PROJEM İSTANBUL ARAŞTIRMA PROJESİ FOTOVOLTAİK GÜNEŞ PANELLERİNİN GTS, MGİS VE SÜPER KONDANSATÖRLER KULLANARAK ŞEBEKE İLE PARALEL VE BAĞIMSIZ ÇALIŞMASI DURUMLARINDA VERİMLİLİĞİNİN ARTTIRILMASI Proje Yüklenicisi: Doç. Dr. Muğdeşem TANRIÖVEN Yıldız Teknik Üniversitesi Elektrik-Elektronik Fakültesi 2008-İstanbul. Bu araştırma projesi Projem İstanbul kapsamında İstanbul Büyükşehir Belediyesi tarafından hazırlatılmıştır. İstanbul Büyükşehir Belediyesi ve araştırmacının yazılı izni olmadan çoğaltılamaz ve kopyalanamaz.
İÇİNDEKİLER I. Genişletilmiş Türkçe Özet II. Genişletilmiş İngilizce Özet 1. GİRİŞ 2. SİSTEMİN TEORİSİ VE TANITILMASI 2.1. Fotovoltaik Hücrelerinin Yapısı ve Çalışma Prensibi 2.2. Fotovoltaik Hücrelerde I-V Karakteristiği ve Maksimum Güç 2.3. Maksimum Güç İzleme Sistemi(MGİS) 2.4. Güneş Takip Sistemi (GTS) A.) PANELLERIN SABIT EĞIM AÇISIYLA KONUMLANDIRILMASI b.) Sabit Panellerin Yansıtıcılarla Birlikte Kullanımı c.) Panellerin Tek Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması d.) Panellerin Çift Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması 2.5. Fotovoltaik Sistemlerde Enerji Depolanması ve Süper Kondansatörler 3. PROJENİN SEKTÖRÜN İHTİYACINA UYGUN OLARAK DÜZENLENMESİ 4. ÇÖZÜM YAKLAŞIMI 4.1. MGİS ve GTS İçin Çözüm Yaklaşımı 4.1.1. MGİS 4.1.2. GTS 4.2. Fotovoltaik Beslemeli Aydınlatma Düzeneği İçin Çözüm Yaklaşımı 5. PROJE KAPSAMINDA GERÇEKLEŞTİRİLEN ÇALIŞMALAR 5.1. Simülasyon Çalışmaları
5.1.1. Süper Kondansatör-Akü Hibrit Enerji Depolama Sistemi Simülasyonu 5.2. Prototip Bir Sistem Üzerinde MGİS ve GTS Uygulaması ve Sonuçları 5.3. Fotovoltaik Beslemeli Hibrit Aydınlatma Düzeneği Uygulaması ve Değerlendirmesi 5.4. Ekonomik Analiz 6. SONUÇLAR VE DEĞERLENDİRME KAYNAKLAR Laboratuar Test Ortamına ait Fotoğraflar I. Genişletilmiş Türkçe Özet Güneş ışınımlarını direkt olarak elektrik enerjisine dönüştüren fotovoltaik güneş enerjisi sistemlerinin günümüzde kullanımı giderek yaygınlaşmaktadır. Günümüzde fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri daha yaşanabilir bir İstanbul için çalışmalar yapan İstanbul Büyükşehir Belediyemiz tarafından da birçok uygulamalarda kullanılmaktadır. Bunun en büyük nedeni elektriğin ilgili cihaza(yüke) ulaştırılmasının bazı durumlarda çok zor olmasıdır. Bu tür zorlu durumlar için fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri bazen doğru bir seçim olabilmektedir. Örneğin, çok şeritli otoyollar arasındaki ikaz ışıkları, yol sınır butonları ve levhaları, boğaz boyunca uzanan deniz fenerleri vb. Güneş enerjili ikaz lambası Güneş enerjili yol sınır butonu
Güneş enerjili deniz feneri Fotovoltaik güneş enerjisi sistemlerinin ilk yatırım maliyetleri yüksek ancak, yakıt-enerji maliyeti söz konusu olmadığından işletme maliyetleri çok düşüktür. Bu yapıların ilk yatırım maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle ilgili yük için boyutlandırılması, boyutlandırma yapılırken de sistemin verimi önem arz etmektedir. Yaptığımız bu çalışmada sistemin verimliliğinin artırılması için bazı yöntemler uygulanmıştır. Bu yöntemler, güneş ışınımlarından optimum bir şekilde faydalanmak üzere Güneş Takip Sistemi (GTS) ve sistemden yüke maksimum güç aktarımını sağlayan Maksimum Güç İzleme Sistemidir (MGİS). Ayrıca, enerji depolama ünitelerinde aküler yerine süper kondansatörler kullanılıp kullanılamayacağı ve tüm sistemin şebeke ile paralel ve bağımsız çalışması durumları da incelenmiştir. 1.1.1.1.1 Güneş Takip Sistemi (GTS) Fotovoltaik yapılarda elde edilen elektriksel çıkış gücü panele düşen güneş ışığı miktarı ile doğru orantılıdır. Gün içerisinde güneş ışınları farklı açılarla yerküremize ulaşmaktadır. Dolayısıyla panellerinden maksimum elektrik enerjisi elde edebilmek için, fotovoltaik sistemin güneş yörüngesini takip etmesi ile mümkündür. Güneş yörüngesini takip edip ışınımlardan maksimum seviyede faydalanmayı amaçlayan bu sisteme güneş takip sistemi (GTS) denir. Güneş takibi tek eksende yapılabildiği gibi daha yüksek verimlilik için iki eksende de gerçekleştirilebilir. Böylelikle hem dünyanın günlük hareketi sonucu oluşan doğu-batı ekseninde ışınımın yön değiştirmesinin hem de dünyanın yıllık hareketi sonucu oluşan kuzey-güney ekseninde ışınımın yön değiştirmesinin sistem üzerine zayıflatıcı etkileri azaltılabilmektedir.
