GÜNEŞ VE RÜZGÂR ENERJİSİ KULLANILARAK ŞEBEKE İLE PARALEL ÇALIŞABİLEN HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI VE UYGULAMASI
Mehmet DEMİRTAŞ
DOKTORA TEZİ ELEKTRİK EĞİTİMİ
GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ
OCAK 2008 ANKARA
Mehmet DEMİRTAŞ tarafından hazırlanan “GÜNEŞ VE RÜZGÂR ENERJİSİ KULLANILARAK ŞEBEKE İLE PARALEL ÇALIŞABİLEN HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI VE UYGULAMASI” adlı bu tezin Doktora tezi olarak uygun olduğunu onaylarım. Prof. Dr. İlhami ÇOLAK
……………………………….
Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı Yrd. Doç Dr. İbrahim SEFA
……………………………….
Elektrik Eğitimi Anabilim Dalı Bu çalışma, jürimiz tarafından oy birliği ile Elektrik Eğitimi Anabilim Dalında Doktora tezi olarak kabul edilmiştir. Prof. Dr. Kenan DANIŞMAN
……………………………….
Elektrik Elektronik Mühendisliği, Erciyes Üniversitesi Prof. Dr. M. Cengiz TAPLAMACIOĞLU
……………………………….
Elektrik Elektronik Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. Güngör BAL
……………………………….
Elektrik Eğitimi, Gazi Üniversitesi Prof. Dr. İlhami ÇOLAK
……………………………….
Elektrik Eğitimi, Gazi Üniversitesi Doç Dr. Şeref SAĞIROĞLU
……………………………….
Bilgisayar Mühendisliği, Gazi Üniversitesi Tarih 18 / 01 / 2008 Bu tez ile G.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü Yönetim Kurulu Doktora derecesini onamıştır. Prof. Dr. Nermin ERTAN Fen Bilimleri Enstitüsü Müdürü
……………………………….
TEZ BİLDİRİMİ Tez içindeki bütün bilgilerin etik davranış ve akademik kurallar çerçevesinde elde edilerek sunulduğunu, ayrıca tez yazım kurallarına uygun olarak hazırlanan bu çalışmada orijinal olmayan her türlü kaynağa eksiksiz atıf yapıldığını bildiririm.
Mehmet DEMİRTAŞ
iv
GÜNEŞ VE RÜZGÂR ENERJİSİ KULLANILARAK ŞEBEKE İLE PARALEL ÇALIŞABİLEN HİBRİT ENERJİ SANTRALİ TASARIMI VE UYGULAMASI (Doktora Tezi) Mehmet DEMİRTAŞ GAZİ ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ Ocak 2008 ÖZET Bu çalışmada güneş ve rüzgâr enerjilerini elektrik enerjisine dönüştürebilen bir hibrit enerji santrali tasarlanmış ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Tasarlanan santralde, güneş ve rüzgârdan elde edilen enerji akü gruplarında depo edilmekte ve istenildiğinde yüke aktarılmaktadır. Akülerin dolu olduğu anlarda ise, üretilen enerji ya direkt yüke aktarılmakta, ya da şebekeye aktarılarak sürekli bir enerji üretimi yapılmaktadır. Böylece üretilen enerji hem depolanarak yük tarafından kullanılmakta, hem de şebekeye aktarılarak gelir sağlanabilmektedir. Akülerin boş ve enerjinin üretilemediği zamanlarda yükün ihtiyacı olan enerji mevcut şebekeden temin edilmektedir. Bu durum güç santrali ile şebeke arasında sürekli bir güç akışını sağlamaktadır. Bu amaca yönelik olarak rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjilerini aynı doğru akım (DA) barada birleştirilmesi ve evirici yardımıyla yüke yönlendirilmesine yönelik iki adet yükseltici konvertör yapılmıştır. Yükseltici konvertörler birbirleri ile paralel çalışabilecek şekilde ve elde edilen çıkış gücünü devamlı olarak maksimum seviyede tutmak amacıyla “Maksimum Güç Noktası Takibi” ( MPPT ) yapacak şekilde tasarlanmışlardır. Her iki konvertörde bir mikro denetleyici üzerinden kontrol edilmekte ve sistemin akım ve gerilim bilgileri burada değerlendirilmektedir. Ayrıca güneş panellerinden
v
elde edilecek enerjiyi en verimli şekilde üretebilmek amacıyla güneş takip mekanizması ve kontrol devreleri tasarlanmıştır. Sistem parçaları arasındaki iletişimi sağlamak için haberleşme modülleri tasarlanarak sistemin sürekli olarak kayıt yapabilmesi sağlanmıştır. Elde edilen veriler yardımıyla sistemin günlük, haftalık ve aylık olarak akım, gerilim, güç ve enerji değerleri kaydedilerek verimi incelenmiştir.
Bilim Kodu : 703.3.012 Anahtar Kelimeler :Yenilenebilir enerji, rüzgâr türbini, güneş paneli, yükseltici konvertör, şebeke etkileşimli evirici, güneş takip sistemi Sayfa Adedi : 191 Tez Yöneticisi : Prof. Dr. İlhami ÇOLAK
vi
DESIGN AND IMPLEMENTATION OF A HYBRID ENERGY STATION USING SOLAR AND WIND POWER (Ph.D. Thesis) Mehmet DEMİRTAŞ GAZI UNIVERSITY INSTITUTE OF SCIENCE AND TECHNOLOGY January 2008
ABSTRACT In this study, a hybrid energy station converting solar and wind energies to electrical energy has been designed and implemented. The energy obtained from solar and wind is stored in the battery groups, and can be transferred to loads on demand. In case of the batteries are fully charged, the produced energy is either transferred to the loads directly or transferred to the power grid to achieve continuous energy generation. Thus, the produced energy is stored in the batteries as well as used by the loads, and also it is sold to grid by means of transferring it to grid. When the batteries are fully discharged and the energy is not generated, the energy required for loads is provided from the power grid. Hence, bidirectional continuous power flow is ensured in both directions between the power station and the power grid. For this reason, two amplifier converters have been designed to collect electrical energy obtained from both wind turbine and solar panels on the same direct current (DC) line as well as orienting the energy to loads by the aid of inverter. The amplifier converters have been designed according to operate in parallel among them and also to execute Maximum Power Tracking process in order to hold the output power at the maximum level continuously. Both converters are controlled by a microcontroller, voltages and currents data of the system are also evaluated from it. Furthermore, a solar tracking mechanism and control units have been
vii
designed to efficiently generate the energy obtained from solar panels. Additionally, a number of communication modules have been designed to communication parts of the system as well as to record the system data continuously. Thus, efficiency of the system has been analyzed using current, voltage, power and energy values recorded as daily, weekly and monthly.
Science Code Key Words
: 703.3.012 :Renewable energy, wind turbine, solar panel, boost converter, utility interactive inverter, solar tracking system. Page Number : 191 Adviser : Prof. Dr. İlhami ÇOLAK
viii
TEŞEKKÜR Çalışmalarım boyunca çok değerli yardım ve katkılarıyla beni yönlendiren Danışman Hocam Prof. Dr. İlhami ÇOLAK’a, her zaman fikir ve yardımlarına ihtiyaç duyduğum ve hiçbir zaman yardımlarını esirgemeyen ikinci danışmanım Yrd. Doç. Dr. İbrahim SEFA’ya, yine kıymetli tecrübelerinden faydalandığım hocalarım Prof. Dr. Güngör BAL ve Prof. Dr. Cengiz TAPLAMACIOĞLU’na, özellikle uygulama çalışmalarında önemli destek ve yardımlarını gördüğüm Ayhan YAŞAR ve İsmail USTA’ya, ayrıca çalışmalarımın yürütülmesinde desteklerini hiçbir zaman esirgemeyen Doç. Dr. Ramazan BAYINDIR, Yrd. Doç. Dr. Şevki DEMİRBAŞ ve Öğr. Gör. Erdal IRMAK’a, çalışmalarımda yardımcı olan öğrenci arkadaşlarım Abdullah ÖZSAN, Şerif ŞERİFOĞLU, Can Burak İÇGÜL ve Zafer ÖCAL’a, manevi destekleriyle beni hiçbir zaman yalnız bırakmayan eşime, aileme ve özellikle ömrü boyunca beni hep destekleyen çalışmamı ithaf ettiğim babama teşekkürü bir borç bilirim.
Ayrıca çalışmalarım sırasında proje katkılarıyla maddi olarak destek aldığım Devlet Planlama Teşkilatı (DPT-2003K/120470-30 nolu proje) ve Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Başkanlığı’na (BAP-35/2004-01 nolu proje) teşekkür ederim.
ix
İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET ....................................................................................................................iv ABSTRACT ..........................................................................................................vi TEŞEKKÜR ........................................................................................................viii İÇİNDEKİLER......................................................................................................ix ÇİZELGELERİN LİSTESİ ..................................................................................xiii ŞEKİLLERİN LİSTESİ ....................................................................................... xiv RESİMLERİN LİSTESİ .....................................................................................xvii HARİTALARIN LİSTESİ .................................................................................xviii SİMGELER VE KISALTMALAR ...................................................................... xix 1. GİRİŞ ................................................................................................................. 1 2. ENERJİ KAYNAKLARI.................................................................................... 7 2.1. Dünya Enerji Sektörünün Gelişimi ................................................................ 7 2.1.1. Dünyanın kaynak varlığı....................................................................... 7 2.1.2. Dünyadaki enerji ihtiyacı...................................................................... 9 2.2. Türkiye deki Enerji Üretim ve Tüketimi ...................................................... 10 2.3. Dünyada ve Türkiye’deki Elektrik Üretimi ve İhtiyacı ................................ 12 2.4. Alternatif Enerji Kaynaklarının Kullanımı................................................... 15 3. GÜNEŞ ENERJİSİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ ....................................................... 22 3.1. Güneş Enerjisinden Yararlanmanın Gelişimi ve Güneş Enerjisi................... 22 3.2. Güneş Enerjisinin Oluşumu......................................................................... 23 3.2.1. Fotovoltaik sistemler .......................................................................... 25 3.2.2. Güneş pillerinin yapımında kullanılan malzemeler.............................. 26
x
Sayfa 3.2.3. Yarı iletken fotovoltaik piller ve verimlilikleri..................................... 27 3.2.4. Kristal silisyum fotovoltaik piller ........................................................ 27 3.2.5. İnce film fotovoltaik piller................................................................... 29 3.3. Fotovoltaik Pillerin Matematiksel Modeli..................................................... 30 3.4. Panel Verimine Etkiyen Faktörler................................................................. 32 3.4.1. Doğal etkenler ..................................................................................... 33 3.4.2. Teknolojik etkenler.............................................................................. 35 3.5. Fotovoltaik Modüllerin Sağladığı Avantajlar................................................ 36 3.6. Maksimum Güç Noktası Takibi.................................................................... 37 3.6.1. Maksimum güç takibinin gerekliliği .................................................... 38 3.6.2. Maksimum güç noktasının belirlenmesi............................................... 41 3.6.3. Maksimum güç noktası takip metotları ................................................ 42 3.7. Güneş Takip Sistemleri ................................................................................ 44 4. RÜZGÂR ENERJİSİ VE ELEKTRİKSEL UYGULAMALARI ........................ 48 4.1. Rüzgâr Türbinleri......................................................................................... 49 4.1.1. Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması .................................................. 49 4.2. Türbin Bileşenleri ........................................................................................ 51 4.3. Generatörler ................................................................................................. 56 4.3.1. Generatör regülâsyonu......................................................................... 61 4.4. Türbin Kontrol Sistemleri............................................................................. 64 4.4.1. Yön denetimi....................................................................................... 64 4.4.2. Hız denetimi........................................................................................ 65 4.4.3. Elektronik kontrol................................................................................ 72 4.5. Rüzgâr Türbinlerinde Maksimum Güç Noktası Takibi.................................. 73
xi
Sayfa 5. HİBRİT SİSTEM BİLEŞENLERİ...................................................................... 76 5.1. Konvertörler (DA/DA çeviriciler) ................................................................ 76 5.1.1. Konvertör çeşitleri ve yapılarının incelenmesi ..................................... 76 5.2. Eviriciler (DA/AA çeviriciler)...................................................................... 79 5.2.1. Yenilenebilir enerji uygulamalarında kullanılan eviriciler.................... 80 5.2.2. Evirici topolojilerinin sınıflandırılması ................................................ 84 5.2.3. Transformatörler ve bağlantı tipleri...................................................... 86 5.3. Aküler.......................................................................................................... 87 5.3.1. Akü çeşitleri ........................................................................................ 88 5.4. Şarj Denetim Birimleri ................................................................................. 91 5.5. Diğer Sistem Bileşenleri............................................................................... 92 6. TASARIM VE UYGULAMA............................................................................ 93 6.1. Hibrit Enerji Sisteminin Uygulanması .......................................................... 94 6.2. Güneş Takip Sistemi Uygulaması................................................................. 96 6.3. Yükselten (Boost) Konvertör Tasarımı .......................................................103 6.4. Güneş ve Rüzgâr Sistemlerinin Montajı .....................................................110 6.5. Haberleşme Arayüz Programının Tasarımı .................................................116 7. DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ............119 8. SONUÇ VE ÖNERİLER .................................................................................127 KAYNAKLAR....................................................................................................134 EKLER................................................................................................................141 EK-1. Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006). .....................................................................................................142
xii
Sayfa EK-2. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007) ......................................................................................................149 EK-3. Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. and Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004). ..............155 EK-4. Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005). ..............................................................159 EK-5. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). ....................................167 EK-6. Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). ......................................................................178 ÖZGEÇMİŞ.........................................................................................................189
xiii
ÇİZELGELERİN LİSTESİ Çizelge
Sayfa
Çizelge 2.1. Üretim türüne göre dönemsel brüt elektrik enerjisi üretimi, 2005 (GWh). ........................................................................14 Çizelge 2.2. Türkiye’de kurulu ve inşa halindeki rüzgâr enerjisi tesisleri................20 Çizelge 3.1. Piyasada bulunan PV-tesislerin verimlilik oranları..............................30 Çizelge 5.1. IEEE 929 standartlarına göre şebekeden ayrılma durumları ve zamanları. .........................................................................................83
xiv
ŞEKİLLERİN LİSTESİ Şekil
Sayfa
Şekil 2.1. Dünya fosil yakıt rezervleri (Haziran, 2005) ............................................ 8 Şekil 2.2. Dünya fosil yakıtları rezervlerinin kullanılabilme süreleri ....................... 8 Şekil 2.3. Dünya enerji tüketimi (1980-2030).......................................................... 9 Şekil 2.4. Dünya enerji üretim ve tüketim değerleri................................................10 Şekil 2.5. Türkiye’nin yıllara göre enerji üretim ve tüketimi...................................11 Şekil 2.6. Dünyada elektrik üretiminde kullanılan kaynaklar ve talep artışı ............13 Şekil 2.7. Türkiye için elektrik üretiminde kullanılan kaynak oranları ....................14 Şekil 2.8. Dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı.............................16 Şekil 2.9. Dünya’nın elektrik üretiminde yenilenebilir kaynak kullanım değerleri.................................................................................................17 Şekil 2.10. Türkiye’nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi .....................................................................................................18 Şekil 3.1. Işık Tayfı................................................................................................24 Şekil 3.2. Solar hücrenin içyapısı ...........................................................................30 Şekil 3.3. Güneş paneli elektriksel eşdeğer devresi.................................................31 Şekil 3.4. Fotovoltaik pillerin sıcaklığının verime etkisi.........................................34 Şekil 3.5. Bir fotovoltaik pilin veriminin seri dirençle değişimi..............................35 Şekil 3.6. Solar modülün karakteristik eğrileri........................................................38 Şekil 3.7. Güneşlenme miktarındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi ......................................................................................................39 Şekil 3.8. Panel yüzeyi sıcaklığındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi ......................................................................................................40 Şekil 3.9. DA/DA konvertörün maksimum güç noktası takibine etkisi ...................42 Şekil 3.10. Güneşin mevsimlere göre izlediği yörüngeler .......................................44
xv
Şekil
Sayfa
Şekil 3.11. Güneşi tek eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması.........45 Şekil 3.12. Güneşi iki eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması .........46 Şekil 4.1. Yatay eksenli rüzgar türbini....................................................................50 Şekil 4.2. Türbin bileşenleri ...................................................................................52 Şekil 4.3. Benzetim programı ile çizilen rüzgar türbini...........................................55 Şekil 4.4. Büyük güçlü rüzgar türbinlerine ait kesit görüntüsü................................55 Şekil 4.5. Sabit mıknatıslı senkron generatör..........................................................57 Şekil 4.6. Şebekeye direkt bağlı asenkron jeneratörlü bir rüzgâr türbininin blok diyagramı.......................................................................................60 Şekil.4.7. Kuyruk plakası ile çalışan yön bulma sistemi .........................................65 Şekil.4.8. Hız denetim bölgeleri .............................................................................66 Şekil 4.9. Türbin pervanesinde gücün hıza bağlı değişimi ......................................69 Şekil 4.10. Türbin pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı değişimi .................................................................................................70 Şekil 4.11. 1,5 kW’lık rüzgâr türbininin Hız-Güç eğrisi .........................................74 Şekil 5.1. Alçaltan (buck) konvertörün yapısı.........................................................77 Şekil 5.2. Yükselten (boost) konvertörün yapısı .....................................................78 Şekil 5.3. Alçaltan-Yükselten (buck-boost) konvertörün yapısı ..............................78 Şekil 5.4. PV evirici tipleri.....................................................................................85 Şekil 5.5. Güç dekuplaj kondansatörünün değişik yerleşimi ...................................86 Şekil 5.6.Transformatörlü evirici örnekleri.............................................................86 Şekil 6.1. Tasarlanan hibrit enerji sisteminin blok şeması.......................................95 Şekil 6.2. Güneş takip mekanizması için tasarlanan sistemin blok diyagramı ....... 100
xvi
Şekil
Sayfa
Şekil 6.3. Sistemin kontrol ve seri port haberleşme devresi çizimleri.................... 101 Şekil 6.4. Yükselten konvertörün MATLAB simülasyonu.................................... 104 Şekil 6.5. Maksimum güç takip sisteminin akış diyagramı ................................... 106 Şekil 6.6. Yükseltici konvertörlere ait uygulama şekli.......................................... 107 Şekil 6.7. Gate sinyalinin (a) boşta ve (b) maksimum akımda eğrileri .................. 108 Şekil 6.8. MOSFET anahtarlama oranı eğrileri..................................................... 109 Şekil 6.9. (a) Konvertör çıkış gerilimi (b) AA rıpıl değerinin gerilim eğrileri ...... 109 Şekil 7.1. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli güç değerleri ....................... 120 Şekil 7.2. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli DA gerilim ve invertör çıkışı AA gerilim değerleri................................................................... 120 Şekil 7.3. 17/03/2007 gününde ölçülen panel akımı ve evirici çıkış akımı değerleri............................................................................................... 121 Şekil 7.4. Güneş takip sisteminin devrede olduğu ve sistemden çıkarıldığı durumlardaki güç eğrileri ..................................................................... 121 Şekil 7.5. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini akım değerleri .............................. 122 Şekil 7.6. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini gerilim ve şebeke gerilim eğrisi .... 123 Şekil 7.7. Beş günlük süre için güneş paneli gerilim ve akım değerleri................. 124 Şekil 7.8. Rüzgar türbini gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri ...................... 125 Şekil 7.9. Güneş paneli ve rüzgar türbini birlikte çalışırken gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri.................................................................... 125 Şekil 7.10. Rüzgâr türbini için değişik rüzgâr hızlarında akım harmonik değerleri............................................................................................... 126
xvii
RESİMLERİN LİSTESİ Resim
Sayfa
Resim 4.1. Düşey eksenli rüzgar türbini ................................................................ 51 Resim 6.1. Tasarlanan 12 W gücündeki takip sistemi............................................ 96 Resim 6.2. (a) İki eksenli güneş takip mekanizması arayüzü ................................. 97 Resim 6.2. (b) Takip mekanizması kayıt ekranı görüntüsü .................................... 97 Resim 6.3. 370W gücündeki iki eksenli takip mekanizması görüntüsü .................. 98 Resim 6.4 İki eksenli güneş takip mekanizması simülasyonu ................................ 99 Resim 6.5. Uygulaması yapılan güneş takip mekanizmasının resmi..................... 102 Resim 6.6. Uygulaması yapılan yükselten konvertör ........................................... 108 Resim 6.7. Rüzgâr türbini için hazırlanan beton kaide ve temeli.......................... 110 Resim 6.8. Rüzgâr türbini ve direğinin montajı ................................................... 111 Resim 6.9. Güneş takip mekanizmasının yerine yerleştirilmesi ........................... 111 Resim 6.10. İnvertör ve kontrol ünitelerinin yerleşimi......................................... 112 Resim 6.11. Kumanda panosunun ve iç bağlantısının görüntüsü.......................... 113 Resim 6.12. Sunny Boy 3300 evirici ön ve iç görüntüsü...................................... 114 Resim 6.13. Windy Boy 2500 evirici ön ve iç görüntüsü ..................................... 114 Resim 6.14. Akü şarj ünitesi görüntüsü ............................................................... 115 Resim 6.15. RS-485 Haberleşme ünitesi ............................................................. 115 Resim 6.16. Güneş takip sistemi kontrol ve haberleşme üniteleri ........................ 116 Resim 6.17. Kontrol arayüz görüntüsü ................................................................ 117 Resim 6.18. Rüzgâr türbininden elde edilen enerjinin grafik olarak görüntüsü .... 117
xviii
HARİTALARIN LİSTESİ Harita
Sayfa
Harita 2.1. Türkiye rüzgâr haritası (30 m yükseklik için)...................................... 20
xix
SİMGELER VE KISALTMALAR Bu çalışmada kullanılmış bazı simgeler ve kısaltmalar, açıklamaları ile birlikte aşağıda sunulmuştur. Simgeler
Açıklama
I
Panel çıkış akımı
V
Panel çıkış gerilimi
IOS
Panel ters doyum akımı
T
Panel sıcaklığı oC
k
Boltzmann sabiti
q
Elektronik şarj
KI
ISCR için kısa devre sıcaklık katsayısı A/oC = 0,0017
λ
W/m2 ‘deki solar aydınlanma
ISCR
25oC ve 1000 W/m2’deki kısa devre akımı
ILG
Işık tarafından üretilen akım
EGO
Silikon için bant genişliği
B =A
İdealleştirme faktörü=1,92
TR
Referans sıcaklık= 301,18oK
IOR
TR referans sıcaklığında panel doyum akımı
RSH
Şönt direnç
RS
Seri direnç
η
Fotovoltaik pilin verimi
Pm
Pilin maksimum çıkış gücü
A
Pil yüzey alanı (m2)
J
Yüzeye gelen güneş ışınım şiddeti (W/m2)
Imak
Maksimum akım
Vmak
Maksimum gerilim
xx
Simgeler
Açıklama
Ikd
Kısa devre akımı
Vad
Açık devre gerilimi
P
Güç
ω
Açısal hız
CP
Güç katsayısı
Kısaltmalar
Açıklama
AA
Alternatif Akım
DA
Doğru Akım
EIA
Energy Information and Administration
TEP
Ton Eşdeğer Petrol
EÜAS
Elektrik Üretim A.S.
TEİAS
Türkiye Elektrik iletim Anonim Şirketi
ETKB
T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı
EİE
Elektrik İşleri Etüd İdaresi
PV
Fotovoltaik Panel
MPPT
Maksimum Güç Takibi İşlemi
PI
Oransal-İntegral (Proportional-Integral)
PID
Oransal-İntegral-Türev (Proportional-IntegralDerivative)
1
1.GİRİŞ Dünyada ve ülkemizde enerji güncel bir sorun olarak karşımıza çıkmaktadır. Teknolojik gelişmelerle paralel olarak enerji tüketiminin artması mevcut fosil yakıt rezervlerinin gün geçtikçe azalmasına, bu enerji kaynaklarının kullanımı ise çevre kirliliğine ve çevre dengelerinin bozulmasına neden olmaktadır. Bu durum araştırmacıları yenilenebilir enerji kaynakları arayışına yöneltmiştir. Kullanım kolaylığı ve temizliği nedeniyle diğer enerji kaynaklarına göre elektrik enerjisinin enerji tüketimi içerisindeki payı her geçen yıl artmaktadır. Elektrik enerjisinin
dezavantajı,
depolanamaması
ve
üretildiği
anda
tüketilmesinin
zorunluluğudur. Bu özelliği nedeniyle mutlaka etkin bir planlama yapılarak; proje, tesis ve dağıtım safhaları koordineli olarak düzenlenmelidir. Planlama yapılırken enerjinin ucuzluğu, talebi karşılaması, üretimin güvenilir olması, sürekli ve kaliteli olması gerekmektedir. Bu nedenle elektrik enerjisi üretiminde sahip olunan alternatif enerji kaynakları ihtiyacı karşılayabilecek durumda ise mutlaka değerlendirilmelidir. Enerji ihtiyacının temininde genellikle kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtların yakın bir gelecekte tükenme olasılığı ve sanayileşmenin belli yörelerde yoğunlaşması sonucu fosil yakıtların kullanımından kaynaklanan
çevre
kirliliği
artmaktadır.
Fosil
yakıtların
yanması
sonucu
karbondioksit (CO2), azot dioksit (NO2) ve kükürt dioksit (SO2) emisyonları önemli değerlere ulaşmıştır. Kirliliği önleme amaçlı güneş, rüzgâr, jeotermal, hidrojen, biokütle gibi yenilenebilir enerji kaynaklarının değişik sektörlerde uygulanabilmesi için araştırmalar sürdürülmektedir. Türkiye 21. yüzyıla girerken enerji ile ilgili önemli sorunlarla karşı karşıyadır. Ekonomik gelişme güvenilir ve sürdürülebilir enerji teminine bağlıdır. Çevre konusunda, ülke genelinde özellikle büyük kentlerde yaşanan hava kirliliğinin azaltılmasından, dünya ölçeğinde küresel ısınma riskinin azaltılmasına kadar tüm beklentiler, bugün kullanılan daha az kirleten ve daha az sera gazı yayan enerji kaynakları teknolojileri kullanılmasını gerektirmektedir.
2
Yirmi yıl önce ham petrolde yaşanan kriz gelişmiş ülkeleri alternatif enerji kaynaklarını araştırmaya yöneltmiştir. Yeraltı enerji kaynaklarının gün geçtikçe azalmaya başlaması sonucunda enerji girdi maliyetleri artmıştır. Çevre kirliliği problemi ise yeni enerji kaynakları arayışlarının hızlanmasına yol açan önemli bir etken olmuştur. Gerek güneş ve gerekse rüzgâr enerjisinden elektrik elde edilmesi üzerine yapılan araştırma ve geliştirme çalışmaları her iki teknolojiyi de günümüzde nükleer santraller ile boy ölçüşebilir duruma getirmiştir. Güneş ve rüzgârdan elektrik enerjisinin elde edilmesi hızla gelişmekte, gerek çevre sağlığını gerek insan sağlığını olumsuz etkilemediğinden dolayı da tüm dünyada hızla yayılmaya ve uygulama alanları bulmaya başlamıştır. Bu kaynakların zaman içerisinde herhangi bir şekilde tükenmeleri ve azalmaları söz konusu değildir. Ancak kömür, petrol ve doğalgaz gibi kaynaklar tükenmeye mahkûm enerji kaynaklarıdır. Güneşten elektrik enerjisi üretme işleminde kullanılan güneş panellerin üretim çeşitliliği günümüz için tatminkâr bir düzeye gelmiş bulunmakta olup, birim yüzeyde daha çok elektrik enerjisi üretme üzerine çalışmalar devam etmektedir. Belirlenmiş olan bir güç değeri için belirli sayıda güneş panelinin seri-paralel bağlanmaları sonucu istenilen gücün elde edilmesi mümkün olabilmektedir [1]. Ancak bu panellerden elde edilen gücün doğru akım (DA) olması ve şebekenin ya da kullanıcıların alternatif akım (AA) güç taleplerinin bulunması, bir DA/AA evirici ihtiyacını zorunlu kılmaktadır [2, 3]. Sadece gün ışığında enerji üretilebilmesi ise, gün ışığının olmadığı zamanlarda kullanım amacıyla bu enerjinin depolanması gerekliliğini de ortaya koymaktadır. Enerjinin depolanmasında kullanılan aküler ise sistemin diğer bileşenlerine göre çok daha kısa ömürlü bir malzeme olduğundan, bu elemanlara daha az ihtiyaç duyulmalıdır. Yani akülerin ömrünü belirleyen en önemli kriter şarj-deşarj sayısıdır. Güneş enerjisinden elektrik elde edilmesi konusunda çalışmalar son yıllarda giderek artmıştır. Bu çalışmalarda güneş takip sistemlerinin kullanımının verime etkisi de incelenmektedir [4, 5]. Ayrıca fotovoltaik sistemlerin daha verimli çalıştırılabilmesi için kullanılan konvertörlerin yapısı ve çalıştırılması üzerine pek çok çalışma mevcuttur. Bu çalışmalarda iki temel konu üzerinde durulmuştur. Birincisi konvertörün yapısı, diğeri ise konvertörün çalışma stratejisidir [6-10]. Konvertörün çalıştırılması ve veriminin artırılmasına yönelik olarak yapay
3
sinir ağları kullanılarak veya çeşitli mikroişlemciler ve DSP kullanılarak yapılan çalışmalar mevcuttur [11-15]. Güneş enerjili sistemlerde kullanılan konvertörlerin çalışma stratejilerine yönelik olarak ise maksimum güç noktası takibi işleminin yapılması ve verim artırıcı yöntemler üzerine pek çok çalışma mevcuttur [16-19]. Bu çalışmada ise güneş enerjisini daha verimli olarak kullanabilmek amacıyla tek eksenli bir güneş takip sistemi ve güneşten elde edilen elektrik enerjisini evirici girişinde sabit ve en uygun seviyede tutabilmek amacıyla da DA/DA yükselten konvertör tasarlanmıştır. Tasarlanan ve uygulaması yapılan konvertörün çalışma durumları ayrıntılı olarak incelenerek en verimli maksimum güç takibi işlemini gerçekleştirebilmesi amacıyla C++ programlama dilinde bir mikroişlemci programı yazılmıştır. Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan rüzgâr santralleri birkaç yüz watt değerinden birkaç mega watt değerine kadar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Bu ürünlerin küçük ölçekli olarak adlandırılabilenleri rüzgârın en uygun olması halinde bile, bir evin ihtiyaçlarını günün her saatinde karşılayabilecek düzeyde değildir. 1 kW ve daha yüksek güçler için ise önemli fiyat artışı olmaktadır. Rüzgâr enerjisinin depo edilebilmesi içinde alternatör çıkışının doğrultulması ve bir düzenleyici üzerinden akü grubuna bağlanması gereklidir. Güneş enerjisi ile birlikte kullanım halinde akü grubu maliyeti düşecek ve aküden, şebekeden veya dizel jeneratörden beslenme ihtiyacı azalacaktır. Bu amaca yönelik olarak tasarlanan sistemin Türkiye’deki güneş ve rüzgârın örtüşme zamanına göre analizi yapılacaktır. Rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemleri ile ilgili çalışmalar türbinin mekanik yapısı, enerji dönüşüm sisteminde kullanılan
elemanlar
ve
verimin
artırılmasına
yönelik
çalışmalar
olarak
bölümlenebilir. Rüzgâr türbinlerinde kullanılan alternatörlerin yapısı ve farklı sürücü devrelerin çıkış gerilimine etkisi verimi etkileyen bir faktördür [20]. Değişik rüzgar hızlarında çalışan sistemlerinin verimini artırabilmek içinse, yapay sinir ağları ve fuzzy gibi birkaç yöntem kullanılarak sisteme bağlanan konvertör ve eviricilerin çalışma düzenekleri üzerinde çalışmalar yapılmıştır [21-23]. Aşırı rüzgâr hızlarında veya sistemin yük miktarının rüzgâr türbininin karşılayabileceğinden yüksek olması durumlarında, sistemleri korumak için yapılan koruma devreleri ve programlar da
4
rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemleri için önemli bir konudur [24]. Ayrıca rüzgar türbinlerinin şebekeye bağlantıları ve şebeke üzerindeki etkileri üzerine pek çok çalışma mevcuttur [25-27]. Bu çalışmada ise 2,5 kW gücünde bir rüzgâr türbini ile bu türbine ait doğrultucu, konvertör ve eviricinin yapısı, çalışması ve verimi üzerine deneyler yapılmıştır. Rüzgâr türbininin şebekeye bağlanabilmesi için gerekli elektronik devreler ve maksimum güç takibi işlemini en verimli şekilde yapabilmesini sağlamak için de bir yükseltici konvertör ve bu konvertöre ait mikroişlemci programı tasarlanmış ve uygulamaları yapılmıştır. Ayrıca, literatürdeki diğer çalışmalara ilave olarak, aşırı rüzgâr hızlarında ve yüksek gerilim değerlerinde, türbini, konvertör ve eviriciyi koruma altına alacak devreler tasarlanmıştır. Uygulamada birden fazla enerji kaynağının bir araya getirildiği sistemlere hibrit sistem adı verilir. Hibrit sistemlerdeki amaç, enerji kaynaklarının birlikte kullanımını sağlayarak hem verimi artırmak hem de kaynaklardan birinin olmaması veya azalması
durumunda
diğerlerinin
sistemin
enerji
ihtiyacını
karşılamasını
sağlayabilmektir. Hibrit sistem bileşenleri iki veya daha fazla kaynağın bir araya getirilmesiyle oluşturulabilir. Örneğin güneş, rüzgâr, dizel veya güneş, fuel cell (yakıt pili), rüzgâr veya güneş, rüzgâr, hidrojen gibi enerji kaynaklarının bir araya getirildiği hibrit enerji sistemi uygulamaları mevcuttur [28]. Bu tür uygulamalarda kaynak sayısını ve kaynağın tipini belirleyen en önemli faktörler, enerji üretilecek bölgede kaynağın yeterli düzeyde olması ve bazı enerji türlerinde de sistemi bir araya getirmek için yeterli düzeyde teknolojinin mevcut olmasıdır. Hidrojen, biokütle ve fuel cell gibi enerji kaynakları buna örnektir. Hibrit enerji sistemlerinin bir diğer uygulama alanı ise elde edilen enerjinin depolanabilmesini sağlamak amaçlı kullanımdır [29]. Hidrojen enerjisinin diğer enerji türleriyle bir araya getirildiği uygulamalar buna örnektir. Literatürde hibrit enerji sistemleri üzerine pek çok çalışma mevcuttur [30-33]. Bu uygulamalarda sistemlerin kontrolü ve veriminin artırılması en çok işlenen konular arasındadır. Verimi artırmaya yönelik çalışmalarda, fuzzy, yapay sinir ağları, mikroişlemci
5
kontrollü modelleme gibi konular kullanılırken, özellikle hibrit sistemler aracılığıyla elektrik enerjisi üretilen uygulamalarda şebekeye bağlantı önemli bir uygulama alanı olarak karşımıza çıkmaktadır [34–37]. Şebekeye bağlantılı sistemlere ilave olarak tek başına akü gruplarıyla çalışan veya şebeke bağımsız hibrit sistem uygulamaları da mevcuttur [38, 39]. Hibrit sistemlerin güç kalitelerinin artırılması ve kalıcı durum performanslarının incelenmesi konusu da önemli bir konu olarak karşımıza çıkmaktadır [40, 41]. Bu tez çalışmasında, güneş ve rüzgâr enerjilerinin bir araya getirildiği hibrit bir sistem oluşturulmuştur. Burada amaç güneş veya rüzgârın herhangi birinin olmadığı veya ikisinin birlikte yükü besleyecek düzeyde olmadığı durumlarda, yükün akü grubu tarafından beslenmesini ve enerjinin ihtiyaçtan fazla olduğu durumlarda ise, kullanılmayan enerjinin şebekeye aktarılmasını sağlamaktır. Enerji üretimi için, güneş ve rüzgârın birlikte olabileceği bir bölge belirlenmiştir. Bu alanda, aynı zamanda gerçek anlamda bir alıcı (yük) bulunmaktadır. Deneysel olarak yapılacak olan çalışmada; akım, gerilim ve güçler gün, ay ve yıl bazında veri kayıt sistemi yardımıyla
sürekli
olarak
kaydedilmektedir.
Rüzgâr
santrali
ve
güneş
kollektörlerinden elde edilen DA gerilimler, tasarlanan iki boost konvertör yardımıyla sabit gerilimli bir barada toplanmaktadır. Bu DA gerilimden ihtiyaç halinde aküler şarj olmakta, aynı zamanda evirici yardımıyla elde edilecek olan AA gerilimden alıcılar beslenmekte ve şebekeye enerji transferi gerçekleştirilmektedir. Akülerin şarjı ve lokal alıcıların beslenmesi öncelikli olan uygulamadır. Hibrit kaynaklardan gelecek olan enerjinin azalması durumunda ise, şebekeye enerji transferi durdurularak sadece aküler şarj edilmektedir. Depolanmış olan enerji miktarı ve yüke göre kullanım süreleri hesaplanarak (back up time), kullanıcıya bilgi verilmesi
amaçlanmaktadır.
Tez
çalışması
genel
olarak
üç
aşamada
gerçekleştirilmiştir. İlk aşamada kaynaklardan gelen DA gerilimin depolanması, evirici girişine uygun hale getirilmesi ile ilgili devrelerin tasarımı ve uygulaması yapılmıştır. İkinci aşamada rüzgâr jeneratörü ve güneş panellerinin mekanik kısımları oluşturulup, alan araştırması sonucunda belirlenmiş olan yere sistem kurulmuştur. Son aşamada oluşturulan bütün sistem parçalarının birbiriyle tam uyum
6
içinde çalışması için gerekli programlama, bağlantı ve veri toplama işlemleri yapılmaktadır. Rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanımı ile oluşturulan hibrit sistemlere dair yurtdışında pek çok uygulama bulunmaktadır. Ancak ülkemizde henüz bu konudaki uygulamalar azdır. Ayrıca yapılan pek çok güneş ve rüzgâr enerjisi uygulamasında bir sistem oluşturulup sistemin belirli bir bölgedeki ölçüm değerleri çalışmaların konusu olmuştur [42–46]. Tasarlanıp uygulanan sistemde ise, ölçüm değerlerinden çok, hibrit sistemin bağımsız çalışabilmesi, üçüncü bir dizel veya herhangi bir kaynağa ihtiyaç duymaması ve eğer depoladığı enerji ihtiyaçtan fazla ise, enerjiyi şebekeye verip bir anlamda satıcı konumunda olması amaçlanmaktadır. Ayrıca ülkemizde uygulaması henüz yaygın olmayan sistemin minimum maliyet ve maksimum verimle çalışabilmesi için gerekli olan testler yapılacaktır.
7
2. ENERJİ KAYNAKLARI Enerji kaynakları, niteliklerinin değiştirilip değiştirilmemesi açısından “birincil” ve “ikincil enerji kaynakları” olarak ikiye ayrılmaktadır. Birincil enerji kaynakları, doğada bulundukları biçimde değiştirilmeden kullanılabilen kaynaklardır. Örneğin; taşkömürü, linyit, petrol, doğalgaz, jeotermal enerji, hidrolik enerji, güneş enerjisi, odun, hayvan ve bitki atıkları bu tür enerji kaynaklarıdır. İkincil enerji kaynakları ise, birincil kaynakların çeşitli işlemlerden geçirilmesi ile elde edilen enerji türleridir. Örneğin; elektrik enerjisi, motorin, benzin, fueloil, gazyağı vb. bu tür enerji kaynaklarıdır. Birleşmiş Milletler ise enerji kaynaklarını, “yenilenebilir” ve “yenilenemez enerji kaynakları” olmak üzere iki ana grupta toplamaktadır. Yenilenebilir enerji kaynakları; güneş, rüzgâr, biokütle, su gücü, dalga gücü, okyanus akıntıları, jeotermal
enerjidir.
Yenilenemez
enerji
kaynakları,
maddenin
tekrar
kullanılamayacağı bir enerji kaynağı olarak tanımlanır. Böylece kömür, petrol, doğalgaz ve uranyum bu grup içinde yer almaktadır. 2.1. Dünya Enerji Sektörünün Gelişimi 2.1.1. Dünyanın kaynak varlığı Enerjinin verimli kullanımı ve ülkelerin gelişimlerindeki payı önemli ölçüde enerji kaynaklarının yeterliliğine bağlıdır. Yirmi birinci yüzyıl ortalarına kadar, Dünya enerji talebinin büyük bir kısmı fosil yakıtlardan karşılayacaktır. Dünya üzerindeki fosil yakıt rezervleri ve 2005 yılı itibariyle petrol, doğal gaz ve kömür rezervlerinin kullanılabilme süreleri sırasıyla Şekil 2.1 ve Şekil 2.2’ de verilmektedir [47]. Grafiklerden de görüldüğü gibi mevcut enerji kaynaklarının kapasitesi, sabit büyüme hızı ile çok uzun sürelerde yeterli olmayacaktır. Birde ülkelerin ve enerji harcayan sektörlerin büyüme hızları tahmin edilenden fazla olduğu takdirde, gelecekte büyük enerji sıkıntıları yaşanılması kaçınılmazdır.
8
200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 Kuzey Amerika Orta ve Güney Amerika Petrol (Milyar Ton)
Avrupa
Eski SSCB Ülkeleri
Doğal Gaz (Triyon m3)
Ortadoğu
Taşkömürü (Milyar Ton)
Afrika
Asya ve Okyanusya
Linyit (Milyar Ton)
Şekil 2.1. Dünya fosil yakıt rezervleri (Haziran, 2005) Şekil 2.2’ye göre Dünya genelinde mevcut kömür rezervleri 230 yıl, doğalgaz rezervleri 62 yıl, petrol rezervleri 41 yıl daha geleceğin enerji talebini karşılayabilecek miktardadır. Bu rakamlar sabit büyüme hızları göz önünde tutularak alınmış tahmini değerlerdir. Fosil yakıtlı ürünlerin geri dönüşüm gibi bir durumları olmadıkları için belirtilen süreler sonunda dünyayı önemli enerji sıkıntıları beklemektedir.
500 450 400 350 300 250 200 150 100 50 0 Kuzey Amerika
Orta ve Güney Amerika
Avrupa
Petrol
Eski SSCB Ülkeleri
Doğalgaz
Orta Doğu
Afrika
Kömür
Şekil 2.2. Dünya fosil yakıtları rezervlerinin kullanılabilme süreleri
Asya ve Okyanusya
9
2.1.2. Dünyadaki enerji ihtiyacı Dünyanın enerji tüketimi son yirmi yıl içerisinde beklenenden %57 daha fazla artmıştır [48]. Şekil 2.3’de dünyada hızla büyüyen küresel enerji ihtiyacına ilişkin bilgiler verilmiştir. Burada geçmiş otuz yılın tüketim bilgileri ve gelecek yirmi yılın tahmin edilen tüketim değerleri verilmiştir. Burada açıkça görülmektedir ki dünya enerji ihtiyacının büyük bir kısmı (yaklaşık %86) fosil yakıtlardan elde edilmektedir.
quadrillion Btu 60
Geçmiş
Planlanan
50
Petrol
40
Kömür
30
Doğalgaz
20
Nükleer Yenilenebilir
10
Hydropower 0 1980
1990
2000
2005
2010
2020
2030
Şekil 2.3. Dünya enerji tüketimi (1980-2030) Gelecekte ülkelerin ve küresel ekonomilerin hızla büyüyebilmesi için ülkelerin enerji ihtiyaçlarının ve tüketimlerinin de aynı hızda büyümesi gerektiği bilinen bir gerçektir. Fosil yakıtlar dünyanın her bölgesinde bulunmamakla birlikte yakıtların çıkarıldıkları
bölgelerdeki
siyasi
ve
ekonomik
sıkıntılar
bütün
dünyayı
etkilemektedir. Ayrıca geleneksel enerji kaynaklarından günümüz teknolojileri ile elektrik üretimi sırasında ciddi çevre kirliliği sorunları meydana gelmektedir. Bu sebeple bütün dünyada yeni ve temiz enerji türlerine olan ilgi ve araştırmalar hızla artmaktadır.
