DENEY 1 GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ YENİLEBİLİR ENERJİ SİSTEMLERİ LABORATUAR YRD. DOÇ. DR. BEDRİ KEKEZOĞLU
DENEY 1 GÜNEŞ ENERJİSİ SİSTEMLERİ 1. GÜNEŞ ENERJİ SİSTEMLERİ Dünyamızın en büyük enerji kaynağı olan güneş enerjisi tarihsel süreç içerisinde elektrik enerjisi üretiminde de kendisini göstermiştir. Güneş enerjisi sistemlerinden elektrik enerjisi üretimini sağlayan sistemlere Fotovoltaik Sistemler adı verilir. Fotovoltaik kelimesi photo ve volta kelimelerinin bileşiminden ortaya çıkmıştır. Photo kelimesi Latincede ışık anlamını taşımaktadır. Volta (Count Volta: 1745 1827 İtalyan fizikçi) ise elektriksel bir büyüklük olan gerilimin birimi olarak kullanılmaktadır. Kısaca fotovoltaik (photovoltaic - PV) kelimesi güneş ışığının elektrik enerjisine direk çevrimini ifade etmektedir. 1.1 Fotovotaik Panellerin Yapısı Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretimini sağlayan fotovoltaik hücreler yarı iletken malzemeler kullanılarak üretilmektedirler. Bir PV hücresinin çalışma prensibi klasik p-n jonksiyonlu diyot ile çok benzerdir. şık jonksiyon tarafından absorbe edilince, absorbe edilmiş foton enerjisi malzemenin elektron yapısına aktarılır ve jonksiyon civarında oluşan boşluk bölgesinde, ayrışan yük taşıyıcıların oluşmasına neden olur. Foton Birikmiş negatif yükler Foton n p Elektron () (-) Delik Boşluk Bölgesi Birikmiş pozitif yükler Jonksiyon bölgesindeki elektrik yükü taşıyıcıları bir potansiyel oluşturur ve harici bir devre üzerinde akım sirkülâsyonu olur. 2.R devre elektrik enerjisine dönüşen güç olup, geriye kalan ve elektrik enerjisine dönüşmeyen foton gücü PV hücrenin sıcaklığını arttırır. Dış devreye bağlanan iletkenler delikleri iletemeyeceğinden dolayı sadece elektronlar dış devre boyunca akar. n kontağı üzerinde biriken elektronlar n-den p ye doğru ve yüzeyinde deliklerle birleşerek devreyi tamamlar. 1
Bir PV hücresinin basit yapısı aşağıdaki şekilde gösterilmiştir. Foto akımlarını toplamak için jonksiyonun her iki tarafına metal kontaklar yerleştirilmiştir. Hücrenin ön yüzü, yansıtmayı minimum seviyede tutacak ve mümkün mertebe çok miktarda ışığı yutacak anti yansıtıcı bir kaplama ile kaplıdır. Ayrıca mekanik koruma için en dış yüzeyi koruyucu bir cam ile kapalı olup, bu cam saydam bir yapıştırıcı ile sisteme tutturulmuştur. 1.2 Bir PV Modül ve Panel in Elde Edilmesi Tipik olarak bir PV hücre 25 30 cm 2 lik kare bir alana sahip olup, yaklaşık 1W lık güç üretir. Yüksek güçler elde edebilmek için birçok PV hücre seri ve paralel olarak bağlanır ve büyük bir alana sahip bir modül elde edilir. Bir PV güneş paneli ise ihtiyaç olan akım ve gerilimi üretecek şekilde modüllerin seri-paralel kombinasyonlarını içerir. Özetle, hücreler modülü, modüller paneli meydana getirir. HÜCRE MODÜL PANEL Hücrelerin seri bağlanmasıyla modül gerilimi artırılır, paralel bağlantı ile de sağlanmak istenilen akım değeri elde edilir. Benzer durum paneller birbiri arasında bağlantısında da geçerlidir. 2
