Güneş paneli

Güneş paneli, fotovoltaik (PV) hücreler üzerinden güneş ışığını elektriğe dönüştüren bir cihazdır. PV hücreleri, ışığa maruz kaldıklarında devre boyunca akarak çeşitli cihazları çalıştırmak veya pillerde saklanmak üzere doğru akım (DC) elektrik üretir. Güneş panelleri aynı zamanda güneş pili panelleri, güneş elektrik panelleri veya PV modülleri olarak da bilinir.
Güneş panelleri sistem veya sıralı dizi oluşturan gruplar halinde düzenlenir. Fotovoltaik sistem bir veya daha fazla güneş paneli, DC elektriği alternatif akıma dönüştüren bir inverter ve bazen de denetleyiciler, sayaçlar ve takip sistemleri gibi diğer bileşenlerden oluşur. Fotovoltaik sistem, uzaktaki evler veya kulübeler gibi şebeke dışı uygulamalar için elektrik sağlamak veya elektriği şebekeye geri vererek kamu hizmeti şirketinden avans veya ödeme almak için kullanılabilir. Buna şebeke bağlantılı fotovoltaik sistem denir.
Yenilenebilir ve temiz enerji kaynağı kullanmaları, sera gazı emisyonlarını azaltmaları ve elektrik faturalarını düşürmeleri güneş panellerinin avantajıdır. Dezavantajları, güneş ışığının mevcudiyeti ve yoğunluğuna bağlı olmaları, bakım ve temizlik gerektirmeleri ve yüksek başlangıç maliyetlerine sahip olmalarıdır. Güneş panelleri konut, ticari ve endüstriyel amaçlar ile uzay ve ulaşım uygulamaları için de yaygın olarak kullanılmaktadır.
Tarihçe
Bazı malzemelerin ışığa maruz kaldıklarında elektrik yükü oluşturma yeteneği ilk kez Fransız fizikçi Edmond Becquerel tarafından 1839'da gözlemlendi. İlk güneş panelleri, basit elektrikli cihazlar için bile çok verimsizdi.
Becquerel'in gözlemi, İngiliz elektrik mühendisi Willoughby Smith'in yükün ışığın selenyuma çarpmasından kaynaklanabileceğini keşfettiği 1873 yılına kadar tekrarlanmadı. William Grylls Adams ve Richard Evans Day, 1876'da Smith'in sonuçlarını tekrarlamak için kullandıkları deneyi anlatan "Işığın selenyum üzerindeki etkisi"ni yayınladılar.
1881'de Amerikalı mucit Charles Fritts "sadece güneş ışığına maruz kalmakla kalmayıp aynı zamanda loş, dağınık gün ışığına da maruz kaldığında sürekli, sabit ve önemli bir kuvvete sahip" olarak bildirilen ilk ticari güneş panelini yarattı, fakat bu güneş panelleri, özellikle kömürle çalışan santrallere kıyasla çok verimsizdi.
1939'da Russell Ohl, birçok modern güneş panelinde kullanılan güneş pili tasarımını yarattı. 1941'de tasarımının patentini aldı. Bu tasarım ilk olarak Bell Laboratuvarları tarafından 1954 yılında ticari olarak uygulanabilir ilk silikon güneş pilini oluşturmak için kullanıldı.
2008 ve 2013 yılları arasında güneş paneli kurulumcuları önemli bir büyüme oranı kaydetti. Birçok montajcının çalışmak için "ideal" olmayan güneş çatıları projeleri vardı ve gölgeli çatılar ve yönlendirme zorluklarına çözüm bulmak zorunda kaldılar. Mikro invertörlerin yeniden yaygınlaşması ve güç optimize edicilerin icadı sürece katıldı.
Üreticiler AC modülleri oluşturmak için mikro invertör şirketleriyle ve akıllı modüller oluşturmak için modül üreticileriyle güç optimize edici şirketlerle ortaklık kurdu. 2013 yılında birçok güneş paneli üreticisi akıllı modül çözümlerini duyurdu ve piyasaya sürmeye başladı.
Teori ve yapım
Fotovoltaik modüller çok sayıda güneş hücresinden oluşur ve fotovoltaik etki üzerinden elektrik üretmek için Güneş'ten gelen fotonları kullanır. Çoğu modül, gofret yapılı kristal silikon veya ince film hücreler kullanır.
Modülün ayrıca yük taşıyan katman ihtiyacı olabilir. Hücreler mekanik hasar ve nemden korunmalıdır. Modüllerin çoğu katıdır, ancak ince film hücrelerine dayalı yarı esnek olanlar da mevcuttur.
Hücreler istenen voltaj için seri, akım değeri için paralel olarak bağlanır.
Modülün gücü (watt) cinsinden ifade edilir; voltaj (volt) ve akımın (amper cinsinden) matematiksel sonucudur ve ışık miktarıyla da ilişkilidir
Güneş panelleri üzerindeki üretim spesifikasyonları, (genellikle güneş panellerinin kurulu olduğu gerçek çalışma koşullarını yansıtmaz) standart koşullar altında elde edilir.
Güneş panelinin arkasına çıkış arabirimi olarak işlev gören bir PV bağlantı kutusu takılır. Çoğu fotovoltaik modül hava koşullarına dayanıklı MC4 konektörlerini kullanır. Güneş panelleri ayrıca panel yapısını daha iyi desteklemek için raf bileşenleri, braketler, reflektör şekilleri ve oluklardan oluşan metal çerçeveler kullanır.
Güneş pili bağlantı teknikleri
Güneş modüllerinde, ön elektrotların önden bağlanması ön optik yüzey alanını az da olsa bloke edecektir. Güneş ışığı için mevcut ön yüzey alanını en üst düzeye çıkarmak ve verimliliği artırmak için üreticiler çeşitli arka bağlantı teknikleri kullanır:
Pasifleştirilmiş yayıcı arka kontağı (PERC), ışığı yakalamak için bir polimer film ekler
Tünel oksitle pasifleştirilmiş temas (TOPCon), daha fazla ışık yakalamak için PERC filme bir oksidasyon katmanı ekler.
