Güneş Radyasyonu
Güneş radyasyonu, geniş spektral dağılım ile karakterize edilir, yani çok farklı enerji miktarlarına sahip fotonlar içerir. Bu nedenle, bir güneş pili bir yandan mümkün olduğu kadar çok fotonu dönüştürmeli, böylece adsorbe etmeli ve mevcut foton enerjisini mümkün olduğunca iyi bir şekilde dönüştürmelidir.
Uygulanan yarı iletkenin değerlik ve iletim aralığı arasındaki enerji boşluğu ne kadar küçük olursa, ilk gereksinim o kadar iyi karşılanır. Örneğin, silikonun Eg enerji aralığı yaklaşık 1.1 eV'dir ve bu nedenle güneş spektrumunun büyük bir bölümünü emebilir. Fotoakım, zaman birimi başına soğurulan fotonların sayısı ile orantılı olduğundan, bir güneş pilinin fotoakımı azalan enerji aralığı ile artar.
Bununla birlikte, enerji aralığı, p-n-kavşağı içindeki potansiyel bariyerin üst sınırını da belirler. Bu nedenle, küçük bir enerji aralığı her zaman küçük bir açık devre voltajıyla ilişkilendirilir.
Güç, akım ve voltajın ürünü olduğundan, çok küçük enerji boşlukları yalnızca küçük verimliliklere sahiptir. Büyük enerji boşlukları, yüksek açık devre voltajı oluşturur, ancak güneş spektrumunun yalnızca çok sınırlı bir kısmının soğurulmasına izin verir. Dolayısıyla fotoakım yalnızca küçük değerlere sahiptir ve son olarak akım ve voltajın çarpımı da küçüktür.
Aşırı durumların bu analizi, fotovoltaik uygulama için yarı iletken malzeme seçimi ile ilgili olarak optimum bir enerji boşluğu olduğunu ortaya koymaktadır. Ortalama bir güneş spektrumu için yarı iletken malzemenin Eg enerji aralığına ilişkin teorik güneş pili veriminin karşılık gelen hesaplamasını gösterir.
Uygulanan ilgili malzemeye bağlı olarak, basit güneş pilleri (yani tandem güneş pili veya başka bir kombine hücre türü olmadan) yaklaşık %30'luk maksimum teorik verimlilik sağlayabilir.
Diğer etkiler nedeniyle, gerçek güneş pillerinin verimleri, belirtilen teorik verimlerden çok daha düşüktür. Bu, diğer faktörlerin yanı sıra, temel olarak aşağıdaki mekanizmalara atfedilir.
− Gelen ışığın bir kısmı parmak tipi kontak sistemi veya ön tarafa monte edilmiş iletken ızgara tarafından yansıtılır. Yansıma kayıpları arasında maksimum boşluk bulunan küçük ızgara temasları seçilerek minimumda tutulur. Yine de, yarı iletken tabaka ile şebeke teması arasında düşük empedanslı bir geçiş direnci için maksimum temas alanları gereklidir. Ayrıca, yarı iletken boyunca ilerleyen yük taşıyıcıların direnç kayıplarını en aza indirmek için ızgara kontakları arasındaki boşluk kabul edilemez sınırları aşmamalıdır.
− Farklı kırılma indisleri nedeniyle, radyasyon havadan yarı iletken malzemeye iletildiğinde yansıma kayıpları meydana gelir. Yansıma önleyici kaplamalar ve yapılandırılmış hücre yüzeyleri bu kayıpları önemli ölçüde azaltır.
− Kısa dalga boylu ışık genellikle yarı iletken malzemenin içine uzun dalga boylu ışık kadar derinlemesine nüfuz etmez. Kısa dalga boylu ışığı kullanmak için üst yarı iletken tabaka özelliklerinin yapılanması büyük önem taşır. Katman katkısı ne kadar yüksek olursa, katman o kadar ince olmalıdır, çünkü yük taşıyıcılar bu tür katmanlarda çok hızlı bir şekilde yeniden birleşme eğilimindedir. Dolayısıyla adsorbe edilen ışık, güneş pilinin fotoakımına çok az katkıda bulunur.
− Yüksek kısa devre akımları, açık devre gerilimleri ve doldurma faktörleri, maksimum difüzyon uzunlukları anlamına gelir. Bununla birlikte, yük taşıyıcılar, kristal kafesin kusurlarında ve safsızlıklarında yeniden birleşme eğilimindedir. Bu nedenle, dökme malzeme iyi kristalografik kalitede olmalı ve maksimum saflık gereksinimlerini karşılamalıdır.
