Güne i zleyebilen 3kW Gücünde Fotovoltaik Enerji Dönü üm Ünitesinin Tasarımı ve Uygulaması Design and Application of a 3kW Sun Tracking Photovoltaic Energy Conversion Unit Sabri Çamur 1, Birol Arifo lu 2, Ersoy Be er 3, Esra Kandemir Be er 4 Elektrik Mühendisli i Bölümü Kocaeli Üniversitesi scamur@kocaeli.edu.tr, barif@kocaeli.edu.tr, ebeser@kocaeli.edu.tr, esrakandemir@kocaeli.edu.tr Özet Bu çalı mada güne i izleyebilen 3kW gücünde fotovoltaik enerji dönü üm ünitesinin tasarımı ve prototipi tanıtılmı tır. Fotovoltaik ünitenin çalı ma prensibi anlatılarak, sistemi olu turan kısımlara yer verilmi tir. Tasarlanan yapının en önemli özelli i güne i izleyebilme yetene ine sahip olmasıdır. Bu sayede güne ı ınları fotovoltaik panellerin yüzeyine sürekli dik konumda gelmekte ve güne enerjisinden verimli bir ekilde elektrik enerjisi elde edilmektedir. Bu sayede aynı sayıdaki güne panelleriyle üretilen elektrik enerjisinde %45 e varan artı lar görülebilmektedir. Bu prototip, yenilenebilir enerji kaynaklarına dikkat çekmekte ve ülkemizde bu kaynaklardan olan güne enerjisinin kullanımına örnek te kil etmektedir. Abstract In this study, design and the prototype of a 3kW sun tracking photovoltaic energy conversion system is introduced. The operational principle of the system is explained and the structural parts of the system are described. The most significant feature of the system is the ability of tracking the sun. Thus, the sunlight always comes through the surface of the photovoltaic arrays perpendicularly and the electrical energy is efficiently obtained from the sun energy. Due to this feature, the energy produced by the same number of photovoltaic arrays increases by 45%. This prototype calls attention to the renewable energy sources and it is an example of using the sun energy in our country. 1. Giri Fosil yakıtların çevreye olan zararları ve bu kaynakların geçen yıllar boyunca azalması sebebiyle enerji sektöründeki yeni arayı lar, ülkeleri yenilenebilir enerji kaynakları üzerine yöneltmi tir. Özellikle son yıllarda iklim de i iklikleri ve küresel ısınma da göz önüne alındı ında yenilenebilir enerji kaynakları fosil yakıtlara kar ı büyük oranda rakip kaynaklar haline gelmi tir. Yenilenebilir enerji kaynakları üzerinde yo unla an bu ilgi literatürde yapılan çalı maları da önemli ölçüde arttırmı tır. Ülkemiz yerkürede bulundu u konumu göz önüne alındı ında özellikle güney bölgelerde, güne lenme alanı ve süresi bakımından oldukça iyi durumdadır [1]. Güne enerjisinin kullanımı ülkemizde de giderek önem kazanmaktadır. Fakat uygulamaların daha da yaygınla ması gerekmektedir. Çünkü güne enerjisi ülkemizin enerji kaynaklarının kullanımının yaygınla ması açısından önemli bir alternatif enerji kayna ı potansiyeli göstermektedir. Güne enerjisi, yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olarak kar ımıza çıkmaktadır. Bu enerji kayna ının elektrik enerjisine dönü ümü fotovoltaik paneller sayesinde gerçekle mektedir. Fotovoltaik paneller çevreyi kirletebilecek herhangi bir atık veya zararlı madde içermedi inden dolayı çevreye duyarlı elemanlardır. Bir di er önemli özellikleri, kurulumdan