Interdigitated back contact (IBC).
PV modül dizileri
Tek bir güneş modülü sınırlı miktarda güç üretebilir; çoğu kurulum birden fazla modül içerir. Bir fotovoltaik sistem tipik olarak bir dizi fotovoltaik modül, invertör, pil paketi, şarj kontrolörü, ara bağlantı kabloları, devre kesiciler, sigortalar, bağlantı kesme anahtarları, voltaj ölçerler ve isteğe bağlı olarak bir güneş takip mekanizması içerir. Çıkış ve depolamayı optimize etmek, güç aktarımı sırasında güç kaybını azaltmak için ekipman dikkatle seçilir.
Akıllı güneş modülleri
Akıllı modüller, geleneksel güneş panellerinden farklıdır; modüle gömülü güç elektroniği, panel düzeyinde maksimum güç noktası izleme ve gelişmiş güvenlik gibi işlevsellikler sunar. Bir güneş modülünün çerçevesine veya bir konektör aracılığıyla fotovoltaik devreye bağlanan güç elektroniği, akıllı modüller olarak kabul edilmez.
Birkaç şirket, PV modülüne aşağıdakiler gibi çeşitli gömülü güç elektroniği dahil etmeye başladı:
Maksimum güç noktası izleme (MPPT) güç optimize ediciler, bir modülün bir bölümüne düşen bir gölgenin neden olduğu, gölgeleme etkilerini telafi ederek güneş fotovoltaik sistemlerinden elde edilen gücü en üst düzeye çıkarmak veya modüldeki daha fazla hücre dizisinin sıfıra yakın düşmesi, ancak tüm modülün çıktısının sıfıra düşmemesi için geliştirilmiş bir DC-DC dönüştürücü teknolojisidir.
Veri ve arıza tespiti için solar performans monitörleri
Teknoloji
Çoğu güneş modülü şu anda çok veya tek kristalli silikondan yapılan (c-Si) güneş hücrelerinden üretilmektedir. 2013 yılında kristal silikon, dünya çapındaki PV üretiminin %90'ından fazlasını oluştururken, genel pazarın geri kalanı kadmiyum tellür (CdTe), bakır indiyum galyum selenid (CIGS) ve amorf silikon kullanan ince film teknolojilerinden oluşuyor.
Ortaya çıkan üçüncü nesil güneş enerjisi teknolojileri gelişmiş ince film hücreleri kullanır. Diğer güneş enerjisi teknolojilerine kıyasla daha düşük bir maliyetle nispeten yüksek verimli bir dönüşüm üretirler. Ayrıca, uzaya kaldırılan kilogram başına üretilen gücün en yüksek oranını sundukları için, yüksek maliyetli, yüksek verimli ve sıkışık dikdörtgen çoklu bağlantı (MJ) hücreleri genellikle uzay gemilerindeki güneş panellerinde kullanılır. MJ hücreleri, bileşik yarı iletkenlerdir ve galyum arsenit (GaAs) ve diğer yarı iletken malzemelerden yapılmıştır. MJ hücrelerini kullanan bir başka gelişmekte olan PV teknolojisi, yoğunlaştırıcı fotovoltaiktir (CPV).
İnce film
Sert ince film modüllerinde hücre ve modül aynı üretim hattında üretilir. Hücre, bir cam substrat veya üst tabaka üzerinde oluşturulur ve elektrik bağlantıları, "monolitik entegrasyon" adlandırılan yerinde oluşturulur. Alt tabaka veya üst tabaka, bir ön veya arka tabakaya, genellikle başka bir cam tabakasına bir kapsülleyici ile lamine edilir. Bu kategorideki ana hücre teknolojileri CdTe, , a-Si+uc-Si tandem ve CIGS'dir. Amorf silikonun güneş ışığı dönüştürme oranı %6-12'dir.
Esnek ince film hücreleri ve modülleri, aynı üretim hattında, fotoaktif katman ve diğer gerekli katmanların esnek bir alt tabaka üzerine yerleştirilmesiyle oluşturulur. Alt tabaka bir yalıtkan ise (örneğin polyester veya poliimid film), monolitik entegrasyon kullanılabilir. İletken ise, elektrik bağlantısı için başka bir teknik kullanılmalıdır. Hücreler, ön tarafta şeffaf, renksiz bir floropolimere, tipik olarak etilen tetrafloroetilen (ETFE) veya florlu etilen propilene (FEP) ve diğer tarafta nihai substrata bağlanmaya uygun bir polimere lamine edilerek modüller halinde birleştirilir.
Montaj ve takip sistemi
Zemin
Büyük şebeke ölçekli güneş enerjisi santralleri genellikle yere monte fotovoltaik sistemler kullanır. Modüller yer tabanlı montaj desteklerine bağlı raflar veya çerçeveler tarafından yerinde tutulur. Zemine dayalı montaj destekleri şunları içerir:
Doğrudan zemine sürülen veya betona gömülen direk montajları
Beton levhalar veya dökülmüş temeller gibi temel montajları
Güneş enerjisi modülü sistemini yerinde sabitlemek için ağırlık kullanan ve zemine nüfuz etmeyi gerektirmeyen beton veya çelik tabanlar gibi balastlı ayak ayakları. Bu tür bir montaj sistemi, üstü kapalı düzenli depolama alanları gibi kazı yapmanın mümkün olmadığı yerler için çok uygundur ve güneş enerjisi modülü sistemlerinin hizmetten çıkarılmasını veya yeniden konumlandırılmasını basitleştirir.
