeki (Air Mass, AM) salınımlar, geniş band aralıklı güneş pillerini, dar band aralıklı güneş pillerinden daha çok etkilemektedir (Faine 1991). Bu çalışmada, ortam koşullarındaki performans testleri gerçekleştirilen güneş pilleri için band aralıkları Çizelge 2.2’de verilmektedir. 42 Çizelge 2.2 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemelerin band aralıkları. Band aralığı (eV) c-Si a-Si CdTe 1,12 1,75 1,45 Işığın spektral dağılımı üreyen akımın büyüklüğünü doğrudan etkilemektedir. Bu nedenle güneş pillerinin AM 1.5 performans sonuçları, diğer durumlardaki performansı temsil etmemektedir. İşletme koşullarında güneş pillerinin performansının belirlenmesinde, farklı materyallerin ortam koşullarındaki ışığın spektral değişimine duyarlılığı öne çıkmaktadır (Nann and Emery 1992; Durisch et al. 1996). Test edilen güneş pillerinin yüzeye gelen ışınların dalga boyuna göre göstermiş oldukları spektral tepkiler Şekil 2.18’de gösterilmektedir. Buradan da görüleceği üzere, a-Si, 800nm dalga boyuna kadar duyarlı iken CdTe, 900nm ve c-Si ise 1.200nm’ye kadar olan ışınlarda akım üretebilmektedir. Şekil 2.18 Test edilen modüllerin yapıldığı güneş pillerinin spektral tepkileri ve güneş ışığının spektral dağılımı (Field 1997, Martin and Ruiz 1999). 43 Hava kütlesi, güneşin gökyüzündeki konumu ile belirlenmektedir. θ , güneş pilinin yerleştirildiği eğik düzlemin normali ile güneş ışınları arasındaki açı olmak üzere mutlak hava kütlesi; AM = P 1 × P0 cos θ (2-16) olarak ifade edilebilir. Burada P ve P0 sırasıyla bulunulan yükseklikteki ve deniz seviyesindeki (760mmHg) basınç değerleridir. Sabah ve akşam saatlerinde güneş ışınlarının daha yüksek bir açı ile düzlem yüzeyine geldiği durumlarda ise (θ>60º) hava kütlesi; AM = 1 P × P0 cos θ + 0.15 × (93.885 − θ ) −1.253 (2-17) ifadesi ile hesaplanır. Deniz seviyesinde güneş ışınlarının yüzeye dik geldiği durumda AM=1, güneş ışınlarının yüzeyin normali ile 48º lik açı yaparak geldiği durumda ise AM=1.5 dir. Güneşin doğuşu ve batışı durumlarında ise hava kütlesi yaklaşık olarak 10’dur. Hava kütlesi değiştiğinde güneşten doğrudan gelen ışığın dalga boyuna göre dağılımındaki değişim Şekil 2.19’da verilmektedir. 44 Şekil 2.19 Hava Kütlesinin 0, 1, 2 ve 5 olduğu durumlarda doğrudan güneş ışığının spektral dağılımındaki değişimler (Duffie and Backman 1991). Hava kütlesi yükseldikçe güneş ışığının spektral dağılımı uzun dalgaboylarına (kırmızıya) doğru kayar. Sabah ise, güneş doğduktan sonra hava kütlesi öğleye kadar azalır ve spektrum maviye kayar. Spektrumdaki yüksek foton enerjilerine olan kayma, mevsimsel olarak yaza doğru ve gün içerisinde öğleye doğru (küçük hava kütlesi) olarak ifade edilir. Bir gün içerisindeki güneş ışığının spektral dağılımındaki değişimler Şekil 2.20’de gösterilmektedir. Bulanıklık, Kt, ölçülen ışık şiddetinin atmosfer dışındaki (extraterrastrial) hesaplanan ışık şiddetine oranıdır (burada anlık ışık şiddeti değerleri kullanılmaktadır). Bulanıklık ve hava kütlesi kullanılarak güneş ışığının doğrudan (Direct, Beam), yayılı (Diffuse) ve yerden yansıyarak gelen (Albedo) bileşenleri birbirinden bağımsız olarak düşünülmüş ve güneş ışığı için spektral bir model geliştirilmiştir (Martin and Ruiz 1999). 45 Şekil 2.20 Toplam güneş ışığının spektral dağılımında bir gün içerisindeki değişimler (Kenny et al. 2006). Bu modelde farklı malzemelerden yapılmış güneş pilleri için farklı değerler alan a, b ve c katsayıları (Çizelge 2.3-5) bulanıklık ve hava kütlesi yardımıyla spektral tepki (spektral response) katsayıları, f = c × exp[a × (K t − 0,74) + b × ( A.M − 1,5)] (2-18) ifadesi ile hesaplanabilir. Bu ifadede yer alan 0,74 ve 1,5 katsayıları STC’deki bulanıklık ve hava kütlesi değerleridir. Güneş pili yüzeyine gelen güneş enerjisi; Beff , doğrudan, Deff , yayılı, Reff , yerden yansıyarak gelen bileşenler ve f B , f D , f R sırasıyla bu bileşenlere ait spektral tepki katsayıları olmak üzere Denklem 2-15 ile verilen kısa devre akımı spektral etkiler dikkate alınarak, I SC = * I SC (Beff . f B + Deff . f D + Reff . f R ) G* (2-19) 46 şeklinde hesaplanır (Luque and Hegedus 2003). Çizelge 2.3 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemeler için güneş ışınımının doğrudan bileşenlerinin dağılımı için katsayılar (Martin and Ruiz 1999). Malzeme m-Si p-Si a-Si CdTe c 1,029 1,029 1,024 1,026 a -0,313 -0,311 -0,222 -0,264 b 0,00524 0,00626 0,00920 0,00780 Çizelge 2.4 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemeler için güneş ışınımının yayılı bileşenlerinin dağılımı için katsayılar (Martin and Ruiz 1999). Malzeme m-Si p-Si a-Si CdTe c 0,764 0,764 0,840 0,804 a -0,882 -0,929 -0,728 -0,824 b -0,02040 -0,01920 -0,01830 -0,01873 Çizelge 2.5 Test edilen modüllerin yapıldığı yarı iletken malzemeler için güneş ışınımının yerden yansıyarak gelen bileşenlerinin dağılımı için katsayılar (Martin and Ruiz 1999). Malzeme m-Si p-Si a-Si CdTe c 0,970 0,970 0,989 0,980 a -0,244 -0,270 -0,219 -0,243 b 0,01290 0,01580 0,01790 0,01690 47 Güneş ışığının spektral dağılımının belirlenmesi ve güneş pillerine bunun etkisi konusunda ülkemizde detaylı bir araştırma yapılmamıştır. Ülkemizin birçok bölgesi, bu tür araştırmaların yapılmış olduğu yerlere göre iklimsel olarak farklılıklar göstermektedir. Buna bağlı olarak, Muğla Üniversitesi Temiz Enerji Kaynakları Ar&Ge Merkezi’nde 6 kanallı bir spektro radiometre geliştirilmiştir. Farklı zamanlarda spektral dağılımlar Muğla iklim koşullarında alınmaya devam etmektedir. 48 49 3 DENEY DÜZENEĞİ Güneş pillerinin ve modüllerin performansının incelenebilmesi için akım-gerilim eğrilerinin belirlenebilmesi gerekmektedir. Bu amaç doğrultusunda çok kanallı bir ölçüm sistemi Muğla Üniversitesi Temiz Enerji Kaynakları Araştırma Geliştirme Merkezi bünyesinde bulunan Güneş Pilleri Araştırma Laboratuarı’na kurulmuştur. AESCUSOFT firması tarafından özel olarak güneş pillerinin ve modüllerin çeşitli parametrelerinin ölçülmesi için geliştirilmiş olan “Solar Measuring System for Characterisation of Solar Cells (SMS)” isimli bir kontrol programı ile Şekil 3.1’de görülen H&H elektronik yük ve Agilent Switch yardımıyla güneş pillerinin veya modüllerin akım, gerilim değerlerinin ölçümleri ile ışık şiddeti ve ortam sıcaklığı gibi meteorolojik parametrelerin ölçümü hızlı bir şekilde gerçekleştirilebilmektedir (Spinner 2003). Şekil 3.1 Güneş pili ölçüm sistemi. 50 Test edilen modüllerden elde edilen akım ve gerilim değerlerinden yola çıkarak hesaplanan verim ve dolum faktörü gibi parametrelerin doğru olması için, en az 150W/m2’lik bir ışık şiddetine ihtiyaç vardır. Işık şiddetinin yeterince yüksek olması durumunda, test edilen modüle ait akım ve gerilim değerleri ile sisteme bağlı bulunan sensörlerce ölçülen ışık şiddeti, çevre sıcaklığı gibi meteorolojik parametreler kaydedilmektedir. Maksimum güç noktası MPP, dolum çarpanı FF ve güç çevrim verimliliği η gibi bazı istatistiksel değerler hesaplanmaktadır. Sonuçlar ascii dosyaları halinde saklanabilmekte ve Microsoft Excel programı kullanılarak incelenebilmektedir. Şekil 3.1’de görülen metal kasa içerisindeki Agilent 34970A Switch yardımıyla her bir taramada switch içerisindeki çoklayıcıya (multiplexer) bağlı tüm sensörlerden eş zamanlı olarak değerler okunur. Şekil 3.2’de bağlantı noktalarının bir kısmı görüldüğü gibi 20 farklı kanala farklı modüller bağlanabilmektedir. Şekil 3.2 Güneş pili ölçüm sisteminin bağlantı kutusu. 51 3.1 Ölçüm Sistemi ve Ölçüm Programı Test edilecek modülleri belirlemek ve ölçümü kontrol edebilmek için kullanılan SMS programının ana menüsü Şekil 3.3’te gösterilmektedir. Şekil 3.3 SMS programının ana menüsü. SMS programında ölçüm alınacak modüllerin aktif hale getirilmesi ve ölçülen değerlerin doğru bir şekilde saklanabilmesi için isim, malzeme, üretici, yüzey alanı gibi modüllere ait bazı özellikler belirtilebilir. Test edilen modüle ait ISC kısa devre akımı ve VOC açık devre gerilimi ile başlangıç anındaki G güneş ışığı şiddeti ölçülür. Daha sonra VOC değeri, SMS programı yardımıyla kullanıcı tarafından belirlenebilecek istenilen bir aralığa (60-80 gibi) bölünerek H&H elektronik yükü yardımıyla modül sürülerek her bir gerilim değerine karşılık gelen akım değerleri ölçülerek kaydedilir. VOC değeri ölçülerek 52 modülün tarama işlemi bittiği anda ışık şiddeti tekrar ölçülür. Ölçüm işlemi tamamlandıktan sonra kullanıcı tarafından belirlenebilecek bir aralıkta maksimum güç noktası MPP (Maximum Power Point) etrafında IMPP ve VMPP belirlenir. Ölçülmesi istenen ve aktif hale getirilmiş olan tüm modüllerin istenilen zaman aralıklarında ışık seviyesi belirlenen düzeyin üzerinde kaldığı sürece ölçümler gerçekleştirilir. Şekil 3.4’te 1. ve 2. tarama sonucunda elde edilen akım-gerilim ve güç-gerilim eğrileri gösterilmiştir. Şekil 3.4 Ölçüm sonucunda elde edilen akım-gerilim ve güç-gerilim değişimleri. Ölçüm aralığı olarak ifade edilen değer aktif kanalın ilk ölçümünden ikinci ölçümüne kadar geçen süredir. Belirtilen süre çok kısa 53 ise diğer tüm kanalların ölçülmesinden hemen sonra ölçüm tekrar başlatılır. 20 kanalı bulunan Agilent çoklayıcıya ölçülmek istenen niceliğe göre farklı sensörler bağlanabilir. SMS programı ile her birinin adresi belirlenmiş olarak çoklayıcıya sıcaklık ölçümleri için 2 adet Pt 100 sıcaklık sensörü, doğrudan ışınımı ölçmek için 2 adet pirhelyometre, toplam ışınım ölçümü için 2 piranometre, global ışınım ölçümü için 2 ESTI-sensör (ESTI-European Solar Test Installation) ve ayrıca 8 adet farklı sensör bu tarayıcıya bağlanabilir. Ölçüm sistemi, çok sayıda sensör kullanılabilecek şekilde tasarlanmış olmasına rağmen şu anda sisteme sadece ölçüm alabilmesi için referans alacağı ışık şiddeti ölçümü için kullanılan bir piranometre bağlıdır. Güç çevrim verimi hesabında, yüzeye gelen güneş enerjisini ölçen referans sensörü olarak belirlenen ışınım sensörlerinden birisi (piranometre veya ESTI sensör) kullanılır. Ölçümün başlangıcındaki ve sonundaki güneş enerjisi değerleri ölçülerek bu değerlerin ortalaması alınır. Ortalaması alınan değer, belirtilen modül alanı ile çarpılarak yüzeye gelen aktif güç hesaplanır ve IMPP ile VMPP değerlerinin çarpımının vereceği modülün gücü hesaplanarak modüle ait güç çevrim verimi hesaplanır. Sensörlerce ölçülen değerler, test edilen modüle ait ölçülen ISC ve VOC değerleri ile hesaplanan IMPP, VMPP, dolum çarpanı FF, güç çevrim verimi η ve ölçüm başlangıcındaki ve sonundaki ışık şiddeti ile bu iki değerin, ölçüm süresindeki ortalama ışık şiddetinden olan sapması % 54 olarak bir dosyaya yazılır. Modüle ait akım ve buna karşılık gelen gerilim değerleri de başka bir dosyaya kaydedilir. 55 4 GÜNEŞ PİLİ MODELLERİ Güneş pillerinin akım gerilim karakteristiğini matematiksel olarak modellemek için Şekil 2.9’da verilen elektronik eşdeğer devreyi incelemek yeterlidir. Denklem 2-2 ile verilen ifade, tek bir güneş pili için kullanılabileceği gibi, modüllerde ve örgülerde de kullanılabilir. Bir güneş pilinin karakteristiğinin belirlenmesinde önemli olan ve akım ifadesinde yer alan 5 parametre (a, IO, IL, RS ve RSH), güneş pilinin açık devre durumunda, kısa devre durumunda ve maksimum güç noktasındaki akım gerilim değerlerinin aldığı değerler Denklem 2-22’de yerine koyularak tespit edilebilir. Açık devre durumunda I = 0 ve V = VOC , kısa devre durumunda I = I SC ve V = 0 olacağından akım denklemi sırasıyla; 0 = IL − ⎡ ⎛V ⎞ ⎤ VOC − I O ⎢exp⎜ OC ⎟ − 1⎥ RSH ⎣ ⎝ a ⎠ ⎦ I SC = I L − ⎡ ⎛I R ⎞ ⎤ I SC RS − I O ⎢exp⎜ SC S ⎟ − 1⎥ RSH ⎣ ⎝ a ⎠ ⎦ (4-1) (4-2) şeklinde yazılabilir. Denklem 4-1’den I L çekilerek Denklem 4-2’de yerine yazılırsa; ⎡ ⎛V ⎞ ⎛I R 0 = I O ⎢exp⎜ OC ⎟ − exp⎜ SC S ⎝ a ⎣ ⎝ a ⎠ ifadesi elde edilir. ⎛ R ⎞ V ⎞⎤ ⎟⎥ − I SC ⎜⎜1 + S ⎟⎟ + OC ⎠⎦ ⎝ RSH ⎠ RSH (4-3) 56 Denklem 2-2 ile verilen akımın gerilime göre değişimi alınacak olursa; I 1 ⎛ V + IRS ⎞ − O exp⎜ ⎟ RSH a dI ⎝ a ⎠ = R I dV ⎛ V + IRS ⎞ 1 + S + O exp⎜ ⎟ RS RSH a ⎝ a ⎠ − (4-4) ifadesinden hareketle açık devre gerilimi ve kısa devre akımı civarında akım-gerilim eğrisinin eğimlerinden yararlanarak VOC civarında, RSO , ISC civarında da, RSHO tanımlanarak seri direnç, RS ve paralel direnç, RSH tespit edilebilir (Şekil 4.1). Şekil 4.1 Bir modüle ait akım-gerilim eğrisi üzerinde RSO ve RSHO değerleri. ⎛ dV ⎞ RSO = −⎜ ⎟ ⎝ dI ⎠V =VOC (4-5) ⎛ dV ⎞ RSHO = −⎜ ⎟ ⎝ dI ⎠ I = I SC (4-6) 57 Denklem 4-4, Denklem 4-5 ve Denklem 4-6’da yerine koyularak birleştirilirse; ⎡ 1 I ⎛V + O exp⎜ OC a ⎝ a ⎣ RSH ⎞⎤ ⎟⎥ − 1 = 0 ⎠⎦ (4-7) I 1 1 ⎛I R ⎞ + O exp⎜ SC S ⎟ − =0 RSH a ⎝ a ⎠ RSHO − RS (4-8) (RSO − RS )⎢ elde edilir. Güneş pilinin akım gerilim eğrisinde önemli bir nokta olan maksimum güç noktasında akım ve gerilim değerleri yerine yazılarak I L yok edilecek olursa; R ⎞ ⎛ V ⎞ V − VMPP ⎛ 0 = I O exp⎜ OC ⎟ + OC − ⎜⎜1 + S ⎟⎟ I MPP RSH ⎝ a ⎠ ⎝ RSH ⎠ + I MPP RS ⎞ ⎛V − I O exp⎜ MPP ⎟ a ⎝ ⎠ (4-9) Elde edilen Denklem 4-3, Denklem 4-7, Denklem 4-8 ve Denklem 4-9 yardımıyla bilinmeyen parametrelerden 4’ü; a, IO, RS ve RSH NewtonRaphson yöntemiyle (Charles et al. 1981), en küçük kareler yöntemiyle (Braunstein et al., 1977; Teng and Wu 1989) sayısal olarak hesaplanabilir. 58 4.1 Phang Modeli Denklem 4-3, Denklem 4-7, Denklem 4-8 ve Denklem 4-9’un Newton-Raphson yöntemiyle çözülmesi fazla hesap gerektirir ve yapılan iterasyonların yakınsaması için çok iyi başlangıç değerlerine ihtiyaç duyulur. Bazı durumlarda bu tahminlerin belirlenmesinde güçlükler vardır (Braunstein et al. 1977). Bu nedenle güneş pilinin karakteristiğini belirleyen 5 parametre olan IL, a, IO, RS ve RSH değerlerinin belirlenmesinde analitik bir çözüme ulaşabilmek için, bazı yaklaşımlar yapılması gerekmektedir. Herhangi bir güneş pili için (örneğin AM1 koşullarında) IL< 10 A ⎛V ⎞ ⎛I R ⎞ olduğu durumlarda exp⎜ OC ⎟ >> exp⎜ SC S ⎟ olduğu yaklaşımı ⎝ a ⎠ ⎝ a ⎠ yapılacak olursa Denklem 4-3 (%10’un altında hatalara neden R olmaktadır) ve RS<<RSH olduğundan 1 + S ≈ 1 alınarak Denklem 4-7 RSH yeniden yazılabilir. Paralel direnç değerinin akım-gerilim eğrisinin kısa devre akımı civarındaki eğimin tersinin negatif işaretlisine eşit olduğu kabul edilecek olursa, yeni bir denklem takımı elde edilir. V ⎛V ⎞ I O exp⎜ OC ⎟ − I SC + OC = 0 RSH ⎝ a ⎠ (4-10) (RSO − RS ) I O exp⎛⎜ VOC ⎞⎟ − 1 = 0 (4-11) RSH = RSHO (4-12) a ⎝ a ⎠ 59 + I MPP RS ⎞ ⎛ V ⎞ V − VMPP ⎛V I O exp⎜ OC ⎟ + OC − I MPP − I O exp⎜ MPP ⎟ = 0 (4-13) RSH a ⎝ a ⎠ ⎝ ⎠ Güneş pili için elde edilen akım-gerilim grafiğinden ve denklem takımının çözümünden, düzeltilmiş idealite faktörü, a= ⎛ V ln⎜⎜ I SC − MPP RSHO ⎝ VMPP + I MPP RSO − VOC ⎞ ⎛ V − I MPP ⎟⎟ − ln⎜⎜ I SC − OC RSHO ⎠ ⎝ ⎞ I MPP ⎟⎟ + ⎠ I − VOC SC RSHO (4-14) karanlık doyma akımı, ⎛ V I O = ⎜⎜ I SC − OC RSH ⎝ ⎞ ⎛ −V ⎞ ⎟⎟ exp⎜ OC ⎟ ⎝ a ⎠ ⎠ (4-15) seri direnç, RS = RSO − a ⎛ −V ⎞ exp⎜ OC ⎟ IO ⎝ a ⎠ (4-16) ve ışıkla üreyen akım, ⎛ R I L = I SC ⎜⎜1 + S RSHO ⎝ ⎞ ⎡ ⎛I R ⎞ ⎤ ⎟⎟ + I O ⎢exp⎜ SC S ⎟ − 1⎥ ⎣ ⎝ a ⎠ ⎦ ⎠ (4-17) şeklinde tek diyot modeli kullanılarak güneş pili parametreleri analitik olarak belirlenmiş olur (Phang et al 1984). 60 4.2 de Blas Modeli de Blas modelinde Denklem 2-2 ile verilen akım denklemi, bir güneş pilinden geçen akımı ifade etmek için kullanılmıştır. Denklem 43, Denklem 4-7, Denklem 4-8 ve Denklem 4-9 güneş pilinin kısa devre ve açık devre durumları ile maksimum güç noktasında elde edilen denklemler olmak üzere de Blas modelinde paralel direnç için Phang yaklaşımından farklı olarak; RSH = RSHO − RS (4-18) olarak kabul edilmiştir (de Blas et al. 2002). Güneş pili parametreleri seri direnç, RS, ve ışıkla üreyen akım, IL, hesaplandıktan ⎛V ⎞ ⎛I R ⎞ sonra exp⎜ OC ⎟ >> exp⎜ SC S ⎟ yaklaşımı yapılarak, karanlık doyma ⎝ a ⎠ ⎝ a ⎠ akımı IO ve düzeltilmiş idealite faktörü a değerleri; ⎛V ⎞ ⎛ I R ⎞ RSO ⎜ OC − 1⎟ + RSHO ⎜1 − SC SO ⎟ a ⎠ ⎝ a ⎠ ⎝ RS = VOC − I SC RSHO a (4-19) ve ⎡ ⎛V I L = I O ⎢exp⎜ OC ⎣ ⎝ a ⎞ ⎤ VOC ⎟ − 1⎥ + ⎠ ⎦ RSH değerleri kullanılarak, (4-20) 61 ⎛ R ⎞ V I SC ⎜⎜1 + S ⎟⎟ − OC ⎝ RSH ⎠ RSH IO = ⎛V ⎞ exp⎜ OC ⎟ ⎝ a ⎠ (4-21) ve a= VMPP + I MPP RS − VOC ⎧ ⎛ RS ⎞ VMPP ⎟− ⎪ (I SC − I MPP )⎜⎜1 + RSH ⎟⎠ RSH ⎪ ⎝ ln ⎨ ⎛ R ⎞ V ⎪ I SC ⎜⎜1 + S ⎟⎟ − OC ⎪ ⎝ RSH ⎠ RSH ⎩ ⎫ ⎪ ⎪ ⎬ ⎪ ⎪ ⎭ (4-22) şeklinde hesaplanabilir. Başlangıç değeri olarak seri direnç, RS, için bir değer atanır. Paralel direnç değeri, RSH, ve Denklem 4-22 ile verilen düzeltilmiş idealite faktörü, a, hesaplandıktan sonra Denklem 4-20 ile verilen ışıkla üreyen akım, IL, hesaplanır ve Denklem 4-19 ile ifade edilen seri direnç değeri, RS, tekrar hesaplanır. Hesaplanan yeni RS değeri Denklem 4-21’de kullanılarak karanlık doyma akımı, IO’ın hesaplanmasıyla güneş pili parametreleri belirlenmiş olur. 4.3 King veya Sandia Modeli King modeli güneş pillerinin çalışma koşullarındaki performansının modellenmesinde kullanılan ve çok iyi sonuç veren bir modeldir. Çok sayıda parametrenin hesap yapılmaya başlanmadan önce bilinmesi gerekir. Akım ve gerilim değerlerinin kısa devre durumunda, açık devre durumunda ve maksimum güç noktasındaki sıcaklık değerleri ve bu özel noktalardaki ışık şiddetine bağlı olan C0,C1,…C7 olan 8 farklı katsayı ve hava kütlesi için de 3 farklı katsayının bilinmesi gerekmektedir (King 62 1997). Ayrıca güneş pili yüzeyine gelen ışık şiddeti ve güneş pilinin sıcaklık değerlerinin hesaplamalara başlanmadan önce bilinmesi gerekmektedir. Bu modelde akım-gerilim eğrisi üzerinde 5 nokta önemlidir. Bu noktalar: (I = I SC ,V = 0) kısa devre noktası, (I = I X , V = 0,5VOC ) kısa devre ile MPP noktası arasında kalan bir nokta, (I = I MPP ,V = V X = VMPP ) maksimum güç noktası, (I = I XX ,V = V XX = 0,5(VMPP + VOC )) MPP noktası ile açık devre noktasının arasında bir nokta ve (I = 0,V = VOC ) açık devre noktasıdır. Bu model ile elde edilen akım-gerilim eğrisi ile deneysel veriler çok iyi uyum içerisindedir. Fakat eğrinin çizilmesinde ve parametrelerin belirlenmesinde çok fazla değerin önceden bilinmesi gerekmektedir. 