FV Panelden Beslenen Ad m Motoru için De i ik Ko ullarda Enerji Süreklili inin Sa lanmas Onur Ö. MENG 1 ve smail H. ALTA 2 1 Giresun Üniversitesi Giresun Meslek Yüksekokulu, 28200, Giresun onurmengi@yahoo.com 2 KTÜ Mühendislik Fakültesi Elektrik-Elektronik Mühendisli i Bölümü, 61080, Trabzon ihaltas@ktu.edu.tr ÖZET Günümüzde h zla artan enerji ihtiyac ve buna paralel olarak yükselen enerji fiyatlar ve çevre kirlili i gibi etkenler insanlar yenilenebilen enerji kaynaklar na yöneltmektedir. Sürekli ve çevre dostu olmalar nedeniyle bu kaynaklar daha fazla incelenmekte, kullan lmaya çal lmakta ve bu konuda yap lan ara t rmalar pek çok kurulu taraf ndan desteklenmektedir. Bu kaynaklardan biri de güne enerjisi ve bunun kullan m n kolayla t ran fotovoltaik (FV) panellerdir. Fiyatlar n n h zla dü mesi ve yayg nla malar nedeniyle FV paneller pek çok uygulamada kar m za ç kmaktad r. Bu makalede FV panelden beslenen bir ad m motorunun simülasyonu yap lmaktad r. Güne seviyesinin sürekli ayn olmamas ve farkl ortam s cakl klar nedeniyle güne panellerinin ürettikleri güçte sürekli olarak de i mektedir. Bu nedenle güne panelinin yeterli güç üretemedi i durumda yükün enerjisiz kalmas n n engellenmesi için sisteme bir akü grubu da ilave edilmi tir. Fotovoltaik panel ve akü kombine çal arak farkl do al artlardan etkilenmeden yükün talep etti i gücü sa lamaktad r. Akünün devreye girip ç kmas düzenleyici cihaz n kontrolünde gerçekle mektedir. Sistem fotovoltaik panel, akü grubu, düzenleyici devre, ad m motor sürücüsü ve ad m motorundan olu maktad r. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik (FV) Panel; Ad m Motoru; Yenilenebilir Enerji Kaynaklar. ABSTRACT Nowadays, renewable energy sources are getting more attraction due to rapidly groving energy demand, increasing costs of conventional energy sources, and environmental facts. Due to being an environmental friendly source, renewable energy is getting more interest for research projects, which are getting more support from well known energy companies as well as government organizations. One of these renewable energy sources is the solar energy. Photovoltaic (PV) panels are used to convert solar energy directly to electrical energy. Due to dropping costs of the PV panels the usage of solar energy is increasing every day. In this study, PV panels supplying power to a step motor under various weather conditions are simulated. The power generated by the PV solar panel changes depending on the solar irradiation and temperature levels. The variation in the generated power level brings the system into an unstable operation. Therefore it is required to keep the supply power continuous by using backup units such as battery units. The battery unit is controlled in such a way that the load is fed by the PV source as long as there is sufficient sunlight and by the battery if the sunlight is low. The proposed renewable energy scheme consists of a PV panel, a battery unit, charge regulator, stepper motor, and motor drive. Key Words: Photovoltaic (PV) Panel; Stepping Motor; Renewable Energy Sources. 583