10
EIA (Energy Information and Administration) kurumu tarafından oluşturulan istatistiksel bilgiler doğrultusunda Dünyanın toplam enerji üretim ve tüketimine dair eğriler Şekil 2.4’te verilmiştir.
quadrilyon Btu 140
Geçmiş
Planlanan
120 Üretim açığı 100
Tüketim
80 Üretim 60 40 20 0 1980
1990
2000
2005
2010
2020
2030
Şekil 2.4. Dünya enerji üretim ve tüketim değerleri Eğriden de görüldüğü gibi gelecek 20-30 yıl süresinde dünyanın ürettiği enerji talep edilen ve tüketilen enerji miktarını karşılamayacaktır. Ortaya çıkan enerji açığını azaltmak için ya enerji kullanımında kısıtlamalara gidilmeli veya alternatif enerji kaynakları üzerindeki çalışmalar daha da arttırılarak ilerletilmelidir. 2.2. Türkiye deki Enerji Üretim ve Tüketimi Ülkemiz, Enerji ve Tabii Kaynaklar bakanlığı verilerine göre 2005 yılı itibariyle birincil enerji kaynaklarından 25 185 BinTEP enerji üretmiş, 91 576 BinTEP enerji tüketmiştir. Tüketilen enerji ile üretilen arasındaki fark ithal edilen enerjiyi göstermektedir. Bu değer ise 66 391 BinTEP’dir. Türkiye tükettiği genel enerjinin %70'ini dış kaynaklardan sağlayan bir ülkedir. Yani ihtiyacı olan enerjinin yarıdan fazlasını ithal etmektedir. Bu da enerji konusunda ülkemizin dışa bağımlı olduğunun
11
çok açık bir göstergesidir. Türkiye’nin 2005 yılına kadar olan yıllık enerji üretim ve tüketimine ilişkin grafik Şekil 2.5’te verilmiştir. DPT tarafından yapılan çalışmalara göre 2010 yılına kadar ülkemizdeki hızlı sanayileşme nedeni ile yıllık enerji ihtiyacımız 60 GW civarında olacaktır.
BinMW 140 120 Tüketim
100 80
İthal Edilen Enerji
60 40 20
Üretim
05
03
20
01
20
99
20
19
97
19
95
19
93
19
89
91 19
87
19
85
19
81
83
19
19
19
79
19
77
19
19
75
0
Şekil 2.5. Türkiye’nin yıllara göre enerji üretim ve tüketimi Sadece bu rakamlar bile ülkemizde enerji kapasitesinin alternatifli olarak geliştirilmesini ve enerjinin tasarruflu kullanılmasının önemini açıkça ortaya koymaktadır. Bununla birlikte enerji taleplerinin karşılanmasında, yerli/ithal kaynak oranı, enerji güvenliği, dünya enerji piyasalarındaki arz gelişmeleri ve ekonomikliği göz önüne alınarak optimize edilmelidir. Türkiye’nin sahip olduğu birincil enerji kaynaklarının %50'sini çok düşük ısıl değerli ve yüksek küllü linyitler oluşturmaktadır. 30 000 MW'lık ekonomik hidrolik enerji kapasitesi bulunmaktadır. Bunun yaklaşık 12 000 MW'ı mevcut santrallerle üretilmektedir. 10 000 MW'ı da 2010 yılına kadar inşa halindeki santraller tarafından üretime dönüştürülmüş olacaktır. Kalan 8000 MW’lık kapasitenin de 2020 yılına kadar kullanılması planlanmıştır.
12
Petrol ve doğal gaz varlığı açısından Türkiye, bugüne kadar sınırlı kaynaklarla yapılan çalışmalar çerçevesinde, geçirdiği jeolojik evrim nedeniyle yeterli hidrokarbon potansiyeline sahip görünmüyorsa da, stratejik hammadde oldukları düşünülerek, yurt içi arama faaliyetlerinin batı Karadeniz (Zonguldak-VarnaKöstence) üçgeni başta olmak üzere sistematik bir yaklaşımla arttırılarak devam ettirilmesi gereklidir. Nükleer enerji hammaddeleri açısından Dünyadaki uranyum rezerv, üretim ve tüketim durumlarına ve nükleer enerji kullanım trendine bakılacak olursa, bilinen rezervin 2000'li yılların ilk çeyreğinde, hatta daha sonrası için yeterli olduğu görülecektir. Ancak gelecek yıllardaki üretim ve tüketim denge tahminlerine bakıldığında, tüketimin üretimden daha fazla olacağı, hatta 2010–2015 yıllarına gelindiğinde bu açığın ciddi boyutlara ulaşacağı görülmektedir. Açığın bir kısmı eldeki stoklardan karşılansa dahi, 2010 yılından sonra olası bir krize girilmemesi için planlanan yeni üretim tesislerinin devreye girmesi gereklidir. Bu nedenledir ki, pek çok ülke, hammadde aramalarına büyük bir hızla devam etmektedir. 1970'li yıllarda, ülkemiz ileriye yönelik enerji planlarında, nükleer güç santrallerinden de yararlanılması öngörülmüştür. Ancak bu konudaki çalışmalar henüz bir sonuca ulaştırılamamıştır. Daha önce de değinildiği üzere, hızlı bir sanayileşme süreci içinde olan ülkemizde zorunlu olarak elektrik talebi artmaktadır. Bu nedenle uluslararası piyasalardaki talep artışları da göz önünde tutularak uranyum rezervlerinin kısa sürede belirlenmesi için aramalara yeniden başlanması gerekmektedir. Türkiye'de önemli bir potansiyele sahip jeotermal enerjinin gelişimini hızlandıracak çalışmalar artarak devam etmektedir. Jeotermal alanların kullanım imkanlarının belirlenerek entegre tesisler halinde planlanması ve bu suretle en yüksek katma değerin yaratılması teşvik edilmelidir. 2.3. Dünyada ve Türkiye’deki Elektrik Üretimi ve İhtiyacı Dünyanın elektrik ihtiyacı 2025 yılına kadar %50 den fazla artacaktır [48]. Ancak elektrik üretim kapasitesi ise bu kadar hızlı büyümemektedir. Bu durum ise enerji ihtiyacının karşılanamaması ve enerji sıkıntılarının yaşanmasına neden olacaktır. Dünyada elektrik üretimi için kullanılan kaynakların yıllara göre dağılımı ve 1980– 2030 yılları arasında tahmin edilen elektrik enerjisi talep artışı Şekil 2.6’da
13
verilmiştir. Türkiye’nin elektrik üretimi ve ihtiyacı ise gelişmekte olan ülkeler sınıfında değerlendirilmekle beraber, gelecek yirmi yılda üretimin ihtiyacı ve tüketimi
karşılayamayacağı
belirtilmektedir.
Ülkemiz
içinde
yeni
enerji
kaynaklarının kullanımı kaçınılmaz bir gerekliliktir. Gelecekteki enerji ihtiyacının elektrik üretim kapasitesine göre daha fazla olacağı tahmin edilmektedir. Dünya üzerinde kurulu olan elektrik üretim tesislerinde elde edilen enerji 2003 yılı itibariyle 3 626 GWatt (gigawatt) olmakla beraber, bu rakamın 2025 yılında yıllık 2,2 büyüme oranı tahmini ile 5,495 GWatt olacağı tahin edilmektedir [48]. Dünya üzerindeki hızlı büyüme kapasitesine sahip ülkelerin (örneğin Çin, Hindistan) enerji ihtiyaçları tahmin edilenden fazla olmaktadır. Bu durum ise enerji ihtiyacının gün geçtikçe artmasına neden olmaktadır.
milyon
kilowattsaat
3500
5,478
Geçmiş
Planlanan
3000
Kömür
2,094
2500
Elektrik Talebi 1980
2030
2000 1500
Doğal gaz Nükleer
1000
Yenilenebilir 500
Petrol 0 1980
1990
2000
2005
2010
2020
2030
Şekil 2.6. Dünyada elektrik üretiminde kullanılan kaynaklar ve talep artışı Türkiye'deki yaklaşık 28 500 MW’lık Kurulu gücün 16 500 MW'ını fosil yakıtlı termik santraller (bunlara doğal gaz santralleri da dahil) 12 000 MW'ını ise hidrolik santraller oluşturmaktadır. Fosil yakıtlı santrallerin 7000 MW'ını doğal gaz yakan kombine çevrim santralleri ve Kojenerasyon Tesisleri oluşturmaktadır. Türkiye'de kişi başına düşen net elektrik tüketimi 1450 kWh civarındadır. Bu rakam AB ülkeleri
14
ortalaması olarak 7000 kWh, Rusya’da 6000 kWh, İspanya'da 4000 kWh ve komşumuz Yunanistan'da 3800 kWh'tır. Dünya elektrik tüketimi ortalaması ise 2376 kWh'tır. Türkiye’de elektrik enerjisi üretiminde kullanılan kaynakların kullanım oranlarına ilişkin grafik Şekil 2.7’de verilmiştir.
Fuel-Oil % 3.06
Linyit % 19.93
Rüzgar % 0.10 Hidrolik % 22.41
LPG, Nafta ve Diğer % 1.37 Taşkömürü % 8.68 Motorin % 0.01
Doğalgaz % 44.44
Şekil 2.7. Türkiye için elektrik üretiminde kullanılan kaynak oranları Verilen daire diyagramından da anlaşılacağı gibi 2006 yılı itibariyle Türkiye elektrik üretiminin yaklaşık %45’i doğalgazdan elde edilmektedir. Bu durumda büyük oranda dışa bağımlı bir enerji üretim sektörümüzün olduğunu göstermektedir. Gelişmişlik ve kalkınmışlığın en önemli göstergesi olan elektrik tüketimimiz dünya ortalamasının bile altındadır. Geliştirilecek uygun politikalar ve sistematik bir yaklaşımla, kişi başına enerji tüketimimiz arttırılmalıdır. Türkiye’de elektrik santrallerinin 1993 yılı itibariyle 20 337 GWh olan toplam kurulu gücü 2004 yılında 36 824 GWh’a ulaşmıştır [50]. Ülkemizde üretilen elektriğin 2005 yılı itibariyle, üretilen kaynaklara göre dağılımı Çizelge 2.1’de verilmiştir. Çizelge 2.1. Üretim türüne göre dönemsel brüt elektrik enerjisi üretimi, 2005 (Gwh) Üretim Tipi Termik Rüzgar Hidrolik Toplam
I. Dönem 29.890 16.4 9.595 39.502
II. Dönem 27.549 11.5 10.663 38.224
III. Dönem 32.350 11.2 10.038 42.400
IV. Dönem 32.477 17.5 9.360 41.854
15
Elektrik enerjisi üretimi 2006 yılı I. döneminde, bir önceki yılın aynı dönemine göre %7.31 oranında artarak 42 390 GWh olarak gerçekleşmiştir. 2006 yılı I. döneminde elektrik enerjisinin %47,11’i Elektrik Üretim A.S. (EÜAS) ve EÜAS’a bağlı ortaklıklar, %43,28’i üretim şirketleri ve %9,61’i otoprodüktörler tarafından gerçekleştirilmiştir. Elektrik üretimi bir önceki yılın aynı dönemine göre EÜAS ve EÜAS’a bağlı ortaklıklarda %13,44 artmış, üretim şirketlerinde %6,11 artmış, otoprodüktörlerde ise %11,63 oranında azalmıştır [50]. Türkiye’deki elektrik tüketimi ise, 2006 yılı I. döneminde bir önceki yılın aynı dönemine göre %9,33 artarak 30 499 GWh olarak gerçekleşmiştir. Elektrik enerjisinin %41,47’si sanayide, %27,54’ü meskenlerde, %14,61’i ticarethanelerde, %4,75’i resmi dairelerde, %2,35’i sokak aydınlatmasında, %1,54’ü şantiyelerde, %0,53’ü tarımsal sulamada ve %7,21’i ise diğer ve doğrudan satışlar olarak tüketilmiştir [50]. Türkiye'de bu yıl 173,1 milyar kilovat saat (kWh) elektrik üretimi, 171,4 milyar kWh da elektrik tüketimi olacağı tahmin edilmektedir. Türkiye Elektrik iletim Anonim Şirketi (TEİAS) verilerine göre; bu yıl 134 milyar kWh'si termik kaynaklardan, 39 milyar kWh'si hidrolik, 0,1 milyar kWh'si de rüzgâr kaynaklarından olmak üzere toplam 173,1 milyar kWh elektrik üretimi, 0,7 milyar kWh da elektrik ithalatı planlanmaktadır. 2.4. Alternatif Enerji Kaynaklarının Kullanımı Dünya üzerinde artan enerji ihtiyacını karşılayabilmek için alternatif enerjilerin kullanımı üzerine çalışmalar hızla devam etmektedir. Ancak enerji tüketimi ve üretimi arsındaki açığı alternatif enerjilerle karşılayabilmek şu an için imkânsız görünmektedir. Dünya’da hidroelektrik olmayan yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına ilişkin grafik Şekil 2.8’de verilmiştir. Şekilde görüldüğü gibi gelecek 20 yıl için tahmin edilen üretim değerleri de verilmiştir.
16
milyon kilowattsaat
200 Jeotermal Güneş
150
Rüzgar
100 Biokütle
50 MSW/Gaz
0 2005
2010
2020
2030
Şekil 2.8. Dünyada yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı başta Avrupa birliği ülkeleri olmak üzere A.B.D.’de ve Asya ülkelerinde giderek artmaktadır. Almanya’da ve birçok Avrupa ülkesinde elektrik üretiminin yenilenebilir kaynaklardan üretilmesinin özendirilmesi amaçlı kanunlar ve yönetmelikler çıkartılmıştır. Bu kanunlar uyarınca kişisel kullanıcıların, enerjilerini kendileri yenilenebilir kaynaklarından üretmeleri durumunda devlet üreticilerden vergi indirimi sağlamakta ve kurulacak tesisin belirli oranlarda maliyetini desteklemektedir. Dünyada 2006 yılı itibariyle yenilenebilir kaynaklardan üretilen enerji yaklaşık 85 milyon kWh olarak belirtilmiştir [48]. Bu oranın devlet politikaları ve kullanıcıları özendirici çalışmalar ile gelecekte tahminlerden daha hızlı artması beklenmektedir. Dünya üzerindeki toplam kurulu rüzgâr gücü 2005 yılı verileriyle 52 322 MW olup, bu değer bir önceki yıla göre % 11 artış sağlamıştır. Dünyanın 2005 yılından sonra yenilenebilir enerji kaynaklarından elektrik üretimine ilişkin eğri Şekil 2.9’da verilmiştir.
17
250
milyon kilowattsaat Bölgesel RPS
200
Referans 150
100
50
0 2005
2010
2015
2020
2025
2030
Şekil 2.9. Dünya’nın elektrik üretiminde yenilenebilir kaynak kullanım değerleri Türkiye’de yenilenebilir enerji kullanımı ise henüz toplam enerji üretiminin %1’i kadardır. Bu miktarın artırılması için yasal düzenlemelerin ve üreticileri özendirici çalışmaların hızlandırılması gerekmektedir. Güneş enerjisi dönüşüm sistemleri için gerekli güneş panellerinin üretimleri henüz ülkemizde yapılamadığı için sistem maliyeti yüksek olmaktadır. Ancak yinede reklâm panoları, sokak aydınlatmaları, trafik lambaları gibi pek çok uygulamada kullanılmaktadır. Türkiye’nin günlük ve aylık güneşlenme değerleri, güneş enerjisi kullanan pek çok ülkenin değerlerinden yüksektir. Türkiye’de aylık olarak güneşlenmeye ve güneş potansiyeline ait değerler Şekil 2.10’da verilmiştir. Bu değerler ışığında ülkemizde güneş enerjisi dönüşüm sistemlerinin kullanımının artırılması hem ülke ekonomisi için hem de enerji kaynaklarının verimli tüketilmesi açısından büyük faydalar sağlayacaktır.
18
Güneşlenme süresi Saat/ay
200,0 180,0 273
140,0
365 343
280
197
120,0
2
kWh/m gün ay
160,0
325
165
100,0 80,0 60,0 103 40,0
214
115
153 103
L IK
M
11
12
AR A
10
KA SI
M
9
EKİ
8
EYL ÜL
OS
Z
7
AĞ U ST
MU TEM
AN Z İR
6
HA
4
MA Y IS
AN
T
3
N İS
2
MA R
T BA
1
ŞU
OC
0,0
AK
20,0
Şekil 2.10. Türkiye’nin aylık ortalama güneş enerjisi potansiyeli ve güneşlenme süresi Türkiye'nin enerji üretiminin 1/3'lük bölümü hidrolik kaynaklardan, barajlardan, akarsulardan sağlanmaktadır. Son dönemlerdeki kuraklık sonucunda bu kaynaklardan yeterli miktarda enerji üretilememiştir. Bunun sonucunda ortaya çıkan enerji açığı Bulgaristan ve Gürcistan'dan enerji ithal etmek suretiyle kapatılmaya çalışılmaktadır. Ayrıca kurulacak olan termik santraller için gerekli yakıt da dış ülkelerden sağlanmaktadır. Gerek bu gün içinde bulunduğumuz durum, gerekse gelecekte enerji ithalinde doğabilecek sorunlar göz önünde bulundurulduğunda, ihtiyacımız olan enerjinin kendi kaynaklarımızdan karşılanması bir zorunluluk haline gelmiştir. T.C. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığının (ETKB) 2005 yılı verilerine göre doğal kaynaklarımız arasında güneş enerjisi 35,2 Milyon Tep/Yıl (1 Tep = 1 ton eşdeğer petrol) olan miktarıyla çok önemli bir yer tutmaktadır. Ülkemizde güneş
enerjisinden
faydalanma
konusunda
özellikle
düşük
sıcaklık
uygulamalarında, kurutma, su ve mekân ısıtmayla ilgili teknolojilerde büyük başarılara ulaşılmıştır. Buna karşın yüksek sıcaklık ve elektrik enerjisi üretimi konusunda çalışmaların yapılması ve güneş enerjisi teknolojilerinin yaygın olarak kullanımının sağlanması gerekmektedir.
19
Güneş çok büyük bir enerji kaynağı olmasına rağmen güneş enerjisi kullanımında çeşitli sorunlarla karşılaşılmaktadır. Bunlardan en önemlisi, güneş ışıması şiddetinin zamana ve iklim şartlarına çok fazla miktarda bağlı olmasıdır. Endüstriyel kullanım için tasarlanacak olan sistemlerde güneş ışıması şiddetinin bilinmesi gerekmektedir. Bu nedenle birçok araştırma yapılmış ve güneş ışıma şiddetinin belirlenmesinde kullanılacak korelasyonlar elde edilmeye çalışılmıştır. Ülkemizde güneş ışınımı ölçümleri Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ve Elektrik İşleri Etüd İdaresi tarafından yapılmaktadır. 1992–1997 yılları arasında Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü ve Elektrik İşleri Etüd İdaresi tarafından bazı istasyonlarda yapılan güneş ışınımı ölçümleri incelenmiş, güneş ışınımı verilerinin olmadığı yerleşim merkezlerinde yatay yüzeye gelen güneş ışınımının hesaplanmasında kullanılan korelasyonları özetlenerek korelasyonlar ile hesaplanan değerlerle ölçüm sonuçlarını kıyaslanmıştır [50]. Güneş enerjisi kullanımındaki bir diğer sorun ise güneş akısının endüstriyel kullanım için düşük miktarlarda olmasıdır. Güneş enerjisini daha yoğun hale getirebilmek ve kullanılabilirliğini sağlamak için birçok araştırma yapılmış ve çeşitli sistemler (kollektörler) geliştirilmiştir [51]. Bu sistemler güneş akısını bir bölgede odaklamak için yansıtıcı yüzeyler kullanmaktadırlar. Odak bölgesinde ise iş akışkanını taşıyan bir alıcı bulunmaktadır. Amerikan Enerji Bakanlığı, enerji verimliliği ve yenilenebilir enerji şebekesi tarafından yapılan araştırmada enerji üretimi için kullanılabilecek olan teknolojiler incelenmiştir. Bu teknolojiler arasında, düz parabolik kolektörleri ve çanak şeklindeki parabolik kollektörleri kullanan teknolojiler, yapılarda kullanılabilirliği olan teknolojilerdir. Rüzgâr enerjisi ise daha düşük kurulum maliyeti ve yap-işlet-devret mantığı ile kurulacak olan tesislerde ülkemiz için artan enerji talebini bir miktarda olsa karşılayacak düzeye
gelmektedir.
Türkiye'nin
teknik
rüzgâr
enerjisi
potansiyeli
166
Terrawatsaat/yıl olup, bu değer 2001 yılındaki tüm elektrik tüketiminden fazladır (130 TWs/yıl). Türkiye de rüzgâr enerjisi kullanımının artırılmasına yönelik olarak, Türkiye rüzgâr haritası çıkarılmış ve bölgelere göre kurulabilecek tesislerin
20
değerlendirilmesi yapılmıştır. Harita 2.1’de 30 metre yükseklik değeri içim Türkiye rüzgâr haritası verilmiştir.
Harita 2.1. Türkiye rüzgâr haritası (30 m yükseklik için) Şu an için ülkemizin rüzgâr kurulu gücü ancak 19 MW seviyesindedir. Kurulu rüzgâr gücünün artırılması için gerekli lisans ve üretim çalışmaları son birkaç yılda hızlanmıştır. Rüzgâr enerjisi üretimi amacıyla kurulan ve inşa aşamasında olan tesislere ait tablo Çizelge 2.2’de verilmiştir. Yenilenebilir enerji kaynaklarının daha verimli kullanımına yönelik kanuni düzenlemeler ve teşvik edici çalışmaların artırılması ülkemizin gelecekte karşılaşacağı enerji darboğazlarından daha az zarar görmesini sağlayacaktır. Bu amaca yönelik olarak bir veya daha fazla yenilenebilir enerji kaynağının bir arada kullanıldığı enerji sistemleri üzerine çalışmalar yapılmalı ve elde edilen enerjinin hem verimli bir şekilde kullanımı, hem de depolanabilmesi sağlanmalıdır.
21
Çizelge 2.2. Türkiye’de kurulu ve inşa halindeki Rüzgâr enerjisi tesisleri Mevkii
Şirket
Üretime Geçiş Tarihi
Kurulu (MW)
Güç
Yıllık devreye alınan kapasite toplamı (MW)
Hali hazırdaki Türkiye Kurulu gücü (MW)
8,70
131,35
İzmir-Çeşme
Demirer A.Ş.
1998
1,50
İzmir-Çeşme
Güçbirliği A.Ş.
1998
7,20
ÇanakkaleBozcaada İstanbulHadımköy
DemirerEnercon Sunjüt A.Ş.
2000
10,20
10,20
2003
1,20
1,20
BalıkesirBandırma
Bares A.Ş.
I/2006
30,00
30,85
İstanbul-Silivri İzmir-Çeşme Manisa-Akhisar Çanakkaleİntepe ÇanakkaleGelibolu
Ertürk A.Ş. Mare A.Ş. Deniz A.Ş. Anemon A.Ş.
II/2006 I/2007 I/2007 I/2007
0,85 39,20 10,80 30,40
Doğal A.Ş.
II/2007
15,20
Manisa-Sayalar Hatay-Samandağ İstanbulGaziosmanpaşa İzmir-Aliağa Aydın-Çine İstanbul-Çatalca Çanakkale
Doğal A.Ş. Deniz A.Ş. Lodos A.Ş.
II/2007 II/2007 I/2008
30,40 30,00 24,00
İnnores A.Ş. Sabaş A.Ş. Ertürk A.Ş. As Makinsan Temiz A.Ş. Ak-El A.Ş. Ezse Ltd. Şti. Ezse Ltd. Şti. Baki A.Ş. Bangüç A.Ş.
I/2008 I/2008 I/2008 II/2008
42,50 19,50 60,00 30,00
İzmir-Kemalpaşa II/2008 Hatay-Samandağ II/2008 Hatay-Samandağ II/2008 Balıkesir-Şamlı II/2008 BalıkesirII/2008 Bandırma Osmaniye-Bahçe Rotor A.Ş. I/2009 TOPLAM *İtalik karakterle yazılan santraller aktif haldedir.
156,00
405,16
66,66 35,00 22,50 90,00 15,00 130,00
130,00 742,11
Tabloda yazılı olan tesislerden italik yazılı olanlar şu an için aktif olan enerji santralleridir. Diğer santrallerin bitirilme tarihleri de tabloda belirtilmiştir.
22
3. GÜNEŞ ENERJİSİ DÖNÜŞÜM SİSTEMİ 3.1. Güneş Enerjisinden Yararlanmanın Gelişimi ve Güneş Enerjisi Endüstrileşmenin başlangıcıyla birlikte güneş bir enerji kaynağı olarak görülmeye başlanmıştır. Güneş enerjisi ile ilgili araştırmalar; güneşin yaydığı enerjinin gerçekten çok büyük olduğunu ortaya koymuştur. Aslında bugünkü endüstriyel büyümeyi; biyolojik organizmaların milyonlarca yıldır kullanmış olduğu güneş enerjisine borçluyuz. Hidroelektrik, rüzgâr ve dalga gücü gibi yenilenebilir diğer enerji kaynaklarının çoğu da güçlerinin güneşten alırlar. Güneşin bir enerji kaynağı olarak görülmeye başlaması görüşü, fosillerden elde edilen enerjinin, dünyayı kirlettiğinin anlaşılmasıyla birlikte daha da önem kazanmıştır. Güneş kollektörlerini kullanarak, kullanım suyunu arzu edilen sıcaklıkta ısıtabilir, güneş pilleri sayesinde yılın her ayı istenilen yerde istenildiği kadar elektrik elde edilebilir. Güneş enerjisi yoğunluğunun, yaz, kış, gece, gündüz ve hatta günün değişik saatlerinde belirli bir bölgede farklı olması nedeniyle güneş enerjisinden başlıca dört farklı şekilde yararlanmak mümkün görünmektedir. Bunlar sırasıyla; güneşin ısı etkisinden (yeryüzünü ısıtma etkisi), güneşin fotoelektrik etkisinden, orbital enerjisi şeklinde ve biyolojik-kimyasal etkisinden yararlanmadır. Güneş enerjisinden kimyasal ve biyolojik etkiyle yararlanma fotosentez ve güneşte oluşan kimyasal tepkimelerle güneş enerjisini tutma ve depolamaya dayanır. Güneş enerjisinden orbital enerjisi şeklinde yararlanma, dev bir uydunun dünya çevresine gönderilerek güneş enerjisinin fotoelektrik ve termik olarak depolanması ve atmosferde emilmeyecek biçimde (mikrodalgaya dönüştürme gibi) dünyaya gönderilmesi prensibine dayanır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi daha çok yüksek yoğunlukta güneş ışığı alan, sahra gibi çöl veya az yağmur alan ekvatoral bölgelerde ekonomik olmaktadır. Fakat enerjinin tüketim alanlarından uzaklığı ve depolanma güçlüğü nedeniyle ancak suyu elektroliz ederek oluşan hidrojeni doğalgaz gibi taşımak şeklinde yararlanma yolları
23
araştırılmaktadır. Toplayıcı özel kollektörlerle Fransa’da 2400 oC kadar ulaşmıştır. Özellikle Fransa, İspanya, ABD ve İsrail başta olmak üzere birçok ülkede güneş enerjisinden elektrik üretimi amaçlı yararlanma yollarını araştırmak için yoğun araştırmalar yapılmaktadır. Günümüzde 60–100 MW’lık deneme güneş elektrik santralleri bulunmaktadır. 2050 yılında dünya enerji tüketiminin %15’inin güneşten karşılanacağı tahmin edilmektedir [48]. Güneşin fotoelektrik etkisinden yararlanmada güneş enerjisi doğrudan elektrik enerjisine çevrilir ve bu enerji tüketilir. Güneş ışığı ile çalışan birçok gereçler (hesap makinesi, saat, oyuncak, güneş enerjili taşıtlar gibi) ve uzaydaki uydular enerjilerini bu teknikle kazanmaktadırlar. Açık havada 100 m2 ev çatısına bir günde 80–100 litre benzin eşdeğeri enerji düşmektedir. 3.2. Güneş Enerjisinin Oluşumu Doğal bir füzyon reaktörü olan güneşte her bir saniyede 564 milyon ton hidrojen, 560 milyon ton helyuma dönüşmekte ve kaybolan 4 milyon kütle karşılığı 386 milyon EJ enerji açığa çıkmaktadır (1 EJ=22,7 MTEP). Güneş daha milyonlarca yıl ışımasını sürdüreceğinden, Dünya için sonsuz bir enerji kaynağıdır. Dünya’nın çapına eşit bir dairesel alan üzerine çarpan güneş gücü, 178 trilyon kW düzeyindedir. Güneşten gelen güç insanlığın yıllık ticari enerji gereksiniminin 16.000 katından çoktur. Dünyadaki tüm elektrik santrallerinin toplam gücü güneşten gelen gücün 61.000’de birinden azdır. Güneşten gelen güç, Dünyadaki tüm nükleer santrallerin toplamının ürettiği gücün 527.000 katıdır. Güneş enerjisi uzaya ve yörüngesindeki gezegenlere elektromanyetik ışınım (radyasyon) biçiminde yayılır. Dalga boyu 0,2–3 µm arasında olan bu akım, kısa dalgalı bir ışınımdır. Şekil 3.1’de güneşten gelen enerjinin ışık tayfı verilmiştir.
24
Görünen
Dalgaboyu(m) 10 -9
10 -8
10 -7
10 -5
Ultraviyole 10 17
10 -4
İnfrared
10 16
10 15
10 13
10 12
Frekans (Hz) 10 3
10 2
10 1
10 -1
10 -2
mavi
Foton Enerjisi( eV) Güneş Radyasyonu
sarı kırmızı
Şekil 3.1. Işık Tayfı Dünyanın yaşanabilir alanlarına gelen güneş enerjisi yere, zamana ve iklime bağlı olarak 3 ile 50 MJ/m2 gün arasında değişir. Güneş enerjisi kolektörler sayesinde toplanabilir. Yaklaşık bir ev çatısına eşit, 100 m2 alanlı kollektör 70 kW’lık güç kaynağı demektir ki, bu kolektörden bir günde sağlanabilecek yararlı enerji %40 verimle 180 kWh, ya da 14 galon petrol eşdeğeri veya bir insan ağırlığıyla taşkömürü eşdeğeridir. Güneş, yarıçapı dünya yarıçapının 109 katı ve kütlesi dünya kütlesinin 330.000 katı olan, yüksek basınçlı ve yüksek sıcaklıklı bir gaz küresidir. Dünya’dan uzaklığı 150 milyon km’dir. Yüzey sıcaklığı ise 6.000 oC’dir. Güneşteki bu yüksek sıcaklık nedeni ile elektronlar atom çekirdeklerinden ayrılır. Bu sebeple, güneşte atom ve molekül değil, serbest elektronlar ve atom çekirdekleri bulunur. Bu karışıma plazma adı verilir. Bu sıcaklıkta hafif elementler, atom çekirdekleri oluştururlar. Dört hidrojen çekirdeği birleşerek bir helyum çekirdeği meydana getirir. Birleşme çok yüksek sıcaklıkta olur ve bu olaya füzyon adı verilir. Yüksek sıcaklıkta TermoNükleer Reaksiyon adını alır. Güneşte hidrojen yanarak helyuma dönüşür. Oluşan helyum miktarı hidrojenden daha azdır. Aradaki fark güneşten ışın olarak çıkan (Güneş Radyasyonu) enerjiyi verir. Bu enerji çeşitli dalga boylarında ışınlar halinde
25
dünyaya ulaşmaktadır. Dünya, güneşten enerjinin sadece milyarda birini alır. Güneşin ürettiği enerji, 15 dakikalığına bir yerde toplanabilse elde edilen enerji miktarı toplam dünya nüfusunun bir enerji ihtiyacını karşılayabilirdi. Güneşin merkezinde bir saniyede 564 Mton hidrojen, 560 Mton helyuma dönüşmektedir. Aradaki 4 Mton fark ise ısı ve ısı enerjisi halinde uzaya yayılmaktadır. Uzaya yayılan güneş ışınları yakıcı ve öldürücüdür. Zararlı ışınlar ozon tarafından tutulmaktadır. Ozon tabakası güneş ışınlarını canlılar için gerekli olduğu kadar dünyaya ulaşmasını sağlamaktadır. 3.2.1. Fotovoltaik sistemler Fotovoltaik sistemler, güneş enerjisinden etkin olarak yararlanmada genelde elektrik enerjisi üretiminde kullanılan ve fotovoltaik modül, akü, çevirici (inverter), şarj denetim birimleri gibi bileşenlerden oluşan sistemlerdir. Fotovoltaik piller (Güneş pilleri), güneş ışınlarını doğrudan elektriğe çeviren ve fotovoltaik modülleri oluşturan cihazlardır. Işınların doğrudan elektriğe çevrimi üç ayrı cihazla olmaktadır. Bunlar; fotoemissif selüller, fotorezistans selüller, yarı iletken güneş pilleridir. Modüllerde hücreler elektrik akımının sağlanabilmesi için birbirlerine paralel, seri ya da karma olarak bağlanmaktadır. Modüller alt ve üst kısımlarından camla kaplanarak bir metal çerçeve ile çerçevelenmektedir. Güneş ışınlarını elektrik ve ısı enerjisine dönüştüren fotovoltaik piller %5–30 arasında değişen verimleri ile değişik türlerde üretilebilmektedir. İlk güneş pilini Schottky, Lange ve Grondahl gerçekleştirmiştir [52]. İlk güneş pili Bakır oksit (Cu2O) ve selenyumdan (Se) yapılmıştır. Ancak ilk esaslı güç elde edilen güneş pili 1954 yılında Bell Telephone laboratuarında ABD G.L. Pearson, C.S. Fuller ve D.M. Chapin tarafından gerçekleştirilen P-N eklemli homoeklemli silisyum güneş pilidir. Bu pilin verimi %6 bulunmuştur [52].
26
Dünyada ilk güneş pili santrali 1982 yılında Arco Solar Inc. tarafından ABD’nin Kaliforniya eyaletinde kurulmuş olan 1 MW gücündeki santraldir. Bir başka santral yine ABD’nin Los Angeles kentinin kuzey doğusunda 1 MW gücünde ve güneşi izleyebilen 108 adet güneş panelinden ve 90.000 adet mono kristal içeren santraldir. 3.2.2. Güneş pillerinin yapımında kullanılan malzemeler Güneş pilleri pek çok farklı maddeden yararlanarak üretilebilir. Günümüzde en çok kullanılan maddeler şunlardır: Kristal Silisyum: Önce büyütülüp daha sonra 200 mikron kalınlıkta ince tabakalar halinde dilimlenen Tek kristal Silisyum bloklardan üretilen güneş pillerinde laboratuar şartlarında %24, ticari modüllerde ise %15'in üzerinde verim elde edilmektedir. Dökme silisyum bloklardan dilimlenerek elde edilen Çok kristal Silisyum güneş pilleri ise daha ucuza üretilmekte, ancak verim de daha düşük olmaktadır. Bu elementlerle yapılan hücrenin verimi, laboratuar şartlarında %18, ticari modüllerde ise %14 civarındadır [53]. Galyum Arsenik (GaAs): Bu malzemeyle laboratuar şartlarında %25 ve %28 (optik yoğunlaştırıcılı) verim elde edilmektedir. Diğer yarı iletkenlerle birlikte oluşturulan çok eklemli GaAs pillerde %30 verim elde edilmiştir. GaAs güneş pilleri uzay uygulamalarında ve optik yoğunlaştırıcılı sistemlerde kullanılmaktadır [53]. Amorf Silisyum: Kristal yapı özelliği göstermeyen bu Si pillerden elde edilen verim %10 dolayında, ticari modüllerde ise %5–7 mertebesindedir. Günümüzde daha çok küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılan amorf silisyum güneş pilinin bir başka önemli uygulama sahasının, binalara entegre yarısaydam cam yüzeyler olarak, bina dış koruyucusu ve enerji üreteci olarak kullanılabileceği tahmin edilmektedir [53].
27
Kadmiyum Tellürid (CdTe): Çok kristal yapıda bir malzeme olan CdTe ile güneş pili maliyetinin çok aşağılara çekileceği tahmin edilmektedir. Laboratuar tipi küçük hücrelerde %16, ticari tip modüllerde ise %7 civarında verim elde edilmektedir [53]. Bakır İndiyum Diselenid (CuInSe2): Bu çok kristal pilde laboratuar şartlarında %17,7 ve enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan prototip bir modülde ise %10,2 verim elde edilmiştir [53]. Optik Yoğunlaştırıcılı Hücreler: Gelen ışığı 10–500 kat oranlarda yoğunlaştıran mercekli veya yansıtıcılı araçlarla modül verimi %17'nin, pil verimi ise %30'un üzerine çıkılabilmektedir. Yoğunlaştırıcılar basit ve ucuz plastik malzemeden yapılmaktadır. Ancak güneşi sürekli olarak dik açıda görmelerinin gerekliliği bu tip hücrelerin kullanımını kısıtlamaktadır [53]. 3.2.3. Yarı iletken fotovoltaik piller ve verimlilikleri Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren fotovoltaik piller, malzeme ve bir araya getirilme tekniğine bağlı olarak çeşitli türlerde üretilmektedir. Pillerin temel malzemesini silisyum oluşturmakta ve yaygın olarak mono kristal piller kullanılmaktadır. Tipik bir 10x10 cm fotovoltaik pil full radyasyonda (güneş ışığı) 1,5 watt üretir. (Voltaj: 0,5 volt; akım: 3 amper) 3000 watt kapasiteli bir fotovoltaik sistem 27 m2’lik bir alanda yıllık olarak 2700 kWh üretir. Kesin kazancın yerleştirilen fotovoltaik pilin 1000 watt'ı başına yaklaşık 900 kWh olduğu saptanmıştır. Yarı iletken fotovoltaik pil çeşitleri ve özellikleri aşağıda belirtilmiştir. 3.2.4.Kristal silisyum fotovoltaik piller Silisyum, yarı iletken özellikleri tipik olarak gösteren ve fotovoltaik pil yapımında en çok kullanılan maddedir ve uzun yıllar da bu konumu koruyacak gibi görünmektedir. Fotovoltaik özellikleri daha üstün olan başka maddelerde olmakla birlikte, silisyum
28
hem teknolojisinin üstünlüğü nedeniyle, hem de ekonomik nedenlerle tercih edilmektedir. Mono kristal silisyum piller: İlk ticari fotovoltaik pillerde, Chrozalski kristal çekme tekniği ile büyütülen tek kristal yapılı silisyum kullanılmıştı. Fotovoltaik endüstride hala en çok kullanılan yöntem olan bu teknikte öncelikle ark fırınlarında silisyum oksit çeşitli kimyasal ve termal reaksiyonlarından geçirilerek saf silisyum elde edilir. Daha sonra silisyum eriyiğe, çekirdek denen tek kristal yapılı bir silisyum parçası batırılır. Bu çekirdek eriyikten çıkarıldığında, soğuyan silisyum eriyik çekirdek üzerine külçe şeklinde yığılmış olur. Önce külçe dikdörtgen bloklar şeklinde kesilir, daha sonra bu bloklar dilimlere ayrılarak pil şeklinde işlenir. Pil büyüklükleri birkaç mm2’den başlayarak 100/200 cm2 arasında değişmekte kalınlıkları 0,2–0,4 mm ve formları kare, dikdörtgen ya da dairesel olabilmektedir. Yapılan laboratuar araştırmalarında mono kristal modüllerin verimlilik oranları %24–30 arasında değişmekte olup, seri üretilen elemanlarda bu oran %16–17 arasında değişmektedir. Yapım sırasında malzeme kaybının çok fazla olması ise dezavantajlarıdır [53]. Yarı kristal fotovoltaik piller: Bu tip piller, sıvı silisyumun soğutulması ile elde edilen kümelenmiş, küçük silisyum kristallerinden oluşur. Bu pillerin verimleri %14 civarındadır. Ribbon silisyum fotovoltaik piller: Bu hücreler malzeme kaybının azaltılması amacıyla, levha halinde silisyum tabakalarından yapılırlar. Çeşitli yöntemlerle elde edilen bu piller, halen geliştirme aşamasındadır. Verimleri laboratuar şartlarında %13–16 arasındadır. Multikristal silisyum fotovoltaik piller: Multikristal pillerin üretimleri mono kristal pillere karşın daha kolay ve ucuzdur, ancak verimlilik yüzdeleri ve buna paralel olarak daha düşüktür. Multikristal pillerin verimlilikleri laboratuar üretimlerinde
29
%18, seri üretimlerde ise %13–14 oranındadır. Her iki hücre pili için de yarı iletken tabakanın kalınlığını artırılması ile verimliliğin artacağı savunulmaktadır. 3.2.5. İnce film fotovoltaik piller Bu teknikte, soğurma özelliği daha iyi olan maddeler kullanılarak daha az kalınlıkta piller yapılır. Örneğin; amorf, silisyum pillerinin soğurma katsayısı kristal silisyum pillerine göre daha fazladır. Bu yüzden amorf yapılı pillerde daha az malzemeler kullanılır. Ayrıca montaj kolaylığı nedeniyle iş gücünün azalması bu hücrelere bir avantaj sağlar. Amorf silisyum piller: Amorf silisyum piller (A-Si), ince film hücre teknolojisini en önde gelen örneğidir. Amorf pillerde verimlilik düzeyi ise %5–9 oranındadır. Maliyetinin düşük olması nedeni ile düşük verimliliğine karşın ekonomik olacağı görüşü hâkimdir. Diğer yapılar: Bakır indiyum diselenit (Culnsh) maddesinden yapılan ve verimliliği %13 civarında olan piller halen geliştirme aşamasındadır. Kadmiyum tellür (CdTe) ile yapılan pillerin ise soğurma özelliği yüksek, verimleri de %12 civarındadır. Bugüne kadar elde edilen en yüksek verime (%24) galyum arsenikten (GaAs) yapılan piller ulaşmıştır. Bu madde ile çeşitli türde pil elde edilmekle birlikte, pahalı olduğu için çoğunlukla uzay teknolojisinde kullanılır. Bunların dışında, güneş ışınımını yüksek verimli pillerin üzerine optik olarak yoğunlaştıran sistemler üzerinde çalışmalar yapılmaktadır. Bu tür sistemlerde güneşin hareketini izleyen düzeneklerin yanı sıra, güneş ışığını kıran (mercek) ya da yansıtan (ayna) eleman kullanılır. Pillerin üretiminde, verimliliklerinin arttırılması konularında sürekli ilerleme ve iyileştirmeler kaydedilmektedir. Araştırmalar amorf pillerinde de gelecekte yüksek verim alınabileceğini ancak bu değerlerin Multikristal pillerden az olacağını
30
göstermektedir. Çizelge 3.1.’de piyasada bulunan PV tesislerin verimlilik oranları verilmiştir. Çizelge 3.1. Piyasada bulunan PV tesislerin verimlilik oranları
Hücre türü Modül verimliliği Dönüştürücü verimliği Sistemin kulla. Verimliliği Teknik uygulanabilirlik Modül kapasitesi
Mono %14 %92 %10–11 %95 2–20 kW
PV Tesisleri Multi Amorf %12 %6 %92 %92 %9–10 %4–5 %95 %95 2–20 kW 2–20 kW
3.3. Fotovoltaik Pillerin Matematiksel Modeli Fotovoltaik hücreler, güneş ışığının yarıiletkenler üzerindeki etkisi sonucunda elektrik üretirler. Fotovoltaik panellerin yapımında en çok kullanılan yarı iletken malzemeler, silisyum ve silisyum alaşımlarıdır [54]. Şekil 3.2’de güneş panelinde kullanılan hücrelerin içyapısına ait görüntü verilmiştir. Güneş ışığı
Metal şerit ızgara
h+ Metal Kontak
e_ p-tipi yarıiletken h+
Yansıtıcı yüzey
n-tipi yarıiletken e_
Şekil 3.2. Solar hücrenin içyapısı Güneş panelinden elde edilen elektrik enerjisini matematiksel olarak ifade edebilmek için öncelikle güneş paneli eşdeğer devresi çıkarılmalıdır. Bu devredeki değerlere bağlı olarak elde edilen formüller incelenirse, panelin enerji üretimi ve verimi ile ilgili daha fazla bilgi sahibi olunabilir. Şekil 3.3’de güneş paneli elektriksel eşdeğer devresi verilmiştir [55].