4.4 Luft-Barton-Conn Modeli Luft ve arkadaşları tarafından Amerikan TRW şirketi için yapılan çalışmada güneş pilleri için üretilen akım için; ⎧⎪ ⎡ ⎛ V I TRW = I SC ⎨1 − k 2 ⎢exp⎜⎜ ⎪⎩ ⎣ ⎝ k1VOC ⎞ ⎤ ⎫⎪ ⎟⎟ − 1⎥ ⎬ ⎠ ⎦ ⎪⎭ (4-23) ifadesi önerilmiştir. Burada, k1 ve k2 şu şekilde tanımlanır: VMPP −1 VOC k1 = ⎛ I ln⎜⎜1 − MPP I SC ⎝ ⎞ ⎟⎟ ⎠ , ⎛ I k 2 = ⎜⎜1 − MPP I SC ⎝ ⎞ ⎛ V ⎟⎟ exp⎜⎜ − MPP ⎠ ⎝ k1VOC ⎞ ⎟⎟ ⎠ (4-24) 63 Bu durumda akım denklemi: ⎡ ⎛ V + I TRW RS ⎞ ⎤ V + I TRW RS I = I L − I O ⎢exp⎜ ⎟ − 1⎥ − a RSH ⎠ ⎦ ⎣ ⎝ (4-25) şeklinde ifade edilir. Buradan ışıkla üreyen akım IL, karanlık doyma akımı IO ve paralel direnç RSH için; IL = IO = ⎡ ⎛V VOC + I O ⎢exp⎜ OC RSH ⎣ ⎝ a ⎞ ⎤ ⎟ − 1⎥ ⎠ ⎦ I SC RSH + I SC RS − VOC ⎡ ⎛V ⎞ ⎛I R RSH ⎢exp⎜ OC ⎟ − exp⎜ SC S ⎝ a ⎣ ⎝ a ⎠ RSH = (4-26) (4-27) ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ A1 + A2 B1 (4-28) ⎡ ⎛V ⎞ + I MPP RS ⎛V A1 = (I SC RS − VOC )⎢exp⎜ OC ⎟ − exp⎜ MPP a ⎝ ⎣ ⎝ a ⎠ ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ (4-29) ⎡ ⎛V ⎞ ⎛I R A2 = (VOC − VMPP − I MPP RS )⎢exp⎜ OC ⎟ − exp⎜ SC S ⎝ a ⎣ ⎝ a ⎠ ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ (4-30) ⎡ ⎛V ⎞ ⎛I R B1 = I MPP ⎢exp⎜ OC ⎟ − exp⎜ SC S ⎝ a ⎣ ⎝ a ⎠ ⎞⎤ ⎟⎥ + ⎠⎦ ⎡ ⎛V + I MPP RS ⎞ ⎛V I SC ⎢exp⎜ MPP ⎟ − exp⎜ OC a ⎠ ⎝ a ⎣ ⎝ ⎞⎤ ⎟⎥ ⎠⎦ (4-31) 64 ifadeleri yazılabilir (Barker and Norton 2003; de Soto 2004). Diğer önemli parametreler olan seri direnç RS ve düzeltilmiş idealite faktörü a bilinmemektedir. Fakat (I X , V X ) ve (I XX ,V X X ) noktalarından geçecek en iyi eğri elde edilene kadar bu değerler değiştirilerek tespit edilebilirler. En iyi eğrinin elde edilmesindeki kriter IX ve IXX tahmin edilen akım değerleri olmak üzere, Denklem 4-25 kullanılarak hesaplanan akım değerleri arasındaki hatanın en düşük değeri almasıdır. Hatanın hesaplanmasında; E RMS = (I − I X ,hesaplanan ) + (I XX ,tah min − I XX ,hesaplanan ) 2 X ,tah min 2 2 (4-32) ifadesi kullanılır. 4.5 Diğer Modeller Bazı durumlarda güneş pillerinde diyot karanlık akımı ideal Boltzmann yasasına uymaz. Bu durumlarda güneş pilleri, birbirine paralel bağlı iki diyot ile ifade edilir. İlk diyot için idealite faktörü 1, diğer diyot için 2 olarak kabul edilir. Birinci diyot, azınlık yük taşıyıcılarının yarı iletken içerisindeki difüzyonundan oluşan karanlık doyma akımını, ikinci diyot ise boşaltılmış bölgede yük taşıyıcılarının üremesinden/yeniden birleşmesinden (generation/recombination) oluşan karanlık doyma akımını ifade eder (Charles et al.. 1985; van Overstraeten 1986; Sharma 1993; van Dyk 2004). Düşük gerilimlerde 1. diyot aktifken yüksek gerilimlerde (0,75 VOC nin üzeri) ikinci diyot aktiftir. Amorf silisyum güneş pilleri için (Merten et al. 1998; Gottschalg 2001) katkılanmamış tabakada fazladan oluşan tekrar birleşme 65 kayıplarını ifade etmek için tek diyot modeline µτ d i2 olarak ifade edilen yeni bir terim eklenmiştir. Burada µτ taşıyıcıların mobilitesi ve ömür ⎡ cm 2 ⎤ ⎥ boyutunda olmak üzere ⎢ ⎣ V ⎦ taşıyıcıların etkin ömür sürelerini ifade etmektedir. d i ise a-si malzeme sürelerinin çarpımı olmak üzere içerisindeki katkılanmamış tabakanın kalınlığını ifade etmektedir. CdTe güneş pillerinde ise iki farklı şekillerde katkılanmış iki bileşik yarı iletken, n-tipi CdS ile p-tipi CdTe, bir araya getirilmiştir. CdTe tabakanın alt kontak ile birleşmesinde bir potansiyel engeli oluşur. Bu engel akıma bir sınırlayıcı etki getirmektedir. Bu etkiye CdTe güneş pillerinde olduğu gibi CIGS güneş pillerinde rastlanmıştır ve bir arka diyot ile modellenmiştir (Gottschalg 2001). Düşük çalışma sıcaklıklarında güneş pilinin davranışı daha çok etkilenmektedir. Bu durum, arka diyot ile uyum içerisindedir. Bu etki, seri direnç üzerinde gösterilmektedir. CdTe güneş pili için yeni bir elektriksel eşdeğer devre ifade edilir ve seri direncin yanına devreden geçen akıma ters yönlü bir arka diyot IBD ilave edilir. Tek diyot modelinde amorf silisyum, CdTe güneş pilleri için yapılan değişikliklerde ve çift diyot modelinde güneş pili parametrelerinin hesaplanmasında güçlükler ortaya çıkmaktadır. Tek diyot modelinde düzeltilmiş idealite faktörü tanımlamasıyla model ile oluşturulan değerlerin deneysel olarak elde edilen değerlerle uyum içerisinde olması sağlanmıştır. Güneş pili parametrelerinin belirlenmesinde Bölüm 4.1 ve Bölüm 4.2 de detaylı olarak anlatılan modeller kullanılmıştır. 66 67 5 İŞLETME KOŞULLARINDA ÖLÇÜMLER Farklı güneş pillerinin gerçek işletme koşullarındaki performanslarını izleyebilmek için; dünya piyasasında öne çıkan dört farklı teknolojiye sahip modülden oluşan 10,07kWp (STC’de üretilebilen maksimum güç) gücünde 4 farklı şebeke bağlantılı Fotovoltaik Güç Sistemi, Muğla Üniversitesi Merkez Kütüphanesi çatısına kurulmuştur. Her biri yaklaşık 2,5kWp olan bu dört sistemden birer adet modül test edilmek üzere ölçüm sistemine bağlanmıştır. Şekil 5.1 Merkez kütüphane Üzerindeki 10kWp gücündeki şebekeye bağlı PV sistem. 5.1 Akım-Gerilim Ölçümleri Dört farklı teknoloji kullanılarak üretilmiş modüllerin Bölüm 4’te detayları anlatılan deney düzeneği ile akım ve gerilim ölçümleri gerçekleştirilmiştir. Elektronik yük yardımıyla 10-20s arasında alınan 60 68 adet gerilim ve buna karşılık gelen akım değerleri ölçülerek, modülün karakteristiğini belirleyen akım-gerilim eğrisi oluşturulmuştur. Modüller için kısa devre akımı ISC, açık devre gerilimi VOC, maksimum güç noktasındaki akım IMPP ve maksimum güç noktasındaki gerilim VMPP değerleri tespit edilmiştir. Phang Modeli ve de Blas Modeli kullanılarak ölçülmüş gerilim değerlerine karşılık gelen yeni akım değerleri hesaplanmıştır. Hesaplanan bu değerler, deneysel olarak ölçülen değerler ile karşılaştırılmıştır. Test edilen modüllerin işletme koşullarında meydana gelen mevsimsel farklılıkların karakteristik akım gerilim eğrilerinde oluşturduğu değişimi gözleyerek, modül parametrelerinin belirlenmesi amacıyla Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında gün içerisinde kesintisiz olarak ölçümler gerçekleştirilmiştir. Mevsimleri temsilen dört ay, her ayı temsilen de açık bir gün seçilerek farklı sıcaklık ve ışık şiddetlerinde akım-gerilim eğrileri çizilmiştir. Seçilen günlerdeki ışık şiddetinin gün içerisindeki değişimi Ek 1’de gösterilmektedir. Modülün akım-gerilim değişimi, akım pozitif kabul edilerek kullanım kolaylığı nedeniyle akımgerilim ekseninin IV. bölgesinde I. bölgeye taşınır. Modül yüzeyinde daha fazla ışık şiddeti elde etmek amacıyla, Nisan-Eylül ayları arasında, yazlık konumda yatayla 15º, Ekim-Mart ayları arasında, kışlık konumda yatayla 35º eğim açısı yapacak şekilde yılda iki defa eğim açıları değiştirilmiştir. Belirtilen zamanlar içerisinde, en fazla enerjinin elde edileceği yüzeylerin eğim açıları 5º ve 55º olarak hesaplanmıştır. Test edilen modüllerin her biri, temsil ettikleri şebekeye bağlı çalışan sistemlere ait örgü ile aynı konstrüksiyonda bulunduklarından, gerek şebekeye bağlı sistemlerin performansını olumsuz etkilememek, gerekse test edilen modül üzerindeki gölgelenme etkilerini en aza indirmek amacıyla 15º ve 35º eğim açıları uygulanmıştır. 69 Işık şiddeti ölçümleri CM11 Kipp&Zonnen piranometre ile modüllerin yerleştirildiği düzlemlerde gerçekleştirilmiştir. 12 Temmuz 2005, 19 Ekim 2005, 8 Ocak 2006 ve 25 Nisan 2006 olarak seçilen 4 gün içerisinde gerçekleştirilen ölçümler ve kullanılan modeller ile farklı malzemelerden yapılmış dört farklı modül için elde edilen akım- gerilim eğrileri Şekil 5.1-10 ve Şekil 5.12-19’da gösterilmektedir. Kullanılan modeller ile hesaplanan değerlerin ölçüm sonuçlarıyla çok iyi bir uyum içerisinde olduğu görülmektedir. Sabah güneşin doğmasıyla başlayan ölçümlerden parametre hesabı için çok sayıda akım-gerilim eğrisi kullanılırken sadece 4 farklı zamana ait olan ölçüm ve hesaplama sonuçları gösterilmiş olup, üretici firmalar tarafından testlerin gerçekleştirildiği STC’deki akım ve gerilim değerleri de elde edilen akım-gerilim eğrileriyle birlikte gösterilmiştir. Sabah saatlerinde, güneş ışınları yeryüzüne yatay düzleme yakın doğrultularda geldiğinden, bu zaman dilimlerinde ölçülen düşük ışık şiddetlerinde 3,00’ın üzerinde hava kütlesi değerleri hesaplanmıştır. Öğle saatlerine doğru ise güneş ışınları yüzey normaline yakın doğrultularda geldiğinden 1,00’a yakın hava kütlesi değerleri hesaplanmıştır. Bahar aylarında, öğle saatlerinde ışık şiddetinin 1.000W/m2 değerinden yüksek olmasına rağmen, güneş pili veya modül sıcaklığının 25ºC’den yüksek olması nedeniyle, modülden elde edilen güç modülün katalog değerlerinin altında kalmaktadır. 70 5.1.1 AS1206 m-Si Modül Muğla Üniversitesi Merkez Kütüphanesi çatısında bulunan test sisteminde AS1206 tek kristal silisyum modülün Nisan 2005’ten itibaren performansı izlenmektedir. STC’deki elektriksel güç çevrim verimi %12,32 olarak belirtilen ve gücü 120W olan modülün, üretici firma tarafından ölçülmüş elektriksel değerleri Çizelge 5.1’de verilmektedir. Çizelge 5.1 AS1206 m-Si modülün STC’deki elektriksel özellikleri. ISC (A) VOC (V) IMPP (A) VMPP (V) 7,70 21,0 7,14 16,8 36 adet güneş pilinin Şekil 5.2’de gösterildiği gibi birbirine seri bağlanmasıyla elde edilen modül 0,974m2 alan kaplamaktadır. n, diyot idealite faktörü 1,3 olarak verilen AS1206 m-Si modülün STC’deki diyot doyma akımı, I0,ref, açık devre gerilimin sıcaklıkla değişimini ifade eden gerilim katsayısı , µVOC ve kısa devre akımının sıcaklıkla değişimini ifade eden akım katsayısı, µISC de Çizelge 5.2’de verilmektedir. Şekil 5.2 c-Si güneş pillerinin birbirine bağlanması. 71 Üretici firma tarafından AS1206 m-Si modülün maksimum güç noktasında elde edilebilir gücünün çalışma sıcaklığına bağlı olarak her bir °C sıcaklık artışı için %0,50 ile %0,57 oranında azalacağı ifade edilmektedir (Güneş pillerine ait fiziksel parametreler PVSYST programı Güneş pili kütüphanesinden alınmıştır). Çizelge 5.2 AS1206 m-Si modülün STC’deki fiziksel parametreleri. RS (Ω) RSH (Ω) I0,ref (nA) µVOC (mV/ºC) µISC (mA/ºC) 0,111 140,0 195,0 -76,7 0,6 5.1.1.1 AS1206 m-Si Modülün Ölçüm Sonuçları AS1206 m-Si modül en iyi performansı kış ve bahar aylarında, en düşük performansı ise yaz aylarında sergilemektedir. 60ºC’ye ulaşan yüksek çalışma sıcaklıklarının görüldüğü yaz aylarında, Çizelge 5.2’de verilen fiziksel parametrelerden de açıkça görüleceği üzere, -76,7mV/ºC olarak verilen sıcaklık-gerilim katsayısı nedeniyle STC’de 21,0V olan açık devre gerilimi öğle saatlerinde artan çalışma sıcaklığı nedeniyle 17,0V’a kadar düşmektedir. 72 Şekil 5.3 Yaz aylarındaki davranışı temsilen 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.4 Sonbahardaki davranışı temsilen 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 73 Şekil 5.5 Kış aylarını temsilen 8 Ocak 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.6 İlkbahardaki davranışı temsilen 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 74 Yaz aylarında ölçülen çevre sıcaklığı ve güneş pillerinin çalışma sıcaklığının gün içerisindeki değişimi Ek 2’de gösterilmektedir. Gece çevre sıcaklığından ışıma nedeniyle 3-4º’ye kadar daha düşük sıcaklıklara sahip olan güneş pilleri, güneşin doğmasıyla birlikte elektrik üretmeye başlamakta ve beraberinde çalışma sıcaklıkları da artmaya başlamaktadır. Öğle saatlerinde, yüksek ışık şiddetlerinde güneş pillerinden çekilen güç değerlerinin en yüksek değerine ulaşmasıyla birlikte en yüksek çalışma sıcaklığı değerlerine ulaşılmaktadır. Öğleye kadar hızlı gerçekleşen sıcaklık artışı, öğleden sonra ışık şiddetiyle birlikte azalmaktadır. Sabah ve öğleden sonra ışık şiddetinin simetrik olarak değişmesine rağmen, güneş pillerinde sabah hızlı bir ısınma, öğleden sonra ise daha yavaş bir soğuma gözlenmektedir. Sıcaklıktaki bu değişim, açık devre gerilimi ve dolum çarpanının gün içerisindeki değişimine yansımakta olup, 12 Temmuz 2005 ile 8 Ocak 2006 günlerindeki değişim Ek 4 ve Ek 7’de verilmektedir. Kışın öğleden sonra saat 14.40’tan itibaren modül üzerindeki gölgelenme etkisinden dolayı, ölçülen açık devre geriliminde ve hesaplanan dolum çarpanında ani bir düşüş meydana gelmektedir. 5.1.2 S105 p-Si Modül Nisan 2005’ten itibaren performansı izlenmekte olan S105 çok kristalli silisyum modülün STC’deki elektriksel güç çevrim verimi %10,13 olarak belirtilmektedir. STC’deki gücü 105W olan modülün, üretici firma tarafından ölçülmüş elektriksel değerleri Çizelge 5.3’de verilmektedir. 75 Çizelge 5.3 S105 p-Si modülün STC’deki elektriksel özellikleri. ISC (A) VOC (V) IMPP (A) VMPP (V) 4,50 31,80 4,14 25,50 54 adet güneş güneş pilinin Şekil 5.2’deki gibi birbirine seri bağlanmasıyla elde edilen güneş pili 1,037m2 alan kaplamaktadır. Üretici firma tarafından S105 p-Si modülün maksimum güç noktasında elde edilebilir gücünün çalışma sıcaklığına bağlı olarak her bir °C sıcaklık artışı için %0,47 ile %0,53 oranında azalacağı belirtilmektedir. S105 p-Si modül için; n, diyot idealite faktörü 1,35 olarak verilmekte olup, STC’ deki bazı fiziksel parametreleri ve akım ile gerilimin sıcaklıkla değişim katsayıları Çizelge 5.4’de verilmektedir. Çizelge 5.4 S105 p-Si modülün STC’deki fiziksel parametreleri. RS (Ω) RSH (Ω) I0,ref (nA) µVOC (mV/ºC) µISC (mA/ºC) 0,318 350,0 186,0 -114,1 2,0 5.1.2.1 S105 p-Si Modülün Ölçüm Sonuçları S105 p-Si modül için dört mevsimi temsilen çizilen akım- gerilim eğrileri Şekil 5.7-10’da verilmektedir. Yaz aylarında sıcaklığın yüksek olmasından dolayı, açık devre gerilimi 30,0V’nin altına düşerken diğer zamanlarda 30,0V’nin üzerinde gerçekleşmektedir. 8 Ocak 2006 için 76 çizilen akım-gerilim eğrisi haricindeki zamanlar için elde edilen akımgerilim eğrileri STC’deki akım-gerilim eğrilerinden çok büyük farklılık göstermemektedir. Şekil 5.7 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.8 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 77 Şekil 5.9 8 Ocak 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.10 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 78 S105 p-Si modülde, m-Si modülde olduğu gibi en yüksek verim %11,0 ile kışın elde edilmekle beraber -114,1mV/ºC olarak verilen yüksek gerilim-sıcaklık katsayısı nedeniyle gerilimin düşmesinden dolayı, yaz aylarındaki verim %10’un altına düşmektedir. 12 Temmuz 2006’da 81,74W gücün çekildiği anda, güç çevrim verimi %9,4 olarak hesaplanmıştır. Bahar aylarında (Şekil 5.8 ve Şekil 5.10) ölçülen akımgerilim eğrilerinin STC’deki eğriye çok yakın olduğu görülmektedir. 100.95W ile yıl içerisinde en yüksek gücün elde edildiği 25 Nisan 2006 günü S105 p-Si modül, 1.150W/m2 ışık şiddetinde, 41ºC’de çalışmasına rağmen, STC’de verilen gücün %96’sına ulaşmaktadır. Açık devre gerilimi ve dolum çarpanının gün içerisindeki değişimi Ek 4 ve Ek 7’de verilmektedir. 5.1.3 KA58 a-Si Modül Nisan 2005’ten itibaren performansı izlenmekte olan KA58 amorf silisyum modül STC’deki elektriksel güç çevrim verimi %6,62 olarak belirtilmektedir. STC’deki gücü 58W olan güneş pilinin, üretici firma tarafından ölçülmüş elektriksel değerleri Çizelge 5.5’de verilmektedir. Çizelge 5.5 KA58 a-Si modülün STC’deki elektriksel özellikleri. ISC (A) VOC (V) IMPP (A) VMPP (V) 1,10 85,0 0,92 63,0 100 adet güneş pilinin birbirine Şekil 5.11’deki gibi seri bağlanmasıyla elde edilen modül 0,876m2 alan kaplamaktadır. 79 Şekil 5.11 a-Si ve CdTe ince film güneş pillerinin birbirine bağlanması. Üretici firma tarafından maksimum güç noktasında elde edilebilir gücün çalışma sıcaklığına bağlı olarak her bir °C sıcaklık artışı için %0,34 ile %0,49 oranında azalacağı ifade edilmektedir. KA58 a-Si modül için, diyot idealite faktörünün STC’deki değeri üretici firma tarafından 2,21 olarak verilmektedir. STC’deki bazı fiziksel parametreleri ve akım ile gerilimin sıcaklıkla değişim katsayıları Çizelge 5.6’da verilmektedir. Çizelge 5.6. KA58 a-Si modülün STC’deki fiziksel parametreleri. RS (Ω) RSH (Ω) I0,ref (nA) µVOC (mV/ºC) µISC (mA/ºC) 8,390 1050,0 229,0 -331,0 0,8 80 5.1.3.1 KA58 a-Si Modülün Ölçüm Sonuçları KA58 a-Si modülde, kristal silisyum modüllerin aksine sıcaklığın yüksek olduğu yaz aylarında performans daha yüksektir. Sıcaklık-gerilim katsayısının çok düşük olması nedeniyle (-331,0mV/ºC) yaz aylarında düşen çalışma gerilimine rağmen üretilen akımın artmasından dolayı 12 Temmuz’da en yüksek güç 47,95W olarak elde edilmiş olup, verim %5,2 olarak gerçekleşmiştir (Şekil 5.12). 19 Ekim 2005’te %4,2 olarak hesaplanan en yüksek güçteki verim, 25 Nisan 2006’da 45,97W güç çekildiği durumda %4,6 olarak hesaplanmıştır. KA58 a-Si güneş pili en düşük performansını kış aylarında sergilemekte ve 8 Ocak 2006 günü STC’deki güç değerinin yalnızca %48,9’una karşılık gelen 28,38W gücün üretilebildiği durumda verim %3,4 olarak gerçekleşmiştir. Şekil 5.12 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 81 Şekil 5.13 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen ve değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.14 8 Ocak 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 82 Şekil 5.15 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Ölçüm sonuçlarının parametre analizinde kullanıldığı KA58 a-Si modül, ilk defa Mayıs 2002’de güneş ışınlarına maruz kalacağı dış ortama çıkarılmıştır. Modülün bağlı bulunduğu sistem çok kısa bir süre (yaklaşık 2 hafta) şebekeye bağlı olarak çalıştıktan sonra elektronik yardımcı sistemlerden kaynaklanan sorun nedeniyle Nisan 2005’e kadar modülden güç çekilmemiş ve modül devre durumunda dış ortamda bırakılmıştır. Amorf silisyum güneş pillerinde SWE olayından dolayı üretilen akımdaki azalma nedeniyle ölçümlerin alınmaya başlanmasından sonraki aylarda daha önce güneş ışığına maruz bırakılmamış yeni bir KA58 a-Si modülde de eş zamanlı olarak ölçümler alınmaya başlanmıştır. 24 Ağustos 2005’te 1.148W/m2 ışık şiddetinde yaklaşık iki yıl güneş ışınları altında kalmış olan modülde %5,06 verimle 50,9W güç elde edilmişken, 83 sonradan güneşe çıkarılmış olan modülde %5,25 verimle 52,81W güç elde edilmiştir. Bir yıl sonrasında, 24 Temmuz 2006’da 1.183W/m2 ışık şiddetinde önceki modülde %4,73 verimle 49,02W güç elde edilirken, yeni güneş pilinde %4,96 verimle 51,42W güç elde edilmiştir. Bir yıl sonucunda, KA58 a-Si modülde verimin bir önceki yıla göre ortalama %0,3 azaldığı görülmektedir. KA58 a-Si modül için hesaplanan dolum çarpanı, kristal silisyum modüllerin dolum çarpanından %10-15 daha düşüktür. Buna rağmen dolum çarpanı sıcaklıktan fazla etkilenmemekle birlikte %52-55 aralığında değişmektedir. Kristal silisyum modüllerden farklı olarak yazın hesaplanan dolum çarpanının değeri daha yüksektir. Açık devre gerilimi ve dolum çarpanının gün içerisindeki değişimi Ek 4 ve Ek 7’de verilmektedir. 