Eleco 2014 Elektrik Elektronik Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Kasım 2014, Bursa

Transkript

1 Farklı Güneş Paneli Teknolojilerinin Kocaeli ili için Performans Değerlendirmesi Performance Evaluation of Different Solar Panel Technologies for Kocaeli Province Mustafa Engin BAŞOĞLU 1, Abdulvehhap KAZDALOĞLU 1, M. Zeki BİLGİN 2,Tarık ERFİDAN 2, Bekir ÇAKIR 2 1,2 Elektrik Mühendisliği Kocaeli Üniversitesi mengin.basoglu@kocaeli.edu.tr,vahap@kocaeli.edu.tr,bilgin@kocaeli.edu.tr, tarik@kocaeli.edu.tr,bcakir@kocaeli.edu.tr Özet Güneş panelleri, güneş ışınımı ve sıcaklık gibi çevresel faktörlere bağlı olarak güç kapasitesi değişen enerji kaynaklarıdır. Güç kapasitesinin değişken olması, güneş panellerinin performans analizinin önemini arttırmaktadır. Ticari olarak üretilen güneş panelleri temel olarak monokristal, polikristal ve ince film olarak amorf silisyum (a- Si), kadmiyum tellür (Cd-Te) ve bakır indiyum seleneid (CIGS) şeklinde sıralanabilir. Bu çalışmada, Kocaeli Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyonu Birimi tarafından desteklenen 2012/24 nolu proje kapsamında kurulan üç farklı fotovoltaik güç sisteminin performansı IEC standardına göre incelenmiştir. Fotovoltaik sistemler, monokristal, polikristal ve kadmiyum tellür türü güneş panellerinden oluşmaktadır. Tüm fotovoltaik sistemlerin performansları, belirlenen aylar için karşılaştırılmış ve ince film güneş panellerinin diğer panellere göre daha iyi performans gösterdiği belirlenmiştir. Abstract Solar panels are renewable energy source whose power capacity depends on solar irradiance and temperature factors. So, performance analysis of solar panels is important. Commercially produced solar panels are generally listed as monocrystal, polycrystal and thin film which includes a-si, cadmium tellur and CIGs. In this study, three photovoltaic power systems, which is installed within project of 2012/24 by Kocaeli University, are analyzed according to the IEC standards. Our photovoltaic systems are combined of monocrystal, polycrystal and cadmium tellur type solar panels. Performances of all photovoltaic system are compared with each other for certain months and it is shown that thin film panels perform better than other type of solar panels. 1. Giriş Güneş panelleri, DA formunda güç üreten lineer olmayan enerji kaynaklarıdır. Güneş panelinin lineer olmamasının sebepleri, yüke aktardığı gücün çevresel şartlara bağlı olması, P-N malzeme yapısına sahip olması ve akım denkleminin üstel formda olmasıdır. Çevresel etkenler, güneş ışınımı ve sıcaklık gibi büyüklüklerdir. Güneş panelinin gücü ile güneş ışınımı arasında doğrusal bir ilişki varken, sıcaklık ile panel gücü arasındaki ilişki panel çeşidine göre farklılık göstermektedir. Güneş paneli üreticilerinin kataloglarında verilen sıcaklığa bağlı katsayılar, panel türüne göre değişkenlik göstermekte ve bu parametre güç kapasitesini doğrudan etkilemektedir [1,2]. Bu çalışmada, Kocaeli Üniversitesi tarafından desteklenen 2012/024 nolu bilimsel araştırma projesi kapsamında üç farklı güneş paneli tipi kullanılarak tesis edilen fotovoltaik güç sistemlerinin performansları aynı ışınım ve sıcaklık şartlarında karşılaştırılmıştır. Tüm sistemler yaklaşık 1200Wp gücünde olup evirici aracılığıyla ulusal şebekeye bağlanmıştır. Ayrıca, güneş