Sıcaklık ve Güneş Işınım Değişimlerinin Fotovoltaik Panel Gücü Üzerindeki Etkilerinin Simülasyon Analizi

Transkript

1 ve Güneş Işınım eğişimlerinin Fotovoltaik Panel Gücü Üzerindeki Etkilerinin Simülasyon Analizi Akif KARAFİL 1 Harun ÖZBAY 2 Metin KESLER 3 1 Akif KARAFİL 1 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Enerji Bölümü 2 Harun ÖZBAY 2 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Elektrik Bölümü 3 Metin KESLER 3 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Mühendislik Fak., Bilgisayar Müh. Bölümü 1 akif.karafil@bilecik.edu.tr 2 harun.ozbay@bilecik.edu.tr 3 metin.kesler@bilecik.edu.tr Özet Fotovoltaik (PV) anellerde kullanılan yarı iletken malzemeler ile güneş enerjisi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülür. Son dönemlerde yarı iletken malzeme teknolojisi gelişim kaydetse de PV anellerin verimliliği düşüktür. PV anel verimine etki eden birçok etken vardır. Bunlar; anel eğim açısı, gölgelenme, tozlanma, güneş ışınım şiddeti, sıcaklık ve kablolama kayılarıdır. Güneş ışınım şiddeti ve anel sıcaklığı anel verimine etki eden en önemli arametrelerdir. PV anelin yüzeyine gelen güneş ışınım şiddeti, anelin kurulduğu yerleşim yerinin coğrafi konumu ile o güne ait gün içindeki zaman dilimlerine bağlı olarak değişim göstermektedir. olayısıyla güneş ışınım şiddeti anel gücünü doğrudan etkilemektedir. Güneş ışınım şiddetinin düşmesi anel gücünü de düşürmektedir. Panel sıcaklığı ile anel gücü arasındaki ilişki ise ters orantılıdır. Yani; ortam sıcaklığı arttıkça anelin gücü düşmektedir. Yaılan bu çalışmada PV anele ait katalog verilerinden yararlanılarak anelin eşdeğer devresi PSIM ve MATLAB rogramlarında modellenerek sıcaklık ve güneş ışınım değişimlerinin PV anel gücü üzerindeki etkileri incelenmiştir. 1. Giriş Günümüzde artan nüfus ve sanayileşme oranı ile birlikte elektrik enerjisine olan tale her geçen gün artmaktadır. Fakat elde edilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmının etrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil kökenli yakıtlardan sağlanıyor olması çevre sorunlarını beraberinde getirmektedir. Ayrıca bu yakıtların yakın zamanda tükenecek olması, çevreye zararı olmayan ve tükenmez enerji kaynakları olan yenilenebilir enerji kaynaklarına duyulan gereksinimi ortaya çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında yer alan güneş enerjisi diğer enerji kaynaklarının oluşumuna dolaylı olarak katkıda bulunmaktadır. Aynı zamanda güneş enerjisinin temiz, tükenmez ve kullanımının kolay olması onu diğer yenilenebilir enerji kaynakları arasında daha cazi hale getirmektedir [1, 2]. Güneş hücresi, PV sistemlerde güneş ışığını doğrudan doğruya dc gerilime dönüştüren en küçük birimdir. Güneş hücreleri seri ve/veya aralel bağlanarak PV modülünü oluşturur. PV modüllerin seri-aralel birleştirilmesi ile de istenilen akım, gerilim ve güç değerlerinde PV aneli elde edilir [3, 4]. PV anel, anel yaısındaki yarı iletken malzemeye bağlı olarak güneş enerjisini %6-%20 verimle elektrik enerjisine dönüştürür. üşük verimliliğe sahi PV anellerin verimine etki eden birçok etken yer almaktadır. Bunlar; anel eğim açısı, gölgelenme, tozlanma, güneş ışınım şiddeti, sıcaklık ve diğer kayılardır [5, 6]. Bu etkenler arasında güneş ışınım şiddeti ve sıcaklık anel verimine etki eden en önemli iki arametredir. Gün boyunca güneş ışınım şiddeti ve sıcaklık gibi atmosferik şartların değişmesi anel verimini de önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle değişen atmosferik şartlara bağlı olarak güneş ışınım şiddeti ve sıcaklığın anel verimine olan etkisinin bilinmesi önemlidir. Fakat PV anel üretici firmaları kataloglarında laboratuvar ortamlarında gerçekleştirdikleri testler sonucu Standart Test Koşulları (STC) olarak adlandırılan 1000 W/m² güneş ışınım şiddeti, 25 ºC hücre sıcaklığı ve A.M. 1,5 hava kütle oranı şartlarındaki anelin elektriksel değerlerini vermektedirler. STC dışındaki değişimlerde PV anelin elektriksel değerleri bilinmemektedir. eğişen atmosferik şartlarda da PV anelin elektriksel değerlerinin bilinmesi gereklidir. Özellikle şebekeden bağımsız ve şebekeye bağlı sistemlerin tasarımında değişen atmosferik şartlar göz önünde bulundurularak hesalamaların yaılması daha doğru sonuçlar verecektir [7, 8]. Yaılan bu çalışmada PV aneline ait katalog verilerinden yararlanılarak anelin eşdeğer devresi PSIM ve MATLAB rogramlarında modellenerek 0, 25, 50 ºC sıcaklıklarda ve 200, 400, 600, 800, 1000 W/m² güneş ışınım şiddetlerindeki değişimlerin anel akımı, gerilimi ve gücü üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuç bölümünde ise yaılan simülasyon analizlerine göre PV aneller için en uygun sıcaklık ve güneş ışınım değerleri değerlendirilmiştir.