Çatı
Çatıya monte güneş enerjisi sistemleri, çatıya dayalı montaj desteklerine bağlı raflar veya çerçeveler tarafından yerinde tutulan güneş modüllerinden oluşur. Çatı tabanlı montaj destekleri şunları içerir:
Doğrudan çatı yapısına takılan ve modül rafını veya çerçevelerini bağlamak için ek raylar kullanabilen ray bağlantıları.
Panel sistemini yerinde sabitlemek için ağırlık kullanan ve içinden penetrasyon gerektirmeyen beton veya çelik tabanlar gibi balastlı ayak ayakları. Bu montaj yöntemi, çatı yapısı üzerinde herhangi bir olumsuz etki olmaksızın güneş paneli sistemlerinin hizmetten çıkarılmasına veya yeniden konumlandırılmasına olanak tanır.
Bitişik güneş modüllerini enerji toplama ekipmanına bağlayan tüm kablolar, yerel elektrik yasalarına göre kurulmalı ve iklim koşullarına uygun bir kanaldan geçirilmelidir.
Takip
Güneş takip sistemi, mekanik karmaşıklık ve artan bakım maliyetlerine karşın modül başına üretilen enerjiyi artırır. Güneşin yönünü algılarlar ve ışığa maksimum maruz kalma için modülleri gerektiği gibi eğerler veya döndürürler.
Alternatif olarak, sabit raflar modülleri gün boyunca belirli bir eğimde (zenit açısı) ve belirli bir yöne (azimut açısı) dönük olarak sabit tutabilir. Bir kurulumun enlemine eşdeğer eğim açıları yaygındır. Bazı sistemler yılın zamanına göre eğim açısını da ayarlayabilir.
Sabit kurulumlar, bireysel güneş panellerinden mümkün olan maksimum ortalama gücü üretmeyecek olsa da, panellerin maliyeti genellikle izleme mekanizmasından daha ucuzdur ve kuzeye veya güneye bakanlara göre sabah ve akşam yoğun taleplerde ekonomik olarak daha değerli güç sağlayabilirler.
Yoğunlaştırıcı
Bazı modüller, ışığın mercek veya aynalar tarafından daha küçük hücrelere odaklandığı yoğunlaştırıcılar (konsantratör) içerir. Bu, yüksek verimli, ancak pahalı hücrelerin (galyum arsenit gibi) kullanım maliyetini düşürür. Güneş ışığını yoğunlaştırmak da verimliliği yaklaşık %45'e çıkarabilir.
Işık yakalama
Bir güneş pili tarafından emilen ışık miktarı gelen güneş ışığının geliş açısına doğrudan bağlıdır. Bunun nedeni yüksek geliş açısında daha fazla ışığın yansıtılmasıdır. Toplam enerji çıkışını maksimize etmek için, modüller genellikle güneye (Kuzey Yarımküre'de) veya kuzeye (Güney Yarımküre'de) bakacak şekilde yönlendirilir ve enleme izin verecek şekilde eğilir. Güneş takibi, geliş açısını küçük tutmak için kullanılabilir.
Güneş panelleri kırılma indisleri silikon ve havanın arasında olan ince bir yansıma önleyici bir kaplama ile kaplanır. Bu, yansıyan ışıkta yıkıcı girişime neden olarak miktarı azaltır. Üreticiler geliştirilmiş yansıma önleyici kaplamalar veya dokulu cam ile yansımayı azaltmak için çalışıyorlar.
Güç eğrisi
Güneş panellerinde, PV'lerden yeterli akım alınmazsa güç maksimize edilmez. Çok fazla akım alınırsa, gerilim çöker. Optimum akım çekişi, panele çarpan güneş ışığı miktarına bağlıdır. Güneş paneli kapasitesi, güneş panellerinin tam güneş ışığında MPP (maksimum güç noktası) değeri ile belirtilir.
Modül bağlantısı
Modül elektrik bağlantıları, modüllerden akımı alan iletken tellerle yapılır ve akım derecelendirmesi ile arıza koşullarına göre boyutlandırılır.
Paneller tipik olarak, istenen bir çıkış voltajı elde etmek için serileri halinde, istenen akım kapasitesini (amper) sağlamak için paralel olarak bağlanabilir.
Çıkışı maksimize etmek için bloklama ve baypas diyotları modüle dahil edilebilir veya kısmi gölgeleme ile başa çıkmak için harici olarak kullanılabilir. Seri bağlantılar için, bypass diyotları, aksi takdirde akımı ciddi şekilde sınırlayacak olan gölgeli modülleri atlamak için akıma izin vermek üzere modüllere paralel olarak yerleştirilir. Paralel bağlantılar için, akımın gölgeli dizilerden geriye doğru akmasını ve böylece diğer dizileri kısa devre yapmasını önlemek için her bir modülün dizisine seri olarak bir bloke edici diyot yerleştirilebilir.
İnvertörler
Solar invertörler, paneller tarafından sağlanan DC gücü AC güce dönüştürür.
Güneş panelinin MPP'si (Maksimum güç noktası), MPP voltajı (V ) ve MPP akımından (I ) oluşur. Maksimum güç noktası takibi (MPPT) gerçekleştiren bir solar invertör, güneş pilinden çıkışı (I-V eğrisi) örnekler ve maksimum güç elde etmek için uygun elektrik yükünü uygular.
Güneş panelleri invertörlere paralel veya seri olarak bağlanır. Seri bağlantılarda modüllerin voltajları toplanır, ancak akım şiddeti en düşük performanslı panel tarafından belirlenir. Bu, "Noel ışık efekti" olarak bilinir. Paralel bağlantılarda gerilimler sabit kalır, ancak akımlar toplanır.
Mikro invertörler, her bir panelin belirli bir güneş ışığı miktarı için mümkün olan maksimum çıktısına katkıda bulunmasını sağlamak için bağımsız olarak çalışır.
