Güneş paneli elektriği nasıl üretir? Fotondan prize

Bir çatıya bakıyorsun: Koyu mavi, camla kaplı dikdörtgenler sıra sıra dizilmiş. Dönen bir parça yok, ses yok, yakıt yok. Yine de o panellerden çıkan kablolar evin buzdolabını çalıştırıyor. Bir rüzgâr türbininde ya da barajdaki türbinde dönen bir mil görürüz; güneş panelinde ise hiçbir şey kıpırdamaz. Elektrik, ışığın kendisinden ve panelin içindeki ince bir sınırdan gelir. Bu yazıda bir fotonun yolculuğunu, panelin camından kablosuna kadar izliyoruz.

Işık parçacıklardan oluşur: foton

Işığı genellikle dalga olarak düşünürüz; ama ışık enerjisini maddeye küçük paketler hâlinde verir. Bu paketlere foton denir. Bir fotonun enerjisi ışığın rengine bağlıdır: Mavi ışığın fotonları kırmızı ışığın fotonlarından daha enerjilidir. Işığın bu paketli davranışını 1905’te Albert Einstein, metal yüzeyden ışıkla elektron koparılmasını (fotoelektrik olay) açıklarken ortaya koydu; 1921 Nobel Fizik Ödülü’nü de bu çalışması için aldı.

Güneş paneli, bu paketleri tek tek yakalayan bir makinedir. Açık bir öğle vakti, güneş ışınlarına dik tutulan bir yüzeyin her metrekaresine yaklaşık 1000 watt ışık gücü düşer. Panel üreticileri de panellerini bu koşulda (1000 W/m², 25 °C hücre sıcaklığı) ölçer ve etiketteki gücü buna göre yazar.

Silisyum ve p-n eklemi

Panellerin büyük çoğunluğu silisyumdan yapılır. Silisyum, kumdaki kuvarsın ana elementidir; saflaştırılıp bir milimetrenin beşte biri kadar ince dilimlere kesilir. Saf silisyumda elektronlar atomlarına sıkıca bağlıdır. Bir elektronu bu bağdan koparıp serbestçe dolaşabilir hâle getirmek için belli bir en az enerji gerekir; silisyumda bu yaklaşık 1,1 elektronvolttur. Görünür ışığın ve yakın kızılötesinin fotonları bu eşiği aşar.

Bir foton elektronu koparınca geride elektronun boşalttığı bir yer kalır. Bu yere boşluk denir ve pozitif bir yük gibi davranır. Foton böylece bir elektron–boşluk çifti oluşturur. Ama tek başına bu çift işe yaramaz: Bir süre dolaştıktan sonra elektron yeniden bir boşluğa düşer, enerji ısı olarak kaybolur. Elektrik üretmek için çifti ayırıp elektronu bir yöne, boşluğu öbür yöne göndermek gerekir.

Bunu p-n eklemi yapar. Bir hücrenin büyük kısmı, içine çok az bor katılmış p tipi silisyumdur; bor, boşluk fazlası yaratır. Işığın girdiği üst yüzeyin hemen altındaki çok ince katmana ise fosfor katılır; bu n tipi katmanda elektron fazlası vardır. İki katmanın buluştuğu yerde elektronlar n tarafından p tarafına, boşluklar ters yöne biraz geçer ve sınırda kalıcı bir elektrik alanı oluşur. Bu alan tek yönlü bir eğim gibi çalışır: Eklemin yakınında oluşan bir çiftin elektronu n katmanına, boşluğu p katmanına itilir.

Elektronlar n katmanında birikir ve üst yüzeydeki ince gümüş kontak parmaklarına ulaşır. Parmaklar onları daha kalın şeritlere (bara) toplar. Elektronlar kablodan dışarı çıkar, lambayı ya da motoru çalıştırır ve hücrenin arkasındaki alüminyum kontaktan geri dönüp p katmanında bekleyen boşluklarla birleşir. Çember tamamlanır; ışık sürdükçe akım da sürer.

Bir hücre yarım volt: hücreler neden seri bağlanır?

Bir silisyum hücrenin uçları arasında, devre açıkken yaklaşık 0,6–0,7 volt, en çok gücü verdiği noktada ise yaklaşık 0,5 volt gerilim olur. Bu gerilim hücrenin büyüklüğüne bağlı değildir; eklemdeki elektrik alanından gelir. Hücreyi büyütmek akımı artırır, gerilimi değil. Işık azalınca da en çok akım düşer; gerilim yalnızca biraz azalır.

