ATATÜRK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ. Makine Mühendisliği Bölümü BİTİRME PROJESİ I GÜNEŞ PİLİ UYGULAMALARI VE GÜNEŞ PİLİNDEN

Transkript

1 ATATÜRK ÜNİVERSİTESİ MÜHENDİSLİK FAKÜLTESİ Makine Mühendisliği Bölümü BİTİRME PROJESİ I GÜNEŞ PİLİ UYGULAMALARI VE GÜNEŞ PİLİNDEN FAYDALANILARAK BİR KOMPLEKSİN ELEKTRİK İHTİYACININ HESAPLANMASI Hazırlayan Hasan Kağan TÜRKMEN ERZURUM 2014

2 ÖNSÖZ eğitim öğretim yılında hazırlamış olduğum bu tez de öncelikle dört yıllık eğitim öğretimim boyunca almış olduğum enerji, termodinamik derslerimden faydalandım. Bu dersleri aldığım hocalarım ve en başta bitirme tezimi yürütmem de bana yardımcı olan Doç. Dr. Bayram ŞAHİN e teşekkürü bir borç bilirim. Ayrıca bu tez kapsamında çeşitli bilgi ve kaynakların elde etmemde bana yardımcı olan Solimpeks Solar a teşekkürü borç bilirim. Hasan Kağan TÜRKMEN ERZURUM 2014

3 İçindekiler ÖNSÖZ Güneş Enerjisi Nedir? Güneş Pili Nedir? Güneş Pili Çalışma şekli Hücre,Modül ve Dizi için Örnekler Fotovoltaik Hücrede Elektrik Akımının Etkisi Fotovoltaik hücre çalışma prensibi Bir Fotovoltaik Hücrenin Yapısı Güneş Pilinin Yapısı Güneş Pili Tipleri Tek kristal silisyum güneş pilleri Çok kristalli silisyum güneş pilleri İnce film güneş pilleri Amorf silisyum güneş pilleri Kadmiyum tellür ince film güneş pilleri Bakır indiyum Diselenid güneş pilleri Güneş Pillerinin Karşılaştırılması Güneş Pilinin Elektriksel Modeli Güneş Pili İçin : Güneş pilinin karakteristikleri Güneş ışığının PV paneline etkisi Çalışma sıcaklığının PV paneline etkisi Güneş pili sistemleri Şebekeye bağlı güneş pili sistemleri Şebekeden bağımsız güneş pili sistemleri Bağımsız güneş pili sistemleri Maksimum güç noktası izleyicisi (MPPT) Güneş enerjisinden elektrik üretimi için gerekli ekipmanlar İnverter Şarj regülatörü Akü Güneş pili bağlantı şeması Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi ile 45 KWP Kurulu Güç... 17

4 Sunny Design Programı ile Hesaplama Sunny Design Programının Tanıtılması Proje Verileri PV Sistemi Kablo boyutlandırma Öztüketim Sunny Design yardımı ile hesaplanan projenin elle hesaplanması Projede kullanılacak PV modülü sayısının hesaplanması İnverter Seçimi PV lerin seri ve paralel bağlanarak oluşturacağı çalışma aralığı Voltaj ile uygunluk hesaplama Hava soğursa oluşacak yeni voltaj Akım ile uygunluk hesabı Kablo Hesabı AC kablo hesabı DC kablo hesabı Maliyet hesabı KAYNAKLAR Şekil 1 Güneş pili çalışma şekli... 2 Şekil 2 Hücre, Modül, Panel,Dizi... 3 Şekil 3 Örnekler... 3 Şekil 4 Silisyum molekülü... 4 Şekil 5 Elektrik akımının etkisi... 4 Şekil 6 Hücrenin çalışma prensibi... 5 Şekil 7 Hücrenin yapısı... 5 Şekil 8 Güneş pilinin yapısı... 6 Şekil 9 Tek kristal silisyum güneş pilleri... 7 Şekil 10 Çok kristalli silisyum güneş pilleri... 7 Şekil 11 İnce film güneş pilleri... 8 Şekil 12 Güneş pillerinin karşılaştırılması... 9 Şekil 13 Güneş pilinin elektriksel modeli Şekil 14 Güneş pilinin karakteristikleri Şekil 15 Güneş ışığının PV paneline etkisi Şekil 16 Çalışma sıcaklığının PV paneline etkisi Şekil 17 Şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız güneş enerjisi sistemleri Şekil 18 Maksimum güç noktası izleyicisi Şekil 19 İnverter Şekil 20 Şarj regülatörü Şekil 21 Solar akü Şekil 22 Güneş pili, inverter, akü, şarj regülatörü Şekil 23 Sunny Design sisteme genel bakış... 17

