GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ

Güneş enerjisi sistemleri; Güneş’ten gelen ışınları (fotonları) elektrik enerjisine dönüştüren sistemlerdir. Bu sistemlerde kullanılan en yaygın teknoloji fotovoltaik teknolojisidir.

Fotovoltaik güneş sitemi aşağıdaki elemanlardan oluşur.

1.    Güneş paneli

2.    Akü

3.    Şarj kontrol cihazı

4.    İnventer

Fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri, elektrik şebekesine bağlanma durumuna göre çeşitlere ayrılmaktadır. Genel olarak ise şebekeye bağlı (On-Grid), şebekeden bağımsız (Off-Grid), Hibrit fotovoltaik enerji sistemi olmak üzere üçe ayrılır.

Şebekeye Bağlı (On-Grid) Fotovoltaik Güneş Enerji Sistemleri 

Güneş enerjisinin ürettiği doğrusal elektrik, alternatif elektriğe dönüştürülerek şebekeye satılır. Bu sistemler, tek fazlı veya üç fazlı invertör, güneş panelleri, çift yönlü sayaç ve datalogger(nem ve sıcaklık kaydedici) gibi temel sistem bileşenlerinden oluşur. Güneş panellerinin ürettiği elektrik, şebeke bağlantılı invertörde düzenlenir ve elektrik şebekesine aktarılabilecek forma dönüştürülür. Bu sistemlerde akü kullanılmaz ise şebekede meydana gelebilecek bir elektrik kesintisi sonucu güneş bir günde olsanız dahi elektriğiniz kesilecektir. Bu sebepten on grid fotovoltaik sistemlerde batarya desteği de eklenerek Hibrit Sistemlere dönüştürmek mümkündür. 

Şebekeden Ayrı (Off-Grid) Fotovoltaik Güneş Enerji Sistemleri

Depolamalı yani Off-Grid fotovoltaik sistemler genellikle elektrik şebekesinin olmadığı yerler için değerlendirilirler. Sistemde güneş paneli ve inverterin yanı sıra akü ve şarj kontrol cihazı gibi temel sistem bileşenleri bulunmaktadır. Bu sistemlerde güneş panellerinin ürettiği elektrik şarj kontrol cihazı ile düzenlenerek akülerde depolanır ve aküler içerisinde doğrusal akım olarak depolanan bu elektrik de invertör vasıtasıyla alternatif elektriğe dönüştürülerek kullanılır.

Hibrit Güneş Enerji Sistemleri

Hibrit solar sistemleri On Grid ve Off Grid sistemlerin kombinasyonu olarak çalışır. On Grid sistemden farklı olarak; sistemde güneş olmadığı zamanlarda kullanılmak üzere enerjiyi depolamak amacıyla hibrit inverter ve bataryadan oluşur. Sistem içerisinde bataryalar da olduğu için elektrik kesintisi sırasında elektriksiz kalmazsınız.

Şebekede dalgalanmalar olduğu zaman, bataryalar sayesinde bu dalgalanmalardan etkilenmez. Hibrit sistemler evlerde kullanıldığı gibi büyük ölçekli sanayi çatılarına da kurulabilir.

Bu sistemlerde, güneş panelleri tarafından emilen güneş enerjisi inverterden geçerek evinize, akünüze ya da şebekeye gider. Güneş paneli en yüksek seviyede çalışırken aküde enerji depolama ve elektrik oranlarının yüksek olduğu akşam saatlerinde veya herhangi bir şebeke arızası durumunda depolanan enerjiyi kullanacağınız şekilde çalışır. Ayrıca üretilen fazla enerjiyi elektrik şebekesine verip ödeme alabilirsiniz.

Fotovoltaik Sistem Temel Elemanları

1-Güneş Paneli

Sistemin en temel parçalarından biri Güneş panelleridir. Güneş paneli, üzerine güneş enerjisini soğurmaya yarayan birçok güneş hücresi bulunduran bir enerji kaynağıdır. 