sonra bakım maliyetlerinin yok denecek kadar az olmasıdır. Fotovoltaik panellerin birçok avantajına kar ılık, bu panellerin kurulum maliyetleri oldukça yüksektir. Ayrıca panel verimlerin genel olarak %15-25 ler civarında olması sebebi ile kurulumdan sonra kendilerini amorti edebilme süreleri de oldukça uzundur. Bu nedenlerden dolayı fotovoltaik panellerden en iyi ekilde yararlanabilmek için çalı malar yapılmaktadır [2]-[10]. Fotovoltaik panellerin sabit yerle tirildi i uygulamalarda, panellerden elde edilen enerji miktarı güne in konum de i tirmesi ile gün içerisinde belirli zaman dilimlerinde yüksek olmakla beraber belirli zaman dilimlerinde ise dü ük olmaktadır. Bu olumsuzlu un önüne geçebilmek amacıyla güne i izleyebilen sistemler son yıllarda popüler çalı ma alanları haline gelmi tir. Ayrıca bir di er alternatif çalı ma da güne ı ınlarının paneller üzerinde toplanmasına olanak sa layan hareketli odaklamalı sistemlerdir. Bu geli melere ba lı olarak bu çalı mada, gün içerisinde güne enerjisinden en fazla ekilde yararlanabilmek amacıyla tasarlanan ve imal edilen güne i takip edebilen fotovoltaik ünite anlatılmı tır. lk olarak sistemin bütünü ele alınarak çalı ma prensibi açıklanmı tır. Daha sonra, fotovoltaik üniteyi yapısal olarak olu turan mekanik sistem ve elektrik denetim sistemi anlatılmı ve bu alt birimleri olu turan ö elere yer verilmi tir. Son olarak da Kocaeli Üniversitesi Teknoparkında, 53
Kocaeli Büyük ehir Belediyesi Park ve Bahçeler Müdürlü ü için gerçeklenen 3kw gücündeki güne takip sisteminin prototipi anlatılmı tır. 2. Tasarlanan Fotovoltaik Enerji Dönü üm Ünitesinin Çalı ma Prensibi Bu çalı mada tanıtılan fotovoltaik enerji dönü üm ünitesinin en önemli özelli i, güne in do u undan batı ına kadar olan süre içerisinde güne ı ınlarının panele dik dü mesini sa layacak ekilde güne i izleyebilmesidir. Tasarımı ve imalatı yapılan sistemin bu yetene i sayesinde güne ı ınlarından maksimum düzeyde yararlanılmakta ve güne enerjisi verimli bir ekilde elektrik enerjisine dönü türülmektedir. Tasarlanan fotovoltaik ünitenin prensip eması ekil 1 de verilmi tir. Sistemin güne i izleyebilmesi için ilk olarak güne in konumunun belirlenmesi gerekmektedir. Bu i lemi gerçekle tirebilmek için sistemde güne algılama elemanları kullanılmaktadır. Sistemin denetim algoritmasını mikrodenetleyicili bir denetim devresi gerçekle tirmektedir. Fotovoltaik ünitenin iki eksenli hareketi ise sistemde bulunan do u-batı ve yükselme alçalma motorları ile sa lanmaktadır. ekil 1: Tasarlanan fotovoltaik enerji dönü üm ünitesinin prensip eması. Güne algılama elemanları denetim devresi ile senkronize çalı maktadır. Algılama elemanlarından gelen bilgiler denetim devresinde de erlendirilerek, sistemin iki eksenli hareketini sa lamak üzere do u-batı ve yükselme-alçalma motorlarının sürücü devrelerine uygun konum sinyalleri gönderilmektedir. Konum sinyalleri neticesinde motor sürücüleri konumlandırma motorlarını tahrik ederek, fotovoltaik ünitenin iki eksenli hareketi sa lanmaktadır. Bu i lem, güne ı ınlarının fotovoltaik panellerle dik gelmesi sa lanana kadar devam etmektedir. Güne ı ınlarının