TC CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi

Transkript

1 TC CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi Yıl: Sayı:17 SOMA I

2 TC CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi ISSN NO: Sahibi: Ayla TEKİN Yönetim Kurulu Adına CBÜ Soma MYO Editörler: Ayla TEKİN Deniz MAMUREKLİ Fırat TEKİN Nurcan KUMRU Yayın Kurulu: Ayla TEKİN Kadir ARTAN Tamer CEBECİ Erkan HAFIZOĞLU Sekreter: Erkan HAFIZOĞLU Celal Bayar Üniversitesi Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi yılda iki sayı olarak yayımlanan ulusal hakemli bir dergidir. II

3 TC CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi ISSN NO: BU SAYIDAKİ HAKEM KURULU: Prof. Dr. Funda AKGÜN Prof. Dr. Hasan KÜRÜM Prof. Dr. Sacit ÖZER Yrd. Doç. Dr. Ali Murat ATEŞ Yrd. Doç. Dr. Ayhan İSTANBULLU Yrd. Doç. Dr. Mehmet Necdet YILDIZ Yrd. Doç. Dr. Metin DEMİRTAŞ Yrd. Doç. Dr. Uğur YÜZGEÇ Dergide yayınlanan tüm makaleler ve ileri sürülen görüşlerde, sorumluluk yazar ve hakemlere aittir. İletişim Adresi: Fırat TEKİN CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ Soma Meslek Yüksekokulu, Soma-Manisa /TÜRKİYE Tel: Fax: somamyo-dergi@bayar.edu.tr firat.tekin@bayar.edu.tr III

4 TC CELAL BAYAR ÜNİVERSİTESİ Soma MYO Teknik Bilimler Dergisi İÇİNDEKİLER 1- Rüzgar Parametreleri İzleme Sistemi ve Uygulaması ISSN NO: Ali Murat ATEŞ, Numan Sabit ÇETİN Yumuşak Geçişli Bir ZCT Eviricinin Karakteristikleri ve Güvenilirlik Analizi Mustafa NİL, Metin NİL, Ahmet ONDUK, Mevlüt KARAKOÇ Meslek Yüksekokulları İçin Alternatif Öneri: Yenilenebilir Enerji Teknolojisi Programı Numan Sabit ÇETİN, Kıvanç BAŞARAN Menteşe (Sütçüler-Isparta) Civarındaki Karbonat Kayaçların Fasiyes Özellikleri Ümran PEKUZ Yüz Tanıma İşlemi ile Personel Takibi Yapan Bir Yazılımın Geliştirilmesi ve Uygulaması İlhan TARIMER, Semih GENÇAY Celal Bayar Üniversitesi Soma Meslek Yüksekokulu Teknik Bilimler Dergisi Yazım Kuralları IV

5 RÜZGAR PARAMETRELERİ İZLEME SİSTEMİ VE UYGULAMASI WIND PARMETERS TRACKING SYSTEM AND ITS APPLICATION ÖZET Ali Murat ATEŞ 1, Numan Sabit ÇETİN 2 Rüzgar enerjisi kullanımını en verimli hale getirebilmek için rüzgar gücünü oluşturan parametreleri doğru ve hassas ölçmek çok önemlidir. Uygulamada bir çok rüzgar ölçüm sistemi bulunmaktadır. Bu sistemler genellikle, ölçtükleri parametrelerin dakikalık ortalamalarını alarak depolarlar. Bu çalışmada, birer saniyelik periyotlarla, rüzgar hızı, rüzgar yönü, sıcaklık, basınç ve bağıl nem verilerini ölçerek, yine birer saniyelik periyotlarla, bilgisayarda hazırlanan veri tabanına aktaran mikrodenetleyici kontrollü bir ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Sensörleri monte etmek için, ölçüm direğine, metal profillerden oluşan bir platform, IEC standardına uygun olarak tasarlanmıştır. Aynı zamanda, bilgisayarda depolanan verileri analiz edip, grafiklerini çıkaran bir bilgisayar programı hazırlanmıştır. Ölçülen tüm veriler internette bir sunucuya otomatik olarak aktarılmaktadır. Tasarımı yapılarak uygulanan ölçüm sistemi sayesinde, sistemin kurulduğu lokasyondaki rüzgar hızı, rüzgar yönü, hava yoğunluğu, hava sıcaklığı, bağıl nem, basınç değerleri ve analiz grafikleri internet erişimi bulunan herhangi bir yerden izlenebilmektedir. Anahtar Kelimeler: Rüzgar, rüzgar enerjisi, rüzgar türbini, rüzgar parametreleri, mikrodenetleyici, veri analizi ABSTRACT It is very important to measure the wind power parameters accurately and precisely in order to make the most efficient use of wind energy. In practice, there are lots of wind measurement systems. These systems usually store data by taking the average of the parameters in a minute. In this study, a microcontroller based measuring system that measures and transfers wind speed, wind direction, pressure and relative humidity data to a database prepared on a computer was designed. In order to assemble sensors, a platform on the measuring beam made up of metal profiles was designed based on IEC standards. Furthermore, a computer program that analyzes data stored in the computer and draws graphs from it is prepared. Air density (ρ) is considered constant in practice while calculating wind power. In this study, air density is calculated from measured data. All measured data are transferred to a server automatically on the internet. Thanks to the measuring system implemented by design, wind speed, wind direction, air density, air temperature, relative humidity, pressure values and analysis graphs at the location where the system was set up can be tracked at any place where there is internet access. Keywords: Wind, wind energy, wind turbine, wind parameters, microcontroller, data analysis 1 Öğr.Gör.Dr., C. B. Ü. Eğitim Fakültesi, Bil. Ve Öğr. Tek. Eğitimi Bölümü muratates1@gmail.com 2 Yard.Doç.Dr., Ege Üniversitesi, Güneş Enerjisi Enstitüsü, ncetin@rocketmail.com 1

