ÜNE PLLER LE DAITILMI ELEKTRK ÜRETM SSTEMLERNDEK ELMELER Engin ÖZDEMR 1, ule ÖZDEMR 2 Kocaeli Üniversitesi, Teknik Eitim Fakültesi, 41380 Umuttepe Kocaeli eozdemir@kocaeli.edu.tr ; sozaslan@kocaeli.edu.tr Özet Dünya çapında elektrik enerjisine artan ihtiyaç, daıtılmı yenilenebilir enerji üretim sistemlerine olan ilgiyi arttırmı ve kullanımını hızla gelitirmitir. Sürekli artan elektrik enerji tüketimi, hem elektrik daıtım sistemlerini hem de güç santrallerini aırı yükleyerek elektrik enerjisinin sürekliliini, güvenilirliini ve kalitesini etkilemektedir. Bu nedenle, sürdürülebilirlik koulunu salayan ve teknik olarak da yapılabilir çözümlere ihtiyaç duyulmaktadır. Bu çalımada, rüzgar ve hidro elektrik gibi dier yenilenebilir enerji kaynakları yanında yer alan güne pilleri ile daıtılmı elektrik üretim sistemlerinin bugünkü durumu tanıtılmakta ve gelecee yönelik teknolojik gelimeler tartıılmaktadır. Anahtar Kelimeler: üne Pili, Daıtılmı Elektrik Üretim Sistemleri, Fotovoltaik Abstract Around the world, increasing electical energy demand amplified the interest and improved the utilization of distributed renewable energy generation systems. Continuously increasing electrical energy consumption overloads both electrical distribution systems and power stations which has serious consequences on power availability, security and quality. Consequently, solutions are needed which are technically feasible and match the conditions of sustainability. In this study, state of art and technological developments through future of solar cell based distributed energy generation systems are explained. Keywords: Solar Cell, Distributed Electric eneration Systems, Photovoltaic 1. R Daıtılmı elektrik üretim sistemleri dier bir ifade ile merkezi olmayan elektrik üretim sistemleri (Distributed eneration, D) ve Yenilenebilir Enerji Kaynakları (Renewable Energy Sources, RES) Avrupa da önemle üzerinde durulan konuların baında gelmektedir. thalata dayalı fosil yakıtlara olan baımlılıın kontrol altına alınarak enerji güvenliinin yükseltilmesi ve sera gazları emisyonunun azaltılması bakımından dikkatler bu iki konu üzerine odaklanmı durumdadır. Merkezi olmayan üretim, günümüzde bir kojenerasyon sistemi gibi yerel ve bölgesel ihtiyaçlara yönelik elektrik üretimi anlamında kullanılmaktadır. 395
Bazı ülkelerde güne pilleri bata olmak üzere yenilenebilir enerji sistemleri devlet tarafından desteklenmektedir. Merkezi olmayan enerji üretimi, elektrik arz güvenliinin yükseltilmesi ve sera gazları emisyonunun azaltılması dahil çok sayıda yararlar salamaktadır. Bilinen bu yararlara ramen bu yatırımlar her zaman ekonomik olmayabilir. Yatırımların ekonomik yapılabilirlii önemli ölçüde enerji fiyatlarına ve salanan desteklere balı bulunmaktadır. Daıtılmı elektrik üretim kapasitesinin yükseltilmesine yönelik yatırımların cesaretlendirilmesi için tutarlı ve sürekli destekleyici politikalara ve aratırma gelitirme faaliyetlerine ihtiyaç vardır. Yenilenebilir enerji kaynakları, merkezi olmayan yapısı nedeniyle daıtılmı enerji üretimi stratejisine oldukça uygundur. Bölgesel artlara balı olarak daıtılmı enerji üretimi, güne pili (PV: fotovoltaik) güç sistemini ebekenin uygun