Bağlantı elemanları
Dış mekan güneş panelleri genellikle MC4 bağlantı elemanları içerir. Otomotiv güneş panelleri, ek bir elektrik prizi ve/veya USB adaptörü de içerebilir. İç mekan panelleri (güneş pv camları, ince filmler ve pencereler dahil) bir mikro invertörü (AC güneş panelleri) entegre edebilir.
Verimlilik
Her modül, standart test koşullarında DC çıkış gücüne göre derecelendirilir ve bu nedenle sahadaki çıkış gücü değişebilir. Güç tipik olarak 100 ila 365 Watt arasında değişir. Modülün verimliliği sabit çıktı üzerinden değerlendirildiğinde modülün alanını belirler; örneğin %8 verimli 230 W modül, %16 verimli 230 W modülün iki katı alana sahip olacaktır. Piyasada bulunan bazı güneş enerjisi modülleri %24 verimliliği aşıyor. Şu anda, yeni ticari ürünlerde elde edilen en iyi güneş ışığı dönüşüm oranı (güneş modülü verimliliği) yaklaşık %21,5'tir. En verimli seri üretim güneş modülleri 175 W/m2' ye kadar güç yoğunluğu değerlerine sahiptir.
Bir modülün akıma karşı voltaj eğrisi, elektriksel performansı hakkında yararlı bilgiler sağlar. Üretim süreçleri, aynı tipteki hücrelerde bile, farklı fotovoltaik modüllerin elektriksel parametrelerinde sıklıkla farklılıklara neden olur. Bu nedenle, yalnızca IV eğrisinin deneysel ölçümü, bir fotovoltaik cihazın elektriksel parametrelerini doğru bir şekilde belirlememize izin verir. Bu ölçüm, fotovoltaik sistemlerin tasarımı, kurulumu ve bakımı içinönemli bilgiler sağlar. Genel olarak, fotovoltaik modüllerin elektriksel parametreleri bina içi testlerle ölçülür. Bununla birlikte, dış mekan testi, pahalı yapay ışık kaynağı gerektirmemesi, numune boyutu sınırlaması olmaması ve daha homojen numune aydınlatması gibi önemli avantajlara sahiptir.
Boeing'in bir yan kuruluşu olan Spectrolab'dan bilim adamları, güneş fotovoltaik hücreleri için yeni bir dünya rekoru olan %40'tan fazla verimliliğe sahip çok bağlantılı güneş hücrelerinin geliştirildiğini bildirdiler. Spectrolab bilim adamları ayrıca, yoğunlaştırıcı güneş pillerinin gelecekte %45'ten, hatta %50'den fazla verimlilik elde edebileceğini tahmin ediyor.
Panellerin kapasite faktörü, öncelikle coğrafi enlem ile sınırlıdır ve bulut örtüsü, toz, gün uzunluğu ve diğer faktörlere bağlı olarak önemli ölçüde değişir. Birleşik Krallık'ta mevsimsel kapasite faktörü %2 (Aralık) ile %20 (Temmuz) arasında değişmekte ve yıllık ortalama da %10-11, İspanya'da ise bu değer %18'e ulaşmaktadır.
Aşırı ısınma, güneş panelinin verimliliği için en önemli faktördür.
Radyasyon dalga boyuna bağlı verimlilik
Fotovoltaik modüller bir dizi ışık frekansından elektrik üretebilir, ancak bu tüm radyasyon aralığını (özellikle ultraviyole, kızılötesi ve düşük veya dağınık ışık) kapsayamaz. Bu nedenle, gelen güneş ışığı enerjisinin çoğu boşa harcanır.
Başka bir tasarım konsepti, ışığı farklı bir ışık rengi üretecek altı ila sekiz farklı dalga boyu aralığına bölmek ve ışınları bu aralıklara ayarlanmış farklı hücrelere yönlendirmektir. Bunun verimliliği %50 oranında artırabileceği öngörülmüştür.
Alüminyum nanosilindirler
Imperial College London tarafından yapılan araştırma, panel verimliliğinin, ışığı alan yarı iletken yüzeyin alüminyum nanosilindirlerle kaplanmasıyla iyileştirildiğini gösterdi. Saçılan ışık daha sonra yarı iletkende daha uzun bir yol boyunca ilerleyerek akıma dönüştürülmek üzere daha fazla foton emer. Altın ve gümüş, nanosilindirler daha önce kullanılmıştı. Alüminyumun spektrumun ultraviyole kısmını soğurduğu, spektrumun görünür ve yakın kızılötesi kısımlarının ise alüminyum yüzey tarafından dağıldığı bulundu. Araştırma, bunun maliyeti önemli ölçüde azaltabileceğini ve alüminyumun altın ve gümüşten daha bol ve az maliyetli olması nedeniyle verimliliği artırabileceğini ileri sürdü. Araştırma ayrıca, akımdaki artışın, "güç dönüştürme verimliliğinden ödün vermeden, malzeme tüketimini azaltarak" daha ince film güneş panellerini teknik olarak mümkün kıldığını kaydetti.
Performans ve bozulma
Modül performansı genellikle standart test koşullarında (STC) derecelendirilir: Bu 1.000 W/m2 ışınım, güneş spektrumu 1,5 Airmass ve 25C' modül sıcaklığıdır. Modülün gerçek voltajı ve akım çıkışı aydınlatma, sıcaklık ve yük koşulları değiştikçe değişir. Performans coğrafi konum, günün saati, yılın günü, güneş ışınımı miktarı, modüllerin yönü ve eğimi, bulut örtüsü, gölgeleme, kirlenme, şarj durumu ve sıcaklığa bağlı olarak değişir. Bir modül veya panelin performansı, bir DC pens ampermetre veya şönt ile farklı zaman aralıklarında ölçülebilir ve bir veri kaydedici ile günlüğe kaydedilebilir, grafiklenebilir veya çizelgelenebilir.
