Kâinatta her sistem yaşamını devam ettirebilmek için enerjiye ihtiyaç duyar. İnsanoğlu yeryüzünde yaşamını devam ettirebilmek için bir takım ihtiyaçları vardır. Bu ihtiyaçlarını karşılayabilmek için bir takım düzenekler ve sistemler üretmiştir. Bu sistem ve düzenekleri çalıştırabilmek için ilk başta kendi gücünü kullanmış daha sonra artan ihtiyaçlarını karşılamak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duymuştur. Bu enerjiyi önceleri hayvanlardan elde etmiş ancak artan ihtiyaçlarını karşılamak için daha fazla enerjiye ihtiyaç duymuş böylece fosil kaynaklı enerjiyi kullanmaya başlamıştır. Her geçen gün artan bu kullanım dünyanın dengesini bozmuş küresel ısınmaya sebep olmuş ve bu kaynakların kalan ömrünü kısaltmıştır. 1973 yılında meydana gelen petrol krizinden sonra küçük çapta devam eden çeşitli alternatif enerji kaynakları araştırmalarının sayısı hızla arttırmış. Bu çalışmalarla beraber yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi ortaya çıkmış ve bu yöndeki faaliyetlerde süratle ilerleme kaydedilmiştir. Böylece enerji, yenilenebilir enerji ve fosil kaynaklı enerji diye ikiye ayrılmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları kısa süreler içinde mesela 24 saat ya da 1 hafta ya da 1 yıl gibi tabii faaliyetler tarafından sürekli olarak yeri doldurulan kaynaklardır. Bu çalışmada ilk olarak güneş ışınlarından elektrik üreten sistemler olan fotovoltaik (PV) sistemler hakkında temel bilgiler verilmiş bunlara ilaveten son zamanlardaki gelişmelerden bahsedilmiştir. PV sistemlerinden sonra rüzgar enerjisi üzerinde durulmuş yine bu konudaki çalışmalardan bahsedilmiştir. Üçüncü bir başlık olarak PV ve rüzgâr türbinlerinden (RT) meydana gelen hibrit sistemler hakkında teorik bilgi verilmiş teorik bilgiler ışığında yapılan çalışmaların neticelerinden bahsedilmiştir. Son olarak ta İstanbul’da rüzgâr türbini (RT), PV ve hibrit sistemlerin bir uygulaması yapılmış. Bu uygulamanın neticeleride grafik olarak verilmiştir.
FOTOVOLTAİK (GÜNEŞ PİLLERİ )
Güneş pilleri bilgisayarların işlemcilerinde kullanılan malzemeye benzeyen yarı iletkenlerden üretilirler. Güneş pilleri güneş ışınlarını arada başka bir süreç olmadan yani barajlarda veya rüzgâr türbinlerinde olduğu gibi bir jeneratör vasıtası ile elektrik üreten sistemler olmayıp doğrudan elektrik üreten sistemlerdir. Bu işlem ilerde daha ayrıntılı bir şekilde anlatılacaktır ancak kısaca fotonların güneş pilindeki malzemeye vurup malzemeye zayıf bir şekilde bağlı olan elektronları yörüngesinden kopartıp elektrik akımı meydana getirmesidir.( NREL, 2007)
Becquerel 1839 yılında elektrolit içerisine daldırılmış elektrotlar arasındaki gerilimin elektrolit üzerine düşen ışığa bağımlı olduğu gözlemleyerek Fotovoltaik olayını bulmuştur. Katı cisimlerde ise benzer bir olay ilk olarak selenyum kristalleri üzerinde 1876 yılında G.W. Adams ve R.E. Day tarafında gösterilmiştir. 1914 yılında fotovoltaik gözelerin verimliliği %1, değerine ulaşmış ise de gerçek anlamda güneş enerjisini %6 verimlilikle elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik gözeler ilk kez 1954 yılında silikon kristali üzerine gerçekleştirilmiştir. Fotovoltaik güç sistemleri için dönüm noktası olarak kabul edilen bu tarihi takip eden yıllarda araştırmalar ve ilk tasarımlar, uzay araçlarında kullanılacak güç sistemleri için yapılmıştır. Fotovoltaik güç sistemleri 1960” ların başından beri uzay çalışmalarının güvenilir kaynağı olmayı sürdürmektedir.
Amerika’da, Avrupa’da, Japonya’da 1973 yılındaki Petrol Krizini izleyen yıllarda büyük bütçeli ve geniş kapsamlı araştırma ve geliştirme projeleri başlatılmıştır. Güneş pillerinin yeryüzünde de elektriksel güç sistemi olarak kullanılabilmesine yönelik çalışmalar 1954’ler de başlamıştır. Bir yandan uzay çalışmalarında kendini ispatlamış silikon kristaline dayalı güneş pillerinin verimliliğini artırma çabaları ve diğer yandan alternatif olmak üzere çok daha az yarı iletken malzemeye gerek duyulan ve bu neden ile daha ucuza üretilebilecek ince film güneş pilleri üzerindeki çalışmalara hız verilmiştir.
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretmenin araştırılması ve geliştirilmesi üniversitelerin yüklendiği ve yürüttüğü bir vazife olmuştur. Ancak son yirmi yılda dünya genelinde çevre konusunda duyarlılığın artmasına bağlı olarak kamuoyundan gelen baskı, çok uluslu büyük şirketleri fosile dayalı olmayan yeni ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalar yapmaya zorlamışlardır. Büyük şirketlerin devreye girmesiyle fotovoltaik piller konusundaki teknolojik gelişmeler ve güç sistemlerine artan talep ve buna bağlı olarak büyüyen üretim kapasitesi, maliyetlerin hızla düşmesini de beraberinde getirmiştir. Yakın geçmişe kadar alışıla gelmiş elektrik enerjisi üretim yöntemleri ile karşılaşıldığında çok pahalı olarak değerlendirilen fotovoltaik güç sistemleri, artık yakın gelecekte güç üretimine katkı sağlayabilecek sistemler olarak değerlendirilmektedir. Özellikle elektrik enerjisi üretiminde hesaba katılmayan ve görünmeyen maliyet olarak değerlendirilebilecek “sosyal maliyet” göz önüne alındığında, fotovoltaik sistemler fosile dayalı sistemlerden daha ekonomik olarak değerlendirilebilir.(Oktik,2001)
Güneş pilleri yarı iletken malzemeden yapılmış gözelerdir. Meteorolojik parametreler, coğrafya ve topografya gibi faktörler herhangi bir bölgede birim alana gelen güneş enerjisinin tutarını ve spektrumunu etkileyen değişkenlerdir. Bundan dolayı güneş pillerinin verimliliği güneş enerjisinden üretilen elektriğin miktarını belirler.
