Fotovoltaik-Rüzgâr Hibrid Güç Sistemi Uygulaması Mehmet Azmi Aktacir, Bülent Yeşilata ve Yusuf Işıker Harran Üniversitesi, Makine Mühendisliği Bölümü, Osmanbey Kampüsü, Şanlıurfa aktacir@harran.edu.tr, byesilata@harran.edu.tr, yusuf47@harran.edu.tr Özet Günümüzde yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı artırmak için yapılan en önemli uygulamalardan biri de enerji kaynaklarının birlikte kullanıldığı hibrid sistemlerdir. Hibrid uygulamalarda en fazla tercih edilen enerji kaynakları rüzgâr ve güneş enerjisidir. Her ikisi de yenilenebilir bir enerji kaynağı olmasına karşın, etkin çalışma saatleri genellikle farklı olan rüzgâr ve güneş enerjilerinin birlikte kullanılması fikri hızla yayılmaktadır. Bu düşünceden hareketle; Harran Üniversitesi Osmanbey Yerleşkesi nde saha aydınlatması amacıyla prototip bir rüzgar-güneş hibrid sistemi kurulmuştur. Bu çalışmada, söz konusu hibrid sistem bileşenleri tanıtılmakta ve sistem tasarımı ile performansını etkileyen parametreler tartışılmaktadır. Hibrid sistemin, özellikle aydınlatma gibi sabit güç tüketen uygulamalar için, gerekli elektrik enerjisini kesintisiz ve güvenilir bir şekilde sağlayabildiği gözlemlenmiştir. Anahtar Kelimeler: Yenilenebilir Enerji, Rüzgar Jeneratörü, Fotovoltaik Panel, Hibrid sistem. A Photovoltaic-Wind Hybrid System Application Abstract Hybrid systems are one of the most important application examples to increase utilization of renewable energy sources. Wind and solar energy combination as hybrid system application is widely preferred since their effective operation times are complementarily different. A prototype wind-solar hybrid system is consequently installed at the Osmanbey Campus of Harran University for field lighting. Components and design parameters effective on performance of this prototype hybrid system are described here. The observation made show that the wind-solar hybrid system is able to supply continuous and reliable electricity for the applications consuming nearly constant electrical power per time, such as lighting application. Keywords: Renewable Energy, Wind Generator, Photovoltaic Panel, Hibrid Power system 1
1. GİRİŞ Günümüzün vazgeçilmez tüketim araçlarından olan enerjinin; temiz, verimli ve ekonomik kullanımı, ülkelerin gelişmişlik düzeylerini gösteren en önemli göstergedir. Bugüne kadar dünyanın enerji ihtiyacı çoğunlukla (yaklaşık %90) fosil yakıtlardan karşılanmasından dolayı, bu yakıta ülkelerin büyük bir bağımlılığı söz konusudur. Yakın bir gelecekte tükenme olasılığı, çevreye kirliliği oluşturması ve giderek fiyatlarının artması gibi çeşitli faktörler fosil yakıtlar için önemli dezavantajlardır. Bu olumsuzlukları ortadan kaldırmak ve enerji kaynaklarını çeşitlendirerek fosil yakıtlara olan bağımlılığı azaltmak için en büyük tüketici konumunda olan gelişmiş ülkelerde dışa bağımsız ve çevre dostu yenilenebilir enerji kaynaklarına hızlı bir yöneliş vardır. Genel olarak yenilenebilir enerji kaynakları; güneş (PV ve termal) ve rüzgâr enerjileri başta olmak üzere biokütle (odun, katı atıklar, etanol vb.), jeotermal, hidrolik, gel git gibi fosil olmayan enerji kaynaklarını kapsamaktadır. AB ye tam üyelik sürecinde Türkiye, ekonomik ve sosyal hayatın bütün alanlarında olduğu gibi, enerji konusunda da Avrupa Birliği ne uyum sağlamayı amaçlamaktadır. Bu nedenle enerji yol haritalarının