ışınımı, sıcaklık, rüzgar hızı gibi önemli parametreler sürekli ölçülmüş ve kaydedilmiştir. Kurulan üç farklı sistem ile ilgili teknik bilgiler, sistem yapısı ve resimleri ikinci kısımda verilmiş olup, çalışmanın üçüncü kısmında performans karşılaştırma kriterleri olarak IEC standardı ile ilgili açıklamalar yapılarak, matematiksel ifadeler verilmiştir. Son kısımda, tüm sistemlerin şebekeye aktardığı enerjiler, belirlenen iki ay için güneş ışınımı ve modül sıcaklığı değişimleri, monokristal, polikristal ve kadmiyum tellür tipi güneş panellerinin alan verimlerine, kapasite faktörlerine ve performans oranlarına yer verilmiştir. 2. Fotovoltaik Güç Sistemleri Kurulan fotovoltaik güç sistemlerinde, monokristal, polikristal ve kadmiyum tellür tipi ince film güneş panelleri kullanılmıştır. Monokristal sistem, 6 adet 195Wp gücünde, polikristal sistem 5 adet 250Wp gücünde ve ince film sistem ise 8 adet 150Wp gücündeki panellerden oluşmaktadır. Tüm sistemler 1300W'lık eviriciler aracılığıyla ulusal şebekeye bağlanmış ve tüm sistemler ile ilgili verilerin online takibi sağlanmıştır. Tüm sisteme ait blok devre şeması Şekil 1'de ki gibidir. 96

2 Eleco 2014 Elektrik Elektronik Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Kasım 2014, Bursa olmak üzere STK' da 326V - 3,7A ve 1200Wp nominal değerlere sahiptir. Şekil 4'de bu panel dizisi görülmektedir. Şekil 4. İnce film panel dizisi Şekil 1. Sistem blok devresi 3. Performans Karşılaştırma Kriterleri 2.1. Monokristal Panel Dizisi Monokristal sistem 6 adet 195Wp gücündeki güneş panelinin seri bağlanmasıyla elde edilmiştir. Elde edilen sistem, standart test koşullarında (STK), 142,8V - 8.3A nominal değerlere sahip 1170Wp gücündedir. Şekil 2'de monokristal panel dizisi resmi verilmiştir. Güneş panellerinin performansı IEC standardına göre belirlenmektedir [3-5]. Bu standarda göre, günlük üretilen enerji, ortalama saat başına ışınım değeri, günlük performans katsayısı ve günlük panel (sistem) verimi hesaplanmalıdır. Günlük üretilen enerji (1) denklemi ile hesaplanabilir. ts E D = PM dt 0 (1) Burada, ED, günlük üretilen enerji, ts, güneşin etkili olduğu süre veya fotovoltaik sistemin güç üretebildiği süredir. PM ise güneş panelinden alınan güçtür. 1m2 başına günlük enerji miktarı, bir saatlik güneş ışınımı ortalamaları 24 saat ile çarpılarak hesaplanabilir. m2 başına üretilen enerji; 24 2 E AT (Wh / m ) = Qa dt 0 Şekil 2. Monokristal panel dizisi (2) şeklinde ifade edilebilir. Burada EAT, m2 başına üretilen enerji miktarı, Qa bir saatlik zaman diliminde oluşan ortalama güneş ışınımı değeridir. Günlük üretilen enerjinin, standart test koşulları için geçerli güce oranı, HD, panel dizisinin maksimum güçte çalıştığı eşdeğer zamanı ifade eder ve (3) ile hesaplanır Polikristal Panel Dizisi Polikristal sistem, 5 adet 250Wp gücünde 5 adet panelin seri bağlanmasıyla STK' da 149,75V - 8,3A nominal değerlere ve 1250Wp gücüne sahiptir. Şekil 3'de bu polikristal panel dizisine ait resim görülmektedir. HD = ED PSTK (3) Burada, PSTK standart test koşullarında panel kataloğunda verilen güç değeridir. Günlük performans oranı ise; PR (%) = HD HR x100 (4) şeklinde hesaplanabilir. HR, m2 başına üretilen enerjinin referans güneş ışınımı değerine oranı olup (5) denklemi ile hesaplanır. Şekil 3. Polikristal panel dizisi HR = 2.3. İnce Film Panel Dizisi İnce film grubundan kadmiyum tellür tipi güneş paneli kullanılarak oluşturulan bu sistemde 8 adet güneş paneli vardır. Güneş panelleri 4 adet seri ve 2 adet paralel grup E AT QSTK (5) şeklinde hesaplanır. Burada, QSTK standart test koşullarındaki güneş ışınımı değeridir. Bu parametrelerin dışında bir de alan 97

