Güneş Panelleri Nasıl Çalışır?

Güneş panelleri fotovoltaik (PV), gün ışığını direkt olarak elektriğe dönüştüren yüksek teknolojili fakat son derece basit bir teknolojiye dayanıyor.

 

1839'da Fransız bilim adamı Edmond Becquerel, bazı malzemelerin güneş ışınlarıyla elektrik üreteceğini keşfetti.  Araştırmacılar  yakında  fotoelektrik etki olarak adlandırılan bu özelliğin kullanılabileceğini keşfetti; Selenyumdan yapılmış ilk fotovoltaik (PV) hücreler 1800'lü yılların sonlarında yaratılmıştır. 1950'li yıllarda, Bell Labs'taki bilim adamları bu teknolojiyi gözden geçirdiler ve silikon kullanarak, güneş ışığındaki enerjinin% 4'ünü direkt olarak elektriğe dönüştürebilen PV hücreleri üretti.

 

Bir PV hücrenin bileşenleri

Bir PV hücresinin en önemli bileşenleri genellikle silikon kristallerden oluşan iki yarı iletken malzemedir. Kristalize silikon, kendi başına, çok iyi bir elektrik iletkeni değildir, yabancı maddeler kasıtlı olarak eklendiğinde ( doping olarak adlandırılan bir işlem), elektrik akımı oluşturmak için sahne ayarlanır.


PV hücrenin alt tabakası, genellikle, bir pozitif yük (P) kolaylaştırmak için silikayla bağlanan bor ile dope edilirken, üst katman, negatif bir yük (N) kolaylaştırmak için silikon ile bağlanan fosfor ile takviye edilmiştir.

Elde edilen "p-tipi" ve "n-tipi" yarı iletkenler arasındaki yüzey PN birleşimi olarak adlandırılır (aşağıdaki diyagrama bakınız). Bu yüzeydeki elektron hareketi, elektronların yalnızca p-tipi tabakadan n-tipi tabakaya akmasına izin veren bir elektrik alanı üretir.

Güneş ışığı hücrenin içine girdiği zaman, enerjisi elektronları her iki katta da gevşek yapar.Katmanların karşı yükleri nedeniyle, elektronlar n-tipi tabakadan p-tipi tabakaya akmak istemektedirler. Ancak PN birleşimindeki elektrik alanı bu durumu engeller.



Bununla birlikte, bir harici devrenin varlığı, n-tipi katmandaki elektronların p-tipi tabakaya geçmesi için gerekli yolu sağlar. Bu devreden akan elektronlar (tipik olarak n-tipi tabaka boyunca uzanan ince teller) hücrenin sahibine bir elektrik kaynağı sağlar. 

Çoğu PV sistemi, bir tarafında birkaç santimlik kare hücrelere dayanıyor. Tek başına, her hücre çok az güç üretir (birkaç watt), bu nedenle modüller veya paneller olarak gruplandırılır . Paneller daha sonra ayrı birimler halinde veya daha büyük diziler halinde gruplandırılmıştır. 

Üç temel solar hücre tipi vardır:

Tek kristal hücreler (Monokristal ) uzun silindirler halinde üretilir ve ince gofretlere dilimlenir. Bu süreç enerji açısından yoğun ve daha fazla malzeme kullanıyor olsa da, gelen enerjiyi elektriğe dönüştüren en yüksek verimlilikte hücreler üretir. Tekli kristal hücrelerden yapılan modüller, bazı laboratuvar testlerinde verimliliklerini yüzde 23'e kadar çıkarabilir. PV için dünya pazarının üçte birinden fazlasını tek kristal oluşturmaktadır . Bu teknoloji ile üretilen, güneş paneli fiyatları arasından en yüksek olandır.
Polikristal hücreler erimiş silisyumdan külçe dökülerek karelere kesilir. Üretim maliyetleri daha düşük olmakla birlikte, hücrelerin verimliliği de daha düşüktür - üst modül verimliliği yüzde 20'ye yakındır. Polikristal hücreler küresel güneş paneli pazarının yaklaşık yarısını oluşturmaktadır.
İnce film hücreleri , ince tabakalardaki cam veya metal yüzeylerin üzerine püskürtme veya madde (amorf silikon, kadmiyum-tellürür veya diğer) püskürterek, bütün modülü tek tek hücreler yerine bir araya getirir. Bu yaklaşım düşük verimlilikle sonuçlanır ancak daha düşük fiyat ve düşük maliyet olabilir. İnce film hücreleri küresel solar panel pazarının yaklaşık yüzde on'unu oluşturuyor.
Tarihsel olarak, çoğu güneş  paneli, uzak noktalardaki evlere, cep telefonu kulelerine, yol levhalarına ve su pompalarına güç sağlayan, şebekeden bağımsız olarak kullanılırdı. Bununla birlikte, son yıllarda, güneş enerjisi, Türkiye ‘ de  ve diğer ülkelerde, elektrik şebekesine enerji girdisi yapılan uygulamalarda dikkate değer bir büyüme yaşamıştır. Bu tip şebekeye bağlı PV uygulamaları küresel güneş pazarının% 99'undan fazlasını oluşturmaktadır .