oluşturulduğu dünyadaki yapısal değişimin, ülkemizi coğrafi/stratejik konumu gereği çok yakından etkileyeceği ve Türkiye için çizilen, Avrupa Birliği müzakere süreci ile birlikte giderek netleşen; küreselleşme politikalarına tam uyum ve bunun devlet politikası haline gelmesi yönünde olacağına şüphe yoktur [1]. Amerika dan sonra en büyük tüketici konumundaki AB nin enerji politikasındaki hedefleri arasında yenilenebilir enerji kaynaklarının payının artırılması vardır. AB uygulamalarında, 2010 yılında toplam enerjinin %12 sinin yenilenebilir enerji kaynaklarından karşılanması, toplam elektrik tüketiminin ise %22 sinin yenilenebilir enerji kaynaklarına dayandırılması hedeflenmektedir [1]. TUBİTAK tarafından yürütülen Vizyon 2023 projesinde belirlenen sosyoekonomik hedefler bağlamında odaklanılması gereken teknolojik hedefler arasında, rüzgâr, güneş ve jeotermal gibi yenilenebilir enerji kaynaklarına yönelik teknolojileri geliştirmek ve enerji üretiminde bu kaynaklara, ekonomiklikleri oranında yer verilmesi gerektiği ifade edilmektedir [2]. Ülkemizin elektrik enerjisi üretimini 2005 yılında 162 TWh olup 2006 yılında %8.7 artışla 176 TWh e yükselmiştir [3]. Tablo 1 de kullanılan elektrik enerjisi üretimi enerji kaynaklarına göre 2001 2005 yıllarındaki dağılımları verilmiştir. 2005 yılı verilerine göre elektrik üretiminin %75 i fosil kaynaklı yakıtlardan, %24 ü hidrolik güçten geri kalan %1 lik kısım rüzgar başta olmak üzere jeotermal ve biokütleden elde edilmiştir [4]. 2
Tablo 1. Enerji kaynaklarına göre elektrik enerjisi üretimi (10 6 kwh) [TÜİK] Enerji Kaynağı 2001 2002 2003 2004 2005 Taşkömürü 4 046.0 4 093.0 8 663.1 11 998.1 13 246.2 Linyit 34 371.5 28 056.1 23 589.8 22 449.5 29 946.4 Fuel oil 8 816.6 9 504.9 8 152.7 6 689.9 5 120.8 Motorin 904.0 270.8 4.6 7.3 2.5 Doğal gaz 49 549.2 52 496.5 63 535.8 62 241.8 73 444.9 Hidrolik 24 009.9 33 683.7 35 329.5 46 083.7 39 560.5 Rüzgar 62.4 48.0 61.4 57.7 59.0 Diğer* 965.1 1 246.3 1 243.6 1 170.3 575.9 Toplam Üretim 122 724.7 129 399.5 140 580.5 150 698.3 161 956.2 *Jeotermal, sıvı kükürt, ağaç kabuğu vb. Önemli miktarda yenilenebilir enerji kaynaklarına sahip olan Türkiye'nin yenilenebilir enerji üretiminde en büyük payı, hidroelektrik ve biokütle almaktadır. Rüzgâr ve güneş enerjisinin payları henüz çok küçük seviyede olmasına karşın, zamanla bu payların artması beklenmektedir. Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2006 yılı verilerine göre, ülkemizde yenilenebilir enerji kaynaklarından elde edilen toplam enerji miktarının 5.38 milyon ton eşdeğer petrol (TEP) olduğu belirtilmektedir. Bu miktarın, 3.89 milyon TEP'i hidroelektrik-jeotermal kaynaklarından, 2 bin TEP'i bioyakıttan, 11 bin TEP'i rüzgardan, 1.81 milyon TEP'i ısıl olarak jeotermal kaynaklardan, 403 bin TEP'i de ısıl olarak güneşten olmuştur [5]. Ülkemiz rüzgâr ve güneş enerjisi potansiyeli yönünden oldukça iyi bir durumda olmasına rağmen, bu potansiyel yeterince değerlendirilmemektedir. Ancak, 2005 yılında Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun un [6] yasalaştırılması ile özel sektör yatırımları enerji alanına doğru yönlendirilmiştir. Bu kapsamda özel sektör tarafından kurulan rüzgâr santrallerinin sayıları giderek artmaktadır (Tablo 2) [7]. Tablo 2 den görüleceği gibi, Türkiye de işletmeye alınan rüzgar santrallerinin toplam kapasitesi 146.25 