Fotovoltaik Teknoloji Bölüm 7: Fotovoltaik Sistem Tasarımı Fotovoltaik Sistemler On-Grid Sistemler Off-Grid Sistemler Fotovoltaik Sistem Bileşenleri Modül Batarya Dönüştürücü Dolum Kontrol Cihazı Fotovoltaik Sistem Tasarımı Dr. Osman Turan Makine ve İmalat Mühendisliği Bilecik Şeyh Edebali Üniversitesi
Fotovoltaik Sistemler Güneş enerjisini elektrik enerjisine çeviren sistemlere "Fotovoltaik Sistemler" denir. Fotovoltaik Sistemler Şebeke bağlantılı (on-grid) sistemler Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemler
Fotovoltaik Sistemler: On-Grid Sistemler Şebeke Bağlantılı Sistemlerde, kullanıcının enerji tüketimi, fotovoltaik sistemin ürettiği enerjiden karşılanır. Tüketimin üretimden fazla olduğu durumlarda kullanıcı tüketim fazlası enerjiyi şebekeden alır; buna karşılık, kullanıcının tüketimi üretiminden az olduğu durumlarda ise üretim fazlası enerji ile şebeke beslenir.
Fotovoltaik Sistemler: On-Grid Sistemler Şebeke bağlantılı (On-Grid) fotovoltaik sistemlerin en gelişmişi, fotovoltaik elektrik santralleridir.
Fotovoltaik Sistemler: Off-Grid Sistemler Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemlerde, fotovoltaik paneller ile üretilen elektrik enerjisi akülerde depolanır ve kullanıcı enerji ihtiyacını (gece-gündüz) bu akülerden sağlar. Sistemin kapasitesi, otonomi süresi boyunca (güneşten elektrik üretilemediği süreç) kullanıcının ihtiyacını karşılayacak şekilde boyutlandırılabilir. Şebekeden bağımsız (off-grid) sistemlerde, akım ile beslenen bir makine, tesis veya bir konut olabilir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri Fotovoltaik sistemlerin tek parçası fotovoltaik hücreler, modüller ya da dizinler değildir. Birçok uygulamada, üretilen fazla elektriği gece kullanabilmek ya da bulutlu günlerde kullanmak üzere bataryalarda depolamak gerekir. Ev ve işyeri uygulamalarında çoğunlukla alternatif akım (AC) kullanılır. Fotovoltaik modüller ise doğru akım (DC) üretir. Bu nedenle DC akım bir dönüştürücü (inverter) ile AC akıma dönüştürülür. Uygulamaya göre diğer kontrol ve ara yüz devreleri gerekli olabilir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri Temel Bileşenler 1 1 2 PV Modül Batarya kontrol ünitesi 4 2 3 4 Batarya Dönüştürücü (inverter) 3 Yardımcı Bileşenler Sayaç Güç izleyici Sigorta Diyot Kablo Montaj malzemeleri
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül Tek bir fotovoltaik (PV) hücrenin sağladığı güç oldukça küçüktür. MARSROCK firmasına ait Polycrystalline Silicon Solar Cell 156x156, verim %17, güç 4 W. Bu nedenle, pratik uygulamalarda daha yüksek miktarlarda güç elde edebilmek için çok sayıda fotovoltaik hücre birbirine bağlanır. Fotovoltaik hücreler seri, paralel ve karışık olmak üzere üç farklı şekilde bağlanırlar. Hücre Modül Dizin Fotovoltaik Sistem
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül BPSX170B (170 W) SW 280 (280 W) LG270S1C-A3 (270W)
