GÜNEŞ PİLİNİN TEK DİYOT Rs MODEL PARAMETRELERİNİN HESAPLANMASI VE I-V İLE P-V KARAKTERİSTİKLERİNİN İNCELENMESİ

Transkript

1 elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi ayı: 12, 216, ss elcuk University Journal of ocial and Technical Researches Volume:12, 216, p GÜNEŞ PİİNİN TEK DİYOT Rs ODE PARAETREERİNİN HEAPANA VE -V İE P-V KARAKTERİTİKERİNİN İNCEENEİ EXTRACTON OF OAR CE NGE DODE Rs ODE PARAETER AND TUDY OF -V AND P-V CHARACTERTC Ayşegül TOPRAK 1, Hamdi Şükür KÇ 2,3, Ahmet TOPRAK 4, Abdullah KEPCEOĞU 2 1 elçuk Üniversitesi, Kadınhanı Faik İçil YO, Elektronik ve Otomasyon Böl. Kadınhanı, KONYA 2 elçuk Üniversitesi, Fen Fakültesi, Fizik Bölümü, Kampüs, KONYA 3 elçuk Üniversitesi, İleri Teknoloji Araştırma ve Uygulama erkezi (İTEK), Kampüs, KONYA 4 elçuk Üniversitesi, Bozkır YO, Elektrik ve Enerji Böl. Bozkır, KONYA aytoprak@selcuk.edu.tr, hamdisukurkilic@selcuk.edu.tr, atoprak@selcuk.edu.tr, abdullahkepceoglu@gmail.com ÖZET Yenilenebilir enerji kaynakları gelecekte dünyanın enerjisini karşılamada önemli bir rol oynayacaktır. Güneş enerjisi yenilenebilir enerji kaynakları arasındaki en temel enerjidir. Güneş enerjisi sistemlerinin popüler olduğu günümüzde, Fotovoltaik (FV) panel parametrelerini deneysel verilerden kesin olarak anlayabilmek, FV panelin tasarımında ve verimini değerlendirmede oldukça önemli bir rol oynamaktadır. Farklı işletme koşullarında fotovoltaik panellere ait performans karakteristiklerinin elde edilmesi ve parametrik çalışmalarla ilgili bilimsel faaliyetler özellikle son dönemlerde ilgi çekmektedir. Bu çalışmada, fotovoltaik panel parametrelerinin belirlenmesi için ticari amaçla satılan güneş paneli üretici firmanın katalog bilgileri kullanılarak tek diyot R modelin bilinmeyen parametreleri farklı iki yöntemle hesaplanmış ve farklı güneş ışınım şiddeti koşullarındaki -V, P-V karakteristikleri ATAB ortamında oluşturularak deneysel verilere yakınlığı karşılaştırılmıştır. Ayrıca panel parametrelerinin -V ve P-V karakteristiklerinin farklı sıcaklıklardan nasıl etkilendiği incelenmiştir. Anahtar kelimeler: Güneş Pili, Tek Diyot R odeli, Parametre Hesabı ABTRACT Renewable energy sources will play an important role in the energy supply in a near future. olar energy is the primary energy source among renewable energy sources. The solar energy systems are became the most compelling topic, understanding the parameters of the Photovoltaic (PV) panels using the erimental data plays an important role in the design and evaluation of the PV panels and its efficiencies. Obtaining the performance characteristics of the photovoltaic panels in different operating conditions and parametric studies, have attract attention in the last decade. n this study, we determined the unknown parameters of photovoltaic panels using the single diode Rs model via applying two different methods, by using catalog information of the commercial solar panel obtained from manufacturers. Thus, these were compared with the erimental data by plotting -V and P-V characteristics in ATAB at the different solar radiation conditions. Eventually, temperature dependent -V and P-V characteristics of panel parameters were investigated. Keywords: olar Cell, ingle Diode R odel, Parameter Extraction