6 1. GİRİŞ Rüzgâr enerjisi, güneş radyasyonunun yer yüzeylerini farklı ısıtmasından kaynaklanır. Yer yüzeylerinin farklı ısınması, havanın sıcaklığının, neminin ve basıncının farklı olmasına, bu farklı basınç da havanın hareketine neden olur. Güneş enerjisinin dünya yüzeyine ulaşan kısmının yaklaşık %2 si rüzgâr enerjisine çevrilir [1]. Dünya yüzeyi düzensiz bir şekilde ısınır ve soğur, bunun sonucu atmosferik basınç alanları oluşur, yüksek basınç alanlarından alçak basınç alanlarına doğru hava akışı olur ve böylelikle rüzgâr oluşur [2]. Rüzgâr enerjisinin doğada mevcut olan haline doğal potansiyel denir. Doğal potansiyelin tamamı elektrik enerjisi üretimi için kullanılamaz. Bunun bilinen teknolojik yöntemlerle elektrik enerjisine dönüştürülebilen kısmına teknik potansiyel denir. Teknik potansiyelin tamamını da kullanmak mümkün değildir. Çünkü bazı bölgelerdeki rüzgâr enerjisini elektrik enerjisine çevirmek kolay ve düşük maliyetlidir, bazı bölgelerde ise zor ve maliyeti yüksektir. Rüzgâr enerjisi teknik potansiyelinin elektrik enerjisine çevrilmesi sırasındaki maliyetinin diğer enerjilerin üretim maliyetlerine oranla daha düşük olan kısmına da ekonomik potansiyel adı verilir. Greenpeace ve Avrupa Rüzgâr Enerji Birliği tarafından 2004 yılında yayınlanan Wind Force 12 isimli rapora göre dünyadaki rüzgâr enerjisinin teknik potansiyeli 53000TWh/yıl olarak belirtilmiştir [3]. Bu çalışmada hesaplama; karasal alanlar (On-Shore) 1 km 2 lik parsellere bölünerek yerden 10m yükseklikte ve ortalama rüzgâr hızının 5m/s nin üzerinde olduğu bölgeler değerlendirmeye alınarak yapılmıştır. Çalışmada deniz alanları dikkate alınmamıştır. Oysa günümüzde denizlere de (Off-Shore) rüzgâr enerjisi çevrim santralleri kurulmakta ve kapasite faktörleri oldukça yüksek bir şekilde çalışmaktadır. Rüzgâr enerjisi teknik potansiyeli incelendiğinde dünyadaki en yüksek potansiyel 14000TWh/yıl ile Kuzey Amerika dadır. En yüksek ikinci bölge olarak ülkemizin de içinde bulunduğu Doğu Avrupa ve Rusya bölgesi ile Afrika bölgesi 10600TWh/yıl ile karşımıza çıkmaktadır (Çizelge 1). Çizelge 1. Rüzgâr Enerjisi Teknik Potansiyelinin Bölgelere Göre Dağılımı Bölge Adı TWh/yıl % Kuzey Amerika Doğu Avrupa + Rusya Afrika Latin Amerika Batı Avrupa Asya (Rusya Hariç) Avusturalya Toplam Avrupa Birliği ülkelerinin tamamının karasal alanlarını kapsayan, 2030 yılı tahmini, erişilebilecek rüzgâr enerjisi teknik potansiyeli 45000TWh/yıl, denizel alanların teknik potansiyeli de 30000TWh/yıl olarak hesaplanmıştır [4]. Karasal alanlarda kullanılacak türbinler için 80m hub (göbek) yüksekliği, denizlerde ise 120m hub yüksekliği ve kıyıdan 10 2

