Ftvltaj Güneş Pilleri : Uygulama Örnekleri Dç. Dr. İsmail H. ALTAŞ Karadeniz Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektrnik Mühendisliği Bölümü 618 Trabzn FAX : (46) 35 745 E-POSTA : altas@eedec.ktu.edu.tr INTERNET : http://eedec.ktu.edu.tr/~altas ÖZET : Ftvltaj (FV) güneş pillerinden luşan paneller yük sistemine ya dğrudan dğruya, ya da şebeke üzerinden güç aktarırlar. FV güneş panelleri hemen yakınlarındaki yükleri besleyebilecekleri gibi, şebekenin diğer kısımlarına da destek labilirler. Gerek şebeke üzerinden gerekse dğrudan yüke bağlanan FV güneş panelleri bir ara sistem gerektirirler. Şebekeye bağlanan FV paneller şebeke ile senkrnize lmak zrundadır. Bu durumda ara bağlantı sisteminde gerilim ve frekans denetimi yapılabilen eviriciler kullanmak gerekir. Dğrudan yüke bağlanan FV panellerde de yüke uygulanan gerilim ve gücü ayarlayabilmek için ara bağlantı birimleri gerekir. Bu ara bağlantı birimleri evirici ve dğrultucu labilir. Ara bağlantı birimleri aynı zamanda FV güneş panelin çıkış gücünü sürekli larak maksimum değerinde tutabilmek için de gereklidir. Burada, FV panellerin dğrudan ya da ara bağlantı birimleri üzerinden yüke ya da şebekeye bağlanmaları incelenmekte ve sürekli mıknatıslı bir dğru akım (SMDA) mtrunun vantilasyn ve pmpalama amacıyla kullanılması halinde FV panelden alınan gücün değişik rtam kşulları altında maksimum çıkış değerinde nasıl tutulduğu anlatılmaktadır. 1. Giriş Klasik enerji kaynaklarının sınırlı lmaları ve çevre üzerindeki lumsuz etkileri nedeniyle, yenilenebilir enerji kaynaklarının önemi ve kullanım alanları gün geçtikçe artmaktadır. Bu yenilenebilir enerji kaynaklarından birisi lan güneş enerjisini dğrudan elektrik enerjisine dönüştürebildikleri için güneş pilleri de ldukça önemli hale gelmiştir. Güneş pilleri yada diğer bir adıyla ftvltaj (FV) pilleri algıladıkları ışığa bağlı lan I-V, dlayısıyla P-V karakteristikleri ile temsil edilirler. Bu pillerin seri/paralel bağlanmalarıyla meydana gelen ftvltaj panellerinin I-V ve P-V karakteristikleri de ışığa ve çalışma sıcaklıklarına bağlı larak değişir. Bunun için de panelin değişen ışık seviyesi ve çalışma sıcaklıklarına karşılık düşen maksimum gücünün belirlenmesi, çalışma gücünün bu maksimum güç seviyesinde tutulması gerekir. 1
Denetleyiciler kullanılarak panelin maksimum çıkış gücü izlenip, panel bu güçte çalıştırılabilir. Ancak izlenebilmeleri için, bu maksimum güç nktalarının değişik ışık seviyeleri ve sıcaklıklara karşılık düşen değerlerinin bilinmesi gerekir. Bu maksimum güç nktalarının belirlenmesi, ya daha önceden ya da anda denetim sırasında yapılabilir. FV panellerin maksimum çıkış güçlerinde (maksimum güç nktasında - MGN) çalıştırılabilmelerine yönelik bir makale daha önce burada yayınlanmıştı [1]. Bu nedenle MGN da çalışma knusuna burada daha fazla değinilmeyecektir. Bu makalenin asıl amacı, FV güneş panellerinin uygulamalarını tanıtmak, örnekler vermek, ve bir uygulamayı da simülasyn ile incelemektir. 1987 de yapılmış bir literatür taraması [] dahi, FV güneş enerjisinin uygulanması knusunda bize yeterince bilgi verebilmektedir. Bu literature taramasının yapıldığı tarihten buyana FV güneş enerjisi aslında ldukça fazla yl almıştır..3.6. FV Güneş Pili Uygulamaları Daha önce de belirtildiği gibi, FV güneş pillerinden elde edilen elektrik enerjisi, dğrudan dğruya ya da ara bağlantı birimleri üzerinden yük elemanlarına aktarılabileceği gibi, uygun arabirimlerle şebekeye de aktarılabilir. Bu knularla ilgili larak yapılmış bazı çalışmalara ilişkin sistemlerin prensip şemaları bu kısımda kısaca tanıtılacaktır. Şekil 1. Su pmpası gibi yükleri süren bir FV pil paneli uygulaması. Bu uygulama şemalarından ilki, Şekil 1 de verilmektedir [3]. Görüleceği gibi bu uygulamada, FV pil paneli bir sürekli mıknatıslı dğru akım mtrunu beslemektedir. Panelden elde edilen elektrik enerjisi bir dğru gerilim kıyıcısı üzerinden yük larak kullanılan su pmpalama mtruna aktarılmaktadır. Kıyıcının denetlenmesiyle FV pil panelinden mtra akan elektrik gücü ayarlanabilir. Işık seviyesinin yetersiz lduğu zamanlarda gerekli enerji yedek bataryalardan temin edilebilir. Panelin ürettiği güç yükün ihtiyaç duyduğu değerin üzerindeyken, bu fazlalık güç kullanılarak yedek bataryalar şarj edilir (dldurulabilir). Kıyıcı girişinde filitre kullanılarak, FV pil panelinden çekilen akım ve gerilimdeki ani değişimler yumuşatılabilir. Bu sistemde de böyle bir filtre devresi kullanılmaktadır.
