ICNASE 16 International Conference on Natural Science and Engineering (ICNASE 16) March 19-20, 2016, Kilis Determination of Optimal Cable Sizing in PV Systems Sami Ekici Fırat Üniversitesi, Enerji Sistemleri Mühendisliği, Elazığ Mehmet Ali Köprü Bingöl Üniversitesi, Elektrik ve Enerji Programı, Bingöl ABSTRACT Photovoltaics (PV) are the systems which produce electrical energy from the solar energy directly. The systems generally are installed as stand-alone or grid-connected. The components of PV systems are invertor, battery, charge controller and connectors. The energy losses caused by these components affect the system performance adversely. In this study, the calculation of optimal solar cable cross sectional area is performed according to present and critical tariffs and permitted cross section of cable. The simulation of a stand-alone system which has 150 Wp power is performed by using PVsyst6.2.6 software to calculate optimal cable cross sectional area. The solar radiation values which are calculated by using the average equivalent solar hours and temperature information obtained from the Turkish State of Meteorological Service are transferred to the PVsyst software. To show losses caused by solar cables used in the PV systems, the solar cables which have different lengths and cross sectional areas are used in the simulated system. Keywords: Photovoltaics, energy losses, solar cable, PVsyst, cross sectional area. ÖZET PV Sistemlerde Optimum Kablo Kesitinin Belirlenmesi Fotovoltaikler (PV) güneş enerjisinden doğrudan elektrik enerjisi üreten sistemlerdir. Bu sistemler genel olarak şebekeden bağımsız veya şebekeye bağlı olarak kurulmaktadırlar. Fotovoltaik sistemlerin bileşenleri evirici, akü, şarz kontrol cihazı ve konnektörlerdir. Bu bileşenlerden kaynaklanan enerji kayıpları sistemin verimini olumsuz etkilemektedir. Bu çalışmada mevcut tarife, kritik tarife ve izin verilen kablo kesiti dikkate alınarak en uygun kablo kesit hesabı yapılmıştır. En uygun kablo kesitinin hesaplanması için PVsyst6.2.6 paket programı ile 150 Wp gücünde şebeke bağlantısız bir sistemin benzetimi yapılmıştır. Türkiye Meteoroloji Genel Müdürlüğü nden alınan ortalama güneşlenme ve sıcaklık bilgileri ile hesaplanan güneş ışınımı değerleri PVsyst programına aktarılmıştır. PV sistemlerde kullanılan solar kablolardan kaynaklanan kayıpları göstermek için benzetimi yapılan sistemde farklı uzunluk ve kesitlerdeki kablolar kullanılmıştır. Anahtar Kelimeler: Fotovoltaik, enerji kayıpları, solar kablo, PVsyst, kesit alanı. 1839 P a g e
1 GİRİŞ International Conference on Natural Science and Engineering (ICNASE 16) Nüfusun artısı, hızlı sanayileşme, şehirleşme ve teknolojinin gelişmesi ile birlikte doğal olan kaynaklara ve daha fazla enerjiye ihtiyaç duyulmaktadır [1]. Sürekli artan bu enerji ihtiyacının karşılanabilmesi, tükenebilen yakıtlar yerine yeni ve tükenemeyen enerji kaynağı arayışını zorunlu hale getirmiştir [2]. Yenilenebilir enerji kaynaklarının en önemli özelliği doğada sürekli var olmalarıdır. Yenilenebilir enerji teknolojilerinin çevre dostu olması bu enerjiye ilgiyi daha da arttırmıştır. Yenilenebilir enerji kaynaklarından