Güneş Enerjisi Sistemlerinde Gölgelenme Çeşitlleri

18 Aralık 2009

Güneş enerjisi solar PV panelleri ideal olarak gölgelenmeyen yerlere monte edilmelidir. Fakat özellikle şebeke bağlantılı güneş pili sistemleri, şehirler gibi konutların yoğun olduğu yerleşim bölgelerinde kuruldukları için solar modüller gölgelenmeden etkilenmesi muhtemel çatı ya da bina yüzeyinde bulunur. Gölgelenme bir güneş enerjisi solar PV sisteminin verimini önemli ölçüde azaltır ve mümkün olduğunca önlenmesi gerekir. Şebeke bağlantısı bulunmayan otonom solar PV sistemler genelde alan sıkıntısı olmayan, şehirlerden uzak kırsal alanlarda kuruldukları için gölgelenme problemiyle çok fazla karşı karşıya kalmazlar.

Almanya’da uygulanan 1000 Çatı Solar PV Teşvik Programı dahilinde kurulan sistemlerden elde edilen tecrübelere göre sistemlerin yaklaşık olarak yarısı gölgelenmeye maruz kalmıştır. Bu problemden dolayı görülen yıllık verim düşüşleri %5 ile %10 arasındadır. Gölgelenme çeşitleri; geçici, konumdan kaynaklanan, binadan kaynaklanan ve sistemin kendisinden kaynaklanan olmak üzere dörde ayrılır.

Geçici Gölgelenme

Tipik geçici gölgelenme kar, yapraklar, kuş pislikleri ve tozlanma gibi faktörleri kapsamaktadır. Kar özellikle dağlık bölgelerde önemli bir etkendir. Endüstriyel bölgelerde toz, is ve kirlenme, ormanlık alanlarda düşen yapraklar da önemli geçici gölgelenme etmenleridir. Güneş enerjisi solar PV panellerin yatayla yaptığı 12 derece ve daha üzerindeki açılar bu etkilerin yağmur suları yardımıyla temizlenmesine olanak sağlamaktadır. Bu tip gölgelenme, güneş pili grubunun eğim açısının arttırılmasıyla önemli ölçüde giderilebilir. Fotovoltaik paneller üzerindeki kar çevreye göre daha kısa sürede erir, genelde kardan kaynaklanan gölgelenme sadece birkaç gün sürer.

Karlı bölgelerde güneş enerjisi panellerini Şekil 2 (A)’daki gibi konumlandırmak kardan kaynaklanan gölgelenmenin yarı yarıya azalmasına yardımcı olur. Bu şekilde karın sebep olduğu gölgelenme (B)’deki dikey konumlandırmada olduğu gibi 4 solar hücre dizisi yerine 1 ya da 2 solar hücre dizisini etkiler.

Dökülen yaprakların, kuş pisliklerinin, hava kirliliğinin ve diğer kirletici maddelerin sebep olduğu gölgelenmenin etkisi daha kuvvetli ve uzun sürelidir. Eğer güneş enerjisi sistemleri bu faktörlerden ciddi bir şekilde etkileniyorsa fotovoltaik modüllerin düzenli bir şekilde temizlenmesi sistem verimini önemli ölçüde arttırır. Standart bir kurulum noktasında ve yeterli bir eğim açısında kirlenmeden kaynaklanan verim düşüşü %2 ile %5 arasındadır.

Eğer PV panellerin yüzeyleri önemli ölçüde kirleniyorsa su (hortum aracılığıyla) ve sünger gibi yumuşak bir maddeyle deterjan kullanmadan temizlik yapılabilir. Güneş enerjisi panellerinin yüzeylerinin çizilmemesi için fırça gibi sert maddeler kullanılmamalı, susuz temizlik yapılmamalıdır.