Madde içerisinde elektriksel yük taşıyıcılarının hareketleri göz önüne alınarak malzemeler, süper iletken, iletken, yarı-iletken ve yalıtkan olarak sınıflandırılabilir. Atomlarda, çekirdekten uzaklaştıkça elektronların çekirdekle olan bağları zayıflar. Maddenin yapısını belirleyen değerlik elektronları, çekirdekten en uzakta bulunan elektronlardır. Değerlik elektronları, iyi bir iletken olan metallerde, komşu atomlar arasında kolayca hareket ederler. Bulundukları enerji düzeyinden daha yüksek enerji düzeylerine çıkmadan metal içerisinde rahatça dolaşan bu elektronlara “serbest elektronlar” adı verilir. Metal malzemedeki serbest elektronlar, elektrik yükünün iletilmesinde iyi birer taşıyıcı olmalarına karşın, fotovoltaik dönüşüm için uygun birer araç değildirler. Bunun temel nedeni, basit terimlerle, serbest elektronun, gelen ışığın frekansına kolayca cevap vererek ışığı geri yansıtması ve metallerde elektronları artı (+) yüklerden ayrı tutabileceğimiz bir enerji aralığının bulunmamasıdır.
Yarı iletkenlerde ve yalıtkanlarda değerlik elektronlarının bulunduğu enerji düzeyi ile bu elektronların bulunabileceği bir sonraki enerji düzeyi arasında bulunan enerji düzeyleri, elektronların bulunmasının yasak olduğu enerjilerdir. Değerlik elektronlarının bulunduğu enerji bandında “değerlik bandı” ve yasak enerji aralığından sonra elektronların bulunabileceği ilk enerji düzeylerinden başlayan enerji bandına da “ iletkenlik bandı” adı verilir. Yasak enerji aralığının büyüklüğü, maddenin yarı-iletken ya da yalıtkan olarak sınıflandırılmasının ölçüsüdür. Güneş ışınımında enerji taşıma birimleri olarak tanımladığımız fotoların enerjisi, yasak enerji aralığına eşit ya da ondan büyük ise, değerlik bandındaki bir elektrona enerjisini aktararak onu iletken bandına çıkarır. Yasak enerji aralığı 2.5eV (elektron volt) değerinden daha büyük ise madde yalıtkandır. Güneş spektrumunda enerji 2.5eV (dalga boyu 0,5um) değerinden daha büyük olan bölgedeki güneş ışınlarının tutarı çok az olduğundan, bu tür malzeme de fotovoltaik çevrimde soğurucu tabaka olarak kullanılmaya uygun değildir.
Fotovoltaik dönüşümde güneş ışığını soğuracak malzeme, yasak enerji ağırlığı güneş spektrumu ile uyumlu ve elektrik yüklerinin biri birinden ayrılabilmesine izin verebilecek yarı-iletken malzemeden olmalıdır. Şekil 1.1 de yasak enerji ağırlığına bağlı olarak çeşitli güneş ışınımı koşullarında elde edilebilecek en büyük verimlilik değerini özetlemektedir. Aynı şekil üzerinde çeşitli yarı-iletken malzemelerinin yasak enerji aralığı da işaretlenmiştir.
Şekil 1. 1 Yasak Enerji Ağırlığına Bağlı Olarak Çeşitli Yarı-İletkenlerin Verimlilik Değerleri.
Şekil 1. 2 Ortalama Şartlarda Çeşitli Yarı-İletkenlerin Teorik Verimi
Güneş enerjisini taşıyan enerji paketleri foton diye adlandırılır. Güneş spektrumunun mavi bölgesinde enerjisi yüksek fotonlar kırmızı bölgesinde ise düşlük enerjili fotonlar mevcuttur. Güneşin madde üzerine düşmesiyle fotonlar enerjilerini madde içerisindeki elektronlara aktarır, bu aldığı enerji ile elektron, enerjisini artırarak daha yüksek enerji bantlarına tırmanmaya çalışır. Eğer aktarılan enerji, yasak enerji aralığını aşmaya yeterli ise, elektron, içinde bulunduğu değerlik bandından ayrılarak iletkenlik bandına çıkar. Elektron, ait olduğu atomu terk etmiş olacağından, geride dengelenmemiş bir artı yük kalacaktır. Değerlik bandında kalan bu artı (+) yüke, “boşluk” adı verilir. Sonuç olarak, yarı-iletken üzerine düşen fotonun enerjisi, yasak enerji aralığına eşit ya da büyük ise, bir elektron-boşluk çifti oluşturulmuş olur. Yasak enerji aralığından daha küçük enerjiye sahip enerjiler elektron-boşluk çifti oluşturmaya yetmez ve fotovoltaik dönüşüme katkıları yoktur. Yasak enerji aralığından daha büyük enerjiye sahip fotonlar iletkenlik bandı içerisinde yüksek enerjilere tırmanırlar ancak saniyenin milyon kare milyonda birden daha kısa sürede iletkenlik bandından en küçük enerjili bölgesine geri dönerek, fazla enerjisini ısı enerjisi olarak yarı-iletkene verirler. Şekil1.3 de elektron-boşluk çiftinin meydana gelmesi gösterilmektedir.
Şekil 1. 3 Elektron-boşluk çiftinin meydana gelmesi
Güneş ışınları kullanarak, maddede üretilecek elektron-boşluk sayısının en büyük değeri alması, güneş spektrumu ile yarı-iletkenin band aralığının uygun seçilmesi ile elde edilir. Band aralığı 1.4eV ve 1.6eV arasındaki yarı-iletkenlerin fotovoltaik çevrimde en uygun malzemelerdir. Ancak, yarı-iletkinin diğer optiksel özelliklerinin de bu seçimde büyük önemi vardır. Yarı-iletkenin soğurma katsayısı (güneş ışığının malzeme içerisinde birim uzunluk başına soğurulma miktarı) büyük ise, güneş ışınları daha küçük bir uzaklıkta soğurulacaktır. Böylece, daha az malzeme kullanılarak fotovoltaik çevrim meydana gelecektir. Aşağıda Şekil1.4 te çeşitli yarı-iletken malzemelerin soğurma katsayılarını enerjinin fonksiyonu olarak göstermektedir.