5 Şekil 24 Sunny Design programında tasarımın değerlendirilmesi Şekil 25 Sunny Design PV modülü ve şebeke arası kablo bağlantısı Şekil 26 Sunny Design Öztüketim verileri Tablo 1 Maliyet Hesabı... 24

6 1 1.Güneş Enerjisi Nedir? Güneş enerjisi ya da Güneş erkesi, Güneş ışığından enerji elde edilmesine dayalı bir teknolojidir. Güneşin yaydığı ve Dünya'mıza da ulaşan enerji, Güneş'in çekirdeğinde yer alan füzyon süreci ile açığa çıkan ışınım enerjisidir. Güneşteki hidrojen gazının helyuma dönüşmesi şeklindeki füzyon sürecinden kaynaklanır. Dünya atmosferinin dışında Güneş ışınımının şiddeti, aşağı yukarı sabit ve 1370 W/m2 değerindedir; ancak yeryüzünde W/m2 değerleri arasında değişim gösterir. Bu enerjinin Dünya'ya gelen küçük bir bölümü dahi, insanlığın mevcut enerji tüketiminden kat kat fazladır. Güneş enerjisinden yararlanma konusundaki çalışmalar özellikle 1970'lerden sonra hız kazanmış, Güneş enerjisi sistemleri teknolojik olarak ilerleme ve maliyet bakımından düşme göstermiş, Güneş enerjisi çevresel olarak temiz bir enerji kaynağı olarak kendini kabul ettirmiştir. 2. Güneş Pili Nedir? Güneş pilleri ya da foto voltaik piller, yüzeylerine gelen güneş ışınını doğrudan elektrik enerjisine dönüştüren yarı iletken maddeler. Yüzeyleri kare, dikdörtgen, daire şeklinde biçimlendirilen güneş pillerinin alanları genellikle 100 cm 2 civarında kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasında oluyor. Foto voltaik etki silisyum gibi yarıiletken maddelerin içinde oluşur. Foto pil denen foto voltaik hücreler, bir P-N denklemi, yani iki katmanlı bir yarı iletken bölge içerir. Bunların birindeki ( delik diye de adlandırılan ve + elektrik yüküyle sonuçlanan) elektron azlığı ve diğerindeki (- yük sağlayan) fazlalık, bu bölgenin her iki tarafında bir elektrik alanın oluşmasına yol açar. Yarı iletken tarafından emilen ışık akısının fotonları, yarı iletken parçanın iki tarafında ayrı ayrı toplanan elektron delik çiftlerini oluşturur. Bunun sonucunda, eklemin aydınlanan yüzüyle ve buraya düşen ışığın yoğunluğuyla orantılı bir elektrik akımı meydana gelir. Açık, güneşli bir havada 1 desimetre çapında bir foto pil, yaklaşık olarak 1 Watt üretir. Verimi (çıkış gücünün gelen ışık gücüne oran ) kullanılan malzemeye göre değişir. Foto piller genellikle çok kristalli ya da amorf (biçimsiz) silisyumdan yapılır. Çok kristalli

7 2 silisyum yüksek güvenilirliğinden ve yüksek veriminden dolayı(yüzde 10-14) ilgi çekiyor. Buna karışıklık amorf silisyumun verimi daha düşük ( yüzde 7) Güneş Pili Çalışma şekli Şekil 1 Güneş pili çalışma şekli Güç çıkışını artırmak amacıyla çok sayıda güneş pili birbirine paralel ya da seri bağlanarak bir yüzey üzerine monte edilir,bu yapıya güneş modülü ya da fotovoltaik modül denir.güç talebine bağlı olarak modüller birbirlerine seri ya da paralel bağlanarak birkaç W tan MW lara kadar sistem oluşturulur.