Güneş enerjisi elektrik şebekesine nasıl entegre edilir?


Daha büyük miktarda güneş enerjisi ile bir elektrik sistemine geçiş birçok yarara sahiptir. Küçük ölçekli dağınık güneş (çoğunlukla çatıdaki sistemler) ve büyük ölçekli PV sistemleri dahil olmak üzere, teknoloji çeşitliliği, ev sahipleri, işletmeler ve kamu hizmetleri için farklı avantajlar sunmaktadır.

Çatıdaki güneş panelleri tarafından üretilen elektriği, ilk önce yerinde kullanım ihtiyaçları vardır; şebeke, gerektiğinde ek elektrik tedarik etmektedir. Ev ya da iş tükettiği enerjiden daha fazla elektrik ürettiğinde, elektrik ızgaraya geri beslenir.

Çatıdaki güneş enerjisinin ızgaraya sağladığı en büyük yararlarından biri, o enerjinin en değerli olduğunda ve nerede olduğu zaman çoğu zaman elektrik üretmesidir. Örneğin, pek çok bölgede, elektrik sistemine talep, öğleden sonra sıcak, güneşli günlerde, klima kullanımının yüksek olduğu ve çatı güneşinin güçlü performans gösterdiği zamanlarda zirve yapmasını gerektiriyor. Bu tür sistemler, bu nedenle, çoğu diğer seçeneklerden daha pahallı ve daha kirli nadiren kullanılan santralleri ateşlemeden kamu hizmetleri taleplerini karşılamaya yardımcı olurlar.

Çatıdaki sistemler ayrıca, ev ve işyerinin elektrik şebekesine tamamen güvenmek yerine yerinde güç çekmesini sağlayarak elektrik dağıtımı ve iletim ekipmanlarındaki yükü azaltmaktadır. Avantajları iki kat vardır: Yerinde güç kullanımı, elektriği uzun mesafelere taşımanın verimsizliklerini ortadan kaldırır ve yerinde sistemler potansiyel olarak yardımcı programın altyapısına pahalı yükseltmeleri ertelemesine izin verir.

Çatı güneşinin aksine, büyük ölçekli güneş enerji sistemleri ( GES ) , elektriklerini doğrudan yüksek voltajlı elektrik şebekesine besler ve bu nedenle, Türkiye  elektrik sisteminin evrimleştiği merkezi güç santralleri ile benzerlik gösterir.

Çatı üstü sistemler gibi büyük ölçekli PV, talep en fazla olduğu zaman sıklıkla en yüksek kapasitede çalışmanın yararıdır. Buna ek olarak, PV teknolojisinin doğal olarak modüler yapısı, PV sistemlerini, değiştirdikleri geleneksel enerji santrallerine göre aşırı hava koşullarına karşı daha dayanıklı hale getirmeye yardımcı olur. Büyük kömür, doğal gaz ve nükleer santraller, bir sistemin bir kısmı zarar gördüğünde basamaklı arızalara yatkındır.Büyük ölçekli PV ile, bir güneş projesinin bir bölümü zarar görse bile, sistemin çoğunun çalışmaya devam etmesi muhtemel.

Büyük ölçekli güneş enerji sistemleri  ( GES ) aşırı hava koşullarından etkilenebilecek iletim hatlarına bağımlı iken, projeler olayların hemen sonrasında sıklıkla hizmet halindedir.