Şekil 1. 4 Çeşitli yarı-iletkenlerin Absorpsiyon katsayılarını enerjinin fonksiyonu olarak gösterilmesi
Elektronların iletkenlik bandında kaldıkları süreye “ömür süresi” adı verilir. Eğer iletkenlik bandına çıkmış elektronlar ömür süreleri içerisinde boşluklardan yani artı yüklerlerden bir ekti nedeni ile ayrılmazlar ise, elektriksel akıma ve sonuçta güneş-elektrik dönüşüme katkısı olmayacaktır. Yani şöyle düşünebiliriz; elimizdeki suda bulunan hidrojenden faydalanmak istiyorsak onu mutlaka oksijenden elektroliz ile ayırmamız gerekir ki onu kullanabilelim. Güneş pillerinde, bu ayırma işini yani elektron-boşluk çiftlerinin birbirinden ayrılmasını temin edecek kuvvet elektrik alanıdır. Bu alan ise elektriksel iletkenlik karakteristiksellikleri birbirilerinden farklı olan yarı-iletkenlerin bir araya getirilmesiyle yapılan yarı-iletken gözelerin ara yüzey bölgesinde teşekkül eder, meydana gelir. Fotovoltaik çevrimde en çok uygulanan, p-tipi yarı iletken ile n-tipi yarı iletkenden oluşan p-n eklem gözeleridir.
Yarı-iletkenin malzemenin içerisine, çok az miktarda uygun seçilmiş yabancı atom katkılanması ile yarı-iletkenin elektriksel özellikleri önemli ölçüde değiştirilebilir. Saf yarı-iletkenin yapısal özelliklerini bozmayacak miktarda ve denetimli bir biçimde yarı-iletken kristale yerleştirilen yabancı atomlara “safsızlık-atomları” ve bu işlemede “katkılama” adı verilir. Katkılamayı daha iyi açıklamak için çoğunlukla kullanılan örnek silisyum kristalidir. Saf silisyum kristalinde her atom 14 elektrona sahip olmakla birlikte, en dış yörüngedeki dört elektron, komşu atomlarla olan ilişkileri belirler. Değerlik elektronları adını verdiğimiz bu dört elektronun her biri, en yakınındaki dört silisyum atomu ile bağ yaparak silisyum kristalindeki ana yapı taşını oluşturur. Ana yapı taşı, küpün merkezindeki bir silisyum atomu ve küpün birbirine komşu olmayan köşelerinde birer silisyum atomu yerleşmesi ile kurulur. Silisyum kristali bu yapı taşlarının yinelenerek uzayı doldurması ile oluşur (Şekil 1.5).
Şekil 1. 5 Saf silisyum kristali
Saf silisyum kristali içerisine değerlik elektron sayısı beş olan fosfor atomu katkılanırsa, fosfor atomu, silisyum atomunun yerine oturup dört değerlik elektronu ile silisyum 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. Fosfor atomunda olduğu gibi, katıldığı kristal yapıya elektron veren safsızlık atomlarına verici denir. 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 katkıladığımızı düşünelim. Silisyum atomunun yerini alan bor atomu, silisyum kristalindeki üç atomla bağ yaparken dördüncü atomla paylaşacağı elektronu olmadığı için, bir eksik bağ ortaya çıkacaktır. Değerlik bandının kıyı enerjisine yakın bulunan bu enerji düzeylerine çok küçük enerjilerle bile değerlik bandından elektronla doldurularak değerlik bandında boşluklar oluşacaktır. 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. Yarı iletken ister N-tipi isterse P-tipi olsun kendi içlerinden nötr dür. Yani dışarıya karşı herhangi net bir elektrik yükü göstermezler; ancak, dışarıdan bir elektrik alan uygulandığında elektrik alana tepki veren çoğunluk taşıyıcılardır. N-tipi yarı-iletkendeki çoğunluk taşıyıcıları elektronlar ve azınlık taşıyıcıları boşluklar, P-tipi yarı iletkende rol değiştirirler. Elektronlar elektrik alan ile ters yönde hareket ederken, boşluklar elektrik alan doğrultusunda hareket ederler.
Şekil 1. 6 Fotovoltaik Gözenin İşleyişi
N-tipi yarı iletken ile P-tipi yarı iletken fiziksel olarak birbirlerine eklendiğinde n-tipi yarı iletkinin çoğunluk taşıyıcıları elektronlar, p-tipi yarı iletken tarafına ve p-tipi yarı iletkenin çoğunluk taşıyıcıları boşluklar, n-tipi tarafına akmaya başlar. Elektronların n-tipi bölgeden ayrılması ile geride artı (+) yükler kalırken boşlukların p-tipi bölgeyi terk etmesi ile birlikte geride eksi (-) yükler kalacaktır. Çoğunluk taşıyıcılarının eklem üzerinden akışları, eklemin hemen çevresindeki bölgeyi etkileyecektir. Geride kalan (+) ve (-) yükler eklem çevresinde bir elektrik alan oluştururken, bu alan, iki ayrı bölgedeki taşıyıcılardan dolayı oluşan doğal akışı engelleyici yönde artacaktır (Şekil 1.6). Denge kurulduğunda, taşıyıcı akışı duracak ve eklem çevresinde bir elektrik alan kurulacaktır. Bu elektrik alanın büyüklüğü, kullanılan yarı-iletkenlere ve yarı iletkenlerin katkılanmalarına bağlı olacaktır.
Şekil 1. 7 P-N Eklem Gözeleri
Şekil1.7 de görüldüğü gibi eklem çevresinde taşıyıcılardan boşalmış bir bölge oluşmuştur ve bu bölgede bir elektrik alan vardır. Bu bölgeye giren azınlık taşıyıcıları elektrik alanın uygulayacağı kuvvetle hemen karşı tarafa iletirler.
P-N tipi maddenin ara yüzeyinde, yani eklem bölgesinde, P bölgesi tarafında negatif, N bölgesi tarafında pozitif yük birikir. Bu eklem bölgesine "geçiş bölgesi" ya da "yükten arındırılmış bölge" denir. Bu bölgede oluşan elektrik alan "yapısal elektrik alan" olarak adlandırılır. Yarıiletken eklemin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik dönüşümün sağlanması gerekir.
Fotovoltaik enerji dönüşümünde iki temel aşama vardır. Birincisi; absorbe edilen (emilen) güneş ışından elektron-boşluk çiftlerinin teşekkül edilmesi, oluşturulması. İkincisi; bu meydana gelmiş elektron-boşluk çiftlerinin elektron negatif kısma boşluk ise pozitif kısma gidecek şekilde ayrılması. Böylece elektrik üretilmiş olur ( Markvart,2003).