Tek eksende güneş takibi Çift eksende güneş takibi 1.1.1.1.2 1.1.1.1.3 Maksimum Güç İzleme Sistemi (MGİS) Fotovoltaik sistemler genelde iki farklı çalışma durumuna sahiptir. Birinci çalışma durumunda, direkt yüke bağlı olarak yükü beslerken, İkinci çalışma durumunda, güneş panellerinden enerji elde edilemediği güneş ışınımının olmadığı zaman dilimlerinde sistemin enerji devamlılığının sağlanması için enerjinin depolanmasını sağlarlar. Elektrik enerjisinin depolanmasında yaygın olarak akümülatörler kullanılmaktadır. Fotovoltaik yapı direkt yükü beslediği birinci durumda yük gerilimlerinde, ihtiyaç fazlası enerjinin depolanmasında görev aldığı ikinci durumda ise akümülatör gerilimlerinde çalışmaya zorlandığından güneş panellerinden maksimum güç aktarımı yapılamamaktadır. Güneş panellerinden maksimum güç aktarımı yapabilmek için yapısında kontrol edilebilir bir DC-DC dönüştürücü barındıran sistemlere ihtiyaç duyulur. Panelleri, yük veya akümülatör gerilimlerinden bağımsız kılan bu kontrollü arabirime maksimum güç izleme sistemi (MGİS) denir. Maksimum güç takip sistemlerinin temel amacı, panel üzerine düşen ışınım seviyesinde panelden elde edilebilecek maksimum gücün yüke veya depolama sistemine aktarılmasıdır. Panel DC-DC Dönüştürücü Akümülatör Kontrolör Güç Kaynağı Gösterge Geri Besleme MGİS ye ait blok şeması ve uygulama devresi Bu sistem, kontrollü bir DC-DC dönüştürücü ve kapalı çevrim bir geri besleme ile oluşturulmuş ve bu sistemin kontrolü bir mikro denetleyici tarafından yapılmıştır. 1.1.1.1.4 1.1.1.1.5 Sonuçlar ve Değerlendirme 1) Fotovoltaik sistemler için süper kondansatörlerin batarya ömrüne olumlu etkisi ve sadece süper kondansatörler kullanılacak ise depolama sisteminin ömrü üzerine ciddi katkıları gözlenmiştir. Bununla birlikte kurulum üzerine getirdiği ek maliyetlerinin yüksekliği sistem tasarımında göz önünde bulundurulmalıdır. 2) Fotovoltaik sistemlerin şebekeye bağlanabilmesine ait yönetmeliklerin henüz hazırlanmamış olması nedeniyle şu an şebekeye paralel yapılar oluşturulamamaktadır ancak, şebekeye bağlanabilen sistemlerde depolama üniteleri kullanılmaması büyük bir avantajdır. Buna karşın şebekeye entegre olabilen inverterler oldukça maliyetlidir.
3) Fotovoltaik sistemlerde verim artışı için yöntemler kullanılacak ise; a) MGİS birinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü, i) % 10 verim artışı sağlanmaktadır. ii) Düşük maliyetlidir. iii) Hızlı geri ödeme süresine sahiptir. b) MGİS+Tek eksen takip ikinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü, i) % 30 verim artışı sağlanmaktadır. ii) Yüksek maliyetlidir iii) Bakım gerektirir / Arıza olasılığı vardır. c) MGİS+Çift eksen takip ikinci öncelikli olarak tercih edilmelidir. Çünkü, i) % 46 verim artışı sağlanmaktadır. ii) Çok yüksek maliyetlidir. iii) Bakım gerektirir / Arıza olasılığı tek eksenliye göre daha fazladır. Test Laboratuarı 30 Watt gücünde bir fotovoltaik güneş paneline ait yer düzlemine ve panele gelen ışınımları ve elektriksel çıkış gücünü farklı topolojiler için gösteren grafikler aşağıda verilmiştir.
Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS yok Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS var GTS var(tek Eksen) MGİS yok
GTS var(tek Eksen) MGİS var GTS var(çift Eksen) MGİS yok GTS var(çift Eksen) MGİS var
1.1.1.1.6 Farklı Topolojilerde Panel Çıkış Güçleri II. Extended English Absract Solar radiation is converted directly into electrical energy by photovoltaic solar
energy systems, of which use are becoming increasingly common nowadays. Todays, photovoltaic solar energy systems is also used in many applications by the Istanbul Metropolitan Municipality, which study for more livable Istanbul. That's the biggest reason for the device related to electricity (load) is very difficult in some cases been reached. Photovoltaic solar energy systems sometimes can be a correct choice for this type difficult situations. Multi-lane highway between the warning lights, road border of buttons and signs and the lighthouse along the bosphorous, etc. are the some example 1.1.1.1.7 border Solar energy powered warning lamp Solar-energy powered road button Solar powered lighthouse Altough the high initial investment costs of photovoltaic solar energy systems, operating costs are very low because of free fuel-energy costs. Due to high initial investment costs of these systems, the sizing and the efficiency of the system is is very important. In this work we have implemented some methods for increasing the efficiency of the system. These methods are Solar Tracking System (STS), which is an optimal way to make use of solar radiation and maximum power point tracking (MPPT) system to to transfer the Maximum Power to the load. Also as an energy storage unit, the super-capacitor instead of the battery is considered for the stand alone and grid connnected oparation.
Solar Tracking System (STS) Electrical output power obtained from photovoltaic panels is directly proportional with the amount of sunlight in the structures fall. The sun rays reach to Earth in different angles during Dalights. Therefore, the maximum electrical power obtained from the panel is possible only by tracking the sun path by the solar photovoltaic system. This method is called solar tracking system (STS). As in single-axis sun tracking, two axes tracking can also be realized for higher efficiency. Thus, the augmentationvin in solar radiation by the reason of the world's daily movements in the east-west axis, as well as the world's annual motion in the South-North motion cen be reduced. Single axis solar tracking Two axis solar tracking 1.1.1.1.8 1.1.1.1.9 Maximum Power Point Tracking (MPPT) Photovoltaic systems usually have two different operating conditions. The first case, the system is connected directly feeding the load. In the second operation mode, the energy storage provides the energy to ensure continuity of the system during the period that solar panels can not obtained the energy from the solar radiation. Batteries are used widely for the electrical energy stored. Naturally, photovoltaic system in the first mode feeds the the system at load voltage, while feeds the energy storage at batteries voltage in the second operating mode, which prevent from MPPT operation. To make maximum power point transfer from the solar panel, we need a system having DC-DC converter. this voltage load-controlled interface system is called maximum power point tracking system (MPPT) which makes the PV panels oeration independent of battery or load voltage. The main goal of maximum power tracking system, is to transfer the maximum power to load or energy storage system at the level of radiation falling on the panel.
