23 TTMD Eylül Ekm 2013 Makale Artcle Prttp Br Güneş Takp Sstemnn Tasarlanması Ozan Özmen Eren Şat, Yrd.Dç.Dr.Tansel Kyun Özet Dünyada 20. ve 21. yüzyılda teknljnn gelşmesyle beraber elektrk enerjsne lan htyaç artmıştır. Elektrk enerjsne lan bu htyaç artışı, nsanlığı yen enerj kaynakları arayışı çersne sürüklemştr. Elektrk üretmnde fsl yakıt kullanımı eskden ber süregelmektedr. Ancak enerjye lan htyacın artması ve fsl yakıtların sürekl lmaması araştırmacıları yenleneblr enerj kaynaklarının kullanımına dğru yöneltmştr. Yenleneblr enerj kaynaklarından br lan güneş enerjs le elektrk üretm günümüzde çk karşılaşılan uygulamalardan brdr. Bu çalışmada ftvltak hücreler le elektrk enerjs üreten prttp br sstemn tasarımı yapılmıştır. Anahtar Kelmeler:Güneş enerjs, ftvltak pller, güneş takp sstem, tasarım Abstract The need fr electrcty has been extremely ncreased wth updatng technlges n 20th and 21 st centures.the ncreasng need fr electrcty has frced the humanty t lk fr the new energy surces. As cmmn, the use f fssl fuels has been cntnung frm the past. n fact, the ncreasng need t energy and lmted surces fr fssl fuel has lead research f sustanable energy surces. Nwadays,the Slar Energy s ne f the sustanable energy surce whch s frequently applcable. n the scpe f ths study, a prttype system desgn usng pht vltac cells has been perfrmed. Key Wrds : Slar Energy, Pht vltac cells,slar trackng system, Desgn GİRİŞ Güneş enerjs yenleneblr enerj kaynaklarından brdr. Güneş enerjsnn bl lması, bedava lması, şletme malyetnn düşük lması ve çevre krllğne yl açmaması gb etkenler nun terch edlen br yenleneblr enerj kaynağı lmasını sağlamaktadır. Güneş enerjs en fazla, sıcak su temn, meskenlern ısıtılması, meskenlern sernletlmes, kurutma, tarım, güneş fırınları ve güneş cakları, güneş pmpaları, yüzme havuzlarının ısıtılması, ısı pmpası, elektrk elde edlmes, sğutma sstemlernde, tuz temn, denz suyundan saf su elde edlmes, yapma ftsentez ve sera ısıtmasında kullanılmaktadır. Elektrk üretmnde kullanımı se günümüzde gderek daha ön plana çıkmaktadır. Güneş enerjsnden elektrk üretm başlıca k yöntemle yapılmaktadır. Bunlardan brncs ısı sstemlerdr. Bu yöntemde güneş enerjs yğunlaştırıcı sstemler kullanılarak reaktöre daklanır ve elde edlen kızgın buhardan, geleneksel yöntemlerle (Buhar türbn yöntem) elektrk üretlr. İknc yöntem lan dğrudan yöntemde se büyük çapta elektrk üretm çn, sadece ftvltak (PV) sstemler kullanılablr. Güneş pller (ftvltak), yüzeylerne gelen güneş ışığını dğrudan elektrk enerjsne dönüştüren yarı letken maddelerdr. Güneş pllernn %98 S dur (Slsyum) ve Slsyum dünyada bl mktarda bulunmaktadır. Fakat saf halde lmayan S, genel larak Slsyum dkst (SO 2, kuvars) halde bulunur ve saflaştırma şlem ldukça malyetldr. Bu yüzden güneş pllernn malyet de yükselmektedr. Güneş pllernn deal çalışma sıcaklığı 25 C dr, paneln güneş ışınını alması le brlkte elektrk üretm başlar fakat vermlern %100 lmamasından dlayı güneşten gelen enerjnn br kısmı elektrk enerjsne dönüşürken br kısmı da ısı enerjs larak rtaya çıkar. Bu lay panellern ısınmasına neden lur, güneş hücrelernn
24 Makale Artcle TTMD Eylül Ekm 2013 ısınması le akım (, Amper) artarken, gerlm (V, Vlt) değer düşer. Gerlmdek düşüşün fazla lması neden le çıkış gücünde de düşüş lur ve bu verm kaybına neden lur. Güneş pller pek çk farklı maddeden yararlanarak üretleblr. Günümüzde en çk kullanılan maddeler kısaca Krstal Slsyum, Galyum Arsent (GaAs), İnce Flm, Amrf Slsyum, Kadmyum Tellürd (CdTe), Bakır İndyum Dselend (CunSe 2 ) ve Optk Yğunlaştırıcılı Hücreler larak sayılablr. Güneş pl yapmak çn en elverşl lanlar, slsyum, galyum arsent, kadmyum tellür gb maddelerdr. Sn yıllarda tcar rtama grmş lan geleneksel S güneş pllernn yern alablecek vermler aynı ama üretm teknljler daha klay ve daha ucuz lan güneş pller üzernde de çalışmalar yğunlaştırılmıştır. Bunlar; ftelektr kmyasal çk krstall Ttanyum Dkst pller, plmer yapılı Plastk pller ve güneş spektrumunun çeştl dalga bylarına uyum sağlayacak şeklde üretleblen enerj bant aralığına sahp Kuantum güneş pller gb yen teknljlerdr. Bu çalışmada, güneşn dğuşundan batışına kadar lan süre çersnde güneş ışınlarını gün byu panele dk düşecek şeklde güneş zleyeblme yeteneğne sahp lan br güneş takp sstem tasarlanmış ve prttp üretlmştr. Ancak çalışmanın yapıldığı mevsmden dlayı güneşn henüz çk etkl lmaması chazı deneysel ver elde etmek amaçlı çalıştırmamızı engellemştr. Br snrak çalışma bu amaçlı düşünülmektedr. 