Güneş enerji santralleri temelde Fotovoltaik ve Termal sistem olmak üzere iki türdedir. 

*Fotovoltaik sistemde, güneşten gelen radyasyon, paneller vasıtası ile elektrik enerjisine çevrilir ve doğrusal akım elde edilir. Elde edilen doğrusal akım inventerler yardımı ile şebeke frekansına uygun olan Alternatif Akım'a çevrilir ve yaşam alanlarında kullanıma uygun hale gelmiş olur. Oluşan elektrik akımının birimi volt'tur. 

Fotovoltaik; Yunanca kökenli bir kelime olup ışığın temel birimi olan Foton ile gerilim birimi olan Volt kelimelerinin birleşmesinden oluşmaktadır. 

*Termal sistemlerde, özel aynalar vasıtası ile güneş ışınları belli bir noktaya iletilmekte, bu noktada bulunan yağ ya da su ısıtılmakta, ısıtılan sıvı ile buhar basıncı vasıtası ile mekanik enerji kinetik enerjiye çevrilmektedir.

Fotovoltaik sistemlerde kullanılan paneller, Fotovoltaik Pil(Güneş pili) ya da Fotovoltaik Hücre olarak anılan parçalardan oluşmaktadır. Güneş paneli, fotovoltaik hücrelerin seri ve paralel bağlanmasından oluşur. Güneş ışınları (fotonlar) yarı iletken silikon malzemeye çarpar. Silikon kristallerle reaksiyona girer ve elektrik akımı oluşturur. 

Panellerin içerinde elektrik üretimini sağlamak için ışığı elektriğe dönüştüren yarı iletken malzemeden vardır. En yaygın kullanılan yarı iletken madde silikondur.

Elektrik akımı yaratmak için de her bir hücrede pozitif ve negatif katman bulunmaktadır. Negatif fazladan elektron bulundurur. Pozitifse negatifin tersi olarak, doldurulmayı bekleyen fazla boşluk bulundurur. Negatif bir silikon tabakanın üzerine pozitif bir silikon tabaka yerleştirilir. En altlarında ise, metal bir iletken tabaka bulunur. Üst kısmında ise, güneşi almasını sağlayan parmaklığı andıran iletken tabaka bulunur. Güneş bu panele vurduğunda fotovoltaik hücresi, dolu elektronları üste alır ve boş elektronlar alt tabakaya iter. Bir devreyi iletkenle bağladığımız zaman ise, negatif elektronlar buradan o kısmı terk eder ve boş elektronun olduğu alt tabakaya iletken sayesinde geçiş yapar. Negatif ve pozitif elektronlar sayesinde güneş enerjisinden elektrik üretilir.

Güneş panellerinde kullanılan silikonun birçok formu benzerdir ancak ana fark silikonun saflığıdır. Güneş panellerinin verimliliği ise bu saflıkla doğru orantılıdır. 

Güneş panelleri hücre türüne göre temelde üç çeşite ayrılmaktadır. Bunlar Polikristal, Monokristal ve Esnek Güneş Panelleri'dir. 

Monokristal Güneş Paneli: Monokristal güneş panelleri, tek bir silikon kristalinden yapılmıştır ve tek kristaller düzenli bir şekilde düzenlenmiştir. Erimiş silikon malzemesi düz çekmedir, yani atomik yapı yeniden düzenlenmektedir. Desensiz, koyu mavi siyahlığa yakındır. En verimli güneş paneli çeşidi olarak bilinir yani birim başına ürettiği enerji miktarı diğerlerine göre daha fazladır. Monokristal hücre üretimi maliyeti diğer hücre tiplerine göre yüksektir. 

