BULANIK MANTIK TABANLI TEK EKSEN GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİNİN TASARIMI VE UYGULAMASI Gökhan GÖL Anadolu Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü Havacılık Elektrik ve Elektroniği ABD gokhangol@anadolu.edu.tr Yrd. Doç. Dr. Emre KIYAK Anadolu Üniversitesi Havacılık ve Uzay Bilimleri Fakültesi Havacılık Elektrik ve Elektroniği ekiyak@anadolu.edu.tr Özet Bu çalışmada bulanık mantık tabanlı tek eksende kontrol edilebilen güneş takip sisteminin tasarım ve uygulaması gerçekleştirilmiştir. Güneş enerjisinin gelme açısına göre güneş paneli, bulanık mantık denetleyicisi ile ışık şiddetinin fazla olduğu tarafa yönlendirilmiştir. Böylece güneş ışınlarının güneş paneline en dik şekilde yansıması sağlanarak güneş panelinden elde edilen enerjinin maksimum oranda kullanılması sağlanmıştır. Anahtar Kelimeler: Bulanık mantık, kontrol sistemi, enerji verimliliği. DESIGN AND IMPLEMENTATION OF SINGLE-AXIS SOLAR TRACKING SYSTEM BASED FUZZY LOGIC Abstract In this study, based on fuzzy logic, which may be controlled single-axis solar tracking system design and procedures were carried out. According to the angle of incidence of solar energy, solar panel is directed to the side where the light intensity over the fuzzy logic controller. Thus, the solar radiation reflected by providing the solar panel in the upright position, the energy obtained from the solar panel is provided to be used to their maximum. Keywords: Fuzzy logic, control system, energy efficiency. 1. GİRİŞ Yenilenebilir enerji, sürekli devam eden doğal süreçlerden elde edilen ve doğal süreçlerin enerjisinin kullanılabilir forma dönüştürüldüğü enerji tipidir. Yenilenebilir enerji kaynakları güneş ışığı, rüzgâr, akan su, biyolojik süreçler ve jeotermal olarak sıralanabilir (Yenilenebilir Enerji, 2015). Yenilenebilir enerji kaynaklarının kullanımı fosil yakıtların sınırlı olması ve gün geçtikçe tükenmesi, çevreyi kirletmesi ve iklim değişikliğine neden olması açısından hızlı bir şekilde artmaktadır. Bunun yanı sıra her yere kurulabilecek sistemler olması ve çeşitli teknolojilerle geliştirilmeleri kullanımlarını artıran diğer bir faktördür. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en yaygın olanları güneş ve rüzgâr enerjileridir. Rüzgâr enerjisi elde etmek için kurulması gereken rüzgâr türbinlerinin kurulduğu yerlerin yeterince rüzgâr alıyor olması gerekmektedir ve ülkemizde her il bu koşulu sağlayamamaktadır. Ayrıca rüzgâr türbinlerinin çıkardığı sesin çevreye verdiği rahatsızlık türbinlerin yerleşim yeri uzağında alanlara kurulmasını gerektirmektedir. Bunun yanı sıra rüzgâr türbinlerinin kurulduğu rüzgâr alan bölgeler genellikle kuşların göç yolu üzerindedirler. Yapılan araştırmalar neticesinde kuşların kurulan türbinlerden dolayı ya göç yollarını değiştirdiği ya da birçok türbine çarparak öldükleri gözlemlenmiştir (Gül, 2015). Dolayısıyla yenilenebilir enerji kaynağı olarak rüzgâr türbinlerine kıyasla güneş tarlalarının kurulması daha fazla görülmektedir. Güneş enerjisi kullanılarak elektrik enerjisi elde etme yöntemi diğer yenilenebilir enerji kaynaklarına göre daha kolay, uygulanabilir, doğaya zararsız ve düşük maliyetli olduğundan ticari bir ürün olarak hızla yaygınlaşmaktadır. Ancak üretilen güneş pillerinin verimlerinin % 20 civarında olması, güneş enerjisinin tam verimde elektrik enerjisine dönüşmesini engellemektedir