5.1.4 ATF43 CdTe Modül Nisan 2005’ten itibaren performansı izlenmekte olan ATF43 CdTe modülün STC deki elektriksel güç çevrim verimi % 5,92 olarak belirtilmektedir. STC’deki gücü 43W olan modülün, üretici firma tarafından ölçülmüş elektriksel değerleri Çizelge 5.7’de verilmektedir. Çizelge 5.7 ATF43 CdTe modülün STC’deki elektriksel özellikleri. ISC (A) VOC (V) IMPP (A) VMPP (V) 1,12 87,0 0,82 52,0 84 119 adet güneş pilinin Şekil 5.11’deki gibi birbirine seri bağlanmasıyla elde edilen modül 0,720m2 alan kaplamaktadır. Üretici firma tarafından maksimum güç noktasında elde edilebilir gücün çalışma sıcaklığına bağlı olarak her bir °C sıcaklık artışı için %0,72 ile %0,87 oranında azalacağı ifade edilmektedir. ATF43 CdTe modülün test edilen diğer modüllere göre sıcaklıktan daha fazla etkilendiği görülmektedir. ATF43 CdTe modül için, diyot idealite faktörünün STC’deki değeri üretici firma tarafından 3,24 olarak verilmektedir. STC’deki bazı fiziksel parametreleri ve akım ile gerilimin sıcaklıkla değişim katsayıları Çizelge 5.8’de verilmektedir. Çizelge 5.8 ATF43 CdTe modülün STC’deki fiziksel parametreleri. RS (Ω) RSH (Ω) I0,ref (nA) µVOC (mV/ºC) µISC (mA/ºC) 23,867 500,0 152,41 -393,6 0,90 5.1.4.1 ATF43 CdTe Modül Ölçüm Sonuçları Test edilen ince film teknolojisinin bir örneği olan ATF43 CdTe modülde, bahar aylarındaki performansın yaz ve kış aylarındaki performanstan daha iyi olduğu (Şekil 5.16-19) görülmektedir. Sıcaklıkgerilim katsayısının test edilen diğer modüllere göre daha düşük (-393,6mV/ºC) olmasına rağmen düşük ışık şiddetlerinde ölçülen açık devre gerilimi çok düşüktür. Sabah ve akşam saatlerinde açık devre gerilimi çok hızlı değişmektedir. Bununla birlikte 500W/m2’den yüksek ışık şiddetlerinde çok fazla değişim göstermemekte, hemen hemen sabit kalmaktadır. 85 Şekil 5.16 12 Temmuz 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.17 19 Ekim 2005 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. 86 Şekil 5.18 8 Ocak 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.19 25 Nisan 2006 günü farklı ışık şiddetlerinde ölçülen değerler ile Phang ve de Blas modeli ile hesaplanan akım-gerilim değerlerinin karşılaştırılması 87 Üretici firma tarafından katalog değerlerinde STC’de 42,7W güç ve %5,93 verim ifade edilmesine rağmen, yaz ve kış aylarında (12 Temmuz 2005 ve 8 Ocak 2006) 24,79W ve 20,57W olarak ölçülen en yüksek güç değerlerinde verimin %3,15 olarak gerçekleştiği hesaplanmıştır. Hesaplanan bu değer, üretici firma tarafından verilen değerin yaklaşık yarısına (%53) karşılık gelmektedir. Bir başka ATF43 CdTe modülün, ilk olarak test sistemine bağlandığı 24 Temmuz 2005 günü alınan ölçümlerinde ise 1.145W/m2 ışık şiddetinde 40,6W güç elde edilmiştir. Katalog değerinin %95’ine karşılık gelen güç değerinde hesaplanan verim ise %4,93 olarak gerçekleşmiştir. 25 Nisan 2006’da ise 1.164W/m2 ışık şiddetinde 37,68W güç elde edilmiştir. Test edilen ikinci ATF43 CdTe modülün güneşe çıkarıldıktan 9 ay sonra hesaplanan verimi %4,45, bir yıl sonra ise 1.107W/m2 ışık şiddetinde (28,3W) verim %3.5 olarak hesaplanmıştır. ATF43 CdTe modülün bir yıl ortam koşullarında devam eden testlerinden sonra, başlangıçtaki veriminden yaklaşık %1,5 kayıp ile mevsimlere göre %3,1–3,5 arasında değişen verimle elektrik üretiminin gerçekleştiği görülmektedir. Ölçümlerin gerçekleştiği zamanlarda hesaplanan dolum çarpanı değerleri, sabah erken ve akşam geç saatlerde değişim göstermekle birlikte, 09.00-15.00 saatleri arasında yaz ve kış aylarında birbirine çok yakın değerler alarak %41-43 aralığında gerçekleşmektedir. Açık devre gerilimi de düşük ışık şiddetlerinin görüldüğü sabah ve akşam saatlerinde ışık şiddetiyle doğrusal olarak değişmekte, yüksek ışık şiddetlerinin görüldüğü 09.00–15.00 saatleri arasında yaz ve kış aylarında 65-70V aralığında değerler almaktadır. VOC açık devre geriliminin ve FF dolum çarpanının gün içerisindeki değişimi Ek 4 ve Ek 7’de verilmektedir. 88 5.2 Seri Direnç Değişimleri Seri direnç, bir güneş pilinde performansı etkileyen önemli parametrelerdendir. Değerinin düşük olması istenir. İdeal bir güneş pilinde seri direncin değeri 0Ω olarak kabul edilir. Seri direnç, bir güneş pilinden veya modülden çekilebilecek en yüksek gücün belirlendiği akım ve gerilim değerlerine karşılık gelen nokta olan, maksimum güç noktasının belirlenmesinde etkindir. AS1206 m-Si modül için üretici firma tarafından STC’de verilen değerlerden yola çıkarak seri direnç değerinin artırılmasıyla modülün karakteristik eğrisinde meydana gelebilecek değişim Şekil 5.20’de gösterilmektedir. Bu değişimden, güneş pili veya modül için maksimum güç noktasının yerinin akımgerilim eğrisi üzerinde daha düşük akım ve gerilime sahip bir noktaya kaydığını görmek mümkündür. Aynı zamanda, bu eğride seri direnç değerindeki değişimin açık devre gerilimi üzerinde bir etkisinin olmadığı, yüksek seri direnç değerlerinde ise kısa devre akımının azaldığı görülmektedir. Şekil 5.20 AS1206 m-Si modülde akım-gerilim eğrisi üzerine (RS) seri direnç etkisinin benzetişimi. 89 Bir güneş pilinde veya modülde akım-gerilim eğrisinden yola çıkarak seri direncin değeri Denklem 4-16 veya Denklem 4-19 kullanılarak hesaplanabilir. Test edilen modüllerde, farklı koşullarda yapılan hesaplamalardan seri direnç RS değerinin ışık şiddeti G ve güneş pili veya modül sıcaklığı TC değerlerine bağlı olduğu görülmektedir (modülün arka yüzeyinde ölçülen sıcaklığın güneş pili sıcaklığına eşit olduğu kabul edilmiştir). Seri direnç değerinde, m-Si ve p-Si modüllerde, ışık şiddetiyle exponansiyel bir değişim gözlenirken ince film yapısında olan a-Si ve CdTe modüllerde seri direnç değerinin ışık şiddetiyle logaritmik olarak değiştiği görülmektedir. Şekil 5.21’de AS1206 m-Si modül için bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan seri direnç değerleri gösterilmektedir. Şekil 5.21 AS1206 m-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması. 90 Bu çalışmada seri direncin hesaplanmasında Phang ve de Blas modellerinin her ikisi de birlikte kullanılmıştır. Phang modelinden elde edilen değer (analitik bir model olması nedeniyle) de Blas modelindeki benzetişimlerin durdurulmasında karar mekanizması olarak kabul edilmiştir. Phang ve de Blas modeli kullanılarak hesaplanan paralel direnç değerleri arasındaki fark %0,5 değerinin altındadır. AS1206 m-Si modülde 200W/m2 ışık şiddeti değerinde 0,1Ω civarında olan seri direnç değerinin artan ışık şiddetiyle; RS = rS1 (1 − e − rS 2G ) (5-1) ifadesine uyan exponansiyel bir değişim ile 1.000W/m2 ışık şiddetine gelindiğinde seri direnç değrinin 0,25-0,30Ω’a yükseldiği gözlenmektedir. Yaz ve kış mevsimlerinde günün birçok bölümünde 300W/m2’den daha yüksek ışık şiddetinin görüldüğü Muğla’da, AS1206 m-Si modül için hesaplanan seri direnç değerleri üretici firma tarafından 0,111Ω (Çizelge 5.2) olarak verilen değerden daha yüksektir. Yaz aylarında ortam sıcaklığı ve modülün çalışma sıcaklığı da yüksek olduğundan, seri direnç değerindeki artış, 600W/m2 ışık şiddetine kadar hızlı olmakta daha sonra yavaşlamaktadır. Kış aylarında ise seri direnç değeri, artan ışık şiddetiyle doğru orantılı olarak değişmektedir. Modülün seri direnç değerinin daha kolay hesaplanması için yıl içerisinde elde edilen tüm değerler kullanılarak yapılan regresyon analizi sonucunda genel ifadenin, RS = 0,260 × (1 − e −0, 0039 × G ) (5-2) 91 şeklinde olduğu görülmektedir. Şekil 5-21’den de görülebileceği üzere, modülün seri direnç değerinin ışık şiddetiyle değişimini veren Denklem 5-2 genel ifadesinden elde edilen değerler ile ölçülen değerler arasında %50’ye kadar ulaşabilen farklılıklar vardır. Bunun nedeni, yüzeye gelen toplam güneş ışığının şiddetinin aynı olabilmesine rağmen, güneş ışığının spektrumunda ve çevre sıcaklığında oluşan farklılıklardır. Mevsimsel olarak görülen farklılıklar nedeniyle her ay için seçilen açık bir günde yapılan hesaplamalar sonucunda, Denklem 5-1’de verilen katsayılar tespit edilmiştir. Şekil 5-22’de 14 Mayıs 2006’da alınan ölçüm sonuçları ve bu sonuçlara uyan fonksiyonun değişimi görülmektedir. Aylara göre rS1 ve rS2 katsayılarının aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelge 5.9’da verilmektedir. Şekil 5.22 AS1206 m-Si modülde 14 Mayıs 2005’te ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması. 92 Çizelge 5.9 AS1206 m-Si modül için seri direnç katsayıların aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rS1 0,239 0,333 0,249 0,299 0,361 0,254 0,303 0,302 0,280 0,256 0,237 0,273 rS2 0,0044 0,0013 0,0093 0,0026 0,0015 0,0016 0,0030 0,0047 0,0024 0,0057 0,0031 0,0025 σ 0,05 0,03 0,02 0,04 0,03 0,05 0,03 0,05 0,05 0,03 0,03 0,02 R2 0,55 0,82 0,56 0,86 0,91 0,54 0,81 0,73 0,86 0,55 0,85 0,88 S105 p-Si modülün seri direnç değişimi, AS1206 m-Si modülün seri direnç değişiminden farklı olarak artan ışık şiddetiyle azalmaktadır. S105 p-Si modül için hesaplanan seri direnç değeri sahip olduğu çok kristalli yapı nedeniyle, AS1206 m-Si modül için hesaplanan seri direnç değerinden bazı durumlarda 2-3 kat fazla olup RS, 0,4-1,0Ω arasındadır. Hesaplanan bu değerler, S105 p-Si modül için üretici firma tarafından 0,318Ω (Çizelge 5.4) olarak verilen değerlerden daha yüksektir. Şekil 5.23’de test edilen S105 p-Si modül için bir yıl boyunca farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan seri direnç değerleri gösterilmektedir. 93 Şekil 5.23 S105 p-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması. Yapılan hesaplamalar sonucunda seri direnç değerinin S105 p-Si modülde ışık şiddetiyle exponansiyel olarak, RS = rS1 × e − rS 2G (5-3) şeklinde değiştiği ve S105 p-Si için genel ifadenin, RS = 0,840 × e −0,00043 × G (5-4) olarak ifade edilebileceği tespit edilmiştir. Aylara göre rS1 ve rS2 katsayılarının aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelde 5.10’da verilmektedir. 94 Çizelge 5.10 S105 p-Si modül için seri direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rS1 1,098 0,875 0,582 0,706 0,623 0,494 0,953 1,733 1,108 0,861 1,464 0,429 rS2 0,00099 0,00055 0,00025 0,00012 0,00015 -0,00022 0,00060 0,00131 0,00072 0,00044 0,00097 0,00013 σ 0,09 0,05 0,06 0,05 0,04 0,07 0,16 0,23 0,08 0,11 0,14 0,01 R2 0,79 0,91 0,60 0,46 0,54 0,53 0,64 0,85 0,89 0,60 0,84 0,88 KA58 a-Si ve ATF 43 CdTe ince film modüllerin seri direnç değerleri, kristal silisyum modüllerin seri direnç değerlerinden daha yüksek olup ışık şiddetiyle logaritmik olarak azalmaktadır. Seri direncin değerinin düşük olmasının istenilen bir özellik olması nedeniyle yüksek ışık şiddetlerinde artan modül sıcaklığının katkısıyla seri direnç değeri düşmekte ve artan ışık şiddeti modülün performansına katkıda bulunmaktadır. Şekil 5.24’de KA58 a-Si modül için bir yıl boyunca seçilmiş açık günlerde hesaplanan seri direnç değerinin ışık şiddetiyle değişimi gösterilmektedir. 500W/m2’ye kadar olan düşük ışık şiddetlerinde 10Ω değerinden daha yüksek seri direnç değerleri hesaplanmıştır. Kristal silisyum güneş pillerinin aksine KA58 a-Si modülde 300W/m2’den yüksek ışık şiddetlerinde hesaplanan seri direnç değerleri üretici firma tarafından 8,390Ω (Çizelge 5.4) olarak verilen değerden daha düşüktür. 95 Şekil 5.24 KA58 a-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması. KA58 a-Si modülün seri direnç değeri ışık şiddetiyle logaritmik olarak, RS = rS1 + rS 2 × ln(G ) (5-5) ifadesine uygun bir değişim göstermektedir. Bir yıl içerisinde elde edilen tüm değerler kullanılarak yapılan regresyon sonucunda genel ifadenin, RS = 57,658 − 7,58× ln(G ) (5-6) 96 şeklinde olduğu tespit edilmiştir. Aylara göre rS1 ve rS2 katsayılarının aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelde 5.11’de verilmektedir. Çizelge 5.11 KA 58 a-Si modül için seri direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rS1 131,596 94,733 -3,777 2,510 37,445 96,240 75,370 28,236 37,445 63,357 137,038 -17,494 rS2 -19,002 -12,510 1,226 0,679 -4,766 -13,098 -10,577 -3,399 -4,746 -8,100 -19,087 4,007 σ 5,45 1,82 1,13 0,06 1,72 2,71 4,45 0,93 1,72 0,52 1,98 1,08 R2 0,88 0,97 0,43 0,99 0,90 0,95 0,86 0,90 0,90 0,99 0,97 0,89 ATF43 CdTe modülün seri direnç değişimi, bir diğer ince film yapısında olan KA58 a-Si modülün seri direnç değişiminde olduğu gibi artan ışık şiddetiyle Denklem 5-5 ile verilen ifadeye uyacak şekilde logaritmik olarak azalmaktadır. Şekil 5.25’de ATF43 CdTe modül için bir yıl boyunca seçilmiş açık günlerde hesaplanan seri direnç değerinin ışık şiddetiyle değişimi gösterilmektedir. Bazı günlerde üretici firma tarafından STC’de 23,867Ω (Çizelge 5.8) olarak verilen değerlerden farklı olarak 35Ω’dan yüksek bazı günlerde de 15Ω’dan düşük seri direnç değerleri hesaplanmış olmasına rağmen hesaplanan RS değerlerinin büyük bir bölümü 20-30Ω aralığında yer almaktadır. 97 Şekil 5.25 ATF43 CdTe modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan seri direnç değerlerinin karşılaştırılması. ATF43 CdTe modül için seri direnç değerinin ışık şiddetiyle değişimi çok yavaş olup bir yıl içerisinde elde edilen tüm değerler kullanılarak yapılan regresyon sonucunda genel ifade; RS = 36,905 − 2,132 × ln (G ) (5-7) şeklindedir. Denklem 5-5’te verilen rS1 ve rS2 katsayılarının aldığı değerlerin aylara göre değişimi ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelge 5.12’te verilmektedir. 98 Çizelge 5.12 ATF43 CdTe modül için seri direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rS1 16,665 102,195 62,338 94,547 38,049 81,195 95,904 164,367 49,361 -17,834 117,026 160,969 rS2 1,331 -11,457 -5,856 -10,178 -2,333 -8,595 -11,072 -20,946 -5,757 6,222 -13,808 -19,412 σ 6,63 1,30 1,30 2,67 1,43 2,15 1,34 2,76 0,87 3,38 4,17 2,05 R2 0,68 0,90 0,87 0,92 0,69 0,82 0,95 0,97 0,79 0,61 0,85 0,90 c-Si modüllerin RS değerlerinin kış mevsiminde göstermiş oldukları davranışı incelemek için 20 Aralık 2005 günü alınan ölçümler kullanılmıştır. AS1206 m-Si modül için Denklem 5-1 ve Çizelge 5.9, S105 p-Si modül için Denklem 5-3 ve Çizelge 5.10’da Aralık ayı için verilen seri direnç katsayıları kullanılarak belirlenen RS değişimi Şekil 5.26’da gösterilmektedir. Test edilen ince film modüllerin RS değerlerinin yaz mevsiminde göstermiş oldukları davranışı incelemek için ise 13 Ağustos 2005 günü alınan ölçümler kullanılmıştır. KA58 a-Si ve ATF43 CdTe modüller için Denklem 5-5 ve Çizelge 5.11 ile Çizelge 5.12’de Ağustos ayı için verilen seri direnç katsayıları kullanılarak belirlenen RS değişimi de Şekil 5.26’da gösterilmektedir. 99 Şekil 5.26 Test edilen modüllerde yaz ve kış aylarında ölçülen ve hesaplanan (RS) seri direnç değerleri. 5.3 Paralel Direnç Değişimleri Paralel direnç (RSH), bir güneş pilinde kaçak akımları ifade etmekte olup performansı etkileyen parametrelerdendir. Akım-gerilim eğrisinin kısa devre akımı civarındaki eğiminden yola çıkarak paralel direnç değeri, Phang modeli kullanılarak Denklem 4-12 veya de Blas modeli kullanılarak Denklem 4-18 ile hesaplanabilir. Bu çalışmada paralel direncin hesaplanmasında Phang ve De Blas modellerinin her ikisi de birlikte kullanılmıştır. Phang modelinden elde edilen değer (analitik bir model olması nedeniyle) de Blas modelindeki benzetişimlerin durdurulmasında karar mekanizması olarak kabul edilmiştir. Phang ve de Blas modeli kullanılarak hesaplanan paralel 100 direnç değerleri arasındaki fark %0,5 değerinin altındadır. Güneş pilinde kaçak akımların olması istenmediğinden, paralel direnç değeri mümkün olduğu kadar yüksek olmalıdır. İdeal bir güneş pilinde RSH = ∞ olarak kabul edilir. AS1206 m-Si modülün üretici firma tarafından STC’de verilen değerlerinden yola çıkarak, modülün diğer iç parametreleri ve sıcaklık, ışık şiddeti gibi diğer dış parametreler aynı kalmak üzere, 5Ω ile 1MΩ aralığında değişen RSH değerleri için yapılan benzetişimler sonucunda modülün karakteristik eğrisi üzerinde meydana gelebilecek değişim Şekil 5.27’de gösterilmektedir. Şekil 5.27 Akım-gerilim eğrisi üzerine paralel direnç (RSH) etkisinin benzetişimi. Paralel direncin değerinin azalmasıyla kısa devre akımı civarındaki eğim artmaktadır. Şekil 5.27’den de görüleceği üzere çok düşük RSH değerlerinde (STC’deki değerin %10’undan daha küçük) 101 modülden elde edilecek güç azalmaktadır. Düşük RSH değerlerinde (yüksek RSH değerlerine göre) modülün IMPP değerinden düşük akım ve VMPP değerinden düşük gerilim değerlerinde çalıştığı, dolum çarpanının değerinin düştüğü ve modülün VOC açık devre gerilimin azaldığı görülmektedir. AS1206 m-Si modül için RSH değerinin 10Ω olması durumunda VMPP ve IMPP değerlerinin STC’de verilen değerlere göre %15 daha düşük olacağı, STC’de %74 olarak verilen dolum çarpanının da %59 değerine düşeceği hesaplanmıştır (Şekil 5.27). Test edilen modüllerde farklı koşullarda yapılan hesaplamalardan üretici firma tarafından STC’de verilen RSH değerlerinin altında değerler hesaplanmıştır. Test edilen modüllerde paralel direnç, değerinin ışık şiddeti G ve güneş pili sıcaklığı TC değerlerine logaritmik olarak Denklem 5-8’e uyan bir ifade ile bağlı olduğu görülmektedir. Şekil 5.28’de AS1206 m-Si modül için bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan paralel direnç değerleri gösterilmektedir. Bir yıl içerisinde hesaplanan değerlerin büyük bölümü 50-125Ω aralığındadır. 102 Şekil 5.28 AS1206 m-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması. Şekil 5.29’da 14 Mayıs 2006’da alınan ölçüm sonuçları ve bu sonuçlara uyan fonksiyonun değişimi görülmektedir. Mayıs ayını temsilen seçilen 14 Mayıs 2006 günü 500W/m2 ışık şiddetine kadar hesaplanan paralel direnç değerleri, 250Ω değerinden yüksek olup diğer tüm zamanlar için hesaplanan değerler üretici firma tarafından 140Ω (Çizelge 4.2) olarak verilen değerden daha düşüktür. Şekil 5.28’deki paralel direncin ışık şiddetiyle olan değişimi; RS H = rSH 1 + rSH 2 × ln (G ) (5-8) ifadesine uygundur. Şekil 5.29’da hesaplanan paralel direnç değerlerinin Denklem 5-8 ile ifade edilen fonksiyon ile ne kadar uyum içerisinde temsil edilebileceği gösterilmektedir. 