noktasından paralel balayarak veya tek baına güç sistemi olarak tesis ederek ya da ebeke destei olmadan (off-grid) bir tüketici grubuna (ada mod) dorudan balantısıyla gerçekletirilmektedir. Kullanılan düzenlemeye göre güne pili elektrik üretim sistemleri aaıdaki gibi sınıflandırılmaktadır: 1. ebeke destekli güne pili sistemleri a. Tek baına PV paneli b. Batarya destekli PV paneli 2. ebeke desteksiz güne pili sistemleri a. Batarya destekli sistemler b. Hibrit sistemler üne pili güç sisteminden tüketicilere elektrik gücü salamak için üretilen doru gerilimin (DC) alternatif gerilime (AC) verimli bir ekilde dönütürülmesi ve sistemin optimizasyonu gereklidir. Birçok uygulamada da bataryalar gibi enerji depolama sistemlerinin kullanımına ihtiyaç duyulmaktadır. üne pili ile elektrik üretim sistemlerinin en önemli bölümünü bu çalımanın ana konusu olan güç dönüüm sistemleri oluturmaktadır. Bu çalımada, güne pili ile daıtılmı elektrik üretim sistemlerinde kullanılan evirici tipleri açıklanarak son yıllarda gelitirilen yeni nesil yüksek verimli dönüüm teknolojileri karılatırılmalı olarak anlatılmaktadır. ünümüz dünyasında geleneksel enerji kaynaklarının azalması ve tüketimin hızlı bir ekilde artması nedeniyle güç kaynaı problemleri yaanmaktadır. Böylece güç kalitesi, 396
güvenlii ve bulunabilirliini etkileyen enerji santralleri ve güç daıtım ebekelerinin aırı yüklenmesi sorunları ortaya çıkmaktadır. Sonuç olarak sürdürülebilir ve teknik olarak yapılabilir çözümlerin üretilmesi arttır. Bu çalımada çözüm olarak ön görülen güne pilleri (fotovoltaik) ile daıtılmı elektrik üretim sistemi yapısı ve son yıllardaki gelimeler açıklanmaktadır. Ülkemizin corafi konumu ve ortalama günelenme süresinin yüksek olması nedeniyle oldukça yüksek bir güne enerjisi potansiyeline sahiptir. EE tarafından yapılan çalımaya göre, 1966 1982 yılları arasında Devlet Meteoroloji sleri (DM) genel müdürlüünce ölçülen günelenme süresi ve ısınım iddeti verileri ııında Türkiye'nin ortalama yıllık toplam günelenme süresi 2640 saat (günlük toplam 7,2 saat) ve ortalama toplam ısınım iddeti 1311 kwh/m-yıl (günlük toplam 3,6 kwh/m) olarak tespit edilmitir (EE, 2007) [1]. 2. FOTOVOLTAK DAITILMI ÜÇ ÜRETM SSTEMLER ünümüze kadar tüketiciler, uzun iletim hatları ve daıtım ebekesi yoluyla uzak noktalardaki merkezi güç santrallerinden üretilen elektrik enerjisini kullandılar. Kavramsal olarak da bu merkezi elektrik üretimi alt yapısı kombine ısı ve güç üretimi gibi daıtılmı üretim sistemleriyle desteklendi. Bu güne kadar kullanılan bu tip geleneksel daıtılmı güç üretim sistemleri, tüketicilere yakın mesafede ve küçük güç üretimi salamakla birlikte yerel enerji kaynaklarını da etkin biçimde kullandılar. Sonuç olarak, üretim ve tüketim bazı noktalarda yerel olarak salandı. Böylece, elektrik ve ısı enerjisinin kullanımı ve yerel enerji potansiyellerinin (özellikle güne, rüzgar, hidro ve biokütle gibi yenilenebilir enerji kaynakları) kullanımı oldukça arttı. Bununla birlikte, gerilim deiimi ve uzun mesafeli iletim ve daıtım hatlarında meydana gelen enerji kayıpları da azaltıldı ve tüm sistem verimi artırıldı. 3. EBEKE DESTEKL SSTEMLERDE KULLANILAN EVRC TEKNOLOJLER Fotovoltaik sistemler güne enerjisinin sürekli olmaması nedeniyle, çounlukla ebeke balantılı uygulamalarda kullanılmaktadır. Bu tip sistemlerde çok sayıda yaklaım bulunmaktadır. Fotovoltaik güç sistemlerinin enerji verimlilii ve güvenilirliinde, güç düzenleme ünitesinin (evirici) önemli bir rolü vardır. Bu nedenle, fotovoltaik güç üretim 397
