SOLAR SİSTEMLERDE İNVERTER

Transkript

1

2 SOLAR SİSTEMLERDE İNVERTER TEKNOLOJİLERİ

3 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİ (İNVERTÖR) YAPILARI GİRİŞ

4 ŞEBEKE BAĞLANTILI FOTOVOLTAİK EVİRİCİLER GİRİŞ Solar modüllerden gelen gücü AC ye çevirerek şebekeye aktarır Tipik özellikler: Verim > %98 MPPT Verimi > %99 Şebekeye bağlantı yönergelerine uygunluk Şebeke izleme ve senkronizasyon Aktif anti adalama algoritma ve korumaları Yalıtım, kaçak akım ve DC akım izleme Yüksek güç kalitesi (düşük akım harmonikleri) Şebekeyi dinamik olarak destekleme Tipik olarak IGBT /MOSFET ve DSP teknolojileri kullanılır. Tipik fiyat EUR/kW

5 ŞEBEKE BAĞLANTILI FOTOVOLTAİK EVİRİCİLER GİRİŞ

6 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİLER Şebeke bağlantılı eviriciler, ada sistemleri için olan tek başına eviricilerle karıştırılmamalıdır. Ada sistemleri için olan tek başına eviricilerin bazı tiplerinde akü şarj devresi vardır ve bu tip eviriciler de şebekeye bağlanabilmektedir. Fakat Ada sistemleri için olan eviricilerde güç akışı daima şebekeden eviriciye doğru gerçekleşir. Şebeke bağlantılı eviricilerin görevi PV panellerden gelen gücü bağlı bulundukları AC şebekeye aktarmaktır, dolayısı ile güç akışı daima eviriciden şebekeye doğru gerçekleşmektedir. PV Paneller ve şebeke bağlantılı eviriciden oluşan fotovoltaik elektrik üretim sistemi adeta bir mini elektrik santrali gibi çalışmaktadır. Şebeke bağlantılı eviricinin AC şebekeye aktardığı güç öncelikle lokal yükler tarafından tüketilmektedir, artan güç elektrik şebekesine verilir ve daha uzaklarda bulunan yükler tarafından tüketilir. Genellikle 5 kw altındaki güçlerde tek fazlı şebeke bağlantılı eviriciler, daha yüksek güçlerde ise üç fazlı şebeke bağlantılı eviriciler kullanılır. Çok sayıda tek fazlı eviricinin üç fazlı şebekede fazlara eşit sayıda bölüştürülerek kullanılması da oldukça yaygın bir uygulamadır. Şebekeye olabilecek en yüksek güneş gücünü aktarmak için eviriciler MPPT (Maximum Power Point Tracking En yüksek Güç Noktası İzleme ) modunda çalışırlar, yani mevcut sıcaklık ve ışınım koşullarında en yüksek gücün elde edildiği PV panel gerilimi ve akımını saptayarak eviricinin PV panel dizisinden bu gerilimde bu akımı çekmesini sağlarlar. Bu şekilde elde ettikleri gücü Alternatif Akıma (AC) çevirerek minimum Harmonik distorsiyon ve minimum faz kayması ile AC şebekeye aktarırlar. Şebekeye aktarılan akımın harmonik distorsiyonunun düşük olması ve faz kayması olmamasının göstergesi eviricinin çıkış güç faktörünün 0.99 değerine yakın bir değerde olmasıdır.

7 ŞEBEKEYE GÜÇ AKTARAN FOTOVOLTAİK SİSTEMLERDE KULLANILAN EVİRİCİ TİPLERİ 1) Merkezi Evirici 2) Örgü Evirici 3) Çoklu Örgü Evirici 4) Modül Tümleşik Evirici

8 ŞEBEKEYE GÜÇ AKTARAN MERKEZİ EVİRİCİ YAPISI 10 kw üzeri güçler GES ler Yüksek Verim Düşük Maliyet Modül ve Modül dizi uyuşmazlığı sorunlarına karşı önlem alınmalı Yüksek DC gerilim kullanılması durumunda düşük kablo kaybı Diyot Kaybı

9 ŞEBEKEYE GÜÇ AKTARAN ÖRGÜ EVİRİCİ YAPISI 1 5 kw arası güçler Genellikle tek fazlı Evsel elektrik üretimi Modül dizileri arası uyuşmazlık sorunu olmaz Dizi içi modüller arası uyuşmazlıklara karşı önlem alınmalı GES uygulamalarında l ilk yatırım, bakım, bk izleme il maliyetleri i yükselir. GES uygulamalarında tekrarlılık yüksek, tek tek cihazların güvenilirliği daha düşüktür.