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül Seri Bağlama n tane özdeş fotovoltaik hücre seri bağlanırsa, toplam voltaj tek bir hücrenin voltajının n katı kadar olacaktır. Toplam akım ise, bir hücreden geçen akıma eşit olacaktır. Yandaki şekil iki hücre seri bağlanması durumunda I-V karakteristiğinde meydana gelen değişimi göstermektedir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül Paralel Bağlama m tane özdeş fotovoltaik hücre paralel bağlanırsa, toplam akım tek bir hücreden geçen akımın m katı kadar olacaktır. Toplam gerilim ise, bir hücrenin gerilimine eşit olacaktır. Aşağıdaki şekil iki hücre seri bağlanması durumunda I-V karakteristiğinde meydana gelen değişimi göstermektedir.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül Karışık Bağlama n tane özdeş fotovoltaik hücre seri, m tane özdeş fotovoltaik hücre paralel bağlanırsa, toplam voltaj tek bir hücrenin voltajının n katı kadar olacaktır. Toplam akım ise, bir hücreden geçen akımın m katına eşit olacaktır. Aşağıdaki şekil özdeş iki hücre karışık bağlanması durumunda I-V karakteristiğinde meydana gelen değişimi göstermektedir. Karışık bağlama
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül: PV Modüllerin Bağlanması By-pass Diyotu By-pass diyotları bir modülün arızalı olması durumunda düşük dirençli bir yol sağlamak için kullanılırlar. Modüllere paralel bağlanırlar. By-pass diyotlarının amacı, modüllerden birinin zarar görmesi halinde dizinin güç üretimine devam etmesini sağlamaktır. Blok Diyotu Blok diyotları, fotovoltaik sistemin ışık almadığı (gece veya gölgelenme olduğu) zamanlarda akımın bataryadan tekrar modüllere dönmesini engelleyerek, bataryanın boşalmasının önüne geçmek amacıyla kullanılırlar.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül: PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi Fotovoltaik modül parametreleri, üretici firmalar tarafından, belirli standart koşullar altında yapılan testler sonucunda belirlenir. Karasal Uygulamalar İçin ASTM G173: T cell = 25 C o AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2 o ; AM = 1/cos θ) G = 1000 W/m 2 Ayrıca üretici firmalar aşağıdaki koşullar altında ve modülün Normal Çalışma Sıcaklığındaki (Normal Operating Cell Temperature, NOCT = 40 70 o C) modül parametrelerini belirlerler. T çevre = 20 C o AM 1.5 (Zenit Açısı, θ = 48.2 o ; AM = 1/cos θ) G = 800 W/m 2 Ort. Rüzgar hızı : 1 m/s
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül: PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi LG 250 Black Mono X LG250S1C-G2
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül: PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi Herhangi bir çalışma koşulu altındaki modül parametreleri, üretici firma tarafından verilen standart değerler kullanılarak aşağıdaki gibi belirlenebilir: Açık Devre Gerilimi
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül: PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi Kısa Devre Akımı Maksimum Güç
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : PV Modül: PV Modül Parametrelerinin Belirlenmesi Örnek 7.1 36 adet fotovoltaik hücre seri olarak bağlanması ile fotovoltaik bir modül hazırlanmıştır. Üretici firma, standart modül parametrelerini aşağıdaki gibi tanımlamıştır: Modülün aşağıda belirtilen ortam koşullarında çalışması durumundaki modül parametrelerini belirleyin.
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya Fotovoltaik sistemler tarafından üretilen elektrik enerjisi, genellikle istenildiği zaman kullanılmak üzere depolanır. Fotovoltaik sistemlerde elektrik enerjisinin depolanması, özellikle uygun maliyet/verim oranı ve yüksek çevresel geri dönüşüm ilişkilerine bağlı olarak, en uygun olarak akü ya da bataryalar ile sağlanır. PV sistemlerde Kullanılacak Bataryalarda İstenen Temel Özellikler Yüksek kapasiteli olmalı Düşük maliyetli olmalı Uzun ömürlü olmalı Kendi kendine boşalma yüzdesi düşük olmalı Bakım gereksinimleri düşük olmalı Yüksek sıcaklığa karşı dayanıklı olmalı Enerji girişinin düzensiz olduğu durumlarda etkin bir şekilde kullanılabilmeli. Kolay dolum için, düşük iç dirence sahip olmalı
