Rüzgâr Fotovoltaik Otonom Hibrid Güç Sistemlerinin Optimum Maliyetle Boyutland lmas Üzerine Paket Bir Yaz m

Transkript

1 Rüzgâr Fotovoltaik Otonom Hibrid Güç Sistemlerinin Optimum Maliyetle Boyutlandlmas Üzerine Paket Bir Yazm 1 F.Salmanolu, 2 N.S. Çetin 1,2 Ege Üniversitesi, Güne Enerjisi Enstitüsü, Bornova ZMR 1 firatsalmanoglu@gmail.com 2 numan.sabit.cetin@ege.edu.tr Özet: nsanolu var olduu günden bu yana sürekli olarak artan bir ekilde enerjiye ihtiyaç duymutur. Günümüzde enerji talebinin küresel olarak hzla artmas, fosil yakt rezervlerinin giderek tükenmesi, enerji maliyetlerindeki hzl art ve insanlarda çevre bilincinin giderek oturmas yenilenebilir enerjilere olan talebi hzla arttrmaktadr. Dünya genelinde olduu gibi Türkiye de de yenilenebilir enerjilere olan ilgi son yllarda gözle görülür bir ekilde artmr. Önümüzdeki birkaç yl içinde Türkiye de olgunlaacak olan bu sektörde u an itibariyle yetimi eleman ve eitim eksiklii göze çarpmaktadr. Bu eksiklikten hareketle hazrlanm olan bu yazm paketi ile rüzgâr ve fotovoltaik otonom hibrid güç sistemlerinin optimum maliyet ve boyutlarda tasarlanmas sorununa bir bak aç gelitirilmitir. Hazrlanan paket yazm sayesinde, Türkiye de ki 81 il ve bu illere ait toplam 921 ilçe merkezi için, belirlenen enerji ihtiyacna göre rüzgâr enerjisi sistemi, fotovoltaik sistem ve rüzgâr-fotovoltaik hibrid güç sistemi optimum maliyet ve boyutlarda tasarlanabilmektedir. Böylece, zaten pahal olarak nitelendirilen bu sistemlerin maliyetleri doru boyutlandrma ile ksmen daha makul mertebelere çekilebilmektedir. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji, Rüzgâr Enerjisi, Fotovoltaik, Hibrid Sistem, Yazm Gelitirme, Optimum Boyutlandrma, Optimum Maliyet 1. Rüzgâr Enerjisi Rüzgâr enerjisi dünyada çok eski zamanlardan beri kullanlan enerjilerden birisidir. nsanlar bu enerjiyi yüzyllar boyu su pompalar ve tane öütme ilemlerinde kullanmlardr, ancak 1900 lü yllarn banda rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretimi fikri ortaya çkm olup o dönemlerden günümüze oldukça mesafe almr [1]. ekil 1. Düey ve yatay eksenli rüzgar türbinleri 8

2 1.1 Rüzgâr Enerjisi nden Elektrik Enerjisi Üretimi Rüzgâr, sürekli deken bir davran sergiledii için, rüzgâr enerjisinden elde edilecek elektrik enerjisi de zamana ve mekâna ba olarak farklklar gösterecektir. Genel kinetik enerji denkleminden hareketle; E = ½.. A.t..(V r ) 3 denklemi elde edilmi olur. (1.1.1) Bu denklemde t = 1 ve A = 1 alnacak olursa, birim zamandaki ve birim alandaki rüzgâr enerjisi elde edilmi olur [1]. E = ½.. V 3 (1.1.2) Havann özgül kütlesi ( ) deniz seviyesinde ve atmosfer artlarnda ortalama olarak 1,223 kg / m 3 tür. 2. Güne Enerjisi ekil 2. Dünya daki kullanlabilir Rüzgâr ve Güne Enerjisinin büyüklüü. Güne'in merkeziyle Dünya'nn merkezi arasndaki uzaklk 149,6 milyon km dir. Güne in yayd enerji, Güne in çekirdeinde meydana gelen füzyon süreci ile aça kan çok büyük bir enerjidir. Güne ten Dünya ya saniyede yaklak 170 milyar MW enerji gelmektedir. Bu deeri m 2 bana hesaplayacak olursak birim alana ulaan güne nlar, günee dik bir yüzey üzerinde ölçüldükleri zaman W/m 2 olduu görülmektedir. Bu deer güne enerjisi sabiti olarak da anr. Atmosfer bu enerjinin %6 s yansr, %16 s da sönümler ve böylece deniz seviyesinde ulalabilen en yüksek güne enerjisi ortalamas W/m 2 dir [2]. 2.1 Güne Enerjisi nden Fotovoltaik Yöntemle Elektrik Enerjisi Üretimi Güne ten gelen n ta enerjiyi, iç fotoelektrik (fotovoltaik) olaydan yararlanarak direk olarak elektrik enerjisine çeviren dönütürücülere fotovoltaik eleman ad verilir [3]. 9