10 ŞEBEKEYE GÜÇ AKTARAN ÇOKLU ÖRGÜ EVİRİCİ YAPISI 3 30 kw arası güçler, 1faz ve 3 faz şebeke bağlantısı Küçük ve orta ölçekliçatı çatı sistemleri 10 kw gücünde çoklu örgü eviricinin maliyeti iki adet 5 kw dizi eviriciden daha düşüktür. Modül dizileri arası uyuşmazlık sorunu olmaz Dizi içi modüller arası uyuşmazlıklara karşı önlem alınmalı GES uygulamalarında ilk yatırım, bakım, izleme maliyetleri yükselir. GES uygulamalarında tekrarlılıkyüksek, tek tek cihazların güvenilirliği daha düşüktür.

11 ŞEBEKEYE GÜÇ AKTARAN MODÜL TÜMLEŞİK EVİRİCİ (MİKROİNVERTER) VE DC ENİYİLEME YAPILARI 400 W altı güçlerde Evsel elektrik üretimi Hem modül dizileri arasında, hem de tek tek modüller arasında uyuşmazlık sorununu ortadan kaldırır. Kayıplar dizieviriciden dahafazladır fazladır. Bakım gereksinimi dizi eviriciden daha fazladır ve bakım daha zordur. Dış mekan koşullarına maruz kalma dolayısı ile güvenilirlik düşüktür.

12 ŞEBEKEYE BAĞLANTILI ELEKTRİK ÜRETİM SİSTEMLERİNİN KARŞILAŞTIRILMASI Özellik MERKEZİ EVİRİCİ ÖRGÜ EVİRİCİ ÇOKLU ÖRGÜ MODÜL TÜMLEŞİK Ş EVİRİCİ EVİRİCİ Tipik Sistem Gücü 10 kw-2000 Kw 1-5 kw 3-30 kw W Tipik Uygulama Güneş Elektriği Santralleri Şebekeye bağlı ve Güç Kalitesi sorunları bulunmayan evler ve işyerleri Verim En Yüksek Çok Yüksek Çok Yüksek Düşük Maliyet En Düşük Düşük Daha Düşük Yüksek- Fotovoltaik diziler arası uyuşmazlık sorunlarına karşı bağışıklık Yok Tüm fotovoltaik diziler aynı tip ve toleransta modüllerden oluşmalı, sıcaklık, kısmi gölge, açı farkları olmamalıdır. Eviriciye Tek bir dizi bağlanabilir Var Diziler arasındaki farklar önemsizdir. Var Modüller arasındaki farklar önemsizdir. Fotovoltaik modüller arası uyuşmazlık sorunlarına karşı bağışıklık Bakımveİzleme Kolaylığı ve Maliyeti Yok Yok Yok Var Modüller arasındaki farklar önemsizdir. Büyük güçlerde Bakımveİzleme daha kolay ve ucuzdur, evirici sayısı azdır. Güç artışı evirici sayısını arttırarak yapıldığı için bakım ve izleme daha zor ve maliyetlidir. Merkezi eviriciden daha pahalı, dizi evriciden daha ucuzdur. Yüksek güçlerde Evirici sayısı çok arttığı için bakım ve izleme çok zor ve pahalıdır. Güvenilirlik Yüksek Evirici genellikle içmekanlarda bulunur, dış ortam koşullarının iklimsel stresleriyle karşılaşmaz. Kurulum dağılmış yapıda dışmekanlarda yapılırsa iklimsel stres nedeniyle güvenilirlik düşer. Kurulum dağılmış yapıda dışmekanlarda yapılırsa iklimsel stres nedeniyle güvenilirlik düşer. Kurulum Modül üzerinde dışmekanda yapılmak zorundadır. İklimsel stres nedeniyle düşük. Tekrarlılık Eğer modüler yapıda değilse Kötü Merkezi evirici bozulursa girişine bağlı tüm diziler devre dışı kalır Tek bir dizi evirici varsa merkezi evirici ile aynı, birden fazla dizi evirici varsa merkezi eviriciden daha iyidir. Tek bir çoklu dizi evirici varsa merkezi evirici ile aynı, birden fazla çoklu dizi evirici varsa merkezi eviriciden daha iyidir. En iyi Her modüle bağlı bir evirici mevcuttur.