P-N eklem gözenin eklem bölgesindeki elektrik alan nedeniyle, p-tipi yarı-iletkende üzerine ışık düşmesi sonucu iletkenlik bandına çıkarılmış ve boşaltılmış bölge sınırına ulaşmış azınlık taşıyıcıları elektronlar, hızla n-tipi bölgeye çekilirler. Aynı yaklaşımla, n-tipi bölgede elektronların iletkenlik bandına geçmesi ile değerlik bandında kalan azınlık taşıyıcıları boşluklar boşaltılmış bölgenin kıyısına ulaştıklarında p-tipi bölgeye geçerler. Özet olarak, boşaltılmış bölge kıyısına ulaşmış azınlık taşıyıcıları çoğunluk taşıyıcısı olarak tanımlandıkları bölgeye geçerler. Bunun sonucu olarak fotonların göze üzerine düşmesi sonucu yaratılmış elektronlar, gözenin bir tarafına, boşluklarda diğer tarafa itilirler. 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.
Yarıiletkenler, bir yasak enerji aralığı tarafından ayrılan iki enerji bandından oluşur. Bu bandlar valans bandı ve iletkenlik bandı adını alırlar. Bu yasak enerji aralığına eşit veya daha büyük enerjili bir foton, yarıiletken tarafından soğurulduğu zaman, enerjisini valans banttaki bir elektrona vererek, elektronun iletkenlik bandına çıkmasını sağlar. Böylece, elektron-boşluk çifti oluşur. Bu olay, P-N eklem güneş pilinin ara yüzeyinde meydana gelmiş ise elektron-hol çiftleri buradaki elektrik alan tarafından birbirlerinden ayrılır. Bu şekilde güneş pili, elektronları N bölgesine, boşluklarda P bölgesine iten bir pompa gibi çalışır. Bu süreç yeniden bir fotonun pil yüzeyine çarpmasıyla aynı şekilde devam eder. Böylece güneş pilinin uçlarında bir elektrik çıkışı meydana gelir. Yarıiletkenin iç kısımlarında da, gelen fotonlar tarafından elektron-hol çiftleri oluşturulmaktadır. Fakat gerekli elektrik alan olmadığı için tekrar birleşerek kaybolmaktadırlar.
Ancak, kısaca ışınım altındaki gözenin akım-gerilim karakteristiği, karanlıktaki gözenin akım-gerilim eğrisinden ışınım altında üretilen, IL, akımının çıkarılması olarak ele alınabilir. Bu eğrileri kullanarak fotovoltaik diyottan alınabilecek gücü hesaplamak mümkündür (Şekil 1.8).
Şekil 1. 8 Güneş Pilinin Akın Gerilim Karakteristiği
Bir ışık demeti P-N eklemi üzerine düştüğünde görülen fiziksel olay aşağıdaki şekilde gösterilmektedir. Bir ışık demeti aynı zamanda bir foton demetidir. Atomik boyutlar küçük olduğu için bir foton, bir özgür elektron veya bir değer elektronu ya da bir boşluk ile karşılaşabilir. Bir elektronla karşılaşan bir foton ona enerjisini verir. Bir fotonun bir özgür elektronla karşılaşması ve ona enerjisini verme olasılığı zayıftır. Bir foton bir değer elektronu ile karşılaşır ve ona yasak band genişliği Eg'ye eşit veya ondan daha büyük bir enerji verirse, değer bandından koparılan elektron arkasında bir boşluk bırakarak iletkenlik bandına geçer. Şekilde 1.9’da belirtildiği gibi, bu olay eklemin çeşitli noktalarında oluşursa (1 numara ile gösterilmiştir) elektrik alanı, elektronu N-tipi bölgeye, boşluğu da P-tipi bölgeye doğru hızlandırır. Bu yük hareketi N-tipi bölgeden P-tipi bölgeye pozitif yük geçişini gösterir. Bu geçişte N-tipi bölge negatif, P-tipi bölge de pozitif olarak yüklenmektedir.
Şekil 1. 9 P-N eklemindeki aşamalar
Elektron boşluk çifti N-tipi bölgede oluşursa (bu durum Şekil 1.9 da 2 numara ile gösterilmiştir) azınlıkta olan yük taşıyıcısı, P-tipi bölgeye geçer. Bu durumda yine, N-tipi bölgeden P-tipi bölgeye bir pozitif yük geçişi vardır. Çoğunlukta olan yük taşıyıcılarının hareket yönünün pek önemi yoktur, genellikle bunların enerjileri gerilim duvarını aşmak için yeterli değildir. Elektron-boşluk çifti P-tipi bölgede oluşursa (Şekil 1.9 da 3 numara ile gösterilmiştir) elektron ekleme doğru hareket eder ve onu aşarak N-tipi bölgeye ulaşır. Bu durumda yine N-tipi bölgeden P-tipi bölgeye bir pozitif yük geçişi var demektir. Eklemden uzakta oluşan elektronlar ve boşluklar yeniden birleşirler ve böylece bir elektron-boşluk kaybolur. Bir azınlık yük taşıyıcısı birçok çarpışmayla karşı karşıya kalır ve rasgele doğrultularda hareket eder ve bu durum yakalanıncaya kadar sürer. Eğer yük taşıyıcı düzensiz hareketi anında ekleme doğru yönelmiş olursa, eklemdeki elektrik alanın içeriğinden dolayı eklemi aşabilir. Azınlık yük taşıyıcısı eklem etrafında bulundukça onun eklemi aşma olasılığı büyüktür. Azınlık yük taşıyıcısının ekleme olan uzaklığı, bir azınlık yük taşıyıcısının bir çoğunluk taşıyıcısı ile birleşmeden önceki ortalama yolunu gösteren bir yayılma uzaklığı ile ölçülür. N bölgesinden P bölgesine bir pozitif yük geçişine olanak veren elektron-boşluk çiftinin eklemden d uzaklıkta oluşma olasılığı e d/L ye denktir. L yayılma uzaklığı soğrulan bir fotonun eklemden geçen elektrik akımına dönüşme şansının büyük olduğu uzaklıktır. L, yayılma uzaklığı yük taşıyıcılarının yoğunluğuna ve kristalin oluşma biçimine bağlı olmak üzere 10–4 m. ve 10–6 m. arasında değişir. Buraya kadarki açılamalardan anlaşılacağı gibi fotonlar tarafından oluşturulan akımdan yararlanabilmek için, önce P-N ekleminin ışık alması sağlanmalı ve sonra oluşan akım bir dış devre ye yansıtılmalıdır. Foton soğrulması ile oluşan yük taşıyıcılar çoğunluk la oldukları bölgelere doğru sürüklenirler. Bu durum da eklemden bir Is akımı geçer. Böylece P-tipi bölge pozitif, N-tipi bölge negatif olarak yüklenir. Is akımının geçişi P-N ekleminin ileriye doğru yönelmesine sebebiyet verir ve bu durumda eklemdeki gerilim duvarı alçalır. Eklemin bir dış bağlantısı yoksa bu ileri yöndeki hareketten dolayı ön tarafta (P ve N ye doğru) bir I akımı geçer. Bu I akımının geçişi, N- tipi bölgeyi pozitif yükleyeceğinden, çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturan gerilim duvarı yükselmeye başlar. P’den N’ye doğru olan bu akım, gerilim duvarı çoğunluk yük taşıyıcılarının geçişine engel oluşturacak duruma gelinceye kadar sürer. Yeniden foton soğurulması olur. Eklemde var olan elektrik alan, mevcut elektron-boşluk çiftini ayırarak bunların eklemi aşmalarını sağlar. Böylece gerilim duvarının çökmesi, sonra yükselmesi sürüp gider ve açık devre durumunda Is akımı I akımı ile dengelenmiş olur (Şekil 1.10 ve 1.11).