1. G R Özellikle ebekeden uzakta kurulan sistemler enerji ihtiyac n ya sadece dizel generatörlerden ya da güne ve rüzgar gibi yenilenebilir enerji kaynaklar temin etmektedirler. Ancak güne ve rüzgar süreklilik özelli ine sahip kaynaklar olmad ndan, bu süreklili i sa layabilmek için yedekleme aküleri kullanmak gerekir. Bu yedekleme aküleri güne ve rüzgar enerjisinin yeterli olmad zamanlarda destekleyici yedek kaynak olarak kullan l p, yüke verilen enerjinin kesintiye u ramamas sa lan r. Dolay s yla bu yedekleme akülerinin kullan lmad klar zamanlarda sürekli dolu kalacak ekilde arj edilmeleri gerekir. Öyle ki, gün ve/veya rüzgar n yeterli oldu u zamanlarda yüke gerekli güç aktar l rken, ayn zamanda aküler doldurulmal, gün ve rüzgar gücünün yetersiz kald durumlarda akülerden faydalan larak noksan kalan güç kar lanmal, gün ve rüzgar gücü hiç yokken de yüke gerekli tüm elektrik gücü akülerden sa lanmal d r. Yüke verilen elektrik gücünün sürekli kalabilmesi için, Fotovoltaik (FV) güne enerji sistemi, rüzgar enerji sistemi ve yedekleme akülerinin uygun ekilde bir ara yüz ba lant cihaz üzerinden birbirlerine ba lanmalar gerekir. Kullan lan ara yüz eleman n n kontrol edilmesi ve gerekli anahtarlama i lemlerinin do ru yap lmas burada as l problemi olu turmaktad r. öyle ki, bu ara yüz eleman n n gerekti i gibi denetlenmesi sonucu FV ve rüzgar türbininden sa lanan güç yeterli ve fazla oldu unda aküler doldurulabilsin, sa lanan bu güç yetersiz kald nda da aküler devreye girebilsinler. Bu çal mada ele al nan sistem böyle bir amaç dü ünülerek tasarlanm t r. Buradaki FV/Akü grubundan bir ad m motoru beslenmektedir. Ad m motorlar izleme ya da hassas ayarlaman n gerekli oldu u yerlerde s kça kullan lan motorlard r [1]. Böyle bir sistem bir radar istasyonu olabilece i gibi, güvenlik sistemi veya do al hayat izleyen ve kaydeden hareketli bir izleme sistemi de olabilir. Bu sistemler ula m n zor, do al artlar n çetin oldu u ve ebekeye uzak yerlerde bulunabilirler. Dolay s yla kendi kendine yetebilen, bak m maliyetinin az oldu u bir yap ya sahip olmalar istenir. Bu çal mada FV/Akü grubundan beslenen bir ad m motorunun MATLAB/Simulink ortam nda modellemesi ve simülasyonu yap lmaktad r. Sistem fotovoltaik panel, akü grubu, düzenleyici devre, ad m motor sürücüsü ve ad m motorundan olu maktad r. Bu çal man n as l amac, FV güne gözelerinin ve dolay s yla da FV panellerin MATLAB/Simulink ortam nda genel amaçl kullan ma hitap edecek ekilde modellenmesi ve di er sistem bile enleriyle uyumlu çal acak ekilde birle tirilmesidir. Bu çal mada önerilen FV panel modeli, benzeri çal malarda kullan lan ve sabit güne radyasyonu ve ortam s cakl nda kullan labilen matematik formülünden farkl bir yakla mla gerçekle tirilmi olup, MATLAB/Simulink 584
kütüphanesinde bulunan dinamik sistem modüllerinden de faydalan larak, her an de i ebilecek güne radyasyonu ortam s cakl n n etkileri de modellemeye dahil edilmi tir. Burada önerilen FV panel modellemesi tümüyle aç k kaynak yakla m yla yap lm olup, FV panel modellenmesiyle u ra an birçok ara t rmac ya bu konuda k tutacak özelliktedir. 