3 ekil 3. Fotovoltaik Eleman ekil 4. Fotovoltaik Güç Sistemi 3. Rüzgâr-Fotovoltaik Hibrid Güç Sistemleri Rüzgâr ve Güne enerji kaynaklarndan elde edilen enerjinin gün içinde süreksiz olmasndan dolay, hibrid güç sistemi düüncesi ortaya çkmr [1]. Hibrid sistemde enerji üreticisi olarak bulunan bileenler, birbirini tamamlayarak sistemin süreksizliini ortadan kaldr. Rüzgâr Fotovoltaik hibrid güç sisteminin bileenleri; Rüzgâr Türbini Fotovoltaik Paneller Aküler arj Regülâtörü nvertör Yük Kontrol Ünitesi Dier bileenler 10

4 ekil 5. Rüzgar-Fotovoltaik Hibrid Güç Sistemi ematik Gösterimi [4] Hibrid sistem tasarnda en önemli noktalardan bir tanesi, sistemin doru boyutlandlmasr. Tasarlanan sistem doru bir boyutlandrma yaplmadan kurulursa, l içinde baz dönemlerde enerji talebine cevap veremedii görülebilir 4. Hazrlanan Paket Yazm ve Yöntem Hazrlanan yazm, kullann belirledii bir konumda öncelikle enerji ihtiyacn belirlenmesini salamaktadr. Bunun sonrasnda kullan tasarlamak istedii sistem dâhilinde kullanmay planlad sistem bileenlerini kendisi tanmlayabilmekte ya da önceden tanmlanm olan sistem elemanlar kullanabilmektedir. Sistem için hazrlanan veri taban, Türkiye deki 81 il ve bu illere ait 921 yerleim bölgesinin bilgilerini içermektedir. Kullan istee ba olarak, yeni yerleim merkezi tanmlayabilmektedir. ekil 6. Veri tabanna ilenen 921 yerleim merkezinden bir bölüm. [10] 11

5 4. 1 Fotovoltaik Paneller ile Oluturulan Sistem Gerekli Fotovoltaik Panel Alan [5,6,9]: (3.1.3) C bat : Toplam Batarya Kapasitesi (Wh) t oto : Otonomi Süresi (gün) (3.1.1) eklinde hesaplanr. A pv : Toplam Fotovoltaik Panel Alan (m 2 ) E g : Günlük Enerji htiyac (Wh) I: Im (Wh/m 2 ) Gerekli Fotovoltaik Panel Say [5,6,9] : (3.1.2) eklinde hesaplanr. N pv : Fotovoltaik Panel Say (adet) A 1pv : Birim Fotovoltaik Panel Alan (m 2 ) Gerekli Toplam Akü Kapasitesi [5,6,9] : 4. 2 Rüzgâr Türbinleri ile Oluturulan Sistem Gerekli Batarya Say [5,6,9] : (3.1.4) N bat : Batarya Say (adet) C 1bat : Birim Batarya Kapasitesi (Ah) V bat : Batarya Gerilimi (V) Ayrca boyutlandrmann yan sra sistem için kapasite faktörü de hesaplanmaktadr. Kapasite Faktörü (3.1.5) KF: Kapasite Faktörü Elektrik leri Etüt daresi rüzgâr ölçüm istasyonlarndan elde edilen rüzgâr hzlar 10m yükseklikte ölçülmütür. Rüzgâr hzlar sistemde kullanlacak olan rüzgâr türbini kule yüksekliine göre Hellman yükseltme bant kullanlarak hesaplanmr [1,8]. V r : Rüzgâr H (m/s) V ref : Referans Rüzgâr H (m/s) (3.2.1) H: Kule Yükseklii (m) H ref : Referans Yükseklik (m) µ: Yüzey Pürüzlülük Katsay Rüzgâr h gün içinde farklk göstermektedir. Yl boyunca rüzgâr h esme sürelerini hesaplamak için Rayleigh Dam Fonksiyonu kullanlmr [1,8]. (3.2.2) h r : Esme Süresi (saat) V i : stenen Rüzgâr H (m/s) V ort : Ortalama Rüzgâr H (m/s) 12