1.Güneş Pllernde Verm Güneş ışınlarının ftvltak pllere gelş açıları dünya le güneş ışınları arasındak belrl açılardan dlayı değşmektedr. Bu açılar hakkında blg sahb larak güneş enerjsnden daha verml şeklde yararlanablrz. Güneş pllernden mümkün lan en büyük verm almanın değşk yöntemler vardır. Bunlardan en temeller; açı eğlml güneş zleycler, maksmum güç nktası zleycler ve yğunlaştırıcılardır[1].güneş gün byu hareketl lduğu çn, güneş panel ışık kaynağına dğru yönelmş lmayablr. Bunu sağlamak çn paneln eğmn gelen ışığı maksmum yapmak çn ayarlamak gerekr[2,3,4]. Güneş yaklaşık ekvatr eksennde bulunduğu çn panel bu yöne yönlendrlmeldr[3,5]. Güneş zleycler, güneş paneln güneşe tmatk larak yönlendren chazlardır. Br ve k eksenl zleycler vardır[6]. Maksmum güç nktası zleycler, yüke maksmum gücü sağlamak çn paneln karakterstklern ayarlayan karmaşık sstem devres çerr. Bu, mkrblgsayar devres veya ayrık devre elemanları le sağlanablr. Temel nkta bu chazın, panel tepe güç değern (%98 sevyelernde vermle) sağlamaya zrlamasıdır[7]. Yğunlaştırıcılar, panele gelen ışığı -500 kata kadar- güçlendrmekte kullanılırlar. Bunların, yansıtıcı ve refraktör lmak üzere k tp vardır. Yansıtıcılar nrmalde panel byunca geçecek ışığı panel üzerne ger yansıtan ayna seklnde yapılardır. Refraktörler de daklama çn mercek kullanırlar. Bu çeşt chazlar çn ele alınması gereken faktörler paneln fazla ısınması le mercek ve özel hücrelern çk pahalı lması ve güneş zleyc kullanımının gerekllğdr. Bu çözüm, panel perfrmansını yükseltmede pratk yöntem lmayıp daha çk deneyseldr[1,8]. 2.Güneş Pl Sstemlernn Prjelendrlmes ve Güneş Plnn Mdellenmes Güneş pl sstemlernn prjelendrlmes büyük önem taşımaktadır. Knu az blndğnden, gerekl lteratürlern az luşundan teknk altyapısı bulunan kşlern dah prjelendrmede güçlük yaşadıkları görülmektedr. Sstem ldukça basttr. Ancak bazı temeller kavramak gerekr. Dünya yüzeyne düşen güneş enerjs, güneşn en tepede lduğu zamanda, bulutsuz temz br günde ve 25 C sıcaklıkta 1.000 Wpeak /m 2 larak ölçülmüştür. Dünya yüzeyne düşen bu enerjnn, kullanılablr elektrk enerjsne dönüştürülmes, güneş plleryle mümkündür. Vermler bugünkü teknlj le %18 cvarındadır. Dlayısıyla 1 m 2 alandan yaklaşık yukarıda belrtlen şartlar dğrultusunda 180 Wpeak üretmek mümkündür. Nan teknlj yöntemyle yüzey alanı genşletme çalışmaları yaparak, vermn %19 un üzerne çıkartılması çalışmaları ülkemzdek br grup blm adamınca araştırmalara devam edlmektedr. Ancak güneşn daha az lduğu kış dönemlernde veya bulutlu lduğu dönemlerde, dünyaya düşen radyasyn mktarı azalır. Dlayısıyla üretlen enerj azalır. Kuzey bölgelerne göre güneş daha fazla gören güney bölgelernde üretlen elektrk enerjs mktarı artış gösterecektr. Bu nktada, meterlj stasynlarının yıllar byunca yaptığı güneş radyasynu verler dkkate alınarak bölgelern güneş hartası
TTMD Eylül Ekm 2013 Makale Artcle 25 çıkarılmıştır. Güneş radyasynunun, sadece enlemle bağıntılı lmayıp, bölgenn yükseklğ, cğraf yapısıyla hatta hava krllğyle ble bağlantılı lduğu gözlemlenmştr. Türkye çn yaz ve kış seznu rtalaması güneşlenme süres 3.5 saat larak çıkartılmıştır. Güneşlenme süres, br tam gün çnde 1000 W/m 2 değern alableceğmz tplam saat mktarını vermektedr. Dlayısıyla, br günde tüm meterljk verler dğrultusunda, senelk gün rtalaması br metrekare çn günde 3.500 W/m 2 lablmektedr. Bu değer kışın günde 2.000 W/m 2 nn ble altına nebleceğ gb, yaz mevsmlernde bölgeye bağlı larak günde 5.500 W/m 2, hatta üstü lablmektedr. Burada güneş pllernn, güneşe belrl br açıyla yönlendrlmes gereğ unutulmamalıdır. Güneş pllernn verm %15 lduğundan, Türkye rtalaması günde 3.500 W/m 2 faydalanablr elektrk enerjs üretm günde ancak 525 W/m 2 yaklaşık değerlernde lablmektedr. Br güneş panelnn çıkış gücü, panele düşen ışığın mktarına bağlıdır[3,4,5]. Güneş paneller hareket ettrlerek ve güneşe yönelmeler sağlanarak elektrk üretmler maksmuma getrleblr[6]. Paneller gelen güneş ışığına dk larak yönelten ve zleyc denlen elemanlar, tek br eksende örneğn dğubatı eksennde mdüller hareket ettrmekte kullanıldıklarında sğuk rüzgârlı klmlerde zleycnn çalışması çn yeterl ısıl enerj elde edlmes gb prblemler luşturmaktadır. Daha snrak uygulamalarda görüleceğ üzere mdüller hareket ettrmek çn elektrk şebekesne bağlı lneer aktuatörler lablr. İk aktuatörden br mdüller dğudan batıya, dğer se kuzeyden güneye hareket