EGE ÜNİVERSİTESİ FEN BİLİMLERİ ENSTİTÜSÜ (DOKTORA TEZİ) TORK KONTROLLÜ BİR FAZLI KONDANSATÖR STARTLI MOTORUN GÜNEŞ ENERJİSİYLE ÇALIŞTIRILMASI Mehmet BEKLERGÜL Güneş Enerjisi Ana Bilim Dalı Bilim dalı Kodu: 625.05.04 Sunuş Tarihi: 01.08.2006 Tez Danışmanı: Prof. Dr. Metin ÇOLAK Bornova-İZMİR

II

III Sayın Mehmet Beklergül tarafından DOKTORA TEZİ olarak sunulan Tork Kontrollü Bir Fazlı Kondansatör Startlı Motorun Güneş Enerjisiyle Çalıştırılması adlı bu çalışma, Lisansüstü Eğitim ve Öğretim Yönetmeliği nin ve Enstitü yönergesinin ilgili hükümleri dikkate alınarak Jüri Başkanı : Prof. Dr. Metin Çolak İmza Raportör üye : Yrd. Doç. Dr. Musa Alcı İmza Üye : Prof. Dr. Erol Uyar İmza Üye : Prof Dr. Sıddık İçli İmza Üye : Doç. Dr. Haldun Karaca İmza tarafından değerlendirilmiş olup yapılan Tez Savunma Sınavında aday oy birliği/oy çokluğu ile başarılı bulunmuştur.

IV

V ÖZET TORK KONTROLLÜ BİR FAZLI KONDANSATÖR STARTLI MOTORUN GÜNEŞ ENERJİSİYLE ÇALIŞTIRILMASI. BEKLERGÜL, MEHMET Doktora Tezi, Güneş Enerjisi Enstitüsü Tez Yöneticisi : Prof. Dr. Metin Çolak Ağustos 2006, 185 sayfa Bu proje, güneş pilleriyle çalışan bir fazlı kondansatör startlı motorun elektrik şebekesinden bağımsız olarak çalıştırılmasına yönelik bir araştırma ve geliştirme projesidir. Sistemin otonomi periyodu n=5 gün dür. Enerji kaynağı olarak 36 V, 12 A, 500 Wp lik güneş pili(pvpanel), depo elemanı olarak da 36 V, 60 Ah lik kurşun-asitli sabit tesis akümülatörleri, elektrik motoru olarak 220 V luk bir fazlı kondansatör startlı motor kullanılmıştır. Sistemde, güneş pillerinden elde edilecek 36 V luk DA elektrik enerjisi akım-gerilim(şarj) regülatörü ile akümülatörlere depolanmakta, Akümülatörlerden alınan 36 V DA elektrik enerjisi multi-wave VF kontrollü invertör yardımıyla AA elektrik enerjisine dönüştürülmekte ve bir transformatör ile 220 Volt'a yükseltilerek motor çalıştırılmaktadır. Bir fazlı kondansatör startlı motoru, kare dalga, PWM sinüs ve merdiven sinüs çıkışlı multi-wave VF kontrollü invertör ile sürerek, sabit torkla çalışması sağlanmakta ve ilk çalışma anında, enerji kaynağından çok fazla akım çekmesi önlenmektedir. Böylece, sistemde kullanılan güneş pili, akümülatör, şarj regülatörü, transformatör ve DA/AA dönüştürücü(invertör) güçleri düşürülerek sistemin toplam maliyetinin düşürülmesi hedeflenmektedir. Anahtar kelimeler: Güneş pili, bulanık mantık, multi-wave VF kontrol, tork kontrolü, bir fazlı kondansatörlü startlı motor.

VI

VII ABSTRACT IMPLEMENTATION OF TORQUE CONTROLLED SINGLE PHASE CAPACITOR RUN MOTOR BY SOLAR ENERGY BEKLERGUL, MEHMET PHD in, Solar Energy Institute Supervisor: Prof. Dr. Metin Çolak August 2006, 185 pages This thesis covers a research and development project of operating a torque controlled single phase capacitor run motor by solar energy independently from electricity network. The autonomy period of the system is n=5 days. 36V, 12 A, 500 Wp PV-panel is used as power supply while 36 V, 60 Ah lead-acid batteries are used for storage. As actuator machine, single phase capacitor run motor (asynchronous induction motor) running at 220 V will be implemented. Electrical energy of 36 V from Solar Cells is stored in batteries by a current-voltage (charge) regulator. This stored 36 V DC energy is inverted to an 36 V p AC (Alternative Current) energy by a multi-wave VF inverter which can produce squre wave, PWM sinus and multilevel sinus AC and transformed 220 V rms AC voltage. The final AC energy is used to operate single phase capacitor-run motor. The purpose of driving induction motor by multi-wave VF inverter is to control motor torque and to reduce starting current drawn from the power supply. Thus the overall cost of the system will be reduced due to the reduced power ratings of PV moduls, batteries, current-voltage regulator, transformer and DC/AC inverter used in the system. Keywords: Photovoltaic cell, fuzzy logic, torque control, multiwave VF control, single phase capacitor-run motor.

VIII

IX TEŞEKKÜR Tez çalışmam sırasında bana gösterdikleri sabırdan dolayı eşim Meryem, oğullarım Fatih Sinan ve Onur Furkan a, çalışmalarım sırasında yardımlarını esirgemeyen saygıdeğer hocalarım Prof. Dr. Metin Çolak, Prof. Dr. Erol Uyar ve Yrd. Doç. Musa Alcı ya, Güneş Enerjisi Enstitüsü, Ege Meslek Yüksekokulundaki Öğretim Görevlisi arkadaşlarıma, Ege Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Elektrik Bölümündeki arkadaşlarıma, Elk.Yük. Mühendisi Sinan Kıvrak a, Elk. Müh. Remzi Tükenmez e ve tüm eğitimim süresince desteklerini esirgemeyen babama ve merhum anneme teşekkür ederim.

X

XI İÇİNDEKİLER Sayfa ÖZET...V ABSTRACT...VII TEŞEKKÜR...IX ŞEKİLLER DİZİNİ...XV ÇİZELGELER DİZİNİ...XXIIII SİMGELER VE KISALTMALAR...XXIV 1 GİRİŞ...1 2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR...5 3 METARYEL METOT...11 3.1 Giriş...11 3.2 DC Enerji Düzeneği...12 3.2.1 Güneş Panelleri...12 3.2.2 Akım Gerilim Regülatörü...15 3.2.3 Akümülatör Grubu...16 3.3 DC/AC Dönüştürücü...17 3.3.1 Multi-waveVF Kontrollü İnvertör...18 3.3.2 Fuzzy Kontrolör...20 3.3.3 Güç Katsayısı Ölçer(Kosinüsfimetre)...21 3.3.4 Akım Sensörü...23 3.3.5 Yükseltici Transformatör...23 3.4 Yükler...23 3.4.1 Yardımcı Elemanlar...25 3.5 PV Sistemin Enerji Dengesi...25

XII İÇİNDEKİLER (Devam) Sayfa 3.6 PV Sistem Modeli... 27 3.6.1 PV Panel Modeli... 28 3.6.2 Hücre Modeli... 28 3.6.3 PV Modül Modeli... 31 3.6.4 PV Boyutlandırma Değişkenleri... 34 3.6.5 Batarya Boyutlandırma Değişkenleri... 35 3.6.6 PV Sistemin Boyutlandırılması... 37 3.6.7 Sistem Yük Profili ve Meteorolojik Veriler... 38 3.6.8 Karar Verilecek değişkenlerin Belirlenmesi... 39 3.6.9 Otonom PV sistem Tasarımı... 44 3.7 DC/AC Dönüştürücü Modeli... 49 3.7.1 VF Kontrollü İnvertör Modeli... 49 3.7.2 Fuzzy Kontrolör Modeli... 60 3.7.3 Yükseltici Ytransformatör Modeli... 77 3.8 AC Yük Modeli... 79 3.8.1 Bir Fazlı Kondansatör Startlı Motor Modeli... 79 3.8.2 Bir Fazlı asenkron Motor Tork Kontrolü... 93 3.9 İnvertör Devresi... 94 3.9.1 İnvertör Devresi Kontrol Sinyalleri... 96 4 BULGULAR... 99 4.1 Ölçüm Sonuçları... 99 4.1.1 PV Sistem Ölçümlei... 100 4.1.2 Elektriksel Bulgular... 106 4.1.3 İnvertör Multi-wave Çalışma Bulguları... 108 4.1.4 İnvertör VF Kontrol Bulguları... 118

