FOTOVOLTAİK SİSTEMLER EES 487 Yeni Enerji Kaynakları Dr. Mutlu BOZTEPE 03.11.2009 Enerji kaynaklarının özellikleri Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 2 1
Fotovoltaik Sistemler PV sistem tipleri Basit DC PV sistemler Direkt bağlı PV sistemler (Direct coupled PV systems) Bataryalı DC PV sistemler (DC PV system with storage) Otonom PV sistemler (Stand-Alone PV systems) Hibrit Sistemler (Hybrid systems) Şebekeye Bağlı Sistemler (Grid-connected PV systems) Grid-backup PV systems (şebeke sadece yedekleme amaçlı) Grid-interactive PV systems (Şebekeyle enerji alışverişi var) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 3 Fotovoltaik Sistemler Fotovoltaik sistemlerin kalbi Güneş pilleridir. Hareketli parçası yok, dolayısıyla bakım neredeyse gereksiz. Sessiz çalışır. Dikkat, çoğunlukla insanlar PV modül elektriğinin çarpmadığını düşünürler :-o Yerçekimsiz ortamlarda da çalışabilir. Çevreyi kirletmez, çevre dostudur. Eleman sayısının artması (batarya, şarj reg., invertör vs.) arıza olasılığını ve kayıpları artırır. İlave güç kaynaklarının kullanılması (dizel jen. gibi) enerjinin sürekli kullanılabilir olma olasılığını (availability) iyileştirir. Eleman sayısının artması maliyeti de arttırır. Ama istenilen bir availability değerine ulaşmak için maliyeti düşürür. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 4 2
Fotovoltaik Sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 5 Direkt bağlı PV sistemler En basit PV sistem tipidir. Eleman sayısı az olduğundan en ekonomik sistemdir. PV Yük Güvenilirliği (reliability) yüksektir. Sadece güneş olduğu zamanlarda çalışır. Bu tür sistemler sadece gündüz çalışması gereken DC yükler için en uygun çözümdür. Güneş pilleri ile yük arasındaki maksimum güç aktarımını gerçekleştirebilmek için MPP izleyici kullanılabilir. Güneş pili akım ve gerilimindeki ışınıma bağlı değişmelere yükün toleransı olmalıdır. Uygulamalar: Su pompalama, hesap makinaları, oyuncaklar, Fanlar, pompalar vs. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 6 3
Direkt bağlı PV sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 7 Bataryalı DC PV Sistemler Küçük ve özel amaçlı sistemlerde sıkça kullanılır. Sadece DC yükleri çalıştırabilir. Dc standartlara göre kurulum yapılmalıdır. Kablolama, sigortalar, soketler AC malzemelerle yapılmamalıdır. Çoğunlukla şarj regülatörü kullanılır. MPP izleyicisinin kullanımı yüke ve sisteme göre değişir. Sistem gerilimi yüksek ise kablolama ve montaj çok dikkat ister. (>40Vdc tehlike sınırı) Güneş enerjisindeki süreksizlikleri dengelemek için küçük boyutlu bir batarya kullanılır. Böylece gerilim sabit kalır! Uygulamalar: Özel endüstriyel uygulamalar ve konutlarda Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 8 4
Bataryalı DC PV Sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 9 Bataryalı DC PV Sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 10 5
Bataryalı DC PV Sistemler Askeri uygulamalar Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 11 Bataryalı DC PV Sistemler NOTEBOOKS CELLULAR PDA Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 12 6
Bataryalı DC PV Sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 13 Stand-Alone PV Sistemler Esnek bir sistemdir. İnvertör sayesinde AC yükler de çalışabilir. Batarya sayesinde, yükler sadece gündüz değil gece de çalıştırılabilir. Hatta, arka arkaya 3-5 kapalı gün olsa dahi sistem iflas etmeyecek şekilde batarya boyutlandırılabilir. Sistem verimi kullanılan elemanlara bağlıdır. MPP izleme sistem verimini artırır. Batarya verimi ve inverter verimi oldukça önemlidir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 14 7
Stand-Alone PV Sistemler 1993 te şebekeden uzak bölgelerdeki PV sistemler tüm pazarın %80 ini ve kristal Si PV modül pazarının %90 ını oluşturmuştur. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 15 Stand-Alone PV Sistemler Telekomunikasyon, radar, navigasyon sistemleri trafik işaretleri Güvenilir sistemler ve bakımsız çalışabilirler. Buralarda ekonomik! Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 16 8