ettrmekte kullanılır[6]. Her k aktuatör, zleycy güneşe dk knumda sabt tutan br çft LDR katıyla kntrl edleblmektedr. En yüksek verm, güneş ışınlarının panele dk larak gelmes durumunda elde edlr. Türkye 42-36 kuzey enlemnde yer almaktadır ve bu yüzden kışın ve yazın güneş ışığında rtalama 300 C lk açı değşklğ lmaktadır. Güneş ışınları yazın 21 Hazranda en dk açı le yere ulaşır, 21 Aralık ta se açı azalarak değşm gösterr. Her k tarhte de gündüz, 12-13 saatler arasında güneş ısınlarına panel dk lacak şeklde ayarlamak gerekr. Aks takdrde verm az lur. Karlı bölgelerde se panel kardan temzlemek gerekr. En az 6 ayda br açı ayarı ve yüzey temzlğ yapılmalıdır[8,9,10]. 2.1. Güneş Plnn Mdellenmes Br ftvltak pln elektrnk davranışının anlaşılması çn, davranışları y blnen ayrık elektrksel bleşenler kullanılarak elektrksel eşdeğer devresnn elde edlmes gerekr. İdeal br ftvltak pl, Şekl 1.1 de görüldüğü gb br dyt ve paralel br akım kaynağı kullanılarak mdelleneblr. Akım kaynağı slar ışık şddet G le drekt rantılı lan ftakımı L y meydana getrr. Şekldek dyt, ftvltak pln p-n geçş bölgesn temsl etmektedr. - D < VQ * Şekl 1.1 Slar hücrenn bastleştrlmş eşdeğer devre şekl Bastleştrlmş eşdeğer devrenn akım gerlm (-V) denklem, Krchhff un akım kanunundan çıkarılablr[7,11]. (2.1) Ftvltak pldek temel akımlar se; Ftvltak akım L: L Ftvltak pl üzerne düsen ışık radyasynu le dğru rantılıdır. Dyt akımı sat: sat Gerlme ve sızıntı akımı 0 a 0 bağlıdır ve denklem (2.2) le fade edlr [1]. (2.2) Burada p; p Paralel kl akımı: Paralel kl drencndek eklem gerlm etks le rtaya çıkan ve denklem (2.3) le fade edlen akımdır. Rp;R p Paralel kl drenc, n ve p eklemler byunca akan elektrnlara bağlı larak rtaya çıkan kaybı belrler. ''"ÿ'»hsf) - 1. VD K+VÿJ p RP Hücreden akan çıkış akımı se; Ml (2.3)
26 Makale Artcle TTMD Eylül Ekm 2013 (2.4) Yarı letken drenc, pak elektrt drenc ve bağlantı kayıplarından dlayı rtaya çıkan ser drenç R s, denklem (2.5) le gösterlen gerlm düşümüne neden lur. Ud m Maksmum guç dflıtgcn p* vg=vd-ms ( 2.5) (2.2) ve (2.3) denklemler (2.4) te yerne knulursa; (çxp( h~h-h -1 nkt y+tx* Rr (2.6) p p!\ Şekl 1.2 İdeal br ftvltak pln akım gerlm (/V) ve güç gerlm (P/V) karakterstkler[1] denklem le tek br hücre çn genel br matematksel mdel elde edlr. Paralel drenç R p çk büyük lduğu çn genel larak snsuz kabul edlr. Hücre sıcaklığı slar radyasyn yğunluğu, rtam sıcaklığı ve rüzgâr hızı gb çevre şartlarından etklenr. Bu faktörlern tamamı ftvltak pldek ısı transferne etk ederler. Kelvn cnsnden hücre sıcaklığı, (2.7) denklem kullanılarak elde edleblr[1]. T- 3.124 (U5G+ft899T; - 1.3wt + 273 (2.7) Sıcaklığın ters saturasyn akımına etks, (2.8) denklem le gösterleblr[1]. 3 T <7 ö 1 1 expf_/, / J~ 1 nk T «/ W (2.8) Ft-akımı slar radyasyn ve ftvltak pl sıcaklığının br fnksynudur ve (2.9) le verleblr[1]. (2.9) Ftvltak pl, maksmum gerlm Vm ve maksmum akım m durumunda maksmum güç üretr. ( m x V m ) alanının (Şekl 1.2 de gösterlen taralı alan) maksmuma ulaştığı durumda maksmum güç şartı luşur. Şeklde görülen maksmum güç dörtgen maksmum güç nktasında üretlen güce eşttr. Dluluk faktörü -V eğrsnn karesel lmasıyla alakalı br ölçüttür ve denklem (2.10) le gösterlr[1,7]. tfdmıı* 1 G +W-JV). J<w V m rrrg (2.10) v. v* Br güneş pl yarıletken malzemenn aşağıda belrtlen karakterstkler dğrultusunda davranışlar gösterr. - Aydınlatılmış güneş plnn çıkış gerlmnn pztf ucu P maddes, negatf ucu N maddesdr. - Br güneş plne dışarıdan br kaynak bağlandığında kaynağın (+) ucu pln P ucuna, (-) ucu da N ucuna bağlanırsa güneş pl dğru plarze edlmş lur. - Br güneş plne dışarıdan br kaynak bağlandığında kaynağın (+) ucu pln N ucuna, (-) ucu da pln P ucuna bağlanırsa güneş pl ters plarze edlmş lur. Br güneş pl, P-N katmanlarına at termnaller arasına br yük bağlı bulunduğu sürece güneş enerjsn çıkısında br elektrk gücüne dönüştürür[12]. Herhang br yük ya da PN termnallern dışarıdan brbrne bağlayan br yl yksa elektrn akısı gerçekleşemez ve dlayısıyla ftakımı üretlemez. Ayrıca eğer yük çk küçük br güce sahpse, ya da P-N çıkış termnaller kısa devre edlmşse ftvltak pln çıkısından elektrk gücü alınamaz. P-N çıkışları kısa devre edldğnde bu çıkışlar arasındak ptansyel farkı (ftvltak) sıfır, akan akım (ftakım) se maksmum değernde lur. Klask dğru akım (DC) güç kaynaklarının tersne br FV güneş pln akım-gerlm lşks dğrusal değldr. Bu nedenle güneş pl güç kaynakları klask dğru akım ya da gerlm kaynakları le temsl edlemezler[13]. Br Ftvltak güneş plnn elektrksel
