AKILLI ENERJİ SİSTEMİ

Transkript

1 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü AKILLI ENERJİ SİSTEMİ S.Serdar SEYMEN Gökhan AÇIKGÖZ İhsan TUNÇBİLEK Cemil GÜRÜNLÜ Mayıs, 2013 Trabzon

2

3 T.C. KARADENİZ TEKNİK ÜNİVERSİTESİ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü AKILLI ENERJİ SİSTEMİ S.Serdar SEYMEN Gökhan AÇIKGÖZ İhsan TUNÇBİLEK Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Mayıs, 2013 Trabzon

4

5 LİSANS BİTİRME PROJESİ ONAY FORMU S. Serdar SEYMEN, Gökhan AÇIKGÖZ ve İhsan TUNÇBİLEK tarafından Cemil GÜRÜNLÜ yönetiminde hazırlanan AKILLI ENERJİ SİSTEMİ başlıklı lisans bitirme projesi tarafımızdan incelenmiş, kapsamı ve niteliği açısından bir Lisans Bitirme Projesi olarak kabul edilmiştir. Danışman : Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ Jüri Üyesi 1 : Prof. Dr. İ. Hakkı ALTAŞ Jüri Üyesi 2 : Prof. Dr. A. Sefa AKPINAR Bölüm Başkanı : Prof. Dr. İ. Hakkı ALTAŞ

6

7 ÖNSÖZ Bu kılavuzun ilk taslaklarının hazırlanmasında emeği geçenlere, kılavuzun son halini almasında yol gösterici olan kıymetli hocam Sayın Prof. Dr. Cemil GÜRÜNLÜ ye şükranlarımı sunmak istiyorum. Ayrıca bu çalışmayı destekleyen Karadeniz Teknik Üniversitesi Rektörlüğü ne, Mühendislik Fakültesi Dekanlığı na ve Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölüm Başkanlığı na içten teşekkürlerimi sunarım. Her şeyden öte, eğitimim süresince bana her konuda tam destek veren aileme ve bana hayatlarıyla örnek olan tüm hocalarıma saygı ve sevgilerimi sunarım. Mayıs, 2013 S.Serdar SEYMEN Gökhan AÇIKGÖZ İhsan TUNÇBİLEK i

8 ii

9 İÇİNDEKİLER ÖNSÖZ İÇİNDEKİLER ÖZET SEMBOLLER VE KISALTMALAR i iii vii ix 1.GİRİŞ YENİLENEBİLİR ENERJİLERİN TARİHSEL GELİŞİMLERİ Rüzgar Enerjisinin Tarihsel Gelişimi Güneş Enerjisinin Tarihsel Gelişimi YENİLENEBİLİR ENERJİNİN YERİ VE ÖNEMİ Rüzgar Enerjisinin Yeri ve Önemi Güneş Enerjisinin Yeri ve Önemi TÜRKİYE NİN YENİLENEBİLİR ENERJİ POTANSİYELİ Türkiye nin Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli İş-Zaman Grafiği 5 2. TEORİK ALTYAPI RÜZGAR ENERJİSİ Rüzgar Enerjisinde Türbinin Tanımı, Özellikleri ve Yapısı Rüzgar Türbini Tanımı Rüzgar Türbinlerinin Sınıflandırılması Rüzgar Kuvvetinden Yararlanma Şekline Göre Rüzgarın Direnç Kuvvetinden Yararlanan Türbinler Rüzgarın Kaldırma Kuvvetinden Yararlanılan Türbinler Yükselen Hava Akımlı Rüzgar Türbinleri 7 iii

10 Pervane Ekseninin Konumuna Göre Yatay Eksenli Türbinler Düşey Eksenli Türbinler Rüzgardan Elektrik Üretiminin Avantaj ve Dezavantajları Jeneratör Seçimi ve Çeşitleri Jeneratör Seçim Kriterleri Asenkron Makineler Sincap Kafesli Asenkron Jeneratör Bilezikli Asenkron Jeneratör Asenkron Jeneratörlerin Çalışma Şekli Asenkron Jeneratörlerin Normal Çalışma Karakteristiği GÜNEŞ ENERJİSİ Fotovoltaik (PV) Sistemin Avantajları Fotovoltaik Sistemin Dezavantajları Fotovoltaik Sistem Uygulamaları Şebekeden Bağımsız (Off-grid) Sistemler Şebeke Bağlantılı (On-grid) Sistemler Şebeke Bağlantılı Akülü Sistemler Şebeke Bağlantılı (On Grid) Sistem Elemanları Fotovoltaik Panel (PV Panel, Güneş Hücreleri) Fotovoltaik (PV) Panel Çeşitleri Kristal Silikon PV Hücreler Tek Kristalli Silikon İçeren PV Hücreleri Çok Kristalli Silikon İçeren PV Hücreleri Galyum Arsenit İçeren PV Hücreleri İnce Film Şeklindeki PV Hücreleri 18 iv

11 Amorf Silikon (a-si) Kadmiyum Tellür (CdTe) Bakır İndiyum Diselenür (CuInSe2 veya CIS) Fotovoltaik Pillerin Çalışma Prensibi Eviriciler (Inverter) Akümülatör 21 3.TASARIM SİSTEMDE ÜRETİLEBİLECEK GÜÇ HESAPLAMALARI Güneş Enerjisinden Elde Edilebilecek Güç Rüzgar Enerjisinden Elde Edilebilecek Güç SİSTEM ELEMANLARI VE MALİYETLERİ Sistem Elemanları Sistem Maliyeti 25 4.DENEYSEL ÇALIŞMALAR SİSTEM ELEMANLARININ BAĞLANTILARI Kanatlar Kasnaklar Asenkron Jeneratör (Dinamo) Transformatör Doğrultucu (Güç Kaynağı) Ters Akım Koruma Diyotları Akü (Akümülatör) Evirici (Inverter) SİSTEM ÇALIŞMASI Rüzgar Enerjisinden Elektrik Üretimi Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi 34 v

12 4.2.3.Rüzgar Enerjisi ve Güneş Enerjisi nin Birleştirilmesi Üretilen Enerjinin Şebekeyle Beraber Kullanılması 35 5.SONUÇLAR 36 6.YORUMLAR VE DEĞERLENDİRME 37 vi

13 ÖZET Uluslararası arenada enerji kaynakları üzerine birçok çalışma yapılmaktadır. Son yıl zarfında ise bu alanda en çok, çevre kirliliği yaratmayan, güç potansiyeli yüksek ve neredeyse sınırsız olarak görülen yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelme olmuş ve yatırımlar yapılmıştır. Akıllı Enerji Sistemi projesi de ilgiyi bu alana çekmeyi amaçlamaktadır. Proje kapsamında; rüzgar enerjisinden elektrik üretimi, güneş enerjisinden elektrik üretimi ve bunların şehir şebekesi ile birlikte çalışması konularına değinilecektir. Sistem bir yerleşkenin ihtiyaç duyduğu elektrik enerjisinin rüzgar ve güneş enerjisi ile temin edilmesi, üretimin yeterli olmadığı durumda ise şehir şebekesi kullanılması ve bu şekilde enerji temininde mağduriyet olmaması esasına dayanmaktadır. vii

14 viii

15 SEMBOLLER VE KISALTMALAR M.S: Milattan Sonra M.Ö: Milattan Önce WECS: Wind Energy Conversion Systems( Rüzgar Enerjisi Çevrim Sistemleri) EİEİ: Elektrik İşleri Etüt İdaresi DMİ: Devlet Meteoroloji İşleri PV: Fotovoltaik DA: Doğru Akım ( DC-Direct Current) AA: Alternatif Akım ( AC-Alternative Current) W: Watt ( Elektriksel Güç Birimi) V: Volt ( Elektriksel Gerilim Birimi) Hz: Hertz( Frekans Birimi) MOSFET: Metal Oxide Field Effect Transistor( Metal Oksitli Alan Etkili Transistör ) IGBT: Insulated Gate Bi-Polar Transistor ( Yalıtılmış Kapılı Bipolar Transistör ) MPPT: Maximum Power Point Tracker ( Maksimum Güç Takip Sistemi) d/dk: devir/dakika ( Hız Birimi) Ns: Senkron Hız Nr: Rotor Hızı CE: Confirmity of European( Avrupa ya Uygunluk ) PWM: Pulse-Width Modulation ( Darbe Genişlik Modülasyonu ) LED: Light Emitting Diode ( Işık Yayan Diyot ) k: 10 3 kat M: 10 6 kat ix

16 x

17 1.GİRİŞ Ülkemizde elektrik enerjisi üretimi çoğunlukla hidroelektrik ve termik santrallerden temin edilmektedir. Ancak üretilen bu enerji miktarı bütün talebi karşılayamamaktadır. Ülkemizdeki hidroelektrik santrallerinin talep edilen elektriğin %21 ini karşıladığını, termik santrallerin de dışarıdan alınan doğalgaz kaynakları ile elektrik ürettiğini düşünürsek bu sistemin getireceği artılar öngörülebilir. Bununla beraber termik santrallerin ve hidroelektrik santrallerin doğayı kirletmesi de bu elektrik enerjisi üretimi sırasında karşılaştığımız sorunlardan biridir. Son senelerde gittikçe yaygınlaşan bazı yeni enerji üretim kaynakları türemiştir. Bunlardan en önemli ve en çok bahsedilenleri güneş enerjisinden elektrik üretimi ve rüzgar enerjisinden elektrik üretimidir. Bu enerji üretim şekilleri hem doğal yollardan ve çevreyi kirletmeden enerji üretilmesine katkıda bulunurlar hem de kurulum masrafları dışında çok fazla bir gideri olmadığı için ekonomik bakımdan da oldukça kazançlı olarak karşımıza çıkıyorlar. Edinilen bilgilere göre bir rüzgar gülünün kurulması çok masraflı olmasına rağmen kurulan bir rüzgar gülünün 4 ila 5 senede kurulum masraflarının karşılandığı saptanmıştır. Söz konusu projemizde bahsedilen akıllı enerji sistemi de bu kirlilik yaratmayan, kurulum masrafı dışında çok da fazla bir masraf gerektirmeyen ve uzun vadede çok fazla kâr edilmesini sağlayacak bir sistemdir. Sistemimiz bir site, bir yerleşim yeri veya herhangi bir elektrik talep edilen yerde kullanılabilecek bir sistem olup sadece boyutlarına göre üreteceği enerji değişecektir. Sistem rüzgar gülünü, güneş panelini ve şehir şebekesini içermektedir. Tabi ki projemizin çalışma prensibine uygun yerlerde kullanılabileceği şimdiden belirtilmelidir. Proje rüzgar enerjisiyle ve güneş enerjisiyle elektrik üretmek ve bu enerjiyi öncelikli olarak yük üzerinde kullanarak tasarruf etmek, kâr sağlamak üzerine kuruludur. Ancak rüzgar gülü veya güneş panelinden birisinin ve yahut her ikisinin de verimli çalışmaması, yükün talep gücünü karşılayamaması durumu için şehir şebekesi bağlantısı da düşünülmüştür. Sistem; rüzgar ve güneş enerjisinin akü ile depolayarak gerekli kontrol devresi aracılığıyla yükü beslemektedir. Akünün yetersiz kalması durumunda şehir şebekesinden elektrik enerjisi çekilmesi üzerine tasarlanmıştır. 1