103 Şekil 5.29 AS1206 m-Si modülde 14 Mayıs 2005’te ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması. AS1206 m-Si modül için bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan paralel direnç değerleri kullanılarak yapılan regresyon sonucunda genel ifade; RS H = 537,54 − 69,41× ln(G ) (5-9) şeklinde olup aylara göre rSH1 ve rSH2 katsayılarının aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelge 5.13’de verilmektedir. Çizelge 5.13 AS1206 m-Si modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rSH1 450,34 1.056,21 368,11 361,50 2.109,90 519,89 690,04 647,40 476,77 151,61 388,58 297,72 rSH2 -58,59 -146,10 -47,77 -44,51 -293,76 -61,31 -94,53 -87,56 -61,78 -13,16 -49,46 -37,30 σ 14 29 14 8 40 44 24 12 13 4 8 1 R2 0,91 0,93 0,89 0,96 0,98 0,68 0,94 0,98 0,97 0,92 0,96 0,99 104 S105 p-Si modül için hesaplamalar sonucunda 800W/m2 değerini aşan ışık şiddetlerinde paralel direnç değerlerinin 100-250Ω aralığında değiştiği görülmektedir. 500W/m2’nin altındaki ışık şiddetlerinde ise hesaplanan değerlerde mevsimlere göre büyük farklılıklar görülmekle birlikte, 150-600Ω aralığında bir değişim gerçekleşmektedir. S105 p-Si güneş pili için üretici firma tarafından verilen paralel direnç değeri 350Ω (Çizelge 4.4) olup bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan değerlerin değişimi Şekil 5.30’da görülmektedir. Mart ayında hesaplanan paralel direnç değerleri en yüksek değerleri almakta olup düşük ışık şiddetlerinde 700Ω’a kadar çıkmaktadır. Şekil 5.30 S105 p-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması. Yapılan hesaplamalar sonucunda S105 p-Si modülde paralel direnç değerinin ışık şiddetiyle değişimini gösteren genel ifadenin, 105 RS H = 1321,95 − 169,60 × ln(G ) (5-10) şeklinde olduğu tespit edilmiştir. Denklem 5-8 ile verilen rSH1 ve rSH2 katsayılarının aylara göre aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelge 5.14’de verilmektedir. Çizelge 5.14 S105 p-Si modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rSH1 3.684,34 762,36 1.874,68 2.252,75 556,95 1.866,08 1.955,96 1.298,99 1.210,81 1.699,71 656,96 555,03 rSH2 -507,23 -89,75 -244,14 -311,11 -0,97 -244,05 -267,98 -159,76 -162,30 -233,30 -77,79 -60,68 σ 21 45 68 22 47 68 81 51 49 63 22 6 R2 0,99 0,78 0,92 0,99 0,92 0,91 0,92 0,91 0,93 0,92 0,92 0,99 KA58 a-Si modülde hesaplanan değerler, 400-1700Ω aralığındadır. 400W/m2 ışık şiddetine kadar yapılan hesaplamalarda paralel direnç değerinin 900-1.300Ω aralığında yoğunlaştığı görülmektedir. 600W/m2’nin üzerindeki ışık şiddetlerinde ise hesaplanan değerlerin 700Ω’un altında olduğu görülmektedir. KA58 a-Si modül için üretici firma tarafından verilen paralel direnç değeri 1.050Ω (Çizelge 4.6) olup bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan değerlerin değişimi Şekil 5.31’de görülmektedir. Çevre sıcaklığının 40ºC’ye, güneş 106 pili sıcaklığının 70ºC’ye ulaştığı Ağustos ayında hesaplanan paralel direnç değerleri, en yüksek değerleri almakta olup düşük ışık şiddetlerinde 1.700Ω’a kadar çıkmaktadır. Şekil 5.31 KA58 a-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması. Yapılan hesaplamalar sonucunda KA58 a-Si modülde paralel direnç değerinin ışık şiddetiyle değişimini gösteren genel ifadenin, RS H = 2.455,18 − 280,31× ln(G ) (5-11) şeklinde olduğu tespit edilmiştir. Denklem 5-8 ile verilen rSH1 ve rSH2 katsayılarının aylara göre aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelge 5.15’de verilmektedir. 107 Çizelge 5.15 KA58 a-Si modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rSH1 2.512,46 4.671,27 3.394,59 3.771,98 1.901,45 4.646,02 4.315,14 4.609,49 1.901,45 6.185,00 2.742,38 6.530,82 rSH2 -249,68 -621,81 -408,28 -480,03 -220,02 -619,08 -542,58 -582,62 -220,02 -838,13 -336,57 -883,59 σ 67 182 114 103 45 68 112 149 45 263 66 116 R2 0,87 0,89 0,90 0,94 0,96 0,99 0,96 0,94 0,96 0,86 0,91 0,96 ATF43 CdTe modül için farklı ışık şiddetlerinde yapılan hesaplamalar sonucunda paralel direnç değerlerinin büyük bölümünün 200-500Ω aralığında değerler aldığı görülmektedir. ATF43 CdTe modül için üretici firma tarafından verilen paralel direnç değeri 500Ω (Çizelge 4.8) olup bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan değerlerin değişimi Şekil 5.32’de görülmektedir. 250W/m2’den düşük ışık şiddetlerinde Ağustos ve Eylül aylarında hesaplanan paralel direnç değerleri 600Ω’un üzerine çıkabilmektedir. Bununla birlikte 800W/m2’yi aşan ışık şiddetlerinde 150Ω’un altında paralel direnç değerleri hesaplanmıştır. 108 Şekil 5.32 ATF43 CdTe modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan paralel direnç değerlerinin karşılaştırılması. ATF43 CdTe modülde paralel direnç değeri ışık şiddetiyle logaritmik olarak, RS H = 2.061,30 − 266,96 × ln(G ) (5-12) şeklinde değişmektedir. Denklem 5-8 ile verilen rSH1 ve rSH2 katsayılarının aylara göre aldığı değerler ve yapılan regresyon analizi sonuçları Çizelge 5.16’da verilmektedir. 109 Çizelge 5.16 ATF43 CdTe modül için paralel direnç katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık rSH1 1.755,92 2.329,03 1.436,47 1.263,24 1.573,67 2.034,23 2.022,92 2.036,60 2.723,15 1.500,83 2.028,38 856,98 rSH2 -208,07 -312,89 -157,16 -153,24 -188,23 -262,69 -265,99 -271,76 -360,34 -186,77 -270,00 -83,82 σ 45 48 16 32 30 34 79 100 65 28 37 20 R2 0,89 0,97 0,99 0,95 0,98 0,94 0,88 0,89 0,97 0,96 0,95 0,87 c-Si modüllerin RSH değerlerinin kış mevsiminde göstermiş oldukları davranışı incelemek için 8 Ocak 2006 günü alınan ölçümler kullanılmıştır. İnce film modüllerin RSH değerlerinin yaz mevsiminde göstermiş oldukları davranışı incelemek için ise 12 Temmuz 2005 günü alınan ölçümler kullanılmıştır. Test edilen tüm modüllerde RSH değeri G ışık şiddeti ile Denklem 5-5’e uyacak şekilde değişmektedir. RSH değeri hesaplanırken, AS1206 m-Si modül için Çizelge 5.13 ve S105 p-si modül için Çizelge 5.14’te Ocak ayı için verilen, KA58 a-Si modül için Çizelge 5.15 ve ATF43 CdTe modül için de Çizelge 5.16’da Temmuz ayı için verilen paralel direnç katsayıları kullanılmıştır. Ölçümlerden bulunan değerler ile hesaplanan değerlerin ışık şiddetiyle değişimi Şekil 5.33’te gösterilmektedir. 110 Şekil 5.33 Test edilen modüllerde yaz ve kış aylarında ölçülen (RSH) paralel direnç değerleri. 5.4 Düzeltilmiş İdealite Faktörü Değişimleri Düzeltilmiş idealite faktörü a, güneş pili ve modül performansını etkileyen önemli parametrelerdendir. Bir güneş pilinde akım-gerilim eğrisinden yola çıkarak düzeltilmiş idealite faktörünün değeri Phang modeli kullanılarak Denklem 4-14 veya de Blas modeli kullanılarak Denklem 4-22 ile hesaplanabilir. Phang modelinden elde edilen değer (analitik bir model olması nedeniyle) de Blas modelindeki benzetişilerin durdurulmasında karar mekanizması olarak kabul edilmiştir. Phang ve de Blas modeli kullanılarak hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerleri arasındaki fark %0,5 değerinin altındadır. AS1206 m-Si modülün üretici firma tarafında STC’de verilen değerlerinden yola çıkarak düzeltilmiş 111 idealite faktörü değerinin %5 ve %10 artırılmasıyla modülün karakteristik eğrisinde meydana gelebilecek değişim, Şekil 5.33’de gösterilmektedir. Ayrıca Şekil 5.34’ten düzeltilmiş idealite faktörünün değiştirilmesinin modülün ISC değerinde bir değişime neden olmadığı, modülün VOC değerinin ise düzeltilmiş idealite faktörüyle birlikte arttığı görülmektedir. Artan gerilime bağlı olarak maksimum güç noktasının yerinin daha yüksek gerilimlere kaymasıyla birlikte yeni maksimum güç noktasında elde edilecek akımın değerinin çok küçük bir miktar azaldığı görülmektedir. Şekil 5.34 Akım-gerilim eğrisi üzerine (a) düzeltilmiş idealite faktörü etkisinin benzetişimi. Test edilen modüllerin düzeltilmiş idealite faktörü a, değerlerinin ışık şiddeti G ile Denklem 5-13’e uyan genel ifade ile exponansiyel olarak değiştiği görülmektedir. 112 a = a1 × e a2 × G (5-13) AS1206 m-Si modül için Denklem 4-22 kullanılarak bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde yapılan hesaplama sonuçları, Şekil 5.35’de gösterilmekte olup genel ifade Denklem 5-14’te verilmektedir. a = 2,011 × e −0.00016 × G (6-14) Şekil 5.35 AS1206 m-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması. Üretici firma tarafından STC’de 1,3 olarak verilen diyot idealite faktörü, sıcaklığı da içeren düzeltilmiş idealite faktörü tanımıyla AS1206 m-Si modül için 1,21 olarak hesaplamıştır. Bu hesaplamalara göre 113 düzeltilmiş idealite faktörünün, AS1206 m-Si modül için 1,50-2,25 aralığında değerler aldığı belirlenmiştir. 14 Mayıs 2006 günü ölçülen değerler kullanılarak yapılan hesaplamalar sonucunda, düzeltilmiş idealite faktörünün artan ışık şiddetiyle değişiminin bir yıl için gözlenen değişimden daha hızlı olduğu Şekil 5.36’da görülmektedir. Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında her ay için seçilen temsili günlerde yapılan hesaplamalar sonucunda, a1 ve a2 katsayıların aylara göre değişimi ile standart sapma ve belirleme katsayıları (R2) Çizelge 5.17’de verilmektedir. Şekil 5.36 AS1206 m-Si modülde 14 Mayıs 2006’da ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması. S105 p-Si modül için Denklem 4-22 kullanılarak bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde yapılan hesaplama sonuçları Şekil 5.37’de gösterilmekte ve genel ifade de Denklem 5-15’de verilmektedir. 114 Çizelge 5.17 AS1206 m-Si modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık a1 2,060 2,416 1,752 1,931 2,407 2,058 1,892 2,082 2,068 1,683 2,068 1,834 a2 -0,00023 -0,00039 -0,00005 -0,00014 -0,00028 -0,00013 -0,00008 -0,00020 -0,00015 -0,00003 -0,00015 -0,00018 σ 0,08 0,17 0,10 0,07 0,08 0,11 0,13 0,09 0,11 0,06 0,14 0,05 R2 0,83 0,78 0,27 0,74 0,94 0,65 0,33 0,87 0,71 0,31 0,54 0,86 Şekil 5.37 S105 p-Si modül de bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması. 115 a = 1,436 × e 0.,0017 × G (5-15) Test edilen S105 p-Si modülde yapılan hesaplamalar sonucunda düzeltilmiş idealite faktörünün ışık şiddetiyle olan değişimi, AS1206 m-Si modülde gözlenen azalmanın aksine artmaktadır. Üretici firma tarafından STC’de 1,35 olarak verilen diyot idealite faktörü, sıcaklığı da içeren düzeltilmiş idealite faktörü tanımıyla S105 p-Si modül için 1,89 olarak hesaplamıştır. Denklem 5-13 ile verilen a2 katsayısının pozitif ve çok küçük olmasından dolayı, düşük ışık şiddetlerinde 1,50 civarında hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü, yüksek ışık şiddetlerinde 2,00’ın altında kalmaktadır. 600W/m2’den düşük ışık şiddetlerinde ve özellikle Aralık, Ocak gibi çevre sıcaklığının ve beraberinde güneş pili çalışma sıcaklığının düşük olduğu aylarda, 1,50’nin altında düzeltilmiş idealite faktörü değerleri hesaplanmıştır. Ayrıca 25 Nisan 2006 tarihinde yapılan hesaplamalarda genel ifadeden farklı olarak, düzeltilmiş idealite faktörü değerinin 2,01 değerinden başlayarak artan ışık şiddetiyle 1,28 değerine kadar azaldığı belirlenmiştir. Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında her ay için seçilen temsili günlerde yapılan hesaplamalar sonucunda, a1 ve a2 katsayılarının aylara göre değişimi ile standart sapma ve belirleme katsayıları Çizelge 5.18’de verilmektedir. 116 Çizelge 5.18 S105 p-Si modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık a1 0,812 1,339 1,714 2,106 1,661 1,693 1,691 1,643 1,446 1,019 1,075 0,571 a2 0,00096 0,00028 0,00009 -0,00037 0,00015 0,00009 0,00009 0,00015 0,00018 0,00054 0,00047 0,00112 σ 0,30 0,09 0,08 0,12 0,07 0,07 0,11 0,18 0,13 0,09 0,08 0,25 R2 0,77 0,87 0,61 0,87 0,83 0,64 0,44 0,43 0,62 0,90 0,89 0,81 KA58 a-Si modülde yapılan hesaplamalardan, AS1206 m-Si modülde olduğu gibi düzeltilmiş idealite faktörü değerinin ışık şiddetiyle artma eğilimi içerisinde olduğu görülmektedir. Aylık olarak yapılan regresyon analizlerinde, değişimin Denklem 5-13 ile uyum içerisinde olduğu görülmektedir. Bununla birlikte tüm yıl için yapılan analizde, düzeltilmiş idalite faktörü Denklem 5-16’ya uyan ve a0 değerinden başlayarak değişen bir fonksiyona uymaktadır. KA58 a-Si modül için genel ifade Denklem 5-17’de verilmektedir. a = a 0 − a1 × e a2 × G (5-16) a = 11,083 − 6,174 ×e −0, 00199 × G (5-17) 117 KA58 a-Si modül için üretici firma tarafından STC’deki değeri 2,21 olarak verilen diyot idealite faktörü kullanılarak düzeltilmiş idealite faktörü 5,72 olarak hesaplamıştır. Bir yıl içerisinde 4-14 aralığında değerler aldığı hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörünün ışık şiddetiyle değişimi, Şekil 5.38’de verilmektedir. Aralık, Ocak, Mart ve Nisan aylarında hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerleri, ışık şiddetiyle azalmakta (a2 <0) diğer aylarda ise artmaktadır (a2 >0). Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında her ay için seçilen temsili günlerde yapılan hesaplamalar sonucunda a1 ve a2 katsayılarının aylara göre değişimi ile standart sapma ve belirleme katsayıları Çizelge 5.19’da verilmektedir. Şekil 5.38 KA58 a-Si modülde bir yıl boyunca ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması. 118 Çizelge 5.19 KA58 a-Si modülde düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık a1 16,313 6,266 14,424 12,592 8,007 6,114 6,165 7,612 8,007 6,581 3,600 10,360 a2 -0,00032 0,00047 -0,00012 -0,00014 0,00020 0,00019 0,00050 0,00029 0,00020 0,00025 0,00099 -0,00006 σ 0,33 1,39 0,69 0,74 0,63 0,21 0,88 0,54 0,63 0,32 0,85 0,62 R2 0,86 0,65 0,55 0,60 0,70 0,92 0,85 0,82 0,70 0,88 0,92 0,23 ATF43 CdTe modül için Denklem 4-22 kullanılarak bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde yapılan hesaplama sonuçları, Şekil 5.39’da gösterilmekte olup, yıllık değişimin genel ifadesi Denklem 518’de verilmektedir. Eylül ayı haricinde 5-16 aralığında değerler alan düzeltilmiş idealite faktörü Eylül ayı içerisinde düşük ışık şiddetlerinde 20 ve yüksek ışık şiddetlerinde ise en düşük 16 değerini almaktadır. a = 17,088 × e −0, 00077 × G (5-18) 119 Şekil 5.39 ATF43 CdTe modülde bir yıl boyunca için ölçülen ve hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin karşılaştırılması. Test edilen bir diğer ince film modül ATF43 CdTe modülde yapılan hesaplamalar sonucunda, düzeltilmiş idealite faktörünün değerleri, AS1206 m-Si modül için hesaplanan değerlerden 4-20 kat fazladır. Bununla birlikte düzeltilmiş idealite faktörünün ışık şiddetiyle olan değişiminin AS1206 m-Si modülde gözlenen değişimle benzerlik gösterdiği görülmektedir. Üretici firma tarafından STC’deki değeri 3,24 olarak verilen diyot idealite faktörü kullanılarak, düzeltilmiş diyot idealite faktörünün değeri 9,98 olarak hesaplanmıştır. Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında her ay için seçilen temsili günlerde yapılan hesaplamalar sonucunda, a1 ve a2 katsayılarının aylara göre değişimi ile standart sapma ve belirleme katsayıları Çizelge 5.20’de verilmektedir. 120 Çizelge 5.20 ATF43 CdTe modül için düzeltilmiş idealite faktörü katsayılarının aylara göre değişimi ve regresyon analizi. Ay Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık a1 22,811 20,576 14,901 11,052 13,752 18,213 13,286 7,459 18,852 15,285 17,664 60,151 a2 -0,00099 -0,00011 -0,00044 -0,00050 -0,00051 -0,00087 -0,00062 -0,00003 -0,00016 -0,00073 -0,00107 -0,00260 σ 1,44 1,69 0,73 0,64 0,83 1,60 0,70 0,12 0,75 1,39 2,03 2,97 R2 0,87 0,92 0,92 0,90 0,90 0,79 0,89 0,58 0,79 0,82 0,81 0,92 c-Si modüllerin düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin kış mevsiminde göstermiş oldukları davranışı incelemek için 20 Aralık 2005 günü alınan ölçümler kullanılmıştır. İnce film modüllerin düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin yaz mevsiminde göstermiş oldukları davranışı incelemek için ise 14 Haziran 2005 günü alınan ölçümler kullanılmıştır. Test edilen tüm modüllerde a düzeltilmiş idealite faktörünün, G ışık şiddeti ile değişiminde bir yıl boyunca hesaplanan değerler için genel ifade Denklem 5-3’e uyacak şekilde olsa da test edilen modüllerden sadece KA58 a-Si modül için aylara göre değişim Denklem 5-16’ya uymaktadır. 121 a değerleri hesaplanırken, AS1206 m-Si modül için Çizelge 5.17 ve S105 p-si modül için Çizelge 5.18’de Aralık ayı için verilen, KA58 a-Si modül için Çizelge 5.18 ve ATF43 CdTe modül için de Çizelge 5.19’da Haziran ayı için verilen düzeltilmiş idealite faktörü katsayıları kullanılmıştır. Ölçümlerden bulunan değerler ile hesaplanan değerlerin ışık şiddetiyle değişimi Şekil 5.40’da gösterilmektedir. Şekil 5.40 Test edilen modüllerde yaz ve kış aylarında hesaplanan (a) düzeltilmiş idealite faktörü değerleri. 