Đki Eksenli Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve PLC Đle Kontrolü

Transkript

1 Đki Eksenli Güneş Takip Sisteminin Tasarımı ve PLC Đle Kontrolü Gökay BAYRAK, Muhsin Tunay GENÇOĞLU Fırat Üniversitesi, Müh. Fak., Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, Elazığ Özetçe Yenilenebilir enerji kaynaklarının öneminin her geçen gün arttığı günümüzde, güneş enerjisinden elektrik elde etme yöntemleri hızla gelişmektedir. Fotovoltaik (PV) yöntem ile güneş pillerinden elektrik enerjisi elde etmek için teknolojik gelişmeler hızlı olsa da, günümüzde güneş pillerinin verimlerinin %20 civarında olması, güneş pilleri ile güneşten elde edilebilecek enerjinin çok az bir kısmının elektrik enerjisine dönüştürülmesine neden olmaktadır. Bu noktada, güneş ışığından yüksek verim elde etmek için, güneşi takip eden sistemlerin kullanılmasının gerekliliği ortaya çıkmaktadır. Klasik yöntemlerde güneş panelleri sabit ve izleyici sistemler ile güneşi takip etmekte iken, son yıllarda Programlanabilir Lojik Kontrolör (PLC) gibi teknolojik altyapıya sahip kontrol yöntemleri de kullanılmaya başlanmıştır. Yapılan çalışmada, güneşin gün içerisindeki pozisyon bilgisine göre, zenit açısı ve solar azimut açıları baz alınarak, güneş panelinin kuzey-güney ve doğu-batı yönünde iki eksenli güneşi takip edebileceği bir sistem tasarlanmıştır. Böylece sistemin bulutlu günlerde bile hatasız olarak güneşin pozisyonunu takip edebilmesi ve güneş pilinden elde edilen gücün, sabit panele göre ortalama %33,85 arttırılması sağlanmıştır. Sistemin iki eksenli hareketi, geliştirilen program ile PLC kontrollü olarak gerçekleştirilmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, PV, Đki Eksenli Güneş Takip Sistemi, PLC. 1. Giriş Güneş takip sistemleri, güneş panellerinin gün içerisinde sürekli olarak güneşi takip ederek ürettikleri enerjiyi arttırmaya yönelik olarak tasarlanmış izleyici sistemlerdir. Bu sistemler sayesinde, daha fazla miktarda güneş ışını soğurulur ve solar panellerin bu sayede günlük performans ve verim değerleri artar. Elde edilen enerjideki bu verim artışının sınırları %25 ile %55 değerleri arasındadır [1]. Özellikle kış aylarında sağlanan enerji tasarrufu ile verimin ciddi miktarda yükselmesini sağlayan güneş takip sistemleri, güneş enerji sistemlerinin maliyetinin de önemli ölçüde düşmesini sağlamaktadır. Güneş takip sistemlerinin geliştirilmesi ile ilgili özellikle son on yılda çok sayıda çalışma yapılmıştır. Güneş izleyici sistemlerde, güneşin takibi için foto direnç ya da fotosel kullanılması, özellikle bulutlu havalarda izleyici sistemin fazla olduğunu tespit etmiştir [8]. Güneş kuleleri için heliostat kullanarak güneş açılarını doğru bir şekilde tespit edebilen bir güneşi takibinde zorluk oluşturmaktadır. Bu nedenle, gün içerisinde güneşin gökyüzünde olacağı pozisyona göre güneşi takip edebilen izleyici sistemlerin tasarımına yönelik çalışmalar ortaya çıkmıştır. Güneş takip sistemlerinin tasarımında yararlanılan bu yöntem, bulunulan bölgenin enlem ve boylam bilgilerine göre güneşin pozisyonunu hesaplayarak, güneş panellerinin hareket ettirilmesi yöntemidir. Bu yöntemde, bölgenin