tmmob makina mühendisleri odası

tmmob makina mühendisleri odası YENİLENEBİLİR ENERJİ KAYNAKLARI SEMPOZYUMU VE SERGİSİ BİLDİRİLER KİTABI Editör: Yrd. Doç. Dr. Şükrü SU MMO Yayın No: E / 2001 / 275 EKİM 2001 - KAYSERİ

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi tmmob makina mühendisleri odası Sümer Sokak No: 36 /1 - A Demirtepe, 06440 ANKARA Tel: (0 312) 231 31 59; 2313164; 23180 23; 23180 98 Fax -.(0 312)2313165 e-posta : mmo@mmo.org.tr web : http://www.mmo.org.tr MMO Yayın No : E / 2001 / 275 ISBN : 975-395 - 465-4 Bu yapıtın yayın hakkı 'na aittir. Kitabın hiçbir bölümü değiştirilemez. 'nınizni olmadan elektronik, mekanik vb. yollarla kopya edilemez ve çoğaltılamaz. Kaynak gösterilmek suretiyle alıntı yapılabilir. KAPAK TASARIMI DİZGİ BASKI İlhan İNCETÜRKMEN - (0 352) 320 43 53 İNCETÜRKMEN LTD.ŞTİ. - TMMOB MMO KAYSERİ ŞUBESİ NETFORM MATBAACILIK AŞ. - KAYSERİ

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi GÜNEŞİ İZLEYEN SİSTEMİN SABİT SİSTEME GÖRE KIYASLANMASI F. Birsen Turgu ALAÇAKIR Balacakir@eie.gov.tr Yusuf KORUCU Ykorucu@eie.gov.tr ÖZET Bu çalışmada, EİE İdaresi Yeni Enerji Kaynaklan Araştırma Parkında kurulan güneşi izleme sistemi tanıtılmakta, güneşi izleyen yüzeye gelen enerji ile sabit bir eğime gelen enerji karşılaştırılmaktadır. ABSTRACT in this study; a solar tracker system installed at The Survey Park of New Energy Resources of EIE is presented. The comparision of the energy output of tracker system with a fixed one has been determined. GİRİŞ Güneşi izleyerek, gelen enerjiden maksimum faydalanmayı amaçlayan sistemler, dünyada çeşitli firmalarca üretilmektedir. Bunlardan başlıcaları; siemens, solarex, kyocera, hoxan, BP gibi firmalardır. Standart izleyici sistemlerin boyutları 2 ile 14 modüllü panel veya daha büyük boyutlarda panel oluşturulacak şekilde dizayn edilmektedir. Bu sistemler gelen enerjiden % 20' nin üzerinde faydalanım elde edilmesini sağlamaktadır. Bu tebliğde bir yıl içinde alınan ölçümlerde izleyici sistemlerden ne oranda fazla enerji üretildiği hesaplanmıştır. SİSTEMİN TANITIMI Sistem, bir ayak üzerine monte edilmiş tek eksen üzerinde dönerek, güneş saat açısını izleyen izleyici tabla, 2 adet Epley solarimetre ve Kipp & Zonnen integratörden oluşmaktadır. Güneşi izleyici sistem; güneş pilleri, solarimetre gibi aletlerin üzerine yerleştirildiği, iki ucunda içinde ısıya duyarlı sıvılaştırılmış özel bir gaz bulunan iki bölme, bu bölmeleri birleştiren ve sıvı akışını sağlayan bakır bir boru, iki uçta gölgeleyici Aliminyum plakalar ve toprağa monte etmek için bir ayaktan oluşmaktadır. Şekil l'de görüldüğü gibi, gün doğuşu sırasında izleyicinin yüzeyi batıya yöneliktir. Güneş doğudan yükselirken, izleyicinin batı tarafındaki gölgelenmemiş kısım direk ve yansıyan ışınlarla ısıtılır. Bu ısınma, bölmeler içinde sıkıştırılarak sıvılaştırılmış olan gazın buharlaşmasını sağlar. Oluşan buhar basıncı sıvılaştırılmış gazın karşı yöne yani gölgeli tarafa doğru aktarılmasına neden olur. Bu durumda ağırlık noktası kayan izleyici tabla, doğuya doğru hareket ederek, yüzünü doğuya döndürür. Sıvının hareketi, alüminyumdan yapılmış gölgeleyici plakalar ile kontrol edilir. İzleyici tablanın bir kolu diğer kolundan daha fazla güneşe maruz kalırsa, buhar basıncı nedeniyle sıvı, daha soğuk olan gölgeli tarafa doğru hareket eder. Kolların iki ucu da eşit bir şekilde gölgelenene kadar tablanın ağırlık noktası kayar ve böylece güneşi izlemiş olur (Şekil 2). İzleyici saatte yaklaşık 15 derece dönerek güneşi takip etmektedir. İzleyici tabla içindeki sıvı bir tarafından diğer tarafına doğru hareket ederken sürekli dengede kalır (Şekil 3). Şekil 4'de görüldüğü gibi izleyici sistem günlük çevrimini batıya doğru yönelerek tamamlar. Gece boyunca bu pozisyonda kalır. Ertesi gün güneş doğarken batıdaki yüzünü doğuya çevirir ve aynı hareketi tekrarlar. ALINAN ÖLÇÜMLER VE DEĞERLENDİRMELER Güneşi izleyen sistem, EİE Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Araştırma Parkında konumlandınlmış ve solarimetrelerden biri, üzerine monte edilmiştir. Diğer solarimetre de sabit bir eğimde olan sehpa üzerine yerleştirilmiştir. Her iki solarimetre bir integratöre bağlanmıştır. İntegratör bir saat içinde gelen güneş ışnım değerlerini toplayarak saatlik enerji değerlerini hesaplamaya programlanmıştır. Ölçümler Temmuz 1999 tarihinden Kasım 2000 tarihine kadar gün doğuşu ile gün batışı arasındaki süreç içinde sabit ve izleyici sistemlerden gelen veriler integratör hafızasında toplanmıştır. 115

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi A. \ X /fail Şekil 1 - Güneşin Doğuşu Şekil 2 - Öğleden Önce t -J. Şekil 3 - Öğleden Sonra Daha sonra bu veriler önce saatlik, sonra solarimetreler arasında bulunmuş olan kalibrasyon katsayısı ile düzeltilmiştir. Şekil 5 'de Temmuz ayından seçilen iki gün boyunca her iki solarimetreden alınan ölçümler değerlendirilmiştir. 23-24 Temmuz 1999 da yapılan birer günlük ölçüm sonuçları incelendiğinde, sabahın erken saatlerinde sabit sistem güneye yönelik, izleyici ise hala önceki akşamdan kaldığı konumda yani batıya yönelik pozisyondadır. Güneşe doğru yönelene kadar geçen süre içinde sabit sistemden alınan enerji değerleri izleyiciye göre daha fazladır. İzleyici güneşe doğru yöneldikten sonra izlemeye başlar. Öğlen saatlerinde her iki sistemin güneşe yönelimi eşitlenir. Güneş batıya kayarken, izleyici güneşi izlemeye devam eder, sabit sistem ise güneş ışınlarını güney batıdan eğik bir şekilde almaya devam eder. İzleyici sistem günün ilk yansında güneşi izlemekte geç kalırken, günün ikinci yarısında tam olarak izler. Az bulutlu ve açık günlerde izleyici sistem, güneşten gelen ışınları dik olarak algılayacak şekilde güneşi izlemeye devam eder. Şekil 6 ve 7'de Eylül ve Ekim aylarında açık günlerde alınan ölçümler Şekil 4 - Güneşin Batışı günlük bazda bilgisayar ortamına aktarılarak, değerlendirilmektedir. Bulutlu günlerde izleyici sistem, güneşi izlemekte güçlük çeker. Çoğu kez konumunu değiştiremez. Bu durumlarda sabit sistemin algıladığı enerji daha fazla olabilmektedir. Şekil 8'de Eylül ayında birbirini ardışık iki bulutlu günde izleyici ve sabit sistemin verilerinden görüldüğü gibi, izleyici sistem sabahın erken saatlerinde batıdaki yüzünü doğuya çevirdikten sonra güneşi izlemekte, öğlen saatinde hava bulutlandığından gelen enerjide bir düşme gözlenmekte, saat 14:00 civarında tekrar ortaya çıkan güneşi izlemeye devam ederken, sabit sistem güneş ışığını güney batıdan almaktadır. 14 Eylüldeki grafik incelendiğinde, önceki gün batıda kalan izleyici, hava çok bulutlu olduğundan yüzünü doğuya döndürmekte güçlük çeker ve güneşi izleyemez. Bu süre içinde sabit sistemin yüzeyinin daha fazla enerji aldığı görülür. SONUÇ Bu çalışmada, güneşi pasif olarak izleyen bir izleyici ile sabit bir sistemin aldıkları enerjiler karşılaştırılmıştır. İzleyici günün ilk yarısı 116