XIII İÇİNDEKİLER (Devam) Sayfa 4.1.5 Direk, Kademeli Gerilimle ve VF Kontrolün Karşılaştırılması...132 4.1.6 VF Kontrolün Simülasyon Sonuçları İle Karşılaştırılması...135 4.2 İnvertör Çıkış Sinyali THD Ölçümleri...140 4.3 Simülasyon Sonuçları...142 4.3.1 THD Simülasyonu...142 4.3.2 Bulanık Kontrolör(Uzman Sistem) Simülasyonu...147 4.4 Performans ve Maliyet Analizi...153 4.4.1 DC Enerji Düzeneği Performans Analizi...154 4.4.2 DC/AC Dönüştürücü Performans Analizi...159 4.4.3 Sistem Maliyetinin Hesaplanması...162 5 SONUÇ, TARTIŞMA VE ÖNERİLER...165 5.1 Sonuç ve Tartışma...165 5.2 Öneriler...168 KAYNAKLAR DİZİNİ...170 Ek 1 Matlab İle THD Simülasyonu...176 ÖZGEÇMİŞ...183

XIV

XV ŞEKİLLER DİZİNİ Sayfa Şekil-3.1 Sistemin Genel Blok Diyagramı...11 Şekil-3.2 DC Enerji Düzeneği Blok Diyagramı...12 Şekil-3.3 DC/AC Dönüştürücü Blok Diyagramı...18 Şekil-3.4 Bir fazlı Güç Katsayısı Ölçer....22 Şekil-3.5 Fotovoltaik Hücre Modeli...29 Şekil-3.6 M 65 Modülünün 1000 W/m 2 Işınım ve 25 C Sıcaklıktaki I-V Eğrisi...30 Şekil-3.7 Haziran Ayında Güneş Işınım Şiddetinin Saatlik Değişimi38 Şekil-3.8 Haziran Ayında Yükün Saatlik değişimi...39 Şekil-3.9 Kontrolsüz Doğrultuculu Anahtarlamalı İnvertör...49 Şekil-3.10 İnvertör Çalışma Bölgeleri...50 Şekil-3.11 Darbe Genlik Modülasyonu...52 Şekil-3.12 Birime İndirgenmiş harmonik Spektrumu...54 Şekil-3.13 Sinüsoidal Darbe Genlik Modülasyonu...56

XVI ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-3.14 Ağırlık Merkezli Durulayıcı... 71 Şekil-3.15 Ortalama Merkezli Durulayıcı... 72 Şekil-3.16 Maksimum Durulayıcı... 73 Şekil-3.17 Uzman Bilgisi İle Bulanık Sistem Tasarım Şeması... 75 Şekil-3.18 Transformatör Manyetik Devresi... 78 Şekil-3.19 24 V/220 V Yükseltici Transformatör Görünüşü... 78 Şekil-3.20 Bir Fazlı Kondansatörlü Motorun Prensip Şeması... 79 Şekil-3.21 Bir Fazlı Asenkron Motor Ana ve Yardımcı sargı Eşdeğer Devreleri... 80 Şekil-3.22 Kondansatör Startlı Motor Boş Çalışma ve Kısa Devre Deney Bağlantı şeması... 81 Şekil-3.23 Asenkron Motor İlk Kalkınma Eşdeğer Devresi... 87 Şekil-3.24 Ana Sargının Oluşturduğu N-S Kutupları... 90 Şekil-3.25 Ana ve Yardımcı Sargılı Motor Vektör Diyadramı... 91

XVII ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-3.26 Kondansatör Startlı Motorun Yapısı ve Vektör Diyagramı...91 Şekil-3.27 İki Fazlı AC Motor Akım ve Gerilim Değerleri...92 Şekil-3.28 İki Faz Sargısının Oluşturduğu Manyetik Alanlar...92 Şekil-3.29 Manyetik Röle ve Motor Bağlantısı...93 Şekil-3.30 Bir Fazlı Köprü İnvertör Blok Şeması...95 Şekil-3.31 Bir fazlı İnvertör Genel Blok Şeması...96 Şekil-3.32 Seviye Belirleme Elemanları Kontrol Devresi...97 Şekil-3.33 IR 2113 Sürücü Devresi...97 Şekil-4.1 PV Sistem Blok Diyagramı...100 Şekil-4.2 Sistem Akım Değişimleri(1.Gün)...101 Şekil-4.3 Sistem Akım Değişimleri(2.Gün)...101 Şekil-4.4 Akümülatör Gerilim Değerleri ve Şarj Durumu...102 Şekil-4.5 PV-Akümülatör Enerji Miktarları...103

XVIII ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-4.6 Sistem Ölçüm Noktaları... 106 Şekil-4.7 DC/AC Dönüştürücü Düzeneği ve Uygulama Devresi... 107 Şekil-4.8 Osilokop, Güç Analizörü ve Akım Probu... 108 Şekil-4.9 Güç Katsayısı Ölçer(Kosinüsfimetre)... 109 Şekil-4.10 Hall-effect Akım Sensörü... 109 Şekil-4.11 PIC Kontrolcü Blok Şeması... 110 Şekil-4.12 Multi-wave 1. Bölüm PIC Program Algoritması... 110 Şekil-4.13 Multi-wave 2. Bölüm PIC Program Algoritması... 111 Şekil-4.14 Multi-wave 3. Bölüm PIC Program Algoritması... 112 Şekil-4.15 Merdiven Sinüs Çıkış IGBT A-B-C Kontrol Sinyalleri... 113 Şekil-4.16 Kare Dalga ve Merdiven Sinüs Çıkış İçin IGBT 1-2 Kontrol Sinyalleri... 113 Şekil-4.17 PWM Sinüs Çıkış İçin IGBT 1-2 Kontrol Sinyalleri... 114 Şekil-4.18 Kare Dalga AC Çıkış Sinyali... 115

XIX ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-4.19 PWM Sinüs AC Çıkış Sinyali...116 Şekil-4.20 Omik Yükte Merdiven Sinüs AC Çıkış Sinyali...116 Şekil-4.21 Bir Fazlı RLC Yük...117 Şekil-4.22 VF Kontrol PIC Kontrolör Blok Şeması...118 Şekil-4.23 VF Kontrol 1.Bölüm PIC Program Algoritması...119 Şekil-4.24 VF Kontrol 2.Bölüm PIC Program Algoritması...120 Şekil-4.25 VF Kontrol 3.Bölüm PIC Program Algoritması...121 Şekil-4.26 VF Kontrol 4.Bölüm PIC Program Algoritması...121 Şekil-4.27 Bir Fazlı Kondansatör Startlı Motor...122 Şekil-4.28 Direk Çalışmada Aküden çekilen Akım(I DC )...123 Şekil-4.29 Direk Çalışmada Toplam Motor Akımı(I T )...124 Şekil-4.30 Direk Çalışmada Motor Ana Sargı Akımı(I a )...124 Şekil-4.31 Direk Çalışmada Motor Yardımcı Sargı Akımı(I y )...125

XX ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-4.32 Direk Çalışmada Motora Uygulanan Gerilim(U)... 125 Şekil-4.33 VF Kontrollü Çalışmada Aküden çekilen Akım(I DC )... 127 Şekil-4.34 VF Kontrollü Çalışmada Toplam Motor Akımı(I T )... 127 Şekil-4.35 VF Kontrollü Çalışmada Ana Sargı Akımı(I a )... 128 Şekil-4.36 VF Kontrollü Çalışmada Yardımcı Sargı Akımı(I y )... 128 Şekil-4.37 Kademeli Gerilimle Çalışma Aküden çekilen Akım(I DC ) 130 Şekil-4.38 Kademeli Gerilimle Çalışma Toplam Motor Akımı(I T )... 130 Şekil-4.39 Kademeli Gerilimle Çalışma Ana Sargı Akımı(I a )... 131 Şekil-4.40 Kademeli Gerilimle Çalışma Yardımcı Sargı Akımı(I y ).. 131 Şekil-4.41 Kalkınma Akımlarının Değişim Grafikleri... 133 Şekil-4.42 Kalkınma Momentleri Değişim Grafikleri... 134 Şekil-4.43 Simülasyon Ana Sargı Akımı Değişim Grafiği... 135 Şekil-4.44 Simülasyon Yardımcı Sargı Akımı Değişim Grafiği... 136