Şekl 1.5 FV pln -V ve P-V karakterstkler î t 1»///// x (2.13) S a (2.12) Bağlantıları kullanılarak belrleneblr. Paneln çıkış gücü; *\l (2.11) edeblmek çn de pllern ser bağlanmasıyla meydana gelen yeterl sayıda (mesela N p adet) kl paralel bağlanır[14,15]. Bu durum Şekl 1.3 (b) de daha açık larak verlmektedr. Dlayısıyla, Şekl 1.3 (a) da verlen FV pl panel ve bağlantı devres kullanılarak yapılan ölçümler, bu FV pl panelnn akım ve gerlmn verr. Eğer paneln akımı panel, gerlm de V panel le gösterlrse, panel luşturan her br pln akım ve gerlm sırasıyla, Gerek yukarıda verlen denklemlerden, gerekse Şekl 1.4 den de anlaşılacağı gb, br FV pln ya da paneln akım ve gerlmden herhang br ya da her ks brden sıfırken, çıkış gücü de sıfırdır. Dlayısıyla çıkış gücünün değşm Şekl 1.5 de görüldüğü gb lur[13]. Ns adet) pl ser bağlanırken, gerekl akımı elde karakterstğnn yükle değşm. FV güneş pl panel luşturulurken, gerekl çıkış gerlmn elde etmek çn yeterl sayıda (mesela Şekl 1.4 FV pl paneln akım-gerlm (-V) özellklern belrlemek çn bu pln akım ve gerlmnn yükten nasıl etklendğn gözlemek gerekr. Bu amaçla Şekl 1.3 (a) da verlen bağlantı kullanılablr. Bu şeklde, FV pl panel ser bağlı br ampermetre üzernden ayarlanablen br yüke dğrudan bağlanmıştır. Günün belrl br saatnde, gün ışığı ve rtam sıcaklığındak değşmelern hmal edleblecek kadar az lduğu kabul edlerek, yük açık knumdan uçlarının kısa devre lduğu knuma kadar ayarlanırken, ampermetre ve vltmetredek değerler her yük kademes çn kaydedlp grafk larak çzlr. Şekl 1.4 de verlen Akım- Gerlm (-V) karakterstğ elde edleblr[13]. bağlantısı kullanılarak belrleneblr. (2.14) larak elde edlrken, br tek pln gücüde; (b) FV pllern ser-paralel bağlanması le luşturulan FV güneş pl panel Şekl 1.3 (a) FV pl panelnn dğrudan dğruya ayarlanablen br yüke bağlanması FS'Pl Panel 1 s, M > 0 p (V P1.UJ1D JUİİTCCCÜ a O a 4 E g P rrf {ES 9 -> $ * [ gs - E 52 rg/ 5ÿ p *9 a? 3 r ** sr r\ > Ser bağlı pl kllarının >'p aded parelel bağlı S* r 31 î V! :: X ı/> ÎT :: " K? y >! t 2 c M TJ s f Q' F a- 3- B <T> s] a-ö W M -t 3 r \ 3 l/> 3 13 / w 2 3. -... 3 UUİ cr s u 'Q *s s - S lî E J s? = TJ t s r TTMD Eylül Ekm 2013 Makale Artcle 27
28 Makale Artcle TTMD Eylül Ekm 2013 ta SÿOBVV ar T* 01: -=ÿ 0.12 «g.s TU - O': T:*U t TJ=JGÿ TUlOt - 0.7 0.6 O -ed 0.5 P-, c 0 06 C «İ4 03 Tl-C <C T4*J t S *SC»İV ar 0.04 T3.: Tl.: Tl 0.1 6 8 10 U FY PİL GERİLİMİ (V) O T n T3 TT Tl 6 8 10 12 FV PİL GERİLİNİ! (\~) (3) İh) Şekl 1.5 den anlaşılacağı gb çıkış gücü, akım ve gerlmn belrl değerlernde maksmum lmaktadır. Yukarıdak şeklde -V eğrs kd; kısa devre akımı, Pm; maksmum güç çıkısı, Vad; açık devre gerlm lmak üzere üç öneml nktadan geçer[13].şeklde maksmum çıkış gücü alınablecek alan; -V eğrsnn üzerne köşes gelecek şeklde çzlen maksmum alana sahp dörtgenn kapsadığı bölgedr. Panelnn maksmum çıkış gücü se üzerne gelen günışığı sevyes ve çalışma sıcaklığına bağlı larak değşr. Dlayısıyla kurulan ve şletlen br FV pl panelnden daha verml br şeklde faydalanmak çn, paneln çıkış gücünü mümkün lan maksmum değernde tutmak gerekr[18,19]. Şekl 1.6 FV Güneş plnn akım, gerlm ve gücünün sıcaklıkla değşm FV pln Şekl 1.5 de verlen -V ve P-V karakterstkler 20 C lk çalışma sıcaklığı ve 80 mw/cm 2 lk günışığı şddet (güneş radyasynu sevyes) varken elde edlen karakterstklerdr. Çalışma sıcaklığı ya da günışığı şddet değştkçe bu karakterstklern bçmler aynı kalacak şeklde akım, gerlm ve dlayısıyla güç değerler de değşr[17,18,19]. Çalışma sıcaklığındak değşmlern -V ve P-V karakterstklern nasıl etkledkler Şekl 1.5 de, günışığı şddetndek değşmlern -V ve P-V karakterstklern nasıl etkledkler se Şekl 1.6 (a) ve (b) de verlmştr. Şekl 1.5 den görüleceğ gb, çalışma sıcaklığının artması FV pln çıkış gerlmn lumsuz yönde etklemektedr[13]. U.lr,-O.S 4 r-î) «e 51-40 nw etf 4 p\v «f SN :b S3 W m1 % a* >-U 100 mv :nl.d s; ü- s: n. Cd4 t \ A B.OÎ T-: -c S=40öTT m 60 m\y uf s.** HU *>XV m sı \ SUlOAm V rw 0 ır S TO «3 0 6 FY PİL GEFİLİMİ ıv) FY PİL GERLL'l (V) (a) fl>) SJ Şekl 1.7 FV güneş plnn akım, gerlm ve gücünün ışık şddetyle değşm