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi yüzünü batıdan doğuya döndürmek için zaman kaybederek gecikmeli olarak güneşi izlemeye başlar. İkinci yarısı ise tam olarak izler. Açık bir gün için, bu izleme sırasında enerji kazanımı, enerji kazanım oranı: Enerji Kazanım Oranı=(E ideyici - E sabit )/E sabit şeklinde formülleştirilmiş ve %24 olarak bulunmuştur. Daha önce de bahsedildiği gibi, pasif sistem sabah güneşi yakalayıncaya kadar gecikmektedir. Sistem aktif bir sistem olup, sabah hareketine doğudan başlasaydı, % 24 olan enerji kazanım oranı % 31 olabilecekti. Bir sene boyunca yapılan ölçümlerde, aylara göre değişmekle birlikte ortalama olarak enerjiden %20'den fazla faydalanım olduğu görülmüştür. İzleyicinin maliyeti yaklaşık 3 güneş pili maliyetinde olup üzerinde iki güneş pili taşımaktadır. Bu sistem sabit duran 2.4 güneş pilinin ürettiği enerjiyi üretmektedir. Halbuki sistemin maliyetine eşdeğer yatırım ile 5 adet güneş pili alarak daha fazla enerji üretmek mümkün olmaktadır. Buradan da görüldüğü gibi takip edici sistemler ekonomik olmaktan uzak görünmektedir. Ancak bu iki güneş pili taşıyan bir sistem için geçerli olup sistem büyüdüğünde ekonomik olma şansına sahip olabilir. 23 Temmuz 1999 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19:00 Zaman (saat) 24 Temmuz 1999 ı 1 1000,00 800,00 600,00 T d) 111 400,00 200,00 0 00 -J j I I /! L 1/ Af ' I / / / / y i i 1 1,*' -^ \! \ \ \ F L- izleyici - sabil j i 1 v i \ i \! \ \j \ v!\ 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 19.00 Zaman (saat) Şekil 5: Temmuz Ayı İzleyici Ve Sabit Sistemin Davranışı 117

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 22 Eylül 1999 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Zaman (saat) 17 Eylül 1999 06:00 07:00 CftOO 0900 10:00 11:00 1200 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 1ft00 Zaman (saat) Şekil 6: Eylül Ayı Sabit Sistem ve İzleyici Davranışı 118

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 04 Ekim 1999 900,0 800,0 700,0.E 600,0. 500,0» 400,0 ILI 300,0 200,0 100,0 r1/ A J / \ \\ \ - -izle yicij - -sab it i 0,0 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Zaman (saat) 06 Ekimi 999 IUUU ' 800 İN,Ej600 IAA) E 1»400 LU 200 0 t I / 4/ // t * A 1 / i j x \ \ \ \ \ \ J j \ H \ i \ izleyici -»-sabit \ I \ \ : i I \ \ 1 ] y X. \ 4 it"t" ** i 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Zaman(saat) Şekil 7: Ekim Ayı Sabit Sistem ve İzleyici Davranışı 119

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi 13 Eylül 1999 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Zaman (saat) 14 Eylül 1999 800,00 700,00 100.00 06:00 07:00 08:00 09:00 10:00 11:00 12:00 13:00 14:00 15:00 16:00 17:00 18:00 Zaman (saat) Şekil 8: Bulutlu Günlerde Eylül Ayı Sabit Sistem ve İzleyici Davranışı 120

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi KURUTMADA KULLANILAN HAVA ISITMA KOLLEKTÖRLERİNİN DENEYSEL KARŞILAŞTIRILMASI Hikmet DOĞAN* Sezayi YILMAZ** *Gazi Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Makine Eğitimi Bölümü 06500 ANKARA Karaelmas Üniversitesi Karabük Teknik Eğitim Fakültesi Enerji Eğitimi Bölümü KARABÜK ÖZET Bu çalışmada, tarafımızdan tasarlanıp, yapılan dört ayrı tip hava ısıtma kollektörü (tabii dolaşımlı düz kollektör, tabii dolaşımlı boru ısıtmalı oval kollektör, kapalı sistem ısı borulu düz kollektör ve hava ön kurutmalı cebri sistem düz kollektör) aynı şartlarda denenerek verimleri ve kurumaya olan etkileri karşılaştınlmıştır. Kollektörlerin ısıtma yüzeyleri 0,5 m 2 olarak tasarlanmış ve hava debileri deney sırasında hava akış miktarına göre debi ölçerle (anamometre) tespit edilmiştir. Sözü edilen 45 kollektörlerin güneşten aldıkları ısıyı havaya aktarma miktarları, kollektör çıkış havası sıcaklığı ölçülerek bulunmuştur. Yapılan deneyler neticesinde ön kurutmalı kollektörün havasının daha çabuk ısındığı tespit edilmiştir. ABSTRAC in this study, four different type of airheating collectors have been designed and constructed. These have been tested and compared with each other for their efficiency and effects on drying capabilty. The heating surfaces of collectors have been designed as 0,5 m 2, and the flow rates of the air have been measured by a flowmeter (anamometre). The heat transfered from these angled at 45 collectors has been calculated by measuring outlet temperature of the collector. The results showed that the air of drying collector is heated quicker. 1. GİRİŞ Kainattaki en önemli ve en büyük enerji kaynağı şüphesiz güneştir. Özellikle son yıllarda fosil kökenli yakıtların çevreyi alabildiğine kirlettiklerinden, insanlık alemi en ucuz ve temiz olan güneş enerjisinden daha iyi ve daha fazla faydalanmanın yollarını aramaktadırlar. Pratik hayatta güneş enerjisinden en yaygın olarak faydalanmanın yolu; güneş kollektörleri aracılığıyla olmaktadır. Kollektörlerle toplanan güneş enerjisinin miktarı; kollektörün konulduğu yere, yönüne, eğim açısına, günün ve yılın zamanlarına bağlıdır. Uygun şartlarda kollektör tarafından emilen güneş ışınımı en fazla 1000 W/m 2 kadardır. Bunun yaklaşık 750 W/m 2 'si kullanılır ısı enerjisine dönüştürülebilmektedir [1,2]. Bunun için, değişik amaçlar için değişik güneş kollektörleri uygulama alanları bulmaktadır. Bu kollektörlerin başlıcalarını düzlem yüzeyli kollektörler [1,2,3,4], parabolik [4,5], parabolik odaklamalı kollektörler [4,6], parabolik ya da düzlem olup, güneş ışınını takip edecek şekilde tasarlanan kollektörler [6] ve kışın donmaya karşı uygulamaya konulan ısı borulu [7] ya da donmaya dayanıklı akışkanlı kollektörler oluştur-maktadır. Ayrıca; yoğunlaştırıcı güneş kollektörleri soğurucu ve yoğunlaştırıcı yüzey elemanları deney-sel olarak incelenmiş, soğurucu yüzey için siyah nikel soğuruculuğunun 0.9 ve yayıcılığının da 0.3 olduğu deneysel olarak belirlenmiştir [8]. Başka bir çalışmada da parabolik güneş yoğunlaş tıncısmın etkinliğini belirlemek için, pompalı ve doğrudan akışkanı ısıtan sistemle çalışan bir parabolik güneş kollektörünün tasarımı ve uygulaması yapılmıştır [9]. Parabolik kollektör-lerin denenmesinden sonra bir de güneş ışınlarını takip eden odaklamalı kollektörler denenerek verimin artırılması düşünülmüş ve bunda başarılı da olunmuştur [10]. Bu çalışmada dört ayrı tip ve özellikte güneş kollektörü ile havanın ısıtılması ve ısınan havanın da kurutmada kullanılması deneysel olarak karşılaştınlmıştır. Çalışmaya başlamadan önce, bu amaçla yapılmış tabii dolaşımlı kurutma sistemleri incelenmiş [11,12] ve bu bilgiler 121