Results and Evaluation The block diagram of MPPT and application circuit. 1) The use of super capacitor for photovoltaic systems has the positive impact on the battery life. However, the additional costs brought on the installation should be considered in system design. 2.) Because of the regulations are not yet prepared related to grid connected operation, the connection of Photovoltaic systems have not been implemented for the moment. Moreover, the inverters that can be integrated to the network is very costly. 1.1.1.1.10 1) If the methods to increase the efficiency of the photovoltaic systems is to be used; a) MPPT as the first priority should be preferred. Because; i) 10% efficiency increase is provided. ii) has low cost. iii) has speedy payback period. b) Single-axis sun tracking + MPPT should be preferred as the second priority. Because, i) 30% increase in efficiency is provided. ii) has high installation cost iii) Requires maintenance / has failure possibility. c) Two-axis STS + MPPT should be preferred as the third priority. Because, i) 46% increase in efficiency is provided. ii) has very high installation cost. iii) Requires maintenance / It has more failure possibility than that of single axis STS.
Test Bench The power and solar radiation at PV plane level and at earth surface level for 30 Watt are given as in the following figures for diffrent topologies. Fixed Panel (No STS) and No MPPT Fixed Panel (No STS) and there is MPPT
There is STS and no MPPT There are both STS and MPPT There are two axix STS and No MPPT
There are both two axix STS and MPPT 1.1.1.1.11 PV Panel power outputs for different topologies
Fotovoltaik Güneş Panellerinin GTS, MGİS ve Süper Kondansatörler Kullanarak Şebeke ile Paralel ve Bağımsız Çalışması Durumlarında Verimliliğinin Arttırılması ÖZET Bu proje kapsamında kullanımı yerel yönetimler tarafından giderek yaygınlaşan fotovoltaik güneş enerjisi sistemleri incelenmiş ve verimliliği artıran iki yöntemin değerlendirilmesi yapılmıştır. Bu yöntemler, güneş ışınımlarından optimum bir şekilde faydalanmak üzere Güneş Takip Sistemi (GTS) ve sistemden yüke maksimum güç aktarımını sağlayan Maksimum Güç Takip Sistemidir (MGTS). Güneş takip sisteminde gün içerisinde farklı açılarla yeryüzüne ulaşan güneş ışınımlarının açıları bir takip edici ile tespit edilmekte ve bu açılarla panellerin konumlandırılması prototip bir uygulamada gösterilmiştir. Maksimum güç takip sisteminde ise fotovoltaik yapılardan alınabilecek olan elektriksel gücün, yük veya çevresel şartlardan ötürü alınamamasının minimal seviyeye indirilmesi amaçlanmıştır. Bu sistem, kontrollü bir DC-DC dönüştürücü ve kapalı çevrim bir geri besleme ile oluşturulmuş ve bu sistemin kontrolü bir mikro denetleyici tarafından yapılmıştır. Fotovoltaik yapılarda yukarıda bahsedilen verimliliği artırıcı yöntemler, gerçek uygulamadaki etkinliklerin belirlenmesi amacı ile dış aydınlatma mekânlarından park, bahçe aydınlatması için uygun olacağını düşündüğümüz bir aydınlatma düzeneği üzerinde uygulanmıştır. Bu şekilde Büyük Şehir Belediye ve ilgili sektör olan Şehir Aydınlatma ve Enerji Müdürlülüğü için ekonomik ve uygun kalitede aydınlatma sağlayan ve şebekeden bağımsız olarak çalışabilen bir aydınlatma düzeneği oluşturulmuştur.
1. GİRİŞ Tarihsel gelişim içerisinde elektrik enerjisi ihtiyacını karşılamak üzere ilk olarak fosil yakıtları kullanan sistemler kullanılmıştır. Fosil yakıt rezervlerinin hızla tükeniyor olması ve özellikle 20. Yüzyılın son çeyreğinde baş gösteren fosil yakıtlarındaki maliyet artışı enerji piyasasına da yansımıştır. Artan fosil yakıt fiyatlarına paralel olarak birim elektrik enerjisi fiyatları da yükselmiştir (Fahrenbruch ve Bube, 1983). Bununla birlikte fosil yakıtların çevreye verdiği onarılması zor zararların dünya gündemine girmesi tüm ülkeleri alternatif enerji kaynaklarına yönlendirmiştir. Alternatif enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisi çok eski tarihlerden bu yana ısıtma ve sıcak su elde etmek amacıyla birçok uygulamada kullanılmış olmasına rağmen güneş enerjisini direkt elektrik enerjisine dönüştüren sistemler oldukça yenidir. Güneş pilleri adıyla anılan bu dönüştürücü sistemler ilk olarak uzay çalışmaları için geliştirilmiş; daha sonra şebekeden bağımsız yani, güç üretim merkezine uzak olan deniz fenerleri, orman gözetleme kuleleri, telekomünikasyon istasyonları, dağ evleri gibi yerlerde enerji ihtiyacını karşılamak üzere kullanılmaya başlanmıştır (Fahrenbruch ve Bube, 1983). Güneş enerjisi sistemleri ile şebekeden bağımsız halde herhangi bir yük beslenebildiği gibi enterkonnekte sisteme bağlanmak suretiyle de enerji üretimi yapabilmektedirler. Ancak güneş pili yapılarının verimlerinin çok yüksek olmayışı ve kurulum maliyetlerinin yüksek olması nedeniyle birim enerji fiyatı enterkonnekte sistemden alınabilecek enerjinin birim enerji fiyatından pahalıdır. Bunun için güneş pili yapılarında verimliliğin arttırılması için birçok yöntem geliştirilmiştir.