7 30km uzaklık düşünülerek yapılan hesaplamalarda Avrupa ülkelerine ait yılları ortalama rüzgâr verileri kullanılmıştır. Aynı rapora göre Türkiye nin karasal alanları teknik potansiyeli 1500TWh/yıl, deniz alanlarının teknik potansiyeli de 400TWh/yıl olarak tahmin edilmektedir. Türkiye de genel amaçlı rüzgâr ölçümleri Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğü (DMİ) tarafından yapılmaktadır. Ölçümler genellikle 10m yükseklikte ve birer saatlik periyotlarla alınmaktadır. Bazı istasyonlarda 30m yükseklikte ve 10 dakikalık periyotlarla da alınmaktadır. Rüzgârdan elektrik enerjisi üretmek için ayrıntılı rüzgâr potansiyel değerlendirme çalışmalarına ihtiyaç vardır. Bu sebeple rüzgâr enerjisi yönünden uygun görülen yerlere rüzgâr enerjisi gözlem istasyonları kurulup veri toplanmaya başlanmıştır yılında yapılan çalışmada DMİ istasyonlarından alınan yılları arasındaki kayıtlar değerlendirilmiş ve Türkiye nin genel rüzgâr enerjisi dağılımı belirlenmiştir. Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz kıyılarımız rüzgâr enerjisi bakımından zengin görünmektedir. DMİ Genel Müdürlüğü nün 113 istasyonunu temel alan Elektrik İşleri Etüt İdaresi Genel Müdürlüğü tarafından yapılan bir çalışmaya göre Türkiye nin ortalama rüzgâr hızı 2.5m/s, yıllık ortalama rüzgâr gücü yoğunluğu 24 W/m 2 dir. Türkiye nin rüzgâr gücü teknik potansiyeli 88000MW, ekonomik potansiyeli de yaklaşık 10000MW tır [5]. Literatürde, rüzgar hızını ölçmek amacıyla bir anemometre ve ölçülen değerleri saniyelik periyotlarla bilgisayarın seri portuna aktaran bir çalışma yapılmıştır [6]. Bu çalışmada, tasarlanan anemometre çıkışında devir sayısına bağlı olarak frekansı değişen kare dalga sinyal elde edilmiş ve frekans değeri bilgisayarın seri portuna gönderilmiştir. Bir başka çalışmada, çok noktadan rüzgar hızı ve yönünü ölçerek hem kendi içindeki EEPROM a kaydeden hem de kablosuz olarak bilgisayara aktaran bir datalogger tasarlanmıştır [7]. Bilindiği gibi rüzgar gücü; Burada; P r : Güç (Watt) ρ : Hava yoğunluğu (kg/m 3 ) A : Hava kütlesinin yüzey alanı (m 2 ) V : Hava kütlesinin hızıdır (m/s). P = 1 2 ρ A V (1) Hava yoğunluğu, 15 sıcaklıkta ve 1 atmosfer basınç altında 1,225 kg/m 3 tür. İdeal gaz kanunu; P V n R T : Mutlak basınç (atm) : Hacim (m3) : Kütle (mol) : Gaz sabiti (8, m 3.atm/ Kmol) : Sıcaklık ( K) P. V = n. R. T (2) 3

8 Bu formülde n yerine havanın moleküler ağırlığı olan 28,97g/mol yazılacak olursa; ρ( kg g n (mol). 28,97 m ) = mol. 10 (kg/g) V (m ) denklemi elde edilir. Daha sade bir ifadeyle denklemi tekrar yazarsak; (3) P. 28, ρ = R. T ifadesi elde edilir. Bu formüllere göre, havanın yoğunluğu, sıcaklık ve basınç değerlerinden hesaplanır. 2. YÖNTEM Rüzgar enerjisi kullanımını en verimli hale getirebilmek için rüzgar gücünü oluşturan $parametreleri doğru ve hassas ölçmek çok önemlidir. Uygulamada rüzgar verilerini ölçmek için bir çok ölçüm sistemi bulunmaktadır. Uygulamada kullanılan sistemler genellikle, ölçtükleri parametrelerin dakikalık ortalamalarını alarak depolarlar ve bilgisayara aktarırlar. Genellikle kayıt altına alınan verilerin çözünürlüğü 1 dakika olduğu için anlık rüzgar değişimlerini gözlemlemek mümkün olamamaktadır. Bu çalışmada tasarlanan ölçüm sistemi, birer saniyelik periyotlarla, rüzgar hızı, rüzgar yönü, sıcaklık, basınç ve bağıl nem verilerini ölçerek, yine birer saniyelik periyotlarla, bilgisayarda hazırlanan veri tabanına aktaran mikrodenetleyici kontrollü bir sistemdir. Çalışmada tasarlanan ölçüm sistemi, 5 farklı donanım ve yazılımdan oluşmaktadır. Bunlar; 1. Veri okuyucu modül 2. Sensörleri taşıyan platform 3. Verileri bilgisayara aktaran modül 4. Veri okuyucu program 5. Rüzgar Monitörü programıdır Veri Okuyucu Modül Yapılan çalışmada, rüzgâr hızı, rüzgâr yönü, sıcaklık, basınç ve nem değerleri analog çıkışlı ve kalibrasyon sertifikası bulunan sensörler kullanılarak ölçülmüştür. Sistemde; rüzgar hızını ölçmek için NRG #40C anemometre, rüzgar yönü için NRG #200P yön sensörü, sıcaklık için NRG #110S sıcaklık sensörü, basınç için NRG #BP20 basınç sensörü ve bağıl nem için RH-5 nem sensörü kullanılmıştır. Sensörler ölçüm direğinde, verileri depolayan bilgisayar ise direğe yaklaşık 80m uzaklıkta bulunan kontrol odasında olduğu için veriler, UFM-M11 RF verici/alıcı ünite üzerinden kablosuz olarak bilgisayara aktarılmıştır. Verileri okuyarak bilgisayara gönderen modülün blok diyagramı Şekil 1 de verilmiştir. (4) 4