koordinatlarına göre, güneş azimut ve zenit açıları matematiksel olarak hesaplanarak, izleyici sistemin güneş ışınlarına dik pozisyonlanması sağlanır. Böyle bir çalışmada, 40 derece kuzey enlemlerindeki Portekiz için, enlem ve boylam bilgilerine göre güneş haritaları elde edilerek, mikro kontrolör ile iki eksenli güneş takip sisteminin tasarımı gerçekleştirilmiştir. Sistemde güneş açıları hesaplanarak, bölge için gerekli olan takip sistemi geliştirilmiştir [2]. Başka bir çalışmada ise iki adet step motor kullanılarak, PLC kontrollü bir takip sistemi geliştirilmiştir. Sistemde izleyici sistemin kontrolü PLC ile yapılmıştır [3]. Sungur ise çalışmasında, 37.6 derece kuzey enlemlerindeki Konya bölgesi için iki eksenli takip sistemi geliştirmiştir. Takip sisteminin kontrolünü PLC kullanarak gerçekleştirmiştir [4]. Abdallah ve Nijmeh, PLC Logo ünitesini kullanarak, Ürdün için iki eksenli bir güneş takip sistemi tasarlamışlardır. Takip sistemi, sabah gün doğumundan akşam gün batana kadar geçen süreyi dört eşit bölgeye ayırarak, hesaplanan zenit ve azimut açısına göre motorları hareket ettirmektedir. [5]. Lubitz ise çalışmasında Amerika daki 217 farklı coğrafi bölge için güneş takip sistemlerinin verimini araştırmıştır. Sabit açılı sistem, güneş azimut açısına göre hareketli sistem ve iki eksenli izleyici sistemlerin bu bölgelerde kullanılması ile ortaya çıkan sonuçlar çalışmada incelenmiştir. Azimut açısına göre çalışan tek eksenli sistemden, sabit sisteme göre ortalama %29 daha fazla enerji elde edildiği görülmüştür. Bu oran iki eksenli sistemde ortalama %34 olarak belirlenmiştir [6]. Koussa ve diğerleri de, güneş açılarını hesaplayarak, 12 adet güneş panelinden oluşan PV sistemi farklı takip sistemleri için test etmişlerdir. Sabit açılı, tek eksenli ve çift eksenli takip sistemleri uygulanmıştır. 5 yıl boyunca elde edilen ortalama değerler ile hesaplanan değerler karşılaştırılmıştır. Her durumda, iki eksenli takip sisteminden daha fazla enerji elde edildiği sonucuna ulaşılmıştır [7]. Benghanem, yaptığı çalışmada, Suudi Arabistan ın Medine şehri için güneş paneli eğim açılarını hesaplamış ve buna göre tek eksenli bir izleyici sistem geliştirmiştir. Hesaplanılan yıllık eğim açıları ortalaması ile elde edilen enerjinin, eğim açısı bölgenin enlemi olarak alındığında elde edilen enerjiye göre %8 daha izleyici sistemin tasarlandığı çalışmada ise takip sistemi iki yönlü hareket yapabilmektedir ve asimetrik yüzeyler için

2 sistemin matematiksel modeli ortaya konulmuştur [9]. Chong ve Wong, tek ve çift eksenli güneş takip sistemleri için genel matematiksel bir formül ortaya koymuşlardır. Bu genel formül sayesinde, izleyici sistemlerin modellenmesinin daha kolay sağlanacağı makalede vurgulanmaktadır [10]. Benzer çalışmalar diğer araştırmalara da konu olmuştur [11, 12, 13]. Bu çalışmada yapılan uygulamada ise PLC altyapısını kullanan iki eksenli bir güneş takip sistemi geliştirilmiştir. PLC kontrolü, geliştirilen PLC programı yardımı ile sağlanmış ve güneşin pozisyonuna göre panellerin hareketi sağlanmıştır. Böylece coğrafi koordinatlar, tarih ve saat bilgisine göre güneşin pozisyonunun hesaplanarak, güneş panelinin hareketinin gerçekleştirildiği, iki eksenli bir güneş takip sistemi, PLC kontrollü olarak gerçekleştirilmiştir. 