XXI ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-4.45 Simülasyon Motor Kalkınma Momenti Değişim Grafiği.136 Şekil-4.46 VF Kontrol ve Simülasyon Kalkınma Akımlarının Değişim Grafikleri...137 Şekil-4.47 VF Kontrol ve Simülasyon Kalkınma Momentlerinin Değişim Grafikleri...138 Şekil-4.48 VF Kontrol ve Simülasyon Hız-Rampa Zamanı Değişim Grafikleri...139 Şekil-4.49 1/4 HP 110 V'luk Motorun Hız-Moment Grafikleri...139 Şekil-4.50 1/4 HP 220 V'luk Motorun Hız-Moment Grafikleri...140 Şekil-4.51 Kare Dalga AC Gerilim Frekans Spektrumu...141 Şekil-4.52 PWM Sinüs AC Gerilim Frekans Spektrumu...141 Şekil-4.53 Merdiven Sinüs AC Gerilim Frekans Spektrumu...142 Şekil-4.54 Sinüsoidal ve Kare Dalga AC MATLAB THD Simülasyonu...143 Şekil-4.55 Simülasyon Sinüsoidal AC Gerilim Frekans Spektrumu.143

XXII ŞEKİLLER DİZİNİ (Devam) Sayfa Şekil-4.56 Simülasyon Kare Dalga AC Gerilim Frekans Spektrumu 144 Şekil-4.57 PWM Sinüs AC MATLAB THD Simülasyonu... 144 Şekil-4.58 PWM Sinüs Taşıyıcı ve Referans Sinyalleri... 145 Şekil-4.59 Filtresiz PWM Sinüs Çıkış Sinyali... 146 Şekil-4.60 Filtreli PWM Sinüs Çıkış Sinyali... 146 Şekil-4.61 Filtresiz PWM Sinüs Frekans Spektrumu... 147 Şekil-4.62 Akım Sensörü (Giriş-1) Üyelik Fonksiyonları... 149 Şekil-4.63 Güç Katsayısı Ölçer (Giriş-2) Üyelik Fonksiyonları... 149 Şekil-4.64 Uzman Sistem-1 Çıkış Üyelik Fonksiyonları... 150 Şekil-4.65 Uzman Sistem-1 Giriş ve Çıkış Kuralları... 151 Şekil-4.66 Uzman Sistem -2 Çıkış Üyelik Fonksiyonları... 152 Şekil-4.67 Uzman Sistem -2 Giriş ve Çıkış Kuralları... 153 Şekil-4.68 Rossa Grafiği... 158

XXIII ÇİZELGELER DİZİNİ Sayfa Çizelge-3.1 PV Sistem Genel Parametreleri...40 Çizelge-3.2 Arco Solar M65 Güneş Modülü Parametreleri...40 Çizelge-3.3 Batarya Parametreleri...40 Çizelge-3.4 İnvertör Parametreleri...41 Çizelge-3.5 Şarj Devresi parametreleri...42 Çizelge-3.6 Hibrit Sistem Boyutlandırma Sonuçları...43 Çizelge-3.7 Aylara Göre Yataya Gelen Toplam Güneş Enerjisi...45 Çizelge-3.8 Aylara Göre Ortalama Gün Sayısı...45 Çizelge-3.9 Panel Eğimi β=38 İçin Aylık Ortalama Güneş Enerjisi Miktarları...48 Çizelge-3.10 Look-Up Tablosu...76 Çizelge-3-11 AC Motor Boş Çalışma Deney Sonuçları...81 Çizelge-3.12 AC Motor Kilitli Rotor Deney Sonuçları...82 Çizelge-3.13 Ana ve Yardımcı sargı Omik Dirençleri...82

XXIV ÇİZELGELER DİZİNİ (Devam) Sayfa Çizelge-3.14 Ana Sargı Eşdeğer Devre Dirençleri... 84 Çizelge-3.15 Yardımcı Sargı Eşdeğer Devre Dirençleri... 84 Çizelge-3.16 Motorun Kalkınmadaki Akım, Güç ve Momentleri... 88 Çizelge-4.1 Bir Fazlı Multi-wave Çalışma ve Rampa Zamanı Denemeleri... 117 Çizelge-4.2 Motor İlk Çalışma Akım ve Moment Değerleri... 132 Çizelge-4.3 Bornova İçin Aylık Sıcaklık Ortalamaları( C)... 154 Çizelge-4.4 Aylara Göre Modül Verimleri... 155 Çizelge-4.5 Bornova İçin Ortalama Işınım (I m ) Değerleri... 157 Çizelge-4.6 İnvertör Ölçüm Sonuçları... 160 Çizelge-4.7 Yükseltici Transformatör Ölçüm Sonuçları... 160 Çizelge-4.8 AC Yük Ölçüm Sonuçları... 161 Çizelge-4.9 Sistem Eleman ve İşletme Maliyetleri... 162

XXV SİMGELER VE KISALTMALAR Simgeler Açıklama A ALCC E.B.M FF 0 FF G a Alan. Yıllık düzeye indirgenmiş devir ömrü maliyeti. Enerji birim maliyeti. Standart koşullardaki şekil faktörü. Şekil faktörü. Işınım şiddeti. G a,0 Standart koşullardaki ışınım, 1000 W/m 2 M I SC Modül kısa devre akımı M I SC 0 I I D I M Imax I 0 I Ph, I PV I SC k, Standart koşullardaki modül kısa devre akımı. LOEP(LLP) LCC η invertör Hücre çıkış akımı. Diyot akımı. Modül akımı. Maksimum güç noktasındaki hücre akımı. Karanlık ortam doyum akımı, sıcaklığa çok bağımlı Işığın oluşturduğu hücre akımı. PV sistemden elde edilen toplam akım. Hücre kısa devre akımı. Boltzmann gaz sabiti Yükün enerjisiz kalma oranı. (Life cycle costs), Devir ömrü maliyeti. İnvertör verimi.

XXVI η N N bat,seri N paralel N PM N seri N SM P a SİMGELER VE KISALTMALAR (Devam) PV Hücre verimi. Ekonomik analizin yapıldığı süre, sistemin kullanım süresi. Seri bağlı batarya adedi. Paralel bağlı eleman adedi. Modüldeki paralel bağlı hücre sayısı. Seri bağlı eleman adedi. Modüldeki seri bağlı hücre sayısı. Yıllık yapılan harcamaların bugünkü değerini hesaplamak için gerekli parametre. M P max, 0 Standart koşullardaki modülden elde edilebilecek Pmax Pr maksimum güç. Maksimum güç. Bir defalık harcamaların bugünkü değerini hesaplamak için gerekli parametre. M R S Modül eşdeğer seri direnci. R S T C T 0 C V V bat,nom V M Vmax Seri direnç. Bağıl hücre sıcaklığı, Standart koşullardaki hücre sıcaklığı, 25 C Hücre uçlarından ölçülen gerilim. Nominal batarya gerilimi. Modülgerilimi. Maksimum güç güç noktasındaki hücre gerilimi.

XXVII SİMGELER VE KISALTMALAR (Devam) M VOC 0 V oc V PV, Standart koşullardaki modül açık devre gerilimi. Açık devre gerilimi. PV sistem gerilimi. C V t Hücre termal gerilimine,, bağımlıdır. M V OC Modül açık devre gerilimi. V t Termal gerilim. X PVparalel Paralel bağlı PV kol adedi. X _ PV yardımcı eleman maliyetinin PV maliyetine oranı. PVyar X adet,tipi X boyut,tipi W L, W PV, W b, DA/AA, V/f, SPWM, eleman Seçilen eleman tipine bağlı adet değişkeni. Seçilen eleman tipine bağlı boyut değişkeni. Yükün tüketimi. PV panellerin üretimi. Bataryada depolanan veya bataryadan kullanılan enerji. Doğru-Alternatif Akım Dönüşümü. Gerilim ve frekans oranı. Sinüzoidal darbe genlik modülasyonu. MW p, MegaWatt peak (Elektrikgüç birimi). KW p, KiloWatt peak(elektrikgüç birimi). A, Amper (Akım birimi). VA, Volt-Amper(Elektrik zahiri güç birimi). t, Zaman aralığı (sn). DC/DC, Doğru akım-doğru akım dönüşümü. Cosφ, Elektrik güç katsayısı.

XXVIII SİMGELER VE KISALTMALAR (Devam) PIC, Mikro kontrolcu. SOC nom, Nominal batarya kapasitesi. σ bat, Batarya boşalma katsayısı. HP, Beygir gücü (Elektrikgüç birimi). W gün, Bir günde harcanan enerji. KWh, Kilo-Watt-saat (Elektrik enerji birimi). VSI, Gerilim ara devreli invertör. CSI, Akım ara devreli invertör. f, Frekans. VSI, Gerilim ara devreli invertör. m a, Modülasyon genliği. m f, Modülasyon frekansı. rms, Elektriksel büyüklüklerin etkin değeri. U, Bulanık kontrolde evrensel küme. µ A, Üyelik fonksiyonu. Q M, Mamdani bağıntısı. Q G, Gödel bağıntısı. FIS, Bulanık çıkarım motoru. Φ, Manyetik akı. λ, Manyetik akı kuplaj parametresi. R e, Eşdeğer devre direnci. X e, Eşdeğer devre reaktansı. Z e, Eşdeğer devre empedansı. ω, Açısal hız.