9 Şekil 1. Veri Okuyucu Modülün Blok Şeması Bu modül, 8 adet analog çıkışlı sensör ve 1 adet düşük genlikli (0 1V) sinüs sinyal okuyacak şekilde tasarlanmıştır. Rüzgâr hız sensörünün çıkışı düşük genlikli sinüzoidal sinyaldir. Rüzgâr hızına bağlı olarak anemometrenin ürettiği sinyalin frekansı değişmektedir. Bu sebeple rüzgâr hız sensörü çıkışındaki sinyal bir Schmitt-Trigger devresi yardımıyla 0-5V arası kare dalgaya çevrilir. Bu kare dalga sinyal mikrodenetleyicinin harici interrupt girişine uygulanarak frekansı ölçülmüştür. Rüzgar yönü, sıcaklık, basınç ve nem sensörleri de 16F877 mikrodenetleyicisinin 4 adet analog sinyal girişlerine bağlanmıştır. Diğer analog girişleri de ileride olası başka sensörler bağlanabilecek şekilde boşta bırakılmıştır. Modülün montajdan sonraki resmi Şekil 2 deki gibidir. Şekil 2. Veri Okuyucu Modülün Resmi Modülde kullanılan 16F877 entegresi 20MHz hızda çalışmaktadır. Tasarlanan sistemin verileri düzenli aralıklarla ve eksiksiz okuması önemli olduğu için 16F877 mikrodenetleyicinin kendi içindeki TIMER 0 zamanlama ünitesi aktif olarak kullanılmıştır. 16F877 mikrodeneteleyicide çalışan program sonsuz döngü şeklinde sürekli olarak sensörlerin çıkışlarındaki analog verileri okumaktadır. 5

10 Veri okuyucu sistem kendi başına herhangi bir sinyal göndermez. Sistemin okuduğu verileri alabilmek için bilgisayardan gönderilen kodlu RF sinyal ile uyarılması gerekir. Alıcı bilgisayardan birer saniyelik periyotlarla gönderilen kodlu uyarı sinyali, modülün kendi içindeki dizide sakladığı verileri RF sinyal ile bilgisayara göndermesini sağlamaktadır Sensörleri Taşıyan Platform Veri okuyan modül girişindeki meteorolojik sensörleri bağlamak için, ölçüm direğine, metal profillerden oluşan bir platform, IEC standardına uygun olarak tasarlanmıştır. Bu platformun tasarımı sırasında çekilen bir resim Şekil 3 te görülmektedir. Şekil 3. Sensörleri Bağlamak İçin Tasarlanan Platform Meteorolojik ölçüm sistemi, Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü bahçesinde bulunan 5kW lık otonom rüzgar türbininin bulunduğu direğe 12m yüksekliğe monte edilmiştir. Tasarlanan platformun montajdan önceki resmi Şekil 4 te görülmektedir. Şekil 4. Meteorolojik Sensörleri Taşıyan Platform 6

11 2.3. Verileri Bilgisayara Aktaran Modül Veri okuyucu modül ile RF sinyaller üzerinden haberleşmek ve sensörlerden okunan verileri bilgisayarın RS 232 seri portuna aktarmak için bir modül tasarlanmıştır. Bu modülün blok diyagramı Şekil 5 de ve fotoğrafı Şekil 6 da verilmiştir. Şekil 5. RF Alıcı Devre Blok Diyagramı 2.4. Veri Okuyucu Program Şekil 6. RF Alıcı Modül Veri okuyucu modüldeki ölçümleri bilgisayara alabilmek için Veri Okuyucu adı verilen bir bilgisayar programı tasarlanmıştır. Program Delphi programlama dili ile yazılmıştır. Veri tabanı olarak da MSSQL Server kullanılmıştır. Programın ekran görüntüsü Şekil 7 de verilmiştir. Program, birer saniyelik aralıklarla, veri aktarma modülüne gerekli olan kodlanmış sinyali gönderir. Sinyali alan modül, kendi hafızasında saklamış olduğu verileri bilgisayara gönderir. Bu sayede veriler düzenli bir şekilde bilgisayara aktarılmış olmaktadır. Şekil 7. Veri Okuyucu Programı 7

12 2.5. Rüzgar Monitörü Programı Veri tabanında depolanan verileri analiz etmek amacıyla Rüzgar Monitörü adında bir program Delphi programlama dili kullanılarak yazılmıştır. Program sayesinde, ölçülen meteorolojik verilerin saatlik, günlük ve aylık ortalamalardan elde edilen grafikleri görüntülenebilmektedir. Programın giriş ekran görüntüsü Şekil 8 de verilmiştir. Şekil 8. Rüzgar Monitörü Programı 2,5MB lık boyutu olan programı taşınabilir bellekte ya da mail adresinde saklamak mümkündür. Bu sayede program taşınarak, sistemde kayıtlı olan veriler, internet erişim olan her yerden izlenebilmektedir. 3. BULGULAR Çalışmada, tarihi ile tarihleri arasında, 12m yükseklikte bulunan sensörler tarafından okunarak bilgisayara aktarılan veriler birer saniyelik periyotlarla kayıt altına alınmıştır. Kayıtlardan günlük bir örnek olması amacıyla tarihi rastgele seçilmiştir. Bu tarihteki saat 10:00:00 ile 11:59:59 arasındaki saniyelik rüzgar hızı değişimi Şekil 9 da verilmiştir. Şekil 9. Saniyelik Rüzgar Hızı Değişimi 8