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi ATIK HAVA DIŞ HAVA GİRİŞİ Şekil 1. Ön hava kurutmalı kollektör ışığında bir tabii dolaşımlı düz saç kanal kollektör, bir oval borulu kollektör, bir cebri akımlı kapalı sistem düz ısı borulu kollektör ve bir de cebri akımlı hava ön kurutmalı kollektör tasarlanarak yapılmış, aynı şartlarda karşılıklı denenerek farkları gözlemlenmiştir. 2. KOLLEKTÖRLERİN TASARIM VE UYGULAMASI Değişik özelliklere sahip, 0,5 m 2 yüzey alanlı dört ayrı kollektör eğimleri 45 olmak üzere aşağıda özellikleri belirtildiği gibi tasarlanıp, imal edilerek, kurutma havası üzerindeki sıcaklık tespitleri yapılmıştır. 2.1. Ön Hava Kurutmalı Kollektör Nem yönünden fakir (kuru) havanın daha çabuk ısınacağı düşünülerek Şekil 1. 'de görüldüğü gibi bir sistem düşünülmüştür. Dış havanın nemini çekebilmek için, hava kollektöre girmeden bir soğutma makinası düşünülerek, sistem havası önce soğutma makinasının buharlaştırıcısmdan (evaporatöründen) geçecek şekilde tasarlanmıştır. Buharlaştıncıdan geçerken soğuyacak olan havanın güneş enerjisi ile tekrar ısınabilmesi için de, şekilde görüldüğü gibi 45 eğimli bir düz kanal kollektör tasarlanmıştır. Kollek-törden geçerek ısınan havanın kullanılabilmesi için de kanal çıkışına 50 x 50 x 50 cm ölçülerinde bir kurutma hücresi yapılmıştır. 2.2. Kapalı Sistem Isı Borulu Güneş Kollektörii Bu çalışmada sistem yine kurutma amaçlı kollektör, soğutma makinası ile birlikte düşünülmüştür (Şekil 2.). Sistem dış havaya tamamen kapalıdır. Güneş kollektörii ısı borulu ola- 122

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi ISI BORUSU KANATÇIKLARI /\ ISI BORULU GÜNEŞ KOLLEKTÖRÜ ISI BORULU KANAL BUHARLASTIRICI DEVİR-DAİM \ KURUTMA HÜCRESİ \ Şekil 2. Isı borulu güneş kollektörlü kapalı sistem rak tasarlanıp, ısı borulannın yoğuşturucu kısmı havanın geçtiği kanal içine yerleştirilerek, kollektör-den alınan ısının kanaldan geçen havaya aktanl-ması sağlanmıştır. Soğutma makinasının buhar-laştırıcısı, kanal içine yerleştirilmiştir. Kollektör-den aldığı ısı ile sıcaklığı yükselen hava, kurutu-lacak materyalden buhar çekerek nem miktarı arttıktan sonra, buharlaştıncıdan geçerken sıcak-lığı düşüp, doygunluk sının altındaki nemi bırak-ması sağlanmıştır. Böylece her seferinde kollek-törde ısınırken bağıl nemi ve yoğunluğu düşen dolaşım havası, kurutulan malzemeden nem çeke-rek bağıl neminin ve yoğunluğunun artması sağlanmıştır. 2.3. Tabii Dolaşımlı Düz Güneş Kollektörü Şekil 3. 'de görüldüğü gibi, yine hava ısıtmak için, atmosfere açık, tabii dolaşımlı düz güneş kollektörü düşünülmüştür. Bu kollektör 0.5 x 1.0 x 0.05 m ölçülerinde tasarlanmış ve çıkışına da 0.5 x 0.5 x 0.5 m ölçülerinde bir kurutma hücresi bağlanmıştır. Isınan havanın yükseleceği gerçeğinden hareketle, hava tamamen tabii dolaşımlıdır. Isınan havanın yoğunluğu azalıp, yükseldikçe, yerini kollektörün altından giren, sıcaklığı daha düşük olan havanın alacağı düşünülmüş ve ısınan hava da kurutma hücresine verilerek, kurutma amaçlı olarak kullanılmıştır. 2.4.Tabii Dolaşımlı Kanal Hava Isıtmalı Oval Kollektör Oval bir kollektör içinden kurutma havasının tabii olarak dolaşacağı 22 cm çapında bir kanal düşünülmüş ve bu kanalın dış hava giriş ağzı Şekil 4. 'de görüldüğü gibi, kollektörün alt kısmından dışarıya çıkarılmıştır. Kollektörün üstü koruyucu camla ve kanalın geçtiği alt ve üst duvarlar da başka malzemelerle izole edilerek, içeride ısınan havanın dışarıya akması engellenmiştir. İç yan duvarlar parlak alüminyum yansıtıcı kağıtla kaplanarak, üzerline düşen ışınımın kanala yansıtılması sağlanmıştır. Böylece kanal içinden geçen boru içindeki hava çevreden ısı alarak yükselirken, sıcaklığı daha düşük olan havanın alttan sisteme girmesi sağlanmıştır. Bu sistemde ısınan hava kurutma amaçlı olarak düşünüldüğü için, önceki sistemlerde olduğu gibi bir kurutma hücresi düşünülmüş ve ısınan hava bu hücrede kurutmada kullanılmıştır. Sistem tamamen tabii dolaşımlıdır. 3. DENEYLER VE SONUÇLARI Deneyler temmuz ayı şartlarında yapılmıştır. Sistemler ayrı ayrı birbirilerini gölgeleme olmayacak şekilde güney yönünde 45 eğim yapacak şekilde yerleştirilmiştir. Deneylere yerel saatle 9 'da başlanarak 18 'e kadar devam edilmiştir. Deney esnasında sisteme giren havanm (dış havanın) sıcaklığı, kollektörden çıkıp hücreye giren havanın sıcaklığı, sistemi terk eden havanın sıcaklığı ve kuruma hücresine 123

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi ATIK HAVA KURUTULAN KURUTMA HÜCRESİ GÜNEŞ IŞINLARI DIŞ HAVA GİRİŞ Şekil 3. Serbest dolaşımh düz kanal tipi güneş kollektörü GÜNEŞ IŞINLARI DIŞ HAVA GİRİŞ Şekil 4. Kanal hava ısıtmalı oval kollektör 124

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 120 - Kuru havalı - Kapalı sistem - Düz kollektör - oval kollektör - Dış havai o «CN CO ro '^- Zaman (Saat) Şekil 5. Deney sonuçlarının karşılaştırılması önkurutmal Dış hava gölge o <J> o o co (35 o o o o co o o o "- o co o <N o co CM o oco o co co o o M- Zaman o co 8 o m CO in o oco o co CD o s. o co [^ o 00 Şekil 6. Deney sistemlerinin kuruma eğrilerinin karşılaştırılmaları kurutulmak üzere konulan malzemedeki ağırlık kayıpları, belirtilen saatler arasında, her yanm saatte bir ölçülmüştür. Elde edilen verilerin karşılaştırılması Çizelge 1. 'de yapılmıştır. Çizelge 1. ve Şekil 5. 'den de anlaşılacağı gibi, ön hava kurutmalı kollektörde hava sıcaklığının diğer kouektörlere göre daha fazla yükseldiği görülmüştür. Bu veriler ışığında ön hava kurutmalı 125