 

Yüksek güneş enerjisi seviyeleri için çözümler
Güneş enerjisinin sunduğu tüm avantajlar göz önüne alındığında, PV kullanımının yüksek seviyelere ulaşması arzu edilir, ancak aynı zamanda zorluklar da sunmaktadır. Ancak bu zorlukların üstesinden gelinemez; teknolojiye yapılan güncellemeler ve elektriğin nasıl satıldığı ve satıldığına dair güncellemeler, güneş penetrasyonunun artan seviyelerini mümkün kılmaya yardımcı olabilir.

Güneş paneli çatı sistemleri için bir zorluk , müşterilere değil, müşterilere akan enerjiye sahip olmak, kamu hizmetleri için nispeten yeni bir durumdur. Birçok evin güneşi benimsediği mahalleler, çatı katındaki sistemlerin mahalle "nin gündüzünden daha fazla üretebileceği bir noktaya yaklaşabilir. Ancak, bu gibi mahallelerde müşterilere hizmet eden "besleyici" hatları, elektriği ters yönde tutmaya hazır olmayabilir.

Büyük ölçekli GES  projeleri, şehir merkezlerinden uzakta bulunabilmeleri için kendi zorluklarıyla karşı karşıyalar, elektrik iletimi gerçekte kullanılacağı yere taşıyacak iletim hatları gerektiriyor. Bu, hatların kendilerini inşa etmede yatırım gerektirir ve enerjinin bir kısmı ısıya dönüştüğü ve kaybolduğu için "hat kaybı" na neden olur.

Her iki terazide PV ile ilişkili güneş enerjisi üretiminin değişkenliği yeni zorluklar ortaya koyuyor çünkü ızgara operatörleri, birçok yenilenemez enerji santrali ile olabildiği gibi bir anahtarın çevirmesi ile bu sistemlerin çıktılarını kontrol edemiyor. PV sistemlerinden gelen üretim miktarı, herhangi bir zamanda güneş ışığının miktarına bağlıdır. Bulutlar güneşi bloke ettiğinde, bir güneş dizisinden enerji aniden düşebilir.

Tersine, sistem yüksek miktarlarda güneş bulunan özellikle güneşli günlerde, yenilenemez enerji santrallerinden gelen güneş enerjisi üretimini azaltmak için elektrik enerjisi talebi aşabilir. Her iki durum da sistemde istikrarsızlığa neden olabilir.

Ancak, şebekeye daha fazla PV eklenmesi ile ilgili konular belirlenebilir bir şekilde çözülebilir. İletim ve besleyici sorunlarına yapılan düzeltmeler, teknik değil, büyük ölçüde ekonomiktir. Şebeke dağıtım operatörleri , büyük elektrik santralleri veya iletim hatları beklenmedik bir şekilde başarısız olduğunda sürekli değişen elektrik talebi ve elektrik arzında düşüşlerin neden olduğu dalgalanmaları zaten yönettiği için çeşitlilik zorlukları iyi anlaşılıyor.

Güneş enerjisi üretiminde doğurganlığın büyük kısmı da öngörülebilir ve yönetilebilirdir ve aşağıdakileri de içeren çeşitli şekillerde ele alınabilir:

Güneş enerjisi üretiminin ne zaman gerileyebileceğine ilişkin daha doğru tahminleri sağlamak için daha iyi tahmin araçları kullanma
Yerel bulut kaplamasına bağlı olarak üretim değişkenliğinin etkisini en aza indirgemek için güneşin geniş bir coğrafi alana yerleştirilmesi
Elektrik arzını değiştirme ve aşırı enerjiyi daha sonra kullanmak üzere saklama
Müşterileri daha kolay kullanılabilir olduğunda elektrik kullanımına teşvik ederek elektrik talebini değiştirmek
Elektrik ithalat / ihracat olanaklarını genişletmek ve kaynakları paylaşmak için komşu bölgelerle işbirliği yapmak
Genel olarak, güneş dahil olmak üzere yenilenebilir enerji kaynakları, Türkiye elektrik sistemini istikrara kavuşturmaya ve ekonomik ve çevreye daha dayanıklı hale getirmeye yardımcı olur.