Güneş Enerjisi İle Çalışan PLC Kontrollü Su Pompası Sistem Tasarımı

Transkript

1 Güneş Enerjisi İle Çalışan PLC Kontrollü Su Pompası Sistem Tasarımı Muhsin T. GENÇOĞLU 1, Mehmet CEBECİ 1 ve Murat GÜNEŞ 2 1 Fırat Üniversitesi Müh. Fak. Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü, 23279, Elazığ mtgencoglu@firat.edu.tr, mcebeci@firat.edu.tr 2 Türk Telekom A.Ş. Beyoğlu-İstanbul gunesmurat@hotmail.com ÖZET Bu çalışmada; Doğu Anadolu Bölgesindeki güneş enerjisi potansiyelini değerlendirmek amacıyla, küçük güçlü tüketicilerin beslenmesinde fotovoltaik sistemlerin kullanılması incelenmiştir. Bu sistemlerin besleme sürekliliği açısından problem olması ihtimaline karşı PLC yardımıyla kontrol edilen yedek enerji kaynaklarından yararlanılması amaçlanmıştır. Ayrıca bölgede fotovoltaik bir kaynaktan beslenen su pompalama sistemlerinin kullanım imkanları araştırılarak, bu konuda bilgi birikiminin sağlanması hedeflenmiştir. Anahtar Kelimeler: Güneş Enerjisi, Güneş Pili, Fotovoltaik Sistem, PLC, Su Pompası. ABSTRACT In this study, the usage of photovoltaic systems which was nourished in small power consumers was investigated in the aim of evaluation of solar energy potential in the East Anatolia Region. It was considered to use spare energy sources with PLC control in the case of possibility of problems occurring in the nourishment continuity of these systems. In addition, it was aimed to provide knowledge about this subject with investigating opportunity of usage of water pump systems which nourish from a photovoltaic source in our region. Key Words: Solar Energy, Solar Cell, Photovoltaic System, PLC, Water Pump. 1.GİRİŞ Bugün Türkiye de tarımsal sulama; elektrik, mazot veya petrol gibi konvansiyonel enerji kaynakları ile çalışan su pompaları kullanılarak yapılmaktadır. Elektrik olmayan veya elektrik götürülmesi güç ve pahalı olan tarımsal alanlarda, mazot ve petrol pompaları kullanılmaktadır. Bu tip sistemler daimi günlük bakım isterler ve ancak suyu bol olan yerlere değil, ulaşımı kolay olan yerlere kurulabilirler. Güneş enerjisi ile çalışan su pompası sistemleri ise günlük bakım istemedikleri gibi arzu edilen herhangi bir yerde, bol güneş olması şartı ile kurulabilirler. Bu tip pompaların ilk kuruluş masrafları yüksek olmasına rağmen, yakıt ve bakım ihtiyaçları olmadığından kısa zamanda ekonomik duruma geçerler.

2 Bu çalışmada öncelikle Elazığ yöresine ait, aylara göre günlük ortalama güneş enerjisi miktarları ile bölgedeki günlük ve haftalık elektrik enerjisi tüketimleri belirlenmiştir. Ortalama fotovoltaik akım ihtiyacı, gerekli fotovoltaik levha sayısı, gerekli levha sayısı, regülatör ve inverter akım ve gerilim değerleri gibi büyüklükler C++ programlama dili yardımıyla hesaplanmıştır. Ayrıca güç sistemi organizasyonu için gerekli otomasyon programı hazırlanarak bir PLC kullanılmıştır. 2. GÜNEŞ PİLİ SİSTEMLERİ Güneş pilleri, üzerine güneş ışığı düştüğünde, güneş enerjisini doğrudan elektrik enerjisine çeviren elektronik düzeneklerdir. Güneş pilinin üstünlükleri şu şekilde sıralanabilir. Güneş enerjisini elektrik enerjisine %25 gibi yüksek bir verimle çevirir. Sınırsız çalışma ömrüne sahiptir. Fabrikasyon üretimi kolaydır. Çıkış gücü/ağırlık oranı yüksektir. Temiz bir enerji kaynağıdır. Güneş pilinin kötü yanları ise şunlardır. Pahalıdır. Birçok uygulamada büyük depolama elemanına ihtiyaç gösterir (Özellikle geceleri ve bulutlu havalarda). Çok fazla güneş ışığı alan bölgelerde yüksek sıcaklık nedeniyle verim düşer (1). Bir fotovoltaik pilin üretmiş olduğu gerilim 0.6 volt civarındadır. Güneş pilleri seri olarak bağlanır ve fotovoltaik modülleri oluştururlar. Tipik bir modül 20 tane pilin bağlanması ile açık güneşli bir havada 12 volt, 10 amper yani 120 watt elektrik üretebilir. Modüller, elde edilen gerilimi artırmak için seri, akımı artırmak için ise paralel olarak bağlanırlar. Güneş pili modülleri uygulamaya bağlı olarak, akümülatörler, inverterler, akü şarj kontrol cihazları ve çeşitli elektronik destek devreleri ile birlikte kullanılarak bir güneş pili sistemi (PV sistem) oluştururlar. Bu sistemler, özellikle yerleşim yerlerinden uzak, elektrik şebekesi olmayan yörelerde, generatöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda kullanılırlar. Güneş pili sistemlerinin ilk yatırım maliyetinin fazla olması, bugünkü şartlarda elektrik şebekesinin olduğu yerlerde kullanılmalarını ekonomik yönden sınırlamaktadır (2).