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Çizelge 1. Deney Sonuçlarının Haftalık Ortalaması Zaman 9 00 930 Ön Kurutmalı cebri dolaşım u> M 3-,3) =Ö3u ^ <A o 35 38 'öo İl < 100 100 Kapalı sistem cebri dolaşım '5b»5b^ S 32 U a st r 27 28 alp o ^ -5 3- «^ 27 27 soğutmalı,öî) < 100 100 Düz kollektör tabii dolaşım w- o-ısb! O ^ O â 35 36 İl o a >oû < 100 100 Oval kollektör tabii dolaşım 22" Cj 5- >ö) :<T> v> ı ) 32 33 'öû >oû < 100 100 Dış sıcaklığ u c s Ü 35 37 hava öû İl )OÛ < 100 100 10 ıo 30 11 54 57 60 98 97 86 29 29 29 27 29 33 100 97 95 44 44 45 100 98 97 42 42 42 100 98 96 37 39 39 100 100 98 İl 30 67 81 32 32 91 46 94 43 93 40 96 12 ı2 30 69 69 74 63 35 36 32 32 86 84 47 49 89 83 44 46 87 84 42 42 92 88 13 71 57 37 32 81 47 78 46 79 43 84 13 30 72 50 40 33 76 46 73 48 74 45 78 14 14 30 73 72 47 45 40 38 33 32 69 66 43 43 67 62 50 43 68 65 47 40 74 67 15 72 43 38 32 63 43 59 42 62 41 64 15 30 72 41 38 32 59 43 57 43 59 42 57 16 68 39 37 34 55 38 51 48 54 42 53 16 30 60 38 37 34 50 37 45 47 51 42 50 17 55 36 34 30 47 37 40 38 47 39 47 17 30 48 34 32 29 45 37 37 37 45 37 45 18 42 32 28 29 43 32 35 32 45 32 45 kollektörün performans katsayısı enerji denkliğinden hareketle; Q = V-c-p-At (1) Q : Sistem havasının taşıdığı enerji (kj/h) V : Sistem havasının hacımsal debisi (m 3 /h) C : Sistem havasının özgül ısı kapasitesi (kj/kgk) p : Sistem havasının yoğunluğu (kg/m 3 ) At: Havanın kollektöre giriş ve çıkış sıcaklık farkı (K) Bu eşitlik yardımı ile performans sayısı: V c p At Tl = I (2) I:Güneşten kollektör yüzeyine gelen güneş enerjisi miktan kj/m 2 h eşitliği ile bulunabilir. Sistemler tamamen kurutma amaçlı yapılmıştır. Bu bakımdan kurutma etkinliği de dikkate alındığında Şekil 6. 'daki gibi bir durum ortaya çıkmaktadır. Kuruma eğrilerinden de anlaşılacağı üzere, "Ön Hava Kurutmalı Sistem" 'de diğerlerine göre; daha hızlı bir kurutma süreci elde edilmiştir. 4. SONUÇ Yapılan hava ısıtma kollektörleri kurutma amaçlı yapıldıkları için, ön hava kurutmalı olarak tasarlanan kollektörde hava kollektör girişinde soğuk yüzeyden (evaporatörden) geçirilerek nemi alındığından, sistem havasının diğer kollektörlere göre daha çabuk ısmdığı görülmüştür. Dola-yısıyla, nem yönünden fakir ve sıcaklığı da yüksek olan hava, kurutma 126

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi hücresinde ürünün nemini hızlı bir şekilde emerek (absorbe ederek), Şekil 6. 'dan da anlaşılacağı üzere daha hızlı kurumasını sağlamıştır. Kapalı sistem çalışan kollektörde hava sıcaklığının daha fazla yükselmeyişi ve kuruma işleminin de yavaş seyredişi dışardan olabilecek hava kaçaklarına bağlanmıştır. ll.akyurt, M., E. Sevilir, E. Söylemez, M. K. Selçuk, " Güneş Enerjisi ve Bazı Yakıtlarla Meyve ve Sebze Kurutulması" Ankara, 1976. 12.AKYURT, M., İ. Özdağlar, "Köy Tipi Güneşli Kurutucu" Müh. Ve Makina, C. 6, s. 188, Ankara, 1982. KAYNAKLAR 1.ZIERHUT, H., "Gas-, Wasser und Sanitârtechnik" s. 284. Ernst Klett Verlag, Stuttgart, 1982. 2.ZIERHUT, H., "Heizungs- und Lüftungstechnik" s. 212. Ernst Klett, Stuttgart, 1976 3.SPRENGER, E., W. Hönmann "Heizunngs Und Klimatechnik", s. 463. R. Oldenbuourg Verlag, München, Wien, 1982. 4.KILIÇ, A., A. Öztürk. "Güneş Enerjisi" Kipaş Dağıtımcılık, İstanbul, 1983. 5.UYAREL, A., R. Yılmaz, H. Doğan, "Parabolik Kollektörlerin Deneysel İncelenmesi", G.Ü. Tek. Eğt. Fak. Dergisi, C.l. S. 4. ANKARA, 1988. 6.USTA, H., "Güneş Enerjisi İle Çalışan Soğurmalı Soğutma Sistemlerinin Tasarımlarının Geliştirilmesi ve İmali" (Doktora Tezi), G.Ü. Fen Bil. Enstitüsü, ANKARA, 1995. 7.DOĞAN, H., "Isı Borulu Güneş Kollektörü İli Meyve Ve Sebze Kurutulmasında Önemli Parametrelerin Belirlenmesi", ), G.Ü. Fen Bil. Enstitüsü, ANKARA, 1995. 8.ECEVİT, A., "Güneş Enerjisinde Yoğunlaştırıcı ve Toplaç" Türkiye Bilimsel Araştırma ve Teknik Araştırma Kurumu. TBAG. 586, ANKARA, 1985. 9.KARADUMAN, A., "Parabolik Güneş Kollek-törü Sisteminin Tasarımı ve Yapımı" (Yüksek Lisans Tezi) ODTÜ, ANKARA, 1989. 10. PRAPAS, D. E., B. Norton, S. D. Probert, "Parabolic-Trough, Solar Energy Collectors, Possesing Small Concentration Ratios", Solar Energy, Technology Bedford MKL 3OAL England. 127

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi BATARYALI ve DİREKT AKUPLELİ FOTO VOLT AİK POMPA SİSTEMLERİNİN ÇALIŞMA KARAKTERİSTİKLERİNİN TESPİTİ Bülent YEŞİLATA Z. Abidin FIRATOĞLU Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makine Mühendisliği Bölümü Tel:0414 3128456 (2350) e-mail:byesilata@harran.edu.tr e-mail: firatoglu@harran.cdu.tr ÖZET Bu çalışmada; biri bataryalı, konvansiyonel DC motor-pompa içeren, diğeri ise direkt akupleli Solar pompa (sürekli mıknatıslı fırçasız DC motor-pompa) içeren iki fotovoltaik destekli su pompasının çalışma noktalan ve verimleri araştırılmaktadır. Her iki sistemde kullanılan PV panel tipi ve sayısı, panel bağlantı konfigürasyonu, pompa tipi ve DC motor nominal gücü aynıdır. Temel amaç ilk yatırım masrafı yüksekliği ve sınırlı kapasitelerde kullanılma gibi dezavantajları bulunan SPK' ya verimlilik açısından alternatif teşkil edebilecek bir bataryalı pompa kombinasyonu oluşturmaktır. Elde edilen sonuçlar, batarya sabit voltaj çıkışının doğru optimizasyonu sonucunda motor çalışma noktalarının, panel maksimum güç noktalarına (MPP) yaklaştırılabileceği ve dolayısıyla SPK' ya nazaran daha yüksek çalışma verimleri elde edilebileceğini göstermektedir. ABSTRACT 1. GİRİŞ Fotovoltaik destekli su pompalan (PVDSP), su ihtiyacı ve güneş ışınım şiddeti arasında doğal bir ilişkinin bulunması sebebiyle gündeme gelmiş ve son yıllarda kullanımı yaygınlaşmış güneş enerjisi uygulaması olarak dikkat çekmektedir. Uzun yıllar bazında yapılan termoekonomik analizler PVDSP sistemlerin elektrik şebekesi kullanımına nazaran daha ekonomik ve güvenli olduğunu gösterdiğinden günümüzde bir çok gelişmiş ülkede kullanılmaktadır, [1]. Bu sistemlerin en basit kombinasyonu; pompa sürücüsü olan motorun panellere hiçbir ara düzenleyici olmadan direkt bağlandığı direkt akupleli sistemlerdir. Direkt akupleli sistemlere ek olarak, PV panel ve motor arasına bataryanın yerleştirildiği bataryalı ve panel sisteminin akım-volt (I-V) çıktılannı maksimum elektriksel güç teminine uygun olarak düzenleyen bir elektronik kontrol cihazının bulunduğu maksimum çalışma noktası îzleyicili (MPPT) gibi kombinasyonları da bulunmaktadır [2]. in this study, operating points and effıciencies of two different photovoltaic pumping systems are investigated. One is a battery-buffered system and has a conventional DC motor-pump combination. The other is a directly-coupled system with a solar pump (brushless-permanent magnet DC motor-pump combination). in both systems, type, number, and electrical connection of the PV modules, type of the pump, and nominal power of DC motor are ali identical. The main objective here is to design an effıcient battery-buffered system, which may become an alternative to solar pump system (SPK), vvhich is quite expensive and has limited application. We report here that if output voltage the battery system is correctly optimized, a battery-buffered system can operate with higher efficiency than that of a solar pump system. Makİna Mühendisleri Odası 129 PVDSP uygulamalannda sistem bileşenlerinin dizaynı ve uzun dönem performans analizlerinin yapılmasında ciddi seviyede zorluklar söz konusudur [3]. Öncelikle; panellerin ışınım şiddetine bağlı olarak lineer olmayan tarzda değişen akım ve voltaj çıktı lannın belirlenmesi çalışma noktalarının tespiti için yeterli olmayıp, sistemde kullanılan motor-pompa ikilisinin yük dirençlerine ve diğer üretim parametrelerine bağlı yine lineer olmayan bir tarzda değişim gösteren (I-V) karakteristiklerinin birlikte değerlendirilmesi gerekliliğidir [4]. Aksi halde, PVDSP uygulamalannda kullanılacak herhangi bir konvansiyonel motorun panellere direkt bağlanması durumunda büyük verim düşmeleri ve motor ömründe kısalış gibi olumsuzluklarla karşı karşıya kalınması kaçınılmaz olmaktadır, [5].