MW, inşaa halinde olanların 276.90 MW ve gelecekte kurulması planlanan santrallerin kapasitesi 533.20 MW dir. Dünya Rüzgar Enerjisi Kurumu nun (WWEA) 2006 yılı verilerine göre, dünyadaki kurulu rüzgar santralleri toplam kapasitesi 73904 MW olup en büyük kapasiteye sahip 5 ülke sırasıyla Almanya (20622 MW), İspanya (11615 MW) ABD (11603 MW), Hindistan (6270 MW) ve Danimarka (3136 MW) dir. Büyük artış gösteren rüzgar enerji santrallerinin 2010 yılında 160 GW kapasiteye ulaşması beklenmektedir [8]. Ülkemizdeki güneş enerjisi kullanımı ağırlıklı olarak ısıl uygulamalar için olmaktadır. Güneş enerjisinden doğrudan elektrik üreten fotovoltaik (PV) uygulamalar ise 3
son zamanlarda yaygınlaşmaya başlamıştır. PV uygulamalar; sokak aydınlatması, trafik sinyalizasyonu, baz istasyonu, yerleşim yerlerinden uzak alanlardaki elektrik ihtiyacının karşılanması gibi ağırlıklı olarak şebekeden bağımsız küçük sistemler olarak göze çarpmaktadır. Gerek güneş enerjisinin, gerekse rüzgâr enerjisinin sürekli bir enerji kaynağı olmaması, günün tüm anlarında etkin çalışmaması en büyük dezavantajlarıdır. Bu olumsuzluğu gidermek ve kullanımı artırmak için, en önemli uygulamalardan biri; enerji kaynaklarının birlikte kullanıldığı hibrid sistemlerdir. Hibrid uygulamalarda, sürekli bir enerji kaynağı olmayan rüzgar ve güneş enerjileri birlikte kullanılarak, günün büyük bir bölümünde kesintisiz enerji elde edilmesi hedeflenmektedir. Son yıllarda bu nedenle, hibrid sistemlerin optimizasyonu, performans analizi ve entegrasyonu konularında yoğun araştırmalar söz konusudur [9-12]. Tablo 2. Rüzgâr santralleri [EPDK] Mevkii Şirket Üretime Kurulu Türbin Türbin Adet ve Geçiş Tarihi Güç İmalatçısı Kapasitesi İzmir-Çeşme Alize A.Ş. 1998 1.5 MW Enercon 3 adet 500 kw İzmir-Çeşme Güçbirliği A.Ş. 1998 7.2 MW Vestas 12 adet 600 kw Çanakkale-Bozcaada Bores A.Ş. 2000 10.2 MW Enercon 17 adet 600 kw İstanbul-Hadımköy Sunjüt A.Ş. 2003 1.2 MW Enercon 2 adet 600 kw Balıkesir-Bandırma Bares A.Ş. I/2006 30.0 MW GE 20 adet 1.500 kw İstanbul-Silivri Ertürk A.Ş. II/2006 0.85 MW Vestas 1 adet 850 kw İzmir-Çeşme Mare A.Ş. I/2007 39.2 MW Enercon 49 adet 800 kw Manisa-Akhisar Deniz A.Ş. I/2007 10.8 MW Vestas 6 adet 1.800 kw Çanakkale-İntepe Anemon A.Ş. I/2007 30.4 MW Enercon 38 adet 800 kw Çanakkale-Gelibolu Doğal A.Ş. II/2007 14.9 MW Enercon 13 adet 800 kw +5 adet 900 kw İşletmedeki Kapasite Toplamı 146.25 MW Hatay-Samandağ Deniz A.Ş. II/2007 30.0 MW Vestas 15 adet 2.000 kw Manisa-Sayalar Doğal A.Ş. II/2007 30.4 MW Enercon 38 adet 800 kw İstanbul-G.Osmanpaşa Lodos A.Ş. I/2008 24.0 MW Enercon 12 adet 2.000 kw İstanbul-Çatalca Ertürk A.Ş. I/2008 60.0 MW Vestas 20 adet 3.000 kw İzmir-Aliağa İnnores A.Ş. I/2008 42.5 MW Nordex 17 adet 2.500 kw Balıkesir-Şamlı Baki A.Ş. I/2008 90.0 MW Vestas 30 adet 3.000 kw İnşa Halindeki Kapasite Toplamı 276.90 MW Muğla-Datça Dares A.Ş. I/2008 28.8 MW Enercon 36 adet 800 kw Aydın-Çine Sabaş A.Ş. I/2008 19.5 MW Vensys 13 adet 1.500 kw Bilecik Sagap A.Ş. II/2008 66.6 MW Conergy AG 74 adet 900 kw Hatay-Samandağ Ezse Ltd. Şti. II/2008 35.1 MW Fuhrländer 900 kw Hatay-Samandağ Ezse Ltd. Şti. II/2008 22.5 MW Fuhrländer 2.500 kw Osmaniye-Bahçe Rotor A.Ş. I/2009 135.0MW GE 54 adet 2.500 kw Manisa-Soma Soma A.Ş: I/2009 140.8MW Enercon 176 adet 800 kw Balıkesir-Kepsut Poyraz A.Ş. I/2009 54.9 MW Enercon 61 adet 900 kw İzmir-Aliağa Doruk A.Ş. I/2009 30.0 MW Enercon 15 adet 2.000 kw Türbin Tedarik Sözleşmesi İmzalı Proje Toplamı 533.20 MW Bu çalışmada Harran Üniversitesinde uygulama ve araştırma-geliştirme çalışmalarının eş-zamanlı yürütülen Temiz Enerjili Kampus Projesi kapsamında; 4