2. YÖNTEM 2.1. FV Güne Pilinin E de er Devre Modeli FV güne pilinin basitle tirilmi e de er devre modeli ekil 1 de verildi i gibi bir ak m kayna ile temsil edilmektedir. RS IP L IFV ID D VP L ekil 1. FV güne pilinin e de er devresi. Bu modelde gün ile gelen fotonlar n serbest elektronlar harekete geçirerek olu turduklar elektrik ak m bir ak m kayna taraf ndan temsil edilmektedir. Üretilen bu fotoak m n bir k sm, ekil 1 de gösterildi i gibi, t pk bir diyotun P-N birle me noktas na sahip FV pilde diyot ters doyma ak m I D olarak ayr lmaktad r. ekil 1 de verilen e de er devredeki R s direnci s l kay plar temsil etmektedir. MATLAB/Simulink ortam için geli tirilen referans model ekil 1 de gösterilen devrenin ç k gerilimini ifade eden (1) denklemidir. Bu denklemden hareketle k ve s de i imlerini de içeren bir model geli tirilmi tir. V A k T I ln I I R I pil ph 0 pil pil S pil e I0 (1) Burada, I pil FV pilin ç k ak m n (A), I ph k seviyesi ve P-N birle im noktas s cakl n n fonksiyonu fotoak m (5A), I 0 D diyodunun ters doyma ak m n (0.0002A), V pil FV pilin ç k gerilimini (V), R S e de er devrenin seri direnci (0.0001 ), e elektron yükünü (1.6021917x10-19 C), k Boltzmann sabitini ( 1.380622x10-23 J/ o K), T pil referans çal ma s cakl n ( o K) ve A e ri uydurma faktörünü (100) ifade etmektedir. Denklem (1) de verilen FV güne pili ç k gerilimi baz sabit de erlerin yan s ra pil çal ma s cakl (T pil ), gün taraf ndan belirlenen fotoak m (I FV ), ve yük taraf ndan belirlenen pil ak m na (I pil ) ba l d r. Bu üç 585
de i kenden pil ak m rahatl kla ölçülebilir. Boltzmann sabiti k ve referans çal ma s cakl T pil ayn s cakl k birimine sahip olmal d r. Denklem (1) de verilen A katsay s bir e ri uydurma faktörü olup bu denklemden elde edilecek olan I-V karakteristi inin deneysel olarak elde edilen gerçek I-V karakteristi ine uyumunu sa lamak için kullan lmaktad r. Denklem (1) ile verilen ifade bir tek FV pilin ç k gerilimini temsil etmektedir. Bu modeli FV panel modeline dönü türmek için pil gerilimi seri ba l pil say s yla, pil ak m n n da paralel ba l kol say s ile çarp lmas gerekir. Ortam ko ullar de i ince, paneldeki FV pillerin çal ma s cakl T pil de de i erek yeni bir fotoak m ve yeni bir ç k gerilimi olu turur. FV pillerin çal ma s cakl, güne radyasyonu seviyesi ve ortam n s cakl na ba l olarak de i ir. De i ken ortam s cakl T X pilin ç k gerilimi ve fotoak m n etkiler. Bu etkiler kaynak [2-5] de aç klanan yöntemlerle belirlenen s cakl k ak m katsay s C TI, s cakl k gerilimi katsay s C TV, k ak m katsay s C SI, ve k gerilimi katsay s C SV kullan larak modele dahil edilmi tir. VXpil CTV CSV Vpil ve IXFV CTI CSI IFV (2) Burada, V Xpil, ve I Xph de i en s cakl k ve gün etkilerini içeren FV pil ç k gerilim ve foto ak m d r. Denklem (2) ifadesindeki V pil ve I FV ise referans al nan pil çal ma s cakl ve gün seviyelerindeki pil ç k gerilimi ve fotoak m n n de erleridir [6-7]. 2.2. FV Matlab/Simulink Modeli Fotovoltaik güne pili Denklem (1) temel al narak Simulink ortam nda gerçekle tirilmi tir. S cakl k de erlerinin Kelvin e çevrilmesi, C TV, C TI, C SV, ve C SI de erlerinin hesaplanmas için alt sistemler olu turulmu tur. Bu sistem ekil 2 de verilmektedir. ekil 2. FV Güne pilinin Simulink modeli. 586