2 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin 1. Giriş Fotovoltaik elektrik üretimine olan küresel ilginin son yıllarda arttığı bilinmektedir. Bu artış güneş panellerinin enerji optimizasyonu için dikkate alınmış araştırmaların yeniden canlanmasını sağlar. Bu nedenle güneş pillerinin modellenmesi, güneş pilinin veriminin değerlendirilmesi ve kalite kontrolü için oldukça önemli bir rol oynamaktadır. Birçok araştırmacı tarafından güneş pillerinin nonlineer elektriksel modelini tanımlayan parametrelerini bulmak için birçok yöntem önerilmiştir. Güneş pilinin karakteristiğinin anlaşılabilmesi, güneş pilinin tasarlanabilmesi ve boyutlandırılabilmesi için bir ön koşuldur [1]. Güneş Pili parametrelerini deneysel verilerden kesin olarak anlayabilmek güneş pilinin tasarımında ve verimini değerlendirmede oldukça önemli bir rol oynamaktadır. Bu yüzden güneş pilinin elektriksel davranışını tanımlamak için farklı modeller geliştirilmiştir. Elektriksel eşdeğer devre çoğu simülasyon çalışmalarında yaygın ve kullanışlı bir yöntemdir [2]. 2. İdeal Güneş Pili odeli Güneş pilleri p-n eklemden oluşan ve p-n eklemi ışığa maruz kalan bir yarıiletken devre elemanıdır [3][4]. Güneş pilinin bütün karakteristiklerini ortaya koyan bir matematiksel model oldukça önemlidir [5]. Basit bir güneş pili modeli Şekil 1 deki gibi verilebilir. Güneş pilinin büyüklüğü ve şekli soğurucu yüzey alanının genişletilmesi ve kontak direncinin azaltılmasını sağlayacak şekilde tasarlanabilir. Şekil 1. İdeal Güneş Pili odeli Ülkemiz için güneş bütün zamanların yarısı kadar aydınlatma yapmaktadır ve günün büyük bir diliminde parlak bir güneş yoktur. Güneş yokken pil basit bir p-n eklem diyot olarak davranmaktadır. Bu durumda karakteristik diyot akımı olarak ifade edilen hockley eşdeğeri ile kontrol edilir [6][7][8][9]. V d 1 (1) AkT Denk.(1) de d diyot akımı (A), saturasyon akımı (A), V pil gerilimi (V), elektron yükü (1,62x1-19 C), A diyot idealite katsayısı, k Boltzman sabiti (1,38x1-19 J/K) ve T p-n eklemin sıcaklığıdır (K). Diyot idealite katsayısı A nın sınır koşulları 1A 2 aralığındadır [4][6][7][1][11]. Üretilen fotoakım ( ) ve diyot akımı ( d ) arasındaki fark net akım ya eşittir ve d (2) denklemi ile ifade edilmektedir. Şekil 2. -V Karakteristiğinin elde edilmesi elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

3 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin 3. Tek Diyot Rs odeli Gerçekte silikon ve elektrot yüzeyi arasındaki kontak direncinden dolayı oluşan kayıplar nedeniyle silikon malzeme direnci ve elektrot direncinin göz önüne alınması gerekmektedir. Bu kayıplar ideal diyot modeline seri bir direnç (R ) bağlanarak gösterilir. Bir akım kaynağı, bir diyot ve bir dirençten meydana gelen tek diyot R modeli Şekil 3 ile gösterilmektedir [6]. Çıkış akımı denk. (3) ile ifade edilmektedir; Şekil 3. Tek Diyot R odeli V R ( ) 1 (3) N AkT R seri direnci temelde p yarı iletken tabaka ile metal tabakanın temasıyla oluşan eklem direncine göre değişir ve değeri çok küçüktür [3]. Dört parametre modeli olarak ta adlandırılan bu modeldeki bilinmeyen parametreler fotoakım ( ), saturasyon akımı ( ), seri direnç (R ) ve diyot idealite katsayısı (A) olarak tanımlanmaktadır. 4. Tek Diyot Rs odel inin Belirlenmesi Güneş pilinin akım-gerilim ilişkisi doğrusal olmayan matematiksel bir denklemle ifade edilmektedir. Bu nedenle bu parametrelerin değerlendirilmesi oldukça yaygın bir şekilde çalışılmaktadır. Bazı araştırmacılar doğrusal olmayan denklemin çözümü için sayısal yöntemleri kullanmaktayken, bazıları da sadeleştirmeler ve yaklaşımlarla bir dizi analitik yöntemler kullanmaktadır [2]. Güneş panelleri için parametrelerin çıkarılması için literatürde çok sayıda yöntem rapor edilmiştir [12]. Çoğu pratik yaklaşıma göre bilinmeyen parametreleri belirlemek için güneş pili üreticisi firmaların katalog veri bilgileri kullanılır. -V karakteristiğinde Şekil 4 te görüldüğü gibi kısa devre akımı, açık devre gerilimi V ve maksimum güç noktası PP olmak üzere 3 temel nokta bulunur [3]. Şekil 4. -V Karakteristiği elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

