Sıcaklık ve Güneş Işınım Değişimlerinin Fotovoltaik Panel Gücü Üzerindeki Etkilerinin Simülasyon Analizi Akif KARAFİL 1 Harun ÖZBAY 2 Metin KESLER 3 1 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Enerji Bölümü 2 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Meslek Yüksekokulu, Elektrik Bölümü 3 Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi, Mühendislik Fak., Bilgisayar Müh. Bölümü 1 akif.karafil@bilecik.edu.tr 2 harun.ozbay@bilecik.edu.tr 3 metin.kesler@bilecik.edu.tr Özet Fotovoltaik (PV) panellerde kullanılan yarı iletken malzemeler ile güneş enerjisi doğrudan elektrik enerjisine dönüştürülür. Son dönemlerde yarı iletken malzeme teknolojisi gelişim kaydetse de PV panellerin verimliliği düşüktür. PV panel verimine etki eden birçok etken vardır. Bunlar; panel eğim açısı, gölgelenme, tozlanma, güneş ışınım şiddeti, sıcaklık ve kablolama kayıplarıdır. Güneş ışınım şiddeti ve panel sıcaklığı panel verimine etki eden en önemli parametrelerdir. PV panelin yüzeyine gelen güneş ışınım şiddeti, panelin kurulduğu yerleşim yerinin coğrafi konumu ile o güne ait gün içindeki zaman dilimlerine bağlı olarak değişim göstermektedir. Dolayısıyla güneş ışınım şiddeti panel gücünü doğrudan etkilemektedir. Güneş ışınım şiddetinin düşmesi panel gücünü de düşürmektedir. Panel sıcaklığı ile panel gücü arasındaki ilişki ise ters orantılıdır. Yani; ortam sıcaklığı arttıkça panelin gücü düşmektedir. Yapılan bu çalışmada PV panele ait katalog verilerinden yararlanılarak panelin eşdeğer devresi PSIM ve MATLAB programlarında modellenerek sıcaklık ve güneş ışınım değişimlerinin PV panel gücü üzerindeki etkileri incelenmiştir. 1. Giriş Günümüzde artan nüfus ve sanayileşme oranı ile birlikte elektrik enerjisine olan talep her geçen gün artmaktadır. Fakat elde edilen elektrik enerjisinin büyük bir kısmının petrol, doğal gaz ve kömür gibi fosil kökenli yakıtlardan sağlanıyor olması çevre sorunlarını beraberinde getirmektedir. Ayrıca bu yakıtların yakın zamanda tükenecek olması, çevreye zararı olmayan ve tükenmez enerji kaynakları olan yenilenebilir enerji kaynaklarına duyulan gereksinimi ortaya çıkarmıştır. Yenilenebilir enerji kaynakları arasında yer alan güneş enerjisi diğer enerji kaynaklarının oluşumuna dolaylı olarak katkıda bulunmaktadır. Aynı zamanda güneş enerjisinin temiz, tükenmez ve kullanımının kolay olması onu diğer yenilenebilir enerji kaynakları arasında daha cazip hale getirmektedir [1, 2]. Güneş hücresi, PV sistemlerde güneş ışığını doğrudan doğruya dc gerilime dönüştüren en küçük birimdir. Güneş hücreleri seri ve/veya paralel bağlanarak PV modülünü oluşturur. PV modüllerin seri-paralel birleştirilmesi ile de istenilen akım, gerilim ve güç değerlerinde PV paneli elde edilir [3, 4]. PV panel, panel yapısındaki yarı iletken malzemeye bağlı olarak güneş enerjisini %6-%20 verimle elektrik enerjisine dönüştürür. Düşük verimliliğe sahip PV panellerin verimine etki eden birçok etken yer almaktadır. Bunlar; panel eğim açısı, gölgelenme, tozlanma, güneş ışınım