(a) Sıcaklıkla, (b) şık şddetyle değşm Şekl 1.8 FtVltak (FV) pln maksmum çıkış gücü ve bu güce karşılık gelen gerlm ve akımının; w Vm, n. Pm (pu) p P cc 'J 1 t J cs 13 *=* < * U a _t h. M j D ;t 3 E 8H a. _ 5l İ- \f J C/2 0 - s' E (p * T3 s 2 fl u 1 _ O -u?r _ k# C ~ C- 3 =. O'. n rf 0 0 1 Jt' O St. 7 r «* s S3 CO E C5 ll * > -r Vra. n. Pm <pu) CS 3 E Verlen bu karakterstkler ncelendğnde şu snuca varmak mümkündür: FV güneş pllernn perfrmansı, ışık şddet yüksek sıcaklığı düşük rtamlarda daha ydr[19]. Bu snuç Şekl 1.7 de verlen grafklerden açıkça anlaşılmaktadır. Bu şeklde verlen grafkler, FV pl çıkış gücünün farklı çalışma sıcaklığı ve günışığı şddetler çn elde edlen maksmum değerler le bu maksmum güce karşılık gelen akım ve gerlm değerlern temsl etmektedrler. Görüleceğ gb FV pl karakterstklernde, pl çıkış gerlmnn artan sıcaklıklarda daha az lduğu görüldü. Bunun neden, sıcaklığın pl kayıplarını artırmasıdır. Sıcaklık arttıkça P-N brleşm nktası kayıpları da artar. Bu kayıplar plde ısıya dönüştürülerek harcanır. Bu nedenle FV Verlen bu eğrler FV pln malatında kullanılan yarıletken malzemenn türüne, sıcaklık ve ışık şddetndek değşmlern mktarına göre braz değşeblrler. Ancak genel anlamda -V ve P-V karakterstkler Şekl 1.5, 1.6 ve 1.7 de verlen özellklere sahptrler. Günışığı şddetnde meydana gelen artışlar, Şekl 1.6 (a) da verldğ gb FV pln çıkış akımını lumlu yönde etklemektedr[18]. şık şddetnn akımda meydana getrdğ bu artış, sıcaklığın meydana getrdğ artışa göre ldukça yüksektr. şık şddetndek artış hem pl çıkış akımında hem de pl çıkış gerlmnde br artışa neden lmaktadır[19]. Ancak gerlmdek artış, akımdak artışa göre daha küçüktür. Şekl 1.6 (b) den de görüleceğ gb, ışık şddet arttıkça FV pln çıkış gücü de artmaktadır. Güçtek bu artısın kaynağı, anlaşılacağı gb hem akımdak hem de gerlmdek artıştan kaynaklanmaktadır. Sıcaklığın artmasından akım da etklenmektedr. Ancak sıcaklıktak değşmn asıl etks pln çıkış gerlm üzernde görülmektedr. Ortam sıcaklığının yüksek lması, pln çalışma sıcaklığını da yükselteceğnden, güneş enerjsnn termk uygulamalarının aksne, FV pller çn sğuk rtamlar daha uygundur. Benzer etk, Şekl 1.5 (b) de, FV pln çıkış gücünde de görülmektedr. Gerlmdek azalma dğrudan dğruya güce yansıdığından, çalışma sıcaklığındak artış çıkış gücünü de lumsuz yönde etkler[13]. çalışma sıcaklığı arttıkça FV pln maksmum çıkış gücü ve PV karakterstğnde bu güce karşılık düsen gerlm azaltmaktadır. Benzer şeklde, ışık şddet, ya da güneş radyasynu sevyes arttıkça FV pln maksmum çıkış gücü de artmaktadır. Ancak ışık şddet arttıkça, maksmum çıkış gücünün yanı sıra, hem bu güce karşılık gelen pl akımı hem de pl gerlm artar. Şekl 1.7 (a) ve (b) de FV pln maksmum gücüne karşılık gelen akım değerlernn sıcaklık ve ışık şddetyle arttığı görülmektedr. Sıcaklığın akımda meydana getrdğ bu artış ldukça az ken, ışık şddetnn meydana getrdğ artış daha belrgndr. Maksmum çıkış gücü Pm ve bu güce karşılık gelen gerlm Vm le akım m, Şekl 1.7 de brm değerler (per unts - pu) türünden verlmştr. Gerçek gerlm, akım ve güç değerler, lgl taban değerlere bölünerek bu pu değerler elde edlmşlerdr. Söz knusu taban değerler şekl üzernde her br büyüklük çn ayrı ayrı verlmektedr. Bu pu değerler gerçek değerlerne dönüştürmek çn verlen lgl taban değer le çarpmak gerekr. TTMD Eylül Ekm 2013 Makale Artcle 29
Makale Artcle 30 2 TTMD Eylül Ekm 2013 Nrmaln üzernde, rüzgar ve kar yükü lan bölgelerde bulunacak sstemlern yapımında kullanılacak lan knstrüksyn malzemeler, bu şddetl rüzgar ve kar yüküne uygun lacak mukavemette seçlmeldr. 2.Tasarlanan Güneş İzleyc Sstem Tasarlanan ve prttp üretlen güneş takp sstem güneşn dğumundan batımına kadar lan süre çersnde güneş ışınları gün byu panele dk düşecek şeklde güneş zleyeblme yeteneğne sahptr. Bu sayede gün çersnde güneş ışınları en verml şeklde kullanılarak, güneş enerjsnden en yüksek değerde yararlanma mkânı rtaya çıkmaktadır [14]. Güneş panellernn genel larak kullanımında, paneller sabt pzsynda mnte edlmektedr. Bundan dlayı güneş ışınları sadece belrl zaman aralığında panellere dk larak gelmektedr. Bu da güneş panellernden elde edlen enerjnn gün ç rtalamasını %55 lere kadar düşürmektedr. Sabt panel sstemnn ve güneş zleyen panel sstemnn kullanılması durumundak güneşl br yaz gününde elde edleblecek güç dyagramı şeklde verlmştr. A c: 3 HR H V 1BJ -»ÿ - 3- Tİ A St Ml * janum flll'nllll 1! 