− Ayrıca yarı iletken malzemenin yüzeyi (yani fotovoltaik hücre), kristal kafesin geniş yüzey kusurudur. Bu tür yüzey kusurlarını pasifleştirmek ve sonuçta ortaya çıkan verimlilik kayıplarını azaltmak için çeşitli teknikler mevcuttur.
− Güneş pilinden enerji aktarılırken daha fazla kayıp meydana gelir. Direnç kayıpları, yük taşıyıcılar kontaklara doğru hareket ettikçe ve bağlantı kabloları aracılığıyla aktarıldıkça meydana gelir. Üretim kusurları, güneş pilinin ön ve arka tarafı arasında yerel kısa devreye neden olabilir.
Yüksek verimli laboratuvar silikon güneş pilleri için bu kayıplar yaklaşık %10'dur. Optimum koşullar altında, bir güneş pilinin %28'lik teorik maksimum verimliliği böylece %25'lik gerçek verime düşürülür.
Güneş radyasyonu nedir
Güneş radyasyonu ölçümü
Güneş radyasyonu zararları
Güneş radyasyonu Haritası
Güneş radyasyonu hesaplama
Radyasyon haritası canlı
Solar radyasyon
Türkiye Radyasyon haritası
Bir güneş pilinin güç çıkışı spektral ışık bileşimine, sıcaklığa ve ışınlama yoğunluğuna bağlı olduğundan, fotovoltaik hücreler için belirtilen verimlilikler genellikle yalnızca belirlenmiş standartlaştırılmış ölçüm koşulları için geçerlidir.
Yukarıda belirtilen standartlaştırılmış koşullar genellikle "Standart Test Koşulları" (STC) olarak adlandırılır: radyasyon 1.000 W/m2, güneş pili sıcaklığı 25 °C, AM (hava kütlesi) = 1,5'e göre ışınımın spektral dağılımı ( AM = 1.5, dikey ışık penetrasyonunun 1.5 katı etkili atmosfer kalınlığını ifade eder; güneş ışınımının spektral dağılımı bu nedenle esas olarak atmosferdeki belirli frekanslarda fotonların soğurulmasından dolayı karakteristik bir şekilde değişir; AM 1.5 spektrumu standardize edilmiştir ve güneş pili veya modül kalibrasyonu için kullanılan ışığın bu spektruma uyması gerekir.
Bu koşullar altında güneş pilleri tarafından üretilen güç, tepe gücü olarak adlandırılır. Bununla birlikte, standart test koşulları (STC) pratikte çok nadiren ortaya çıkar, tam olarak konuşulursa, neredeyse hiç olmaz. Örneğin Avrupa'da, 1.000 W/m2'lik bir radyasyonda, modül montajı veya bina ortamına entegrasyon konseptine bağlı olarak, modüller ortam sıcaklığının 20 ila 50 K üzerinde ısınır.
Bu nedenle STC sıcaklığı ve radyasyonu, yalnızca ortam sıcaklığının 0 °C veya altında olduğu kış aylarında ideal koşullar altında gerçekleşir. Ancak güneşin düşük açısı nedeniyle kışın AM değerleri artar ve güneş spektrumunun kaymasına neden olur. Bununla birlikte, en yüksek güneş enerjisi modülü verimlilikleri, kışın açık ve soğuk günlerde elde edilir.
Sahaya özgü meteorolojik koşullar altında bir fotovoltaik modülün güç çıkışını değerlendirmek için yıllık verimlilik kavramı geliştirilmiştir.
Gerçek modül sıcaklıkları, güneş ışınımı ve güneş spektrumları, oluşma sıklıklarına göre ve sıcaklık, radyasyon ve spektruma bağlı verimlilik bağımlılığının ürüne özgü parametrelerine göre değerlendirilir.
Bu yaklaşıma dayanarak, çeşitli güneş modüllerinin güç çıkışının değerlendirilmesi, STC koşulları altında belirlenen verimliliklerden farklı olabilir. Bununla birlikte, enerji verimini belirlediğinden, sonuçta tesis operatörü için sadece yıllık verimlilik önemlidir.