Stand-Alone PV Sistemler Endüstriyel uygulamalar Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 17 Stand-Alone PV Sistemler Genel olarak şebekeden 1.5km uzak yerlerde ekonomik sistemlerdir. Şebekenin verdiği enerji konforunu verebilmektedir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 18 9
Stand-Alone PV Sistemler Gelişmekte olan ülkelerde önemli bir enerji kaynağıdır. Su pompalama, elektrifikasyon, aydınlatma, medikal uygulamalar, iletişim sistemleri Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 19 Stand-Alone PV Sistemler 21. Yüzyılda 2 milyar insanın elektriksiz olduğu tahmin edilmektedir. PV sistemler çözüm olabilir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 20 10
Stand-Alone PV Sistemler Vaha elektrifikasyonu Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 21 Stand-Alone PV Sistemler Bahçe aydınlatması Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 22 11
Stand-Alone PV Sistemler Güneş aydınlatma sistemleri, alternatiflerine göre (lux, mum) daha ekonomik ve konforludur. Gerekli ilk yatırım, uygun finans yöntemleri ile sağlanabilmektedir. Gelişmekte olan ülkeler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 23 Stand-Alone PV Sistemler Güneş Enerjili Parkmetre Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 24 12
Hibrit Sistemler Alternatifli güç sistemidir. Genellikle dizel jen. ile PV sistem yedeklenir. Sadece dizel sistemler verim ve bakım gereksinmesi açısından kısmi yüklerde zayıf bir performans gösterir. Batarya eklemek kısmi yüklerde jeneratör çalıştırma gereksinmesini azaltır. PV sistemin kullanılması ise dizel yakıt kullanımını azaltır. Güneş enerjisi kullanımı yüksek tutulursa availability yükselir. Uygulamalar: Şebekeden uzak evlerin enerjlendirilmesi Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 25 Hibrit Sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 26 13
Şebekeye bağlı sistemler Depo elemanı kullanılmaz. (Şebeke enerji deposu gibi çalışır) Üretilen enerji yük üzerinde anında kullanılır. Fazla enerji şebekeye aktarılır. Eksik enerji şebekeden tamamlanır. İnverterin tasarımı özeldir, şebekeye kontrollü enerji aktarabilir ve güneş pillerini MPP de çalıştırır. Ayrıca inverter şebekenin enerji kalitesi (harmonik) ve güvenlik gereksinimlerini karşılamak zorundadır. (İslanding etkisi) Fazla enerji satılarak maliyet azaltılabilir. Birçok tipi vardır: Çatı tipi sistemler (residential) Binaya entegre sistemler (Building-integrated) Santral tipi sistemler (utility scale) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 27 Performance ratio Ref. http://www.nrel.gov/docs/fy05osti/37358.pdf Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 28 14
Şebekeye bağlı sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 29 Şebekeye bağlı sistemler Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 30 15
Şebekeye bağlı sistemler Hızla büyüyen bir sektör (büyüme hızı %30) Çevreye saygılı enerji Merkezi olmak yerine dağıtılmış enerji üretimi. Enerji üretildiği yerde kullanılıyor. Dağıtım kayıpları azalıyor! Şebekenin Pik-güç gereksinimini karşılama Ekonomiklik, birim enerji maliyeti düşük Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 31 Şebekeye bağlı sistemler Solar city, Amersfoort, Holland Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 32 16
Building integrated PV (BIPV) Mimari detaylara uygun modüller ile montaj maliyetleri azalıyor. Bina yüzeylerine kaplanabiliyor. Modüller, diğer kaplama malzemelerine göre çoğunlukla daha ucuz Değişik renk ve biçimlerde özel modüller Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 33 Building integrated PV (BIPV) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 34 17
Building integrated PV (BIPV) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 35 Residential PV Gündüz şebekeye ver, gece şebekeden kullan Üretilen tüm enerji yerinde kullanılıyor Batarya veya herhangi bir depolama elemanına gerek yok Yaygınlaşabilmesi için sübvansiyon miktarı önemli (teşvikler) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 36 18