3 1 s! mbllmblllll llrrlllftjllllll m. un mn lnn + UU ltllpbhrulll n m mn prrlll n m mm,k - [? n» m mll' mamn t p* m» l~ n *5 ö Şekl 2.1 Sabt panel sstemnn ve güneş zleyen panel sstemnn güç dyagramı Bu çalışmada önerlen güneş zleyeblen sstem sayesnde güneş enerjsnden gün byu stfade edeblme lanağı rtaya çıktığından dlayı, bu sayede kayıp lan yaklaşık %45 lk kısmın ssteme katılımı sağlanmaktadır. Sstem çersnde kullanılan güneş panellernn tplam gücü 5W tır. Br güneş panelnn günde rtalama 8 saat enerj ürettğn kabul ederek günlük tplam enerj brkmmz 5Wx8h = 40Wh larak karşımıza çıkmaktadır. Güneş takp sstem çn gerekl enerj 2 adet 3,6 W gücünde 5 devr/ dakkayla döneblen redüksynlu dğru akım mtru le sağlanmaktadır. Günlük tplam hareket açısı 180 derece, güneş panel şassnn pller mdellenrken, eşdeğer devrelerne serparalel drençler eklenr. Eğer pl mdelndek ser drenç değer yüksekse bu drençte meydana gelen gerlm düşümü de yüksek lur ve pl çıkış gerlm azalır. Pln sğuk br rtamda bulunması, ısınmasını azaltacağından, gerlmdek düşüşü de azaltır. Pl çıkış akımındak azalma se, pl mdelnde paralel br drençle temsl edlr[1]. Özetle, FV güneş pllernn karakterstkler ncelendğnde, akım-gerlm ya da güç gerlm lşklernn klask dğru akım kaynaklarınınklere benzemedğ görülür. FV pllern bu karakterstkler dğrusallıktan ldukça uzaktır. Öyle k, maksmum çıkış güçler maksmum akım ve gerlm değerlernde değl, akım-gerlm karakterstğnn dz bölümü cvarındadır. Ayrıca FV güneş pller sıcaklıktan lumsuz yönde etklenmektedr. Sıcaklık arttıkça FV pln çıkış gerlm ve gücü azalmaktadır. Karakterstklern gösterdğ snuçlara göre ışık şddet FV pllern temel enerj kaynağını luşturmaktadır[17,18,19]. Dlayısıyla sğuk ve güneşl rtamlar FV güneş pller çn en uygun rtamlardır. Ssteme etkyeblecek dğer k öneml faktör se kar yükü ve rüzgar yüküdür. Kar yükü (2.15) Burada, A? U > 0 Ö değer çzelge den alınır.[20] Burada; m: kar yükü azaltma değer : Zat kar yükü, ( kn/m 2 ) Rüzgar yükü se, W = C f qa (2.16) Burada; C f ; Aerdnamk yük katsayısı, q; Emme (hız basıncı) ve A; Etklenen yüzey alanı Kar yükü ve rüzgar yükünün aynı anda düşünülmes durumu se[20] W = P k
TTMD Eylül Ekm 2013 Makale Artcle 31 hareket hızı 30 derece/sanye lduğu blndğne göre güneş panel kades günlük tplam hareket lan 180 derecelk açısal ylu, 6 sanyede tamamlamaktadır. Bu mtrlu paneln günlük enerj tüketm 2x(6/3600)h x 3.6W =0.012 Wh değerndedr. Snuç larak sstemmzn enerj tüketmnn günlük üretmş lduğu enerjye göre ranı %0.03 larak hesaplanır. Bu da sstemn güneş takp etmes çn harcanan enerjnn üretlen enerjye nazaran çk küçük br enerj lduğunu göstermektedr [10]. - Kntrl devresnn smülasynunun yapılması - Smülasynu yapılan kntrl devresnn labratuarda test edlmes - Kntrl devresnn Dp Trace İss de çzm - Kntrl devresnn Dp Trace Aras de çzm - Kntrl devresnn bakr plakaya aktarılması - Kntrl devresnn bakr plaka üzerne N Güneş panellernden elde edlen enerj bütün güneş panel sstemlernde lduğu gb ara tampn bölge lan akülerde tplanıp steğe göre dğru akım larak veya evrc yardımı le alternatf akım larak kullanılablr. Prjenn tasarım aşaması 2 ana bölümden luşmaktadır. Bunlar; /j ar / İl Ve Mekank düzeneğn luşturulması: Yatay ve dkey hareket sağlayan 2 DC mtr, LDR, sürücü devrelernn bulunduğu ana kntrl kartı, metal çerçeveler sstemn mekank tasarımını kapsamaktadır. Şekl 2.2 Tasarlanan sstemn prttp 1 Kntrl sstem: Bu bölümde mekank sstemn k temel hareketnn kntrlü amaçlanmıştır. Bu hareketler dğu-batı ve kuzey-güney hareketlerdr. LDR ve bu LDR ler üzerne düşen ışık mktarı blglernn değerlendrlmes ncelenmştr. û > Mekank Düzenek Mekank sstem, yatay ve dkey hareket sağlayacak k adet DC mtrdan ve bunlara akuple redüktör dşl sstemnden luşmaktadır. Redüktör sstem sayesnde yük tarafından DC mtrların ml üzernde luşturulan büyük trk etks azaltılmıştır. Kntrl Sstem Kntrl sstem, DC mtr kntrl devres ve gerekl snyal luşturan LDR den luşur. Kntrl sstem tasarlanması esnasında sstemn sade, arıza htmaln en aza ndrgemş, eknmk, bakm ve narımı klay lacak br şeklde düşünülmüştür. Kntrl Sstemnn Adım Adım Oluşturulması - Ssteme uygun mtr secm - Seçlen DC mtr kntrl devres tasarımı elemanlarının yerleştrlmes - Kntrl devresnn test edlmes 2.1 Tasarımda göz önünde bulundurulan hususlar Tasarımda, panel döndüren mtru, drekt panele bağlamak malzeme açısından tasarrufu sağlayacaktır. Fakat mtru drekt panele bağlamanın mümkün lmadığı durumlarda; paneln mnte edldğ çerçeve, dğer alttak büyük çerçeveye nazaran daha haff malzemeden yapılablr ve aerdnamklk de katılablr. Snuçta büyük çerçeve, küçük çerçeveye nazaran braz daha fazla yüke maruz kalablr, büyük çerçevenn yükünü azaltmak adına bu şlem yapmamız faydalı lacaktır.