3 Eleco 2014 Elektrik Elektronik Bilgisayar ve Biyomedikal Mühendisliği Sempozyumu, Kasım 2014, Bursa verimi söz konusudur. Alan verimi, düşük verimli güneş panellerinin sistem verimini olumsuz etkilemesi açısından önemlidir. Bundan dolayı, fotovoltaik güç tesislerinin kaplayacağı alana göre güneş paneli tipinin seçimi önemlidir. Alan verimi; η A (%) = ED E AT A x100 (6) şeklinde hesaplanabilir. Bu bağıntıda A, güneş paneli dizisinin yüzey alanıdır. 4. Performans Değerlendirmeleri b Şekil 6. Enerji değişimi a) Aralık b) Mayıs Üç farklı fotovoltaik güç sisteminin 2013 yılı Aralık ve 2014 yılı Mayıs ayına ilişkin enerji, kapasite faktörü, alan verimi ve performans faktörleri belirlenerek performans değerlendirmesi yapılmıştır. İlk olarak tüm sistemlerin ürettiği günlük ortalama enerji mayıs ve aralık ayları için Şekil 5' de verilmiştir. Sistemlerin şebekeye aktardığı enerjilerin günlük ortalama değişimleri Şekil 6.a,b' de ayrıntılı olarak verilmiştir. Şekil 7' de verilen güneş ışınımı değişiminin üretilen enerji değişimlerine benzediği görülmektedir. Buradan güneş ışınımı ile enerji üretimi arasında yaklaşık doğrusal bir ilişki olduğu görülmüştür. Şekil 5. Aralık ve Mayıs ayında şebekeye aktarılan enerji Şekil 7. Güneş ışınımı değişimi Tüm sistemlerin şebekeye aktardığı enerji miktarlarına bakıldığında, kurulu gücü polikristal sisteme göre düşük olan kadmiyum tellür tipi ince film güneş panelleri daha fazla enerji üretmiştir. Aralık ayında ince film sistem, polikristal sisteme göre %7.6 fazla enerji üretirken, Mayıs ayında bu yüzde %0.7 civarında kalmıştır. Bu yüzdelerin farklı çıkmasının sebebi, ince film teknolojisinin düşük sıcaklıklarda diğer sistemlere göre daha yüksek performans göstermesidir. Ayrıca ince film teknolojisinin güç üretebildiği ışınım spektrumu diğer teknolojilere göre daha geniştir [6]. Diğer yandan modül sıcaklığı değişimi enerji üretimi konusunda net bir yargıya varmamız için yeterli değildir. Şekil 8' de aralık ve mayıs ayları için modül sıcaklığı değişimi verilmiştir. Şekil 8. Modül sıcaklığı değişimi Sistemlerin maksimum güçte çalıştığı eş değer süre (3) nolu denklem aracılığıyla hesaplanabir. Sistemlerin kapasite faktörlerini belirleyen bu süre, Mayıs ayı güneş ışınımı değerlerinin yüksek olması nedeniyle daha yüksektir. İnce film teknolojisi kullanılan sistemin kapasite faktörü diğer iki sistemin kapasite faktöründen yüksek çıkmıştır. Bunun sebebi, a 98

4 ince film teknolojisinin sıcaklığa katsayısının daha düşük olmasıdır [4,6]. Tüm sistemlerin aylara göre kapasite faktörü değişimleri Şekil 9' da verilmiştir. Kapasite faktörü değişimi, Aralık ayında %11-13 arasında değişirken, modül sıcaklığının ve ortalama güneş ışınımı değerinin daha yüksek olduğu Mayıs ayında ise %18.5 mertebesindedir. Sistem performans oranı, PR, yüzdesel bir büyüklük olup, (4) nolu denklem kullanılarak hesaplanabilir. Mayıs ayında sıcaklık ortalamasının büyük olması performans oranını düşürmüştür. Bu oran özellikle Aralık ayında ince film teknolojisi için %120, kristal