Optimum performans için, güneş ışığına dik olarak aynı yöne yönlendirilmiş benzer modüllerden bir güneş paneli yapılması gerekir. Baypas diyotları, kırık veya gölgeli panelleri atlatmak ve çıktıyı optimize etmek için panel boyunca yerleştirilir.
Elektriksel özellikler arasında nominal güç (PMAX, W cinsinden ölçülür), açık devre voltajı (VOC), kısa devre akımı (ISC, amper), maksimum güç voltajı (VMPP), maksimum güç akımı (IMPP), tepe gücü, (Watt zirvesi, Wp) ve modül verimliliği (%) bulunur.
Açık devre voltajı veya VOC, modülün bir elektrik devresi veya sisteme bağlı değilken üretebileceği maksimum voltajdır. VOC, bir voltmetre ile doğrudan aydınlatılmış bir modülün terminallerinde veya bağlantısı kesilmiş kablosunda ölçülebilir.
Zirve güç derecesi, Wp, standart test koşulları altındaki maksimum çıkıştır. tipik olarak 75 W'tan 600 W'a kadar derecelendirilir. Test sırasında, test modülleri test sonuçlarına göre gruplara ayrılır ve tipik bir üretici modüllerini 5 W'lık artışlarla +/- %3, +/- %5 olarak derecelendirebilir.
Sıcaklığın etkisi
Bir fotovoltaik (PV) modülün performansı pn bağlantısının T sıcaklığı ana elektriksel parametreleri de etkiler: Genel olarak, VOC'nin T ile önemli bir ters korelasyon gösterdiği, ISC için bu korelasyonun doğrudan olduğu, ancak daha zayıf olduğu, dolayısıyla bu artışın VOC'deki düşüşü telafi etmediği bilinmektedir. Sonuç olarak, T arttığında Pmax azalır. Bir güneş pilinin güç çıkışı ile bağlantısının çalışma sıcaklığı arasındaki bu korelasyon, yarı iletken malzemeye bağlıdır ve T'nin içsel taşıyıcıların, yani elektronlar ve boşlukların konsantrasyonu, ömrü ve hareketliliği üzerindeki etkisinden kaynaklanır.
Sıcaklık duyarlılığı ilgili parametrenin bağlantı sıcaklığına göre türevini ifade eden sıcaklık katsayıları ile tanımlanır.
- β: ∂VOC/∂T, T'ye göre VOC değişim katsayısıdır.
- α: ∂ISC/∂T, T'ye göre ISC'nin değişim katsayısıdır.
- δ: ∂Pmax/∂T, T'ye göre Pmax'ın değişim katsayısıdır.
Bu katsayıları deneysel verilerden tahmin etme teknikleri literatürde bulunabilir.
Bozulma
Güneş modüllerinin yağmur, dolu, yoğun kar yükü ve sıcak ve soğuk döngülerinden kaynaklanan hasarlara dayanma kabiliyeti üreticiye göre değişir, ABD pazarındaki çoğu güneş paneli doluya dayanma testlerinden geçmişlerdir.
Potansiyel kaynaklı bozulma kristalli fotovoltaik modüllerde sözde başıboş akımların neden olduğu potansiyel kaynaklı bir performans düşüşüdür. Bu etki %30'a kadar güç kaybına neden olabilir.
Fotovoltaik teknolojilerdeki gelişmeler, aktivasyon enerjisini düşürmek için silikon substratı "katkılama" sürecini beraberinde getirdi ve böylece paneli daha verimli hale getirdi.
Boron (p-tipi) gibi kimyasallar, değerlik ve iletken bantlara büyük ölçüde daha yakın donör ve alıcı enerji seviyeleri oluşturmak için yarı iletken kristale uygulanır. Bunu yaparken, bor safsızlığının eklenmesi, aktivasyon enerjisinin 1,12'eV den 0,05eV ye kadar yirmi kat azalmasına izin verir. Potansiyel fark (EB) çok düşük olduğundan, bor oda sıcaklığında termal olarak iyonlaşabilir. Bu, iletim ve değerlik bantlarında serbest enerji taşıyıcılarına ve böylece fotonların elektronlara daha fazla dönüşümüne izin verir.
Bir fotovoltaik cihazın güç çıkışı zamanla azalır. Bu azalma, diğer dış koşulların yanı sıra güneş radyasyonuna maruz kalmasından da kaynaklanmaktadır. Yıllık çıkış gücü kaybı yüzdesi olarak tanımlanan bozunma endeksi, bir fotovoltaik santralin uzun vadeli verimliliğini belirlemede önemli bir faktördür. Ayrıca, aynı kurulumdaki tüm modüller performanslarını tam olarak aynı oranda düşürmez. Uzun süreli dış ortam koşullarına maruz kalan bir dizi modül göz önüne alındığında, ana elektriksel parametrelerin ayrı ayrı bozulması ve dağılımlarındaki artış dikkate alınmalıdır. Her bir modül farklı bir şekilde bozulma eğilimi gösterdiğinden, modüllerin davranışları zamanla giderek farklılaşacak ve bu da tesisin genel performansını etkileyecektir.
Literatürde mevcut olan farklı fotovoltaik teknolojilere dayalı modüllerin güç düşüşü analiziyle ilgili birkaç çalışma vardır. Yakın tarihli bir araştırmaya göre, kristal silikon modüllerin bozunması çok düzenlidir ve yılda %0,8 ile %1,0 arasında salınır.
Öte yandan, ince film fotovoltaik modüllerinde başlangıçta güçlü bir bozulma dönemi gözlemlenir (birkaç ay ve hatta 2 yıla kadar sürebilir), ardından bozulmanın dengelendiği daha sonraki bir aşama gelir. (daha sonra kristal silikonunkiyle karşılaştırılabilir) Güneş spektrumunun etkisi çok daha fazla olduğundan, bu tür ince film teknolojilerinde güçlü mevsimsel değişimler de gözlenir. Örneğin, amorf silikon, mikromorfik silikon veya kadmiyum tellür modülleri için, ilk yıllar için %3 ila %4 arasındaki yıllık bozunma oranlarından bahsediyoruz. Bununla birlikte, CIGS gibi diğer teknolojiler, ilk yıllarda bile çok daha düşük bozulma oranları göstermektedir.