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Genelde PVDSP sistemlerde AC ve DC olmak üzere iki tip pompa sürücüsü (motor) kullanılır. AC motorlar; geliştirilmiş en uygun motor tipi olup, yapısının çok basit olmasından dolayı ucuz, dayanımı ve güvenilirliği yüksek sürücü tipidir [6]. Fakat bu sürücülerin, paneller tarafından üretilecek olan DC gücü, AC güce dönüştürecek bir invertere ihtiyaç duymaları PVDSP sistemlerinde kullanımlarını son derece sınırlamıştır. DC motorlar ise kompleks ve pahalı motorlar olup en yaygın dezavantajları, motorun çalışması esnasında periyodik bir akım sağlamak amacıyla, kayıcı fırça denen bir elemanın komütatör (çevirici) ile teması ve bu temasında motor ömrünü ve çalışma hızını sınırlamasıdır, [7]. Bu dezavantajlara rağmen, PVDSP sistemlerinde paneller tarafından üretilen gücün direkt kullanılabilirliği açısından DC motorların kullanımı son derece yaygındır. AC motorlarında kompleks bir inverterden ve konvansiyonel DC motorlarında ise fırça ve komütatörün temasından doğacak olumsuzluklardan kaçınmak amacıyla fırçasız ve sürekli mıknatıslanma ile tahrik edilen DC motorlar (brushless permanent magnet) geliştirilmiştir. Bu tip motorların en önemli dezavantajlarından biri, küçük kapasiteli sistemlerde kullanılabilecek boyutlarda dizayn edilebilmeleridir. Bu sürücülerin kullanıldığı motor-pompa ikilisi Solar Pompa Kombinasyonu (SPK) olarak bilinmekte ve günümüzde birçok uluslararası firma tarafından yüksek ücretle dünya piyasasına pazarlanmaktadır. Motor-pompa ikilisinin direkt akupleli olarak PV panellere bağlanması durumunda, SPK' nin çok düşük ışınım seviyelerinde bile su pompalayabilmesi bu sistemleri cazip kılmasına karşın, yüksek ilk yatırım maliyetleri ülkemiz gibi gelişmekte olan ve üretici olmayan ülkeleri daha uygun çözümler bulununcaya kadar PVDPS kullanımından uzak kılmaktadır.. Bu çalışmanın temel amaçlarından biri ilk yatırım masrafı yüksek SPK' ya verimlilik açısından alternatif teşkil edebilecek bir bataryalı pompa kombinasyonu (BPK) için farklı ışınım şiddeti seviyelerinde belirlenen panel maksimum güç noktalarına en yakın çalışma koşullarının tespitidir. Bu amaca uygun olarak seçilen bataryalı bir pompa kombinasyonunun (BPK) panel maksimum güç noktalarına en yakın çalışma noktaları (I-V karakteristik eğrisi) ve bu noktalardaki verim değerleri araştırılmış ve bu değerler aynı kapasitede bir sürücüye sahip bir SPK ile kıyaslanmıştır. Elde edilen sonuçlar, batarya sabit voltaj çıkışının doğru optimizasyonu sonucunda motor çalışma noktalarının, panel maksimum güç noktalarına (MPP) yaklaştırılabileceği ve dolayısıyla SPK' ya nazaran daha yüksek çalışma verimleri elde edilebileceğini göstermektedir. 2. YÖNTEM Teorik analiz ve modelleme için deneysel verileri literatürde mevcut [8] SCS 18-160 tipi Solar Jack pompa (DC motor ile kombine) ile aynı kapasiteye sahip konvansiyonel DC sürücülü bir pompa seçilmiştir. Pompaların her ikisi de hacimsel pompa sınıflandırmasına girmektedir. Dizayn safhasındaki nominal güç gereksiniminin eşitliğinden, her iki sistem için oluşturulacak panel sayısı ve bağlantı konfıgürasyonunun aynı olması gerekmektedir. PV panel olarak Tablo 1' de teknik özellikleri verilen ASE-50-ATF/1/ tipi panel seçilmiş ve SCS 18-160 tipi Solar Pompa deneysel verileri göz önüne alınarak gerekli minimum panel sayısı (14) ve optimum elektriksel bağlantı konfıgürasyonu (7seri*2paralel) belirlenmiş ve seçilen PV panel sistemi, her iki kombinasyona aynı şekilde uygulanmıştır. Bu şartlarda seçilen BPK ve SPK' ya ait blok diyagramları Şekil 1' de gösterilmiştir. Tablo 1. Seçilen ASE-50- ATF/17 tipi PV panelin Standart test koşularındaki teknik verileri. Güç Max noktadaki gerilim Max noktadaki akım Kısa devre akımı Açık devre gerilimi Panel yüzey alanı P (Wat) V max (V) lmaxc (.A) IL(A) V 0C (V) A (m 2 ) 50 17 2.9 20 3.2 0.44 Söz konusu sistemlerin analizinde kullanılan denklem ve modeller bir sonraki bölümde detaylı olarak açıklanmakta olup çalışma noktalarının belirlenmesinde çevre sıcaklığı 130

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi olarak, nominal oda sıcaklığı olan 298 K değeri kullanılmıştır. Çevre sıcaklığındaki değişimin sistem performansı üzerindeki etkisini belirlemek için yapılan analizlerin sonucu ayrıca rapor edilmiştir. Analizler sırasında analitik olarak çözülemeyen tüm denklemler için Newton-Rapson nümerik çözüm yöntemi ve Fortran programlama dili kullanılmıştır. 7S*2P Panel Kombinasyonu jr Batarya Motor Pompa (a) 7S*2P Panel Kombinasyonu İL Motor A. Pompa (b) Şekil 1. Simülasyonlar için seçilen BPK (a) ve SPK (b) kombinasyonlarının ana elemanlarını gösteren akış şeması. 3. TEORİK ANALİZ VE SONUÇLAR 3.1. PV Panel Akım-Gerilim (I-V) Karakteristiklerinin Tespiti Denklemde yer alan parametreler sırasıyla L: kısa devre akımı, Io: karanlık akım, A: sıcaklık katsayısı ve R*: seri direnç kavramlarını ifade etmekte olup, bu dört parametre sıcaklığın ve ışınım şiddetinin birer kompleks fonksiyonudurlar. Modeldeki dört parametre, standart şartlarda (1000 W/m 2 ve 25 panel sıcaklığı) ölçülen akım ve voltaj verilerinden yararlanmak suretiyle elde edilebilmektedir. Bu modelde solar radyasyonla orantılı, olarak akımda lineer, gerilimde ise logaritmik bir artış gözlenir [10]. Ayrıca panel sisteminde, panel sayısı ile sistem akım-gerilim çıktısı arasında da direkt bir orantı mevcuttur. Kombinasyondaki seri bağlı panel sayısındaki artış gerilimin, paralel bağlı panel sayısındaki artış ise akımın katlanarak artmasına neden olur. Simülasyonlar için seçilmiş panel kombinasyonunun Denklem (l)'den yararlanılarak tespit edilen I-V karakteristik eğrileri ve Newton-Rapson nümerik çözüm yöntemiyle saptanan maksimum çalışma noktaları (MPP) Şekil 2'deki diyagramda gösterilmiştir. 1000 W/m 2 MPP Fotovoltaik paneller lineer olmayan güç kaynaklarıdır. Bundan dolayı PV destekli bir sistem, dizayn aşamasındayken sistemin uzun süreli performans tespitinin yapılabilmesi için radyasyon yoğunluğuna ve çevre sıcaklığına bağlı değişen panel karakteristiklerini ifade edebilecek matematiksel modellere ihtiyaç duyulur. Sistemin dizayn edilebilmesi için modelin panel çıktı akım ve voltajı arasındaki ilişkiyi ifade edebilmesi yanında modelin kullanımı için gerekli panel ve model parametrelerinin kataloglardan elde edilebilmesi gerekir. Literatürde hücrenin fiziksel analizinden yararlanılarak türetilmiş bir çok model bulunmaktadır. Bu modellerden en yaygını Towsend (1989), Eckstein (1990) ve Al-İbrahim tarafından önerilen aşağıdaki denklemdir [9]. V = A*[ln( Io +1)]-/ *R s (D 131 800 W/m 2 600 W/m 2 400 W/m 2 200 W/m 2 O 20 40 60 80 100 120 V (V) Şekil 2. Seçilen panel kombinasyonunun I-V karakteristikleri ve maksimum çalışma noktalan (MPP). 3.2. Bataryalı Pompa Kombinasyonun (BPK) Çalışma Noktalarının Tespiti Konvansiyonel DC motor-pompa sistemlerinin PV panellere direkt bağlanmaları durumunda değişken I-V girişinden dolayı çalışma verimleri ve ömürleri çok düşük sevilerde kalabilmektedir. Bu tür sistemlerde gerilimin