2 2. Fotovoltaik Hücrenin Matematiksel Modeli PV anellerden elde edilen elektrik enerjisinin incelenebilmesi için PV hücrenin eşdeğer devresinin çıkarılması gerekir. Güneş hücreleri yarıiletken malzemelerden yaıldığı için diyotla modellenmiştir. Güneş hücresi güneş ışınımı almadığında akım-gerilim karakteristiği diyota benzemektedir. Güneş hücresinin elektrik üretimi akım kaynağı ile sembolize edilirken, PV hücrelerde kayılar ise seri ve aralel direnç ile gösterilmektedir. Bir PV hücrenin elektriksel eşdeğer devresi Şekil 1 de gösterilmiştir [7, 9]. İdeal Hücre Rs + I I e v h q Vv I v Rs A k T c Vv I v Rs matematiksel model elde edilir [10, 11] PV Panelin MATLAB Simülasyonu Perlight marka PLM-100P/ W gücündeki olikristal yaıya sahi güneş aneli eşdeğer devre modeli ile Matlab m.file kullanılarak modellenmiştir. PV aneline ait katalog değerleri Tablo 1 de verilmiştir. 1 R (6) I I Iv Tablo 1: PV aneline ait katalog değerleri G Ih R Ryük Vv PV Panelin Elektriksel ve Mekaniksel Özellikleri Maksimum anel gücü (Pm) Sayısal eğerler 100 W±%3 Maksimum gerilimi (Vm) 17.7 V Maksimum akımı (Im) 5.65 A - Açık devre gerilimi (Voc) 22 V Kısa devre akımı (Isc) 6.21 A Şekil 1: PV hücrenin eşdeğer devre modeli PV hücrenin fotovoltaik akımı (I h ), hücre üzerine düşen güneş ışınım miktarı ile doğru orantılıdır. G I h Isc Ki Tc Tr (1) Gr Burada; I h : PV hücrenin fotovoltaik akımı I sc : 25 ºC ve 1000 W/m² deki kısa devre akımı K i : Kısa devre akımının sıcaklık katsayısı (0,0017 A/ºC) T c : PV hücre sıcaklığı (Kelvin cinsinden sıcaklık) T r : Referans sıcaklık (25 ºC için 298,15 ºK) G: W/m² deki güneş ışınım miktarı G r : Referans güneş ışınım miktarı (1000 W/m²) Panel verimliliği (%) 15.3 Hücre sayısı 36 (4x9) Adet Çalışma sıcaklığı -40 ºC +85 ºC PV anelin yüksüz durumu için 0, 25 ve 50 ºC sıcaklıklarda ve güneş ışınım şiddetinin 200, 400, 600, 800 ve 1000 W/m² lik değişimleri için güç-akım, güç-gerilim ve akım-gerilim karakteristikleri incelenmiştir. iyot akımı (I ), gerilime ve ters sızıntı akımına (I o ) bağlıdır. qv d A k T c I I e 1 (2) o Burada; q: Elektrik yükü (1,602x10-19 C) k: Boltzman sabiti (1, x10-23 J/K) A: iyotun kalite faktörü Şekil 2: 0 ºC sıcaklıktaki PV güç-akım karakteristiğinin güneş ışınım şiddetine göre değişimi Paralel dirençten geçen akımın denklemi; V V I R I R R v v s (3) PV hücrenin çıkış akımı ve gerilimi; I v I h I I (4) Vv V I v R s (5) (2) ve (3) nolu denklemler (4) de yerine yazılacak olunursa; Şekil 3: 0 ºC sıcaklıktaki PV güç-gerilim karakteristiğinin

3 Şekil 4: 0 ºC sıcaklıktaki PV akım-gerilim karakteristiğinin Şekil 8: 50 ºC sıcaklıktaki PV güç-akım karakteristiğinin Şekil 5: 25 ºC sıcaklıktaki PV güç-akım karakteristiğinin Şekil 9: 50 ºC sıcaklıktaki PV güç-gerilim karakteristiğinin Şekil 6: 25 ºC sıcaklıktaki PV güç-gerilim karakteristiğinin Şekil 10: 50 ºC sıcaklıktaki PV akım-gerilim karakteristiğinin Kullanılan matematiksel model ve bu modelin Matlab m.file rogramında analiz edilmesiyle PV anelin kısa devre akımları, açık devre gerilimleri, maksimum akımları, maksimum gerilimleri ve maksimum güçlerdeki değerleri 0, 25 ve 50 ºC sıcaklıklarda ve güneş ışınım şiddetinin 200, 400, 600, 800 ve 1000 W/m² lik değişimleri için elde edilmiş ve tablo halinde gösterilmiştir. Tablo 2: PV anelin kısa devre akım değişimleri Şekil 7: 25 ºC sıcaklıktaki PV akım-gerilim karakteristiğinin Kısadevre Akımı Isc (A) 1,23 2,46 3,69 4,92 6,15 0 ºC Isc (A) 1,25 2,5 3,75 5 6,25 25 ºC Isc (A) 1,27 2,54 3,81 5,08 6,35 50 ºC

