Türkiye’de Güneş Pilleri

1. Türkiye’de Güneş Pilleri Hasan Hüseyin Erkaya Eskişehir Osmangazi Üniversitesi UGHEK’2008

2. Türkiye’de Güneş Pilleri • Tarihsel Gelişme • Çalışma İlkesi • Kullanıcıya Maliyeti • Ekonomideki Yeri • Piyasa ve Teşvikler • AR-GE Çalışmaları • Beklentiler

3. Tarihsel Gelişme • 1839: Alexandre-Edmond Becquerel • Işıktan elektrik üretmenin keşfi • 1883: Charles Fritts • Altın-Selenyum kontağı (%1 verim) • 1946: Russel Ohl • Modern güneş pili patenti • 1954: Bell Laboratuvarları • Silisyum güneş pilleri yapımı • (Kaynak: Wikipedia)

4. Tarihsel Gelişme • 1958: Peter Iles • İlk uydu için güneş pili yaptı • Çeşitli ülkeler arasında ortak güneş pili araştırması başladı • Silisyum, %6 verim • 1970: Zhores Alferov • GaAs Hetero-eklem güneş pili

5. Zhores I. Alferov: “Heterostructure-based solar cells were created by us as far back as 1970. And when American scientists published their early works, our solar batteries have been already mounted on the satellites (sputniks) and their industrial production was in full swing. The cells, when being employed in space, proved their efficiency.”

6. Tarihsel Gelişme • 1973-74: Petrol Krizi • Alternatif enerji kaynakları arayışı • Güneş pillerine artan ilgi • Petrol firmaları güneş pili AR-GE ve üretimi yapıyor • Kriz geçtikten sonra ilgi ve AR-GE yavaşladı. (Son yıllarda artan petrol fiyatları, güneş enerjisini ön plana çekti.)

7. Tarihsel Gelişme • 1988: Applied Solar Energy Corp. • GaAs seri üretim (%17 verim) • 1989: Applied Solar Energy Corp. • Ge taban üzerinde GaAs (%19 verim) • 1993: Applied Solar Energy Corp. • İki-eklemli pil seri üretim (%20 verim) • 2000 Üç-eklemli pil (%24 verim) • 2002 Üç-eklemli pil (%26 verim) • 2005 Üç-eklemli pil (%30 verim)

8. Tarihsel Gelişim • 2007: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: • Emcore Photovoltaics

9. 2007: Yüksek verimli piller üreten iki firma var: • Spectrolab

10. Tarihsel Gelişme • Birinci nesil güneş pilleri • Silisyum tabanlı (tek kristal) • Tek eklemli • Geniş alanlı • Verim %20’nin altında • Ticari piyasanın %86’sına hakim

11. Tarihsel Gelişme • İkinci nesil güneş pilleri • İnce film teknolojisi • Taban kafes yapısına uyumlu • Uzay/uydu uygulamalarında yaygın • AM0 şartlarında %28-30 verim • Pahalı • Yeryüzü uygulamalarında • AM0 şartlarında %7-10 verim • Ucuz

12. Tarihsel Gelişme • İkinci nesil piller (devam) • Silisyum malzeme • Amorf silisyum • Çok kristalli sislisyum • Mikro kristalli sislisyum • Kadmiyum Tellürid • Bakır İndiyum Selenid • GaAs tabanlı (%37 verim amaçlanıyor) • Esnek tabanlara ince film yapı

13. Tarihsel Gelişme • Üçüncü nesil güneş pilleri • Çok eklemli • Kuantum noktası • Karbon nano boru • Nanokristal yapı • Elektrokimyasal yapı • Organik yapı • AM0 şartlarında %45 verim hedefleniyor

14. Kaynak: Martin Green

15. Tarihsel Gelişme • Türkiye’de güneş enerjisi • 1960’lı yılların başında akademik ilgi başladı • Bilgen,E., “Güneş Işınlarından Enerji Elde Edilmesi ile bu Enerjinin Soğutmada Kullanılması,” Doktora Tezi, İTÜ, 1966. • Selçuk, M. K., “Solar Stills for Agricultural Purposes,” Solar Energy, V17,2:pp103-109,1975 • İlk çalışmalar • Güneş enerjisi potansiyeli tespiti • İlgili teknolojinin geliştirilmesi