1.3 Günümüzde Kullanılan PV Panel Türleri Günümüzde fotovoltaik panellerin üretiminde çoğunlukla silisyumdan faydalanılmaktadır. Kullanılan malzemenin yapısına göre paneller, 1) Kristal güneş hücreleri (Monokristal, polikristal) 2) İnce film hücreler 3) Nanoteknoloji hücreler şeklinde sınıflandırılabilirler. 1.4 PV Panel Akım Gerilim Karakteristiği Bir PV hücrenin elektriksel karakteristiği genellikle (i-v)=(akım gerilim) karakteristiği ile temsil edilir. sc Akım Maksimum gücün elde edildiği nokta 1 2 3 0 Voc Gerilim PV panellere ait akım gerilim karakteristik eğrileri ışınım miktarına göre farklılık göstermektedir. şınım değişimine bağlı olarak açık devre geriliminin değişimi oldukça küçüktür, buna karşın akım değerlerinde gözle görülür değişiklikler meydana gelmektedir. Buna göre farklı ışınım değerlerinde -V eğrisi aşağıdaki gibi değişir. sc %100 Güneş Akım (A) sc/2 %50 Güneş Bulutlu Bir Gün 0 Gerilim (V) Voc 3
1.5 PV Panel Güç-Gerilim Karakteristiği Aşağıdaki şekillerde bir PV panelin güç-gerilim karakteristiği görülmektedir. Şekillerden görüldüğü üzere PV panelin çıkış gücü gerilim değerine, panel üzerine düşen ışınım değerine ve hücre sıcaklığına göre değişkenlik göstermektedir. PV panellerin çıkış güçlerinin eğrilerden görüldüğü üzere en yüksek değerlerini aldıkları gerilim noktaları vardır. PV paneller ışınım veya sıcaklık değerleri ne olursa olsun, sürekli olarak çıkış uçlarından bu gerilim değeri alınıyormuş gibi çalıştırılmak istenir. Bu durumda verebilecekleri en yüksek güç değerini alınmış olur. Bu işlemin ismi Maksimum Güç Noktası Takibi (MGNT) veya İngilizce haliyle Maximum Power Point Tracking (MPPT) olarak bilinir. PV panellerin çıkış güçleri ışınım azaldıkça azalırken, sıcaklık artınca da azalmaktadır. 1.6 PV Hücre Modeli Bir PV hücre akım kaynağı, diyot ve dirençler kullanılarak aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi modellenebilir. V G V R s V d SC V d d rp R s sc p R p R p V T Bu durumda akım ve gerilim arasındaki matematiksel ilişki şu şekildedir: 4
= SC O (e q(v+ R S) k T 1) ( V + R S R p ) Burada SC, hücrenin kısa devre akımını [A] ; O, ters diyot doyma akımını [A] ; R S, seri direnç değerini [ohm] ; R p, paralel direnç değerini [ohm] ; q, elektron yükünü [1,602x10-19] ; k, Boltzman sabitini [1,381x10-23 j/k] ; T ise, Kelvin olarak jonksiyon sıcaklığını belirtir. Hücrenin sıcaklığı 25 o C kabul edilirse eşitlik şu hale gelir: = SC O (e 38,9(V+ R S) 1) 1 R p (V + R S ) 1.7 By-Pass ve Blokaj Diyotları Aşağıdaki şekilde PV panel içinde bulunan bir hücrenin gölgelenme durumu ele alınmıştır. Soldaki şekilde görüldüğü üzere akım kaynağından herhangi bir besleme gelmediğinde devreden akan akım paralel ve seri dirençler üzerinden geçen bir yol izler. Bu durumda