fotovoltaik panellere dik dü mesini sa layan algoritmanın yanı sıra sistemdeki bir di er algoritma ise fotovoltaik panellerden elde edilen elektrik enerjisinin ebekeye aktarılma i lemidir. Bu i lem ebeke denetimli bir evirici sayesinde gerçekle tirilmektedir. Fotovoltaik enerji dönü üm ünitelerinin genellikle kullanımında, fotovoltaik panellerin sabit konumda yerle tirildi i uygulamalarla daha sık kar ıla ılmaktadır. Bu çe it uygulamalarda, güne ı ınları sadece belirli bir zaman diliminde panellere dik olarak dü mektedir. Bu da panellerden elde edilen enerjinin gün içi ortalamasını oldukça dü ürmektedir. Tasarlanan ve gerçeklenen güne i izleyebilen sistemde ise güne enerjisinden gün boyu yararlanma olana ı ortaya çıkmaktadır. Bu sayede klasik sistemlerde ortaya çıkan kayıp enerjinin sisteme katılımı sa lanmaktadır. Güne i izleyen sistemin kullanılması ile sabit sistemlere göre yakla ık olarak %45 civarında daha fazla enerji üretilmektedir [2]. Fotovoltaik panellerden elde edilen elektrik enerjisi de i ik ekillerde depolanabilir veya aktarılabilir. Elektrik enerjisi ara tampon bölge olarak kullanılan akü gruplarında toplanarak ihtiyaca göre do ru akım olarak kullanılabilece i gibi bir evirici yardımıyla do ru akımdan alternatif akıma dönü türülebilir. Üretilen enerjinin bir di er kullanılma yöntemi ise bu çalı mada oldu u gibi ebeke senkronizasyonlu evirici yardımıyla alternatif akıma dönü türülerek do rudan ebekeye aktarılmasıdır. 3. Fotovoltaik Enerji Dönü üm Ünitesinin Yapısal Olarak ncelenmesi Tasarlanan ve gerçeklenen fotovoltaik enerji dönü üm ünitesi yapısal olarak iki ana kısımdan olu maktadır. Bu kısımlar mekanik sistem ve elektrik denetim sistemi olarak adlandırılmaktadır. Bu sistemler a a ıda detaylı olarak ele alınmı tır. 3.1. Mekanik Sistem Mekanik sistem ilk olarak Cad tabanlı bir çizim programı kullanarak panel sayısına ve ölçülerine göre tasarlanmı tır. ekil 2 de tasarlanan sistemin tasarım a amasındaki teknik resim çizimleri görülmektedir. 54
ekil 2: Tasarlanan fotovoltaik enerji dönü üm ünitesinin tasarım a amasındaki Cad çizimleri Mekanik sistemde iki eksenli radyal yatay ve dikey konumlandırma mekanizması tasarlanmı tır. Bu sayede sistem do u-batı ve a a ı-yukarı yönde radyal hareket edebilmektedir. Mekanik sistem, fotovoltaik panellerin ebatları göz önüne alınarak ve panelleri ta ımaya elveri li olacak ekilde tasarlanmı tır. ki eksende hareket edebilen asi sayesinde fotovoltaik panellerin, yatay ve dikey yönde radyal hareketi sa lanarak güne ı ı ı sürekli olarak izlenecek ve güne ı ınlarının panellere dik gelmesi sa lanacaktır. asinin iki eksende hareketini sa lamak amacıyla redüktörlü do ru akım motorları kullanılmı tır. Motorların mekanik sistemin uygun yerlerine konumlandırılması sa lanmı tır. 3.2. Elektrik Denetim Sistemi Elektrik denetim sisteminin en önemli elemanlarından biri güne algılama elemanlarıdır. Algılama elemanlarının mekanik asi üzerindeki görüntüsü ekil 3 te görülmektedir. ekil 4: Denetim devresinin görüntüsü Sitemdeki di er önemli elemanlar ise elektrik motorları ve bunlara ait sürücü devreleridir. Yükselme-alçalma i lemini gerçekle tirebilmek