De i en s cakl k (T X ) ve gün (S X ) iddeti de erlerine ba l olarak güne pilinin ak m ve gerilim de erleri de i ti i için bu etkinin sisteme dahil edilmesi gerekmektedir. Bu etkiler ekil 2 de görülen bloklar vas tas yla elde edilmektedir. T X ve S X de erleri modele dahil etmek üzere kaynak [2,5] de verilen modelleme kullan larak ilgili C TV, C TI, C SV ve C SI katsay lar alt bloklar kullan larak modellenmi tir. 2.3. Ad m Motoru ve Enerji Süreklili i ekil 3 de simülasyonu yap lan sistemin genel MATLAB/Simulink ortam ndaki i levsel blok emas verilmektedir. Burada FV paneller, akü grubu, düzenleyici devre, ad m motor sürücüsü ve ad m motoru görülmektedir. FV paneller 2 erli seri ba l, paralel 2 koldan olu maktad r. Motorun istedi i gerilim; uygun ortam ko ullar bulunmad durumda FV panelden elde edilemeyece i için bu esnada motor ihtiyaç duydu u enerjiyi akü grubundan temin etmektedir. FV panellerin yada akü grubunun devreye girip ç kmas n düzenleyici cihaz kontrol etmektedir. Yeterli gerilimin olmad durumda akü grubunu devreye sokmakta ve ortam artlar iyile ti inde yani FV paneller gerekli enerjiyi sa lad nda akü grubunu devreden ç kararak FV panelleri devreye almaktad r. Sistemde hibrit ad m motorunu süren bir sürücü de bulunmaktad r. Fazlar uygun zamanlarda uyararak motorun dönmesini sürücü devre gerçekle tirmektedir. Sürücü devreye uygulanan i aretler sinyal üretecinde üretilmektedir. ekil 3. Sistemin genel i levsel emas. Ortam ko ullar ndaki de i iklikler sistemin çal mas n etkilemektedir. Bu nedenle ortam s cakl ve güne radyasyon seviyesi de i tirilerek farkl ortam ko ullar olu turulmaya çal lm t r. Anlat lan denklemlerden güne panelleri için özellikle güne radyasyon 587
seviyesindeki de i imlerin panel gücünü fazla miktarda etkiledi i görülmektedir. Yap lan simülasyonda ortam s cakl 25C o de sabit tutulurken güne radyasyon seviyesinin de i ti i varsay lm t r. lk önce güne radyasyon seviyesi 100mW/cm 2 iken 0,05sn an nda bu de er %25 azalt larak 75mW/cm 2 de erine ve 0,01sn an nda tekrar %25 azalt larak 50mW/cm 2 de erine dü ürülmü daha sonra 0.15 sn an nda %25 art r larak 75mW/cm 2 de erine ve son olarak 0,2 sn an nda tekrar %25 art r larak 100mW/cm 2 de erine yükseltilmi tir. Bu esnada sistemin çal mas incelenmi tir. Elde edilen sonuçlar ekil 4-8 de görülmektedir. 3. SONUÇLAR VE ÖNER LER ekil 4 de ad m motorunun fazlar na ait ak m de erlerinin zamana göre de i imleri görülmektedir. Ad m motor sarg lar n n çektikleri ak mlar 3A civar ndad r. ekil 5 de ad m motorun moment, aç sal h z ve motor aç s n n zamana göre de i imi görülmektedir. Bir faza enerji verilmesi bu esnada di er faz n enerjisiz kalmas nedeniyle grafikler tarakl bir yap ya sahiptir. Bu esnada motorun dönmekte oldu u ekil 5 deki son grafikte net olarak görülmektedir. ekil 6 da FV panellerin ak m ve gerilim de i imleri görülmektedir. Güne radyasyon seviyesindeki de i imler nedeniyle panellerin ürettikleri güçlerde de i mektedir. Panellerin k sa devre gerilimleri ve ak m de erleri azalmakta, bu durumda ad m motoruna yeterince gerilim uygulanamad için düzenleyici devreye girerek FV panelleri devreden ç karmakta ve akü grubunu devreye sokmaktad r. t=0,05sn an nda güne radyasyon seviyesi de i ti i için FV panellerden 48,5V elde edilmektedir. FV panel gücü azald için düzenleyici devreye girerek ad m motorunu akü grubunun beslenmesini sa lamaktad r. ekil 7 de t=0,05 an nda devreye giren akü grubunun sa lad gerilim görülmektedir. FV panellerin yükü beslemedi i durumda bir ak m çekilmedi i için bu de er s f rd r. Bu di er geçi noktalar nda da ayn ekildedir. Güne radyasyon seviyesinin her de i iminde FV paneller ile akü grubu aras