tipi güneş panellerinde ise %105 oranına ulaştığı Şekil 12' de görülmektedir. Şekil 13' de aylık performans oranlarının ortalaması her bir sistem için verilmiştir. Şekil 9. Aralık ve Mayıs ayları kapasite faktörü değişimi Tüm fotovoltaik sistemlerin gücü, ince film güneş paneli dizisinin gücü referans alınarak eşitlendiğinde, normalize edilmiş enerji değerleri elde edilir. Bu durumda ince film sistem Mayıs ayında, polikristal sisteme göre %11.2 daha fazla enerji üretirken, aralık ayında bu değer %4.9 olmaktadır. Buradan, sıcaklığın daha yüksek olduğu mayıs ayında ince film sistemin monokristal ve polikristal sisteme göre daha az etkilendiği ve güç üretiminin diğer iki sisteme göre daha çok olduğu sonucuna varılabilir. Şekil 10' da enerji üretiminin normalize edilmiş hali verilmiştir. Şekil 12. Günlük performans oranları Şekil 13. Aylık ortalama performans oranları Şekil 10. Normalize edilmiş enerji Tüm sistemlerin günlük alan verimlerine bakıldığında, polikristal sistemin diğer iki sisteme göre üstün olduğu, modül sıcaklığı ortalamasının daha düşük olduğu Aralık ayının Mayıs ayına göre diğer iki sisteme göre daha iyi sonuçlar verdiği Şekil 11' de görülmüştür. Şekil 11. Aylık ortalama alan verimi 5. Sonuçlar Fotovoltaik güç sistemlerinin verimini ve kapasite faktörünü etkileyen en önemli parçası güneş panelleridir. Ticari olarak üretilen güneş panellerinin, enerji dönüşüm verimlerinin düşük olması, panel çeşitlerinin performans analizinin önemini arttırmaktadır. Bu çalışmada IEC standardına göre üç farklı güneş paneli dizisinin performans analizi, üretilen enerji, kapasite faktörü, günlük sistem verimi ve performans oranı gibi parametrelere göre Kocaeli Üniversitesi BAP tarafından desteklenen 2012/24 nolu proje kapsamında Kocaeli Üniversitesi Umuttepe Yerleşkesinde yapılmıştır. Tüm değerlerin normalize edilerek ulaşılan sonuçlara göre; ince film tipi kadmiyum tellür güneş panellerinin polikristal ve monokristal sistemlere göre sırasıyla %11.2 ve %14.8 daha fazla enerji ürettiği belirlenmiştir. Mayıs ayı güneş ışınımı değerleri Aralık ayından daha iyi olduğu için mayıs ayı kapasite faktörleri daha yüksektir. Alan verimlerine bakıldığında ise en ideal güneş paneli polikristal olup, alan kısıtlaması olmayan uygulamalarda kadmiyum tellür güneş paneli seçilerek daha yüksek performans oranları elde edilebilir. 99

5 6. Kaynaklar [1] Hassaime L., Olias E., Quintero J., Salas V., " Overview of power inverter topologies and control structures for grid connected photovoltaic systems, Renewable and Sustainable Energy Reviews, 30, , [2] Singh G. K., "Solar power generation by PV (photovolaic) technology: A review, Energy, 53, 1-13, [3] Micheli D., Alessandrini S., Radu R., Casula I., "Analysis of the outdoor performance and efficiency of two grid connected photovoltaic systems in northern Italy", Energy Conversion and Management, 80, , [4] Cañete C., Carretero J., Sidrach-de-Cardona M., "Energy performance of different photovoltaic module technologies under outdoor conditions", Energy, 65, , [5] Leloux J., Narvarte L., Trebosc D., "Review of the performance of residential PV systems in France", Renewable and Sustainable Energy Reviews, 16, , [6] Carr A. J., Pryor T. L., " A comparison of the performance of different PV module types in temperate climates", Solar Energy, 76, ,