8 3 Şekil 2 Hücre, Modül, Panel,Dizi Hücre,Modül ve Dizi için Örnekler Şekil 3 Örnekler Yapıları basitçe oluşan Proton ve Nötron eklemden oluşan diyotlara benzer. Fotoelektrik prensibine dayanarak pilden fotonlar tarafından koparılan elektronlar eklemde harekete geçer ve bir elektrik akımı oluşturur. Güneş pili yapımında en çok silisyum(1.1 e V), galyum arsenit (GaAs-1.43 e V ), kadmiyum tellür (CdTe ) gibi anorganik malzemeler kullanılır. Yarı - iletken maddelerin güneş pili olarak kullanılabilmeleri için Nötron ya da Proton katkılanmaları gerekir. Katkılanma, saf yarı-iletken eriyik malzemelerin kontrollü olarak eklenmesiyle yapılır. Elde edilen yarı-

9 4 iletkenin n ya da p tipi olması katkı maddesine bağlıdır. En yaygın güneş pili maddesi olarak kullanılan silisyumdan n tipi silisyum elde etmek için silisyum eriyiğine periyodik cetvelin 5. grubundan bir element,örneğin fosfor eklenir. Şekil 4 Silisyum molekülü Silisyumun dış yörüngesinde 4, fosforun dış yörüngesinde 5 elektron olduğu için, fosforun fazla olan tek elektronu kristal yapıya bir elektron verir. Bu nedenle 5. Grup elementlerine verici ya da n tipi katkı maddesi denir. p tipi silisyum elde etmek için ise, eriyiğe 3. gruptan bir element (alüminyum, indiyum, bor gibi ) eklenir. Bu elementlerin son yörüngesinde 3 elektron olduğu için kristalde bir elektron eksikliği oluşur, bu elektron yokluğuna hol ya da boşluk denir ve pozitif yük taşıdığı varsayılır. Bu tür maddelere de p tipi ya da alıcı katkı maddeleri denir. p n eklem oluştuğunda, n tipindeki çoğunluk taşıyıcısı olan elektronlar,p tipine doğru akım oluştururlar.bu olay her iki tarafta ki yük dengesi oluşana kadar devam eder Fotovoltaik Hücrede Elektrik Akımının Etkisi Şekil 5 Elektrik akımının etkisi

10 Fotovoltaik hücre çalışma prensibi Şekil 6 Hücrenin çalışma prensibi Bir Fotovoltaik Hücrenin Yapısı Şekil 7 Hücrenin yapısı

11 Güneş Pilinin Yapısı Şekil 8 Güneş pilinin yapısı 2.2. Güneş Pili Tipleri 1. Tek kristal silisyum güneş pilleri 2.Çok kristalli silisyum güneş pilleri 3.İnce film güneş pilleri 4.Amorf silisyum güneş pilleri 5.Kadmiyum tellür ince film güneş pilleri 6.Bakır indiyum Diselenid güneş pilleri Tek kristal silisyum güneş pilleri Czochralski prosesi ile silindirik kütleler halinde üretilir. Yuvarlak kesite sahip olduğundan 4 hücrenin birleştiği köşelerde büyük aralıklar olur. Pahalıdır.

12 7 Şekil 9 Tek kristal silisyum güneş pilleri Çok kristalli silisyum güneş pilleri Döküm yöntemi ile üretilir. Soğutma işlemi tek kristale göre hızlı olduğundan kristal yapıda çatlaklar oluşur. Köşeler dik olduğundan köşelerde boşluklar azdır. Tek kristalli silisyuma göre ucuzdur. Şekil 10 Çok kristalli silisyum güneş pilleri İnce film güneş pilleri Kimyasal buhar deposition yöntemleri ile üretilir. Verimleri % 8 civarındadır.