XXIX SİMGELER VE KISALTMALAR (Devam) T e, Elektriki tork. M d, Kalkınma momenti. IGBT, Kapı izoleli iki kutuplu transistör. β, Panel eğimi. φ, Enlem derecesi. H H(dir),H h(dif), yataya direk veya yansıyarak gelen panele gelen güneş enerjisi miktarı. δ, denklinasyon açısı. α, Eğimli panele gelen ışınım açısı. H 0, Atmosfer dışı ışınım. f n, Gece yükü oranı. C L, Akü tasarım parametresi. DOD max, Akü boşalma yüzdesi. B, Wh cinsinden akümülatör kapasitesi.

1 GİRİŞ Dünya üzerindeki fosil yakıt rezervlerinin oldukça azalması nedeniyle (yaklaşık 50-60 yıl), yenilenebilir enerji kaynakları son yıllarda popüler hale gelmiştir. Güneş enerjisi de bu kaynaklardan birisidir. PV- eleman teknolojisinin gelişmesiyle, PV- modül verimlerinin yükselmesi ve maliyetlerinin düşmesi, güneş pillerinin elektrik enerjisi üretimindeki payını gittikçe arttırmaktadır. Fosil yakıtların çevreye verdiği zararların her geçen gün artması tüketicileri daha da bilinçlendirmekte ve güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji kaynakları daha önemli hale gelmektedir. Bu sistemlerin maliyet, performans ve güvenirlik gibi problemleri yapılan araştırmalar sonucu elde edilen bilimsel gelişmelerle her geçen gün daha aza indirgenmektedir. Ülkemiz güneş kuşağı adı verilen bir bölgede yer almaktadır. Bölgelere göre yatay yüzeye gelen toplam güneş ışınım şiddeti değerleri yıllık; Güneydoğu Anadolu bölgesi nde 1460 kwh/m 2 -yıl, Akdeniz bölgesinde 1390 kwh/m 2 -yıl, İç Anadolu da 1314 kwh/m 2 -yıl, Ege de 1304 kwh/m 2 -yıl, Doğu Anadolu da 1365 kwh/m 2 -yıl, Marmara da 1168 kwh/m 2 -yıl ve Karadeniz de 1120 kwh/m 2 -yıl dır (Elektrik İşleri Etüt İdaresi, 2005). Güneş enerjisinden ticari olarak en yaygın olarak, sıcak su üretiminde kullanılmaktadır. Türkiye deki toplam sıcak su toplayıcı alanı 2,5-3 milyon m 2 dir. Bu toplayıcılar kullanılarak yılda 120 BTEP (ton eşdeğer petrol) enerji güneşten yararlanılarak elde edilmektedir. Ülkemizin yıllık toplayıcı üretimi 400 500 bin m 2 dir ve bu üretimin yaklaşık %25 i değişik ülkelere satılmakta, geri kalan üretim ise yurt

2 içinde kullanılmaktadır(http://www.tubitak.gov.tr/btpd/btspd/ platform/ enerji/bolum6_3.html). Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimi ise, maalesef istenen seviyede değildir. Bu tesislere örnek olarak; Didim de Elektrik İşleri Etüt İdaresi nin araştırma amaçlı bir şebekeye bağlı tesisi, 3 Mayıs 2002 de faaliyete geçen Muğla Üniversitesi kütüphanesi çatısında 10 kw lık şebeke bağlantılı sistem (54 kwp olarak planlanmış ve DPT desteklidir) bazı üniversite ve özel kuruluşların araştırma amaçlı kurduğu küçük PV sistemler verilebilir (Selek, M.Berkant, 2006). Güneş enerjisi ile elektrik üretimi daha çok, elektrik şebekesinden uzakta çalışan kullanılmaktadır. Bunlara örnek olarak; haberleşme vericileri (GSM, telsiz ve TV yansıtıcıları), balık çiftlikleri, tekne, ada ve dağ evleri ve benzeri kullanım alanları verilebilir. PV- generatörlerden elde edilen DA elektrik enerjisi, DA ile çalışan elektriksel yüklerin çalıştırılmasında kullanılabildiği gibi, DA elektrik enerjisini invertörler (DA/AA Dönüştürücü) yardımıyla, AA elektrik enerjisine çevirerek, AA elektriksel yüklerin beslenmesinde de kullanılmaktadır. Bilhassa yaz aylarında, elektrik şebekesinin olmadığı yerlerde, güneş pillerinden elde edilen DA elektrik enerjisiyle kompresörlü soğutucuların çalıştırılması ön plana çıkmaktadır. Elektrik motorlarının tamamı, bir yol verme sistemi kullanılmadıkça, ilk çalışma anında nominal akımlarının yaklaşık 3-5 katı kadar yüksek akım çekmektedirler. Eğer motor, bu projede kullanılan bir fazlı kondansatör startlı kompresörlü soğutucu motoru gibi, yük altında çalışmaya başlıyorsa bu oran yaklaşık 10-15 katına kadar çıkabilmektedir. Bu durum elektrik motorlarının ilk çalışma anında çok enerji harcamalarına ve kullanılan kontrol elemanlarının

3 yüksek kapasitede seçilmesine dolayısıyla maliyetin artmasına sebep olmaktadır. Ayrıca büyük güçlü elektrik motorlarının ilk çalışma anında çektikleri yüksek akımlar şebekede dalgalanmalara sebep olmakta, bu durumda hem elektrik şebekesini hem de elektrik şebekesine bağlı diğer alıcıları olumsuz etkileyebilmektedir. Ev tipi buzdolaplarında kullanılan bir fazlı kondansatörlü elektrik motorları da, kompresörün içinde bulunan soğutucu gaz basıncının yüksek olması nedeniyle, ilk çalışma anında nominal akımın yaklaşık 7-15 katı akım çekebilmektedir. Fakat bu olumsuz durum 220 V gerilimli alternatif akım şebekelerinde göz ardı edilmektedir. Ancak, Güneş pili gibi doğru akım elektrik enerjisi üreten generatörlerden besleme yapıldığında AC 220 V seviyesinde çekilen 10 katı akım, 24 V DC seviyesinde yaklaşım 100 katına kadar çıkmaktadır. Yapılan literatür taramalarında ve piyasa araştırmalarında bir fazlı kondansatör startlı motorların ilk çalışma anında çekmiş olduğu aşırı akımı sınırlayacak, dolayısıyla sabit tork ile motorun çalışmasını sağlayacak sistemler üzerinde yapılan araştırma ve uygulamaların yeterli olmadığı görülmüştür. Bu projede yeni ve farklı bir kontrol sistemi kullanıldı. 220 V bir fazlı kondansatör startlı motoru fuzzy uzman sistem kontrollü multi-wave VF invertörle sürerek motorun ilk çalışma anında çektiği aşırı akım, dolayısıyla tork kontrol edilerek, başlangıç akımının optimal seviyede tutulmasına çalışıldı. Sistemde invertör kontrol devresi geri beslemesiz (open loop) ve geri beslemeli (closed loop) olarak yapılmıştır. Sistemde kullanılan multi-wave VF invertör aynı zamanda invertöre bağlanan yükün cinsine göre dalga şeklini kare, PWM sinüs ve merdiven sinüs olarak, kalkış zamanını da yükün çekmiş olduğu akıma bağlı olarak otomatik olarak ayarlayabilmektedir. Sonuç olarak, yapmış olduğumuz tez çalışması ile, elektrikli cihazlarda yaygın olarak kullanılan bir fazlı kondansatörlü motorların

4 sabit tork ile çalışması sağlanarak, ilk çalışma da çekmiş olduğu aşırı akım optimize edilmeye çalışıldı. Bu projenin getirmiş olduğu yenilik ve bilime yapmış olduğu katkı şu şekilde özetlenebilir: 1. Bir fazlı motorların ilk çalışmada çekmiş oldukları aşırı akım ve güç optimize edilerek, hem aşırı güç sarfiyatı önlendi hem de düşük maliyetle invertör yapımı gerçekleştirildi. 2. Sistemde kullanılan bir fazlı multi-wave VF kontrollü invertör, akım sensörü ve güç katsayısı ölçerden almış olduğu geri besleme bilgileri ile çıkışa bağlanan alıcının türüne göre kare dalga AC, PWM sinüs ve merdiven sinüs olmak üzere üç değişik çıkış sinyal üretmesi ve kalkış süresinin ayarlanması sağlanarak, invertör ve AC motor sürücü sistemlerine değişik bir bakış açısı getirildi. 3. Ülkemiz için en önemli enerji kaynaklarından biri olan güneş ışınımından daha çok faydalanabilmek için, doğrudan elektrik enerjisi üretebilen şebekeden bağımsız (otonom) PV sistemlerin uygun seçeneklerden biri olduğu ispatlanarak, bu sistemlerin kullanımının yaygınlaşmasına öncülük edilmeye çalışıldı.