Polikristal Güneç Paneli:Polikristal güneş panelleri birlikte eritilmiş birçok silikon parçasından yapılmıştır ve düzensiz şekilde yerleşmiştir, yani hücre yönleri karışık ve birbirine terstir. Çoğunlukla döküm ile üretilir. Erimiş silikon malzemesi şekil vermek için doğrudan dökülmektedir. Kar kristali desenli, açık mavi renklidir. Fiyatı monokristal panellere göre daha uygundur ancak verimliliği daha azdır ve seçim yapabilmeniz için yer sıkıntınızın olmaması gerekmektedir.

Esnek Güneş Paneli:  Esnek güneş panelleri sabit ve sıradanlıktan uzak teknolojisi ile tüm esnek ve eğimli zeminlere uyum sağlayabilir. Esnek paneller, istenilen ölçü ve ebatta üretilebilir. Esneme kapasitesi yüksek olan bu güneş panellerinde silikon oranı yüksek ve esneme oranı yüksek hücreler kullanılır. Amorf silikon olarak adlandırdığımız bu güneş paneli hücreleri her iki yöne en az 25 derece, toplamda 50 derece esneme kapasitesine sahiptir. Yatlarda, askeri sistemlerde, doğa gezilerinde, teknelerde kolaylıkla kullanılabilir.

Güneş Paneli Nasıl Yapılır?

Güneş paneli, silikon kristallerin birleştirilmesi ile üretilir. Bu modüller lehim pastası sürülerek özel konteynerlere yerleştirilir. Bu konteynerların içerisinde 60 derecelik bir su vardır. Burada temizlenmiş olan modüller daha sonra birbirine birleştirilir. Birleştirilme sonrasında voltmetre yardımı ile kontrol edilir ve hatası varsa bu aşamada düzeltilir. İlk başta sıralanan modüller yan yana vakum yardımıyla birleştirilir. Daha sonra meyilleme işlemi uygulanır. Modüller iki şeffaf plakanın arasına hapsedilir. Daha sonraki adım ise, hazırlanan modüller özel makinalarda birbiriyle kaynaştırılmasıdır. Son olarak güneş similatörlerinde bir test daha yapılır. Verimleri kontrol edilen panel, çerçevelenmeye hazır duruma gelir.

Güneş Paneli Gücü

Panel gücü için kullanılan tanımlar Wp, Wm şeklindedir. 

Wp: Watt peak’in kısaltmasıdır. Üretiminin maksimum değerini ifade eder. Örneğin 330 Wp güneş paneli, güneşin tepe noktada olduğu öğlen zamanında güneşten 330 W elektrik enerjisi üretir.

Wm: Maksimum Watt’ın kısaltmasıdır. Güneş panelinin optimum koşullarda üretebileceği maksimum gücü ifade eder. Yani solar panelin elektrik üretimi mevsimler, ışınım açısı ve ışınım yoğunluğu gibi faktörlerle değişiklikler gösterebilir.

Watt, volt olarak da tanımlanır.  

2-Şarj Kontrol Cihazı

Şarj kontrol cihazı akü depolamasına sahip olan fotovoltaik güneş enerji sistemlerinde kullanılır. Güneş panellerinden gelen enerjiyi kontrol altında tutarak aküye iletmeyi sağlayan solar şarj kontrol cihazı enerji sisteminin uzun ömürlü olması ve yüksek performans sağlaması açısından çok önemlidir. Güneş enerjisi, güneşin gün içerisindeki konumuna ve hava durumuna göre şekillenerek elektrik üretimi yapar. Bu sırada şarj kontrol cihazları kullanılarak gelen enerjinin doğru şekilde aküye iletilmesini sağlamaktadır. 

Diğer adı şarj regülatörü olan bu cihazların ayrıca sistem denetimi yapmak ve akü doluluk derecesini ölçmek olmak üzere iki farklı görevi daha vardır. Yeterli miktarda dolan akünün elektriğinin kesilmesi için şarj regülatörü devreye girecek ve akü sisteminde bozulma meydana gelmesini önleyecektir. Akü şarj kontrol cihazları burada devreye girerek akünün yüksek verimli olmasına, dolayısıyla tüm güneş enerji sisteminin performansının artmasına katkı sağlar. 