P- N eklemi dışarıdan bir R1 yük direnci ile sonlandırılırsa ls akımının lL kadar kısmı 'dış devreden akar, böylece P-N eklemi ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirmiş olur. ls akımı;
(1.1)
eşitliği ile verilir. Doğru akımın
(1.2)
değeri Is eşitliğinde yerine konulursa 1.3 bağıntısı elde edilir.
(1.3)
Burada Io , göze Saturasyon akımı, Is, ışığın ürettiği akım , IL, pil çıkış akımı, qv , elektronik yük, kB , Boltzmann sabiti, T, Mutlak sıcaklıktır. Renk ve sıklık bileşenleri verilen bir ışık demeti için Is akımı ışık şiddeti ile orantılıdır.
Şekil 1. 10 Teorik Akım Voltaj Eğrisi
Şekil 1. 11 Gerçek Akım Voltaj Eğrisi
Gücün hesaplanması için yukarıdaki eşitliklere ilaveten aşağıdaki hesaplamaların yapılması gerekmektedir. Açık-devre gerilimi (open-civcuit voltage, Voc): Gözenin uçları arasındaki direnç sonsuz iken yani devre açık iken ölçülen gerilim. Kısa devre akımı (short-circuit current, Isc): Gözenin iki ucu arasındaki direnç sıfır iken yani devre kapalı iken ölçülen akımdır. İdeal koşullarda bu değer, ışınımla oluşturulan akım değerine eşittir.
Dolum çarpanı (fill factor, FF): Işınım altındaki akım-gerilim eğrisinde, akımların eksi, gerilimlerin pozitif olduğu bölgede hesaplanan en büyük Vmp x Imp değerinin Voc x Isc ye oranı olarak tanımlanır.
FF= (Vmp x Imp) / (Voc x Isc) (1.4)
Güneş pilinin çıkış gücü, P çıkış, bu değişkenler cinsinden,
Pçıkış = Vmp x Imp = Voc x Isc x FF (1.5)
Şeklinde verilebilir.
Bir güneş pilinin verimliliği, n, fotovoltaik gözenin üzerine düşen güneş ışınım gücünün, gözeden alınabilecek güce oranı olarak tanımlanır.
N= (Pçıkış x Imp) /(Vgiriş x Isc)= (Voc x Isc x FF) (1.4)
Güneş pillerinin verimliliklerinin ölçüldüğü, “Standart Test Koşulları” güneş pili 250C de iken, AM 1.5 güneş spektrumuna sahip 1000W/m2 güneş gücü altında yapılan ölçümdür. Bulutsuz ve güneşli bir günde 1200 W/m2 ye varabilen bu değer, bulutlu günlerde 200-800W/m2 arasında değişmektedir. Yağmurlu bir günde ise metre kareye düşen güneş ışınımı 50W değerine iner. (Elektrik Müh. Dergisi,1983)
Şekil 1. 12hh
Tablo 1. 1 Çeşitli Güneş Hücrelerinin Verimleri
Güneş pili üretiminde en önemli seçimlerden biri, gözenin yapılacağı malzemedir. Fotovoltaik gözede soğurucu tabaka olarak kullanılan yarı-iletken, güneş spektrumunun önemli bir bölümünü mikron basamağındaki kalınlıkta soğurulmalıdır. Güneş spektrumunda kırmızı ışığın enerjisi 1,7eV dolayında iken mavi ışığın enerjisi 2.7eV dolayındadır; ancak bu değerin altına 0,5eV ve üstünde 3,3eV değerine kadar spektrumda önemli derecede enerji vardır. Yasak enerji aralığı 0.5 -3,3 eV arasında olan malzeme, güneş pili yapımında kullanılabilir. Elementler kristaller arasında yalnızca silisyum (1,1 eV) ve germanyum (0,6 eV) elementlerin kristalleri bu koşulları sağlar. Bu aralıkta kullanılacak diğer yarı-iletken malzemeler, birleşik yarı-iletken malzemelerdir. Örneğin, galyum ve arsenik elementlerinden oluşan GaAs kristalinin yasak enerji aralığı 1.43eV değerinde olup, bu enerjiye eşit ya da büyük enerjiye sahip fotonları soğurarak elektron-boşluk çifti yaratırlar. GaAs kristalinin diğer elektronik özellikleri, l (silisyum) dan daha uygundur. Buradan güneş spektrumundaki en düşük enerjiyi soğuracak bir yarı-iletkeni kullanarak tüm spektrumun değerlendirilmesi önerilebilir. Ancak, band aralığı küçüldükçe sistemden elde edilebilecek açık devre geriliminin değeri de düşecektir. Güneş pilinden yüksek gerilim elde etmenin yolu, band aralığını genişletmektedir. Ancak, bu da, akımın düşmesine neden olur. Daha önce en iyi band genişliğinin 1,5eV dolayında olduğunu belirlemiştik. Ancak, band aralığı 1eV–1.8eV arasında olan malzemeler fotovoltaik göze yapımında etkin olarak kullanılmaktadır. (Oktik, 2001)
Kristal silikon enerji aralığının yüzünden güneş hücreleri için ideal bir malzeme değildir. Ayrıca silikonun absorblama katsayısı göreceli olarak diğer malzemelere göre düşüktür ve endirekt bir yarıiletkendir ancak 50 μm gibi düşük kalınlıkta hücreler yapılmaktadır. Yüksek kalınlıktaki hücre daha fazla malzeme kullanacağından buda maliyeti arttırdığından silikon tercih edilen bir malzeme olmuştur. Esas olarak, kullanım teorisinin iyi bilinmesi ve çok kolay bir şekilde kontrol edilmesinden dolayı silikon güneş hücrelerinde tercih edilmektedir.