Güneş pilleri foton enerjisini kullanarak güneş ışığından elektrik enerjisi üretirler. Buradan elde edilen elektriksel çıkış panele düşen güneş ışığı miktarı ile doğru orantılıdır. Gün içerisinde güneş ışınları farklı açılarla yerküremize ulaşmaktadır. Dolayısı ile güneş pilleri maksimum elektrik enerji çıktısı elde etmek için güneş yörüngesini takip etmesi ile mümkündür. Güneş yörüngesini takip edip ışınımlardan maksimum seviyede faydalanmayı amaçlayan bu sisteme güneş takip sistemi (GTS) denmektedir. Güneş pilleri doğru akım üreten yapılar olup pillerin seri veya paralel bağlanması ile verebilecekleri akım-gerilim seviyeleri değiştirilebilir. Bu şekilde birden çok güneş pilinin birbirleriyle seri veya paralel bağlanmasıyla oluşturulmuş tümleşik yapıya güneş paneli denilmektedir. Güneş panellerinden güneş ışınımının olmadığı zaman dilimlerinde enerji elde edilemediğinden ve bu zaman dilimlerinde sistemin enerji devamlılığının sağlanması için gün içerisinde üretilen ihtiyaç fazlası enerjinin depolanması gerekmektedir. Elektrik enerjisinin depolanmasında yaygın olarak akümülatörler kullanılmaktadır. İhtiyaç fazlası enerjinin depolanması esnasında güneş panelleri akümülatör, yük ile çalışırken yük gerilimlerinde çalışmaya zorlandığından genelde güneş panellerinden maksimum güç aktarımı yapılamamaktadır. Güneş panellerinden maksimum güç aktarımı yapabilmek için ise kontrol edilebilir bir DC-DC dönüştürücü olan maksimum güç takip sistemleri (MGTS) kullanılabilmektedir. Bu proje çalışmasında güneş panellerini belirli zaman aralığıyla güneşe dik konumlandıran güneş takip sistemi (GTS) ve güneş panellerinden depolama ünitesine maksimum güç transferi yapmak üzere geliştirilmiş bir maksimum güç takip sisteminin (MGTS) benzetimi ve uygulama çalışması yapılmıştır. Uygulamanın başarısını ortaya koyabilmek amacı ile birbiri ile özdeş iki adet LED li aydınlatma kulesi kullanılmıştır. Her iki kulede
enerjisini fotovoltaik güneş panellerinden almaktadır. Birinci panel klasik şarj ünitesi ve aküden oluşurken diğer panele verim artırıcı yöntemler kullanılmıştır. Ayrıca sistemin uygulama etkinliğini artırmak amacı ile detayları aşağıdaki bölümlerde anlatılmış olan hibrit aydınlatma düzeneği kullanılmıştır. 2. SİSTEMİN TEORİSİ VE TANITILMASI 2.1. Fotovoltaik Hücrelerinin Yapısı ve Çalışma Prensibi Bir fotovoltaik hücresinin çalışma prensibi klasik p-n jonksiyonlu diyot ile çok benzerdir. Işık jonksiyon tarafından absorbe edilince, absorbe edilmiş foton enerjisi malzemenin elektron yapısına aktarılır ve jonksiyon civarında oluşan boşluk bölgesinde, ayrışan yük taşıyıcıların oluşmasına neden olur. Jonksiyon bölgesindeki elektrik yükü taşıyıcıları bir potansiyel oluşturur ve harici bir devre üzerinde akım sirkülâsyonu olur. I 2.R devre elektrik enerjisine dönüşen güç olup, geriye kalan ve elektrik enerjisine dönüşmeyen foton gücü fotovoltaik hücrenin sıcaklığını arttırır. Işık e n - kontağı n Foton Birikmiş negatif yükler Elektron Foton p - kontağı V p ( ) Delik (-) Boşluk Bölgesi I Birikmiş pozitif yükler Şekil 1. Fotovoltaik hücre yapısı ve çalışması Dış devreye bağlanan iletkenler delikleri iletemeyeceğinden dolayı sadece elektronlar dış devre boyunca akar. n kontağı üzerinde biriken elektronlar n-den p ye doğru ve yüzeyinde deliklerle birleşerek devreyi yamamlar.
Bir fotovoltaik hücresinin basit yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Foto akımlarını toplamak için jonksiyonun her iki tarafına metal kontaklar yerleştirilmiştir. Hücrenin ön yüzü, yansıtmayı minimum seviyede tutacak ve mümkün mertebe çok miktarda ışığı yutacak anti yansıtıcı bir kaplama ile kaplıdır. Ayrıca mekanik koruma için en dış yüzeyi koruyucu bir cam ile kapalı olup, bu cam saydam bir yapıştırıcı ile sisteme tutturulmuştur. AKIM Cam kaplama Anti-yansıtıcı Saydam yapıştırıcı Üst kontak n- tipi yarı iletken elektron p- tipi yarı iletken delik Alt kontak Şekil 2. Bir fotovoltaik hücrenin katmanları 2.2. Fotovoltaik Hücrelerde I-V Karakteristiği ve Maksimum Güç Bir fotovoltaik hücreye ilişkin akım-gerilim ilişkisi aşağıdaki gibi çizilebilir. Şekil 3. te gösterilen A noktası, maksimum gücün elde edildiği noktadır.