şiddeti, sıcaklık ve diğer kayıplardır [5, 6]. Bu etkenler arasında güneş ışınım şiddeti ve sıcaklık panel verimine etki eden en önemli iki parametredir. Gün boyunca güneş ışınım şiddeti ve sıcaklık gibi atmosferik şartların değişmesi panel verimini de önemli ölçüde etkilemektedir. Bu nedenle değişen atmosferik şartlara bağlı olarak güneş ışınım şiddeti ve sıcaklığın panel verimine olan etkisinin bilinmesi önemlidir. Fakat PV panel üretici firmaları kataloglarında laboratuvar ortamlarında gerçekleştirdikleri testler sonucu Standart Test Koşulları (STC) olarak adlandırılan 1000 W/m² güneş ışınım şiddeti, 25 ºC hücre sıcaklığı ve A.M. 1,5 hava kütle oranı şartlarındaki panelin elektriksel değerlerini vermektedirler. STC dışındaki değişimlerde PV panelin elektriksel değerleri bilinmemektedir. Değişen atmosferik şartlarda da PV panelin elektriksel değerlerinin bilinmesi gereklidir. Özellikle şebekeden bağımsız ve şebekeye bağlı sistemlerin tasarımında değişen atmosferik şartlar göz önünde bulundurularak hesaplamaların yapılması daha doğru sonuçlar verecektir [7, 8]. Yapılan bu çalışmada PV paneline ait katalog verilerinden yararlanılarak panelin eşdeğer devresi PSIM ve MATLAB programlarında modellenerek 0, 25, 50 ºC sıcaklıklarda ve 200, 400, 600, 800, 1000 W/m² güneş ışınım şiddetlerindeki değişimlerin panel akımı, gerilimi ve gücü üzerindeki etkileri incelenmiştir. Sonuç bölümünde ise yapılan simülasyon analizlerine göre PV paneller için en uygun sıcaklık ve güneş ışınım değerleri değerlendirilmiştir. 106
2. Fotovoltaik Hücrenin Matematiksel Modeli PV panellerden elde edilen elektrik enerjisinin incelenebilmesi için PV hücrenin eşdeğer devresinin çıkarılması gerekir. Güneş hücreleri yarıiletken malzemelerden yapıldığı için diyotla modellenmiştir. Güneş hücresi güneş ışınımı almadığında akım-gerilim karakteristiği diyota benzemektedir. Güneş hücresinin elektrik üretimi akım kaynağı ile sembolize edilirken, PV hücrelerde kayıplar ise seri ve paralel direnç ile gösterilmektedir. Bir PV hücrenin elektriksel eşdeğer devresi Şekil 1 de gösterilmiştir [7, 9]. G İdeal Hücre Iph ID D Ip Rp Rs Ipv Ryük + Vpv (2) ve (3) nolu denklemler (4) de yerine yazılacak olunursa; qvpv I pvrs A k T c Vpv I pv Rs I pv I ph e 1 (6) Rp matematiksel model elde edilir [10, 11]. 2.1. PV Panelin MATLAB Simülasyonu Perlight marka PLM-100P/12 100 W gücündeki polikristal yapıya sahip güneş paneli eşdeğer devre modeli kullanılarak Matlab programında modellenmiştir. PV paneline ait katalog değerleri Tablo 1 de verilmiştir. Tablo 1: PV paneline ait katalog değerleri PV Panelin Elektriksel ve Mekaniksel Özellikleri Sayısal Değerler Maksimum panel gücü (Pm) 100 W±%3 - Maksimum gerilimi (Vmp) Maksimum akımı (Imp) 17.7 V 5.65 A Şekil 1: PV hücrenin eşdeğer devre modeli PV hücrenin fotovoltaik akımı (I ph ), hücre üzerine düşen güneş ışınım miktarı ile doğru orantılıdır. G I ph I sc Ki Tc Tr Gr (1) Burada; I ph : PV hücrenin fotovoltaik akımı I sc : 25 ºC ve 1000 W/m² deki kısa devre akımı K i : Kısa devre