13 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİ (İNVERTÖR) TOPOLOJİLERİ

14 50Hz TRAFOLU EVİRİCİLER Bu çeşit eviricilerde PV panel dizisi gerilimi bir tam köprü MOSFET yada IGBT devresini takip eden trafo üzerinden şebekeye bağlanır. Trafo PV Panel dizisi gerilimini şebeke gerilimine uydurmak ve şebekeden galvanik yalıtım sağlamak amacıyla kullanılır. Özellikle PV panel dizisi geriliminin elle dokunulabilecek kadar düşük (120 Volt altı) olduğu uygulamalarda l tercih edilir. dl Diğer yandan trafoların manyetik kayıpları ve iletim kayıpları verimi düşürür, eviricinin ağırlığını, hacmini ve maliyetini arttırır.

15 YÜKSEK FREKANS TRAFOLU EVİRİCİLER Bu çeşit eviricilerde PV panel dizisi gerilimi bir tam köprü MOSFET yada IGBT devresini takip eden yüksek frekanslı trafo ve doğrultma devresi üzerinden geçirilerek DC ara gerilim elde edilir. Elde edilen DC ara gerilim bir başka MOSFET yada IGBT köprüsü üzerinden AC ye çevrilerek şebekeye aktarılır. Buradaki trafo 50Hz trafoya oranla daha yüksek frekansta (10kHz 100kHz) çalıştığı için boyutları, ağırlığı ve maliyeti daha düşüktür. Buna karşılık eklenen tam köprü devresinin maliyeti çoğu durumda trafo maliyetindeki tasarrufu ortadan kaldırır. Aynı şekilde PV panel dizisi geriliminin elle dokunulabilecek kadar düşük (120 Volt altı) olduğu uygulamalarda tercih edilir. Diğer yandan trafonun ve ekstra köprü devresinin yüksek frekans ve iletim kayıpları verimi düşürür, eviricinin ağırlığı ve hacmi 50 Hz trafolu eviriciden daha düşüktür.

16 TEK ÇEVRİMLİ TRAFOSUZ EVİRİCİLER Buçeşit eviricilerde PV panel dizisi gerilimi bir tam köprü MOSFET yada IGBT devresi üzerinden şebekeye bağlanır. Trafo kullanılmadığı için eviricinin kayıpları, ağırlığı, boyutları ve maliyeti azalır. Buna karşılık sistemin sağlıklı çalışması için PV Panel dizisi geriliminin şebekenin tepe geriliminden daha yüksek olması gereklidir. Şebeke ile PV panel dizisi arasında yalıtım olmadığı için emniyet ile ilgili ekstra tedbirler alınmalı, hiç bir canlı iletkene elle dokunulmamalıdır.

17 ÇİFT ÇEVRİMLİ TRAFOSUZ EVİRİCİLER Buçeşit eviricilerde yukarıda anlatılan tek çevrimli trafosuz evirici devresinin girişine gerilimi yükselten tipte bir DC DC çevirici eklenerek daha düşük PV panel dizisi gerilimlerinin yükseltilerek şebekeye aktarılabilmesi sağlanır. Böylece tek çevrimli trafosuz eviricilerde söz konusu olan şebeke tepe geriliminden daha yüksek PV panel dizisi gerilimi şartı ortadan kalkar. Buna karşılık eklenen DC DC çevirici devresinin yol açtığı güç kayıpları ve maliyet dezavantajları ortaya çıkar. Çifte çevrimli trafosuz eviriciler trafolu eviricilerden daha hafif ve az yer kaplamakta ve daha yüksek verim değerlerine ulaşmaktadır. Şebeke ile PV panel dizisi arasında yalıtım olmadığı için emniyet ile ilgili ekstra tedbirler alınmalı, hiç bir canlı iletkene elle dokunulmamalıdır. ld