31
I RS
RSH
D
RL
V
ILG Şekil 3.3. Güneş paneli elektriksel eşdeğer devresi Eşdeğer devre üzerindeki RSH akım kaynağına paralel direnci, D ise kaynak üzerinden geçebilecek ters akımları önleyen diyotu ifade etmektedir. RL ise yük direnci olarak kullanılmaktadır. Güneş panelinde üretilen elektrik enerjisine, panel sıcaklığının, panelin güneş alma açısının ve ışınım değerinin direk olarak etkisi vardır. Güneş panelinde elde edilen elektrik enerjisi matematiksel olarak Eş. 3.1 ile,
q (V + IRS ) − 1 − V + IRS I = I LG − I OS exp RSH AkT
(3.1)
ters doyum akımı Eş. 3.2 ile, 3
I OS
qE T = I OR exp GO TR Bk
1 1 − TR T
(3.2)
ışık tarafından üretilen akım ise Eş. 3.3 ile ifade edilir. I LG = [I SCR + K I (T − 25)]λ / 100
(3.3)
32
Formüllerdeki değişkenler; I ve V
= Panel çıkış akım ve gerilimi
IOS
= Panel ters doyum akımı
T
= Panel sıcaklığı oC
k
= Boltzmann sabiti
q
= Elektronik şarj
KI = 0,0017
= ISCR için kısa devre sıcaklık katsayısı A/oC
λ
= W/m2 ‘deki solar aydınlanma
ISCR
= 25oC ve 1000 W/m2’deki kısa devre akımı
ILG
= Işık tarafından üretilen akım
EGO
= Silikon için bant genişliği
B =A =1,92
= İdealleştirme faktörü
TR= 301,18oK = Referans sıcaklık IOR
= TR referans sıcaklığında panel doyum akımı
RSH
= Şönt direnç
RS
= Seri direnç
3.4. Panel Verimine Etkiyen Faktörler Yarı iletken pillerin verimini etkileyen etkenleri doğal etkenler ve teknolojik etkenler olarak iki grupta toplanabilir [56]: 1- Doğal Etkenler
Tam olmayan soğurma
Foton
enerjisinin
kullanılmaması
Eğri etkeni
Güneş pilinin sıcaklığı
Yüzey kirlenmesi
tamamının
elektron
hol
çiftinin
oluşturulmasında
33
2- Teknolojik Etkenler
Güneş pilinin iç seri direncinden ileri gelen kayıplar
Fotovoltaik güneş pili üzerindeki yansıma kayıpları
Toplama kayıpları
Güneş pilinin kalınlığı
3.4.1. Doğal etkenler Tam olmayan soğurma: Fotovoltaik güneş pilleri yasak enerji aralığına karşılık gelen dalga boylarına sahip olan ışınları soğururlar. Yasak enerji aralığında daha küçük enerjili ışınları soğuramazlar. Soğurma kaybı, yasak enerji aralığında oluşturulacak tuzak seviyeleri ve farklı yasak enerji aralıklı materyallerden çoklu tabakların oluşturulmasıyla azaltılabilir.
Foton enerjisinin tamamının elektron-hol çifti oluşturulmasında kullanılmaması: Yutulmuş fotonların büyük bir kısmı elektron-hol çiftinin oluşması için gerekli olan enerjiden daha büyük enerjiye sahiptirler. Fotonların fazla enerjileri ısıya dönüşür bundan dolayı enerji kaybı meydana gelir. Bunu gidermeye yönelik olarak fotonların fazla enerjilerinden elde edilen ve verimliliği düşüren atık ısının modülün alt kısmında bırakılan boşluktaki havaya ya da borulardan geçen suya aktarılmasıyla sıcak su elde edilmesinde, mekân ısıtmasında kullanılabilir yeni tür modüller geliştirilmiştir. Eğri etkeni: Güneş pilinin verdiği akım, yüzeyine gelen güneş ışınımı şiddetine ve yüzey sıcaklığına bağlı olarak değişir. Bir güneş pilinin yüzeyine gelen ışınım şiddeti arttığında, pil akımı ve gücü doğrusal olarak artar. Güneş pilinin yüzey sıcaklığı arttığında ise pil akımı az miktarda artar, gerilim büyük ölçüde düşer. Bir güneş pilinin verimi şu şekilde ifade edilir;
n =
Pm J × A
(3.4)
34
Bir güneş pilinin verimini etkileyen en önemli özelliklerden biri Fill Faktörüdür (FF). Eğri faktörü de denilen bu faktör, güneş pilinin verimini belirler. Fill faktörü yâda eğri etkeni aşağıdaki şekilde ifade edilir. Eğri etkeni maksimum güç noktasına karşılık gelen maksimum akım ve maksimum gerilim çarpanlarının açık devre ve kısa devre akımının çarpımlarının oranına eşittir. Fill faktörünün alabileceği en büyük değer 1 dir. Genel olarak FF 0,6–0,8 değerlerine yakın olur.
FF =
I mak xVmak I kd xVad
(3.5)
Eğri etkeni ve gerilim etkenleri uygun yasak enerji aralıklı materyallerin seçimiyle ve uygun katkılama seviyeleri ile azaltılabilir. Açık devre ve kısa devre şartları altında çalıştırılan bir PV pilinin çıkışından herhangi bir güç alınmaz. Güneş pilinin sıcaklığı: Fotovoltaik pilin sıcaklığı verimin düşmesine neden olur. Şekil 3.4’te fotovoltaik pil sıcaklığının verime olan etkisi görülmektedir. Sıcaklığı düşük olarak koruyabilmek için uzayda kullanılacak pillerin üzeri erimiş silikondan yapılmış şeffaf bir örtü ile kaplanır. Bu örtü çok katlı bir filtre özelliği gösterir ve mor ötesi ışınları pil yüzeyinden yansıtır.
Hücre Verimi % Monokristal Silikon 15 10 Amorf Silikon 5 Hücre Sıcaklığı 5
10
15
20
25
30
35
40
Şekil 3.4. Fotovoltaik pillerin sıcaklığının verime etkisi
45
50
55
60
35
Yüzey kirlenmesi: Modüllerin yüzeyindeki tozlanma ve kirlenmeler modül verimliliğini azaltmaktadır.
Yapılan araştırmalar, kirlenme
durumunda
PV
performansının %3,5 oranında düştüğünü göstermektedir. Bu nedenle kirlenmeyi önlemek için modülün eğim açısının yağmur sularının kolayca akabilmesini sağlamak için >20o olmalıdır. Modüller bina yüzeylerinde düşey olarak uygulandıklarında
ise
temizlenebilmeleri
için
açılabilir
kanat
şeklinde
düzenlenebilirler ya da hareketli yüzey temizleme aletleri ile temizlenebilirler. 3.4.2. Teknolojik etkenler Güneş pilinin iç seri direncinden ileri gelen kayıplar: Seri direnç, farklı tabakalardan geçen akımdan kaynaklanan bir dağılım olduğu kabul edilmektedir. İç seri direncinden dolayı akım voltaj karakteristik eğrisinde sapma meydana gelir. Seri dirençten ileri gelen kayıplar pil teknolojisinin gelişmesiyle giderilebilir. Şekil 3.5’te bir fotovoltaik pilin veriminin seri dirençle değişimi görülmektedir. Verim % 16 14 12 10 8 0,2
0,5
1
2
3
4 Seri Direnç ?
Şekil 3.5. Bir fotovoltaik pilin veriminin seri dirençle değişimi Fotovoltaik pil üzerindeki yansıma kayıpları: Yansıma kayıpları materyalden materyale göre değişmektedir. Silisyum için yansıma katsayısı oldukça düşüktür. Bu yansıma kayıpları pil yüzeyine anti yansıtıcı bir madde kullanılarak bu kayıplar azaltılabilir.
36
Güneş pilleri üzerine gelen ışınların bir kısmını yansıtırlar ve bu durum güneş pilinin çıkış gücünü olumsuz yönde etkiler. Bunu önlemek için anti yansıtıcı maddeler kullanılır. Anti yansıtıcı maddeler saydam maddeler olup, buharlaştırma, kimyasal çöktürme ve oksitleme yolu ile güneş pilinin ön yüzeyine kaplanır. Aynı zamanda bu tabaka güneş pilinin yüzeyini çeşitli dış etkilerden de korur. Toplama kayıpları: Güneş pilinde ışınların etkisiyle oluşan elektron-hol çiftleri eğer P-N eklem bölgesinden uzakta olmuşlarsa, tekrar birleşmeden dolayı yok olurlar ve bu durum toplama verimin azalmasına neden olur. Toplama verimi küçük dalga boyları için P tabakasında, büyük dalga boyları için N tabakasında daha büyüktür. Fotovoltaik pilin kalınlığı: Fotovoltaik pilin kalınlığı da önemlidir. Pil kalınlığı küçüldüğü zaman geçirilmiş ışınlardan dolayı kayıp artar. Fotovoltaik pilin verimi azalır. Yaygın olarak kullanılan silisyum fotovoltaik pillerinin kalınlığı 0.2 – 0.4 mm arasındadır. 3.5. Fotovoltaik Modüllerin Sağladığı Avantajlar Fotovoltaik modüllerin bina kabuğunda cephe veya çatı kaplama elemanı olarak kullanılmasının avantajları şöyle sıralanabilir:
•
PV- modüllerin kullanımı, değişen modül boyutları ve pil yapılarına bağlı olarak görünüm itibarıyla sınırsız tasarım olanağı sağlar.
•
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etmek için kurulan PV-modüller ek mekân ve yüzey gerektirmezler.
•
PV-modüllerin bina kabuğuna entegre edilmeleri ek bir konstrüksiyon gerektirmez.
•
PV-modüller saydam veya renkli olarak hazırlanabilmektedirler. PV pilleri rengi monokristal silisyumda siyah, multikristal silisyumda mavi, amorf silisyumda ise kırmızımsı kahverengi olup, güneş ışınlarını soğurma güçleri de renklere bağlı olarak değişmektedir.
37
•
PV-modüllerin çok tabakalı olarak üretilmeleri olanaklıdır. Çünkü bu tür konstrüksiyonlar ışıklık olarak uygulandıklarında, gerekli ısı yalıtımı sağlamak zorundadırlar.
Kısaca,
konvansiyonel
cephe
ve
çatı
elemanlarının
yerini
PV-modüller
alabilmektedir. Bu modüller tarafından üretilen elektrik enerjisinin bağlantısı kablolar aracılığı ile cam yüzeyler delinerek modüllerin arkasında yapılmaktadır. 3.6. Maksimum Güç Noktası Takibi Günümüzde yenilenebilir enerji kaynakları elektrik enerjisi üretiminde önemli rol oynamaktadır. Çeşitli yenilenebilir kaynaklar örneğin güneş enerjisi, rüzgâr enerjisi, jeotermal v.b. bu tür kaynakların en çok kullanılan türleridir. Güneş enerjisi elektrik üretim sistemleri için iyi bir seçimdir. Bunun nedeni güneş enerjisinin
solar
paneller
tarafından
direkt
olarak
elektrik
enerjisine
dönüştürülebilmesidir. Güneş panelleri silikon hücrelerden meydana gelirler. Her bir silikon hücrenin açık devre gerilimi yaklaşık olarak 0,7 V civarındadır. Hücreler seri bağlanarak solar PV modüller meydana getirilir. Genellikle uygulamada 36 hücre seri bağlanarak yaklaşık 20V gerilim elde edilir. Hücrelerden elde edilecek akım oranı ise hücrelerin yüzeyine bağlı olarak değişen bir faktördür. Hücre alanı ne kadar büyük olursa elde edilecek akımda o kadar yüksek olur. Yüksek çıkış güçleri elde edebilmek için hücreler seri ve paralel kombinasyonlar halinde bağlanarak güneş panelleri oluşturulur. Güneş panellerinin maksimum verimle çalıştırılabilmesi için karakteristiklerinin iyi bilinmesi gerekmektedir. Güneş paneli için akım (I) ile gerilim (V) ve güç (W) ile gerilim (V) arasındaki ilişkileri gösteren karakteristik eğrileri Şekil 3.6 a ve b’de verilmiştir.
38
6
Akım (A)
5 4 3 2 1 0
2
4
6
8
10
12
14
10
12
14
Gerilim (V)
(a) 60 50 Güç (W)
40 30 20 10 0
2
4
6
8 Gerilim (V)
(b) Şekil 3.6. Solar modülün karakteristik eğrileri a)Akım-gerilim b)Güç-gerilim eğrisi 3.6.1. Maksimum güç takibinin gerekliliği Solar modüller için çıkış gücü, güneşe bakış açısı, güneşlenme ve panel sıcaklığına bağlı olarak değişir [57]. Çeşitli güneşlenme değerlerinde panelin sergilediği çıkış karakteristik davranışlara ilişkin eğriler Şekil 3.7 a ve b’de verilmiştir.
39
Akım (A)
5 1000 W/m2
4
750 W/m2
3
500 W/m2
2
250 W/m2
1 0
2
4
6
8
10
12
14
10
12
14
Gerilim (V)
(a) 60 1000 W/m2
50
750 W/m2
Güç (W)
40
500 W/m2
30
250 W/m2
20 10 0
2
4
6
8 Gerilim (V)
(b) Şekil 3.7. Güneşlenme miktarındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi a) Akım-gerilim eğrisi b) Güç-gerilim eğrisi Şekilde verilen güç ve gerilim arasındaki ilişkiyi veren eğride görüldüğü gibi, birim alanda güneşlenme miktarı arttıkça panelden elde edilen güç değeri de artmaktadır. Güneş panelinin yüzey sıcaklığı değiştiğinde ise, panel gerilim ve akım değerleri ve buna bağlı olarak panel gücüde değişmektedir [57]. Değişik yüzey sıcaklıklarında modül karakteristiğindeki değişim Şekil 3.8 a ve b’de verilmiştir.
40
6
Akım (A)
5
20oC
4
40oC
3
60oC
2 80oC
1 0
2
4
6
8
10
12
14
Gerilim (V)
(a)
50 20oC
Güç (W)
40 30 20
80oC
10 0
40oC
60oC
2
4
6
8
10
12
14
Gerilim (V)
(b) Şekil 3.8. Panel yüzeyi sıcaklığındaki değişimin solar modülün karakteristiğine etkisi a) Akım-gerilim eğrisi b) Güç-gerilim eğrisi Güneş panellerinin verimleri yaklaşık %13 olarak bilinmektedir. Görüldüğü gibi modül verimi tahmin edilenden düşük bir değerdir. Modülleri değişken yükler altında maksimum verimle kullanabilmek için eğride gösterilen maksimum güç noktalarının değişken sıcaklık ve güneşlenme değerlerinde takip edilmesi gerekmektedir. Böylece güneş panelinin verimi sürekli olarak en yüksek seviyede tutulabilir. Maksimum güç takibi (MPPT) işlemi gücün yüke sürekli olarak en yüksek seviyede verilmesi olarak tanımlanabilir. Bu işlemi gerçekleştirebilmek için yükseltici veya alçaltıcı DA/DA konvertörler kullanılmaktadır. Konvertörün anahtarlama oranında yapılacak olan değişiklik yükün empedansına etki etmekte ve anahtarlama oranları değiştirilerek yüke maksimum güç transferi işlemi gerçekleştirilmektedir.
41
3.6.2. Maksimum güç noktasının belirlenmesi Maksimum güç takibi işleminin güneş panellerinin çıkışına bağlanan bir konvertörün anahtarlama oranlarında yapılan değişikliklerle yapıldığı önceki bölümlerde kısaca açıklanmıştı. Konvertörün anahtarlama oranının duty saykılındaki (boşluk darbe oranı) değişiklikler güç eğrisinin tepe noktasında çalışmayı sağlamaktadır. Alçaltıcı konvertör göz önünde tutularak işlem formüllerle açıklanacak olursa V0 = D * Vi
(3.6.)
(Vo çıkış gerilimi ve Vi giriş gerilimi olarak tanımlanırken) Empedanstaki değişim oranı R0 = D2 * Ri
(3.7.)
(Ro çıkış empedansı ve Ri giriş empedansı olarak tanımlanır) Ri = R0 / D2
(3.8.)
Çıkış direncinin değeri sabitken ve giriş direnci anahtarlama oranı tarafından değiştirilirken kaynak gerilimi de değişir. Dirençteki değişiklik anahtarlama oranındaki değişikliğe bağlı olarak gücün tepe noktasını da değiştirir [58]. Bu değişim Şekil 3.9’da verilmiştir.
42
6
Akım (A)
5 4 3
1/Ro
2
D2/Ro
1 0
2
4
6
8 Gerilim (V)
10
12
14
2
4
6
8 Gerilim (V)
10
12
14
60 50 Güç (W)
40 30 20 10 0
Şekil 3.9. DA/DA konvertörün maksimum güç noktası takibine etkisi 3.6.3. Maksimum güç noktası takip metotları DA/DA konvertörün anahtarlama oranını değiştirerek maksimum güç noktası takip işleminde dirençteki değişiklik gücün tepe noktasındaki değişime karşılık gelir. Boşluk darbe oranının değiştirilmesi yardımıyla gücün tepe noktasına ulaşma işleminde izlenecek birkaç farklı yöntem vardır. Elle yapılan maksimum güç takibi işlemlerinde verim yüksek değildir. Bunun yerine otomatik olarak yapılan işlemler daha çok kullanılır. Otomatik güç takibi işlemine dair birkaç algoritma verilecek olursa; a) Karıştır ve Gözlemle metodu b) Artan İletim metodu c) Bozucu kapasite metodu d) Gerilim tabanlı güç takip metodu e) Akım tabanlı güç takip metodu
43
Maksimum güç takibini uygulamak için mikroişlemciler ve kişisel bilgisayarlar yardımıyla program ve algoritmalar çalıştırılır. Algoritma modülü tepe noktasında çalıştırmak ve DA/DA konvertörün güç çıkışını maksimize etmek için boşluk darbe oranını sürekli değiştirir. Bu tür algoritmaların en çok kullanılanları aşağıda açıklanmıştır [57]. Gerilim Tabanlı Güç Takip Metodu: Bu yöntem şöyle açıklanabilir; Seçilen bir modülün maksimum güç noktasının modülün açık devre geriliminin 0.75 katı civarında olduğu kabul edilir. Ölçülen açık devre gerilim değeri bir referans gerilimi üretilerek ve üretilen referans gerilim geri dönüşüm voltaj kontrol şeması uygulanarak, solar modülün gerilimi maksimum güç noktasına getirilir. Bu teknikteki en büyük problem panelin açık devre geriliminin panel sıcaklığına bağlı olarak sürekli değişmesidir. Panel sıcaklığı arttıkça belirli bir noktaya kadar açık devre gerilimi de artmaktadır. Bu nedenle açık devre geriliminin sürekli olarak kontrol edilmesi gerekmektedir. Ayrıca panelin açık devre gerilimi ölçülürken yük devre dışı bırakılmalıdır. Ancak bu yolla çıkış gücünün sürekli olarak kontrol altında tutulması verimli bir uygulama değildir. Akım Tabanlı Güç Takip Metodu: Modül gücünün tepe noktası modül kısa devre akımının yaklaşık 0,9 katı civarında olabilir. Modülün bu tepe noktasını ölçmek için modül veya panel grubu kısa devre edilir. Bu sayede elde edilen akım değerine göre belirlenen akım kontrol modu kullanılarak, kısa devre akımının %90’ına kadar maksimum güç takibi işlemi yapılabilir. Bu yöntemin en büyük problemi kısa devre akımlarının ölçülebilmesi için yüksek güçlü dirençler kullanılmasının gerekliliğidir. Modül kısa devre edilerek ölçülen akım değeri değişik güneşlenme değerlerinde farklılıklar gösterebilir. 3.7. Güneş Takip Sistemleri Güneşin sonsuz bir enerji kaynağı olduğu ve yenilenebilir enerji kaynağı olarak kullanımının gün geçtikçe yaygınlaştığı daha önceki bölümlerde belirtilmişti. Güneş
44
enerjisinden elektrik üretimi amacıyla kullanılan güneş panellerinin matematiksel denklemleri Bölüm 3.3’te verilmiş ve panel verimini etkileyen önemli faktörlerden birinin güneşlenme olduğu belirtilmişti. Güneşlenmenin günün her saatinde en yüksek seviyede tutulabilmesi için panellerin güneşi takip etmesi gerekmektedir. Güneş ile panel yüzeyi arasındaki açı günün her saatinde dik olursa, güneşlenme de en yüksek seviyede olur. Panellerin güneşi dik açı ile görebilmeleri için sabah gün doğumundan akşam gün batımına kadar güneşi takip etmeleri gerekir. Ancak gün boyu yapılan takip işlemi yılın her mevsimi için aynı verimi sağlamaz. Çünkü dünyanın güneş eksenindeki hareketine bağlı olarak yıl içerisinde güneş her mevsim farklı yörüngeleri takip etmektedir. Güneşin mevsimlere göre izlediği yörüngeler Şekil 3.10’da verilmiştir. Yaz mevsiminde güneş İlkbahar ve Sonbahar dönencelerinde güneş Güneşin gün içinde izlediği yol Kış mevsiminde güneş Batı
Güney Kuzey
Doğu
Şekil 3.10. Güneşin mevsimlere göre izlediği yörüngeler Güneşin mekanik olarak takip işlemi iki şekilde yapılabilir. Birincisi tek eksenli güneş takip mekanizması, diğeri de iki eksenli güneş takip mekanizmasıdır [59]. Tek eksenli güneş takibinde esas; panelin güneşe olan kuzey-güney doğrultusundaki açısını bulunduğu konuma bağlı olarak en uygun açı değerine getirerek, doğu-batı ekseninde gün boyunca takip işlemini yapabilmesini sağlamaktır. Ankara için kuzey-
45
güney yönleri doğrultusunda belirlenen açı değeri 32o’dir. Şekil 3.11’de güneşi tek eksende izleyen panelin hareketine ait çizim verilmiştir.
Dönme Ekseni
Batı
Güney
Kuzey
Eğim Açısı
Doğu
Şekil 3.11 Güneşi tek eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması İki eksenli güneş takip mekanizmalarında ise; panel güneşi hem kuzey-güney hem de doğu-batı eksenlerinde takip etmektedir. Bu tür uygulamaların verimi tek eksenli olanlara göre fazladır. Ancak panel boyutlarının büyük olmasından dolayı, belirli bir gücü karşılamak için oluşturulacak güneş paneli gruplarının mekanik olarak iki eksenli hareket ettirilmesindeki güçlükler, rüzgâr yükünün fazla olması, dişli ve motorların mekanik problemleri bu sistemlerin kullanılmasını kısıtlayıcı sorunlardır. Şekil 3.12’de güneşi iki eksende izleyen panel yapısına ait çizim verilmiştir.
46
Dönme Ekseni
Batı
Kuzey
Güney
Dönme Ekseni
Doğu
Şekil 3.12. Güneşi iki eksende izleyen fotovoltaik modülün yerleşim şeması Güneşin mekanik olarak takibi sırasında çalıştırılan sistemlerin elektronik olarak kontrolü mikrodenetleyiciler veya bilgisayarlar yardımıyla yapılır. Güneş takip işleminin elektronik kısmında ise iki tür kontrol mekanizması mevcuttur. -
Kararlaştırılmış kontrol algoritması metodu (fixed control)
-
Dinamik kontrol metodu (dynamic control)
Her iki kontrol metodu da esasında güneşi takip etmek amacıyla kullanılırlar. Ancak aralarındaki en temel fark güneşin pozisyonunu bulma ile ilgilidir. Kararlaştırılmış kontrol algoritması metodunda; güneşin konumu bilgisayar veya mikrodenetleyici tarafından hazırlanmış algoritmalar ile bulunur. Bu yöntemde belirtilen gün ve tarihte güneşin olması gereken konum daha önceden sisteme girilen bilgiler aracılığı ile tespit edilir ve mekanik sistem buna göre güneşe yönlendirilir. Dinamik kontrol metodunda ise; mekanik sistem güneşi sensörler ve pozisyon algılayıcıları yardımıyla gerçek anlamda takip eder. Güneşin bulunduğu konuma göre mekanik sistem sürekli olarak güneşe yönlendirilir. Bu yöntemin dezavantajı ise sistemin sürekli olarak enerjili olarak beklemesi veriminin düşmesine neden olur.
47
Bu tez çalışmasında, güneş takip mekanizması olarak tek eksenli ve iki eksenli olmak üzere iki adet sistem tasarlanmış ve uygulamaları yapılmıştır. Bu mekanizmaların kontrol sistemleri ise her iki yöntemi kullanarak çalışmaktadır. Uygulaması yapılan sistemlerle ilgili detaylı bilgi ilerleyen bölümlerde verilecektir.
48
4. RÜZGÂR ENERJİSİ VE ELEKTRİKSEL UYGULAMALARI Rüzgâr enerjisinden mekanik ve elektrik dönüşüm olarak yararlanılır. Rüzgâr enerjisi dönüşüm sistemlerinin dönüştürme tekniğinin başta işletim ve bakımının kolay olması nedeniyle diğer enerji kaynaklarından üstünlüğü vardır. Rüzgâr enerjisi hem kırsal alanda elektrik enerjisinin yerel üretim ve tüketiminde, hem de elektrik şebekesini beslemek amacıyla kullanılır. Rüzgâr enerjisi elektriksel uygulamaları üç grupta toplayabiliriz. Şebeke bağlantılı AA uygulamaları: Bu uygulamada üretilen gücün tamamı veya artan kısmı verilir. Rüzgâr enerjisi sisteminin ürettiği elektriğin faz ve frekansı ile şebeke değerlerinin uyum içinde olması gerekir. Bu durumu sağlamak için üç yöntem kullanılır; •
Bir kontrol sistemi ile frekans ve hızın kontrol edildiği senkron jeneratör kullanmak; sadece büyük sistemlerde kullanılır.
•
Hat çevirici invertör ile senkron olmayan alternatör kullanmak; genellikle küçük sistemlerde tercih edilir.
•
Şebeke gücünün frekans olarak kabul edilen indüksiyon jeneratörünü şebekeye uygun alternatif akım üretmek için kullanmak; şebeke bağlantısının zor olduğu durumlarda kullanılır.
Şebeke bağlantısı olmayan AA/DA uygulamaları: Bu uygulamada şebekeye hiç enerji vermeden bir veya birkaç yük beslenir. Tarımsal amaçlı su pompalama, ürünlerin kurutulması veya soğutulması ısıtıcıların işletimi, su arıtma, soğutma ve havalandırma işlemleri örnek olarak verilebilir. DA çıkışlı rüzgâr enerji sistemleri, aydınlatma, elektrikli ısıtıcılar ve DA motorlu makineler gibi uygulamalarda yüksek verimle kullanılabilir. DA çıkışlı sistemlerin çoğunda, AA jeneratörler vardır. Çıkış bir doğrultucu ile doğrultulur. Bu güç üretme şekli yüksek maliyet gerektirir.
49
Uzak DA uygulamaları: Röle ve meteoroloji istasyonları, demiryolu sinyalizasyonu deniz, hava ulaşım sistemleri ve uzak pompa istasyonları bu uygulamaların en iyi örnekleridir. Sürekli bakım ve onarım gerektirmeden işletimi mümkündür. Bu sistemler uzak yerleşim yerleri ısı ve ışık kaynağı olarak da kullanılabilir. 4.1. Rüzgâr Türbinleri 4.1.1. Rüzgâr türbinlerinin sınıflandırılması Rüzgâr türbinleri için, güç, dönme ekseni, jeneratör düzeni ve kontrol sistemlerine göre değişik sınıflamalar yapılmaktadır. Güç odaklı sınıflandırma yaklaşımına göre, dört ana gurupta toplanmıştır [60]. Bunlar;
•
Küçük güç sistemleri: Genellikle 0–10 KW gücündeki sistemlerdir.
•
Orta güç sistemleri: Genellikle 10–100 KW arasında olan sistemlerdir.
•
Büyük güç sistemleri: 100 KW’ dan daha büyük olan sistemlerdir.
•
Megawatt Türbinler
Mekanik gövde yapısı olarak rüzgâr türbinleri sınıflandırılacak olursa; Yatay eksenli rüzgâr türbinleri (YERT): Yer konumuna göre rotoru yatay eksende çalışan bu makineler daha geleneksel ve daha modern bir kullanımı sunarlar. Yatay eksenli makinelerin maksimum enerji tutabilmeleri için rotorları daima rüzgâr akış yönünde olmalıdır. Bu da rotorun kule üstünde dönmesi ile sağlanır. Rüzgârın yönüne dönme hareketi iki değişik yapı ile sağlanır. Bunlar "öne-rüzgâr" ve "arkayarüzgâr" olarak adlandırılırlar. Eğer kanat rüzgârı ön yüzünden alıyorsa rotorun arkasına bir kılavuz kanat takılır. Diğer şekilde ise kanat rüzgârı arka kısımdan alır veya kanatlar biraz konik yapılır. Böylece sistem rüzgârı takip ederek maksimum faydayı sağlar.
50
YERT’lerin rotorları maksimum enerjiyi tutabilmek için rüzgâr akışına dik olarak durmalıdır. YERT’ler bu konuma, rotor kule üzerinde döndürülerek getirilir. YERT’ler kule üzerinde yatay eksen yönündeki hareketi motorlar (rüzgâr veya elektrik) rüzgâra yönelik birimlerde kılavuz bir kuyruk ve rüzgârı arkadan gören birimlerde ise oluşturulan konik açı ile sağlanır. Şekil 4.1’de yatay eksenli rüzgar türbinine ait görüntü verilmiştir.
Şekil 4.1. Yatay eksenli rüzgar türbini Düşey eksenli rüzgâr türbinleri (DERT): DERT’lerin rüzgârı her yönden kabul edebilme üstünlüğü vardır. Kanatların güç üretebilmeleri rüzgârdan daha hızlı dönmelerini gerektirdiğinden, ilk harekete geçişleri güvenilir değildir. DERT’lerin bir diğer üstünlüğü ise makine aksamı, hız yükselticisi ve jeneratörün toprak üzerine konulabilmesidir. Dönme ekseni rüzgâr yönüne dik ve düşey olan bu türbinin kanatları da düşeydir. Günümüzde çeşitli ülkelerdeki elektrik enerjisi üretimi uygulamalarının çoğunluğu 2 ve 3 kanatlı yatay eksenli rüzgâr türbinleri oluşturmaktadır. Büyük güçlü düşey eksenli uygulamalarda mevcuttur. Özellikle Dorrieus tipi türbinler ve bunun geliştirilmiş daha karmaşık yapılı olanı Cyclogino tipi rüzgâr türbinleri kullanılmaktadır. Resim 4.1’de düşey eksenli rüzgar türbinine ait görüntü verilmiştir.
51
Resim 4.1. Düşey eksenli rüzgar türbini Günümüzde en çok iki ve üç kanatlı rotor tasarımları yapılmaktadır. Türbinler genellikle yatay eksenli olarak imal edilmekle beraber, dikey eksenliler de üretilmektedir. 4.2. Türbin Bileşenleri Yakın geçmişte, yürütülen başarılı çalışmalar sonucu, rüzgârla ve rüzgârdan enerji üretiminde verimin artırılması ile ilgili değişkenler hakkında daha somut bilgilere ulaşılmıştır [61]. Yük tahminleri, rüzgârın doğasını ve özellikle de atmosferik türbülans
karakteristiklerini
hesaba
katan
tasarım
yöntemleri
ile
değişim
harmonizasyon süreçleri hakkında ayrıntılı bilgilere ulaşılmıştır. Yeni bilgiler, daha etkili ve daha verimli türbinlerin tasarım ve yapısına imkân vermektedir. Türbin bileşenleri, türbin tasarım tipine veya imalatçısına göre değişmektedir. Şekil 4.2. de genelleştirilmiş bir rüzgâr türbininin bileşenleri verilmiştir. Bu diyagram çok az farklarla modern rüzgâr türbinlerini temsil etmektedir [62].
52
Şekil 4.2. Türbin bileşenleri Türbinler tasarım ve yapısına göre farklı elemanlardan oluşabilir. Ancak, her türbinde özellikleri farklı da olsa aynı fonksiyonu icra eden benzer bileşenler vardır. Bir türbinde yer alan belli başlı bileşenler; rüzgâr hızı ölçme cihazı (anemometre), kanatlar, fren düzeni, kontrol sistemi, dişli kutusu, jeneratör, yüksek ve düşük hız şaftları, gövde (yatak), pitch, rotor, kule rüzgâr vanası, yaw motoru ve tahrik gurubundan oluşmaktadır. Bu bileşenlere ait özet bilgiler aşağıda verilmiştir. Anemometre: Rüzgâr hızını ölçüp elektronik kontrol sistemine ileten bir ölçüm cihazıdır. Kanatlar: Türbinlerin çoğu iki veya üç kanatlı olarak tasarlanmaktadır. Kanatlara çarpan rüzgâr, kanatları kaldırarak döndürmektedir. Kanat yapısı türbinin önden veya arkadan rüzgâr almasına göre değişmektedir.
53
Frenler: Acil durumlarda, mekanik, elektriksel veya hidrolik olarak uygulanan bir disk ile rotorun hareketinin durdurulmasını sağlayan sistemlerdir. Kontrolör (Kontrol Sistemi): Türbinlerin, saatte, 3 ile 5 m/sn’lik rüzgâr hızlarında, dönme hareketini başlatan, bu hareketi yöneten ve saatte 120 m/sn’yi aşan yüksek hızlarda durduran beyin fonksiyonu icra eden kritik bir sistemdir. Türbinler fırtınalı havada ve özellikle saatte 120 m/sn’yi aşan rüzgâr hızlarında, jeneratörleri aşırı ısındığından çalıştırmazlar. Dişli kutusu: Dişli kutuları, düşük ve yüksek hız şaftlarının yataklandığı mekanizmalardır. Jeneratörlerin elektrik üretebilmeleri için dakikada, 1200–1550 devirlik bir döndürme yükü almaları gerekmektedir. Dişli kutuları, rotorun bağlandığı düşük dönüşlü şafttan gelen dakikada 30–60 lık dönme yükünü, yüksek hız şaftına 1200–1500 devirlik bir hıza yükselten makinelerdir. Dişli kutularının ağır olması, kule ömrünü olumsuz etkilemektedir. Günümüzde araştırmaların büyük bir bölümü, dişli kutuların eliminasyonuna yönelmiştir. Dişli kutuların elimine edilmesi ile rotor doğrudan jeneratörlere bağlanabilecektir. Generatör: Elektik üreten makinelerdir. Sincap kafesli indüksiyon generatörü (SCIG), rotoru sargılı indüksiyon generatörü (WRIG), sabit mıknatıslı senkron generatör (PMSG) ve rotoru sargılı senkron generatör (WRSG) olmak üzere çeşitli yapılarda imal edilirler. High-speed shaft: Generatörü süren, eğer mevcutsa dişli kutusu ile Generatör arasında bulunan şafttır. Low-speed shaft: Kanatların bağlandığı mil olup dakikada 30–60 devirle dönmektedir. Türbin: Kule üzerine yerleştirilen montaj platformu olup, rotor, dişli kutusu, şaftlar, jeneratör, kontrolör ve frenleme düzeninin yuvalandığı ana rotor gövdeye monte
54
edilmiş olup, kapasitesine göre bir teknisyenin içinde tamirat yapabileceği kadar serbest alana sahiptir. Pitch: Kanatları, aşırı yüksek veya düşük hızlarda dönüşünü kontrol eden döndürme mekanizmasıdır. Rotor: Kanatlar ve dişli kutusunun yuvalandığı kapalı mekana rotor adı verilir. Kule: Yuvarlak veya kafes şeklinde tasarlanan, çelikten yapılmış, tepe düzlemine türbin gövdesinin yerleştirilmesini sağlayan direklerdir. Rüzgâr Vanası: Rüzgâr yönünü ölçerek, değişimlere göre, yaw (kuyruk) motoru ile haberleşmeyi sağlayan, türbini rüzgâr yönüne taşıyan mekanizmadır. Yaw (Kuyruk) Tahrik: Üç kanatlı türbinlerin rotorları, rüzgâra doğru konuşlanır. Rüzgârın hız değişimine göre, rotor kafasını, rüzgâra dik tutacak tarzda ayarlayan mekanizmalardır,
iki
kanatlı
rotorlar,
kafalarını
rüzgâr
doğrultusuna
ters
konuşlandırdıklarından, kuyruk kontrol mekanizmasına ihtiyaç duymazlar. Kuyruk motoru: Kuyruk tahrik sistemini hareketlendiren motordur. Türbin teknolojisi, başlangıçta basit tekniklerle tasarlanmıştır. Ancak, rüzgâr türbini, karmaşık bilgisayar modelleri ve tasarım araçlarına ihtiyaç duymaktadır. Gelişen tasarım teknolojileri, tasarım ve konstrüksiyon araçları, rüzgâr türbinlerinin karmaşık modelini basitleştirmiştir. Yeni tasarım ve konstrüksiyon bilgileri, her türlü sınır şartlarına ve değişkenlere kolay adapte olabilmektedir. Tipik bir türbine ait üç boyutlu benzetim programıyla çizilmiş bileşenler Şekil 4.3’te verilmiştir.
55
Şekil 4.3. Benzetim programı ile çizilen rüzgar türbini Rüzgâr türbinleri güçlerine göre sınıflandırıldığında, türbinlerin mekanik sistemleri arasında da belirli farklılıklar ortaya çıkmaktadır. Megawatt türbinlerde mutlak suretle dişliler ve vites kutusu gibi elemanlar olmasına rağmen, küçük güçlü türbinlerde bu mekanik parçalara ihtiyaç duyulmamakta ve hatta alternatör direkt olarak kanatlara monte edilebilmektedir. Büyük güçlü türbinin yapılarına ve gövde kesitine ait görüntü Şekil 4.4’te verilmiştir [63].
Şekil 4.4. Büyük güçlü rüzgar türbinlerine ait kesit görüntüsü
56
Güç ünitesi bileşenleri yüksek düzensizlikte yük girdilerine maruz kalmaktadır. Bu sistemler, düzensiz yüklerin etkisi ile daha kısa sürede yorulurlar. Modern bir rüzgâr türbini için biçilen yorulma süresi 13 yıl olarak kabul edilir. Bu nedenle, rüzgâr teknolojisinin özel tasarım gereksinimleri vardır. Rüzgâr türbinleri uygulamada aynı bölgeye birden fazla yerleştirilerek şebekeye daha fazla enerji vermeleri için kullanılabilirler. Bu tür uygulamalara “rüzgâr çiftliği” adı verilir. Türbinlerin yerleştirilmesi, enerji toplama ve dağıtım düzenleri önemli uygulama alanlarıdır. Büyük güçlü türbinlerde örneğin, 50m rotor çaplı, 800kW’lık geliştirilmiş türbinler, çift devirli jeneratörlerle donatılmışlardır. Türbin kanatları, özel dokunmuş cam elyaf veya pulstre edilmiş cam elyaf kompozitlerinden yapılmıştır. Yeni kanatlar, daha hafif ve daha ömürlüdür. Değişken hızda doğrudan tahrikli bu türbin, doğrudan jeneratöre bağlıdır. 4.3. Generatörler Rüzgâr türbinlerinde; senkron (alternatör), indüksiyon (asenkron) ve DA (şönt) tip üç değişik generatör kullanılmaktadır. Küçük güç sistemlerinde eskiden çok fazla kullanılan doğru akım generatörleri şimdi genellikle senkron veya indüksiyon generatörlerle değiştirilmektedir. Bu generatörler, çok pahalı olamayan doğrultucular yardımı ile kolayca doğru akıma dönüştürülebilen alternatif akım üretmektedir. Senkron ve asenkron generatörleri orta ve büyük güçlü sistemlerde yaygın olarak kullanılırlar. Senkron generatörün doğru akım generatörüne göre avantajı veriminin yüksek olması ve bir doğru akım generatörüne göre daha düşük dönme hızında elektrik verebilme özelliğidir. Alternatif akım generatörlerinde maksimum dönme hızı ile elektrik üretimi için gerekli minimum hız arasındaki oran yüksektir. Böylece bir senkron generatörü süren bir rüzgâr türbini daha geniş rüzgâr hızı aralığında çalışabilecektir. Şekil 4.5’te sabit mıknatıslı bir senkron generatöre ait 3D-MAX çizimi verilmiştir.