akımının sıcaklık katsayısı (0,0017 A/ºC) T c : PV hücre sıcaklığı (Kelvin cinsinden sıcaklık) T r : Referans sıcaklık (25 ºC için 298,15 ºK) G: W/m² deki güneş ışınım miktarı G r : Referans güneş ışınım miktarı (1000 W/m²) Açık devre gerilimi (Voc) Kısa devre akımı (Isc) 22 V 6.21 A Panel verimliliği (%) 15.3 Hücre sayısı 36 (4x9) Adet Çalışma sıcaklığı -40 ºC +85 ºC PV panelin yüksüz durumu için 0, 25 ve 50 ºC sıcaklıklarda ve güneş ışınım şiddetinin 200, 400, 600, 800 ve 1000 W/m² lik değişimleri için güç-akım, güç-gerilim ve akım-gerilim karakteristikleri incelenmiştir. Diyot akımı (I D ), gerilime ve ters sızıntı akımına (I o ) bağlıdır. qv d AkT I c D Io e 1 Burada; q: Elektrik yükü (1,602x10-19 C) k: Boltzman sabiti (1,3806505x10-23 J/K) A: Diyotun kalite faktörü (2) Paralel dirençten geçen akımın denklemi; V V D pv I pv Rs I p Rp Rp (3) Şekil 2: 0 ºC sıcaklıktaki PV güç-akım karakteristiğinin güneş ışınım şiddetine göre değişimi PV hücrenin çıkış akımı ve gerilimi; I pv I ph ID I p (4) Vpv VD I pv Rs (5) 107
Şekil 3: 0 ºC sıcaklıktaki PV güç-gerilim karakteristiğinin Şekil 7: 25 ºC sıcaklıktaki PV akım-gerilim karakteristiğinin Şekil 4: 0 ºC sıcaklıktaki PV akım-gerilim karakteristiğinin Şekil 8: 50 ºC sıcaklıktaki PV güç-akım karakteristiğinin Şekil 5: 25 ºC sıcaklıktaki PV güç-akım karakteristiğinin Şekil 9: 50 ºC sıcaklıktaki PV güç-gerilim karakteristiğinin Şekil 6: 25 ºC sıcaklıktaki PV güç-gerilim karakteristiğinin Şekil 10: 50 ºC sıcaklıktaki PV akım-gerilim karakteristiğinin 108
Kullanılan matematiksel model ve bu modelin Matlab programında analiz edilmesiyle PV panelin kısa devre akımları, açık devre gerilimleri, maksimum akımları, maksimum gerilimleri ve maksimum güçlerdeki değerleri 0, 25 ve 50 ºC sıcaklıklarda ve güneş ışınım şiddetinin 200, 400, 600, 800 ve 1000 W/m² lik değişimleri için elde edilmiş ve tablo halinde gösterilmiştir. Tablo 2: PV panelin kısa devre akım değişimleri Kısadevre Akımı 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Tablo 6: PV panelin maksimum güç değişimleri Maksimum Güç 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Pmax (W) 20,49 42,64 65,46 88,84 112,2 0 ºC Pmax (W) 18,02 38,03 58,57 79,83 101,1 25 ºC Pmax (W) 15,59 33,29 51,54 70,6 89,66 50 ºC Isc (A) 1,23 2,46 3,69 4,92 6,15 0 ºC Isc (A) 1,25 2,5 3,75 5 6,25 25 ºC Isc (A) 1,27 2,54 3,81 5,08 6,35 50 ºC Tablo 3: PV panelin açık devre gerilim değişimleri Açıkdevre Gerilimi 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Voc (V) 20,54 21,24 21,66 22,03 22,18 0 ºC Voc (V) 18,56 19,26 19,71 20,07 20,25 25 ºC Voc (V) 16,4 17,18 17,68 18,07 18,28 50 ºC Simülasyon sonuçlarına göre panel sıcaklığı 0 ºC iken güneş ışınım şiddetinin kademeli olarak arttırılmasıyla panelin kısa devre akımı ve maksimum akımı doğru orantılı olarak artarken panelin açık devre gerilimi ve maksimum gerilimi çok az miktarda artmaktadır. Buna bağlı olarak güneş ışınım miktarının 200 W/m² den 1000 W/m² ye çıkarılması panelin gücünü yaklaşık olarak 5,5 kat artmıştır. Panel sıcaklığı 25 ve 50 ºC iken güneş ışınım şiddetinin kademeli olarak arttırılmasıyla 0 ºC ye benzer şekilde panelin kısa devre akımları ve maksimum akımları doğru orantılı olarak artarken panelin açık devre gerilimleri ve maksimum gerilimleri ise çok az miktarda artmıştır. 