16. Tarihsel Gelişme • Türkiye’de güneş enerjisi • 1975: İlk ulusal kongre (İzmir) • 1975: ODTÜ’de pasif güneş enerjisi uygulaması • 1978: Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü kuruluşu • 1982: Meteoroloji + Elektrik İşleri Etüd İdaresi ortak çalışma (potansiyel tespiti) • TÜBİTAK MAM

17. Tarihsel Gelişme • Türkiye’de Güneş Pilleri • 1989: Güneş pili ile çalışan ısı pompası (Ege) • 1990lar: Haberleşme sistemlerinde güç kaynağı (50 kWp güç) • 1998: EİE Didim Lab Güç Santralı • Şebeke Bağlantılı 4,8 kWp Güneş Pili Sistemi • 2005: 1.3 MWp kapasite • 2010: 3 MWp kapasite hedef

18. 10 Mayıs 2008 • Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyel Atlası hazırlandı • Yıllık elektrik üretim potansiyeli 380 milyar kWh • Güneş piliyle elektrik üretim maliyeti 20 cent gibi yüksek bir rakam olduğu için tüm potansiyel değerlendirilemiyor. • %20 verim ile 56 bin MW (megavat) kurulu gücünde bir doğalgaz çevrim santraline denk • Bundan sonra güneş tarlaları olacak • Yenilenebilir Enerjisi Yasası ile bu yatırımlara 10 yıl alım garantisi var. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanı Hilmi Güler:

19. Çalışma İlkesi Işık Tanecikleri (Fotonlar) Elektrik Enerjisi Güneş Pili (Yarıiletken)

20. Çalışma İlkesi yarıiletkenler yalıtkanlar iletkenler Ge Si GaAs özgül iletkenlik • - Yarıiletkenlerin iletkenliği katkılama ile “ayarlanır.” • Katkılama p veya n tipi olabilir. • Bir parça yarıiletkenin bir kısmı p diğer kısmı n tipi katkılanırsa • pn-eklemi oluşur.

21. Çalışma İlkesi • Katkısız silisyum • 1 cm3 silisyumda 1022 atom var • Her bir silisyum atomu 4 komşusuyla kovalent bağ oluşturur. • 0 derece Kelvin sıcaklığında bu bağların hepsi tamam • Oda sıcaklığında (300 K) 1.5x1010 valans elektronu bağını koparır ve yapı içinde dolaşabilir. • Kopmuş valans bağa “delik” adı verilir (hole, deşik, boşluk diyenler de var). Delikler de yer değiştirebilir.

22. Çalışma İlkesi • Katkısız silisyum • Valans elektronunun bağını koparmak için alması gereken en az enerji =“enerji bant aralığı” • Silisyum bant aralığı 1.12 eV (elektron volt). • Katkılı silisyum • Periyodik cetvel 5. sütun elementleri: n-tipi • Periyodik cetvel 3. sütun elementleri: p-tipi • 1015-1019 cm-3 gibi katkılamalar kolay

23. Çalışma ilkesi • Yarıiletken yapıya giren bir fotonun enerjisi yeteri kadar yüksek ise, bir valans elektronunun bağını koparabilir (elektron-delik çifti üretme) • Bu şekilde üretilen elektronlar bir tarafta, delikler de karşı tarafta toplanırsa, güneş pili elde edilir. • Toplama için bir elektrik alanı gerekir. • PN ekleminde bu alan kendiliğinden oluşur.

24. Çalışma İlkesi elektrik alanı fakirleşme bölgesi p - + - + - + - + - + n Aktif bölgede oluşacak elektron-delik çiftleri fakirleşme bölgesine girdiğinde elektrik alanının yardımıyla ayrılarak karşı tarafa geçirilir. aktif bölge

25. Çalışma İlkesi

26. Çalışma İlkesi

27. Güneş Pili Eşdeğer Devresi

28. Çalışma İlkesi • Akım gerilim ilişkisi karanlıkta i + - v P N i v aydınlıkta

29. Çalışma İlkesi • Verim = • Neden %100 değil? • Fotonların bir kısmı dışa yansıyor • Bir kısmı aktif bölge dışında soğruluyor • Bir kısmının enerjisi az • Fazlalık enerji ısıya dönüşüyor • Kontak dirençleri/kaçak akımlar Elektrik Gücü Güneşten Gelen Güç