13 Amorf silisyum güneş pilleri Şekil 11 İnce film güneş pilleri Amorf silisyum güneş pilleri (a-si), ince film güneş pili teknolojisinin en önde gelen örneğidir. İlk yapılan a-si piller Schottky bariyer yapısında iken, daha sonraları p-i-n yapıları geliştirilmiştir. P-i-n yapısındaki pillerin fabrikasyonu kalay oksitle kaplı iletken bir yüzeyin üzerine çöktürme yöntemi ile yapılır, bu yüzeyin arkası daha sonra metalle kaplanır. Verimleri %5-8 arasındadır. Ancak bu piller, kısa zamanda bozunuma uğrayarak çıkışları azalır. 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 Kadmiyum tellür ince film güneş pilleri Verimleri % 9 civarındadır.

14 Bakır indiyum Diselenid güneş pilleri Periyodik tablonun birinci, üçüncü ve altıncı guruptan elementlerin üçüncünün ya da daha fazlasının bir araya gelmesi ile oluşan bu bileşik yarı iletkenlerin soğurma katsayıları oldukça yüksek olup, yasak enerji aralıkları güneşin spekturumu ile ideal bir şekilde uyuşacak biçimde ayarlanabilir. Bakır indiyum ve selenyum dan yapılan üçlü bileşik yarı iletkenle başlayan bu grup (CIS) güneş pilleri olarak anılır.cdte güneş pillerine en yakın rakip olarak gözükmektedir. Bu gün CIS ince film güneş pillerinin çoğunluğu içerisinde ga elementinin katılması ile daha yüksek verimlilikler elde edilir Güneş Pillerinin Karşılaştırılması Şekil 12 Güneş pillerinin karşılaştırılması

15 Güneş Pilinin Elektriksel Modeli Şekil 13 Güneş pilinin elektriksel modeli Elektriksel eşdeğer devrede ; I ph :Güneş ışığı tarafından üretilen elektrik akımı. I d : Diyot akımı. I sh :Paralel direnç akımı. I L :Yük akımı. R S :Seri direnç R SH :Paralel direnç 2.5 Güneş Pili İçin : 1.Güneş pilinin elektrik üretimi bir akım kaynağı gibi kabul edilir. 2.Hücre üzerine düşen ışınımlar artıkça alımlar da artmaktadır. 3.Güneş hücresinin malzemesi yarı-iletken olmasından dolayı diyotla modellenmiştir. 4.Üretilen enerjinin kutuplara iletilmesi sırasında oluşan kayıplar,seri direnç ile gösterilir.ve bu seri direnç hücre verimini doğrudan etkiler.

16 Güneş pilinin karakteristikleri Şekil 14 Güneş pilinin karakteristikleri 1.Çıkış gücü,akım ve gerilimin belirli değerlerinde maksimum olmaktadır. 2.PV pili ya da panelin maksimum çıkış gücü,üzerine gelen günışığı seviyesi ve çalışma sıcaklığına bağlı olarak değişir.bu nedenle bir PV nin veriminin maksimum olması için çıkış gücünün de maksimum seviye de tutulması gerekir Güneş ışığının PV paneline etkisi Şekil 15 Güneş ışığının PV paneline etkisi

17 Çalışma sıcaklığının PV paneline etkisi Şekil 16 Çalışma sıcaklığının PV paneline etkisi 2.9. Güneş pili sistemleri Güneş pili sistemleri ikiye ayrılır. 1.)Şebekeye bağlı güneş pili sistemleri. 2.)Şebekeden bağımsız güneş pili sistemleri Şebekeye bağlı güneş pili sistemleri Bu da kendi içerisinde ikiye ayrılır. Birincisi yerleşim biriminin elektrik ihtiyacını karşılar. İkincisi de o yerleşim biriminin elektriğini karşılamakta yetersiz kaldığı durumlarda elektik ihtiyacını şebekeden karşılar. Bu sistemlerde üretilen fazla enerji elektrik şebekesine satılır. Yeterli enerjinin üretilmediği durumlarda şebekeden elektrik enerjisi satın alınır. Böyle bir sistemde enerji depolamaya gerek yoktur. Yalnızca üretilen DC geriliminin AC ye çevrilmesi ve ve şebeke uyumlu olması gerekir.