2. Güneş Açıları Sabit veya hareketli herhangi bir düzlemdeki panel yüzeyine gelen güneş ışımalarının değeri, düzlemin bulunduğu yerleşim yerinin coğrafik konumu ile o güne ait olan tarih ve gün içindeki zaman dilimiyle değişiklik gösterir. Şekil 1 de bazı güneş açıları görülmektedir. Bilinmesi gereken bazı güneş açıları ise şunlardır [14]: Burada; n, yılın gününü temsil eder ve 1 Ocak başlangıç olarak n = 1 kabul edilir. c) Zenit Açısı (Θ Z ) Güneşin doğrultusu ile dikey eksen arasındaki açı miktarıdır. Yatay düzlemde, güneşin doğuşu ve batışı sırasında zenit açısı 90º ve öğle saatinde (12:00) ise zenit açısı 0º dir. Güneş öğle saatinde havada en yüksek noktada bulunur. Zenit açısı şöyle hesaplanır: cosθ z = cosδ.cosø.cosw + sinδ.sinø (2) Burada w, saat açısıdır. Aynı zamanda zenit açısı, güneş yükseklik açısını 90º ye tamamlar. d) Güneş Yükseklik Açısı (Α S ) Güneşin doğrultusu ile yatayın oluşturduğu açı miktarıdır. Zenit açısını 90º ye tamamladığı için, buradan güneş yükseklik açısı; α s = 90º- θ z olur. e) Güneş Geliş Açısı (Θ) Bir yüzeye direkt gelen ışıkla, o yüzeyin normali arasındaki açı miktarıdır. Güneşin geliş açısını temsil eder. Bu açı aşağıdaki gibi hesaplanır: cosθ = cosθ z.cosβ + sinθ z.sinβ.cos(γ s -γ) (3) Burada γ, yüzey azimut açısıdır. f) Eğim Açısı (Β) Yatay ile verilen panel yüzey düzleminin oluşturduğu açı miktarıdır. Kuzey yarımkürede güneye eğimli düşünülür. Eğim açısı, 0º β 180º arasında değişmektedir. Açının değeri: a) Enlem Açısı (Ø) Şekil 1: Bazı güneş açıları. Ekvatorun kuzeyinde ya da güneyinde, ekvator merkezine göre oluşan açı değeridir. Ekvatorun kuzeyi pozitif, güneyi negatif kabul edilir. Enlem açısı, -90º Ø 90º arasında değişir. tanβ = tanθ z cos γ s (4) g) Yüzey Azimut Açısı (γ) Yüzeyin dikeyinin, yerel boylama göre, sapmasını gösteren açıdır. -180º ile +180º arasında değişebilir. Güneye bakan yüzey için sıfır olur. Doğuya yönelen yüzeyde artı, batıya yönelen yüzeyde ise eksi değer alır [15,16]. b) Deklinasyon Açısı (δ) Güneşin doğrultusu ile ekvator düzlemi arasındaki açı miktarıdır. Kuzey pozitif olmak üzere, deklinasyon açısı, - 23,45º δ 23,45º arasında değişir. Ekinoks tarihlerinde, yani gece ile gündüz zaman diliminin eşit olduğu zamanlarda (20 Mart ve 23 Eylül) deklinasyon açısının değeri, güneş ışığı ekvatora paralel olduğu için sıfırdır. Yaz gündönümünde (21 Haziran), deklinasyon açısının değeri 23,45º ve kış gündönümünde (22 Aralık) ise -23,45º değerine sahiptir. Deklinasyon açısı, aşağıdaki denklemden hesaplanır: 3. Güneş Paneli Üzerindeki Işıma Miktarının Maksimum Yapılması Güneşten gelen toplam direkt ışıma miktarı; güneş paneli düzleminin normali ile güneş ışığı arasındaki açının (güneş geliş açısı) kosinüsü ile orantılıdır. Bu durum Şekil 2 de gösterilmiştir. Güneş açıları, güneşlenme miktarına doğrudan etki etmektedir. δ = 23,45.sin( ( 360.( n )) )(º) (1) 365

