Fotovoltaik Teknoloji
Bölüm 5: Fotovoltaik Hücre Karakteristikleri
Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü
Fotovoltaik Hücre Parametreleri
I-V İlişkisi
Yük Çizgisi
Kısa Devre Akımı
Açık Devre Voltajı
MPP (Maximum Power Point)
Dolgu Faktörü
Şönt Direnci
Seri Direnç
Fotovoltaik Hücre Verimi
Dr. Osman Turan
Makine ve İmalat Mühendisliği
Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü
 Bir fotovoltaik hücre güneş ışığına maruz bırakıldığında, yeterli enerji içeriğine
sahip fotonlar sayesinde kristal içerisinde elektron-boşluk çiftleri meydana gelir.
 Bu hareketli yük taşıyıcıları eklem (kavşak/junction) bölgesine yaklaştığında,
deplasyon bölgesindeki (yükten arındırılmış bölgedeki) elektriksel alan sayesinde,
Şekilde görüldüğü gibi elektronlar n bölgesine; boşluklar ise p bölgesine doğru
itilirler.
Fotovoltaik Hücrede Enerji Dönüşümü
 Kristalin iki kutbunda zıt yüklerin toplanması, bir potansiyel fark meydana getirir.
 İletken bir tel ile iki kutup Şekildeki gibi birleştirilirse, n bölgesindeki elektronlar, p
bölgesindeki boşluklara doğru hareket eder.
 Burada boşluklarla yeniden birleşen elektronlar devreyi tamamlarlar.
 Akımın yönü, elektron hareketine zıt yönde gerçekleşir. Bir diğer ifadeyle, p
bölgesinden n bölgesine doğrudur.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri
 Fotovoltaik hücreler, güneş ışınları sayesinde fotovoltajların ve fotoakımların
oluştuğu geniş alanlı, düz beslemeli (ileri yönlü kutuplanmış/ polarlanmış)
diyotlardır.
 Diyot, yalnızca bir yönde akım geçiren devre elemanıdır. Bir yöndeki dirençleri
ihmal edilebilecek kadar küçük, öbür yöndeki dirençleri ise çok büyük olan
elemanlardır
 Fotovoltaik hücre parametrelerinin hassas bir şekilde tespit edilebilmesi, fotovoltaik
sistemlerle ilgili dizayn, kalite kontrol ve performans değerlendirme çalışmaları
açısından önemlidir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
 Fotovoltaik hücreler, güneş ışınları sayesinde fotovoltajların ve fotoakımların
oluştuğu geniş alanlı diyotlardır.
 Fotovoltaik bir hücrede Akım-Gerilim (voltaj) ilişkisi,
fotoakım
diyot akım
IS : Doyma akımı
RS : Seri direnç
K ve α sabit sayılar
q : Elektronik yük
A : İdealite katsayısı
kB : Boltzman sabiti
T j : Kavşak (junction) sıcaklığı
paralel akım
RSh : Paralel direnç
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
Fotovoltaik Hücrede Akım – Gerilim İlişkisi
fotoakım
α1 α2 α3 : Sabit katsayılar
E
: Güneş ışınım akısı
Eref : Referans ışınım akısı
(1000 W/m2)
TJ
: Kavşak (junction) sıcaklığı
Tref : referans sıcaklık (298 K)
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
 Bu eşitliği dayanarak, fotovoltaik hücre eşdeğer devresi aşağıdaki gibi çizilebilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
 Akım – Gerilim (Voltaj) (I – V) karakteristiği genelde iki boyutlu bir grafikte; dikey
eksen akımı (Amper cinsinden), yatay eksen ise gerilimi (Volt cinsinden) temsil
edecek biçimde şekildeki gibi gösterilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
 (I – V) karakteristiği, fotovoltaik hücrenin
uçlarına test direnci takılıp, açık devreden
kısa devreye kadar değeri değiştirilir ve bu
sırada direncin üzerindeki voltaj ve akım
değerleri ölçülerek elde edilir.
 Aşağıdaki şekilde (I-V) karakteristik
eğrisinin ölçülebilmesi ve çizilebilmesi için
örnek bir elektriksel devre düzeneği
gösterilmiştir.