4 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin Bu üç temel noktadan denk.(3) kullanılarak denk.(4), (5) ve (6) elde edilir; Kısa Devre Noktasında, V R 1 (4) N AkT Açık Devre Noktasında, V V V 1 (5) N AkT aksimum Güç Noktasında, V V V R 1 (6) N AkT olarak ifade edilmektedir implified Explicit Bu yöntemde = olduğu kabul edilerek denk.(4), (5), (6) ifadelerinden denk.(7), (8), (9) ifadeleri elde edilir [13][14]; (7) V (8) N AkT V R (9) N AkT Denk.(5) ve (6) ifadelerinden doyum (saturation) akımı elde edilmektedir; V (1) N AkT Denk.(3) ifadesinden sonuç ifadesi elde edilir. V V R 1 (11) N AkT aksimum güç noktasındaki akım elde edilebilir ve Denk.(12) ile biçiminde ifade edilir. Buradan seri direnç değeri; V V R 1 (12) N AkT R N AkT ln 1 V V (13) ile belirlenmektedir. elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

5 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin İdealite katsayısı A, maksimum güç noktasında gücün türevinin sıfır olması gerçeği kullanılarak; dp V V (14) dv V V ve Denk.(3) ifadesi kullanılarak; A N kt 2V biçiminde elde edilmektedir. V ln 1 Farklı sıcaklık ve ışınım şiddetinde parametrelerin değişimi genel olarak [13, 14, 15, 16, 17]; Kısa devre akımı ve açık devre gerilimi; E ( ref ) T Tref (16) Eref E V V ref Vt ln V T T (17) ( ) ref E ref aksimum güç noktasındaki akım ve gerilimi; E ( ref ) T Tref (18) Eref E V V denklemleri ile tanımlanır. ref Vt ln V T T (19) ( ) ref E ref 4.2. lope Bu yöntemin diğer yöntemden farkı seri direncin hesaplanması için kullanılan süreçten kaynaklanmaktadır [18]. Güneş panelinin seri direnci -V eğrisinin V=V noktasının eğimi üzerinde büyük bir etkiye sahiptir [4]. R nin artmasıyla PP ve V arasında -V eğrisinin eğimi azalır ve etkin bir şekilde maksimum çıkış gücünün azalmasına neden olur [6]. R yi hesaplamak için Denk.(3) te akımın türevi alınır; d dv V R d 1 1 R (2) N AkT N AkT dv ve R değeri hesaplanır [13][14][18]; (15) dv R d V 1 V N AkT N AkT (21) Açık devre noktasında (V, ) eğim Şekil 5 te görüldüğü gibi [14][18]. dv m deneysel verilerden geometrik olarak çıkarılır d elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

6 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin Şekil 5. Açık devre noktasında eğimin hesaplanması 5. Yapılan Çalışma Bu çalışmada Jinko olar firmasının Tablo1 ile verilen JK erisi JK24 modülünün standart test koşullarındaki (TC) (E=1 W/m 2, T=25ºC, A1,5 pektrum) teknik özellikleri [19] kullanılarak panelin bilinmeyen parametreleri iki farklı yöntem ile belirlenmiş ve akım-gerilim (-V) ve güç-gerilim (P-V) karakteristikleri ATAB ortamında belirlenmiştir. herhangi bir ölçüm yapmadan sadece üretici katalog verileri baz alınarak hesaplanmıştır. Tablo 1. tandart Test Koşullarında JK24 odülün Teknik Özellikleri tandart şık Şiddeti E ref 1 W/m 2 tandart ıcaklık T 25ºC aksimum Çıkış Gücü P AX 24 W aksimum Güç Noktası Gerilimi V 3,2 V aksimum Güç Noktası Akımı 7,95 A Kısa Devre Akımı 8,45 A Açık Devre Gerilimi V 37,3 V ıcaklık Katsayısı µ,5%/ºc V ıcaklık Katsayısı µv -,3%/ºC Hücre ayısı N 6 Tablo 2. E=1 W/m 2, T=25ºC. Explicit lope (A) 8,45 8,45 A 1,14 1,5 R (Ω),26,46 (A) 5,75E-9 6,92E-8 Tablo 3. E=8 W/m 2, T=25ºC elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