tamamen bölgesel gereklilik ve uygulanabilirlik göz önüne alınarak seçilen prototip bir rüzgar-güneş hibrid güç sistemi tanıtılmaktadır. Bölgesel güneş enerjisi potansiyelinin yüksekliği nedeniyle, güneş enerjisi teknolojilerinin etkin kullanımının bir adımı olan hibrid sistem uygulaması, Devlet Planlama Teşkilatı (DPT) tarafından desteklenen proje kapsamı içerisindedir. 2. RÜZGÂR-GÜNEŞ ENERJİSİ Rüzgâr enerjisinden elektrik enerjisi üretiminde rüzgâr jeneratörleri kullanılmaktadır. Rüzgâr jeneratörü kanadı ile aldığı enerjiyi, jeneratörde doğrudan alternatif akım (AC) olarak elektrik enerjisine dönüştürür. AC olarak üretilen enerji doğru akıma (DC) kontrol cihazında düzenlenerek dönüştürülür. Elde edilen enerji bataryada depo edilir. Bu yolla DC yükü doğrudan kullanılabilindiği gibi invertör ile AC ye (220V/50Hz lik veya 110V/60Hz lik AC) dönüştürülerek de kullanılabilir. Rüzgar jeneratörü ile elde edilebilecek enerji miktarı (E), 1 E = QV 2 2 eşitliği ile hesaplanır. Eşitlikte Q ve V sırasıyla rüzgarın debisini ve hızını göstermektedir. Rüzgar debisi ise; ρ havanın yoğunluğunu ve A ise hız doğrultusuna dik yüzeyi göstermek kaydıyla, süreklilik denklemi kullanılarak, Q = ρav eşitliği ile bulunur. Eşitlik (1) yeniden düzenlendiğinde, rüzgar enerjisi ile rüzgar hızının küpü arasındaki 1 E = ρav 2 3 bağıntısına ulaşılır. Bu bağıntıya göre; sistem tasarımında en önemli parametre rüzgar hızı olduğundan, rüzgâr enerjisi üretiminde yer seçimi, iklim ve jeolojik yapı oldukça önemlidir. Güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üretmek için fotovoltaik (PV) olarak adlandırılan güneş panelleri kullanılmaktadır. Yarı iletken levhalardan oluşan fotovoltaikler, güneş ışığındaki elektromanyetik dalgalar, elektronları yarı iletken plakanın bir katmanından bir diğer katmanına hareket ettirerek elektrik akımı oluşturma prensibine dayanır. Küçük hücre olarak elde edilen fotovoltaik hücreler istenilen güç ve voltaj aralığında birbirine paralel ya da seri bağlanarak farklı gerilim ve kapasitede fotovoltaik paneller elde edilir. Fotovoltaik hücre üretiminde, yarıiletken özellik gösteren silisyum, (1) (2) (3) 5
galyum arsenit, kadmiyum tellür gibi maddeler farklı kaplama teknikleriyle üretilmektedir. Değişen iklim koşullarının etkisiyle güneş panellerinde güç çıktısı farklı miktarlarda olmaktadır. Bu panel yüzeyine gelen enerji, panel yapısına bağlı olarak %10 ile %30 arasında bir verimle elektrik enerjisine çevrilebilir. Ticari olarak piyasaya sürülen PV panellerde nominal çalışma verimi yaklaşık olarak %15 civarındadır. Bir fotovoltaik panel tarafından üretilen elektrik enerjisinin hesabında, V + IRs P = IV = I L I0 exp 1 V (4) A denklemi kullanılmaktadır [13]. Denklenmedeki I L yüzeye ışınım düştüğünde üretilen akımı, I 0 karanlık devre akımı, R s seri direnci, A termal voltajı, I ve V sırasıyla çalışma akımını ve voltajını göstermektedir. (4) denklemi ile güç hesabının yapılabilmesi için, PV panel üretici firma kataloglarında, standart test şartları (1000 W/m 2 ışınım şiddeti ve 25 0 C çevre sıcaklığı) için belirtilmiş bazı verilerden yararlanmak gereklidir. Hesap aşamaları Fıratoğlu ve Yeşilata (2004) tarafından detaylı olarak açıklanmıştır. 