18 YÜKSEK VERİMLİ İLERİ EVİRİCİ YAPILARI HERIC H5 3 SEVİYELİ EVİRİCİ...

19 EVİRİCİ KONTROLÜ

20 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİLERDE MPPT

21 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİLERİN NİTELİKLERİ Evirici Verimi: a Çevirme Verimi: Çevirme verimi hesaplanırken sadece DC den AC çevirme işleminde ortaya çıkan kayıplar gözönüne alınır. Çevirme Verimi = Şebekeye aktarılan AC Güç / PV panellerden çekilen DC Güç b MPPT Verimi: Eğer evirici ideal MPPT noktasını bulmada hata yapıyorsa, bu hatanın yol açtığı güç kayıpları gözönünde tutularak MPPT verimi hesaplanabilir. MPPT Verimi = PV diziden çekilen Güç / PV diziden çekilebilecek maksimum Güç c Toplam Verim: Toplam verim hesabında hem çevirme verimi hem de MPPT veriminin değerlendirilmesi daha gerçekçidir. Toplam Verim = Çevirme Verimi x MPPT Verimi d EURO Verimi: Bir evirici düşük ışınım şartlarında daha az güç ürettiği gibi çevirme verimi de anma gücüne göre daha düşük olmaktadır. Orta Avrupa ikliminde evirici çoğunlukla anma gücünün yarı değeri civarında çalıştığı için EURO verim tanımlamasında aşağıdaki ağırlıklı ortalama formülü kullanılmaktadır. EURO Verimi = 0.03 x Verim(%5) x Verim(%10) x Verim(%20) x Verim(%30) x Verim(%50) x Verim(%100) Ülkemizin iklimi orta avrupa ikliminden oldukça farklı olduğu için önümüzdeki günlerde Ülkemiz için bir TR Verimi tanımlanmasına ihtiyaç vardır. Halen üreticiler evirici verimlerini optimal PV dizi geriliminde beyan etmektedirler. Optimal gerilimden farklı PV dizi gerilimlerinde beyan edilen verim değerlerinden daha düşük verim değerlerinin geçerli olacağı göz önünde tutulmalıdır.

22 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİLERİN NİTELİKLERİ Aşırı Yüklenme (overload) davranışı: PV panel dizi gücü Standart Test Koşullarında tanımlanmakta ve gerçek çalışma koşullarında PV panel dizi gücünün daha düşük olduğu varsayılmaktadır. Bu nedenle pek çok şebeke bağlantılı fotovoltaik elektrik üretim sisteminde PV panel gücü evirici gücünden daha büyük seçilmektedir. Bu durum bazı özel koşullarda eviricinin aşırı yüklenmesine yol açabilmektedir. Aşırı yüklenme durumunda eviriciden beklenen davranış MPPT modunu terk ederek PV panel dizisini maksimumdan daha düşük güç elde ettiği bir noktada çalıştırmasıdır. Böylece aşırı yüklenmenin yol açabileceği hızlı yaşlanma ve güvenilirlik azalması sorunları ortadan kaldırılabilir. Aşırı Sıcaklık davranışı: A kl kl d iii kild MPPT d t k d kpv l di i i i ki d Aşırı sıcaklıklarda evirici aynı şekilde MPPT modunu terkederek PV panel dizisini maksimumdan daha düşük güç elde ettiği bir noktada çalıştırmalıdır. Artan sıcaklıkla birlikte üretilen güç kısılarak aşırı sıcaklığın yol açabileceği hızlı yaşlanma ve termal stres ortadan kaldırılmalıdır.