Spektral Aralık
Dünya atmosferindeki radyasyonun zayıflaması nedeniyle güneş ışığının enerji dağılım spektrumu değişir. Güneş radyasyonunun dünya atmosferinden geçmeden önceki ve sonraki spektrumunu göstermektedir.
Dünya atmosferinde açıklanan radyasyon zayıflama süreçleri nedeniyle, yeryüzüne ulaşan güneş radyasyonunun enerji dağılımı aşağıdaki özellikleri gösterir.
− Maksimum enerji, 0,5 ile 0,6 μm (yeşilden sarıya ışık) arasındaki görünür spektral aralık içindedir.
− Azalan bir dalga boyu ile (yani ultraviyole spektrumunda) yayılan güç hızla azalır.
− Artan bir spektral aralıkla (yani kızılötesi spektrumda) radyasyon daha yavaş azalır.
Doğrudan, Dağınık ve Küresel Radyasyon
Atmosferdeki difüzyon mekanizmaları, dağınık ve doğrudan radyasyonun dünya yüzeyine düşmesine neden olur. Doğrudan radyasyon, güneşten düz bir yol kat ederek belirli bir noktadaki radyasyon olayıdır.
Buna karşılık, dağınık radyasyon, atmosferde difüzyonla ortaya çıkan ve böylece dolaylı olarak dünya yüzeyinde belirli bir noktaya ulaşan radyasyondur.
Her zaman yatay alıcı yüzeyle ilişkili olan doğrudan (ışın) radyasyon Gb ve dağınık radyasyon Gd’nin toplamına global radyasyon Gg denir. Yayılan radyasyon Gd, atmosferde yayılan radyasyon, atmosferik karşı radyasyon ve çevre tarafından yansıtılan radyasyondan oluşur.
Belirli bir alıcı yüzeydeki (örneğin bir güneş kollektörünün yüzeyi) toplam güneş radyasyonunun hesaplanması için, doğrudan ve dağınık radyasyon, alıcı yüzey üzerinde farklı ortalama açılarda geldikleri için farklılaştırılmalıdır.
Atmosferik karşı radyasyon ve mahalle tarafından alıcı yüzey üzerine yansıtılan radyasyonun genellikle çok az etkisi vardır. Ancak kışın veya dağlık bölgelerde yansıyan radyasyon, örneğin bir kar örtüsünün neden olduğu küresel radyasyona daha büyük ölçüde katkıda bulunabilir.
Belirli bir noktadaki genel küresel radyasyon olayı içindeki dağınık ve doğrudan radyasyon oranı, günlük ve mevsimsel dalgalanmalara tabidir.
Bu nedenle, bir örnek olarak, Güney Almanya’daki belirli bir bölgedeki doğrudan, dağınık ve küresel radyasyonun yıllık seyrini gösterir. Buna göre, Orta Avrupa bölgelerindeki diffüz radyasyonun yıllık ortalama payı, direkt radyasyon miktarını önemli ölçüde aşmaktadır.
Kış aylarında, küresel radyasyon neredeyse tamamen dağınık radyasyondan oluşur. Yaz aylarında, doğrudan radyasyonun payı önemli ölçüde artar, ancak ortalama olarak her zaman dağınık radyasyonun payından daha küçüktür.
Bu, dünyanın diğer yerlerinde tamamen farklı olabilir. Çölde, doğrudan radyasyonun payı çoğu durumda çok yüksektir.
Öte yandan, çok yüksek yağış ve/veya çok sisli bölgelerde, dağınık radyasyonun genel küresel radyasyona katkısı %80’in oldukça üzerinde olabilir. Ayrıca bu, günün farklı zamanlarına ve/veya yılın farklı mevsimlerine göre önemli ölçüde değişebilir.
Radyasyon Nedir
Günlük hayatta radyasyon
Nükleer radyasyon Nedir
Tehlikeli radyasyon seviyesi
İyonize olmayan radyasyon
En çok radyasyon yayan cihazlar
İyonlaştırıcı radyasyon
Röntgen radyasyonun zararları
Eğik, Hizalanmış Yüzeylerde Doğrudan Radyasyon
Eğik bir yüzey üzerine gelen doğrudan radyasyon, geliş açısı ψ ile belirlenir. Bu açı da alıcı yüzeyin hizalanmasına ve konumuna ve güneşin konumuna bağlıdır.