(Make Solar Energy Economical, 2015). Bu yüzden güneş ışığından yüksek verim elde etmek için, güneşi takip eden sistemler ortaya çıkmıştır. Güneş takip sistemi, güneş panellerinin gün içerisinde güneşi takip ederek tam verimde çalışmasını amaçlayan, güneşin panellere dik gelmesini sağlayan izleme sistemidir. Bu sistemlerin kullanılması ile güneş panellerinden elde edilen verimin % 25 ile % 55 arasında arttığı gözlemlenmiştir (Irina and Cătălin, 2010). Güneş takip sistemlerinin geliştirilmesi ile ilgili son yıllarda çok fazla çalışma yapılmıştır. Çeşitli kontrol teknikleri kullanılarak panellerin güneş ışınlarını dik olarak alması için çalışmalar yürütülmektedir. Yapılan çalışmalara göre güneş takip sistemlerinde, foto direnç ya da fotosel kullanılması bulutlu ortamlarda daha yaygındır (Benghanem, 2011). Bir diğer çalışmada güneş takibinin optimal hale getirilmesi için PLC (programlanabilir lojik kontrol) ve adım motoru kullanılarak SCADA sistemi geliştirilmiştir (Figueiredo and Costa, 2008). Ayrıca mikro işlemci tabanlı bir güneş takip sistemi geliştirilerek takip sistemin çok kararlı olduğu gözlenmiştir (Saxena and Dutta, 1990). Ülkemizde yapılan bir çalışmaya göre ise, yılda metre kare başına 1100 kwh lik bir güneş enerjisi potansiyelinin olduğu görülmektedir (Altın, 2004). Bu çalışmada bulanık mantık tabanlı mikro işlemci ve kontrol üniteleri ile tek eksenli güneş takip sistemi tasarımı ve uygulaması geliştirilmiştir. Kontrolcü olarak bulanık mantık kullanılmış ve gerekli kontrol devreleri tasarlanmıştır. Kontrol devresi Atmega 328 mikro kontrolcüsü üzerine inşa edilmiş ve gerekli yazılımlar Matlab simülasyonları neticesinde oluşturularak kontrol birimine yüklenmiştir. 2. GÜNEŞ TAKİP SİSTEMİ UYGULAMASI Güneş takip sistemlerinin amacı verimliliği düşük olan güneş enerji sistemlerinde güneş ışınlarının tam açıyla güneş panellerine yansıtılmasını sağlamak ve tam verimde enerji üretimini gerçekleştirmektir. Bu yüzden sürekli olarak sistemin farklı noktalarına yerleştirilen güneş ışını şiddet sensörleri ile kontrol edilir ve güneş ışınlarını fazla alan noktaya doğru güneş panelleri DC motor ile hareket ettirilir. Güneş takip sistemi uygulaması için kullanılan malzemeler şu şekildedir: Atmega 328 mikrodenetleyici DC motor DC motor sürücü devresi Güneş paneli Tek eksen kontrol için mekanik sistem Besleme devresi Algılayıcılar 2.1. Atmega 328 Mikrodenetleyici Atmega 328 arduino uno üzerinde bulunan 14 adet dijital giriş/çıkış, 6 adet analog girişe sahip bir mikrodenetleyicidir. Dijital pinlerinden 6 tanesi PWM (Pulse Width Modulation) için kullanılabilmektedir (Şekil 2.1). Giriş/çıkış pinleri maksimum 40 ma e kadar akım verebilmektedir. Mikrodenetleyici üzerinde yazılan kodların saklandığı 32 kb flash hafıza, çalışma alanının oluşturulması ve değişkenlerin çağrılması için kullanılan 2 kb SRAM (Static Random Access Memory) ve kullanıcı için ayrılmış 1 kb EEPROM (Erasable Programmable Read Only Memory) bulunmaktadır.