Şekil. AA şebekesine güç aktaran bir FV pil paneli. Şebekeye bağlı FV enerji sistemlerinde ise, yukarıda verilen sisteme ek larak eviriciler kullanılır. FV pil panelinin çıkış gerilimi dğru gerilim lduğundan, alternatif akım (AA) şebekesine bağlanabilmesi için eviricilerle AA a dönüştürülmesi gerekir. Böyle bir sistem, Şekil de verilmektedir. Bu sistemde FV panelin çıkış gerilimi dğru gerilim kıyıcısı tarafından kıyıldıktan snra evirici tarafından AA a dönüştürülmektedir. Kıyıcı kullanılmadan sadece evirici üzerinden de güç aktarımı yapılabilir. Ancak kıyıcının kullanılması ile evirici girişindeki dğru gerilimin seviyesi ayarlanabilir. Evirici çıkışındaki değişken gerilimin genliği girişindeki dğru gerilimin genliğine bağlı lduğu için bu ayarlama işlemi aynı zamanda evirici çıkış geriliminin de ayarlanması anlamına gelmektedir. Eviricinin ayrıca denetlenmesiyle de elde edilen alternatif gerilimin frekansı şebeke frekansına ayarlanır. Sistemin kararlı bir şekilde çalışması için bu denetim işleminin gerçekleştirilmesi gerekir. Kıyıcı ve evirici girişlerinde filtre devreleri kullanılarak anahtarlama işlemiyle rtaya çıkan gerilim ve akım dalgalanmaları, dlayısıyla da istenmeyen harmnik etkiler azaltılır. Burada kullanılan eviricinin çıkışı bir veya üç fazlı labilir. Faz sayısı, sistemin bağlanacağı AA şebekesinin faz sayısına göre seçilen bir ya da üç fazlı evirici kullanılarak ayarlanır. Bu sistem şebeke yerine dğrudan dğruya bir evin girişine de bağlanabilir. Tabii bu durumda çıkış gerilimi 5 Hz lik frekansa sahip V lmalıdır. Burada prensip çalışma diyagramı verilen şebeke bağlantılı FV güneş paneli elbette ki uygulanabilir tek sistem değildir. Bu tür sistemlerde luşacak harmnikleri azaltmak, sistem akım ve gerilimindeki değişimlerin etkilerini minimuma indirmek için bir çk prje uygulanmaya knmuştur. Örneğin panel çıkışında evirici-yüksek frekans transfrmatörü-dğrultucu-evirici ara bağlantı birimi bulunan bir sistem Şekil 3 de verilmektedir. 3
DA Evirici α AA Yüksek Frekans Transfrmatörü AA Dğrultucu α DA Evirici α E1 D E œebeke baras AA K y c ve Eviricidenetim ünite leri Evlerde kullan lan AA yükleri Şekil 3. AA şebekesine yüksek frekans transfrmatörü üzerinden güç aktaran bir FV pil paneli. Şekil 3 de verilen sistemde FV pil panelinde üretilen DA bir evirici ile AA a dönüştürülmekte, daha snra bu AA yalıtım amacıyla kullanılan bir yüksek frekans transfrmatörü üzerinden bir dğrultucuya aktarılmaktadır. Daha snra da bu DA tekrar bir evirici ile AA a çevrilmektedir. AA şebekesi ve FV pil panelinden gelen verilere göre evirici ve dğrultucu tetikleme açıları denetleyiciler tarafından belirlenerek sistemin istenilen kşullarda çalışması sağlanır. Böyle bir sistemin uygulaması Kaynak [4]de verilmektedir. Kaynak [5] de bu uygulamaya yönelik tasarım ve simülasyn çalışmaları ayrıntılı larak anlatılmaktadır. 