Az Yatırım İle Fotovoltaik Modül Üretimi

Doç. Dr. Haldun Abdullah, Arş. Gör. Mustafa Turan (Sakarya Üniversitesi)

Bu yazıda, az yatırım ile fotovoltaik modül üretimi teknikleri ele alınacaktır. Üretim ile ilgili malzemeler, donanım ve üretim aşamaları açıklanacaktır. Böyle bir teknolojinin küçük yerleşim bölgelerine de uygun olacağı vurgulanacaktır. Atölye teknolojisi ile fotovoltaik modül üretimi diye adlandırdığımız bu yöntemin geniş uygulama alanı bulacağından, dünyadaki büyük enerji açığını kapatmada, işsizliği azaltmada ve küçük yerleşim bölgelerinden büyük şehirlere göçü azaltmada olumlu etkileri olacağına dikkat çekilecektir.

Fotovoltaik modül üretiminde işçilik payı toplam maliyetin önemli bir yüzdesini oluşturduğu bilinmektedir [1]. Bu nedenle son yıllarda maliyeti azaltmak amacıyla iki ayrı yönde çalışmalar yapılmaktadır. Bir yandan daha fazla otomasyona doğru gidilirken, diğer yandan da modül üretimini basit yöntemler ile az enerji gereksinmesi olan ucuz insan gücü istihdam edebilen küçük atölyelerde yapmak yönünde gittiği gözlenmektedir [2] [3]. Tam otomasyonlu üretim büyük yatırımlar gerektirdiğinden, gelişmiş ülkelerde ele alınmaktadır. Burada amaç bugünkü 5 dolar Wp olan modül maliyetini ikibinli yıllarda 2 dolar civarına indirmektir [4].

Fotovoltaik modüller güneş pili (solar cell) adı verilen ve genellikle silikon malzemeden pn jonksiyonlar oluşturularak üretilmektedir [4] [5] [6]. Modüllerin istenilen gerilim ve akım değerleri, pillerin seri ve/veya paralel bağlanılması ile elde edilmektedir. Modül üretiminde şu ana kadar uluslararası bir standartlaşmaya gidilmediğinden, modül ebatları üretici firma tarafından belirlenmektedir. Uygulamaya yönelik enerji kapasiteleri ise; modüllerin seri ve/veya paralel bağlanması ile elde edilen pano (panel) ile sağlanır. Pano kapasiteleri de uygulama gereksinimlerini sağlamıyor ise panoların seri ve/veya paralel bağlanması ile elde edilen dizin (array) diye adlandırılan yapı ile gerçekleştirilmektedir. Pil, modül, pano ve dizin ilişkileri Şekil 1'de gösterilmiştir.

Şekil 1. Güneş pilinden; modül, pano ve dizin oluşumu.

Şekil 1'de görüleceği üzere, fotovoltaik enerji sistem yapılarının modüler olduğunu ortaya çıkarmaktadır. Güneş pili ve modül üretimi fabrika veya atölye gibi ortamlarda yapılırken, pano ve dizinler çoğunlukla uygulama yerlerinde monte edilmektedir [7].

Bu yazıda, küçük yatırım ile fotovoltaik modül üretimi için gerekli malzemeler, gerekli donanım ve üretim aşamaları açıklanacaktır. Modül üretimi atölye ortamında olabileceğinden, küçük yerleşim bölgelerinde de yapılabileceği vurgulanacaktır. Bu tür yatırımlar dünya enerji açığı da göz önüne alınarak değerlendirildiğinde, bir yandan enerji talebine katkı yaparken, diğer yandan da ekonomiye katkı, işsizliği ve büyük şehirlere göçü azaltma gibi olumlu etkilerinin olacağı belirtilecektir.

Modül Üretim Aşamaları

Bir fotovoltaik modülün kesiti Şekil 2'de görüldüğü gibi, birkaç tabakadan oluşmaktadır. Önce; birbirine seri ve/veya paralel bağlanmış güneş pilleri bir fiber yatak üzerine oturtulup, pillerin üzerine ve fiberin altına EVA malzemesinden iki tabaka yerleştirilmektedir. Sonra üst EVA malzemesinin üstüne temiz ve sertleştirilmiş bir cam parçası, alt EVA malzemesinin altına ise bir tedlar tabakası konmaktadır. Daha sonra ise, hazırlanmış olan modül sandviç bir laminasyon fırınına yerleştirilip vakum altında bir müddet pişirilmektedir. Laminasyon sonucu yukarıda adı geçen malzemeler aralarında hiç hava kalmaksızın birbirlerine yapışmaktadır. Laminasyon işlemi sonrası modül dikkatlice soğutulup, çerçeve ve terminal kutusu takıldıktan sonra son testi yapılmakta ve kullanıma hazır hale getirilmektedir.

Şekil 2. Fotovoltaik modül kesidi.