Yarım volt bir şey çalıştırmaya yetmez. Bu yüzden hücreler seri bağlanır: Bir hücrenin önü (−) bir sonrakinin arkasına (+) ince bakır şeritlerle lehimlenir. Seri bağlı hücrelerin gerilimleri toplanır, akım her hücreden aynı geçer. Yaygın bir panelde 60 hücre seri bağlıdır: 60 × 0,5 V = yaklaşık 30 volt. Çatıdaki paneller de genellikle seri bağlanarak birkaç yüz voltluk bir dizi oluşturur. Daha çok akım gerektiğinde diziler paralel bağlanır: Paralel kollarda gerilim aynı kalır, akımlar toplanır. Bu kuralları seri ve paralel devre yazımızda, seri bağlı devreler ve paralel bağlı devreler derslerimizde adım adım işliyoruz.

Verim: ışığın ne kadarı elektriğe dönüşür?

Bugün evlerde kullanılan silisyum paneller, üstlerine düşen ışık gücünün yaklaşık %20’sini elektriğe çevirir. Geri kalanın bir kısmı yansır, büyük kısmı ise ısıya dönüşür. Neden daha fazla değil?

• Enerjisi yetmeyen fotonlar: Kızılötesinin uzak kısmındaki fotonlar 1,1 elektronvoltluk eşiği aşamaz; silisyumdan geçip gider ya da yalnızca ısıtır.
• Fazla enerji ısıya gider: Mavi bir fotonun eşikten fazla enerjisi kullanılamaz, ısı olarak kaybolur. Her foton, rengi ne olursa olsun, en fazla bir çift oluşturur.
• Yeniden birleşme ve dirençler: Bazı çiftler eklemden ayrılamadan birleşir; kontaklar ve şeritler de akıma küçük bir direnç gösterir. Üstteki gümüş parmaklar ışığın bir kısmını gölgeler.

1961’de William Shockley ve Hans-Joachim Queisser, tek eklemli bir hücrenin güneş ışığında ulaşabileceği kuramsal üst sınırı hesapladı. Bu Shockley–Queisser sınırı, bugünkü standart güneş tayfıyla silisyumun 1,1 eV’lik bant aralığı için yaklaşık %33’tür. Silisyumun kendine özgü kayıpları (Auger) da hesaba katılınca sınır %29 dolayındadır. 1954’te Bell Laboratuvarları’nda yapılan ilk pratik silisyum hücrenin verimi yaklaşık %6’ydı. Laboratuvardaki en iyi silisyum hücreler bugün %27’nin biraz üstüne çıkmıştır; farklı malzemeleri üst üste koyan çok eklemli hücreler daha da yükseğe çıkar ama çok daha pahalıdır.

Panelin gücünü kabaca tek bir çarpımla hesaplayabiliriz:

P = G · A · η · cos θ

Burada G güneşe dik ışınım (W/m²), A hücrelerin toplam alanı (m²), η verim, θ ise ışınların panelin yüzeyine dik doğrultuyla yaptığı açıdır. 60 hücreli bir panelde her hücre 15,6 cm × 15,6 cm’dir; toplam hücre alanı yaklaşık 1,46 m² eder.

Çözümlü örnek. Güneş ufuktan 60° yukarıda. Işık bu yükseklikte atmosferin içinden biraz daha uzun bir yol geçer; güneşe dik ışınım, Meinel’in hava kütlesi bağıntısıyla yaklaşık G ≈ 918 W/m² çıkar. Panel 30° eğik ve güneye bakıyorsa ışınlar yüzeye tam dik gelir (θ = 0°, cos θ = 1):

P ≈ 918 · 1,46 · 0,20 · 1 ≈ 268 W

Gerilim 60 × 0,5 V ≈ 30 V olduğundan akım I = P / V ≈ 268 / 30 ≈ 9 A olur. Aşağıdaki figürde bu sayıları kendin değiştirebilirsin.

Açı ve gölge: aynı panel, farklı güç

Bir el fenerini masaya dik tut, sonra eğ: Aynı ışık daha geniş bir alana yayılır ve her noktası daha sönük görünür. Panel için de böyledir. Işınlar yüzeye θ açısıyla geldiğinde panelin metrekaresine düşen güç cos θ kadar azalır. 30°’lik bir sapma gücü yalnızca %13 azaltır (cos 30° ≈ 0,87); 60°’lik bir sapma ise yarıya indirir (cos 60° = 0,5).

Güneşin öğle vakti ne kadar yükseğe çıktığı mevsime ve enleme bağlıdır. Ankara’da (yaklaşık 40° kuzey) haziran sonunda öğle güneşi ufuktan yaklaşık 73° yükseğe çıkarken aralık sonunda ancak 27° kadar çıkar. Bunun nedenini mevsimler yazımızda ve mevsimler dersimizde anlatıyoruz. Aynı model ile:

• Aralıkta öğle (güneş 27°): Yatay bir panel (θ = 63°) yaklaşık 98 W üretir. Panel 40° eğilince θ = 23° olur ve güç yaklaşık 199 W’a, iki katına çıkar.
• Haziranda öğle (güneş 73°): Yatay panel yaklaşık 263 W, 40° eğik panel yaklaşık 253 W üretir. Fark küçüktür.