Son 60 yıldır süren çalışmalar ince güneş hücresi filmleri üretmek için devam etmektedir ancak bunun için direk yarı iletkenleri kullanmak iktiza etmektedir. Çalışmalar neticesinde 1970’li yıllarda amorf (amorphous) silikon a-Si keşfedildi (Kaltschmitt ve diğ, 2007)
Aynı yarı-iletkeni, p- ve n-tipi katkılamakla ele edilen p-n eklem diyotların (homo-eklem diyot) yanında birbirinden farklı yarı-iletken kullanmakla elde edilen hetero-eklem diyotlarda fotovoltaik teknolojisinde başarı ile uygulanmaktadır. Bu uygulama da güneş ışınları, eklemin bir tarafında yasak band aralığı uygun seçilen yarı iletkende çoğunlukla soğurulmakta ve ikinci ve daha yüksek band aralığından yarı iletken diyottan yüksek gerilim elde edilecek şekilde seçilmektedir. Bu şekilde bina edilmiş yapılarda eklem ara yüzeyleri de taşıyıcıların yeniden birleşmesine neden olan kusurlarda aşılması gereken yeni sorunlar olarak gündeme gelmektedir. Yukarıdaki ölçütlerin yanında, seçilen malzemenin maliyeti, dünya üzerinde hangi bollukta bulunduğu ve çevre-dostu olması büyük önem taşımaktadır.
Günümüzde güneş pilleri için çeşitli yarı iletken malzemeler kullanılmaktadır en bilinen malzeme ise kristal silikondur. Bununla beraber kristal silikon fotovoltaik hücreler için ideal bir yarıiletken malzeme değildir. ancak 50 μm gibi çok ince bir kalınlıkta bile düşük değerlerdeki güneş ışınlarını soğurduğu için genel olarak güneş hücrelerinde kullanılmaktadır.Kalın malzeme demek fazla maliyet demek olduğundan kristal silikonlar tercih edilmek zorundadır.
3 adım kristal hücre üretiminde öne çıkmıştır.
Temel madde olarak yüksek saflıkta silikon üretimi
Yonga veya ince film üretimi
Güneş hücresi üretimi
Silica (SiO2) dan %99 saflıkta silikon üretilmesine rağmen yeterli değildir. Bir çok maliyetli aşamadan sonra 10-9 geçmeyecek şekilde yabancı madde ihtiva eden yarıiletken olarak kullanılabilen silikon(SeG-Si) üretilmektedir.
Czochralski process standart bir proses olmuştur. Mono kristallere ve çoklu kristallere uyunmaktadır. Uygulanınca tek kristalli silikon %14-18. çok kristalli ise %13-15.5 oranında verim elde edilmiştir. Bu değerlerden daha yüksek verim elde etmek için ek birtakım aşamalardan daha geçmesi gerekmektedir. ışığı yakalama ve güneş hücresinin sınırında ve yüzeyindeki elektrik özellikleri geliştirilmelidir.
İlk kez 1970 lerin ortalarında güneş hücreleri için kullanılmaya başlandı. Bu madde silane gazından (SiH4) 80 ile 200 derecede plazma destekli kimyasal çöktürme işlemiyle elde edilmektedir. Bu amorf silikon direk bir yarıiletken ve çok ince bir aktif tabakaya yaklaşık olarak 1 μm sahiptir. ek olarak kristal silikona oranla daha düşük sıcaklıkta daha az enerji ve düşük maliyetle elde edilmiştir. a-Si:H normal silikon güneş hücresinden tamamen farklıdır. P-N eklemi yerine P-İ-N yapısını kullanmaktadır. Ancak verim konusunda problemler yaşamaktadır. Piyasada bulunan modellerde verim %10’un altındadır (Şekil 1.13).
Şekil 1. 13 Amorf silikon Güneş Hücresinin P-İ-N Yapısı
İnce film teknolojisi kristal silikona oranla daha ucuzdur. Laboratuar ortamında %16-18 oranında verim elde edilmiştir.Buda kristal silikona yaklaşık bir değerdir.Her iki maddede 600 derecede cama uygulanmaktadır.Enerji aralığı kadmiyum tellur (CdTe) ın yaklaşık olarak 1.45 eV ve bakır indiyum ikiselenyum (CuInSe2) ki ise 1.04 eV tur. %18 in üzerinde verim için ek birtakım malzemelerle bir yapı oluşturmak gerekir (Şekil 1.14).
Şekil 1. 14 CdTe ve CuInSe2 İnce Film Güneş Hücresinin İşleyişi
Kristal silikon üretimi oldukça makul ve tecrübelere bakıldığında rahatça anlaşılabilir bir yapı ihtiva etmekte ancak malzemesi pahalıdır. İnce film teknolojisinde ise tam tersi malzeme ucuz ancak ürün için uygulanan süreç pahalı ve anlaşılması zordur
Eğer geniş alanlarda bir uygulama yapılacaksa film teknolojisi kristal silikona tercih edilebilir.
İnce film teknolojisinin süreçle ilgili ve ekonomik avantajlarını kullanmak için çeşitli teşebbüsler vardır. Örneğin, düşük materyal tüketimi, entegre modül üretimi ışını tutan tabakanın kalınlığının azalmasına imkan sağlar. Işın güneş hücresinin ters yönüne uygulanırsa birkaç mikrometre kalınlığı radyasyonu emmek için yeterlidir. 2 mikrometre kalınlığındaki silikon tabakası için verimlilik potansiyeli % 15 olarak hesaplanmıştır. Depolama şartları nanokristal silikon ile amorf silikona benzediği için birlikte tandem hücreler olarak birleştirilebilmektedir. Silikon ince film güneş hücrelerinin yüksek verimliliği için 700oC de çöktürülmeleri gerekmektedir.
Güneş modülünün bireysel hücreleri modül voltaj değeri hücrelerden yüksek olursa seri bağlı olmalıdır. Genellikle 12 veya 24 volt istenir. Bütün ince film teknolojilerinin temel avantajı bireysel hücrelerin bir modüle seri bağlanmasının hücre üretimiyle bağlanabilmesidir.