122 5.5 Karanlık Doyma Akımı Değişimleri IO karanlık doyma akımı, güneş pili sıcaklığına TC, güneş pilinin yapıldığı yarı iletkenin band aralığına Eg, ve NCS seri bağlı güneş pili sayısına bağlıdır. Şekil 5.41’de AS1206 m-Si modül için üretici firma tarafından STC’de verilen parametrelerin değerlerleri (Çizelge 5.2) kullanılarak karanlık doyma akımın değişiminin akım-gerilim karakteristiği üzerindeki etkisini belirlemek için yapılan benzetişim sonuçları gösterilmektedir. Şekil 5.41 Akım-gerilim eğrisi üzerine (IO) karanlık doyma akımı etkisinin benzetişimi. Karanlık doyma akımının değeri artırıldığında VOC değeri düşmekte ve akım-gerilim eğrisi düşük gerilimlere doğru kaymaktadır. Şekil 5.41’den de görüleceği üzere karanlık doyma akımının değişimi modülün kısa devre akımı üzerindeki etkisi ihmal edilecek kadar küçüktür. Artan karanlık doyma akımı modülün daha düşük gerilimlerde 123 çalışmasına neden olmaktadır. Maksimum güç noktasındaki gerilim, VMPP ve modülün açık devre gerilimi, VOC azalmaktadır. Dolum çarpanının değişimi karanlık doyma akımındaki değişime logaritmik olarak bağlıdır. Şekil 5.41’den de görüleceği gibi üretici firma tarafından AS1206 m-Si modül için STC’de 195nA olarak verilen karanlık doyma akımı için dolum çarpanının değeri 0,741 olarak hesaplanmıştır. Aynı şartlarda 50nA karanlık doyma akımı için (üretici firma tarafından STC’de verilen değerin %26’sı) dolum çarpanının değeri 0,755 (üretici firma tarafından STC’de verilen değerler kullanılarak hesaplanan dolum çarpanı değerinden %1,89 daha yüksek) olarak hesaplanmıştır. Karanlık doyma akımının değerinin 10µA’e çıkarıldığında (üretici firma tarafından STC’de verilen değerin 5 katı) ise dolum çarpanı 0,697 olarak hesaplanmıştır (üretici firma tarafından STC’de verilen değerler kullanılarak hesaplanan dolum çarpanı değerinden %4,4 daha düşük). Karanlık doyma akımı, üretici firma tarafından STC’de verilen değerden daha düşük olduğunda modülün VOC değeri ve dolum çarpanı STC’deki değerine göre artmakta, karanlık doyma akımının STC’de verilen değerden daha yüksek olduğunda ise modülün VOC değeri ve dolum çarpanı STC’deki değerine göre azalmaktadır. Modülü oluşturan güneş pilinin yapıldığı malzemeye bağlı olarak sıcaklık bağımlılığı değişmekle birlikte, bir güneş pilinin veya modülün karanlık doyma akımı, STC’deki değerlere göre, IO I O ,ref ⎛ T =⎜ C ⎜T ⎝ C ,ref m ⎞ ⎡E ⎟ × exp ⎢ g ⎟ ⎠ ⎣⎢ a ref ⎛ TC ,ref ⎜⎜1 − TC ⎝ ⎞⎤ ⎟⎟⎥ ⎠⎦⎥ (5-19) 124 ifadesi ile verilmektedir. Burada, m 2-4 arasında farklı değerler alabilen karanlık doyma akımının sıcaklık bağımlılığını gösteren bir katsayıdır (de Soto 2004). Test edilen modüller için karanlık doyma akımının değişiminin kısa devre akımı üzerine etkisi ihmal edilebilir olduğundan karanlık doyma akımı ışık şiddetine bağlı değildir. Karanlık doyma akımının değeri bir güneş pilinin veya modülün akım-gerilim eğrisi kullanılarak, Bölüm 4-1’de açıklanan Phang modelinde öngörülen Denklem 4-15 ve Bölüm 4-2’de açıklanan de Blas modelinde öngörülen Denklem 4-21 ile hesaplanabilir. Herhangi bir güneş pili veya modül için açık devre durumunda Denklem 4.1 ile verilen ifade kaçak akımlar ihmal edilerek ve ışıkla üreyen akımın kısa devre akımına yaklaşık olarak eşit olduğunu kabul ederek, ⎡ ⎛V I SC = I O ⎢exp⎜ OC ⎣ ⎝ a ⎞ ⎤ ⎟ − 1⎥ ⎠ ⎦ (5-20) şeklinde tekrar yazılabilir. Buradan açık devre gerilimi VOC, ⎛I ⎞ ⎛I VOC = a ln⎜⎜ SC + 1⎟⎟ ≈ a ln⎜⎜ SC ⎝ IO ⎠ ⎝ IO ⎞ ⎟⎟ ⎠ (5-21) olarak hesaplanabilir. ISC ışık şiddetine ve spektral dağılımına bağlı olduğundan VOC de ışık şiddetine logaritmik olarak bağlıdır. VOC ile ISC arasındaki bu ilişkiden yola çıkarak, farklı ışık şiddetlerinde ölçülen ISC ve VOC değişiminden karanlık doyma akımı hesaplanabilir. Şekil 125 5.42’de ATF43 CdTe modül için 12 Temmuz 2005 günü yapılan ölçümler sonucunda elde edilen ISC’nin VOC’ye karşı değişimi görülmektedir. Gün içerisinde ışık şiddetine bağlı olarak modülün sıcaklığı da artacağından sıcaklık etkisinden kurtulmak için, ATF43 CdTe modül için üretici firma tarafından verilen sıcaklık katsayıları kullanılarak ölçülen ISC ve VOC değerleri STC’deki güneş pili veya modül sıcaklığı olan 25ºC’ye taşınmıştır. Denklem 5-21’den de açıkça görüleceği üzere Şekil 5.42’deki doğrusal bölgedeki eğimden düzeltilmiş idealite faktörü belirlenebilir. Şekil 5.42 Test edilen ATF43 CdTe modül için kısa devre akımının açık devre gerilimine göre değişimi. Düşük ışık şiddetlerinde (30V’un altındaki açık devre gerilimleri) paralel direnç, yüksek ışık şiddetlerinde (50V’un üzerindeki açık devre gerilimleri) de seri direnç etkisinden dolayı Şekil 5.42’de gösterilen doğrusallıktan sapma ortaya çıkmaktadır. Şekil 5.42’den ATF43 CdTe modülün karanlık doyma akımı 10mA ve düzeltilmiş idealite faktörü 126 değeri de 16,67 olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan bu değerler Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan değerlerle uyum içerisindedir. Test edilen tüm modüller için dış ortamda 12 Temmuz 2005 ve 8 Ocak 2006 günlerinde farklı ışık şiddetlerinde ölçülen kısa devre akımının açık devre gerilimine (ISC-VOC) göre değişimi Ek 5’de verilmektedir. Spektral etkilerden ve çalışma sıcaklıkları arasındaki mevsimsel farklardan dolayı test edilen tüm modüllerde yazın ve kışın üretilen akım ve gerilim değerleri farklı olacağından hesaplanan karanlık doyma akımı değerleri de farklıdır. Aynı modül için hesaplanan karanlık doyma akımı değerleri arasındaki fark, ISC-VOC değişimindeki her bir nokta için eğimin farklı olmasından kaynaklanmaktadır. Aynı şekilde eğimden hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerleri de farklılıklar gösterecektir. Ek 5’te verilen değişimlerden hesaplanan karanlık doyma akımı ve düzeltilmiş idealite faktörü değerleri Phang ve de Blas modelleri kullanılarak hesaplan değerler ile uyum içerisindedir. Test edilen modüller için yaz ve kış aylarında ortam koşullarında 25ºC modül sıcaklığı civarında yapılan hesaplamalar sonucu elde edilen karanlık doyma akımı değer aralığı Çizelge 5.21’de verilmektedir. Çizelge 5.21 Test edilen modüllerin 25ºC civarındaki modül sıcaklığında yaz ve kış aylarında hesaplanan IO karanlık doyma akımı değer aralığı. Modül Kış Yaz 4-66 µA 29-260 µA S105 p-Si 0,2-27 µA 0,4-33 nA KA58 a-Si 0,1-1 mA 5-29 µA 120-970 µA 6-17 mA AS1206 m-Si ATF43 CdTe 127 AS1206 m-Si modülde karanlık doyma akımı kış aylarında en düşük değerini almaktadır. Yaz aylarında ise kışın ölçülen değerlerin 10 katına yakın bir oranda artmaktadır. Hesaplanan değerler üretici firma tarafından STC’de verilen değerlerin çok üzerindedir. AS1206 m-Si modül için, Şekil 5.3-6’da verilen akım-gerilim eğrilerinde, STC’deki durum ile oluşan fark Çizelge 5.21’de verilen değerlerin STC’deki değerler ile arasındaki farktan kaynaklanmaktadır. S105 p-Si modülde hesaplanan karanlık doyma akımı değerleri, AS1206 m-Si modülde hesaplanandan farklı olarak kışın yüksek (µA mertebesinde), yazın ise daha düşük (nA mertebesinde) olarak hesaplanmıştır. Karanlık doyma akımının değeri yazın nA mertebesinde hesaplanmasına rağmen üretici firma tarafından STC’de verilen değerlerden en az 50 kat daha yüksektir. Yaz ve kış aylarında hesaplanan değerler arasında ise 1.000 kata ulaşan fark vardır. Test edilen tüm modüller içerisinde KA58 a-Si modülde, üretici firma tarafından STC’de verilen değere göre çok yüksek karanlık doyma akımı değeri hesaplanmıştır. Kışın hesaplanan karanlık doyma akımı değeri 1mA’e çıkabilmekteyken üretici firma tarafından STC’de verilen karanlık doyma akımı değeri 222nA’dir. Karanlık doyma akımı değerindeki değişimden dolayı, yazın ve kışın KA58 a-Si modülden elde edilebilecek güç değerleri arasında aynı ışık şiddetinde %40 civarında fark gözlenmiştir. ATF43 CdTe modülde ise, kışın üretici firma tarafından STC’de verilen karanlık doyma akımına yakın değerler (µA mertebesinde) hesaplanmıştır. Yazın ise, test edilen diğer modüllerde üretici firma tarafından STC’de verilen değerlere yakın, nA ve µA mertebesinde 128 karanlık doyma akımı değerleri hesaplanmışken, ATF43 CdTe modül için mA mertebesinde karanlık doyma akımı değerleri hesaplanmıştır. 5.6 Işıkla Üreyen Akım Değişimleri IL ışıkla üreyen akım, G modül yüzeyine gelen ışık şiddetiyle, TC güneş pilinin çalışma sıcaklığıyla ve ışığın spektral dağılımına olan etkisinden dolayı AM hava kütlesiyle orantılıdır. Şekil 5.43’de ışıkla üreyen akımın değişiminin AS1206 m-Si modülün akım-gerilim eğrisi üzerine etkisi gösterilmektedir. STC koşulları referans alınmak üzere, herhangi bir G ışık şiddetinde ve TC çalışma sıcaklığında ışıkla üreyen akım, IL = [ G I L ,ref + µI SC (TC − TC ,ref Gref )] (5-22) şeklinde hesaplanabilir (Townsend 1989). Burada Gref STC’deki ışık şiddetini, IL,ref STC’deki ışıkla üreyen akım değerini, µISC kısa devre akımının sıcaklık katsayısını ve TC,ref STC’deki güneş pili veya modül sıcaklığını ifade etmektedir. Aynı ışık şiddetinde ve aynı sıcaklıkta ışıkla üreyen akımın değiştirilmesiyle test edilen modüllerden AS1206 m-Si modülün akımgerilim eğrisinde meydana gelebilecek değişim Şekil 5.43’de gösterilmektedir. 129 Şekil 5.43 AS1206 m-Si modülde akım-gerilim eğrisi üzerine (IL) ışıkla üreyen akım etkisinin benzetişimi. Şekil 5.43’te üretici firma tarafından STC’de 7,70A olarak verilen ISC değerinden hareketle 7,74A olarak hesaplanan IL değerinin %20 ve %40 azaltılması ve %10 ve %20 artırılması durumunda akım gerilim eğrisinde meydana gelecek değişim gösterilmektedir. Işıkla üreyen akım ışık şiddetiyle doğru orantılı olduğundan artan ışık şiddetiyle güneş pilinin veya modülün ISC kısa devre akımı ve VOC açık devre gerilimi artacaktır. Açık devre gerilimi akıma logaritmik olarak bağlı olduğu için açık devre gerilimindeki artış, kısa devre akımındaki artıştan daha az gerçekleşmektedir. Akım-gerilim eğrisi elde edilmiş bir güneş pilinin veya modülün ışıkla üreyen akımı Denklem 4-17 ve Denklem 4-20 kullanılarak hesaplanabilir. 130 Testlerin gerçekleştirildiği Temmuz 2005-Haziran 2006 arasında AS1206 m-Si, S105 p-Si, KA58 a-Si ve ATF43 CdTe modüllerinde ışıkla üreyen akım değerleri binde 5’in altında bir hata ile hesaplanmıştır. En yüksek akımın elde edildiği AS1206 m-Si modülde, kısa devre akımı değeri ile ışıkla üreyen akım değeri arasındaki fark en fazla 41mA olarak belirlenmiştir. Genellikle hesaplamalarda IL ışıkla üreyen akım, güneş pilinin veya modülün ISC kısa devre akımına eşit alınır. Bu kabul %1’in altında bir hataya neden olmaktadır. Bölüm 5.5’te ifade edildiği üzere, test edilen modüller için ISC-VOC değişimi (ISC ekseni logaritmik olmak üzere) incelendiğinde çalışma sıcaklığının düşük olmasından dolayı kış aylarında yaklaşık olarak aynı ışık şiddetinde daha yüksek VOC değerlerinin elde edildiği görülmektedir (Ek 5). Test edilen modüller için, bir yıl boyunca hesaplanan ışıkla üreyen akımın ışık şiddetine göre değişimi Şekil 5.44’de verilmektedir. Yıl içerisinde güneşten gelen ışığın spektrumu sürekli değişmektedir. Birbirinden farklı band aralığına sahip yarı iletken malzemeler kullanılarak üretilmiş modüllerin de gelen ışığın dalga boyuna göre duyarlılıkları farklıdır. Bu nedenle modül yüzeyine gelen toplam ışık şiddeti aynı olsa bile gelen ışığın spektrumu farklı olduğu için ışıkla üreyen akımın değerinde de Şekil 5.44’deki dağılımdan da görüleceği gibi farklılıklar oluşmaktadır. 1.75eV ile test edilen modüller içerisinde en geniş band aralığına sahip yarı iletken kullanılarak üretilmiş olan KA58 a-Si modülde ışıkla üreyen akımın ışık şiddetiyle değişiminde mevsimsel farklılıklar çok açık bir şekilde görülmektedir. KA58 a-Si modülde aynı ışık şiddetinde yazın ve kışın ışıkla üreyen akım değerleri arasında %40’ın üzerinde fark 131 hesaplanmıştır. Spektrumun yanında yazın artan çevre sıcaklığı nedeniyle modülün çalışma sıcaklığı da artmaktadır ve artan sıcaklık nedeniyle daralan band aralığı ile ışıkla üreyen akımın değeri de artmaktadır (de Soto 2004; Gottschalg 2001). Şekil 5.44 Test edilen modüller için bir yıl boyunca ışıkla üreyen akımın ışık şiddetiyle değişimi. Temmuz 2005-Haziran 2006 arasındaki bir yıllık süre içerisinde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerlerinin aylara göre değişimi Şekil 5.45’te verilmektedir. 132 Şekil 5.45 Test edilen modüller için bir yıl boyunca ışıkla üreyen akımın değişimi. ATF43 CdTe modülde ışıkla üreyen akımın ışık şiddetiyle değişiminde mevsimsel olarak görülen farklar yüksek akımların oluştuğu yüksek ışık şiddetlerinde daha belirgin olarak ortaya çıkmaktadır. Işıkla üreyen akım değerleri arasındaki fark spektrum farklılığının yanında, yaz ve kış aylarındaki modülün çalışma sıcaklığındaki yaklaşık 30ºC’lik sıcaklık farkından da kaynaklanmaktadır. ATF43 CdTe modül için yaz ve kış aylarında yaklaşık aynı ışık şiddetlerinde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasında %10 civarında fark belirlenmiştir. AS1206 m-Si ve S105 p-Si modüllerde ışıkla üreyen akım mevsimsel olarak çok geniş bir değişim göstermemektedir. Yazın ve 133 kışın aynı ışık şiddetlerinde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasında %5 civarında farklı değerler hesaplanmıştır. Test edilen modüller için hesaplanan en yüksek ışıkla üreyen akım değerleri ince film yapısında olan KA58 a-Si ve ATF43 CdTe modüller için sıcaklığın yüksek olduğu Temmuz ve Ağustos aylarında, c-Si olan AS1206 m-Si ve S105 p-Si modüller için ise sıcaklığın düşük olduğu ve beraberinde spektrumunda STC’deki spektruma en yakın ay olduğu Nisan ayında hesaplanmıştır. 5.7 Dolum Çarpanı FF, dolum çarpanı bir güneş pili veya modülden elde edilebilecek gücün, ISC ve VOC değerlerinin çarpımına oranıdır. Geometrik olarak akım-gerilim eğrisinin gösterildiği düzlemde maksimum gücün elde edilebileceği alanın ISC ve VOC değerlerinin çarpımının oluşturduğu alanı doldurma oranı olarak da ifade edilebilir. Dolum çarpanı, VMPP VOC oranı ile I MPP I SC oranının çarpımı şeklinde ikiye ayrılarak akım ve gerilim oranlarının çarpımı olarak değerlendirilebilir. Bir güneş pilindeki ve modüldeki olası bozulmalar VMPP VOC oranındaki değişimle açıklanabileceği gibi I MPP I SC oranı da güneş pilinin ve modülün davranışı ve kalitesi konusunda bilgi verebilir. Şekil 5.46’da AS1206 m-Si ve Şekil 5.47’de S105 p-Si modüllerde bir yıl içerisinde yaz ve kış aylarında seçilen üç farklı günde (12 Temmuz 2005, 8 Ocak 2006 ve 14 Temmuz 2006) VMPP VOC oranının I SC kısa devre akımına göre değişimi gösterilmektedir. Spektral etkileri ortadan kaldırmak için VMPP VOC oranının değişimi, G ışık 134 şiddeti yerine I SC kısa devre akımına göre çizilmiştir. Ayrıca yaz ve kış aylarında VMPP VOC oranlarında meydana gelen değişim Ek 6’da verilmektedir. Bu değişimlerden ışık şiddetinin 200W/m2 değerinden yüksek olduğu günün büyük bölümünde VMPP VOC oranının AS1206 m-Si modülde %74-78, S105 p-Si modülde ise %76-90 aralığında olduğu görülmektedir. c-Si modüllerde kışın 400W/m2 değerinden düşük ışık şiddetlerinde, modülün çalışma sıcaklığı ortam sıcaklığının çok üzerine çıkmadığı durumlarda yüksek VMPP VOC oranları hesaplanmıştır. Şekil 5.46 AS1206 m-Si modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi. İnce film teknolojisi kullanılarak üretilmiş olan KA58 a-Si modülde, 200W/m2 değerinden düşük ışık şiddetlerinde (düşük kısa devre akımının ölçüldüğü durumlar) hesaplanan VMPP VOC oranının %2590 aralığında değiştiği, daha yüksek ışık şiddetlerinin görüldüğü günün diğer zamanlarında ise hesaplanan VMPP VOC oranının yazın ve kışın çok 135 fazla değişmediği ve %68-74 arasında olduğu görülmektedir (Şekil 5.48 ve Ek 6). Şekil 5.47 S 105 p-Si modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi. 136 Şekil 5.48 KA58 a-Si modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi. ATF43 CdTe modülde yapılan hesaplamalarda ise VMPP VOC oranının düşük ışık şiddetlerinde çok geniş bir aralıkta (%2080) olduğu ve VMPP VOC oranının kararlı bir değere ulaşması için ışık şiddetinin 500W/m2 değerini aşması gerektiği görülmektedir. ATF43 CdTe modülde VMPP VOC oranının mevsimlere göre büyük farklılıklar gösterdiği, yüksek ışık şiddetlerinde ise bu oranın %58-64 arasında değiştiği görülmektedir (Şekil 5.49 ve Ek 6). 137 Şekil 5.49 ATF43 CdTe modülde VMPP VOC oranının I SC ’ye göre değişimi. Test edilen tüm modüllerde yüksek kısa devre akımı değerlerinin ölçüldüğü yüksek ışık şiddetlerinde, ışık şiddetinin neden olduğu sıcaklık artışından dolayı VMPP VOC oranında azalma meydana gelmektedir. Düşük ışık şiddetlerinde bir kararsızlık olmakla birlikte artan ışık şiddetiyle mevsimlere göre değişen sabit sayılabilecek bir oran söz konusudur. Test edilen modüller arasında mevsimlere göre VMPP VOC oranında %4 ile en az değişim AS1206 m-Si modülde %74-78 arasında gerçekleşmektedir, en fazla değişim ise %8 ile ATF43 CdTe modülde %58-64 arasında gözlenmektedir. 138 Güneş pillerinin ve modüllerin kalitesini belirleyen niceliklerden birisi olan dolum çarpanının hesabında VMPP VOC oranının yanında I MPP I SC oranının da bilinmesi gerekmektedir. Hesaplanan bu iki oranın çarpımı dolum çarpanını vermektedir. VMPP VOC oranının değişiminde olduğu gibi spektral etkilerden mümkün olduğunca kurtulmak için I MPP I SC oranının değişimi de ISC kısa devre akımına göre çizilmiştir. c-Si modüller için düşük ışık şiddetlerinde I MPP I SC oranının artan ışık şiddetiyle hızlı bir şekilde yükselerek %78-84 arasında değerlere ulaştığı ve yaklaşık olarak bu değer aralığında sabit kaldığı görülmektedir (Şekil 5.50). İnce film modüllerde hesaplanan I MPP I SC oranının c-Si modüllerde hesaplanan I MPP I SC oranına göre daha düşük olduğu görülmektedir. KA58 a-Si modül için 200W/m2 değerinin altındaki ışık şiddetlerinde I MPP I SC oranında %60-90 aralığında bir saçılmanın olduğu görülmektedir. Daha yüksek ışık şiddetlerinde ise I MPP I SC oranının yazın %76-80, kışın ise %72-74 olmak üzere daha dar bir aralıkta olduğu Şekil 5.50’den görülmektedir. 139 Şekil 5.50 Test edilen modüllerde I MPP I SC oranının I SC ’ye göre değişimi. ATF43 CdTe modülde ise hesaplanan I MPP I SC oranındaki saçılma 500W/m2 ışık şiddetine kadar devam etmekte ve daha yüksek ışık şiddetlerinde ise I MPP I SC oranı için %60-68 aralığında değerler hesaplanmıştır. KA58 a-Si ve ATF43 CdTe ince film modüllerde hesaplanan I MPP I SC oranının geniş bir aralıkta olmasının nedeni modüllerin seri direnç değerlerindeki yüksek dalgalanmadan kaynaklanmaktadır. c-Si modüllerde hesaplanan en düşük ile en yüksek seri direnç değerleri arasında 3-4 kat olan değişime karşılık ince film modüllerde 7 kata kadar değişimler görülebilmektedir. 140 Test edilen tüm modüller için I MPP I SC oranının mevsimlere göre değişimi Ek 7’de verilmektedir. Ayrıca CdTe güneş pillerinde tam bir matematiksel ifadesi bulunmamakla birlikte CdTe yarı iletkeni ile alt kontak arasındaki omik olmayan kontak (non-ohmic contact), seri direnç etkisini artırmaktadır. VMPP VOC ve I MPP I SC oranının test edilen modüller için yaz ve kış aylarındaki değişimi incelendikten sonra bu iki oranın çarpımı olarak ifade edilen ve güneş pilleri veya modüller için önemli bir kalite gösterge parametresi olan FF dolum çarpanının da değişimi incelenmelidir. VMPP VOC ve I MPP I SC oranlarının değişiminin incelenmesinde olduğu gibi gün içerisindeki spektral etkilerden kurtulmak için FF dolum çarpanının ISC kısa devre akımına göre değişimi Şekil 5.51’de gösterilmektedir. c-Si modüllerde sabah ışık şiddetiyle birlikte hızla artmakta olan FF oranı yaklaşık olarak 200W/m2 ışık şiddetine ulaşıldığında, kışın AS1206 m-Si modül için %65, S105 p-Si modül için %70 değerlerine ulaşmaktadır (Şekil 5.51). Işık şiddetiyle birlikte modül sıcaklığının da artmasıyla düşen VMPP VOC oranı nedeniyle yüksek ışık şiddetlerinde FF dolum çarpanı oranı 2-5 puan düşmektedir (AS1206 m-Si için %65’ten %60’a kadar, S105 p-Si için %70’ten %65’e kadar) . Yaz aylarında öğleden sonra FF değişimleri ışık şiddetiyle birlikte kademeli olarak değişmekte ve aynı ışık şiddetlerinde yaklaşık olarak aynı FF değerlerini alarak günü tamamlamaktadır. Kışın ise hesaplanan FF değerleri sabah ve akşam görülen gölgelenme etkileri haricinde yazın üretilen aynı akım değerlerinde %2-4 aralığında daha yüksek olmaktadır. 