Şekil 3'te atölye teknolojisi ile üretilebilecek bir fotovoltaik modül 'ün üretim aşamaları gösterilmiştir. Şekilde görüldüğü üzere birinci aşama, modül ebadı ve güç seçiminin yapılmasıdır. Buna göre üretime başlanmadan önce bir modül tasarımı söz konusudur.

Tasarım için gerekli bilgiler ise;

1)  Donanımda seçilmiş olan laminatör cihazının kapasitesi,

2)  Belirli uygulamaya göre optimum modül uç gerilimi,

3)  Piyasada bulunan fotovoltaik pillerin ebatları ve akım kapasiteleri.

Şu anda piyasada bu amaçla kullanılabilecek kristal güneş pilleri; 10x10 cm, 12.5x12.5 cm, 15x15 cm ebatlarında ve 2-7 Ap'lik akım değerlerinde bulunabilmektedir. Bilindiği üzere; fotovoltaik pillerin gerilimleri ise pn jonksiyonu ve malzeme cinsinden dolayı 0.45 V civarındadır.

Burada üretimin küçük bir atölyede, en az yatırım ve enerji tüketimi ile yapılması isteniyor ise, şu anda piyasadaki bulunan tek faz 220 V gerilim ve 16 A akımla çalışabilecek bir laminatör seçilmesi uygun olacaktır. Böyle bir laminatör ise aynı anda en fazla 55x45 cm'lik bir alanı lamine edebilmektedir [2].

Atölyemizde yukarıda belirtilen laminatörü kullanacak olursak, bu laminatöre 10x10 cm ebadındaki pillerden 20 adet sığacaktır. Her pilin akım kapasitesi 2.2 Ap olduğu ve pillerin seri bağlandığını var sayılırsa, uç gerilimi 9 V ve gücü yaklaşık 20 Wp olan fotovoltaik modüller üretilebilecektir. Aynı laminatör ile daha yüksek uç gerilimi olan bir modül üretmek istiyorsak (örneğin 16 V gibi), pilleri özel bir kesici tezgah ile küçültmemiz gerekecektir. Bu durumda laminatöre 36 adet pil sığdırmak gerekecektir. Bunun için aynı piller (10x10 cm) ikiye bölünüp, elde edilen 36 adet (5x10 cm) bölünmüş pil seri bağlanılır ise; uç gerilimi 16 V ve gücü 18 Wp olan bir modül elde etmek mümkün olacaktır.

Modül Büyüklüğü ve Güç Seçimi     Üst Cam Kesimi ve Temizlenmesi   Pillerin İstenilen Akımı Vermesi için Ebatlandırılması   EVA ve Alt Destek Malzemesinin Kesilmesi   Üst Yüzey İletken Şeridinin Lehimlendirilmesi     Pil ve Lehimlerin Test Edilmesi     Üst Cam, EVA, Piller ve Alt Destek Levhasının Yerleştirilmesi       Laminasyon İşleminin Yapılması Modül Testi Bağlantı Kutusu Montajı ve Son Modül Testi

Şekil 3. Modül üretim aşamaları.

Atölye Donanımı

Atölye teçhizatında en yüksek maliyeti laminatör tezgahı oluşturmaktadır. Bu cihazın kapasitesi ve laminasyon alanı aynı zamanda atölyenin üretim kapasitesini de belirlemektedir. Tek fazlı elektrik enerjisi ile çalışan laminatörler yukarıda açıklandığı gibi sınırlı üretim kapasitesine sahip olmalarına karşın 3 fazlı ve su soğutmalı olanları 144x78 cm'lik bir modülü veya daha küçük birkaç modülü aynı anda lamine edebilmektedir.

Ancak, amaç atölyeyi elektrik enerjisi sınırlı olan yerleşim bölgelerinde kurmak ise tek fazlı laminatörler tercih edilmelidir.

Atölyede diğer önemli tezgahlar ise aşağıdaki gibi sıralanabilir:

1) Pil Keser Tezgahı: Bu tezgah ebatları 10x10 cm, 12.5x12.5 cm ve 15x15 cm olan foto-voltaik pilleri 1/16, 1/8, 1/6, 1/4, 1/2 oranlarda kesebilme olanağı sağlamaktadır. Bu tezgaha bir hava kompresörü ve bir duman çekici aspiratör gerekmektedir.

2) Lehim Tezgahı: Bu tezgahta ısısı ayarlanabilen bir havya, ısıtılabilen bir alüminyum taban, duman emici bir aspiratör ve kullanıcıya özel bir aydınlatma sistemi bulunmaktadır.

3) Fotovoltaik Pil Test Tezgahı: Bu tezgahta laminasyon öncesi pilleri test etmek için homojen aydınlatılmış bir yüzey ve kısa devre akımı ölçmek için bir cihaz bulunmaktadır. Tezgahta ayrıca görsel denetim için lambalı bir büyüteç bulunmaktadır.