Bakım
Tipik olarak %20 aralığında olan verimlilik paneller üzerinde toz, kir, polen ve diğer partiküllerin birikmesiyle azalır. Houston Üniversitesi'nde fizik doçenti ve NanoEnergy Enstitüsü'nün direktörü Seamus Curran, "Kirli bir güneş paneli, yüksek toz/polen veya çöl alanlarında güç kapasitesini %30'a kadar azaltabilir" diyor. 2018 yılında dünyadaki ortalama kirlenme kaybının en az %3 %4 olacağı tahmin edilmektedir.
2019 itibariyle güneş panellerini temizlettirmek için ödeme yapmak birçok bölgede iyi bir yatırımdı. Ancak bazı bölgelerde temizlik daha maliyetlidir. 2013 itibariyle Kaliforniya'da kirlenmenin neden olduğu mali kayıplar, panellerin yıkanma maliyetini garanti altına almak için nadiren yeterliydi. Ortalama olarak, Kaliforniya'daki paneller günlük toplam verimliliklerinin %0,05'inden biraz daha azını kaybetti.
Güneş paneli kurulumu ve bakımı ile ilgili mesleki tehlikeler de vardır. Birleşik Krallık'ta 20152018'de yapılan bir araştırma, 37 konut binası ve 6 güneş enerjisi çiftliği dahil olmak üzere doğrudan PV kurulumunun neden olduğu 20'den fazla "ciddi yangın" ile PV ile ilgili 80 yangın olayını araştırdı. Vakaların ünün temel nedeni belirlenemedi ve diğerlerinin çoğuna kötü kurulum, hatalı ürün veya tasarım sorunları neden oldu. Yangınlara en sık neden olan tek unsur DC izolatörleriydi.
kWh Analytics tarafından 2021'de yapılan bir araştırma, PV sistemlerinin ortalama yıllık bozulmasını konutlarda %1,09 ve konut dışı sistemlerde %0,8 olarak belirledi; bu, daha önce varsayılanın neredeyse iki katıydı. 2021'de yapılan bir modül güvenilirlik çalışması, güneş modülü arıza oranlarında artan bir eğilim buldu; üreticilerin %30'u bağlantı kutularıyla ilgili güvenlik arızaları ve %26 malzeme listesi arızaları yaşıyor.
Güneş panelleri için temizleme manuel, mekanize, kurulu hidrolik sistemler (fıskiyeler gibi), kurulu robotik sistemler ve konuşlandırılabilir robotlarla yapılabilir. Manuel temizleme araçları, büyük olasılıkla düşük satın alma maliyetinden dolayı açık ara en yaygın temizleme yöntemidir. Bununla birlikte, 2014 yılında Suudi Arabistan'da yapılan bir çalışmada, "kurulu robotik sistemler, mekanize sistemler ve kurulu hidrolik sistemlerin, güneş panellerini temizlemede kullanım için muhtemelen en umut verici üç teknoloji olduğu" bulundu.
Atık ve geri dönüşüm
2021'de 30 bin ton PV atığı vardı ve Bloomberg NEF tarafından yıllık miktarın 2035'te 1 milyon tonun üzerine ve 2050'de 10 milyonun üzerine çıkacağı tahmin ediliyor (Karşılaştırma için, 2022'de kömür gücüyle 750 milyon ton uçucu kül atığı üretildi) Amerika Birleşik Devletleri'nde, hizmet dışı kalan panellerin yaklaşık %90'ı 2023 itibarıyla çöplüklerde son buluyor. Bir güneş modülünün çoğu parçası, %95'e varan oranda belirli yarı iletken malzemeler veya cam ve demir dahil geri dönüştürülebilir malzemelerden oluşur. Bazı özel şirketler ve kar amacı gütmeyen kuruluşlar, şu anda kullanım ömrü sona eren modüller için geri alma ve geri dönüşüm operasyonlarıyla uğraşmaktadır. AB yasası, üreticilerin güneş panellerinin uygun şekilde geri dönüştürülmesini sağlamasını gerektirir. Japonya, Hindistan ve Avustralya'da da benzer yasalar çıkarılıyor. 2023 tarihli bir Avustralya raporu, kaliteli kullanılmış paneller için bir pazar olduğunu söyledi ve yeniden kullanımı artırmak için önerilerde bulundu.
Harvard Business Review tarafından 2021 yılında yapılan bir araştırma, 2035 yılına kadar atılan panellerin yeni birimlerden -yeniden kullanılmadığı takdirde- 2,56 kat daha ağır basacağını gösteriyordu. O zamana kadar tek bir panelin geri dönüşüm maliyetinin 20-30 $'a ulaşacağını ve bunun da PV'nin LCOE'sini 4 kat artıracağını tahmin ettiler.
AB benzeri bir mevzuatın bulunmadığı ABD paneli çöp sahasına gönderme maliyetinin yalnızca 1-2 ABD doları olduğu düşünüldüğünde panellerin dönüştürülmesi önemli bir teşvik gerektiriyordu. Çalışma, tüketicilerin kar elde etmek için 30 yıllık bir ömrün yarısında panelleri değiştireceğini varsayıyordu. Ancak çalışmadan sonraki yıl yeni panellerin fiyatları arttı. 2022'de yapılan bir araştırma, modüllerin daha önce tahmin edilenden daha uzun süre dayandığını ve bunun sanıldığından daha az PV atığıyla sonuçlanabileceğini söyledi.