18 1.1.YENİLENEBİLİR ENERJİLERİN TARİHSEL GELİŞİMLERİ Rüzgar Enerjisinin Tarihsel Gelişimi Rüzgar enerjisi ilk olarak yelkenli gemilere hız kazandırmak amacı ile kullanılmıştır. Ayrıca rüzgar; sulamada ve yel değirmenlerinde de kullanılarak enerji üretimi için kullanılabilecek kaynaklardan olabilme özelliğini göstererek elektrik enerjisi olarak jeneratör kullanımı ile elektrik enerjisi piyasasına girmiştir. Rüzgar enerjisi ilk olarak M.Ö.2800 lü yıllarda Orta Doğu da kullanılmıştır. M.Ö.17.yüzyılda toprak sulamak amacıyla kullanılan rüzgar enerjisinin hem Babil de hem de Çin de kullanıldığı bilinmektedir. Yel değirmenleri ilk olarak İskenderiye civarlarında kurulmuştur. Türkler ve İranlıların ilk yel değirmenlerini M.S.7. yüzyılda kullanmaya başlamalarına rağmen Fransa ve İngiltere Haçlı seferleri sayesinde öğrendikleri yel değirmenlerini 12.yüzyılda kullanmaya başlamışlardır. 19.yüzyılda rüzgar enerjisinin en önemli kullanıldığı amaç su pompalamaktı. Sanayi Devrimi ile buhar makinesinin üretimiyle fosil yakıtlardan enerji üretiminin başlaması rüzgar enerjisinin kullanımını oldukça düşürmüştür. Tüm bunlara rağmen; 1890 lı yılların başında Danimarka da 23 metre çapında elektrik üretmek için üretilen rüzgar türbini elektrik üretimi için gerçekleştirilen ilk rüzgar türbinidir. 19.yüzyılda gerçekleştirilen ilk rüzgar türbinlerinin verimlerinin düşük olmasına karşın 1910 yılında güç değerleri 5-25 kw arasında değişen yüzlerce rüzgar ünitesi Danimarka da faaliyet göstererek enerji üretmekteydi yılında Roma da Birleşmiş Milletler tarafından düzenlenen Enerjinin Yeni Kaynakları Konferansı nda görüşülen üç kaynaktan biri de rüzgar enerjisidir. Böylece rüzgar enerjisi enerji çeşitleri arasına girdi larda Almanya da 100 kw lık türbinler 1970 lerde ise Danimarka da 650 kw lık türbinler kullanılıyordu. Yine 1970 lerde Amerika da büyük tip yatay eksenli makineler üzerinde çalışılırken, dikey eksenli Darrieus tipi makineler üzerinde de çalışmaya başlatılmıştır. Artık eski tip rüzgar jeneratörleri yerine WECS sistemleri kurulmaktadır. Günümüzde hem karalarda hem de denizlerde rüzgar santralleri kurulmaktadır. Deniz üstü rüzgar enerjisi ile ilk çalışmalar 1970 li yılların sonuna doğru Danimarka, Hollanda, İsveç ve ABD de başlamıştır. [1] İlk deniz üstü rüzgar çiftliği Danimarka da Loland adası yanında kurulan Vindeby rüzgar çiftliğidir. Ülkemizde 1992 yılında Türkiye Rüzgar Enerjisi Birliği kurularak Avrupa Rüzgar Enerjisi Birliğine bağlanmıştır. Ülkemizde bu birliğin etkili çalışmaları ile özel şirketler tarafından 1998 de İzmir-Çeşme, Alaçatı mevkiinde ARES-Güç Birliği şirketi tarafından 2

19 toplam 7.2 MW lık rüzgar türbinleri kurularak rüzgar enerjisinden elektrik üretilmeye başlanılmıştır. Yine aynı yılda Demirer Holding tarafından 10.2 MW lık rüzgar türbinleri Çanakkale-Bozcaada da kurulmuştur. Böylece Türkiye de rüzgar enerjisi ile elektrik üretimine geçerek küresel elektrik üretiminde yeni bir aşama kaydetmiştir Güneş Enerjisinin Tarihsel Gelişimi Doğal enerji kaynaklarının pek çoğunun kaynağı olan güneş enerjisinden, ısıtma ve elektrik elde etme gibi amaçlarla doğrudan yararlanılmaktadır. Güneş enerjisi çevre açısından temiz bir kaynak özelliği taşıdığından fosil yakıtlara alternatif olmaktadır. Yeryüzüne her yıl düşen güneş ısınım enerjisi, yeryüzünde şimdiye kadar belirlenmiş olan fosil yakıt haznelerinin yaklaşık 160 katı kadardır. Ayrıca yeryüzünde fosil, nükleer ve hidroelektrik tesislerinin bir yılda üreteceği enerjiden kat kadar daha fazladır. Ayrıca, güneş enerjisi hem bol, hem sürekli ve yenilenebilir, hem de bedava bir enerji kaynağıdır. Bunların yanı sıra geleneksel yakıtların kullanımından kaynaklanan çevresel sorunların çoğunun güneş enerjisi üretiminde bulunmayışı bu enerji türünü temiz ve çevre dostu bir enerji yapmaktadır. Yakıt sorununun olmaması, işletme kolaylığı, mekanik yıpranma olmaması, modüler olması, çok kısa zamanda devreye alınabilmesi (azami bir yıl), uzun yıllar sorunsuz olarak çalışması ve temiz bir enerji kaynağı olması gibi nedenlerle dünya genelinde fotovoltaik elektrik enerjisi kullanımı sürekli artmaktadır. Güneş pilleri, halen ancak elektrik şebekesinin olmadığı, yerleşim yerlerinden uzak yerlerde, jeneratöre yakıt taşımanın zor ve pahalı olduğu durumlarda ekonomik yönden uygun olarak kullanılabilmektedir. Bu nedenle genellikle sinyalizasyon ve kırsal elektrik ihtiyacının karşılanması gibi uygulamalarda kullanılmaktadır. [2] Ek olarak; Güneş enerjisinden en iyi şekilde yararlanabilmek için, Güneş Kuşağı adı verilen, 45º kuzey-güney enlemleri arasında kalan bölgede yer almak gerekmektedir. 1.2.YENİLENEBİLİR ENERJİNİN YERİ VE ÖNEMİ Rüzgar Enerjisinin Yeri ve Önemi Değişen ve gelişen dünyada enerji ihtiyacının her geçen gün biraz daha artması farklı enerji türlerinde çalışma ihtiyacını doğurmaktadır. Bu sebeple temiz bir enerji üretmek adına çeşitli kurum ve kuruluşlar rüzgar enerjisine yönelmişlerdir. Rüzgar enerjisi, diğer enerji kaynaklarına göre fosil yakıt kullanmadığından ve zararlı gaz salınımı yapmadığından çevre dostu bir enerji kaynağıdır. Ayrıca; yenilenebilir bir enerji kaynağı olması tükenebilir enerji kaynağı olasılığını ortadan kaldırmıştır. [1] Rüzgar enerjisi, tercih edilen hali hazırdaki enerji çeşitlerine karşı rekabette zorlanmasına rağmen, yüksek hızda ve sürekli rüzgar alan bölgelerde kurulumu sistemde prestijini ve gücünü arttırmaktadır. Kurulum maliyeti aşırı olmasına rağmen, bakım ve işletme masrafları oldukça düşüktür. 3

20 Rüzgarın süreksizliği rüzgar enerjisinin kararsız bir enerji olmasına sebep olmasına karşın, günümüzde gelişen güç elektroniği uygulamalarından çift yönlü değiştiricilerle değişen rüzgar hızlarında da sabit gerilimde ve frekansta çıkış elde edilebilmektedir Güneş Enerjisinin Yeri ve Önemi Dünyada yaygın olarak kullanılan enerji üretim sistemlerinden bir tanesi de güneş enerjisinden elektrik enerjisinin üretilmesidir. Güneş enerjisinin kullanılmasının en önemli avantajları elektrik enerjisinin üretimi sırasında çevreye zararlı gaz salınımı meydana gelmemekte ve enerji kaynağının güneş olması sebebiyle sınırsız bir kaynağa sahip olunmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik üretimi fotovoltaik paneller kullanılarak gerçekleştirilmektedir. Güneş enerjisinden elektrik üretimi küçük güçlü olabileceği gibi büyük güçlü güneş santralleri ile yüksek güçlerde elektrik üretimi de yapılmaktadır. [3] 1.3.TÜRKİYE NİN YENİLENEBİLİR ENERJİ POTANSİYELİ Türkiye nin Rüzgar Enerjisi Potansiyeli Türkiye coğrafi konumu nedeniyle yenilenebilir enerji kaynaklarında önemli bir potansiyele sahiptir. Rüzgar enerjisi bu kaynaklar içinde önemli bir yer kaplamaktadır. Türkiye, orta kuşakta yer almasından dolayı, soğuk ve sıcak hava kütlelerinin karşılaştığı bir alandadır. Rüzgarın oluşabilmesi için gerekli olan basınç farkını bu iki farklı hava kütlesi sağlar. Türkiye batı rüzgarları kuşağında yer alır. Balkan yarımadası üzerinden gelen kuzey rüzgarlarının etkisiyle, kış boyunca Karadeniz de güçlü rüzgarlar oluşur. Fakat Karadeniz kıyılarının, sarp kayalıklardan ve ani yükselen tepelerden meydana gelmesi yüzünden bu rüzgarların gücünden yararlanılamamaktadır. Anadolu nun güneydoğu kıyıları, batı kıyıları ve Marmara Bölgesi rüzgar gücü bakımından zengin alanlarımızdır yılında EİE ve DMİ işbirliği ile "Türkiye Rüzgar Atlası" yapılmıştır. Türkiye Rüzgar Atlası genel olarak bir fikir vermektedir. Hazırlanmış olan Türkiye rüzgar atlasına göre yer seviyesinden 50 m. yükseklikteki rüzgar potansiyelleri incelendiğinde Ege, Marmara ve Doğu Akdeniz Bölgeleri nin en yüksek potansiyele sahip olduğu görülmektedir. Bugünkü teknik potansiyelimiz MW ve ekonomik potansiyelimizin ise MW civarında olacağı tahmin edilmektedir. Ayrıca; rüzgar enerjisi potansiyelinin enerji üretimi amacıyla belirlenmesi kapsamında EİEİ genel müdürlüğünce Rüzgar Enerjisi Gözlem İstasyonu Projesi başlatılmıştır. Proje kapsamında kurulan istasyonlarda, rüzgar verilerini toplama calışmaları sürdürülmektedir. [4] 4