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi değişkenliğinden doğacak olumsuzlukları minimize etmek amacıyla batarya kullanılması uygun bir çözüm olarak gözükmektedir. Batarya, sistemin sabite yakın bir gerilimde çalışmasını temin ettiği gibi, sistemin panel maksimum çalışma noktalarına yakın noktalarda çalışmasını da temin edebilir. Bataryanın güneş ışınımın yetersiz olduğu anlarda enerji temini için de kullanımı söz konusu olup, bataryanın aşın şarj ya da tam boşalmasını önlemek için bataryalara bağlı bir şarj düzenleyicisi ayrıca kullanılmalıdır [11]. Seçilen BPK için MPP noktalarına en yakın çalışabildiği gerilim değerinin tespiti ciddi seviyede analiz ve optimizasyonu gerektirmektedir. Bu çalışmada optimum gerilim değerinin tespitinde deneme-yanılma yöntemi kullanıldı. 70V - 120V aralığında 5V artışla tespit edilen çalışma noktalan ile MPP değerleri karşılaştırılarak, optimum değer olan 100 volt gerilim değeri belirlendi. Batarya çıkış gerilimini temsil eden bu değerin kayıpsız olarak direkt DC motora aktanldığı kabulünden hareketle, BPK'nin seçilmiş olan panel kombinasyonunun I-V karakteristikleri üzerindeki çalışma noktaları bilgisayar simülasyonu yardımıyla tespit edildi. Tespit edilen çalışma noktalan Şekil 3'deki diyagramda gösterilmektedir. Bu çalışma noktalannda verim ise panel kombinasyonunun r)-v karakteristikleri üzerinde Şekil 4'deki diyagramda gösterilmiştir. Şekil 4'deki diyagramdan ışınım seviyesine bağlı olarak değişen sistem verimi ve maksimum sistem veriminden sapma seviyesi gözlenebilir. BPK için tespit edilen bu çalışma noktaları ve bu noktalarda panel verim değerlerinin, panel MPP değerleri ile kıyaslaması Tablo 2'de verilmiştir. Tablo 2. BPK sisteminde panel yüzeyine gelen ışınım seviyesine bağlı olarak değişen çalışma noktalan (V ç,iç) ve bu noktalardaki panel verimi (r ç ) değerlerinin panel MPP değerlerine oranı. W/m A 2 1000 800 600 400 200 V ç/ V m pp 0.93076 0.94907 0.97414 1.01159 1.08558 Aç ' A m pp 1.05104 1.04032 1.02263 0.98774 0.87787 0.97825 0.98778 0.99665 0.99932 0.95419 132 7 1000 W/ 2 BPK 6 K^ MPP 800 W/m 2 5 1 600 W/m 2 < 4 400 W/m 3 2 2 200 W/m 2 / 1 İ l l i 20 40 60 80 100 120 V(V) Şekil 3. Seçilen panel kombinasyonunun I-V karakteristik eğrileri üzerinde BPK çalışma noktaları ve MPP değerleri. Şekil 4. Seçilen panel kombinasyonunun r)-v karakteristik eğrileri üzerinde BPK ve MPP çalışma verimleri. 3.3. Solar Pompa Kombinasyonunun (SPK) Çalışma Noktalarının Tespiti SCS 18-160 tipi Solar Jack pompasının 275 kpa basınç çıktısında deneysel verileri Tablo 3'de verilmiştir [11]. Bu verilerden yararlanarak seçilen SPK sisteminin akım ve gerilim değerleri arasında ilişkiyi veren V = 0.5061 2 +13.3091 + 34.674 (2) denklemi elde edilmiştir. Denklem (2) kullanılarak göz önüne alınan SPK için belirlenmiş çalışma noktalan ve panel MPP değerleri Şekil 5'de gösterilmiştir. Çalışma noktalarında elde edilen verim değerleri ise panel kombinasyonunun r -V karakteristikleri üzerinde Şekil 6'daki diyagramda

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi gösterilmiştir. SPK için tespit edilen çalışma noktaları ve bu noktalarda panel verim değerlerinin panel MPP değerleri ile kıyaslaması Tablo 4'de verilmiştir. Tablo 3. SCS 18-160 tipi Solar Jack pompasının 275 kpa basınç çıktısındaki deneysel verileri. 7 6 5 < 4 3 2 1 V (Volt) 90 105 120 I (Amper) 3.65 4.51 5.33 1000 W/m 2 800 W/m 2 600 W/m 2 400 W/m 2 S 200 VV/m 2 /" Q (İt/sn) 0.3028 0.4416 0.5677 MPP ^^T\ SPK 20 40 60 80 100 120 V(V) Şekil 5. Seçilen panel kombinasyonunun I-V karakteristikleri üzerinde SPK çalışma noktalan ve MPP değerleri. 10 9 7 - / / MPP x \ ^ W \ \\ PK \1000 W/m : VflO W/m 2 \6O0 W/m 2 100W/m 2 iyili! \20C 60 80 100 V(V) 120 Şekil 6. Seçilen panel kombinasyonunun r)-v karakteristikleri üzerinde SPK ve MPP çalışma verimleri. Tablo 4. SPK sisteminde ışınım seviyesine bağlı olarak değişen çalışma noktalarının (V ç,i Ç ) ve panel veriminin (T]ç) MPP değerlerine oranı. W/m A 2 1000 800 600 400 200 *ç' *mpp 1.06764 1.00671 0.88507 0.72576 0.56891 İç ' *mpp 0.90320 0.99306 1.07271 1.10954 1.12867 l]ç 'Tlmpp 0.96427 0.99974 0.94928 0.80433 0.64209 3.4 Debi (Q) - Yük (H) Karakteristiklerinin Seçilen BPK ve SPK sistemleri için Tespiti PVDS sistemlerinde debi ve pompa yükü arasındaki ilişki aşağıdaki bağıntı ile hesaplanabilmektedir. ö=- H (3) Bağıntıdaki I py : panel yüzeyine gelen toplam güneş ışınım şiddetini, î] ç : sistemin çalışma noktasındaki verimini ve t] m : motor-pompa ikilisinin mekanik verimini göstermektedir. Denklem 3'deki bağıntı yardımıyla seçilen pompa kombinasyonlarının Q-H karakteristikleri bilgisayar simülasyonları yardımıyla saptandı. Saptanan bu değerler ve 275 kpa pompa çıkış basıncına (toplam basınç kaybma) karşılık gelen çalışma noktalan Şekil 7 'de gösterilmektedir. Seçilen BPK'nda motor-pompa mekanik verimi için, literatürde konvansiyonel motor-pompa ikilileri için ortalama değer olarak önerilen 0.25 değeri kullanılmıştır. Seçilen SPK için ise motor-pompa mekanik verimi, Tablo 3 'de verilen SCS 18-160 tipi solar pompanın deneysel verilerinden elde edilen pompa giriş gücü (P G ) ve mekanik verim arasındaki ilişkiyi veren PG =-3,23E-7t] m +2.85E-4r\ m +0.1938(4) denklemi vasıtasıyla tespit edilmiştir. 133