4 Isc Imax A 3 Akım (A) 2 1 0 0 5 10 15 Vmax 20 Voc 25 Gerilim (V) Şekil 3. Bir fotovoltaik hücrenin I-V karakteristiği Fotovoltaik hücreler doğru akım ürettiklerinden bir panelden yüke aktarılan güç ifadesi, P V I şeklindedir. Bu güç ifadesi kullanılarak Şekil 4. de bir güneş paneline ait akım-gerilim ve aynı panele ait güç-gerilim karakteristiği üzerinde maksimum güç noktası (MGN) gösterilmiştir (Volker, 2005). P max I mgn MGN V mgn Şekil 4. Fotovoltaik panele ait I V ve P V karakteristikleri üzerinde maksimum güç noktası Şekilden de görüldüğü gibi bir fotovoltaik panelden belirli bir akım-gerilim noktasında maksimum güç alınabilmektedir. Sistemden maksimum gücü elde edebilmenin iki önemli ölçütü vardır. i.) Eğer sistem herhangi bir kontrol işlemi yapılmaksızın çalıştırılır ise, bu durumdaki çalışma noktası, yükün I-V karakteristiği ile kaynağın I-V karakteristiğinin kesiştiği nokta
olur. Yani kaynak maksimum güç noktasında sürekli olarak çalışmaz. Çünkü kaynağın maksimum güç noktası gün içerisinde sürekli olarak değişir. Bu değişime yükünde değişimi ilave edilir ise, sistem doğal halinde MGN noktasında çalışmaz. Bu durum maksimum güç izleme sistemi ile giderilebilir. ii.) İkinci olarak kaynağın P-V karakteristiği üzerindeki MGN noktası panele gelen güneş radyasyonun dik bileşen büyüklüğü ile orantılıdır. Yani panelin normali ile güneş ışınımlarının arasındaki açı sıfıra ne kadar yakın ise, MGN noktası o oranda büyüyecektir. Kısaca güneş takip sistemlerinin fotovoltaik panele monte edilmesi ile güneş ışınımlarından maksimum fayda sağlanmış olacaktır. 2.3. Maksimum Güç İzleme Sistemi(MGİS) Güneş panellerinden maksimum güç aktarımı yapabilmek için yapısında kontrol edilebilir bir DC-DC dönüştürücü barındıran sistemlere ihtiyaç duyulur. Panelleri, yük veya akümülatör gerilimlerinden bağımsız kılan bu kontrollü arabirime maksimum güç İzleme sistemi (MGİS) denir. Maksimum güç izleme sistemlerinin temel amacı, panel üzerine düşen ışınım seviyesinde panelden elde edilebilecek maksimum gücün yüke veya depolama sistemine aktarılmasıdır. Şekil 4. ten de görüldüğü gibi bir fotovoltaik panelden sadece belirli bir akım-gerilim noktasında maksimum güç alınabilmektedir. Bir fotovoltaik panele ait maksimum güç noktası, güneşten gelen ışınım, ortam sıcaklığı vb. gibi şartlara bağlı olduğundan bu nokta değişkendir. Şekil 5. te örnek bir fotovoltaik panelin farklı ışınımlar altında I-V karakteristiği üzerinde maksimum güç noktaları gösterilmiştir (Salas vd. 2006).
MAKSİMIUM GÜÇ NOKTASI (MGN) MGN MGN MGN Şekil 5. Fotovoltaik panelin farklı ışınımlar altında I V karakteristiği ve maksimum güç noktaları Güneş panellerinin I-V karakteristiği üzerine gelen ışınıma bağlı olarak her ışınım değeri için farklılık gösterir. Bu durumda her bir farklı I-V karakteristiği için farklı maksimum güç noktaları söz konusudur. Maksimum güç noktasını değişken kılan bir diğer faktör ise sıcaklıktır. Şekil 6. da farklı sıcaklık seviyelerinde panele ait akım-gerilim karakteristiği ve bu karakteristik üzerinde maksimum güç noktaları gösterilmiştir. MGN MGN MGN I V Şekil 6. Üç farklı sıcaklık seviyesinde fotovoltaik hücreye ait I V karakteristiği ve maksimum güç noktaları
Sıcaklık artışı güneş panellerinin çalışmalarına olumsuz etkimekte ve verimlerini düşürmektedir. Akım-gerilim karakteristiklerine dikkat edilirse ışınımın akım üzerinde, sıcaklığın ise gerilim üzerinde etkin olduğunu söylenebilir (Salas vd. 2006). Maksimum güç izlemesi yapan sistemler, güneşten gelen ışınım ve sıcaklık gibi faktörler nedeniyle maksimum güç noktası değiştiğinden, panelden maksimum verimin alınabilmesi için maksimum güç noktasının daima takip edilmesini sağlayan ve fotovoltaik sistemi bu noktada çalıştıran bir elektronik devredir. Güneş takip sistemi gibi mekanik bir yapıya sahip değildirler; ancak güneş takip sistemleri ile birlikte kullanılabilirler. MGİS ler güneş panellerinin sürekli maksimum güç noktasında çalışmasını sağlayarak maksimum güç aktarımını sağladıkları gibi, her zaman maksimum güç aktarımı sağladığından ihtiyaç duyulan aynı enerji miktarı için kullanılacak olan güneş panellerinin sayısının azalmasına yol açarak maliyetlerin de azalmasını sağlamaktadırlar. Fotovoltaik yapılar ile yük veya akümülatör grupları arasındaki güç aktarımındaki uyumsuzluğu gidermek üzere birçok devre yapısı oluşturulmuştur. Birçok MGİS yapısında bir DC-DC dönüştürücü veya anahtarlamalı güç kaynağı (AGK) bulundurmakta ve fotovoltaik hücre ile yük arasında görev yapmaktadır (Salameh, 1988). MGİS ler de genelde yükseltici, alçaltıcı veya hem yükseltici hem de alçaltıcı olan anahtarlamalı güç kaynağı yapıları kullanılmakta ve bütün çeşitler açık çevrim veya kapalı çevrim bir kontrol devresi bulundurmaktadır (Batcheller, 1993). MGİS de bulunan anahtarlamalı güç kaynağı yapısı, yükün çalışmakta olduğu gerilimden bağımsız olarak fotovoltaik paneli maksimum gücün sağlandığı gerilimde çalıştırma görevini yerine getirmektedir. Geri
beslemeli kontrol devresi ise, çalışma durumuna göre giriş-çıkış gerilim oranlarını daima en uygun seviyede tutmaya çalışmaktadır. Şekil 7 de dönüştürücülü bir MGİS ye ait blok diyagramı gösterilmiştir (Batcheller, 1993). PV PANEL MGİS DC-DC DÖNÜŞTÜ- RÜCÜ YÜK GERİ BES. KONTROL D. Şekil 7. MGİS blok diyagramı
2.4. Güneş Takip Sistemi (GTS) Dünyamızın günlük ve yıllık hareketi nedeniyle güneşten yeryüzüne gelen ışınımların açısı değişmektedir. Dolayısı ile güneş pillerinden maksimum elektrik enerjisi elde edebilmek için, fotovoltaik sistemin güneş yörüngesini takip etmesi ile mümkündür. Güneş yörüngesini takip edip ışınımlardan maksimum seviyede faydalanmayı amaçlayan bu sisteme güneş takip sistemi (GTS) denir. Güneş takip sistemine sahip olmayan fotovoltaik yapılar ışınım yoluyla ulaşan bu enerjiden belirli bir seviyenin üstünde faydalanamazlar. Bu nedenle, bu proje ile GTS ye sahip olan fotovoltaik yapıların böyle bir sisteme sahip olmayan yapılardan daha verimli oldukları ortaya konulmaya çalışılmıştır. Günümüzde kullanılmakta olan düzlemsel fotovoltaik güneş panelleri genel olarak dört farklı biçimde yerleştirilmektedir. E.) PANELLERIN SABIT EĞIM AÇISIYLA KONUMLANDIRILMASI Bu tür konumlandırma, Şekil 8. de gösterildiği gibi panelin kuzey güney doğrultusu üzerine sabit bir eğim açısıyla, kuzey yarım kürede ise güneye, güney yarım kürede ise kuzeye yönlendirilmesiyle sağlanır (Batman, 1991). Sabit eğimli güneş panelleri bulundukları bölgenin enlem açısından farklı eğimlerle yerleştirilebilmektedir.
