6.4. Güneş Hücresi Modeli
Bir güneş hücresi p-n ekleminden (junction) oluşmuş olan ve yüzeyi özel olarak arttırılmış bir diyottur.Eğer hücreye hiç güneş ışığı gelmezse, hücre tamamen Şekil.11'de gösterildiği gibi akımın aküden dışa doğru serbestçe akmasına izin veren ve diğer yönde akmasını engelleyen bir diyot gibi davranacaktır. Güneş hücresinin akımı ters yönde oluşturduğuna ve bu yüzden hücrenin akımı diyot gibi serbest olarak geçireceğine dikkat etmek gerekir. Tasarım açısından bakılacak olursak bu durumun iki sonucu vardır.
Birincisi, eğer güneş hücresi aküyü şarj ediyorsa devreye bir anahtar eklenmelidir. Hücrelerin gün ışığı gelmediği zaman akülerin boşalmasını önlemek için kullanılan bu anahtar geceleri açık tutulmalıdır ki akü boşalmasın. İkincisi ise bir hücre düzeneğindeki herhangi bir hücrenin gölgede kalması bu hücrenin akım üretememesine ve diğer hücrelerin akımını engelleyecek şekilde diyot gibi davranmasına neden olacaktır. Bu durumda "by-pass" diyotları kullanılmalıdır.
Bir güneş hücresinin eşdeğer devresi burada Is hücre tamamen gölgedeyken ki diyot doyum akımı ve IL güneş ışığının yarattığı potansiyel farkından oluşan akıma benzer bir akım kaynağıdır. RSH şönt direncidir. Bazı elektron-boşluk çiftleri bağlantı üzerinde tekrar birleşecekler. RSH bu "akım akışına" karşı oluşan dirençtir. İdeal olarak bir güneş hücresinin sonsuz şönt direncine sahip olması beklenir,yani RSH = ?? fakat gerçek hücreler için bu mümkün değildir. RS hücrenin iç seri direncidir. Hücreler kendilerinin ürettiği enerjiyi soğuran iç dirence sahiptirler.
Bu devrede I: Hücrenin çıkış akımı, V: Hücrenin çıkış voltajı, q: Bir elektronun yükü olmak üzere 1.6021773×10-19 C, K: Boltzmann sabiti (1.380658× 10-23 J/K), T: Mutlak sıcaklık ve n model parametresidir (silikon için 1.5 ). Denklem (28)'de böyle bir devrenin oluşturacağı çıkış akımı gösterilmiştir:
Yukarıdaki model denklem (29)'da gösterilen açık devre gerilimi Voc ve kısa devre akımı Isc bilgileri kullanıldığında bir güneş hücresi için uygun bir veri haline gelir.
V = Voc ;I=0 iken (28)
I=Isc ;V=0 iken (29)
Hücre için I = 3.20 A ve V = 0.468 V olduğu durumda maksimum çıkış gücü 1.5 W'tir. Bu model güneş hücreleri ve hücre dizileri ile ilgili birçok konuda kullanılır.
6.5. Güneş Hücrelerinin Dizilerinin Bağlanması
Hücreleri dizi şeklinde dizerken dikkat edilmesi gereken bazı önemli hususlar vardır. Dizi voltajı, akü sistem voltajı ve güç düzenleyiciler ile uyuşmalıdır. İdeal olarak dizi voltajı akü sistem voltajından biraz daha yüksek olmalıdır. Bu yükseltici trafodan daha verimli olan düşürücü trafonun kullanımına olanak sağlar. Tipik bir akü sistem voltajı olan 100 V'a ulaşmak için birçok hücre Şekil.15'te olduğu gibi seri olarak bağlanmalıdır.
Seri bağlanan bir devrede bütün güneş hücrelerinden aynı akım geçer.Burada önemli olan dizide bulunan bütün hücrelerin yaklaşık olarak aynı güç akımına sahip olmalarıdır. Örneğin, farklı güç akımına sahip iki seri bağlı hücreyi ele alalım:
1 nolu hücre 0.468 V ve 3.199 A'de 1.497 W güce sahip olsun.