141 Şekil 5.51 Test edilen modüllerde FF dolum çarpanının I SC ’ye göre değişimi. KA58 a-Si ve ATF43 CdTe modüllerde düşük ışık şiddetlerinde Şekil 5.47-49’da VMPP VOC ve I MPP I SC oranlarında görülen saçılmalardan dolayı hesaplanan FF dolum çarpanı değerleri de geniş bir aralıktadır. KA58 a-Si modülde yazın %56-58 aralığında değişen ve artan ışık şiddetiyle azalan bir FF dolum çarpanı oranı hesaplanmıştır. Kışın ise %54 civarında bir FF dolum çarpanı oranı hesaplanmıştır. Şekil 5.51’deki 8 Ocak 2006 günü için KA58 a-Si modül için FF oranında 0,1-0,3A aralığındaki kısa devre akımında görülen azalma, öğleden sonra modülün gölgelenmesinden kaynaklanmaktadır (Şekil 5.51). ATF43 CdTe modülde ise FF oranı yaklaşık 500W/m2 ışık şiddetine kadar ışık şiddetiyle değişmekte, daha yüksek ışık şiddetlerinde 142 ise yazın %40 civarında kışın ise %30 civarında değerler almaktadır. Modül üzerinde akşam gölgelenme etkisi olmadığı için sabah ve öğleden sonra FF dolum çapanı aynı kısa devre akımı değerlerinde aynı değerleri almaktadır (Şekil 5.51). 5.8 Verim Güneş-elektrik dönüşümünde en önemli faktör verimdir. Bir güneş pilinin veya modülün verimi hesaplanırken, A güneş pilinin yüzey alanı olmak üzere, yüzeye gelen ışığın gücü Denklem 2-7 yeniden düzenlenerek şu şekilde yazılabilir. η= PMPP VOC I SC FF = Pi G× A (5-23) Buradaki verim, aktif olmayan yüzeyleri de içerisine alan modül içerisindeki güneş pillerinin kapladığı yüzeye gelen toplam ışık şiddeti üzerinden hesaplanmıştır. Ayıca güneş pillerinin spektral tepkilerine göre, yararlı oran (UF, Useful Fraction veya Utilisation Factor) üzerinden de verim hesabı gerçekleştirilebilmektedir. Örneğin, a-Si güneş pilleri AM 1.5 spektrumunun %65’ini kullanabilirler (Gottschalg 2001). Bu yöntemin kullanılması verim hesabında yüksek değerlerin bulunmasına neden olur. Bu çalışmada yapılan incelemelerde ise güneş ışığı şiddetinin belirlenmesinde 300-4200nm dalgaboyu aralığındaki geniş bir spektruma duyarlı olan piranometre kullanılmış ve toplam ışık şiddeti dikkate alınmıştır. Verimin anlaşılabilmesi için Denklem 5-23’de verilen parametrelerin ışık şiddetiyle değişimlerinin incelenmesi gerekmektedir. Bir güneş pilinde veya modülde ISC kısa devre akımı, ışık şiddetiyle 143 doğrusal sayılabilecek bir şekilde değişmesine rağmen artan ışık şiddetiyle birlikte I SC G oranında azalma söz konusudur (Şekil 5.52). Şekil 5.52 Test edilen modüllerde ISC kısa devre akımının ışık şiddetine göre değişimi. Şekil 5.52’de en büyük etki KA58 a-Si modülde olmakla birlikte, ATF43 CdTe modülde yaz ve kış aylarındaki ISC kısa devre akımı değerlerinin güneş ışığı spektrumundan dolayı aynı ışık şiddetlerinde farklı olduğu görülmektedir. Güneş ışınlarının yeryüzüne daha yatay geldiği kış mevsiminde modül yerleşimlerinden dolayı düşük ışık şiddetlerinde (AFT43 CdTe modül hariç) gölgelenme etkileri görülmektedir. Şekil 5.52’de görülen spektrum etkisi, Şekil 5.44’te bir yıl boyunca seçilmiş açık günlerde hesaplanan IL ışıkla üreyen akımın G ışık şiddetiyle değişiminden daha belirgin olarak izlenebilmektedir. 144 Şekil 5.53’te test edilen modüllerin yaz ve kış aylarındaki güç çevrim veriminin sıcaklıkla değişimi gösterilmektedir. Yaz mevsimindeki veriminin sıcaklıkla değişimini incelemek için 12 Temmuz 2005 günü seçilmiştir. Gün içerisinde en yüksek 1.100W/m2 olarak ölçülen ışık şiddetinde modüllerin çalışma sıcaklığı 61ºC’ye kadar yükselmiştir. c-Si ve KA58 a-Si modüllerde hesaplanan güç çevrim verimi artan çalışma sıcaklığıyla doğrusal olarak azalmaktadır. AS1206 m-Si modülde verim, 20ºC civarında modül sıcaklığının ölçüldüğü sabah saatlerinde %13,3 olarak hesaplanmışken, öğle saatlerinde 55ºC civarındaki çalışma sıcaklığında verimin %8,8 değerine kadar düştüğü belirlenmiştir. Şekil 5.53 Test edilen modüllerin Ocak ve Temmuz aylarında seçilen iki farklı gün için verimin modül sıcaklığıyla değişimi. 145 AS1206 m-Si modül ile benzer çalışma sıcaklıklarının ölçüldüğü S105 p-Si modülde, sabah saatlerinde %14,2 olarak hesaplanan verimin ışık şiddetiyle ters orantılı bir şekilde azalarak öğle saatlerinde %9,2 değerine kadar düştüğü belirlenmiştir. KA58 a-Si modülde de c-Si modüllere benzer bir şekilde 12 Temmuz 2005 günü artan ışık şiddetiyle verimin ters orantılı bir şekilde azaldığı, sabah saatlerinde %7,6 olarak hesaplanan verimin öğle saatlerinde 61ºC olarak ölçülen en yüksek çalışma sıcaklığında %5,4 değerine kadar düştüğü belirlenmiştir. ATF43 CdTe modülde ise test edilen diğer modüllerden farklı olarak yaz mevsimindeki davranışı temsil eden 12 Temmuz 2006 günü artan çalışma sıcaklığıyla verimin %1,9’dan başlayarak %4,1 değerine kadar yükseldiği, 650-900W/m2 ışık şiddeti aralığında yaklaşık olarak sabit kaldığı ve daha sonra azalarak 1.100W/m2 ışık şiddetinde %3,5 değerine düştüğü görülmektedir. c-Si modüllerde kışın hesaplanan verim değerleri yaz aylarında olduğu gibi artan sıcaklıkla azalmaktadır. AS1206 m-Si modül için verim, sabah saatlerinde 5ºC civarında ölçülen düşük çalışma sıcaklıklarında %13,5 olarak hesaplanmışken modül yüzeyinde 950W/m2 ışık şiddetinin ölçüldüğü öğle saatlerinde 30ºC olarak ölçülen modül sıcaklığında %9,1 olarak hesaplanmıştır. Şekil 5.53’ten AS1206 m-Si modül ile benzer çalışma sıcaklıklarının ölçüldüğü S105 p-Si modülde ise sabah saatlerinde %10,9 olarak hesaplanan verimin öğle saatlerinde %9,0 değerine kadar düştüğü görülmektedir. KA58-a-Si modülde ise gün içerisinde 5-35ºC aralığında değişen çalışma sıcaklığına karşı verimde değişimin çok fazla olmadığı %3,9 değerinden %3,5 değerine kadar düştüğü görülmektedir. ATF43 CdTe modülde ise yaz aylarındaki davranışın aksine kışın artan çalışma sıcaklığı ile verimin azaldığı tespit edilmiştir. Sabah saatlerinde 8ºC 146 civarındaki modül sıcaklığında %4,3 olarak hesaplanan verimin öğle saatlerinde 35ºC civarındaki çalışma sıcaklıklarında %3,5 olduğu hesaplanmıştır. Şekil 5.53’deki değişimlerde ışık şiddetiyle birlikte modüllerin çalışma sıcaklıklarının da artması nedeniyle ayrıca verim-sıcaklık etkisi de incelenerek Çizelge 5.22’de verim-sıcaklık katsayıları verilmiştir. ATF43 CdTe modülde 8 Ocak 2006 günü 40ºC’nin altındaki çalışma sıcaklığı haricinde test edilen tüm modüllerde negatif verim-sıcaklık katsayısı hesaplanmıştır. Çizelge 5.22’deki katsayılardan da görüleceği üzere c-Si modüllerde ve 8 Ocak 2006 günü ATF43 CdTe modülde 55ºC’nin üzerindeki çalışma sıcaklıklarında verimin artan sıcaklıkla hızlı bir şekilde azalmaktadır. KA58 a-Si modülde ise verimin sıcaklıkla değişimi yazın kış aylarındaki değişime göre 6 kat daha hızlıdır. Çizelge 5.22. Test edilen modüllerin 12 Temmuz 2005 ve 8 Ocak 2006 günü sıcaklık verim katsayıları. Modül dη ⎛ % ⎞ ⎜ ⎟ dT ⎝ K ⎠ 12 Temmuz 2005 8 Ocak 2006 AS1206 m-Si -0,19794 -0,15224 S105 p-Si -0,17196 -0,11205 KA58 a-Si -0,06417 -0,01853 0,01333 40ºC< TC -0,00301 40ºC ≤ TC ≤ 55ºC -0,12722 TC >55ºC -0,02721 ATF43 CdTe 147 Çizelge 5.22’de hesaplanan değişimler Şekil 5.53’te gösterilen ve çok geniş bir ışık şiddeti ve beraberinde modül çalışma sıcaklık aralığında hesaplanan değerlerdir. Bu değişimin yanında 1000±10W/m2 olmak üzere çok dar bir ışık şiddeti aralığında bir yıl boyunca açık günlerde yapılan hesaplamalarla da sıcaklık-verim ilişkisi araştırılmıştır. Şekil 5.53’den de açıkça görüleceği üzere yazın ve kışın verim-sıcaklık değişiminde özellikle ince film modüllerde farklılıklar görülmektedir. Test edilen modüller için bir yıl içerisinde yaklaşık olarak aynı ışık şiddetlerinde hesaplanan sıcaklık-verim katsayıları Çizelge 5.23’de verilmektedir. Çizelge 5.23. Test edilen modüllerin 1000±10W/m2 ışık şiddetlerindeki sıcaklık verim katsayıları. Kış dη ⎛ % ⎞ ⎜ ⎟ dT ⎝ K ⎠ deneysel Yaz Ortalama AS1206 m-Si 0,00066 -0,07150 -0,04512 S105 p-Si 0,00717 -0,05308 -0,03081 KA58 a-Si -0,05523 0,04200 -0,00080 ATF43 CdTe -0,00262 0,00904 -0,00879 Modül Çizelge 5.23’de verilen deneysel sıcaklık verim katsayıları, yaz ve kış aylarında hesaplanan değerlerle bir yıl içerisinde hesaplanan değerlerin ortalamasıdır. Yazın ve kışın hesaplanan verim-sıcaklık 148 katsayılarının birbirinden çok farklı olduğu görülmektedir. c-Si modüller için hesaplanan katsayıların kışın, ince film modüller için hesaplanan katsayıların ise yazın pozitif olduğu görülmektedir. Benzer bir şekilde c-Si modüller için yazın, ince film modüller için de kışın negatif verimsıcaklık katsayıları belirlenmiştir. Hesaplanan bu değerler modüllerin Şekil 5.53’deki yazın ve kışın gösterdikleri davranış farklılıklarını ifade etmektir. Spektrumdaki değişim ile birlikte yaz aylarında yüksek olan çalışma sıcaklıklarının (kış aylarındaki çalışma sıcaklığından yaklaşık 25-30ºC daha yüksek) ince film modüllerde verimin kış aylarındaki değerden daha yüksek olmasını açıklamaktadır. Sıcaklık-verim katsayısındaki farklılıklar, ancak modülleri oluşturan güneş pillerinin yapıldığı malzemelerin band aralıklarını dikkate alarak anlaşılabilir. Güneş pillerinin yapıldığı yarı iletkenlerin band aralığı ve maksimum verim arasındaki ilişki Şekil 2.12’de verilmektedir. Maksimum verimin CdTe’nin band aralığına çok yakın olan 1,4eV civarında elde edilebileceği görülmektedir. c-Si’de ise band aralığı 1,12eV civarındadır. Çalışma sıcaklığındaki artış, band aralığını daraltacağından c-Si güneş pillerinde elde edilebilir verim de azalacaktır. Sıcaklığın artmasıyla CdTe yarı iletken malzemenin band aralığında çok fazla bir değişimin olmayacağından CdTe güneş pillerinin de verimlerinin sıcaklıktan çok fazla etkilenmeyeceği ifade edilebilir. Sıcaklık artışı ile 1,75 eV band aralığına sahip olan a-Si’de ise band aralığının daralmasıyla verimin artacağı görülmektedir. Sıcaklık artışıyla birlikte band aralıklarından kaynaklanan verim değişimiyle, yeniden birleşme etkileriyle bu değişimin bir kısmı karşılanmaktadır. Eğer yeniden birleşmedeki artış, band aralığından kaynaklanan kazançtan daha az ise verim-sıcaklık değişimi için (+) bir katsayı bulunur. Diğer taraftan, yeniden birleşmedeki artış, band 149 aralığının azalmasındaki artıştan fazla ise verim-sıcaklık değişimi için (-) bir katsayı bulunur. Test edilen modüller için, Nisan 2005-Temmuz 2006 arasındaki her ay için seçilmiş açık bir günde, gün içerisinde en yüksek ışık şiddetinin görüldüğü öğle saatlerinde hesaplanan verimin aylara göre değişimi Şekil 5.54’te gösterilmektedir. Şekil 5.54 Nisan 2005-Temmuz 2006 arasında test edilen modüller için öğle saatlerinde hesaplanan verimin aylara göre değişimi. Şekil 5.53’e göre AS1206 m-Si ve S105 p-Si modüller beklendiği gibi, düşük sıcaklıklarda çalıştıkları kış aylarında en yüksek verime ulaşmaktadır. Bu değişimde ilginç olan nokta S105 p-Si modülde AS1206 m-Si modüle göre daha yüksek verim elde edilmiş olmasıdır. 150 AS1206 m-Si modül için üretici firma tarafından STC’de verilen verim değeri %12,32 iken S105 p-Si modül için verilen değer %10,13’tür. S105 p-Si modülde aralık ayında %9,94 olarak gerçekleşen güç çevrim verimi en düşük Ağustos ayında %7,63 olarak gerçekleşmiştir. AS1206 m-Si modülde ise hesaplanan verim değerleri S105 p-Si ile aynı değişimi göstermekle birlikte aralık ayında %9,29 Ağustos ayında ise %7,53 olarak hesaplanmıştır. İnce film modüllerde de beklenildiği üzere yazın hesaplan verim değeri kışın hesaplanan değerden daha yüksektir. KA58 a-Si modül spektrum ve sıcaklıktan ATF43 CdTe modülden daha fazla etkilendiğinden yazın ve kışın hesaplanan verim değerleri arasındaki fark daha fazladır. KA58 a-Si modül için en yüksek verim Temmuz ayında %4,67 olarak hesaplanmışken en düşük verim değeri aralık ayında %3,11 olarak hesaplanmıştır. Hesaplanan en yüksek ve en düşük verim değerleri arasında 1,5 puan fark vardır. ATF43 CdTe modülde ise Temmuz ayında %2,99 ve Aralık ayında %2,41 olarak hesaplanan verim değerleri arasındaki fark yalnızca 0,58 puandır. Buradan da açıkça görüleceği üzere, ince film modüllerin verimleri sıcaklıktan c-Si modüllerden daha az etkilendiği için sıcak bölgelerde kullanımları daha uygundur. c-Si modüllerin, özellikle düşük sıcaklıkların görüldüğü yüksek bölgelerde kullanımı performansı olumlu yönde etkileyecektir. 151 6 SONUÇ VE ÖNERİLER Bu çalışmada, farklı teknolojiler ve değişik malzemelerle üretilmiş AS1206 m-Si, S105 p-Si, KA58 a-Si ve ATF43 CdTe fotovoltaik modüllerin Muğla iklim koşullarında göstermiş oldukları performans ve performanslarını etkileyen a, IO, IL, RS ve RSH gibi iç parametrelerin ortam koşullarına göre değişimleri, bir yıllık süre boyunca izlenmiştir. Güneşin doğuşundan batışına kadar her bir akım-gerilim ölçümü için 60–80 nokta belirlenerek, AESCUSOFT tarafından özel olarak tasarlanmış bir elektronik yük içeren sistem ile aydınlıkta ortam koşullarındaki akım-gerilim eğrileri elde edilmiştir. Güneş pili parametrelerinin işletme koşullarında doğru olarak belirlenebilmesi için, analitik çözümlerden yola çıkarak, farklı yaklaşımlar yapan Phang ve de Blas modelleri birleştirilerek, dört farklı teknolojiyle farklı malzemelerden üretilmiş modüllere aynı akım-gerilim modeli uygulanmıştır. de Blas modelinde parametreleri belirlemek için hesaplamanın başlamasında gerekli olan başlangıç değeri olan RS, Phang modeli ile hesaplanan IO değeri elde edilene kadar değiştirilmiş ve RS değeri tekrar hesaplanmıştır. Phang ve de Blas modelleri kullanılarak hesaplanan iç parametrelerin değerleri arasındaki farkın %1’in altında olduğu görülmüştür. Modellerden hesaplanan iç parametreler kullanılarak elde edilen akım-gerilim değerleri ile ölçüm sonuçlarının genellikle %1’in altında hatalar içerdiği görülmüştür. Test edilen modüller için temsili olarak seçilen açık günlerde seri direnç, paralel direnç, düzeltilmiş idealite faktörü, karanlık doyma akımı ve ışıkla üreyen akım hesapları 152 gerçekleştirilerek, bu parametrelerin aylık ve yıllık olarak işletme koşulları ile değişimleri belirlenmiştir. Test edilen modüllerin seri direnç değerlerinin, çevre koşullarındaki değişime karşı gösterdikleri tepkilerde farklılıklar vardır. AS1206 m-Si modülde seri direnç değerinin artan ışık şiddeti ve sıcaklıkla üstel olarak artmasına rağmen S105 p-Si modülde seri direnç değerinin üstel olarak azaldığı görülmektedir. Farklı teknolojilerle üretilmiş güneş pillerinden oluşan modüllerin hesaplanan seri direnç değerleri arasında büyük farklılıklar vardır. AS1206 m-Si modül düzenli bir kristal yapısında olduğundan hesaplanan seri direnç değeri 0,10Ω ile 0,32Ω arasında değişmekte iken S105 p-Si modül için hesaplanan seri direnç değerleri 0,40Ω ile 1,00Ω arasında değişmektedir. Yaklaşık olarak 1m2 yüzey alanına sahip her iki modül için hesaplanan seri direnç değerleri arasındaki yaklaşık 3-4 kat olan fark güneş pillerinin yapısından kaynaklanmaktadır. KA58 a-Si modülde seri direnç değerinin artan ışık şiddetiyle logaritmik olarak azaldığı görülmüştür. Bir yıllık ölçümler sonucunda, Phang ve de Blas modelleri kullanılarak hesaplanan seri direnç değerlerinin mevsimsel olarak ışık şiddetine göre farklı değişimler göstermekle birlikte 2Ω ile 23Ω arasında değerler aldığı belirlenmiştir. KA58 a-Si modülde hesaplanan seri direncin değerinin özellikle düşük ışık şiddetlerinde yüksek olmasının nedeni modülü oluşturan güneş pillerinin yapısından ve güneş pillerinin paketlenme şeklinden kaynaklanmaktadır. Test edilen diğer bir modül olan ATF43 CdTe modülde hesaplanan seri direnç değerinin bir yıl boyunca mevsimsel olarak 153 değiştiği ve ışık şiddetiyle 6Ω ile 35Ω arasında değerler aldığı belirlenmiştir. Hesaplanan seri direnç için genel ifadenin yaklaşıkça sabit olmasına rağmen aynı gün içerisinde hesaplanan seri direnç değerleri ışık şiddeti ve sıcaklıkla değişmektedir. Bu değişim başlangıçtaki sabit bir değerden yavaşça ışık şiddetiyle logaritmik olarak azalan bir değişimdir. Güneş pilinin geometrik sınırları boyunca, güneş pilini oluşturan yarıiletken tabakaların kenarlarında ve yarı iletken ile metal arasındaki alt ve üst kontaklarda kaçak akımlar oluşabilmektedir. Kaçak akımlar güneş pilinde ışık şiddetiyle doğru orantılıdır. Kaçak akımlar güneş pilinin elektronik eşdeğer devresinde paralel bir direnç ile gösterildiğinden bu değerin büyüklüğü kaçak akım hakkında bilgi vermektedir. Test edilen tüm modüllerde Phang ve de Blas modelleriyle hesaplanan paralel direnç değerinin ışık şiddetiyle logaritmik olarak değiştiği belirlenmiştir. AS1206 m-Si modülde bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde hesaplanan paralel direnç değerlerinin büyük bölümü 50Ω ile 125Ω aralığındadır. Düşük ışık şiddetlerinde modülde üretilen akım da düşük olduğundan kaçak akımlar azdır. Bu nedenle, kaçak akımları temsil eden paralel direncin değeri de büyüktür. Yüksek ışık şiddetlerinde yüksek çalışma sıcaklıklarına ulaşılmakta ve modülde üretilen akım da artmaktadır. Kaçak akımların artması nedeniyle paralel direncin değeri küçülmektedir. S105 p-Si modülde bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde Phang ve de Blas modelleri kullanılarak yapılan hesaplamalarda yüksek ışık şiddetlerinde paralel direnç değerlerinin 100Ω ile 250Ω aralığında olduğu belirlenmiştir. Düşük ışık şiddetlerinde hesaplanan paralel direnç değerleri ile yüksek ışık şiddetlerinde hesaplanan paralel direnç değerleri 154 arasında 7 kata ulaşan farklar tespit edilmiştir. Bu iki değerin hesaplandığı durumlarda üretilen akımlar arasındaki farkın da yaklaşık 6 kat olduğu göz önüne alındığında paralel direnç değeri ile akım arasındaki ilişki ortaya çıkmaktadır. KA58 a-Si modülde bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde Phang ve de Blas modelleri kullanılarak yapılan hesaplamalarda paralel direnç değerlerinin 400Ω ile 1700Ω aralığında olduğu belirlenmiştir. ATF43 CdTe modülde artan ışık şiddeti ve sıcaklıkla paralel direnç değişimi bir yıl içerisinde farklı ışık şiddetlerinde 150Ω ile 1000Ω aralığında değerler almak üzere R2=0,82 lik bir belirleme oranı ile hesaplanarak logaritmik bir fonksiyona uymaktadır. İdealite faktörünün c-Si güneş pillerinde sıcaklıkla çok yavaş bir şekilde doğrusal olarak değiştiği varsayılmaktadır. c-Si üzerinde yapılan çalışmalarda her bir derece sıcaklık artışı için idealite faktörünün değerinin yaklaşık olarak binde 2 civarında azaldığı belirtilmektedir. Farklı iklimlere sahip bölgelerde yapılan çalışmalarda elde edilen sonuçlara göre a-Si ve CdTe güneş pillerinde sıcaklıkla idealite faktörünün değişiminin c-Si güneş pillerinden 2-3 kat daha fazla olduğu belirtilmektedir (Carr and et al. 2004; Gottschalg 2001). Aynı zamanda sıcaklıkla idealite faktörünün her zaman doğrusal olarak değişmediği de yapılan çalışmalara sonucunda ortaya koyulmuştur (de Soto 2004). Bu çalışmada ise seri bağlı güneş pili sayısını, q elektron yükünü ve güneş pilinin çalışma sıcaklığını da içerisine alan yeni bir tanımla düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin test edilen her bir modül için ışık şiddetiyle değişimi Phang ve de Blas modelleriyle hesaplanmıştır. Özellikle a-Si güneş pillerinde yarı iletken malzemenin band aralığında çok sayıda 155 yeniden birleşme merkezlerinin olması nedeniyle idealite faktörü ile sıcaklık arasında doğrusal bir ilişki bulunmamaktadır. Bir yıl boyunca her ay için seçilmiş açık günlerde yapılan hesaplamalar sonucunda düzeltilmiş idealite faktörü değerinin, test edilen tüm modüller için ışık şiddetiyle üstel olarak değiştiği belirlenmiştir. Artan ışık şiddetiyle düzeltilmiş idealite faktörü değerinin AS1206 m-Si modül için 2,5 değerinden 1,5 değerine kadar azaldığı, doğrusal değişimde belirleme oranının Mayıs ayı için R2=0,93 olduğu hesaplanmıştır. Değişimin üstel bir fonksiyona uydurulmasında ise Mayıs ayında R2=0,94 olarak ve diğer aylarda da doğrusal değişimde olduğundan daha yüksek bir belirleme oranı tespit edilmiştir. S105 p-Si modül için yapılan hesaplamalarda ise düzeltilmiş idealite faktörünün değerinin 2,01 ile 1,28 değer aralığında değiştiği belirlenmiştir. Mevsimsel değişimleri incelemek için hesaplamaların yapıldığı ayları temsil eden 25 Nisan 2005 haricindeki günlerde, düzeltilmiş idealite faktörün değerinin artan ışık şiddeti ve beraberinde sıcaklıkla artmakta olduğu gözlenmiştir. 