Burada α yüzeyin eğim veya eğim açısıdır (yatay 0), β yüzey azimut açısı (yani Güney hizasından sapma, güney 0, batı pozitif), φ enlem (kuzey pozitif), δ güneş sapması ve ωh güneşin saatlik açısı; Bu açı, güneşin en yüksek konumunda olduğu 0°’dedir ve sabahları negatif, öğleden sonraları pozitiftir.
ωh, uluslararası sözleşmelere (kış saati) göre yerel saat LT’den (h cinsinden) kaynaklanan Gerçek Güneş Saati (TST) ve dünyanın dönme hızındaki bozulmaları hesaba katan E zaman denklemi kullanılarak hesaplanabilir. güneşin gözlemcinin meridyenini geçtiği zamanı etkiler.
n, yılın gözlemlenen günüdür (1 … 365), λO referans meridyen (Greenwich Ortalama Saatinde (GMT) -15°), Orta Avrupa Saatinde (CET) -30°) ve λ sitenin boylamı . Güneşin en yüksek noktasında gökyüzünün ekvatorundan açısal mesafesini tanımlayan güneş sapması δ, Denk.(2.8)’e göre hesaplanır. 22 Aralık’ta -23,45° ile 22 Haziran’da +23,45° arasında değerler alır.
Eğimli, hizalı bir yüzey Gb,t,a (yani belirli bir yöne doğru yönlendirilmiş) üzerindeki doğrudan güneş radyasyonunun dönüşümü, radyasyon geliş açısı ψ, eğim kullanılarak yatay yüzey üzerindeki doğrudan radyasyon Gb’den hesaplanabilir.
Eğik, Hizalanmış Yüzeylerde Dağınık Radyasyon
Eğik ve hizalı yüzey Gd,t,a üzerindeki güneş ışınımının dağınık oranının dönüşümü, bir dizi etkileyen faktöre bağlıdır ve tamamen analitik olarak açıklanamaz. Bir basitleştirme olarak, dağınık radyasyonun uzayda eşit olarak dağıldığı varsayılırsa, dünya yüzeyinin belirli bir noktasında her yönden aynı oranda gelir (izotropik model).
Bu basitleştirilmiş sınır koşulları altında, eğimli, hizalı yüzeylere gelen yayılan radyasyon, Denklem’e göre yatay yüzey Gd üzerine gelen yayılan radyasyon ve alıcı yüzeyin yataya karşı eğim açısı α ile hesaplanır.
Radyasyonun izotropik bir dağılımının varsayılması, verilen koşulları yalnızca sınırlı bir ölçüde açıklamaktadır. Atmosfer, yoğun ve homojen bir bulut örtüsü nedeniyle yalnızca dağınık radyasyonla doluysa, yine de güneşin konumu etrafındaki alan genellikle gökyüzünün geri kalanından daha parlaktır. Bu yön, uzayda izotropik radyasyonun eşit bir şekilde dağıldığını varsayan, sözde bir güneş çevresi payı ile üst üste binen Denklem’de ele alınmıştır.
Eğik, Hizalanmış Yüzeylerde Yansıma Radyasyonu
Tanımlanmış bir yüzeyin komşuluğundaki küresel radyasyon olayının belirli bir oranı alıcı eğimli, hizalanmış yüzey G,t,a üzerine yansıtılır.
Bu yansıyan radyasyon, albedo AG (yani, yansıyan global radyasyona oranı), yatay alıcı yüzey Gg üzerindeki global radyasyon olayı ve Denklem’e göre yatay α’ya doğru eğim açısı kullanılarak hesaplanabilir.
Albedo, siteye özgü koşullara bağlıdır. Değerler, örneğin, karda 0,7 ile 0,9 arasında, kumda 0,25 ile 0,35 arasında ve orman ve tarım arazilerinde 0,1 ile 0,2 arasında değişebilir.
Eğik, Hizalanmış Yüzeylerde Küresel Radyasyon
Örneğin bir fotovoltaik modülün yüzeyi gibi eğik ve hizalı bir yüzey üzerindeki küresel radyasyon olayı, gelen doğrudan ve dağınık radyasyon ile bu alıcı yüzey üzerinde çevre tarafından yansıtılan radyasyondan oluşur. Eğimli ve hizalı bir yüzey üzerindeki toplam küresel radyasyon olayı Gg,t,a Denklem’e göre hesaplanır.