biri olan güneş enerjisinin diğer enerji türlerine göre çok sayıda avantajı bulunmaktadır. Güneş enerjisinden elektrik enerjisi üretme tekniklerinden biri de fotovoltaik (Photovoltaic-PV) sistemlerdir. PV sistemlerden elektrik üretimi her geçen gün artmaktadır. PV sistemlerden günümüz teknolojisiyle maksimum %20-30 civarında verim elde edilmektedir. PV sistemlerin verimini etkileyen çevresel faktörler ve hatalı kurulumdan dolayı doğacak olan kayıplar toplam enerji veriminin düşmesine neden olmaktadır. PV sistemlerdeki başlıca kayıpalar gölgelenme, sıcaklık, sistemde kullanılan modül ya da eviricilerden kaynaklanan uyumsuzluk kayıpları, kullanılan solar hücrelerin üretim teknolojilerinden kaynaklanan modül kalite kayıpları ve bu çalışmanın ana konusu olan kablo kayıplarıdır. PV sistemlerinde meydana gelen kayıplara neden olan unsurlardan biri panel ve ara elemanların bağlantısı için kullanılan kablolarda medyana gelen kayıplardır. Kablo kayıpları PV sistemlerde gerilim düşümü ve enerji kaybına neden olmakla birlikte yanlış kablo kullanımı sonucu sistemin ekonomik maliyetini de olumsuz etkilemektedir. Kablo kayıpları küçük kurulu güçlerde çok belirgin olmamakla birlikte özellikle büyük kurulu güce sahip güneş enerji santrallerinde (GES) kullanılan kablo miktarının çok fazla olmasıyla birlikte çok daha belirgin hale gelmektedir. PV sistemlerinin kurulum maliyetlerinin oldukça yüksek, verimlerinin ise düşük olması sistem kayıplarını minimum seviyede tutmayı zorunlu kılmaktadır. Kurulum yapılmadan önce yapılacak iyi bir tasarımla bu kayıplar önemli ölçüde düşürülerek hem üretilen çıkış gücü arttırılabilir hem de başlangıç kurulum maliyetleri en düşük seviyede tutularak sistemin amortisman süresi kısaltılabilir. PV sistem kullanımının yeni olması ve bu alanda çalışan yeterli sayıda teknik elemanın bulunmaması hatalı ya da eksik kurulumlara neden olmaktadır. Detaylı hesaplamalar yapılmadan hatalı seçilen solar kablo kesiti hem sistemin verimini hem de amortisman süresini olumsuz etkileyecektir. Kablo kesiti hesabı yapılırken sadece gerilim ve akım değerlerini kullanarak yönetmeliklerde belirtilen izin verilen akım değerine bağlı olarak seçilen solar kablo kesiti güvenlik açısından bir sorun teşkil etmezken krulum maliyetleri ve sistem verimi üzerinde önemli rol oynar. Bu çalışmanın ikinci bölümünde kısaca PV sistemlerdeki kablo kayıplarından bahsedilmiş, üçüncü bölümde Dünya genelinde yaygın olarak kullanılan PVsyst paket programı kullanılarak gerçekleştirlen benzetim çalışması gösterilmiştir. Dördüncü bölümde ise enerji kayıpları, kablo maliyetleri, kanal açma ve işçilik maliyetleri dikkate alınarak optimum kablo kesiti hesabı yapılmıştır. 