Şekil 2.1. Atmega 328 Mikrodenetleyici Atmega 328 mikrodenetleyicinin bir devrede kontrol birimi olarak kullanılabilmesi için harici kristal ve kapasitör gibi bazı ek elemanlara gerek duyulmaktadır. Mikro denetleyicinin çalışması için 1 adet 16 MHz kristale ve 2 adet 22 pf kapasitöre, ihtiyaç vardır (Şekil 2.2). 2.2. DC Motor Şekil 2.2. Atmega 328 Devre Bağlantı Şeması Doğru akım elektrik enerjisini, mekanik enerjiye çeviren elektrik makinasına doğru akım motoru (DC motor) denilmektedir. Bu çalışmada güneş panelinin hareket ettirilebilmesi için düşük devirli yüksek torklu doğru akım motoru kullanılmıştır. Kullanılan motor (titan motor) dakikada 5 devir gibi küçük bir devir ile dönmekte ve cm başına 32 kg tork üretebilmektedir. Maksimum yük kapasitesinde 400 ma gibi düşük miktarda akım çekmektedir. 2.3. DC Motor Sürücü Devresi Doğru akım motorları iki telli, direk pilden enerji verildiğinde dönmeye başlayan motorlardır. Motor girişlerine uygulanan pilin + ve uçları yer değiştiğinde motor dönüş yönü değişmektedir. Kullanım esnasında motor yönünün bu şekilde değiştirilemeyeceğinden dolayı sürücü devreleri yapmak gerekmektedir. Çok sayıda doğru akım motor sürücü devresi bulunmaktadır. Ancak bu çalışmada oldukça popüler olan H köprüsü yöntemi ile motorun yön ve hız kontrolü yapılmıştır. H köprüsünün çalışma prensibi Şekil 3 de görüldüğü gibi kullanılan transistörlerin base uçlarına uygulanan lojik sinyallerin değişmesine dayanmaktadır. Devrede gösterildiği gibi eğer 1 ve 4 numaralı transistörlerin base tetikleme ucuna lojik 1, 2 ve 3 numaralı transistörlerin base uçlarına lojik 0 verilirse motor sola doğru dönecektir. Dolayısıyla ilgili doğruluk tablosu verilen bu örneğe göre çıkartılabilir. Şekil 2.3. H köprüsü çalışma şeması
Verilen şekilde H köprüsü BC237 transistörleri kullanılarak yapılmıştır. Ancak bu devre kurulduğunda trasnsitörlerin oldukça ısındığı ve motorun düzgün bir şekilde kontrol edilemediği görülecektir. Sadece sürücü devresinin nasıl çalıştığını anlamak için yapılan bu devre bu çalışmada motor kontrolü için kullanılmamıştır. Bu çalışmada motor hız ve yön kontrolü için Şekil 2.4 deki devre ütü baskı devre yöntemi ile pcb kart üzerine aktarılarak üretilmiştir (Şekil 2.5). Şekil 2.4. DC Motor Sürücü Devresi Şekil 2.5. Motor Sürücü Devresi Yapılan devreden de görüldüğü gibi sürücü devresine mikro denetleyiciden gelmesi için 2 giriş bulunmaktadır. Bu girişlerden Tablo 2.1 e göre gönderilen lojik sinyaller gönderilerek motor yön kontrolü yapılabilmektedir. Tablo 2.1. Sürücü Devresi Doğruluk Tablosu Giriş 1 Giriş 2 Motor Yönü ON OFF Sağ OFF ON Sol OFF OFF Dur ON ON İstenmeye Durum DC motor hız kontrolü darbe genişlik modülasyonu (PWM) metodu ile yapılmaktadır. Bu yöntemde motor uçlarına uygulanan voltaj sabit frekanslı kare dalga şeklindedir. Yani sürücüye gönderilen lojik 0 ve 1 darbelerin genişlikleri değiştirilerek motor hızı ayarlanmaktadır. Bu çalışmada kullanılan motor 600 Hz frekansında çalıştığı için periyot 1666 µs (mikro saniye) dir. Motor hızı motor sürücü devresine gönderilen sinyalin doluluk oranına (duty cycle) bağlı olarak ayarlanmaktadır. Eğer motor tam hızda döndürülmek istenirse mikro denetleyici yardımı ile motora analogwrite(255) komutu kullanılarak 255 değeri gönderilir. 255 değeri mikro denetleyici