2 ÖNCEKİ ÇALIŞMALAR Yakın geçmişe kadar alışılagelmiş elektrik enerjisi üretim biçimleri ile karşılaştırıldığında çok pahalı olan PV sistemlerinin kullanımı yalnızca uziletişim(telekomünikasyon), uzay çalışmaları gibi özel uygulama alanlarında sınırlı kalmıştır. Son yirmi yılda PV teknolojilerindeki gelişmeler ve PV pazarının büyümesi neticesinde maliyetler sürekli olarak düşüş göstermektedir. Bugünkü gelinen durumda, PV güç üretiminin yılda %25-%30 artacağı tahmin edilmektedir. Ancak, bugün PV kurulu gücünün, dünya güç gereksiniminin yalnızca yüz binde dört(%0.004) kadarı olduğu gerçeği göz ardı edilmemelidir. Bu payın 2010 yılında % 0.13 dolayına ve 2020 yılında %1 ve 2030 ile 2050 yılları arasında %5 ile %10 dolayında bir değere ulaşacağı tahmin edilmektedir. PV güç sistemleri genellikle şebekeden bağımsız(otonom) ve şebekeye bağlı olmak üzere iki ana grupta ele alınabilir (Engin, Mustafa, 2002). Şebekeden bağımsız sistemler; şebekeye uzaklığı 1-2 km olan noktalardaki küçük yerleşim birimleri için güneş ışınım verileri yeterli olduğunda, PV güç sistemleri, yalnızca ilk yatırım giderleri bile dikkate alındığında, şebekeye bağlanmak için gerekli olan yatırımdan daha kazançlı olabilmektedir. İlk yatırımın ardından, yakıt ve bakım giderleri sıfıra yakın olan PV sistemleri, bu tür uygulamalarda oldukça cazip bir seçenek olabilmektedir. ABD, Fransa, İtalya, İsviçre, Avustralya, İspanya gibi ülkelerin her birinde bu şekilde kurulmuş PV sistemlerin gücü 2 MW civarındadır. Ayrıca, şebekeden bağımsız PV sistemlerinin, iletişim, denizcilik, gözetleme kuleleri, su pompaları, kara/deniz/hava yolları ile ilgili sinyaller, petrol ve gaz hatlarında korozyondan korunma, vb uygulamaları, gün geçtikçe artmaktadır.

6 Şebekeye bağlı sistemler ise iki alt başlıkta incelenebilir. a) Şebekeye bağlı PV güç santralleri; güçleri 100 KW p ile onlarca MW p arasında değişen PV sistemlerdir. Bu sistemler, genellikle yerel enerji ihtiyaçlarını desteklemek için kurulmuşlardır. Özellikle güç ihtiyacının arttığı saatlerde yerel PV sistemlerini devreye sokacak düzenlemeler (peak-shaving uygulamaları) yapılmakta ve böylelikle şebekeye önemli oranda güç transferi yapılabilmektedir. b) Şebekeye bağlı dağıtılmış PV güç sistemleri; bina çatı ve yüzeylerine yerleştirilen bu sistemlerin güçleri tipik olarak 1 KW p -50 KW p arasında değişmektedir, son yıllarda yaygın hale gelen bu tip sistemlerde iki yönlü sayaç uygulaması ile kullanılan PV güç şebekeye verilebilmektedir. Bu tür uygulamalarda PV kurulu gücün 1995 yılı itibari ile 35 MW p olduğu sanılırken, Temmuz 1998 yılında Avusturya nın Viyana şehrinde yapılan İkinci dünya Fotovoltaik Enerji Konferansında özellikle evlerin çatılarına yerleştirilen PV sistemlerine ilginin hızla arttığı belirtilmiştir. Avrupa ekonomik topluluğu 2010 yılına kadar yaklaşık bir milyon küçük Fotovoltaik sistem hedeflemiştir. Japonya da ise 2000 yılına kadar kurulan PV sistem sayısı yaklaşık yetmiş bindir. Bu gelişmelere paralel olarak Hollanda, PV sistemlerini çatıda kur-işlet-sahip ol programını başlatmıştır. 1997 de PV Pazar hacmi 120 MW p in üzerinde gerçekleşirken, üretici firmalar bu talebi karşılamakta zorlanmaktadır. Bu gün PV sektöründe, üretilen modüllerin yaklaşık %90 kadarını silisyum tabanlı sistemler oluşturmaktadır. PV modül üretiminin çoğunluğu ABD (%44), Japonya (%20) ve Avrupa (%27) olarak bölüşürken, %9 kadar bir

7 bölümü de diğer ülkelerce gerçekleştirilmektedir. Hızla büyüyen PV pazarının 1 milyar/yıl ı çoktan aşmış durumdadır. 2010 yılı itibarı ile ABD fotovoltaik endüstrisinin 60 milyon dolarlık bir kapasiteye ulaşması beklenmektedir. Fuzzy lojik(bulanık mantık) teorisi ise; ilk olarak 1965 yılında California Üniversitesi Öğretim Üyelerinden Azerbeycan lı Prof. Dr. Lotfi Zadeh tarafından ortaya atılmıştır ve hızla gelişerek birçok bilim adamının ilgisini çeken bir konu olmuştur. 1968 de bulanık algoritmalar Zadeh ve 1970 de bulanık karar verme yöntemleri yine Zadeh ve Bellman tarafından ortaya atıldı. Prof. Dr. Zadeh 1973 te yayınladığı Kompleks Sistemlerin ve Karar Verme İşlemlerinin Analizine Yeni bir Yaklaşım adlı makalesinde fuzzy lojik teorisi ile insanın karar verme sisteminin kolaylıkla modellenebileceğini ileri sürmüştür. Bulanık mantıkla ilk kontrol, 1975 yılında Mamdani ve arkadaşları tarafından bir buhar makinesinin çalıştırılması için bulanık mantık tabanlı bir kontrolör yapımı ile gerçekleştirildi. Bu uygulama sonucunda, nonlineer kontrol sistemlerinde bulanık kontrolörlerin, diğer klasik kontrolörlere göre çok daha iyi sonuçlar verdiği gözlendi. 1978 yılında da bir çimento fırınının kontrolü bulanık kontrolör ile başarıyla gerçekleştirildi(wang, Li-Xin, 1997). 1980 lerde bulanık mantık teorisinde pek ilerleme kaydedilmemiştir. Ancak klasik kontrol yöntemlerinin uygulanamadığı sistemlerde uygulanmaya devam edilmiştir. Bu uygulamalardan biriside, Japonların ilk bulanık mantık uygulaması olan Fuji Electric su arıtma tesisinin kontrolüdür. 1983 te, dışarıdan verilen komutlarla kendi kendine park eden bir arabada bulanık kontrolör kullanıldı. Yine bu arada Hitachi den Miyamoto, Sendai metrosu için bulanık kontrol sistemi geliştirilmeye başlandı. 1987 de bu proje bitirildi ve Tokyo da