2 DOĞRU VE ALTERNATİF AKIM KABLOLARINDAN KAYNAKLANAN ENERJİ KAYIPLARI PV sistemlerde elektrik üretimi pahalı olduğu için sistem kayıplarının en aza indirilmesi gerekir. Sistem kayıplarının önemli bir kısmı elektriksel kısımlarda meydana gelir. PV sistemlerde en çok dış etkenlere ve zorlanmalara maruz kalan elemanlar kablolardır. Bir PV sistemde temel olarak üç tip kablo kullanılmaktadır. Bunlardan biri evirici ve yükler arasında kullanılan alternatif akım kablolarıdır. Bu kablolar mevcut şebeklerde kullanılan kablolarla aynı özelliklere sahip olup ulasal ve uluslar arası standartları belirgindir. Bir diğer kablo tipi heberleşme amaçlı kullanılan kablolardır. PV sistemler oldukça yeni olduğundan dolayı bu sistemlerde kullanılan üçüncü tipteki doğru akım kabloları hakkındaki standartlar son yıllarda şekillenmeye başlamıştır. Son yıllara kadar çeşitli tip ve standartlardaki solar kablolar kullanılmakla birlikte uygulamalarda karşılaşılan sıkıntı ve zorluklardan dolayı belirli kalite ve test koşullarını sağlayan solar kablo standartları oluşturulmaya başlanmıştır. Şubat 2015 ten itibaren ülkemizde de yürürlülüğü giren EN 50618 standardı birçok ülkede kullanılmaya başlanmıştır [4]. Şekil 2.1 de şebeke bağlantısız bir PV sistemin bağlantı şeması gösterilmiştir [3]. 1840 P a g e
Şekil 2.1. Şebeke bağlantısız PV sistem bağlantı şeması PV sistemlerde kullanılan malzeme kalitesinin büyük önemi vardır. İşletme aşamasında gerekli standartlara uygun olmayan kalitesiz kablo kullanımı kısa süre içerisinde sorun çıkartmakta ve bu kabloların yenilenmesini gerektirmektedir. Bu durum hem ek maliyetler getirerek amortisman süresini uzatmakta hem de sistem verimini olumsuz etkilemektedir. Benzer şekilde yanlış kablo kesiti seçimi de sistem verimini düşürerek ekonomik kayıplara neden olmaktadır. PV modül etiket değerleri standart test koşulları (1000 W/m 2 ışınım, 25 C ortam sıcaklığı ve 1.5 AM-hava kütlesi) altında belirlenmektedir. Çoğu uygulamada kablo kesit hesaplamaları yapılırken standart test koşullarındaki (STK) değerler dikkate alınmaktadır Fakat normal şartlarda PV sistem çıkışı değişken olduğundan ve nadiren STK da çalıştığından dolayı ortaya çıkan kablo yüklenmeleri farlılıklar gösterir ve bu durumda STK ına göre seçilen kesit uygun olmayabilir. Doğru ve alternatif kablo kesitinden dolayı meydana gelen gerilim düşümü enerji kaybına neden olmakta ve verimi düşürmektedir. PV sistem kablolarında meydana gelebilecek kayıpları minimize etmek için kablo kesitlerinin birçok parametreyi dikkate alarak optimize edilmesi gerekir. Bu şekilde kablo kayıplarının önüne geçilerek hem kurulum maliyetleri ve amortisman süreleri azaltılacak hem de sistem verimi arttırılacaktır. 3 PVSYST BENZETİM ÇALIŞMASI Bu çalışmada PVsyst6.2.6 paket programında örnek bir şebeke bağlantısız PV sistemin benzetimi yapılarak sistemde meydana gelen kayıplar incelenmiştir. PVsyst paket programı PV sistemlerin modellenmesi için dünya genelinde yaygın olarak kullanılan bir paket programdır [3]. Bu program genel olarak şebeke bağlantılı veya bağlantısız sistemlerin görsel olarak çizilmesi, güneş ışınımına bağlı olarak saatlik, günlük aylık ya da mevsimsel gölgelenme analizlerinin yapılması ve ekonomik olarak incelenemesi gibi birçok uygulamayı yapmaya olanak sağlar. Programın en önemli özelliklerinden biri de gerçek uygulamalarda kullanılan farklı firmalara ait panel, akü ve evirici gibi sistem bileşenlerini barındıran bir kütüphaneye sahip olmasıdır. Kurulum yapılacak alana ait coğrafik bilgiler, güneş ışınımı ve sıcaklık gibi veriler paket programın veri tabanlarından alınabileceği gibi kullanıcı tarafından manuel olarak da girilebilmektedir.pvsyst hakkında daha detaylı bilgilere [3] den ulaşılabilir. Şekil 3.1 de benzetimi yapılan PV sisteminin üstten görünüşü verilmiştir. 1841 P a g e