çıkış ADC (Analog to Digital Converter) sinin 8 bit olmasından kaynaklanmaktadır. Şekil 2.6 da uygulanan doluluk oranlarına göre darbe genişlik modülasyonu görülmektedir. 2.4. Güneş Paneli Şekil 2.6. DC Motor Hız Kontrolü Güneş paneli, üzerinde güneş enerjisini soğurmaya yarayan birçok güneş pili hücresi bulunduran bir enerji kaynağıdır. Güneş pilleri / fotovoltaik piller, yarı iletken cihazların fotovoltaik etki özelliğini yani ışığı elektrik enerjisine çevirme özelliğini kullanarak güneş enerjisini elektrik enerjisine dönüştürürler. Bu çalışmada 15 Volt 20 W kapasitesinde 1 adet güneş paneli kullanılmıştır. 2.5. Besleme Devresi Bu çalışmada 2 farklı voltaj kademesine ihtiyaç duyulmuştur. Mikro denetleyicinin bulunduğu kontrol devresi için 5 V, motor sürücü devresi için 12 V gerilim gerekmektedir. Güneş panelinden alınan voltaj direk devrelere uygulanmamış akü şarj devresi yardımı ile kullanılan batarya şarj edilmiştir. Şekil 2.7 de 12 V akü için yapılan şarj devresi gösterilmiştir. Şekil 2.7. Akü Şarj Devresi Kontrol birimi için gerekli 5V ise buck konvertör devresi tasarlanarak yapılmıştır. Şekil 2.8 de lm517 entegresi kullanılarak yapılan çevirici devre gösterilmiştir.
Şekil 2.8. 15 5 V Çevirici Devre 2.6. Algılayıcılar Algılayıcılar, fiziksel ortamlarla elektronik devrelerin birbirine bağlanması için kullanılan, kontrol sistemlerinin duyu organları olarak isimlendirilmektedir. Basınç, sıcaklık, nem, güneş şiddeti gibi farklı değerlerin ölçülmesi için kullanılan birçok algılayıcı bulunmaktadır. Genellikle değerler algılayıcı üzerindeki direncin değişmesi ile voltaj cinsinden ölçülmektedir. Yani direnç ve voltaj arasındaki ilişki göz önüne alınarak ölçümler yapılmaktadır. Bu çalışmada güneş takip sistemi üzerindeki panellerin değişik noktalarına yerleştirmiş güneş şiddetini ölçen 2 adet fotodirenç kullanılmıştır. Fotodirenç sensörü ya da LDR (Light Dependent Sensor) ışığa bağlı, ters orantılı olarak direnci değişen bir algılayıcıdır. Güneş paneli üzerine baş ve son kısımlar olmak üzere sensörler yerleştirilmiştir. Baş ve son kısımlardaki sensörlerin aynı güneş şiddetini görmesi için bu sensör değerleri sürekli olarak okunmaktadır. Çalışmada kullanılan fotodirenç sensörleri direnç değişimine göre voltaj bilgisi vermektedir. Kullanılan atmega 328 mikro denetleyicisinin analog giriş pinlerine, uygun direnç yardımı ile bağlanan sensörden okunan değerler, denetleyicinin giriş ADC değeri 10 bit olduğu için 0-1023 arasında değişmektedir. Aslında 0-1023 arasındaki değerin lineer olarak karşılığı 0-5 V tur. Şekil 2.9 da denetleyici algılayıcı bağlantısı gösterilmiştir. Şekil 2.9. Atmega 328 LDR Bağlantısı