13 Grafikte istenilen yerler farenin sol tuşu ile seçilerek büyütülebilmekte ve rüzgar hız değişimleri daha detaylı olarak incelenebilmektedir. Grafiğin bir bölgesi büyütüldüğünde elde edilen görüntü Şekil 10 da verilmiştir. Şekil 10. Grafiğin Büyütüldükten Sonraki Görüntüsü Genellikle rüzgar verileri değerlendirilirken saatlik ortalamalar kullanıldığı için buradan sonraki veriler saatlik ortalamalar olarak hesaplanmıştır tarihindeki günlük rüzgar hızı grafiği Şekil 11 de ve hava yoğunluğu grafiği Şekil 12 de verilmiştir. Şekil 11. Rüzgar Hızı Grafiği 9

14 Şekil 12. Hava Yoğunluğu Grafiği Grafiklerden görüldüğü gibi gün içerisinde rüzgar hızı saatlik ortalaması 4.4m/s ye yükselebildiği gibi, 0m/s ye de düşebilmektedir. Aynı şekilde hava yoğunluğu da gün içerisinde değişiklik göstermektedir. Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü bahçesinde, ölçümlerin başladığı tarihinden itibaren kaydedilen verilerden hesaplanan aylık ortalama rüzgar hızları grafiği Şekil 13 de verilmiştir. Grafikte 2012 Nisan ayına ait veriler ilk 11 günü içermektedir. Yaklaşık 9 aydır kaydedilen verilere göre, adı geçen bölgenin 12m yükseklikteki rüzgar hızı ortalamasının 2.79m/s olduğu görülmektedir. Şekil 13. Aylık Ortalama Rüzgar Hızları 10

15 Aynı lokasyondaki aylık ortalama hava yoğunlukları incelendiğinde; Eylül ayından itibaren başlayan serin ve yağmurlu hava sebebiyle yoğunluk artmaya başlamış Şubat ayında en yüksek değere ulaştıktan sonra havaların ısınmaya başlaması sebebiyle tekrar düşmeye başladığı Şekil 14 den görülmektedir. Şekil 14. Aylık Ortalama Hava Yoğunluğu Esme sayılarına göre rüzgar yönleri grafiğine bakıldığında bölgenin hakim rüzgar yönünün Doğu Kuzey Doğu olduğu görülmektedir. Bölge, yıl içerisinde uzun süreli olmamakla beraber, Batı Güney Batı yönünden de rüzgar almaktadır (Şekil 15). Şekil 15. Esme Sayılarına Göre Rüzgar Yönleri Grafiği 11

16 Veriler radar grafiğine çevrildiğinde bölgenin rüzgar dağılım grafiği Şekil 16 daki gibi görülmektedir. Şekil 16. Rüzgar Yönleri Radar Grafiği Grafiklerde, rüzgar yönleri için kullanılan kısaltmaların açılımları Tablo 1 de verilmiştir. 4. SONUÇLAR Tablo 1. Rüzgar Yönleri ve Kısaltmaları Rüzgar Yönü Kısaltma Kuzey K Kuzey - Kuzey Doğu KKD Kuzey Doğu KD Doğu - Kuzey Doğu DKD Doğu D Doğu - Güney Doğu DGD Güney Doğu GD Güney - Güney Doğu GGD Güney G Güney - Güney Batı GGB Güney Batı GB Batı - Güney Batı BGB Batı B Batı - Kuzey Batı BKB Kuzey Batı KB Kuzey - Kuzey Batı KKB Bu çalışmada, birer saniyelik periyotlarla, rüzgar hızı, rüzgar yönü, sıcaklık, basınç ve bağıl nem verilerini ölçerek, yine birer saniyelik periyotlarla, bilgisayarda hazırlanan veri tabanına aktaran mikrodenetleyici kontrollü bir ölçüm sistemi tasarlanmıştır. Benzer bir çalışmada, rüzgar hızını ölçmek amacıyla bir anemometre ve ölçülen değerleri saniyelik periyotlarla bilgisayarın seri portuna aktaran bir çalışma yapılmıştır [6]. Bu çalışmada, tasarlanan anemometre çıkışında devir sayısına bağlı olarak frekansı değişen kare dalga sinyal elde edilmiş ve frekans değeri bilgisayarın seri portuna gönderilmiştir. Bir başka çalışmada, çok noktadan rüzgar hızı ve yönünü ölçerek hem kendi içindeki EEPROM a 12