Şekil 8. Güneş panelinin sabit açılı konumlandırılması f.) Sabit Panellerin Yansıtıcılarla Birlikte Kullanımı Sabit eğimli, hareketsiz paneller ışınım alma oranını arttırmak üzere yansıtıcı yapılar ile birlikte kullanılabilmektedir (Şekil 9.). Böylelikle güneşten gelen direkt ışınımlar ile yansıtıcı yapıdan yansıyan ışınımların toplamı panele etkimektedir. Etkiyen bu ışınımlar yansıtıcısız panellere göre daha fazla olduğundan bu yapılar yansıtıcısız panellere göre daha yüksek güç üretim yoğunluğuna sahiptir (Matsushima, 2002). Güneş Paneli Yansıtıcı Yatay Düzlem Eğim Açısı Şekil 9. Sabit panellerin yansıtıcı ile birlikte kullanımı g.) Panellerin Tek Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması Panellerin tek eksenli dönebilir şekilde konumlandırılması genelde Şekil 10. da gösterildiği gibi panellerin kuzey-güney doğrultusu üzerine sabit bir açı yaparak ve mekanizmanın paneli dönme ekseni etrafında (doğu-batı doğrultusunda) döndürebilecek şekilde dizayn edilmesiyle sağlanır (Gilbert, 2004).
Şekil 10. Güneş panellerinin tek eksende dönebilir şekilde konumlandırılması h.) Panellerin Çift Eksende Dönebilir Şekilde Konumlandırılması Panellerin çift eksenli dönebilir şekilde konumlandırılması Şekil 11. de gösterildiği gibi panellerin bir mekanizma sayesinde hem kuzey-güney doğrultusunda hem de doğu-batı ekseninde döndürebilecek şekilde dizayn edilmesiyle sağlanır. Şekil 11. Güneş panellerinin çift eksende dönebilir şekilde konumlandırılması 2.5. Fotovoltaik Sistemlerde Enerji Depolanması ve Süper Kondansatörler
Fotovoltaik sistemler genelde iki farklı çalışma durumuna sahiptir. Birinci çalışma durumunda, direkt yüke bağlı olarak yükü beslerken, ikinci çalışma durumunda, güneş panellerinden enerji elde edilemediği güneş ışınımının olmadığı zaman dilimlerinde sistemin enerji devamlılığının sağlanması için enerjinin depolanmasını sağlarlar. Elektrik enerjisinin depolanmasında yaygın olarak akümülatörler kullanılmaktadır. Son yıllarda yapılan çalışmalarda, akümülatörlerin yanı sıra, süper kondansatörlerinde kullanılması üzerine çalışmalar yapılmaktadır. Süper kondansatör temel olarak elektrolitik kondansatörler yapısında olmasına rağmen içyapısında yapılan değişiklerle aynı hacimde çok daha büyük bir sığaya sahip olan bir enerji depolama aygıtıdır.