3. BULANIK MANTIK KONTROL SİSTEMİ Bulanık mantık (fuzzy logic) kavramı, ilk kez 1965 te Prof. A. Zadeh in makalesiyle duyulan, belirsizliklerin anlatımı ve belirsizliklerle çalışılabilmesi için kurulmuş matematiksel düzen olarak ifade edilmektedir (Zadeh, 1965). Bulanık kelimesi kesin/net olmayan, karışık, belli belirsiz şeklinde tanımlanmaktadır. Adından da anlaşılacağı üzere bu kontrol sisteminde, belirsizlik ortamında akıl yürütme mantığı ile değerlendirilme yapılarak yaklaşık sonuç elde edilmesi amaçlanır. Dünyadaki birçok modellenemeyen dinamik sistemler için uygun olan bu kontrol sistemi klasik Aristo mantığının aksine sadece 0 ve 1 lerle değil tüm ara değerler ile ilgilenerek sistemin tüm durumlarını inceleme imkânı vermektedir. Bu çalışmada güneş takip sistemi bulanık mantık kullanılarak kontrol edilmiştir. Sistem üzerindeki 2 farklı fotodirenç sensöründen alınan veriler, kontrol sistemine girdi olarak uygulanmıştır. Uygulanan girdiler bulanık kontrolün ilk birimi olan bulanıklaştırıcı birime girerek bir ölçek değişikliği ile bulanıklaştırılmaktadır. Başka bir deyişle; bu bilgilerin her birine bir üyelik değeri atanıp, dilsel bir yapıya dönüştürülerek, buradan kural işleme birimine gönderilir (Kıyak, 2003). Kural işleme birimine gelen bilgiler, bu birimde oluşturulan if..and..then.else gibi kural işleme bilgilerine uygun olarak modellenen kurallar ile birleştirilir. Girişlerden ve bu kurallardan oluşan girdiler çıkarım birimine gönderilerek bir sonuç elde edilir. Bir sonraki adımda ise kuralların neticesinde elde edilen sonuçların durulaştırıcı birimine gönderilerek bir ölçekten daha geçirildikten sonra gerçel sayılara dönüştürülmesi sağlanır. Bu çalışmada üyelik fonksiyonu olarak üçgen tip seçilmesi uygun görülmüştür. Üyelik fonksiyonları ve bulanık kontrol sistemi Matlab programı vasıtasıyla oluşturulmuştur. Oluşturulan giriş ve çıkış üyelikleri Şekil 3.1 de gösterilmiştir. Şekil 3.1. Birinci LDR ve çıkış üyelik fonksiyonları Üyelik fonksiyonları için tanımlanan üyelik etiketleri şu anlama gelmektedir: NB = negatif büyük NK = negatif küçük Z = sıfır PK = pozitif küçük PB = pozitif büyük
Kontrol sistemine birinci ve ikinci fotodirenç sensörlerinden alınan veriler giriş olarak uygulandı. Çıkış olarak, hızı ve yönü kontrol edilecek DC motorun PWM sinyalinin doluluk oranı ve yön kontrolü ayarlandı. N ile başlayan değerler motorun saat yönü tersine, P ile başlayan değerler motorun saat yönüne dönmesini sağlamaktadır. Doluluk oranı ise motorun hızlı ve yavaş dönmesi ve hiç dönmemesi için uygun üyelik değerleri seçilerek ayarlanmıştır. Tablo 3.1 de sistemin doğruluk tablosu bulunmaktadır. Tablo 3.1. Bulanık Kontrol Sistemi Doğruluk Tablosu LDR1 NB NK Z PK PB LDR2 NB Z PK PB PB PB NK NK Z PK PB PB Z NB NK Z PB PB PK NB NB NK Z PK PB NB NB NB NK Z Şekil 3.2 de Matlab programında oluşturulan kuralların çıktısını gösteren yüzey tablosu gösterilmiştir. Şekil 3.2. Matlab Kural Yüzey Görüntüsü Güneş enerji sisteminin voltaj ve akım bilgisi gerçek zamanlı olarak izlenmiştir. Aynı saatlerde sabit açıda duran sistem ile takip sisteminin aktif olduğu yani açının sürekli değiştiği sistem arasındaki fark Şekil 3.3 de gösterilmiştir. Şekil 3.3. Sabit Ve Hareketli Açılı Sistemlerin Güç Saat Grafiği
