Güneş Panelleri için Verimlilik Hesabı Nasıl Yapılır?

Verimlilik, güneş panellerinin karşılaştırılmasında kullanılan önemli değerlerden biridir. Genel olarak verimlilik, çıkış gücünün giriş gücüne oranı olarak ifade edilmektedir. Bununla birlikte, güneş panellerinde verimlilik hesabı için birçok parametrenin belirlenmesi gerekmektedir. Yazımızda güneş panelleri için verimlilik hesabının nasıl yapıldığını inceledik.

Güneş Panelleri için Standart Test Koşulları

Farklı tipteki güneş panellerinin verimlilik açısından doğru biçimde karşılaştırılması için parametreler aynı koşullar altında belirlenmelidir. Endüstri tarafından kabul gören birden fazla koşul sistemi (STC, PTC vb.) bulunmaktadır.

Birçok panel üreticisi, gerekli parametreleri standart test koşulları altında belirlemektedir. Bu nedenle, yazımızdaki hesaplamalar standart test koşulları (STC) temel alınarak gerçekleştirilmiştir. Parametrelerin standart test koşulları altında belirlendiği, güneş panelinin teknik dokümanında “STC” ibaresi ile belirtilmektedir.

Standart test koşulları temel olarak üçe ayrılmaktadır:

1. Güneş Sabiti (1000 W / m² )
2. Sıcaklık (25 °C)
3. Hava Kütlesi (AM 1.5)

Güneş Sabiti

Güneş sabiti, metrekare başına düşen güneş ışını miktarı olarak tanımlanmaktadır. Bir güneş panelinin verimliliğinin hesaplanabilmesi için giriş gücünün ve çıkış gücünün bilinmesi gerekmektedir. Giriş gücünün belirlenmesinde ise güneş sabiti kullanılmaktadır.

Güneş sabiti; güneş gücünün, Güneş – Dünya arasındaki uzaklığa oranlanması ile hesaplanmaktadır. Ancak hesaplama yapılırken Güneş ve Dünya küre olarak kabul edilmelidir. Bununla birlikte, Güneş’in elektriksel gücü 3.828 x 10²⁶ Watt, Güneş – Dünya arasındaki uzaklık ise 1.496 x 10¹¹ metre (1 AU) olarak kabul edilmektedir.

Bu veriler kullanılarak güneş sabiti:

olarak hesaplanır. Bununla birlikte, güneş gücünü 3.85 x 10²⁶ Watt olarak kabul eden kaynaklar da bulunmaktadır. Bu nedenle güneş sabiti, 1360 – 1370 W / m² arasında bir değer olarak kabul edilmektedir.

Ancak Dünya atmosferi, güneş ışınlarının tamamının yeryüzüne ulaşmasını engellemektedir. En iyi ihtimalle güneş ışınlarının yalnızca %75’i yeryüzüne ulaşabilir. Öte yandan, yeryüzüne ulaşan güneş ışını miktarı, bölgesel ve mevsimsel olarak farklılık göstermektedir. Bu nedenle, verimlilik hesabı yapılırken güneş sabiti 1000 W/m² olarak varsayılmaktadır.

Sıcaklık

Gerekli parametreler belirlenirken hücre sıcaklığının 25°C / 77°F olması gerekmektedir. Ancak bu sıcaklık, normal çalışma durumundaki sıcaklığı yansıtmamaktadır. Bu doğrultuda, normal çalışma durumundaki bir güneş panelinin sıcaklığının test sıcaklığından daha yüksek olması beklenmektedir.

Hava Kütlesi

Dünya’nın kendi etrafında dönüşü nedeniyle güneş ışınlarının atmosfere giriş açısı değişmektedir. Giriş açısının artması, güneş ışınlarının atmosferde daha fazla yol katetmesine ve daha fazla hava kütlesiyle karşılaşmasına neden olmaktadır. Atmosferin güneş ışınları üzerindeki etkisi, bu yolun uzunluğuna bağlıdır. Dolayısıyla farklı uzunluklar için farklı spektrumlar belirlemek gereklidir.

• AM0, atmosferin dışındaki spektrumdur.
• Güneş ışınlarının atmosfere giriş açısının 0 derece olduğu durum, AM 1.0 spektrumu olarak isimlendirilmektedir.
• Zenith açısının (θz) 48.2° olduğu durum ise AM 1.5 spektrumu olarak isimlendirilmektedir.

Hava kütlesi, güneş ışınlarının giriş açısına göre değiştiğinden, verimlilik hesabı yapılırken güneş panelinin kullanılacağı yer dikkate alınmalıdır. Örneğin; uzay araçlarında kullanılan güneş panellerinin verimlilik hesabında AM 0 spektrumu kullanılırken, ticari amaçlarla kullanılan güneş panelleri için AM 1.5 spektrumu kullanılmaktadır.