Doğru gerilim ile çalışmaları ve günümüzde gelişen teknolojisiyle enerji yoğunluklarının aküler seviyesine doğru artması nedeniyle alternatif bir enerji depolama aygıtı olarak fotovoltaik yapılarla kullanılması gündemde olan yapılardır. Akülerden en büyük avantajı dolma boşalma ömürlerinin yaklaşık 1000 kat fazla olması ve yüksek güç yoğunluğuna sahip olmasıdır. Buna karşın yüksek bir maliyeti vardır. Bunları maddeler halinde yazarsak, Güç yoğunluğu bataryalara göre oldukça yüksektir. Ömürleri (Dolma boşalma çevrimi) bataryalara göre çok fazladır. (1000000 kez doldurulup boşaltılabilirler.) Pahalıdırlar. 3. PROJENİN SEKTÖRÜN İHTİYACINA UYGUN OLARAK DÜZENLENMESİ
Literatür ve prototip model üzerinde yapılan çalışmalar sonucu proje çıktılarının bir uygulama üzerinde gösterilmesinin daha uygun olacağı kanaati oluşmuştur. Örneğin güneş enerjili bir park aydınlatma aygıtını projede belirtilen sistemlerle destekleyerek proje sonucunda beklenen fayda ve katkıları daha net bir şekilde ortaya koymak mümkün olacaktır. Ayrıca bu durumda araştırma projesi belediye ve ilgili Şehir aydınlatma ve Enerji müdürlülüğü için sadece yazılı bilgilerde kalan bir proje olmaktan çıkıp sonuçları kullanılabilir bir çalışma olabilecektir. Bu nedenle, fotovoltaik yapılarda yukarıda bahsedilen verimliliği artırıcı yöntemler, gerçek uygulamadaki etkinliklerin belirlenmesi amacı ile dış aydınlatma mekânlarından park, bahçe aydınlatması için uygun olacağını düşündüğümüz bir aydınlatma düzeneği üzerinde uygulanmıştır. Bu amaçla; alçak basınçlı sodyum buharlı ve LED lerden oluşan bir park aydınlatma düzeneği oluşturulmuştur ve projenin nihai çıktıları oluşturulan bu aydınlatma aygıtı üzerinde uygulanmıştır. Bu şekilde Büyük Şehir Belediye ve ilgili sektör olan Şehir Aydınlatma ve Enerji Müdürlülüğü için hem ekonomik ve hem de uygun kalitede aydınlatma sağlayan ve şebekeden bağımsız olarak çalışabilen bir aydınlatma düzeneği için gerekli düzenlemeler ve tavsiyeler ortaya konmuştur. 4. ÇÖZÜM YAKLAŞIMI 4.1. MGİS ve GTS İçin Çözüm Yaklaşımı 4.1.1. MGİS Maksimum güç izleme sisteminin oluşturulması amacı ile Tepeye Tırmanma algoritması kullanılmıştır. Bu amaçla fotovoltaik sisteme deneme amaçlı gerilim artırımı ve azatlımı yapılır ve çıkış gücünde oluşan değişimlere bakılarak karar verilir. Bu algoritmada bir döngü süresinde aşağıdaki basamaklar adım adım uygulanır.
i. Çevrim içi süreyi değiştirerek N gerilim oranını değiştir. ii. iii. iv. Bir önceki çevrimde fotovoltak panelden alınan güç ile yeni çevrimde alınan güç değerini karşılaştır. Eğer bir önceki çevrimde alınan güç değeri yeni güç değerinden büyükse gerilimin artım veya azalım yönünü değiştir. Başa dönerek döngüyü tekrarla Şekil 12. de uygulanan algoritma doğrultusunda yapılan iterasyon sonucu güç noktasındaki değişim gösterilmiştir (Batcheller, 1993). P YENİ P ESKİ P YENİ P ESKİ N i Azalt P ESKİ N i Azalt P YENİ N i Azalt
P YENİ P ESKİ N i Artır P ESKİ P YENİ N i Artır Şekil 12. Tepeye tırmanma algoritması doğrultusunda yapılan iterasyon sonucu güç noktasındaki değişim Şekilden de görüldüğü gibi sistem, maksimum noktada çalışıyorsa dahi bu nokta etrafında salınım yaptırılarak maksimum güç izlenmesi yapılan bir metottur. Yapı olarak basit olduğu için çokça kullanılan bir yöntemdir. Bu metot güneş ışınımları değişiminin az olduğu sistemlerde avantajlı bir algoritmadır (He vd., 1998). 4.1.2. GTS Güneş takip sisteminin yapılabilirliğini ortaya koymak üzere panellerin tek eksende dönebilir şekilde konumlandırılması ve kontrolüyle oluşan GTS oluşturulmuş ve sayısal olarak hareketsiz sabit panellerle karşılaştırılmıştır. Güç Kaynağı Kontrolör Gösterge Çıkış Katı Motor Algılayıcı
Güneş takip sistemine ait donanım yapısı temel olarak, güç kaynağı, algılayıcı, kontrolör, çıkış katı ve motor kısımlarından oluşmaktadır. Güç kaynağı, kontrolör ve motorun ihtiyacı olan enerjiyi sağlamak üzere tasarlanmış olan bir doğru akım kaynağıdır. Algılayıcı katında iki adet algılayıcı bulunmaktadır. Bunlardan bir tanesi, çalışma ortamının aydınlık mı, karanlık mı olduğuna karar veren ve kontrolöre dijital sinyal gönderen algılayıcı devredir. İkinci kısımda ise motorlar sayesinde konumlandırılma açısı değiştirilen bir LDR li (Light Dependent Resistance) fotometre ile ışık şiddeti bilgisi alınarak analog sinyal olarak kontrolöre ileten bir devre bulunmaktadır. Donanım yapısında bulunan bir diğer öğe olan çıkış katı ise kontrolörden aldığı sinyaller doğrultusunda adım (step) motorların çalışmasını sağlayan bir sürücü ve bu sürücüye ait çevre elemanlarından oluşmaktadır. 4.2. Fotovoltaik Beslemeli Aydınlatma Düzeneği İçin Çözüm Yaklaşımı Uygulamada, fotovoltaik panel beslemeli birçok aydınlatma düzeneği kullanılmıştır. Ancak mühendisler tasarım ve işletim esnasında birçok kısıt ve problem ile karşılaşmışlardır. Proje mühendislerinin dikkate aldıkları hususları aşağıda maddeler halinde sıralayabiliriz: i.) ii.) iii.) iv.) Ekonomiklik Uzun süre şebekeden bağımsız çalışabilirlik Yeterli düzeyde aydınlık seviyesi Çevreyle uyumlu şık ve makul bir tasarım Ekonomiklik ile ilgili hususlar genelde başlangıç, bakım onarım ve amortisman maliyetlerini içerir. Başlangıç maliyetlerini düşük tutmak için panel boyutu, enerji depolama sistemi ve yük gücü küçük tutulmaya çalışılır. Örneğin yük gücünü düşük tutmak amacı ile LED li aydınlatma armatürleri kullanılmaktadır. Ancak böyle bir durumda, karşımıza iki