Utility scale PV Temiz enerji sistemleri Demo sistemler Dağıtılmış güç üretimi Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 37 Utility scale PV 1 MWp PV system Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 38 19
Utiliy Scale PV system Central inverter Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 39 Utiliy Scale PV system String inverter Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 40 20
Utiliy Scale PV system Module inverter Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 41 Uzay Mükemmel bir remote uygulaması Teknoloji çoğunlukla III-IV teknolojisi (GaAs) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 42 21
PV SİSTEM TASARIMI EES 487 Yeni Enerji Kaynakları Dr. Mutlu BOZTEPE Tasarımda Önemli Noktalar Modül yüzeyine gelen güneş enerjisi ne kadar? Günlük kwh enerji ihtiyacı nedir? Yükün günlük profili nasıl? Yükün ortalama gücü (W) nedir? Yükün maksimum gücü (W) nedir? Çalışma gerilimi nedir? Ne kadar enerji depolamaya gereksinim var? Tasarımda tüm bu sorular net olarak yanıtlanmalıdır! Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 44 22
Gelen güneş enerjisi Herhangi bir yer için ışınım ölçümü çoğunlukla yatay yüzeyde yapılır. Modüller daha çok ışınım almak için eğimli yerleştirilirler. Daha önce verilen hesaplamalarla, yatay yüzeye gelen ışınım modül yüzeyine dönüştürülebilir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 45 Peak Saat (PS) kavramı 1000 W/m2 sabit ışınım şiddetinde, günlük toplam güneş radyasyonuna eşit bir enerjiyi elde edebilmek için gereken süreye denir. Işınım W/m2) Peak saat 1000 W/m2 G max Güneşin doğuşu Güneşin batışı saat Gün uzunluğu Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 46 23
Gelen güneş enerjisi Barcelona 60 eğimli yüzeyde günlük toplam ışınım (kwh/m2) Ocak 4.60 Temmuz 4.80 Şubat 4.59 Ağustos 4.85 Mart 4.62 Eylül 4.58 Nisan 4.55 Ekim 4.53 Mayıs 4.30 Kasım 4.12 Haziran 4.45 Aralık 3.49 Yıllık ortalaması = 4.46 kwh/m2 Peak saat ortalaması = 4.46 saat Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 47 Yükün enerji gereksinimi (kwh) Bir gün boyunca gereken toplam enerji kwh olarak hesaplanır. AC ve DC yükler ayrı ayrı hesaba katılmalıdır. Çünkü verimler farklıdır. Her bir yük için ortalama güç ve ortalama çalışma saatleri hesaplanır ve verimler de hesaba katılarak toplam günlük enerji ihtiyacı elde edilir. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 48 24
Yükün enerji gereksinimi (kwh) DC ve AC tip Gece/Gündüz yüklerinde verimler INV AC yükler (Gündüz) Modül gücü PV BAT INV AC yükler (Gece) DC yükler (Gündüz) DC yükler (Gece) PV = temp. optic. mismatch = (0.9). (0.95). (0.95) = 0.81 BAT = charge/discharge eff = 0.80 INV = 0.90 Depth of discharge of battery (DOD) is %70! Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 49 Yükün enerji gereksinimi (kwh) Günümüzde invertör verimleri yüksek olduğundan DC ile çalışan cihazlara yönelme olmamaktadır. Su pompalama uygulaması gündüz çalışan yük olarak düşünülebilir. Modül gücü PV BAT INV AC yükler (Toplam) Enerji gereksinimi DC yükler (Gündüz) DC yükler için verim DC = PV = 0.81 AC yükler için verim AC = PV BAT INV = 0.58 Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 50 25
Yük hesabı Ort.Güç Çalışma Enerji Tüketimi [Wh] Yük [W] süresi [h] Adet Günlük Haftalık DC yükler Pump 55 2/gün 1 110 770 Toplam 770 AC yükler Aydınlatma 1 25 5/gün 4 500 3500 Aydınlatma 2 15 2/gün 6 180 1260 Bilgisayar 250 1.5/gün 1 375 2625 Ütü 800 0.5/hafta 1-400 Buzdolabı 200 8/gün 1 1600 11200 Mikrodalga 500 1/hafta 1-500 Toplam 19485 Ort. günlük DC yük= 770 / 7 = 110 Wh/gün Ort. günlük AC yük= 19485 / 7 = 2783.57 2784 Wh/gün Ort.günlük enerji ihtiyacı = E L = 110/0.81 + 2784/0.58=4936 Wh/gün Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 51 Yük hesabı Ortalama Yük akımı I L EL 24. V DC Sistem voltajı Sistem voltajı 24V olsun. I L =4936 / (24.24) = 8.57A NOT: Buradaki sistem voltajı nominal değerdir. Yani 12 V luk bir sistemde 12V luk bir batarya kullanılır. Ancak 12V luk bir bataryanın çalışma gerilimi 11-14V arasında olduğu hatırlanmalıdır! Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 52 26