sistemleri, iletim artlarına balı olarak iletilen gücü optimize eden güç düzenleme üniteleri (Maksimum üç Noktası zleme, Maximum Power Point Tracker; MPPT) içermektedir. Fotovoltaik modül tarafından üretilen doru gerilim, evirici devresiyle istenilen gerilim ve frekanstaki (220 Volt 50 Hz) alternatif gerilime dönütürülmektedir. Bununla birlikte, evirici ebekeyi güvenli bir ekilde izlemeli ve herhangi bir kesinti durumunda ebekeyi desteklemelidir. ebeke destekli olarak gelitirilen evirici teknolojileri, merkezi, dizi (string), çoklu dizi, ve modül tümleik evirici olarak sıralanabilir [2]. a. Merkezi Evirici Büyük güçlü fotovoltaik güç sistemlerinde (>10 kw) çok sayıda fotovoltaik modül dizi halinde balanarak ve bu diziler diyotlar ile paralel balanarak kullanılmaktadır. ekil 1 de merkezi evirici ile fotovoltaik güç üretim sistemi yapısı görülmektedir. Merkezi eviricide fotovoltaik paneller merkezi evirici giriine balanmaktadır. Merkezi evirici devresi yüksek verimlidir ve en düük maliyete sahiptir. Bununla birlikte, modül uyumazlıı ve kısmi gölgelenme gibi durumlar nedeniyle fotovoltaik güç üretim sisteminin enerji kazancı dümektedir. Ayrıca, güç üretiminin tek bir bileene balı olması nedeniyle sistemin güvenilirlii sınırlıdır. Fotovoltaik diziler ebeke Merkezi Evirici ekil 1. Merkezi evirici yapısı. 398
b. Dizi (string) Evirici Dizi eviricide, merkezi evirici tipinde olduu gibi fotovoltaik modüller dizilere bölünmektedir. Her bir fotovoltaik dizi ekil 2 de görüldüü gibi kendine ait bir eviriciye balanmaktadır. Her bir fotovoltaik dizi kendine ait Maksimum üç zleme sistemine sahiptir. Dizi evirici teknolojisi, yanlı elemeyi azaltarak, gölgelenme sonucu kayıpları düürmekte ve merkezi eviricideki dizi diyotları ve uzun kablolama sonucu kayıpları da azaltmaktadır. Bu özellikler sistem maliyetlerini düürürken enerji kazanımı ve güvenilirlii artırmaktadır. Fotovoltaik dizi Dizi Evirici AC ebeke ekil 2. Dizi evirici yapısı. c. Çoklu Dizi Evirici ekil 3 de görülen çoklu dizi evirici teknolojisi, çok sayıda dizinin ayrı ayrı MPPT izleme sistemiyle (DC/DC dönütürücü) tek bir DC/AC evirici yoluyla balanmasıyla daha kompakt ucuz çözüm sunmaktadır. Böylece merkezi ve dizi eviricinin tek parça ve düük maliyetli çözüm avantajları salanmaktadır. Bu yapıda farklı dizi teknolojileri ve farklı yönlerde bulunan fotovoltaik sistemler birbirine entegre edilmektedir. Çoklu dizi eviriciler 3-10 kw arası güçlerde sıklıkla kullanılmaktadır. 399
Dizi 1 PV modülleri MPP1 AC ebeke Dizi 2 Ortak evirici MPP2 ekil 3. Çoklu dizi evirici yapısı. d. Modül Tümleik Evirici ekil 4 de görülen modül tümleik evirici devresinde her bir modül için bir evirici devresi kullanılmaktadır. Her bir modülün kendine ait MPPT izleyicisi olduundan bu tipte eviricinin PV karakteristiine uyumu optimize edilmektedir. Bu evirici yapısı enerji kazanımını optimize etmekle birlikte dizi eviriciye göre daha düük verim salamakta ve bakım gereksinimi daha fazladır. Bu yapı daha çok 50 400 W tepe güçlerde uygulama alanı bulmutur. PV modülleri Modül eviricileri AC ebeke ekil 4. Modül tümleik evirici yapısı. 400