3 batana kadar hareketini sürdürmektedir. Şekil 4 de güneşin bu hareketi görülmektedir. Şekil 2: Bir güneş paneli yüzeyindeki güneşlenme miktarına güneş açısının etkisi. Güneş panelinden maksimum çıkış elde etmek ve panelin maksimum güneşlenmeye maruz kalması için, eğim ve azimut açısı (güneş-yüzey) arasındaki ilişki önemlidir. Kurulacak olan bir güneş paneli sisteminde hem eğim hem de azimut açısı gelişi güzel seçilemez. Güneş panelinin, yeterli çıkışı verecek şekilde farklı eğim ve/veya azimut açısında sabitlenmesi gerekir. Seri veya paralel bağlantılı farklı eğim ve azimut açılarıyla kurulan güneş panelinin çıkış performansı simülasyon yoluyla hesaplanmalı ve maksimum çıkış sağlayacak şekilde üzerinde çalışılmalıdır. Eğer bir güneş paneli öğle saatinde (12:00), yatayla θ z açısına sahip eğimde yerleştirilirse, güneş paneli üzerine gelen güneş ışığı panel yüzeyine tam dik olur (90 ). Yani maksimum seviyede güneş ışığına maruz kalır. Çünkü öğle saatinde, güneşin havadaki konumu yataya göre en yüksek değere sahiptir. Güneş öğle saatinde, en düşük hava kütlesine karşılık, atmosfer içinde minimum yola sahip olmaktadır. Zamanla güneş ışığının yoğunluğu, hava kütlesinin artmasından dolayı azalır ve gelen güneş ışığı ile güneş panelinin normali arasındaki açı artar. Herhangi bir günde optimum performans sağlamak için bir sabit güneş paneli sisteminin yatayla Ø-δ düzlem açısına sahip olacak şekilde monte edilmesi gerekmektedir. Bu, öğle saatinde güneşin panel düzlemine dik olmasını sağlayacaktır. Şekil 3 de sabit bir güneş panelinin optimum montaj açısı gösterilmiştir. Şekil 4: Güneşin gün içerisindeki hareketi. Uygulama çalışmasında, bölgenin enlem-boylam bilgisi ile mevcut tarih ve saat bilgisine göre belirlenen aralıklar ile motorların hareket ettirilmesi amaçlanmıştır. Elazığ ilinin enlem ve boylam bilgilerine göre güneşin doğuş ve batış saatleri tespit edilmiştir. Tarihe göre güneşin doğuş ve batış saatleri PLC ile kontrol edilip, izleyici sistemin çalışma aralığı belirlenmiştir. Daha sonra 5 dakika aralıklar ile kuzey-güney ve doğu-batı motorları hareket ettirilmiştir. Saat 12:00 de, yani tam öğlen saatinde kuzey-güney motoru ters yönde harekete başlayarak, akşam saatine kadar hareketini sürdürmektedir. Doğu-batı motoru ise akşam güneş batış saatine kadar hareketini sürdürmekte ve güneşin batış saatinde tekrar başlangıç pozisyonuna geri dönmektedir. Geliştirilen sistem Şekil 5 de görülmektedir. Şekil 5: Geliştirilen iki eksenli izleyici sistem. Şekil 3: Sabit bir güneş panelinin optimum montaj açısı. 4. Uygulama Đki eksenli güneş takip sisteminin tasarımında iki adet 12 V DC nominal gerilime sahip redüktörlü DC motor kullanılmıştır. Bu motorlardan ilki zenit açısını kontrol edecek şekilde kuzey-güney yönünde panelin hareketini sağlamaktadır. Diğer motor ise, doğu-batı hareketini sağlamakta ve sabah doğu yönünden başlayarak, akşam güneş Sistemde, S7-200 CPU-224 PLC ünitesi kullanılarak, Şekil 6 da gösterilen kontrol sistemi geliştirilmiştir. Her iki motorun ileri-geri iki yönlü hareketini sağlamak için PLC çıkışları röleler üzerinden kontrol edilmiştir. Benzer şekilde kuzey-güney motorunun bağlantısı da benzer şekilde yapılmıştır. Şekil 6 da ise geliştirilen PLC kontrol sistemi görülmektedir.