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya Batarya, elektrik enerjisini kimyasal enerji olarak depolayan cihazlardır. Bir bataryanın kapasitesi, o bataryada ne kadar elektrik depolanabileceği ile ölçülür. Bataryanın kapasitesi, kaç saat boyunca ne kadar sabit akımın çekilebileceğini belirten, amper-saat (AH) cinsinden ölçülür. 200 AH 10 saat boyunca 20A akım sağlar C 10 200 AH 20 saat boyunca 10A akım sağlar C 20
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya PV Sistemlerde Kullanılan Batarya Türleri Kurşun-Asit Bataryalar Yeniden şarj edilebilir. Ucuz ve yüksek kapasiteli PV sistem uygulamaların büyük çoğunluğunda tercih edilir. Nikel-Kadmiyum Bataryalar Yeniden şarj edilebilir. Pahalı ve uzun ömürlü
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya Kurşun-Asit Bataryalar Anot (pozitif elektrot): PbO 2 Katot (negatif elektrot): Pb Elektrolit: Seyreltilmiş H 2 SO 4 (Sülfirik asit) Çözeltisi Batarya kullanıldıkça her iki elektrotta SO 4 (sülfat) iyonlarını toplar ve elektrolit aşağıdaki gibi iyonlaşarak biraz daha zayıf bir asit halini alır. Batarya kullanıldıkça negatif elektrotta aşağıdaki reaksiyon gerçekleşir: Serbest kalan iki elektron yükün üzerinden geçerek pozitif elektrota ilerler ve aşağıdaki kimyasal reaksiyon oluşur:
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Batarya Kontrol Ünitesi PV sistemlerde batarya kontrol üniteleri PV modül ile batarya arasında kullanılır. 1 Batarya Kontrol Ünitesi kullanım sebepleri 4 3 2 Bataryayı fazla şarjdan korumak Bataryaları tamamen boşalmaktan korumak Sistem performansını belirlemek Maksimum güç aktarımını sağlamak DC DC çevrimi 1 2 3 4 PV Modül Batarya kontrol ünitesi Batarya Dönüştürücü (inverter)
Fotovoltaik Sistem Bileşenleri : Dönüştürücü Dönüştürücü (inverter) temel işlevi, fotovoltaik modül tarafından üretilen DC akımı AC akıma çevirmektir. 1 Off Grid inverter 4 2 3 On Grid inverter 1 2 3 4 PV Modül Batarya kontrol ünitesi Batarya Dönüştürücü (inverter)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı Günlük elektrik ihtiyacı hesabı Batarya kapasitesi hesabı PV modül sayısı hesabı Dönüştürücü boyutu hesabı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Günlük Elektrik İhtiyacı Hesabı Günlük elektrik ihtiyacı, kullanılacak aletlerin türüne ve miktarına bağlıdır. Günlük elektrik ihtiyacını hesaplayabilmek için her aletin güç tüketiminin ve kullanım saatinin bilinmesi gerekir.
Alet Miktar Watt Saat/gün Gün/hafta Wsaat/hafta Alet Miktar Watt Saat/gün Gün/hafta Wsaat/hafta Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Günlük Elektrik İhtiyacı Hesabı DC ve AC elektrik tüketimini belirlemek üzere Tablo 7.2 de gösterildiği gibi her aletin günlük ve haftalık kullanım saatleri ve toplam güç gereksinimi belirtilmelidir. Tablo 7.2. Toplam Elektrik Tüketimi Hesaplama Çizelgesi DC Elektrik Tüketimi AC Elektrik Tüketimi ΣDC ΣAC ΣDC + 1.2 x ΣAC = Toplam (WH/hafta) 12 V ya da 24 V Batarya Voltajı (V) Toplam (WH/hafta) / Batarya Voltajı = Toplam (AH/hafta) Toplam (AH/hafta) / 7 = Toplam (AH/gün)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Batarya