 Bir (I-V) eğrisi belirli bir güneş ışınım akısı
altında çizilir ve farklı güneş ışınım akıları
için ölçümler tekrarlanır.
Fotovoltaik
hücre
Voltmetre
Reosta
Ampermetre
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Akım-Gerilim İlişkisi
 Bir (I-V) eğrisi belirli bir güneş ışınım akısı
altında çizilir ve farklı güneş ışınım akıları için
ölçümler tekrarlanır.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi
 Yük çizgisi, doğrusal olmayan bir performans sergileyen bir aletin çalışma
noktasını bulmak için kullanılan grafiksel bir tekniktir.
 Herhangi bir anda, değişken direncin uçları arasındaki voltaj:
Yük çizgisi
 Fotovoltaik hücrenin (I-V) eğrisi
üzerine çizilen yük çizgisi 1/R
eğimine sahip olacaktır.
S R
P
E
X
Y
Z
A
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi
 Küçük R değerleri büyük eğim oluşturur.
 Büyük R değerleri küçük eğim oluşturur.
 Yük çizgisinin (I-V) eğrisini kestiği nokta çalışma noktası (yada Q noktası) olarak
adlandırılır.
 Belirli bir direnç değeri için çalışma noktası güneş
ışınım akısı değeri, arttıkça A noktasında E noktasına
doğru hareket eder.
Yük çizgisi
 Bunun sonucu olarak, hem yük voltajı
E
hem de yük akımı güneş ışınım akısı
S R P
değeri ile artar.
X
 Benzer şekilde, belirli bir güneş ışınım
akısı için, azalan R, çalışma noktasını
P, R, S noktalarına doğru kaydırırken;
artan R, ise çalışma noktasını X,Y,Z
noktalarına doğru kaydırır.
Y
Z
A
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Yük Çizgisi
Örnek 5.1
Fotovoltaik hücrenin I-V karakteristiği Şekilde verildiği gibidir. Fotovoltaik hücre 0.2
ohm’luk dirençsel yüke bağlanmıştır. Buna göre:
a) Yük çizgisini çizin,
b) Direnç üzerinden geçen akımı bulunuz,
c) Direncin uçları arasındaki voltajı bulunuz,
d) Direçteki güç kaybını hesaplayınız,
e) Işınım akısı değeri 1000 W/m2 olduğu durum için direncin uçları arasındaki
voltajı hesaplayınız.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Kısa Devre Akımı
 Kısa devre akımı, ISC ile gösterilir.
 Kısa devre akımı, Şekilde görüldüğü gibi, devrenin
kutupları kısa devre edildiğinde ölçülen akımdır.
 Her güneş ışınım akısı için farklı kısa devre akımı
söz konusudur.
 Kısa devre akımında pilin uçları arasındaki voltaj
(gerilim) sıfırdır.
V=0
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Kısa Devre Akımı
 Normal güneş ışınım akısı altında, seri direnç RS çok küçüktür ve pratik amaçlı
olarak hesaplamalarda ihmal edilebilir. Böylece kısa devre akımı aşağıdaki gibi
sadeleşir:
RS = 0
 Sonuç olarak; kısa devre akımı, güneş ışınım akısına bağlı olan fotovoltaik akıma
(fotoakıma) eşittir.
 Bu durum (ISC = IP ), fotovoltaik hücre tasarımında kullanılan en önemli prensiptir.
 Fotovoltaik hücreyi kısa devre akımına yakın bir akımda çalıştırarak, hücrenin üzerine
düşen güneş ışınım akısı ile doğru orantılı olan akım ölçülebilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Açık Devre Gerilimi
 Açık devre gerilimi, VOC ile gösterilir.
 Her güneş ışınım akısı için farklı kısa devre akımı
söz konusudur.
 Açık devre gerilimi, Şekilde görüldüğü gibi,
devreden geçen akım sıfıra eşitken, fotovoltaik
hücrenin kutupları arasında okunan gerilimdir.
I=0
1 / Rsh ≈ 0
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Maksimum Güç
Noktası (MPP)
 Maksimum güç noktası belirli bir güneş ışınım akısı altında, fotovoltaik hücrenin I-V
karakteristik eğrisi üzerindeki, akım ve gerilim değerleri çarpımının (yani gücün)
maksimum olduğu noktadır.