3 3. GÜNEŞ ENERJİLİ SU POMPALAMA SİSTEMİ VE TASARIMI Güneş enerjisi ile çalışan su pompalama sistemlerinin diğer pompalama sistemlerine göre, bakım istemeden kendi başına çalışmaları, yakıt gerektirmemeleri ve uzun ömürlü olmaları gibi önemli üstünlükleri vardır. Bu sistemlerin kötü yanları ise, sistem kuruluş fiyatının yüksek oluşu ve pompalanan su miktarının güneşe bağlı oluşudur (3). Şekil 1 de güneş enerjisi ile çalışan tipik bir su pompalama sistemi gösterilmiştir. Fotovoltaik Modüller Su Deposu Güç kontrol cihazı H d Sulama sistemine H s Statik su seviyesi H y H k H p Su Pompası Şekil 1. Güneş enerjisi ile çalışan tipik bir su pompası sistemi. Güneş enerjisi ile çalışan tarımsal sulama sistem tasarımı yaparken aşağıdaki üç faktörün önceden hesaplanması veya tahmin edilmesi gerekir. 1) Suyun pompalanacağı toplam yükseklik 2) Günlük su ihtiyacı 3) Bölgedeki ortalama güneş enerjisi

4 3.1 Suyun Pompalanacağı Toplam Yükseklik Toplam yükseklik, pompanın kuyu içerisindeki derinliğine, su yüzeyinin derinliğine ve deponun yüksekliğine bağlıdır. Su yüzeyinin derinliği genellikle mevsime göre ve kuyudan su çekildikçe düşer. Su derinliğinde büyük değişiklik olması bekleniyorsa ortalama yüksekliği almak gerekir. Toplam yükseklik aşağıdaki formülden hesaplanabilir: H = H d + H y + H p (1) Burada H toplam yükseklik, H d deponun yerden olan yüksekliği, H y su yüzeyinin derinliği ve H p pompanın su içerisindeki derinliğidir. Su yüzeyinin derinliği H y ise, H y = H s + H k (2) olarak gösterilebilir. H s suyun mevsime bağlı olarak değiştiği statik derinliği ve H k kuyudan su çekildikçe su derinliğidir. Kuyudan su çekmek için gerekli olan hidrolik enerji aşağıda gösterildiği gibi hesaplanabilir. E = ρ gvh (3) Burada, E gerekli olan hidrolik enerji (Watt-saat/gün), ρ su yoğunluğu (1001 kg/m 3, 20 0 C sıcaklıkta), g yerçekimi ( m/s 2 ), V pompalamak istediğimiz toplam su hacmi (m 3 /gün) ve H suyu pompaladığımız toplam yüksekliktir (m). Denklem 3 e sabit değerler yerleştirilerek E= VH (4) bulunur. Enerji normal olarak kws/gün olarak hesaplanır. Denklem 4 ü aşağıdaki gibi yazabiliriz. E= VH (5) Burada, E, V kadar hacimde suyu günde H kadar toplam bir yüksekliğe pompalamak için gerekli olan hidroelektrik enerjinin kws/gün olarak değeridir. 3.2 Günlük Su İhtiyacı Tarımsal sulamada günlük su ihtiyacı; ekili alanın büyüklüğü, ekinin günlük su ihtiyacı, mevsim ve hava durumu (yağmur, sıcaklık ve güneşlenme miktarı), toprağın özellikleri gibi faktörlere bağlıdır.