8 yapılan İkinci Uluslar Arası Bulanık Sistemler Konferansında, iki boyutlu masa tenisi oynayabilen bir robot ile birlikte, tanıtıldı. Sendai metrosundan sonra bulanık kontrol uygulamaları yeni bir ivme kazanarak endüstriyel uygulama alanları hızla artmaya başladı. Çalışmaların uluslar arası koordinasyonunun sağlanması amacı ile 1989 yılında LIFE (Laboratory for International Fuzzy Engineering) adlı bir laboratuar kuruldu. Bu laboratuar çalışmalarına Hitachi, Toshiba, Omron, Matsushita gibi Japon firmaların yanı sıra IBM, NCR ve Thomson başta olmak üzere toplam 51 firma katıldı. LIFE Laboratuarı; bulanık kontrol çalışmaları, bulanık akıllı bilgi işleme ve bulanık bilgisayar araştırmaları olmak üzere üç ayrı bölümden oluşturuldu. Daha sonra Şubat 1992 de San Diego da ilk olarak bulanık sistemler üzerine IEEE konferansı yapıldı. Günümüzde ise bulanık kontrolör uygulamalarına, metrolar, çeşitli sanayi tesisleri, robotlar, arabalar, çamaşır makineleri vb pek çok alanda devam edilmektedir. Asenkron motorlara yol verme konusunda çalışmalar ise 1980 li yıllardan sonra hız kazanmıştır. AC motor sürücüleri üzerinde çalışmalar, açık devre(geri beslemesiz) ve kapalı devre(geri beslemeli) sistemler şeklinde yürütülmektedir. Pakistanlı Muhammad H. Rashid ve Minnesota Üniversitesinden Ned Mohan, yapmış olduğu çalışmalar ve yazmış oldukları kitaplarla bu alanda öncülük etmektedirler. Thomas A. Lipo, E.R.Benedict ile birlikte bir fazlı kondansatörlü motorların hız kontrolleri konusunda, yine Thomas A. Lipo, Lixiang Wei ile birlikte AC motor sürücüleri ve Matrix konvertörler (AC-DC-AC dönüştürücüler) konusunda yapmış oldukları çalışmalarla önemli katkılarda bulunmuşlardır. Matrix konvertör çalışmaları ile birlikte üç fazlı AC motorların d-q modellemesi yapılarak çok daha hassas ve hızlı çalışan sürücüler tasarlanmıştır. Ayrıca, J.R.Camacho iki fazlı V bağlı endüksiyon motorları, Shin Kim bir fazlı motorların hız kontrolü,

9 Miroslaw Chomat iki hızlı tek fazlı endüksiyon motorları konusunda çalışmalar yapmışlardır. Ancak, genel olarak gerek yapılan akademik ve bilimsel yayınlar gerekse endüstride yapılan çalışmalar, hep ya üç fazlı senkron ve asenkron motorlar ya da DC motorların sürülmesi konusunda olup, bir fazlı kondansatörlü AC motorların tork kontrolü konusunda yeterli çalışma yapılmadığı görülmüştür. Bir fazlı kondansatör startlı asenkron motorun en güncel uygulamaları kompresörlü soğutucularda ve klimalarda yapılmaktadır. Piyasada invertörlü klima olarak adlandırılan klimalardaki motorlar ilk çalışma anında direk olarak kalkınmakta, motorun durması gereken zamanlarda ise motorun tamamen durdurulması yerine, boş çalışmaya alınarak ve frekans modülasyonu ile devir sayısı 200-300 devirlere düşürülerek çalışması sağlanmaktadır. Motorun çalışması gereken periyotlarda ise motor tekrar yüklü çalışma moduna geçirilerek ve devri nominal devre getirilerek kontrol sağlanmaktadır. Böylelikle % 40-50 enerji tasarrufu sağlandığı ilgili firma yetkililerince belirtilmektedir. Her ne kadar bu kontrol yönteminde belirtilen enerji tasarrufu sağlansa da, motor durması gereken zamanlarda, boşta dahi olsa, çalıştırıldığı için güç kayıplarına neden olmaktadır. Bu projede yapılan sistemde ise; motor ilk çalışmaya başlarken VF kontrol yapılarak sabit tork ile çalışması sağlanmaktadır. Motorun durması gereken zamanlarda ise, motor tamamen durdurulmakta, dolayısı ile sistemin boştaki kayıpları sıfır olmaktadır. Bu nedenle sistemdeki enerji tasarrufu uzun vadede % 50 lerin üzerine çıkmaktadır. Bir fazlı kondansatör startlı motorların yaygın olarak kullanıldığı kompresörlü soğutucularda ise motorlar direk olarak çalıştırılmakta, akımın düşürülmesi için herhangi bir yol verme veya kontrol sistemi kullanılmamaktadır.

10 Bir fazlı motorların tork kontrolu ile ilgili olarak Microchip firmasının da ciddi çalışmaları vardır. Bu firma, bir fazlı kondansatör startlı motorlara değişik bir kontrol yöntemi ile VF kontrol uygulamaktadır. Bu firmanın yapmış olduğu sistemlerde bir fazlı motorun yardımcı sargı devresinde kondansatör bulunmamaktadır. Ana ve yardımcı sargı arasında oluşturulması gereken 90 faz farkı, ana ve yardımcı sargıya uygulanan gerilimler ile sağlanmaktadır. H-köprü invertör veya iki fazlı invertör adı verilen bu tip kontrol sisteminde yardımcı sargıya uygulanan gerilimin fazı, ana sargıya uygulanan gerilimin fazından 90 ileride olacak şekilde ayarlanmaktadır.

3 METARYEL METOT 3.1 Giriş Projede; 36 V 12 A 500 W p lik güneş paneli, 0-48 V 50 A akım-gerilim regülatörü (akü şarj cihazı), 36 V 60 Ah sabit tesis akümülatörü, 24 V/220 V transformatör, bir fazlı multi-wave VF invertör (AA motor sürücüsü) ve 220 V'luk bir fazlı kondansatör startlı endüksiyon motoru kullanılmıştır. Güneş pilinden elde edilen DA elektrik enerjisi akü şarj cihazı aracılığı ile akümülatöre depo edilerek, akümülatörden alınan 36 V DA elektrik enerjisi önce multiwave VF invertör yardımıyla AA elektrik enerjisine dönüştürülmekte ve bir transformatör yardımıyla 220 V AA elektrik enerjisine yükseltilerek bir fazlı kondansatör startlı motor çalıştırılmaktadır. Multiwave VF invertörün üretmiş olduğu sinyaller, bağlanan yükün güç katsayısına, kalkış rampa zamanı da yükün çekmiş olduğu akıma bağlı olarak değişebilmektedir. Sistemin genel blok diyagramı Şekil-3.1 de görülmektedir. Şekil 3.1-Sistemin genel blok diyagramı

12 3.2 DC Enerji Düzeneği Sistemde DC enerji kaynağı olarak 36 V 12 A 500 W p lik güneş paneli, 0-48 V 50 A lik DC/DC akümülatör şarj edebilen akım-gerilim regülatörü (akü şarj cihazı) ve 36 V 60 Ah lik akümülatör grubu bulunmaktadır. Kompresörlü soğutucu motorunu besleyen DC enerji düzeneği kısmının blok şeması Şekil-3.2 de görülmektedir. Şekil 3.2-DC enerji düzeneği blok diyagramı 3.2.1 Güneş Paneli Fotovoltaik hücreler(güneş pilleri) güneş ışığını doğru akım elektrik enerjisine dönüştürürler ve yeterli ışık olduğu sürece enerji üretimine devam ederler. Ayrıca güneş pillerinin işletme giderleri çok düşük, güvenirlikleri de çok yüksektir. 1 W P gücünden 300 W P gücüne kadar değişik ölçülerde güneş panelleri üretilip satılmaktadır. Güneş panellerinin en büyük dezavantajı ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olmasıdır. Gelecekte maliyetlerin düşmesi ile kullanımının yaygınlaşacağı beklenmektedir. Güneş pilleri şebekeden uzak küçük ve orta ölçekli yüklerin beslenmesi için ekonomik bir seçenek olmaktadır. Güneş pillerinin kullanım süreleri yapım teknolojisine bağlı olarak 10-25 yıl aralığında değişmektedir. Güneş panelleri birden fazla seri bağlanmış foto-voltaik hücrelerden oluşur. Panellerin güçleri standart test koşullarında elde

13 edilen güce göre belirlenir. 25 C hücre sıcaklığı, 1 m/s rüzgar hızı ve 1000 W/m 2 güneş ışınımı altında elde edilen çıkış gücü maksimum güç (W P ) olarak adlandırılır. Güneş panelleri kendine özgü akım gerilim ilişkisine sahiptir ve bu ilişki IV eğrileri ile gösterilir. Üretici firmalar bu eğriyi etkileyen üç değişkenden rüzgar ve sıcaklığı sabit tutarak ışınım ile değişimini, rüzgar ve ışınımı sabit tutarak sıcaklık ile değişimini IV eğrilerinde gösterirler. Panelden maksimum gücün elde edilebilmesi için çalışma noktasının doğru seçilmesi gerekir. Işınımın gün içerisinde değişmesi ile veya yükte oluşabilecek değişimlerden dolayı çalışma noktası değişebilir. Bu değişimlerin etkisini en aza indirmek için PV sistemlerde maksimum güç noktası izleyicisi kullanılır. MPPT aslında panel gelen güneş ışınımı geliş açısının ayarlayarak IV eğrisi üzerindeki optimum çalışma noktasını belirler. Güneşin doğal olarak gün içerisinde değişmesi ve belirli saatlerde tamamen kaybolması PV enerji üretim sisteminin bağımsızlığını engeller. Mevsimlere göre de ışınım seviyesinin çok fazla değişmesi nedeniyle PV sistem tüm yıl boyunca güvenilir bir güç kaynağı olarak kullanılamaz. Bu engelleri aşmak için öncelikle PV enerji üretim sistemlerine batarya eklenir ve ışınımın olduğu sürede batarya şarj edilir, olmadığı saatlerde yük bataryadan beslenir. Batarya şarjı sırasında yük de besleneceği ve mevsimsel değişimlerden sistemin olumsuz etkilenmemesi için PV panel adedinin artırılması gerekir. Ancak, sistem boyutunun büyütülmesinin sistem maliyetini de arttıracağı göz ardı edilmemelidir. Güneş ışınımı geliş açısının mevsimlere göre değişmesi panellerden elde edilecek verimi etkileyecektir. Panellerin kurulması sırasında mevsimlere göre ayarlanabilir yapılması gerekir. Ayarlı sistemin maliyeti sabit sisteme göre daha pahalıdır. Sistemin kurulacağı