Bu yüzden sabit panellerin eğimi, yıl boyu iyi bir uzlaşma olsun diye çoğunlukla yerin enlemine yakın seçilir. Güneşi gün boyu izleyen motorlu taşıyıcılar daha çok üretir ama daha pahalıdır ve bakım ister.

Tek bir yaprağın gölgesi. Seri bağlı bir dizide akım her hücreden aynı geçmek zorundadır; bu yüzden dizinin akımı en zayıf hücrenin akımıyla sınırlanır. Bir hücrenin üstüne yaprak düşerse o hücreye yalnızca dağınık gökyüzü ışığı ulaşır (bu yazıdaki modelde onda biri). Önlem olmasaydı 60 hücrenin hepsinin akımı bu düzeye inerdi ve panel gücünün onda dokuzunu kaybederdi. Üstelik gölgedeki hücre, öbür hücrelerin itmesiyle ters yönde zorlanır ve ısınır; bu ısınmaya sıcak nokta denir.

Bunu önlemek için panelin bağlantı kutusunda bypass diyotları bulunur. 60 hücreli bir panelde genellikle üç diyot vardır; her biri 20 hücrelik bir alt diziye paralel bağlıdır. Bir alt dizide gölgeli hücre varsa akım o alt diziye girmek yerine diyottan geçer. Panel o alt dizinin gerilimini kaybeder ama kalan 40 hücre tam akımla çalışmayı sürdürür. Örnekteki 268 W’lık panel, gölgeli bir hücreyle bypass diyotu sayesinde yaklaşık 179 W üretir; diyot olmasaydı yaklaşık 27 W’a düşerdi. Gölgeyi küçük görmemek gerekir: Bir baca, bir anten ya da birikmiş toz da benzer bir etki yapabilir.

İnverter: doğru akımdan prize

Panelden çıkan akım doğru akımdır (DA): Elektronlar hep aynı yönde akar. Evdeki prizlerde ise alternatif akım (AA) vardır; Türkiye’de 230 volttur ve saniyede 50 tam salınım yapar, yani yönü saniyede 100 kez değişir. Aradaki dönüşümü inverter yapar. İnverter, transistörlerle doğru akımı saniyede binlerce kez açıp kapatır ve bu darbeleri süzerek şebekeyle aynı ritimde bir dalga oluşturur.

İyi bir inverter bir işi daha yapar: Panelin o anki ışıkta en çok güç verdiği gerilimi sürekli arar. Bu işe en yüksek güç noktası izleme (İngilizce kısaltmasıyla MPPT) denir. Bulut geçtiğinde ya da gölge kaydığında panelin en iyi çalışma noktası değişir; inverter de gerilimi buna göre ayarlar. Şebekeye bağlı sistemlerde inverter, şebeke elektriği kesildiğinde kendini kapatır; böylece hatta çalışan teknisyenler güvende kalır.

Sıcaklığın da etkisi vardır: Silisyum hücreler ısındıkça gerilimleri düşer. Bu yüzden bir panel serin ve güneşli bir bahar gününde, kavurucu bir yaz öğlesinden daha verimli çalışabilir. Bu yazıdaki hesaplar sıcaklığı hesaba katmaz.

Özet

• Güneş ışığı fotonlardan oluşur. Silisyumda yeterince enerjili bir foton bir elektron–boşluk çifti oluşturur.
• p-n eklemindeki elektrik alanı çifti ayırır: Elektron üstteki n katmanına ve gümüş parmaklara, boşluk alttaki p katmanına gider; elektronlar dış devreden dolaşıp geri döner.
• Bir hücre yaklaşık 0,5 V verir; 60 hücre seri bağlanınca yaklaşık 30 V elde edilir. Seride gerilimler toplanır, paralelde akımlar.
• Bugünkü silisyum paneller ışığın yaklaşık %20’sini elektriğe çevirir; kabaca P = G · A · η · cos θ.
• Işınlar panele eğik gelince güç cos θ kadar düşer; kış güneşi alçak olduğundan eğik panel kışın çok daha fazla üretir.
• Seri dizide tek bir gölgeli hücre bütün diziyi yavaşlatır; bypass diyotları gölgeli alt diziyi atlatarak kaybı sınırlar.
• İnverter, panelin doğru akımını evdeki 230 V, 50 Hz alternatif akıma çevirir ve en yüksek güç noktasını izler.