7 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin. Explicit lope (A) 6,76 6,76 V (V) 36,96 36,784 (A) 6,36 6,36 V (V) 29,86 29,684 (A) 6,76 6,76 A 1,13 1,3 R (Ω),34,41 (A) 4,E-9 6,92E-8 Tablo 4. E=4 W/m 2, T=25ºC. Explicit lope (A) 3,38 3,38 V (V) 35,681 35,182 (A) 3,18 3,18 V (V) 28,581 28,82 (A) 3,38 3,38 A 1,7 1,3 R (Ω),77,14 (A) 1,25E-9 6,92E-8 Tablo 5. E=1 W/m 2, T=4ºC. Explicit lope (A) 8,51 8,51 A 1,2 1,36 R (Ω),19,17 (A) 6,44E-9 7,66E-8 Tablo 6. E=1 W/m 2, T=6ºC. Explicit lope (A) 8,6 8,6 A 1,28 1,45 R (Ω),1,13 (A) 7,39E-9 8,66E-8 elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

8 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin Şekil 6. Farklı ışınım şiddetinde -V eğrisi Şekil 7. Farklı ışınım şiddetinde P-V eğrisi Şekil 8. Farklı sıcaklıklarda -V eğrisi Şekil 9. Farklı sıcaklıklarda P-V eğrisi Tablo 2, 3 ve 4 te ışınım şiddetinin E=1 W/m 2, 8 W/m 2 ve 4 W/m 2 olduğu durumdaki, Tablo 5 ve 6 da ise sıcaklığın T=4ºC ve T=6ºC olduğu durumdaki parametre değerleri hesaplanmıştır. Fotovoltaik modülün üretebileceği akım olan fotoakım ( ), her iki yöntemle E=1 W/m 2 ışınım şiddetinde 8,45 A; E=8 W/m 2 ışınım şiddetinde 6,76 A; E=4 W/m 2 ışınım şiddetinde ise 3,38 A olarak hesaplanmıştır. Farklı ışınım şiddeti koşullarında elde edilen akım terimleri; fotoakım ( ), kısa devre akımı ( ) ve maksimum akımın ( ) artan ışınım şiddetiyle dikkate değer bir oranda arttığı belirlenmiştir. Öte yandan implified ile E=1 W/m 2 ışınım şiddetinde açık devre gerilimi 37,3 V; E=8 W/m 2 ışınım şiddetinde açık devre gerilimi 36,96 V; E=4 W/m 2 ışınım şiddetinde ise açık devre gerilimi 35,681 V olarak; lope yle ise E=1 W/m 2 ışınım şiddetinde açık devre gerilimi 37,3 V; E=8 W/m 2 ışınım şiddetinde açık devre gerilimi 36,784 V; E=4 W/m 2 ışınım şiddetinde ise açık devre gerilimi 35,182 V olarak hesaplanmıştır. Açık devre gerilimi artan ışınım şiddetiyle önemli bir değişiklik göstermemektedir. Gerilim terimleri akım terimleri kadar ışınım şiddetinden etkilenmemektedir. Akım ve gerilim parametreleri, fotovoltaik sistemlerde çıkış gücünü doğrudan etkilemeleri açısından önemlidir. Şekil 6 da -V ve Şekil 7 de P-V karakteristiklerinde kısa devre akımının önemli ölçüde ışınım şiddetinin bir fonksiyonu olduğu, açık devre geriliminin ise ışınım şiddetinden çok fazla etkilenmediği görülür. Şekil 8 de -V ve Şekil 9 da P-V karakteristiklerinde hücre sıcaklığının artmasıyla kısa devre akımı çok küçük bir oranda artmakta ancak açık devre gerilimde azalmaya neden olmaktadır. Gerilimdeki düşüşün, akımdaki artışa elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216