14 yer seçilirken kısmi veya tam gölgelemenin olup olmadığına dikkat edilmelidir. Gölgeleme panelden elde edilecek enerji miktarını azaltacaktır. PV paneller doğrudan DC ile çalışan cihazlara bağlanabilir veya invertör kullanılarak AC cihazlara bağlanabilir. DC ile çalışan özel üretim her tür cihaz istek üzerine satılmaktadır fakat fiyatları diğerlerine göre pahalı olduğundan tercih edilmemektedir. PV paneller bataryaya doğrudan bağlanmaz bataryaların ömrünü uzatmak için bir şarj regülatörü kullanılır. Bataryalar aşırı şarjdan ve aşırı deşarjdan korunmalıdır. Aşırı deşarjdan koruma yük regülatörü veya invertör devresine eklenen bir regülatör ile yapılır. Çalışma süresinde sistemin kurulduğu yere bağlı olarak panel yüzeyi belirli aralıklarla temizlenmelidir, elektriksel bağlantılar periyodik bakımlar sırasında kontrol edilmelidir (Engin, Mustafa, 2006). 3.2.1.1 Maksimum güç noktası izleyicisi(mppt) Maksimum güç noktası izleyicisi genel olarak bakıldığında yüksek frekansta çalışan bir DC/DC dönüştürücüdür. PV panel tarafından üretilen gücün her an maksimum değerde yüke iletilebilmesi için kullanılır. Kullanıldığında sistem verimini önemli ölçüde arttırır, fakat sistemin maliyeti yükselir. Genellikle batarya şarj eden sistemlerde şarj regülatörü ile birlikte, doğrudan AC motor süren sistemlerde ise invertör ile birlikte tasarlanır. Ancak kurulmuş olan sistemde güneş panelleri sabit açı ile monte edilmiş olup, MPPT kullanılmamıştır.

15 3.2.2 Akım-gerilim Regülatörü Akım-gerilim regülatörleri şebekeden bağımsız PV sistemlerde sistemin çalışmasını denetlemek amacıyla kullanılır. Birçok sistemde şarj regülatörü ve yük regülatörü olarak iki ayrı üniteden oluşur. Şarj regülatörü bataryaları aşırı şarjdan korurken, yük regülatörü bataryaları aşırı deşarjdan korur. Şarj regülatörü batarya gerilimini ölçerek daha önceden belirlenen voltaj seviyesine ulaşıp ulaşmadığını kontrol eder. 2 voltluk bir batarya için belirlenecek değer 2,35 V tur. Bu değere ulaşan batarya tam kapasiteye şarj edilmiştir. Eğer bu değer aşılacak olursa bataryada gazlanma başlayacaktır, gazlanmayı önlemek için şarj regülatörü şarj akımını keser. Batarya gerilimi 2,2 V seviyesine düştüğünde ise tekrar şarja başlar. Sıcaklığın bataryanın gazlanma gerilimine olumsuz etkisi vardır. Yük regülatörü ise batarya gerilimin alt seviyesini denetler, 2V luk bataryada tam boşalmanın gerçekleştiği seviye 1,81V tur. Yük regülatörü deşarj seviyesinin daha aşağıya düşmesine izin vermez ve yüke giden akımı keser. Gerilim değeri 2V a ulaşıncaya kadar tekrar yüke enerji transferi yapılmaz. Bataryaların tam şarj ve deşarj noktaları, batarya çeşidine ve üretici firmaya göre değişebilir. Regülatörlerin çoğunda bu gerilimler ayarlıdır ve istenilen değere ayarlanabilir. Ortam sıcaklığının yüksek olduğu ortamlarda gazlanma gerilimine tam şarj gerçekleşmeden de ulaşılması mümkündür. Bu nedenle, şarj regülatörlerinin gerilimin yanı sıra sıcaklığı da ölçmeleri gerekir. Regülatörlerin verimleri anahtarlama elemanına doğrudan bağlı olduğundan bu elemanın seçiminde dikkatli olunmalıdır. Regülatörler aşırı anahtarlamadan, aşırı sıcaklıktan, kademe

16 ayarlarının yanlış yapılmasından ve yıldırım düşmesi gibi çeşitli atmosferik olaylardan dolayı bozulabilir. Kurmuş olduğumuz sistemde akım-gerilim regülatörü olarak dijital fotovoltaik güç kontrolörü(ppc-d) kullanılmıştır. PPC-D, akımgerilim(u-i) karekteristiği ile 0-48 V ve 0-50 A arasında kademeli şarj etme, düşük voltaj yük koruması, kısa devre koruması, ters polarite koruması gibi özelliklere sahip bulunmaktadır. 3.2.3 Akümülatör Grubu Bataryalar (akümülatör) elektrik enerjisini kimyasal formda depolayan elektro-kimyasal elemanlardır. Üretilen enerjinin daha sonrada kullanılabilmesi amacıyla güneş enerjisi gibi yenilenebilir enerji üretim sistemleri ile birlikte kullanırlar. Foto-voltaik sistemlerde en çok kullanılan batarya tipi derin boşaltmaya izin veren kurşun-asit sabit tesis akümülatörleridir. Nikel-Kadmiyum, Nikel-Demir, ve demir-hava gibi başka daha uygun batarya türleri de vardır, ancak bu bataryaların çok pahalı ve henüz geliştirme aşamasında olmaları sebebiyle pratik uygulamalar için çok tercih edilmemektedirler. Kurşun-asit bataryalar aşırı şarjdan ve aşırı deşarjdan korunmalıdır, ayrıca uzun süreli düşük şarj seviyesinde tutulmamalıdır. İşletme şartlarına göre batarya ömürleri 5 ile 15 yıl arasında değişmektedir. İlk yatırım maliyetleri düşük olmasına rağmen bakım ve yenileme maliyetleri yüksektir. Piyasada farklı kapasite ve gerilimde bir çok batarya bulunmaktadır. Bataryaların seri bağlanarak gerilimleri, paralel bağlanarak da kapasiteleri arttırılabilmektedir. Bataryalar ile detaylı bilgi ilgili literatürden edinilebilmektedir.

17 Kurmuş olduğumuz PV sistemde 36 V 60 Ah lık sabit tesis akümülatörleri kullanılacaktır. Sistemin blok şemasında da görüldüğü gibi kompresörlü soğutucu motorunun çalışması için gerekli olan 36V DA elektrik enerjisi akümülatör grubundan karşılanacaktır. Soğutucu motorunun çalışmadığı periyotlarda akümülatörlere tampon şarj yapılacaktır. Akümülatörlerin çok deşarj olması halinde gündüz saatlerinde soğutucu motoru direk olarak güneş pilinden de beslenebilecektir (Çolak, Metin, 1991, Beklergül, Mehmet, 1999 ). 3.3 DC/AC Dönüştürücü Sistemde, DC/AC dönüştürücü kısmında multi-wave VF kontrollü invertör, fuzzy kontrolör, güç katsayısı ölçer ve yükseltici transformatör bulunmaktadır. Güneş paneli tarafından üretilen DC elektrik enerjisi önce akım-gerilim regülatörü ile akümülatör grubunda depolanmakta, daha sonra DC/AC dönüştürücü (invertör) yardımıyla AC elektrik enerjisine dönüştürülmektedir. İnvertör çıkışına bağlanan transformatör AC enerjiyi kompresörlü soğutucu motorunun çalışabilmesi için gerekli olan seviyeye yükseltmektedir. Hall-efect akım sensöründen alınan akım bilgileri ve güç katsayısı ölçerden alınan bilgiler fuzzy uzman sistem programla ile çalışan 16F877 PIC kontrolöre geri besleme yapmaktadır. PIC kontrolörde almış olduğu akım ve güç katsayısı sinyal değerlerine göre invertöre kontrol sinyallerini göndererek istenilen çıkış dalga şekillerinin elde edilmesini ve kalkış rampa zamanının ayarlanmasını sağlamaktadır. Şekil-3.3 de DC/AC dönüştürücü blok diyagramı görülmektedir.