3. RÜZGAR-GÜNEŞ ENERJİLİ HİBRİD SİSTEM Harran Üniversitesi Osmanbey yerleşkesinde yenilenebilir enerji kaynaklarından faydalanılarak elektrik şebekesinden bağımsız elektrik enerjisi üretimi için, rüzgâr-güneş enerjili hibrid güç sistemi kurulmuştur. Osmanbey yerleşkesi, Şanlıurfa nın doğusunda ve merkeze 22 km uzaklıkta 27000 dönüm arazi üzerine kurulmuştur. 1.1 kwh kapasitesindeki bileşik sistem yerden yaklaşık 15 m yükseklikteki Mühendislik Fakültesi binası çatısına yerleştirilmiştir (Şekil 1). Yerel elektrik şebeke hattından bağımsız olarak çalışan hibrid sistemde üretilen enerji, fakülte binasının çeşitli bölümlerinin aydınlatılmasında kullanılmaktadır. 6
Rüzgar Türbini Fotovoltaik Panel Şekil 1. Rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi yerleşim planı 3.1. Sistem Bileşenleri Bu sistemin akış şeması şekil 2 de verilmiştir. Şekilden görüleceği gibi, 1 ve 2 noktalarında, yenilenebilir enerji kaynaklarından rüzgâr ve güneş enerjisinden faydalanmak için rüzgâr jeneratörü ve fotovoltaik güneş pilleri kullanılmaktadır. PV Panel Batarya Grubu - Invertör 2 4 + 6 - + - + 5 3 Kontrol Sistemi KaranlikSensörü 1 7 AC Yük Rüzgar Jeneratörü Şekil 2. Rüzgâr-güneş hibrid güç sistemi akış şeması Rüzgâr jeneratöründe alternatif akım ve PV panellerde doğru akım olarak elde edilen elektrik enerjisi, 3 noktasındaki hibrid kontrol cihazına aktarılır. Burada düzenlenen elektrik enerjisi, DC olarak 4 noktasında bulunan batarya grubunun şarjında kullanılır. Bataryalarda DC olarak depolanan enerji, aydınlatmaya ihtiyaç duyulduğu zamanlarda 5 7
noktasındaki karanlık sensörünün devreyi tamamlaması ile 6 noktasındaki invertörde AC ye dönüştürülerek 7 noktasında sisteme bağlı bulunan AC aydınlatma armatürlerinin yanması sağlanır. 3.2. Enerji Bileşenlerin Teknik Özellikleri Mühendislik Fakültesi nde kurulan hibrid sistemde 800 W gücündeki rüzgar jeneratöründe 48 V luk AC elektrik enerji üretmektedir. Rüzgar jeneratörü yakın görünüşü Şekil 3a da sunulmuştur. Hassas enjeksiyon kalıplama tekniği ile yeni ve hafif bir kompozit malzemeden imal edilen bu pervanenin çapı 2 m dir. Mevcut mini rüzgar jeneratörü yaklaşık 2.7-3.5 m/s rüzgar hızı aralığında harekete geçebilmektedir. Sistem enerji üretimine 4.5-5.5 m/s lik rüzgar hızına ulaşıldığında başlamaktadır. 20 m/sn rüzgar hızının üzerinde ise sistem emniyeti açısından enerji üretimini kesmektedir. Rüzgâr jeneratörünün maksimum enerji üretimi, 12-13 m/s rüzgar hızında olmaktadır. AC jeneratöründe, jeneratörün çekme gücünü (drag torque) azaltan bir rotor manyetik devresi oluşturan özel stator sayesinde rotor ile jeneratör arasında daha iyi bir uyum sağlanmakta ve etkin rüzgâr hızı alanı genişletilmektedir. Böylece yıllık enerji üretimi arttırılmaktadır. Jeneratörün kendi karakteristiğine uyumlu şekilde tasarlanan manyetik fren aleti, yapıyı basitleştirmekte ve çalışma güvenilirliğini artırmaktadır. Sonuç olarak burada kullanılan rüzgâr jeneratörünün; düşük başlangıç rüzgâr hızı, yüksek sistem verimliliği, çalışma esnasında düşük titreme ve alçak ses, bakım ve kurulumunun kolay olması en önemli özellikleridir. Bu cihazda geleneksel küçük rüzgâr enerjisi dönüşüm sisteminde sıklıkla karşılaşılan kablo karışıklığı sorunu da ortadan kaldırılmıştır. Hibrid sisteme, rüzgâr enerjisinin yetersiz olduğu durumlarda sistemin enerji üretiminin devamını sağlamak amacıyla fotovoltaik güneş panelleri ilave edilmiştir. Hibrid sistemde, 4 adet monokristal hücreden oluşan 60W/12V paneller seri bağlanarak 48V DC elektrik enerjisi üretilmiştir. PV panel grubu güneye doğru ve yer düzlemiyle 50 lik bir açıyla yerleştirilmiştir. Şekil 3b de hibrid sisteminde kullanılan PV panel dizisi gösterilmiştir. 8