Konumdan Kaynaklanan Gölgelenme

Binanın etrafındaki yapılardan kaynaklanan gölgelenmeye konumdan kaynaklanan gölgelenme denir. Komşu binalar, ağaçlar ve uzaktaki yüksek yapılar bile güneş enerjisi solar PV sistemlerini gölgeleyebilir ya da en azından gün batımında karartıların oluşmasına sebep olabilir. Solar PV sisteminin kurulduğu zaman etkisi olmasa da etraftaki ağaçlar ve diğer bitkiler yıllar içinde serpilerek güneşi engelleyebilir. Binanın üzerinde geçen havai elektrik hatlarının da olumsuz etkileri olabilmektedir.

Binadan Kaynaklanan Gölgelenme

Binadan kaynaklanan gölgelenme önemli etkileri bulunan direkt gölgelenmeleri kapsamaktadır. Bacalara, antenlere, aydınlatma iletkenlerine, çatı ve yüzey çıkıntılarına, boru dirsek gibi malzemelere, bina ilave katlarına vb. yapılara özen gösterilmelidir. Bu tip gölgelenmelerin bir kısmı güneş enerjisi solar PV panellerinin ya da gölgelenmeye sebep olan maddelerin yerleri değiştirilerek önlenebilir. Eğer gölgelenme engellenemiyorsa, solar hücrelerin ve modüllerin birbirine bağlantısı ve sistem konsepti gölgelenme göz önüne alınarak tasarlanırsa gölgelenmenin etkileri asgari seviyeye indirilebilir.

Sistemin Kendisinden Kaynaklanan Gölgelenme

Güneş paneli ayaklarının kullanıldığı sistemlerde öndeki sırada bulunan güneş panellerinden kaynaklanan gölgelenmeler meydana gelebilir. Güneş enerjisi sistemin kaplayacağı alan ve modül dizileri arasındaki mesafeler, eğim açılarının ve panel arası mesafelerinin optimize edilmesiyle en aşağı seviyeye indirilebilir. Acemice tasarlanmış ve montajlanmış bir panel ayak sistemi eğimli çatı güneş pili uygulamalarında da mikro – gölgelenmelere sebep olabilir.

Direkt Gölgelenme

Güneş enerjisi solar PV sistemlerinde direkt gölgelenme sebebiyle önemli enerji kayıpları yaşanabilir. Gölgelenmeye sebep olan nesne solar modüle ne kadar yakınsa, gölge de o kadar koyu olur. Çünkü, modül etkili gölgenin etkisi altına girer ve panellere ulaşan ışık daha dağınık bir vaziyettedir. Bu yüzden yakındaki bir etmenden kaynaklanan etkili gölge hücredeki enerjinin %60 - %80’nin kaybolmasına sebep olurken kısmi gölgelenmenin etkisi bunun sadece yarısı kadardır. Gölgelenme etmeni güneş piline ne kadar uzaktaysa gölge daha parlaktır ve gölgelenme kayıpları daha az seviyededir.

Gölgelenme etmeni nesnenin d kalınlığı baz alınarak, nesnenin güneş modüllerinden optimum uzaklığı (a_opti) hesaplanabilir. Güneş düzlemsel bir ışık kaynağı olduğu için, uzaklık nesneye dokunan güneş tanjantlarının üçgensel ilişkileri baz alınarak hesaplanabilir. Modüllere olan optimum uzaklık (a_opti) şu şekilde hesaplanır:

As: güneşin dünyaya uzaklığı (150 milyon km)           Ds: Güneşin çapı (1.39 milyon km)

Örneğin 5 cm çapa sahip bir havai hattın etkili gölgelenmeye sebep olmaması için güneş pillerine uzaklığının en az 5.4 m olması gerekir.

Daha kalın nesneler için, bir solar hücresinin genişliğini geçmeyen etkili gölgelenmeler göz ardı edilebilir. 10 cm genişliğe sahip bir güneş pili hücresinde optimum uzaklık 1 m’ye kadar indirilebilir. 20 cm genişliğe sahip bir solar hücre için bu değer 2 m olmalıdır.

Direkt gölgelenmenin bir şekilde önlenmesi gerekir. Gölgelenmenin mevsime ve gün içinde saate göre değişimi ve bundan kaynaklanan kayıplar ilgili simülasyon programları sayesinde bu hesaplamalar yapılabilir