Geri dönüşüm olanakları, modüllerde kullanılan teknolojinin türüne bağlıdır:
Silikon bazlı modüller: Alüminyum çerçeveler ve bağlantı kutuları, sürecin başında manuel olarak sökülür. Modül daha sonra bir değirmende ezilir ve cam, plastik ve metaller gibi farklı fraksiyonlara ayrılır. Gelen ağırlığın %80'den fazlasını geri kazanmak mümkündür. Bir PV modülünün morfolojisi ve bileşimi inşaat ve otomotiv endüstrisinde kullanılan düz camlara benzer olduğundan, bu işlem düz cam geri dönüştürücüler tarafından gerçekleştirilebilir.
Silikon bazlı olmayan modüller: Farklı yarı iletken malzemeleri ayırmak için kimyasal banyoların kullanımı gibi özel geri dönüşüm teknolojileri gerektirirler. Kadmiyum tellür modülleri için geri dönüşüm süreci, modülün ezilmesi ve ardından farklı fraksiyonların ayrılmasıyla başlar. Bu geri dönüşüm işlemi, camın %90', içerdiği yarı iletken malzemelerin %95'ini geri kazanmak için tasarlanmıştır. Ticari ölçekli bazı geri dönüşüm tesisleri son yıllarda özel şirketler tarafından oluşturulmuştur.
2010'dan bu yana, PV modül geri dönüşümünün geleceği için üreticiler, geri dönüştürücüleri ve araştırmacıları bir araya getiren yıllık bir Avrupa konferansı düzenleniyor.
Üretim
PV sistemlerinin üretimi, verimlilik ve üretim çıktısında büyük artışların yanı sıra meydana gelen önemli maliyet düşüşü ile klasik bir deneyimi takip etti.
Yıllık %100'ün üzerinde büyüme gösteren PV modülü üreticileri, 2019'da sevkiyatlarını önemli ölçüde artırdı, kapasitelerini genişletti ve kendilerini gigawatt GW oyunculara dönüştürdüler. Pulse Solar'a göre, 2019'daki ilk on PV modülü şirketinden beşi, 2019'a kıyasla güneş paneli üretiminde en az %25 artış yaşadı.
Güneş panelleri üretmenin temeli, silikon hücrelerin kullanımına dayanmaktadır. iken yeni modellerin verimi %22'yi aşmaktadır.
2018 takvim yılında dünyanın en büyük beş güneş modülü üreticisi Jinko Solar, JA Solar, Trina Solar, Longi solar ve Canadian Solar idi.
Fiyat
Güneş elektrik enerjisinin fiyatı birçok ülkede 2012'den beri elektrik şebekesinden elde edilen fosil yakıt elektriğinden daha ucuz hale geldi. (şebeke paritesi).
Ortalama fiyatlandırma üç kategoriye ayrılır: küçük, orta (yılda 10 MWp'ye kadar) ve büyük alıcılar. Uzun vadede, hücreler ve modüllerin fiyatlarında açıkça sistematik bir düşüş var. Örneğin, 2012'de watt başına miktar maliyetinin yaklaşık 0,60 ABD Doları olduğu tahmin ediliyordu; bu, 1970'teki 150 ABD Doları olan maliyetten 250 kat daha düşüktü. 2015 yılında yapılan bir araştırma, fiyat/kWh'nin 1980'den bu yana yılda %10 düştüğünü gösteriyor. Güneş enerjisinin 2030'a kadar toplam elektrik tüketiminin %20'sini oluşturması beklenirken Uluslararası Enerji Ajansı 2050'ye kadar bunun %16'ya ulaşacağını tahmin ediyor.
Birleşik Krallık gibi bulutlu bir ülkede, üretilen kWh başına maliyet, İspanya gibi daha güneşli ülkelere göre daha yüksektir.
RMI, Sistem Dengesi (BoS) öğelerini takiben, mikro invertör olmayan güneş modüllerinin kablolama, dönüştürücüler, raf sistemleri ve çeşitli bileşenler gibi modül dışı maliyeti, toplam maliyetlerinin yaklaşık yarısını oluşturur.
Elektriğin elektrik iletim şebekesine satıldığı ticari santraller için, güneş enerjisi maliyetinin toptan elektrik fiyatıyla eşleşmesi gerekecektir. Bu nokta bazen "toptan şebeke paritesi" olarak adlandırılır.
Çatı üstü kurulumlarda çıktı maliyeti kullanıcının elektrik tüketimi için ödediği fiyatla eşleştiğinde kurulum rekabetçi olabilir. Bu durum "perakende şebeke paritesi", "soket paritesi" veya "dinamik şebeke paritesi" olarak adlandırılabilir. UN-Energy tarafından 2012 yılında gerçekleştirilen araştırma, İtalya, İspanya ve Avustralya gibi elektrik fiyatlarının yüksek olduğu güneşli ülkelerin ve dizel jeneratör kullanan bölgelerin perakende şebeke paritesine ulaştığını gösteriyor.
Standartlar
Genel olarak fotovoltaik modüllerde kullanılan standartlar:
IEC 61215 (kristal silikon performansı), 61646 ( ince film performansı) ve 61730 (tüm modüller, güvenlik), 61853 (Fotovoltaik modül performans testi ve enerji derecesi)
ISO 9488 Güneş enerjisiKelime.
Underwriters Laboratories'den UL 1703
Underwriters Laboratories'den UL 1741
Underwriters Laboratories'den UL 2703
CE işareti
Elektriksel Güvenlik Test Cihazı (EST) Serisi (EST-460, EST-22V, EST-22H, EST-110).