için 2, do u-batı yönde hareketi sa lamak için ise 1 adet redüktörlü do ru akım motoru kullanılmı tır. Yükselme-alçalma ve do u-batı hareket i lemlerini gerçekle tiren motorların mekanik asi üzerindeki görüntüsü ekil 5 te verilmi tir. ekil 3: Güne algılama elemanlarının mekanik asi üzerindeki görüntüsü Elektrik sisteminin kontrol merkezi niteli indeki mikrodenetleyicili denetim devresi sistemdeki karar mekanizmasıdır. Algılama elemanlarından gelen bilgiler do rultusunda güne in konumuna bu birimde karar verilir. Denetim devresinin görüntüsü ekil 4 te verilmi tir. ekil 5: Yükselme-alçalma ve do u-batı motorlarının sistem üzerindeki görüntüsü 55
Denetim devresi güne in konumunu belirledikten sonra, motor sürücü devrelerine uygun sinyalleri gönderir. Bu sayede sürücü devreleri ile do ru akım motorları tahrik edilerek fotovoltaik panellerin uygun konuma gelmesi sa lanır. 3.3. Fotovoltaik Enerji Dönü üm Ünitesinin Prototipi Mekanik sistemin ve elektrik kontrol sisteminin tasarımından sonra bu yapılar fiziksel olarak gerçekle tirilmi tir. Fotovoltaik paneller temin edilerek mekanik sistem üzerine uygun ekilde sabitlenmi tir. Prototipi gerçeklenen sistemde 20 adet 150W gücünde fotovoltaik paneller bulunmaktadır. Sistemin teknik özellikleri Tablo 1 de verilmi tir. Sistem içerisinde 20 adet fotovoltaik panel kullanıldı ından panellerinin toplam gücü 3000W tır. Bir güne panelinin günde ortalama 10 saat enerji üretti ini kabul ederek günlük toplam enerji birikimimiz, W T = 3000 Wx10h = 30000Wh (1) olarak hesaplanabilir. Sistemin hareket etmesinden dolayı kazandırdı ı enerji %45 civarında oldu undan bu sistem için sabit sisteme göre yakla ık 10000Wh daha fazla enerji üretilmektedir. Fotovoltaik ünitenin hareketini sa layan do u-batı motoru gücü 300W, yükselme-alçalma toplam motor güçleri ise 100W de erindedir. Sistemin iki eksendeki hareketini 60 saniyede tamamladı ı dü ünülürse günlük enerji tüketimi, 2x50 300 W g = + = 1.66 + 5 = 6. 66Wh 60 60 (2) olarak bulunur. Sonuç olarak hareketinden dolayı kazandırdı ı 10000Wh lik enerjinin sadece %0,06 sı hareket için harcanmaktadır. Tablo 1: Fotovoltaik sistemin teknik özellikleri Güne Paneli Gücü (P N ) 3000W Toplam Panel Alanı 20m 2 Dönü Açısı (Do u-batı) 0-180 Dönü Açısı (Yükselme) 5-90 Kontrolör Do u-batı Tahrik Motoru Yükselme-Alçalma Motoru PIC16F877 Redüktörlü Motor Redüktörlü Lineer Motor Tasarlanan ve prototipi üretilen sistemin farklı yönlerden görünü ü ekil 6 da verilmi tir. Tasarlanan ve fiziksel olarak gerçeklenen sistemin Kocaeli Büyük ehir Belediyesi Park ve Bahçeler Müdürlü ü bahçesinde kurulumu yapılmı tır. Sistem 2009 yılının Temmuz ayından itibaren aktif olarak çalı maktadır. Bu tarihe kadar fotovoltaik ünitenin ebekeye aktardı ı enerji 9 MWh de erindedir. 