4. EBEKE DESTEKSZ TEK BAINA ÜÇ ÜRETM UYULAMALARI a. üne Evi Sistemi ekil 5 de görüldüü gibi güne evi sisteminde tüm tüketiciler ve jeneratörler DC gerilim seviyesine balanmaktadır. ünümüzde Asya, Afrika ve üney Amerika nın kırsal kesimleri bata olmak üzere dünyanın çeitli yerlerinde yüz binlerce güne evi sistemi yaklaık 200 W gücünde tesis edilmi durumdadır. Ayrıca bu tip evlerde ilave küçük bir evirici destei ile tüketiciler standart AC yükleri de DC bara üzerinden kullanabilmektedir. PV modül arj Denetimi Batarya 12 V DC tüketiciler Opsiyonel evirici 120/230 Volt AC tüketiciler ekil 5. üne Evi Sistemi. b. DC Bara Destekli Küçük AC ebeke Sistemi ekil 6 da görüldüü gibi bu tip sistemlerde, orta güçlerdeki AC yüklerin DC bara üzerinden beslenmesini salamaktadır. DC bara sistemi dizel jeneratör gibi bir enerji kaynaı ile batarya arj sistemini içermektedir. Bu tip düzenlemeler güne evi sisteminden daha çok güç gereksinimi bulunan uzak noktalardaki kırsal tüketicilere (küçük atölye, çiftlik vb.) hitap etmektedir. enellikle güçler 1 ila 5 kw düzeyinde ve DC bara gerilimi de 12 ila 48 volt aralıındadır. c. Modüler AC Destekli Hibrit Sistemler Modüler AC destekli sistem yapısında tüm tüketici ve jeneratörler ekil 7 de görüldüü gibi AC tarafta birletirilmektedir. ünümüzde bu teknoloji kw lar düzeyinde daha fazla uygulama alanı bulmutur. Uygulama tipine ve eneri kaynaı imkanlarına balı olarak, farklı tipte yenilenebilir enerji kaynakları ve geleneksel enerji dönüüm teknolojileri bu uygulamada hibrit olarak bir arada kullanılabilmektedir. Tüm dönütürücüler, enerji depolama ve yedekleme üniteleri AC formda ve daıtılmı yapıda olup, istenirse AC ebekeye de balanabilmektedir. Ayrıca, bu yapı artan enerji talebini karılamak üzere ilave bileen ve jeneratör eklenmesiyle kolayca geniletilebilmektedir. Bu yapı, özellikle elektrik, su pompalama ve su arıtma gibi bazı temel ihtiyaçları sınırda olan gelimekte olan ülkelerin 401
kırsal kesimlerindeki elektrik tüketicileri için kullanılabilmektedir. Bu tip sistemlerin güçleri 3-100 kw arasında deimekte ve bir veya üç fazlı olarak yapılabilmektedir. Ekonomik açıdan incelediinde, kw ölçülerinde tek baına sistemler ve küçük ebeke desteksiz sistemler, tek baına dizel jeneratör sistemlerinden daha ucuz çözüm oluturmaktadır. Uzun süreli batarya depolama sisteminden kaçınmak için dizel jeneratör setleri içeren fotovoltaik hibrit sistemler (5-30 kw) sadece dizel ile iletilen sistemlerden daha düük maliyetlerle iletilebilmektedir. kwh ölçülerinde dizel jeneratör setlerinin (10-30 kw) maliyetleri 0,4-1,0 /kwh dolayındadır. Rüzgar Türbini çten yanmalı jeneratör 12, 24 veya 48 Volt batarya çten yanmalı jeneratör Opsiyonel sistem Opsiyonel sistem DC Bara DC iri arj Denetimi Çift yönlü evirici 110/220 V Yükler AC Çıkı AC iri ekil 6. DC Bara Destekli Küçük AC ebeke Sistemi. 5. ELECEK KUAK FOTOVOLTAK ÜÇ ÜRETM SSTEMLER elecein modern daıtılmı güç üretim sistemi yapılarının, çok sayıda farklı tipte ebekenin birbiriyle paralel iletimi ve denetim amaçlı servis merkezleri ile iletiimi salaması beklenmektedir. ekil 7 de yerel (tek baına güç üretim sistemi ile tek bir yükün beslenmesi), bölgesel (ada modu ebeke ile yük grupları) ve bölgeler arası kaynakları (ebeke alarının balanması) içeren daıtılmı fotovoltaik güç sistem düzenlemesi görülmektedir. Elektrie olan talep arttıında kaynak yapısı da adım adım geniletilebilen bu tip ebeke 402