23 ŞEBEKE BAĞLANTILI EVİRİCİLERİN NİTELİKLERİ Veri Kaydı: Veri kaydı genellikle PV gerilimi, i PV gücü, ü Şebeke b k Gerilimi, i Şebeke b k Gücü, ü DC yada AC Enerji miktarı, salınımı engellenen CO² miktarı, cihaz durumu ve alarmları kapsamaktadır. Enerji miktarları genellikle günlük, haftalık, aylık ve yıllık olarak kaydedilir. Veri kaydı eviricinin üzerinde, harici bir veri kayıt cihazında yada harici bir bilgisayar üzerinde tutulabilir. Eviricinin Güvenilirliği: Eviricinin sahip olduğu CE sertifikası elektromanyetik yayınım ve emniyet konularında ilgili standartlara uygunluğu ispatlasa da fotovoltaik elektrik üretim sistemleri ile ilgili saha deneyimi fotovoltaik sistem arızalarının %60 gibi yüksek bir oranının evirici arızalarından oluştuğunu ve eviricilerin sorunsuz çalışma periyodunun sekiz yıldan daha kısa olduğunu göstermektedir. Genellikle 10 yıllık çalışma periyodunun ardından eviricinin değiştirilmesi gerekmektedir. Arızalar genellikle evirici boyutunun aşırı küçük seçilmesi yada aşırı yüksek ortam sıcaklıkları nedeniyle elektronik komponentlerin aşırı stres altında çalışması, şebeke dalgalanmaları yada yıldırım düşmesi nedeniyle yıldırım koruma ve aşırı gerilim koruma devrelerinin hasar görmesi, sigortaların atması, elektrolitik litik kondansatör ve FAN ların ömrünün ü tükenmesi şeklinde d ortaya çıkmaktadır. kt Ortam koşullarının, evirici daha düşük sıcaklıklarda çalışacak şekilde uygun hale getirilmesi güvenilirliği oldukça yükseltmektedir.

24 ŞEBEKE BAĞLANTILI FOTOVOLTAİK EVİRİCİNİN AŞIRI/ZAYIF Ş IŞINIM Ş GİBİ UÇ KOŞULLARDA ÇALIŞMASI

25 AŞIRI KUVVETLİ IŞINIMDA TAM GÜÇTE ÇALIŞMA YAPILAN EN BÜYÜK FELSEFE HATASI İNVERTER GÜCÜNÜ FV GÜÇTEN KÜÇÜK TUTMAKTIR! Işınım ölçümleri 15 dakika gibi uzun periyotlarda ortalama olarak ölçüldüğünde parçalı bulutlu havalarda sözkonusu olan hızlı değişimler yakalanamamakta ve anlık ışınım değerlerinin olduğundan daha zayıf olduğu gibi bir yanılgı sözkonusu olmaktadır, Fraunhofer enstitüsü uzmanlarının yukarıdaki makalesine göre ışınım örnekleme hızını arttırıp 10 saniyede bir örnek alındığında yıllık ışınım enerjisinin %8 i gibi yüksek bir oranının 1000W/m2 nin üstünde ışınım seviyelerinde geldiği anlaşılmaktadır.

26 AŞIRI KUVVETLİ IŞINIMDA TAM GÜÇTE ÇALIŞMA YAPILAN EN BÜYÜK FELSEFE HATASI İNVERTER GÜCÜNÜ FV GÜÇTEN KÜÇÜK TUTMAKTIR! EPC firmaları maliyetleri düşürmek için 100 kwp fotovoltaik panele 80 kw AC çıkışlı inverter kullanmayı önermektedir. Bu yaklaşım güneşli günler için geçerli olabilir, zira güneşli günlerde öğlen saatlerinde dahi ışınım 800 W/m2 seviyesini geçmez ve güneşli günlerde artan hava sıcaklığı güneş panellerinin verimini düşürür, bu nedenle güneşli günlerde 100 kwp güneş panelinin 80kWp den fazla güç üretme imkanı zayıftır, ancak parçalı bulutlu günlerde ışınım 1500 W/m2 seviyelerine kadar çıkabilir ve sıcaklık daha düşük olduğu için panel verimi de daha yüksektir, bu nedenle 100kWp güneş panelinin yıllık enerjinin %8 ine karşılık gelen ağırlıkta 120 kwp ye kadar güç üretmesi söz konusudur. Eğer bu 120 kwp güç 80 kw AC gücünde bir invertere uygulanırsa inverter yukarıdaki grafikte gösterildiği üzere gücü 80kW ile sınırlar, bunun sonucunda panel gerilimi MPP noktasını terk ederek daha yüksek gerilimlere doğru kayar, sonuç olarak giriş gücü arttıkça inverter verimi düşmeye başlar, örneğin 80 kw invertere 120 kw güç uygulandığında verimde %34 düşme olur.