problem çıkar. Birinci olarak panelin ve enerji depolama sisteminin küçük boyutlu seçilmesi ile enerji sürekliliğinin sağlanması ile ilgili problemler ortaya çıkar. İkinci olarak ise, yük gücünün küçültülmesi amacı için tercih edilen LED li armatürler ile yeterli seviyede aydınlık düzeyi elde edilememektedir. Sistemin kesintisiz bir şekilde şebekeden bağımsız olarak çalışabilmesi için üretim-tüketim dengesi en kötü şartlar için dikkate alınmalıdır. Bu amaçla yükün büyüklüğü ve güneş rejimi dikkate alınarak akü ve panelin boyutlandırılması önemlidir. Yeterli seviyede aydınlık seviyesi elde edebilmek için etkinlik faktörü yüksek olan ve ışık dağılımı düzgün olan aydınlatma aygıtları kullanılmalıdır. LED lerin etkinlik faktörü yüksektir, ancak dış aydınlatmada yaygın olarak kullanılan sodyum buharlı lambalardan yüksek değildir ayrıca ışık dağılımları da düzgün değildir. LED yerine klasik dış aydınlatma aygıtları kullanılmak istenirse, bu durumda doğru akımı alternatif akıma dönüştüren inverterlere ihtiyaç duyulur. Eğer bu armatürlerde düşük güçlü bir lamba kullanılmaz ise panel ve akü boyutunu oldukça büyük seçmek gerekiyor. Bu durumda ise çevreyle uyumlu ve şık bir tasarım yapmak oldukça zor olacağı gibi başlangıç maliyetleri de yükseltilmiş olur. Yukarıda özetlenen problemlere karşı çözüm adımlarımız aşağıda verilmiştir. Işık kalitesi iki aşamalı olarak kontrol edilmiştir. Bu amaçla LED ve alçak basınç sodyum buharlı lambalardan oluşan hibrit bir aydınlatma düzeneği tasarlanmıştır. Tasarlanan düzeneğin konsept çizimi Şekil 14. te verilmiştir. Bu düzeneğin çalışması şu şekildedir. Gün batımından itibaren gece saat 12.00 a kadar alçak basınçlı SOX lamba çalışmaktadır. Gece 12.00 dan gün doğumuna kadar
geçen zaman diliminde ise LED li aydınlatma devrededir. Böylece insanların gece aydınlatmasına en çok ihtiyaç duyduğu Gün batımıgece 12.00 arası klasik aydınlatma kullanılarak yüksek ve düzgün dağılımlı aydınlık düzeyi elde edilmiş olmaktadır. Gece 12.00- gün doğumu arasında ise daha düşük güç harcanarak ve aydınlatmanın sürekliliği sağlanmaktadır. SOX Lambanın Etrafında Konumlandırılmış LED li Kısım 35/55 W SOX Işık Kaynağı Şekil 14. LED ve alçak basınç sodyum buharlı hibrit aydınlatma aygıtının konsept çizimi (alttan görünüş) Gün boyunca güneş enerjisinden elde edilecek elektrik enerjisinin maksimum seviyede depolanmasını sağlayan MGİS sistemi tasarlanan aydınlatma düzeneğine dâhil edilmiştir. Böylece hem enerjinin sürekliliği sağlanmakta, hem de panel boyutu gereksiz yere büyük tutulmamaktadır. Güneş takip sistemi başlangıç ve işletim maliyetlerini çok artıracağından bu düzenekte uygulanmamıştır. 5. PROJE KAPSAMINDA GERÇEKLEŞTİRİLEN ÇALIŞMALAR 5.1. Simülasyon Çalışmaları 5.1.1. Süper Kondansatör-Akü Hibrit Enerji Depolama Sistemi Simülasyonu
Şebekeden bağımsız çalışan tüm fotovoltaik sistemler üretim tüketim dengesini sağlamak amacıyla bir enerji depolama sistemine ihtiyaç duyarlar. Aküler enerji depolama sistemleri arasında en çok tercih edilen elemanlar olup, kurşun asit aküler ise bunlar arasında başı çekmektedir. Kurşun asit bataryalar ile süper kondansatör-akü hibrit yapısının davranışı PV den beslenme durumu için simule edilmiştir ve olası avantajları tartışılmıştır. Bu amaçla oluşturulan simulasyon devreleri aşağıda verilmiştir. Şekil 15. Matlab ortamında modellenmiş olan PV bazlı Süper Kondansatör-Akü Hibrit Enerji Depolama Sistemi Şekil 15. te maskelenmiş olarak verilen PV model detayı şekil 16. da verilmiştir.
Şekil 16. Matlab simulink ortamında modellenmiş olan PV model 5.2. Prototip Bir Sistem Üzerinde MGİS ve GTS Uygulaması ve Sonuçları Projede belirtilen Güç takip sistemi ve Maksimum güç izleme sistemine ait, model bir deney seti oluşturulmuştur. GTS için prototip uygulaması şekil 16. da, MGİS için blok şeması prototip uygulaması şekil 17. de gösterilmiştir.
Şekil 17. GTS prototip uygulaması Panel DC-DC Dönüştürücü Akümülatör Kontrolör Güç Kaynağı Gösterge Geri Besleme Şekil 18. MGİS blok şeması prototip uygulaması 30 Watt gücünde bir fotovoltaik güneş paneline ait yer düzlemine ve panele gelen ışınımları ve elektriksel çıkış gücünü farklı topolojiler için gösteren grafikler aşağıda verilmiştir. Not: Üst taraftaki grafikler, panel yüzeyine ve yer düzlemine ulaşan ışınımları alt taraftaki grafikler ise panelden alınan elektriksel gücü göstermektedir. Sarı kısımlar : Panel yüzeyine gelen güneş ışınımı Kırmızı çizginin altı: Yer düzlemine ulaşan güneş ışınımı
Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS yok Sabit Panel (GTS yok) ve MGİS var GTS var(tek Eksen) MGİS yok
GTS var(tek Eksen) MGİS var GTS var(çift Eksen) MGİS yok GTS var(çift Eksen) MGİS var
1.1.1.1.12 Farklı Topolojilerde Panel Çıkış Güçleri 5.3. Fotovoltaik Beslemeli Hibrit Aydınlatma Düzeneği Uygulaması ve Değerlendirmesi Bu projede uygulaması yapılan LED ve 35/55W güçlerindeki alçak basınç sodyum buharlı hibrit aydınlatma sisteminin ışık kalitesi iki aşamalı olarak kontrol edilmiştir. Bu amaçla oluşturulan röle kartının prensip şeması şekil 19 da verilmiştir.