Şekil 3.1. Benzetim ortamının üstten görünüşü. Benzetin çalışmasında Meteoroloji Genel Müdürlüğü nden temin edilen güneşlenme süreleri ile hesaplanan Elazığ ilinin 1990-2012 yılları arasındaki aylık ortalama güneş ışınımı, dış ortam sıcaklığı verileri ve coğrafik konum bilgisi sisteme manuel olarak aktarılmıştır [5]. PVsyst programında bir adet Shenzen Topray marka 150 Wp gücüne sahip monokristal panel ve Lintech marka evirici kullanılmıştır. Benzetim çalışmasında, eğim açısı 30 derece olacak şekilde güney yönünde (azimut=0) konumlandırılmıştır. Şekil 3.2 de güneş panelinin yönü ve eğim açısıyla birlikte Elazığ ili için yıllık optimizasyon sonuçları görülmektedir. Şekil 3.2. Modüle ait eğim ve yön bilgisi Benzetim çalışmasında kullanılan 150 Wp nominal güce sahip güneş paneli monokristal yapıya sahip olup 36 adet seri bağlı güneş hücresinden oluşmaktadır. Şekil 3.3 te çalışmada kullanılan güneş panelinin boyutlarıyla ilgili bilgiler verilmiştir. Şekil 3.4 te ise kullanılan modüle ait STK daki akım-gerilim grafiği gösterilmiştir. 1842 P a g e
Şekil 3.3. Güneş panelinin özellikleri Şekil 3.4. Güneş paneline ait akım-gerilim grafiği Şekil 3.5 te hücre sıcaklığı 45 C iken farklı ışınım değerleri altındaki PV akım-gerilim grafiği görülmektedir. Aynı grafik üzerinde maksimum güç değerleride görülebilmektedir. Şekil 3.5. Farklı ışınım değerleri için akım-gerilim grafiği Sistemde evirici ile panel arasındaki bağlantı için farklı kesitteki kablolar kullanılarak kablo kayıpları incelenmiştir. STK da PV sistem verimi %14.90 dır. Şekil 3.6 da kablo kesiti 1.5 mm 2 olan 5m 1843 P a g e
uzunluğundaki solar kablo için kurulu sisteme ait kayıp diyagramı gösterilmiştir. Şekil 3.6 da görüldüğü gibi sistemde kullanılan kablolardan kaynaklanan kayıp %1.7 olmuştur. PV sistemim yıllık ürettiği enerji 185.4 kwh fakat şekil 3.6 da görüldüğü gibi şebekeye bir yılda aktarılan toplam enerji miktarı 136.5 kwh tir. Sistemde meydana gelen kablo, sıcaklık, evirici, uyumsuzluk, modul kalite kayıplarının sebep olduğu yıllık toplam enerji kaybı 48.9 kwh tir. Şekil 3.6. 1.5mm 2 iletken kesiti için sistem kayıp diyagramı Şekil 3.7 de 4 mm 2 kesitindeki kablo için sistemde %0.6 oranında kablo kaybı meydana gelmiştir. PV sistemde %5.7 sıcaklık kaybı,%3 kalite kaybı, %1 uyumsuzluk kaybı, %18 evirici kaybı %33 gölgelenme kaybı meydana gelmiştir. Yıllık üretilen enerji 185.4 kwh iken şebekeye bir yılda aktarılan toplam enerji miktarı 137.7 kwh tir. Sistemde meydana gelen yıllık toplam enerji kaybı 47.7 kwh tir. Şekil 3.7. 4 mm 2 iletken kesiti için sistem kayıp diyagramı. 1844 P a g e
R(mΩ) International Conference on Natural Science and Engineering (ICNASE 16) Şekil 3.8 de 10 mm 2 kesitindeki kablo kullanıldığında ise kablo kayıpları %0.2 olmaktadır. Yıllık ürettiği enerji 185.4 kwh iken şebekeye bir yılda aktarılan toplam enerji miktarı 138.1 kwh tir. Sistemde meydana gelen yıllık toplam enerji kaybı 47.3 kwh tir Şekil 3.8. 10 mm 2 iletken kesiti için sistem kayıp diyagramı Doğru akım kablo direnci kesitle ters, uzunlukla doğru orantılıdır. Şekil 3.9 da farklı kesitteki solar kablolarının direncinin uzunluk ile değişimi gösterilmiştir. R = ρ. l A (1) 70 60 50 40 30 20 10 0 1,5mm2 2,5mm2 4mm2 6mm2 10mm2 0 2 4 6 kablo uzunluğu (m) Şekil 3.9. Farklı kesit ve uzunluktaki kabloların direnç değerleri. 1845 P a g e