Kapasitesi Hesabı Batarya kapasitesini hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.3 de verilmiştir. Boşalma derinliği batarya türüne bağlı olup, bir emniyet katsayısıdır ve genelde 0.5 olarak dikkate alınır. Batarya sıcaklık katsayısı (Tablo 7.4) ortam sıcaklığına bağlıdır. Batarya sıcaklık katsayısı kış aylarında daha yüksek değerler alır. Sistem hem kış hem de yaz aylarında çalışacak ise, batarya sıcaklık katsayısı ortalama değer alınmalıdır. Tablo 7.3. Batarya Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi Toplam Elektrik Tüketimi B1 (AH/gün) B2 Bulutlu Günler (gün) Boşalma Derinliği = 0.5 B3 Boşalma Derinliği Tablo 7.4 B4 Batarya Sıcaklık Kats. B5= (B1) x (B2) x (B3) x (B4) B5 Gerekli Batarya Kapasitesi (AH) B6 Seçilen Batarya Kapasitesi (AH) B7 = (B5)/(B6) B7 Batarya Sayısı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : PV Modül Sayısı Hesabı Gerekli PV modül sayısını hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.5 de verilmiştir. Batarya şarj etme/boşalma zamanlarından dolayı %20 lik etkinlik kaybı bulunmaktadır. Bu yüzden amper - saat (AH) hesabı 1.2 ile çarpılır. Tablo 7.5. PV Modül Sayısı Hesaplama Çizelgesi Toplam Elektrik Tüketimi C1 (AH/gün) Etkinlik Kaybı = 1.2 C2 Etkinlik Kaybı C3 Ort. Etkili Güneş Saati (gün/h) C4 Bir PV Modülün Etkili Amperi (A) C5 = (C1) x (C2) x (C3) / (C4) C5 Toplam Modül Sayısı
Fotovoltaik Sistem Tasarımı : Dönüştürücü Hesabı Gerekli dönüştürücü (inverter) kapasitesini hesaplamak için gerekli aşamalar Tablo 7.6 de verilmiştir. Dönüştürücü kaybı genelde %20 olarak dikkate alınır. Tablo 7.6. Dönüştürücü Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi Toplam AC Elektrik Tüketimi D1 W Dönüştürücü Kaybı = 1.2 D2 Dönüştürücü Kaybı D3 = (D1) x (D2) D3 Dönüştürücü Kapasitesi (W)
Fotovoltaik Sistem Tasarımı Örnek 7.2 Küçük bir kulübe için fotovoltaik bir sistem tasarlanacaktır. Kullanılacak aletler ve kullanım süreleri aşağıdaki tabloda verilmiştir. Sadece AC aletlerin kullanılacağını varsayınız.
Alet Miktar Watt Saat/gün Gün/hafta Wsaat/hafta Alet Miktar Watt Saat/gün Gün/hafta Wsaat/hafta Tablo 7.2. Toplam Elektrik Tüketimi Hesaplama Çizelgesi DC Elektrik Tüketimi AC Elektrik Tüketimi Lamba 3 11 3 4 396 Lamba 2 15 2 5 300 TV 1 40 4 2 320 PC 1 120 5 3 1800 ΣDC ΣAC 2816 ΣDC + 1.2 x ΣAC = Toplam (WH/hafta) 3379.2 12 V ya da 24 V Batarya Voltajı (V) 12 Toplam (WH/hafta) / Batarya Voltajı = Toplam (AH/hafta) 281.6 Toplam (AH/hafta) / 7 = Toplam (AH/gün) 40.229 Tablo 7.3. Batarya Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi Toplam Elektrik Tüketimi B1 (AH/gün) 40.229 B2 Bulutlu Günler (gün) 10 Boşalma Derinliği = 0.5 B3 Boşalma Derinliği 0.5 Tablo 7.4 B4 Batarya Sıcaklık Kats. 1.19 B5= (B1) x (B2) x (B3) x (B4) B5 Gerekli Batarya Kapasitesi (AH) 239.36 B6 Seçilen Batarya Kapasitesi (AH) 60 B7 = (B5)/(B6) B7 Batarya Sayısı 3.9893 Tablo 7.5. PV Modül Sayısı Hesaplama Çizelgesi Toplam Elektrik Tüketimi C1 (AH/gün) 40.229 Etkinlik Kaybı = 1.2 C2 Etkinlik Kaybı 1.2 C3 Ort. Etkili Güneş Saati (gün/h) 6.5 C4 Bir PV Modülün Etkili Amperi (A) 120 C5 = (C1) x (C2) x (C3) / (C4) C5 Toplam Modül Sayısı 2.6149 Tablo 7.6. Dönüştürücü Kapasitesi Hesaplama Çizelgesi Toplam AC Elektrik Tüketimi D1 W 186 Dönüştürücü Kaybı = 1.2 D2 Dönüştürücü Kaybı 1.2 D3 = (D1) x (D2) D3 Dönüştürücü Kapasitesi (W) 223.2