Hücre şeritlerinin seri bağlanması için üretim esnasında 3 adım uygulanmaktadır. İlk olarak cam tabaka indiyum oksitle giydirilir. Daha sonra aktif tabaka çöktürülür. Son olarak da diğer şerit ile bağlanır.
Nano gözenekli titan oksitten yapılan güneş hücrelerinde titanikioksit (TiO2 ) kullanılır. Bu çeşit güneş hücrelerinin aktifliği titanikioksit yüzeyinde emilen bir rubidyum dye nanomoleküler tabakası tarafından verilir. Güneş ışınının dye tarafından emilmesi bu bölgenin genişliğiyle mümkündür. Emilen dye’dan titan2oksite bağlantı o kadar güçlüdür ki elektron titan2oksite sadece birkaç piko saniyesinde enjekte edilir. Temel yük ayrımı 3 aşamalı bir süreçtir.
Dye oluşturulması
Elektronun dye’dan titan2oksitin geçirgen bandına enjekte edilmesi
Dye’nin elektrolit ile yeniden meydana getirilmesi
Bir taraftan materyal maliyetleri düşük ve süreç basit olduğundan bu yeni güneş hücre teknolojisi caziptir. Diğer yandan dye güneş hücreleri fiziği diğer güneş hücrelerinden oldukça farklıdır ve bu tamamıyla araştırılmamıştır. Sonuç olarak tam bilinmemektedir. Laboratuarda % 10 ‘un üzerinde verimliliğe ulaşılmıştır. Bu tür güneş hücreleri uzun dönemli tutarlılığı için araştırılmaktadır (Kaltschmitt ve diğ., 2007)
Güneş pilleri ile alakalı verimlilik tablo1.1 de belirtilmiştir. Ancak malzemenin verimliliğinin yanında diğer bir hususta o malzemenin dünyada ne kadar mevcut olduğudur. Silisyum, doğada en çok bulunan element olması nedeni ile geleceğe yönelik bir sorun teşkil etmemektedir. Diğer malzemelerin dünyadaki rezervi, yıllık üretimi ve 500MW güç üretimi için gerekli miktar aşağıdaki Tablo 1.2 de belirtilmiştir.
Tablo 1. 2 PV Hammaddelerinni Dünyadaki Rezerv Durumu
|
Element |
Dünyadaki
|
Dünya Yıllık Üretimi |
500MW güç için gereken Miktar Ton
|
|
CD |
970 000 |
20 000 |
25 |
|
Te |
39 000 |
404 |
28 |
|
In |
5 700 |
180 |
25 |
|
Se |
130 000 |
2000 |
60 |
|
Ga |
1 000 000 |
35 |
5 |
Fotovoltaik hücrelerdeki gelişme ile üretilen PV hücre sayısı hızla dünyada artmaktadır. Bunu şekil 1.15 te daha iyi görebilmekteyiz.
MW
Şekil 1. 15 Dünyada Fotovoltaik Hücrelerin Üretimindeki Yılık Değişim (MW)
Yukarıda anlatılan ayrıntılı teknik bilgiden sonra, günlük yaşantımızda kullanacağımız güneş pillerinin ölçülerini nasıl belirleyeceğimiz konusu ortaya çıkmaktadır.
Değişik yollarla ihtiyacımız olan enerjiyi bize temin edecek sistemler tasarlanabilir. Ancak burada yük kayıp olasılığı, bunun standart sapması, yıllık sistem hatası ve bunun standart sapması hesaplanarak uygun sistemlerin tasarlanacaktır.
Yatay yüzeye gelen günlük radyasyonun elde edilmesi
Eğik yüzeye gelen günlük radyasyonun elde edilmesi
Günlük güneşten gelen kullanılabilir enerjinin hesabı Günlük enerji durumunun ve enerji açığının belirlenmesi
Yıllık yük kayıp olasılığının yani enerji açığının enerji ihtiyacına oranının ve hata sayısının belirlenmesi.
İspanyanın Cordoba bölgesinde 10 yıllık bir periyot için yapılan bir çalışma neticesinde bu metodun teorik ve pratik uygulamalar için kullanılabileceğini gösterilmiştir.
Şekil 1. 16 Aylık Yük Kayıp Olasılığı
Şekil 1. 17 Aylık Hata Sayısı
Bu metot ayrıca yıllık yük kayıp olasılığının ve hata sayısının hesabının yanında bunun yıllar içinde nasıl dağıldığını da göstermektedir. Örnek çalışmada mayıs ve kasım aylarında görüldüğü gibi enerjinin yetersiz olduğu durumlar için çözüm üretilebilir ve kararlı uygulamalar yapılabilir.
Bu metot aynı zamanda günlük güneş radyasyonunun istatistiksel karakteristiğinin önemini vurgulamaktadır (Posadillo ve diğ, 2007)
Avrupa komisyonun enerjiden sorumlu bölümünün teşvikiyle ile 2001 ile 2005 yılları arasında (Photovoltaic Geographic Information System)PVGIS içine entegre edilmiş ışınım modelleri ve iklim dataları ile 1 km x 1 km çözünürlüğünde Avrupa güneş ışınımı veritabanı geliştirilmiştir. Bu veritabanı Avrupa birliğine bağlı 25 ülke ile 5 aday ülkenin PV potansiyeli ile güneş enerjisi kaynaklarını belirlemek için kullanılmaktadır.
Yapılan bu çalışmada standart bir 1 kWp şebekeye bağlı PV sisteminin yıllık ortalama elektrik üretimi, potansiyel PV elektrik üretimi, her ülke için yıllık elektrik tüketiminin %1’ni karşılamak için kurulması gerekli olan PV sistemi belirlenmiştir. PVGIS geliştirilirken açık veri ve yazılım mimarisine, GIS’e entegre edilmiş yüksek çözünürlüklü dataya ve bu konuda uzman olmayan biri için bile anlaşılır bir ara yüze dikkat edilerek tasarlanmıştır.
Yapılan bu çalışmada PV sistemleri Yatay, dikey ve optimum açı ile yerleştirilmiştir. Buralardan alınan değerler teorik hesaplamalarla elde edilen değerler ile karşılaştırılmıştır. Bu hesaplamalarda Avrupa Güneş Radyasyonu Atlasının denklemlerine dayalı olan r.sun algoritması GRASS programı kullanılmıştır (Suri ve Hofierka, 2004).