kayıp enerji (kwh) International Conference on Natural Science and Engineering (ICNASE 16) 3 2,5 2 1,5 1 0,5 0 1m 2m 3m 4m 5m kablo uzunluğu (m) 1,5 mm2 2.5 mm2 4 mm2 6 mm2 10 mm2 Şekil 3.10. Farklı kesit ve uzunluktaki kablolardan kaynaklanan enerji kayıpları. Şekil 3.10 da farklı kesitlerde ve uzunluklardaki kablolarda meydana gelen enerji kayıpları verilmiştir. Şekil 3.10 da da görüldüğü gibi kablo kesiti azaldıkça veya uzunluğu arttıkça enerji kayıpları da artmaktadır. Bu enerji kayıplarını azaltmak için kablo kesitinin arttırılması önerilebilir fakat kablo kesiti arttıkça sistem maliyeti de artmaktadır. Bunun için kurulum aşamasından önce PV sistemde kullanılacak en uygun kablo boyutlarının hesaplanması gerekir. PV sistemlerin maliyeti yüksek olduğundan sisteme yüksek kablo maliyetinin de eklenmesi kabul edilebilir bir durum değildir. 4. DOĞRU AKIM KABLOLARININ BOYUTLANDIRILMASI Tasarımcılar işletme esnasında meydana gelebilecek aksaklıları daha önceden bildiklerinden kablo kesitine bağlı meydana gelen gerilim düşümünden dolayı ortaya çıkan güç kayıplarını en aza indirmeye ve maliyetleri de göz önüne alarak iletken kesitini mümkün mertebe arttırmaya çalışırlar. Bir PV sistemde kullanılacak kablolar ile ilgili temel maliyet bileşenleri; kesit ile doğru orantılı olarak değişen kablo maliyeti (D), kesit ile ters orantılı olarak değişen ve iletkenin direncinden kaynaklanan enerji kayıpları (E) ve kablo kesiti ile doğrudan ilişkili olmayan kanal açma ve bunun gibi işçilik maliyetleridir (F). Kablo maliyetini hesaplamada tüm mali bileşenler için bir A indisi atanırsa, örneğin S seçilen iletken kesiti, S A ise izin verilen akım değerine göre seçilmiş minimum iletken kesiti olarak eklenirse maliyet hesabı denklem (2) deki gibi ifade edilebilir [6]. Toplam Maliyet = D A S S A + E A S A S + F A (2) Denklem (2) de de görüldüğü gibi S arttıkça kablo maliyeti de artacağından toplam maliyet de artar. Şayet S kesiti küçültülürse denklem (2) deki ikinci bileşen olan enerji kayıpları belirleyici maliyet bileşeni olur ve bu durumda da toplam maliyet artar. En uygun kablo kesitini bulmak için denklem (2) nin S S A ya göre birinci türevi alınırsa; Toplam Maliyet = D A E A ( S A S )2 (3) 1846 P a g e
Denklem (3) sıfıra eşitlenip yeniden düzenlenerek S S A oranı çekilirse en az maliyete sahip iletken kesiti bulunabilir. ( S S A ) = E A D A (4) Denklem (4) te en uygun iletken kesitinin hesaplanmasında işçilik ve diğer maliyetlerin bir etkisinin olmadığı görülmektedir. İletkenin kesitiyle ile doğru orantılı olan ve toplam maliyeti etkileyen D A aşağıdaki gibi ifade edilir; D A = (U + W). l. n (5) Buradaki U iletkenin birim maliyeti ($/m), W işçilik maliyeti ($/m), l iletkenin uzunluğu (m) ve n ise akım taşıyan iletken sayısını ifade etmektedir. İletkenin kesitiyle ters orantılı olarak