21 Enerji konusunda sıkıntı yaşamamak adına özel sektör temiz enerji olan rüzgar enerjisine ilgi duymaktadır. Bu konuda birçok tanınmış şirket yatırımlarını bu yönde yapma taraftarıdır. Son dönem tartışılan konular üzerine çok önemli hale gelen ve gelişimi büyük bir hız kazanan rüzgar enerjisi için türbin üretici firmalar çalışmalarına ve araştırmageliştirme faaliyetlerine giderek artan oranda önem vermektedir. Ülkemizde rüzgar enerjisi ile ilgilenen şirketler uygun yerler için araştırmalarını yapıp lisans başvurularını yaparken, üretici firmalar talep fazlalığından dolayı çok geç tarihler vermektedir. Tüm dünyanın dikkatini rüzgar enerjisine çevirmiş olması, daha önceden bu konuda üretim yapmak üzere yatırım yapmış firmalara iyi fırsatlar sunmaktadır. Enerji Bakanlığı Türkiye de 2020 ye kadar 3000 MW kurulu güce sahip rüzgar santralinin devreye girmesini planlamaktadır. Tüm dünya üzerinde rüzgar enerjisi kurulu gücü, yıllık %20-30 luk bir artış seviyesindedir Türkiye'nin Güneş Enerjisi Potansiyeli Ülkemiz, coğrafi konumu nedeniyle sahip olduğu güneş enerjisi potansiyeli açısından birçok ülkeye göre şanslı durumdadır. Devlet Meteoroloji İşleri Genel Müdürlüğünde (DMİ) mevcut bulunan yıllarında ölçülen güneşlenme süresi ve ışınım şiddeti verilerinden yararlanarak EİE tarafından yapılan çalışmaya göre Türkiye'nin ortalama yıllık toplam güneşlenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat), ortalama toplam ışınım şiddeti 1311 kwh/m²-yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m²) olarak tespit edilmiştir[5]. Araştırmalara göre Türkiye'nin en fazla güneş enerjisi alan bölgesi Güney Doğu Anadolu Bölgesi olup, bunu Akdeniz Bölgesi izlemektedir. Fakat, bu değerlerin, Türkiye nin gerçek potansiyelinden daha az olduğu, daha sonra yapılan çalışmalar ile anlaşılmıştır yılından bu yana EİE ve DMİ, güneş enerjisi değerlerinin daha sağlıklı olarak ölçülmesi amacıyla enerji amaçlı güneş enerjisi ölçümleri almaktadırlar. Devam etmekte olan ölçüm çalışmalarının sonucunda, Türkiye güneş enerjisi potansiyelinin eski değerlerden %20-25 daha fazla çıkması beklenmektedir. Ayrıca; 2008 yılında Türkiye nin güneş enerjisi potansiyeli atlası (GEPA) çalışması Türkiye Güneş Enerjisi Potansiyeli Atlası tamamlanarak, sonuçların tematik harita görüntüleri EİE web sitesinde yayınlanmıştır. GEPA verilerine göre yapılan çalışmada, Türkiye'de toplam güneş enerjisi yatırımlarına uygun kullanılabilir alan belirlendiği, EPDK yetkilileri tarafından bildirilmiştir. Aynı çalışmada Türkiye nin güneş enerjisi ile elektrik üretecek teknik potansiyelinin yıllık 380 milyar olduğu tespit edilmiştir. [6] 1.4.İŞ-ZAMAN GRAFİĞİ Projenin yapılması için planlanan iş-zaman grafiği Çizelge-1 de gösterilmiştir. Şeklin daha net olması için sayfada yatay olarak yerleştirilmiştir. 5

22 Çizelge-1: İş-Zaman Grafiği Başlangıç Zamanı Bitiş Zamanı YAPILAN İŞLER Şubat Mart Nisan Mayıs /02/ /02/2013 Proje Araştırmaları 24/02/ /03/2013 Zaman Planlaması ve Gerekli Malzemelerin Tespiti 08/03/13 16/03/2013 Malzeme Siparişi ve Temini 17/03/ /04/2013 Proje Devrelerinin Kurulması 01/04/ /04/2013 Sistem Montajının Tamamlanışı 23/04/ /05/2013 Deneylerin Yapılması 07/05/ /05/ /05/ /05/2013 Deney Sonuçlarının Eldesi ve Yorumlamalar Tez yazım kontrolü ve tez teslimi 6

23 2.TEORİK ALTYAPI 2.1.RÜZGAR ENERJİSİ Rüzgar Enerjisinde Türbinin Tanımı, Özellikleri ve Yapısı Rüzgar Türbini Tanımı Rüzgar türbini pervane kanatları, pervane göbeği rotor ve dişli kutusundan oluşur. Bunların tümü kule tarafından taşınır. Tüm bu yapıya rüzgar enerjisi tesisi adı verilir. Günümüz rüzgar türbini özellikleri; -2,3 kanatlıdır. -Kanat çapları 30 metredir. -Türbin güçleri kw-mw dolaylarında değişmektedir. -Karalarda kurulduğu gibi denizlerde de kurulumu mümkündür. Rüzgar türbinine ulaşan rüzgar pervaneyi mekanik enerjileyerek, generatörde elektrik enerjisi indüklenmesini sağlar. Rüzgar türbini ile mekanik enerji elektrik enerjisine dönüştürülmüş olur Rüzgar Türbinlerinin Sınıflandırılması Rüzgar Kuvvetinden Yararlanma Şekline Göre Rüzgarın Direnç Kuvvetinden Yararlanan Türbinler Bu tip türbinler rüzgara karşı bir eksenin rüzgar basıncından dolayı kuvvete dayalı bir dönme hareketi oluşturması ile yüksek moment gerektiren yerlerde kullanılır Rüzgarın Kaldırma Kuvvetinden Yararlanılan Türbinler Bu tip türbinler pervane yüzeyine etkiyen hava hızının doğrultusuna dik olarak oluşan kaldırma kuvvetinin etkisi ile dönme hareketinin oluşması ile gerilim endükleyen rüzgar türbinlerindendir Yükselen Hava Akımlı Rüzgar Türbinleri Bu tip rüzgar türbinlerinin çalışma prensibi ısınan havanın yükselmesi olayının kullanılmasıyla güç indükleyen türbinlerdir. 7

24 Pervane Ekseninin Konumuna Göre Yatay Eksenli Türbinler Bu tip türbinler genellikle rüzgarı önden alacak şekilde tasarlanır. Kanatlar rüzgar yönüne diktir.rotor, dişli çark, jeneratör ve fren bir kule üzerinde yatay şafta bağlıdır. Rotora iki yada üç kanat bağlıdır. Üç kanatlı rotorların üretimde stabilliği ve sessizliğine karşın rotor maliyetleri yüksektir. Aşırı rüzgar hızlarına karşı rotor kontrolü yapılmaktadır. Bu kontrol iki şekilde yapılmaktadır. Bunlar; 1) Rüzgar hızı belirli bir değerin üstüne çıksa dahi rotor hızı sabit kalarak türbinin korunarak olası iş kazasına sebebiyet vermemesi amaçlanmaktadır. 2) Rüzgar enerjisini verimli kullanmak amacıyla değişen rüzgar açısına göre hidrolik kontrol vasıtasıyla rotor kontrolü sağlanmaktadır. Ayrıca türbin hızı ayarlamasında da etkisi büyüktür Düşey Eksenli Türbinler Düşey eksenli türbinlerin çalışma prensibi kanatların içbükey ve dışbükey yüzeyleri arasındaki çekme kuvveti farkından dolayı dönme hareketinin oluşması ile gerilim endüklenmesidir. Yatay eksenli türbinlere göre avantajları; -Tüm elektromekanik aksam yerde olduğundan dolayı bakım ve yatırım masrafları daha azdır. -Rüzgar doğrultusundan etkilenmediği için yatay eksenli türbinler gibi bir yönlendiriciye ihtiyacı yoktur. Yatay eksenli türbinlere göre dezavantajları; -Türbin kanatları dizaynından dolayı rotorda güç katsayısı düşüktür bu nedenle verimlilikleri düşüktür. -Kanatlarının yere yakın olması sebebi ile yüksek rüzgar hızlarına ulaşamazlar bu nedenle de düşük enerji üretimi sağlarlar Rüzgardan Elektrik Üretiminin Avantaj ve Dezavantajları Yapılan bilimsel araştırmalara göre ham rüzgar potansiyelinin sadece %10 unun kullanımı ile dünya elektrik enerjisi gereksiniminin tamamı karşılanabileceği kanıtlanmıştır. [7] 8

25 Rüzgar Enerjisinin Avantajları; -Havayı kirletmez. -Asit yağmurlarına sebep olmaz. -Hammadde maliyeti yoktur. -Doğal kaynaktır. -Yenilenebilir enerji kaynağıdır. -En ucuz yenilenebilir enerji kaynaklarındandır. Rüzgar Enerjisinin Dezavantajları; -Kurulum maliyeti yüksektir. -Rüzgar değişken olduğundan dolayı sabit bir enerji kaynağı değildir. Bu yüzden üretilen enerjinin depolandıktan sonra kullanılması gerekmektedir. -Gürültülüdürler. Radyo, tv gibi sinyal alıcılarında parazite sebep olurlar Jeneratör Seçimi ve Çeşitleri Rüzgar türbinlerindeki kullanılan jeneratörler, rüzgarın kinetik enerjisini rotorun döner miline güç uygulayarak dişlileri hareket ettirmesi ve bu sebepten dolayı jeneratörün gerilim indüklemesi ile mekanik enerjiyi elektrik enerjisine dönüştürür. Rüzgar türbinlerinde üretici firmalar tarafından birçok jeneratör kullanılmaktadır. Şebekeye paralel çalışan rüzgar türbinlerinde alternatif akım jeneratörleri, akü şarjı yapan küçük rüzgar türbinlerinde ise doğru akım jeneratörleri kullanılır. Alternatif akım jeneratörlerde ilk sırada sincap kafesli asenkron jeneratörler, ikinci olarak yuvarlak rotorlu asenkron jeneratörler, üçüncü olarak da sabit uyartımlı senkron jeneratörler tercih edilmektedir Jeneratör Seçim Kriterleri Bir jeneratörü seçerken ağırlığının, kullanım şeklinin, karakteristiğinin, korunmaya olan ihtiyacının, bakım ve servis masrafının, maliyetinin ve çevreye olan etkisinin düşünülmesi gerekir. Bu yüzden de projemizde sincap kafesli asenkron motor tercih edilmiştir Asenkron Makineler Asenkron makineler sincap kafesli ve bilezikli olarak üretilmektedir. Günümüzde yaygın jeneratör olarak kullanılmaktadır. Rüzgar türbinlerindeki en büyük avantajı değişken rüzgar hızlarında da sistemin çalışması özelliğidir, fakat manyetik devresinin uyartıma ihtiyaç duyması en büyük dezavantajıdır. 9