 Yüke aktarılan güç , yükün direncine bağlıdır ve fotovoltaik hücre MPP dışında bir
yerde çalışıyor ise yüke maksimum güç aktarımı gerçekleşmez.
P=V.I
Pmax
Imax
MPP
Vmax
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Dolgu Faktörü (FF )
 Fotovoltaik hücrenin dolgu faktörü, maksimum gücün kısa devre akımı ile açık
devre gerilimi çarpımına oranıdır:
ISC
Imax
 Buna bağlı olarak sistemden elde
edilecek güç de açık-devre gerilimle
(Voc) , kısa-devre akım (Isc) ve dolgu
faktörünün (FF) çarpımına eşittir.
Vmax
 Dolgu faktörü, seri ve paralel dirençlerden etkilenir.
 Dolgu faktörü için tipik değerler FF = 0.7 – 0.8 civarıdır.
 Kaliteli fotovoltaik hücreler için dolgu faktörü FF ≥ 0.7 değerler alır.
VOC
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Seri Direnç
 Fotovoltaik hücredeki seri direnç Rs, fotovoltaik hücre içerisindeki omik
kayıplardan oluşur.
 Seri direnç, fotovoltaik hücre ile yükü arasında seri bir şekilde yer alır.
 Seri direncin değeri çok küçüktür ve (10 mohm civarlarında) ve hesaplamalarda
ihmal edilebilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Seri Direnç
 Seri direnç, fotovoltaik hücrenin I-V eğrisi üzerinde, açık devre gerilimi ile
maksimum güç noktası arasında kalan bölgenin karakteristiğini etkileyen bir
hücre parametresidir.
 Fotovoltaik hücrenin seri direnci artması neticesinde, Şekilde de görüldüğü gibi,
I – V eğrisi altında kalan alan (yani dolgu faktörü, FF) azalır ve buna bağlı olarak
da fotovoltaik modülden elde edilen çıkış gücü düşer.
 Fotovoltaik hücre eskidikçe seri direnci artar.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Paralel (Şönt) Direnç
 Fotovoltaik hücrenin paralel direnci Rsh, fotovoltaik hücrenin kutupları
arasındaki sızıntı akımları sonucu oluşur.
 Paralel direncin değeri çok büyüktür (100 ohm civarı).
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Paralel (Şönt) Direnç
 Paralel direnç bir fotovoltaik hücreninin I-V eğrisi üzerinde, kısa devre akımı ile
maksimum güç noktası arasındaki bölgenin karakteristiğini etkileyen bir hücre
parametresidir.
 Fotovoltaik hücrenin paralel (şönt) direncinin azalması , Şekilde de görüldüğü
gibi, I-V eğrisi altında kalan alanı (yani dolgu faktörü, FF) azaltır ve buna bağlı
olarak da , fotovoltaik modülden elde edilen çıkış gücü azalır.
 Fotovoltaik hücre eskidikçe paralel direnç azalır ve bunun sonucu olarak da
sızıntı akımları artar ve dolgu faktörü azalır.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri
 Fotovoltaik hücreler kavşak (eklem/Junction) sıcaklığından etkilenirler.
 Sıcaklık arttıkça potansiyel fark azalır ve bunun sonucu olarak da küçük açık
devre voltajı oluşur.
 Silikon bir fotovoltaik hücredeki potansiyel fark 2.3 mV/oC’ dir.
 Fotovoltaik hücre akımının sıcaklıkla değişimim ihmal edilir.
 Güç, gerilim ve akım çarpımına eşit (P = V. I) olduğuna göre, fotovoltaik hücre
sıcaklığı düştükçe güç artar.
 Fotovoltaik hücrenin rengi koyu oluğu için çok güneş ışığı emer, bu nedenle,
fotovoltaik hücrenin kavşak (eklem/Junction) bölgesindeki sıcaklık çevre
sıcaklığından yüksektir.
 Soğuk bir fotovoltaik hücre daha yüksek bir gerilim oluşturur.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri
 Sıcaklık arttıkça potansiyel fark azalır ve bunun sonucu olarak da küçük açık
devre voltajı oluşur.
 Fotovoltaik hücre akımının sıcaklıkla değişimi ihmal edilir.