4 ÇIKIŞLAR RÖLELER PLC GĐRĐŞLER Şekil 7: Geliştirilen PLC programı. Geliştirilen izleyici sistemde bir adet sabit ve bir adet de hareketli panel kullanılmıştır. Şekil 8 de bu paneller görülmektedir. Sistemin çıkışına bir lamba ve küçük bir DC motor bağlanmıştır. Güneş panellerinden elde edilen enerjinin fazlası ise aküde depo edilmektedir. Şekil 6: Geliştirilen PLC kontrol ünitesi. PLC kontrolörün tasarımının ardından sistemin kontrolünü gerçekleştirecek PLC programı geliştirilmiştir. Geliştirilen PLC programı, sistemin tarih (gün-ay-yıl) bilgisine ve zaman (saat-dakika) bilgisine göre, güneş panelinin güneşin hareketini takip etmesini sağlayacak şekilde tasarlanmıştır. Zenit açısı sabah saatlerinde 90 derece, öğlen saatinde sıfır derece ve akşam tekrar 90 derecedir. Buradan hareketle, kuzey-güney motoru sabah güneşin doğuşundan saat 12:00 ye kadar ileri yönde hareket etmekte, 12:00 de güneş panelinin yatay pozisyon almasını sağlamaktadır. Saat 12:00 den sonra ise geri yönde hareket ederek, akşam güneşin batış saatine kadar hareketini sürdürmektedir. Solar azimut açısı ise sabah güneş doğuşunda pozitif, öğleden sonra ise negatif olmaktadır. Solar azimut açısı Elazığ ili için ortalama +100 ile -100 arasında değişmektedir [13]. Buradan hareketle doğu-batı motoru, sabah güneş doğduğunda +100 den başlayarak ileri yönde hareket etmekte, öğlen saat 12:00 da sıfır dereceye ulaşmakta ve ileri yönde hareketini sürdürerek akşam güneş batış saatinde lik pozisyona ulaşmaktadır. Doğu-batı motoru, akşam güneşin batışı ile geri yönde hareket ederek referans pozisyonuna geri dönerek bir sonraki çalışmasını beklemektedir. Her iki eksendeki adım aralığı PLC programı tarafından otomatik olarak ayarlanmaktadır. Belirtilen çalışma sistemi, tarih ve zaman bilgisinin anlık olarak PLC tarafından kontrol edilmesini takiben, kuzey-güney ve doğu-batı motorlarının uygun adım aralıkları ile anahtarlanması ile gerçekleştirilmektedir. Burada belirtilen zaman aralıkları arasındaki sürede güneşin hareketini tamamlayacağı göz önüne alınarak, bu aralıkta motorların adım adım çalıştırılması sağlanmıştır. Şekil 7 de Step-7 Microwin programında geliştirilen, PLC programı gösterilmiştir. Şekil 8: Sabit ve hareketli panellerin görünümü. Geliştirilen sistem, sabit açılı güneş paneli sistemi ile karşılaştırılmıştır. Panelin akım ve gerilim bilgileri ölçülerek üretilen güç miktarı hesaplanmıştr. Sabit açılı sistemde polikristal yapıdaki güneş pilinden bir günde ortalama 18,852 watt güç elde edilmiştir. Aynı panelden, geliştirilen iki eksenli güneş takip sisteminde ise 25,235 watt güç elde edilmiştir. Bu da iki eksenli güneş takip sisteminden, sabit açılı sisteme göre 6,383 watt daha fazla güç elde edildiği anlamına gelmektedir. Geliştirilen güneş takip sistemi ile ortalama %33,85 daha fazla güç elde edilebilmektedir.