5 3.3 Fotovoltaik Pil İhtiyacı Gerekli olan fotovoltaik pil ihtiyacını hesaplamak için, sistemi kuracağımız bölgedeki ortalama güneş enerjisi dağılımını bilmek veya tahmin etmek gerekir. Genellikle gerekli olan bu bilgi bölgeye en yakın olan meteoroloji istasyonundan elde edilebilir. Günlük ortalama güneş enerjisi miktarını I (kws/m 2 /gün) ile gösterirsek, gerekli olan fotovoltaik enerji kw olarak aşağıdaki formül ile hesaplanabilir. P= VH (6) I Güneş enerjisi ile çalışan su pompası sistemlerinin verimleri %30 civarındadır. Sistem verimini η ile gösterirsek, denklem (6) aşağıdaki gibi yazılabilir. P= ηi VH (7) Gerekli olan fotovoltaik enerji miktarını aylık değerler olarak hesaplamak daha uygundur. Bu durumda, i ayı için gerekli günlük enerji şu şekilde hesaplanabilir. P i = V ηi i H i (8) i Toplam yıllık fotovoltaik elektrik enerjisi ihtiyacı ise, P= VHN i i i (9) η i= 1 Ii olarak hesaplanabilir. Burada N i, i ayı içerisindeki gün sayısıdır (1). 4. UYGULAMA 4.1 Tasarım Bilgileri ve Hesaplamalar Bir PV sistem tasarımını yapabilmek için önce, olarak sistemin kurulacağı bölgedeki aylara göre dağılmış, metre kareye düşen ortalama günlük güneş enerjisini bilmek gerekir. Bu bilgi normal olarak bölgeye en yakın olan meteoroloji istasyonundan elde edilebilir. Daha sonra, sistemin kurulacağı yerdeki elektrik tüketimini hesaplamak gerekir. Bunun için kullanılacak olan elektrikli cihazların enerji harcamaları (güç harcamaları ve kullanım zamanları) bilinmelidir.

6 Bu çalışmada, aylık enerji eşitliği esas alınmış ve Bölüm 3 de verilen eşitlikler kullanılarak güneş enerjisi ile çalışan bir su pompalama sistemi tasarlanmıştır. Sisteme ait veriler Tablo 1 ve Tablo 2 de gösterilmiştir. Tablo 1. Örnek sistem tasarımı. Aylar Yüksek. Ekili Alan Gerekli Su Gerekli su Güneş Enerjisi PV piller (metre) (hektar) (m 3 /gün/hek.) (m 3 /gün) (kws/m 2 ) (kw) Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Tablo 2. Pompalanacak ve depo edilecek olan su miktarları. Aylar İstenilen Su Pompalanan Depo edilecek (m 3 /gün) su (m 3 /gün) su (m 3 /gün) Ocak Şubat Mart Nisan Mayıs Haziran Temmuz Ağustos Eylül Ekim Kasım Aralık Fotovoltaik sistemin tasarımı için geliştirilen bilgisayar programı C++ dilinde yazılmıştır. Programın giriş ve çıkışları Şekil 2 de gösterilmiştir. Program, Elazığ daki aylık güneş enerjisi verilerini Energy.dat isimli bir dosyadan okur. Kullanılacak olan elektrikli cihazların enerji harcamaları, batarya ve fotovoltaik levha özellikleri klavyeden girilir. Program, tasarımı gerçekleştirdikten sonra sonuçları bir dosyada saklayarak rapor halinde verir.

7 Şekil 2. Program giriş ve çıkışları. 4.2 PLC İle Kontrol ve Kumanda Güçleri farklı üç yükün, üç kaynak tarafından beslenmesi için PLC ile organize edilen uygun bir çalışma sistemi tasarlanmıştır. Yüklerin beslenmesinde öncelik sırası, aciliyet durumuna göre veya isteğe bağlı olarak belirlenmekte ve buna göre de kaynakların devreye giriş çıkışı PLC yardımıyla gerçekleştirilmektedir. Şekil 3, sistemin yapısını göstermektedir. Şekilde AI analog giriş, DI dijital giriş, DO dijital çıkış, IA akım transmitteri,ub, UK1, UK2, UK3 gerilim transmitterleri ve DGI devreye giriş isteğidir. Y1 DGI Y2 DGI Y3 DGI PLC DO PLC DI Kaynak_ 1 UK1 Y1 Y2 Y3 ALICI REGÜLATÖR Kaynak_2 UK2 Kaynak_ 3 UK3 BATARYA IA UB PLC AI PLC DO Şekil 3. PLC ile kontrol ve kumanda.