57
Şekil 4.5. Sabit mıknatıslı senkron generatör İndüksiyon generatörlere oranla senkron generatörlerin kendi mıknatıslama akımını sağlama avantajı vardır, fakat daha pahalıdırlar ve kontrol sistem bağlantıları daha karmaşıktır. Bir kontrol sisteminde takometre, voltmetre, faz metre, şebeke ile bağlantıyı sağlayan otomatik cihaz ve rüzgâr kesildiğinde veya şebeke gerilimi sıfıra düştüğünde bağlantının kesilmesini önleyen ters güç rölesi bulunur. Senkron generatörün şebekeye bağlantısı hassas bir düzenleme ister ve bu işlemin sık sık yapılması gerektiği için sorunlar ortaya çıkar. Generatör şebekeye tam senkron hızda, senkron generatör gerilimi şebeke gerilimi ile fazda ve değerde iken bağlanmalıdır. Bu zorlukların üstesinden büyük damperler kullanılarak gelinebilir. Damperler senkron generatöre indüksiyon motor gibi yol verilmesini sağlayan sincap kafes şeklinde bobinlerdir ve şebekeye bağlantı yapıldığında oluşabilen salınımların azaltılmasını veya bastırılmasını sağlarlar. Diğer bir çözüm rüzgâr türbini ve senkron generatör arasına generatörü şebekeye sürekli bağlantılı bırakan serbest bir kuplaj yapılmasıdır. Fakat bu çözüm ekonomik değildir. En ucuz ve en güvenilir çözüm olarak indüksiyon generatör görünmektedir. Bu generatörlerin belli başlı avantajları;
58
•
Tesisi ucuzdur,
•
Dönen kontaklar yoktur, bu nedenler başlatma kolaydır,
•
Şebekeye bağlantı kolaylığı vardır,
•
Şebekeye bağlandığı zaman salınımlar oluşmaz.
İndüksiyon generatör, şebekeye senkron hızdan çok az farklı bir hız ile uyum gözetilmeksizin bağlanabilir, bağlantı sonucunda oluşan aşırı yükleme çok kısa sürelidir. Bağlantı kontrol sistemi, şebekeye bağlantıyı kontrol eden takometre kontağından ve rüzgâr hızı düştüğü zaman bağlantının kesilmesini sağlayan bir ters akım rölesinden oluşur. İndüksiyon generatörünün dezavantajı mıknatıslama akımını şebekeden çekmesi böylelikle reaktif güç tüketmesidir. Bu küçük sorun uçlara kapasitörler bağlanarak giderilebilir.
Kapasitörlerin
kullanılması
şebekeden
çekilen
reaktif
gücün
azaltılmasını sağlar. Böylece güç faktörü arttırılmış olur. Eğer rüzgâr hızı türbinin çalışmaya başlama hızından (cut-in) daha yüksekse indüksiyon generatör kendi nominal dönme hızına ulaştığında elektrik generatörü olarak davranır. Eğer rüzgâr hızı cut-in’den daha düşükse, bir otomatik ayırma cihazı generatörü şebekeden ayırır. Bu sistem başlatma torku düşük olan yüksek hızlı sabit kanatlı makineler için faydalıdır. Rüzgâr türbini generatörü mekanik enerjiyi elektrik enerjisine çeviren makinelerdir. Generatörler mekanik gücü çok fazla düzensizleştiren güç kaynaklarıdır. Gelişigüzel bir generatör, üç fazlı şebekeye 50 Hz'lik alternatif akım ve iki, üç veya altı kutup ile direkt olarak bağlanır. Dakikadaki 1000 ile 3000 arasındaki devir ile aşırı yüksek hızla çalışan türbinlere yerleştirilen dişli kutuların dönme milleri, generatörü çevirmektedir. Türbinler için özel olarak tasarlanmış generatörler vardır. Bu generatörler, çok kutuplu olup, daha yavaş bir tempoda çalışmaktadırlar. Çok kutuplu bir generatör kullanılarak, şebekeye direkt bağlanılması durumunda, 30 rpm de dönen 200 kutuplu
59
bir bağlantı sistemine sahip olmalıdır. Kutup sayısının, tork'a bağlı olarak artması, işletmede sorun getirmektedir. Türbinler için özel tasarlanmış olmasına rağmen, şebekeye
direkt
bağlanma
avantajı,
artan
kütle
ağırlığı
ile
dezavantaja
dönüşmektedir. Çok kutuplu generatörler, diğerlerine nazaran daha ağır olup, türbin dinamiğini olumsuz etkilemektedir. Rüzgâr türbinleri için; senkron veya asenkron generatörler kullanılabilir. Generatörlerin bağlantı şekilleri önemlidir. Generatörlerin direkt şebeke bağlantısı, jeneratörün alternatif akım şebekesine direkt olarak bağlanması anlamına gelir. Endirekt şebeke bağlantısı ise, türbine monte edilen ve ulusal şebeke akımını ayarlayan elektrikli cihazlardan geçen aracılığı ile gerçekleşen bağlantı şeklidir. Asenkron bir jeneratörle bu faaliyet otomatik olarak gerçekleştirilir. Yeni nesil türbinlerin önemli bir bölümü, asenkron generatör kullanmaktadır. Uygulamada kullanılan birkaç generatör tipine ait çizimler Şekil 4.6’da verilmiştir. Asenkron türbinlerin en belirgin özelliği şekilden de görülebileceği gibi ulusal şebekeye doğrudan bağlanabilmesidir [64].
60
Dişli Kutusu
Şebeke SCIG
Yumuşak Anahtarlama Kondansatör Grubu
Ayarlı Direnç
Dişli Kutusu
Şebeke WRIG
Yumuşak Anahtarlama
Frekans Konvertör
Kondansatör Grubu
AA AA
Dişli Kutusu
Şebeke WRIG
Full-Scale Frekans Konvertör Dişli Kutusu
AA AA
Şebeke
PMSG/WRSG/WRIG
Şekil 4.6. Şebekeye direkt bağlı asenkron generatörlü bir rüzgâr türbininin blok diyagramı Asenkron generatörlü rüzgâr türbinleri tasarım olarak, senkron türbinlerinden daha farklıdır. Asenkron generatörlü türbinler, daha pahalıdır. Büyük rüzgâr türbinlerinde kullanılan generatörler genellikle, 690 Volt’luk üç fazlı alternatif akım üretirler. Üretilen enerji, ulusal iletim şebekesine voltaj yükseltmesi ile aktarılır. Büyük
61
üreticiler 50 Hz'lik rüzgâr türbini modelinden (dünyadaki pek çok elektrik şebekesinde olduğu gibi) ve 60 Hz'lik modelden (Amerika elektrik şebekesinde olduğu gibi) yararlanır. Elektrik generatörü çoğunlukla bir indüksiyon generatörü veya asenkron generatörüdür. Modern rüzgâr türbinlerinde 10.000 kW'lık bir üretim gücü hedeflenmiştir. Halen 10 MW’lık türbinler test aşamasında olup, yakın gelecekte daha büyük güçte türbinlerin de kullanılacağı bir gerçektir. Generatör, bir AA veya DA güç kaynağına doğrudan bağlanması durumunda, belli bir gerilim altında akım sağlayan bir alternatör gibi çalışır. Bunun için her rüzgâr türbinine ait, generatör, şebeke karakteristikleri çizilmelidir. 4.3.1. Generatör regülâsyonu Uygulanan
elektriksel
yöntem
ne
olursa
olsun,
verilen
gücün
mekanik
regülasyonunun yapılması gereklidir. Bu regülasyon ya kanatların ayarlanmasıyla ya da aerodinamik frenle yapılabilir. Frekansı generatörün kendisi tarafından düzenlenen bir doğru akım generatörünü veya bağımsız bir şebekeyi besleyen bir alternatörü süren rüzgâr türbinleri takometre kullanılarak regüle edilebilir. Değişken açılı kanatları olan ve sabit frekansta bir şebekeyi besleyen rüzgâr generatörleri için güç regülâsyonu yapmak daha iyidir. Mekanik hız regülatörü güç çıkışının sınırlanmasına da yardımcı olacak ve jeneratör şebekeden ayrıldığı zaman hız sınırlamasını da sağlayacaktır. Sabit frekanslı bir şebekeyi besleyen sabit kanatlı makineler için hız regülasyonu gerekli değildir. Çünkü rüzgâr rotorunun dönme hızını şebeke belirler. Bu durumda güç regülasyonu eş zamanlı olarak meydana gelir. Yani dönme hızı sabit olduğundan rüzgâr hızı arttığı zaman uç-hızı düşer. Böylece verim azalır ve uç-hızı sabit bir değerde olduğundaki kadar fazla güç elde edilemez. Güç sınırlaması kanadın uç bölgelerinin kendi frenleme noktalarına yakın çalışmasından dolayı ortaya çıkar. Bununla birlikte eğer generatör şebekeden ayrılmışsa hız artışından kaçınmak için
62
sabit kanatlı bir makineye frenleme sistemi koymak gereklidir: mile mekanik bir fren ve kanat uçlarına da aerodinamik fren sistemi. Bağımsız sabit kanatlı makinelerde regülasyon:
•
Güç artışını rotasyonel hızın küpü ile sağlayan hiper kompunt generatörler
•
Paralelinde elektronik kontrollü değişken elektrik dirençler bulunan bir yükü besleyen ve statik kapasitörlerle paralellenmiş olan indüksiyon generatörü ile sağlanabilir.
Elektrik motoru üreticileri yıllarca kutup bağlama problemleri ile karşılaşmıştır. Senkron olmayan makine içinde çalışan bir generatör, kütlesi küçüktür. Bu yüzden rotasyonel hızda boş ve tam dolu arasındaki %1 civarında sapma görülür. Kayma, generatörün rotor kıvrımlarındaki DA rezistansın bir fonksiyonudur. Yüksek rezistans yüksek slip anlamına gelir. Başka bir ifade ile rotor rezistansındaki değişiklik slipteki değişikliğin yöntemi demektir. Motorlarda bu genellikle sarmal sarımlarla elde edilir. Örneğin, bakır yapılı rotorlar, yıldıza bağı ile dıştaki değişken rezistanslara bağlıdır. Bu bağlantı, resistörün işlemesini elektronik olarak kontrol eder. Bağlantı genellikle fırçalarla ve slip yüzükleri ile yapılır. Bağlantılar, aynı zamanda jeneratör içinde bulunan parçaları da çalıştırır. Birçok hareketli parçalara sahip generatörler böylece, ekstra bakıma ihtiyaç duyar. Asenkron generatörlerin bakımı ile periyodik olarak, kayma (slip) yüzükleri, fırçalar ve dıştaki rezistörlerin muhtemel sorunları giderilmiş olur. Asenkron motor kontrolü için fiber optik estelasyon yapılmaktadır. Fiber optik estelasyon, önemli bir tasarım unsuru olup, generatör kalitesini doğrudan etkiler. Türbinlerin değişken işletilmesi, açı kontrollü pervane düzeni sağlamaktadır. Değişen rüzgâr hızlarına uyum türbinlerin önemli esnekliklerinden biridir. Derece kontrolü, dişli kutusunun veya jeneratörün aşırı yüklenmesini önler. Bu, derece mekanizmasının reaksiyon zamanının türbin tasarımı için kritik faktör olduğu unutulmamalıdır.
63
Türbinlerde, değişken slip jeneratörü mevcutsa, türbinin hesaplanan gücü slipin artırılması ile dengelenebilir. Slip düzeyi, jeneratör seçiminde önemlidir. Danimarka türbinlerinde, hesaplanan güce yakın güçle çalışan türbinle maksimum slipin yarısı kadar jeneratör kullanılır. Ani bir rüzgâr oluşursa, kontrol mekanizması rotorun biraz daha hızlı çalışması için slip jeneratörünü artırıcı sinyal verir. Böylece, kanatların rüzgârın olmadığı yöne döndürülmesi ile derece mekanizması çalışmaya başlar. Derece mekanizması çalıştırıldığında slip azalma sürecine girmiş olur. Rüzgârın ani esintileri türbinlerde, işlemi tersine çevirebilir. Asenkron generatörlerde, daha fazla sıcaklık yayan sliplerin kullanılması ve böylece daha az verimliliğin elde edilmesi, dikkate değer bir husustur. Bu durum generatör için bir problem oluşturmaz. Burada tek alternatif rüzgârın olmadığı yöne, derecelenen rotor kanatları tek alternatiftir. Asenkron kontrol stratejisinin kullanılmasının asıl faydası daha kaliteli güç elde edilmesidir. Generatör kontrol sistemi, gerilim ve frekans ayarlamaları için kullanılan bir sistemdir. Genellikle, kontrol ünitesinden yönetilmektedir. Voltaj kontrolünde, sistemin voltajı, otomatik voltaj regülatörü ile kontrol edilir. Otomatik voltaj regülatörü rüzgâr türbinine ve hidro senkronize jeneratörüne paralel bağlanır. Dizel jeneratörler ise akım transformatörleri ile bağlanır. Frekans kontrolü için, rüzgâr türbini şebekedeyken ve ilaveten hidro şebekedeyken valfa sağlanan hidro ile frekans kontrolü yük idare sistemine bağlıdır. Yük kontrolü içinse, güç dalgalanması ve frekansın düşmesi olayında yük idare sistemi tüketiciye giden yük ve aşırı yükün bağlantısını otomatik olarak keser. Aynı işlevler frekans ve voltajın yükselmesi sırasında da yapılır.
64
4.4. Türbin Kontrol Sistemleri Türbin yönetimi, kontrol ünitesinin yönetimi demektir. Kontrol ünitesi yukarıda özetlenen türbinin beş temel bileşeni işleten sistemdir Türbinler, elektronik, mekanik ve hidrolik kontrol sistemleri ile yönetilirler [65]. Rüzgâr türbinlerinde kullanılan denetleme mekanizmaları mekanik, elektronik veya aerodinamik ilkelere dayanan farklı teknikleri kapsar. Denetlenen özelliği dikkate alarak bir tasnif yapılırsa türbinlerde yön ve hız olmak üzere iki temel denetim parametresinden bahsetmek mümkündür. 4.4.1. Yön denetimi Yatay eksenli rüzgâr pervaneleri, pervane dönme ekseninin rüzgâr yönüne paralel olduğu düşünülerek tasarlanırlar. Bu durumda sistemden en iyi verimi almak için pervane dönme düzleminin rüzgâr yönüne dik olması gerekir. Fakat rüzgâr yönü zamanla değiştiğinden sistemin rüzgâr yönünü takip ederek pervanesini uygun yöne çevirebilmesi için bir “yöneltme mekanizması” kullanması gerekir. Düşey eksenli pervaneler için yön problemi yoktur. Her yönden gelen rüzgârı konumlarında bir değişiklik yapmadan değerlendirebilirler. Bu yüzden herhangi bir yön kontrol sistemi kullanmazlar. Uygulamada dört farklı yöneltme mekanizmasından söz edilebilir. • Kuyruk plakası • Yardımcı pervane • Arkadan rüzgârlı tertip • Elektronik kontrollü dişli mekanizması Kuyruk plakası pervane çapı 6 metrenin altındaki küçük rüzgâr türbinlerinde sıkça tercih edilen bir tekniktir. Pratik ve ucuz bir sistem olduğundan tasarımcılar
65
tarafından tercih edilmektedir. Kuyruk plakasının çalışma ilkesine ait görüntü Şekil 4.7’de verilmiştir.
A Kuyruk Plakası
Şekil.4.7. Kuyruk plakası ile çalışan yön bulma sistemi 4.4.2. Hız denetimi Türbin pervanesinin dönme hızını denetleme gereği temelde üç farklı nedene dayanır: • Sistemin verimli çalışmasını sağlamak (maksimum verim bölgesi) • Sistemin üreteceği gücü sınırlayabilmek (maksimum güç bölgesi) • Çok yüksek rüzgâr hızlarında sistemin tahrip olmasını engellemek üzere sistemi durdurmak (emniyetsiz bölge) Hız Denetim Bölgeleri : Hız denetim yaklaşımlarını daha iyi anlayabilmek için bir rüzgâr türbininin güç eğrisindeki bölgeleri incelemek faydalı olacaktır.
66
P(kW) ----- Pervane alanından geçen rüzgardaki güç Türbinin maksimum verimdeki gücü
B
Güç Sınırı
Pmax
C
V (m/sn)
A I
VA
II
VB
III
VC
IV
Şekil.4.8. Hız denetim bölgeleri Şekil 4.8’te belirtilen bölgelerden I. Yetersiz rüzgâr bölgesi, II. Maksimum verim bölgesi, III. Maksimum güç bölgesi, IV. Emniyetsiz bölge olarak adlandırılır. Bu bölgelere ilişkin açıklamalar aşağıda kısaca verilmiştir. Yetersiz Rüzgâr Bölgesi; Rüzgâr türbinleri belli bir VA rüzgâr hızının altında çalışamazlar. Bu VA hızına kadar olan bölge “ yetersiz rüzgâr bölgesi” olarak adlandırılır. Bu bölgede sistem çalışmadığı için hız denetimine de gerek yoktur. Maksimum Verim Bölgesi; Bu bölgede, sistemin maksimum verimle çalışması halinde, rüzgârdaki enerjinin türbin tarafından yakalanabilecek miktarı türbinin güç sınırının altındadır. Bu yüzden bu bölgedeki kontrolün amacı aerodinamik verimin mümkün olan en yüksek değerde olmasını sağlamaktır. Bu durumda güç eğrisinin AB noktaları arasındaki bölgesini “maksimum verim bölgesi” olarak adlandırmak mümkündür. Bu bölgede ideal kontrol, aerodinamik verimin sürekli olarak maksimum değerde tutulabildiği durumdur. Fakat sabit hızla çalıştırılan türbin pervanelerinde bu mümkün olmamakta, maksimum aerodinamik verim sadece tek bir rüzgâr hızında elde edilebilmekte ve diğer rüzgâr hızlarında belli bir verim kaybı
67
kaçınılmaz
olmaktadır.
Aerodinamik
verimin
sürekli
olarak
maksimumda
tutulabildiği durum ancak değişken hızlı denetim yaklaşımıyla elde edilebilmektedir. Maksimum Güç Bölgesi; Rüzgâr türbinleri tasarlanırken sistemin üretebileceği belli bir “güç sınırı” ve çalışabileceği belli bir “ hız sınırı ”göz önüne alınır. Pervane boyutları, generatör ve tüm sistem buna bağlı olarak tasarlanır. Bu yüzden artan rüzgâr hızıyla birlikte türbinin güç üretimi bu sınıra yaklaştığında artık sistemin verimli çalışması değil, bu sınırın üzerinde güç üretmemesi istenir. Bu durumda güç eğrisinin B-C noktaları arasında kalan bu bölgesi “maksimum güç bölgesi” olarak adlandırılır. Bu bölgede rüzgârdaki enerji türbinin kapasitesinin üzerinde ve gereğinden fazla miktardadır. Sistem aerodinamik olarak maksimum verim noktasının altında çalışmasına rağmen maksimum kapasitede güç üretimi yapar. Başka bir deyişle bu bölgede rüzgâr hızı artarken pervanenin aerodinamik verimi azalmak durumundadır. Ancak bu şekilde güç sınırında üretim yapılabilir. Bu bölgedeki hız denetiminin amacı, maksimum kapasitede sabit güç üretimi sağlamaktır. Emniyetsiz Bölge; Genellikle rüzgâr türbinlerinin üretim yapabileceği bölgeyi belli bir rüzgâr hızıyla sınırlandırmak gerekir. Rüzgâr hızının yıllık frekans dağılımına bakıldığında
yüksek
rüzgâr
hızlarıyla
yıl
boyunca
çok
az
karşılaşıldığı
görülmektedir. Bu az karşılaşılan yüksek hızlardaki rüzgârlar karşısında sistemin yeterince dayanıklı yapılması, bu hızlarda sistemden yıl boyunca elde edilebilecek toplam enerji göz önüne alındığında oldukça pahalı olmaktadır. Bu yüzden türbinlerin çalışma alanı belli bir rüzgâr hızıyla sınırlandırılır. Şekil 4.4’te yer alan güç eğrisinde C noktasına karşılık gelen bu rüzgâr hızının üzerindeki hızları kapsayan “emniyetsiz bölge” de sistemden enerji üretmesi beklenmez. Böylece yüksek rüzgâr hızlarında oluşabilecek aşırı yüklere engel olunarak sistemin hasara uğraması önlenir.
68
Maksimum verim bölgesinde değişken hızlı denetim: İlk üretilen rüzgâr türbinlerinde kullanılan elektrik generatörlerinin yapısı sabit hızda çalışmayı gerektirdiği için türbin pervaneleri de sabit hızda çalışmak üzere tasarlanmaya başlamıştı. Hız kontrol yaklaşımı da elektrik generatörü için gereken sabit hız temelinde şekillendi. Sabit hız kontrolünü sağlamak üzere değişik mekanik ve aerodinamik fren sistemleri, döner palalı kontrol teknikleri vb. teknikler geliştirildi [66]. Güç elektroniğindeki gelişmelerle birlikte bu alanda yapılan araştırmalar, elektrik generatörlerinin geniş bir değişken hız aralığında az bir elektriksel verim kaybıyla nasıl çalıştırılabileceğini ortaya çıkardı. Böylece rüzgârın değişken doğasına daha uyumlu davranabilen türbin tasarımları ortaya çıkmaya başladı. Bu yeni rüzgâr türbini tasarımları değişken hız kontrol tekniğine dayanmaktaydı. Sabit hızlı türbinler sadece tek bir rüzgâr hızında maksimum aerodinamik verimle çalışırlarken değişken hızlı türbinler optimum verim bölgesindeki her rüzgâr hızında maksimum aerodinamik verimle çalışabilme imkanına sahip oldu. Bu aynı zamanda rüzgâr türbinlerinin güç üretiminde de belli bir artışı beraberinde getirdi. Değişken Hızlı Denetim Yaklaşımına Temel Teşkil Eden Aerodinamik Prensipler ise şöyle sıralanabilir. Öncelikle türbin pervanesinde, pervane hızının güç üretimi üzerindeki etkisini incelemek gerekir. Belli bir rüzgâr hızında pervanenin rüzgârdan çekebileceği gücün pervanenin dönme hızına bağlı değişimini gösteren grafik Şekil 4.9’daki gibidir.
69
P (kW) V=7 m/sn
Pm V=6 m/sn
V=5 m/sn
? (rad/sn)
Şekil 4.9. Türbin pervanesinde gücün hıza bağlı değişimi Buradaki her bir eğri farklı rüzgâr hızlarına aittir. Görüldüğü gibi rüzgâr hızı sabit iken maksimum güç, sadece belli bir açısal hızda elde edilebilmektedir. Rüzgâr hızı arttıkça maksimum güç noktasına tekabül eden açısal hız da artmaktadır. Söz konusu P-Ω grafiğinde her rüzgâr hızı için maksimum güç noktalarını birleştiren bir Pm eğrisini çizmek mümkündür. Bu durumda pervaneden en iyi aerodinamik verimi alabilmek için pervanenin Pm eğrisini takip edecek şekilde çalıştırılması gerekir. Şekil 4.9’da her bir rüzgâr hızı için çizilen eğrileri tekbir eğri ile ifade edebilmek için güç (P) ve açısal hız (Ω) parametrelerini boyutsuzlaştırıp, güç yerine ‘güç katsayısı’ (CP ), açısal hız yerine de ‘uç hız oranı’ (λ) parametrelerini kullanmak gerekir. Böylece P-Ω eğrileri basitleştirilerek tek bir CP -λ eğrisine dönüştürülebilir. Uç hız oranı,
λ=
RΩ V
(4.1)
şeklinde ve güç katsayısı da, CP =
PV 1 ρAV 3 2
(4.2)
olarak tanımlanmaktadır. Şekil 4.10’da türbin pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı değişimi verilmiştir.
70
Cp
Cpmax
≅≅
≅
Şekil 4.10. Türbin pervanesinde aerodinamik verimin uç hız oranına bağlı değişimi Bu grafikteki maksimum CP noktası, Şekil 4.9’daki tüm maksimum güç noktalarını birleştiren Pm eğrisini temsil etmektedir. Bu durumda maksimum verim bölgesinde hız kontrolü için uygulanacak temel kural “pervanenin, maksimum CP noktasına karşılık gelen λM uç hız oranını koruyacak şekilde işletilmesi” olarak özetlenebilir.
λM değeri ise tamamen pervanenin aerodinamik tasarımına bağlıdır. Bir fikir verebilmek amacıyla, aerodinamik kaldırma prensibiyle çalışan modern rüzgar türbinlerinde bu değerin genellikle 6-8 arasında değiştiğini söylemek mümkündür. Ama bu sınırların dışına çıkan tasarımlar da mümkündür.
Maksimum güç bölgesinde hız denetim teknikleri: Türbinin rüzgârdan elde edebileceği güç miktarını belli bir sınırda tutabilmek için türbin pervanesi gittikçe daha düşük bir aerodinamik verimle çalıştırılır. Artan rüzgâr hızına bağlı olarak pervanenin aerodinamik verimini ayarlamak üzere “stol kontrol tekniği” ve “döner palalı kontrol tekniği” olarak adlandırılan iki ayrı teknik kullanılmaktadır.
Stol Kontrol Tekniği: Bu teknik sabit palalı türbin pervanelerini yüksek rüzgâr hızlarında güç üretimini sınırlamak üzere kontrol etmek için kullanılır. Önce kontrol tekniğine temel teşkil eden aerodinamik yaklaşım üzerinde durmak gerekir. Rüzgâr hızı değişmezken optimum hızla çalışan pervanenin yavaşlatılması uç hız oranını azaltırken pala elemanları etrafındaki hücum açılarını arttırmakta bu da pala elemanlarında etkili olan kaldırma kuvvetinde “stol” adı verilen bir düşüşe sebep olmaktadır. Kısacası, uç hız oranı azalırken pala elemanının hücum açısı
71
büyüdüğünden maksimum CP noktasının sol tarafında stol durumu söz konusu olur. Neticede bu durum pervanenin aerodinamik veriminde CP-λ eğrisinin sol tarafında gözlenebilen bir düşüşe neden olmaktadır. Bu etki türbin pervanesinin frenlenmesi ile oluşturulmakta ve böylece yüksek rüzgâr hızlarında, rüzgâr hızı arttıkça pervanenin aerodinamik verimi azaltılarak, türbin pervanesinin belli bir sınır değerde (generatörün maksimum kapasitesinde) güç üretmesi sağlanmaktadır. Yüksek rüzgâr hızlarını içeren maksimum güç bölgesinde bu yaklaşıma dayanarak kontrol edilen türbin pervanelerine “stol kontrollu türbin pervanesi” denmektedir. Bu pervanelerdeki palalar kendi eksenleri etrafında dönmezler; sabit palalardır. Stol kontrol tekniğini kullanırken pervanenin atalet etkisi, dikkat edilmesi gereken en önemli etki olarak karşımıza çıkar. Bu yüzden elektronik olarak kontrol edilebilen etkili ve iyi bir frenleme sistemi kullanmak gerekir.
Döner Palalı Kontrol Tekniği: Maksimum güç bölgesinde kullanılan bir diğer kontrol tekniği ise döner palalı kontroldür. Bu tekniğin stol kontrol tekniğine göre en büyük avantajı pervanenin atalet etkisinden kaynaklanan yüklerin en aza indirilebilmesidir. Bunun sebebi ise değişen rüzgâr hızı karşısında pervane hızını değiştirme gereğinin stol kontrole göre oldukça az olmasıdır. Döner palalı kontrol tekniğini kullanan pervanelerde her bir pala kendi ekseni etrafında dönebilme kabiliyetine sahiptir. Bu sayede elektronik kontrol sistemi palaların açısını rüzgâr hızına göre ayarlayarak hem pervanenin hızlanmasını hem de generatöre sınır değerin üzerinde güç aktarımını engelleyebilir. 4.4.3. Elektronik kontrol Her türbin kendi kontrol ünitesine sahiptir. Kontrol üniteleri, rüzgâr çiftliklerinde, merkezi kontrol ünitesine dönüşerek, uzaktan kumanda yapılır. Türbinler birbirlerine fiber optik veya koaksiyel kablolarla bağlanmışlardır. Türbinlerde bulunan elektronik
72
kontrol merkezine, kontrolör adı da verilmektedir. Elektronik kontrolör rüzgâr türbininin durumunu gösteren bir bilgisayarı içerir. Herhangi bir arıza durumunda, rüzgâr türbinini otomatik olarak durdurur ve telefon modem bağlantısı üzerinden türbin operatörünün bilgisayarına bilgi aktarır. Kontrolör, sistemin güven içinde işlemesini sağlar. Türbin içerisindeki kontrolör aynı zamanda birçok şalter, hidrolik pompa, valf ve motordan oluşur. Rüzgâr türbini ölçüleri motorların megawatını artırdığı zaman hızlı kontrol oranı önem kazanır. Kontrolör bir iletişim ağı sayesinde kendisi veya rüzgâr türbini operatörü arasında iletişim kurar. Bu amaçla, telefon veya radyo bağlantısı üzerinden alarm veya servis isteklerini gönderir. Rüzgâr türbinine toplanan istatistikleri göndermesi ve mevcut durumu kontrol etmesi de mümkündür. Bir rüzgâr çiftliğinde konuşlanan türbinlerden gelen veriyi toplayıp kontrol etmektedir. Bir türbinde iki adet kontrolör bulunur. Kontrolörler genellikle gövdede ve kulenin en altına yerleştirilir. Günümüzdeki rüzgâr türbini modelleri, kontrolörler arasındaki iletişim fiber optiklerin kullanılması ile sağlanır. Bazı yeni türbin modellerinde rotorun hubuna yerleştirilmiş üçüncü bir kontrolör daha bulundurulmaktadır. Üç kontrolörlü sistemlerde, hata riski daha az olacaktır. Bu ünite genellikle gövde ünitesi ile iletişimini ana şaft üzerindeki tellere ve kayan yüzüklere bağlı kabloyla seri iletişim ile sağlar. Bilgisayarlar ve sensörler, büyük makinelerin operasyon ve emniyet alanlarını kopyalar. Kontrolör bilgisayar ve sensörlerin doğruluğunu kontrol etmek için türbin boyunca yapılan ölçümleri mukayese eder. Modern rüzgâr türbininde 100 ile 500 arasındaki parametre değerleri izlenir ve sürekli olarak yorumlanır. Kontrolör rotorun rotasyonel hızını, jeneratör ve onun voltajı ve akımını kontrol edebilir. Ayrıca aydınlatıcı etkisini ve şarjı kaydeder. Bunun dışında dış hava sıcaklığı, elektronik kabindeki sıcaklık, jeneratör sıcaklığı, dişli kutulardaki yağ sıcaklığı, hidrolik basınç, her bir rotor kanadının derece açılarını (derece kontrollü veya aktif yavaşlatıcı
73
kontrollü türbinler için) rotadan sapma açısını (rota tekerinin dişlerinin sayılması ile), güç kablosu büküm sayısını, rüzgâr doğrultusunu, anemometre ile rüzgâr hızını, gövde ve rotor kanatlarındaki titreşim frekansını ve büyüklüğünü, frenleme hattı kalınlığını, kule kapısının açık veya kapalı olduğunu (alarm sistemi ile) ölçebilir. Son yıllarda gelişmiş kontrol stratejileri rüzgâr türbinlerinin verimliliğinin artırılması önem kazanmıştır, ilginç bir strateji üreticilerin operayonel stratejilerini yerel rüzgârlara adapte etmesidir. Bu yöntemle, elverişsiz iklimlerde ekonomik olmayan makine kayıplarını minimize edilebilir. 4.5. Rüzgâr Türbinlerinde Maksimum Güç Noktası Takibi Rüzgâr türbinlerinin rüzgâr enerjisi üretiminde maksimum verimde çalıştırılabilmesi için, alternatörün parametrelerine bağlı olarak maksimum güç noktasının takip edilmesi gerekmektedir. Ayrıca rüzgâr hızındaki ani değişiklikler ve türbinin mekanik tepkilerinin de bilinmesi gereklidir. Bu bilgiler ile birlikte kullanılan türbinin yapısına bağlı olarak, MPPT kontrol sistemi çeşitlilik göstermektedir. MPPT kontrol uygulamalarındaki temel farklılıklar şu şekilde sıralanabilir;
•
Maksimum güç noktası izleme adımları rüzgâr hızındaki değişimlere bağlı olarak ayarlanan sistemler,
•
PWM sinyalindeki ölü zamanı (dead time effect) doğru belirlemek güç anahtarlarının kısa devre olmasını, ya da ısınmasını engeller. Aynı zamanda, ölü zamanın alternatörün dönüş hızıyla senkronize edildiği sistemler ki burada, güç eğrisinin kararlı olması ve MPP noktasının izlenmesi için alternatörün dönüş hızıyla senkronize PWM sinyali üretilir.
•
Alternatörün dönüş hız referansındaki dalgalanmaları azaltmak için MPPT kontrolörün çıkışında alçak geçiren filtre kullanılan sistemler. Bu sistemlerde filtrenin
gecikme
incelenmelidir.
etkisi
ile
sistemin
mekanik
zaman
sabiti
dikkatle
74
Sonuçta bu sistemlerle, yüksek verimli, düşük maliyetli, hızlı ve kararlı enerji dönüşümü yapılması amaçlanmaktadır [67]. Rüzgâr türbinleri ile yapılan MPPT uygulamalarında öncelikle kullanılan rüzgâr türbininin çeşitli rüzgâr hızı değerlerindeki, alternatör hızı ve çıkış gücünü karşılaştıran eğrileri çıkarılmaktadır. Sonra bu eğrilerden faydalanılarak türbinin maksimum güç noktaları belirlenmekte ve sistem buna göre düzenlenmektedir. 1,5 kW’lık bir rüzgâr türbini için yapılan deneyler sonucunda elde edilen hız-çıkış gücü eğrisi Şekil 4.11’de verilmiştir.
Rüzgar Türbini Karakteristiği 12 m/s 1.2 Maksimum Güç Eğrisi
Güç (kW)
1
11 m/s
0.8 10 m/s 0.6 9 m/s 0.4 8 m/s 0.2 0 500
6 m/s 5 m/s 1000
7 m/s
1500 2000 Generatör Hızı (rpm)
2500
3000
Şekil 4.11. 1,5 kW’lık rüzgâr türbininin Hız-Güç eğrisi Şekilde çeşitli rüzgâr hızı değerlerinde türbinin alternatör dönüş hızına bağlı olarak elde edilen çıkış gücü eğrileri verilmiştir. Eğrilerin tepe noktalarını birleştiren üçüncü eğri ise bu türbin için maksimum güç noktası takip eğrisi olmaktadır [68]. Rüzgâr türbinlerinde elektronik olarak maksimum güç takibi işlemi yapılabilmesi için türbinden elde edilen gerilim değeri ile yüke aktarılacak gerilim değeri arasında bir fark oluşturulabilmelidir. Bunu sağlamak için güneş enerjisi sistemlerinde olduğu gibi değişik konvertör yapıları kullanılır. Yükseltici, alçaltıcı ve çifte yükseltici gibi konvertör yapıları bunlara örnektir. Türbin çıkışından elde edilen üç fazlı AA
75
gerilim öncelikle üç fazlı köprü doğrultucudan geçirilerek, DA gerilim elde edilir. Elde edilen gerilim konvertöre uygulanarak maksimum güç noktası takibine ilişkin işlemler uygulanır. Burada amaç türbinden elde edilen gerilimi sürekli olarak verimin yüksek olacağı bir aralıkta tutabilmektir. Bu tez çalışmasında 2500 W gücünde, yatay eksenli çalışan ve rüzgârı arkadan alan yapıya sahip bir rüzgâr türbini kullanılmıştır. Türbinden elde edilen gerilim bir doğrultucu ve konvertörden geçirilerek çıkış bir fazlı invertöre yönlendirilmiştir. Türbin kontrolü ve maksimum güç noktasının takibine ilişkin algoritmalar ve diğer uygulamalar ilerleyen bölümlerde detaylı olarak anlatılacaktır.
76
5. HİBRİT SİSTEM BİLEŞENLERİ 5.1. Konvertörler (DA/DA Çeviriciler) Rüzgâr türbinleri ve güneş panelleri kullanılarak oluşturulan sistemlerin daha verimli olması için DA/DA konvertörler kullanılmaktadır. Kullanılan konvertör çeşitleri ise yükseltici (boost), alçaltıcı (buck) ve alçaltıcı- yükseltici (buck-boost) konvertörler olarak tanımlanabilir. Konvertörlerin tasarımı sırasında kullanılan anahtarlama stratejisi, sistemin veriminin arttırılmasını hedeflenmektedir. Bu tür sistemler için en verimli uygulamanın maksimum güç noktası takibi (MPPT) olduğu belirlenmiştir [69]. Maksimum güç noktası takibi işleminde güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisindeki değişimlerin sistemin çıkışında minimum seviyede hissedilmesi ve konvertörün çıkış geriliminin sürekli olarak sabit tutulması amaçlanmaktadır. MPPT işlemi sırasında giriş gerilimi ve akımı değerlendirilerek, konvertör türüne bağlı olarak anahtarlama sinyalinin oranı sürekli olarak değiştirilmekte ve çıkış gerilimi sabit tutulmaktadır. Ancak bu işlemin yapılabilmesi için öncelikle kullanılacak olan PV’lerin yapısı ve çıkış gerilim aralıklarının bilinmesi, ayrıca PV’lerin üretebileceği giriş gerilimine göre sistemde kullanılacak olan konvertör tipinin belirlenmesi gerekmektedir. Konvertörlerle ilgili çalışmalarda faydalı olması açısından farklı yapıda konvertörler sırasıyla incelenmiştir. 5.1.1. Konvertör çeşitleri ve yapılarının incelenmesi Güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisi günün değişik zamanlarında farklı gerilim değerleri vermektedir. Oluşturulacak sistemin, yükün türüne bağlı olarak sürekli sabit çıkış gerilimi vermesi istenir. Bunu sağlamak için devreye bir adet konvertör bağlanmaktadır. Sistemde kullanılacak olan konvertörün yapısını, güneş panellerinden elde edilen giriş gerilimi (Vi) ile konvertörün çıkış gerilimi (Vo) arasındaki fark belirlemektedir [70]. Şekil 5.1’de alçaltıcı konvertörün yapısı verilmiştir. Bu tür konvertörler çıkış geriliminin, panellerden elde edilen gerilime eşit veya daha az olduğu durumlarda
77
kullanılırlar. Devredeki S anahtarlama elemanı yüksek frekansta anahtarlanarak sistemin güç akışı sağlanır.
+
is
iL
+ VL -
S Vi
+
L D
C
V0 -
Şekil 5.1. Alçaltan (buck) konvertörün yapısı Alçaltan konvertörlerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki Eş 5.1’de verilmiştir.
VO t ON = =D Vİ T
(5.1)
Şekil 5.2’de yükselten konvertörün yapısı verilmiştir. Devrede S anahtarı kapalı olduğu zaman akım bobin üzerinden geçmektedir. Bu durumda bobin gerilimi giriş gerilimine eşit (VL=Vi) olmaktadır. S anahtarının açık olduğu zaman ise, bobin üzerindeki gerilim giriş ve çıkış gerilimlerinin farkına (VL=Vi-Vo) eşit olmaktadır. Sonuçta çıkış gerilimi bobin gerilimi ile giriş geriliminin toplamına eşit olmaktadır. Bu tür konvertörler çıkış geriliminin panellerden elde edilen gerilimden daha büyük olması istenilen durumlarda kullanılırlar.
78
+
iL
+ VL + L
Vi
D
is
C
S
V0 -
-
Şekil 5.2. Yükselten (boost) konvertörün yapısı Yükselten konvertörlerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki Eşitlik 5.2’de verilmiştir.
VO 1 = Vİ 1 − D
(5.2)
Şekil 5.3’te alçaltıcı-yükseltici (buck-boost) konvertörün yapısı verilmiştir.
Konvertörde, S anahtarı kapalı olduğu zaman bobin gerilimi, giriş gerilimine eşit (VL=Vi) olmaktadır. Anahtar açık durumda iken bobin gerilimi çıkış gerilimine eşit (VL=Vo) olmaktadır.
is +
+ S
Vi
iL L
D + VL -
-
C
V0 -
Şekil 5.3. Alçaltıcı-Yükseltici (buck-boost) konvertörün yapısı
Alçaltıcı-Yükseltici konvertörlerde ortalama çıkış gerilimi ile anahtarlama oranı arasındaki ilişki Eşitlik 5.3’te verilmiştir.
79
VO D = Vİ 1 − D
(5.3)
Yapılacak sistemlerde güneş panellerinden elde edilen gerilim değerinin, sistemin çıkışında istenilen gerilim değerinden az veya çok olması durumuna göre belirlenecek konvertör tipi değişmektedir. Ayrıca seçilen konvertör tipine bağlı olarak MPPT işlemi için kullanılacak olan anahtarlama stratejisi de değişmektedir. 5.2. Eviriciler (DA/AA Çeviriciler) İnvertörler doğru akımı, alternatif akıma çevirmek için kullanılan elektronik
cihazlardır. Harici invertörler 12V veya 24V'luk bir akü bankasından aldıkları doğru akımı 220V alternatif akıma çevirmek üzere kullanılırlar. Senkronize invertörler ise bir güneş paneli veya rüzgâr türbini çıkışına bağlanarak şebekeye enerji aktarma özelliğine sahiptirler. Eviriciler çıkış gücüne, çıkış dalga
özelliklerine ve yapı tasarımlarına göre gruplara ayrılırlar. Şu anda dünyada 100 Watt'tan 10 kW'a kadar farklı çıkış güçlerine sahip şebeke etkileşimli eviriciler mevcuttur. Çıkış dalga özelliklerine göre eviriciler, kare dalga, düzeltilmiş sinüs dalga ve tam sinüs dalga olmak üzere üçe ayrılmaktadır. Kare dalga ve düzeltilmiş sinüs dalga (Modified Sinüs) eviriciler daha ekonomik olmalarına rağmen lazer printer ve flüoresan lambalarda verim kaybına, müzik aletlerinde hışırtıya sebep olmaktadır. Buna karşılık tam sinüs eviriciler şebeke ile aynı kalitede hatta çoğu zaman daha yüksek
kalitede
çıkış
verip
hiçbir
elektrikli
aletin
çalışmasında
sorun
çıkarmamaktadır. Şebekeye enerji aktarabilmek için tam sinüs evirici kullanılması gerekmektedir. Birçok motorlu alet ilk çalışma anında normal güç tüketiminin birkaç katı güç çektiği için kullanılan evirici kısa süreler için bu güçte (Surge Kapasitesi/Anlık Çekim Gücü) çalışma özelliğine sahip olmalıdır.