26 Sincap Kafesli Asenkron Jeneratör Basittir, sağlamdır ve bakım olarak sadece yataklarının periyodik yağlanmasına ihtiyaç duyarlar. Dezavantajı ise statör terminallerinden gerekli olan uyartım akımının elde edilmesidir Bilezikli Asenkron Jeneratör Yuvarlak rotorlu senkron makinenin rüzgar türbinlerinde jeneratör olarak kullanımı oldukça uygundur. Çünkü jeneratörün çıkış gücü rotor kayıpları ile kontrol edilerek kaybedilen slip enerji ortadan kaldırılarak çıkışa aktarılır. Yuvarlak rotorlu asenkron jeneratörün avantajlarının fazla olmasına rağmen sincap kafesli asenkron jeneratörlere göre maliyeti fazladır Asenkron Jeneratörlerin Çalışma Şekli Asenkron jeneratörler stator ve rotor sargısı olmak üzere iki sargıya sahiptir. Rotor hızı senkron hızda değil ise rotor sargısı üzerinde üretilen gerilimin frekansı ile kayma frekansının farkı oluşur. Bu gerilimden dolayı armatür akımı oluşur ve rotor senkron hızın üzerine çıkarak jeneratör olarak çalışması sağlanır Asenkron Jeneratörlerin Normal Çalışma Karakteristiği Asenkron jeneratörler normal çalışma şartlarında alternatif akım şebekelerine doğrudan bağlanabilir. Stator sargıları için gerekli olan manyetik akımın şebeke geriliminden sağlanmasından dolayı, tam yükte güç faktörü çok düşüktür. Bu yüzden sistem kompanze edilir. Ya da armatür devresine güç dönüştürücüsü seri olarak bağlanarak tam güç kontrolü yapılabilir. [8] 2.2.GÜNEŞ ENERJİSİ Günümüzde elektrik enerjisi üretiminde kullanılan yöntemlere alternatif olarak ortaya çıkan ve çevreye zararlı etkisi bulunmayan yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi de güneş enerjisinden elektrik enerjisi üreten fotovoltaik sistemlerdir. Fotovoltaik sistemlerin verimliliği düşüktür. Verimliliğini artırmak için yapılan çalışmalar sonucunda verimlilikleri %15- %20 ler seviyesine çıkmıştır. Burada kullandığımız verimlilik terimi üzerine düşen güneş enerjisi miktarının ne kadarını elektrik enerjisine dönüştürülebildiğini ifade etmektedir. Başta Avrupa ülkeleri olmak üzere pek çok ülkede fotovoltaik sistemler yaygın olarak kullanılmaktadır. Sistem uygulamaları konut veya binaların kendi kullanımları için yeterli olacak seviyede olabildiği gibi büyük güçlü güneş enerji santralleri olarak da karşımıza sıklıkla çıkmaktadır. Ülkemizdeki fotovoltaik sistem uygulamalarına baktığımız zaman yaygın olarak konutlarda ısınma, su ısıtma, havalandırma sistemleri ve düşük güçlü elektrikli cihazların elektrik ihtiyaçlarını karşılamak için kullanılmaktadır. Ülkemizde bu küçük güçlü uygulamaların ardından Avrupada yaygın olarak kullanılan güneş enerjisi 10

27 santrallerinin kullanımına da başlanmıştır. Bu kapsamda 2012 yılının Temmuz ayında Türkiye nin ilk resmi güneş enerjisi santrali 200 KW lık gücüyle Konya da hizmete girmiştir. Fotovoltaik sistemler çeşitli avantaj ve dezavantajlara sahiptir. Bunları inceleyelim Fotovoltaik (PV) Sistemin Avantajları PV sistemlerin avantajlarını şöyle sıralayabiliriz; Elektrik enerjisinin üretildiği kaynak olan güneş bol ve tükenmeyen bir enerji kaynağıdır. Güneş ışınımı olan her alanda kullanılabilirler. Fosil yakıt ve türevlerine ihtiyaç duyulmadığı için dışa bağımlılığı azaltır. Enerjinin tüketileceği yerde kurulduğu için iletim hattına ihtiyaç yoktur. Çevreye zararlı etkisi yoktur. Uzun ömürlüdür. Ömürleri PV panel ömrü ile ifade edilir. PV panel ömürleri yaklaşık olarak 25 yıldır. Güvenlidir. Bakıma ihtiyaç yoktur. Bu sebeple işletme masrafları çok azdır. Yalnızca PV panellerin temizlenmesi gerekir. PV panellerin ihtiyaca göre seri veya paralel bağlanması ile farklı güç ve gerilim seviyelerinde enerji üretilebilir. Fotovoltaik modüllerden bir grup devre dışı kalsa da enerji üretimi devam eder. Uygulama alanlarına göre farklı sistemler gerçekleştirilebilir. Sessiz çalışırlar. Çalıştırmak için özel bir eğitime ihtiyaç yoktur. Şebeke bağlantılı sistemlerde şebekeye destek sağlarlar. Şebeke bağlantılı sistemlerde üretildiği halde tüketilemeyen fazla enerji şebekeye satılabilir. Akümülatör kullanılan sistemlerde fazla enerji akümülatörde depolanabilir. 11

28 Fotovoltaik Sistemin Dezavantajları o İlk yatırım maliyetleri yüksektir. o Sistemde doğru akım (DA) üretildiği için alternatif akımla (AA) çalışan yükler için evirici (inverter) kullanmak gerekir. Bu da maliyeti arttırır. o Enerji sürekli olamadığı için şebekeden bağımsız sistemlerde akümülatöre ihtiyaç vardır. Bu hem maliyeti arttırır hem de depolamayı sınırlar. o Güneşlenme yönünden zengin bölgelere ihtiyaç vardır. o Verimleri sıcaklık arttığında düştüğü için güneş ışığının fazla olduğu sıcak yerlerde soğutulmaları gerekir. o Üzerine düşen güneş ışınımının azalmaması için açık alanlarda kurulmalı ve yüzeyleri temiz tutulmalı. Fotovoltaik sistem tasarımı enerji ihtiyacı, üretilebilecek enerji miktarı, maliyet, verimlilik gibi kriterler göz önüne alınarak gerçekleştirilir. Bu sebeple fotovoltaik sistemler kullanılacakları uygulama alanlarına göre farklı cihaz ve birimlerden meydana gelmektedir. Ancak sistem temel olarak fotovoltaik panel, akümülatör, evirici, akü şarj denetim birimleri ve ihtiyaca göre farklı elektronik destek devrelerinden oluşmaktadır. [9] Fotovoltaik Sistem Uygulamaları Fotovoltaik sistemler uygulama alanlarına göre üçe ayrılırlar. Bunlar; Şebekeden bağımsız (Off grid) sistemler Şebeke bağlantılı (On grid) sistemler Şebeke bağlantılı akülü(on-grid System With Battery Back Up) sistemler Bu sistemlerin yapılarını ve çalışma şekillerini inceleyelim Şebekeden Bağımsız (Off-grid) Sistemler Şebekeden bağımsız sistemlerin şebeke ile bağlantısı yoktur. Bu ifadeden de anlaşılacağı gibi şebekenin olmadığı, şebekeden uzak ve şebekenin getirilmesinin daha maliyetli olduğu bölgelerde kullanılmaktadır. Daha çok düşük güçlerin gerekli olduğu uygulama alanlarında kullanılır. Sistem fotovoltaik paneller, akümülatör, akü şarj denetim birimleri, evirici ve gerekli olması durumunda eklenebilecek çeşitli elektronik devrelerden oluşur. Şebekeden bağımsız sistem şeması Şekil-1 de gösterilmiştir. [10] 12

29 Şekil-1: Şebekeden Bağımsız Sistem Şeması Şebekeden bağımsız sistemlerde fotovoltaik ( PV ) panellerde başka bir cihaz veya elemana ihtiyaç duymadan güneş enerjisinden doğru akım (DA) elektrik enerjisi üretilir. Üretilen bu DA elektrik enerjisinin depolanması için sistemde akümülatör bulunur. PV panellerden üretilen DA ile şarj olan akümülatör yükün elektrik ihtiyacını karşılar. Böylece PV panellerin elektrik üretemediği güneşin yetersiz olduğu durumlar da ve gece saatlerinde yükün elektrik enerjisinden yoksun olması önlenmektedir. DA ile şarj edilen akümülatörün aşırı şarj ve deşarj durumlarında zarar görmesini önlemek için sistemde şarj regülatörü kullanılır. Şarj regülatörü akümülatörün durumuna göre PV panellerden gelen akımı ya da yükün çektiği akımı kesmektedir. Alternatif akımın (AA) kullanılacağı uygulamalarda sisteme uygun bir evirici (inverter) ilave edilir. Bu evirici ile akümülatörden alınan DA, ülkemizdeki şebeke seviyesi olan 220 V- 50 Hz AA sinüs dalgasına dönüştürülür. [11] Farklı uygulama alanlarına göre oluşabilecek ihtiyaca göre sisteme farklı elektronik devreler de eklenebilir. Şebekeden bağımsız sistemlerin kullanıldığı bazı uygulama alanları şunlardır; Telsiz, telefon vb. haberleşme sistemleri Yerleşim yerlerinden uzak ev vb. yerlerin elektrik enerji ihtiyacı Orman, deprem ve hava gözlem istasyonları Tarımsal sulama ve ev kullanımı amacıyla su pompajı Bina içi ya da dışı aydınlatma 13

30 Trafik sinyalizasyonu Yol aydınlatmaları Deniz feneri İlk yardım, alarm ve güvenlik sistemleri Şebeke Bağlantılı (On-grid) Sistemler Şebeke bağlantılı sistemler şebekeye bağlı olarak çalışır. PV panellerden elde edilen DA nın şebekeden iletilmesi için AA ya dönüştürülmesi gerekir. Bunu için sistemde evirici (inverter) kullanılmaktadır. PV panellerden üretilen DA, evirici ve gerekiyorsa gerekli elektronik devrelerin ilave edilerek kullanılmasıyla ülkemizdeki şebeke seviyesi olan 220 V-50 Hz AA ya dönüştürülür. Üretilen elektrik enerjisini yükler harcayamıyorsa fazla olan elektrik enerjisi şebekeye satılabilir. Bunun için eviricinin çıkışına çift yönlü sayaç veya çift sayaç bağlayıp kendi ürettiğimiz ile şebekeden aldığımız enerjiyi karşılaştırma ve ekonomik olarak mahsuplaşma imkânı dahi mevcuttur. Şebeke bağlantılı sistemler küçük güçlü evsel uygulamalar olabileceği gibi belirli bir bölgenin enerji ihtiyacını karşılamak üzere kurulan büyük güçlü güneş enerji santralleri de olabilmektedir. Şebeke bağlantılı sistemler PV paneller, evirici ve çeşitli elektronik devrelerden oluşur. Şebeke bağlantılı sistem şeması Şekil-2 de gösterilmiştir. [10] Şekil-2: Şebeke Bağlantılı Sistem Şeması Sistemin avantajları: Batarya ihtiyacı yoktur. Üretilen fazla enerji şebekeye satılabilir. 14

31 Fotovoltaik sistemde olabilecek herhangi bir arıza durumunda veya enerji ihtiyacının karşılanamadığı durumda şebeke devreye girecektir. Sistem şebeke destekli çalıştığı için tasarımda tüketicini aşırı kullanımı göz önüne alınmaz. Çünkü toplam yükün belirli bir kısmının güneş pili tarafından karşılanması yeterlidir. Sistemin çıkış gücü modül sayısına göre artar veya azalır. Sistemin dezavantajları: o Şebekede olabilecek bir sorunda sistem tüketicinin enerjisini karşılayabilir. o Sistemin kararlı çalışması için yüksek kalitede elektronik ekipmanlara ihtiyaç vardır. Bu da maliyeti arttırmaktadır. Güvenilir ve daha az maliyetli bir sistem için küçük bataryalı bir sistem kurulabilir Şebeke Bağlantılı Akülü Sistemler Şebeke bağlantılı akülü sistemlerin en önemli özelliği elektrik kesintileri meydana geldiğinde yükün enerjisiz kalmasını önlemeleridir. Sistemin bu özelliğini akümülatör sağlar ve kesintisiz güç kaynağı gibi çalışır. Elektrik kesintisinin olduğu durumlarda sistemin şebeke ile bağlantısı kesilir ve sistem ada tipi çalışmaya geçer. Sistemin akümülatöre sahip olması ve bunun sonucunda daha fazla ara devreye ihtiyaç duyması sebebiyle maliyeti yükselir. Şebeke bağlantılı sistemler ile karşılaştırıldıklarında kullanılan ara devreler maliyeti arttırırken sistemin verimliliğini düşürmektedir. Şebeke bağlantılı akülü (On-grid System With Battery Back Up) sistemin bağlantı şeması Şekil-3 te gösterilmiştir. Şekil-3: Şebeke Bağlantılı Akülü Sistem 15