5 5. Sonuçlar Yapılan uygulama çalışmasında, güneşin gün içerisindeki pozisyon bilgisine göre, zenit açısı ve solar azimut açıları baz alınarak, güneş panelinin kuzey-güney ve doğu-batı yönünde iki eksenli güneşi takip edebileceği PLC kontrollü bir sistem tasarlanmıştır. Böylece sistemin bulutlu günlerde bile hatasız olarak güneşin pozisyonunu takip edebilmesi sağlanmıştır. Sistemin iki eksenli hareketi, geliştirilen program ile PLC kontrollü olarak gerçekleştirilmiştir. Sistemin tarih ve zaman bilgisine göre, güneşin pozisyonunu tahmin edecek bir PLC programı geliştirilerek, iki eksenli güneş takip sistemi kontrolü sağlanmıştır. Çalışma, özellikle güneş ışığını sensörlerle algılayarak hareket sağlayan güneş takip sistemlerine göre oldukça avantajlıdır. Geliştirilen iki eksenli güneş takip sistemi ile hareketli güneş panelinden elde edilen güç, sabit panele göre ortalama %33,85 oranında artmıştır. 6. Kaynakça [1] T. Irina, A. Cătălin, A Study On The Trackıng Mechanısms Of The Photovoltaıc Modules, Fascicle of Management and Technological Engineering", Vol: IX, s: 59-66, [2] F. Duarte, P. Gaspar ve L. Gonçalves, Two axis solar tracker based on solar maps, controlled by a low-power microcontroller, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 10), s: , [3] G. Figueiredo, G. Costa, Intelligent Sun-Tracking System for Efficiency Maximization of Photovoltaic Energy Production, International Conference on Renewable Energies and Power Quality (ICREPQ 08), s: , [4] C. Sungur, Multi-axes sun-tracking system with PLC control for photovoltaic panels in Turkey, Renewable Energy 34, s: , [5] S. Abdallah, S. Nijmeh, Two axes sun tracking system with PLC control, Energy Conversion and Management 45, s: , [6] W. Lubitz, Effect of manual tilt adjustments on incident irradiance on fixed and tracking solar panels, Applied Energy 88, s: , [7] M. Koussa, A. Cheknane, S. Hadji, M. Haddadi, S. Noureddine, Measured and modelled improvement in solar energy yield from flat plate photovoltaic systems utilizing different tracking systems and under a range of environmental conditions, Applied Energy 88, s: , [8] M. Benghanem, Optimization of tilt angle for solar panel: Case study for Madinah, Saudi Arabia, Applied Energy 8, s: , [9] X. Wei, Z. Lu, W. Yu, H. Zhang, Z. Wang, Tracking and ray tracing equations for the target-aligned heliostat for solar tower power plants, Renewable Energy s: 1-7, [10] K.K. Chong, C.W. Wong, General formula for on-axis sun-tracking system and its application in improving tracking accuracy of solar collector, Solar Energy 83, s: , [11] W. Chun-Sheng, W. Yi-Bo, L. Si-yang, P. Yan-chang and X. Hong-Hua, Study on Automatic Sun-tracking Technology in PV Generation, DRPT 2008, s: , [12] Đ. Sefa, M. Demirtas, Đ. Çolak, Application of one-axis sun tracking system, Energy Conversion and Management 50, s: , [13] G. Bayrak, M. Cebeci, Balık Çiftlikleri Đçin Tasarlanan, Şebekeden Bağımsız, 1.1 kw lık Kurulu Güce Sahip PV Sistemin Performans Analizi, 6 th International Advanced Technologies Symposium (IATS 11), vol:5, s: , [14] S. Pattanasethanon, The Solar Tracking System by Using Digital Solar Position Sensor, American J. of Engineering and Applied Sciences 3, s: , [15] H. Mousazadeh et al., A review of principle and suntracking methods for maximizing solar systems output, Renewable and Sustainable Energy Reviews 13, s: , [16] N.A. Kelly, T.L. Gibson, Improved photovoltaic energy output for cloudy conditions with a solar tracking system, Solar Energy, vol: 83, issue:11, s: , 2009.