8 Bu sistemde Kaynak-1 güneş enerjisi, Kaynak-2 rüzgar enerjisi ve Kaynak-3 şebeke olarak düşünülmüştür. Gerilim transmitterleri üretilen gerilimden akım bilgisi almaktadır. IA akım transmitteri benzer şekilde yüklerden akım bilgisini almak için kullanılmaktadır. Elde edilen bu bilgiler PLC nin analog girişine uygulanmaktadır. Girişlere uygun olarak kaynak tarafından üretilen gücün karşılayabileceği yük veya yüklerin devreye alınıp devreden çıkartılması dijital çıkışlar yardımıyla sağlanır. 4.3 Program Çıktısı Aşağıda sonuçların toplandığı Rapor dosyasının sadece tasarım özeti kısmı verilmiştir. Giriş ===================================================== Bölgedeki ortalama güneş enerjisi = kwh/m 2.gün Toplam elektrikli cihaz sayısı = 4 Günlük enerji ihtiyacı = Wh/gün Batarya gerilimi = V Batarya kapasitesi = Ah Batarya deşarj limiti(yüzde) = Batarya ile çalışma zamanı = gün İnverter kaybı (yüzde) = Kablo kaybı (yüzde) = Genel kayıplar (yüzde) = Fotovoltaik levha çalışma akımı = A Fotovoltaik levha çalışma gerilimi = V Çıkış ===================================================== Ortalama düzeltilmiş Ah ihtiyacı = Ah/gün Ortalama fotovoltaik akım ihtiyacı = A/kW/m 2 Bir fotovoltaikten üretilen Ah = Ah/gün Gerekli fotovoltaik paralel levha sayısı = Seri bağlanmış fotovoltaik levha sayısı = Toplam fotovoltaik levha sayısı = Üretilen Ah = Ah Eksilen Ah = Ah Üretilen net Ah = Ah Gerekli paralel batarya sayısı = Seri bağlanmış batarya sayısı = Toplam batarya sayısı = Regülatör giriş gerilimi = V Regülatör akım kapasitesi = A İnverter giriş gerilimi = V İnverter güç kapasitesi = W

9 5. SONUÇ Türkiye de büyük bir güneş enerjisi potansiyeli mevcuttur. Bu konuda en kısa zamanda geniş çaplı araştırmalar yapılması ve uygulamaya geçilmesi gerektiği bir gerçektir. Öncelikle küçük tüketim merkezlerinde, mevcut güneş potansiyeli elektrik enerjisine dönüştürülerek cihazların beslenmesinde kullanılmalı, ihtiyaç fazlası üretimler şebekeye aktarılmalıdır. Elektrik enerjisi olmayan veya ulaştırılması zor ve pahalı olan yörelerde, küçük ölçekli zirai sulama amaçları için güneş pilleri ile beslenen su pompalama sistemleri kurulmalıdır. Güneş enerjisinden su ısıtma, konut ısıtma, pişirme, kurutma, soğutma, proses ısısı sağlama gibi ısıl kullanımlara ağırlık verilmeli, güneş enerjisinden elektrik üretimi uygulamaları teşvik edilmelidir. İlk etapta küçük güçlerde fotovoltaik uygulamalara yer verilmeli, uzun dönem için güneş termik santralları planlanmalıdır. 6. KAYNAKLAR 1. Güneş, M., Fotovoltaik Sistemin Sağladığı Elektrik Enerjisi İle Çalışan Bir Uygulama Sisteminin Tasarımı, F.Ü. Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Elazığ, Alaçakır, F.B., Güneş Enerjisinin Küçük Ölçekli Zirai Sulamada Kullanılmasının Araştırılması Projesi Sonuç Raporu, EİE Bülteni Koner, P.K., Optimization Techniques for A Photovoltaic Water Pumping System, Renewable Energy, vol.6, p.53-62, İbrahim, D., Bilgisayar Destekli Fotovoltaik Sistem Tasarımı, Kaynak Elektrik Dergisi, sayı:90, s.71-78, Türkiye Birinci Enerji Şurası, Alt Komisyon Raporları, cilt 1, s Yeager, K.E., Electric Vehicles and Solar Power: Enhancing the Adventages of Electricity, IEEE Power Engineering Review, Vol. 2, No.10, 1992.