Şarj kontrol cihazları belli güce kadar PVM, belli seviyenin üstündeki ise MPPT olmak üzere iki farklı gruba ayrılır. Şarj kontrol cihazlarının seçiminde başlıca kriter güneş enerji sisteminde yer alan panel sayısı, bunların elektrik üretme gücü, akü kapasitesi ve sayısıdır.

3-Bataryalar (Aküler)

Akü, elektrik enerjisini daha sonra kullanabilmek için kimyasal enerji olarak depolandığı ve muhafaza edildiği yerdir. Bataryalar, şebekeden ayrı on grid sistemler veya şebeke bağlantılı akü destekli on grid hibrit sistemlerde kullanılır. Güneş enerji sistemlerinde son yıllarda Jel Akü ve Lityum Akü'ler ön plana çıkmaktadır. 

Jel Aküler

Jel akü diğer akülerde sıvı halde bulunan elektrolitin sıvı değil de jel halde bulunduğu akülerdir. Kuru akü sınıfında yer alır. Titreşime ve yüksek sıcaklığa direnç gösterebildiği için özellikle rüzgâr ve güneşten sağlanan yenilenebilir enerji kaynaklarını üretmek için kullanılır. Güneş enerjisi jel akü kullanımının en yaygın olarak kullanıldığı alanların başında gelir. Jel aküler, derin bir deşarj olabilme kapasitesine sahiptir. Bu da akünün tamamen deşarj olmasının ardından tekrar şar edilebilmesini ve bu yapılırken de kimyasal yapısının bozulmamasını sağlar. Yani akünün yapısı gereği deşarj olduktan sonra bile ömrü kısalmaz.

Lityum Aküler

Lityum akü Li-İon olarak da bilinen bir tür akü çeşididir. Bu akünün en önemli özelliği yeniden doldurulabilir pillerle kullanılmasıdır. Elektrolit araçlarda ve solar sistemlerde yaygın olarak kullanılır. Büyüklüklerine ve ağırlıklarına göre verebilecekleri en yüksek enerji ile çalışan en iyi pil çeşitlerinden biridir. Lityum polimer pil ve lityum titanat gibi gelişmiş türleri de bulunur.

Jel akü ve lityum akü solar sistemlerde en çok tercih edilen iki akü türüdür. Jel akülerin ömrü 200-400 cycle iken Lityum akülerin ise ömrü 1000-1200 cycle arasında değişir. Lityum aküler jel akülerden daha uzun ömürlü, daha hızlı, daha hafif ve daha ekonomiktir. Lityum aküler birçok önemli avantaj barındırsa da aslında çok dikkatli kullanılması gerekir. Yüksek ısı veya güneş ışınlarına maruz kalmaları halinde patlama ve yanma riskleri çok yüksektir. Solar sistemlerde jel aküler de sıklıkla tercih edilir ve aslında kullanımı tüketicileri büyük oranda memnun eder. 

4-İnverterler

İnventer güneş panellerinin ürettiği doğru akımı (DC), evlerimizde kullanılabilir olan alternatif akıma(AC) dönüştüren elektriksel bir güç çeviricisidir. Bina elektrik düzenekleri, üretilen enerjiyi doğrudan kullanacak kadar güçlü değildirler. Bu doğru akım, elektrik düzeneklerine en uygun olan 220V akıma dönüştürülmeli ve gelen enerji miktarının hız ayarlaması yapılmalıdır. İnverter, 2 volt, 24 volt, 48 volt DC elektriği 220 - 230 volt şebeke enerjisine çevirmek için kullanılır. Ayrıca, inverterler güneş enerjisi sistemi performansını izlemek, kontrol etmek ve optimize etmek için kullanılan diğer elektronik cihazlarla da iletişim kurabilirler. İnventer'in işlevleri aşağıda özetlenmiştir:

o  DC akımı AC akıma dönüştürür,

o  Enerji üretiminin en üst seviyede tutulmasını sağlar,

o  Sistemin güvenli bir şekilde işletilmesini sağlar,

o  Şebeke veya solar batarya (solar akü) ile entegrasyonu sağlar,

o  Güç üretiminin anlık düzeyde izlenmesine imkan tanır.