17 kaydeden hem de kablosuz olarak bilgisayara aktaran bir datalogger tasarlanmıştır [7]. Bu sistem de rüzgar hızını ve yönünü ölçerek bilgisayara aktarmaktadır. Her iki çalışmada da rüzgar gücünü etkileyen sıcaklık ve basınç değerlerini ölçmemektedir. Uygulaması yapılan çalışmada, bilgisayarda depolanan verileri analiz edip, grafiklerini çıkaran bir bilgisayar programı da hazırlanmıştır. Ölçülen tüm veriler internette bir sunucuya otomatik olarak aktarılmaktadır. Hazırlanan ölçüm sistemi sayesinde, sistemin kurulduğu lokasyondaki rüzgar hızı, rüzgar yönü, hava yoğunluğu, hava sıcaklığı, bağıl nem, basınç değerleri ve analiz grafikleri internet erişimi bulunan herhangi bir yerden izlenebilmektedir. Kurulan ölçüm sisteminde kullanılan tüm sensörler kalibrasyon sertifikalıdır. Sensörleri yerleştirmek için tasarlanan platform da IEC standardına uygun olarak tasarlanmıştır. Kurulumu yapılan sistem sayesinde Ege Üniversitesi Güneş Enerjisi Enstitüsü bahçesinde 12m yükseklikte rüzgar hızları, rüzgar yönleri ve bölgenin hava yoğunluğu değerleri kayıt altına alınmıştır ile tarihleri arasında yapılan ölçümlerden bölgenin ortalama rüzgar hızının 2.79m/s ve ortalama hava yoğunluğunun 1.15kg/m 3 olduğu tespit edilmiştir. İzmir de bulunan İzmir İleri teknoloji Enstitüsü kampüsünde yapılan ölçümlerde ortalama rüzgar hızı 10m yükseklikte 7.03m/s ve 30m yükseklikte 8.14m/s olarak ölçülmüştür [8]. İzmir de seçilen istasyonlardan hesaplanan ortalama rüzgar hızı 10m yükseklikte 5.52m/s, 30m yükseklikte 6.49m/s ve 50m yükseklikte 7.29m/s olarak bulunmuştur [9]. Ege bölgesinin ortalama rüzgar hızı ise 2.6m/s olarak bulunmuştur [10]. Bölgede iki hakim rüzgar yönü görülmektedir. Bunlar 1811 saat esme sayısı (%27) ile Doğu Kuzey doğu, 1692 saat (%26) ile Kuzey Doğudur. Kaydedilen en yüksek saatlik ortalama rüzgar hızı 12.74m/s ile :00 11:00 saatleri arasındadır. En yüksek saatlik ortalama hava yoğunluğu da 1.23kg/m 3 ile :00 10:00 saatleri arasındadır. 13

18 5. KAYNAKLAR [1]. A. Nayir ve R. Pecen, Yenilenebilir Enerji Sistemleri Gözlemleme ve Uygulama Laboratuarı, Elektrik-Elektronik Bilgisayar Sempozyumu (FEEB 2011) Bildiriler kitabı, Elazığ, [2]. Elektrik İşleri Etüd İdaresi, Rüzgar Enerjisi Çalışmaları, Çevrimiçi, 04 Ağustos 2011 tarihinde erişilmiştir. [3]. Greenpeace, A Blueprint To Achieve 12% Of The World's Electricity From Wind Power By 2020, European Wind Energy Association (EWEA), [4]. European Environment Agency (EEA), Europe's Onshore And Offshore Wind Energy Potential, European Environment Agency Technical Report No 6, Copenhagen, [5]. Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi, Türkiye Enerji Raporu, Dünya Enerji Konseyi Türk Milli Komitesi, Ankara, [6]. A. Kazdaloğlu, Rüzgar Hızı Ölçme-Kaydetme Cihazı Tasarımı ve Rüzgar Santrallerinde Kullanılması, Yüksek Lisans Tezi, Kocaeli Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Kocaeli, [7]. H. Can, Multi Point Wind Speed and Direction Measurement and Data Logging of Remote Sites Using Microcontrollers, Yüksek Lisans Tezi, Gaziantep Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Gaziantep, [8]. B. Özerdem ve M. Türkeli, An investigation of wind characteristics on the campus of Izmir Institute of Technology, Turkey, Renewable Energy, no. 28, p , [9]. A. Uçar ve F. Balo, Assessment of wind power potential for turbine installation in coastal areas of Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, no. 14, p , [10]. E. Erdoğmuş, On the wind energy in Turkey, Renewable and Sustainable Energy Reviews, no. 13, p ,