25 Nisan 2005 tarihinde ise hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değeri ışık şiddetiyle AS1206 mSi modülde tespit edilen davranışa benzer şekilde azalmaktadır. KA58 a-Si modülde yapılan hesaplamalarda, düzeltilmiş idealite faktörünün değerinin artan ışık şiddetiyle S105 p-Si modülde gözlenen davranışa benzer şekilde arttığı tespit edilmiştir. Kış aylarında hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin özellikle düşük ışık şiddetlerinde daha yüksek olduğu görülmektedir. Hesaplanan bu değerler kışın yeniden birleşme mekanizmasının daha baskın olduğunu göstermektedir. Hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin yüksek olmasının nedeni KA58 a-Si modül içerisinde 100 adet seri bağlı güneş pili olması 156 ve düzeltilmiş idealite faktörü tanımının içerisinde bu sayının da yer almasıdır. ATF43 CdTe modül için hesaplanan düzeltilmiş idealite faktörü değerlerinin AS1206 m-Si modülde görülen değişime benzer şekilde artan ışık şiddetiyle azaldığı, düşük ışık şiddetlerinde en fazla 20, yüksek ışık şiddetlerinde ise en az 4 değerini aldığı tespit edilmiştir. Düzeltilmiş idealite faktörünün ışık şiddeti ve sıcaklıkla üstel olarak değiştiği belirlenmiştir. En yüksek düzeltilmiş idealite faktörü değerleri, çevre sıcaklığının ve modülün çalışma sıcaklığının düşük olduğu Aralık ayında hesaplanmışken, çevre sıcaklığının ve çalışma sıcaklığının en yüksek oluğu Ağustos ayında en düşük düzeltilmiş idealite değerleri hesaplanmıştır. Düzeltilmiş idealite faktörünün ışık şiddetiyle olan değişimi test edilen diğer modüllerde olduğu gibi uygun katsayılar belirlenerek üstel bir fonksiyona uygulanmış ve değişimler için aylara göre farklı belirleme katsayıları hesaplanmıştır. Bir yıl boyunca hesaplanan değerlerin uygulandığı fonksiyon için ortalama belirleme katsayısı R2=0,85 değerinin üzerindedir. Karanlık doyma akımının yaz ve kış mevsimlerinde yapılan ölçümlerden hesaplanan değerleri arasında test edilen tüm modüllerde 1000 kata ulaşan farklar tespit edilmiştir. Hesaplanan değerler arasındaki bu fark, modüllerin çalışma sıcaklıklarından ve hesaplamaların gerçekleştiği gün içerisindeki ve mevsimlere göre güneş ışığının spektrumunun farklı olmasından ileri gelmektedir. Karanlık doyma akımı modül sıcaklığına ayrı ayrı m’inci dereceden ve üstel olarak bağlıdır. Ayrıca modülün yapıldığı güneş pilini oluşturan yarı iletken malzemenin band aralığı da sıcaklıkla değişmektedir. Karanlık doyma akımı yarı iletken malzemenin band aralığına da üstel olarak bağlıdır (Townsend 1989). 157 Test edilen modüller için Phang ve de Blas modelleriyle hesaplanan karanlık doyma akımı değerleri, modülün kısa devre akımının açık devre gerilimine karşı değişiminden tekrar hesaplanmıştır. Aynı gün içerisinde farklı ışık şiddetlerinde ölçülen ISC değerlerine karşılık gelen VOC değerlerinin değişimi yarı logaritmik bir grafikte gösterilmiştir. Değişimde ortaya çıkan doğrusal bölgede (seri ve paralel direnç etkilerinin çok belirgin olmadığı orta düzeydeki ışık şiddetleri) çizilen doğrunun ISC eksenini kestiği değer modülün karanlık doyma akımını verirken çizilen doğrunun eğimi de düzeltilmiş idealite faktörünü vermektedir. Doğrunun eğimi her ölçüm noktasında değişmekte olduğundan Phang ve de Blas modelleri ile hesaplanan karanlık doyma akımı değerleri ve düzeltilmiş idealite faktörü değerleri de grafikten bulunan değerlerle küçük farklılıklar göstermektedir. Bununla birlikte karanlık doyma akımı değerleri mA, µA veya nA olarak aynı smertebede hesaplanmıştır. AS1206 m-Si ve ATF43 CdTe modüllerde sıcaklık etkisi nedeniyle yaz aylarında kış aylarına göre daha yüksek karanlık doyma akımı değerleri hesaplanmıştır. S105 p-Si ve KA58 a-Si modüllerde ise yaz aylarında kış aylarına göre daha düşük karanlık doyma akımı değerleri hesaplanmıştır. Mevsimlere göre güneş ışığının spektrumu değiştiğinden birim yüzeye gelen toplam ışık şiddeti aynı olsa bile modüllerde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasında mevsimlere göre farklar vardır. En büyük fark test edilen modüller içerisinde 1,75eV ile band aralığı en geniş yarı iletken malzemeden yapılmış olan KA58 a-Si modülde gözlenmiştir. 950W/m2 ışık şiddetinde ışıkla üreyen akım değeri Ağustos ayında 1,00A olarak hesaplanmışken Ocak ayında 0,70A olarak hesaplanmıştır. Aynı ışık şiddetinde, modülün çalışma sıcağı arasında 158 yaklaşık olarak 25ºC fark bulunduğu, güneş ışığının da spektrumunun farklı olduğu yaz ve kış aylarında hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasındaki fark yaklaşık olarak %30’dur. Band aralığı 1,12eV olan silisyumdan yapılmış AS1206 m-Si modülde ise 900W/m2 ışık şiddetinde ışıkla üreyen akım değeri Ağustos ayında 6,44A olarak hesaplanmışken Ocak ayında 6,29A olarak hesaplanmıştır. Ağustos ve Ocak aylarında aynı ışık şiddetlerinde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasındaki fark yaklaşık olarak %2,3’tür. S105 p-Si modülde ise, 900W/m2 ışık şiddetinde ışıkla üreyen akım değeri Ağustos ayında 4,18A olarak hesaplanmışken Ocak ayında 4,00A olarak hesaplanmıştır. Ağustos ve Ocak aylarında aynı ışık şiddetlerinde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasındaki fark AS1206 m-Si modülde hesaplanandan daha yüksek olup yaklaşık olarak %4,3’tür. Band aralığı 1,45eV ile optimum güç çevrim veriminin gerçekleşeceği band aralığına (1,4eV) çok yakın olan CdTe malzemeden yapılmış olan ATF43 CdTe modülde ise 900W/m2 ışık şiddetinde ışıkla üreyen akım değeri Ağustos ayında 0,89A olarak hesaplanmışken Ocak ayında 0,87A olarak hesaplanmıştır. Ağustos ve Ocak aylarında aynı ışık şiddetlerinde hesaplanan ışıkla üreyen akım değerleri arasındaki fark yaklaşık olarak %2,3’tür. Bir güneş pilinde veya modülde seri direnç değerinin yüksek olması ve paralel direnç değerinin düşük olması, FF dolum çarpanının değerini düşüreceğinden güneş pilinden veya modülden elde edilebilecek güç değeri de düşecektir. Dolum çarpanı üzerinde yüksek ışık şiddetlerinde RS etkisi, düşük ışık şiddetlerinde de RSH etkisi daha belirgin olarak ortaya çıkmaktadır. Ayrıca CdTe güneş pillerinde açıkça 159 yazılabilen tam bir matematiksel ifadesi bulunmamakla birlikte ohmik olmayan temas (non-ohmic contact), seri direnç etkisini artırmaktadır. FF, dolum çarpanı, VMPP VOC oranı ile I MPP I SC oranının çarpımı şeklinde ikiye ayrılarak akım ve gerilim oranlarının çarpımı olarak değerlendirilebilir. Bir güneş pilindeki ve modüldeki olası bozulmalar VMPP VOC oranındaki değişimle açıklanabileceği gibi I MPP I SC oranı da güneş pilinin ve modülün davranışı ve kalitesi konusunda bilgi verebilir. AS1206 m-Si modülde VMPP VOC oranı düşük ışık şiddetlerinde %60’tan başlayarak artan ışık şiddetiyle birlikte hızla logaritmik olarak %78’e kadar artmakta daha sonrada kademeli olarak artan çalışma sıcaklığıyla birlikte azalan gerilimle birlikte öğle saatlerinde %72’ye kadar düşmektedir. Öğleden sonra azalan ışık şiddetiyle birlikte yavaşça azalan modülün çalışma sıcaklığıyla bu oran önce artmakta sonra akşam saatlerinde de azalmaktadır. S105 p-Si modülde de davranış AS1206 msi modüldeki gibidir fakat oranlar %5 daha yüksektir. Bununla birlikte AS1206 m-Si modülde yaz ve kış aylarında oranlarda çok büyük bir farklılık olmamasına karşın S105 p-Si modülde Ocak ayında orta ışık şiddetlerinde yüksek VMPP VOC oranları hesaplanmıştır. İnce film modüllerde, mevsimlere göre VMPP VOC oranının %70– %80 aralığında değiştiği, KA58 a-Si modülde artan ışık şiddetiyle yaklaşık olarak sabit kaldığı gözlenmiştir. Düşük ışık şiddetlerinde, paralel direnç değerlerinin ışık şiddetiyle logaritmik olarak azalmasından dolayı, VMPP VOC oranında, KA58 a-Si modülde %40-%80 ve ATF43 CdTe modülde ise %20-%70 arasında değişimler gözlenmiştir. c-Si modüllerde mevsimlere göre %2’lik dar bir aralıkta değişim gösteren 160 VMPP VOC oranı ince film modüllerde çok daha geniş olup %14’e kadar çıkmaktadır. I MPP I SC oranında ise c-Si modüllerde sadece düşük ışık şiddetlerinde bir azalma etkisi olmakla birlikte diğer ışık şiddetlerinde genellikle %90 civarında hesaplanmıştır. Mevsimlere göre de çok büyük değişimler gözlenmemiştir. KA58 a-Si modülde ise yaz aylarında %76%82 kış aylarında ise %70-%76 arasında değişen bir I MPP I SC oranı hesaplanmıştır. ATF43 CdTe modülde ise I MPP I SC oranının test edilen diğer modüllerden farklı olarak ışık şiddetiyle yavaşça artan exponansiyel bir şekilde değiştiği gözlenmiştir. Hesaplanan I MPP I SC oranı %40-%70 arasında değişmekte olup yazın ve kışın %10’luk bir değişim göstermektedir. Veriminin sıcaklıkla değişimi incelenirken yaz mevsiminde 1.100W/m2 olarak ölçülen ışık şiddetinde modüllerin çalışma sıcaklığının 61ºC’ye kadar yükseldiği gözlenmiştir. Yazın, c-Si ve KA58 a-Si modüllerde hesaplanan güç çevrim verimi artan çalışma sıcaklığıyla doğrusal olarak azalmaktadır. AS1206 m-Si modülde verim, 20ºC civarında modül sıcaklığının ölçüldüğü sabah saatlerinde %13,3 olarak hesaplanmışken, öğle saatlerinde 55ºC civarındaki çalışma sıcaklığında %8,8 değerine kadar düşmüştür. S105 p-Si modülde ise sabah saatlerinde %14,2 olarak hesaplanan verimin ışık şiddetiyle ters orantılı bir şekilde azalarak öğle saatlerinde %9,2 değerine kadar düştüğü belirlenmiştir. KA58 a-Si modülde de c-Si modüllere benzer bir şekilde yazın artan ışık şiddetiyle verimin ters orantılı bir şekilde azaldığı, sabah saatlerinde %7,6 olarak hesaplanan verimin öğle saatlerinde 61ºC olarak ölçülen en yüksek çalışma sıcaklığında %5,4’e kadar düştüğü belirlenmiştir. 161 ATF43 CdTe modülde ise test edilen diğer modüllerin aksine yazın artan çalışma sıcaklığıyla verimin %1,9’dan başlayarak %4,1 değerine kadar yükseldiği, 650-900W/m2 ışık şiddeti aralığında yaklaşık olarak sabit kaldığı ve daha sonra azalarak 1.100W/m2 ışık şiddetinde %3,5 değerine düştüğü belirlenmiştir.. c-Si modüllerde kışın hesaplanan verim değerleri yaz aylarında olduğu gibi artan sıcaklıkla azalmaktadır. AS1206 m-Si modül için verim, sabah saatlerinde %13,5 olarak hesaplanmışken en yüksek ışık şiddetinin ölçüldüğü öğle saatlerinde 30ºC modül sıcaklığında %9,1 değerine kadar düşmüştür. S105 p-Si modülde ise sabah saatlerinde %10,9 olarak hesaplanan verimin öğle saatlerinde %9,0 değerine kadar düştüğü belirlenmiştir.. KA58-a-Si modülde ise gün içerisinde 5-35ºC aralığında değişen çalışma sıcaklığına karşı verimde değişimin çok fazla olmadığı %3,9 değerinden %3,5 değerine kadar düştüğü görülmektedir. ATF43 CdTe modülde ise yaz aylarındaki davranışın aksine kışın artan çalışma sıcaklığı ile verimin azaldığı tespit edilmiştir. Sabah saatlerinde 8ºC civarındaki modül sıcaklığında %4,3 olarak hesaplanan verimin öğle saatlerinde 35ºC civarındaki çalışma sıcaklıklarında %3,5 olduğu hesaplanmıştır. Değişen ışık şiddetlerinde aynı gün içerisinde incelenen sıcaklıkverim ilişkisinin beraberinde, 1000±10W/m2 olmak üzere çok dar bir ışık şiddeti aralığında bir yıl boyunca açık günlerde yapılan hesaplamalarla da sıcaklık-verim ilişkisi ile birlikte verimin mevsimlere göre değişimi araştırılmıştır. Yazın ve kışın hesaplanan verim-sıcaklık katsayılarının birbirinden çok farklı olduğu belirlenmiştir. c-Si modüller için hesaplanan katsayıların kış aylarında, ince film modüller için hesaplanan 162 katsayıların ise yaz aylarında pozitif olduğu belirlenmiştir. Benzer bir şekilde c-Si modüller için yaz aylarında, ince film modüller için de kış aylarında negatif verim-sıcaklık katsayıları belirlenmiştir. Spektrumdaki değişim ile birlikte yaz aylarında yüksek olan çalışma sıcaklıklarının ince film modüllerde verimin kış aylarındaki değerden daha yüksek (kış aylarındaki çalışma sıcaklığından yaklaşık 25-30ºC daha yüksek) olmasını açıklamaktadır. Sıcaklık-verim katsayısındaki farklılıklar, ancak modülleri oluşturan güneş pillerinin yapıldığı malzemelerin band aralıklarını dikkate alarak anlaşılabilir. Sıcaklık artışıyla birlikte band aralıklarından kaynaklanan verim değişimiyle, yeniden birleşme etkileriyle bu değişimin bir kısmı karşılanmaktadır. Eğer yeniden birleşmedeki artış, band aralığından kaynaklanan kazançtan daha az ise verim sıcaklık değişimi için (+) bir katsayı bulunur. Diğer taraftan, yeniden birleşmedeki artış, band aralığının azalmasındaki artıştan fazla ise verim sıcaklık değişimi için (-) bir katsayı bulunur. Test edilen modüllerin performansındaki mevsimsel değişimi incelemek amacıyla, Nisan 2005-Temmuz 2006 arasındaki her ay için seçilmiş açık bir günde, gün içerisinde en yüksek ışık şiddetinin görüldüğü öğle saatlerinde hesaplanan verimin aylara göre değişimi incelenmiştir. AS1206 m-Si ve S105 p-Si modüller beklendiği gibi, düşük sıcaklıklarda çalıştıkları kış aylarında en yüksek verime ulaşmaktadır. Bu değişimde ilginç olan nokta S105 p-Si modülde AS1206 m-Si modüle göre daha yüksek verim elde edilmiş olmasıdır. İnce film modüllerde de beklenildiği üzere yazın hesaplan verim değeri kışın hesaplanan değerden daha yüksektir. KA58 a-Si modül spektrum ve sıcaklıktan ATF43 CdTe modülden daha fazla 163 etkilendiğinden yazın ve kışın hesaplanan verim değerleri arasındaki fark daha fazladır. Verim-sıcaklık katsayılarından ve verimin mevsimsel olarak değişimini incelemek için yapılan hesaplamalardan, ince film modüllerin verimleri sıcaklıktan c-Si modüllerden daha az etkilendiği için sıcak bölgelerde kullanımları daha uygun olduğu görülmektedir. c-Si modüllerin ise özellikle düşük sıcaklıkların görüldüğü yüksek bölgelerde kullanımı performansı olumlu yönde etkileyecektir. Bu çalışma, STC’deki verim oranının herhangi bir modülden elde edilecek enerjinin hesaplanmasında, her zaman iyi bir yöntem olmadığını göstermiştir. Ayrıca STC’de verilen güneş pili ve modül parametrelerinin işletme koşullarında büyük değişiklikler gösterdiği tespit edilmiştir. Muğla iklim koşullarında Nisan 2005 ile Temmuz 2006 arasında bir yıllık süre boyunca alınan ölçümler kullanılarak yapılan hesaplamalardan, test edilen modüller içerisinde en fazla enerjiyi S105 p-Si modülün üretebileceği belirlenmiştir. KA58 a-Si ve AS1206 m-Si modüllerin yıllık toplam enerji üretimlerinin birbirine çok yakın olarak hesaplanmış olmasına rağmen, KA58 a-Si modülün yaz aylarında AS1206 m-Si modüle göre daha fazla enerji üretebileceği belirlenmiştir. Kış aylarında ise AS1206 m-Si modülün KA58 a-Si modüle göre daha fazla enerji üretebileceği belirlenmiştir. ATF43 CdTe modülde ise beklendiği üzere enerji üretiminin test edilen diğer modüllere göre daha az olacağı belirlenmiştir. Fotovoltaik sistem boyutlandırmasında Güney Ege Bölgesi’nde çok kristalli silisyum güneş pillerinin kullanılması ile tek kristal silisyum, 164 amorf silisyum ve CdTe güneş pillerinden oluşacak sistemlerden daha fazla enerjinin üretilebileceği belirlenmiştir. Spektral değişimlerden kaynaklanan etkiler, güneş pillerinin ve modüllerinin modellenmesinde ve kurulacak sistemlerin boyutlandırılmasında kullanılabilir fakat oluşturulacak olan model, bölgesel özellikler taşıyacağından, modellemelerde farklı iklimlere sahip bölgeler kullanılması daha doğru sonuçlar verecektir. Zaman içerisinde güneş pillerinin ve modüllerin performansında görülecek değişikleri ve özellikle a-Si modülde görülen, üretilen akımdaki zaman içerisindeki azalma etkilerini içerisine alacak performans modellemeleri geliştirilmelidir. Bu çalışmanın devamında, spektral etkilerinin seri direnç, paralel direnç, idealite faktörü, karanlık doyma akımı, dolum çarpanı gibi parametreler üzerine etkisinin araştırılması gerçekleştirilmelidir. İşletme koşullarında elde edilen ölçümler en az iki yıl daha alınarak modül parametrelerinin, sıcaklık, ışık şiddeti ve spektral etkileri de içeren meteorolojik parametrelere bağlılığı araştırılmalıdır. Test edilen dört farklı teknolojiyle üretilmiş modüllerin yanına yeni modüller (çok eklemli a-Si, CIS gibi) eklenerek ölçümler gerçekleştirilmelidir. 