Belirtilen çalışmada PV sistemlerinden üretilen elektriği hesaplamak için aşağıdaki eşitlik kullanılmıştır.
E = PKPRG (1.4)
Burada; Pk maksimum güç, PR sistemin performans oranı ve G yıllık toplam ışınımı kWh/m2 göstermektedir. Sistemin sıcaklığı 25o derece olarak kabul edilip hesap yapılmış olmasına rağmen sisten daima 25 derecenin üzerinde değerler almıştır. Bunlara kablolar ve çeviricilerde dâhil ve bu yüzden PR çatıya monte edilmiş mono ya da polikristal silikon sistemler için 0.75 kabul edilmiştir.
Analizin bir kısmı nüfusun kalabalık olduğu yerlerde yoğunlaştırılmıştır. Bu alanlar için düzeltmeler CORINE Land Cover (CLC90) veritabanı ile yapılmıştır. Fakat Türkiye ve diğer bazı Avrupa ülkeleri için CLC90 bilgilerine ulaşılamamıştır.
Bu proje neticesinde elde edilen sonuçlar Şekil 1.18 de verilmiştir;
Şekil 1. 18 1 kWp PV sisteminden Yıllık toplam elektrik üretimi.
(a)Yatay Pozisyon; (b) Eğimli Yüzey
Yatay modüllerde Avrupa Birliğine üye 25 ülke ve 5 aday ülkede üretilebilecek elektrik 470 kWh dan 1390 kWh a kadar bir aralıkta seyretmektedir. Gölgeleme etkisinin olmadığı yerlerde Kuzey İskandinavya da bile değerler 530kWh’nın altına düşmemektedir.
Yapılan çalışmalar yerleşim alanlarına odaklanınca 5 farklı bölgeye ayrılmıştır.
1- En Yüksek potansiyeller Türkiye dahil Akdeniz bölgesinde bulunmuş. Bu bölgelerde kurulu her kWp için tipik kristal silikon PV sistem ile 1100 ile 1330 kWh elektrik üretilebilir.
2. Yüksek potansiyeller yine Türkiye dahil olmak üzere İspanyanın Kuzeyi ve Karadeniz bölgesinde bulunmuştur. Bu bölgelerin potansiyeli yıllık 1000–1100 kWh/kWp olarak hesaplanmıştır.
3. Orta dereceli potansiyeller ise yıllık yaklaşık olarak 800–1000 kWh/kWp olarak Fransa,Macaristan,Slovenya ve Avusturya da görülmüştür.
4- Düşük potansiyeller ise Kuzeybatı Avrupa ve İrlanda, İngiltere ve Danimarka gibi ülkelerde yaklaşık olarak 700 - 800 kWh/kWp kadar belirlenmiştir.
5 - Potansiyel olarak en fakir bölgeler ise İskoçya, Kuzey İsveç ve Finlandiya’dır. Buda 700 kWh/kWp nın altında bir değerdir.
Optimum açıyla yerleştirilmiş PV modüllerinde, uygun açıyı bölgenin coğrafi enlemi ve dağlık arazinin gölgeleme etkisi belirlemektedir. Uygun açı (45˚ ile 55˚ enleminde yer alan) Avrupa’da 28˚den 47˚ye kadar değişiyor. Enerji üretimi yüksek oranda bulutsuzluğa ve arazinin gölgeleme etkisine bağlı kalmaktadır. Eğimli sistemler İskoçya kuzey İskandinavya gibi ülkelerde elektrik üretimini şehir alanlarında %9 dan %26 ya kadar etkiliyor. Ancak Türkiye, Yunanistan gibi ülkelerde bu oran % 12 yi geçmiyor. Eğimli yerleşim Baltık ülkelerinde ve İskandinavya da %16 ya kadar elektrik üretimi arttırmaktadır.
En fazla elektrik üretimi optimum açıyla yerleştirilmiş sistemlerde Akdeniz adaları, Portekiz, İspanya, Yunanistan ve Türkiye olarak belirlenmiştir. Yaklaşık olarak 1200 kWh/kWp üzerinde enerji üretilebilmektedir.
Bina cephelerine giydirilmiş yani dikey PV sistemlerinde durum optimum açılı sistemlere göre Portekiz de %33–42 arasında Alpler ve İskandinavya da % 28, Kuzey İsveç ve Finlandiya da %20 ye kadar düşmektedir. Güneş ışığının bolluğundan dolayı, en yüksek verim Malta, Sicilya, Fransa, İspanya, Portekiz ve Türkiye’nin kuzey bölgelerinde yıllık 900 kWh/kWp üzerinde hesaplanmıştır (Şekil 1.19).
Şekil 1. 19 1kWp lik PV sisteminin yıllık elektrik üretimi (a) yatay pozisyon (b) uygun açılı pozisyon (c) dikey pozisyon. Kutular ortalama değerler, noktalar ise minimum ve maksimum değerler.
Fotovoltaik piller ile ilgili önemli tartışma konularından birisi bu sistemlerin kapladıkları alanların büyüklüğü ile ilgilidir. Kapladığı alan 9,5 m2 olarak kabul edilen 1 kWp kapasiteye sahip bir sistemin, bir ülkenin ihtiyaç duyduğu enerjiyi karşılamak için ne kadar bir alanın kaplanması gerekir? Teorik olarak bu alan o ülkenin elektrik tüketimine ve gelen güneş ışınımına bağlıdır. Bu yüzey Türkiye, Romanya ve Baltık ülkelerinde % 0,1, Belçika, Hollanda, Lüksemburg gibi ülkelerde %3,6 arasında değişmektedir. Avrupa Birliğine üye 25 ülke ve aday olan 5 ülkenin ortalaması % 0,6’dır (Şekil 1.20).
Şekil 1. 20 ülkenin ihtiyaç duyduğu enerjiyi karşılamak kaplanması gereken alan
Yine yukarıdaki özelliklere sahip PV sistemi için ulusal elektrik tüketiminin %1 ini karşılamak için kişi başına 0,1m2 ile 0,9 m2 arasında değişen yüzeylere güneş pilleri kurulmalıdır (Şekil 1.21).
Şekil 1. 21 Yıllık Elektrik Tüketiminin %1’nin PV Sistemlerinde karşılanması için kişi başına m2 bazında kurulması gereken PV alanı
Avrupa’daki herhangi bir şehir veya ülkenin PV sistemlerinden üretilebilecek enerjinin miktarını http://re.jrc.ec.europa/pvgis/ adresinden temin edilebilir (Marcel Suri ve diğ, 2007).