ise hücrede enerji kaybı ve buna bağlı olarak ısınma ortaya çıkar. Bu istenmeyen durumların önlenmesi için PV hücreye paralel bir diyot bağlanır ve By-Pass diyotu olarak isimlendirilir. Böylece gölgelenme anında devre üzerinde düşen gerilim değeri sadece diyot gerilim kadar olurken enerji kaybı da bununla orantılı bir değer alır ve büyük enerji kayıplarının önüne geçilmiş olur. Aşağıdaki bulunan sağdaki şekilde By-Pass diyotu ve üzerinde düşen gerilim değeri ( 0.6 V ) gösterilmiştir. R s V sistem V R R n1 p s R s V sistem V n 1 0. 6 0 A sc 0 0 A R p (n) inci hücre sc 0 R p 0.6 V V( n 1) V( n 1) Köprüleme diyotları sistem akımının gölgeli veya hatalı çalışan modülün etrafından dolaşarak 5
akmasını sağlar. Köprüleme diyotları PV şeridin sadece performansını artırmakla kalmayıp, aynı zamanda hücreler üzerinde sıcak noktaların oluşmasını engeller. Benzer bir problem birden fazla PV şeridin paralel bağlanması durumunda da oluşur. Bu durumda hatalı veya gölgeli çalışan modül geri kalan diğer modüllerden akım çeker. Bu akımın PV şerit üzerinde oluşturacağı olumsuz etkiyi ortadan kaldırmak için her bir şeride blokaj diyotları konur. Bu blokaj diyotları aynı zamanda aküden gelebilecek ters akıma karşıda koruma görevi yapar. 2. DENEYİN YAPLŞ 2.1 Deneyin amacı Güneş panellerinde açık devre gerilimi ve kısa devre akımının tespiti şınım değişimine bağlı panel çıkış gerilimi ve akımının değişiminin gözlenmesi Panel açısının çıkış gerilimi ve akımına etkisinin gözlenmesi Gölgelenmenin panel performansına etkisi Güneş panellerinde akım gerilim karakteristiğinin elde edilmesi 6
2.2 Deney Seti Yukarıdaki resimde görülen deney seti Hibrit Deney Seti olup, bu deneyde sadece PV Panel kullanılacaktır. Kullanılan deney seti üzerinde bulunan ekipman aşağıda sıralanmıştır; 3 fazlı AC küçük güçlü rüzgar türbini Fotovoltaik panel ve ışık kaynağı Hibrid şarj regülatörü DC-AC inverter Batarya DC yük ve AC yük * Deney seti üzerinde bulunan ekipmanlar deney esnasında tanıtılacak ve deney setinin kullanımına ait bilgi verilecektir. 7
Ad Soyad : Numara : DENEY FÖYÜ 1. Güneş Paneli Açık Devre Gerilimi-Kısa Devre Akımı Karakteristiği şınım Değeri (W/m 2 ) Gerilim Değeri (V) şınıma Bağlı Gerilim Değişimi Gerilim (V) şınım Değeri (W/m 2 ) Akım Değeri (A) şınıma Bağlı Akım Değişimi şınım (W/m2) şınım (W/m2) Akım (A) 2. Açı Değişiminin Panel Çıkışı Üzerine Etkisi şınım Değeri (W/m 2 ) : şınım Gerilim Değeri Açısı (⁰) (V) 10 20 30 40 60 90 Akım Değeri (A) 8
3. Gölgelenmenin Panel Çıkışı Üzerine Etkisi şınım Değeri (W/m 2 ) : Gölgelenme Gerilim Değeri Oranı (V) 1/4 1/2 3/4 Tam Akım Değeri (A) 4. Güneş Paneli Akım - Gerilim Karakteristiğinin Eldesi şınım Değeri (W/m2) : Yük Değeri Gerilim Değeri (ohm) (V) 50 100 150 200 250 500 1000 Akım Değeri (A) Güç Değeri (W) PV Panel Karakteristiği Akım (A) Gerilim (V) 9
Güç - Gerilim Eğrisi Güç (W) Gerilim (V) 10