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi 0.8 0.7 0.6 0.5 İ. 0.4 O 0.3 0.2 0.1 BKP(Q-H) SPK(Q-H) BPK(CN) SPK(CN) sisteminin çalışma noktaları ve çalışma verimleri araştırılmıştır. Her iki sistemde kullanılan PV panel sayısı, panel bağlantı konfigürasyonu, pompa tipi ve DC motor nominal gücü aynıdır. Temel amaç ilk yatırım masrafı yüksekliği ve sınırlı kapasitelerde kullanılma gibi dezavantajları bulunan SPK' ya verimlilik açısından alternatif teşkil edebilecek bir bataryalı pompa kombinasyonu oluşturmaktır. Bu amaca ulaşmak için, seçilen panel konfigürasyonundan elde edilebilecek maksimum gücü temsil eden noktalara en yakın çalışma noktalarını veren optimum batarya voltaj çıkış değeri belirlenmiştir. Her iki kombinasyon için, DC motorun akım-gerilim, pompanın debi-yük eğrileri ve sistemin farklı ışınım şiddeti değerlerinde verim değerleri tespit edilerek kıyaslanmıştır. 0 200 250 275 300 350 H(kpa) Şekil 7. Seçilen BPK ve SPK sistemlerinin Q-H karakteristikleri ve 275 kpa pompa çıkış yükünde çalışma noktalan. 3.5. Çevre Sıcaklığının Çalışma Verimi Üzerindeki Etkisinin BPK ve SPK için Tespiti PV panellerin I-V karakteristikleri temelde ışınım şiddeti ve panel sıcaklığı olmak üzere iki bağımsız değişken içerirler. Karakteristikler üzerinde ışınım şiddeti kadar etkisi bulunmayan panel sıcaklığı da çevre sıcaklığının birer fonksiyonudur. Bundan dolayı çevre sıcaklığındaki herhangi bir değişim panellerin J- V karakteristiklerini de değiştirecektir. Panel karakteristiklerinin değişmesi ise sistemin çalışma noktalarının ve dolayısıyla çalışma veriminin değişmesine yol açmaktadır. Göz önüne alınan BPK ve SPK için çevre sıcaklığındaki değişimin, ışınım şiddetinin bir fonksiyonu olarak ta değişen çalışma verimi üzerine etkisi tespit edilerek, elde edilen sonuçlar seçilmiş bazı ışınım şiddeti değerleri için Şekil 8'de gösterilmektedir. 4. TARTIŞMA VE ÖNERİLER Bu çalışmada biri bataryalı, konvansiyonel DC motor-pompa içeren (BPK), diğeri ise direkt akupleli Solar pompa (sürekli mıknatıslı fırçasız DC motor-pompa) içeren (SPK) iki PVDSP 134 10 : 9 8-7 6-5 - X v 200 W/m \ \ 400 W/m 2 \ \ 200 W/m 2 BPK cpı/ 280 290 300 T(K) 800 W/m 2 400 W/m 2 \ \ \ \ \ \ \ 310 Şekil 8. Seçilen BPK ve SPK sistemlerinde sistemlerin çalışma verimlerini çevre sıcaklığına bağlı değişimi. Seçilen BPK ile SPK arasında net bir kıyaslama yapabilmek amacıyla, her iki kombinasyon için tespit edilen ve performansın direkt olarak yorumlanabileceği debilerinin oranı-ışınım şiddeti ilişkisi Şekil 9' da gösterilmektedir. Batarya voltaj çıkış değeri üzerinde yapılan doğru optimizasyon sonucunda, tüm ışınım şiddeti değerlerinde BPK lehine bir fark oluşmaktadır. Bu fark özellikle düşük ışınım seviyelerinde daha fazla olup, ışınım seviyesi

Yenilenebilir Enerji Kaynakları Sempozyumu ve Sergisi yükseldikçe azalmaktadır. Seçilen kombinasyonlarının böylesine bir performans trendi izlemesinin sebebi seçilen kombinasyonların çalışma noktalarını ve bu çalışma noktalarındaki çalışma verimlerini gösteren Şekil 3, Şekil 4, Şekil 5 ve Şekil 6'daki diyagramlardan kolayca anlaşılabilir. Bu diyagramlarda görüleceği gibi düşük ışınım seviyelerinde SPK için çalışma noktaları, MPP değerlerinden BPK' ya nazaran daha uzakta bulunmaktadır. Işınım seviyesi yükseldikse SPK aleyhine olan bu fark azalmakta ve yaklaşık olarak 800 W/m 2 ışınım seviyesinde minimum olmaktadır. Çevre sıcaklığının seçilen kombinas- yonların performansı üzerine etkisini gösteren Şekil 8' deki diyagramlarda SPK lehine dikkat çekici bir trend söz konusudur. Çevre sıcaklığının artışı, BPK performansında özellikle düşük ışınım şiddetlerinde ciddi seviyede düşüşe sebebiyet vermektedir. Özellikle PVDPS için üretilen Solar Pompanın, sıcaklık artışıyla ortaya çıkan panel verimindeki azalmadan minimum miktarlarda etkilenmesi SPK önemli bir avantaj olarak değerlendirilebilir. Ancak ışınım şiddeti ve çevre sıcaklığı arasındaki mevcut doğal ilişkiden dolayı; çok düşük ışınım şiddeti ve yüksek çevre sıcaklığı koşullarının pratik olarak gözlenmesi pek olası olmadığından, BPK için bu durum çok önemli bir dezavantaj olmaktan çıkmaktadır. Bu çalışmada göz önüne alman kombinasyonlar için çıkarılan sonuçların genelleştirilmesi; sunulan analizlerin çok daha kapsamlı DC motor-pompa ve Solar pompa deneysel dataları ile yapılması ile mümkün olabilecektir. Ayrıca, bu çalışma kapsamına dahil edilmeyen çalışma ömrü bazındaki maliyet analizinin her iki kombinasyon için de yapılması sistem seçimine karar vermede önemli bir adım olacaktır. seviyelerine sahip bölgelerden meydana gelen bir coğrafyada yer alan ülkemiz açısından düşünül ürürse, yapılacak seçimde sitemlerin performans parametreleri tamamen ihmal edilebilir. 200 400 600 800 1000 I (W / m 2 ) Şekil 9. Seçilen SPK ve BPK sistemlerin 275 kpa yük çıktısında paneller yüzeyine gelen ışınım şiddetine bağlı çıktı debisindeki değişim SİMGELER PVDSP SPK BPK MPPT MPP : Fotovoltaik destekli su pompası : Solar pompa kombinasyonu : Bataryalı pompa kombinasyonu : Maksimum power point traker : Maksimum power point (Maksimum çalışma noktası) Yapılan incelemeler sonucu iki kombinasyon arasındaki performans farkının az olması özelliklede orta ve yüksek ışınım şiddetine sahip bölgelerde sistem seçiminde kullandırabilirlik parametresinin seçim parametreleri içindeki payını ihmal edilebilecek düzeylerde olduğu görülmüştür. Böylesine bir sonuç büyük bir kısmı yüksek ışınım 135

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi KAYNAKLAR [1] Yeşilata, B., Aktacir, M.A., " Fotovoltaik Güç Sistemli Su Pompalarının Dizayn Esasların Araştırılması", Mühendis ve Makine, cilt 42, sayı 493, sy 29-34, 2001. [2] Duffıe, J., Beckman, W.A., Solar nd Engineering of Thermal Processes, edn., Wiley Interscience,, 1991. [3] Al-Karaghoulı, A., Al-Sabounchı, A. M., "A PV Pumping System", Applied Energy, Vol.65, pp. 145-151,2000. [4] Metwally, H. M. B., Anis, W. R., " Dynamic Performance of Directly Coupled Photovoltaic Water Pumping System Using D.C. Shunt Motor", Energy Convers. Mgmt Vol. 37, No. 9, pp. 1407-1416, 1996. [5] Metvvally, H. M. B., Anis, W. R., "Performance Analysıs of PV Pumping Systems Using Svvitched Reluctance Motor Drivers", Solar Energy Vol. 56, No2, pp. 161-168, 1996. [6] Zaki A. M., Eskander M. N., " Matching of Photovoltaic Motor-Pump Systems for Maximum ", Efficiency Operation", Renewable Energ, Vol. 7, pp. 279-288, 1996. [7] Langrıdge, D., Lawrance, W., Wichert, B., "Development of a Photo-Voltaic Pumping Systems Using a Brushless D.C. Motor and Helical Rotor Pump", Solar Energy Vol. 56,No.2pp. 151-160,1996. [8] Kou, Q., "A Method for Estimation the Long-Term Performance of Photovoltaic Pumping System.", Master Thesis, The University of Wisconsion-Madison, Solar Energy Laboratury, 1996. [9] Kou, Q., Klein, A., Beckman, W., " A Method for Estımatıng the Long-Term Performance of Dırect- Coupled PV Pumping Systems", Solar Enery, Vol. 64, pp.33-40, 1998. [10] Fıratoğlu, Z. A., Yeşilata, B., "Maksimum Güç Noktası İzleyicili Fotovoltaik Sistemlerin Optimum Dizayn ve Çalışma Koşullarının Araştırılması", 6-Türk-Alman Enerji Sempozyumu Bildiriler Kitabı, Basımda, 20-23 Temmuz 2001. [11] Al-Shaban S., Mohmoud A., " Self- Control in Storage Unit of PV Plants", Applied Energy, Vol. 65, pp. 85-90, 2000. Makİna Mühendisleri Odası 136