165 KAYNAKLAR DİZİNİ Aulich H. A., Hoffmann W. and Viaud M., 2004, EPIA Road Map, 19th EPVSEC, Paris, France. Barker G. and Norton P., 2003, Building America System Performance Test Practices: Part 1-Photovoltaic Systems, Technical Report, NREL/TP-550-30301, National Renewable Energy Laboratory, Colorado, USA, 32p. Braunstein A., Bany J. and Appelbaum J., 1977, Determination of Solar Cell Equation Parameters From Empirical Data, Energy Conversion, 17: 1-6pp. Bubenzer A. and Luther J., 2003, Photovoltaics Guidebook For Decision Makers, Springer-Verlag Berlin Heidelberg, New York, 266p. Carr A. J., Pryor T. L., 2004, A Comparison of The Performance of Different PV Module Types in Temperate Climates, Solar Energy, 76: 285-294pp. Charles J. P., Mekkaoui-Alaoui I. and Bordure G., 1981, A Practical Method of Analysis of The Current-Voltage Characteristics of Solar Cells, Solar Cells, 4: 168-178pp. Charles J. P., Mekkaoui-Alaoui I. and Bordure G., 1985, A Critical Study of The Effectiveness of The Single and Double Exponential Models For I-V Characterisation of Solar Cells, Solid State Electronics, 28 (8) 807-820pp. 166 KAYNAKLAR (devam) de Blas M. A., Torres J. L., Prieto E. and García A., 2002, Selecting A Suitable Model For Characterizing Photovoltaic Devices, Renewable Energy, 25: 371-380pp. de Soto W., 2004, Improvement and Validation Of A Model For Photovoltaic Array Performance, MSc Thesis, University of Wisconsin, Madison, USA, 155p (unpublished). del Cueto, J. A., 1998a, Review Of The Field Performance Of One Cadmium Telluride Module, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 6: 433-446pp. del Cueto, J. A., 1998b, Method For Analyzing Series Resistance and Diode Quality Factors From Field Data of Photovoltaic Modules, Solar Energy Materials and Solar Cells, 55: 291297pp. del Cueto, J. A., 1999, Method For Analyzing Series Resistance and Diode Quality Factors From Field Data Part II: Application to Crystalline Silicon, Solar Energy Materials and Solar Cells, 59: 393-405pp. Duffie J. A. and Backman W. A., 1991, Solar Engineering of Thermal Processes, John Wiley & Sons Inc., New York, USA, 919p. 167 KAYNAKLAR (devam) Durish W, Urban J and Smestad G., 1996, Characterisation of Solar Cells and modules Under Actual Operating Conditions, World Renewable Energy Conference, 359-366pp. EPIA, 2006, Solar Generation, Solar Electricity for Over One Billion People and Two Million Jobs by 2020, Brussels, Belgium, 52p. Fahrenbruch A. F. and Bube R. H., 1983, Fundamentals of Solar Cells; Photovoltaic Solar Energy Conversion, Academic Press, New York, USA, 559p. Faine P., Kurtz S. R., Riordan C. and Olson J. M., 1991, The influence of Spectral Solar Irradiance Variations On The Performance Of Selected Single-junction and Multijunction Solar Cells, Solar Cells, (31): 259-278pp. Field H, 1997, Solar Cell Spectral response Measurement Errors Related to Spectral Band Width and Chopped Light Waveform, 26th IEEE Photovoltaic specialists Conference, September 29 - October 3, Anaheim, California, USA, 471474pp. Gottschalg R., 2001, Environmental Influences on The Performance of Thin Film Solar Cells, PhD Thesis, Loughborough University, England, 272p (unpublished). 168 KAYNAKLAR (devam) Graßl H., Kokot J., Kulessa M., Luther J., Nuscheler F., Sauerborn R., Schellnhuber H. J., Schubert R. And Schulze E. D., 2003, World in Transition: Towards Sustainable Energy Systems, German Advisory Council On Global Change (WBGU), London, England, 242p. http://www.wbgu.de Green M. A., 1982, Solar Cells: Operating Principles, Technology and System Applications, Prentice-Hall Inc., Englewood Clifs, USA, 274p. Green M. A., Emery K., King D. L., Hisikawa Y. and Warta W., 2005, Solar Cell Efficiency Tables (Version 27), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 14: 45-51pp. Green M. A., Emery K., King D. L., Hishikawa Y. and Warta W., 2007, Solar Cell Efficiency Tables (Version 29), Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 15: 35-40pp. Green M. A., Wenham S. R., Honsberg C. B. and Hogg D., 1994, Transfer of Buried Contact Cell Laboratory Sequences Into Commercial Production, Solar Energy Materials and Solar Cells, 34: 83-89pp. Hirata Y. and Tani T.,1995, Output Variation of Photovoltaic Modules with Environmental Factors-I, The Effect of Spectral Solar Radiation on Photovoltaic Module Output, Solar Energy, 55:6, 463-468pp. 169 KAYNAKLAR (devam) Hirata Y., Inasaka T and Tani T., 1998, Output Variation of Photovoltaic Modules with Environmental Factors-II, Seasonal Variation, Solar Energy, 63:3, 185-189pp. Hoffmann W., 2005a, PV solar electricity in Europe – competing with Japan, USA and SEA (China, Taiwan, Korea, India, etc.), Renewable Energy for Europe-Research in Action, 2123 November 2005, Brussels, Belgium (Unpublished). http://www.epia.org Hoffmann W., 2005b, European Status of PV Solar Electricity Technology and Market, Semicon Japan 2005, December 9th, 2005, Tokyo, Japan (Unpublished). http://www.epia.org Hoffmann W., 2005c, Future For PV Solar Electricity Industry- The European Roadmap (EPIA), 31st IEEE Photovoltaic Specialist Conference and Exhibition, 3rd-7th January, Orlando, USA. Hoffmann W. and Teske S., 2006, (EPIA-Greenpeace) Solar Generation-Solar Electricity for Over One Billion People and Two Million Jobs by 2020, Sept 2006, Brussels, Belgium, 49p. IEA 2004, World Energy Outlook 2004, IEA Publications, Paris, France, 570p. 170 KAYNAKLAR (devam) IEA-PVPS 2006, Trends In Photovoltaic Applications, Survey Report of Selected IEA Countries Between 1992 and 2005, Report IEA-PVPS T1-15:2006, Switzerland, 32p. Jäger-Waldau A., 2006, PV Status Report 2006 “Research, Solar Cell Production and Market Implementation of Photovoltaics”, European Commission-Directorate General, Joint Research Centre, August 2006, Switzerland, 121p. Kenny R. P., Ioannides A., Müllejans H., Zaaiman W., Dunlop E.W., 2006, Performance of Thin Film PV Modules, Thin Solid Films, 511-512: 663-672pp. King D. L., 1997, Photovoltaic Module and Array Performance Characterization Methods for All System Operation Conditions, Proceedings of NREL/SNL Photovoltaics Program Review Meeting, November 18-22, 1996, Lakewood CO, AIP Pres, New York, USA, 21p. King D. L., Kratochvil J. A., Boyson W. E. and Bower W. I., 1998, Field Experience With A New Performance Characterization Procedure For Photovoltaic Arrays, Proceedings of 2nd World Conference and Exhibition on Photovoltaic Solar Energy Conversion, 6-10 July, Vienna, Austria, 1947-1952pp. 171 KAYNAKLAR (devam) Lasnier F. and Ang T. G.,1990, Photovoltaic Engineering Handbook, Adam Hilger, Bristol, England, 548p. Luque A. and Hegedus S., 2003, Handbook of Photovoltaic Science and Engineering, John Wiley & Sons Ltd., West Sussex, England, 1138p. Markwart T., 1995, Solar Electricity, Unesco Energy Engineering Series, John Wiley & Sons Ltd., West Sussex, England, 228p. Martin N. and Ruiz M. 1999, A new Method ForThe Spectral Characterisation of PV Modules, Progress in Photovoltaics: Research and Applications, 7: 299-310pp. Maycock P. 2006, PV News May 2006, Prometheus Institute for Sustainable Development, Cambridge, MA, USA, 3p. Maycock P., 2006, PV Industry Reports; World PV Market: 19752006, Energy Systems Inc., Cambridge, MA, USA, 133p. Messenger R. A. and Ventre J., 2004, Photovoltaic Systems Engineering, CRC Pres LLC, Florida, USA, 454p. Merten J., Asensi J. M., Voz C., Shah A. V., Platz R. and Andreu J., 1998, Improved Equivalent Circuit and Analytical Model For Amorphous Silicon Solar Cells and Modules, IEEE Transactions on Electron Devices, 45 (2) 423-429pp. 172 KAYNAKLAR (devam) Meyer E. L. and van Dyk E. E., 2004, Assessing The Reliability and Degradation of Photovoltaic Module Performance Parameters, IEEE Transactions on Reliability, 53 (1) 8392pp. Nann S. and Emery K., 1992, Spectral Effects on PV-Device Rating, Solar Energy Materials and Solar Cells, 27:189216pp. Oktik S. 2006, Vision For PV Technologies RTD For EU and Turkey, German-Turkish, Science, Technology and Research Cooperation-Workshop, 13–15 December, TUSSIEDE. Gebze, Turkey (unpublished). Oktik S. 2000, Fotovoltaik Güneş Pilleri ve Güç Sistemleri Dünü Bugünü Yarını, Türkiye 8. Enerji Kongresi “21. Yüzyılda Sürdürülebilir Kalkınma İçin Enerji ve Teknoloji”, 8-12 Mayıs 2000, Ankara, Türkiye, 47-62. Oktik S. 1999, Güneş-Elektrik Dönüşümleri, Temiz Enerji Vakfı Yayınları, Ankara, Türkiye, 40s. Phang J. C.H., J. C. H., Chan D. S. H. and Phillips J. R., 1984, Accurate Analytical Method for The Extraction of Solar Cell Model Parameters, Electronics Letters, 20 (10) 406-408pp. 173 KAYNAKLAR (devam) PV News 2006, The Future of Thin Film PV, August 2006, Prometheus Institute for Sustainable Development, Cambridge,MA, USA, 5p. REN21 2006, Renewables Global Status Report 2006 Update, Renewable Energy Policy Network for The 21st Century, 32p. http://www.ren21.net Rogol M., Choi P., Conkling J, Fotopoulos A., Peltzman K. and Roberts S., 2006, Solar Annual 2006, Photon International, 7/2006, 8p. Rüther R. and Livingstone J., 1994, Seasonal Variations In Amorphous Silicon Solar Module Outputs and Thin Film Characteristics, Solar Energy Materials and Solar Cells, 36 (1) 29-43pp. Schröder D. K., 1990, Semiconductor Material and Device Characterisation, John Wiley&Sons, New York, USA, 599p. Sharma S. K., Samuel K. B., Srinivasamurthy N. and Agrawal B. L.,1993, Determination of Solar Cell Parameters: An Analytical Approach, J. Phys. D: Applied Physics, 26: 11301133pp. Spinner D. M., 2003, Solar Measuring System for Characterisation of Solar Cells (V 2.0 1/2003) manual, Attenheim, Germany,16p. 174 KAYNAKLAR (devam) Tarr N. G. and Pulfrey D.L.,1980, The Superposition Principle For Homojunction Solar Cells, IEEE Transactions on Electron Devices, ED-27 (4) 771-776pp. Teng K.F. and Wu P., 1989, PV Module Characterization Using QR decomposition Based On The least Square Method, IEEE Transactions On Industrial Electronics, 36 (1) 71-75pp. Townsend T. U., 1989, A Method for Estimating the Long-Term Performance of Direct–Coupled Photovoltaic Systems, MSc Thesis, Mechanical Engineering, University of Wisconsin, Madison, USA, 282p. van Dyk E.E. and Meyer E.L., 2004, Analysis of The Effect of Parasitic Resistances On The Performance of Photovoltaic Modules, Renewable Energy, 9:333-344pp. van Overstraeten R.J. and Mertens R. P., 1986, Physics, Technology and Use of Photovoltaics, Adam Hilger Ltd., Bristol, England, 278p. WBGU, 2003, World in Transition: Towards Sustainable Energy Systems, German Advisory Council On Global Change (WBGU), London, England, 242p. 175 EKLER EK 1 Temsili Günlerdeki Güneş Işığı Şiddeti Değişimi Performans analizlerinin gerçekleştirildiği ayları temsil eden günlerdeki güneş ışığı şiddetinin değişimi. 176 EK 2 Güneş Pili ve Çevre Sıcaklığı Değişimi 6 Ağustos 2005 177 EK 3 Ölçüm Hızının Akım Gerilim Eğrisi Üzerine Etkisi Ölçüm esnasında ışık şiddeti azalmıştır (değişim<0) Ölçüm esnasında ışık şiddeti artmıştır (değişim>0) 178 EK 4 VOC ’nin Mevsimsel Olarak Değişimi AS1206 m-Si AS1206 m-Si 179 S105 p-Si S105 p-Si 180 KA58 a-Si KA58 a-Si 181 ATF43 CdTe ATF43 CdTe 182 EK 5 Yaz ve Kış Aylarındaki ISC-VOC Değişimi 183 184 EK 6 VMPP VOC Oranının Yaz ve Kış Aylarındaki Değişimi 185 186 187 188 EK 7 I MPP I SC Oranının Yaz ve Kış Aylarındaki Değişimi 189 190 191 192 EK 8 Dolum Çarpanının Mevsimsel Olarak Değişimi AS1206 m-si AS1206 m-si 193 S105 p-si S105 p-si 194 KA58 a-Si KA58 a-Si 195 ATF43 CdTe ATF43 CdTe 196 197 ÖZGEÇMİŞ 1.Genel DÜZENLEME TARİHİ: 15.01.2007 SOYADI, ADI: EKE, RÜŞTÜ YAZIŞMA ADRESİ: MUĞLA ÜNİVERSİTESİ FEN EDEBİYAT FAKÜLTESİ FİZİK BÖLÜMÜ 48170 MUĞLA TELEFON:252 2111601-06 FAX: 252 223 8656 E-POSTA: [email protected], [email protected] 2. Eğitim ÖĞRENİM DÖNEMİ Şubat 2001 Eylül 1997 Ağustos 2000 DERECESİ ÜNİVERSİTE ÖĞRENİM ALANI Doktora EGE ÜNİV. Güneş Enerjisi Yüksek Lisans MUĞLA ÜNİV. Fizik Eylül 1993 Haziran 1997 Lisans ONDOKUZ MAYIS ÜNİV. Fizik 198 3. Akademik ve Mesleki Deneyim. GÖREV DÖNEMİ Aralık 1997 Nisan 2001 Nisan 2001 ÜNVAN BÖLÜM KURULUŞ Araştırma Görevlisi Fizik Bölümü Muğla Üniversitesi Araştırma Görevlisi Güneş Enerjisi Ege Üniversitesi 4. Uzmanlık Alanları UZMANLIK ALANI ANAHTAR SÖZCÜKLER Güneş Enerjisi Güneş Pili, PV, Temiz Enerji 5. Yayınları 5.1 Bu Çalışmadan Çıkan Yayınlar R.Eke, Ş. Oktik, M. Çolak, 2006, Seasonal Variations in The Outdoor Performance Of Four Photovoltaic Arrays With Different Types of Modules, 21st EUPVSEC, 4-8 September, Dresden, Germany, 2542-2545pp. R.Eke, Ş. Oktik, M. Çolak, 2006, İşletme Koşullarında Güneş Pili Parametrelerinin Belirlenmesi, I.Ulusal Güneş ve Hidrojen Enerjisi Kongresi 21-23 Haziran, Eskişehir, Türkiye, 104-109. 199 5.2 SCI Tarafından Taranan Uluslararası Dergilerde Yayımlanmış Makaleler R. Eke, O. Kara, K. Ulgen, 2005, Optimization of a Wind/PV Hybrid Power Generation System, International Journal of Green Energy, 2: 57-63pp. A. Hepbasli, K. Ulgen, R. Eke, 2004, Solar Energy Applications in Turkey, Energy Sources, V 26, No 6 / May 2004, 551561pp. 5.3 Uluslararası Bildiriler R.Eke, K.Ulgen, 2005, Şebekeye Bağlı 33 kW’lık Fotovoltaik Güç Santralinin Tasarımı ve Uygulaması, 2005 Dünya Fizik Yılı 23. Uluslarası Türk Fizik Derneği Kongresi, 13–16 Eylül, Muğla, Türkiye, 1183-1189. R.Eke, K. Ulgen, O. Kara, 2003, Optimization Of A Wind/ PV Hybrid System For Solar Energy Institute In Izmir, Turkey, Proceedings of the First International Exergy, Energy and Environment Symposium, 13-17 July, Izmir, Turkey, 441-445pp. Ş. Oktik, R. Eke, 2001, The 54kWp Grid Connected Rooftop Photovoltaic System Installation at Mugla University (TURKEY), 7th Arab Conference on Solar Energy & Regional World Renewable Energy Congress, 19-22 February, Sharjah, United Arab Emirates, 178. 200 5.4 Ulusal Bildiriler R.Eke, Ş. Oktik, Fotovoltaik Gerçek Bir Güç Kaynağı mıdır? 2005, IV. Yenilenebilir Enerjiler Sanayi Sergisi ve Sempozyumu, 9-10 Haziran, İzmir, Türkiye, 22-23. Ş. Oktik, C. Tozlu, R. Eke, M. Eltez, 2005, Güneş Enerjisi ve Muğla Üniversitesi Temiz Enerji Kaynakları Araştırma Geliştirme Merkezi Uygulamaları, 24. Enerji Verimliliği Haftası Etkinlikleri, 17-18 Şubat, Ankara, Türkiye. R. Eke, Ö. Akdemir, Ö. Kara, E. Hancıoğlu, L. Özgener, Ö. Özgener, K. Ülgen, A. Hepbaşlı, 2003, Üniversitelerde Yapı Enerji Yönetim Sisteminin Oluşturulmasının Gerekliliği: Ege Üniversitesi Uygulaması, I. Ege Enerji Sempozyumu ve Sergisi, 23- 25 Mayıs, Denizli, Türkiye,108-113. S. İçli, K. Ülgen, Ö. Kara, R. Eke, 2002, Güneş Enerjisinden Yararlanarak İçme Suyu ve Saf Su Eldesi, EBİLTEM Proje Sergisi 2002, 4-15 Kasım, İzmir, Türkiye. R. Eke, Ş. Oktik, 2000, 54kWp Gücünde Şebeke Bağlantılı PV Güç Sisteminin Modellenmesi, III. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, 15–17 Kasım, İstanbul, Türkiye,159–167. R. Eke, Ş. Oktik, F. B. Alaçakır, 2000, 4kWp Gücünde Şebekeye Bağlı PV Güç Sisteminin Performansının Simülasyon Sonuçlarıyla Karşılaştırılması, TFD2000, Türk Fizik Derneği 19. Fizik Kongresi, 26–29 Eylül, Elazığ, Türkiye, 95. 201 R. Eke, Ş. Oktik, 2000, Güneş-Elektrik Dönüşümleri ve PV Güç Sistemleri, Enerji Kaynakları Sempozyumu, 15–17 Nisan, , Çanakkale, Türkiye, 136-143. R. Eke, Ş. Oktik, 1999, Fotovoltaik Güç Sistemlerinde Kayıpların Modellenmesi, Güneş Günü99, Kayseri, Türkiye, 138-144. 5.5 Kitap Editörlüğü M. Eltez, A. Eltez, R. Eke, L. Erden, 2006, “III. Ege Enerji Sempozyumu ve Sergisi Bildiri Özetleri Kitapçığı”, 24–26 Mayıs, Muğla, Türkiye, 124s. O. Kara, R. Eke, 2001, “VI. Turk-Alman Enerji Sempozyumu: Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Çevre Korunumu, Bildiri Özetleri Kitapçığı”, 21-24 Haziran, Izmir, Türkiye. 5.6 Diğer Yayınlar R.Eke, Ş. Oktik, 2005, Güneş Enerjisinden Elektrik Enerjisi Üretmek ve Muğla Üniversitesi Yerleşkesindeki Uygulamalar, Tesisat, , Ağustos 2005, 116: 122-138. 202 5.7 Ulusal ve Uluslararası Bilimsel Toplantılar: Organizasyona katkı • III. Ege Enerji Sempozyumu ve Sergisi, 24-25-26 Mayıs 2006, Muğla. • IV. Yenilenebilir Enerjiler Sempozyumu ve Sanayi sergisi, 910 Haziran 2005, İzmir Türkiye. • Fizik ve Fizik Eğitiminde Gelişmeler Çalıştayı, 13-14 Mayıs 2005, Muğla, Türkiye. • Organic Solar Cells Symposium, June 24-25 2003, Izmir Turkey. • 3. Ege Universitesi Güneş ve Diğer Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sanayi Sergisi, 2-3 Mayıs 2003, İzmir, Türkiye • 2. Ege Universitesi Güneş ve Diğer Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sanayi Sergisi, 15-17 Mayıs 2002, Izmir Türkiye. • “VI. Turk-Alman Enerji Sempozyumu: Yenilenebilir Enerji Kaynakları ve Çevre Korunumu” , Haziran 21-24, 2001, Izmir Türkiye. • II. III. IV. Güneş ve Diğer Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sanayi Sergisi ve Sempozyumu, İzmir, Türkiye. 203 5.8 Araştırma Projeleri • “Güneş Pili Parametrelerinin İşletme Koşullarıyla İlişkilendirilmesi” Ege Üniversitesi 02/GEE/003 Nolu Ege Üniversitesi Araştırma Fonu Projesi, Proje Yürütücüsü. • 54kWp Gücünde Şebekeye Bağlı PV Güç Sistemi, DPT projesi, Yardımcı Araştırmacı. • “Alternatif Enerjiler Üretim Teknolojilerinin Geliştirilmeleri ve Uygulamaları (Güneş, Rüzgar, Biyogaz ve Isı pompaları) “ 03/DPT/006 Nolu DPT projesi, Yardımcı Araştırmacı. • “Güneş Enerjisinden Yararlanarak İçme Suyu ve Saf Su Eldesi”, Ege Üniversitesi 2003/GEE/003 Nolu Araştırma Fonu Projesi, Yardımcı Araştırmacı. • “Alternatif Enerjiler Üretim Teknolojilerinin Geliştirilmeleri ve Uygulamaları (Güneş, rüzgar, biyogaz ve ısı pompaları)” 2003/DPT/006 Nolu Araştırma Fonu Projesi, Yardımcı Araştırmacı. • “Bina Kabuğu Olarak Kullanılabilecek bir Hibrid PV&T Toplayıcının tasarımı” Ege Üniversitesi 2003/GEE/007 Nolu Araştırma Fonu Projesi, Yardımcı Araştırmacı. • “Güneş Arabası Tasarımı ve İmalatı”, Muğla Üniversitesi Araştırma Fonu Projesi, Yardımcı Araştırmacı.