32 2.2.3.Şebeke Bağlantılı (On Grid) Sistem Elemanları Fotovoltaik Panel (PV Panel, Güneş Hücreleri) Fotovoltaik sistemin en önemli unsuru güneş pilleridir. Güneş pilleri, yapısı diyotlara benzeyen ve üzerine düşen güneş enerjisinden elektrik enerjisi üreten yarıiletken malzemelerdir. Çalışma mantıkları basitçe diyotlara benzer. Çıkışlarından DA elde edilir. Bir yüzey üzerine güneş pilleri seri veya paralel bağlanırsa oluşan bu yapıya fotovoltaik modül (güneş pili modülü) denir. Uygulama alanındaki ihtiyaca göre bu modüller de seri veya paralel bağlanarak farklı güçlerde elektrik enerjisi üretilebilir. Aşırı sıcak ve soğuk, yağmur, dolu, fırtına gibi zor hava koşullarına karşı dayanıklıdırlar. Yüzey alanları yaklaşık 100 cm 2 civarında olup kare, dikdörtgen veya daire şeklinde biçimlendirilmiş olabilir. Kalınlıkları ise 0,2-0,4 mm arasında değişmektedir. Güneş pilinin yapısı Şekil-4 te gösterilmiştir. Şekil-4: Güneş Pilinin Yapısı Üst yüzeyde üretilen akımı toplayan ve genellikle bakırdan yapılan negatif ön kontaklar bulunur. Bu kontakların altında pil yüzeyinde olabilecek yansımaları engelleyen bir kaplama tabaka bulunur. Güneş pilinin ön yüzeyi oluşacak yansıma kayıplarını azaltmak için düz bir yüzey yerine piramitler ve konikler şekilde tasarlanmaktadır. Yansıtıcı olmayan tabakanın altında, güneş pilinin elektrik akımını ürettiği kısım bulunur. Yapı olarak diyota benzeyen bu kısım P ve N katmanı adı verilen iki farklı katmandan oluşur. P katmanı pilin pozitif tarafını oluşturur. Bu katman, bor atomları eklenmiş silisyumdan oluşan bir yapıya sahiptir. N katmanı ise pilin negatif tarafını oluşturur ve fosfor atomları eklenmiş silisyumdan oluşan bir yapıya sahiptir. İki katman arasında pozitif 16

33 ve negatif yüklerin karşılaştığı P-N eklem bölgesi bulunur. Pilin arka yüzeyinde, elektronların girdiği ve pozitif kontak görevi gören arka kontak bulunur. [12] Fotovoltaik panellerin verimlerine baktığımızda % 20 ler seviyesindedir. Laboratuar ortamında bu oran 2009 yılında Spectrolab ın geliştirdiği üç-eklemli PV hücre ile %41.6 ya kadar çıkarılmıştır. Sıcaklığın fotovoltaik panellerin verimi üzerindeki etkisi fazladır. Panelin üzerine düşen güneş enerjinin bir kısmı elektrik enerjisine dönüşürken bir kısmı da ısı enerjisi olarak ortaya çıkarmaktadır. Isı enerjisi ile birlikte akım artarken üretilen gerilim değeri düşmektedir. Gerilimde meydana gelen bu düşüş, çıkış gücü ile birlikte verimin de düşmesine neden olmaktadır. Bu sebepten güneş panellerinin veriminin düşmemesi için güneşli ve soğuk yerlere ihtiyaç vardır. İdeal çalışma sıcaklık değeri 25 0 C dir Fotovoltaik (PV) Panel Çeşitleri Elektrik üretiminde kullanılacak olan yenilenebilir enerji sisteminin belirlenmesindeki temel kriter üretilen enerji miktarının (kwh) birim maliyetidir. Kullanılacak olan sistemin fotovoltaik sistem olması durumunda bu maliyet PV panel seçiminde fotovoltaik enerji dönüşüm verimi ve watt başına birim enerji maliyeti olarak karşımıza çıkmaktadır. PV panellerin karşılaştırılması ve tercih edilmesinde bu iki özellik göz önünde bulundurulur. Fotovoltaik sistemlerin ilk kurulum maliyetleri yüksektir. Bunun sebeplerinden birisi de PV panellerin üretim maliyetleridir. PV panellerin temel yapısını silikon/silisyum oluşturur. Dünyada bol miktarda silisyumdioksit (SiO 2, kuvars) bulunur. Silisyumdioksitin saflaştırılarak silisyum elde edilmesi işleminin oldukça maliyetli bir işlem olması güneş pillerinin maliyetlerini de arttırmaktadır. Maliyetlerin düşürülmesi ve güneş enerjisini büyük ölçekte kullanılabilir kılmak için dünya üzerindeki birçok bilimadamı ve mühendis yüksek verimlilikte ve düşük maliyetli güneş pili geliştirmeye çalışmaktadır. Fotovoltaik sistemlerde kullanılan PV paneller çeşitleri şunlardır Kristal Silikon PV Hücreler Dünyada bol miktarda bulunan silisyumdioksitin işlenmesi ile silika ve ardından silisyum elde edilir. PV hücrelerinin yapımında yaygın olarak kullanılan silisyum, yarıiletken özelliği gösteren bir malzemedir. Kristal silikon PV hücreleri tek kristalli silikon içeren ve çok kristalli silikon içeren PV hücreleri olmak üzere iki gruba ayrılır Tek Kristalli Silikon İçeren PV Hücreleri Yarıiletken malzeme üretiminde tek kristalli silikon temel malzeme olarak kullanılmaktadır. Tek parça geniş bir silikon kristal külçesinin kesilerek ince silikon parçaları haline getirilmesi ile PV hücreleri üretilir. Yüksek maliyetli ve zor bir işlemdir. Tek kristalli PV hücrelerinin enerji dönüşüm verimleri diğer hücrelere göre yüksek olup %15-20 civarındadır. 17

34 Çok Kristalli Silikon İçeren PV Hücreleri Çok kristalli silikon içeren PV hücrelerin üretiminde yaygın olarak kullanılan yöntem dökme yöntemidir. Bir potada soğultulmuş olan silikon bloktan veya külçeden kesilerek elde edilir. Enerji dönüşüm verimliliği %12-13 civarındadır. Fakat laboratuar ortamında verimleri %17 ye kadar çıkarılmıştır Galyum Arsenit İçeren PV Hücreleri Silikona yakın bir kristalize yapıya sahip olan bu malzeme Galyum ve arsenit bileşiğinden oluşmuş bir yarıiletkendir. Yüksek ışın absorbe etme özelliğine sahiptir. Verimliliği silikon içeren PV hücrelerine göre yüksek olup %25-30 civarındadır. Uzay sanayinde, radyasyona karşı yüksek dirence sahip olduğu için kullanımı fazladır. Üretim maliyetleri yüksektir İnce Film Şeklindeki PV Hücreleri İnce film şeklindeki PV hücreleri cam, seramik, plastik veya paslanmaz çelikten oluşan düz bir yüzey üzerinde birkaç µm kalınlığındaki çok kristalli malzemeden oluşur. Kalınlıklarının milimetrenin binde biri kadar olması güneş ışığının tamamına yakınını soğurmasını sağlamaktadır. İnce film yarı-iletkenin istenen bir biçimde çok farklı malzeme üzerine ve geniş yüzeylere kaplanabilmesi silisyum pillere göre üstünlük sağlar. Laboratuar verimlilikleri %18 lere kadar çıkmış olan ince film güneş pillerinin uzun vadede kararlılıkları istenen düzeyde değildir Amorf Silikon (a-si) Şekilsiz (amorf) silikonlu PV hücreleri kristalli yapıya sahip değildir. Tek kristalli yapıdaki silikon PV hücrelere göre yaklaşık 40 kat daha fazla ışığı absorbe edebilme özelliğine sahiptir. Bu nedenle PV hücresi yapımı için uygundur. Son derece hassas bir yapıya sahiptirler. Parlak güneş ışığı altında özelliklerini kaybedebilirler. Verimleri %10 dolayında iken ticari modüllerde bu oran %6-9 civarındadır. Düşük maliyet ve düşük güç istenilen PV ünitelerinde kullanılırlar. Yaygın olarak küçük elektronik cihazların güç kaynağı olarak kullanılırlar Kadmiyum Tellür (CdTe) Çok kristalli yapıya sahip bir yarıiletken olup güneş ışınlarının %90 ını absorbe edebilmektedir. Sıcaklığın yüksek olduğu ve yeterli alanın bulunmadığı bölgelerdeki saha kurulumları için oldukça uygun bir panel teknolojisidir. Panel maliyetinin düşmesini sağlayabilecek önemli bir teknolojidir. Verimlilikleri küçük hücrelerde %19, ticari tip modüllerde ise %7-11 civarındadır Bakır İndiyum Diselenür (CuInSe2 veya CIS) Çok kristalli yapıda olup laboratuar şartlarında %18 gibi yüksek bir enerji dönüşüm verimine sahip iken enerji üretimi amaçlı geliştirilmiş olan modülün verimi %10 18

35 civarındadır. 0,5 µm kalınlığıyla, güneş ışınlarının %90 ını absorbe edebilmektedir. Karmaşık bir yapıya sahip olduğu için üretimi zordur. Aynı zamanda üretimi esnasında ortaya çıkan zehirli gazlar için alınan güvenlik önlemleri de problem teşkil etmektedir Fotovoltaik Pillerin Çalışma Prensibi Fotovoltaik hücreler yapı itibariyle diyotlara benzerler. n-tipi ve p-tipi silikon malzemeler birleştirilir. Birleşim noktasında p-n eklem bölgesi oluşur ve bu eklem bölgesinde elektrik alanı bulunur. Elektrik alanı elektronların p-tipi silikon malzemeden n- tipi silikon malzemeye geçişine engel olurken ters yönde geçişe engel olmaz. Ortaya çıkan yarıiletken malzemenin güneş pili olarak çalışması için eklem bölgesinde fotovoltaik olayının gerçekleşmesi gerekir. Fotovoltaik olay iki aşamada sağlanır: 1. Eklem bölgesine ışık düşürülerek elektron-hol çiftleri oluşturulur. 2. Elektron-hol çiftleri bölgedeki elektrik alan yardımı ile birbirlerinden ayrılır. Bu olaylar güneş ışığından emilen fotonların etkisiyle gerçekleşir. Böylece fotovoltaik hücrelerin uçlarında DA elektrik enerjisi üretilmiş olur. Şekil-5 te güneş ışığına tutulan fotovoltaik pilin temel yapısı gösterilmiştir. Şekil-5: Güneş Işığına Tutulan Fotovoltaik Pilin Temel Yapısı Güneş hücreleri seri ya da paralel bağlanarak fotovoltaik modülü oluşturur. İhtiyaç duyulan akım, gerilim ve güç seviyelerine göre PV modülleri seri veya paralel bağlanarak farklı güç seviyelerinde PV paneller elde edilmektedir. 19