a) Rüzgâr jeneratörü b) Fotovoltaik panel dizisi Şekil 3 Hibrid sistem enerji kaynakları 3.3. Hibrid Sistem Regülâtörü PV ve jeneratörden gelen enerjiler mikro işlemci tabanlı hibrid kontrol cihazında düzenlenir. Şekil 4 te hibrid kontrol cihazı bağlantı şeması sunulmuştur. Cihaz üzerinde 9 soket bulunmaktadır. Rüzgâr jeneratörü için üç, güneş panelleri, batarya grubu ve DC yük için ikişer soket bulunmaktadır. Şekil 4. Hibrid kontrol cihazı bağlantı şeması PV ve jeneratörden kontrol cihazına gelen elektrik enerjisi, güneşli ve rüzgarlı anlarda her ikisinden veya güneş ve rüzgardan birisinin olduğu anda sadece birinden gelebilir. Bu tamamen çalışma anındaki güneş ve rüzgârın durumuna bağlıdır. Şekil 5 te hibrid kontrol cihazının kumanda paneli gösterilmiştir. 9
Şekil 5. Hibrid kontrol cihazı kumanda paneli Şekil 5 den görüldüğü gibi, kumanda panelinin üst tarafında bulunan 3 adet gösterge ışığı, PV ve jeneratör devrede olduğunda ve batarya grubu şarj edildiğinde yanmaktadır. Batarya grubu hibrid kontrol cihazından gönderilen enerji ile şarj edilmektedir. Dolayısıyla batarya grubunun voltajı sistemden gelen enerji miktarına göre değişmektedir. Pano üzerinde ikinci sırada bulunan gösterge lambaları, batarya gurubunun voltaj seviyesini düşük, orta ve yüksek olarak 3 farklı seviyede göstermektedir. Batarya grubunun minimum ve maksimum voltaj aralıklarına ulaştığında (44V ve 53V) kontrol panelinde bulunan diğer 2 gösterge lambası ile uyarı vermekte aynı zamanda sesli olarak ta uyarmaktadır. Jeneratörün kendi karakteristiğine uyumlu şekilde tasarlanan yeni manyetik fren tertibatı ile sistemin çalışma güvenliği sağlanmaktadır. Kontrol paneli üzerine fren butonu yerleştirilmiştir. Bu buton açık konumundayken jeneratör çalışır vaziyettedir. Kapalı yani fren konumuna aldığımızda ise jeneratör rotoru dönmemektedir. 3.4. Enerji Depolama Ünitesi (Batarya Bank) Yenilenebilir enerji kaynaklarından üretilen enerji DC olarak doğrudan kullanılabildiği gibi, bataryalarda da depolanarak enerjinin üretilmediği zamanlarda kesintisiz olarak kullanılabilir. Genellikle 12V olarak üretilen bataryalar ile ihtiyaca ve uygulamaya göre seri veya paralel bağlanarak farklı gerilim ve kapasitede batarya grupları oluşturulabilir. Taşıtlarda kullanılan klasik bataryaların en önemli özellikleri kısa sürede yüksek akım ve güç vermeleridir. Sulu sistem olarak bilinen bu tip bataryaların kapalı alanlarda kullanımları çıkardıkları asit salgıları nedeniyle risklidir. Bu tip bir riski 10