18 Şekil 3.3-DC/AC dönüştürücü blok diyagramı 3.3.1 Multi Wave VF Kontrollü İnvertör AC ile çalışan cihazları besleyebilmek için PV sistemlerin çıkışında invertör kullanılması gerekir. İnvertör, akümülatör grubu çıkışındaki DC gerilimi şebekeye eşdeğer olan 220V-50Hz AC gerilime dönüştürür. Küçük güçlü yükleri beslemek için kurulan PV sistemlerde genellikle tek fazlı invertörler kullanılır. Büyük güçlü PV sistemlerde ise genellikle yükler üç faz ile beslendiğinden üç fazlı invertörler kullanılmaktadır. Şebekeden bağımsız çalışan(otonom) enerji üretim sistemlerinde kare dalga, PWM sinüs ve merdiven sinüs çıkış veren invertör çeşitleri kullanılmaktadır. Sinüs çıkış veren invertörler şebeke kalitesine yakın enerji sağlar. Kare dalga çıkışlı invertörler motorların çalıştırılmasında, vuruntu ve kayıplara sebep olduğu için, kullanılmaz. Genellikle aydınlatma amaçlı uygulamalarda, TV lerde ve PC lerin beslenmesinde kullanılır. Merdiven basamaklı sinüs çıkışlı invertörler ise hassas olmayan elektronik cihazların çalıştırılmasında ve bazı motorlu cihazların çalıştırılmasında kullanılır. İnvertör çıkışındaki AC sinyalin harmonik kirliliği, laser printır, buzdolabı ve motor içeren cihazların

19 düzensiz çalışmalarına neden olur. Bu tür cihazlar tam sinüs çıkışlı invertör ile çalıştırılmalıdır. Sinüs çıkış veren invertörlerin yapımı diğer invertörlere göre daha zor ve pahalıdır. Ayrıca, bu invertörlerin çıkışında filtre kullanma zorunluluğu vardır. Filtrelerde invertörün boşta ve yüklü çalışmada enerji sarfiyatlarını arttırmaktadır (Muhammed, H. Rashid, 1993). Özellikle kapasitif veya motor gibi endüktif özellikli yüklerin ilk çalıştırılma anında yüksek akım çekmeleri birçok invertörün korumaya geçmesine neden olmaktadır. Yeni üretilen invertörler nominal çıkış güçlerinin 5-6 katı çıkış gücünü kısa süreli olarak verebilecek şekilde tasarlanmaktadırlar. İnvertörlerde en iyi verim nominal çıkış gücünün %80-90 ında elde edilir, düşük güçlerde kullanımda ise verim düşer. İnvertörler yüksüz çalışmada da belirli bir enerji tüketeceklerinden, eğer mümkünse yük olmadığı durumlarda çalıştırılmamalıdır. İnvertörlerin maksimum verimde kullanılması için yüke göre invertör tasarlayarak onları maksimum verimin elde edildiği noktada çalıştırılması gerekir. Sistemde birden fazla yük kullanılması durumunda ise, her yük için ayrı invertör tasarlanmalı ve kullanılmalıdır. Birden fazla invertörün PV veya hibrit enerji sistemleri tarafından beslenmesinde bir sakınca yoktur. Şebekeye paralel bağlı çalışan invertörde frekansın şebeke frekansı ile aynı olması gerekir. Eğer invertör şebekeye enerji satmak için kullanılacaksa şebekenin reaktif gücü de dikkate alınmalıdır. İnvertör seçimi ve tasarımı yapılırken sürekli beslenecek yükün maksimum gücü dikkate alınmalıdır. Bu projede multi-wave VF kontrollü invertör kullanılmıştır. İnvertör çıkışı; kare dalga, PWM sinüs ve merdiven sinüs şeklindedir. Kompresörlü soğutucu motoru da diğer elektrik motorları gibi ilk çalışma anında fazla akım çekmektedir. Bu başlangıç akımını optimal

20 değerde tutabilmek için invertör VF kontrollü olarak tasarlanmıştır. VF kontrollü invertörlerin özelliği gerilimi ve frekansı orantılı bir şekilde arttırarak nominal değerlere ulaştırmasıdır. Böylelikle kondansatör startlı motor sabit tork ile ilk çalışmaya başlamakta, nominal gerilim ve frekans değerlerinde çalışmasını sürdürmektedir. Sistem kullanılan yükün cinsine göre çıkış sinyallerinin seçilmesi ve VF kontrolde kalkış rampa süresinin ayarlanması sistemde fuzzy kontrolör(uzman sistem) olarak adlandırılan 16F877 PIC kontrolör tarafından yapılmaktadır. Sistemde kalkış rampa sürelerinin değerleri ve çıkış sinyallerinin şekilleri 4.3 Elektriksel Bulgular bölümünde ayrıntılı olarak verilmiştir. 3.3.2 Fuzzy Kontrolör Günümüzde dijital olarak çalışan bilgisayar ve diğer kontrol cihazları gerçek dünyanın gereksinimlerine karşılık vermekte yetersiz kalmaktadır. Çünkü dijital olarak çalışan PC ve diğer kontrol cihazları bir insan gibi akıl yürütemez. Dijital kontrolde 0 ve 1 dizilerine indirgenmiş doğru yada yanlış veya var veya yok gibi önermeler kullanılır. Başka bir değişle bir lamba ya yanar ya da yanmaz, ortası yoktur. Fuzzy (bulanık) mantık ise bize daha iyi seçenekler sunmaktadır. Bulanık mantık ile ılık hava, düşük hız, genç delikanlı gibi belirsizlik veya değer yargıları içeren bulanık önermelerin üstesinden rahatlıkla gelebilecek bir yapıya sahiptir. Kısaca bulanık mantık ile lamba az veya çok yanar diyebiliriz (Alcı, Musa, Karatepe, Engin, 2002). Bulanık mantık belirsiz bir dünyanın gri, sağduyulu resimlerini üretmeleri için bilgisayarlara ve diğer kontrol cihazlarına yardımcı olan bir makine zekasıdır. Sistemleri cihazlar kontrol eder, ancak kontrol bir insan mantığı ile yapılır. Bulanık mantık genellikle doğrusal olarak değişim göstermeyen (non-lineer) sistemler için çok uygun bir

21 programlama tarzıdır. Çünkü bulanık önermeler ile çok karmaşık matematiksel modele sahip sistemler rahatlıkla kontrol edilebilmektedir. Bulanık mantık sistemlerinde kurallar çoğu zaman uzman bilgisi kullanılarak oluşturulur. Kuralları belirleyen uzman bilgisinin olmaması durumunda ise, uyum sağlama yeteneğine sahip (adaptive) bulanık mantık sistemleri kullanılır. Bu sistemler işleyiş kurallarını, insanların gerçek sistemleri nasıl kontrol ettiklerini gözlemleyerek öğrenir. Bulanık mantığın uygulama alanları çok geniştir. Çoğu otomatik kontrol sisteminin kontrol etmekte zorlandığı sistemler bulanık kontrolörlerle yapılabilir. Günümüzde bulanık kontrolörler mühendislik, fizik, biyoloji, istatistik veya ekonomi gibi pek çok alanda sistemleri modellemek ve kontrol etmek için kullanılmaktadır. Sistemde Fuzzy kontrolör olarak adlandırılan PIC kontrolörün programlanması uzman bilgisi kullanılarak yapılmıştır. İnvertörün multi wave çalışabilmesi ve VF kontrol yapabilmesi için fuzzy(bulanık) önermeler ve Look-up tablosu oluşturulmuştur. Fuzzy kontrol için, 2 girişli tek çıkışlı iki uzman sistem tasarlanarak simülasyonları yapılmış, elde edilen sonuçlar PIC kontrolöre girilerek fuzzy uzman sistem program algoritması oluşturulmuştur. Uzman sistem girişleri, hall-effect akım sensörü ve güç katsayısı ölçerden gelen akım ve güç katsayısı bilgileri, çıkışlar ise invertör çıkış sinyalleri ve kalkış rampa zamanı(t r ) olarak belirlenmiştir. 3.3.3 Güç Katsayısı Ölçer(Kosinüsfimetre) Elektrik devrelerinde omik, endüktif ve kapasitif olmak üzere üç değişik yük kullanılmaktadır. Omik sistemlerde akım ile gerilim aynı fazdadır. Başka bir değişle akım ile gerilim arasındaki açı farkı 0 dir,