nü Şekl 2.5 Elektrnk devre şeması rll 15 1 :a s :»'] : PÿP * <î *î : Cık s? H* s fl Vs :s pfe larak hesaplanır. Buraya kadar çerçeve uzunlukları çn verlen değerler tamamen tecrübeye dayalı larak verlmştr.bütün bu hesaplamalar yapılırken knstrüksynda kullanılan çerçevelern kalınlıkları da göz önüne alınmalıdır.şekl 2.4 de tasarlamış lduğumuz güneş sstemnn elektrnk devres çn gereken malzemeler blgsayar rtamında yazılmıştır. SONUÇLAR Güneş zleyc prttpn tasarlarken nerede ve hang şartlarda lursa lsun güneşten en verml sevyede yararlanması düşünülmüştür. Tasarlanırken 360 derece döneblmes ve sabtlenmeden her yerde ek bağlantısız durablmes amaçlanmıştır. Bu sstem elektrk hattının çeklemedğ br ada, bekç kulübes veya elektrk hattının çk yer değştrmes gereken karaylları çalışmalarında gerekl lacak elektrğn üretm çn düşünüleblr. Bu prttp tasarlanırken amaç br ftvltk paneln byutunu büyülterek daha fazla enerj üretmek yerne, byutlarını büyültmeden vermn yükselterek daha fazla enerjy üretmektr. Bu bze yer ve malyet tasarrufu sağlamaktadır. Güneş zleyc sstem larak yapılan büyük sstemlerle daha verml aynı zamanda yüksek enerjler üretleblr. En büyük özellklernden br İP :f # * 1F1F rı- (S tt" İ! fe:f =U * (? (S «;ÿ * S (2 Lİ re T- öv" C- - s ' - t f* l ' ıs Blgsayar yardımıyla tasarlanan elektrnk devrenn yerleşm şeması Şekl2.5 de gösterlmştr. Yerle temas eden çerçevenn uzun ve kısa kenarları se büyük çerçevenn uzunluklarının 30mm fazlası lması yeterl lacaktır. Ayerçerçeves = A büyükçerçeve + 30mm Şekl 2.4 Devre elemanlarının lstes. -J1 5 -: t S î t a*ÿ 2 Cuzunluk = A büyükçerçeve +80mm Yerle temas eden çerçevenn uzunluğu se büyük metal çerçevenn uzunluğunun yarısından tabk çerçevenn kullanıldığı çerçevenn kalınlığıyla rantılı larak uzun lması yeterl lacaktır. Yerle temas eden çerçevenn uzunluğuna da C dersek; Bpanel + 20mm = B panelçerçeves A panel + 20mm = A panelçerçeves Mtru drekt panele bağlamanın mümkün lmadığı durumlarda şu şeklde düşünüleblr; metal çerçevelern uzun kenarını A ve kısa kenarını B le fade edersek paneln uzun ve kısa kenarlarını metal çerçeveye Şekl 2.3 de görüldüğü gb mnte edlerek gereksz malzeme kullanılmamış lur ve paneln büyüklüğüne göre metal çerçeve denklemn se metal çerçevelern A ve B kenarlarının, paneln uzun ve kısa kenarına göre 20mm mesafeyle mnte etmek yeterl lacaktır. Yan O OD Öl * O» jp H FJ -- rj 3 u u c x- m y S A- ÎHİÎİ - İl t v~ E- m H S 9 9? [ ü e. s s t.- û./ ga e C nn X ;j J.t j J; ;J v, _ÿ -ÿÿ. O' «Ş 5! 5 ft ft cl M O' s«s E S jr îsf j! «üh?? w ««î B O Z: 3 a s = 3 s î Sa _ - B S S -* T> * 3 3 * t >? a İ: Û ı! ~1 ft ;;f fîs 2 İH! 'Tl f OL DJ_ - Tl 0 W M -» to E s: 3 Cü 2.Z 3 mm w v ü b f *8 D' b İl s? by> X hj ıs h z O 1B Makale Artcle TTMD Eylül Ekm 2013 32
TTMD Eylül Ekm 2013 Makale Artcle 33 se bulunduğu yerde kend ürettğ enerjden beslenmes, ek larak kend sstem dışından hçbr enerj alma gereğ lmamasıdır. Dğer İzleyc Sstemlere Göre Üstünlükler: Tasarımı sayesnde 360 derece döneblme kablyet. 360 derece döneblmes sayesnde yan çft yönlü döneblme kablyetnden dlayı bulunduğumuz her yerde güneş ışınlarını enlem veya bylam düzlemlern hesaplamaya gerek kalmadan en verml şeklde güneş ışınımını alablmes ve bu sayede hareketl taşınablr lablme özellğ kazanmaktadır Elektrnk devresnde PLC ve PİC kullanılmayıp mcr şlemcler sayesnde yapılmıştır. Mekank aksamında dşller, rulmanlar ve aktarma elemanları yerne sadece metal çerçeveler le yapılmış lup bzulma veya arza yapma ranı malzemelern yıpranması ve bakım narım ranları en aza ndrgenmş lmaktadır. Tasarımında güneş ışınlarını kesecek en ufak br gölge dah lmamasına dkkat edlmştr. Yapımı çn mekank ve elektrnk gereksnmler azaltılarak eknmklk kazandırılmıştır. Sstemdek paneln tamamen ters dönmemes stenrse swtchler