19 YUMUŞAK GEÇİŞLİ BİR ZCT EVİRİCİNİN KARAKTERİSTİKLERİ VE GÜVENİLİRLİK ANALİZİ Mustafa NİL 1, Metin NİL 2, Ahmet ONDUK 3, Mevlüt KARAKOÇ 4 ÖZET Bu çalışmada, anahtarlama kayıplarının yok edilmesi amacıyla geliştirilen yumuşak geçiş teknikleri 1-fazlı h-köprü eviriciler için incelenmiştir. Bu amaçla Micro-Cap Guap programında sistemin simülasyonu her bir yumuşak anahtarlama tekniği için ( ZCT - Sıfır Akım Geçiş), ayrı ayrı gerçekleştirilerek karşılaştırması yapılmıştır. Ayrıca, yumuşak anahtarlama teknikleriyle oluşturulan ZCZVT(Sıfır Akım Sıfır Sıfır Gerilim Geçiş) evirici devresi için Relex programı yardımıyla güvenirlik analizi gerçekleştirilmiş ve sonuçları irdelenmiştir. Anahtar Kelimeler: PWM, anahtarlama kaybı, güvenilirlik analizi yumuşak anahtarlama, ZCT, MTBF, ABSTRACT In this study, the soft switching techniques developed for 1-phase H-bridge inverters are examined to minimize the switching losses. For this purpose, with the Micro- Cap Guap simulation program, the system for each soft-switching technique (ZCT - Zero Current Switch), were separately tested for performing comparison system. Furthermore, soft-switching techniques for ZCZVT inverter circuit created by Relex software reliability analysis was performed and results were discussed. Keywords: PWM, switching loss, soft-switching, ZCT, MTBF, reliability analysis. 1. GİRİŞ Gün geçtikçe artan elektrik enerjisi ihtiyacı nedeniyle azalan fosil yakıtlara alternatif olan ve çevreye karşı daha duyarlı yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımına yönelik birçok araştırmalar yapılmaktadır. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en bilinenlerinden rüzgâr ve güneş enerjisi sistemlerinde elde edilen gerilim doğru gerilimdir. Elde edilen doğru gerilimin şebekeye bağlanabilmesi ve alternatif yüklerde kullanılabilmesi için alternatif gerilime dönüştürülmesi gerekir. Bu amaçla eviricilerden yararlanılır. Eviriciler; doğru gerilimi alternatif gerilime dönüştüren, içerisinde güç elektroniği yarı iletken anahtarlama elemanlarının bulunduğu yapılardır. Anahtarlama elemanlarında anahtarlama nedeniyle oluşan kayıplar frekansın artmasıyla artar. Bir diğer olumsuzluk ise anahtarlamada oluşan yüksek gerilim ve akım değişimlerinden dolayı meydana gelen elektromanyetik girişimler (EMG)' dir. Bütün bu nedenlerle anahtarlama kayıplarının azaltılması gerekir. Bu amaçla bastırma hücrelerinden oluşan çeşitli yumuşak anahtarlama teknikleri tasarlanmıştır. Temel olarak anahtarlama kayıpları, anahtarlama esnasındaki akım ve gerilimin üst üste binme 1 Elektrik-Elektronik Müh. Böl., Celal Bayar Üniv., Manisa, mustafanil@hotmail.com 2 AR-GE Dep.VESTEL Elektronik, Manisa-Türkiye, metin.nil@vestel.com.tr 3 Elektrik-Elektronik Müh. Böl., Celal Bayar Üniv., Manisa, ahmet.onduk@cbu.edu.tr 4 Teknik Eğitim Fakültesi., Kocaeli Üniv., Kocaeli Türkiye, mevlutkaracor@gmail.com 15

20 enerji kaybı, diyodun ters toparlanma enerji kaybı ile parazitik kondansatörün deşarj enerji kaybından oluşur. Genel olarak yumuşak anahtarlama teknikleri, Sıfır Akımda Anahtarlama (ZCS), Sıfır Gerilimde Anahtarlama (ZVS), Sıfır Akımda Geçiş (ZCT) ve Sıfır Gerilimde Geçiş (ZVT) ile anahtarlama şeklinde sıralanabilir Bastırma hücrelerinin gelişmişlik açısından sınıflandırılması Şekil 1 de verilmiştir. Eviricilerde yumuşak anahtarlama teknikleri yük rezonanslı, hat rezonanslı ve rezonans geçişli devrelere uygulanır [1][13][14]. Şekil 1. Bastırma Hücrelerinin Gelişmişlik Açısından Sınıflandırılması [14] Yük rezonanslı eviricilerde rezonans hücresi yük tarafına seri, paralel ya da seri - paralel bağlanır. Sabit yüklü uygulamalar da görülür. ZVS (Sıfır Gerilimde Anahtarlama) ve ZCS (Sıfır Akımda Anahtarlama) durumları, evirici köprüsündeki anahtarlar için uygulanır. Çalışmanın rezonans kısmı anahtarlama periyodunda görülür. Hat rezonanslı eviricilerde, rezonans hücresi DC besleme ve evirici köprüsü arasına bağlanır. Giriş hattı, güç elemanının anahtarlama durumuna göre salınım yapar. Rezonans geçişli eviricilerde giriş hat gerilimi gerilim ara devreli (VSI: Voltage Source Inverter ) veya akım ara (CSI: Current Source Inverter) devrelidir. PWM yöntemi ve yumuşak anahtarlama teknikleri bu eviricilerde de kullanılmaktadır. Yardımcı hücre, evirici anahtarlarının yumuşak geçişini sağlamak amacıyla, sadece anahtarlama geçiş periyotlarında çalıştırılır. Yumuşak anahtarlı yüksek frekanslı klasik PWM temelli evirici yapısı Şekil 2 de verildiği gibidir [1][13]. Şekil 2. Tek fazlı yardımcı komütasyon hücreli evirici 16