27 AŞIRI KUVVETLİ IŞINIMDA TAM GÜÇTE ÇALIŞMA YAPILAN EN BÜYÜK FELSEFE HATASI İNVERTER GÜCÜNÜ FV GÜÇTEN KÜÇÜK TUTMA Işınım örnekleme hızı yeterince yüksek değilse parçalı bulutlu günlerdeki ışınım hatalı ölçülür. Yıllık Enerjinin %8 i W/m2 ışınım seviyesinden gelir!

28 MAVİSOLAR MODGES Aşırı Kuvvetli Işınımda Tam Güçte Çalışma Eğer inverter gücü tavsiye edildiği gibi Kullanılan 6x20x250W gücündeki örgülerin %80 ine isabet edecek şekilde seçilse idi kırmızı çizginin üzerinde kalan güç seviyeleri kırpılacak ve şebekeye aktarılamayacaktı, eğer örnekleme periyodu 15 dakika olsaydı bu durum grafikte görülemeyecekti! Yukarıdaki grafik parçalı bulutlu bir istanbul gününde mavisolar msxi 3336 model eviricinin günlük güç üretim profilidir, hızlı ışınım değişimlerinin görünür hale gelmesi için örnekleme periyodu 15 dakikadan 1 dakikaya düşürülmüştür. Mavi solar eviricilerin string başına gücü rakiplerine oranla %10 %20 daha fazladır. Böylece parçalı bulutlu havalarda güç kısmadan çalışmaya devam eder.

29 AŞIRI ZAYIF IŞINIMDA ÇALIŞMA YAPILAN EN BÜYÜK FELSEFE HATASI İNVERTER GİRİŞ GERİLİMİNİ 550 VOLTTAN BÜYÜK SEÇMEKTİR! İnverter giriş gerilimi zayıf ışınımda 150 V DC ye kadar düşmektedir. 20kW üstü rakip inverterler genelikle 450V,560V gibi gerilim seviyelerinin altına inememektedir. Mavisolar MODGES inverterlerinin geniş fotovoltaik gerilim aralığı sayesinde 6W/m2 kadar düşük ışınım seviyelerinden başlayarak şebekeye enerji aktarmak mümkün olmaktadır. Rakip inverterler çok zayıf ışınım olan günlerde neredeyse hiç enerji aktaramazken mavisis mavisolar MODGES az da olsa enerji aktarmaya devam eder!

30 AŞIRI ZAYIF IŞINIMDA ÇALIŞMA YAPILAN EN BÜYÜK FELSEFE HATASI İNVERTER GİRİŞ GERİLİMİNİ 550 VOLTTAN BÜYÜK SEÇMEKTİR! GÜÇ MODGES eviricilerinin geniş (150V 800V) fotovoltaik gerilim aralığı sayesinde 6W/m2 kadar düşük ışınım seviyelerinden başlayarak şebekeye enerji aktarmak mümkün olmaktadır. FOTOVOLTAİK GERİLİM

31 ÖRNEK: MAVİSOLAR MODGES Aşırı Kuvvetli Işınımda Tam Güçte Çalışma Mavisolar MODGES evirici ailesi 1000W/m2 yi aşan ışınım şartlarında alışılmış inverterlere oranla %110 %120 dh daha fazla aşırı güç aktarma yeteneğine sahiptir. Senelik enerji üretiminin %8 ine denk gelen 1000W/m2 den yüksek ışınım olan anlarda tam verimle enerji aktarmaya devam eder. Mavisis mavisolar MODGES cihazı düşük ışınım şartlarında 20kW tan büyük inverterlerin güç aktarmayı kestiği düşük gerilim/düşük ışınım şartlarında enerji aktarmaya devam eder.

32 Teşekkürler Mavisis Teknoloji Enerji San. Tic. A. Ş. Gebze Organize Sanayi Bölgesi Kemal Nehrozoğlu Caddesi GOSB Teknopark Tel : (+90) Ü:2 K: Faks : (+90) Gebze/Kocaeli/Türkiye E posta : bilgi@mavisis.com