80
Eviriciler ürettikleri gerilim değerini elde etme yapılarına göre transformatörlü ve trasformatörsüz olarak iki gruba ayrılırlar. Transformatörlü invertörler girişlerine uygulanan düşük seviyeli DA gerilimi önce tam veya modifiye sinüs haline getirir, daha sonra da elde edilen düşük değerli AA sinyali bir transformatörden geçirerek istenilen AA gerilim seviyesine ulaştırırlar. Transformatörsüz invertörlerde ise giriş gerilim seviyesi yaklaşık olarak çıkışta istenilen gerilime yakın olmak zorundadır. Bu tür eviriciler daha hafif ve kullanışlı olmalarına rağmen, dezavantajları ise şebeke ile galvanik izolasyon sağlamazlar ve şebekeye DA bileşen enjekte ederler. Kullanılan eviricinin verimi de bir başka önemli parametredir. Aküden aldığı enerjinin yüzde kaçını alternatif enerjiye çevirdiği verimi belirleyen unsurdur. Birçok eviricinin üzerinde akü şarj cihazının da entegre edilmiş olması sayesinde güneş panelleri ve rüzgar türbinleri veya şebeke direkt olarak akülerin şarjında kullanılır. Transfer hızlarının oldukça iyi olmasından dolayı bu sistemler UPS olarak da kullanılabilir. Bu uygulamalarda seçilen aküler uygun bir evirici vasıtası ile şebekeden şarj edilirler, elektrik kesintisi başladığı zaman otomatik veya manuel
olarak devreye girerek evde veya işletmede istenilen elektrikli aletleri belirlenen sürede kesintisiz olarak çalıştırırlar [71]. 5.2.1. Yenilenebilir enerji uygulamalarında kullanılan eviriciler
Güneş enerjisi teknolojisi endüstriyel, ticari ve evsel kullanıma uygundur. PV sistemler şebeke etkileşimli veya şebekeden ayrı güç sistemlerinde, elektrik enerjisinin bulunmadığı uzak yerlerdeki telekomünikasyon altyapısı ve su pompalama tesislerinde kullanılmaktadır. Yakıt hücreleri son yıllarda popüler olmaya başlayan bir alternatif enerji kaynağıdır. Kimyasal enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürürler. Yakıt pilinin plaka yüzeyi akım şiddetini, plakaların seri bağlanması ise gerilimi etkiler. Birçok plakanın yan yana
bağlanması ile elde edilen sisteme stak (yığın) adı verilir. Staklar kendi aralarında seri ve paralel bağlanmaları ile istenilen gerilim DA olarak elde edilir.
81
Rüzgâr türbinleri ürettikleri enerjinin maliyetinin klasik kaynaklardan merkezi üretimle üretilen enerji maliyeti ile rekabet edebilir olması nedeniyle daha geniş uygulama alanı bulmuştur. Rüzgâr türbinleri DA veya AA elektrik üretebilmelerine rağmen, küçük güçlerde türbinin ürettiği AA enerjinin önce doğrultulması ardından da eviriciler kullanılarak AA enerjiye dönüştürülmesi tercih edilen bir yöntemdir. Yüklerin büyük kısmı ve elektrik şebekesi AA olduğu için elde edilen bu DA elektrik enerjisinin AA’ya dönüştürülmesi gerekir. Bu dönüşüm eviriciler ile yapılır. Yenilenebilir enerji uygulamalarında üç farklı modda çalışan eviriciler kullanılabilir:
•
Ada modu çalışan eviriciler
•
Şebeke etkileşimli eviriciler
•
Şebeke etkileşimli ve ada modu çalışan eviriciler
Ada modu çalışmada evirici yenilenebilir enerji kaynağının ürettiği DA elektrik enerjisini AA’ya çevirir ve bununla sadece yükleri besler, şebekeye bağlantı söz konusu değildir. Bu çalışma modunda genellikle gerilim kontrollü eviriciler kullanılmaktadır. Enerjinin devamlılığı için genellikle bir akü grubu kullanılır [72]. Şebeke etkileşimli eviriciler şebeke ile paralel çalışmaktadırlar. Enerji kaynağının
ürettiği enerjiyi şebekeye aktarabilirler. İhtiyaçtan fazla olan enerjinin şebekeye aktarılmasını imkân tanıdığından verimli bir çalışma sağlarlar. Şebeke etkileşimli evirici sadece DA gerilimi AA gerilime çevirmekle kalmaz aynı zamanda şebeke geriliminin frekansı ve genliği ile senkronize olarak çalışır. Ayrıca birim güç faktörü için şebekeye enjekte ettiği akımın şebeke gerilimi ile aynı fazda olması ve akım dalga şeklinin sinüs şeklinde olması gerekmektedir. Bununla ilgili uluslararası standartlar yayınlanmıştır. Şebekeye enjekte edilen akımın dalga şekli ve fazı önemli olduğundan genellikle akım kontrollü olarak tasarlanırlar. Herhangi bir nedenle şebeke kesildiğinde elektrik adalarının ve neden oldukları problemlerin oluşmasını engellemek için şebeke etkileşimli eviriciler durdurulurlar.
82
Ancak bazı uygulamalarda yüke kesintisiz enerji sağlamak için gerekli tedbirler alınarak eviricinin çalışmasına devam etmesi sağlanır. Bunun için eviricinin yükün enerjisini kesmeden şebeke etkileşimli çalışma durumundan ada modu çalışma durumuna geçmesi gereklidir. Başka bir deyişle akım kontrollü çalışmadan gerilim kontrollü çalışmaya geçmelidir. Şebeke etkileşimli evirici, şebekeye bağlanacağından kuruluşlarının belirlediği
standartlara uyulmalıdır.
Özellikle
gelecekteki uluslararası
standart
(taslak
aşamasındaki) IEC61727 ve günümüzdeki standartlar EN61000-3-2, IEEE1547 ve U.S. National Electrical Code (NEC)690 dikkate alınmalıdır. Bu standartlar güç kalitesi, ada modunun tespiti, topraklama vb. gibi konularla ilgilidir [73]. IEEE ve IEC şebekeye enjekte edilen DA akımın maksimum kabul edilebilir miktarına sınırlandırmalar getirmektedir. Bu sınırlandırmanın amacı dağıtım transformatörlerinde oluşabilecek doymanın önüne geçmektir. Bununla beraber sınırlar oldukça küçüktür (anma çıkış akımının %0,5 ve 1,0) ve bu küçük değerlerin eviricideki uyartım devreleri ile tam olarak ölçülmesi zor olabilir. Bu geliştirilmiş ölçüm devreleri veya evirici ile şebeke arasına hat frekanslı bir transformatör eklenerek azaltılabilir. Bazı eviriciler, PV ve şebeke arasında galvanik izolasyonu sağlamak için yüksek frekanslı DA/DA konvertörle bütünleşik transformatör kullanırlar. Bu DA akım enjeksiyonu problemini çözmez ancak PV modüllerin topraklanmasını kolaylaştırır. NEC 690 standardı maksimum çıkış geriliminin 50V gibi belirli bir değere ulaşan PV modüllerin topraklı ve toprak arızalarına karşı izlenen bir sistem olmasını gerektirir. Sistem topraklaması, PV modülün negatif (veya pozitif) ucunun toprağa bağlanmasını gerektirir. Bu, şebekenin faz-nötr uçlarına bağlanan bir fazlı eviricinin zaten şebeke tarafında topraklı olması nedeniyle, pek çok yüksek güçlü transformatörsüz sistem için sorun olabilir. Diğer elektrik idareleri elektriksel izolasyonun olmaması durumunda sadece donanımın topraklanmasını isterler. Donanımın topraklanması çerçevelerin ve diğer metalik parçaların toprağa bağlanmasıdır.
83
Ayrıca eviriciler ada durumunu tespit edebilmeli ve insanları ve ekipmanı koruyabilmek için uygun ölçümleri yapabilmelidir. Ada etkisi, herhangi bir arıza veya kaza nedeniyle şebekenin kesilmesi durumunda eviricinin çalışmasına devam etmesidir. Başka bir deyişle şebekenin kesilmesi sonucunda eviricinin yerel yükleri beslemek zorunda kalmasıdır [73]. Şebeke etkileşimli eviriciler için ada modunun tespiti ve eviricinin ada modunda
çalışmasının önlenmesi önemli bir gereksinimdir. Fotovoltaik sistemler için anti-ada modunu da kapsayan test standartları IEEE 929-2000 (Recommended Practice for Utility Interface of Photovoltaic Systems) ile belirtilmiştir. IEEE 929 pek çok konuya işaret etse de en önemli bölümleri normal olmayan şebeke koşullarında PV eviricilerin tepkisini içeren güvenlik ve koruma fonksiyonları ile ilgili olanlardır. Bu normal olmayan koşullar gerilim ve frekans değişimi ile istenmeyen elektrik adalarının oluşmasına neden olan şebekenin kesilmesi durumlarıdır. IEEE 929’a göre hangi durumlarda eviricinin şebekeden ayrılması gerektiği ve bunu en fazla ne kadar zaman içinde yapması gerektiği Çizelge 5.1’de verilmiştir. Yüksek gerilim rölesi, alçak gerilim rölesi, yüksek frekans rölesi ve alçak gerilim rölesi bulunduran bir evirici temel ada modu tespit yeteneğine sahiptir. Gerilim seviyesi veya frekans normal aralığın dışına çıkarsa şebekenin hatalı olduğu düşünülür ve evirici durdurulur. Bununla beraber bu yöntemler kaynak-yük dengeli olma durumunda şebeke kesilse dahi ada modunu tespit edemezler [74]. Çizelge 5.1. IEEE 929 standartlarına göre şebekeden ayrılma durumları ve zamanları Şebeke Etkileşimli Çalışma İçin Gerilim ve Frekans Sınırları Durum
Gerilim
Frekans
A
0,5 Vnom
fnom
6 saykıl
B
0,5 Vnom
fnom
2 saniye
C
0,88 Vnom ≤ V ≤ 1,10 Vnom 1,10 Vnom
fnom
-
fnom
2 saniye
fnom
2 saykıl
F
1,37 Vnom ≤ V Vnom
f
6 saykıl
G
Vnom
f>fnom+0,5 Hz
6 saykıl
D E
Maks. Açma Zamanı
84
Tespit yeteneğini arttırmak için geliştirilen diğer yöntemlerden biride gerilim harmoniklerinin izlenmesidir. Bu metot dağıtım transformatörlerinin doğrusal olmayan karakteristiklerine dayanır. Güçlü bir gerilim kaynağı (şebeke) olmaz ise evirici tarafından transformatöre enjekte edilen akım büyük gerilim harmoniklerine neden olur. Harmonik seviyesi arttığında verimli biçimde ada modu tespit edilmiş olur. Faz atlama tespit yöntemi adı verilen başka bir yöntem evirici gerilimi ve akımı arasındaki faz farkını izler. Şebeke etkileşimli çalışmada evirici akımı şebeke gerilimi ile aynı fazdadır. Şebeke kesildiğinde ise evirici gerilimi ve akımı arasındaki faz farkı yük tarafından belirlenir. Bu ani faz değişimi koruma devresini tetikler ve evirici durdurulur. Ancak bu yöntem omik yük durumunda ada durumunu tespit edemez. Bu yöntemlerin hepsi pasif yöntemlerdir. Evirici geriliminin izlenmesini temel alırlar ve her yük durumu için başarılı değildirler. Bu nedenle aktif yöntemler geliştirilmiştir [74]. Aktif yöntemlerden birisi evirici çıkış gücünü periyodik olarak değiştirmektir. Bu kaynak-yük dengeli durumunda ada modunun tespitini amaçlar. Ancak bu metot güç sistemindeki bütün eviriciler arasında zaman senkronizasyonu gerektirdiğinden pratik değildir. Son zamanlarda bu problemin çözümü için frekans kaydırma metotları incelenmeye başlanmıştır. 5.2.2. Evirici topolojilerinin sınıflandırılması
Evirici topoljileri güç işleme aşamalarının sayısına, güç dekuplaj kondansatörünün yerine, transformatör kullanılıp kullanılmamasına ve şebeke arayüzünün tipine göre sınıflandırılır. Güç işleme aşaması sayısı: Güç işleme aşamalı eviriciler tek aşamalı ve çok aşamalı eviriciler olarak gruplara ayrılabilirler. Şekil 5.4’te tek ve çok aşamalı eviriciler görülmektedir.
85
DA PV ŞEBEKE
ŞEBEKE
DA AA
PV
(a)
DA
DA PV
ŞEBEKE
DA
DA
AA
DA PV
(b)
DA
DA
AA
(c)
Şekil 5.4. PV evirici tipleri a) Tek güç işleme aşamalı b) İki güç işleme aşamalı c) Her PV modülün veya stringin ortak DA/AA eviriciye bağlı olan ayrı DA/DA konvertörlere bağlanan iki güç işleme aşamalı evirici Şekil 5.4(a)’da tek aşamalı evirici görülmektedir. Bu evirici MPPT, şebeke akımı
kontrolü ve eğer gerekli ise gerilim yükseltimi gibi bütün görevleri yerine getirmelidir. Şekil 5.4(b)’de iki aşamalı evirici görülmektedir. Bu sistemde maksimum güç takibi, yani istenirse gerilim yükseltimi DA/DA konvertör tarafından gerçekleştirilmektedir. DA/AA eviricinin kontrol sistemine bağlı olarak DA/DA konvertörün çıkışı saf DA gerilim olabildiği gibi çıkış akımı doğrultulmuş sinüs dalgasını takip etmesi için modüle edilmiş de olabilir. İlk yöntemdeki DA/AA evirici, PWM veya histeresis gibi yöntemler ile şebeke akımını kontrol eder. Diğer çözümde DA/AA evirici doğrultulmuş akımı tam sinüse çevirmek için şebeke frekansında anahtarlanırken akım kontrol görevini DA/DA konvertör yerine getirir. Nominal güç düşük ise ikinci yöntemde yüksek verim elde edilebilir. Ancak eğer nominal güç yüksekse şebeke etkileşimli eviricinin PWM kontrollü çalıştırılması tavsiye edilir. Şekil 5.4(c)’de multi-string evirici için çözüm görülmektedir. Her DA/DA konvertörün görevi MPPT ve eğer gerekli ise gerilim yükseltimidir. Bu konvertörler şebeke akımını kontrol eden ortak DA/AA eviriciye bağlıdır. Bu yöntem her PV modülün/stringin kontrolü daha iyi yapılabildiğinden faydalıdır [73]. Güç dekuplajı: Güç dekuplajı normalde elektrolitik kondansatör ile yapılır. Bu eviricinin ömrünü belirleyen en önemli parçadır. Bu nedenle mümkün olduğu kadar küçük olmasına çalışılmalı ve tercihen film kondansatörler kullanılmalıdır. Kondansatörler Şekil 5.5’te görüldüğü gibi PV modüller ile paralel bağlanabildiği gibi evirici aşamalarının arasındaki DA barasına bağlanabilir.
86
ŞEBEKE
ŞEBEKE
DA
DA
AA
PV
CPV
DA
DA
PV
CPV
(a)
AA CDC
(b)
Şekil 5.5. Güç dekuplaj kondansatörünün değişik yerleşimi a) Tek aşamalı eviricide kondansatör PV modül ile paralel bağlı b) Çok aşamalı eviricide kondansatör hem PV modül ile paralel bağlı hem de DA linke bağlı
Dekuplaj kondansatörünün kapasitesi,
C=
PPV 2 ⋅ wgrid ⋅ U C ⋅ uˆ C
(5.4)
ile hesaplanabilir. Burada PPV, PV modüllerin anma gücü, UC kondansatör uçlarındaki gerilim ve uˆ C ise rıpıl genliğidir. 5.2.3. Transformatörler ve bağlantı tipleri
Bazı eviriciler DA/DA konvertör veya DA/AA evirici bünyesinde yüksek frekanslı transformatörler içerirlerken bazıları şebeke tarafında hat frekanslı transformatör kullanırlar. Bazı eviriciler de Şekil 5.6’da gösterildiği gibi transformatör içermezler. Hat frekanslı transformatörlerin ağırlık, boyut ve maliyetlerinin artmasından dolayı modern eviricilerde yüksek frekanslı transformatörler kullanırlar.
ŞEBEKE DA
ŞEBEKE DA
AA
AA
AA
AA
HFT
(a)
YFT
(b)
DA PV
AA
AA
DA YFT
(c)
Şekil 5.6.Transformatörlü evirici örnekleri Şekil 5.6.(a)’da verilen yapı, şebeke ile evirirci arasına hat frekanslı transformatör
(HFT) bağlı durumu göstermektedir. Bu tür bir bağlantı şebekeye DA akım enjekte edilmesi problemini çözmektedir. Şekil 5.6. (b)’deki yapıda ise HF link şebeke
87
etkileşimli AA/AA eviriciye bütünleşik yüksek frekanslı transformatör (YFT) şekli verilmektedir. Şekil 5.6. (c)’de ise DA-link PV modüle bağlı DA/DA konvertöre gömülü YFT yapısı verilmektedir. Transformatör, eviricilerde kullanıldığında bazı problemler ortaya çıkar. PV modüllerin çıkış gerilimi 50V’un altında olduğunda sistemin topraklanması gerekli değildir. Boost konvertörlerle gerilim verimli biçimde en fazla iki kat arttırılabildiğinden PV modül gerilimi 23-45V aralığında olduğunda transformatör kullanmadan gerilimi verimli bir şekilde yükseltmek zordur. Eviricinin hem giriş hem de çıkışı topraklandığında normal köprü tipi evirici şebeke etkileşimli olarak çalışamaz. Henüz hem giriş hem de çıkışında topraklanabilen, sadece birkaç yüksek giriş gerilimli transformatörsüz topoloji bilinmektedir. 5.3. Aküler
Güneş ve rüzgâr enerjili elektrik sistemlerinde aküler güneş panellerinden ve rüzgâr türbinlerinden gelen DA gerilimin depolanmasında kullanılırlar. Coğrafi şartların ağır olduğu (yazın aşırı sıcak, kışın aşırı soğuk) yerlerde kurulan güneş enerjili sistemlerde akülerin bu şartlara dayanıklı olarak seçilmesi gerekmektedir. Sıcaklıklardaki aşırı artış veya düşüşler akünün depolama kapasitesini ve derin deşarj durumları özelliklerini hızla yitirmelerine neden olur. Güç ihtiyacı düşük uygulamalarda 12 V'luk tam bakımsız aküler kullanılmaktadır. Daha büyük güç ihtiyaçlarında ve telekom sistemlerinde 2 V'luk sabit tesis (stasyoner) özel güneş aküleri kullanılmaktadır. Her iki akü tipinin de ortak özellikleri uzun ömürlü olmaları, gaz çıkışının olmaması veya minimum seviyede tutulması, derin deşarj özelliği ve bunu yaklaşık olarak 300–1500 defa tekrarlayabilme kabiliyeti, su ekleme ihtiyacının çok geniş zaman aralıkları (minimum 1 yıl) içinde ortaya çıkması olarak özetlenebilir.
88
Akü bankasının büyüklüğü tam rüzgârsız ve güneşsiz arka arkaya gelen günlerde sistemin kesintiye uğramayacağı şekilde tasarımlanır. Genelde 3 ile 6 gün arasında verilen otonomi süresi sayesinde muhtemel bir arıza anında, bakım ve servis çalışmaları sürecinde de bir kesinti yaşanmaz. Güneş panelleri ve rüzgâr türbinleri ile aküler arasında mevcut kontrol üniteleri sayesinde aküler en uygun akım ve gerilim kombinasyonu ile şarj edilmektedirler [75]. Ayrıca akülerin uygun invertörler ile bağlanması ile elektrik kesintilerine karşı etkili UPS sistemleri oluşturulur. 5.3.1. Akü çeşitleri
Az bakımlı tüplü sabit tesis (OPzS) aküleri: Genel kurşun asitli sabit tesis akülerinin teknolojik olarak geliştirilmiş biçimidir. Kullanıcı için yüzdürme gerilimiyle çalışma sisteminde, minimum bakım ve düşük enerji maliyeti dikkate alınarak, özel şekilde tasarlanarak üretilmişlerdir. Temel özelliği, düşük antimonlu kurşun alaşımı nedeniyle kendi kendine deşarj az olması dolayısıyla su kaybını büyük ölçüde azaltmış olmasıdır. Aktif maddeyi tutuşu ve şarj deşarj kabiliyeti aynı seviyededir. Az bakımlı sabit tesis tüplü (OPzS) akümülatörleri; şeffaf, kutulu olarak imal edilmektedir.
Kapasiteleri
150–5000 amper saat arasında olmaktadır.
Bu
akümülatörler aşağıda belirtilen alanlarda büyük avantaja sahiptirler. Kolay montaj edilebilir ve tam şarjlı veya kuru şarjlı olarak sevk edilebilirler. Ucuz, çabuk, emniyetli ve fazla eğitim istemeyen montaj özelliğine sahiptirler. Az bakım gerektirirler. Normal yüzdürme şarjı altında 2–3 yıl veya daha fazla süre için saf su ilavesi gerektirmezler. Şeffaf plastiklerde elektrolit seviyesini gösteren min/max seviye çizgileri kutuların üzerindedir. Diğer kutular içinde bulunan hücreler için elektrolit seviye gösterge buşonları vardır. Asit sızdırmazlar ve akıtmazlar. Yapıştırarak monte edilmiş kapak ve özel şekilde yapılmış kapak buşonları sayesinde dışarıya asit sıçrama ve sızması olmaz. Uzun ömürlüdürler. 1200–1500 şarj deşarj işlemine dayanıklıdırlar. 10–15 yıl ve üzerinde ömürleri vardır. Bir saatten fazla deşarj zamanı isteyen bütün alanlarda, diğer tiplere göre daha ekonomiktirler. Bu tip akülerin yapı özellikleri sıralanacak olursa;
89
Pozitif Tüplü Plaklar: Pozitif plak ızgaraları kurşun antimon alaşımından belli sayıdaki çabuklar ile bunları üstten birbirine bağlayan baradan oluşur. Bu çubuklara birbirine örülü tüplerden oluşan tergal geçirilir. Her tüp yuvası kurşun çubuklarla iyi temas edecek şekilde aktif madde ile doldurulur. Formasyon şarjında aktif madde sıkı bir katı haline gelip, tüp çeperi ve kurşun çubuklarla bir bütün haline gelir. Yüksek gözenekliliğe sahiptir. Elektrik iletimi için çubuklarla uygun bağlantısı vardır. Elektrolit, aktif madde içinde ve tüpler arasında rahat hareket eder. Kullanılan düşük dirençli ve uzun ömürlü polyester tüpler sayesinde pozitif aktif maddenin dökülmesi problemi ortadan kalkmıştır. Negatif Plaklar: Negatif plaklar, kurşun-antimon alaşımından özel tasarım yapılmış ızgaraların yuvalarına basınç ile aktif madde sıvanmak suretiyle yapılır. Tüplü pozitif plaklar ile aynı ömre sahiptirler. Seperatörler: Mikro gözenekli seperatörler kullanılır. Aktif madde toplanmalarında ve yıpranma sırasında iç kısa devre olmasını önler. Akım geçişini ve elektrolit hareketini kolaylaştıran özelliktedirler. Elektrolit: Sülfürik asidin saf su ile karışımından meydana gelen elektrolit tam şarjlı durumda akümülatör içinde 20ºC'de 1,24 gr/cm3 yoğunluğundadır. Hücre Kapları: Hücrelerin kapları yüksek kalitede şeffaf plastik veya ebonitten yapılmaktadır. Buşonlar: Özel şekilde tasarlanmış buşonlar sayesinde sıçrayan tüm asit zerrecikleri hücre içine döner. Serbest hale geçen oksijen ve hidrojenin rahatça çıkışını sağlar. Alev geçirmeme özellikleri vardır. Hücre Çıkışları ve Bağlantıları: Hücre çıkışları kurşun - antimon alaşımından olup, hücreler arası bağlantıların direnci, olabildiğince düşük olacak şekilde yapılarak voltaj kayıpları önlenmiştir.
90
VRLA aküler: Bu tip akülerin teknik özellikleri sıralanacak olursa: •
Tamamıyla kapalı, bakımsız tiptir.
•
Çok geniş bir ısı yelpazesinde çalışabilir.
•
Özel alçak basınçlı emniyet valfleri ile teçhiz edilmiştir.
•
Tampon şarjda ya da çoklu döngü şarjda çalışmaya müsaittir.
•
Tamamen oksijen rekombinasyonuyla çalıştığından gaz sızdırmazlar.
•
İç direnci düşük olup, rafta beklemede kayıpları son derece düşüktür. Yatay,
dikey herhangi bir pozisyonda çalıştırılabilir. Ters çevrilse bile asit sızdırmaz. •
Kullanılan özel kalsiyum alaşımlı ızgaralar uzun ömür ve yüksek performans sağlar.
•
Tampon şarjda 5 yılın üzerinde, çoklu döngülü çalışmada 1000 döngünün üzerinde ömre sahiptir.
•
Kullanılan özel "Glas Mat" seperatör sayesinde maksimum elektrolit ihtiva eder, yüksek performans sağlar.
•
Stasyoner tip’tir.
Kullanım alanları ise, alarm sistemleri, kontrol cihazları, telefon santralleri, kablolu televizyon, haberleşme cihazları, kesintisiz güç kaynakları, yangın emniyet sistemleri, yedek aydınlatma sistemleri, tıbbi cihazlar, denizcilik donanımları, taşınabilir tv ve videolar, mikroişlemcili ofis makineleri, oyuncaklar, güneş enerji sistemleri, telekomünikasyon cihazları vb. Dryfit solar aküler (A600Solar): Dryfit Solar aküler Sonnenschein firmasının geliştirmiş olduğu bir ürün olup, dryfit teknolojisinin getirdiği yüksek performanslı yapıdadır. Solar akülerin döngü yetenekleri yüksek olup, derin deşarja dayanıklıdır. Solar aküler şarj dışında ayrıca bakım gerektirmezler. Diğer dryfit aküler gibi ayrı bir akü odası gerektirmezler ve şarj edilmeden 2 yıl 20 °C da stoklanabilirler. Jel elektrolitli olduğundan sızdırma yapmazlar.
91
Uygulama örnekleri ise güneş enerjisiyle çalışan güç istasyonları, cadde ışıklandırılması, telekomünikasyon sistemleri, deniz fenerleri, karavanlar, gemiler, ölçü istasyonları, alarm sistemleri, vb. 5.4. Şarj Denetim Birimleri
Denetim birimlerini güneş, rüzgâr enerjili sistemlerin beyni olarak nitelendirmek doğru bir yaklaşım olacaktır. Denetim birimlerinin başlıca fonksiyonları akülerin en uygun şartlarda şarj ve deşarj edilmesi, sıcaklık ayarları, yıldırım kontrolü, farklı koruma/sigorta sistemleri, merkeze farklı alarmları yollaması, rüzgâr türbinleri ve güneş panellerinden gelen tüm verileri kaydetmesi ve opsiyonel bir modem aracılığı ile istenilen merkeze yollaması olarak özetlenebilir [76]. Denetim birimlerinin amperajı güneş panellerinden gelecek maksimum akımın %25 fazlasını tolere edecek şekilde tasarlanmalıdır. Güneş panelleri genelde ilk 2–3 yıl boyunca ortalama değerlerinin üzerinde üretim yaptıkları için bu sağlıklı bir sistem tasarımı için çok önemlidir. Bu denetim birimleri üzerindeki dijital göstergeler akü voltajı, birim hücre voltajı, o anda üretilen elektrik miktarı gibi veriler okunabilmektedir. Denetim birimleri birçok özellikleri kullanıcı tarafından değiştirilebilmektedir. Örneğin akü voltajının istenilen voltaja geldiğinde şarjın kesilmesi, yine akü voltajının belli bir değerin altına düşmesi durumunda verici sistemine zarar gelmemesi için yük bağlantısının otomatik olarak kesilmesi ve voltaj yükseldiğinde yine otomatik olarak güç vermeye başlaması gibi özellikler tanımlanabilmektedir. Denetim birimlerine entegre edilen telsiz veya gsm modem vasıtası ile çalışan veri transmisyonu sistemleri sayesinde okunan değerler merkez istasyona yollanırlar.
92
5.5. Diğer Sistem Bileşenleri
Sistem bileşenleri dışında sisteme destek veren bu bileşenler arasında diyotlar, kablolama, bağlantı kesme elemanları, sigortalar, topraklama elemanları, aşırı akımdan koruma elemanları ve montaj parçaları yer alır. Bloklama diyotu, gündüzleri güneş panelleri üretim yaparken akımı geçirir, geceleri ise ters yönde akıma engel olarak akülerin boşalmasını önler. Bypass diyotu ise gölgelenme nedeniyle ya da modül yapısındaki başka bir sorundan dolayı açık devre oluşması durumunda devreye girerek akımın kesintiye uğramasını önler.
93
6. TASARIM VE UYGULAMA
Bu tez çalışmasında, rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanıldığı bir hibrit enerji santrali tasarlanarak uygulaması yapılmıştır. Bu sistemde rüzgâr türbini ve güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisi aynı DA barada birleştirilerek ve evirici yardımıyla yüke yönlendirilmesi amacıyla kullanılmak üzere iki adet yükselten konvertör tasarlanmış ve uygulamaları tamamlanmıştır. Yedekleme amacıyla konvertör çıkış gerilimiyle akü grubu şarj edilmektedir. Akü grubu şarj edildikten sonra ihtiyaç fazlası elektrik enerjisi şebeke ile paralel çalışabilen bir evirici yardımıyla şebekeye verilmektedir. Böylece, tasarlanan sistem kesintisiz güç kaynağı görevini de üstlenmektedir. Önemli diğer bir faydası ise, elektrik enerjisinin ihtiyaçtan fazla olması halinde kullanıcının belirli bir dönem satıcı konumunda olabilmesi ve ödenecek fatura bedelini azaltarak ekonomik katkı sağlayabilmesidir. Uygulaması yapılan sistemde, rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjilerinin birleştirildiği konvertörler birbirleri ile paralel çalışabilecek şekilde ve elde edilen çıkış gücünü devamlı olarak maksimum seviyede tutmak
amacıyla MPPT yapacak şekilde tasarlanmışlardır. Her iki konvertörde bir mikro denetleyici üzerinden kontrol edilmekte ve sistemin akım ve gerilim bilgileri burada değerlendirilmektedir. Hibrit sistemde güneş panellerinden en yüksek verimi alabilmek için paneller güneşi takip edecek şekilde tasarlanmıştır. Güneş takip sistemi olarak tek eksenli ve iki eksenli mekanik takip sistemleri hazırlanmış, bu mekanik sistemlerin elektronik kontrolü ise hem dinamik takip, hem de kararlaştırılmış takip sistemleri kullanılarak yapılmıştır. Güneş panellerinde ve rüzgâr türbininde üretilen enerjileri veri olarak toplayabilmek ve bilgisayar üzerinden sistemlere müdahale edebilmek amacıyla her iki sistem için birer kontrol devresi ve bu devreleri bilgisayarla RS485 ve RS232 hatları üzerinden haberleştirecek devreler tasarlanmıştır. Sistem bileşenlerinin bilgisayar üzerinden kontrolü için ise VISUAL C# dilinde arayüzler tasarlanarak sistem 24 saat boyunca takip, kontrol ve kayıt aşamalarında çalıştırılmaktadır. Ayrıca sistemin diğer parçaları olan evirici, konvertör, akü şarj ünitesi, iletişim modülleri ve diğer elektronik devreler bir araya
94
getirilmiştir. Güneş ve rüzgâr ile ilgili olarak üç aylık bir süre için veri toplama işlemi yapılmıştır. 6.1. Hibrit Enerji Sisteminin Uygulanması
Güneş ve rüzgâr enerjileri birlikte kullanılarak oluşturulan hibrit sistemin uygulamasındaki işlem sırası aşağıda verilmiştir. Uygulanan sistemin blok diyagramı Şekil 6.1’de verilmiştir. Öncelikle rüzgâr türbini ve güneş panellerinin kurulacağı yer için araştırma yapılmış ve ilgili kurumlardan veri toplanmıştır. Rüzgâr türbini ile güneş panelleri Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü B-Binası çevresine kurularak deney süresince beslenecek yük bağlantıları gerçekleştirilmiştir. Rüzgâr türbininden elde edilen üç fazlı AA gerilim, bir üç fazlı köprü doğrultucu yardımıyla alternatör yapısının uygun olması halinde yani yıldız noktası ayrılabilir ise aktif PFC (Power Factor Correction) ile değilse köprü doğrultucu ve yükseltici konvertör yardımıyla DA gerilime dönüştürülmektedir. Güneş panellerinden elde edilen enerjinin verimini artırmak amacıyla güneş takip sistemi uygulanmaktadır. Güneş panellerinden ve üç fazlı doğrultucudan elde edilen doğru gerilim yükseltici konvertörler yardımıyla ortak DA baraya aktarılmaktadır. Buradaki ünitelerin akım, gerilim ve güç bilgileri de dikkate alınarak, DA bara gerilimi sabit tutulmaktadır. Bu işlemi gerçekleştiren donanım tasarlanmış ve mikro denetleyici yazılımı HI-TECH C dilinde hazırlanmıştır. Hem DA baraya, hem de şebekeye bağlı şarj ünitesi yardımıyla akü grubu mikro denetleyicinin kontrolü altında şarj edilmektedir. Akü grubundan veya yükseltici konvertörlerden gelen enerji, şebekeyle ortak çalışabilen DA/AA evirici yardımıyla AA gerilime dönüştürülerek yük beslenmektedir. Lokal alıcıların ihtiyacından fazla enerji üretiliyor ve aküler şarjlı durumda ise, enerjinin tamamı şebekeye aktarılmaktadır. Belirlenen çalışma süresince tüm akım, gerilim, rüzgâr enerjisi, güneş enerjisi ve sayaç bilgileri saat ve gün bazında, hem sayaçlar hem de veri kaydetme sistemi yardımıyla kaydedilerek ve sonuçlar rapor edilmektedir.
95
Akü Grubu
Rüzgãr Türbini
e Boost Konvertör1
invertör/Şarj cihazı Sigorta
a
G
f DC
b
kWh PQ
kWh PQ
AC İzolasyon Trafosu
g
Boost Konvertör2 c
d
h
Yükler
i j
a. Rüzgãr Türbini Akım Algılayıcısı b. Boost Konvertör1 PWM
Güneş Panelleri
a c e f g k
Kontrol Ünitesi
b d h,i,j
c. Güneş Panelleri Akım Algılayıcısı d. Boost Konvertör2 PWM e. Akü Grubu Akım Algılayıcısı f. İnvertör Girişi Akım Algılayıcısı g. İnvertör Sayacı kontrol h. Anahtarlama Kontrolü
PC iletişimi
i.
"
j.
"
k. Şebeke Sayacı kontrol
Şekil 6.1. Tasarlanan hibrit enerji sisteminin blok şeması
k
96
6.2.Güneş Takip Sistemi Uygulaması
Bu çalışmada, güneş panellerinin elektrik enerjisi üretimi sırasında daha verimli olabilmesi için üç ayrı güneş takip mekanizması tasarlanmıştır. Güneş takip sistemlerinin her üçünde de 18F452 mikroişlemci ile kontrol edilebilmesi için bilgisayar programı ve simülasyonu yapılmıştır. Güneş takip mekanizmasında güneş panelleri ışığın en fazla olduğu yöne doğru dönüp gün boyunca ışığı takip etmektedirler. Literatür taraması sırasında bu tip mekanizmaların sabit panelli sistemlere göre % 30 ila %40 arası daha verimli olduğu belirlenmiştir [77]. Takip sistemlerinin ilki 12 W gücünde bir güneş panelini iki eksenli olarak çalıştırmak ve panelden elde edilen gerilim ve güneş açısı değerlerini bilgisayar ortamına kayıt etmek amacıyla tasarlanmıştır. Uygulaması yapılan maketin görüntüsü Resim 6.1’de verilmiştir.
Resim 6.1. Tasarlanan 12 W gücündeki takip sistemi Maket ile bilgisayar arasındaki haberleşme RS232 iletişimi ile sağlanmıştır. Sistemde güneş panelini hareket ettirebilmek için redüktörlü iki adet adım motoru kullanılmıştır. Uygulaması yapılan sistemin bilgisayar ile haberleşme arayüz
97
programına dair görüntü Resim 6.2.(a)’da, kayıt edilen verilere ait program görüntüsü ise Resim 6.2. (b)’de verilmiştir.
(a)
(b) Resim 6.2. (a) İki eksenli güneş takip mekanizması arayüzü (b) Takip mekanizması kayıt ekranı görüntüsü Resim 6.2.’de görüldüğü gibi sistem panelin gerilim ve yatay-dikey açı değerleri dakikalık olarak bilgisayar ortamına kayıt edilmektedir. Tasarlanan ikinci güneş takip mekanizması 370W gücünde toplam iki paneli hareket ettirecek şekilde tasarlanmıştır. İkinci uygulama da yine iki eksenli takip esasına dayanmakta, aynı elektronik devreleri kullanmaktadır. İlk maket ile ikincisi arasındaki fark ilkinin kayıt amaçlı kullanılması ikinci maketin ise daha büyük gerilim ve güç değerlerine sahip olup konvertör, evirici ve haberleşme birimlerinin
98
çalıştırılmasına imkân sağlamasıdır. Tasarlanan iki eksenli takip mekanizmasına ait görüntüler Resim 6.3.’te verilmiştir. Uygulanan sistem kendi ekseninde 360o, doğu batı ekseninde de 170o hareket edebilmektedir.
Resim 6.3. 370W gücündeki iki eksenli takip mekanizması görüntüsü Tasarlanan üçüncü güneş takip mekanizmasında ise 185W’lık 14 adet güneş paneli kullanılmış ve toplam gücü 2600W’tır. Tasarlanan sistem büyük bir gövde yapısına sahip olduğundan tek eksenli güneş takip mekanizması uygulanmıştır. Sistemin öncelikle üç boyutlu simülasyonu ve mikroişlemci kontrollü devreleri tasarlanmıştır. Sisteme ait 3D-MAX ile çizilmiş görüntüler Resim 6.4’te verilmiştir.
99
Resim 6.4 İki eksenli güneş takip mekanizması simülasyonu Takip sisteminin için hazırlanan programda, güneş panellerinin çevresine yerleştirilen iki adet sensörden alınan bilgiler değerlendirilmektedir. Bu bilgiler doğrultusunda mikroişlemciye bağlı bir adet DA motor panelleri doğu-batı yönleri doğrultusunda döndürmektedir. Sistem kuzey-güney doğrultusunda Ankara için en uygun güneş açısı belirlenerek 32o açı ile sabit olarak yerleştirilmiştir. Devreye panellerin hangi konumda olduklarını göstermek amacıyla 2X16 LCD display bağlanmıştır. Yapılan sisteme ait blok diyagram Şekil 6.2’de verilmiştir.
Sensör2
MAX 485
Mikro denetleyici
Sensör1
Sinyal Denetleme ve İşleme birimi
100
Kontrol sinyali
MAX 232
Motor Sürücü Devresi
SERİ PORT RS 232
PC
Motor
Şekil 6.2. Güneş takip mekanizması için tasarlanan sistemin blok diyagramı
Güneş takip mekanizmasının simülasyonu ve 2600 W gücündeki maketi tamamlandıktan sonra, bu uygulamanın bilgisayarla haberleşebilmesi için gerekli programlama ve elektronik devre çalışmaları yapılmıştır. Tasarlanan devredeki amaç RS-485 ve seri port yardımıyla güneş panellerinin konum, akım ve gerilim bilgilerinin bilgisayar ekranında görüntülenebilmesi ve ayrıca güneş takip mekanizmasının kontrolüne bilgisayar üzerinden müdahale edilebilmesidir. Sistemin bilgisayarla haberleşmesi için tasarlanan elektronik devreye ek olarak Visual Basic programlama dilinde bir arayüz programı yapılmıştır. Sistemin bilgisayarla haberleşmesi ve kontrolü için tasarlanan devrenin şeması Şekil 6.3’de verilmiştir.
101
Şekil 6.3. Sistemin kontrol ve seri port haberleşme devresi çizimleri
Takip sistemi ile ilgili kontrol devresinde panellerin konumu üç yöntemle kontrol edilmektedir. Birinci yöntemde sistemin çalışması için bir zaman aralığı belirlenmekte (sabah 06:15, akşam 19:45 arası), sistem bu saatler arasında aktif ve ekranında “bekleme modu “yazmaktadır. Belirlenen saatler dışında ise sistem “gece modu” durumundadır ve paneller hareketsizdir. Sabahleyin gece modundan bekleme moduna geçileceği durumda sistem en doğuya kadar otomatik olarak döndürülmekte ve oradan takip işlemine başlamaktadır. Sistem bekleme modunda çalışırken yine butonlar aracılığı ile ayarlanan bir süre için beklemekte ve bekleme süresinin sonunda güneşi sensörler aracılığı ile takip etmektedir. Bekleme süresi 1 ile 90 dakika aralığında ayarlanabilmektedir. Eğer güneş takip işlemi sırasında mekanik sistem belirlenen bir süre içinde güneşi bulamaz ise ekranda “zaman aşımı” uyarısı verilmekte ve sistem bir sonraki kontrol zamanını beklemektedir. Sistem üst üste üç defa zaman aşımı uyarısı verirse, bilgisayar kontrollü sisteme bağlanmakta ve günün belirtilen saatinde hangi konumda bulunması gerekli ise oraya yönlendirilmektedir.
102
İkinci kontrol yönteminde ise sistem bilgisayar aracılığı ile kontrol edilmektedir.
Bilgisayar kontrolünde sistem günün saatine bağlı olarak güneşin bulunması gereken konuma otomatik olarak yönlendirilmektedir. Bu işlem için bilgisayara günlük güneş açısı değerlerinin önceden girilmesi gerekmektedir. Üçüncü kontrol yönteminde ise sistem el ile veya bilgisayardan butonlar aracılığı ile kontrol edilmektedir. Bu uygulama sistemin arıza durumunda veya elle kontrolünün gerektiği durumlarda uygulanmaktadır. Güneş takip mekanizmasının (2600 W gücündeki) 14 adet güneş paneli ile yapılan maketi üzerinde tasarlanan sistem ve programlar çalıştırılmaktadır. Uygulaması yapılan maketin resmi Resim 6.5’de verilmiştir.
Resim 6.5. Uygulaması yapılan güneş takip mekanizmasının resmi Güneş takip sistemi güneşi yatay eksende (doğu-batı) 130o açıyla takip edebilmektedir. Panellerin hareketini sistemin üzerinde bulunan bir adet 24 Volt’luk DA motor sağlamaktadır. Sistemin parçaları arasındaki iletişimi sağlayacak arabirim kartının analog sinyalleri okuyup dijital sinyallere çeviren kısmı, ayrıca bu sinyalleri bir mikro işlemci aracılığı ile LCD ekranda gösteren ayrıca okunan gerilim ve akım
103
değerlerine göre belirli röleleri çalıştırıp durdurabilen elektronik devreler tasarlanarak uygulanmış ve mikroişlemci programları HI-TECH C programlama dilinde yazılmıştır. Ayrıca sistemden okunan gerilim, akım sıcaklık diğer bilgilerin bir program vasıtası ile bilgisayar ekranında görüntülenmesi işlemleri için bir arayüz tasarlanmıştır. Tasarlanan program ile sistem tamamen bilgisayar kontrollü olarak çalıştırılabilmekte ve izlenebilmektedir. Güneş takip sistemlerindeki elektriksel ve mekanik uygulamalarda iki tür motor kullanılmaktadır; bunlardan birincisi step motor (adım motoru), diğeri ise servo motordur. Step motorla yapılan uygulama servo motorlu olana göre daha kolay ve kontrolü basittir. Ancak step motorlar büyük güçlerde mevcut olmadıkları için belirli bir büyüklüğe kadar yapılmaktadır. Büyük güçlü ve güneş paneli olarak sayısı fazla olan uygulamalarda servo motorlar tercih edilmektedir. 6.3. Yükseltici (Boost) Konvertör Tasarımı
Uygulaması yapılan hibrit enerji sisteminde rüzgâr türbininden gelen elektrik enerjisi ile güneş panellerinden gelen elektrik enerjisini aynı DA barada birleştirip sistemde kullanılacak eviriciye gönderebilmek amacıyla iki adet birbirleriyle bağlantılı çalışacak yükseltici konvertör tasarlanıp uygulaması tamamlanmıştır. Konvertörlerin çalışması sırasında iki ayrı durum göz önünde bulundurularak sistem tasarımı ve programlama yapılmaktadır. Birinci durumda, iki konvertörün çıkışları aynı baraya bağlanacak ve bu bağlantı sonucunda çıkış gerilim seviyesini sabit tutabilmek amacıyla her iki konvertörün anahtarlama
sinyalleri,
birbirleri
ile
ilişkili
ancak
bağımsız
olarak
değiştirilebilecektir. Bu uygulamanın MATLAB simülasyonundaki blok diyagramı Şekil 6.4’de verilmiştir. Simülasyonda her iki konvertörün de çıkış gerilimlerinden
örnek alınarak PI denetleyicilere giriş yapılmış ve denetleyicide bu sinyaller bir referans sinyali ile karşılaştırılarak çıkış gerilim seviyelerinin aynı değerde tutulması sağlanmıştır.