18 Şebekeden bağımsız güneş pili sistemleri Şebekeden bağımsız güneş pilleri kendi başlarına yüksek miktarlarda elektrik enerjisi üreterek şebekeye satan sistemlerdir. Bunların büyüklüğü 500 KW 750 KW dan MW lara kadar değişir. Depolama maliyetini ortadan kaldırdığı için diğer sistemlere göre daha ucuzdur. Fakat konvansiyonel sistemlere göre halen pahalıdır. Şekil 17 Şebekeye bağlı ve şebekeden bağımsız güneş enerjisi sistemleri Bağımsız güneş pili sistemleri Bu sistemlerde yeterli sayıda güneş pili modülü, enerji kaynağı olarak kullanılır. Güneşin yetersiz olduğu zamanlarda ya da gece enerjiyi karşılayabilmek ve sistemin sürdürülebilir olması için akü kullanılır. Güneş pili modülleri gün boyunca güneş enerjisini güneş pili sayesinde elektrik enerjisine çevirir. Bunu da akü de depolar. Yüke gerekli olan enerji aküden karşılanır. Akünün aşırı şarj ve deşarj olarak zarar görmemesi için kullanılan regülatör ise akünün durumuna göre, ya güneş pillerinden gelen akımı ya da yükün çektiği akımı keser. Şebeke uyumlu alternatif akım elektriğinin gerekli uyumlu uygulamalarda sisteme bir inverter eklenerek aküdeki DC gerilim 220 V 50 HZ lik sinüs dalgasına dönüştürülür.

19 Maksimum güç noktası izleyicisi (MPPT) MPPT cihazları ;PV ve batarya arasına yerleştirilen yüksek frekanslı DC- DC dönüştürücüleridir. PV çıkışından DC gerilim alarak AC ye ve PV den bataryaya akım ve gerilimi farklı DC gerilimlere çevirirler. Ancak MPPT cihazları sistem tarafından üretilen elektrik enerjisin bir kısmını tüketirler. Bu MPPT işletme kaybı MPPT nin dönüşüm verimi olarak gösterilir. En modern MPPT verimleri % 92-%97 civarındadır. Maksim güç noktası izleyicisin amacı bir PV kaynağının yükün çalışma geriliminden bağımsız olarak maksimum güç geriliminde çalışmasını,dolayısıyla PV den yüke maksimum güç transfer etmesini sağlamaktır. Geri besleme sistemi,sürekli olarak sistemi izleyerek,çıkış geriliminin giriş gerilimine oranını ayarlar ve böylelikle uygun çalışma ortamının çalışmasını sağlar. Şekil 18 Maksimum güç noktası izleyicisi

20 15 3. Güneş enerjisinden elektrik üretimi için gerekli ekipmanlar 3.1. İnverter AC(Alternatif Akım) ı DC(Doğru Akım) a dönüştürmeye yarayan istenilen voltajlara ayarlanabilen, dönüştürücülerdir Şarj regülatörü Şekil 19 İnverter Güneş panellerinden gelen akımla akülerdeki voltaj değerlerini sürekli kontrol ederek akülerin sürekli optimum şartlar altında kalmasını sağlayıp fazla enerjinin aküye zarar vermesini engeller. Şekil 20 Şarj regülatörü

21 Akü Ani güç kesintilerinin olduğu anda devreye girer ya da güneş enerjisinden üretilen elektriğin depolanmasında kullanılır Güneş pili bağlantı şeması Şekil 21 Solar akü Şekil 22 Güneş pili, inverter, akü, şarj regülatörü

22 Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi ile 45 KWP Kurulu Güç Sunny Design Programı ile Hesaplama Sunny Design Programının Tanıtılması Proje Verileri İlk olarak Sunny Design programında Proje verileri girilir. Proje verileri, müşteri adı, projenin konumu optimum çalışma sıcaklıkları, şebeke gerilimleri. Şekil 23 Sunny Design sisteme genel bakış

23 PV Sistemi İkinci olarak da sistemde kurulu gücün miktarına bağlı olarak kullanılacak PV modülü sayısı ve bu PV modül sayısını optimum olarak karşılayacak inverter sayısı belirlenir. Şekil 24 Sunny Design programında tasarımın değerlendirilmesi