Tablo 3.2 de takip sistemi bulunan ve bulunmayan sistemden anlık olarak ölçülen voltaj, akım ve güç bilgileri verilmiştir. Bu sonuçlardan da anlaşılacağı üzere takip sistemi kullanılan sistemde elde edilen enerji artmıştır. Tablo 3.2 Sabit Açılı Ve Hareketli Sistemlerin Voltaj, Akım Ve Güç Grafikleri Takip sistemi var Takip sistemi yok Saat V (V) I (A) P (W) V (V) I (A) P (W) 11.00 13 1,3 16,9 11,2 1 11,2 12.00 14,5 1,32 19,14 13,9 1,28 17,79 13.00 15 1,34 20,1 15 1,32 19,8 14.00 14,9 1,21 18,03 14,3 1,1 15,73 15.00 15,1 1,2 18,12 13 1 13 16.00 12,8 0,9 11,52 10 0,81 8,1 Toplam 103,8 85,6 Tablo 3.2 den takip sisteminin yapıldığı ve yapılmadığı durumlar için elde edilen toplam güç değerleri dikkate alındığında verimin % 21.2 arttığı görülmektedir. Verimlilik = (103.8 85.6) 100 = % 21.2 85.6 Şekil 3.4 de bu çalışma kapsamında hazırlanan tek eksen güneş takip sistemi gösterilmiştir. Şekil 3.4. Tek Eksen Güneş Takip Sistemi 4. SONUÇ Bu çalışmada geleceğin en önemli enerji kaynağı olan güneş enerji sistemin de verimliliğin artırılması için güneş takip sistemi tasarlanmıştır. Tasarlanan güneş takip sisteminin kontrolünde bulanık mantık kullanılmıştır. Çalışma kapsamında kontrol, motor sürücü ve besleme devresi ile bir adet tek eksen güneş takip sisteminin mekaniği hazırlanmıştır.
Yapılan çalışma sonucunda tek eksen güneş takip sistemi kullanılan sistemlerden elde edilen enerjinin, kullanılmayan sistemlere göre % 21.2 oranında arttığı gözlemlenmiştir. Verimliliğin % 20 gibi oldukça düşük olduğu güneş enerjisinden elektrik üretimi için dizayn edilen sistemlerin, güneş takip sistemleri ile birleştirilerek verimliliğin artırılabildiği gözlenmiştir. İleriki çalışmalarda güneş takip sisteminin 2 eksende uygulanması planlanmaktadır. Verimlilik hesabı için gerçek zamanlı veri iletimi konusunda bir arayüz tasarlanacak ve sistem sürekli olarak takip edilebilecektir. Bulanık mantık kontrol sistemine girdi olarak mevcut algılayıcılara ilave algılayıcılar eklenecek ve hassasiyet optimum seviyeye getirilecektir. KAYNAKLAR Altın, V. 2004. Güneş Enerjisinden Yararlanılarak Elektrik Üretimi, Mimar ve Mühendis Dergisi, 33, 28-31. Benghanem M. (2011). Optimization of tilt angle for solar panel: Case study for Madinah, Saudi Arabia, Applied Energy 8, s:1427 1433. Figueiredo J. M. G. and Costa J. M. G. S. (2008). Intelligent Sun-Tracking System for Efficiency Maximization of Photovoltaic Energy Production, ICREPQ 08. Int. Conference on Renewable Energies and Power Quality. Symposium, Santander. Gül, R. Rüzgâr Türbinleri ve Kuşlar, https://www.climateinvestmentfunds.org/cif/sites/climateinvestmentfunds.org/files/4%20worldba nk_sunum.pdf (30 Haziran 2015) Irina T. and Cătălin A. (2010). A Study on the Tracking Mechanisms of the Photovoltaic Modules, Fascicle of Management and Technological Engineering, Vol: IX, s: 59-66. Kıyak E. (2003). Bulanık Mantık Yöntemiyle Uçuş Kontrol Uygulamaları, Yüksek Lisans Tezi, Anadolu Üniversitesi Make Solar Energy Economical, http://www.engineeringchallenges.org/9082.aspx (30 Haziran 2015) Saxena A. K. and Dutta V. (1990). A Versatile Microprocessor Based Controller for Solar Tracking, 21.IEEE Photovoltaic Specialists Conference, Kissimmee. Yenilenebilir Enerji, http://tr.wikipedia.org/wiki/yenilenebilir_enerji (30 Haziran 2015) Zadeh, L. A. (1965). Fuzzy Sets, Information and Control, 8, 338-353.