6 5. zmir-bornova Örnei Sistem tasarlanrken ie ilk olarak, sistem tasar yaplacak noktadaki gerekli enerji ihtiyac belirlemekle balanr. Ada görüldüü gibi zmir-bornova yerleim merkezinde kurulacak olan bir sistem için, günlük enerji ihtiyac 4kWh olarak belirlenmitir. ekil 7. Yerleim merkezi ve yük belirleme ekran. Yerleim merkezi ve yük belirlendikten sonra sra, sistemde kullanlmas düünülen elemanlar belirlemeye gelir. Tasarlanan örnek sistemde 150Wp gücünde fotovoltaik paneller, 1kW gücünde rüzgâr türbini, bir invertör ve 12V 100Ah kapasiteli aküler seçilmitir. ekil 8. Sistem elemanlar belirleme ekran. Sistem elemanlar seçildikten sonra Tasarla butonuna baslarak, sistemin yl boyunca aylar baznda ihtiyaç duyaca fotovoltaik güç, sistemde bulunas gereken fotovoltaik panel say, 13

7 sistem için gerekli akü kapasitesi, sistem için gerekli akü say, deklinasyon aç ve sistemde bulunan fotovoltaik panellerin optimum duru aç hesaplanmakta ve tablo eklinde kullanya sunulmaktadr. ekil 9. Fotovoltaik sistem hesaplamalar ekran. Bir sonraki tabloda ise, rüzgâr enerjisine dair hesaplamalarn sonuçlar kullanya sunulmaktadr. 25m/s rüzgâr hna kadar gerçekleen esme süreleri aylar baznda hesaplanmaktadr. ekil 10. Rüzgâr enerjisi hesaplamalar ekran. 14

8 ekil 11. Sistem hesaplamalar grafiksel ekran. Daha sonra bu hesaplamalar grafiksel olarak ortaya koyulmakta ve sistemin genel karakteristiini okumay kolaylarmaktadr. Sonuç olarak sistemin, rüzgâr ve güne enerjileri birlikte kullanlarak tasarlanmas durumunda, optimum boyut ve maliyeti yakalamak için, olmas gereken sistem dengesi yüzdesel ve rakamsal olarak ifade edilmektedir. zmir Bornova yerleim merkezi için tasarlanan bu sistemde, %53 rüzgâr ve %47 güne dengesi en iyi sonuç olarak belirlenmitir. Bu deerler, sistemde kullanlan elemanlarn maliyetleri ile dorudan ilikilidir. ekil 12. Optimum sonuç ekran. 6. Kaynaklar [1] Pattel, M. R., (1999), Wind and Solar Power Systems, Ph. D., P.E, U.S. Merchant Marine Academy Kings Point, New York, 50-84p. [2] Messenger, R. A. ve Ventre J., (2004), Photovoltaic Systems Engineering, CRC Press, London-New York -Washington DC, 21-45p. 15

9 [3] Çolak, M., (2003), Fotovoltaik Sistemler Ders Notu, zmir. [4] Salmanolu, F., Çetin, N. S., (2009), Rüzgâr - PV Otonom Hibrid Güç Sistemlerinin Optimal Maliyetle Boyutlandlmas, 2.Rüzgâr Enerjisi Sempozyumu (RÜGES), Samsun. [5] Borowy B. S. and Salameh Z. M., (1994), Optimum Photovoltaic Array Size for a Hybrid Wind/PV System, IEEE Transactions on Energy Conversion, University of Massachusetts Lowell, p. [6] Borowy B. S. and Salameh Z. M., (1996), Methodology for Optimally Sizing the Combination of a Battery Bank and PV Array in a Wind/PV Hybrid System, IEEE Transactions on Energy Conversion, University of Massachusetts Lowell, p. [7] Ata, R. ve Çetin, N.S., (2007), 3 kw Otonom Bir Rüzgâr Türbini Kurulumu ve Enerji Eldesi, Gazi Üniv. Müh. Mim. Fak. Der., Ankara, 43-45s. [8] Abouzahr, I., Ramakumar, R., (1990). Loss of power supply probability of stand-alone electric conversion systems: a closed form solution approach. IEEE Transactions on Energy Conversion 5, p. [9] Muneer, T., (2004), Solar Radiation and Daylight Models, Elsever Ltd. All rights reserved, Napier University, Edinburgh, 36-52p. [10] JRC European Commission Photovoltaic Database, 16