24 Kablo boyutlandırma Üçüncü olarak da sistemimizi birbirine bağlayacak hem DC hem de AC kablolarının malzeme seçimi ve metrajı hesaplanır. Şekil 25 Sunny Design PV modülü ve şebeke arası kablo bağlantısı

25 Öztüketim Dördüncü bölümde ise sistemin hangi amaçla kullanıldığı(ev, ticari işletme) seçilmektedir. PV sistemimizin enerji verimi, şebeke beslemesi, şebekeden çekim, öztüketim ve öztüketim payı verileri verilir. Şekil 26 Sunny Design Öztüketim verileri

26 Sunny Design yardımı ile hesaplanan projenin elle hesaplanması Projede kullanılacak PV modülü sayısının hesaplanması Öncelikle sistemimiz 45 KWP kurulu güce sahip olunması istenmektedir. Sistemimizde kullanılacak PV modülleri 250 W lık olacaktır. PV modüllerimizi Canadian Solar CS6P-250M seçtik. Dünyaca ünlü markayı seçmemizin en büyük nedeni PV modülünün verimleri oldukça yüksektir. Canadian Solar CS6P-250M PV Modülünün Verileri I m p : PV modülünün çalışma aralığı (8,5 A) V m p :PV modülün çalışma aralığı (29,4 V) I s c : PV modülünden üretilecek akım.(8,8 A) V o c : PV modülünden üretilecek volt (36,5 V) = = 180 adet PV modülü kullanılacaktır İnverter Seçimi W lık 3 adet inverter sistemimizde yeterli olacaktır. İnverter verileri: V m a x = 1000 V V m p = V I m p = 27 A I m a x = 34 A

27 PV lerin seri ve paralel bağlanarak oluşturacağı çalışma aralığı Projemizde 180 adet PV modülü vardır. Bu PV modüllerini iki gruba ayırarak sistemin yükünü ikiye böleriz. Her bir bölümde 90 adet PV modülü olur. Her bölümdeki 90 adet PV modüllerinin 20 adet seri yan yana olacak şekilde sıralar ve bu bir grup oluştururuz. Diğer 4 grubu da ilk oluşturduğumuz gruba paralel bağlarız ve böylelikle ilk bölümü bitirmiş oluruz. Aynı şekilde ikinci bölüme de aynı uygulamaları gerçekleştiririz Voltaj ile uygunluk hesaplama Seri bağlanarak: ( ) < V m a x ( ) < 1000 V 912,35 V < 1000 V olduğu için uygundur. Aynı şekilde PV modülün çalışma aralığına göre de hesap yapılır. Seri bağlanarak: ( ) < V m a x ( ) < 1000 V 735 V < 1000 V olduğu için uygundur Hava soğursa oluşacak yeni voltaj Hava soğuduğu zaman hesap yapılırken inverterin minumum çalışma voltajını hesaba katarız Akım ile uygunluk hesabı = = 470,4 > 250 V ( ) = I m a x ( ) < I m a x = 34 A 33 A < 34 A Uygundur. I m a x inverter de oluşacak maksimum akımdır.

28 Kablo Hesabı AC kablo hesabı % e = % 3 = Q = 22,13 mm 2 olur DC kablo hesabı Q = ( ) Q = ( ) Q = mm 2 olur.

29 Maliyet hesabı PV modülü İnverter Kablo İş Yapım Diğer Giderler Genel Toplam Adet 180 adet 3 adet 380 m Birim Fiyatı 500 TL 5000 TL 15 TL İşçilik 5000 TL Diğer Giderler 3000 TL Toplam Fiyatı TL TL 5700 TL 5000 TL 3000 TL %15 Kar TL Maliyet TL Tablo 1 Maliyet Hesabı SONUÇ: HKT inşaat yaklaşık TL bu projeye bütçe ayırırsa, aylık 2000 TL elektrik faturası ödediği göz önüne alınırsa 70 ayda kendisini amorti edecektir. 71. aydan itibaren de hiçbir para ödemeden kendi elektriğini kendisi üretecektir.

30 25 4. KAYNAKLAR makina.karaelmas.edu.tr/akademik_kadro/.../sunumlar/1-11.grup.pp tr.wikipedia.org/wiki/güneş_pili