taşımayan kapalı sistem kuru ve jel tipi bataryalar, PV uygulamalarında tercih edilirler. Bu bataryaların uzun işletme ömürlü olması, daha fazla sayıda şarj-deşarj yapması, depolanan enerjinin büyük kısmının kullanılabilir olması ve bakım gerektirmesi en önemli özellikleridir. Hibrid sistemde 4 adet 12V/55 Ah lik jel tipi batarya seri olarak bağlanarak kullanılmıştır (Şekil 6). Şekil 6. Hibrid sistem batarya bankası 3.5. Enerji Dönüştürücü (İnvertör) AC yük beslenen sistemlerde, DC doğrudan kullanılamadığı için AC yük ile batarya grubu arasında DC yi AC dönüştürmek için invertör olarak adlandırılan dönüştürücüler kullanılır (Şekil 7). Hibrid sistemde kullanılan inventörün özellikleri; Giriş gerilimi: 48V DC, Giriş toleransı: +/- % 20, Verim: >%85, Çıkış gerilimi: 220V AC, Çıkış toleransı: +/- % 1, PWM Frekansı: 10 khz, Çıkış Frekansı: 50 khz, Çıkış gücü: 50VA 100 kva ve aşırı akım, yüksek ısı, yüksek ve düşük gerilime karşı korumalıdır. Şekil 7. İnvertör 3.6. AC Yük (Aydınlatma Projektörleri) Hibrid sistemde elde edilen elektrik enerjisi, örnek bir uygulama olarak, Mühendislik Fakültesi binası yanındaki otopark sahasının aydınlatmasında kullanılmıştır. Hibrid sistem ile aydınlatma armatürleri arasında yaklaşık olarak 50 m lik bir mesafe vardır. Bu sistemde kullanılan aydınlatma armatürleri, Light Emitting Diode kelimelerinin kısaltılmış olan ve Işık Yayan Diyot anlamına gelen LED li projektörlerdir. LED ler 11
elektrik enerjisini ışığa dönüştüren yarı iletken devre elemanlarıdır. Klasik lambalara göre daha uzun ömürlü ve az enerji kullanarak yüksek yoğunlukta aydınlatma sağlarlar. Hibrid sistemde 40W gücünde ve 693 adet LED ten oluşturulmuş 2 adet AC armatür kullanılmıştır (Şekil 8). LED armatürlerin ışık ve mekanik parçaları 20 yıla kadar garantilidir. Hibrid sistemde aydınlatma ihtiyacının olduğu zamanlarda aydınlatma sistemin devreye girmesi için karanlık sensörü kullanılmıştır. Bu sensör ile ayarlanan ışık şiddetine göre sistem açılır veya kapatılır. Bir nevi anahtar görevi görmektedir. Karanlık algıladığı anda 0-30 sn bekleme süresinden sonra enerji verilmektedir. Işık algılandığında ise 30-60 sn bekleme süresinin ardından enerji kesilerek sistemin kontrolü sağlanmaktadır. Farklı aydınlatma şiddeti ve çalışma süresine yönelik kontrol ve ayarlamalar da yapılabilmektedir. Hibrid Sistem Aydinlatma Armatürleri Şekil 8. AC armatürlerin binaya montajı 4. SONUÇ Hibrid sistemin kurulumundan itibaren geçen yaklaşık 3 aylık çalışma döneminde, sistem elemanlarının çalışma karakteristikleri ve toplam enerji bilançosuna yönelik ölçümler yapılmaktadır. Bu sürede Şanlıurfa yerel koşullarında, rüzgar jeneratörü ve PV sistemden üretilen elektrik enerjisinin, batarya grubunu sürekli şarjlı durumda tutabildiği gözlenmiştir. Batarya grubundan beslenen armatürler ile geceleri kesinti olmadan güvenilir aydınlatma temin edilebilmektedir. Hibrid sistemin çalışma performansına yönelik ölçümler sürmekte olup, sayısal değerlerin analizi yaz dönemlerini kapsayacak şekilde genişletilerek rapor edilecektir. 12
Bu çalışma; GAP bölgesi açısından büyük önem arz eden Temiz Enerji Kaynaklarının Verimli Kullanımına Yönelik Yeni Teknoloji ve Uygulamaları kapsamında, PV-rüzgar hibrid sisteminin, bölgede etkin olarak kullanılabileceği konusunda ilk deneysel uygulama çalışması olması açısından önemlidir. KAYNAKLAR 1. Kılıç N., Avrupa Birliği Sürecinde Enerji Sektörünün Konumu ve Enerji Yol Haritaları, ARGE Bülteni, Eylül 2006, İzmir Ticaret Odası, İzmir. 2. TUBİTAK Vizyon 2023 Teknoloji Öngörü Projesi, Enerji Ve Doğal Kaynaklar Paneli Raporu, 2003, Ankara. 3. BP Statistical Review of World Energy, June 2007, http://www.bp.com. 4. TÜİK, Türkiye İstatistik Kurumu, 2006 Türkiye İstatistik Yıllığı, 2007, Ankara. 