104
Şekil 6.4. Yükselten konvertörün MATLAB simülasyonu İkinci durumda ise; her iki konvertöre uygulanan gerilimlerin sonucunda konvertör
çıkışına her iki kaynaktan da maksimum güç transferi hedeflenmiştir. Burada amaç, rüzgâr jeneratörü ile güneş panellerinin birlikte çalıştığı ;
•
her iki kaynakta gerilim olması,
•
rüzgâr jeneratöründe gerilim olup güneş panellerinde gerilim oluşmaması,
•
güneş panellerinde gerilim varken rüzgâr jeneratörünün gerilim üretememesi,
durumlarında sistemden üretebilecek gücü maksimum değerde tutabilmektir. Tasarlanan sistemde her iki konvertör birlikte çalıştırılarak MPPT yapılmaktadır. Yükseltici konvertör uygulamasında sistemin girişinden ve çıkışından elde edilen gerilim ve akım bilgileri mikro denetleyiciye gönderilmekte ve burada sistemin çalışması için gerekli anahtarlama sinyali üretilmektedir. Konvertörün çalışması sırasında elde edilen çıkış gücünün sistemin maksimum verimle çalışabilmesi için
105
sürekli olarak en yüksek seviyede olması gerekmektedir. Sistemin çıkış gücünün sürekli olarak en yüksek seviyede tutulması işlemine “maksimum güç noktası takip sistemi” (Maksimum Power Point Tracking) adı verilmektedir. Bu işlem sırasında konvertörün girişinden okunan akım ve gerilim bilgileri mikro denetleyici tarafından okunarak sistemin gücü hesaplanmakta, daha sonra giriş gerilim seviyesindeki artış ya da azalmaya bağlı olarak konvertörün anahtarlama sinyalinin oranları değiştirilerek çıkış akımı hep maksimum gücü elde edecek şekilde ayarlanmaktadır. Maksimum güç takip sistemine ait akış diyagramı Şekil 6.5’te verilmiştir. Akış diyagramında da görüldüğü gibi sistemde gücün değeri bir önceki değerine göre artış gösteriyor ise giriş geriliminin de artıp artmadığı kontrol edilmekte. Eğer gerilim değeri
artıyorsa
anahtarlama
oranı
azaltılmakta,
gerilim
azalıyorsa
oran
artırılmaktadır. Güç değerinde bir önceki hesaplanan değere göre azalma var ise tekrar gerilimin artışı kontrol edilmekte, eğer gerilim artıyor ise anahtarlama oranı bu sefer
arttırılmakta,
gerilim
azalıyor
ise
oran
azaltılarak,
sistemin
gücü
ayarlanmaktadır. Eğer güç değerinde bir artma ya da azalma olmuyorsa, gerilimin bir önceki değerine göre eşit olup olmadığı kontrol edilmektedir. Gerilim eşitse sistem döngüden çıkmaktadır. Maksimum güç noktası takibi uygulamasında konvertörün PWM anahtarlama oranları değiştirilirken kaynağın sağlayacağı maksimum akım değerini geçmesi engellenmektedir. Bu nedenle PWM sinyalin anahtarlama oranı %2 ile %49 arasında sınırlandırılmaktadır. Ayrıca yükseltici konvertörün çıkışına bağlanacak olan eviricinin giriş gerilim ve güç değerlerini de aşması istenmeyen bir durumdur. Bu koşullara bağlı kalarak sistem sürekli olarak maksimum gücü elde etmek için konvertörün anahtarlama elemanına uygulanan PWM sinyalin on-off olma sürelerini değiştirmektedir.
106
BAŞLA
TANIMLAMALARI YAP
GERİLİM OKU VPV(n-1)
MESAJ {GERİLİM SIFIR}
VPV(n-1)>0
HAYIR
EVET PWM=%2duty
AKIM OKU IPV(n-1)
GÜCÜ HESAPLA PPV(n-1) = VPV(n-1) x IPV(n-1)
duty = duty+1
DEĞER OKU VPV(n), IPV(n)
GÜCÜ HESAPLA PPV(n) = VPV(n) x IPV(n) duty = duty+1
duty = duty-1 IPV(n) >IMAX
EVET
HAYIR
VOUT >VMAX
EVET
HAYIR
HAYIR
PPV(n-1) < PPV(n) EVET
DUR
Şekil 6.5. Maksimum güç takip sisteminin akış diyagramı
107
Maksimum güç noktası takip işlemi ve güneş panellerinin güneşi takip etme işlemleri bir arada uygulandığı takdirde sistemin veriminin daha fazla olacağı deneysel çalışmalar ve toplanan veriler yardımıyla belirlenmiştir. Sistemin bu kısmının da programları HI-TEC C dilinde yazılmış ve 18F452 mikroişlemci kullanılmıştır. Ayrıca konvertörün elektronik devresinin elemanları da temin edilerek sistem bir araya getirilmiştir. Uygulaması yapılan yükseltici konvertöre ait sistemin şeması Şekil 6.6’da verilmektedir.
C2
R2
L1
a
G
D1
b
D2
e
R1
c
D3
d
C3
ÇIKIŞ
C1
Konvertör 1 C5
R4
L2
Rüzgãr Türbini
f g
D4
j
D5
R3
h
D6 C6
i
C4
Güneş Panelleri
Konvertör 2 a. Konvertör1 giriş akımı algılayıcısı b. Konvertör1 giriş gerilimi algılayıcısı c. Konvertör1 çıkış akımı algılayıcısı
f. Konvertör2 giriş akımı algılayıcısı g. Konvertör2 giriş gerilimi algılayıcısı h. Konvertör2 çıkış akımı algılayıcısı
d. Konvertör1 çıkış gerilimi algılayıcısı e. Boast Konvertör1 anahtarlama sinyali
i. Konvertör2 çıkış gerilimi algılayıcısı j. Boast Konvertör2 anahtarlama sinyali
Şekil 6.6. Yükseltici konvertörlere ait uygulama şekli
Uygulaması yapılan yükseltici konvertörde anahtarlama elemanı olarak 73 amper 300 Volt IXFK 73N30 MOSFET kullanılmış ve MOSFET’in anahtarlamasını sağlamak amacıyla TC4429 tipi MOSFET sürücüsü kullanılmıştır. Devrede, MOSFET üzerinde anahtarlama sırasında oluşan yüksek değerli pikleri önlemek amacıyla, MOSFET’in uçlarına bir snubber devresi yerleştirilmiştir. Uygulaması yapılan konvertörün resmi Resim 6.6’da verilmiştir.
108
Resim 6.6. Uygulaması yapılan yükseltici konvertör MOSFET’in gate ucuna uygulanan sinyalin boşta ve maksimum yük akımı altındaki eğrileri Şekil 6.7’de verilmiştir. Yükteki artış anahtarlama sinyalini çok fazla etkilememektedir. Ölçümler sırasında 10X osilaskop probu kullanılmıştır.
(a)
(b)
Şekil 6.7. Gate sinyalinin (a) boşta ve (b) maksimum akımdaki eğrileri
Konvertörün çalışması sırasında MOSFET sürücüye mikro denetleyici tarafından gönderilen anahtarlama sinyalinin sistemden çekilen akım arttıkça bozulup, konvertörün düzensiz çalışmasını engellemek amacıyla mikro denetleyici ile sürücü devre arasına bir buffer devresi yaparak sinyal kuvvetlendirilmiştir. Konvertörün
109
çalışması sırasında MOSFET’in anahtarlama oranı minimum ve maksimum iken uçlarında oluşan gerilim eğrileri Şekil 6.8’de verilmiştir.
(a)
(b)
Şekil 6.8. MOSFET anahtarlama oranı (a) minimum ve (b) maksimum iken gerilim eğrileri
Yapılan deneyler sırasında konvertörün girişine 110 V DA gerilim uygulanmış ve konvertör çıkışından 180 V elde edilmiştir. Konvertörün çıkışında 1500 Watt’lık yük varken ve çıkış seviyesi 180 V iken gerilimin üzerinde oluşan AA RMS dalgalanma değeri 0,5 Volt seviyesinde olup, bu değer çıkış geriliminin % 0,4’ü kadar bir değeridir. Bu değer, DIN 41773 standardına göre kabul edilebilir bir değerdir. Bu standart’a göre akü şarj cihazı ve bunun gibi DA gerilim kaynaklarının çıkış gerilimlerindeki dalgalanma seviyesi ± %1’i geçmemelidir. Elde edilen çıkış değeri ile konvertörden kaliteli bir çıkış sinyali sağlanmıştır. Konvertör çıkış geriliminin ve oluşan rıpıl değerinin eğrileri Şekil 6.9’da verilmiştir.
110
(a)
(b)
Şekil 6.9. (a) Konvertör çıkış gerilimi (b) AA rıpıl değerinin gerilim eğrileri
Konvertörün giriş geriliminden bir gerilim bölücü vasıtasıyla alınan gerilim değeri ve giriş akımından bir akım algılayıcı üzerinden okunan akım değerleri, yükselteç devresinden geçirilerek mikro denetleyicinin giriş uçlarına yönlendirilmektedir. Mikro denetleyiciye uygulanan giriş sinyalleri ile konvertörün akım ve gerilim bilgileri değerlendirilerek, MOSFET’in anahtarlama oranları değiştirilmektedir. 6.4.Güneş ve Rüzgâr Sistemlerinin Montajı
Tasarlanan sistemde güneşten ve rüzgârdan elde edilen enerjileri, elektrik enerjisine dönüştürmek amacıyla on dört (14) adet güneş panelinden oluşan 2600W gücünde bir güneş takip mekanizması ve 2600W gücünde bir rüzgâr türbini temin edilmiştir. Bu ekipmanların belirlenen yerlere montajı için öncelikle türbin için alınan direği üretici firmasından verilen bilgiler doğrultusunda 5mX5mX5m ölçülerinde bir temel çukuru açılarak içerisine iskelesi oluşturulmuş ve 26 m uzunluğundaki ve 4,5 ton ağırlığındaki direği yere sabitlemek amacıyla oluşturulan beton kaide hazırlanmıştır. Rüzgâr türbini’nin beton kaidesine ait resimler Resim 6.7’de verilmiştir.
111
Resim 6.7. Rüzgâr türbini için hazırlanan beton kaide ve temeli Temeli tamamlanan rüzgâr türbini ve direği yerlerine bir vinç yardımıyla monte edilmiştir. Sistemin yerine monte edilmesine dair resimler Resim 6.8’de verilmiştir. Burada türbinin ürettiği enerji için 3x10 mm2 kesitindeki iletken ayrıca türbinin yüksek hızlarda ve bakım sırasında frenlenmesini sağlayan halat direğin içinden geçirilerek aşağıya indirilmiştir.
Resim 6.8. Rüzgâr türbini ve direğinin montajı Rüzgâr türbininin yerleştirildiği alanın yakınına bir güneş takip mekanizması yerleştirilmiştir. Mekanizma güneşi mevsimlere göre en iyi görebileceği ortalama açı değeri hesaplanarak kuzey-güney doğrultusunda 32o açı ile ve doğu-batı ekseninde
112
güneşi otomatik olarak takip edecek şekilde yerleştirilmiştir. Resim 6.9’da güneş takip mekanizmasının temel işlemleri ve yerleştirilmesine dair resimler verilmiştir.
Resim 6.9. Güneş takip mekanizmasının yerine yerleştirilmesi Güneş ve rüzgâr ile ilgili sistemler yerlerine montaj edildikten sonraki aşamada enerji iletim kabloları Elektrik bölümü B blok Mikroişlemci laboratuarındaki odaya kadar çekilerek, sistemin diğer parçaları olan eviriciler, konvertörler ve akü şarj cihazı buraya yerleştirilmiştir. Sistemin elektronik donanımlarının yerleştirilmiş halleri Resim 6.10’da verilmiştir.
Resim 6.10. İnvertör ve kontrol ünitelerinin yerleşimi
113
Güneş ve rüzgârdan elde edilen enerjilerin kontrolü ile ilgili sistemde; ilk olarak güneşten elde edilen DA enerji, rüzgârdan elde edilen 3 fazlı değişken frekanslı AA enerji ve şebekenin enerjisi bir merkezde toplanmakta ve kumanda işlemleri bu panoda yapılmaktadır. Resim 6.11’de kumanda ve kontrol panosu görülmektedir.
Resim 6.11. Kumanda panosunun ve iç bağlantısının görüntüsü Bu panonun ön kısmına her bir enerji kaynağından elde edilen gerilimleri ve akımları görmek amacıyla birer voltmetre ve ampermetre yerleştirilmiştir. Ayrıca rüzgâr türbininden ve şebekeden gelen üç fazı ayrı ayrı görebilmek amacıyla birer voltmetre komütatörü yerleştirilmiştir. Kumanda panosunun içinde ise eviricileri ve şarj ünitesini devreye alıp çıkartma amacıyla kullanılan kontaktörler ve yüke iletilecek olan enerji miktarını ölçme amaçlı olarak bir sayaç bulunmaktadır. Rüzgârdan elde edilen 3 fazlı değişken frekanslı AA enerji kumanda panosunun çıkışında bir doğrultucu yardımıyla DA gerilime çevrilmekte ve oradan konvertöre iletilmektedir. Güneşten elde edilen DA gerilimde direkt olarak konvertöre iletilmektedir. Burada kullanılan konvertörlerin amacı daha önceki bölümde de
114
belirtildiği gibi güneş ve rüzgâr enerjilerinden elde edilen gerilimleri eviricilerin giriş gerilim aralığında tutabilmektir. Bağlantı
kutusunda
konvertörlere
veya
istenirse
direkt
olarak
eviricilere
yönlendirilen enerji güneş ve rüzgâr sistemleri için ayrı birer eviriciye giriş yapılmaktadır. Güneş enerjisi sistemi için 3300W’lık SMA Sunny Boy 3300 modeli ve rüzgâr enerjisi içinde 2500W’lık SMA Wind Boy 2500 modeli eviriciler kullanılmaktadır. Resim 6.12. ve Resim 6.13’de güneş ve rüzgâr için belirtilen eviriciler görülmektedir.
Resim 6.12. Sunny Boy 3300 evirici ön ve iç görüntüsü
Resim 6.13. Windy Boy 2500 evirici ön ve iç görüntüsü İnvertörlerin çıkışlarından elde edilen gerilim istenirse direkt olarak yüke aktarılacak
istenirse
akü
şarj
cihazına
yönlendirilecek
şekilde
bağlantısı
yapılmıştır.
İnvertörlerden elde edilen 220 V 50 Hz. gerilim, SMA Sunny Island 4500 modeli bir
115
şarj kontrolöre yönlendirilmektedir. Şarj ünitesinin resmi Resim 6.14’te verilmiştir. Şarj ünitesinin çıkışı ise yüke yönlendirilmektedir. Ayrıca 10 adet 12 V 100 Ah’lik
akü, akü şarj ünitesine bağlanmıştır.
Resim 6.14. Akü şarj ünitesi görüntüsü Sistem parçaları bir araya getirildikten sonra eviricilerin ve şarj cihazının arasındaki haberleşmeyi kontrol etmek ve elde edilen akım gerilim ve güç değerlerini bilgisayar ortamına aktarmak amacıyla kullanılan bir ünite mevcuttur. Bu cihaz, eviriciler ve şarj cihazını 1200 m mesafede algılayabilen RS485 bağlantısına sahip “Control Plus”
adı verilen haberleşme ünitesidir. Haberleşme ünitesinin görüntüsü Resim 6.15’te verilmiştir.
116
Resim 6.15. RS485 Haberleşme ünitesi 6.5.Haberleşme Arayüz Programının Tasarımı
Hibrit enerji sisteminde kullanılan diğer bir kontrol ünitesi ise, güneş takip mekanizmasının konum bilgisini, panellerden elde edilen gerilim ve çekilen akımı, RS485 yardımıyla bilgisayara kaydedebilen, ayrıca takip sisteminin doğu-batı doğrultusunda farklı stratejiler uygulanarak döndürülmesini sağlayan arabirimdir. Bu arabirimde güneş takip sistemi istenirse güneşi takip eden sensörler yardımıyla veya bilgisayar kontrollü olarak kumanda edilebilmektedir. Acil durumlarda sistemin el ile kumandası da mümkün olmaktadır. Tasarlanan kontrol ünitesi ve haberleşme biriminin görüntüsü Resim 6.16’da verilmiştir.
117
Resim 6.16. Güneş takip sistemi kontrol ve haberleşme üniteleri Tasarlanıp uygulanan kontrol ve haberleşme devrelerinin bilgisayarla kontrolü ve bilgilerin elektronik ortama kayıt edilmesi amacıyla VISUAL C# programlama dilinde bir arayüz tasarlanmıştır. Tasarlanan arayüzde, güneş panelleri kontrol edilebilmekte ayrıca rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden gelen akım ve gerilim bilgileri kaydedilmektedir. Tasarlanan arayüzün görüntüleri Resim 6.17’de verilmiştir.
Resim 6.17. Kontrol arayüz görüntüsü Kontrol birimlerinden elde edilen rüzgâr türbinine ait akım, gerilim ve hız bilgileri ayrıca güneş panellerine ait akım, gerilim ve konum bilgileri bilgisayar ortamına kaydedilmektedir. Kaydedilen dosyalar günlük olarak aynı program aracılığı ile grafik olarak görüntülenmektedir. Rüzgâr türbini ile ilgili olarak 03.03.2007
118
tarihinde türbin geriliminin doğrultucu çıkışına bağlanan 800 W yük altındaki değişim eğrisi Resim 6.18’de verilmiştir.
Resim 6.18. Rüzgâr türbininden elde edilen enerjinin grafik olarak görüntüsü Ayrıca sisteme bilgisayar üzerinden bağlanacak olan bir web kamerası aracılığı ile güneş panelinin görüntüsü bilgisayar ortamında görülebilmektedir. Görüntüyü alabilmek amacıyla arayüz üzerindeki “Kamera Aktif” butonuna basıldığında panellerin konumu görüntülenebilmektedir. Yapılan elektronik devreler yardımıyla ve evirici ünitelerinin kontrol birimi aracılığıyla bu sistem kontrol-kayıt işlemini yapabilmektedir.
119
7. DENEYSEL ÇALIŞMA SONUÇLARININ DEĞERLENDİRİLMESİ
Çalışmada gerçekleştirilen hibrit sistemde, güneş enerjisi sistemi için DA ve AA olmak üzere akım, gerilim, güç ve güneş paneli pozisyonu ölçülmüştür. Rüzgâr enerjisi sistemi için ise DA ve AA olmak üzere akım, gerilim ve güç değerleri ölçülmüştür. Her iki sistemde saatlik, günlük ve aylık olarak değerler bilgisayar ortamına kaydedilmiştir. Bu bölümde ölçülen değerler ile ilgili olarak çizdirilen eğriler verilmiş ve sistemin çalışmasının değerlendirmesi yapılmıştır. Hibrit sistemin çalışması sırasında uygulaması yapılan kayıt cihazları yardımıyla her 15 dakikada bir olmak üzere günlük veriler toplanmıştır. Bu veriler güneş panelleri için güneş doğduğu andan batıncaya kadar olan sürede, rüzgâr türbini için ise türbin elektrik üretmeye başladığı andan itibaren kayıt yapacak şekilde tasarlanmıştır. Elde edilen veriler günlük Excel dosyaları olarak bilgisayar ortamına kayıt edilmektedir. Sistemin faaliyete geçtiği 02.03.2007 tarihinden 15.06.2007 tarihine kadar yapılan kayıtlar arasından seçilen birkaç günlük değerler sırasıyla aşağıda değerlendirilmiştir. Şekil 7.1 ile Şekil 7.5 arasında 17/03/2007 günü elde edilen veriler yardımıyla
çizdirilen eğriler görülmektedir. Şekil 7.1’de güneş panelleri için günlük güç değerleri eğrisi görülmektedir. Paneller sabah saat 06.00 ile akşam saat 18.00 arasında enerji üretmekte olup, en yüksek güç değeri 2150 W olarak ölçülmüştür. Güneş panelleri için uygulanan güneş takip sistemi bu ölçümler sırasında devrede olduğu için, şekilde de görüldüğü gibi saat 08.00 ile saat 16.00 arasında sekiz saat süresince panellerin gücü maksimum seviyededir. Güneş takip sisteminin çalıştırılmadığı günlerde ise güç eğrisi bu şekilde oluşmamaktadır.
120
Güç-Zaman Eğrisi 2500
Güç (W)
2000
1500
1000
500
0
6
8
10
12 Zaman (saat)
14
16
18
Şekil 7.1. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli güç değerleri Şekil 7.2’de ise güneş panellerinden elde edilen DA gerilim ile şebeke çıkışının
birlikte olduğu eğri görülmektedir. Eğride güneş panellerinden elde edilen DA gerilim gün içerisinde 220 V ile 340 V arasında değişim göstermektedir. Panellerdeki gerilim seviyesindeki bu değişiklik konvertör aracılığı ile sürekli aynı seviyede tutulmakta olup, DA/AA evirici girişine sürekli maksimum seviyede DA gerilim uygulanmaktadır.
Gerilim - Zaman Eğrisi
340
VAC VPV
Gerilim (V)
320 300 280 260 240 220
6
8
10
12
14
16
18
Zaman (saat)
Şekil 7.2. 17/03/2007 gününde ölçülen güneş paneli DA gerilim ve invertör çıkışı AA gerilim değerleri
121
Şekil 7.3’te ise aynı gün için panellerden çekilen DA akım ile evirici çıkışındaki AA
akımın karşılaştırılması verilmiştir. Panellerden çekilen akım değeri gün içerisinde 8 A değerine kadar ulaşmaktadır. Akim - Zaman Eğrisi 10
I AC I PV
9 8 Akim (A)
7 6 5 4 3 2 1 0
8
6
10
12 Zaman (saat)
14
16
18
Şekil 7.3. 17/03/2007 gününde ölçülen panel akımı ve evirici çıkış akımı değerleri Güç - Zaman Eğrisi
2000 P1 P2
1800 1600 Güç (W)
1400 1200 1000
Takip sitemi devre dışı
800 600 400 200 0
4
6
8
10
12
14
16
18
20
Zaman (saat)
Şekil 7.4. Güneş takip sisteminin devrede olduğu ve sistemden çıkarıldığı durumlardaki güç eğrileri
Güneş panellerinden elde edilen gücün günün her saatinde maksimum seviyede tutulması için 2600 W gücündeki sisteme güneş takip mekanizması uygulanmıştır. Şekil 7.4’te gün boyunca güneş takip sisteminin devrede olduğu ve devreden
çıkarılarak belirli aralıklarla yapılan ölçümler sonucunda elde edilen güç değerlerine
122
ait eğriler verilmiştir. Şekilden de görüldüğü gibi takip sistemi devrede iken panellerin ürettiği güç daha yüksektir. Bir günlük ölçümler kıyaslandığında, panellerin güneşi takip ettiği durumdaki üretilen toplam enerji 17,248 kWh, paneller sabit iken üretilen toplam enerjinin 11,862 kWh olduğu görülmüştür. Bu ölçümler, güneş takip sisteminin panellerin ürettiği gücü %45 oranında arttırdığını göstermektedir. Şekil 7.5’de aynı gün için rüzgar türbininden elde edilen akım değerleri
görülmektedir. Rüzgar türbini ile birlikte çalışan eviricinin şebekeye bağlanma işleminin sürekli olarak 280 V ve üzerinde sabit gerilim değerleri gerektirmesinden dolayı Şekil 7.5’de görüldüğü gibi gün içerisinde iki defa şebekeye bağlantı gerçekleştirilebilmiştir.
Rüzgar Türbini Akım -Zaman Eğrisi
400
IAC IPV
350
Akım (mA)
300 250 200 150 100 50 0
0
5
10
Zaman (saat)
15
20
Şekil 7.5. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini akım değerleri Şekil 7.6’da ise rüzgar türbininin DA gerilim değişimi ve AA invertör çıkışı değerleri
görülmektedir. Rüzgâr türbininden elde edilen gerilim değeri gün içerisinde çok fazla değişkenlik göstermektedir. Türbin çıkışında doğrultulan değişken DA gerilim konvertör aracılığı ile sabit bir seviyede tutularak invertör girişine uygulanmaktadır.
123
Rüzgar Türbini Gerilim - Zaman Eğrisi
300
V AC V PV
280 260 Gerilim (V)
240 220 200 180 160 140 120 100
0
5
10
Zaman (saat)
15
20
Şekil 7.6. 17/03/2007 günü için rüzgar türbini gerilim ve şebeke gerilim eğrisi Şekil 7.7’de ise güneş panellerinden elde edilen değerler arasından seçilmiş olan beş
günlük panel gerilimi-şebeke gerilimi ve panel akımı-invertör çıkış akımı arasındaki değişimi gösteren değerler verilmiştir. Belirtilen tarihler arasında güneş takip işlemi yapılmamış olup sadece sistemin MPPT yapması deneyi gerçekleştirilmiştir. Güneş takip sistemi devrede iken günlük enerji üretim değeri 17 kWh iken, güneş takip sisteminin devrede olmadığı günlerde enerji değerinin 14 kWh’i geçmediği görülmüştür. Güneş takip sisteminin çalıştığı duruma göre enerji üretim veriminin düştüğü belirlenmiştir. Eğrilerden de görüleceği gibi güneş panelleri havanın bulutlu olması veya güneşin konumuna göre pozisyon değiştiremedikleri için değerler belirli noktalarda düşüş göstermiştir.
124
09/05/2007 Akım-Zaman Eğrisi
09/05/2007 Gerilim-Zaman Eğrisi
340
8
VAC VPV
320
IAC IPV
7 6 5
Akım (A)
Gerilim (V)
300 280
4 3
260
2 240
1
220 5
10
15
Zaman (saat)
0
20
5
10
09/05/2007 Gerilim-Zaman
15
Zaman (saat)
20
09/05/2007 Akım-Zaman 10/05/2007 Akım-Zaman Eğrisi
10/05/2007 Gerilim-Zaman Eğrisi 340
8
VAC VPV
320
IAC IPV
7
Akım (A)
Gerilim (V)
6
300 280
5 4 3
260
2
240
1
220
0
5
10
15
Zaman (saat)
20
5
10
10/05/2007 Gerilim-Zaman
11/05/2007 Akım-Zaman Eğrisi 9
340
VAC V PV
320
7 6
280
Akım (A)
Gerilim (V)
IAC IPV
8
300
260 240
5 4 3
220
2
200
1 5
10
15
Zaman (saat)
20
0
5
10
V AC VPV
300
6
280
5
260 240
4 3
220
2
200
1 0 10
12
14
16
18
IAC I PV
7
Akim (A)
Gerilim (V)
320
8
Akim - Zaman Eğrisi
8
340
6
20
4
6
8
10
12/05/2007 Gerilim-Zaman
14
16
18
20
12/05/2007 Akım-Zaman Akim - Zaman Eğrisi
Gerilim - Zaman Eğrisi
8 VAC VPV
320
IAC I PV
7 6
300 280
Akim (A)
Gerilim (V)
12 Zaman (saat)
Zaman (saat)
340
20
11/05/2007 Akım-Zaman
Gerilim - Zaman Eğrisi
4
15 Zaman (saat)
11/05/2007 Gerilim-Zaman
180
20
10/05/2007 Akım-Zaman
11/05/2007 Gerilim-Zaman Eğrisi
180
15
Zaman (saat)
260 240
5 4 3 2
220
1
200 4
6
8
10
12
14
16
Zaman (saat)
13/05/2007 Gerilim-Zaman
18
20
0
4
6
8
10
12
14
16
Zaman (saat)
13/05/2007 Akım-Zaman
Şekil 7.7. Beş günlük süre için güneş paneli gerilim ve akım değerleri
18
20
125
Şekil 7.8. ile Şekil 7.9’da ise Fluke 43B power qaulity analyser ile güneş paneli ve
rüzgar türbini sistemlerinin evirici çıkışlarında ölçülen akım, gerilim ve harmonik sinyalleri gösterilmektedir. Şekil 7.8 (a)’da rüzgar türbinin devrede iken evirici çıkışının akım-gerilim çıkışları,
(b)’de güç eğrileri (c)’de ise gerilim harmoniği değeri görülmektedir. Evirici bağlı iken bağlantı noktasındaki gerilim THD’si % 2,7 dir. Türkiye’de şebeke üzerinde % 2-3 civarında gerilim harmoniği bulunmaktadır. Görüldüğü gibi şebekeye bağlanan sistem, şebeke gerilimi üzerinde olumsuz bir etkiye neden olmamaktadır.
(a)
(b)
(c)
Şekil 7.8. Rüzgar türbini gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri Şekil 7.9 (a)’da güneş paneli ve rüzgar türbinin devrede iken evirici çıkışının akım-
gerilim çıkışları, (b)’de güç eğrileri (c)’de ise akım harmoniği değeri görülmektedir.
(a)
(b)
(c)
Şekil 7.9. Güneş paneli ve rüzgar türbini birlikte çalışırken gerilim, akım, güç ve harmonik değerleri
126
Şekil 7.9 (c)’de görüldüğü gibi şebeke harmoniği değeri % 3,5 seviyesindedir. Bu
değer için uluslararası standartlarda %5’e kadar izin verilmektedir. Şekilden de görüleceği gibi sistemin akım harmonikleri standartlarda belirtilen limitlerin altında çalışmaktadır. Rüzgâr türbini devrede iken rüzgâr hızındaki değişime bağlı olarak hız azaldıkça gerilim seviyesi ve dolayısıyla çıkış gücü düşmekte ve harmonik oranı artmaktadır. Şekil 7.10’da rüzgâr türbininin değişken hızlarda iken akım harmoniği değerleri verilmiştir. İnvertördeki giriş gerilimi ve giriş gücü değerleri Şekil 7.10 (a)’da 376 V güç 920 W, (b)’de 329 V güç 500 W, (c)’de ise 280 V güç 92 W olarak ölçülmüştür.
(a)
(b)
(c)
Şekil 7.10. Rüzgâr türbini için değişik rüzgâr hızlarında akım harmonik değerleri
Ölçümlerden de görüldüğü gibi türbin gerilimi 280V iken evirici çıkış akımındaki toplam harmonik bozulumu %27,7 olmaktadır. Türbinin ürettiği gerilim seviyesinin belirli bir değerin altına düşmesi durumunda evirici otomatik olarak şebekeden ayrılmakta ve sisteme zararlı bir etki olmasını engellenmektedir.
127
8. SONUÇ VE ÖNERİLER
Kullanım kolaylığı ve temizliği nedeniyle diğer enerji kaynaklarına göre elektrik enerjisinin enerji tüketimi içerisindeki payı her geçen yıl artmaktadır. Planlama yapılırken enerjinin ucuzluğu, talebi karşılaması, üretimin güvenilir olması, sürekli, kaliteli ve çevre dostu olması gerekmektedir. Enerji ihtiyacının temininde genellikle kömür, petrol, doğalgaz gibi yakıtlar kullanılmaktadır. Ancak bu yakıtların yakın bir gelecekte tükenecek olması mutlak bir gerçektir. Sanayileşmenin belli yörelerde yoğunlaşması sonucunda da fosil yakıtların kullanımından kaynaklanan çevre kirliliği artmaktadır. Kirliliği önleme amaçlı yenilenebilir enerji kaynaklarından olan güneş ve rüzgâr enerjilerinden enerji üretiminin değişik sektörlerde uygulanabilmesi için araştırmalar sürdürülmektedir. Bu tez çalışmasında literatürdeki alternatif enerji kaynaklarından elektrik enerjisi üretim çalışmalarına yeni bir örnek uygulama gerçekleştirilerek mevcut çalışmalara katkı sağlanması amaçlanmıştır. Bu tez çalışmasında hibrit alternatif enerji kaynaklarının değişik sektörlerde yaygınlaştırabilmek için rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanıldığı hibrit enerji santrali tasarlanmış ve şebekeyle paralel çalışabilen bir uygulama gerçekleştirilmiştir. Bu sistemde rüzgâr türbini ve güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjisi aynı DA barada birleştirilmiş ve evirici yardımıyla yüke yönlendirilmesi amacıyla kullanılmak üzere iki adet yükselten konvertör tasarlanmış ve uygulamaları tamamlanmıştır. Konvertör çıkış gerilimiyle yedekleme amacıyla akü grubu şarj edilmektedir. Akü grubu şarj edildikten sonra ihtiyaç fazlası elektrik enerjisi şebeke ile paralel çalışabilen bir evirici yardımıyla şebekeye verilmektedir. Böylece, tasarlanan sistem kesintisiz güç kaynağı görevini de üstlenmektedir. Önemli bir diğer faydası ise, elektrik enerjisinin ihtiyaçtan fazla olması halinde kullanıcının belirli bir dönem satıcı konumunda olabilmesi ve ödenecek fatura bedelini azaltarak ekonomik katkı sağlanabilmesidir. Gerçekleştirilen tasarımın daha kaliteli ve verimli olabilmesi için 12 W, 370 W ve 2600 W olmak üzere üç ayrı güçte güneş takip mekanizması tasarlanmıştır. Güneş takip sistemlerinin her üçünde de 18F452 mikroişlemci ile kontrol edilebilmesi için
128
bilgisayar programı ve simülasyonu yapılmıştır. Güneş takip mekanizmasında güneş panelleri ışığın en fazla olduğu yöne doğru dönüp gün boyunca ışığı takip etmektedirler. Uygulama çalışmaları sonucunda güneş takip mekanizmaları ile elde edilen enerjinin, sabit panelli sistemlere göre % 45 daha verimli olduğu tespit edilmiştir. İlk tasarlanan güneş takip mekanizması, 12 W gücünde bir güneş panelini iki eksenli
olarak çalıştırmak ve panelden elde edilen gerilim ve güneş açısı değerlerini bilgisayar ortamına kayıt etmek amacıyla tasarlanmıştır. panel ile bilgisayar arasındaki haberleşme RS232 iletişimi ile sağlanmıştır. Sistemde güneş panelini hareket ettirebilmek için redüktörlü iki adet 10 W adım motoru kullanılmıştır. Sistem panelin gerilim ve yatay-dikey açı değerleri dakikalık olarak bilgisayar ortamına kayıt edilmektedir. İkinci güneş takip mekanizması, 370W gücünde toplam iki paneli hareket ettirecek şekilde tasarlanmıştır. İkinci uygulama da yine iki eksenli takip esasına dayanmakta,
aynı elektronik devreleri kullanmaktadır. İlk maket ile ikincisi arasındaki fark ilkinin kayıt amaçlı kullanılması ikinci maketin ise daha büyük gerilim ve güç değerlerine sahip olup konvertör, evirici ve haberleşme birimlerinin çalıştırılmasına imkân sağlamasıdır. Uygulanan sistem kendi ekseninde 360o, doğu batı ekseninde de 170o hareket edebilmektedir. Üçüncü güneş takip mekanizmasında ise 185W’lık 14 adet güneş paneli kullanılmış ve toplam gücü 2600W olarak tasarlanmıştır. Tasarlanan sistem büyük bir gövde yapısına sahip olduğundan tek eksenli güneş takip mekanizması uygulanmıştır. Sistemin öncelikle üç boyutlu simülasyonu ve mikroişlemci kontrollü devreleri tasarlanmıştır. Takip sistemi için hazırlanan programda, güneş panellerinin çevresine yerleştirilen iki adet sensörden alınan bilgiler değerlendirilmektedir. Mikroişlemci ile kontrol edilen bir adet DA motor, bu bilgiler doğrultusunda panelleri doğu-batı yönleri doğrultusunda döndürmektedir. Sistem kuzey-güney doğrultusunda Ankara için en uygun güneş açısı belirlenerek 32o açı ile sabit olarak yerleştirilmiştir. Devreye panellerin hangi konumda olduklarını göstermek amacıyla LCD ekran
129
bağlanmıştır. Güneş takip mekanizmasının simülasyonu ve 2600 W gücündeki maketi tamamlandıktan sonra, bu uygulamanın bilgisayarla haberleşebilmesi için gerekli programlama ve elektronik devre çalışmaları yapılmıştır. Tasarlanan devredeki amaç RS-485 ve seri port yardımıyla güneş panellerinin konum, akım ve gerilim bilgilerinin bilgisayar ekranında görüntülenebilmesi ve ayrıca güneş takip mekanizmasının kontrolüne bilgisayar üzerinden müdahale edilebilmesidir. Sistemin bilgisayarla haberleşmesi için tasarlanan elektronik devreye ek olarak VISUAL BASIC programlama dilinde bir arayüz programı yapılmıştır. Güneş takip sistemi güneşi yatay eksende (doğu-batı) 130o açıyla takip edebilmektedir. Panellerin hareketini sistemin üzerinde bulunan bir adet 24 Volt’luk DA motor sağlamaktadır. Sistemin kısımları arasındaki iletişimi sağlayacak arabirim kartının analog sinyalleri okuyup dijital sinyallere çeviren kısmı ve bu sinyalleri bir mikro işlemci aracılığı ile LCD ekranda gösteren ayrıca okunan gerilim ve akım değerlerine göre belirli röleleri çalıştırıp durdurabilen elektronik devrelerin mikroişlemci programları HI-TECH C programlama dilinde yazılmıştır. Hibrit sistemde güneş takip mekanizmasının yerleştirildiği alanın yakınına 2500W gücünde bir rüzgâr türbini yerleştirilmiştir. Rüzgâr türbününün belirlenen yere montajı için öncelikle türbin için alınan direği üretici firmasından verilen bilgiler doğrultusunda 5m x 5m x 5m ölçülerinde bir temel çukuru açılarak içerisine iskelesi oluşturulmuş ve 26 m uzunluğundaki direği yere sabitlemek amacıyla oluşturulan beton kaide hazırlanmıştır. Temeli tamamlanan rüzgâr türbini ve direği yerlerine bir vinç yardımıyla monte edilmiştir. Burada türbinin ürettiği enerji için 3x10 mm2 kesitindeki iletken ayrıca türbinin yüksek hızlarda ve bakım sırasında frenlenmesini sağlayan halat direğin içinden geçirilerek aşağıya indirilmiştir. Güneş ve rüzgâr ile ilgili sistemler yerlerine montaj edildikten sonraki aşamada enerji iletim kabloları Elektrik Eğitimi Bölümü B blok Mikroişlemci laboratuarındaki kontrol odasına kadar çekilerek, sistemin diğer parçaları olan eviriciler, konvertörler ve akü şarj cihazı buraya yerleştirilmiştir. Güneş ve rüzgârdan elde edilen enerjilerin kontrolü ile ilgili sistemde; ilk olarak güneşten elde edilen DA enerji, rüzgârdan elde edilen üç fazlı değişken frekanslı AA enerji ve şebekenin enerjisi bir merkezde
130
toplanmakta ve kumanda işlemleri bu panoda yapılmaktadır. Bu panonun ön kısmına her bir enerji kaynağından elde edilen gerilimleri ve akımları görmek amacıyla birer voltmetre ve ampermetre yerleştirilmiştir. Ayrıca rüzgâr türbininden ve şebekeden gelen üç fazı ayrı ayrı görebilmek amacıyla birer voltmetre komütatörü yerleştirilmiştir. Kumanda panosunun içinde ise eviricileri ve şarj ünitesini devreye alıp çıkartma amacıyla kullanılan kontaktörler ve yüke iletilecek olan enerji miktarını ölçmek üzere bir sayaç bulunmaktadır. Uygulaması yapılan sistemde, rüzgâr türbininden ve güneş panellerinden elde edilen elektrik enerjilerinin birleştirildiği konvertörler birbirleri ile paralel çalışabilecek şekilde ve elde edilen çıkış gücünü devamlı olarak maksimum seviyede tutmak
amacıyla MPPT yapacak şekilde tasarlanmışlardır. Her iki konvertörde bir mikro denetleyici üzerinden kontrol edilmekte ve sistemin akım ve gerilim bilgileri burada değerlendirilmektedir. Hibrit sistemde güneş panellerinden en yüksek verimi alabilmek için paneller güneşi takip edecek şekilde tasarlanmıştır. Güneş takip sistemi olarak tek eksenli ve iki eksenli mekanik takip sistemleri hazırlanmış, bu mekanik sistemlerin elektronik kontrolü ise hem dinamik takip hem de kararlaştırılmış takip sistemleri kullanılarak yapılmıştır. Güneş panellerinde ve rüzgâr türbininde üretilen enerjileri veri olarak toplayabilmek ve bilgisayar üzerinden sistemlere müdahale edebilmek amacıyla her iki sistem için birer kontrol devresi ve bu devreleri bilgisayarla RS485 ve RS232 hatları üzerinden haberleşebilecek devreler tasarlanmıştır. Sistem bileşenlerinin bilgisayar üzerinden kontrolü için ise VISUAL C# dilinde arayüzler tasarlanarak sistem 24 saat boyunca takip, kontrol ve kayıt aşamalarında çalıştırılmaktadır. Ayrıca sistemin diğer kısımları olan evirici, konvertör, akü şarj ünitesi, iletişim modülleri ve diğer elektronik devreler bir araya getirilmiştir. Güneş ve rüzgâr ile ilgili olarak üç aylık bir süre için veri toplama işlemi yapılmış ve bu işlem halen devam etmektedir. Hibrit enerji sisteminde kullanılan ikinci kontrol ünitesi ise güneş takip mekanizmasının konum bilgisini, panellerden elde edilen gerilim ve çekilen akımı, RS485 yardımıyla bilgisayara kaydedebilen ayrıca takip sisteminin doğu-batı doğrultusunda farklı stratejiler uygulanarak döndürülmesini sağlayan arabirimdir. Bu
131
arabirimde güneş takip sistemi istenirse güneşi takip eden sensörler yardımıyla veya bilgisayar kontrollü olarak kumanda edilebilmektedir. Acil durumlarda sistemin el ile kumandası da mümkün olmaktadır. Kontrol birimlerinden elde edilen rüzgâr türbinine ait akım, gerilim ve hız bilgileri ayrıca güneş panellerine ait akım, gerilim ve konum bilgileri bilgisayar ortamına kaydedilmektedir. Kaydedilen dosyalar günlük olarak aynı program aracılığı ile grafik olarak görüntülenmektedir. İstenildiğinde bu günlük bilgiler haftalık, aylık ve yıllık olarak kullanılabilmektedir. Ayrıca sisteme bilgisayar üzerinden bağlanacak olan bir web kamerası aracılığı ile güneş panelinin görüntüsü bilgisayar ortamında görülebilmektedir. Görüntüyü alabilmek amacıyla arayüz üzerindeki “Kamera Aktif” butonuna basıldığında panellerin konumu görüntülenebilmektedir. Sistem yapılan elektronik devreler yardımıyla ve evirici ünitelerinin kontrol birimi aracılığıyla kontrol-kayıt işlemini yapabilmektedir. Uygulanan hibrit enerji sisteminden elde edilen değerler bilgisayar ortamında kayıt edilerek, sistemin maksimum verimle çalıştırılabilmesi için gerekli değerlendirmeler yapılmıştır. Sistemin uygulamadaki diğer hibrit sistemlerden başlıca farkları, güneş panellerinden ve rüzgâr türbininden elde edilen DA gerilimlerin aynı DA barada birleştirilmesi birbiriyle paralel çalışan iki adet yükselten konvertör yardımıyla DA seviyenin sürekli olarak MPPT işlemi yapılmak suretiyle en yüksek seviyede tutulması ve sistemin şebekeyle paralel çalışabilecek şekilde tasarlanmasıdır. Burada amaç daha önce de belirtildiği gibi üretilen enerjinin ihtiyaçtan fazla olması durumunda, enerjinin şebekeye yönlendirilerek bir anlamda satıcı konumuna gelinmesidir. Hibrit sistemin DA giriş gücü 1919 W iken, evirici çıkış gücü 1825 W olarak ölçülmüştür. Bu değerler ışığında evirici ve konvertörün verimi % 95 olarak hesaplanmaktadır. Hibrit enerji sisteminde kullanılan invertörlerin şebeke etkileşimli olmaları, şebeke ile paralel çalışma işlemini uygun hale getirmektedir. Paralel bağlanma sırasında
132
önce gerilim değerleri sonrada frekanslar eşitlenerek, invertör ürettiği enerjiyi şebekeye aktarmaktadır. Eğer güneş veya rüzgârdan elde edilen gerilim değeri 330 V
DA değerin altına düşerse invertör şebekeden ayrılmakta ve enerji üretimini kesmektedir. Paralel bağlanma prosedürünün invertör tarafından gerçekleştirilmesi yaklaşık 2 dakikalık bir zamanda olmaktadır. Bu süre içerisinde gerilim seviyesinin aynı düzeyde ve sabit olması gerekmektedir. Güneş panellerinin birbirlerine seri bağlanması ve kullanılan yükseltici konvertör ile elde edilen çıkış gerilimi, invertör için gerekli olan 330 V giriş değerine ulaşmaktadır. Ancak rüzgâr türbininin şebekeye bağlantısı sırasında belirtilen süre içerisinde türbinden elde edilen
gerilimde çok büyük bir düşüş olursa, sistemde kullanılan yükseltici konvertöre rağmen, sistem şebekeye enerji üretme işlemini kesmektedir. Hibrit enerji sisteminin uygulanması sırasında başta mekanik olmak üzere pek çok problemle karşılaşılmıştır. Güneş takip sistemlerinde gövde büyüklüğü arttıkça rüzgâr dayanımı azalmakta ve mekanik olarak daha zor hareket ettirilmektedir. Ayrıca rüzgâr türbininin mekanik gövdesinin montajı ve direğin yerine yerleştirilmesi mutlak suretle uzman kişiler yardımıyla yapılması gereken işlemler olmaktadır. Türbinin yerleşim bölgelerinden uzak ve rüzgârı sürekli olarak alabileceği bir ortama yerleştirilmesi, sistemin daha güvenli ve verimli çalışmasını sağlayacaktır. Güneş enerjisi dönüşüm sistemlerinde, eğer takip sistemi uygulaması yapılacaksa sistemin küçük gövde yapısına sahip birkaç takip mekanizmasından oluşturulması mekanik olarak daha az problemle karşılaşılmasını sağlayacaktır. Rüzgâr türbinleri ile birlikte kullanılacak olan eviricilerin şebeke etkileşimli modeller olarak seçilmesi durumunda şebekeye bağlantı işlemleri sabit türbin gerilimi altında uzun süreler almaktadır. Rüzgâr hızının ve yönünün sürekli değiştiği bölgelerde şebekeye paralel bağlanma işlemi güç olmaktadır. Bu nedenle küçük güçlü rüzgâr
türbini kullanılarak yapılan uygulamalarda elde edilen DA gerilim ile akü şarjının yapılması şebekeye bağlantının ikinci tercih olarak kullanılması önerilir.