maliyeti etkileyen E A ise iletkenin direncinden kaynaklanan enerji kayıplarının bir fonksiyonudur. İlekken kesiti azalırken iletken maliyeti de azalır ancak iletkenin direncinden kaynaklanan gerilim düşümü kayıpları artar. Standart bir işletmede elektrik tesisatı için kullanılan iletkenleri seçmek kolaydır. İşletmelerde kullanılan motor, aydınlatma gibi tesislerde 24 saat için ve yıl boyunca çekilen akım sabittir. Fakat güneş enerji santrallerinde gün içinde güneş radyasyonunun değişim göstermesinden dolayı solar kablolardan geçen akım 0 I mp aralığında değişim göstermektedir. I mp maksimum güç noktasındaki panel akımıdır. Güneş santralleri 24 saat boyunca çalışmazlar, güneş enerjisinin olmadığı saatlerde enerji üretmediklerinden akım taşımazlar. Bir güneş santralinde I 2 R den kaynaklanan enerji kayıplarının toplamı yıl boyunca watt-saat olarak hesaplanabilir. Her bir iletken için bir yıllık güneş kuşağında 8760 saat olacak şekilde yıllık enerji kayıpları hesaplanabilir. Bu kayıplar L A olarak ifade edilirse; L A = h=8760 2 h=1 I h R A n (6) Burada I h iletkenden geçen saatlik akımı, R A ise iletken direncini temsil eder. Saatlik iletken akımları PVsyst gibi bir program ile yapılacak benzetim çalışmasından elde edilebilir. İletkenin etkin kullanımını ifade etmek için aşağıdaki gibi bir şekil faktörü (K) tanımlanabilir. K = h=8760 h=1 I h 2 I 2 mp 8760 (7) Kablo direnci R A ise aşağıdaki gibi hesaplanır; R A = ρ l s A (8) ρ değeri iletkenin özdirenci olup sıcaklığa ve geçen akıma göre değişim gösterir. Nominal işletme şartlarında öz dirençteki değişim küçük olduğundan sabit bir ortalama değer kabul edilebilir. İletkenlerin yıllık enerji kayıplarını hesaplamak için denklem (7) ve (8) kullanılarak denklem (6) yeniden aşağıdaki gibi yazılır. L A = KI mp 2 8760.ρ.l.n S A 1000 (9) Burada 1000 değeri yıllık enerji kayıplarını kwh cinsinden hesaplamak için eklenmiştir. Bu kayıpların her yıl tekrarlandığı göz önünde bulundurulursa bir güneş santralinin 25 yıllık işletme süresi için 1847 P a g e
toplam kayıp maliyeti hesaplanabilir. Üretilen enerjinin kwh başına mevcut tarifesi mevcut durum için T olarak kabul edilir ise kullanım ömrü boyunca iletkenlerin ekonomik kayıpları L A. T olarak ifade edilir. Santralin 25 yıllık işletme süresi boyunca enflasyona bağlı olarak tarifedeki birim fiyatı değişir. Her yıl 1$ için enflasyon farkı ve indirim miktarı eklenerek 25 yıl için bir eflasyon katsayısı (γ 25 ) ile mevcut durumdaki enerji kayıpları kullanılarak 25 yıllık toplam enerji kaybı aşağıdaki gibi bulunabilir. γ 25 in hesaplanması ilgili detaylı bilgiler kaynak [6] da bulunabilir. E A = L A Tγ 25 (10) Denklem (4.10) kullanılarak 25 yıl için toplam enerji kayıp maliyeti denklem (4.11) deki gibi yazılabilir; E A = KI mp 2 8760ρlnTγ 25 S A 1000 (11) Denklem (5) ve (11) kullanılarak denklem (4) aşağıdaki gibi yeniden yazılabilir; S 2 8760ρTγ 25 S A = KI mp S A 1000(U+W) (12) Bu eşitlikten görüldüğü gibi seçilecek en uygun kablo kesitinin kablonun uzunluğu ve iletken sayısıyla ilişkisi bulunmamaktadır. Bu denklemden çıkarılacak diğer bir sonuç ise en uygun kablo kesitinde gerilim düşümünün de hiçbir etkisi yoktur. Bunun