2 nolu hücre de 0.470 V ve 2.244 A'de 1.0546 W güce sahip olsun .
Eğer bu iki hücre bu güçlerde çalışırlarsa, iki hücrenin kendi aralarında üreteceği toplam güç;
1.497 + 1.0546 = 2.5516 W olur.
Ancak bu iki hücre seri olarak bağlanacak olursa, ikisi de aynı akımı taşımak zorunda kalacak ve kendi güçlerinde çalışamayacaklardır. Eğer iki hücrenin taşıdığı akım I, sağladıkları voltaj V1 ve V2 olur.
6.6. Dizinin Gölgelenme Durumu
Eğer dizi içindeki bir hücre gölgede kalırsa, aydınlatma seviye akımı (I) hızlı bir şekilde düşecektir. Gölgede kalan herhangi bir hücre hızla azalan kısa devre ve güç akımına sahip olacaktır ve dizideki diğer hücrelerin akımını sınırlandıracaktır. Eğer tamamen gölgede kaldıysa, hiç güneş enerjisi alamıyorsa, bu hücre akımı engelleyen bir diyot gibi davranacak ve hücre dizisinden geçen akım sıfır olacaktır. Bu durumda bütün dizinin çıkış gücü de sıfır olacaktır. Zarar görmüş veya zayıf hücreleri baypas etmek için baypas diyotları kullanılabilir ancak, baypas diyotlarıyla bile dizinin çıkış gücünü azaltmak için fazla gölgeleme oluşturulmaz.
6.7. Baypas diyotları
Diyotlar genel olarak sorunlu bir hücrenin akımı tamamen kesmesini engellemek için kısa dizilerin çevresine bağlanırlar ve sadece üzerlerinde ters voltaj oluştuğu zaman aktif olurlar. Her sorunsuz hücrenin güç noktasında 0.5 V ürettiği ve de baypas diyotunun gösterildiği gibi dört hücre çevresine bağlandığı varsayılsın. Bütün hücreler sorunsuzdur ve baypas diyotu üzerinden akım akmamaktadır. Altı hücre üzerinden voltaj kazancı 3.0 V olacaktır ve eğer hücreler 3 A üretiyorsa, bu altı hücre 9 W güç üretir. Bir tane sorunlu hücre vardır. Diğer hücreler sorunlu hücrenin üzerindeki voltajı tersine çevirecek şekilde o hücreye doğru akım akıtmaya çalışırlar. Diyot olmaksızın sorunlu hücre hiçbir şekilde üzerinden akım akmasına izin vermeyecektir ve çıkış gücü sıfır olacaktır. Baypas diyotu, ortadaki dört hücrenin etrafında özellikle devreye dahil etmeden akım akmasına izin verir. Dört hücrenin baypası sırasında iki volt kayıp meydana gelir. Diyotun ileri beslemesi ve akım iletmesi için ek olarak yaklaşık 0.5 V gerekecektir, böylelikle hatalı olan hücrenin baypası sırasında toplamda 2.5 V kaybolacaktır.1.5 W güç üretilecektir; böylece bir hatalı hücre ile dizi 7.5 W güç kaybedecektir. Akım diyotun üstünden serbestçe akar ve geri kalan hücre dizilerindeki güç üretiminin devamına izin verir. Baypas diyotlarının amacı, hücrelerin küçük bir bölümünün zarar görmesi yada gölgelenmesi halinde dizinin güç üretimine devam etmesini sağlamaktır.
Genel yaklaşım, silikon diziler için her 5-7 hücre çevresine baypas diyotlarının kullanılmasıdır.
6.8. Güç Düzenleyicileri
Güneş hücresi dizisinin kullanılmasının en basit yolu Şekil.18'de gösterildiği gibi diziyi doğrudan akü paketine bağlamaktır. Eğer dizi voltajını akü voltajından daha yüksek seviyeye getirecek yeterli sayıda seri bağlı hücre varsa, dizi güç üretecek ve aküleri dolduracaktır. Diziyi pillere bağlama metodu basit, ekonomik ve güvenilirdir.
