Güneş tarafından Dünya’ya gönderilen enerjinin yalnızca bir kısmı Dünya yüzeyine ulaşır. Güneş enerjisinin bir kısmı uzaya geri döner. Bazıları ise hava tarafından emilir. Dünya yüzeyine ulaşan güneş enerjisinin çoğu görünür ışık biçimindedir.
Güneş panelleri bu ışığın enerjisini elektrik üretmek için kullanabilir. Ancak her türlü ışıkla eşit derecede iyi çalışmazlar. Farklı güneş paneli türleri farklı dalga boyları kullanır. Bu, bir hücrenin aldığı güneş enerjisinin yalnızca bir kısmını kullanabileceği anlamına gelir.
Bugün kullanılanlara benzer ilk güneş panelini icat eden kişi Amerika’lı bilim insanı Russell Ohl’dur. İlk güneş panelini silikon kullanarak tasarlamıştır. (silikon kumda ve birçok kaya türünde bulunur). Hücreye “ışığa duyarlı elektrikli cihaz” adını vermiştir. 1941’de bu yeni keşif için patent başvurusunda bulunmuştur ve beş yıl sonra da patentini almıştır. 1954 yılında çalıştığı şirket olan Bell Labs ilk pratik güneş hücresini yapmıştır. Bu hücre sıradan elektrikli cihazları çalıştırmaya yetecek kadar elektrik üretebilen ilk denemedir.
O günden bu güne güneş panelleri sürekli geliştirilmekte ve yaygın olarak kullanılmaktadır. Güneş panelinin çalışma prensibinin anlatımına panelin yapısını inceleyerek başlayalım.
Güneş panelinin iç yapısı
Güneş panelleri çeşitli boyutlarda yapılır. Bazıları bir puldan bile daha küçüktür. Bazıları ise 12 santimetre çapındadır.
Güneş paneli hücreleri, yarı iletken olarak bilinen bir tür malzemeden yapılmıştır. Genellikle bu malzeme silikondur. Yarı iletkenler elektriği iletebilir veya taşıyabilir. Ancak bu iletimi metaller kadar iyi yapamazlar. Bu yüzden onlara “yarı” denir. Elektriği yalnızca “yarı” ilettikleri için elektrik akımını kontrol etmek için kullanılabilirler. Üst ve alt kısımlarında genellikle içinden akımın akabileceği metal temas noktaları bulunur.
Tipik bir basit hücrede iki kat silikon bulunur. Biri n-tipi olarak bilinir. Diğeri ise p tipidir. Katmanlar birbirinden farklıdır.
Güneş paneli elektriği nasıl üretir?
Güneş panelinin elektrik üretme süreci, silikon atomlarının bir miktar ışığı emmesiyle başlar. Işığın enerjisi bazı elektronları atomlardan ayırır ve elektronlar iki katman arasında akmaya başlar. Bu akış bir elektrik akımı oluşturur. Akım, metal kontaklardan hücreyi terk eder ve elektrik üretilmiş olur. Bu üretilen elektrik doğru akım şeklindedir.
Biraz daha detaylandıralım: Güneş ışığı, solar hücresindeki yarı iletkene çarptığında ışıktan gelen foton formundaki enerji emilir, bir dizi elektronu serbest bırakır ve daha sonra hücre içinde serbestçe sürüklenir. Güneş hücresi bir elektrik alanı oluşturmak için bir araya getirilmiş pozitif ve negatif yüklü yarı iletkenlerle özel olarak tasarlanmıştır. Bu elektrik alanı, sürüklenen elektronları belirli bir yönde, hücreyi çevreleyen iletken metal plakalara doğru akmaya zorlar. Bu akış, bir elektrik akımı olarak bilinir ve akımın gücü, her hücrenin ne kadar elektrik üretebileceğini belirler. Gevşek elektronlar metal plakalara çarptığında, akım daha sonar iletkenlere yönlendirilir.
Işık bir güneş piline çarptığında enerjisinin çoğu boşa gider. Bir miktar ışık hücreden geri yansır, bir kısmı ise geçer. Bazısı ise ısıya dönüşür. Yalnızca doğru dalga boylarına veya renklere sahip ışık emilir ve ardından elektriğe dönüştürülür.
Aslında bu yukarıda anlattığımız çalışma prensibi basit bir güneş hücresinin elektriği nasıl ürettiğidir. Ancak tek bir basit güneş hücresi çok az elektrik üretir. Yani bu enerjiyi alıp herhangi bir cihazı çalıştırmanız mümkün değildir. Elektriğin daha fazla üretilmesi için daha fazla güneş hücresine ihtiyaç vardır. Bu nedenle, hücreler genellikle güneş modülleri olarak bilinen gruplar halinde birbirine bağlanır. Bir güneş modülü, hücreleri bir arada tutan bir çerçeveye sahiptir. Bazı modüller birkaç yüz watt’a kadar elektrik üretebilirler. Daha fazla güce ihtiyaç duyulursa, modüller bir araya getirilerek büyük bir güneş enerjisi dizisi oluşturulabilir.