ndaki devreye girip ç kma ekil 7 de daha rahat görülmektedir. t=0-0,05sn ve t=0.2-0.25sn an nda FV paneller, t=0,05-0,2sn aral nda akü grubu ad m motorunu beslemektedir. Bu grafiklerden düzenleyici devrenin görevini yapt ve duruma göre FV panelleri yada akü grubunu devreye ald görülmektedir. ekil 7 deki grafiklerde motorun sistemden FV/Akü grubundan çekti i ak m da görülmektedir. ekil 8 de akülerin olmad, sadece FV panellerin bulundu u durumda ad m motor ak m ve gerilimlerinin zamana göre de i imi görülmektedir. Bu durumda ortam ko ullar ndaki de i im nedeniyle FV panellerin üretti i gerilim de erinin de i mesi nedeniyle ad m motor gerilim de erinin sabit kalmad ve azald görülmektedir. Akülerin bulundu u durumda ise ad m motor 588
gerilim de eri sabittir. Sistemde akü grubu ve FV panellerin düzenleyici kontrolünde aktif bir ekilde devreye girip ç kmalar sonucu ad m motoru enerjisiz kalmadan beslenebilmektedir. Ortam ko ullar ndaki de i imlerden ve sistemin kendisinden kaynaklanan geçici rejimlerden etkilenmeden yani herhangi bir enerji kesintisi meydana gelmeden çal an bir sistem simülasyonu gerçekle tirilmi tir. Her ne kadar yap lan bu simülasyon ile sistem çal sa bile düzenleyicinin, güne enerjisinin fazla oldu u durumda aküleri arj edemeyen bir yap ya sahip olmas en büyük problemdir. Bu nedenle fazla güne in oldu u ve enerji tüketiminin az oldu u durumlarda FV panellerin akü grubunu arj edebilecek ekilde düzenlenmesi gerekir. Bu duruma alternatif olarak sistemde yak t pili, dizel jeneratör kullan labilir yada sisteme bir rüzgar türbini ilave edilebilir. ekil 4. Ad m motor faz ak mlar n n zamana göre de i imleri. ekil 5. Ad m motorun moment, aç sal h z ve motor aç s n n zamana göre de i imi. ekil 6. FV panellerden elde edilen ak m ve gerilimin zamana göre de i imleri. 589
ekil 7. Ad m motoruna uygulanan ak m ve gerilimin zamana göre de i imi. ekil 8. Akülerin olmad durumda ad m motor ak m ve geriliminin zamana göre de i imi. 4. KAYNAKLAR 1. Mengi, O. Ö., Hareketli Nesne zleme ve Konum Denetimi, Karadeniz Teknik Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü, Yüksek Lisans Tezi, Trabzon, 2004. 2. Altas, I. H. and Sharaf, A. M., A Fuzzy Logic Power Tracking Controller for a Photovoltaic Energy Conversion Scheme, Electric Power Systems Research Journal, Vol.25, No.3, 227-238, 1992. 3. Altas, I. H. and Sharaf, A. M., A Novel On-Line MPP Search Algorithm For PV Arrays, IEEE Transactions on Energy Conversion, Vol. 11, No. 4, 748-754, 1996. 4. Altas, I. H. and Sharaf, A. M., A Novel Photovoltaic On-Line Search Algorithim For Maximum Energy Utilization, International Conference on Communication, Computer and Power (ICCCP'07), February 19-21, Oman, 2007. 5. Mengi, O. Ö. ve Alta,. H., Fotovoltaik Güne Pilleri çin Genel Amaçl Bir MATLAB/Simulink GUI Modeli, Ulusal Teknik E itim, Mühendislik ve E itim Bilimleri Genç Ara t rmac lar Sempozyumu UMES 07, Kocaeli, 2007. 6. Mashaly, H. M., Sharaf, A. M., Mansour, M. and El-Sattar, A. A., A Photovoltaic Maximum Power Tracking Using Neural Networks, Vol.1, 167-172, 1994. 7. Ching-Tsai Pan, Jeng-Yue Chen, Chin-Peng Chu and Yi-Shuo Huang, A Fast Maximum Power Point Tracker for Photovoltaic Power Systems, Industrial Electronics Society, IECON '99, Vol 1, 390-393, 1999. 590