133
Akü şarj işlemi için tercih edilen akülerin akım değerlerinin sistemde kullanılan şarj cihazı ile uygun olması ve akülerin sürekli olarak şarjlı olmaları, akülerin sisteme olan katkısını olumlu yönde etkilemektedir. Aksi takdirde akülerden elde edilen gerilim seviyesi düşmekte ve sistemin güneş ve rüzgârdan enerji elde edemediği durumlarda, akülerden çalıştırılması işlemi akü gerilimi 60 V’un altına düştüğü durumda gerçekleştirilememektedir. Bu nedenle kullanılan akülerin sürekli olarak sistemde bağlı kalmaları ve şarjlı olarak kullanılmaları önerilir. Yapılan çalışmanın, ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı konusunda daha sonra yapılacak çalışmalara teknik bilgi ve uygulama konusunda yol gösterici olması ve hibrit enerji kaynaklarının kullanımının artması yönünde yardımcı olması beklenmektedir.
134
KAYNAKLAR
1.
“Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Luque A., Hegedus S., John Wiley & Sons Ltd., England, 61-111 (2005).
2.
Nagao M., Harada K., “Power flow of photovoltaic system using buck-boost PWM power inverter”, International Conference on Power Electronics and Drive Systems, (1):144 – 149 (1997).
3.
Chen Y.-M., Liu Y.-C., Hung S.-C., Cheng C.-S., “Multi-Input Inverter for Grid-Connected Hybrid PV/Wind Power System”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 22(3):1070 – 1077 (2007).
4.
Yaow-Ming C., Hsu-Chin W., “Determination of the solar cell panel installation angle”, 4th IEEE International Conference on Power Electronics and Drive Systems, (2): 549 - 554 (2001).
5.
Yaow-Ming C., Chien-Hsing L., Hsu-Chin W., “Calculation of the optimum installation angle for fixed solar-cell panels based on the genetic algorithm and the Simulated-annealing method”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 20(2): 467 - 473 (2005).
6.
Tasi-Fu W., Yu-Kai C., “Modeling PWM DC/DC converters out of basic converter units”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 13(5):870 - 881 (1998).
7.
Jun W., Jin T., Smedley K., “A new interleaved isolated boost converter for high power applications”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC '06. Twenty-First Annual IEEE, 6-9 (2006).
8.
Morrison R., Egan M.G., “A new modulation strategy for a buck-boost input AC/DC converter”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 16(1):34 - 45 (2001).
9.
Walker G.R., Sernia P.C., “Cascaded DC-DC converter connection of photovoltaic modules”, Power Electronics Specialists Conference, IEEE 33rd Annual, 1:24 - 29 (2002).
10.
Jain S., Agarwal V., “Comparison of the performance of maximum power point tracking schemes applied to single-stage grid-connected photovoltaic systems”, Electric Power Applications, IET, 1(5):753 – 762 (2007)
11.
Fang Lin L., Hong Y., “Switched inductor two-quadrant DC/DC converter with fuzzy logic control”, Power Electronics and Drive Systems, PEDS '99. Proceedings of the IEEE 1999 International Conference on, 2:773 – 778 (1999).
135
12.
Veerachary M., Senjyu T., Uezato K., “Neural-network-based maximumpower-point tracking of coupled-inductor interleaved-boost-converter-supplied PV system using fuzzy controller”, Industrial Electronics, IEEE Transactions on, 50(4):749 – 758 (2003).
13.
Bahgat A.B.G., Helwa N.H., Ahmad G.E., El Shenawy E.T., “Maximum power point traking controller for PV systems using neural networks” Renewable Energy, 30(8): 1257-1268 (2005).
14.
Kayalvizhi R., Natarajan S.P., Anbumalar S., “Development of fuzzy logic control for paralleled positive output elementary luo converters”, Industrial Electronics and Applications, 1ST IEEE Conference on ICIEA 2006, 1 - 6 (2006).
15.
Yuvarajan S., Dachuan Y., Shanguang X., “A novel power converter for photovoltaic applications”, Journal of Power Sources, 135(1-2): 327-331 (2004).
16.
Chihchiang H., Chihming S., “Control of DC/DC converters for solar energy system with maximum power tracking”, Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 23rd International Conference on IECON 97, (2): 827 – 832 (1997).
17.
Veerachary M., Senjyu T., Uezato K., “Maximum power point tracking control of IDB converter supplied PV system”, Electric Power Applications, IEE Proceedings, 148(6): 494 - 502 (2001).
18.
Chihchiang H., Chihming S., “Study of maximum power tracking techniques and control of DC/DC converters for photovoltaic power system”, Power Electronics Specialists Conference, PESC 98 Record, 29th Annual IEEE, 1: 86 – 93 (1998).
19.
Jae-Hyun Y., Jeok-Seok G., Gyu-Ha C., “Analysis and control of PWM converter with V-I output characteristics of solar cell”, Industrial Electronics, ISIE 2001, IEEE International Symposium on, 2: 1049 - 1054 (2001).
20.
Yazhou Lei., Mullane A., Lightbody G., Yacamini R., “Modeling of the wind turbine with a doubly fed induction generator for grid integration studies”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 21(1): 257 - 264 (2006).
21.
Prats M.M., Carrasco J.M., Galvan E., Sanchez J.A., Franquelo L.G., “A new fuzzy logic controller to improve the captured wind energy in a real 800 kW variable speed-variable pitch wind turbine”, Power Electronics Specialists Conference, IEEE 33rd Annual, 1: 101 - 105 (2002).
136
22.
Simoes M.G., Bose B.K., Spiegel R.J., “Fuzzy logic based intelligent control of a variable speed cage machine wind generation system”, Power Electronics, IEEE Transactions on, 12(1): 87 - 95 (1997).
23.
Prats M.A.M., Carrasco J.M., Galvan E., Sanchez J.A., Franquelo L.G., Batista C., “Improving transition between power optimization and power limitation of variable speed, variable pitch wind turbines using fuzzy control techniques”, Industrial Electronics Society, IECON 2000, 26th Annual Conference of the IEEE, 3: 1497 - 1502 (2000).
24.
Maki K., Repo S., Jarventausta P., “Effect of wind power based distributed generation on protection of distribution network”, Developments in Power System Protection,. Eighth IEE International Conference on (1): 327 - 330 (2004).
25.
Erlich I., Winter W., Dittrich A., “Advanced grid requirements for the integration of wind turbines into the German transmission system”, Power Engineering Society General Meeting, IEEE , 7 (2006).
26.
Chinchilla M., Arnaltes S., Burgos J.C., “Control of permanent-magnet generators applied to variable-speed wind-energy systems connected to the grid”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 21(1):130 - 135 (2006).
27.
Duan R.Y., Lin C.Y., Wai R. J., “Maximum-power-extraction algorithm for grid-connected PMSG wind generation system”, IEEE Industrial Electronics, IECON 2006 - 32nd Annual Conference on,: 4248 – 4253 (2006).
28.
Chadjivassiliadis J., Heckenberg G., Kleinkauf W., Raptis F., “Power Management for The Compound Operation of Diesel Generator Sets with Wind Energy and Photovoltaic Plants”, Europan Wind Energy Conference (EWEC), (1986).
29.
Giraud F., Salameh Z.M., “Steady-State Performance of A Grid-Connected Rooftop Hybrid Wind-Photovoltaic power System with Battery Storage”, IEEE Trans. On Energy Conv., 16: 1-7 (2001).
30.
Bakirtzis A.G., Dokopoulos P.S., “Short Term Generation Scheduling in A Small Autonomous System with Unconventional Energy Sources”, IEEE Transactions on Power System, 3: 1230-1236 (1988).
31.
Borowy B.S., Salameh Z.M., “Optimum Photovoltaic Array Size for A Hybrid Wind/PV System”, IEEE Trans. On Energy Conv., 9: 482-488 (1994).
32.
Crescimbini F., Carricchi F., Solero L., Chalmers B.J., Spooner E., Wei W., “Electricial Equipment for A Combined Wind/PV İsolated Generating System”, IEE Opportunities and Advances in İnternational Pover Generation Conference, 419: 59-64 (1996).
137
33.
Solero L., Carricchi F., Crescimbini F., Honorati O., Mezzetti F., “Performance of A 10 kW Power Electronic İnterface for Combined Wind/PV Isolated Generating System”, IEEE Trans. On Energy Conv., :1027-1032 (1996).
34.
Elhadidy M. A., Shaahid S. M., “Promoting applications of hybrid (wind + photovoltaic + diesel + battery ) power systems in hot regions”, Renewable Energy, 29(4): 517-528 (2004).
35.
Hongxing Y., Lin L., Wei Z., “A novel optimization sizing model for hybrid solar-wind power generation system”, Solar Energy, 81(1): 76-84 (2007).
36.
Nfah E.M., Ngundam J.M., Tchinda R., “Modelling of solar/diesel/battery hybrid power systems for far-north Cameroon”, Renewable Energy, 32(5): 832-844 (2007).
37.
Yang J.M., Cheng K.W.E., Wu J., Dong P., Wang B., “The study of the energy management system based-on fuzzy control for distributed hybrid wind-solar power system”, Power Electronics Systems and Applications, 2004 First International Conference on, :113 - 117 (2004).
38.
Shounan H., Qingshen Z., Delong K., Jianping M., “Application of valveregulated lead-acid batteries for storage of solar electricity in stand-alone photovoltaic systems in the northwest areas of China”, Journal of Power Sources, 158(2): 1178-1185 (2006).
39.
Andreas J., Juergen G., Dirk U. S., “Operation conditions of batteries in PV applications”, Solar Energy, 76(6): 759-769 (2004).
40.
Eskander M.N., Ibrahim W.M., Abdel Aziz M.M., Ibrahim A.M., “Generation control of a wind farm with variable speed wind turbines for high power quality”, Telecommunications Conference, INTELEC '05, Twenty-Seventh International,: 443 - 448 (2005).
41.
Ko H.S., Niimura T., Jatskevich J., Kim H.C., Lee K.Y., “Power quality control of hybrid wind power generation with battery storage using fuzzy-LQR controller”, Power Engineering Society General Meeting IEEE, 2:1721 – 1727 (2004).
42.
Özdamar A., Gürsel K.T., Orer G., Pekbey Y., “Investigation of The Potential of Wind-Wawes as A Renewable Energy Resource: By The Example of Çeşme-Turkey”, Renewable and sustainable Energy Reviews, (2004).
43.
Köse R., “An Evaluation of Wind Energy Potential as A Power Generation Source in Kütahya, Turkey”, Energy Conversion and Management, 45: 16311641 (2004).
138
44.
Akpınar E.K., Akpınar S., “Determination of the Wind Energy Potential for Maden-Elazig, Turkey”, Energy Conversion and Management, (2004).
45.
Ozerdem B., Turkeli M., “An İnvestigation of Wind Charactesistic on The Campus of Izmir Institute of Technology, Turkey”, Renewable Energy, 28: 1013-1027 (2003).
46.
Evrendilek F., Ertekin C., “Assesing The Potential of Renewable Energy Sources in Turkey“, Renewable Energy, 28: 2303-2315 (2003).
47.
İnternet : Energy Information Administration (EIA) “International Energy Outlook 2007” http://www.eia.doe.gov/oiaf/ieo/index.html (2007).
48.
İnternet : Energy Information Administration (EIA) “Forecast and Analyses Report” http://www.eia.doe.gov/oiaf/forecasting.html (2007).
49.
İnternet : Energy Information Administration (EIA) “Montly Energy Report” http://www.eia.doe.gov/emeu/mer/contents.html (2007).
50.
İnternet : Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı “Yıllara göre enerji üretimi ve tüketimi” http://www.enerji.gov.tr/enerjiuretimi.htm (2007).
51.
Fan J., Wong A., “Study on the performance of different types of PV modules in Singapore”, The 7th International Power Engineering Conference, (2005).
52.
Markvart T., Castañer L., “Practical Handbook of Photovoltaics Fundamental and Applications”, Elsevier Ltd., Netherlands, 71-123 (2003).
53.
Markvart T., Castañer L., “Practical Handbook of Photovoltaics Fundamental and Applications”, Elsevier Ltd., Netherlands, 137-483 (2003).
54.
Hrayshat E.S., “High-voltage solar cells, combining both vertical p-n junctions in the graded band-gap layer and horizontal p-n junctions in the base layer”, Devices, Circuits and Systems, Proceedings of the 2000 Third IEEE International Caracas Conference on :D76/1 - D76/4 (2000).
55.
Hussein K.H., Muta I., Hoshino T., Osakada M., “Maximum photovoltaic power tracking: an algorithm for rapidly changing atmospheric conditions”, Generation, Transmission and Distribution, IEE Proceedings, 142(1): 59 – 64 (1995).
56.
Hua C., Lin J., “An on-line MPPT algorithm for rapidly changing illuminations of solar arrays”, Renewable Energy, 28(7): 1129-1142 (2003).
57.
Yang C., Smedley K., Vacher F., Brouwer J., “A new maximum power point tracking controller for photovoltaic power generation”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC '03. Eighteenth Annual IEEE, 1:58 – 62 (2003).
139
58.
Chung H.S.H., Tse K.K., Hui S.Y.R., Mok C.M., “A novel maximum power point tracker for PV systems”, Applied Power Electronics Conference and Exposition, APEC 2001, 1:321 – 327 (2001).
59.
Demirtaş M., “Bilgisayar kontrollü güneş takip mekanizması tasarımı ve uygulaması”, Politeknik Dergisi, 9(4): 247-253 (2006).
60.
“Wind Energy Handbook”, Burton T., Sharpe D., Jenkins N., Bossanyi E., John Wiley & Sons Ltd., England, 41-170 (2001).
61.
Driesen J., De Brabandere K., D'hulst R., Belmans R., “Small wind turbines in the built environment: opportunities and grid-connection issues”, IEEE Power Engineering Society General Meeting, 2:1948 - 1949 (2005).
62.
“Wind Power in Power Systems”, Ackerman T., John Wiley & Sons Ltd., England, 53-79 (2005).
63.
İnternet : Siemens Power Generation “Siemens (Bonus) wind Turbines” http://www.powergeneration.siemens.com/en/wind/windpower/turbines/2300k Wvs/Design/ (2007).
64.
Fukami T., Nakagawa K., Kanamaru Y., Miyamoto T., “A technique for the steady-State analysis of a grid-connected permanent-magnet induction Generator”, Energy Conversion, IEEE Transactions on 19(2):318 – 324 (2004).
65.
Heier S., “Grid Integration Wind Energy Conversion Systems”, Waddington R., John Wiley & Sons Ltd., England, 31-117 (2006).
66.
Matsui M., Dehong X., Longyun K., Yang Z., “Limit cycle based simple MPPT control scheme for a small sized wind turbine generator systemprinciple and experimental verification”, Power Electronics and Motion Control Conference, IPEMC 2004, 3: 1746 - 1750 (2004).
67.
Yaoqin J., Zhongqing Y., Binggang C., “A New Maximum Power Point Tracking Scheme for Wind Generation”, Power System Technology, PowerCon2002, International Conference on, 1:144 – 148 (2002).
68.
Morimoto S., Nakayama H., Sanada M., Takeda Y., “Sensorless Output Maximization Control for Variable-Speed Wind Generation System Using IPMSG”, IEEE Transactions on Industry Application, 41:60 – 67 (2005).
69.
Glasner I., Appelbaum J., “Advantage of boost vs. buck topology for maximum power point tracker in photovoltaic systems”, Electrical and Electronics Engineers in Israel, Nineteenth Convention of :355 - 358 (1996).
140
70.
Mohan N., Unlead T.M., Robbins W.P., “Power Electronics”, John Wiley & Sons Ltd., England, 185-191 (2002).
71.
Koizumi H., Mizuno T., Kaito T., Noda Y., Goshima N., Kawasaki M., Nagasaka K., Kurokawa K., “A Novel Microcontroller for Grid-Connected Photovoltaic Systems Industrial Electronics”, IEEE Transactions on, 53(6): 1889 - 1897 (2006).
72.
Morita H., Shimizu T., Kimura G., Ohsawa H., Sano S., “The zero-voltageswitching converter connected with the battery and the solar cell as DC sources”, Industrial Electronics Control and Instrumentation, IECON '94., 1: 464 – 468 (1994).
73.
Kjaer S. B., Pederson J. K., Blaabjerg F., “A Review of Single-Phase GridConnected Inverters for Photovoltaik Modules”, IEEE Transactions on Industry Aplications, 41(5): 1292-1306 (2005).
74.
Guo-Kiang H., Chih-Chang C., Chern-Lin C., “Automatic Phase-Shift Method For Islanding Detection Of Grid-Connected Photovoltaic Inverters”, Energy Conversion, IEEE Transactions on, 18(1):169 – 173 (2003).
75.
Gustavsson M., Mtonga D., “Lead-acid battery capacity in solar home systems—Field tests and experiences in Lundazi, Zambia”, Solar Energy, 79(5): 551-558 (2005).
76.
Martha S.K., Hariprakash B., Gaffoor S.A., Ambalavanan S., Shukla A.K., “Assembly and performance of hybrid-VRLA cells and batteries”, Journal of Power Sources, 144(2): 560-567 (2005).
77.
Muñoz F.J., Almonacid G., Nofuentes G., Almonacid F., “A new method based on charge parameters to analyse the performance of stand-alone photovoltaic systems”, Solar Energy Materials and Solar Cells, 90(12): 1750-1763 (2006).
141
EKLER
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
142
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
143
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
144
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
145
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
146
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
147
EK-1.(Devam) Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
148
EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
149
EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
150
EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
151
EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
152
EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
153
EK-2.(Devam)Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
154
EK-3. (Devam) Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. And Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004).
155
EK-3. (Devam) Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. And Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004).
156
EK-3. (Devam) Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. And Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004).
157
EK-3. (Devam) Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ. And Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776-778, (2004).
158
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
159
Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması İlhami ÇOLAK
Ramazan BAYINDIR
[email protected]
İbrahim SEFA
[email protected]
Şevki DEMİRBAŞ
[email protected]
Mehmet DEMİRTAŞ
[email protected]
[email protected] Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 06500 Beşevler/ANKARA
Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Pili, Güneş Takip
Özet Bu çalışmada, güneş enerjisinin elektrik enerjisine çevrilmesi amacıyla kullanılan güneş paneli uygulaması ve güneş takip mekanizması uygulaması yapılarak iki sistem karşılaştırılmıştır. Birinci sistemde güneş panelleri sabit olarak yerleştirilmiş, ikinci sistemde ise güneş panelleri hareketli güneş takip mekanizması üzerine yerleştirilmiştir. Belirlenen bir alanda ve bir ay süreyle ölçümü yapılarak kaydedilmiştir. Böylece iki sistemin enerji üretimi ve verimi karşılaştırılmış ve hareketli olan güneş takip sisteminin sabit olan sisteme göre daha verimli çalıştığı görülmüştür.
1. Giriş Yeraltı enerji kaynaklarının her ülkede bulunmaması, gün geçtikçe bu kaynakların azalmaya başlaması sonucunda enerji girdi maliyetleri artmış, böylece hayat pahalılığının artmasının yanında, milli ekonominin üretimi olan ürünlerin rekabet ve dış satım gücü azalmıştır. Çevre kirliliği problemi ise yeni enerji kaynakları arayışlarının hızlanmasına yol açan önemli bir etken olmuştur. Güneşten elektrik enerjisi üretme işleminde kullanılan güneş panellerinin üretim çeşitliliği günümüz için tatminkâr bir düzeye gelmiş bulunmakta olup, birim yüzeyde daha çok elektrik enerjisi üretme üzerine çalışmalar devam etmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından en yaygın olanları Rüzgar ve Güneş enerjileridir. Yeterli düzeyde olmasa da, bu iki enerji kaynağı yeryüzünün birçok bölgesinde kolayca temin edilebilmektedir. Türkiye iklim kuşağı olarak bu kaynaklar yönünden zengin olmasına rağmen, toplam enerji üretimi içerisinde bu kaynaklarla enerji üretimi miktarı dünya ortalamasının çok altındadır. Diğer taraftan Türkiye kullanmış olduğu mevcut enerji kaynakları açısından büyük oranda dışa bağımlıdır. Güneş enerjisinden elektrik üretimine yönelik çalışmalar 1954 yılına kadar dayanmaktadır. Bu çalışmalar 1974 petrol krizinden sonra hızlı bir ivme ile artmıştır. Çevre kirliliği problemleri ile ekonomik değerlendirmeler sonucunda ucuz ve temiz enerji düşüncesi, bu konudaki araştırmaların hızını daha da artırmıştır. Enerji problemine çözüm düşüncesiyle; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan, güneş, rüzgâr, fuel cell, gel-git, jeo-termal, fosil atık yakıt sistemleri üzerine çalışmalar yoğunlaşarak
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
160
devam etmektedir. Güneş enerjisi kullanılarak elektrik üreten sistemler üzerine yapılan çalışmalar diğerlerine göre kolay, uygulanabilir ve düşük maliyetli olması sebebiyle ticari ürüne dönüşmüş durumdadırlar. Kontrol kolaylığı ve yatırım maliyetinin düşüklüğü sebepleri ile önceleri güneş veya rüzgâr enerjisinin birbirinden bağımsız olarak üretimi ve kullanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Güneşi izleyen kollektör yapısının kullanılması ile enerji üretiminin yüzde 45, buna karşılık yatırım maliyetinin yüzde 10 artacağı, böylece birim yatırımdan daha çok istifade edileceği rapor edilmiştir (1). Ancak, bu gelişmelerden sonra dahi, her bir sistemin bağımsız kullanımı sonucunda üretilen enerji gün ışığının, ya da rüzgârın olmadığı zamanlarda ihtiyaca cevap veremediğinden, depolama ihtiyacının ekonomik olmayacak boyutlarda büyümesine yol açmakta ve şebekeden beslenemeyen alıcılar için sık sık çalışması gereken dizel jeneratör ihtiyacı doğmaktadır. Bağımsız çalışan sistemlerde hem dizel desteğini, hem de enerji depolama maliyetini azaltmak, şebekeyle paralel çalışabilen sistemlerde ise, enerji depolama maliyetini ve kullanıcının ödeyeceği fatura bedelini azaltmak amacı ile güneş enerjisinin kullanıldığı sistemler üzerine çalışmalar başlamıştır (2, 3). Mikro denetleyicilerin ve güç elektroniğindeki gelişmelerin de etkisi ile güneşten enerji üreten sistem tasarımı üzerine yapılan çalışmalar uluslararası düzeyde yoğunlaşarak devam etmektedir. Bu gelişmelerin sonucunda, birim yatırımdan enerji üretim maliyeti çok daha düşük seviyelere çekebilecek, hatta küçük ölçekli bir kullanıcı şebeke ile paralel çalışabilen bir evirici kullanması halinde, günün belli saatlerinde satıcı konumunda olabilecektir. Bu sebeple şebeke ile paralel çalışabilen eviriciler üzerine yapılan çalışmalar günümüzde önemli bir yer tutmaktadır (4-8). Bu tür uygulamalarda sistemin kurulacağı yerin güneş analizi başlangıçta en önemli kriter olmaktadır. Ülkemizde, bölgelere göre rüzgar ve güneş analizleri yapılmış, sistemler bağımsız olarak araştırılmış veya uygulanmıştır (9-11). Güneş panelleri ile oluşturulan sistemlerle yurt dışında yapılan değişik uygulamalarda, güneş enerjisi kullanılarak dizayn edilen sistemin performansı bilgisayar simülasyonu kullanılarak nonlineer modellerle karşılaştırılmıştır (12, 13). Güneş enerjili sistemlerin kullanıldığı çalışmalar genelde küçük ölçekli sistemlerin beslemesi amacıyla kullanılmıştır. Bunlara örnek olarak telekomünikasyon sistemleri ve anten vericileri gösterilebilir (14). Tasarlanan sistemde güneş takip mekanizması kullanılarak, güneş panellerinin sabit konumlu olan modellere göre daha fazla elektrik enerjisi üretileceğinden, kullanıcı taleplerinin ve akü grubu şarj işlemi için gerekli enerjinin daha fazla karşılanabileceği yönünde çalışmalar yapılmıştır.
2. Güneş Enerjisi Sisteminin Uygulanması Bu çalışmada, enerji üretimi için, güneş enerjisinden en çok faydalanılabilecek bir mahal belirlenmiştir. Bu alana bir alıcı yerleştirilerek, deneysel olarak yapılan çalışmada; akım, gerilim ve
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
161
güçler gün ve ay bazında veri kayıt sistemi yardımıyla sürekli olarak kaydedilecektir. Güneş kollektörlerinden elde edilen DA gerilim, tasarlanan boost konvertör yardımıyla sabit gerilimli bir barada toplanacaktır. Bu DA gerilimden aküler şarj olacak, aynı zamanda akülerin şarjı tam ise yük beslenecektir. Akülerin şarjı öncelikli olacaktır. Güneş panellerinden gelecek olan enerjinin azalması durumunda ise, yüke enerji transferi kesilerek sadece aküler şarj edilecektir. Akülerde depolanan enerji miktarı ve yüke göre kullanım süreleri hesaplanarak, kullanıcıya bilgi verilmesi amaçlanmıştır. Çalışma genel olarak üç aşamada gerçekleştirilecektir. İlk aşamada kaynaklardan gelen DA gerilimin depolanması, evirici girişine uygun hale getirilmesi ile ilgili devrelerin tasarımı ve uygulaması yapılacak. İkinci aşamada güneş panellerinin mekanik kısımları oluşturulup, alan araştırması sonucunda belirlenmiş olan yere sistem kurulacaktır. Son aşamada oluşturulan bütün sistem parçalarının birbiriyle tam uyum içinde çalışması için gerekli programlama, bağlantı ve veri toplama işlemleri yapılacaktır. Tasarlanan sisteme ait blok şema Şekil.1’de verilmiştir. Şekilde güneş panellerinden elde edilen gerilim boost konvertöre uygulanmış, boost konvertör çıkışı da invertör ve şarj ünitesine verilmiştir. Şarj ünitesi, akü grubunu şarj etmekte ve şarjın başlayıp bitirilmesi bilgisini
mikroişlemciden almaktadır. İnverterin çıkışındaki A.A. gerilim yük’e aktarılmıştır. Yüke giden enerjiyi ve sistemin ürettiği enerjiyi ölçmek amacıyla devreye bir sayaç bağlanmıştır. İnvertörü devreye alıp çıkartma bilgisi mikroişlemci tarafından kontrol edilen bir anahtarla sağlanmaktadır. Ayrıca güneş panellerinin, akü grubunun, invertör girişinin, yükün ve şebekenin akım bilgilerini okumak amacıyla akım algılayıcılar yerleştirilmiştir.
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
162
Şarj Ünitesi
Akü Grubu
c
a
d
b
DC
AC
kWh
e
Yük
Güneş Panelleri
a c d e f
Mikro kontrolör
b a. Güneş panelleri akım algılayıcısı b. Boast Konvertör anahtarlama sinyali c. Akü Grubu akım algılayıcısı d. İnverter girişi akım algılayıcısı e. Yük akımı algılayıcısı
Şekil.1 Güneş Enerjisi Kullanılarak Elektrik Üretim Sisteminin Blok Şeması
3. Yöntem Yapılan işlemlerin sırası aşağıda verilmiştir. 1)
Uygulanan sistemin blok diyagramı Şekil.1’de verilmiştir. Öncelikle güneş panellerinin kurulacağı yer için araştırma yapılarak sistemin kurulumu için veri toplanacaktır.
2)
Güneş panelleri bu mekana kurularak deney süresince beslenecek alıcı bağlantıları gerçekleştirilecektir.
3)
Güneş panellerinden elde edilen doğru gerilim boost konvertör yardımıyla DA baraya aktarılacaktır. Buradaki ünitelerin akım, gerilim ve güç bilgileri de dikkate alınarak, DA bara sabit gerilimde tutulmaktadır.
4)
Hem DA baraya, hem de yüke bağlı şarj ünitesi yardımıyla akü grubu mikrodenetleyicinin kontrolü altında şarj edilecektir.
5)
Akü grubundan veya boost konvertörden gelen enerji, DA/AA invertör yardımıyla AA gerilime dönüştürülecek ve yük beslenecektir.
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005). 6)
163
Sistemin kurulumundan sonra her iki sistem içinde çalışma süresince tüm akım, gerilim, güneş enerjisi miktarı ve sayaç bilgileri saat ve gün bazında, sayaçlar ve kaydetme sistemi yardımıyla kaydedilecek ve sonuçlar rapor edilecektir.
4. Tasarım ve Uygulama Tasarlanan sistemde ilk olarak, sistemin parçaları arasındaki iletişimi sağlayacak arabirim kartı tasarlanmış ve bu kartın programı PICC dilinde yazılmıştır. Bu kartın görevi; güneş panellerinden alınan gerilim bilgisi ve akü grubundan alınan gerilim bilgisini değerlendirip, şarj ünitesine şarjı başlatıp durdurabilmesi için sinyal göndermektir. Ayrıca akü grubunun şarj gerilimi yeterli, yani aküler dolu ise panellerden gelen gerilimi konvertöre aktaracaktır. İkinci aşamada, güneş panellerinin sabit olduğu uygulama için devreler yapılarak sistem parçaları bir araya getirilmiştir. Panelin sabit konumda mevsime göre en uygun konumu belirlenerek ölçüm yapıldığı süre boyunca sabitlenmiştir. Sabit güneş paneli uygulamasının mevsimlere göre hangi konumlarda olacağı Şekil.2’de verilmiştir. Şekilde verilen açı değerlerine güneş paneli sabitlendiğinde mevsimlere göre en yüksek enerji üretim değerlerine ulaşılmaktadır.
45o
KIŞ (a)
BAHAR (b)
YAZ (c)
SONBAHAR (d)
Güneş Panellerinin mevsimlere göre konum değiştireceği tarihler ve açı değerleri ; a) Şubat ayında : Yatay eksenle 45 derece açı yapacak şekilde. b) Mayıs ayında : Yatay eksenle 30 derece açı yapacak şekilde. c) Ağustos ayında :Yatay eksenle 15 derece açı yapacak şekilde. d) Kasım ayında : Yatay eksenle 45 derece açı yapacak şekilde.
Şekil.2 Mevsimlere göre güneş paneli konumları Sabitlenen güneş panellerinden belirlenen sürede ölçümler yapılarak değerler bilgisayar ortamına kaydedilmiştir. Üçüncü aşamada, güneş panellerinin elektrik enerjisi üretimi sırasında daha verimli olabilmesi için bir güneş takip mekanizması tasarlanmış ve sistemin 18F452 mikroişlemci ile kontrol edilebilmesi için bilgisayar programı ve simülasyonu yapılmıştır. Yapılan simülasyonda, güneş panellerinin çevresine yerleştirilen dört adet sensörden alınan bilgiler değerlendirilmektedir. Bu bilgiler doğrultusunda mikroişlemciye bağlı iki adet step motor panelleri dikey eksende 360o ve yatay
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
164
eksende 120o döndürmektedir. Devreye panellerin hangi konumda olduklarını göstermek amacıyla bir LCD ekran bağlanmıştır. Yapılan sisteme ait blok diyagram Şekil.3’de verilmiştir. Güneş takip mekanizmasında güneş panelleri ışığın en fazla olduğu yöne doğru dönüp gün boyunca ışığı takip etmektedirler.
Şekil.3 Güneş takip mekanizması için tasarlanan sistemin simülasyonu Güneş takip sisteminin uygulaması da sabit güneş paneli uygulamasının yapıldığı noktaya yerleştirilerek belirlenen sürede akım, gerilim ve güç bilgileri alınarak bilgisayar ortamına kaydedilmiştir.
5. Sonuç ve Öneriler Güneş enerjisinden elektrik elde etmeye yönelik olarak tasarlanan biri sabit diğeri güneşi takip eden iki sistemden bir hafta süresince gün ve saat bazında elde edilen gerilim değerleri toplanarak bilgisayar ortamında kaydedilmiştir. Sabit güneş paneli uygulamasında elde edilen değerler ve güneş takip mekanizmasından elde edilen değerler Şekil.4’te verilmiştir. Şekilde bir günlük elde edilen değerlerin saatlere göre değişiminin karşılaştırmalı olarak grafiği verilmiştir. Deneyler süresince kullanılan güneş paneli normal gün ışığında 12 Volt güneşi tam olarak aldığı zamanlarda ise 17 Volt gerilim üretmektedir. Panelin güneşi görmediği veya havanın kapalı olduğu zamanlarda ise 10 Volt gerilim üretilmektedir.
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005). Gerilim (Volt)
165
Sabit Güneş Paneli
17 V
Güneş Takip Sistemi
16 V 15 V 14 V 13 V 12 V 11 V 10 V
05
06
07
08
09
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Zaman (Saat)
Şekil.4 Sabit güneş paneli ve Güneş takip sisteminin günlük gerilim değerleri Güneş takip sistemi ve sabit sistemin onbeş günlük ölçüm değerleri karşılaştırılarak sonuçta; Enerji üretimi ve performans bakımından güneş takip sisteminin sabit sisteme göre %45 oranında verimli olduğu ispatlanmıştır. Uygulanan sistem deneysel olmasına karşın gerçek boyutlarda bir sisteme tatbik edildiğinde enerji üretiminde aynı verim alınacaktır. Ancak sistem maliyetleri yönünden karşılaştırıldığında güneş takip sisteminin sabit sisteme göre %15 daha fazla bir maliyeti olduğu belirlenmiştir. Sabit sistem olarak belirtilen uygulamanın Şekil.2’de verildiği gibi yılın belirli zamanlarında, güneşin konumuna göre hareket ettirilmesi gerekmektedir. Böyle bir durum bile sistemi sabit olmaktan çıkarır. Eğer yıl boyunca sabit sistem hiç hareket ettirilmese verimi daha da düşecektir.
Teşekkür Yazarlar, bu çalışmanın gerçekleştirilmesinde finansman desteği sağlayan Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonu ve Devlet Planlama Teşkilatı’na teşekkürü bir borç bilir.
Kaynaklar 1.
Shugar D.S., Hickman T., Lepley T. “Commercialization of A Value-Engineered Photovoltaic Tracking System”, 25 th IEEE PVSC Proceedings, May 1996, pp. 1537-1540.
2.
Chadjivassiliadis J., Heckenberg G., Kleinkauf W., Raptis F. “Power Management for The Compound Operation of Diesel Generator Sets with Wind Energy and Photovoltaic Plants”, European Wind Energy Conference (EWEC), 7-9 Oct 1986.
EK-4. (Devam)Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
166
3.
Bakirtzis A.G., Dokopoulos P.S. “Short Term Generation Scheduling in A Small Autonomous System with Unconventional Energy Sources” IEEE Transactions on Power System, August 1988, Vol 3, pp. 1230-1236.
4.
Borowy B.S., Salameh Z.M. “Optimum Photovoltaic Array Size for A Hybrid Wind/PV System” IEEE Trans. On Energy Conv., Sept 1994, Vol 9, pp. 482-488.
5.
Armstrong M. “Power Quality Improvement of Grid Connected Photovoltaic Inverters”
6.
Qiao C., Smedley K.M. “Unified Constant-Frequency Integration Control of Three-Phase Grid-Connected Inverter for Alternative Energy Power Generation” IAS 2001- P_63_4, pp. 1-8
7.
Wang X., Kezerani M. “A Modular Photovoltaic Grid-Connected Inverter Based on PhaseShifted-Carrier Technique”, IEEE Trans. On Energy Conv., 2002, pp. 2520-2525.
8.
Zhong Q.C., Green T., Liang J., Weiss G. “Robust Repetitive Control of Grid Connected DC-AC Converters”, Proceedings of The 41st IEEE Conference on Decision and Control, December 2002, pp.2468-2473.
9.
Kaygusuz K., Sarı A. “Renewable Energy Potential and Utilization in Turkey”, Energy Conversion and Management, 2003, 44, pp. 459-478.
10. Evrendilek F., Ertekin C. “Assessing The Potential of Renewable Energy Sources in Turkey“, Renewable Energy, 2003, 28, pp. 2303-2315. 11. Ocak M., Ocak Z., Bilgen S., Keleş S., Kaygusuz K. “Energy Utilization, Environmental Pollution and Renewable Energy Sources in Turkey”, Energy Conversion and Management, 2004, 45, pp. 845-864. 12. Ai B., Yang H., Shen H., Liao X. “ Computer-aided design of PV/Wind hybrid system”, Renewable Energy, 2003, 28, pp. 1491-1512. 13. Sikyung K., Changbong K., Jinsoo S., Gwonjong Y., Youngscok j. “ Load Sharing Operation of A 14 kW Photovoltaic/Wind Hybrid Power System” IEEE, 26th PSCV; ,Sept 30- Oct 3, 1997 Anahein, CA. 1325 – 1334. 14. Vilsan M., Nita I. “ A Hybrid Wind-Photovoltaic Pover Supply for A Telecommunication System”, IEEE Trans. On Energy Conv., 1997, pp. 589-596.
167 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006).
HİBRİT ENERJİ SİSTEMLERİ İÇİN PARALEL ÇALIŞABİLEN BOOST KONVERTÖR SİMÜLASYONU İlhami ÇOLAK
İbrahim SEFA
Şevki DEMİRBAŞ
Ramazan BAYINDIR
Mehmet DEMİRTAŞ
GEMEC, Gazi Elektrik Makinaları ve Enerji Kontrol Grubu, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 06500 Beşevler/ANKARA
[email protected]
[email protected] [email protected] [email protected]
[email protected]
ÖZET Bu çalışmada güneş ve rüzgâr enerjisi sistemlerinin birlikte kullanıldığı hibrit bir sistem için DA–DA konvertör simülasyonu gerçekleştirilmiştir. Sistemde iki enerji kaynağına ait birer adet konvertör mevcuttur. Bu konvertörler ile hibrit çalışmanın sağlanabilmesi için her iki konvertör ortak bir doğru akım barasında birleştirilmiştir. Konvertörlerin paralel çalıştırılmaları ile ortak DA barada toplanan enerji bir invertörden yardımıyla alternatif akıma dönüştürülmüştür. Böylece sistemin maliyeti azaltılmış, güneş ve rüzgârın her zaman enerji üretiminde örtüşmediği düşünülerek kullanılabilirlik oranı arttırılmıştır. Bu amaçla tasarlanan boost konvertörler bir işlemci ile tasarlanmış, PI kontrolör ile sistemin Simulink’te simülasyonları yapılmıştır. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir enerji, Yükseltici konvertör, Hibrit sistemleri. ABSTRACT In this study, a DC to DC converter based on a hybrid energy storage unit combined of solar and wind has been simulated using Matlab/Simulink. In this system, one converter is available for each energy sources. These two converters are then connected to a common DC bar for hybrid operation. Energy collected on DC bar has been converted to alternating current via one inverter. Thus, the cost of the system is decreased, and then the rate of usability of the system is increased during the solar and the wind systems are not in operation. Key Words: Renewable energy, Boost converter, Hybrid systems.