Eğer dizi pil paketiyle eşleştirilirse çoğu durumda dizi güç üretecek ve pilleri dolduracaktır. Sonuç olarak bu tasarım, dizinin üretebileceği enerji miktarını kullanarak yaklaşık %75 verimli olacaktır. Tasarımın düşük maliyeti ve basitliği sebebiyle çoğu karasal güneş hücresi dizilerinin tasarlandığı ve bağlandığı yol budur.
1) Akü voltajı dizinin güç noktası voltajına eşit olduğu zaman sistemin verimi yaklaşık % 100'dür.
2) Akü voltajı güç noktası voltajından az olduğu zaman verim tahminen gerilim oranlarına eşittir.
3) Dizinin güç noktası voltajından yüksek olduğu zaman verim keskin biçimde düşer.
4) Akü voltajı açık devre voltajından yüksek olduğu zaman güç üretilmez.
Bu basit tasarımdaki öncül düşünce, güç noktası voltajını hemen hemen tüm durumlar için akü voltajından yüksekte tutmaktır. Güneş hücresi dizisi voltajını çok yüksek yapmak, dizinin her zaman bir miktar güç üretmesini garanti eder. Fakat üretilen güç düşük olacaktır. Dizinin güç noktası voltajı ile akünün yüksüz voltajı arasında sistemin yaklaşık %75 verime sahip olduğu bir en iyi eşleşme durumu mevcuttur.
6.9. Alçaltıcı – Yükseltici Çeviriciler (DC-DC Converter)
Çıkış voltajını düzenleyen ve iki adet mosfet anahtarı kullanmak suretiyle alçaltabilen ve yükseltebilen çevirici yapmak mümkündür. Alçaltacı – yükseltici çeviriciler hala geliştirilme safhasındadırlar. Bu noktada çeviriciler iyi test edilmemiştir ve bu yüzden güvenilirlikleri sorgulanabilir. Fakat bu tip çeviricilerin güneş arabası yarışlarında kullanılmasının üzerinden çok uzun zaman geçmemiştir. Bu tür düzenleyiciler güneş hücresi dizisi voltajı akü voltajından fazla bir değerde ayarlanmış voltajdan küçükse bu voltajı arttırıcı büyükse de düşürücü şekilde çalışırlar. YÜGAT takımı bu tür bir DC – DC çevirici kullanmaktadır.
7. Sonuçlar ve Yorum
30 Ağustos 2005 tarihindeki Formula-G yarışlarında Yeditepe Üniversitesi takımının (YÜGAT) en önemli özelliği araç için gerekli olan şasi, fiber gövde, güneş panelleri gibi kısımları gerekli hammadde sağlandıktan sonra tamamen üniversite bünyesinde kendi olanaklarıyla gerçekleştirmekte oluşudur. Bunun nedeni, bu proje aracılığıyla öğrencilerimizin gerçek iş hayatında karşılaşacakları zorlukları ve bunları aşabilmeyi öğrenmelerinin ve bu esnada ar-ge eğitimlerinin geliştirilmesinin temel hedef olarak seçilmiş olmasıdır.Çalışmalarımız süresince takımımızın eğitime ne kadar önem verdiği yaptığımız yayınlarla ve bu yazıyla kanıtlamaktadır. Dünya Fizik Yılında ülkemizde bu konularla ilgilenen ilgilenmeyen herkese birazcık katkım olmuşsa ne mutlu bana…
Prof. Dr. Necdet Aslan (Yeditepe Üniversitesi, Fizik Bölümü)
(FORMULA-G 2005 YARIÅžLARI)
Referanslar
1. The Winning Solar Car, Doglass R. Carroll SAE Int., 2003
2. Electric and Hybrid Vehicles-Design Fundamentals, Iqbal Husain, CRC Press, 2003
3. Linkleri sadece uyelerimiz gorebilir.Daha kaliteli bir hizmet icin uye olun, zaten uyeyseniz giris yapin.
Uye ol yada
Giris yap4. Linkleri sadece uyelerimiz gorebilir.Daha kaliteli bir hizmet icin uye olun, zaten uyeyseniz giris yapin.
Uye ol yada
Giris yap