0 ºC deki panel değerleri ile 25 ºC deki panel değerleri karşılaştırıldıklarında panel sıcaklığının arttırılmasına bağlı olarak panelin kısa devre akımlarının çok az miktarda arttığı, maksimum akım değerlerinin ise yaklaşık olarak aynı kaldığı görülmektedir. Açık devre ve maksimum gerilim değerleri ise orantılı olarak düşmektedir. Buna bağlı olarak panel gücünde de bir düşüş meydana gelmektedir. 50 ºC deki panel sıcaklığında da benzer sonuçlar elde edilmiştir. Tablo 4: PV panelin maksimum akım değişimleri Maksimum Akım 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Imax (A) 1,13 2,36 3,44 4,67 5,9 0 ºC Imax (A) 1,12 2,37 3,44 4,69 5,94 25 ºC Imax (A) 1,19 2,37 3,41 4,7 5,99 50 ºC Tablo 5: PV panelin maksimum gerilim değişimleri 2.2. PV Panelin PSIM Simülasyonu PV panelinin fiziksel modeli Şekil 11 de gösterildiği gibi PSIM programının yenilenebilir enerji modülü menüsünde yer almaktadır. PV panelin fiziksel modelinde panele ait temel parametreler gereklidir. Bu parametreler, PV panel üretici firmalarının vermiş oldukları panel veri katalog değerleridir. Bu parametreler girildikten sonra panelin I-V ve P-V karakteristik eğrileri elde edilmektedir. Yapılan bu çalışmada Perlight marka PLM-100P/12 panelin parametreleri girilerek panelin fiziksel modeli oluşturulmuştur. Maksimum Gerilim 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Vmax (V) 18 18 19 19 19 0 ºC Vmax (V) 16 16 17 17 17 25 ºC Vmax (V) 11 12 13 13 13 50 ºC 109
Şekil 14: 25 ºC deki PV panelin güç değişimi Şekil 11: PSIM deki güneş modülü simülatörü PV panelin fiziksel modeli oluşturulduktan sonra sıcaklık ve güneş ışınım şiddetinin kademeli olarak değişeceği devre Şekil 12 deki gibi oluşturulmuştur. Şekil 15: 50 ºC deki PV panelin güç değişimi Elde edilen kısa devre akımları ve maksimum güç değerleri tablo halinde gösterilmiştir. Tablo 7: PSIM de PV panelin kısa devre akım değişimi PSIM Simülasyon Sonuçları Kısadevre Akımı 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Isc (A) 1,14 2,38 3,62 4,86 6,1 0 ºC Isc (A) 1,24 2,48 3,72 4,96 6,2 25 ºC Isc (A) 1,34 2,58 3,82 5,06 6,3 50 ºC Tablo 8: PSIM de PV panelin maksimum güç değişimi PSIM Simülasyon Sonuçları Şekil 12: PSIM de PV panelinin sıcaklık ve güneş ışınım değişimlerinin incelenmesi Şekil 12 de oluşturulan devre ile PV panelin yüksüz durumu için 0, 25 ve 50 ºC sıcaklıklarda ve güneş ışınım şiddetinin 200, 400, 600, 800 ve 1000 W/m² lik değişimleri için zamana bağlı güç değerleri incelenmiştir. Maksimum Güç 200 400 600 800 1000 Sıcaklık Pmax (W) 20,26 43,3 66,26 88,88 111,06 0 ºC Pmax (W) 19,54 40,14 60,69 80,95 100,8 25 ºC Pmax (W) 18,44 36,64 54,82 72,74 90,3 50 ºC Şekil 13: 0 ºC deki PV panelin güç değişimi 3. Sonuçlar Elde edilen simülasyon sonuçlarına göre güneş ışınım şiddetinin artmasına bağlı olarak panel akımı orantılı bir şekilde artarken, panel gerilimi ise çok az miktarda artmaktadır. Panelden elde edilen güç ise güneş ışınım şiddetindeki artış ile orantılı bir şekilde artmaktadır. Panel sıcaklığının artması ise panel akımını çok az miktarda arttırırken panel gerilimini orantılı bir şekilde düşürmektedir. Gerilimdeki düşme oranı, akımın artış oranına göre daha 110