yardımıyla metal çerçeveler bell br açıya kadar döndükten snra tekrar esk knumuna getrleblmektedr. Sstemdek panele güneş ışınları dk ve aynı kararlılıkta geldğ çn üretlen akım ve vltaj değerler değşmemektedr. Bu sayede elektrğ aktarma veya deplama kısımlarında klaylık sağlanmaktadır. Bu tasarım daha snrak çalışmalarda sstemn şddetl rüzgara karşı hasar görmemes çn rüzgarı en az alacak knuma kendlğnden gelmes sağlanacak şeklde gerçekleştrleblr. Yne aynı şeklde şddetl yağmur veya şddetl kar yağışında en az derecede etklenecek knuma kendlğnden gelecek şeklde tasarlanablr. KAYNAKÇA [1] Dönmez, Ş., Özdemr, A., Otmatk Güneş İzleme Sstem [2] http://eee.tu.edu.tr/lab/hbrdge.pdf, [Hazran 2010] [3] Kulaksız, A.A., Güneş Panelnden Sağlanan Elektrk Enerjsnn Güç Elektrnğ Sstemleryle Kntrlü, Yüksek Lsans Tez, Selçuk Ünverstes Fen Blmler Ensttüsü, Knya, 2001. [4] L, D.H.W., Cheung, G.H.W. ve Lam, J.C., Analyss Of The Operatnal Perfrmance And Effcency Characterstc Fr Phtvltac System _n Hng Kng, Energy Cnversn And Management, 46 (2005) 1107-1118. [5] Lane, B.,(2008), Slar Tracker, EEC 517 [6] Muntasser, M.A., Bara, M.F., Quadr, H.A., El-Tarabels, R. ve La-Azab,.F., Ftvltac Marketng _n Develpng Ccuntes, Appled Energy, 65, 1 (2000) 67-72 [7] Hussen, H.M.S., Ahmad, G.E. ve El- Ghetany, H.H.,Perfrmance Evaluatn Of Phtvltac Mdules At Dfferent Tlt Angles And Orentatns, Energy Cnversn And Menagement, 45 (2004) 2441-2452. [8] M. F. Khan and R. L. Al,(2005), Autmatc sun trackng system, presented at the All Pakstan Engneerng Cnference, slamabad, Pakstan [9] Oktk, S., Güneş- Elektrk Dönüşümler Ftvltak Güneş Gözeler ve Güç Sstemler, Temz Enerj Vakfı, Ankara, 2001. [10] Öztürk, S.ve Duru, T., Güneş-Rüzgâr Karma Enerj Üretm Sstem / 2, 3 E Dergs Sayı 131, Nsan 2005, Kcael [11] http://www.yuthfrhab.rg.tr/tr/yaynlar/ enerj/gunespller/grs.html[mayıs 2010] [12]Akkaya, R. ve Kulaksız, A.A., A Mcrcntrller - Based Stand - Alne
34 Makale Artcle TTMD Eylül Ekm 2013 Phtvltac Pwer System Fr Resdental Applances, Appled Energy, 78 (2004) 419-431. [13] Çıtırğlu, A.,,Güneş Enerjsnden Yararlanarak Elektrk Üretm, Mühends ve Makne Dergs, 485 (2000) 14-19. [14] Altın, V., Güneş Pllernn Yapısı ve Çalışması, Blm ve Teknk Dergs, 464 (2006) 41. [15] Carstensen, J., Ppkrv, G., Bahr, J. ve Föll, H., Cell: An Advanced LBC Measurement Technque Fr Slar Cell Lcal Characterzatn, Slar Energy Materals And Slar Cell, 76, 4 (2003) 599-611. [16] http://sunbrd.jrc.t/pvgs/ [Nsan, 2010] [17] http://www.dunyaprestgeslar.cm, Slar Sstemler, [Mart 2010] [18] http://www.ee.gv.tr/turkce/gunes/ eegunes.html [Şubat 2010] [19] http://www.yldz.edu.tr/~kvarnca/ Dsyalar/Yaynlar/yayn008.pdf [Şubat, 2010] [20] Türk Standardı TS 498 Kasım 1997 -Yapı Elemanlarının Byutlandırılmasında Alınacak Yüklern Hesap Değerler KSA ÖZGEÇMİŞLER Ozan Özmen Eren ŞAT 1990 yılında İstanbul'da dğan Ozan Özmen Eren ŞAT İstanbul Burak Bra Anadlu Lses'n tamamladıktan snra 2013 yılında Süleyman Demrel Ünverstes Makne Mühendslğ Bölümünü btrd. Enerj üzerne EUROSOLAR (Avrupa Yenleneblr Enerjler Brlğ Türkye) yönetm kurulu üyelğ bulunan ve halen enerj sektöründe yer alan GENEL SİSTEM DİZAYN A. Ş. sml frmada çalışmaktadır. Tansel KOYUN 1972 yılında sparta da dğan Tansel Kyun sparta Lses n tamamladıktan snra 1993 yılında sparta Süleyman Demrel Ünverstes Makna Mühendslğ Bölümü nü btrd. Aynı yıl Süleyman Demrel Ünverstes Mühendslk Fakültes Makna Mühendslğ Bölümünde Yüksek Lsans eğtmne başladı ve bu eğtmn 1995 yılında tamamladı.1996 yılında aynı Fakültede hem Dktra eğtmne hem de Araştırma görevls larak çalışmaya başladı. 2002 yılında Dktra eğtmn tamamlayan Tansel Kyun, 2003 Yılından ber Süleyman Demrel Ünverstes Mühendslk Fakültes Makna Mühendslğ Bölümünde Yrd. Dç. Dr. larak görev yapmaktadır.