3. Bir Uygulama Örneğinin İncelenmesi Şekil 1 de şeması verilen FV pil panelinin deneysel larak kurulup işletilmesi ile elde edilen snuçlar ile aynı sistemin bilgisayar rtamında gerçekleştirilen simülasynuna ilişkin bazı snuçlar bu ayrıtta verilmektedir. Bu sistem Fan yükü larak kullanılan bir sürekli mıknatıslı dğru akım mtrunun, bir dğru gerilim kıyıcısı üzerinden beslendiği bir sistem lup, VF pil panelinden maksimum çıkış gücünü alabilecek şekilde mtra uygulanan gerilim kntrl edilmektedir. Bu sistemde hem ransal + integral (PI) denetleyici, hem de bulanık mantık tabanlı denetleyici uygulanmıştır. Her iki denetleyici ile de uygun snuçlar elde edilmiştir. Verilen snuç şekillerinden de anlaşılacağı gibi, Sistem çalışmaya başlarken güneş radyasynu ve sıcaklık seviyeleri sırasıyla 8 mw/cm ve 8 C dir. Denetleyiciler önce FV güneş pili panelinin bu rtam kşullarında maksimum çıkış gücünü verecek şekilde çalışmasını sağlamakta, daha snra güneş radyasynu ve sıcaklık seviyeleri sırasıyla 1 mw/cm ve 3 C değerlerine yükselince FV pil panelinin çıkış gücünü bu yeni kşullar için maksimum değerinde tutmaktadır. 4
1. FV PANELİN I-V KARAKTERİSTİKLERİ FV Panel Akımı (pu) 3 C,1 m W /cm 8 C, 8 m W /cm 1.6 FV Panel Gerilimi (pu) Şekil 4. Farklı rtam kşulları için başlangıç ve sürekli çalışma durumlarında FV panelin simülasynla elde edilen akım-grilim (I-V) karakteristikleri. FVP Akımı (pu) 1. FV PANELİN I-V KARAKTERİSTİKLERİ 3 C, 1 mw/cm 8 C, 8 mw/cm.4.8 1. 1.6 FVP Gerilimi (pu) Şekil 5. Farklı rtam kşulları için başlangıç ve sürekli çalışma durumlarında FV panelin deneysel larak elde edilen akım-grilim (I-V) karakteristikleri. FVP Gücü (pu) 1. FV PANELİN P-V KARAKTERİSTİKLERİ Simülasyn 3 C,1 m W /cm 8 C,8 m W /cm.5 1 1.5 FVP Gerilimi (pu) 5
Şekil 6. Farklı rtam kşulları için başlangıç ve sürekli çalışma durumlarında FV panelin simülasynla elde edilen güç-grilim (P-V) karakteristikleri. FVP Gücü (pu) 1. FV PANELİN P-V KARAKTERİSTİĞİ 8 C, 8 mw/cm 3 C, 1 mw/cm.5 1 1.5 FVP Gerilimi (pu) Şekil 6. Farklı rtam kşulları için başlangıç ve sürekli çalışma durumlarında FV panelin deneysel larak elde edilen güç-grilim (P-V) karakteristikleri. Kaynaklar [1]. İ. H. Altaş, "Ftvltaj Güneş Pillerinin Maksimum Çıkış Gücünde İşletilmeleri", 3e Aylık Enerjı, Elektrik, Elektrmekanik Dergisi, Sayı 54, Kasım 1998 Sayısı, Sayfalar 76-83. []. R.S. Sugimura and J.M. Wd, "Utility Applicatin f phtvltaic Pwer Generatin: A survey f recent literature", IEEE Trans. Vl. EC-, N. 4, December,1987, pp.563-569. [3]. İ. H. Altaş "A Simplified Dynamic Mdel fr the Cntrl f PV Array-PMDC Mtr Scheme", Internatinal Cnference n Electrical Machines- ICEM'98, -4 September 1998, ISTANBUL TURKEY,, pp.119-1195. [4]. P. Savary, M. Nakaka, and T. Maruhashi, Nvel Type f High-Frequency Link Inverter Fr Phtvltaic Residential Applicatins, IEE Prceedings, Vl. 133, Pt. B, N. 4, July 1986, pp. 79-84. [5]. R. M. Hillwala, Cntrl and Interface f Renewable Energy Systems, Ph.D. Thesis, The University f New Brunswick, Department f Electrical Engineering, Frederictn, NB, Canada, 199. 6