9 Güneş Pilinin Tek Diyot Rs odel inin Hesaplanması Ve -V İle P-V Karakteristiklerinin oranla daha fazla olması nedeni ile çıkış gücünde düşüş olur ve bu durum verim kaybına yol açar. Dolayısıyla ışınım şiddetinin artmasıyla akımın ve çıkış gücünün arttığı belirlenmiştir. ıcaklığın artması, gerilimin düşmesiyle birlikte çıkış gücünün azalmasına sebep olmaktadır. 6. onuçlar Bu çalışmada, ticari amaçla satılan güneş paneli üretici firmanın katalog bilgileri kullanılarak tek diyot R modelin bilinmeyen parametreleri, farklı güneş ışınım şiddeti koşullarında iki farklı yöntemle hesaplanmış ve -V, P-V karakteristikleri ATAB ortamında oluşturulmuştur. Her iki yöntemin -V ve P-V karakteristikleri deneysel sonuçla kıyaslandığında simplified licit yönteminin slope yöntemine göre deneysel sonuçlara daha yakın olduğu görülmüştür. Ayrıca farklı ışınım şiddeti ve farklı hücre sıcaklıklarında, ışınım şiddetinin kısa devre akımı üzerinde; hücre sıcaklığının ise açık devre gerilimi üzerinde oldukça etkin parametreler olduğu belirlenmiştir. 7. Kaynaklar [1] Y. K. anusi, A. O. lyas, J. O. Bioku, and. Adeyemo, Comparative tudy of ethods of Determine Amorphous ilicon olar Cell Parameters, nt. J. Engeneerring nnov. Technol., vol. 2, no. 12, pp. 9 92, 213. [2] D. Bonkoungou, Z. Koalaga, and D. Njomo, odelling and imulation of photovoltaic module considering single-diode euivalent circuit model in ATAB, nt. J. Emerg. Technol. Adv. Eng., vol. 3, no. 3, pp , 213. [3]. G. Villalva, J. R. Gazoli, and E. R. Filho, Comprehensive Approach to odeling and imulation of Photovoltaic Arrays, EEE Trans. Power Electron., vol. 24, no. 5, pp , 29. [4] G. Walker, Evaluating ppt Converter Topologies Using a atlab Pv odel, J. Electr. Electron. Eng., vol. 21, no. 1, pp , 21. [5] R. TARAKAR and A. GUPTA, A Review extraction of solar cell modelling parameters, jireeice, vol. 3, no. 1, pp. 55 6, 215. [6] V. J. Chin, Z. alam, and K. shaue, Cell modelling and model parameters estimation techniues for photovoltaic simulator application: A review, Appl. Energy, vol. 154, pp , 215. [7]. ineykin,. Averbukh, and A. Kuperman, An improved approach to extract the single-diode euivalent circuit parameters of a photovoltaic cell/panel, Renew. ustain. Energy Rev., vol. 3, pp , 214. [8] R. Chenni,. akhlouf, T. Kerbache, and A. Bouzid, A detailed modeling method for photovoltaic cells, Energy, vol. 32, no. 9, pp , 27. [9] V. o Brano, A. Orioli, G. Ciulla, and A. Di Gangi, An improved five-parameter model for photovoltaic modules, ol. Energy ater. ol. Cells, vol. 94, no. 8, pp , 21. [1] F. Adamo, F. Attivissimo, A. Di Nisio, A... anzolla, and, Parameters estimation for a model of Photovoltaics Panels, XX EKO World Congr., pp , 29. [11] A.. Humada,. Hojabri,. ekhilef, and H.. Hamada, olar cell parameters extraction based on single and double-diode models: A review, Renew. ustain. Energy Rev., vol. 56, pp , 216. [12] a. ohapatra, B. K. Nayak, and K. B. ohanty, Comparative study on single diode photovoltaic module parameter extraction methods, 213 nt. Conf. Power, Energy Control, pp. 3 34, 213. [13] R. Khezzar,. Zereg, and A. Khezzar, odeling improvement of the four parameter model for photovoltaic modules, ol. Energy, vol. 11, pp , 214. [14] T. U. Townsend, a ethod for Estimating the ong-term Performance of Direct-Coupled Photovoltaic ystems, a ethod Estim. ong-term Perform. Direct-Coupled Photovolt. yst., pp. i xxii, [15] W. De oto,. A. Klein, and W. A. Beckman, mprovement and validation of a model for photovoltaic array performance, ol. Energy, vol. 8, no. 1, pp , 26. [16] D. era, R. Teodorescu, and P. Rodriguez, PV panel model based on datasheet values, EEE nt. ymp. nd. Electron., no. 4, pp , 27. [17] A. N. Celik and N. Acikgoz, odelling and erimental verification of the operating current of monocrystalline photovoltaic modules using four- and five-parameter models, Appl. Energy, vol. 84, no. 1, pp. 1 15, 27. [18] R. Khezzar,. Zereg, and a. Khezzar, Comparative study of mathematical methods for parameters calculation of current-voltage characteristic of photovoltaic module, 29 nt. Conf. Electr. Electron. Eng. - EECO 29, pp , 29. [19] BD-olar-jinko-26W-mono-panel.pdf tarihinde erişildi. elçuk Üniversitesi osyal ve Teknik Araştırmalar Dergisi 12 / 216