36 Eviriciler (Inverter) Eviriciler, fotovoltaik panellerde üretilen DA elektrik enerjisini AA elektrik enerjisine dönüştüren sistem elemanlarıdır. Ülkemizde şebekeden sağlanan AA elektrik enerjisi seviyesi 220 V- 50 Hz dir. Eviriciler ve gerekli ise başka elektronik devreler kullanılarak enerji seviyesi 220 V- 50 Hz ye getirilerek şebekeye aktarılır. 5 KW nin altındaki güçlerde tek fazlı şebeke bağlantılı eviriciler kullanılır iken daha yüksek güçlerde üç fazlı şebeke bağlantılı eviriciler kullanılmaktadır. Tek fazlı eviricilerin eşit sayıda fazlara bölüştürülerek kullanıldığı üç fazlı sistem uygulamaları da görülmektedir. Şebekeye aktarılacak olan alternatif akım (AA) elektrik enerjisinde minimum harmonik ve faz kayması olması gerekir. Bunu sağlamak için de eviricinin çıkış güç faktörünün 0,99 değerine yakın bir değerde olması gerekir. Fotovoltaik sistemlerde eviricinin sahip olması gereken başlıca özellikler şunlardır; Panelin ürettiği doğru akımı alternatif akıma dönüştürülerek şebekeye aktarmak. Evirici çalışma noktasını panel modülünün maksimum güç noktasına ayarlamak. Aşırı akım, gerilim ve ters gerilime karşı korumak. Şebekeden gelen enerjinin kesilmesi durumunda eviricinin çalışmayı durdurarak sistemin şebekeden yalıtılmasını sağlamak. Çıkış dalga şekillerine göre eviriciler kare dalga, düzeltilmiş sinüs dalga ve tam sinüs dalga olmak üzere üçe ayrılmaktadır. Tam sinüs dalga eviricilerin ürettiği enerji şebeke kullanımına uygun sinüs dalga üretir iken kare dalga ve düzeltilmiş sinüs dalga eviricinin ürettiği enerjinin şebekede kullanımında cihazların üzerinde olumsuz etkisi bulunmaktadır. Üretilen gerilimin elde edilme şekline bakıldığında eviriciler transformatörlü ve transformatörsüz eviriciler olmak üzere iki gruba ayrılır. Transformatörlü eviriciler girişlerine uygulanan düşük seviyeli DA elektrik enerjisini bir tam köprü MOSFET veya ICBT devresi ile AA elektrik enerjisine dönüştürüldükten sonra transformatör ile şebekeye bağlanacak seviyeye getirilir dalga ve şebekeye bağlanır. Eviricide kullanılan transformatör, gerilim seviyesini ayarlamanın yanı sıra şebeke ile galvanik izolasyon sağlamaktadır. Ancak üzerinde meydana gelen manyetik kayıplar ve iletim kayıpları eviricinin verimi düşürür. Bununla birlikte transformatör; hacmi, ağırlığı ve maliyeti arttırmaktadır. Transformatörsüz eviricilerde ise giriş gerilim seviyesi istenilen çıkış gerilimine yakın seviyede olmalıdır. Bu eviriciler transformatörlü eviricilere göre daha küçük hacimde ve ağırlıkta olmalarına karşın şebeke ile galvanik izolasyon bulunmaz ve şebekeye küçükte olsa DA verirler. 20

37 Eviricileri topolojilerine göre sınıflandırdığımızda güç işleme aşamalarının sayısına, güç dekuplaj kondansatörünün yerine, transformatör olup olmamasına göre sınıflandırılabilir. Güç işleme aşaması sayısına göre eviriciler tek aşamalı ve çok aşamalı olmak üzere iki gruba ayrılır. Şekil-6 da bunları inceleyelim. Şekil-6: (a) Tek Aşamalı Evirici (b) İki Aşamalı Evirici (c) Multi-String Evirici Şekil-6 (a) da tek aşamalı evirici şeması görülmektedir. Tek aşamalı eviricilerde maksimum güç noktası takipçisi (MPPT), şebeke akımını kontrol eder ve gerekli olması durumunda gerilimi yükseltme gibi görevleri yerine getirir. MPPT, DA-DA dönüştürücüdür. Fakat bu dönüşüm tek bir aşamada meydana gelmez. Fotovoltaik hücrelerden alınan DA elektrik enerjisi AA elektrik enerjisine dönüştürülür. Yükün güç ihtiyacına göre farklı gerilim ve akım değerleri tekrar DA ya dönüştürülür. Böylece yüke maksimum gücün iletilmesi sağlanmaktadır. Şekil-6 (b) de iki aşamalı evirici şeması görülmektedir. İki aşamalı eviricilerde maksimim güç takibi DA/DA dönüştürücüler tarafından gerçekleştirilir. DA/AA evirici doğrultulmuş olan akımı tam sinüse çevirmek için şebeke frekansından anahtarlanırken akım kontrolünü DA/DA dönüştürücü gerçekleştirmektedir. Şekil-6 (c) de multi-string evirici şeması görülmektedir. Bu sistemde DA/DA dönüştürücüler MPPT gibi çalışırlar. Gerekli durumlarda gerilim seviyesini de yükseltirler. DA/AA evirici ise şebeke akımını kontrol etmektedir. [13] Eviricilerde güç dekuplaj kondansatörünün yeri tek aşamalı ve çok aşamalı eviricilerde farklılık göstermektedir. Tek aşamalı eviricilerde kondansatör PV modüle paralel bağlı çok aşamalı eviricilerde ise kondansatör hem PV modüle paralel hem de evirici aşamasındaki DA barasına bağlanabilir. Kullanılacak kondansatör için film kondansatör seçilmeli ve küçük olmalıdır. Eviricinin ömrü kullanılan dekuplaj kondansatörüne bağlı olduğu için önemlidir. Kullanılacak kondansatörün kapasitesi (1) denklemi ile hesaplanır. 21

38 C =... Û ( 1 ) Formülde; Ppv: PV modülün anma gücü Uc: Kondansatör uçlarındaki gerilim Ûc: Ripıl genliği Akümülatör Şebeke bağlantısız (Off-grid) sistemlerin en önemli parçasıdır. PV panellerden üretilen DA ile şarj olan akümülatör yükün elektrik ihtiyacını karşılar. Böylece PV panellerin elektrik üretemediği güneşin yetersiz olduğu durumlar da ve gece saatlerinde yükün elektrik enerjisinden yoksun olması önlenmektedir. Ayrıca şebeke bağlantılı sistemlerde akümülatöründe sisteme eklenmesiyle şebekede meydana gelebilecek enerji kesintisinde yükün enerjisiz kalması önlenebilmektedir. Akümülatörlerin seri veya paralel bağlanması ile 12 V, 24 V, 48 V veya 120 V gerilimler elde edilebilmektedir. Yeni nesil jel tipi tam bakımsız akümülatörler saf su veya elektrolit ekleme ihtiyacı olmayan, uzun ömürlü ve verimleri yüksek malzemelerdir. -20 o C ile 60 o C sıcaklık aralığında çalışabilen bu aküler güneş, rüzgar ve hibrit sistem uygulamalarında kullanılabilmektedir. Kurulacak sisteme göre uygun akümülatör seçilmelidir. Bakım yapılması zor olan uygulamalarda asit bazlı aküler yerine jel aküler tercih edilmelidir. Tek başına güneş paneli kullanılan bir sistem kurulacaksa ve bakım yapılabilecek ise flooded lead acid aküler tercih edilebilir. Güneş enerji sistemlerinde kullanılacak akümülatörlerden beklenen temel özellikleri şunlardır: 1. Derin deşarj durumlarında akünün kısa bir süre sonra tam performansına ulaşması. 2. Sıcaklığa karşı dayanıklı olması. 3. Enerji girişinin düzenli olmadığı uygulamalarda ideal çalışması. 4. Dengeleme şarjına ihtiyaç duymaması. 5. Çok düşük kendiliğinden deşarj olması. 6. Su kaybı olmaması. 7. Kolay şarj olması. 22

39 3.TASARIM 3.1.SİSTEMDE ÜRETİLEBİLECEK GÜÇ HESAPLAMALARI Güneş Enerjisinden Elde Edilebilecek Güç Akıllı Enerji Sistemi projesindeki elektrik üretimi kısmında bulunan güneş enerjisinden elektrik üretme kısmından bahsedecek olduğumuzda güneş enerjisinden elektrik üretiminin veriminin çok düşük olduğu anlaşılacaktır. Keza yapılan ölçümlerle birlikte de bu bilgiler desteklenmektedir. Projede 2 tane 200W lık yani 400W lık güneş paneli kullanılmaktadır. Bu 400W lık güç güneş panellerinin verebileceği en yüksek(maksimum) güçtür. Ancak bu teorik ve ideal bir değerdir ve gerçek hayatta bu değere yaklaşmak çok da mümkün değildir. İncelenen 200W lık iki güneş panelinden elde edilen ölçüm sonuçları Çizelge- 2 de görülmektedir. Çizelge-2: Güneş Panellerinden Elde Edilen Ölçüm Sonuçları -Güneş Paneli 1- Maksimum Gerilim= 36,8 V Maksimum Akım=5.43 A Maksimum Güç=199,8 W -Güneş Paneli 2- Maksimum Gerilim= 37,26 V Maksimum Akım=5,37 A Maksimum Güç=200,08 W Etkin Gerilim=26 V Etkin Akım= 3,84 A Etkin Güç= 99,84 W Etkin Gerilim=26,35 V Etkin Akım= 3,8 A Etkin Güç= 100,13 W Bu iki farklı inceleme sonucunda şuna kanaat getirilmiştir ki kullanılan bu 2 tane 200W lık güneş panelinden elde edilecek işe yarar güç 200W tır. Bu iki panelin piyasa değeri TL dir ve bölümümüz güneş panelleri projede kullanılmıştır Rüzgar Enerjisinden Elde Edilebilecek Güç Akıllı Enerji Sistemi adlı projenin elektrik üretimi kısmındaki rüzgar ile elektrik üretimi konusunda elde edilebilecek güç bazı kıstaslara bağlıdır. Bunlar bu konu altında incelenmiştir. 23