Uygulamalar
Güneş panelleri veya fotovoltaiklerin kullanımı için pek çok uygulama vardır. İlk olarak tarımda sulama için güç kaynağı olarak kullanılabilir. Sağlık hizmetlerinde, tıbbi malzemeleri soğutmak için güneş panelleri kullanılabilir. Altyapı için de kullanılabilir. PV modülleri, fotovoltaik sistemlerde kullanılır ve çok çeşitli elektrikli cihazları içerir:
Güneş kanalları
Fotovoltaik enerji santralleri
Çatı üstü güneş PV sistemleri
Bağımsız PV sistemleri
Solar hibrit güç sistemleri
Konsantre fotovoltaikler
yüzer güneş ; su bazlı güneş panelleri
Güneş uçakları
Güneş enerjili su arıtma
Güneş pompalı lazerler
güneş araçları
güneş enerjili su ısıtma
Uzay aracı ve uzay istasyonlarındaki güneş panelleri
Sınırlamalar
Elektrik şebekesi üzerindeki etki
Çatı tipi fotovoltaik sistemlerin artmasıyla ile enerji akışı 2 yönlü hale gelir. Üretimin tüketimden fazla olduğu durumlarda elektrik şebekeye ihraç edilir. Bununla birlikte, elektrik şebekesi geleneksel olarak 2 yönlü enerji aktarımıyla başa çıkmak için tasarlanmamıştır. Bu nedenle, bazı teknik sorunlar ortaya çıkabilir. Örneğin, Queensland Avustralya'da, 2017'nin sonuna kadar hanelerin %30'dan fazlası çatı katında PV kullandı. Elektrik PV hanelerinden şebekeye geri aktığı için aşırı voltaj sorunu ortaya çıkabilir. PV invertör güç faktörünün düzenlenmesi, elektrik dağıtıcı seviyesinde yeni voltaj ve enerji kontrol ekipmanı, elektrik kablolarının yeniden iletilmesi, talep tarafı yönetimi vb. gibi aşırı voltaj sorununu yönetmeye yönelik çözümler vardır.
Ekim 2019'da Kaliforniya'da elektrik kesintisi sırasında elektrik şebekeleri kesildiğinde, güneş panelleri genellikle kaldı, çünkü bunlar doğrudan evlere değil şebekeye güç sağlamak için tasarlanmıştı.
Elektrik faturası yönetimi ve enerji yatırımına etkisi
Elektrik veya enerji talebi ve fatura yönetiminde sihirli değnek yoktur çünkü müşteriler özel durumlara sahiptir, örneğin konfor/rahatlık ihtiyaçları, elektrik tarifeleri veya farklı kullanım şekilleri. Elektrik tarifesinin, günlük erişim ve ölçüm ücreti, enerji ücreti (kWh, MWh bazında) veya puant talep ücreti (örneğin, bir aydaki en yüksek 30 dakikalık enerji tüketimi için bir fiyat) gibi birkaç unsur olabilir. PV, Avustralya ve Almanya gibi elektrik fiyatının oldukça yüksek olduğu ve sürekli arttığı durumlarda enerji yükünü azaltmak için umut verici bir seçenektir. Bununla birlikte, en yüksek talep ücretinin yürürlükte olduğu yerler için, örneğin konut toplulukları gibi, en yüksek talepler çoğunlukla öğleden sonra ile akşamın erken saatlerinde meydana geliyorsa, PV daha az çekici olabilir. Genel olarak, enerji yatırımı büyük ölçüde ekonomik bir karardır ve operasyonel iyileştirme, enerji verimliliği, yerinde üretim ve enerji depolama seçeneklerinin sistematik olarak değerlendirilmesine dayalı yatırım kararları daha iyidir.
Güneş modülü kalite güvencesi
Güneş modülü kalite güvencesi, kalite gereksinimlerinin karşılandığından emin olmak için güneş hücre ve Panellerinin test edilmesini ve değerlendirilmesini içerir. Güneş modüllerinin 20 ile 40 yıl arasında uzun bir hizmet ömrüne sahip olması beklenmektedir. Güneş modülleri, fiziksel testler, laboratuvar çalışmaları ve sayısal analizlerin bir kombinasyonuyla test edilebilir. Ayrıca, güneş modüllerinin yaşam döngülerinin farklı aşamalarında değerlendirilmesi gerekir. Southern Research Energy & Environment, SGS Consumer Testing Services, TÜV Rheinland, Sinovoltaics, Clean Energy Associates (CEA), CSA Solar International ve Enertis gibi çeşitli şirketler güneş modülü kalite güvencesi konusunda hizmet veriyor." Tutarlı izlenebilir ve istikrarlı üretim süreçlerinin uygulanması, PV Modüllerinin kalitesini korumak ve sağlamak için zorunlu hale geliyor".
Test aşamaları
Test aşamaları şunları içerebilir: Kavramsal aşama, üretim aşaması, nakliye ve kurulum, devreye alma aşaması ve hizmet içi aşama. Test aşamasına bağlı olarak, farklı test ilkeleri geçerli olabilir.
Kavramsal aşama
İlk aşama, modülün beklenen çıktısının bilgisayar simülasyonu yoluyla test edildiği tasarım doğrulamasıdır. Ayrıca modüllerin sıcaklık, yağmur, dolu, kar, korozyon, toz, şimşek, ufuk ve gölgeye yakın etkiler gibi doğal ortam koşullarına dayanma kabiliyeti test edilir. Modülün tasarım ve yapım düzeni ile bileşenlerin ve kurulumun kalitesi de bu aşamada test edilebilir.
Üretim aşaması
Bileşen üreticilerinin denetlenmesi, ziyaret yoluyla gerçekleştirilir. Muayene, montaj kontrolleri, malzeme testi gözetimi ve Tahribatsız Muayeneyi (NDT) içerebilir. Sertifikasyon ANSI/UL1703, IEC 17025, IEC 61215, IEC 61646, IEC 61701 ve IEC 61730-1/-2'ye göre yapılmaktadır.
AC modülü
AC modülü, (arka tarafına monte edilmiş ve harici DC konektörü olmadan) AC gücü üreten küçük bir AC invertöre sahip bir fotovoltaik modüldür.
AC modülleri, Underwriters Laboratories tarafından güneş enerjisi hasadı için en küçük ve en eksiksiz sistem olarak tanımlanır.