21 Komütasyon hücresi aşırı akım ve gerilim salınımlarının ( di/dt ve dv/dt ) azalmasını sağlar. Oluşan rezonansla elektromanyetik girişimin etkisi düşerken anahtarlama stresleri en az seviyeye indirgenir. ZVS li kısmi rezonanslı eviricinin en büyük dezavantajı akım stresleri, ZCS li kısmi rezonanslı eviricide ise düşük akım oranlarına karşın yüksek gerilim oranlarına sahip olmasıdır. Rezonans bastırma temelli eviricilerde ana anahtarlar (GTO veya IGBT gibi kendinden sönümlü anahtarlarla) ZVS de, yardımcı anahtarlar ise ZCS de çalışmaktadır. Yardımcı rezonans komütasyonlu kutuplu evirici (ARCPI: Auxiliary Resonant Commutated Pole Inverter) ile hedef, rezonans endüktansının ana güç hattından uzaklaştırılmasıdır. Rezonans geçişli eviricilerin temelinde ise (ZVT, ZCT, ZCZVT eviricileri) ARCPI yer almaktadır [1][13]. 2. YUMUŞAK GEÇİŞLİ (ZCT, ZVT) EVİRİCİLERİN İNCELENMESİ 2.1. Yumuşak Geçişli ZVT Eviriciler ZVT' li rezonans geçişli eviricilerin en önemlilerinden bir tanesi Şekil 3 de verilen ZVT eviricisidir. ZVT eviricilerin çalışma topolojisinde, ana anahtarlar sıfır gerilim geçişlerinde yardımcı anahtarlar ise sıfır akım geçişlerinde anahtarlanır. Yardımcı rezonans hücresi yük akımına bağlı olmadığı anlarda kondansatörlerin dolma boşalma zamanlarında etkili olur. Ana anahtar için IGBT kullanılarak kesimdeki yüksek anahtarlama kayıpları azaltılır [1]. C F1 S 1 D 1 S A2 S A1 C R1 E L R i 0 C F2 D A2 D A1 S 2 D 2 C R2 Şekil 3. Yumuşak geçişli ZVT evirici [1] Yardımcı rezonans hücresinde değişiklikler yapılarak yeni rezonans hücresi oluşturmak mümkündür. Transformatörün gerilim oranından ötürü akım aşırı dalgalanmayabilir. Yardımcı anahtarlar sıfır akım durumu dışında kesimdedir ve transformatörün yapısından ötürü komütasyon süresi sınırlanır. Tek fazlı ZVT li eviricilerde kublajlı endüktanslar oldukça kullanışlıdır [1]. Aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisi [2] ve benzetim devresi Şekil 4 te, bu eviricinin ana anahtar akım gerilim ilişkisine ait benzetim sonucu ise Şekil 5 de verilmiştir. 17

22 Şekil 4. Aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisi [2] ve Benzetim Devresi Şekil 5. Aktif yardımcı rezonans hücreli ZVT eviricisinin [2], ana anahtar akım gerilim ilişkisi 18

23 2.2. Yumuşak Geçişli ZCT Eviriciler Bu eviricilerde yardımcı rezonans hücresi yük akımı varken komütasyona geçirilir. Ana anahtarlar ZCS altında çalıştırılır. Yumuşak geçişli ZCT evirici Şekil 6 da verilmiştir. Bu eviricilerde tüm anahtarların komütasyonu sıfır akım geçişlerinde gerçekleştirilir [1]. Bu gruptaki yumuşak anahtarlamalı eviriciler, dönüştürücü içerir. Yardımcı komütasyon devresinde, ana anahtarlara ZCS sağlayan komütasyonlar süresince yük akımlarının bulunduğu varsayılır. Bu yumuşak anahtarlama topolojisinde, bütün anahtarlar sıfır akım (ZCS) değerinde konum değişimi gerçekleştirmektedir [1]. Anahtarlama stratejisine bağlı olarak bu devre farklı şekillerde çalıştırılabilir. ZCT ve ZC-NZVT bunlardan ikisidir. ZCT eviricilerinde ana anahtarlar iletimdeyken ortaya çıkan gerilim, kapasitif iletim kayıplarıdır [1]. ZCT topolojilerinde, ana anahtarların kapatılması, kapama kapasitif kayıpları olarak bilinen ve kayıplara yol açan, cihaz uçlarında gerilim varken gerçekleşir. Ek olarak, geri kazanım problemlerini tersleyici ana diyotların yan etkileri, minimize edilemez. ZCT topolojilerinin diğer bir dezavantajı ise ana anahtarlar, yardımcı devre akımı tam çıkış akım değerine ulaşınca kapatılması şartıdır [1]. S 1 D 1 S A2 D A2 E C R L R i 0 S 2 D 2 S A1 D A1 Şekil 6. Yumuşak geçişli ZCT evirici [1] Ana diyotun ters toparlanma kayıpları ile ilgili problem istenilen seviyede değildir. Yardımcı anahtarlar çıkış gerilim seviyesine ulaştığı anda, ana anahtarlar o anda hemen iletime girmelidir. Buradan çıkış akımının anlık değerine bağlı olduğu sonucu ortaya çıkar, bu da daha karmaşık bir devreyi gerektirir [1]. Yumuşak geçişli ZCT eviricinin ana anahtar akım gerilim ilişkisinin benzetimi Şekil 7 de verilmiştir. 19