4) Cam Temizleme Tezgahı: Bu tezgahta laminasyon öncesi cam yüzeyler toz, pislik ve yağdan tamamen arındırılır. Böylece laminasyon sonrası modül içinde hava kabarcığı kalmaması garanti edilmektedir.

5) Rulo Malzeme Tezgahı: Bu tezgahta rulo halinde tedarik edilen lehim şeridi, EVA, tedlar ve cam elyaf malzemeleri için özel taşıyıcı ve kesici aletler bulunmaktadır.

6) Modül Test Tezgahı: Bu tezgahta üretilen modüllerin I-V karakteristiği 1.5 güneşlik bir aydınlatma ortamında test edildikten sonra, istenilen uç gerilim ve maksimum akım değerleri ile karşılaştırma yapılmaktadır.

7) Çerçeveleme Tezgahı: Bu tezgahta test edilmiş modüller çerçeveledikten sonra paketlenmeye hazır hale getirilmektedir.

Yer Gereksinmesi ve Üretim Kapasitesi

Atölyede bir adet tek fazlı laminatör kullanıldığı takdirde ve şimdiki teknoloji ve yukarıda adı geçen tezgah ve malzemelerle imalat yapılabilmesi için yaklaşık 10x4 m² = 40 m²'lik bir atölye alanına gereksinme olduğu anlaşılmaktadır. Bu hesapta laminatöre 4 m²'lik bir alan diğer tezgahların her birine, gelen malzeme ve mamul için ayrılacak dörder m²'lik alanlar öngörülmüştür.

20 Wp 'lik bir modülün laminasyon süresi yaklaşık 20 dakika olduğu göz önünde tutularak söz konusu atölyede günde 600 Wp'lik modül üretilebilmesi mümkün görünmektedir. Bugünkü fiyatlarla 100 Wp satış fiyatı 500 dolar dolayında kabul edilirse bu atölye günde 3000 dolar ciro edebilecektir. Öte yandan böyle bir atölyenin bugünkü maliyeti 100000 dolar civarında olduğu belirtilmektedir [2]. Buna göre atölye ürettiği modüllerden % 10 kadar kar edebilirse yatırımı bir yılda karşılayabilecektir.

Sonuç

Fotovoltaik pil maliyetleri yıllar önce yapılmış olan tahminler doğrultusunda düşmektedir. 2000 'li yıllara yaklaştıkça pil maliyetinin 2 dolar Wp civarında olacağı görünmektedir. Hiç kuşkusuz yukarıda açıklanan tipte atölye maliyetleri; hem yaygınlaşma sonucu (sürümden) hem de atölye teçhizatında kullanılan cihazlarla ilgili yapılan Ar-Ge çalışmaları sonucu düşeceği aşikardır.

Atölyeler tek fazlı enerji ile çalışabildiğinden küçük yerleşim bölgelerinde kolaylıkla kurulabilecek ve hatta tesis edilebilecek güneş enerjisi panolarından kendi enerjilerini sağlayabileceklerdir. Bu tür atölyelerin ufak yerleşim bölgelerinde kurulması o bölgelerin enerjisini güneşten elde etme gibi sonuçlar da doğuracaktır. Enerji fazlasını satma olanağı da elde edilebileceği için ekonomik fayda da sağlanılabilecektir. Doğrudan faydaların yanısıra, bu atölyeler işsizliği azaltma yönünde fayda sağlayacağı gibi büyük şehirlere iş bulma maksadı ile açığa çıkan göçü de azaltıcı rolü olacaktır.

Kaynaklar

[1] E. Erdil, "Termik ve Fotovoltaik Enerji Üretim Maliyetlerinde Çarpıcı Öğeler", KKTC-EMO Birinci Ulusal Enerji Kongresi, Lefkoşa, Mart 1995.

[2] ECOLOG, "Photovoltaic Module Manufacturing System", Ürün Broşürleri, Haziran 1996.

[3] A. A. M. Sayigh (Editor), "Renewable Energy", Proceedings of The World Renewable Energy Congress, Vol. 1, Denver, Colorado, June 1996.

[4] P. D. Maycock and E. N. Stirewalt, "A Guide to The Photovoltaic Revolution", Rodale Press, Emmaus, Pa., 1985.

[5] A. B. Meinel and M. P. Meinel, "Applied Solar Energy", Addison Wesley, 3^rd printing, 1977.

[6] Thomas Markvart (Editor), "Solar Electricity", John Wiley & Sons, 1996.

[7] S. J. Strong with W. G. Scheller, "The Solar Electric House", Sustainability Press, Still River, Mass., 1993.

Otomasyon Dergisi, Ocak 1998, Syf. 76-79

© 2000-2008
ilker Fıçıcılar
F.U.E.L
Bilim
www . Bilim Bilmek . com