fazla olduğu için panel gücü de düşmektedir. Bu sonuçlara göre PV panellerinden elde edilen güç değerleri için düşük sıcaklık ve yüksek güneş ışınım şiddeti koşullarının daha uygun olduğu görülmektedir. 4. Kaynaklar [1] Inamdar, S. S. ve Vaidya, A. P., "Performance analysis of solar photovoltaic module for multiple varying factors in MATLAB/Simulink", Smart Technologies and Management for Computing, Communication, Controls, Energy and Materials (ICSTM), 2015 International Conference on. IEEE, 2015, 562-567. [2] Rustemli, S. ve Dincer, F., "Modeling of photovoltaic panel and examining effects of temperature in Matlab/Simulink", Elektronika ir Elektrotechnika, 109(3), 35-40, 2011. [3] Almaktar, M., Rahman, H. A. ve Hassan, M. Y., "Effect of losses resistances, module temperature variation, and partial shading on PV output power", Power and Energy (PECon), 2012 IEEE International Conference on. IEEE, 2012, 360-365. [4] Turhan, S. ve Çetiner, İ., Fotovoltaik sistemlerde performans değerlendirmesi, 6.Ulusal Çatı & Cephe Sempozyumu, 2012. [5] Irwanto, M., Irwan, Y. M., Safwati, I., Leow, W. Z. ve Gomesh, N., Analysis simulation of the photovoltaic output performance, Power Engineering and Optimization Conference (PEOCO), 2014 IEEE 8th International. IEEE, 2014, 477-481. [6] Bhol, R., Pradhan, A., Dash, R. ve Ali, S. M., Environmental effect assessment on performance of solar PV panel, Circuit, Power and Computing Technologies (ICCPCT), 2015 International Conference on. IEEE, 2015, 1-5. [7] Islam, M., Rahman, M. Z. ve Mominuzzaman, S. M., The effect of irradiation on different parameters of monocrystalline photovoltaic solar cell, Developments in Renewable Energy Technology (ICDRET), 2014 3rd International Conference on the IEEE, 2014, 1-6. [8] Besli, N., Aktacir, M. A. ve Yesilata, B., Fotovoltaik panellerin gerçek arazi koşullarında test ve karakterizasyonu, Engineer & the Machinery Magazine, 51(601), 2010, 21-28. [9] Zhu, W., Yang, S., Wang, L. ve Luo, L., Modeling and analysis of output features of the solar cells based on MATLAB/Simulink, Materials for Renewable Energy & Environment (ICMREE), 2011 International Conference on the IEEE, 2011, 730-734. [10] Villalva, M. G. ve Gazoli, J. R., Comprehensive approach to modeling and simulation of photovoltaic arrays, Power Electronics, IEEE Transactions on, 24(5), 1198-1208, 2009. [11] Krishan, R., Sood, Y. R. ve Uday Kumar, B., The simulation and design for analysis of photovoltaic system based on MATLAB, Energy Efficient Technologies for Sustainability (ICEETS), 2013 International Conference on the IEEE, 2013, 647-651. 111