yapıları gelimektedir. Daıtılmı elektrik üretim sistemi yapısı, bölgesel veya bölgeler arası ebekeler oluturmak üzere yerel ebekelerin otomatik olarak birbirine balanmasını salayacaktır. Bu tip daıtılmı enerji üretim yapısında, güvenlik ve düük maliyetli uzaktan izleme ve bakım için iletiim ve haberleme en önemli konudur. Daıtılmı güç üretim yapısı, sürdürülebilir enerji üretimi için gelecein eilimi ve uzak ve kırsal kesim alanlarının elektrie kavuması için en ucuz çözümü oluturmaktadır. Ayrıca daıtılmı güç yapısına doru eilim endüstrilemi ülkelerde de yaygınlamaktadır. PV Modül Rüzgar Türbini Batarya çten yanmalı jeneratör Yakıt Pili Yenilenebilir enerji Hibrit sistem Yedek enerji kaynakları AC Bara 220 Volt opsiyonel opsiyonel PV Modülleri Batarya Batarya Rüzgar Türbinleri AC tüketiciler AC ebeke M ekil 7. Modüler AC destekli sistem yapısı. 403
6. SONUÇLAR Bu çalımada modüler fotovoltaik güç üretim sistemleri kullanılarak oluturulan daıtılmı elektrik üretim sistemi yapıları detaylı biçimde açıklanmaktadır. Ayrıca, fotovoltaik güç sistemlerinde kullanılmakta olan evirici yapılarında son teknolojik gelimeler detaylı biçimde anlatılmaktadır. Açıklanan çok sayıda uygulama ve sistem düzenlemesi arasında modüler AC destekli hibrit güç sistemleri, geniletilebilir ebeke güç yapısı için optimal çözüm olarak deerlendirilmektedir. elecekte, fotovoltaik güç sistem bileenlerinin artan seri üretiminin maliyetleri düürmesi beklenmektedir. Bununla birlikte, ülkemiz artlarında da fotovoltaik güç sistem bileenleri ve sistem seviyesinde inovasyona dayalı gelitirme çalımalarının sürdürülmesi gerekmektedir. 7. KAYNAKLAR 1. www.eie.gov.tr 2. M. Meinhardt,. Cramer, B. Burger, P. Zacharias, (2000). Multi-string converter with reduced specific costs and enhanced functionality Solar Energy Vol. 69, pp.217-227. 3. J.M. Carrasco, L.. Franquelo, J.T. Bialasiewicz, E. alvan, R.C. Portillouisado, M.A.M. Prats, J.I. Leon, N. Moreno-Alfonso, (2006). Power-Electronic Systems for the rid Integration of Renewable Energy Sources: A Survey, Trans. on Industrial Electronics, vol. 53, no. 4, pp. 1002-1016. 4. L. Quan, P. Wolfs, (2006). Recent development in the topologies for photovoltaic module integrated converters, IEEE Power Electronics Specialists Conference, pp. 1 8. 5.. Cramer, M. Ibrahim, W. Kleinfauf, (2004). PV System Technologies State of the Art and Trends in Decentralised Electrification REFOCUS, pp.38-42. 6. S. B. Kjaer, J. K. Pedersen, F. Blaaberg, (2005). A Review of Single-Phase rid Connected Inverters for Photovoltaic Modules IEEE Transactions on Industry Applications, Vol. 41, pp. 1292-1305. 7. F. A. Farret, M.. Simoes, (2006). Integration of Alternative Sources of Energy John Willey and Sons Inc. 404