40 Rüzgardan elektrik üretimi yapılmadan önce yapılan bir türbinin üreteceği güç hesaplanabilir. Bu konuda en bilinmesi gereken şey rüzgarın da bir enerjisinin olduğu ve bu enerjinin hesaplanabileceğidir. Tabi bizim durumumuzda önemli olan rotora gelen rüzgar, yani kanatların süpürdüğü alana gelen rüzgar olduğu için o da dikkate alınacaktır. Buna göre rüzgardaki saklı güç çözülmeye çalışıldığında (2) denklemi ortaya çıkar; Pw: Rüzgar ın Gücü A: Kanatların Süpürdüğü Alan ρ: Ηava nın Yoğunluğu V: Rüzgar Hızı Pw = x ρ x A x V3 [W] ( 2 ) formülü elde edilir. Bu şekilde o bölgedeki rüzgar enerjisi potansiyeli tespit edilebilir. Ancak üretim sırasında elde edilebilecek güç hesaplanan bu güç değildir. Üretimde elde edilecek gücün hesaplanması için verimler de hesaplanmalıdır. İşlemi devam ettirirsek (3) denklemine ulaşırız; Pt:Türbin de Üretilen Güç Cp:Türbin in Çalışma Verimi Pt = ( x ρ x A x V3 ) x Cp [W] ( 3 ) formülü ve bu formülle de türbinden aktarılan güç elde edilir. Bu işlemden sonra sistemde dişli kutusu veya bu tarz bir şey kullanılmış olup olmamasına göre devam edilir. Örneğin bizim yaptığımız projede dişli kutusu olmamasına rağmen kasnak kullanılmıştır. O yüzden işlemler şöyle devam eder ve (4) elde edilir; Pk: Kasnak tan İletilen Güç Nk: Kasnağın Verimi Pk = ( x ρ x A x V3 ) x Cp x Nk [W] ( 4 ) ve kasnak sonrasındaki güç elde edilir. Kasnaklar dişli kutularına göre daha dayanıklı, daha verimli ve daha ucuzlardır. Ayrıca bulunmaları da daha kolaydır. Kasnaklardan sonra güç jeneratöre iletilir. Bu bölgede hala mekanik enerji olarak bulunan bu güç elektrik enerjisine dönüştürülür. Ancak jeneratörün de kayıpları olacaktır. Bu yüzden (5) denklemi; Pg = ( x ρ x A x V3 ) x Cp x Nk x Ng [W] ( 5 ) Pg: Jeneratör de Üretilen Elektriksel Enerji Ng: Jeneratörün Verimi 24

41 olacak biçimde en son formül elde edilir. Bu şekilde jeneratörde üretilecek elektrik gücü önceden hesaplanabilecek duruma gelir. Türbinlerin veriminin yapılan araştırmalarda en fazla %60 olabileceği hesaplanmıştır. Bu durumu baz alarak sistemdeki rüzgar enerjisi üretimini hesaplayacak olursak üretimden önce (6) denkleminde şu öngörülen değerlerle karşılaşırız ve (7) sonucu elde edilir; Pg = x 1 x 6,91 x 6,913 x 0,6 x 0.9 x 0.72 ( 6 ) Pg = 443,2 W ( 7 ) değeri elde edilir. Öncelikle bu maksimum değer olduğundan dolayı denklem (8) de bunu etkin değere dönüştürelim; Pg etkin= 313,4 W ( 8 ) değeri elde edilir. Bu değer elde edilirken türbin veriminin en yüksek değerde seçilmesi ve kasnakların veriminin de baya pozitif olarak düşünülüp 0,9 seçilmesi yüzünden bu değer gerçek deneylerde ise baya aşağı seviyelere inecektir ve W arasında olacağı sadece bu hesaplamalardan bile tahmin edilebilir. 3.2.SİSTEM ELEMANLARI VE MALİYETLERİ Sistem Elemanları Akıllı Enerji Sistemi adlı projede kullanılmış olan malzemelerin listesi aşağıda yer almaktadır; -Kanatlar -Kasnaklar -Asenkron Jeneratör -Transformatör -Doğrultucu(Güç Kaynağı) -Ters Akım Koruma Diyotları -Akü -Evirici -Güneş Panelleri -Akü Kontrol Devresi -Röle Sistemin oluşumu ve parçalar yapımı anlatılırken güneş panellerinden bir kez daha bahsedilmeyecektir. Çünkü güneş paneli için özel olarak yapılan bir şey yoktur. 25

42 3.2.2.Sistem Maliyeti Akıllı Enerji Sistemi adlı projenin proje maliyet tablosu Çizelge-3 te gösterilmiştir. Para harcanmayan güneş paneli, akü ve asenkron jeneratöre yer verilmemiştir. Çünkü bu maliyet tablosu projeye ait olan harcamalara aittir. Kasnaklar, demir göbek, kule gibi parçalar ise torna masrafları arasında yer almaktadır. Çizelge-3: Proje Maliyet Tablosu Harcama Adı Projede Kullanım Amacı Miktarı ve Birimi Birim Fiyatı (TL) Toplam Tutarı (TL) Güç Kaynağı Gerilim Doğrultma Evirici Gerilim Evirme Torna Masrafları Kanat ve Jeneratör Ara Devresi El Aletleri Kanat ve Devre Yapımı Devre Elemanları Ara Devreler Transformatör Gerilim Yükseltici PVC Boru Kanat Yapımı Seyahat Masrafları Torna İşleri ve Malzeme Temini Toplam Tutar

43 olacaktır. 4.DENEYSEL ÇALIŞMALAR Deneysel çalışmalar bölümü iki aşamada incelenecektir. Bu aşamalar; -Sistem Elemanlarının Bağlantıları -Sistem Çalışması 4.1.SİSTEM ELEMANLARININ BAĞLANTILARI Kanatlar Üzerine düşen rüzgarın döndürme kuvvetiyle elektrik üretilen bölgeler kanatlardır. Akıllı Enerji Sistemi adlı projede rüzgar gülündeki kanat sayısı 3 tür. Aralarında 120 derece olacak biçimde monte edilmişlerdir. Kanatlar asenkron makinenin milini döndürmek için gerekli rüzgar gücünü sistemle buluştururlar. Kanatların dönmesiyle birlikte elde edilen enerji ara işlemler de yapılarak milin dönmesini sağlar. Bu projede kanatların yapımı için 125mm çaplı PVC boru kullanılmıştır. Önce PVC boru üzerine kanat şekilleri keçeli kalemle çizilmiş, sonra da tahta kesme testeresiyle PVC ye zarar vermeden kesilmiştir. En son olarak canavar olarak bilinen el aleti ile kanatların kenar kısımları sivriltilmiştir. Bu sayede kanatların hava ve rüzgar direncinden daha az etkilenmesi hesaplanmıştır. Kanatlar kesilip hazırlandıktan sonra sistemde kullanılacak göbek üzerinde 120 derece aralıklarla 3 doğru üzerinde 6 delik ve her kanatta da 6 delik açılmıştır. Zira her kanatta bir delik açılsaydı kanadın yerinden oynama ihtimali olacaktı ama iki tane açılarak bu önlenmiştir. Ve bu açılan delikler vesilesiyle birbirine cıvatalarla bağlanmıştır Kasnaklar Halk arasındaki söylemlerde veya satışçıların söylemlerinde makine sözcüğü yerine motor sözcüğü kullanılmaktadır. Yani asenkron makine veya asenkron jeneratör ismi kullanılmaz bunun yerine asenkron motor sözü kullanılır. Özünde bütün bu söylemler aynı şeye işaret etmektedir. Ancak bir makinenin motor olarak çalıştırılması elektriksel güç sağlayıp milinin dönmesini sağlayarak, jeneratör olarak çalıştırılması ise çeşitli yollarla milini döndürerek elektriksel güç oluşturarak sağlanır. Akıllı Enerji Sistemi adlı projede makinemiz jeneratör olarak kullanılmıştır. Makinenin jeneratör olarak kullanılmasını sağlamak için makine üzerinde de yazılı bulunan devir sayısının üzerine çıkılması gerekmektedir. Kullanılan asenkron makine 4 kutupludur(p=2) ve devir sayısı 1410 d/dk dır ve bu devirin üzerine çıkılmalıdır. İşte bu yüzden kasnaklara ihtiyaç duyulmaktadır. Projede kullanılmış olan kasnaklar devri 25 27

44 katına çıkartmaktadır. İnşa edilen rüzgar gülünde hem yer kazanmak için hem de fiyatı bakımından kasnaklar tek bir çift ile 25 katına çıkaracak şekilde değil iki çift ile 5 kat x 5 kat arttıracak şekilde tasarlanmıştır. Kasnakların dizayn biçiminin Sketchup programıyla modellenmiş hali Şekil-7 de görülmektedir. Şekil-7: Kasnak Dizaynının Sketchup Programı ile Modellenmesi Kasnakların 25 kat devir artıracak şekilde tasarlanmasının sebebi rüzgar gülünün kanatlarının saniyede 1 tur atacağı duruma göre devrin hesaplanmasıdır. Saniyede 1 tur atılması durumunda dakikada 60 tur atılacak ve 25 kat arttırıldığı için de 1500 d/dk olacaktır ki bu aşılması gereken 1410 d/dk değerinin üstündedir. Bu durumda motorun mili de saniyede 25 kere dönecektir. Bu durumda motorun ve rüzgar gülünün güvenliği bütün elemanlar sabitlenerek sağlanacaktır Asenkron Jeneratör (Dinamo) Asenkron motorlar farklı devir sayılarında çalışabilen motorlardır. Bu özellikleri onları senkron motorların önüne geçirir. DA motorlar da rüzgar güllerinde çok fazla kullanım alanına sahip değildir. Bu yüzden çok büyük rüzgar gülleri haricinde genellikle dinamo olarak asenkron motorlar tercih edilirler. 28

45 Rüzgar gülünde amaç elektrik enerjisi üretimidir ve tabi ki o yüzden bu asenkron makine sistemimize motor olarak değil jeneratör olarak lazımdır. Bir motoru jeneratör olarak kullanmak için gerekli olan şey devir sayısının ayarlanmasıdır. Bu devir sayısı senkron makinelerde Ns=Nr şeklinde yapılır. Ancak asenkron makinelerde biraz daha farklıdır. Asenkron makinelerin iki şekilde kullanımı mümkündür; -Şebekeye bağlı çalışma -Şebekeye bağlı olmadan çalışma Şebekeye bağlı çalışma durumunda makine senkron hıza ulaşmadığı sürece motor olarak çalışır ve şebekeden belli bir güç çeker. Aynı zamanda asenkron makinelerin çalışması için ihtiyaç duyulan bir reaktif güç vardır. Bu çalışma şeklinde bu enerji de şebekeden temin edilecektir. Şebekeye bağlı olmadan çalışma durumunda ise asenkron makinenin mili döndürüldüğünde en yavaş durumlarda bile küçük de olsa bir gerilim üretildiği görülür. Ancak yine de en verimli durumun senkron hızın %5 fazlasına çıkıldığı durumda olduğu kabul edilmektedir. Akıllı Enerji Sistemi adlı projenin elektrik üretimi kısmının rüzgar enerjisinden elektrik üretimi bölümünde dinamo olarak yukarıda bahsedildiği özellikleriyle asenkron makine kullanılmıştır. Kullanılan asenkron makine Gamak MSD 80 4a adlı makinedir. Bu asenkron makine 0.55 kw lık, daimi ve kalkış kondansatörlü, tek fazlı, 1410 d/dk senkron hızına sahip bir asenkron makinedir. Ayrıntılı özellikleri Şekil-8 de görülmektedir; Şekil-8: Gamak MSD 80 4a Motoru Ayrıntılı Özellikleri 29