168 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). 1. GİRİŞ
Günümüz dünyasında kullanmakta olduğumuz yeraltı enerji kaynaklarının gün geçtikçe azalmaya başlaması ve ülkelerin bunu politik bir baskı amacı olarak da kullanmaları sonucunda enerji girdi maliyetleri artmıştır. Çevre kirliliği problemleri ile ekonomik değerlendirmeler sonucunda, ucuz ve temiz enerji düşüncesi ise yeni enerji kaynakları arayışlarının hızlanmasına yol açan önemli bir etken olmuştur. Enerji problemine çözüm düşüncesiyle; yenilenebilir enerji kaynakları olarak adlandırılan, güneş, rüzgâr, yakıt hücresi (fuel cell), gel-git, jeo-termal, fosil atık yakıt sistemleri üzerine çalışmalar yoğunlaşarak devam etmektedir. Yenilenebilir enerji kaynaklarından en çok yaygın olanları Rüzgâr ve Güneş enerjileridir. Yeterli düzeyde olmasa da, bu iki enerji kaynağının yaygın olmasının en önemli sebepleri; yeryüzünün birçok bölgesinde uygulanabilir olması ve bileşenlerinin kolayca temin edilebilmesidir. Türkiye iklim kuşağı olarak bu kaynaklar yönünden zengin olmasına rağmen, toplam enerji üretimi içerisinde bu kaynaklarla enerji üretimi miktarı dünya ortalamasının çok altındadır. Örneğin Türkiye’nin toplam elektrik enerjisi üretimi içerisinde rüzgâr enerjisi oranı %2 (1,2MW) iken Almanya’da %15, Danimarka’da %20’dir [1]. Ayrıca, yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı devlet tarafından gerek
kurulum
esnasında
ve
gerekse
alım
süresince
çeşitli
şekillerde
desteklenmektedir. Diğer taraftan Türkiye kullanmış olduğu mevcut enerji kaynakları açısından büyük oranda dışa bağımlıdır. Güneş enerjisi kullanılarak elektrik üreten sistemler üzerine yapılan çalışmalar diğerlerine göre kolay, uygulanabilir ve düşük maliyetli olması sebebiyle ticari ürüne dönüşmüş durumdadırlar. Kontrol kolaylığı ve yatırım maliyetinin düşüklüğü sebepleri ile önceleri güneş veya rüzgâr enerjisinin birbirinden bağımsız olarak üretimi ve kullanımı üzerine çalışmalar yapılmıştır. Güneşten elektrik enerjisi üretme işleminde kullanılan güneş panellerin üretim çeşitliliği günümüz için tatminkâr bir düzeye gelmiş bulunmakta olup, birim yüzeyde daha çok elektrik enerjisi üretme üzerine çalışmalar devam etmektedir. Belirlenmiş olan bir güç değeri için belirli sayıda güneş panelinin seri-paralel bağlanmaları sonucu istenilen gücün elde edilmesi mümkün olabilmektedir. Ancak bu panellerden elde edilen gücün DA
169 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). olması ve şebekenin ya da kullanıcıların AA güç taleplerinin bulunması, bir DA/AA
evirici ihtiyacını zorunlu kılmaktadır. Sadece gün ışığında enerji üretilebilmesi ise, gün ışığının olmadığı zamanlarda kullanım amacıyla bu enerjinin depolanması gerekliliğini de ortaya koymaktadır. Enerjinin depolanmasında kullanılan aküler ise, sistemin diğer bileşenlerine göre çok daha kısa ömürlü bir malzeme olduğundan, bu elemanlara daha az ihtiyaç duyulmalıdır. Yani akülerin ömrünü belirleyen en önemli ölçütlerden birisi şarj-deşarj sayısıdır. Güneşin olmadığı saatlerde rüzgârdan elektrik enerjisi üretilebileceğinden, kullanıcı talepleri bu enerjiden karşılanacaktır. Böylece akü grubu daha kısa süreli seçilebilecek, Hibrit sistemde akülerin şarj-deşarj sayısı hibrit olmayan bir sisteme göre daha az olacağından akülerin kullanım ömrü uzayacaktır [2]. Elektrik enerjisi üretiminde kullanılan rüzgâr santralleri birkaç yüz Watt değerinden birkaç mega Watt değerine kadar üretilmekte ve kullanılmaktadır. Bu ürünlerin küçük ölçekli olarak adlandırılabilenleri rüzgârın en uygun olması halinde bile, bir evin ihtiyaçlarını günün her saatinde karşılayabilecek düzeyde değildir. 1 kW ve daha yüksek güçler için ise önemli fiyat artışı olmaktadır. Rüzgâr enerjisinin depo edilebilmesi içinde alternatör çıkışının doğrultulması ve bir düzenleyici üzerinden akü grubuna bağlanması gereklidir. Güneş enerjisi ile birlikte kullanım halinde akü grubu maliyeti düşecek ve aküden, şebekeden veya dizel jeneratörden beslenme ihtiyacı azalacaktır. 3.
GÜNEŞTEN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİLMESİ
Güneş enerjisinden elektrik enerjisi elde etme amacıyla tasarlanan sistemler, panellerden elde edilen enerji şebeke etkileşimli çalışma, ada modu çalışma, depolama sonra kullanma gibi farklı yöntemlerle yüke iletilmektedir. Şebeke etkileşimli çalışmada panellerden elde edilen DA gerilim bir evirici yardımıyla doğrudan şebekeye aktarılmaktadır, ada modu çalışmada şebekenin olmadığı yerde alıcılar doğrudan beslenmektedir, depolama sonra kullanma durumunda ise bir akü grubu şarj edilerek enerji depolanmakta ve ihtiyaç duyulduğunda kullanılmaktadır [3]. Simülasyonu yapılan sistemde ise, panellerden elde edilen DA gerilim bir
170 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). yükselten konvertörden geçirilmekte ve konvertörün çıkışındaki gerilim invertör
vasıtasıyla AA’a çevrilerek kullanıcıya iletilmektedir. Buradaki amaç güneş panellerinden gelen enerjiyi invertörün giriş seviyesi sınırları içerisinde tutabilmek, ayrıca sistemin maksimum güç noktası takibi (MPPT) yapabilmesinin sağlamaktır. Yükselten konvertörün anahtarlama elemanına uygulanan boşluk darbe oranları değiştirilerek, konvertör çıkışındaki gerilim seviyesi değiştirilmektedir. Fotovoltaik panellerde güneş ışıması, çevre sıcaklığı gibi faktörlere bağlı olarak maksimum güç noktası değişmektedir. MPPT yapılmasının amacı mevcut yatırımdan maksimum enerji sağlayarak verimi yükseltmektir. Bu durum ise ancak panel gerilimi ve panelden çekilen akım değerlerinin sürekli olarak takip edilip, maksimum gücün hesaplanması yolu ile yapılır. Şekil 1.a’da sistemde kullanılan Sharp NUSOE3E modeli 185 Watt’lık güneş panelleri için belirli bir değerdeki maksimum güç noktası ve Şekil 1.b’de ise güneş panelinin MPPT uygulanmayan durumdaki yük eğrileri verilmektedir. Çıkış Gücü (W)
7 MPPT
180
6 5 Çıkış Akımı (A)
150 120 90 60
MPP Yük Eğrisi
4
Yük Eğrisi
3 2 1
30 0
5
10 15 Çıkış Gerilimi (V)
20
25
0
(a)
5
10 15 Çıkış Gerilimi (V)
20
25
(b)
Şekil 1. (a)MPPT uygulanan modül Güç-Voltaj ( b) Akım-Voltaj karakteristik eğrileri Şekilden de görüleceği gibi güneş panelinden elde edilen farklı gerilim ve akım değerlerine karşılık, güç noktası en yüksek seviyede tutulmaya çalışılmaktadır. Böylece sistemin en iyi verimle çalıştırılması sağlanmaktadır. Maksimum güç noktası takip işlemi sırasında güneş panelleriyle ilgili olarak iki faktörün dikkate
171 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). alınması gerekmektedir. Panellerin farklı güneşlenme ve sıcaklık değerlerinde
verimleri değiştiği için maksimum güç noktaları da çevre sıcaklığı değiştikçe veya güneşlenme miktarındaki değişmelere bağlı olarak değişmektedir [4]. 4.
RÜZGÂRDAN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİ
Rüzgâr türbinlerinin rüzgâr enerjisi üretiminde maksimum verimde çalıştırılabilmesi için, alternatörün parametrelerine bağlı olarak maksimum güç noktasının takip edilmesi gerekmektedir. Ayrıca rüzgâr hızındaki ani değişiklikler ve türbinin mekanik tepkilerinin de bilinmesi gereklidir. Bu bilgiler ile birlikte kullanılan türbinin yapısına bağlı olarak, MPPT kontrol sistemi çeşitlilik göstermektedir. MPPT kontrol uygulamalarındaki temel farklılıklar şu şekilde sıralanabilir; •
Maksimum güç noktası izleme adımları rüzgâr hızındaki değişimlere bağlı olarak ayarlanan sistemler,
•
PWM sinyalindeki ölü zamanı (dead time effect) doğru belirlemek güç anahtarlarının kısa devre olmasını, ya da ısınmasını engeller. Aynı zamanda, ölü zamanın alternatörün dönüş hızıyla senkronize edildiği sistemler ki burada, güç eğrisinin kararlı olması ve MPP noktasının izlenmesi için alternatörün dönüş hızıyla senkronize PWM sinyali üretilir.
•
Alternatörün dönüş hız referansındaki dalgalanmaları azaltmak için MPPT kontrolörün çıkışında alçak geçiren filtre kullanılan sistemler. Bu sistemlerde filtrenin gecikme etkisi ile sistemin mekanik zaman sabiti dikkatle incelenmelidir.
Sonuçta bu sistemlerle, yüksek verimli, düşük maliyetli, hızlı ve kararlı enerji dönüşümü yapılması amaçlanmaktadır [5]. Rüzgâr türbinleri ile yapılan MPPT uygulamalarında öncelikle kullanılan rüzgâr türbininin çeşitli rüzgâr hızı değerlerindeki, alternatör hızı ve çıkış gücünü karşılaştıran eğrileri çıkarılmaktadır. Sonra bu eğrilerden faydalanılarak türbinin maksimum güç noktaları belirlenmekte ve sistem buna göre düzenlenmektedir. 1,5
172 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). kW’lık bir rüzgâr türbini için yapılan deneyler sonucunda elde edilen hız-çıkış gücü
eğrisi Şekil 2’de verilmiştir. Rüzgar Türbini Karakteristiği 12 m/s 1.2 Maksimum Güç Eğrisi
Güç (kW)
1
11 m/s
0.8 10 m/s 0.6 9 m/s 0.4 8 m/s 7 m/s
0.2
0 500
6 m/s 5 m/s 1000
1500
2000 Generatör Hızı (rpm)
2500
3000
Şekil 2. 1,5 kW’lık rüzgâr türbininin Hız-Güç eğrisi Şekilde çeşitli rüzgâr hızı değerlerinde türbinin alternatör dönüş hızına bağlı olarak elde edilen çıkış gücü eğrileri verilmiştir. Eğrilerin tepe noktalarını birleştiren üçüncü eğri ise bu türbin için maksimum güç noktası takip eğrisi olmaktadır [6]. 5.
HİBRİT SİSTEMDE KULLANILAN KONVERTÖRLERİN YAPISI VE SİMÜLASYONU
Tasarlanan hibrit sistemde, güneş ve rüzgâr enerjilerinden aynı anda yararlanılarak elektrik enerjisi üretimi amaçlanmaktadır. Hibrit sistemlerde kullanılacak kaynaklar çeşitlilik göstermektedir. Uygulamada güneş, rüzgâr ve üçüncü kaynak olarak da dizel jeneratör kullanılan sistemler üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Ancak kaynak sayısı ne kadar artarsa sistemin verimli çalışabilmesi için gerekli kontrol sistemi daha fazla karmaşık olmaktadır [7]. Bu çalışmada birisi sabit mıknatıslı rüzgâr türbini çıkışında, diğeri ise güneş panelleri çıkışında olmak üzere iki adet boost konvertör kullanılmış ve bunların çıkışı aynı DA barada toplanmıştır. Konvertörlerin her ikisi aynı anda çalışabileceği gibi rüzgâr ya da güneşten herhangi birinin enerji üretim durumuna göre tek başına da çalışabilecektir. Bu durumu karşılayabilecek simulink modeli oluşturulmuş ve güneş ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı hibrit
173 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). konvertörün simülasyonu yapılmıştır. Simülasyonu yapılan sistemin rüzgâr ile ilgili
konvertöre ait MATLAB/SIMULINK modeli Şekil 3’de verilmiştir.
Şekil 3. Rüzgâr enerjisi ile kullanılan boost konvertörün simülasyonu Burada her iki sistemin girişine güneş paneli modeli ve rüzgâr jeneratörü modelinden gerilim uygulanmıştır. Konvertörlerin girişlerindeki DA gerilim ve akımlardan hesaplanan güç değeri, maksimum güç noktası takip işlemi için referans güç girişi olarak kabul edilmektedir. Elde edilen Prüzgar ve Pgüneş güçleri mantıksal bir döngüde sürekli olarak hesaplanarak bir önceki değerler ile karşılaştırılmakta ve güç değerlerinin artış veya azalma değerlerine göre üretilmekte olan PWM sinyalinin anahtarlama oranı değiştirilmektedir. Konvertörlerin çalışması sırasında iki ayrı durum göz önünde bulundurularak sistem tasarımı ve programlama yapılmıştır. İki konvertörün çıkışları aynı baraya birleştirilerek oluşturulan otak DA’nın çıkış gerilim seviyesini sabit tutabilmek amacıyla her iki konvertörün anahtarlama sinyalleri, birbirleri ile ilişkili ancak bağımsız olarak değişmektedir. Her iki konvertöre çalışması esnasında, her iki kaynaktan da maksimum güç transferi hedeflenmiştir. Olabilecek durumlar ise şu şekilde sıralanabilir; •
Rüzgâr jeneratörü ile güneş panellerinin aynı anda enerji üretmesi,
•
Rüzgârdan enerji üretilip güneşten üretilememesi,
•
Güneş panellerinde enerji üretilip rüzgâr türbininden enerji üretilememesi,
174 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). gibi durumlarda, konvertörler ile sistemden üretebilecek gücü maksimum değerde
tutabilmektir. Simülasyonu yapılan konvertörlerin maksimum güç noktası takibine ait MATLAB/SIMULINK uygulaması Şekil 4’te verilmiştir.
Şekil 4. Hibrit boost konvertörlerin MPPT simülasyonu Boost konvertörün giriş ve çıkışın gerilimleri ile giriş akım değerleri okutulmakta, bu değerlerden girişe ait olanlar MPPT ve koruma çıkışlar ise koruma amaçlı kullanılmaktadır. Koruma fonksiyonlarını da içeren maksimum güç takibi algoritmasına göre üretilen değişken PWM sinyali güç anahtarlarının kapı girişlerine uygulanmaktadır. Maksimum güç noktası takibi esnasında yapılan PWM oranlarının belirlenmesinde, kaynağın (PV modüllerin) maksimum akım değeri ile yükselten konvertörün çıkışına bağlanacak olan invertörün DA giriş gerilimi ve güç değerlerinin aşılmaması durumu da kontrol edilmektedir. Sistemde konvertörler ayrı olarak çalıştırılmakta, ancak çıkışları aynı DA baraya bağlanmaktadır. Simülasyonda sistemin farklı yükler karşısındaki tepkisini değerlendirebilmek amacıyla iki farklı değerdeki yük sırasıyla devreye girmektedir. Boost konvertörün hibrit olarak çalıştırılmasına ve kademeli olarak yüklenmesine ait simülink modeli Şekil 5’te verilmiştir.
175 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006).
Şekil 5. Boost konvertörün MATLAB simülasyonu Konvertörlerde kullanılan ikinci kademedeki bobinler gerilimdeki dalgalanmaları filtre etmek için kullanılmıştır. Ayrıca konvertörlerin bir diğerinden ters akım geçirmesini önlemek için çıkışlarına ters diyot bağlanmıştır. gerilim-zaman grafiği
gerilim (V)
1000 500 Yük 1
0 -500 0
0.01
0.02
Yük 2
0.03
0.04
0.05 0.06 zaman (s)
0.07
0.08
0.09
0.1
(a) akım-zaman grafiği
akım (A)
150 100
Yük 1
Yük 2
50 0 -50
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05 0.06 zaman (s)
0.07
0.08
0.09
0.1
0.08
0.09
0.1
(b)
güç (VA)
10
4 x 10
güç-zaman grafiği Yük 1
5
Yük 2
0 -5
0
0.01
0.02
0.03
0.04
0.05 0.06 zaman (s)
0.07
(c)
Şekil.6 Simülasyon sonuçları
176 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). Simülasyondan elde edilen sonuçlar Şekil 6’da verilmiştir. Şekil 6.a, b ve c’de MPPT
sağlamak amacıyla 2. yükün devreye girdiği andaki anahtarlama sinyalinin durumu her üç grafikte de görülmektedir. Şekil 6 a’da gerilim zaman grafiği görülmektedir. Devrede 0.04 saniyeye kadar 1. yük, 0.04 saniyeden sonra 2. yük devreye girmektedir. 1. yük devrede iken gerilim değeri 500 V’un üzerinde iken, 2. yük devreye girdiğinde bu gerilim değeri 500 V seviyesine düşmektedir. Şekil 6.b’de akım zaman grafiği verilmiştir. 1. yük devrede iken akım değeri 50 A’in altında iken, 2. yük devreye girdiğinde akım 50 A seviyesine çıktığı görülmektedir. Şekil 6.c’de ise güç zaman grafiği görülmektedir. Burada 2. yük devreye girdiğinde gerekli anahtarlamanın yapıldığı ve bunun sonucunda çekilen gücün arttığı görülmektedir. 5. SONUÇLAR VE ÖNERİLER Son yıllarda elektrik enerjisi üretim alanında alternatif, çevre dostu yeni enerji kaynakları ile enerji üretimi önem kazanmıştır. Güneş ve rüzgâr temel alternatif enerji kaynaklarındandır. Bu enerji kaynaklarının maksimum güç noktasında çalıştırılması ile mevcut yatırım en verimli hale getirilmiş olur. Bu çalışmada güneş ve rüzgâr enerjilerinin birlikte kullanıldığı hibrit bir sistem için yükselten konvertör simülasyonu Matlab/Simulink kullanılarak yapılmıştır. Böylece iki farklı kaynaktan elde edilen farklı seviyedeki DA gerilimler aynı DA barada birleştirilerek ortak bir yük beslenmiştir. Hibrit enerji üretilen sistemdeki kaynak sayısı değişiklik gösterebilecek ve hidrojen gibi kaynaklar hibrit sistem içinde yer alacaktır. 6. TEŞEKKÜR Yazarlar, bu çalışmaya, proje kapsamında destek veren Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonu ve Devlet Planlama Teşkilatı’na teşekkür ederler. 7. KAYNAKLAR 1. Çelik A.N., “A statistical analysis of wind power density based on the Weibull and Rayleigh models at the southern region of Turkey”, Renewable Energy, 2003, Page(s); 593-604. 2. Çolak İ., Bayındır R. Sefa İ. and Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, 2004, Page(s):776-778 September, Tebriz-Iran.
177 EK-5. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006). 3. Ho B.M.T., Henry Shu-Hung C., “An integrated inverter with maximum power tracking for grid-connected PV systems”, Power Electronics, IEEE Transactions on Volume 20, Issue 4, July 2005 Page(s):953 – 962
4. Koutroulis E., Kalaitzakis K., Voulgaris N.C., “Development of a Microcontroller-Based, Photovoltaic Maximum Power Point Tracking Control System”, IEEE Transactions on Power Electronics, Vol. 16, No: 1, Jan 2001 2, Page(s):46 – 54. 5. Yaoqin J., Zhongqing Y., Binggang C., “A New Maximum Power Point Tracking Scheme for Wind Generation”, Power System Technology, 2002. PowerCon2002, International Conference on Vol 1., Oct 2002, Page(s):144 – 148. 6. Morimoto S., Nakayama H., Sanada M., Takeda Y., “Sensorless Output Maximization Control for Variable-Speed Wind Generation System Using IPMSG”, IEEE Transactions on Industry Application, Vol. 41, Jan-Feb 2005 2, Page(s):60 – 67. 7. Schmitt, W., “Modeling and simulation of photovoltaic hybrid energy systemsoptimization of sizing and control”, Photovoltaic Specialists Conference, 2002. Conference Record of the Twenty-Ninth IEEE 19-24 May 2002 Page(s):1656 1659
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).
178
GÜNEŞ PİLLERİNİN ELEKTRİK ENERJİSİ ÜRETİMİNDE KULLANIMI İlhami ÇOLAK
İbrahim SEFA
Şevki DEMİRBAŞ
Ramazan BAYINDIR
Mehmet DEMİRTAŞ
GEMEC, Gazi Elektrik Makinaları ve Enerji Kontrol Grubu, Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 06500 Beşevler/ANKARA
[email protected]
[email protected] [email protected] [email protected]
[email protected]
ÖZET Son yıllarda elektrik enerjisi üretim alanında yenilenebilir çevre dostu yeni enerji kaynakları ile enerji üretimi çok büyük önem kazanmıştır. Temel alternatif enerji kaynakları güneş, rüzgâr ve jeotermallerdir. Bu alanda enerji üretimi için güneşte büyük kapasitenin olduğu tespit edilmiştir. Elektrik enerjisi direkt olarak güneş pilleri yardımıyla güneşten sağlanabilir. Elektrik enerjisi üretimi güneş hücrelerine gelen ışık miktarına, sıcaklığa ve hücre yapısına bağlı olduğu için, güneş hücrelerinin çalışması, elektriksel karakteristiği ve eşdeğer devresinin bilinmesi maksimum verim için zorunludur. Bu makalede, güneş enerji sistemleri alanında çalışan araştırmacılar için güneş pillerinin temel özellikleri açıklanmıştır. Anahtar Kelimeler: Güneş enerjisi, yenilenebilir enerji, güneş pili, güneş pili eşdeğer devresi. ABSTRACT Recent years, productions of electric energy with clean and alternative energy source have been more importance, due to increasing of energy consumption and environmental reasons. The main alternative energy sources are solar, wind and geothermal. In this area, the sun is the largest energy source. Electric energy is directly obtained from sun by means of solar cell. Since the energy supplied by solar cells depends upon the insolation, temperature and cell voltage, it is necessary to know the generating principles, the electrical characteristics and the equivalent circuit of solar cell for the maximum efficiency. The aim of this paper is to clarify the main specification of solar cell for researchers working in this field. Key Words: Solar energy, renewable energy, solar cell, solar cell equivalent circuit.
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).
179
1. GİRİŞ Güneş dünyamızın enerji kaynağıdır. İklimlerin oluşumundan bitkilerin enerji ihtiyaçlarına kadar tüm dünyanın, ihtiyacı olan güneş enerjisinin %95’ni gözükür ışık yoluyla almasını sağlar. Ultraviyole ve infrared ışıkta güneş spektrumu içindedir. Her ne kadar çok büyük yıldızlar da enerjilerini X-rays ve radyo sinyalleri şeklinde gönderseler de, bu miktar güneşin gönderdiği miktardan çok çok küçüktür. Işık tayfında güneş radyasyonunun gösterimi Şekil 1’de verilmiştir. Şekilde güneşten dünyamıza gelen ışığın sayısal olarak dalga boyu, frekans ve foton enerjileri verilmiştir. Dalga boyunda görünen ışığın sol tarafı ultraviyole, sağ tarafı ise infrared ışıktır [1]. Görünen
Dalgaboyu(m) 10 -9
10 -8
10 -7
10 -5
Ultraviyole 10 17
10 -4
İnfrared
10 16
10 15
10 13
10 12
Frekans (Hz) 10 3
10 2
10 1
10 -1
10 -2
mavi
Foton Enerjisi(eV) Güneş Radyasyonu
sarı kırmızı
Şekill 1. Işık tayfı Güneş, radyasyon enerjisini 2x10-7 ile 4x10-6 metre dalga uzunluğu arasında dünyamıza ulaştırır. Bu dalga uzunlukları da Şekil 1’den görüldüğü gibi görünen ışık dalga boylarına çok yakındır. Her dalga boyu bir frekansa ve enerjiye tekabül eder. Dalga boyu küçüldükçe frekans ve elektron volt (eV) cinsinden enerji artar. Spektrumun her bölümü değişik enerji seviyesine sahiptir. Mesela, kırmızı renk en az enerji seviyesine sahipken, mor renk en fazla enerjiye sahiptir. Görünmez taraftaki mor ötesi ışınlar daha fazla photon enerjisine sahip olduklarından, insan derisi
180 EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). üzerinde yanıklara sebep olurlar. Öte yandan kırmızı kısım sıcaklık olarak hissedilir
[2]. Işığın bir yerden başka bir yere gitmesi dalgayla karakterize edilir. Dalga boyu ne kadar büyürse enerjisi o kadar küçük demektir. Her saniye, güneş çok büyük boyutlarda enerjiyi sistemine serbest bırakır. Dünya bu enerjinin çok küçük bir bölümünü alır. Ortalama olarak 1367 Watt/m2 ışık enerjisi atmosferin en üst katmanına isabet eder. Atmosfer X-rays ve mor ötesi ışınları süzerek toprağa iletir. Bu halde dahi her dakikada gelen güneş enerjisi insanların sarf ettiği enerjiden fazladır. Şekil 2’de güneş ışığının atmosferde yayılımı verilmiştir [1].
Şekil 2. Güneş ışığı yayılımı Dünya atmosferi ve bulutlar ışık enerjisinin bir kısmını emerler, bir kısmını yansıtırlar. Geriye kalan enerji toprağa erişir. Daha sonra bu enerji fotovoltaik (photovoltaic: PV) sistemler tarafından elektrik enerjisine çevrilir. •
Güneş pilleri (fotovoltaik piller), yüzeylerine gelen güneş ışığını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarıiletken maddelerdir. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm² civarında, kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasındadır.
•
Güneş pilleri fotovoltaik ilkeye dayalı olarak çalışırlar, yani üzerlerine ışık düştüğü zaman uçlarında elektrik gerilimi oluşur. Pilin verdiği elektrik enerjisinin kaynağı, yüzeyine gelen güneş enerjisidir.
181 EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). • Güneş enerjisi, güneş pilinin yapısına bağlı olarak % 5 ile % 20 arasında bir
verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. •
Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel yada seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir, bu yapıya güneş pili modülü ya da fotovoltaik modül adı verilir. Güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak bir kaç Watt’tan megaWatt'lara kadar sistem oluşturulur.
2. IŞIK ENERJİSİNİ ELEKTRİK ENERJİSİNE ÇEVİRME PV modüller, ışık enerjisini elektrik enerjisine çevirir. "Photo-Voltaic" diğer bir anlamda "Işık-Elektriği"’dir. Güneş hücreleri PV modülleri oluştururlar. Saatlerdeki ve hesap makinelerindeki enerji üretenler işte bu güneş hücreleridir. Ev aydınlatılmasında, sulamada, havalandırmada kullanılan PV’ler biraz daha karışık ve teknik isteyen türlerdendir. Güneş ışığı, "photon" olarak adlandırılan güneş enerjisini oluşturan partiküllerle birliktedir. Bu photonlar değişik ışık dalga boylarında farklı enerjiye sahiptir. Photonlar PV modüle çarptığında, bir kısmı yansır, bir kısmı PV modül tarafından emilir, bir kısmı da PV modülünü geçer. Sadece PV modül tarafından emilen photonlardan elektrik üretilir. Emilen photonların enerjisi PV modüldeki elementin elektronuna transfer olur. Fotovoltaik bir pilin kesit şekli ve elektrik enerjisinin oluşumu Şekil 3’te verilmiştir [1]. Elektronlar kazandıkları enerjiyle mevcut yerlerinden ayrılır ve elektrik devresini oluştururlar. Elektronların bu yer değiştirmesinden dolayı boşluklar oluşur. Böylece PV modülde elektrik alanı oluşturur. Oluşan gerilim lambanın aydınlanmasını sağlar. Sonuçta tüm güneş ışığının %55'i elektrik enerjisine dönüşebilir.
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).
182
Şekil 3. Fotovoltaik bir pilin kesiti 3. GÜNEŞ HÜCRESİNİN YAPISI Güneş hücresinin en önemli parçası yarı-iletken katmanıdır, çünkü elektron akımı burada oluşur. Bu yarı-iletken tabakayı oluşturan birçok element vardır, ancak bu elementlerin PV modülü oluşturmaları için artı ve eksileri vardır, ideali yoktur. Hücrelerin oluşumu ve hücrelerin üstündeki katmanları gösteren, Şekil 4’den görüldüğü gibi, hücrelerden elde edilen enerji elektrik miktarının ölçüsü olamaz. Foton etkilenmesinden serbest kalan her elektron P tipi yarı-yalıtkan maddedeki delikleri doldurma konumuna geçer. Bu olay pozitif elektrik yükünü P tipi maddenin temas yüzeyinde, negatif elektrik yükünü de N tipi maddenin temas yüzeyinde toplanmasına neden olur ve güneş pillerinin bir üreteç gibi davranmasını sağlar. Güneş pillerinin iki kutbu bir iletkenle birleştirildiği zaman birleştirilen iletkenden bir elektrik akımının geçtiği görülür. Hücrelerin üstüne ve altına konulan kontak levhaları, üstünü örten cam veya plastiğin özellikleri de verimliliği etkiler [3].
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).
183
Şekil 4. PV Panelin katmanları 3.1. IŞIK BANT ARALIĞI Güneş ışığındaki photon PV modüle geldiğinde, sadece bir kısım enerji elektronları açığa çıkartabilir. Bu seviyedeki enerjiye bant aralığı enerjisi denir. Bu enerji aralığı elementin kovalent bağından elektronu ayırabilir. Ayrılan elektron elektrik devresini oluşturur. Işıktaki photonların bu enerjisine photon-enerjisi denir. Bu enerji en az band aralığı enerjisi kadar olmalıdır ki, elektronları açığa çıkarsın. Photon enerjisinin bant aralığı enerjisinden fazla olan kısmı elektronları serbeste çıkarken ısı oluşturur. Burada en önemli olay yarı-iletken malzemenin moleküler yapısının ayarlanmasıdır. Yani bant aralığı enerjisinin alabildiği en fazla photon enerjisini verebilmektir. PV yarı-iletkenlerin band-aralığı enerjisi 1.0 ile 1.6 eV arasıdır. Bu enerji elektronların ışınmadan açığa çıkabileceği enerji miktarıdır. Panellerde kullanılan malzeme türüne göre elde edilen enerji değişimi Şekil 5’de verilmiştir [1]. Burada Silikon kristalinin band aralığı enerjisi 1.1 eV, galyum arsenit kristalinin enerjisi 1.43 eV ve alüminyum galyum arsenit kristallerin band aralığı enerjisi ise 1.7 eV’tur.
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).
184
Güneş Işığı
Silikon > 1,1 eV soğurur
<1,1 eV
Galyum arsenit > 1,43 eV soğurur
<1,43 eV
Aliminyum galyum arsenit > 1,7 eV soğurur
<1,7 eV
Şekil 5. Panelin türüne göre elde edilen enerji Değişik dalga boylarındaki ışık photon enerjileri de eV birimi ile ölçülür. Güneş spectrumu, infrared-ultraviole arasında 0.5 eV ile 2.9 eV arasındadır. Kırmızı ışık 1.7 eV, mavi ışık 2.7 eV enerjiye sahiptir. Güneş ışığının %55'i kullanılamaz, çünkü photon enerjisi band-aralığı enerjisinin ya altındadır, yani elektronları serbestte çıkaracak enerjiye sahip değildir, yada üstündedir, bu da ışınmaya sebep olur [4]. 4. HÜCRELERDEN MODÜLER SİSTEMLERİN OLUŞTURULMASI PV modüllerin en küçüğü hücredir. Bir hücreli PV sistemler 1 ile 2 Watt arasında enerji üretirler. Birçok hücreyi birleştirip daha fazla enerji üretebilecek modüler sistemler oluşturabilir. Modüler sistemler yan yana bağlanarak diziler elde edilir. Modüllerin değişik bağlantılarıyla oluşturulan dizilerden daha büyük enerjiler üretilebilmektedir. PV modüllerin panel yapıları Şekil 6’da verilmiştir. Burada her hücre 1-2 Watt değerindedir. Hücrelerin bir araya getirildiği modüllerin güçleri ise 160 Watt’a kadar çıkmaktadır [5].
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006).
185
Şekil 6. PV panel 4.1 GÜNEŞ PİLLERİNİN ELEKTRİKSEL ÖZELLİKLERİ Basitleştirilmiş eşdeğer devrede verildiği gibi güneş pilleri lineer olmayan bir yapıya sahiptir. Şekil 7’de güneş pili bir akım kaynağı olarak modellenmiştir. Io Rs Iq
D
Rsh
Vo
Ro
Şekil 7. Güneş pili elektriksel eşdeğer devresi
186 EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). Güneş pilinin Rsh şönt direnci ihmal edilirse I-V karakteristiği Eşitlik 1’de verildiği
gibidir.
q I o = I q − I sat exp ( Vo + I o R S AKT
) − 1
(1)
Burada, Iq ışık tarafından üretilen akım, Isat güneş pilinin ters doyum akımı, q elektronik şarj, A boyut faktörü, K Boltzmann sabiti, T Sıcaklık, Rs güneş pilinin seri direnci, Io çıkış akımı, Ro yük direnci, Vo çıkış gerilimidir. Literatürde Eşitlik 1’de verilen I-V karakteristiği yerine birçok durumda V-I karakteristiği kullanılır.
Vo = − I o RS +
AKT I q − I o + I sat .ln q I sat
(2)
Eşitlik 1, Şekil 8’deki verilen güneş pilinin çıkış karakteristiğine ait benzetim sonuçları elde etmek için kullanılmıştır [6]. Burada güneş pilinin karakteristiğinin lineer olmayan bir yapıya sahip olduğu görülmektedir. Güneş pilinin çıkış karakteristiği
güneş
ışınlarının
durumu,
sıcaklık
ve
yük
koşullarından
etkilenmektedir. Her bir eğri güneş pilinin en yüksek verimi için en iyi çalışma noktası olan maksimum güç noktasına sahiptir. Sıcaklık yükseldiği zaman açık devre gerilimi ve maksimum güç yavaşça düşmektedir. Şekil 8a’da birim cm2’ye karşılık üretilen enerji miktarına bağlı olarak panellerin akım ve gerilimleri karşılaştırılmaktadır. Farklı güçlerdeki panellerin maksimum güç noktaları da farklı olmaktadır.
Şekil 8b’de ise solar panel için farklı sıcaklık
değerlerinde akım ve gerilim değerleri karşılaştırılmaktadır. Panel sıcaklığı arttıkça, üretilen gerilim düşmekte ve maksimum güç noktası da değişmektedir. Şekil 8c ’de ise panel sıcaklığı arttıkça, panelin açık devre gerilim değeri ve maksimum güç noktası düşmekte, ancak kısa devre akımının çok az bir artış gösterdiği görülmektedir [7].
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). 1.4
1.4 100mw/cm2 Pmax
Panel Akımı (P.U)
80mw/cm2
0.6
0.8
P
0.5 2
0.4
60mw/cm
0.6
0.3
0.4
0.2
0
0.1
0.2
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Panel Gerilimi (P.U) (a)
0.8
0.9
70 C 50oC 30oC
0.8 0.7 0.6
1.0 P
0.5
0.8 Pmax
0.4
0.6
0.3
0.4
0.2
0.2
0.1
1.2
o
0.2
0.1
0
0
Panel Çıkış Gücü (P.U)
1.0
Panel Çıkış Gücü (P.U)
0.8 0.7
0.9
1.2
Panel Akımı (P.U)
0.9
187
0.1
0.2
0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 Panel Gerilimi (P.U)
0.8
0.9
0
(b)
1.4 1.3 1.2
Bağıl Tepki (%)
1.1 Isc
1.0 0.9
Voc
0.8 0.7
Pmax
0.6 0.5 0
-60
-40
-20
0 20 40 60 Panel Sıcaklığı (oC)
80 100
(c)
Şekil 8. Solar panellerin çıkış karakteristikleri
5. SONUÇ VE DEĞERLENDİRME Günümüzde artan enerji ihtiyacı, mevcut enerji kaynaklarının sınırlı olması ve çevreyi kirletmesi araştırmaları yeni ve temiz enerji kaynaklarına yöneltmiştir. Temiz enerji kaynağı olarak kullanılan güneş enerjisi ve bu enerjinin üretilmesinde kullanılan güneş pilleri hakkında bilinmesi gereken temel bilgiler bu çalışma ile verilmeye çalışılmıştır. Verilen bilgiler ile kullanım aşamasında kullanıcıların güneş pilini daha etkin ve verimli bir şekilde kullanmaları amaçlanmıştır.
EK-6. (Devam) Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik Enerjisi Üretiminde Kullanımı” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). 6. TEŞEKKÜR
188
Yazarlar, bu çalışmaya, proje kapsamında destek veren Gazi Üniversitesi Bilimsel Araştırma Fonu ve Devlet Planlama Teşkilatı’na teşekkür ederler. 7. KAYNAKLAR 1. http://www.orjinsolar.com 2. Luque A., Hegedus S., “Handbook of Photovoltaic Science and Engineering”, Wiley, 2005. 3. Haktanır D., “Güneş Enerjisinin Enerji Ağırlığı Nedir?”, Emobilim, Cilt 2, Sayı 4, sayfa: 6-13, Lefkoşa, 2002. 4. Cruz Martins D., Demonti R., Barbi I., “Usage of the solar energy from the photovoltaic panels for the generation of electrical energy”, Telecommunications Energy Conference, INTELEC’99, 6-9 June 1999. 5. Andreev V., Ionova E., Rumyantsev V., Sadchikov N., Shvarts M., “Concentrator PV modules of "all-glass" design with modified structure”, Photovoltaic Energy Conversion, 2003. Proceedings of 3rd World Conference on Volume 1, 11-18 May 2003 Page(s):873 - 876 Vol.1. 6. Chihchiang H., Chihming S.,” Study of maximum power tracking techniques and control of DC/DC converters for photovoltaic power system”, Power Electronics Specialists Conference, 1998. PESC 98 Record. 29th Annual IEEE, Page(s):86– 93, Volume 1, 17-22 May 1998. 7. Chihchiang H., Chihming S., “Control of DC/DC converters for solar energy system with maximum power tracking”, Industrial Electronics, Control and Instrumentation, 1997. IECON 97. 23rd International Conference on Volume 2, Page(s):827-832, 9-14 Nov. 1997.
189
ÖZGEÇMİŞ
Kişisel Bilgiler Soyadı, Adı
: DEMİRTAŞ, Mehmet
Uyruğu
: T.C.
Doğum tarihi ve yeri
: 18.07.1975 Üsküdar/İSTANBUL
Medeni hali
: Evli
Telefon
: 0 (312) 202 85 43
Faks
: 0 (312) 212 00 59
e-mail
:
[email protected]
Eğitim Derece
Eğitim Birimi
Mezuniyet tarihi
Yüksek lisans
Gazi Üniversitesi /Elektrik Eğitimi Bölümü
2000
Lisans
Gazi Üniversitesi/ Elektrik Eğitimi Bölümü
1997
Lise
Atatürk Teknik ve Endüstri Meslek Lisesi
1993
İş Deneyimi Yıl
Yer
Görev
1998-1999
H.Hüseyin Arıkan Ç.P.L.
Elektrik Öğretmeni
1999-
Gazi Üniversitesi
Araştırma Görevlisi
Yabancı Dil İngilizce Yayınlar 1.
Demirtaş M., " Bilgisayar Kontrollü Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve Uygulaması", Politeknik Dergisi, 9 (4): 247-253 (2006).
190
2.
Çolak İ., Sefa İ., Bayındır R., Demirtaş M., “Güneş Enerjili Yüksek Güçlü Led Armatür Tasarımı”, Politeknik Dergisi, 10 (4): 347-352 (2007).
3.
Çolak İ., Üçtaşlı M.B., Demirtaş M., "Design of wear testing machine which simulates occlusal wear", 7th Congress of the Balkan Stomatological Society, Kuşadası-Turkey, , 28-33 (2002).
4.
Çolak İ., Bayındır R. Sefa İ. and Demirtaş M., “Design of a Hybrid Energy Power System Using Solar and Wind Energy”, 2nd International Conference on Technical and Phsical Problems in Power Engineering, Tebriz-Iran, 776778, (2004).
5.
Çolak İ., Bayındır R., Sefa İ., Demirbaş Ş., Demirtaş M., "Güneş Takip Sistemi Tasarım ve Uygulaması", 1. Enerji Verimliliği ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli Şubesi, 301-305 (2005).
6.
Çolak İ., Sefa İ., And Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Hibrit Enerji Sistemleri İçin Paralel Çalışabilen Boost Konvertör Simülasyonu” VI. Ulusal Temiz Enerji Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 725-734, (2006).
7.
Çolak İ., Sefa İ., and Bayındır R., Demirbaş Ş., Demirtaş M., “Güneş Pillerinin Elektrik
Enerjisi
Üretiminde
Kullanımı”
VI.
Ulusal
Temiz
Enerji
Sempozyumu, Isparta, Süleyman Demirel Üniversitesi, 84-92, (2006). 8.
Demirtaş M., İçgül C.B., Öcal Z., “Elektrik Makinelerinin Eğitim Amaçlı Üç Boyutlu Simülasyonları”, Ulusal Teknik Eğitim, Mühendislik ve Eğitim Bilimleri Genç Araştırmacılar Sempozyumu, Kocaeli Ünivrsitesi Teknik Eğitim Fakültesi, vol.1,180-183, (2007).
191
Tamamladığı Projeler
•
1999-2000 yılları arasında Gazi Üniversitesi Araştırma Fonunca desteklenen "Rotoru sargılı asenkron motorun hız kontrolünün data acquisition kart kullanarak yapılması" konulu projeyi tamamlamıştır. (İ. ÇOLAK, M. DEMİRTAŞ) No: 07/2000-12, 2000.
•
2001-2002 yılları arasında Gazi Üniversitesi Araştırma Fonunca desteklenen "Dental materyaller için abrasion test cihazının geliştirilmesi" konulu proje çalışması tamamlanmıştır. (M. ÜÇTAŞLI, İ. ÇOLAK, M. DEMİRTAŞ). No:
03/2001-12, 2002.
•
2004-2006 yılları arasında (BAP) Gazi Üniversitesi Araştırma Fonunca desteklenen "Endüktif Yükler için Güneş Pili Kaynaklı İnverter Tasarım ve Uygulaması” konulu proje çalışması devam ediyor. (İ. ÇOLAK, M. DEMİRTAŞ). No: 35-2004/01.
•
2005-2006 DPT Projesi: Güneş ve Rüzgar Enerjisi Kullanılarak Şebeke İle Paralel Çalışabilen Hibrit Enerji Santrali Tasarımı ve Uygulaması. No:2003K 120470-30
Hobiler Bilgisayar, Güç elektroniği sistemleri, Mikroişlemciler, Otomobiller.