nedeni gerilim düşümünün iletken uzunluğunun bir fonksiyonu olmasıdır. S S A olarak bulunursa izin verilen akım şiddeti için gerekli kesit oranı optimal büyüklükte ve asgari kesitten büyük olur. Eğer S < S A olarak bulunursa bu kesit izin verilen akım şiddetinden küçük olduğundan kullanılamaz. Bu durumda S A optimal iletken kesiti olarak seçilir. S = S A olduğu özel durumda minimum iletken kesiti gerekli iletken kesitine eşit olur. S S A değerinin 1 olduğu durumdaki T değeri kritik tarife olarak adlandırılır [6]. Kritik tarife (T C ) ($/kwh) olarak ifade edilir ise; T C = S A(U+W) KI 2 mp 8.76 ρ γ 25 (13) Çoğu güneş santralinde seçilecek iletken kesiti izin verilen akım taşıma kapasitesine sahip kesitten büyük olarak seçildiği için (S S A ) uygulanan tarife kritik tarifeden büyük olur (T > T C ). Bu durumda denklem (12) ile (13) kullanılarak aşağıdaki eşitlik yazılabilir; S S A = T T C (14) Bu durumda seçilecek en uygun iletken kesiti; S = S A T T C (15) Denklem (15) incelendiğinde bir PV sistemde kullanılacak en uygun iletken kesiti, seçilebilecek minimum iletken kesiti, mevcut yerel elektrik tarifesi ve kritik tarifeye bağlıdır. T < T C durumunda S < S A olur. Bu da kesitin izin verilen akım şiddetine uygun olmadığını ve kesitin S A olacağını gösterir. Denklemlerin türetilmesi karışık olmasına rağmen sonuç basittir. Birkaç iyi bilinen ve tespit edilmesi kolay parametreleri kullanarak kritik tarifeyi bulmak kolaylaşır. Kritik tarifeyi bulmak için aşağıdaki bilgilere ihtiyaç duyulur: 1848 P a g e
İzin verilen akım şiddetine bağlı S A, Kurulumda kullanılacak cihazlar, seçilen kablo ve işçilik maliyeti K nın hesaplanması için santralin kurulacağı bölgenin güneşlenme süresi Seçilen modülün maksimum güç noktasındaki I mp akım değeri Kullanılacak iletkenin ρ değeri 25 yıllık beklenen enflasyon ve indirim oranları 4.1 ÖRNEK BİR PV SİSTEM UYGULAMASI İÇİN EN UYGUN KABLO KESİTİNİN HESAPLANMASI PV sistemdeki kayıpların minimum seviyeye düşürülmesi için yapılacak en önemli işlemlerden biri de kullanılacak kablo kesitinin uygun şekilde seçilmesidir. Bu bölümde benzetimi yapılan PV sistem için en uygun ve düşük maliyetli kablo kesitinin hesaplanması gösterilecektir. İzin verilen akım şiddetine bağlı kesit hesabı yapmak için panelin kısa devre akımının bilinmesi gerekir. Panelin ürettiği I SC akımına göre izin verilen akım şiddetine uygun kablo kesiti bulunur. Benzetim çalışmasında kullanılan güneş panelinin kısa devre akımı I SC = 8,820 A olarak belirtilmiştir. Bu akım değerine göre 2014 NEC (National Electrical Code) 310.15 (B) (16) tablosuna göre 12 AWG (American wire gauge) THWN alüminyum kablonun kullanılması uygundur. NEC bölüm 9 tablo 8 e göre, seçilen kablonun kesit alanı 3.31 mm 2 dir. THWN alüminyum kablonun üretim maliyeti 10.45 $/m, işçilik maliyeti ise 1 $/m dir. Şekil faktörü denklem (7) ye göre hesaplanarak K= 0.74 olarak elde edilir. PV sistem ömrü 25 yıl, enflasyon oranı %2, yıllık indirim oranı %5 olarak alındığında 25 yıl için şimdiki zaman para tablosu oluşturularak γ 25 = 17.53$ olarak elde edilmiştir [6]. Kritik tarife hesaplamasında kullanılan tüm bu parametreler tablo 4.1 de toplu olarak