46 Bu makine 4 kutuplu bir makinedir ve hesaplamalara göre senkron hızının 1500d/dk olması gerekmektedir. Ancak bu sadece teorik bir kabuldür ve gerçekte böyle olmamaktadır. Zira gördüğümüz üzere makinenin kendi bilgilerinde senkron hızının 1410 d/dk olduğu söylenmektedir. Daha önce belirttiğimiz gibi makinenin en verimli çalıştığı durum olarak senkron hızdan %5 daha fazlası söylenmişti. Hesabını (9) da yapacak olursak; 1410 d/dk d/dk x (5/100) = d/dk ( 9 ) değeri elde edilmektedir. Akıllı Enerji Sistemi adlı projemizde yapılan hesaplar makineyi 1500 d/dk da çalıştırmak üzerine yapılmıştır. Yani makinenin olabildiğince verimli çalışması garanti altına alınmaya çalışılmıştır. Rüzgar gülünün saniyede 1 kere tur atması, böylece dakikada 60 tur atması ve 1x25 lik kasnaklarla tur sayısının 25 katına çıkartılarak 1500 devirde dönmesi planlanmıştır. Ancak kasnaklarla beraber tur sayısı arttırılırken bunun bize moment olarak kayıp yaşattığı göz önünde bulundurulmalıdır Transformatör Transformatör demir bir nüvenin iki tarafına sargılar yerleştirilmesi ve bu şekilde bir taraftan akan akımın diğer tarafa iletilmesi işlemini görür. Transformatörler alternatif gerilim için kullanılırlar ve aslında bunlar da bir dönüştürücü(converter) görevi görmektedirler. Zira transformatörleri AA-AA dönüştürücü olarak ele alabiliriz. Transformatörler ya da kısa adıyla trafolar bildiğimiz gibi elektrik iletim ve dağıtımında çok fazla kullanılırlar. Bunun sebebi elektriğin iletilmeden önce geriliminin transformatörlerle yükseltilip sonra dağıtım aşamasından önce tekrar düşürülmesidir. Bu olayın sebebi ise iletim kayıplarını azaltmaktır. Akıllı Enerji Sistemi projesinde kullanılan transformatör bir yükseltici transformatördür. Bu transformatörün kullanım alanı rüzgar enerjisinden elektrik üretimi kısmıdır. Bu kısımda asenkron makineden üretilen elektrik enerjisinin doğrultulması gerekmekte olduğu daha önceden belirtilmişti. Üretilen elektrik enerjisi alternatif gerilim olarak üretilir ve bunun doğru gerilime dönüştürülmesi gerekir fakat kullanılan doğrultucunun giriş değerleri V AA gerilim olduğu için asenkron makineden elde edilen alternatif gerilim trafoyla yükseltilip doğrultucuya uygun hale getirilmektedir. Projede kullanım amacı bu olmasına rağmen büyük güçlerde bu transformatörün kablo kesitine ve kayıplara da büyük katkısı olacaktır. Zira 40V üretilen bir alternatif gerilimin transformatör ile 200V a çıkarılması yüklenme akımını da 5 kat düşürecek ve kablo kesitinin azalmasına ön ayak olacaktır. Projede 220V AC 12V / 24 V / 36 V / 48 V AC transformatör kullanılmıştır. 30

47 4.1.5.Doğrultucu (Güç Kaynağı) Akıllı Enerji Sistemi adlı projemizde kullanılan bir diğer eleman ise doğrultucu(rectifier) olarak adlandırılan güç elektroniği elemanıdır. Doğrultucu alternatif gerilimi doğru gerilime çevirme işleminde kullanılır. Elektrik mühendisliğinde ismi daha çok doğrultucu olarak anılan bu elemana aynı zamanda güç kaynağı(power supply) ismi de verilir. Satın alınmak istendiğinde güç kaynağı olarak sorulması gerekmektedir çünkü satış piyasasında güç kaynağı olarak bilinmektedir. Projede kullanılmış olan doğrultucu eleman LED li güç kaynağı(led Power Supply) ismine sahip bir elemandır. LED ismi içinde LED ve foto transistör kullanılmasından ileri gelmektedir. Devre elemanı Şekil-9 da görülmektedir. Şekil-9: Sistemde Kullanılan Doğrultucu Devre Elemanı Şekil-9 da da görülebileceği gibi L ve N(AC) girişleri, toprak bağlantısı ve 3 er tane V ve +V çıkışı güç kaynağı üzerinde bulunmaktadır. L girişi line anlamına 31

48 gelmektedir yani hat veya bir diğer deyişle faz girişi olacaktır. N girişi ise nötr anlamına gelmektedir. Yanlarındaki AC göstergesiyle girişin alternatif gerilim çıkışın ise doğru gerilim olacağı zaten açık bir şekilde belirtilmiştir. Tahmin edildiği gibi doğru gerilim çıkışı da +V, -V ve toprak hattı üzerinden olacaktır. Devrede kullanılmış olan doğrultucu(güç kaynağı) eleman 220V AA giriş alarak 12V DA çıkış verecek şekilde ayarlanmış bir elemandır. Ancak girişte %15 tolerans ile çalışabilecek durumdadır. Yani 187V-253V gerilim aralığında bir alternatif gerilim girişi olması durumunda 12V sabit doğru gerilim çıkışı verebilecek şekilde programlanmıştır. Bu özellik sistemimiz için çok önemlidir. Çünkü asenkron jeneratörden gelecek alternatif gerilim üzerinde olabilecek olası gerilim değişikliklerinde de çıkışın değişmemesi böylece garanti altına alınmış olunur. Doğrultucu, sistemimizin rüzgâr enerjisinden elektrik üretimi kısmında yer almıştır. Akü üzerinde güneş enerjisinden üretilen elektrik enerjisi ve rüzgâr enerjisinden elde edilen elektrik enerjisi toplanılmıştır ve akülerin beslemesi doğru gerilimlerle yapılmaktadır bu sebeple rüzgâr ile elde edilen elektrik enerjisinin doğru gerilime çevrilmesi gerekmiştir. Zira asenkron jeneratörün çıkışından alınacak olan gerilim alternatif gerilim olacaktır. Kullanılmış olan doğrultucu CE(Avrupa ya uygunluk) belgesine ve 500W değerine sahip bir doğrultucudur. 12V ve 41A çıkış verme kapasitesine sahiptir. Rüzgâr enerjisinden elektrik üretilen kısımda üretilebilecek en yüksek güç W civarı hesaplandığından 500W lık bir doğrultucu kullanılması uygun görülmüştür Ters Akım Koruma Diyotları Sistemdeki elektrik enerjisi üretim elemanları olan güneş panelleri ve asenkron makine için kullanılmıştır. Yüke doğru geçiş sağlayacak diyotlar kullanılmıştır böylece ters yönde yani panellere veya makineye doğru akım akması durumunda diyotlar bunu kısa bir süre içinde durduracaktır Akü (Akümülatör) Akıllı Enerji Sistemi nde rüzgar enerjisinin ve güneş enerjisinin elektrik üretiminden sonra hem belli bir süre depolayabilecek bir yer olması için hem de iki enerjiyi bir yerde toplayabilmek için akü de bu devrede kullanılmaktadır. Kullanılacak akü 12V 100Ah lık bir aküdür. Akülerde ideal şarj Ah değerinin 1/10 u ile hesaplanır yani normal şarj durumu için en fazla 10 A ile beslenmelidir. Hızlı şarj durumunda ise bu değer 1/3 ila 1/4 civarına çıkabilir ancak bu durum uzun vadede akünün çabuk bozulmasına da yol açabilir. 12V luk bir akünün optimum besleme gerilimi ise yaklaşık V tur. Akü bağlantısı bir akü şarj devresi üzerinden yapılmıştır. Akü şarj devresi üzerinde akünün durumlarına göre yanan 4 LED lamba vardır ve bu sayede boşaldığı, tam dolu 32

49 olduğu veya aküdeki depolanan enerjinin bitmeye yakın olduğu gibi durumlar gözlemlenebilir Evirici (Inverter) Akıllı Enerji Sistemi projesinde kullanılan bir diğer devre elemanı da eviricidir. Aynı zamanda sistemin çok önemli bir parçasıdır. Çünkü evirici aküde depolanan enerjinin evlerimizde kullanılabilir hâle gelmesini sağlamaktadır. Evirici de bir dönüştürücü(converter) çeşididir. Bu dönüştürücünün görevi doğru gerilimi alternatif gerilime dönüştürmektir yani DA-AA dönüştürücüdür. Bu devre elemanının Akıllı Enerji Sistemi projesinde kullanılmasının sebebi projenin elektrik üretimi kısmıdır. Akıllı Enerji Sistemi projesi hem elektrik enerjisi üretimi hem de bunun şebekeyle beraber kullanılması konularını içerdiği için evirici kullanılmıştır. Eviricinin sistemdeki görevi daha önce de söylendiği gibi aküde depolanan enerjinin evlerimizde kullanılabilir hâle gelmesini sağlamaktır. Evlerimizde 220V 50 Hz alternatif gerilim kullanılmaktadır. Eviriciden önceki kısımda ise aküde depolanmış enerji bize 12V doğru gerilim olarak gelmektedir. Sistemde kullanılan evirici bu 12V luk DA gerilimi 220V 50 Hz AA gerilime dönüştürmektedir. Bu projenin yapılma amacı bir prototip hazırlamak olduğundan dolayı düşünülen sistemlerin çok küçük bir hâli hayata geçirilmektedir. Akıllı Enerji Sistemi projesinin elektrik üretimi kısmında üretilen elektrik de maksimum W olmaktadır. Bu yüzden kullanılan evirici 500W lık seçilmiştir. Yapılan prototipte kullanılan evirici bir güç eviricidir (power inverter). Satış piyasasında bu güçlerdeki eviriciler genelde oto elektronikçilerde bulunmaktadır. Araç inverter olarak satılmaktadır. Otomobillerde ses sistemleri için kullanılmaktadır ve bu eviriciler çakmak girişli olarak tasarlanırlar. Eviriciler arasında PWM eviriciler, sinüs eviriciler ve solar eviriciler büyük güçlerde kullanılan eviricilerdir. Adından da anlaşılacağı gibi solar eviriciler güneş panelleriyle birlikte kullanılması için tasarlanmıştır. Günümüzde solar enerjinin daha büyük güçlerde de kullanılmasıyla birlikte ve güneş tarlaları denilen büyük güneş paneli topluluklarının kurulmasıyla solar eviricilerin de daha büyük güçlerde çalışanları yapılmıştır. Aynı zamanda solar eviriciler güneş panelleri için koruma sistemine de sahiptir. Sinüs eviriciler ise bizim bahsetmiş olduğumuz normal eviricilerdir ve power inverter olarak da anılırlar. PWM eviriciler ise yüksek frekanslı çalışan eviricilerdir. Bunlarda harmonik oluşumu daha fazladır. Bununla beraber yüksek güçlerde çalışmaya elverişlidirler. Sistemde kullanılmış olan güç evirici devre elemanı Şekil-10 (a) ve (b) de gösterilmiştir. 33

50 Şekil-10: (a) Evirici AA çıkış bölgesi (b) Evirici DA giriş bölgesi 4.2.SİSTEM ÇALIŞMASI Akıllı Enerji Sistemi adlı bitirme projesi dört ayrı bölümde toplayabiliriz. Bu bölümleri de şöyle sıralayabiliriz; -Rüzgar Enerjisinden Elektrik Üretimi -Güneş Enerjisinden Elektrik Üretimi -Rüzgar Enerjisi ve Güneş Enerjisi nin Birleştirilmesi -Üretilen Enerjinin Şebekeyle Beraber Kullanılması Bu bölümler Şekil-11 de gösterilmeye çalışılmıştır. Aşağıda anlatılacak olanlarla anlamlanacaklardır. Şekil-11: Sistem Çalışması Ana Bölümleri 34