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi RÜZGAR TÜRBİNLERİNDE KONTROL VE GÜVENLİK SİSTEMLERİ İrfan GÜNEY, Selçuk NOĞAY, Sezai TAŞKIN Marmara Üniversitesi Teknik Eğitim Fakültesi Elektrik Eğitimi Bölümü 81040 Göztepe - İstanbul iguney@marun.edu.tr snogay@marun.edu.tr sezai.taskin@marun.edu.tr ÖZET Rüzgar türbinlerinde kontrol ve güvenlik sistemleri; rüzgar türbinini oluşabilecek tehlikeli durumlardan koruyan ve kapsamlı bir sistemin elemanlarını içeren bir çok farklı bileşenden meydana gelmektedir. Güveninirlik konusundaki genel amaç, en az donanım ve devre ile koruma düzenlerinin oluşturulmasıdır. Kontrol sistemlerinde algılayıcılar ve diğer aktif bileşenler yüksek kalitede olmalı ve sayıları mümkün olduğunca sınırlı tutulmalıdır. Bu çalışmada, rüzgar türbinlerinde kontrol ve güvenlik sistemlerinin bileşenleri tanıtılmakta, rüzgar türbinlerinin normal çalışmasını denetim altında tutmak için gerek duyulan kontrol sistemleri, ölçümler ve testler araştırılmaktadır. Ayrıca 600 kw'lık bir rüzgar türbini temel alınarak kontrolsüz aşırı hızlanma durumlanndaki güç ve ivmelenme eğrileri incelenmektedir. Anahtar kelimeler : kontrol, güvenlik, güvenilirlik, güç kontrolü, kontrolsüz aşırı hızlanma. ABSRACT Control and safety systems at the wind turbines comprise many different components, preventing possible dangerous situations from arising and including part of a comprehensive system. The high demands on reliability require systems are simple enough to be robust but at the same time give the possibility for necessary supervision. The number of sensors and other active components need to be limited as for as possible, hovvever the necessary components must be of the highest possible quality. in this study, components of control and safety systems at the wind turbines has been introduced. Control systems, measurements and tests required to supervise normal operation of wind turbines are investigated. Also by based on a 600 kw wind türbine, power and rotational acceleration curves during run-away situations has been examined. Key words: Control, safety, reliability, powercontrol, run-away. 1. GİRİŞ Rüzgar Türbini (RT) bileşenlerinin son 20 yılda dizayn edildiğini göz önünde bulundurduğumuzda, fırtınalı hava şartları da dahil olmak üzere 120.000 çalıştırma saatinden daha fazla dayanma gücüne sahip olduklarını görmekteyiz. Sıradan bir otomobil motorunun yaklaşık 5000 çalıştırma saati ömrü vardır. RT'lerinin bu kadar uzun süre dayanabilmeleri için ve güvenli çalışmayı sağlayabilmeleri için kontrol ve güvenlik sistemlerine ihtiyaç duyulur.[l] Rüzgardaki gücün artışı çok hızlı olduğundan, bütün RT'leri yüksek hızlardaki güç toplamalarını önleyecek düzenlemeler ile donatılırlar. Yüksek hız koşullarında güç kontrolü için belli başlı üç yöntem vardır: 1. Aerodinamik verimin değiştirilmesi a) Kanat açısını değiştirmek veya kanatları döndürmek b) Sabit devirde çalışmak c) Kaldırma etkilerini azaltıp sürükleme etkilerini çoğaltmak 2. Kanatların rüzgar ile etkileşim içinde olduğu alanı küçültmek a) Rotoru hakim rüzgar yönünden çevirmek b) Rotor geometrisini değiştirmek. 3- Frenleme a) Mekanik, hidrolik b) Hava freni c) Elektrik (direnç, manyetik) Bu yöntemler tek tek ya da yüksek hız kontrolü ve yük denetim kaybı durumlarında kombine olarak bir arada kullanılabilirler.[2] 137

Yenilenebilir Enerji Kaynaklan Sempozyumu ve Sergisi Kontrol ve güvenlik sistemleri değişik tipteki rüzgar türbinlerine göre farklılıklar göstermektedir. Bu çalışmada kontrol ve güvenlik sistemlerini oluşturan bileşenler tanıtılmakta ve bu kontrol sisteminin kurulduğu 600 kw'lık bir RT'nin güç ve ivmelenme eğrilerini de içeren bir araştırma yapılmıştır. 2. PROBLEMİN BELİRLENMESİ RT'lerinde kontrol ve güvenlik sistemlerinin kurulabilmesi için öncelikle çözülmesi istenen problemlerin belirlenmesi gerekmektedir. Genel olarak iki tane önemli problem vardır. İlk problem tüm kontrol ve güvenlik sistemleri için geçerlidir. Rüzgar türbinlerinin devamlı olarak kendi kendini kontrol edebilecek mekanizması yoktur. Kontrol sistemi RT'nin çalışma şartlarında olup olmamasına göre iki fonksiyonlu olarak kurulmalıdır. Endüstrinin bir çok alanında iç kontrol sistemlerine rastlamak mümkündür. Örneğin ; güç istasyonlarında sistem devamlı olarak merkez kontrol odasından kontrol edilir. Beklenmedik bir durum meydana geldiğinde hızlı ara kontrol sistemi hemen etkisini göstermektedir. RT'lerinin kendi kendini kontrol edebilecek mekanizmaya sahip olmasının yanında, hataları kayıt edebilme ve kayıtlı bilgileri tekrar ele alarak, olabilecek sorunlara mümkün olduğunca tam bir şekilde cevap verebilme yeteneğine sahip olması gerekir. Güveninirlik konusunda genel istek en az donanım ve devre ile koruma düzenlerinin oluşturulmasıdır. Algılayıcı ve diğer aktif bileşenlerin sayısı mümkün olduğunca sınırlı tutulmalı ve gerekli bileşenler mümkün olan en yüksek kalitede olmalıdır.[3] Diğer problem ise güvenlik sistemleri ile ilgilidir. Rüzgar türbini eğer kontrol edilmezse yüksek rüzgar periyotları esnasında kendiliğinden aşırı hızlanacaktır. Ya da normal hızının çok üstüne çıkacaktır. Planlı bir kontrol sistemi olmadığı sürece durdurulabilmesi imkansız hale gelebilir. RT'nin aşırı hızlandığı durumlarda ürettiği güç, üretmesini istediğimiz nominal gücünden çok daha fazla olabilir. RT'ninin rotor devir hızı bu yüzden sınırlandırılır ve RT şebeke bağlantılı jeneratör tarafından nominal gücünde işletilir. RT normal çalışma şartlarındayken, eğer şebeke bağlantısı herhangi bir arızayla kesilirse RT ani bir şekilde ivmelenmeye başlayacaktır. Bu anda RT kontrolsüz aşırı hızlanma şartlarındadır.[l] eo i» 6* - (0 i n O) 10 10 Q o<.._ 1 - - T- J / YY Kontrolsuz aşırı hızlanma zamanı(s) Şekil 1. Farklı rotasyonel hızlardaki güç eğrileri [3 ] Aşağıdaki şekilde RT'ninin kontrolsüz aşırı hızlanma durumları gösterilmektedir. İlk grafik 600 kw'lık bir RT için rotasyonel kanat hızının bir fonksiyonu olarak güç eğrisini göstermektedir. Alttaki eğri ise, jeneratör tarafından denetlenen 27 rpm'lik rotasyonel kanat hızındaki güç eğrisini göstermektedir. Diğer üç eğri de 30, 40 ve 60 rpm'deki güç üretim eğrilerini göstermektedir. Bu RT 20 m/s 'lik rüzgar hızında, 600 kw'ın çok az altında normal bir üretim yapacaktır. Eğer sadece % 10 iuk bir ivmelenmeye izin verilirse bu Güç (kw) «OD W1MI 4<K>! 2DO0 10» Û 1 J Rüzgar hızı (m/s) in \ J ***** İH + Şekil 2. Kontrolsüz aşırı hızlanma esnasında rotasyonel ivmelenme [3] ıs JO ipli, '21 rom 138