4 Tablo 3: PV anelin açık devre gerilim değişimleri Açıkdevre Gerilimi Bu arametreler girildikten sonra anelin I-V ve P-V karakteristik eğrileri elde edilmektedir. Yaılan bu çalışmada Perlight marka PLM-100P/12 anelin arametreleri girilerek anelin fiziksel modeli oluşturulmuştur. Voc (V) 20,54 21,24 21,66 22,03 22,18 0 ºC Voc (V) 18,56 19,26 19,71 20,07 20,25 25 ºC Voc (V) 16,4 17,18 17,68 18,07 18,28 50 ºC Tablo 4: PV anelin maksimum akım değişimleri Maksimum Akım Imax (A) 1,13 2,36 3,44 4,67 5,9 0 ºC Imax (A) 1,12 2,37 3,44 4,69 5,94 25 ºC Imax (A) 1,19 2,37 3,41 4,7 5,99 50 ºC Tablo 5: PV anelin maksimum gerilim değişimleri Maksimum Gerilim Vmax (V) ºC Vmax (V) ºC Vmax (V) ºC Tablo 6: PV anelin maksimum güç değişimleri Şekil 11: PSIM deki güneş modülü simülatörü PV anelin fiziksel modeli oluşturulduktan sonra sıcaklık ve güneş ışınım şiddetinin kademeli olarak değişeceği devre Şekil 12 deki gibi oluşturulmuştur. Maksimum Güç Pmax (W) 20,49 42,64 65,46 88,84 112,2 0 ºC Pmax (W) 18,02 38,03 58,57 79,83 101,1 25 ºC Pmax (W) 15,59 33,29 51,54 70,6 89,66 50 ºC Simülasyon sonuçlarına göre anel sıcaklığı 0 ºC iken güneş ışınım şiddetinin kademeli olarak arttırılması anelin kısa devre akımını ve maksimum akımını doğru orantılı olarak arttır iken anelin açık devre gerilimini ve maksimum gerilimini ise çok az miktarda arttırmaktadır. Buna bağlı olarak güneş ışınım miktarının 200 W/m² den 1000 W/m² ye çıkarılması anelin gücünü yaklaşık olarak 5,5 kat artmıştır. Panel sıcaklığı 25 ve 50 ºC iken güneş ışınım şiddetinin kademeli olarak arttırılması 0 ºC ye benzer şekilde anelin kısa devre akımlarını ve maksimum akımlarını doğru orantılı olarak arttır iken anelin açık devre gerilimlerini ve maksimum gerilimlerini ise çok az miktarda arttırmıştır. 0 ºC deki anel değerleri ile 25 ºC deki anel değerleri karşılaştırılacak olunursa anel sıcaklığı arttığında anelin kısa devre akımları çok az miktarda artar iken maksimum akım değerleri ise yaklaşık olarak aynı kalmaktadır. Açık devre ve maksimum gerilim değerleri ise orantılı olarak düşmektedir. Buna bağlı olarak anel gücü de düşmektedir. 50 ºC deki anel sıcaklığında da benzer sonuçlar elde edilmiştir PV Panelin PSIM Simülasyonu PV anelinin fiziksel modeli Şekil 11 de gösterildiği gibi PSIM rogramının yenilenebilir enerji modülü menüsünde yer almaktadır. PV anelin fiziksel modelinde anele ait temel arametreler gereklidir. Bu arametreler, PV anel üretici firmalarının vermiş oldukları anel veri katalog değerleridir. Şekil 12: PSIM de PV anelinin sıcaklık ve güneş ışınım değişimlerinin incelenmesi Şekil 12 de oluşturulan devre ile PV anelin yüksüz durumu için 0, 25 ve 50 ºC sıcaklıklarda ve güneş ışınım şiddetinin 200, 400, 600, 800 ve 1000 W/m² lik değişimleri için zaman bağlı güç değerleri incelenmiştir. Şekil 13: 0 ºC deki PV anelin güç değişimi