5. ETKB, Enerji ve Tabii Kaynaklar Bakanlığı 2006 Enerji Verileri. 6. Yenilenebilir Enerji Kaynaklarının Elektrik Enerjisi Üretimi Amaçlı Kullanımına İlişkin Kanun, Kanun No 5346, Kabul Tarihi: 10.5.2005, Resmi Gazete Sayı:25819, Ankara. 7. EPDK, Enerji Piyasası Düzenleme Kurulu, http://www.epdk.org.tr/lisans/elektrik/yek /ruzgar projelerinin gelisimi.xls, 2008. 8. WWEA, World Wind Energy Association İstatistical, 29 January 2007, www.wwindea.org. 9. Rajendra P.A. ve Natarajan E., Optimization of integrated photovoltaic wind power generation systems with battery storage, Energy 31 (2006) 1943 1954. 10. Smiley E.W., Jones J.D., ve Stamenic L., Optimizing Photovoltaic Array Size In A Hybrid Power System, 28th IEEE PV Specialist Conference, Anchorage, 2000. 11. Turcotte D., Ross M., ve Sheriff F., Photovoltaic Hybrid System Sizing and Simulation Tools: Status And Needs, PV Horizon: Workshop on PV Systems, Montreal, September 10, 2001. 12. Rosenthal A.L., PV Hybrid System Performance, PV Horizon: Workshop on PV Systems, Montreal, September 10, 2001. 13. Fıratoğlu, Z.A., Yesilata B. "New approaches on the optimization of directly-coupled photovoltaic water-pumping systems Solar Energy, Vol:77, pp. 81-93 (2004). 13
TEŞEKKÜR Bu çalışma, DPT tarafından Harran Üniversitesi Yeni Kampüsünün İleri Güneş Enerjisi Teknolojileri İle Entegrasyonu ve GAP Bölgesinde Uygulanabilir Teknolojilerin Araştırılması başlıklı proje kapsamında gerçekleştirilmiştir. Ayrıca, hibrid sisteme yönelik teknik yardımlarından dolayı, Harran Üniversitesi Makina Fabrikası nın ilgili çalışanlarına ve İbrahim Ocak a teşekkür ederiz. YAZARLARIN KISA ÖZGEÇMİŞLERİ Yrd. Doç. Dr. Mehmet Azmi Aktacir 1993 yılında Fırat Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. Aynı yıl içersinde, Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak göreve başladı. 1995'te Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği ABD'nda Yüksek Lisansını, 2005 yılında Çukurova Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Termodinamik ABD'nda Doktora öğrenimini tamamladı. 2007 yılında Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümü Termodinamik ABD'nda, Yrd. Doç. Dr. olarak göreve başladı, halen aynı görevde devam etmektedir. Tesisat mühendisliği ve yenilenebilir enerji kaynakları konusunda çalışmalarını sürdürmektedir. Evli ve bir erkek çocuğu vardır. Doç. Dr. Bülent Yeşilata Doktor ünvanını Ocak/1999 da (Lehigh Üniversitesi/ ABD), Doçent ünvanını ise Mart/2004 de almıştır. Ağustos/2002-Ocak/2003 tarihleri arasında Massachusetts Institute of Technology (MIT) de ziyaretçi araştırmacı olarak çalışmıştır. Polimerik malzeme teknolojisi, polimerik akışlarda karasızlıklar ve viskoz ısınma etkisi, uçak türbini malzemelerinde oksidasyon modellemesi, mikro-akışkan sistemler ve fotovoltaik pillerle enerji üretiminde optimizasyon konularında çalışmaları bulunmaktadır. Araş. Gör. Yusuf Işıker 2003 yılında Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünden mezun oldu. 2007 yılında Harran Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Makina Mühendisliği ABD'nda Yüksek Lisansını tamamladı. Harran Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina Mühendisliği Bölümünde Araştırma Görevlisi olarak görev yapmaktadır. Polimerik malzeme teknolojisi ve fotovoltaik pillerle enerji üretiminde optimizasyon konularında çalışmaktadır. 14