görülmektedir. Tablo 4.1. Kritik tarife hesaplamasında kullanılan parametreler ve değerleri S A 3.31mm 2 U 1.388$/m W 1$/m K 0.74 Imp 8.42 A ρ 0.0382 γ 25 17.53$ Tablo 4.1 deki değerler denklem (13) de yerine yazıldığında kritik tarife aşağıdaki gibi hesaplanır: T C = S A (U+W) = KI 2 mp 8.760ργ 25 3.31(6.94+5) 0.74 8.42 2 8.760 0.0382 17.53 = 0.128$/kWh Hesaplanan kritik tarife değerine göre en uygun kablo kesiti bulunabilir. Kritik tarife değeri cent e dönüştürülerek 12.8 /kwh değeri elde edilir. Yerel elektrik tarifesi 13 /kwh olarak kabul edilirse, en uygun kablo kesiti aşağıdaki gibi hesaplanır: S = S A T = 3.31 13 = 3.33 mm2 T C 12.8 Bulunan en uygun kesit hesabına göre PV sistemde kulanılacak kablo kesiti 3.33 mm 2 dir. Bu kesitte kablo üretimi olmadığı için, hesaplanan kesite uygun olması açısından en yakın bir üst kesit olan 4mm 2 lik kablo şeçilmelidir. 1849 P a g e
4 SONUÇ International Conference on Natural Science and Engineering (ICNASE 16) PV sistemlerin kurulumundan önce dikkat edilmesi gereken en önemli noktalardan biri de maliyet hesabıdır. Gerekenden daha büyük kesite sahip kabloların kullanılması daha düşük direnç ve gerilim düşümüne neden olmakla birlikte kablo maliyetinin gereksiz biçimde artmasına neden olmaktadır. Bu durumda hem sistem güvenliğini hem de gereksiz maliyet artışlarını dikkate alarak en uygun kablo kesitini belirlemek gerekir. Bu amaçla, gerçekleştirilen PV sistem için matematiksel olarak en uygun kablo kesiti hesaplanmıştır. Yıllık enflasyon ve indirim oranları sırasıyla %2 ve %5 olarak seçilerek şimdiki zaman para tabloları elde edilmiş ve kurulan sistem için en uygun kablo kesiti 4mm 2 olarak hesaplanmıştır. Elde edilen optimal kablo kesiti yerine 6mm 2 lik kablo kullanılırsa, kablonun her metresinde 0.696$ lık mali kayıp meydana gelir. 6mm 2 lik kablo kesiti için sistemin kritik tarifesi tekrar hesaplandığında 16.58 /kwh olarak bulunur. Optimal kablo yerine daha büyük kesitli kablo seçilirse, yerel tarife kritik tarifenin altında kalır ve kurulan PV sistem ekonomik olmaktan çıkar. 5 TEŞEKKÜR Bu çalışmaya TEKF.14.08 nolu proje kapsamında destek veren Fırat Üniversitesi Bilimsel Araştırma Projeleri Koordinasyon Birimi (FÜBAP) ne teşekkür ederiz. REFERANSLAR [1] Keçel, S. Yavuzcan, H. G., (2008). Türkiye deki Bölgesel Sıcaklık Değişimlerinin Güneş Panellerinin Verimliliğine Etkisi. Gazi Üniversitesi Endüstriyel Sanatlar Eğitim Fakültesi Dergisi, 22, 12-20. [2] Yorukoğulları, E. (2010). Yenilenebilir Enerji Kaynakları. T.C. Anadolu Üniversitesi Yayını No: 2927 Acıkoğretim Fakültesi Yayını No: 1884. [3] PVsyst Website, http://www.pvsyst.com/en/, consulted 04 February 2016. [4] Öztürk, İ., ve Aksoy, İ., Solar Kablo Sistemleri Güncel Standartlar, Malzeme Seçimi, Uygulamadaki Problemler ve Çözüm Önerileri, http://www.yenienerji.com, consulted 04 February 2016. [5] Ekici, B. B., Gülten, A., Elazığ İli İçin Şebeke Bağlantılı Bir Fotovoltaik Sistemin Performans analizi. II. Uluslar arası Sürdürülebilir Yapılar Sempozyumu (ISBS 2015 ), 28-30 Mayıs 2015,Türkiye [6] Gershony, Z.,Mccalmont,T. (2012). Optimal DC Cable Selection İn PV Desing. Sayı 5.5, SOLAR PRO, 64-73. 1850 P a g e