4. Sonuçlar Bu çalı mada, güne enerjisini verimli bir ekilde elektrik enerjisine dönü türebilmek amacıyla tasarlanan ve imal edilen güne i takip edebilen 3kW gücünde fotovoltaik enerji dönü üm ünitesinin tanıtımı yapılmı tır. Gerçeklenen sistemde, elektrik enerjisi üretiminde güne enerjisi kullandı ından dolayı çevreye oldukça duyarlıdır. Çünkü enerji dönü ümünü gerçekle tiren fotovoltaik paneller dönü üm esnasında çevreyi kirletecek herhangi zararlı bir atık üretmezler. Ayrıca kurulumdan sonra da çok az bakım gerektirirler. ekil 6: Güne i izleyen fotovoltaik ünitenin farklı yönlerden görünü ü Sistem, güne enerjisinin ülkemizdeki kullanımına bir örnek te kil etti inden dolayı ülkemiz teknolojisine yerli katkı sa lamaktadır. Buradaki olumsuzluk, fotovoltaik panellerin henüz ülkemizde üretilemiyor olmasıdır. Fotovoltaik panellerin üretimine ba lanması halinde bu enerjinin kullanımındaki dı ülkelere ba ımlılık tamamen ortadan kalkacaktır. Ayrıca kurulum maliyetleri de dü ecektir. Fotovoltaik sistem, güne in do u undan batı ına kadar olan zaman diliminde sürekli olarak güne ı ı ını izleyerek ı ınların paneller üzerine dik dü mesini sa lamaktadır. Sistemin bu özelli i sayesinde güne enerjisinin kullanımındaki verimlilik artmakta ve özellikle ilk kurulum maliyetleri yüksek olan sistemin kendisini amorti edebilme süresi kısalmaktadır. Ayrıca tasarlanan bu sistem daha geli mi özellikte olan güne ı ınlarının odaklanması prensibine dayalı yansıtıcı sistem uygulamaları için de bir alt yapı niteli indedir. 56
5. Te ekkür Bu çalı ma Kocaeli Büyük ehir Belediyesi tarafından desteklenmi ve finanse edilmi tir. Yazarlar katkılarından dolayı Kocaeli Büyük ehir Belediyesi ne te ekkür etmektedir. 6. Kaynaklar [1] Varınca, K.B., Gönüllü M.T., Türkiyede Güne Enerjisi Potansiyeli ve Bu Potansiyelin Kullanım Derecesi, Yöntemi ve Yaygınlı ı Üzerine Bir Ara tırma, 1.Ulusal Güne ve Hidrojen Enerjisi Kongresi, 2006. [2] Çolak., Bayındır R., Sefa., Demirba M., Güne Takip Sistemi ve Uygulaması, 1. Enerji Verimlili i ve Kalite Sempozyumu, TMMOB Elektrik Mühendisleri Odası Kocaeli ubesi, 2005, 301-305. [3] Urbano J.A., Matsumoto Y., Asomoza R., Aceves F.J., Sotelo A., Jacome A., 5Wp PV Module-Based Stand- Alone Solar Tracking System, 3rd World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 2003, 2463-2465. [4] Konar, A., Mandal,. A. K., Microprocessor Based Automatic Sun Tracker. IEE Proc.-Science, Measurement and Technology, 1991, 237-241. [5] Bingöl O., Altınta A., Öner Y., Microcontroller Based Solar-Tracking System and Its Implementation, Pamukkale Üniversitesi Mühendislik Fakültesi, Mühendislik Bilimleri Dergisi, Cilt No.12, 243-248, 2006. [6] Koyuncu, B., Balasubramanian, K., A Microprocessor Controlled Automatic Sun Tracker. IEEE Trans. on Consumer Elects., Vol. 37, 913-917, 1991. [7] Choi J.-S., Kim D.-Y., Park K.-T., Choi C.-H., Chung D.- H., Design of Fuzzy Controller based on PC for Solar Tracking System, International Conference on Smart Manufacturing Application, 2008, 508-513. [8] So J.H., Jung Y.S., Yu B.G., Hwang H.M., Yu G.J., Choi J.Y., Performance Result and Analysis of Large Scale PV System, 4th World Conference on Photovoltaic Energy Conversion, 2006, 2375-2378. [9] Poulek V., Libra M., New Solar Tracker, Solar Energy Materials and Solar Cells, Vol. 51, 113-120, 1998. [10] Cucumo M., De Rosa A., Ferraro V., Kaliakatsos D., Marinelli V., Performance Analysis of 3kW Grid- Connected Photovoltaic Plant, Renewable Energy, Vol. 31, 1129-1138, 2006. 57