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Değişimleri
 Güç, gerilim ve akım çarpımına eşit (P = V. I) olduğuna göre, fotovoltaik hücre
sıcaklığı düştükçe güç artar.
Sıcaklık artıyor
Fotovoltaik Hücre Parametreleri : Sıcaklık Kontrolü
Fotovoltaik Hücre Verimi
 Bir fotovoltaik hücre için verim kavramı, ışınım enerjisinin ne oranda elektrik
enerjisine dönüştürülebildiği şeklinde tanımlanabilir.
Fotovoltaik Hücre Verimi
=
Üretilen Elektrik Enerjisi
Gelen Işınım Enerjisi
 Fotovoltaik sistemlerde performans değerlendirme ölçütü olarak yaygın biçimde
enerji verimi ve güç dönüşüm verimi kavramları kullanılmaktadır.
Fotovoltaik Hücre Verimi
Enerji Verimi
Güç Dönüşüm Verimi
Fotovoltaik Hücre Verimi: Enerji Verimi
 Enerji verimi, fotovoltaik hücre tarafından üretilebilecek teorik gücün, hücre
yüzeyine gelen ışınım enerjisine oranı olarak ifade edilir.
 Herhangi bir işletme koşulunda bir fotovoltaik hücrenin üretebileceği teorik güç,
Şekilde görüldüğü gibi kısa devre akımı ve açık devre voltajı ile sınırlanan
dikdörtgensel bölgenin alanına eşittir.
Fotovoltaik hücre için
enerji verimi
ISC
: Kısa devre akımı (A)
VOC : Açık devre gerilimi (V)
G
: Işınım enerjisi (W/m2)
A
: Fotovoltaik hücre
yüzey alanı, m2)
Fotovoltaik Hücre Verimi: Güç - Dönüşüm Verimi
 Güç dönüşüm verimi, Şekil de görüldüğü gibi seri ve şönt direnç etkilerini dikkate
alacak şekilde, bir fotovoltaik hücreye ait  −  eğrisi altında kalan alanın, hücre
yüzeyine gelen ışınım enerjisine oranı ile belirlenir.
Fotovoltaik hücre için
Güç dönüşüm verimi
Fotovoltaik Hücre Verimi
 Fotovoltaik hücrelerin verimleri, belirli standart koşullar altında testler yapılarak
ortaya konur.
Bu standart koşullar:
Karasal Uygulamalar İçin ASTM G173: 25 Co
AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2o; AM = 1/cos θ)
1000 W/m2
Uzay Uygulamalar İçin
ASTM E490: AM 0 (Zenit Açısı, θ = 0; AM = 1/cos θ)
1367 W/m2
 Hücre verimleri yukarıda verilen standart koşullara göre test edilirken, sıcaklığın
hücre verimi üzerindeki etkisini ihmal etmek amacı ile hücre sıcaklığı sabit tutulur.
Fotovoltaik Hücre Verimi
Hava koşulları, bir fotovoltaik hücrenin üreteceği güç değerini ve dolayısıyla da
verimini önemli ölçüde etkiler.
Fotovoltaik Hücre Verimi
Güneş yoğunluğu, bir fotovoltaik hücrenin üreteceği güç değerini ve aynı zamanda
verimini önemli ölçüde etkiler.
Fotovoltaik Hücre Verimi
Fotovoltaik hücrenin ürettiği enerji, hava koşullarının yanı sıra güneşle olan açısına
bağlı olarak değişir.
Kosinüs Kuralı
Güneş ışınımı yüzeye dik olarak gelmediği durumlarda, yüzeye düşen güneş
ışınım miktarı, güneş ışınları ile yüzeyin normali arasında kalan açının kosinüsü
ile orantılı olarak azalır.
Fotovoltaik Hücre Verimi
Enerji aktarımının en yüksek olabilmesi için MPP noktasının izlenmesi gerekir.
MPP
Fotovoltaik Hücre Verimi
Atmosferde
kat edilen
yolun
uzunluğu
Güneş geliş
açısı
Sıcaklık
Hücre verimini
etkileyen
Faktörler
Güneşlenme
süresi
Hücre
malzemesi
Güneş Işınım
Yoğunluğu
Download

V - Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi Makine ve İmalat Mühendisliği