31. Çalışma İlkesi • Güneşten yer yüzüne gelen ışıma ortalama 1000 W/m2 • %10 verimli pillerden oluşan panel varsayalım • 1m2 panel çıkış gücü 100 W/m2 • 100 wattlık ampul yakmak için 1 m2 panel gerekli • 2400 wattlık fırın için 24 m2

32. Akla gelen sorular: • Panel kaç volt verecek? • DC mi AC mi? • Hava kararınca ne olacak? • Buzdolabını çalıştırır mı? • Elektriği depolamak mümkün mü? • TEDAŞ’a da satılıyormuş, doğru mu? • Kilowatt-saati kaç kuruş olacak?

33. Kullanıcıya Maliyeti Panel . . . . . . $$$ Doldurucu . . $$ Evirici . . . . . . $$ Akü grubu . .$$$ Destek yapısı $ İşçilik . . . . . $$ _____________ Toplam . . . $$$$ Güneş pili paneli doldurma sistemi evirici AC yükler Akü grubu DC yükler

36. Kullanıcıya Maliyeti • Günlük enerji gereksiniminden panel miktarı belirlenir: • Buzdolabı 150 watt, 3 h çalışma: 0.45 kWh • Aydınlatma 100 watt, 6 h çalışma: 0.60 kWh • Televizyon 80 watt, 10 h çalışma: 0.80 kWh • Fırın 2400 watt, 0.5h çalışma: 1.20 kWh • Diğer . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.15 kWh Toplam: 3.20 kWh

37. Kullanıcıya Maliyeti • Panel Miktarı • Günlük enerji gereksinimi, güneşin olduğu süre içerisinde üretilecektir (kısa günlerde 6 saat) günlük kWh (3.20 kWh) • Panel gücü= = 0.53 kW günlük güneşli süre (6 h) • Yaklaşık panel alanı = panel gücü (kW) x 10 m2 = 5.3 m2 (%10 verimli panel)

38. Kullanıcıya Maliyeti • Akü miktarı • Depolanacak enerji miktarına göre • Çekilecek en fazla güç miktarına göre • Akü kapasitesi • 12 V,150 Amper-saatlik akü ne kadar enerji depolar? (1 saat süreyle 150 amper verebilir demek) Enerji = 12 V x 150 A x 1 h = 1.8 kWh

39. Kullanıcıya Maliyeti • Akü Doldurma Sistemi ve Evirici çekilecek güce göre hesaplanacak • Verimler hesaba katılacak • İnce hesap için EİE verileri kullanılabilir: www.eie.gov.tr

40. Güneş Enerjisi Potansiyeli

41. Güneş Enerjisi Potansiyeli Kaynak: EİE

42. Güneşli Su Isıtıcı Kullanımı TEP: 1 ton petrol enerjisine denk enerji Isıtıcı panel kullanımı: 12 milyon m² Isıtıcı panel üretim kapasitesi: yılda 750 bin m² (bir kısmı dışa satılıyor) Kaynak: EİE

43. Ekonomideki Yeri Energy Sources and Proven Reserves in Turkey as of December 2006

44. Ekonomideki Yeri • 2007 de güneş enerjisinden faydalanma (Su ısıtmada) 420 000 TEP • Potansiyel: 76 000 000 TEP Oran: %0.55 1 TEP = 11630 kWh = 11.63 MWh

45. Ekonomideki Yeri • Güneş Pilleri ile Enerji Üretimi 1.5 MWp kapasite, günde 7.2 saat, 365 gün Yıllık üretim = 3942 MWh Petrol dengi: 339 TEP Potansiyel: 76 000 000 TEP Oran: milyonda 4.46 (“devede kirpik”)

46. Shares of Fuels in Electricity Generation

47. Shares of Fuels in Electricity Generation

48. Güneş Pillerinin Katkısı 2006 Toplam elektrik enerjisi tüketimi 174 637 000 MWh 2006 Güneş Pilleriyle üretilen enerji 3942 MWh Oran = milyonda 22.5 (“devede kulak”)

49. 2020 Yılına Kadar Dünya Genelinde Güneş Pili Üretim Öngörüleri Kaynak: EİE

50. Dünyada Güneş Pili Satışları Kaynak: EİE