Güneş Panelleri için Parametrelerin Belirlenmesi

Güneş panellerinin verimliliği doğrudan belirlenemez. Verimlilik hesabı için güneş panelinin karakteristiği bilinmeli ve gerekli parametreler belirlenmelidir. Parametrelerin belirlenmesinde performans eğrisi kullanılmaktadır.

Performans Eğrisi

Performans eğrisi, güneş panelinin gerilim – akım ilişkisini ortaya koyarak parametrelerin belirlenmesine yardımcı olan eğridir. Gerilim ve akım olmak üzere iki eksenden oluşmaktadır. Güneş paneline ait gerilim – akım bileşenleri bulunarak, panelden elde edilebilecek maksimum güç hesaplanabilir.

Performans eğrisi dört önemli parametreyi içermektedir:

1. Açık Devre Gerilimi (Voc)
2. Kısa Devre Akımı (Isc)
3. Maksimum Güç Noktası (Vmp , Imp)
4. Doluluk Faktörü (FF)

Açık Devre Gerilimi

Panelin bir hücresinde indüklenebilecek maksimum gerilim değerini ifade etmektedir. Güneş hücresine çok yüksek ya da sonsuza yakın değerde bir rezistif yük bağlanması ile elde edilmektedir. Bu durumda hücre üzerinden akım akmaz ancak hücre gerilimi maksimum değerdedir. Açık devre gerilimi, hücre üzerine düşen güneş ışını miktarına göre logaritmik olarak artar.

Kısa Devre Akımı

Panelin bir hücresinden akabilecek maksimum akımı ifade etmektedir. Kısa devre akımı, güneş hücresinin kısa devre edilmesi ile elde edilmektedir. Bu işlem sonucunda hücre üzerindeki gerilim 0 Volt olurken, hücreden akan akım maksimum değerdedir. Bununla birlikte kısa devre akımı, hücre üzerine düşen güneş ışını miktarına göre lineer olarak artar.

Maksimum Güç Noktası

Açık devre gerilimi ve kısa devre akımı, güneş hücresinin maksimum gerilim – akım değerleridir. Ancak bu iki nokta için de güç değeri 0 Watt olacaktır. Hücreden elde edilebilecek maksimum gücün bulunması için rezistif yük değerinin sistematik şekilde artırılması gerekmektedir. Farklı direnç değerleri için güç hesabı yapıldığında, bir noktada maksimum güce ulaşıldığı görülecektir. Hesaplanan gücün performans eğrisindeki konumu ise maksimum güç noktası olarak isimlendirilmektedir. Bununla birlikte, maksimum güç noktasındaki gerilim – akım değerleri sırasıyla, çalışma gerilimi (Vmp) ve çalışma akımı (Imp) olarak isimlendirilmektedir.

Doluluk Faktörü

Doluluk faktörü, bir güneş hücresinin pratik maksimum güç değerinin, teorik maksimum güç değerine oranı olarak tanımlanmaktadır.

Güneş Panelleri için Verimlilik Hesabı Örneği

Parametrelerin belirlenmesinin ardından verimlilik hesabı kolaylıkla yapılabilir. Verimlilik hesabının standart test koşulları altında yapıldığından bahsetmiştik. Bu nedenle giriş gücü 1000 W/m² varsayılmaktadır. Bununla birlikte, çıkış gücü hesaplanırken güneş panelinin alanının hesaplanmasına ve çıkış gücünün de W/m²  cinsinden yazılmasına dikkat edilmelidir.

Yukarıdaki şekilde ESF 230 Poly güneş panelinin teknik dokümanı bulunmaktadır. Teknik dokümandaki verileri kullanarak güneş panelinin verimliliğini hesaplamaya çalışalım.

Not: Dokümanda bulunan uzunluk ve genişlik değerleri inç biriminde yukarı (Uzunluk: 58 inç, Genişlik: 43.5 inç) yuvarlanmıştır. Aşağıda bulunan hesaplamalarda ise değerler direkt olarak kullanılmıştır.

• Maksimum güç ve güneş paneli alanının hesaplanması:

• Giriş gücü W/m²  cinsinden verildiği için çıkış gücünün de W/m²  cinsinden hesaplanması gerekmektedir.

Bu durumda çıkış gücü:

olarak hesaplanmaktadır.

• Verimlilik hesabı standart test koşulları (STC) altında gerçekleştirilmektedir. Bu nedenle giriş gücü (Pgiriş) 1000 W/m²  olarak varsayılır.

Çıkış gücü, giriş gücüne oranlandığında güneş panelinin verimliliği:

olarak hesaplanmaktadır.