5 Şekil 14: 25 ºC deki PV anelin güç değişimi Şekil 15: 50 ºC deki PV anelin güç değişimi Elde edilen kısa devre akımları ve maksimum güç değerleri tablo halinde gösterilmiştir. Tablo 7: PSIM de PV anelin kısa devre akım değişimi Kısadevre Akımı PSIM Simülasyon Sonuçları Isc (A) 1,14 2,38 3,62 4,86 6,1 0 ºC Isc (A) 1,24 2,48 3,72 4,96 6,2 25 ºC Isc (A) 1,34 2,58 3,82 5,06 6,3 50 ºC Tablo 8: PSIM de PV anelin maksimum güç değişimi Maksimum Güç PSIM Simülasyon Sonuçları PVmax (W) 20,26 43,3 66,26 88,88 111,06 0 ºC PVmax (W) 19,54 40,14 60,69 80,95 100,8 25 ºC PVmax (W) 18,44 36,64 54,82 72,74 90,3 50 ºC Elde edilen kısa devre akımları ve maksimum güç değerleri yaklaşık olarak matlab rogramında elde edilen değerlere çok yakındır. 3. Sonuçlar Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre güneş ışınım şiddetinin artması anel akımını orantılı bir şekilde arttırırken anel gerilimini ise çok az miktarda arttırmaktadır. Panelden elde edilen güç ise güneş ışınımının artışı ile orantılı bir şekilde artmaktadır. Panel sıcaklığının artması ise anel akımını çok az miktarda arttırırken anel gerilimini orantılı bir şekilde düşürmektedir. Gerilimdeki düşme oranı, akımın artış oranına göre daha fazla olduğundan bu duruma bağlı olarak anel gücü de düşmektedir. Bu sonuçlara göre PV anellerinden elde edilen güç değerleri için düşük sıcaklıklar ve yüksek güneş ışınım şiddetleri daha uygun olduğu görülmektedir. MATLAB/Simulink", Smart Technologies and Management for Comuting, Communication, Controls, Energy and Materials (ICSTM), 2015 International Conference on. IEEE, 2015, [2] Rustemli, S. ve incer, F., "Modeling of hotovoltaic anel and examining effects of temerature in Matlab/Simulink", Elektronika ir Elektrotechnika, 109(3), 35-40, [3] Almaktar, M., Rahman, H. A. ve Hassan, M. Y., "Effect of losses resistances, module temerature variation, and artial shading on PV outut ower", Power and Energy (PECon), 2012 IEEE International Conference on. IEEE, 2012, [4] Turhan, S. ve Çetiner, İ., Fotovoltaik sistemlerde erformans değerlendirmesi, 6.Ulusal Çatı & Cehe Semozyumu, [5] Irwanto, M., Irwan, Y. M., Safwati, I., Leow, W. Z. ve Gomesh, N., Analysis simulation of the hotovoltaic outut erformance, Power Engineering and Otimization Conference (PEOCO), 2014 IEEE 8th International. IEEE, 2014, [6] Bhol, R., Pradhan, A., ash, R. ve Ali, S. M., Environmental effect assessment on erformance of solar PV anel, Circuit, Power and Comuting Technologies (ICCPCT), 2015 International Conference on. IEEE, 2015, 1-5. [7] Islam, M., Rahman, M. Z. ve Mominuzzaman, S. M., The effect of irradiation on different arameters of monocrystalline hotovoltaic solar cell, eveloments in Renewable Energy Technology (ICRET), rd International Conference on the IEEE, 2014, 1-6. [8] Besli, N., Aktacir, M. A. ve Yesilata, B., Fotovoltaik anellerin gerçek arazi koşullarında test ve karakterizasyonu, Engineer & the Machinery Magazine, 51(601), 2010, [9] Zhu, W., Yang, S., Wang, L. ve Luo, L., Modeling and analysis of outut features of the solar cells based on MATLAB/Simulink, Materials for Renewable Energy & Environment (ICMREE), 2011 International Conference on the IEEE, 2011, [10] Villalva, M. G. ve Gazoli, J. R., Comrehensive aroach to modeling and simulation of hotovoltaic arrays, Power Electronics, IEEE Transactions on, 24(5), , [11] Krishan, R., Sood, Y. R. ve Uday Kumar, B., The simulation and design for analysis of hotovoltaic system based on MATLAB, Energy Efficient Technologies for Sustainability (ICEETS), 2013 International Conference on the IEEE, 2013, Kaynaklar [1] Inamdar, S. S. ve Vaidya, A. P., "Performance analysis of solar hotovoltaic module for multile varying factors in