Modüllere veya dizilere bazen güneş panelleri de denir. Bir grup güneş hücresi, güneş paneli, güneş modülü, güneş dizisi… Ne derseniz deyin, gerçek şudur ki: Ne kadar çok hücreyi birbirine bağlarsanız, o kadar çok elektrik üretebilirsiniz.
Güneş panelleri, doğrudan Güneş’e baktıklarında en iyi şekilde çalışır. Bu nedenle, panellere genellikle “izleyiciler” yerleştirilir. İzleyiciler panelleri gökyüzünde yer değiştiren Güneş’e doğru çevirir.
Birçok uzman, önümüzdeki yıllarda güneş panelleri kullanan daha büyük santrallerin kurulacağını düşünmektedir. Bir gün 500 megawatt’a kadar güç üretebilen güneş santralleri görebiliriz. Bu değer tipik bir kömür santralinin bugün ürettiği güçle eşittir.
Ev tipi güneş panelleri
Binalarda kullanılan güneş panelleri diğer panellerden farklı değildir. Yararlı olmaları için yeterli güneş ışığı alabilmeleri gerekir. Genellikle güneşe bakan ve gölgelenmeyen bir çatıya konurlar. Bazen ise yeterli alan varsa yere inşa edilirler.
Güneş panelleri çeşitli renk ve tasarımlarda üretilir. Bir duvara veya çatıya yerleştirilebilirler. Tasarımları bazen o kadar şıktır ki çatı veya duvar tasarımını bozmazlar. Göz ile ayırt edebilmeniz mümkün olmaz. İnce film paneller kullanılarak çatılar komple güneş paneli ile kaplanabilir. Ancak güneş panelleri tek başına bir binaya elektrik sağlayamaz. Daha fazla ekipmana ihtiyaç vardır. Çünkü güneş hücreleri DC elektrik üretir. Bazı basit elektrikli cihazlar DC elektrik kullanmasına rağmen ev aletleri ve ışıklar genellikle AC ile çalışır. Dolayısı ile DC’yi AC’ye dönüştürmek için invertör adı verilen bir cihaza ihtiyaç vardır. İnvertörün dönüştürdüğü AC, evi beslemek veya fazladan elektriği şebekeye satmak için kullanılabilir.
Elektrik depolama
Güneş panelleri karanlıkta elektrik üretmez. Bina kamu elektrik şebekesine bağlı değilse, güneş panellerinin çalışması için çok karanlık olduğunda kullanılmak üzere elektriği depolamanın bir yolu olmalıdır. Genellikle piller elektriği depolamak için kullanılır. Piller, şebekeye bağlı binalarda bile yardımcı olabilir. Şebeke bir güç kaybı yaşarsa, yedek olarak hizmet edebilirler.
Güneş paneli özellikleri
Uzmanlar güneş panellerini karşılaştırdıklarında, baktıkları tek şey bir hücrenin ne kadar maliyetli olduğudur. Eğer bir panel çok pahalıysa kimse satın almaz. İlk güneş panelleri ilgili temel sorun, genellikle diğer güç kaynaklarından daha pahalı olmalarıydı. Bu nedenle güneş panellerinin ilk önemli kullanımı uzay uydularında olmuştur. 1950’lerde uzayda elektrik üretmenin daha ucuz yolları yoktu.
Uzmanların dikkat ettiği başka bir parameter ise hücrenin “verimliliği”dir. Verimlilik bir hücrenin güneş ışığını kullanmada ne kadar iyi olduğunu gösterir. Yüksek verimli bir hücre, güneş ışığının enerjisini daha fazla elektrik enerjisine dönüştürür.
Güneş panelleri icat edildiğinden beri, bilim insanları onları daha ucuz ve daha verimli hale getirmek için çok çalıştılar. İlk güneş hücreleri yüzde 4’ün altında bir verimliliğe sahipti. Bugün hücreler çok daha ucuza mal olmaktadır ve birçoğunun verimliliği yüzde 15’ten daha fazladır.
Daha iyi güneş panelleri
Bilim adamları daha iyi hücreler yapmanın yollarını aramaya devam ediyor. Plastik gibi yeni malzemeleri paneller üzerinde deniyorlar. Örneğin, şu anda bir “fotokapasitör” üzerinde çalışıyorlar. Fotokapasitör hem elektrik üreten hem de daha sonra kullanmak üzere depolayan bir güneş enerjisi cihazıdır. Deneysel modeller bu cihazın pratik kullanım için iyi olmadığını gösterdi. Ancak cihaz geliştirilebilirse, en azından bazı durumlarda, güneş elektriğini depolamak için pillere olan ihtiyacı ortadan kaldırabilir.