PV boyutu PV generatör en az yükün ihtiyacı kadar enerji üretmelidir. I I L EL 24. V PV E ( Wh / gün) PS. I. V L DC 24I PS L Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 53 PV DC Denklemiyle birlikte çözülürse; Gerekli PV akımı bulunur. Peak saat I PV =(24).(8.57) / (4.46)= 46.11 A Paralel bağlı modül sayısı N p N SF p I I PV SC Sizing factor Modül kısa devre akımı (STC) I SC =4.5 A OST80 Çok kristal Si Modül Np=46.11/4.5=10.25 N P =11 SF=11/10.25=1.073 (%7.3) Bu değer büyüdükçe güvenlik artar. Örneğin Np=12 olursa SF=1.115 (%11.5) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 54 27
Seri bağlı modül sayısı N S V NS V DC mp V MP =15.5 V OST80 Çok kristal Si Modül Modül çalışma voltajı (STC) Ama burada nominal değerler kullanılıyor. O nedenle 36 adet hücre için 12V alınmalı. Ns=24/12=2 N S =2 Toplam modül sayısı = Np. Ns = 11. 2 = 22 modül Toplam PV gücü = 22. 80 = 1760 Wp Wp: Watt peak Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 55 Batarya kapasitesi E Depth of discharge %70 BAT EL DOD E BAT = 4936 * 5 / 0.7 = 35257 Wh x kapalı gün sayisi Amper saat kapasitesi = 35257 / 24 = 1469 Ah 150 Ah / 12V luk akülerimiz olsun. Paralel Akü sayısı= 1469 / 150 = 9,79 10 Seri bağlı akü sayısı= 24/12=2 Toplam akü sayısı=20 Toplam Akü kapasitesi = 36.0 kwh Ardarda kapalı geçen gün sayısı. Bu günlerde enerji bataryadan sağlanacak. 3-5 arasında kabul edilir. Ne kadar büyük olursa sistem o kadar güvenilir olur. Ama maliyet artar Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 56 28
Loss of load probability (LOLP) Yükün enerjisiz kalma olasılığıdır. Tasarımda kullanılan kapalı gün sayısı ile doğrudan ilgilidir. İstatistiksel bir sonuçtur. Tasarlanan sistem 1 yıl boyunca saat saat simule edilir ve bataryanın iflas ettiği, yani yüke enerjinin verilemediği süreler toplanır. Bu sürenin toplam süreye oranı LLP dir. Uygulama LLP Aydınlatma 10-2 Ev cihazları 10-1 Telekomünikasyon 10-4 Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 57 İnvertör seçimi Ort.Güç Çalışma Enerji Tüketimi [Wh] Yük [W] süresi [h] Adet Günlük Haftalık AC yükler Aydınlatma 1 25 5/gün 4 500 3500 Aydınlatma 2 15 2/gün 6 180 1260 Bilgisayar 250 1.5/gün 1 375 2625 Ütü 800 0.5/hafta 1-400 Buzdolabı 200 8/gün 1 1600 11200 Mikrodalga 500 1/hafta 1-500 Toplam 19485 Aynı anda çalışabilecek yüklerin güçleri toplamı bulunur. İnvertör gücü bundan büyük olmalıdır. Bazı yükler (buzdolabı vs.) ilk kalkışta yüksek akım çekerler. Bu durum dikkate alınmalıdır. Buzdolabı(x4 kat demaraj akımı olsun), ütü(veya mikrodalga), bilgisayar ve 25W aydınlatma aynı anda çalışırsa; 4*200+800+250+25=1875W 2kW inverter yeterli. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 58 29
Şarj regülatörü seçimi Paralel PV modül sayısı Np=11 olarak bulunmuştu. Her bir modül I SC =4.5A old. Göre maksimum 49.5 A verebilir. Şarj regülatörü >50A seçilmelidir. Gerilimi 24V olmak şartıyla. PV modülleri gruplara ayırıp, daha düşük güçte şarj regülatör kullanmak mümkündür. Gerilim değişmez. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 59 Balance of the system DC ve AC ayırıcılar (kesiciler) DC ve AC sigortalar Topraklama Paratoner (yıldırıma karşı korumalar, surge protector) İzolasyon Batarya için bir oda, havalandırmalı Elektriksel bağlantılar (wiring) Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 60 30
Sistem şeması ŞARJ REG. İNV. 2kW DC YÜKLER AC YÜKLER 220V/50Hz 60A 100A Surge protector 2kW/24=83.3 100 A Toplam 11 paralel kol, 22 adet OST80 80Wp modül Toplam 10 paralel kol, 20 adet 150Ah/12V akü Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 61 Gelişmiş tasarım yöntemleri PV sistem tasarım paket programları PVSYST, PVSOL, TRNSYS vs. Sentetik ışınım hesabı yapılabiliyor. Veya ölçülmüş değerler programa girilebiliyor. Kütüphanesinde ticari modül, şarj regülatörü, invertör vs. var. Bütün bir yıl boyunca saat saat analiz yapıp, çok detaylı sonuçlar elde edilebiliyor. Optimizasyon için bunlar çok önemli! Maaliyet analiz yapılabiliyor. Eylül 2005 EES 487 Yeni Enerji Kaynakları 62 31