Güneş enerji sistemlerinde kullanılan inverterler, farklı tiplerde ve özelliklerde olabilir. En yaygın inverter tipleri şunlardır:

String (Dizi) inverter: Bu tür inverterler,panellerin seri bağlandığı ve her bir fotovoltaik dizinin doğrudan invertere bağlantısı ile oluşturulan sistemlerin inverteridir. Hem ev hem de ticari sistemler için en fazla tercih edilen solar inverter çeşididir. Pek çok faydasının yanısıra birden fazla panel bağlanmışsa, panellerden birinde gölgelenme veya benzer bir sorun olması durumunda tüm sistemin performansını aşağı çeken bir çalışma prensibine sahiptir. Dolayısıyla sistem en zayıf performanslı panel kadar güçlüdür. Bu nedenle sistemin en doğru şekilde tasarlanması ve doğru işçilikle montajının yapılması önem arz etmektedir. 

Merkezi inverter: Bu tür inverterler, güneş panellerinden gelen DC elektriği tek bir merkezi inverter aracılığıyla AC elektriğe dönüştürür. Genellikle büyük ölçekli ticari ve endüstriyel güneş enerjisi sistemlerinde kullanılırlar. Merkezi inverteri en yalın şekilde devasa boyutlu bir dizi inverter olarak tanımlayabiliriz. Daha yüksek verimlilik sağlaması ve watt başı maliyetinin düşük olması nedeniyle tercih edilir. Temel sorunları ise boyutları ve gürültüsüdür.

Mikro inverter: Bu tür inverterler, her bir güneş panelinin altına takılır ve panelde üretilen DC elektriği AC elektriğe dönüştürür. Bu sayede, güneş panelleri ayrı ayrı izlenebilir ve bir panelin arızalanması diğerlerini etkilemez. Her bir güneş panelinin müstakilen çalışmasını mümkün kıldığı için gölgelenme sorunlarını en aza indirir. Buna karşılık işçiliği daha zahmetlidir. Sistemde birden fazla sayıda olması nedeniyle bakım masrafları daha yüksektir. Genellikle küçük ev ve işletme güneş enerjisi sistemlerinde kullanılırlar.

Hibritleşmiş inverter: Bu tür inverterler, güneş enerjisi sisteminin yanı sıra bir batarya depolama sistemiyle de kullanılabilirler. Yani şebekeye bağlı (on-grid) ve şebekeden bağımsız (off-grid) çözümlerini birlikte sunan cihazlardır. Batarya depolama sistemine ihtiyaç duyan ev ve işletmeler için idealdir. Kesintilerden etkilenmemek, hem solar akü hem de şebekenin nimetlerinden faydalanmak isteniyorsa oldukça ideal bir çözümdür. 

Bunun yanında inventer seçimi yaparken karşınıza sıkça Modifiye Sinüs İnventer(Kare Dalga İnventer) ve Tam Sinüs İnventer kavramları çıkar. Tam sinüs inverterler motor gibi yüksek güç gereksinimi duyan cihazları çalıştırabilecek kalitede güç sağlar. Modifiye sinüs inverterler ise daha düşük güç gereksinimi duyan cihazlar için uygundur. Modifiye sinüs inverterin temel avantajı uygun maliyetli oluşudur. 

Bu inverter tipleri arasında seçim yaparken, güneş enerjisi sisteminizin boyutu, kapasitesi, kullanım amacı, garanti süresi, servis ve destek imkanı, kalite ve güvenilirlik, görüntüleme ve fiyat gibi faktörler dikkate alınır.